JP2015104196A - Polymer actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は高分子アクチュエータに関する。 The present invention relates to a polymer actuator.
誘電性高分子(誘電体ポリマー)に電圧を印加すると伸縮・屈曲する特性が知られており、当該特性を利用したアクチュエータ(高分子アクチュエータ)の研究開発が行われている。高分子アクチュエータは、駆動力の発生源が樹脂であり軽量で、また単位重量・体積あたりの発生力が大きいなどの特徴を有し、新たな分野での利用も期待されている。 The property of expanding and contracting when a voltage is applied to a dielectric polymer (dielectric polymer) is known, and research and development of an actuator (polymer actuator) using the property is being conducted. Polymer actuators are characterized in that the driving force is generated from resin and light in weight, and the generated force per unit weight and volume is large, and are expected to be used in new fields.
下記特許文献1,2に示される高分子アクチュエータは、陽極、誘電体ポリマー及び陰極を重ねた積層体を備え、電極間に電圧を印加して誘電体ポリマーを変形させ、積層体の厚みを収縮させる。また、電圧の印加を停止、又は電圧を下げることで誘電体ポリマーの弾性により積層体の厚みを復元させる。
The polymer actuator shown in the following
なお、下記特許文献3には高分子アクチュエータに用いることができる誘電体ポリマーの例について紹介されている。 Patent Document 3 below introduces examples of dielectric polymers that can be used in polymer actuators.
電圧印加時に収縮し電圧非印加時に伸張する積層体を用いた従来の高分子アクチュエータは、電圧の印加を停止した際の誘電体ポリマーの弾性力によって外部に対して仕事をする。そのため、当該アクチュエータが発生する力はもっぱら誘電体ポリマーの弾性により支配される。 A conventional polymer actuator using a laminate that contracts when a voltage is applied and expands when a voltage is not applied works to the outside by the elastic force of the dielectric polymer when the voltage application is stopped. Therefore, the force generated by the actuator is governed solely by the elasticity of the dielectric polymer.
この点、電圧印加時に仕事をする構成とすれば、力の大きさ等の制御の自由度が高まる。しかし、電圧印加による積層体の収縮時に外部に対して仕事を行う場合、積層体には引張応力が働くことになり、例えば、電極と誘電体ポリマーとが分離したり、誘電体ポリマー内に亀裂が生じたりして、アクチュエータとしての機能が低下しやすいという問題があった。特に、大きな変位を得るために陽極、誘電体ポリマー及び陰極からなる1組の積層構造を複数積層した構成では、積層数の増加と共に応力に対して弱い箇所が生じる確率が高くなる。 In this regard, if the configuration is such that work is performed when a voltage is applied, the degree of freedom in controlling the magnitude of the force and the like is increased. However, when work is applied to the outside when the laminate contracts due to voltage application, tensile stress acts on the laminate, for example, the electrode and the dielectric polymer are separated, or cracks are formed in the dielectric polymer. Or the like, and the function as an actuator is likely to deteriorate. In particular, in a configuration in which a plurality of laminated structures each composed of an anode, a dielectric polymer, and a cathode are laminated in order to obtain a large displacement, the probability that a portion that is weak against stress increases as the number of laminated layers increases.
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、陽極、誘電体ポリマー及び陰極を重ねた積層体の厚みを収縮させる際に外部に対して仕事を行うのに好適な高分子アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and is a polymer actuator suitable for performing work on the outside when shrinking the thickness of a laminate in which an anode, a dielectric polymer, and a cathode are stacked. The purpose is to provide.
本発明に係る高分子アクチュエータは、誘電性高分子材料層の両面に電極を重ねた積層体を有し、前記積層体の駆動面にする一方表面に可撓性を備えた前記電極を配し、電圧印加による前記積層体の厚みの収縮で前記駆動面を後退させる力発生部と、前記駆動面を壁面の一部とし作動液を充填された密閉液室からなる力伝達部と、前記積層体の収縮に応じて、前記壁面の一部をなす可動部が変位し駆動負荷に力を作用する力作用部と、を有する。 The polymer actuator according to the present invention includes a laminate in which electrodes are stacked on both sides of a dielectric polymer material layer, and the electrode having flexibility is arranged on one surface which serves as a driving surface of the laminate. A force generating unit that retracts the driving surface by contraction of the thickness of the laminate by applying a voltage; a force transmitting unit that includes a sealed liquid chamber filled with a working fluid with the driving surface as a part of a wall surface; The movable portion that forms part of the wall surface is displaced in accordance with contraction of the body, and has a force acting portion that applies force to the driving load.
他の本発明に係る高分子アクチュエータにおいては、前記積層体は、前記誘電性高分子材料層を1層のみ有し、かつ当該積層体の面積が任意の方向への平行投影像よりも大きくなる立体形状を有する。 In another polymer actuator according to the present invention, the laminate has only one dielectric polymer material layer, and the area of the laminate is larger than a parallel projection image in an arbitrary direction. It has a three-dimensional shape.
さらに他の本発明に係る高分子アクチュエータは、さらに、前記密閉液室内に固定され前記作動液を通過させると共に、前記積層体の非収縮時には、前記駆動面となる前記積層体の一方の表面を押さえる積層体押さえ部材を有する。 Still further, the polymer actuator according to another aspect of the present invention is fixed in the sealed liquid chamber and allows the working fluid to pass therethrough, and when the laminated body is not contracted, one surface of the laminated body serving as the driving surface is provided. A laminated body pressing member for pressing is provided.
別の本発明に係る高分子アクチュエータは、さらに、前記力発生部を前記作動液から分離し保護する膜であって、前記駆動面となる前記積層体の一方の表面を被覆し当該表面に追随して変形する分離膜を有する。 Another polymer actuator according to another aspect of the present invention is a film that separates and protects the force generation unit from the hydraulic fluid, and covers one surface of the laminate that serves as the driving surface and follows the surface. And having a separation membrane that deforms.
さらに別の本発明に係る高分子アクチュエータは、前記力発生部及び前記力伝達部を格納するケースを有し、前記電極のうち前記誘電性高分子材料層に対し前記駆動面とは反対側に配置された背面電極は、前記電圧印加により前記誘電性高分子材料層を引き込む複数の貫通孔を有し、当該貫通孔は前記ケースの外部と連通する。 Still another polymer actuator according to another aspect of the present invention has a case for storing the force generation unit and the force transmission unit, and is on the opposite side of the dielectric polymer material layer from the drive surface of the electrode. The arranged back electrode has a plurality of through holes into which the dielectric polymer material layer is drawn by applying the voltage, and the through holes communicate with the outside of the case.
さらに本発明に係る高分子アクチュエータは、誘電性高分子からなるゲル層を挟んで第1及び第2電極層を配置した積層体を有し、電圧印加により前記ゲル層を前記第1電極層に引き寄せて前記積層体の厚みを収縮させ駆動力を発生する力発生部と、前記第2電極層を壁面の一部とし圧力伝達液を充填された密閉液室からなる力伝達部と、を有する。 Furthermore, the polymer actuator according to the present invention has a laminate in which the first and second electrode layers are arranged with a gel layer made of a dielectric polymer interposed therebetween, and the gel layer is applied to the first electrode layer by voltage application. A force generating part that draws and contracts the thickness of the laminate to generate a driving force; and a force transmitting part that includes a sealed liquid chamber filled with a pressure transmitting liquid with the second electrode layer as a part of a wall surface. .
当該高分子アクチュエータにおいては、前記力伝達部として、前記積層体に隣接した液室であって、駆動負荷に力を作用する力作用部の可動部を当該液室の前記壁面の一部とする積層体外液室を有する構成とすることができる。 In the polymer actuator, the force transmitting portion is a liquid chamber adjacent to the laminated body, and a movable portion of a force acting portion that applies a force to a driving load is a part of the wall surface of the liquid chamber. It can be set as the structure which has a laminated body external liquid chamber.
また当該高分子アクチュエータにおいては、前記ゲル層と前記第2電極層との間に設けられ、前記圧力伝達液として導電性液体を充填された積層体内液室を有する構成とすることもできる。 In addition, the polymer actuator may include a laminated body fluid chamber that is provided between the gel layer and the second electrode layer and is filled with a conductive liquid as the pressure transmission liquid.
本発明によれば、陽極、誘電体ポリマー及び陰極を重ねた積層体の厚みを収縮させる際に外部に対して仕事を行うのに好適な高分子アクチュエータが得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a polymer actuator suitable for performing work on the outside when shrinking the thickness of a laminate in which an anode, a dielectric polymer, and a cathode are stacked.
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
図1及び図2は第1の実施形態に係る高分子アクチュエータ2の模式的な断面図である。図1、図2は高分子アクチュエータ2の駆動方向に沿った断面図であり、同図の縦方向が駆動方向となる。図1は電圧非印加状態を示しており、図2は電圧印加状態を示している。
[First Embodiment]
FIG.1 and FIG.2 is typical sectional drawing of the
高分子アクチュエータ2は力発生部6、力伝達部8及び力取り出し部(力作用部)10を備える。本実施形態ではこれら各部はケース4により一体とされている。力発生部6は誘電性高分子材料層の両面に電極を重ねた積層体を有し、電圧印加による積層体の厚みの収縮により駆動面を後退させる。具体的には、力発生部6は陰極12、ゲル層14及び陽極16からなる積層体18を有する。力伝達部8は力発生部6が発生した力を液体を介して力取り出し部10に伝達する。具体的には、力伝達部8は液室20と作動液22とで構成される。力取り出し部10は力伝達部8により力発生部6から伝達された力を外部に取り出す。力取り出し部10は本実施形態ではダイアフラム24で構成される。さらに高分子アクチュエータ2は、分離膜26及び積層体押さえ部材28を有する。
The
以下、さらに詳細に高分子アクチュエータ2の各部の構成を説明する。
Hereinafter, the configuration of each part of the
ケース4は力発生部6及び力伝達部8を内包する。またケース4内の空間の一部は力伝達部8の液室20を構成し、ケース4は液室20につながる開口部30を形成され、当該開口部30に力取り出し部10が取り付けられる。また、ケース4は陽極16に設けられる貫通孔32をケース4外部と連通させる孔34を形成される。ケース4は高分子アクチュエータ2の動作にて変形しない剛性を有する。
The case 4 includes a
積層体18において、ゲル層14は誘電体ポリマー層(誘電性高分子材料層)であり、その一方面に接して陰極12が重ねられ、他方面に接して陽極16が配置される。陰極12及び陽極16は図示しない配線により駆動回路(図示せず)に接続され、当該駆動回路から電位を設定され、例えば、陰極12と陽極16との間に電圧を印加しない状態(電圧非印加状態)とされたり、陰極12に対して陽極16に正電圧を印加する状態(電圧印加状態)とされたりする。
In the
積層体18は電圧印加状態にて厚みが収縮するように構成されている。その基本的な原理・構造は従来の高分子アクチュエータに基づく。本実施形態の積層体18では、上述のように陽極16に貫通孔32からなる凹部を形成し、ゲル層14は電圧非印加時に基本的には貫通孔32に入らないように配置される。ゲル層14は例えば、ポリ塩化ビニル(PVC)を主材料とし、可塑剤が添加されたものである。電圧印加時にはゲル層14は陽極16との接触面積を増加させるようにクリープ変形し、これにより凹部に引き込まれる。その結果、陰極12と陽極16の上面との間に存在するゲル層14の量が減り、ゲル層14に密着した陰極12が陽極16側に後退して積層体18は圧縮変形し薄くなる。ちなみに、電圧を非印加状態にすると、ゲル層14はその弾性により元の位置に復元し積層体18は元の厚みに戻る。
The laminated
積層体18は陽極16を例えば、ケース4に固定され、陰極12を液室20側に向けてケース4内に格納される。つまり積層体18の陰極12の側の表面が積層体18に印加される電圧に応じて進退する駆動面をなす。
The laminate 18 is stored in the case 4 with the
陰極12は例えば、金属薄膜や金属メッシュで形成され、ゲル層14の形状変化に追随して変形する可撓性を有する。例えば、分離膜26に金属薄膜を蒸着等で形成し、当該金属薄膜を陰極12とすることもできる。
The
陰極12のゲル層14側の面は基本的には滑らかな平面に形成する。これにより、陰極12とゲル層14との間に引張応力が作用する場合に、不用意に応力が集中する箇所の発生を避けることができ、両者の密着状態が維持されやすい。一方、陰極12とゲル層14との密着面内での引張応力の変動が大きくならないように配慮しつつ、陰極12の表面に凹凸を設けて表面積を大きくし、密着力を高めることもできる。例えば、陰極12のゲル層14側の面を1方向又は2次元的に波状に変化する形状としてもよい。
The surface of the
陽極16は電圧印加によりゲル層14が移動しても撓まないように構成され、これにより積層体18の変形が好適に駆動面の変位に変換される。陽極16にはゲル層14に面する領域全体に多数の貫通孔32が配列される。当該貫通孔32は電圧印加時にゲル層14を内部に引き込むためのものである。陽極16においてゲル層14が引き込まれる凹部が閉じた空間であると、ゲル層14が凹部に引き込まれる際に当該空間の気圧が高くなり、ゲル層14の引き込みが阻害され得る。そこで、陽極16に設ける凹部は貫通孔32とし、孔34を介してケース4の外部と連通させることが好適である。
The
なお、積層体18は特開2012−161221号公報に示される、陽極16に凹部を形成せず、ゲル層14の陽極16側に凸部を形成する構造とすることもできる。この場合にはケース4の孔34は不要であり、また陽極16を液室20側に向け、陰極12をケース4に固定する構成とすることもできる。
In addition, the
液室20は密閉された空間であり、その壁面の一部は力発生部6の駆動面からなり、また開口部30には力取り出し部10が設けられる。液室20には作動液22が充填される。作動液22として、非圧縮性で、液室20の内壁面となるケース4、駆動面、力取り出し部10を浸食等しない液体が用いられる。
The
分離膜26は力発生部6を作動液22から分離し保護する膜である。分離膜26は力発生部6の駆動面となる陰極12の表面を被覆し当該表面に追随して変位、変形すると共に、作動液22が力発生部6に浸潤することを阻止する。よって、分離膜26は柔軟性を有し、かつ作動液22に対して耐性を有する材料からなる。また、図1又は図2に示す構造では分離膜26はゲル層14に接触する部分を有するので、ゲル層14やそれに含まれる可塑剤等に対する耐性を有することが好ましい。
The
例えば、分離膜26の端部はケース4に接着、溶着され、作動液22が力発生部6側に浸入することを阻止する。
For example, the end of the
なお、作動液22が力発生部6に浸入しても高分子アクチュエータ2の動作に悪影響を与えない液体、例えば、絶縁性を有し陰極12と陽極16との短絡を生じず、またゲル層14の劣化を生じないような液体であれば、分離膜26は省略することも可能である。
A liquid that does not adversely affect the operation of the
積層体押さえ部材28は液室20内に固定され作動液22を通過させると共に、積層体18の非収縮時には、駆動面となる陰極12の表面を押さえる部材である。例えば、積層体押さえ部材28はメッシュ状、多孔質状とすることができる。
The laminated
後述するように、高分子アクチュエータ2は力発生部6の駆動面の変位を作動液22を介して力取り出し部10の可動部の変位として取り出すものであるが、逆に、力取り出し部10の可動部の変位が力発生部6の駆動面の変位を生じ得る。具体的には、電圧非印加状態にて、力取り出し部10の可動部が例えば外力を受けて外向きに変位すると、作動液22の圧力が低下して駆動面が引っ張られる。その結果、陰極12がゲル層14から剥離したり、ゲル層14内に亀裂が生じたりして積層体18に欠陥が生じ高分子アクチュエータ2の性能が低下し得る。この点、積層体押さえ部材28を設けることで、電圧非印加時にて力取り出し部10の可動部が引っ張られても、駆動面(分離膜26又は陰極12の表面)は積層体押さえ部材28により変位が阻止され、上述の不都合が防止される。
As will be described later, the
また、陰極12は可撓性を有するので、液室20内での作動液22の流動やケース4の振動等により、陰極12、ゲル層14が波打つなど揺らいだ状態となり得る。電圧非印加時に陰極12等が揺らいだ状態にあると、電圧を印加したときの駆動力の立ち上がりが遅くなり得る。この点、積層体押さえ部材28を設けて電圧非印加時の駆動面を静定させることで、当該不都合を防止して電圧印加に対する駆動力の応答速度を確保することができる。
In addition, since the
力取り出し部10は液室20の壁面の一部をなす可動部としてダイアフラム24を有し、積層体18の収縮時に作動液22の圧力に応じてダイアフラム24が変位し駆動負荷に力を作用する。力取り出し部10はダイアフラム24に限定されず、例えば、ベローズ、ピストンなど圧力変化を変位に変換する周知の構造を用いることができる。
The force take-out
次に高分子アクチュエータ2の動作について説明する。高分子アクチュエータ2は積層体18の収縮時に駆動負荷に対して仕事をすることができる。以下当該動作について説明する。当該動作では例えば、図1に示す電圧非印加状態から図2に示す電圧印加状態とする際に高分子アクチュエータ2は外部に対して仕事をする。積層体18に電圧を印加することで積層体18は圧縮変形し、駆動面(分離膜26又は陰極12の表面)が後退する。すると、油圧駆動と同様の原理で、駆動面の後退による液室20の容積の増加量を相殺するようにダイアフラム24が変位して液室20の容積を一定に保つ。そのダイアフラム24の変位で仕事を行うことができる。なお、力取り出し部10の変位する部分の面積を変えることによって、力取り出し部10での取り出す力と変位量との割り当てを変更することができる。
Next, the operation of the
この動作において、パスカルの原理により、液室20の内壁面には均等な圧力が作用する。つまり、高分子アクチュエータ2は作動液22を用いた力伝達部8を備えることで、仕事をする際に駆動面に作用する力を均一にすることができる。特に、駆動面の後退時には駆動面は作動液22から負圧を受け引っ張られるが、当該負圧が駆動面内で均一になる。つまり、駆動面内にて負圧の大きさにばらつきが生じないことにより、陰極12がゲル層14から剥離したり、ゲル層14内に亀裂が生じたりしにくくなる。
In this operation, an equal pressure acts on the inner wall surface of the
積層体18は複数層のゲル層14を有する構成、例えば、陰極12、ゲル層14、陽極16、ゲル層14、陰極12、…というように陰極12、ゲル層14及び陽極16からなる1単位の積層構造が繰り返して含まれるような構成とすることもできる。しかし、上述の作動液22による圧力の均一化の効果は作動液22に近い層ほど好適に得られ、作動液22から離れるほど当該効果は弱まり得る。よって積層体18の欠陥の発生を抑制する観点からは積層体18に含まれるゲル層14の層数は少ない方がよく、特に積層体18は図1、図2に示すようにゲル層14を1層だけ含む構成とするのが好適である。
The
高分子アクチュエータ2は上述の構成により電圧印加時に仕事をする動作を可能とし、これにより、発生する力の大きさや速度を電圧により制御することが容易となる。
The
なお、高分子アクチュエータ2は、電圧印加により収縮した積層体18を電圧非印加時の非収縮状態に復元させる際に駆動負荷に対して仕事をする動作を行うようにもできる。
The
また、高分子アクチュエータ2を例えば安全装置に用いて、停電に連動して当該安全装置を起動させる機構を構成することができる。具体的には、電源が供給されている通常時には、当該電源を用いて高分子アクチュエータ2に電圧を印加して積層体18を収縮状態に維持し、停電時に積層体18が非収縮状態に戻る際の力取り出し部10のダイアフラム24等の可動部の変位により安全装置のスイッチを起動させる。この動作は、従来の高分子アクチュエータを用いても可能であるが、本実施形態の高分子アクチュエータ2は、安全装置のスイッチが通常時に設定される状態を維持するのに付勢力を必要するものである場合にも好適である。
Moreover, the mechanism which starts the said safety device in response to a power failure can be comprised using the
具体的には、当該スイッチは例えばばねなどの弾性体により、安全装置が起動しない状態(ここでは、スイッチのオフ状態とする)を維持するには付勢力を要するメカニカルな構成を有し、当該付勢力がなければスイッチは自らオン状態となり安全装置が起動する。高分子アクチュエータ2は当該スイッチに付勢力を与えるために用い得る。高分子アクチュエータ2は通電時にスイッチのばねなどに対して仕事をし、当該スイッチをオフ状態にする。通電状態では、当該仕事はばねなどに位置エネルギーとして保持されると共に、高分子アクチュエータ2はスイッチをオフ状態に維持する。
Specifically, the switch has a mechanical configuration that requires an urging force to maintain a state where the safety device does not start (here, the switch is turned off) by an elastic body such as a spring, for example. If there is no biasing force, the switch is turned on by itself and the safety device is activated. The
一方、停電すると高分子アクチュエータ2はスイッチに対する付勢力を発生しなくなる。その際、積層体18がゲル層14の弾性で非収縮状態に復元することによってだけでなく、スイッチのばねなどが位置エネルギーが低い状態へ復元する力も合わさって、スイッチはオン状態に切り替わり安全装置が起動する。
On the other hand, when a power failure occurs, the
当該動作において、スイッチをオフ状態に維持する期間には高分子アクチュエータ2の積層体18はスイッチの復元力に抗して収縮状態に保たれるが、当該状態において高分子アクチュエータ2は力伝達部8を備えたことにより積層体18に欠陥が生じにくく、一方、停電時にはスイッチの復元力が存在するので、積層体18のゲル層14の弾性での復元力だけの場合より速やかに安全装置が起動される。
In this operation, the
[第2の実施形態]
第2の実施形態に係る高分子アクチュエータ2Bにおいて上述の第1の実施形態に係る高分子アクチュエータ2と共通の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略又は簡略化する。
[Second Embodiment]
In the
図3は本実施形態に係る高分子アクチュエータ2Bの模式的な断面図である。図3は図1,図2と同様、高分子アクチュエータ2Bの駆動方向に沿った断面図であり、同図の縦方向が駆動方向となる。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the
高分子アクチュエータ2Bの積層体18Bは、図1,図2に示した高分子アクチュエータ2の積層体18と同様、ゲル層14を1層のみ有する構成であるが、積層体18Bの面積が積層体18Bを任意の方向へ平行投影した像よりも大きくなる立体形状を有する点で基本的に相違する。例えば、積層体18の面積が任意の方向への平行投影像よりも大きくなる立体形状として、積層体18Bがひだ、凹凸又は起伏を形成する形状とすることができる。ちなみに図1,図2の高分子アクチュエータ2では駆動方向への積層体18Bの平行投影像(平面形状に相当)が最大となるが、積層体18Bの面積はそれより大きくなる。
The
ひだ等は積層体18Bに複数設けることができ、その断面は例えば、図3に示すように、山型に折れ曲がる部分と谷型に折れ曲がる部分とが交互に現れるジグザグ状となる。積層体18Bの面積はひだの数及び高低差に応じて大きくすることができる。複数のひだを積層体18Bの面内にてどのように形成するかは基本的には自由であるが、単純な例では、一方向に沿って平行に延びるように形成したり、同心円状に形成したりする。
Plural pleats or the like can be provided in the
分離膜26Bは積層体18Bの陰極12の表面に沿って形成される。すなわち、分離膜26Bも凹凸形状となる。また、積層体押さえ部材28Bは凹凸を有した駆動面を均一に押さえることができる形状とされる。図3に示す例では、積層体押さえ部材28Bは積層体18Bの表面に沿って屈曲する形状を有する。また、積層体18Bの谷の幅が狭い場合には、積層体押さえ部材28Bは櫛歯状の断面を有する形状とすることもできる。
The
図4及び図5は図3に示す高分子アクチュエータ2Bの部分断面図であり、図4は電圧非印加状態を示しており、図5は電圧印加状態を示している。第1の実施形態と同様、電圧非印加状態では、積層体18Bの駆動面は積層体押さえ部材28Bに当接する。電圧印加状態ではゲル層14が陽極16の貫通孔32に引き込まれることにより積層体18が圧縮変形し、駆動面は後退する。
4 and 5 are partial cross-sectional views of the
陰極12、ゲル層14及び陽極16からなる積層構造を1組のみ有する積層体18Bは、上述のように積層体18Bでの欠陥が生じにくくなる一方、当該積層構造を複数組有するものより駆動面の後退量は小さくなる。ここで、駆動面の後退による液室20の容積変化は積層体18Bの面積に比例して大きくなる。そこで、本実施形態の高分子アクチュエータ2Bは積層体18Bを上述のように面積が拡大する形状とすることで、1組の積層構造でも仕事量を大きくすることができ、また積層体18Bを屈曲させて面積を拡大するので、高分子アクチュエータ2の平面形状の拡大が抑制される。つまり、コンパクトで仕事量が大きな高分子アクチュエータ2を実現することができる。
The
なお、作動液22は陰極12の谷を速やかに流通できる粘性のものを利用する。
The
積層体18Bの面積が拡大する形状は、上述のように1つの連続面が折り畳まれた立体形状に限定されず、例えば、積層体18Bは複数の面に分割されていてもよい。
The shape in which the area of the
[第3の実施形態]
第3の実施形態に係る高分子アクチュエータ2Cにおいて上述の第1の実施形態に係る高分子アクチュエータ2と共通の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略又は簡略化する。
[Third Embodiment]
In the polymer actuator 2C according to the third embodiment, the same components as those of the
図6は本実施形態に係る高分子アクチュエータ2Cの模式的な断面図である。図6は図1,図2と同様、高分子アクチュエータ2Cの駆動方向に沿った断面図であり、同図の縦方向が駆動方向となる。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the polymer actuator 2C according to the present embodiment. 6 is a cross-sectional view along the driving direction of the polymer actuator 2C as in FIGS. 1 and 2, and the vertical direction in FIG. 6 is the driving direction.
高分子アクチュエータ2Cは、力伝達部8(以下、第1力伝達部と称する。)とは別に積層体18C内に第2力伝達部50を有する。第2力伝達部50は、陰極12とゲル層14との間に設けた液室52と、ここに圧力伝達液として封入された導電性の液体とからなる。第1力伝達部8を構成する液室20は積層体18Cに隣接し、液室20の壁面の一部として力取り出し部10の可動部(ダイアフラム24)を有する。液室20が積層体外の液室であるのに対し、第2力伝達部50の液室52はゲル層14と陰極12との間に設けられた積層体内の液室である。
The polymer actuator 2C includes a second force transmission unit 50 in the laminated body 18C separately from the force transmission unit 8 (hereinafter referred to as a first force transmission unit). The second force transmission unit 50 includes a
液室52に封入される導電性液体は陰極12と共にゲル層14に電圧を印加する陰極として機能する。すなわち、高分子アクチュエータ2Cの積層体18Cにおける陰極は、固体からなる陰極12と、導電性液体である液体陰極層54とからなる。なお、本実施形態では、陰極12は動作時に発生する力により撓まない程度の剛性を有する構成とすることができる。
The conductive liquid sealed in the
第2力伝達部50は第1力伝達部8と同様、パスカルの原理により、液室52の内壁面には均等な圧力を及ぼす。つまり、高分子アクチュエータ2Cは第2力伝達部50を備えることで、陽極16にゲル層14を引き寄せて積層体18Cの厚みを収縮させ駆動力を発生する際に、ゲル層14や陰極12に作用する力が均一になる。よって、第1力伝達部8と併せて第2力伝達部50を設けることで、陰極12とゲル層14との剥離やゲル層14内における亀裂といった積層体18における欠陥の発生をさらに好適に防止できる。
Similar to the first
なお、第1力伝達部8は、積層体18の欠陥の発生を抑制する効果を有すると共に、積層体18の面積に対する力取り出し部10の変位する部分の面積の比を変えることを可能とし、当該比を変えることで上述したように力取り出し部10での取り出す力と変位量との割り当てを変更することができる。ここで、取り出す力と変位量との割り当てを変換するための別途の構成を高分子アクチュエータ2C内に設けたり、高分子アクチュエータ2Cの外部で当該変換を行う場合には、第1力伝達部8を省略して第2力伝達部50だけとしても、積層体18の欠陥の発生を抑制することが可能である。
The first
2,2B,2C 高分子アクチュエータ、4 ケース、6 力発生部、8 力伝達部、10 力取り出し部、12 陰極、14 ゲル層、16 陽極、18 積層体、20,52 液室、22 作動液、24 ダイアフラム、26,26B 分離膜、28,28B 積層体押さえ部材、30 開口部、32 貫通孔、34 孔、50 第2力伝達部、54 液体陰極層。 2,2B, 2C Polymer actuator, 4 case, 6 force generator, 8 force transmitter, 10 force takeout, 12 cathode, 14 gel layer, 16 anode, 18 laminate, 20, 52 liquid chamber, 22 hydraulic fluid , 24 Diaphragm, 26, 26B Separation membrane, 28, 28B Laminate pressing member, 30 opening, 32 through hole, 34 hole, 50 second force transmission unit, 54 liquid cathode layer.
Claims (8)
前記駆動面を壁面の一部とし作動液を充填された密閉液室からなる力伝達部と、
前記積層体の収縮に応じて、前記壁面の一部をなす可動部が変位し駆動負荷に力を作用する力作用部と、
を有することを特徴とする高分子アクチュエータ。 A thickness of the laminate by applying a voltage, having a laminate in which electrodes are stacked on both sides of a dielectric polymer material layer, and arranging the electrode having flexibility on one surface as a driving surface of the laminate. A force generator that retracts the drive surface by contraction of
A force transmission part comprising a sealed liquid chamber in which the driving surface is a part of a wall surface and filled with a working fluid;
In response to the contraction of the laminated body, a movable portion that forms a part of the wall surface is displaced, and a force acting portion that applies a force to a driving load;
A polymer actuator characterized by comprising:
前記積層体は、前記誘電性高分子材料層を1層のみ有し、かつ当該積層体の面積が任意の方向への平行投影像よりも大きくなる立体形状を有すること、を特徴とする高分子アクチュエータ。 The polymer actuator according to claim 1, wherein
The laminated body has only one dielectric polymer material layer and has a three-dimensional shape in which the area of the laminated body is larger than a parallel projection image in an arbitrary direction. Actuator.
前記密閉液室内に固定され前記作動液を通過させると共に、前記積層体の非収縮時には、前記駆動面となる前記積層体の一方の表面を押さえる積層体押さえ部材を有することを特徴とする高分子アクチュエータ。 The polymer actuator according to claim 1 or 2,
A polymer having a laminate pressing member that is fixed in the sealed liquid chamber and allows the working fluid to pass therethrough and that presses one surface of the laminate as the driving surface when the laminate is not contracted. Actuator.
前記力発生部を前記作動液から分離し保護する膜であって、前記駆動面となる前記積層体の一方の表面を被覆し当該表面に追随して変形する分離膜を有することを特徴とする高分子アクチュエータ。 In the polymer actuator according to any one of claims 1 to 3,
A membrane that separates and protects the force generating portion from the working fluid, and has a separation membrane that covers one surface of the laminate as the driving surface and deforms following the surface. Polymer actuator.
前記力発生部及び前記力伝達部を格納するケースを有し、
前記電極のうち前記誘電性高分子材料層に対し前記駆動面とは反対側に配置された背面電極は、前記電圧印加により前記誘電性高分子材料層を引き込む複数の貫通孔を有し、当該貫通孔は前記ケースの外部と連通すること、を特徴とする高分子アクチュエータ。 In the polymer actuator according to any one of claims 1 to 4,
A case for storing the force generation unit and the force transmission unit;
The back electrode disposed on the opposite side of the drive surface relative to the dielectric polymer material layer of the electrode has a plurality of through holes that draw the dielectric polymer material layer by applying the voltage, A polymer actuator, wherein the through hole communicates with the outside of the case.
前記第2電極層を壁面の一部とし圧力伝達液を充填された密閉液室からなる力伝達部と、
を有することを特徴とする高分子アクチュエータ。 It has a laminate in which a first electrode layer and a second electrode layer are arranged with a gel layer made of a dielectric polymer interposed therebetween, and the gel layer is drawn to the first electrode layer by applying a voltage to shrink the thickness of the laminate. A force generator that generates a driving force;
A force transmission part comprising a sealed liquid chamber in which the second electrode layer is a part of a wall surface and filled with a pressure transmission liquid;
A polymer actuator characterized by comprising:
前記力伝達部として、前記積層体に隣接した液室であって、駆動負荷に力を作用する力作用部の可動部を当該液室の前記壁面の一部とする積層体外液室を有すること、を特徴とする高分子アクチュエータ。 The polymer actuator according to claim 6, wherein
As the force transmission unit, a liquid chamber adjacent to the stacked body, the movable portion of the force acting unit that exerts a force on a driving load being a part of the wall surface of the liquid chamber is provided as a liquid chamber outside the stacked body. A polymer actuator characterized by.
前記力伝達部として、前記ゲル層と前記第2電極層との間に設けられ、前記圧力伝達液として導電性液体を充填された積層体内液室を有すること、を特徴とする高分子アクチュエータ。 The polymer actuator according to claim 6 or 7,
A polymer actuator, comprising: a laminated body fluid chamber provided between the gel layer and the second electrode layer as the force transmission unit and filled with a conductive liquid as the pressure transmission liquid.
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