JP5103627B2 - 積層複合材料を用いるアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関し、特に、積層複合材料を用いるアクチュエータに関する。

従来の機械システムの信頼性の向上、高効率化、フリーメンテナンス化等の実現を目指し、材料に知的応答、自己診断などの機能を付加する材料のスマート化という概念が近年注目を集めている。

その中でも、知的応答の可能性を有する知的応答の可能性を持つスマート材料の一つとして熱膨張係数が繊維方向に小さく、直交方向に大きいＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）と熱膨張係数が等方的に大きい金属とを積層することで炭素繊維の通電加熱、あるいは周囲の温度変化に応じた一方向の変形が可能であり、かつアクチュエータとして外部へ仕事をすることが可能である積層複合材料が例えば下記特許文献１に記載されている。

特開平１０−１３８３８０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の積層複合材料の変形についてその変形を大きくするには金属層を薄くする必要がある一方で、外部への仕事である出力は金属層を厚くすることで大きくすることが必要であると考えられる。即ち、大変形と高出力の両立はトレードオフの関係にある。

そこで、本発明は上記課題を解決し、単一の積層複合材料の場合に比べ大変形と高出力の両立を行なうことのできるアクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題について、本発明者らが鋭意検討を行ったところ、積層複合材料を更に、弾性体からなる層を介して積層することで、大変形と高出力とを両立することを発見し、本発明を完成するに至った。

即ち、上記課題を解決するための一つの手段は、アクチュエータにおいて、熱膨張率の異なる一対の基板と、一対の基板との間に挟持される絶縁層とを有する複数の積層複合材料と、複数の積層複合材料の間に挟持される弾性層と、を有することを特徴とする。

またこの手段において、弾性層は、絶縁性のゴムであることが望ましい。

またこの手段において、一対の基板の一方は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ニッケル、鉄、銅、亜鉛、又はこれらのうち少なくともいずれかを含む合金を用いてなることが望ましく、また、この場合において、一対の基板の他の一方は、炭素繊維、ホウ素繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維又はアラミド繊維の少なくともいずれかを含むプリプレグシートを用いてなることも望ましい。更に、プリプレグシートの炭素繊維は、積層板の変形方向に配向させてなることも望ましい。また絶縁層は、ガラス繊維強化樹脂、アラミド繊維強化樹脂、絶縁性樹脂フィルム、金属酸化膜の少なくとも何れかを用いてなることも望ましい態様である。

以上のとおり、本発明により大変形と高出力の両立を行う積層複合材料を用いたアクチュエータを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書においては同一又は同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施形態１）
図１に、本実施形態に係るアクチュエータ（以下「本アクチュエータ」という。）の概略図を示す。本アクチュエータは、熱膨張率の異なる一対の基板１１と、一対の基板との間に挟持される絶縁層１２とを有する複数の積層複合材料１と、複数の積層複合材料１の間に挟持される弾性層２と、を有することを特徴とする。

積層複合材料における一対の基板１１は、互いに熱膨張率が異なるものであって、熱膨張率の差を用いることによりアクチュエータとして機能する。より具体的に説明すると、一対の基板を加熱することで基板はそれぞれ熱膨張を開始するが、この一対の基板の間では熱膨張の差が生じているため、これが応力となり、積層複合材料の変形として現れる。そしてこの変形を制御することでアクチュエータとして機能させることができるのである。一対の基板１１の材質としては、特段に制限されるものではないが、少なくとも一方は、例えば熱を発生させるために、導電性を有する金属板であることが望ましい。特に金属は熱膨張率が大きいことが望ましい。具体的には、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛又はこれらのうち少なくともいずれかを含む合金を用いてなることが望ましい。

また、一対の基板１１の材質の他の一方も、特段に制限されるものではないが、熱膨張率が小さい材質を用いることが望ましい。この例としては、例えば繊維強化樹脂などを好適に用いることができ、より具体的な例としては、炭素繊維を含むプリプレグシート（ＣＦＲＰ）が挙げられる。なお、プリプレグシートの場合、炭素繊維は、積層複合材料の変形方向に配向させておくことが望ましい。このようにすることで、変形方向以外の方向に対しては金属板と同様に熱膨張を生じさせることで変形を抑えることができるようになる。また、こちらの基板には、電極１３を付しておくことが望ましく、この電極を通じて電流を印加し、発熱を起こすことで熱変形を誘起することが容易になる。特に上記炭素繊維を含むプリプレグシートはヒーターとしても有用である。なお、上記プリプレグシートにおいては、炭素繊維のほか、ホウ素繊維、ガラス繊維、炭化ケイ素繊維又はアラミド繊維を含ませることもできる。また、炭素繊維を含むプリプレグシートはヒーターも兼ねることができるためより好適であるが、ヒーターとしての機能が弱い場合、この機能確保のため、プリプレグシートに更にニクロム線など一般的な発熱体を内部に配置することも有用である。なお、プリプレグシートの材料としては、限定されるわけではないが、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等の樹脂を好適に用いることができる。

なお、一対の基板の間に挟持され、これらを接合する絶縁層１２は、接合できる限りにおいて特段に限定されないが、一対の基板の熱変形を緩衝しないように例えばアラミド繊維を含んでなる樹脂など、高強度のものが望ましい。また、アラミド繊維のほか、ガラス繊維強化樹脂、絶縁性樹脂フィルム、金属酸化膜等を好適に用いることができる。特に、金属酸化膜の場合、一対の基板の一方が金属板である場合、これに対し酸化処理を施すだけで実現できるため、作成が容易になるという利点も有する。

また、本アクチュエータは、上記説明した積層複合材料１を更に複数用い、この間に弾性層を用いていることが特徴的である。これを用いることで、大変形、高出力を両立することができる。ここで弾性層とは、弾性を有する物質を含んでなる層であって、弾性を有する限りにおいて特段に限定されないが、例えばゴムが好適である。なお、弾性層の硬さとしては、弾性層の厚さにもよるが、Ａ０ＨＳ以上Ａ８０ＨＳより小さいことが望ましく、より望ましくはＡ６０ＨＳ以下、更に望ましくはＡ４０ＨＳ以下である。なお、硬さがＡ８０ＨＳ以上となってしまうと、積層複合材料を更に積層しても剛直になり、通常の積層複合材料と同様の構造となり、大変形と高出力の両立を取ることができにくくなってしまう。なお弾性層は、複数の積層複合材料の間全面に配置されていても良いが、間隙を設けて複数に分割して配置されていても良い。このようにすることで、積層複合材料の間に気体や液体を通すことが可能となり、積層複合材料との間で熱交換を積極的に行わせ、冷却又は加熱を効率的に行いアクチュエータの応答性を向上させることが可能となる。またこの空間に物質を挿入させることでアクチュエータとしての重量の調整（重心位置の調整を含む）を行うことも可能となる。なお間隙に気体又は液体を通す場合、積層複合材料の間の空隙で化学反応を起こし温度や圧力変化を生じさせるようにすることも可能である。

以上、本アクチュエータにより、大変形と高出力の両立を実現することができる。また、積層複合材料は二以上であれば特段に制限なく、複合材料を多数配置し、そのそれぞれの間に弾性層を設けてアクチュエータとすることも可能である。

（実施例１）
以下、本実施形態に係るアクチュエータの例を実際に作成してアクチュエータとしての機能を確認した。

本実施例に係るアクチュエータは、一対の基板として純アルミニウム板（Ａ１０５０−Ｈ２４）を用い、他方の基板として、ＣＦＲＰ板を用いた。ＣＦＲＰ板は低熱膨張材及びヒーターとして有用である。この一対の基板を接合する絶縁層としては、エポキシ接着フィルムを用い、ＣＦＲＰ層に接続される電極としては銅箔を用いた。また本実施例において弾性層としては、ゴムを用い、ゴムの種類としては、下記表１に示すように、硬さを６種類、厚さを３種類の合計１８種類用いた。

ここで、本実施例に係るアクチュエータの製造方法について説明する。一対の基板は、純アルミニウム板（厚さ０．２ｍｍ）、ＣＦＲＰプリプレグシート（厚さ０．１２ｍｍ）及びゴムシートを幅４０ｍｍ、長さ８０ｍｍに、電極用の銅箔を幅４０ｍｍ、長さ５０ｍｍに切り出し、純アルミニウムの表面を＃３２０の耐水研磨紙で銅箔を＃６００の耐水研磨紙で研磨した。ＣＦＲＰプリプレグは４５３Ｋ、０．１ＭＰａ、３．６ｋｓの条件で先に硬化させた。そして、ゴムと共にこれらを積層して硬化させた。なお、本実施例で作成したアクチュエータの構造は、図１で示すアクチュエータと同様の構成であり、積層複合材料は二つ使用し、その間にゴムを介したものである。なお、電極間の距離は６０ｍｍとなるよう作製し、純アルミニウム板とＣＦＲＰプリプレグシートはエポキシ樹脂（硬化後の厚さ０．０４ｍｍ）で接着した。

まず、室温における曲率について測定を行った。曲率の測定はアクチュエータをセラミック製の冶具で保持し、レーザー変位計（キーエンス社製可視光レーザー変位センサＬＫ−１０００）を用いて行った。図２に、室温（２９３Ｋ）における曲率とゴムの硬度との関係を示す。なお図２中、点線は弾性層を介さない単体の複合材料における曲率の値を示すものである。

図２の結果によると、ゴムの硬度が高いほど積層複合材料の曲率が低くなって行くことを確認した。これはゴムの硬度が低いほど積層複合材料同士のせん断を緩和することができるためであると考えられる。従って、この望ましい値としては、０より大きくＡ８０ＨＳよりは低く、より望ましくはＡ６０ＨＳ以下、更に望ましくはＡ４０ＨＳ以下、特に望ましくはＡ２０ＨＳより低いこと、である。特にＡ２０Ｈよりゴムの硬度が低いと、ほとんど単体の積層複合材料と同等の曲率を得ることができていることを確認している。なお本測定は、ゴムの厚さを変えた場合についても行っているが（２．０ｍｍ、１．０ｍｍ、０．５ｍｍ）、ゴムの厚さによる曲率については測定の範囲で大きな差異はあまり無かった。従って、ゴムの厚さとしては特段制限はないが、例えば２ｍｍ以下であることは望ましい範囲といえる。

また、出力及びその温度依存性について測定を行った。図３（Ａ）（Ｂ）に示す。出力の測定は、銅箔の電極部分に電源装置（菊水電子工業性可変直流低電圧・低電流源、ＰＡＫ／２０−１８Ａ）を接続し、通電加熱して３１３Ｋに保ち、その上からロードセルに取り付けたセラミック製のポンチをアクチュエータ中央に接触させた後、更に通電過熱し、試料が固定ポンチを押し上げる力を出力として測定した。なお、試料の温度は下側のＣＦＲＰ側に中心部に固定したＫ型熱電対により測定した。

図３（Ａ）はゴムの硬さがＡ１ＨＳのものについての結果を示す図であり、図３（Ｂ）はゴムの硬さがＡ２０ＨＳのものについての結果を示す図である。なお温度は、３１３Ｋから４５３Ｋまで昇温、降温を行い、２０Ｋ毎に試料の曲率を測定した。

この結果、硬さや厚さによらず、本アクチュエータの出力は単体の積層複合材料によらず単体の約２倍になっているということが分かった。即ち、この範囲では硬さや出力に影響せず力を伝えることができることが確認でき、曲率と出力の両立を図ることができるアクチュエータであることを確認した。

ところで、アクチュエータは作製時に熱残留応力が蓄積されているため、温度依存性にヒステリシスを有してしまっている。これはアクチュエータの動作制御において精度を下げてしまう場合もあることから、ＣＦＲＰのガラス転移温度以上の温度まで再加熱保持するアフターキュアーを行うと良い。アフターキュアー（無負荷、４３３Ｋ、７．２ｋｓ）を行う前と行った後の結果を図４（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ示しておく。図４（Ｂ）で示してあるとおり、アフターキュアーによってヒステリシスを殆ど消去することができた。

（実施例２）
本実施例では、ほぼ実施例１と同様であるが、弾性層の構造が異なる。図５に本実施例に係るアクチュエータの例（弾性層が三つに分けられた場合の例）の断面図を示す。

本実施例では、積層複合材料の間に配置される弾性層が複数に分割され、それが（均等な間隔をもって）分散配置されている点に特徴がある（別言すれば、本アクチュエータは、積層複合材料の間に空隙を有している）。本実施例では分割の数はいずれも３つとし、その幅を変化させることで全体の面積に対する弾性層（ゴム）の面積の割合（以下単に「割合」という。）を変化させた。各試料の条件を表２に、この曲率についての測定結果を図６に、出力についての測定結果を図７（但し一例として試料１について）に示す（実験条件等については実施例１と同様に行っている）。また、いずれの場合においても弾性層の硬さはＡ２０ＨＳとし、その厚さは２．０ｍｍとしている。

この結果、図６が示すとおり、試料４においては曲率が約５ｍ^−１であったが、空隙を有し分散配置させることで曲率が飛躍的に向上していることが確認でき、これは単層の積層材料と同じ曲率に近づけることができるのを確認した。即ち、望ましい範囲としては、弾性層が分割され分散配置されている限りにおいて特段制限はないが、７５％以下であることが望ましく、より望ましくは５０％以下である。

また、出力についても、図７が示すとおり、分散させているものの、単一の積層複合材料の場合に比べ、２倍程度の出力を示しており、大きな曲率と大きな出力を達成することができることを確認した。

なおこの結果を説明するための原理については不明な部分があるが、積層複合材料が向かいあう面積全体に対する弾性層の面積が大きな影響を及ぼすことが考えられるため、弾性層の分割数やその幅、更には奥行きなどについては適宜調整が可能であると考えられ、本実施例に限定されないものと推定される。

（実施例３）
本実施例では、実施例２とほぼ同様であるが、弾性層の配置している方向が異なる。図８に本実施例に係るアクチュエータの概略図を示す。実施例２では、図５で示すとおり電極１３が向かい合う方向に対し略垂直に空隙が形成されるよう弾性体２が複数分散配置されているが、本実施例では図８で示すとおり、電極１３が向かい合う方向に対して略平行に空隙が形成されるよう弾性体２が複数分散配置されている。なお図８（Ａ）はアクチュエータを上面から見た場合の図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＡ−Ａ’断面図（アクチュエータを電極１３が向かい合う方向と略平行な方向の断面で切断した場合における断面）であり、図８（Ｃ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ’断面図（アクチュエータを電極１３が向かい合う方向と略垂直な方向の断面で切断した場合における断面）である。また、本実施例において、いずれの場合においても弾性層の分割の数は３、弾性層の固さはＡ２０ＨＳとし、その厚さは２．０ｍｍとした。

この結果を図９に示す。図中△印が本実施例の結果である。なお図中の丸印は、実施例２の結果と同じものを示す。この結果、本実施例においても弾性層の面積が小さくなれば実施例２と同様の曲率を得ることができることを確認した。

以上、本実施例のアクチュエータにより、大変形と高出力の両立を行う積層複合材料を用いたアクチュエータを提供することができることを確認した。

本発明は、以上のとおり、各種アクチュエータとして産業上の利用が可能である。特に限定されるわけではないがマニピュレータ、流量調整弁、圧力調整弁等広く適用可能である。

実施形態、実施例１に係るアクチュエータを示す概略図。 実施例１の室温（２９３Ｋ）における曲率とゴムの硬度との関係を示す図。 実施例１における出力及びその温度依存性について示す図。 実施例１におけるアクチュエータの曲率に関する温度依存性を示す図。 実施例２に係るアクチュエータを示す概略図。 実施例２の室温における曲率と面積割合との関係を示す図。 実施例２における出力及びその温度依存性について示す図。 実施例３に係るアクチュエータを示す概略図。 実施例３の室温における局率と面積割合との関係を示す図。

符号の説明

１…積層複合材料、２…弾性層、１１…一対の基板、１２…絶縁層、１３…電極

Claims (6)

1. 熱膨張率の異なる一対の基板と、該一対の基板との間に挟持される絶縁層とをそれぞれ有する複数の積層複合材料と、
   該複数の積層複合材料の間に挟持されるＡ０ＨＳより大きくＡ２０ＨＳ以下の硬さを有する弾性層と、を有するアクチュエータ。
2. 前記弾性層は、絶縁性のゴムであることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記一対の基板の一方は、アルミニウム、マグネシウム、チタン、ニッケル、鉄、銅、亜鉛、又はこれらのうち少なくともいずれかを含む合金を用いてなることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
4. 前記一対の基板の他の一方は、炭素繊維、ホウ素繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維又はアラミド繊維の少なくともいずれかを含むプリプレグシートを用いてなることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
5. 前記プリプレグシートの炭素繊維は、積層板の変形方向に配向させてなることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ。
6. 前記絶縁層は、ガラス繊維強化樹脂、アラミド繊維強化樹脂、絶縁性樹脂フィルム、金属酸化膜の少なくとも何れかを用いてなることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。