JP5237704B2 - Electrical telescopic mechanism, manufacturing method thereof, and actuator - Google Patents
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本発明は、アクチュエータ等の製造に用いられる電気的伸縮機構及びその製造方法並びにこの電気的伸縮機構を用いて製造されたアクチュエータに関するものである。 The present invention relates to an electrical expansion / contraction mechanism used for manufacturing an actuator and the like, a manufacturing method thereof, and an actuator manufactured using the electrical expansion / contraction mechanism.
アクチュエータは、入力されたエネルギーを物理運動量に変換するものであり、従来より様々なものが開発され、利用されている。例えば、特許文献1に記載のアクチュエータは、絶縁性を有する薄肉の弾性材料からなる伸縮層が厚み方向に3層以上積層された伸縮部と、各伸縮層の厚み方向の両面にそれぞれ設けられ伸縮層の伸縮を許容するように変形可能な複数の電極と、各電極に接続する電圧極性を選択する電源制御部とを備えて形成されている。そしてこのように形成されたアクチュエータは、電圧を印加していない元の位置に対して伸縮層を伸長させることができると共に、元の位置に対して伸縮層を収縮させることができるものである。
しかし、上記のような従来のアクチュエータにあっては、個別に製造することはできても、一度に大量に製造するのは難しいという問題があった。 However, the conventional actuator as described above has a problem that although it can be manufactured individually, it is difficult to manufacture a large amount at a time.
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、大量生産が可能な電気的伸縮機構及びその製造方法並びにアクチュエータを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an electric telescopic mechanism capable of mass production, a manufacturing method thereof, and an actuator.
本発明の請求項1に係る電気的伸縮機構は、絶縁基板7に電極2を設け、伸縮性を有し、多孔体3で形成され、前記多孔体3の孔内に誘電体が充填された絶縁層1の両面に、この絶縁層1を介して前記電極2が対向するように前記絶縁基板7を重ねて積層一体化されていることを特徴とするものである。
本発明の請求項2に係る電気的伸縮機構は、絶縁基板7に電極2を設け、伸縮性を有し、多孔体3で形成され、前記多孔体3の孔内に電解液が充填された絶縁層1の両面に、この絶縁層1を介して前記電極2が対向し、少なくとも一方の電極2bと前記絶縁層1との間に絶縁皮膜8が設けられるように前記絶縁基板7を重ねて積層一体化されていることを特徴とするものである。
Electrical telescopic mechanism according to
The electrical expansion / contraction mechanism according to
請求項3に係る発明は、請求項1又は2において、前記電極2に電気的に接続された導通孔5が前記絶縁層1に形成されていることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項4に係る発明は、請求項3において、前記絶縁層1に貫通孔16を設け、前記貫通孔16に導電性ペーストを充填することによって、又は前記貫通孔16の内面に金属メッキを施すことによって、又は前記貫通孔16の内面にスパッタリングで金属薄膜を設けることによって、導通孔5が形成されていることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項5に係る発明は、請求項1乃至4のいずれか1項において、複数の前記絶縁層1が、前記電極2が設けられた前記絶縁基板7を介して積層されていることを特徴とするものである。
Invention, in any one of
請求項6に係る発明は、請求項1乃至5のいずれか1項において、前記絶縁基板7間の前記絶縁層1の一部が欠けて空隙部9が形成されていることを特徴とするものである。
Invention, in any one of
本発明の請求項7に係る電気的伸縮機構の製造方法は、絶縁基板7に電極2を設け、伸縮性を有し、多孔体3で形成された絶縁層1の両面に、この絶縁層1を介して前記電極2が対向するように前記絶縁基板7を重ね、これを加熱加圧成形して積層一体化し、次に前記絶縁層1に導通孔5を形成した後、前記多孔体3の孔内に誘電体を充填することを特徴とするものである。
本発明の請求項8に係る電気的伸縮機構の製造方法は、絶縁基板7に電極2を設け、伸縮性を有し、多孔体3で形成された絶縁層1の両面に、この絶縁層1を介して前記電極2が対向し、少なくとも一方の電極2bと前記絶縁層1との間に絶縁皮膜8が設けられるように前記絶縁基板7を重ね、これを加熱加圧成形して積層一体化し、次に前記絶縁層1に導通孔5を形成した後、前記多孔体3の孔内に電解液を充填することを特徴とするものである。
Method of manufacturing an electrical telescopic mechanism according to
In the method of manufacturing an electrical expansion / contraction mechanism according to
本発明の請求項9に係るアクチュエータは、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電気的伸縮機構A又は請求項7若しくは8に記載の方法を使用して製造された電気的伸縮機構Aと、前記電極2間に電圧を印加する電源制御部6とを備えて形成されていることを特徴とするものである。
An actuator according to a ninth aspect of the present invention is an electrical telescopic mechanism manufactured using the electrical telescopic mechanism A according to any one of the first to sixth aspects or the method according to the seventh or eighth aspect. and a, it is characterized in being formed and a
本発明の請求項1に係る電気的伸縮機構によれば、原材料として銅張積層板(CCL)等の金属張積層板を利用することができ、大量生産が可能になるものである。
According to the electric expansion and contraction mechanism according to
また請求項1に係る発明によれば、絶縁層が多孔体で形成されていることによって、従来よりも伸縮性を高めることができるものである。
Moreover , according to the invention which concerns on
また請求項1に係る発明によれば、様々な誘電体を用いることによって、絶縁層の誘電率を調整することができるものである。
According to the invention of
本発明の請求項2に係る電気的伸縮機構によれば、原材料として銅張積層板(CCL)等の金属張積層板を利用することができ、大量生産が可能になるものである。
また請求項2に係る発明によれば、絶縁層が多孔体で形成されていることによって、従来よりも伸縮性を高めることができるものである。
また請求項2に係る発明によれば、通常の誘電体を用いる場合に比べて電解液を用いる場合の方がより大きな出力を得ることができるものである。
According to the electric expansion and contraction mechanism according to
Moreover, according to the invention which concerns on
According to the invention of
請求項3に係る発明によれば、絶縁層に形成された導通孔によって、従来よりもシンプルな配線で小型化を図ることができると共に、接続信頼性を高めることができるものである。 According to the third aspect of the present invention, the conduction hole formed in the insulating layer can reduce the size with a simpler wiring than the conventional one, and can improve the connection reliability.
請求項4に係る発明によれば、容易に導通孔を形成することができるものである。
According to the invention which concerns on
請求項5に係る発明によれば、複数の絶縁層が積層されていることによって、伸縮性を高めることができるものである。
According to the invention which concerns on
請求項6に係る発明によれば、絶縁層の収縮時において空隙部は抵抗とならないことによって、絶縁基板間の絶縁層が全く欠けていない場合に比べて、絶縁層をより大きく収縮させることができるものである。
According to the invention of
本発明の請求項7に係る電気的伸縮機構の製造方法によれば、原材料として銅張積層板(CCL)等の金属張積層板を利用することができ、大量生産が可能になるものである。
また請求項7に係る発明によれば、絶縁層が多孔体で形成されていることによって、従来よりも伸縮性を高めることができるものである。
また請求項7に係る発明によれば、様々な誘電体を用いることによって、絶縁層の誘電率を調整することができるものである。
本発明の請求項8に係る電気的伸縮機構の製造方法によれば、原材料として銅張積層板(CCL)等の金属張積層板を利用することができ、大量生産が可能になるものである。
また請求項8に係る発明によれば、絶縁層が多孔体で形成されていることによって、従来よりも伸縮性を高めることができるものである。
また請求項8に係る発明によれば、通常の誘電体を用いる場合に比べて電解液を用いる場合の方がより大きな出力を得ることができるものである。
According to the method for manufacturing an electrical expansion / contraction mechanism according to
Moreover, according to the invention which concerns on
According to the invention of
According to the method for manufacturing an electrical expansion / contraction mechanism according to
Moreover, according to the invention which concerns on
According to the eighth aspect of the invention, a larger output can be obtained when the electrolytic solution is used than when a normal dielectric is used.
本発明の請求項9に係るアクチュエータによれば、原材料として銅張積層板(CCL)等の金属張積層板を利用することができ、大量生産が可能になり、例えば需要の多いロボット技術の分野において人工筋肉として好適に利用することができるものである。
According to the actuator of
以下、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
(実施形態1)
図1(a)は電気的伸縮機構Aの一例を示すものであり、この電気的伸縮機構Aは、絶縁基板7に電極2を設け、伸縮性を有する絶縁層1の両面に、この絶縁層1を介して電極2が対向するように前記絶縁基板7を重ねて積層一体化されている。なお、電気的伸縮機構Aの詳細な製造方法については実施形態2で説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 (a) shows an example of an electric expansion / contraction mechanism A. The electric expansion / contraction mechanism A is provided with an
絶縁層1は非多孔体又は多孔体3で形成することができる。非多孔体としては、ゴム等の弾性体を用いることができる。また多孔体3としては、例えば、PVAスポンジやウレタンスポンジのように孔が連続して設けられた連続多孔体を用いたり、孔が独立して設けられたもの等を用いたりすることができる。多孔体3の空隙率は、特に限定されるものではないが、30〜90%であることが好ましい。絶縁層1が多孔体3で形成されていると、従来よりも伸縮性を高めることができて好ましいので、以下では絶縁層1が多孔体3である場合について説明する。
The insulating
一方、電極2は、銅張積層板(CCL)等の金属張積層板17を加工して形成することができる。すなわち、金属張積層板17を用い、パターン形成によって、電極2が設けられた絶縁基板7を作製し、この絶縁基板7をボンディングシート(図示省略)を介して絶縁層1の表面に接着することによって、絶縁層1を介して対向配置された電極2を形成することができる。
On the other hand, the
そして絶縁層1には、電極2a(又は2b)に電気的に接続された導通孔5a(又は5b)が形成されている。この導通孔5は、絶縁層1の伸縮に追随して変形可能となるように形成される。具体的には、絶縁層1が多孔体3で形成されている場合、多孔体3に貫通孔16を設けるとその内面は網目状に形成されるが、この内面の網目に沿って銅メッキ等の金属メッキを施すことによって、導通孔5を容易に形成することができる。あるいは貫通孔16の内面の網目に沿ってスパッタリングで金属薄膜を設けることによって、導通孔5を容易に形成することができる。このように金属メッキや金属薄膜は貫通孔16の内面の網目に沿って施されているので、絶縁層1である多孔体3が伸縮する場合には、この伸縮に追随して変形することができ、断線が防止されるものである。そして導通孔5a(又は5b)は、電極2a(又は2b)に接続されていると共に、一方の絶縁基板7の外表面に設けられた接続用電極15と接続されている。この接続用電極15は、後述する電源制御部6と接続されるものである。また電極2b(又は2a)にはクリアランスホール24が設けられており、このクリアランスホール24を導通孔5a(又は5b)が通っていることによって、電極2b(又は2a)と導通孔5a(又は5b)とが絶縁された状態となっている。
The
ところで、絶縁層1が非多孔体で形成されている場合には、絶縁層1に雌ねじ状の貫通孔16を設けると共に、この貫通孔16の内面に銅メッキ等の金属メッキを施すことによって導通孔5を形成することができる。このように、貫通孔16の内面をあらかじめ雌ねじ状に形成しておくことによって、絶縁層1が伸縮する際に金属メッキが剥離するのを抑制して断線を防止することができる。また絶縁層1が非多孔体又は多孔体3のいずれで形成されていても、導通孔5は次のようにして形成することもできる。すなわち、絶縁層1に貫通孔16を設けると共に、この貫通孔16に導電性ペーストを充填することによって、導通孔5を容易に形成することができる。なお、この導電性ペーストは、シリコーンゴムに銀・銅等の金属粉を添加して得ることができ、絶縁層1の伸縮に追随して変形可能である。
By the way, when the insulating
また多孔体3の孔内には誘電体が充填されている。この誘電体としては、例えば、フッ素系不活性液体のような液状の誘電体や、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンのような気体状の誘電体を用いることができる。このときチタン酸バリウムのような高誘電率の微細粉末材料を併用してもよい。しかし、このような誘電体では多孔体3から漏洩してしまうので、液状や気体状の誘電体を染み込ませた多孔体3は袋体14に封入されている。この袋体14としては、柔軟性があるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ゴムやプラスチック等で形成されたものを用いることができる。このように、様々な誘電体を多孔体3の孔内に充填させることによって、絶縁層1の誘電率を調整することができるものである。なお、図2に示すように、電極2は袋体14を介して絶縁層1の両面に設けられていてもよい。つまり、電極2が設けられた絶縁基板7を袋体14の外側に配置してもよい。ただし、この場合には、導通孔5が袋体14を貫通するので、誘電体の漏洩を防ぐためのシールをする必要がある。
The pores of the
図1(b)はアクチュエータBの一例を示すものであり、このアクチュエータBは、上記の電気的伸縮機構Aと、電極2間に電圧を印加する電源制御部6とを備えて形成されている。電源制御部6は、直流電源11及びスイッチ12を備えて形成されており、リード線13によって接続用電極15に接続されている。このように、絶縁層1に形成された導通孔5によって、リード線13と接続用電極15との接続箇所を電気的伸縮機構Aの片側にまとめることができ、従来よりもシンプルな配線で小型化を図ることができるものである。そして、スイッチ12がオンである場合には、電極2間に電圧が印加され、絶縁層1に誘電分極が生じることによって絶縁層1の内部にクーロン力が生じていわゆる電歪により絶縁層1に圧縮力が生じる。逆にスイッチ12がオフである場合には、このような圧縮力は生じない。よって、スイッチ12をオン・オフ制御することによってアクチュエータBを絶縁層1の厚み方向に任意に伸縮させることができるものである。このように絶縁層1が伸縮を繰り返しても、リード線13と接続用電極15との接続箇所は電気的伸縮機構Aの片側にまとめられており、絶縁層1と共に動くことはないので、接続信頼性を高めることができるものである。
FIG. 1B shows an example of the actuator B. The actuator B is formed by including the electrical expansion / contraction mechanism A and the
(実施形態2)
図3(a)は電気的伸縮機構Aの他の一例を示すものである。この電気的伸縮機構Aも、絶縁基板7に電極2を設け、伸縮性を有する絶縁層1の両面に、この絶縁層1を介して電極2が対向するように前記絶縁基板7を重ねて積層一体化されているが、本実施形態では複数の絶縁層1が、電極2が設けられた絶縁基板7を介して積層されている。そして各絶縁層1を介して対向する電極2が導通孔5によって接続されている。このように、複数の絶縁層1が積層されていることによって、伸縮性を高めることができるものである。
(Embodiment 2)
FIG. 3A shows another example of the electric expansion / contraction mechanism A. FIG. This electric expansion / contraction mechanism A is also provided with
次にこの電気的伸縮機構Aの製造方法について図4〜図7に基づいて順を追って説明する。 Next, a method for manufacturing the electrical expansion / contraction mechanism A will be described in order based on FIGS.
まず図6に示すように、電極2が設けられた絶縁基板7を作製する。すなわち、絶縁基板7の表面に銅箔等の金属層18を設けて形成される金属張積層板17を用意し(図6(a))、この金属張積層板17にドライフィルム19をラミネートした後(図6(b))、露光・現像する(図6(c))。その後、エッチング・レジスト剥離を行うことによって、図6(d)に示すような、電極2が設けられた絶縁基板7を得ることができる。このとき同一の絶縁基板7の表面に同一の電極2を複数隣接して同時に設けておくものである。これにより、電気的伸縮機構Aの大量生産が可能となる。
First, as shown in FIG. 6, the insulating
また電極2のパターンは特に限定されるものではないが、例えば、図4に示すように絶縁基板7の中央部に矩形状パターンとして中央電極20を設けると共に、このパターンを囲むようなロ字状パターンとして周囲電極21を設けることができる。このように、中央電極20と周囲電極21は絶縁基板7の同一面において絶縁された状態で設けられている。また中央電極20と周囲電極21は絶縁基板7の両面又は片面に設けることができる。なお、図4中、破線は導通孔5が形成される箇所を示しており、中央電極20及び周囲電極21において導通孔5と絶縁される箇所にはクリアランスホール24が形成されている。
The pattern of the
本実施形態では電極2として中央電極20及び周囲電極21を設ける例について説明するが、電極2は、図5に示すように1組の櫛状パターンとして設けてもよい。この場合も、絶縁基板7の同一面において一方の櫛状パターンによる電極2と他方の櫛状パターンによる電極2とは絶縁された状態で設けられている。また1組の櫛状パターンによる電極2は絶縁基板7の両面又は片面に設けることができる。なお、図5中、破線は導通孔5が形成される箇所を示しており、櫛状パターンによる電極2において導通孔5と絶縁される箇所にはクリアランスホール24が形成されている。
Although this embodiment demonstrates the example which provides the
そして図7(a)に示すように、伸縮性を有する絶縁層1の両面に、この絶縁層1を介して電極2が対向するように前記絶縁基板7を重ねる。具体的には、最も外側に絶縁基板7が配置されるようにして、絶縁基板7と絶縁層1を交互に重ねるものである。また絶縁基板7と絶縁層1の間にはボンディングシート22を挟み、これによって両者を接着できるようにしてある。
Then, as shown in FIG. 7A, the insulating
次に図7(b)に示すように、絶縁基板7と絶縁層1を交互に重ねたものを加熱加圧成形して積層一体化する。このときボンディングシート22が溶融して絶縁基板7と絶縁層1が接着すればよいので、加熱加圧成形は高温高圧で行う必要はない。例えば、温度は50〜200℃、圧力は1〜10MPa程度に設定して成形することができる。
Next, as shown in FIG. 7B, a laminate in which the insulating
その後、図7(c)に示すように、絶縁層1に導通孔5を形成する。このとき導通孔5は実施形態1と同じ方法で形成することができる。また導通孔5の両端にはランド23が形成され、一方のランド23が接続用電極15として使用される。
Thereafter, as shown in FIG. 7C, the
そして図7(d)に示すように、ルータ加工を行うことによって、電気的伸縮機構Aの半完成品ごとに切断分離して個片化する。このようにして半完成品を一度に複数得ることができるものである。なお、絶縁層1が非多孔体で形成されている場合や、絶縁層1が多孔体3で形成されていても、この多孔体3に誘電体を充填する必要がない場合には、この図7(d)の工程で電気的伸縮機構Aの完成品を得ることができる。
And as shown in FIG.7 (d), by carrying out a router process, every semi-finished product of the electric expansion-contraction mechanism A is cut-separated and separated into pieces. In this way, a plurality of semi-finished products can be obtained at a time. If the insulating
多孔体3に誘電体を充填する場合には、図7(d)の工程で得られた半完成品において絶縁層1を形成する多孔体3に液状や気体状の誘電体を染み込ませた後、全体を袋体14に封入することによって、図3(a)に示すような電気的伸縮機構Aを得ることができる。
When the
図3(b)はアクチュエータBの他の一例を示すものであり、このアクチュエータBは、上記の電気的伸縮機構Aと、電極2間に電圧を印加する電源制御部6とを備えて形成されている。電源制御部6は、直流電源11及びスイッチ12を備えて形成されており、本実施形態では第一電源制御部6a及び第二電源制御部6bの2つを使用している。
FIG. 3B shows another example of the actuator B. The actuator B is formed by including the electric expansion / contraction mechanism A and the
ここで、図3に示すように、便宜上、電気的伸縮機構Aの一方の側から他方の側へ順に電極2の層をL1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8と表す。L1は接続用電極15が設けられた層であり、またL2〜L7はいずれも図4に示すような中央電極20及び周囲電極21が設けられた層であり、またL8はランド23が設けられた層である。
Here, as shown in FIG. 3, for the sake of convenience, the layers of the
第一電源制御部6aの直流電源11aの正極は、導通孔5によって、L3,L5,L7の周囲電極21に接続されているが、導通孔5と絶縁されたクリアランスホール24によってL2,L4,L6の周囲電極21とは接続されていない。また第一電源制御部6aの直流電源11aの負極は、導通孔5によって、L2,L4,L6の周囲電極21に接続されているが、導通孔5と絶縁されたクリアランスホール24によってL3,L5,L7の周囲電極21とは接続されていない。
The positive electrode of the
一方、第二電源制御部6bの直流電源11bの正極は、導通孔5によって、L2,L3,L6,L7の中央電極20に接続されているが、導通孔5と絶縁されたクリアランスホール24によってL4,L5の中央電極20とは接続されていない。また第二電源制御部6bの直流電源11bの負極は、導通孔5によって、L4,L5の中央電極20に接続されているが、導通孔5と絶縁されたクリアランスホール24によってL2,L3,L6,L7の中央電極20とは接続されていない。
On the other hand, the positive electrode of the
このように、図3(b)に示すアクチュエータBにあっては、複数の絶縁層1が積層されていても、絶縁層1に形成された導通孔5によって、リード線13と接続用電極15との接続箇所を電気的伸縮機構Aの片側にまとめることができ、従来よりもシンプルな配線で小型化を図ることができるものである。
As described above, in the actuator B shown in FIG. 3B, the
そして、図8(a)に示すように、第一電源制御部6aのスイッチ12aがオンであり、かつ、第二電源制御部6bのスイッチ12bがオフである場合には、L3,L5,L7の周囲電極21が直流電源11aの正極に接続され、L2,L4,L6の周囲電極21が直流電源11aの負極に接続される。つまり、L2の周囲電極21とL3の周囲電極21との間、L4の周囲電極21とL5の周囲電極21との間、L6の周囲電極21とL7の周囲電極21との間には圧縮力が作用し、アクチュエータBは全体として圧縮するものである。
As shown in FIG. 8A, when the
一方、図8(b)に示すように、第一電源制御部6aのスイッチ12aがオフであり、かつ、第二電源制御部6bのスイッチ12bがオンである場合には、L2,L3,L6,L7の中央電極20が直流電源11bの正極に接続され、L4,L5の中央電極20が直流電源11bの負極に接続される。つまり、L2の中央電極20とL3の中央電極20との間、L4の中央電極20とL5の中央電極20との間、L6の中央電極20とL7の中央電極20との間には伸長力が作用し、アクチュエータBは全体として伸長するものである。
On the other hand, as shown in FIG. 8B, when the
よって、各スイッチ12a,12bをオン・オフ制御することによってアクチュエータBを絶縁層1の厚み方向に任意に伸縮させることができるものである。このように絶縁層1が伸縮を繰り返しても、リード線13と接続用電極15との接続箇所は電気的伸縮機構Aの片側にまとめられており、絶縁層1と共に動くことはないので、接続信頼性を高めることができるものである。
Therefore, the actuator B can be arbitrarily expanded and contracted in the thickness direction of the insulating
(実施形態3)
図9(a)は電気的伸縮機構Aの他の一例を示すものであり、この電気的伸縮機構Aは、絶縁基板7に電極2を設け、伸縮性を有する絶縁層1の両面に、この絶縁層1を介して電極2が対向するように前記絶縁基板7を重ねて積層一体化されている。
(Embodiment 3)
FIG. 9 (a) shows another example of the electric expansion / contraction mechanism A. The electric expansion / contraction mechanism A is provided with
絶縁層1は多孔体3で形成されている。この多孔体3としては、例えば、PVAスポンジやウレタンスポンジのように孔が連続して設けられた連続多孔体を用いたり、孔が独立して設けられたもの等を用いたりすることができる。多孔体3の空隙率は、特に限定されるものではないが、30〜90%であることが好ましい。このように、絶縁層1が多孔体3で形成されていると、従来よりも伸縮性を高めることができるものである。
The insulating
一方、電極2は、銅張積層板(CCL)等の金属張積層板17を加工して形成することができる。すなわち、金属張積層板17を用い、パターン形成によって、電極2が設けられた絶縁基板7を作製し、この絶縁基板7をボンディングシート(図示省略)を介して絶縁層1の表面に接着することによって、絶縁層1を介して対向配置された電極2を形成することができる。
On the other hand, the
そして絶縁層1には、電極2aに電気的に接続された導通孔5が形成されている。この導通孔5は、絶縁層1の伸縮に追随して変形可能となるように形成される。具体的には、絶縁層1を形成する多孔体3に貫通孔16を設けるとその内面は網目状に形成されるが、この内面の網目に沿って銅メッキ等の金属メッキを施すことによって、導通孔5を容易に形成することができる。あるいは貫通孔16の内面の網目に沿ってスパッタリングで金属薄膜を設けることによって、導通孔5を容易に形成することができる。このように金属メッキや金属薄膜は貫通孔16の内面の網目に沿って施されているので、絶縁層1である多孔体3が伸縮する場合には、この伸縮に追随して変形することができ、断線が防止されるものである。そして導通孔5は、電極2aに接続されていると共に、一方の絶縁基板7bの外表面に設けられた接続用電極15aと接続されている。また電極2bに電気的に接続された導通孔5が絶縁基板7bに形成されており、この絶縁基板7bの外表面に設けられた接続用電極15bと接続されている。これらの接続用電極15a,15bは、後述する電源制御部6と接続されるものである。また電極2bにはクリアランスホール24が設けられており、このクリアランスホール24を導通孔5が通っていることによって、この導通孔5と電極2bとが絶縁された状態となっている。
The insulating
ところで、導通孔5は次のようにして形成することもできる。すなわち、絶縁層1に貫通孔16を設けると共に、この貫通孔16に導電性ペーストを充填することによって、導通孔5を容易に形成することができる。なお、この導電性ペーストは、シリコーンゴムに銀・銅等の金属粉を添加して得ることができ、絶縁層1の伸縮に追随して変形可能である。
By the way, the
また多孔体3の孔内には電解液が充填されている。ここで、絶縁層1の厚み方向に発生する力は絶縁層1の誘電率に比例するが、通常の誘電体の誘電率は3以下程度であるのに対して電解液の誘電率は20〜30程度であるので、通常の誘電体を用いる場合に比べて電解液を用いる場合の方がより大きな出力を得ることができるものである。このような電解液としては、酸と塩基からなるイオンを生成する電解質塩と、これが溶解する溶媒とを混合して調製されたものを用いることができる。電解質塩の酸成分としては、ホウ酸やカルボン酸等の弱酸を用いることができ、また塩基成分としては、アンモニアやアミン等の有機塩基を用いることができ、また溶媒としては、エチレングリコールやγ−ブチロラクトン等を用いることができる。具体的には、電解液としては、三洋化成工業(株)製「サンエレック」等を用いることができる。
The pores of the
電解液は電気を通す液体であるので、ショート(短絡)を防止するために、少なくとも一方の電極2bと絶縁層1との間に絶縁皮膜8が設けられている。この絶縁皮膜8は、絶縁性を有する樹脂やボンディングシートで電極2bの表面を被覆して設けられ、この電極2bと電解液とが接触しないようにしてある。特に電極2bとしてアルミニウムを用いる場合には、この電極2bの表面を酸化して形成される酸化皮膜(酸化アルミ:Al2O3)を絶縁皮膜8として用いることができる。
Since the electrolytic solution is a liquid that conducts electricity, an insulating
ところで、液状や気体状の誘電体を用いる場合と同様に、電解液は多孔体3から漏洩してしまうので、電解液を染み込ませた多孔体3は図9(a)のように袋体14に封入されている。この袋体14としては、柔軟性があるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ゴムやプラスチック等で形成されたものを用いることができる。また、このような非導電性のもののほか、袋体14としては、金属のような導電性のものを用いることができる。特に金属製の袋体14を用いる場合には、図10のようにこの袋体14の側面を蛇腹状に形成して、電気的伸縮機構Aの伸縮性を確保するようにしてある。このとき、袋体14は筒状に形成されており、その一端の開口縁が一方の絶縁基板7bの周縁に接着され、他端の開口縁が他方の絶縁基板7aの周縁に接着されて、絶縁性が確保されている。
By the way, as in the case of using a liquid or gaseous dielectric, the electrolytic solution leaks from the
図9(b)はアクチュエータBの他の一例を示すものであり、このアクチュエータBは、上記の電気的伸縮機構Aと、電極2間に電圧を印加する電源制御部6とを備えて形成されている。電源制御部6は、直流電源11及びスイッチ12を備えて形成されており、リード線13によって接続用電極15に接続されている。このように、絶縁層1に形成された導通孔5によって、リード線13と接続用電極15との接続箇所を電気的伸縮機構Aの片側にまとめることができ、従来よりもシンプルな配線で小型化を図ることができるものである。そして、スイッチ12がオンである場合には、電極2間に電圧が印加され、絶縁層1に誘電分極が生じることによって絶縁層1の内部にクーロン力が生じていわゆる電歪により絶縁層1に圧縮力が生じる。逆にスイッチ12がオフである場合には、このような圧縮力は生じない。よって、スイッチ12をオン・オフ制御することによってアクチュエータBを絶縁層1の厚み方向に任意に伸縮させることができるものである。このように絶縁層1が伸縮を繰り返しても、リード線13と接続用電極15との接続箇所は電気的伸縮機構Aの片側にまとめられており、絶縁層1と共に動くことはないので、接続信頼性を高めることができるものである。
FIG. 9B shows another example of the actuator B, and this actuator B is formed by including the above-described electrical expansion / contraction mechanism A and the
(実施形態4)
図11は電気的伸縮機構Aの他の一例を示すものである。この電気的伸縮機構Aも、絶縁基板7に電極2を設け、伸縮性を有する絶縁層1の両面に、この絶縁層1を介して電極2が対向するように前記絶縁基板7を重ねて積層一体化されているが、本実施形態では絶縁基板7間の絶縁層1の一部が欠けて空隙部9が形成されている。
(Embodiment 4)
FIG. 11 shows another example of the electric expansion / contraction mechanism A. In FIG. This electric expansion / contraction mechanism A is also provided with
すなわち、図11(a)に示すものは、絶縁層1の中央部から片側端部にかけて空隙部9が形成されている。絶縁層1が多孔体3で形成されている場合には、空隙部9は多孔体3の個々の孔よりも大きく形成するものである。そして絶縁層1の収縮時において電極2同士が接触して短絡しないように、空隙部9を介して対向する電極2のうち少なくとも一方には絶縁層1を層状に残存させて短絡防止層10が形成されている。この短絡防止層10は導通孔5の周囲にも形成されている。
That is, in the structure shown in FIG. 11A, the
また、図11(b)に示すものは、複数の絶縁層1が積層されている場合であり、各絶縁層1の中央部から片側端部にかけて空隙部9が形成されている。さらにこの空隙部9を介して対向する電極2には絶縁層1を層状に残存させて短絡防止層10が形成されており、この短絡防止層10は導通孔5の周囲にも形成されている。そして絶縁基板7を介して隣り合う絶縁層1の空隙部9は、積層方向において重ならないように位置している。このように、蛇腹状となるように空隙部9を互い違いに配置することによって、絶縁層1が複数積層されている場合であっても、伸縮性をさらに高めることができるものである。なお、図11(b)に示すものは、絶縁層1が3層積層されている場合であるが、絶縁層1が2層又は4層以上積層されている場合も同様である。
Moreover, what is shown in FIG. 11B is a case where a plurality of insulating
また、図11(c)(d)に示すものは、一方の電極2bと絶縁層1との間に絶縁皮膜8が設けられている場合であり、この場合も絶縁層1の中央部から片側端部にかけて空隙部9が形成されている。そしてこの場合は絶縁皮膜8によって一方の電極2bが空隙部9内に面して露出することがないので、絶縁皮膜8にさらに短絡防止層10を形成する必要はない。
Moreover, what is shown in FIGS. 11C and 11D is a case where an insulating
このように、図11に示すような電気的伸縮機構Aにあっては、絶縁層1の収縮時において空隙部9は抵抗とならないことによって、絶縁基板7間の絶縁層1が全く欠けていない場合に比べて、絶縁層1をより大きく収縮させることができるものである。
As described above, in the electrical expansion / contraction mechanism A as shown in FIG. 11, the
なお、図示省略しているが、図11に示す電気的伸縮機構Aと、電極2間に電圧を印加する電源制御部6とを備えてアクチュエータBを形成することができる。
Although not shown, the actuator B can be formed by including the electric expansion / contraction mechanism A shown in FIG. 11 and the power
以上のように、実施形態1〜4のいずれのアクチュエータBであっても、原材料として銅張積層板(CCL)等の金属張積層板17を利用することができ、大量生産が可能になり、例えば需要の多いロボット技術の分野において人工筋肉として好適に利用することができるものである。また絶縁層1を多孔体3で形成する場合には、多孔体3の材質を選択したり、その空隙率をあらかじめ変化させておいたり、多孔体3に充填される誘電体や電解液の材質を選択したりすることによって、絶縁層1の誘電率を調整し、伸縮の程度を細かく調整することができるものである。
As described above, any actuator B of
A 電気的伸縮機構
B アクチュエータ
1 絶縁層
2 電極
3 多孔体
5 導通孔
6 電源制御部
7 絶縁基板
8 絶縁皮膜
9 空隙部
16 貫通孔
A Electrical expansion / contraction
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