JP6164305B2 - Multiple actuator - Google Patents
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Description
この発明は、複数のアクチュエータを備える多連アクチュエータに関し、詳しくは、マニュピュレータ等に好適に用いられて三次元動作が可能な多連アクチュエータに関する。 The present invention relates to a multiple actuator including a plurality of actuators, and more particularly to a multiple actuator that is suitably used for a manipulator or the like and can perform a three-dimensional operation.
近年、マニュピュレータ等の可動装置は、より精緻な動きを要求されている。しかし、従来のマニュピュレータは、三次元の動きを実現することが難しく、また実現できた場合であっても、例えば、球面モータ等を用いた場合、これらは構造的に複雑なものとなってしまう。また、アクチュエータを用いる場合には、回転運動、旋回運動、および伸縮運動を組合せて、先端部を三次元空間の任意位置に移動させる構成となっているが、自由度の分だけの数のアクチュエータが必要となり、かさばると同時に、アクチュエータ自体が重くなってしまい、使いにくくなってしまうという問題があった。そこで、形状記憶合金のワイヤを使った湾曲運動装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, movable devices such as manipulators are required to move more precisely. However, it is difficult for conventional manipulators to realize three-dimensional movement, and even if it can be realized, for example, when a spherical motor is used, these are structurally complicated. End up. In addition, when an actuator is used, the tip portion is moved to an arbitrary position in the three-dimensional space by combining rotational motion, turning motion, and expansion / contraction motion. However, there is a problem that the actuator itself becomes heavy and difficult to use. Therefore, a bending motion apparatus using a shape memory alloy wire has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
しかし、特許文献1の技術では、前記ワイヤを変形させるためには加熱する必要があり、加熱するための時間がかかる。また、前記ワイヤは加熱すると収縮する特性を有しているに過ぎない。そのため、装置全体の動きを考慮すると、あるワイヤを加熱して収縮させる際には、装置の反対側に配置されているワイヤを伸ばすように変形させる必要が生じるので、大きな駆動力が必要となる。さらに、このとき、前記反対側に配置されているワイヤが、直前に加熱されている場合には、そのワイヤが冷却されて十分に温度が下がるまでの間(ワイヤが収縮から戻るまでの間)は、変形させようとする別のワイヤの動きを邪魔するために、さらに大きな力が必要となる。
However, in the technique of
本発明は上記問題点を解決するものであり、応答性を改善するとともに、任意の方向に曲げることが可能な多連アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a multiple actuator that can be bent in an arbitrary direction while improving responsiveness.
上記目的を達成するために、本発明の多連アクチュエータは、電歪材料が表面に配置された基材を各々が有する複数のアクチュエータと、前記複数のアクチュエータを基準軸に沿って接続する接続部とを備え、前記電歪材料は、前記基準軸の長さ方向に変形するように配置され、前記接続部は、前記複数のアクチュエータが前記基準軸の周り方向に回動可能に屈曲し、前記複数のアクチュエータは隣り合う面の向く方向が異なることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a multiple actuator according to the present invention includes a plurality of actuators each having a base material on which an electrostrictive material is disposed, and a connecting portion that connects the plurality of actuators along a reference axis. with the door, the electrostrictive material is arranged to deform in a longitudinal direction of the reference axis, said connecting portion, said plurality of actuators to bend rotatably about the direction of the reference axis, wherein The plurality of actuators are characterized in that the directions of adjacent surfaces are different .
本発明の多連アクチュエータにおいて、前記基材および前記接続部は一体に形成されていることが好ましい。 In the multiple actuator of the present invention, it is preferable that the base material and the connection portion are integrally formed.
また、前記電歪材料は、フィルム状に形成した高分子電歪材料を積層した積層体を含むことが好ましい。 The electrostrictive material preferably includes a laminate in which polymer electrostrictive materials formed in a film shape are laminated.
本発明の多連アクチュエータにおいて、複数のアクチュエータは、ユニモルフ構造を有するアクチュエータを含んでいることが好ましい。 In the multiple actuator of the present invention, it is preferable that the plurality of actuators include an actuator having a unimorph structure.
また、前記複数のアクチュエータは、少なくとも1つがバイモルフ構造を有するアクチュエータを含んでいることが好ましい。 Further, it is preferable that at least one of the plurality of actuators includes an actuator having a bimorph structure.
本発明の多連アクチュエータにおいて、前記複数のアクチュエータの各々の変形方向は、隣り合うアクチュエータの変形方向と90度の角度をなしていることが好ましい。 In the multiple actuator of the present invention, it is preferable that the deformation direction of each of the plurality of actuators forms an angle of 90 degrees with the deformation direction of the adjacent actuator.
本発明の多連アクチュエータにおいて、前記複数のアクチュエータは、前記基準軸方向の長さが異なるアクチュエータを含んでいることが好ましい。ここで、前記長さが異なるアクチュエータのうち、長さが短いアクチュエータを、動作固定端側に配置して用いることがより好ましい。 In the multiple actuator of the present invention, it is preferable that the plurality of actuators include actuators having different lengths in the reference axis direction. Here, among the actuators having different lengths, it is more preferable that an actuator having a short length is disposed and used on the operation fixed end side.
本発明によれば、応答性を改善するとともに、任意の方向に曲げることが可能な多連アクチュエータを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while improving responsiveness, the multiple actuator which can be bent in arbitrary directions can be provided.
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the drawings.
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定および制限されない。
(第1の実施形態)Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited or limited to the following examples.
(First embodiment)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る多連アクチュエータ10の概略構成を示す斜視図である。図1(a)は変形していない状態の多連アクチュエータ、図1(b)は変形した状態の多連アクチュエータである。図2は、本実施形態に係る多連アクチュエータ10において、フレキシブル基板(基材)2の屈曲を説明する図である。図2(a)は曲げ加工前のフレキシブル基板2、図2(b)は曲げ加工後のフレキシブル基板2である。
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a
図1において、多連アクチュエータ10は、複数のアクチュエータ3(3A、3B)および接続部4を備える。図示する態様では、例示的に2つのアクチュエータで構成された多連アクチュエータを示すが、本発明はこれに限定されない。複数のアクチュエータ3A、3Bは、接続部4によって、基準軸L方向に沿って接続されている。本実施形態において、図2に示すように、接続部4は、基材2と一体に形成されている。基材2には、曲げ加工のための切り欠きが設けられている。そして、基材2を図2(a)に示す破線の位置で折り曲げて接続部4を屈曲させることで、図2(b)に示すように、2つのアクチュエータ3A、3Bを、基準軸Lの周り方向に回動させて所定の方向を向かせることが可能となる。図2に示すような3箇所の破線部で曲げることにより、隣り合う部分の面の向く方向を90度異なるようにすることができる。
In FIG. 1, the
アクチュエータ3A、3Bは、各々、電界によって変形する電歪材料1が表面に配置された基材2を有している。電歪材料1は、基材2上に形成された電極パターン5(図4参照)上に、電極間に電圧を印加することにより基準軸Lの長さ方向(図中両矢印方向)に変形(収縮または伸長)するような方向に配置されている。電歪材料1が変形すると、アクチュエータ3A、3Bは、例えば、図1(b)に示すよう屈曲し、先端部が変位する。なお、図1(b)のアクチュエータ3Aは、図面に表れていない面の電歪材料1が伸長することによって変形している。
Each of the
アクチュエータ3がユニモルフ構造であれば、基材2の一方の面方向への屈曲が可能であり、バイモルフ構造であれば、基材2の両方の面方向への屈曲が可能となる。図3は、バイモルフ構造を有するアクチュエータ3の動作を説明する図である。このアクチュエータは、基材2の一方の面に電歪材料1Aが配置され、他方の面に電歪材料1Bが配置されており、動作固定端7でアクチュエータ3の一端が固定されている。図3においては、電歪材料1Aおよび1Bは、それぞれ、電圧の印加により伸長する材料である場合を示す。この場合、電歪材料1Aに電圧を印加すると、アクチュエータ3は図3の左図に示すような方向に屈曲する。一方、電歪材料1Bに電圧を印加すると、アクチュエータ3は図3の右図に示すような方向に屈曲する。
If the actuator 3 is a unimorph structure, it can be bent in one surface direction of the
本発明においては、それぞれのアクチュエータは、独立に駆動が可能であり、複数のアクチュエータ3A、3Bを、接続部によってそれぞれを異なる方向に向けることができるため、先端部を任意の方向に曲げることが可能となる。前記ユニモルフ構造のアクチュエータの場合、多連アクチュエータの1つ1つのアクチュエータは1方向にしか曲げることはできないが、動きを組み合わせることで任意の方向に曲げることができる。また、前記バイモルフ構造のアクチュエータを含む多連アクチュエータの場合、バイモルフ構造のアクチュエータは2方向に曲げることができるため、大きな変形を実現することができる。
In the present invention, each actuator can be driven independently, and the plurality of
また、電歪材料を用いているため、熱によって変形する形状記憶ワイヤ等の材料と比較して、応答性を大きく改善することができる。また、異なる向きを向いているアクチュエータを同時に駆動するときに、印加電圧を変えることで、0〜90度の任意の角度の方向に曲げることができる。 In addition, since an electrostrictive material is used, responsiveness can be greatly improved as compared with a material such as a shape memory wire that is deformed by heat. In addition, when simultaneously driving actuators facing different directions, it can be bent in the direction of an arbitrary angle of 0 to 90 degrees by changing the applied voltage.
アクチュエータ3A、3Bの各々の変形方向は、互いに90度の角度をなすように配置すると好ましい。このようにすると、簡易な構造であるにもかかわらず、いずれか一方のみのアクチュエータを駆動すると、90度方向が異なる向きにアクチュエータの先端を移動させることができる。
The deformation directions of the
電歪材料1としては、高分子電歪材料を用いることができる。高分子電歪材料は、永久双極子を有する高分子材料であれば、特に限定されない。高分子電歪材料の例としては、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、PVDF系の共重合体、例えば、P(VDF−TrFE)およびP(VDF−VF)などのコポリマーや、P(VDF−TrFE−CFE)、P(VDF−TrFE−CTFE)、P(VDF−TrFE−CDFE)、P(VDF−TrFE−HFA)、P(VDF−TrFE−HFP)およびP(VDF−TrFE−VC)などのターポリマーが挙げられる。ここで、Pはポリを、VDFはビニリデンフルオライドを、TrFEはトリフルオロエチレンを、CFEはクロロフルオロエチレンを、CTFEはクロロトリフルオロエチレンを、CDFEはクロロジフルオロエチレンを、HFAはヘキサフルオロアセトンを、HFPはヘキサフルオロプロピレンを、VCはビニルクロライドを意味する。なかでも、P(VDF−TrFE−CFE)が、電圧の印加により大きな歪みが得られる点で特に好ましい。
As the
電歪材料1の厚さは適宜設定してよいが、例えば数μm〜100μm程度とすることができる。複数のアクチュエータ3間で、電歪材料1は、使用する高分子電歪材料および厚さが異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。また、電歪材料1は、フィルム状に形成した高分子電歪材料を積層した積層体とすることも好ましい。積層化することで、ユニモルフ構造で発生できる力は十分大きくすることができる。
Although the thickness of the
また、多連アクチュエータ10において、基材2上には電極パターン5が形成され、基材2端部には、エッジコネクタ部6が形成される。このエッジコネクタ部6から電圧を与えることで、電歪材料1を変形させる。電極パターン5およびエッジコネクタ部6は、電極として機能し得る限り、任意の適切な導電性材料から形成してよい。かかる導電性材料の例としては、Ni(ニッケル)、Pt(白金)、Pt−Pd(白金−パラジウム合金)、Al(アルミニウム)、Au(金)、Au−Pd(金パラジウム合金)などの金属材料、PEDOT(ポリエチレンジオキシチオフェン)、PPy(ポリピロール)、PANI(ポリアニリン)などの有機導電性材料などが挙げられる。このうち、有機導電性材料は、クラックが導入され難いので好ましい。また、有機導電性材料は、インクを調製して刷毛塗り、マスクを用いたスプレー塗装、あるいはインクの粘度が高い場合にはスクリーン印刷等の方法で電極を形成することができる。電極パターン5およびエッジコネクタ部6の厚さは、使用する導電性材料などに応じて適宜設定してよいが、例えば20nm〜10μm程度とすることができる。複数のアクチュエータ3間で、電極パターン5およびエッジコネクタ部6は、使用する導電性材料および厚さが異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
In the
また、基材2は、電歪材料の変形に追従して湾曲させることが可能である限り、任意の適切な可撓性材料から形成してよい。かかる可撓性材料の例としては、PET(ポリエチレンテレフタレート)、セロファン、塩化ビニル、ポリイミド、ポリエステルなどが挙げられる。また、基材2は、上述したような電歪材料から形成してもよい。基材2の厚さは適宜設定してよいが、例えば数μm〜100μm程度とすることができる。
Moreover, as long as the
接続部4を屈曲させて、複数のアクチュエータの向きを所望の方向にした後には、接続部4を樹脂等で固着して固定させることも好ましい。前記樹脂としては、エポキシ樹脂等の接着剤を用いることができる。あるいは、粘着テープ等で固定してもよい。
It is also preferable that the connecting
図5には、本実施形態に係る多連アクチュエータの変形例を示す。図5は、変形例の多連アクチュエータ20におけるフレキシブル基板2の屈曲を説明する図である。本変形例は、3つのアクチュエータで構成された多連アクチュエータである。図5(a)は曲げ加工前のフレキシブル基板2、図5(b)は曲げ加工後のフレキシブル基板2である。このように、多連アクチュエータを構成するアクチュエータの数は限定されず、基材(フレキシブル基板)2において切り欠き部の形状や曲げ線を形成する位置を設計して接続部4を設けることで、任意の数のアクチュエータを連結させ、任意の駆動動作を実現することが可能となる。
(第2の実施形態)FIG. 5 shows a modification of the multiple actuator according to the present embodiment. FIG. 5 is a diagram for explaining bending of the
(Second Embodiment)
図6は、本発明の第2の実施形態に係る多連アクチュエータ30において、フレキシブル基板2の屈曲を説明する図である。図6(a)は曲げ加工前のフレキシブル基板2、図6(b)は曲げ加工後のフレキシブル基板2である。本実施形態は、多連アクチュエータ30が、基準軸L方向の長さが異なる2つのアクチュエータ3Cおよび3Dを備えているほかは、第1の実施形態と同様である。
FIG. 6 is a diagram illustrating bending of the
図7は、第2の実施形態に係る多連アクチュエータにおいて、アクチュエータの長さが異なることによる効果を説明する図である。同図においては、長さが異なるアクチュエータのうち、長さが短いアクチュエータを、動作固定端7側に配置して用い、2つのアクチュエータの向きが90度の角度をなしている場合を説明している。
FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of different actuator lengths in the multiple actuator according to the second embodiment. In the same figure, among the actuators having different lengths, an actuator having a short length is arranged on the operation fixed
位置Aおよび位置Bに、同じ角度の屈曲が可能なアクチュエータを配置したとする。図7(a)は、2つのアクチュエータの長さが同じ場合であり、図7(b)は、2つのアクチュエータの長さが異なる場合である。図7(a)の場合、位置Aのアクチュエータがある角度の屈曲をした場合、先端部は位置P’の高さとなる。位置Aのアクチュエータが屈曲せず位置Bのアクチュエータが前記と同じ角度だけ屈曲すると、先端部は位置Pの高さまでしか到達しないこととなる。同じ角度の屈曲であっても、位置Bのアクチュエータの屈曲による到達位置はPであり、位置Aのアクチュエータによる到達位置P’までは届かないこととなる。すなわち、各アクチュエータが同じだけ屈曲するように電圧を印加しても、動作固定端7に近い位置のアクチュエータの屈曲による変位の大きさのほうが大きくなってしまう。そのため、動作固定端7側のアクチュエータの動作方向と、動作固定端7から離れた位置のアクチュエータの動作方向とで、動き方に差異が生じてしまい、動作が不自然となりやすい。
Assume that actuators that can be bent at the same angle are arranged at positions A and B. FIG. 7A shows the case where the two actuators have the same length, and FIG. 7B shows the case where the two actuators have different lengths. In the case of FIG. 7A, when the actuator at the position A is bent at a certain angle, the tip portion is at the height of the position P ′. If the actuator at the position A is not bent and the actuator at the position B is bent by the same angle as described above, the tip portion reaches only the height of the position P. Even if the bending is performed at the same angle, the position reached by the bending of the actuator at position B is P, and the reaching position P ′ by the actuator at position A is not reached. That is, even if a voltage is applied so that each actuator bends to the same extent, the magnitude of displacement due to the bending of the actuator near the operation fixed
一方、図7(b)の場合、位置Aのアクチュエータ3Dがある角度の屈曲をした場合、図7(a)の場合と同様に先端部は位置P’の高さとなることに変わりはない。しかし、位置Bのアクチュエータ3Cは位置Aのアクチュエータ3Dよりも長いため、位置Aのアクチュエータ3Dが屈曲せず位置Bのアクチュエータ3Cが前記と同じ角度だけ屈曲すると、先端部の到達位置Pは、図7(a)の場合と比べて位置P’に近接させることができる。
On the other hand, in the case of FIG. 7B, when the
このように、長さが異なるアクチュエータ3Cおよび3Dのうち、長さが短いアクチュエータ3Dを、動作固定端7側に配置して用いると、各アクチュエータに同じ信号(電圧)を与えたときに、多連アクチュエータ30では、動作固定端7側のアクチュエータ3Dの変形と他の部分のアクチュエータ3Cの変形とが、ほぼ等しいものと扱うことができるようになる。したがって、先端部を2次元的に変形させようとするときに、滑らかな軌跡を描く動作を実現することが可能となる。
As described above, among the
電歪材料として、厚み10μmのフィルムとしたP(VDF−TrFE−CFE)を20層、熱圧着により積層したものを使用した。サイズは幅20mm、長さ20mmである。前記フィルムには、積層前の段階で、各フィルムの表裏に電極を形成した。電極は、有機電極PEDOTのインクを刷毛塗りした後、85℃で10分乾燥して形成した。 As the electrostrictive material, a laminate of 20 layers of P (VDF-TrFE-CFE) made into a film having a thickness of 10 μm by thermocompression bonding was used. The size is 20 mm wide and 20 mm long. In the film, electrodes were formed on the front and back of each film at the stage before lamination. The electrode was formed by brushing the organic electrode PEDOT ink and then drying at 85 ° C. for 10 minutes.
電極のパターンはいろいろ考えられるが、積層するフィルムの表裏に同じ電極パターンを形成すると、電圧をかける正負の電極がショートしてしまう。このため、通常は、張り合わされる面同士は、同じ極性の電極になるようにする。 Various electrode patterns are conceivable, but if the same electrode pattern is formed on the front and back of the laminated film, the positive and negative electrodes to which voltage is applied are short-circuited. For this reason, usually, the surfaces to be bonded are made to have the same polarity.
また、正負の電極パターンをフィルムの片面にのみ形成し、それを交互に積層し、その後に各フィルムを熱圧着する方法もある。この場合、積層するだけで、結果的にフィルムの表裏に電極パターンが形成され、実質的に上記の同等の構造が得られる。 There is also a method of forming positive and negative electrode patterns only on one side of the film, alternately laminating them, and then thermocompression bonding each film. In this case, simply laminating results in the formation of electrode patterns on the front and back of the film, resulting in substantially the same structure as described above.
なお、本実施例では、電極パターンが両面に形成されたフィルムを積層することを想定しているが、電極パターンが片面に形成されたフィルムを積層するようにしてもよい。 In the present embodiment, it is assumed that a film having an electrode pattern formed on both sides is laminated, but a film having an electrode pattern formed on one side may be laminated.
この積層体を、フレキシブル基板に実装、固着した。フレキシブル基板は厚み120μmのポリイミドであり、表面および裏面には半田メッキによるパターンが図4に示すように形成されているものを用いた。図4では片面のみを示しているが、基板表面および裏面には電歪材料からなるアクチュエータを実装、電気接続するためのパッドが形成されており、裏表で4個のアクチュエータ(積層体)を実装した。基板の端にはエッジコネクタ部が形成されており、ここから前記積層体に電圧を与え、変形させる。 This laminate was mounted and fixed on a flexible substrate. The flexible substrate was made of polyimide having a thickness of 120 μm, and a solder plating pattern formed on the front and back surfaces as shown in FIG. 4 was used. Although only one side is shown in FIG. 4, an actuator made of an electrostrictive material is mounted on the front and back surfaces of the substrate, and pads for electrical connection are formed, and four actuators (laminated body) are mounted on the front and back sides. did. An edge connector portion is formed at the end of the substrate, from which voltage is applied to the laminated body to deform it.
このフレキシブル基板を、図2(b)に示すように曲げ加工し、隣り合う部分の面の向く方向を90度異なるようにした。フレキシブル基板の表裏両面に電歪材料が装着され、これによって表面および裏面の各々にユニモルフのアクチュエータが形成される。このユニモルフに80MV/mの電界を印加すると、20度程度の曲げが生じた。また、いずれか一方のみを駆動すると、90度方向が異なる向きにアクチュエータを曲げることができた。さらに、異なる向きを向いているアクチュエータを同時に駆動するときに、それぞれに加える印加電圧を変えることで、0〜90度の任意の角度の方向に曲げることができた。 This flexible substrate was bent as shown in FIG. 2 (b) so that the directions of the surfaces of the adjacent portions were different by 90 degrees. An electrostrictive material is mounted on both the front and back surfaces of the flexible substrate, whereby a unimorph actuator is formed on each of the front and back surfaces. When an electric field of 80 MV / m was applied to this unimorph, bending of about 20 degrees occurred. In addition, when only one of them was driven, the actuator could be bent in different directions by 90 degrees. Furthermore, when simultaneously driving actuators facing different directions, it was possible to bend in the direction of an arbitrary angle of 0 to 90 degrees by changing the applied voltage applied to each actuator.
10、20、30 多連アクチュエータ
1、1A、1B 電歪材料
2 基材(フレキシブル基板)
3、3A、3B、3C、3D アクチュエータ
4 接続部
5 電極パターン
6 エッジコネクタ部
7 動作固定端
L 基準軸
(両矢印:変形(収縮または伸長)方向)
10, 20, 30
3, 3A, 3B, 3C,
L Reference axis (double arrow: direction of deformation (shrinkage or extension))
Claims (8)
前記複数のアクチュエータを基準軸に沿って接続する接続部とを備え、
前記電歪材料は、前記基準軸の長さ方向に変形するように配置され、
前記接続部は、前記複数のアクチュエータが前記基準軸の周り方向に回動可能に屈曲し、前記複数のアクチュエータは隣り合う面の向く方向が異なる、多連アクチュエータ。 A plurality of actuators each having a substrate with electrostrictive material disposed on the surface;
A connecting portion for connecting the plurality of actuators along a reference axis,
The electrostrictive material is arranged to be deformed in the length direction of the reference axis,
The connecting portion is a multiple actuator in which the plurality of actuators are bent so as to be rotatable around the reference axis, and the plurality of actuators are different in the direction in which adjacent surfaces face .
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