JP7489629B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、ポリ塩化ビニル系成形体を備えたアクチュエータに関するものである。

この種のアクチュエータとして、下記特許文献１に開示されたゲルアクチュエータが知られている。このゲルアクチュエータは、導電材で形成されたメッシュ体と、メッシュ体を挟んで対向配置された一対のゲルと、各ゲルのそれぞれの外面に配置された一対の電極とを備えて構成されている。また、このゲルアクチュエータは、各電極とメッシュ体との間に電圧を印加しない状態においては、各ゲルの対向面が離間し、各電極とメッシュ体との間に電圧を印加すると、各ゲルの一部がメッシュ体のメッシュ孔に入り込む。このように、このゲルアクチュエータは、電圧の印加操作によって厚さ方向に変位するアクチュエータとして機能する。

特開２０１２－２３８４３号公報

ところが、上述した従来のゲルアクチュエータには、解決すべき以下の課題がある。具体的には、従来のゲルアクチュエータでは、十分な変位量（収縮量）で作動させるためには、高電圧を印加する必要がある。一方、このゲルアクチュエータでは、変位量を得るためには、ゲルを薄膜化してメッシュ体、ゲルおよび電極を積層する必要がある。このため、このゲルアクチュエータでは、ゲルアクチュエータに荷重が加わったときに、薄膜化したゲルが圧縮されてメッシュ体と電極とが近接または接触して両者が短絡するおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、短絡を防止し得るアクチュエータを提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載のアクチュエータは、ポリ塩化ビニルおよび可塑剤を含有して誘電性を有するポリ塩化ビニル系材料で形成されて常温においてゲル状態を呈するポリ塩化ビニル系成形体の両面にそれぞれ対向するように陽極および陰極が配置され、前記陽極および前記陰極を介した前記ポリ塩化ビニル系成形体に対する電圧印加時の当該ポリ塩化ビニル系成形体の変形に伴って発生する力を駆動力として用いるアクチュエータであって、前記電圧印加時の前記ポリ塩化ビニル系成形体の変形の特性を維持しつつ前記陽極と前記陰極との接触を防止するセパレータを当該陰極と当該ポリ塩化ビニル系成形体との間に配置したことを特徴とする。

また、請求項２記載のアクチュエータは、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記セパレータは、非導電性を有する不織布で形成されていることを特徴とする。

また、請求項３記載のアクチュエータは、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記セパレータは、非導電性を有する紙で形成されていることを特徴とする。

また、請求項４記載のアクチュエータは、請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記セパレータは、高分子フィブリルで形成されていることを特徴とする。

また、請求項５記載のアクチュエータは、請求項２から４のいずれかに記載のアクチュエータにおいて、前記セパレータに前記ポリ塩化ビニル系材料が含浸されていることを特徴とする。

また、請求項６記載のアクチュエータは、請求項５記載のアクチュエータにおいて、前記ポリ塩化ビニル系成形体は、前記セパレータに含浸させた前記ポリ塩化ビニル系材料が当該セパレータの一面側に浸出してゲル状態を呈するゲル膜として当該セパレータと一体に形成されていることを特徴とする。

本発明に係るアクチュエータによれば、陰極とポリ塩化ビニル系成形体との間にセパレータを配置したことにより、ポリ塩化ビニル系成形体に対する電圧印加時のポリ塩化ビニル系成形体の変形の特性を維持しつつ陽極と陰極との接触を防止することができるため、陽極と陰極との短絡を確実に防止することができる。

また、本発明に係るアクチュエータによれば、非導電性繊維を用いた不織布でセパレータを形成したことにより、陽極と陰極との接触の防止を低コストで実現することができる。

また、本発明に係るアクチュエータによれば、非導電性を有する紙でセパレータを形成したことにより、陽極と陰極との接触の防止を低コストで実現することができる。

また、本発明に係るアクチュエータによれば、高分子フィブリルでセパレータを形成したことにより、セパレータを薄膜化できるため、アクチュエータを全体として薄く構成することができる。

また、本発明に係るアクチュエータによれば、セパレータにポリ塩化ビニル系材料を含浸させたことにより、セパレータにポリ塩化ビニル系材料を含浸させていない構成と比較して、電圧印加時のポリ塩化ビニル系成形体の変形の特性の低下を確実に防止することができるため、アクチュエータの性能の低下を回避しつつ陽極と陰極との短絡を確実に防止することができる。

また、本発明に係るアクチュエータによれば、ポリ塩化ビニル系成形体を、セパレータに含浸させたポリ塩化ビニル系材料をセパレータの一面側に浸出させてゲル状態を呈するゲル膜としてセパレータと一体に形成したことにより、セパレータとポリ塩化ビニル系成形体とを別体に形成する構成と比較して、陽極、ポリ塩化ビニル系成形体、セパレータおよび陰極を積層してアクチュエータを組み立てる際の組立て効率を十分に向上させることができる。

アクチュエータ１０の構成を示す構成図である。 アクチュエータ１０の構成を示す断面図である。 アクチュエータ１０の製造方法５０を示すフローチャートである。 アクチュエータ１０の絶縁性能試験の結果を示す結果図である。 アクチュエータ１０の特性試験の結果を示す第１の特性図である。

以下、本発明に係るアクチュエータの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、図１に示すアクチュエータ１０の構成について説明する。アクチュエータ１０は本発明に係るアクチュエータの一例であって、図１，２に示すように、陽極１１、陰極１２、ＰＶＣゲルシート１３およびセパレータ１４を備えて構成されている。

陽極１１は、導電性を有するメッシュシート（一例として、ステンレスメッシュシート）で構成されている。また、本実施例では、陽極１１は、一例として、図１に示すように、円形に形成されている。

陰極１２は、導電性を有するシート（一例として、アルミシート）で構成されている。また、本実施例では、陰極１２は、図１に示すように、陽極１１と同様の円形に形成されている。

ＰＶＣゲルシート１３は、ポリ塩化ビニル系成形体の一例であって、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）および可塑剤を含有して誘電性を有するポリ塩化ビニル系材料で形成されて常温においてゲル状態を呈している。また、本実施例では、ＰＶＣゲルシート１３は、図１に示すように、陽極１１と同様の円形に形成されている。また、ＰＶＣゲルシート１３は、後述する製造方法５０（図３参照）によって製造される。このＰＶＣゲルシート１３は、電圧の供給によって厚さ方向に変形する特性を有している。

この場合、ＰＶＣゲルシート１３は、アジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）、アジピン酸ジエチル（ＤＥＡ）、アジピン酸ジオクチル（ＤＯＡ）、セバシン酸ジエチル（ＤＥＳｅｂ）、セバシン酸ジオクチル（ＤＯＳｅｂ）、コハク酸ジエチル（ＤＥＳＵ）、およびフタル酸ジブチル（ＤＢＰ）のうちの１種類または複数種類を、ポリ塩化ビニル１００重量部に対して合計で１００～１０００重量部含有するポリ塩化ビニル系材料で形成されている。

セパレータ１４は、陰極１２とＰＶＣゲルシート１３との間に配置されて、電圧印加時のＰＶＣゲルシート１３の変形特性を維持しつつ陽極１１と陰極１２との接触を防止する機能を有している。この場合、セパレータ１４は、非導電性を有する（例えば、樹脂繊維で形成された）不織布４１で形成されている。また、セパレータ１４は、図１に示すように、陽極１１と同様の円形に形成されている。

また、本実施例では、ＰＶＣゲルシート１３を構成するポリ塩化ビニル系材料と同じポリ塩化ビニル系材料を不織布４１に含浸させると共に、ＰＶＣゲルシート１３とセパレータ１４とが一体に形成されている。具体的には、ＰＶＣゲルシート１３は、後述する製造方法において、セパレータ１４を構成する不織布４１にポリ塩化ビニル系材料を含浸させると共に、不織布４１の一面側にポリ塩化ビニル系材料を浸出させ、このポリ塩化ビニル系材料を乾燥することによってゲル状態を呈するゲル膜としてのＰＶＣゲルシート１３を不織布４１の一面側に形成することによってＰＶＣゲルシート１３とセパレータ１４とが一体に形成されている。

また、本実施例では、アクチュエータ１０は、図１に示すように、１枚の陽極１１と、２枚の陰極１２と、各電極１１，１２の上面および下面に配置された２枚のＰＶＣゲルシート１３と、ＰＶＣゲルシート１３および陽極１１の間に配置された２枚のセパレータ１４とを積層することによって形成されている。

このアクチュエータ１０では、電極１１，１２間に挟まれたＰＶＣゲルシート１３に対して電極１１，１２を介して電圧を供給しているときに、ＰＶＣゲルシート１３が陽極１１を構成するメッシュの隙間に進入するように変形することで厚み方向に収縮する。また、ＰＶＣゲルシート１３に対する電圧の供給を停止したときに、ＰＶＣゲルシート１３の復元（変形の解除）による力を伴ってＰＶＣゲルシート１３が厚み方向に伸長する。つまり、このアクチュエータ１０では、ＰＶＣゲルシート１３の変形に伴って発生する力を駆動力Ｆ（図１参照）として出力することが可能となっている。ここで、アクチュエータ１０が発生する駆動力Ｆは、陽極１１、陰極１２およびＰＶＣゲルシート１３の面積に比例（または、ほぼ比例）し、アクチュエータ１０の変位量（伸縮量）は、陽極１１、ＰＶＣゲルシート１３、セパレータ１４および陰極１２を１枚ずつこの順番で積層したものを１ユニットとしたときのユニットの積層数に比例（または、ほぼ比例）する。

次に、アクチュエータ１０の製造方法について、図３に示す製造方法５０のフローチャートを参照して説明する。

この製造方法５０では、まず、溶剤を計量して、攪拌容器に投入する（ステップ５１）。溶剤としては、テトラヒドロフランおよびシクロヘキサンのいずれか１種類を用いることができる。また、溶剤は、ポリ塩化ビニル１００重量部に対して６００～１０００重量部の範囲内で用いるのが好ましく、本実施例では、ポリ塩化ビニル１００重量部に対して溶剤を８００重量部用いる。

続いて、ポリ塩化ビニルを計量し、溶剤が投入されている攪拌容器に攪拌しつつ投入する（ステップ５２）。本実施例では、溶剤８００重量部に対して１００重量部のポリ塩化ビニルを計量して投入する。

続いて、溶剤とポリ塩化ビニルとが十分に混合（溶解）した状態で、可塑剤を計量して、溶剤とポリ塩化ビニルとが投入されている攪拌容器に攪拌しつつ投入する（ステップ５３）。可塑剤としては、アジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）、アジピン酸ジエチル（ＤＥＡ）、アジピン酸ジオクチル（ＤＯＡ）、セバシン酸ジエチル（ＤＥＳｅｂ）、セバシン酸ジオクチル（ＤＯＳｅｂ）、コハク酸ジエチル（ＤＥＳＵ）、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）のうちの１種類または複数種類を用いることができる。また、可塑剤は、ポリ塩化ビニル１００重量部に対して１００～１０００重量部の範囲内で用いるのが好ましく、本実施例では、ポリ塩化ビニル１００重量部に対して可塑剤を４００重量部用いる。

次いで、溶剤、ポリ塩化ビニルおよび可塑剤（これらの混合物）が収容された攪拌容器を脱泡装置にセットして脱泡処理を実行する（ステップ５４）。これにより、ポリ塩化ビニル系材料が作製される。続いて、円形に裁断した不織布４１をガラス板上に載置し、脱泡処理の終了したポリ塩化ビニル系材料を不織布４１の上面（一面）側から塗布する（ステップ５５）。この際に、塗布したポリ塩化ビニル系材料の一部は不織布４１に含浸し、残りのポリ塩化ビニル系材料は、不織布４１の上面に残留（浸出）した状態に維持される。

次いで、ポリ塩化ビニル系材料を塗布した不織布４１を乾燥して溶剤を蒸発させる乾燥処理を実行する（ステップ５６）。これにより、ＰＶＣゲルシート１３およびセパレータ１４が一体に形成される。続いて、図１に示すように、１枚の陽極１１、２枚の陰極１２、２枚のＰＶＣゲルシート１３、および２枚のセパレータ１４を積層する積層工程を行う（ステップ５７）。以上により、アクチュエータ１０の製造が完了する。

次に、アクチュエータ１０の絶縁性能試験および特性試験について説明する。

まず、アクチュエータ１０の絶縁性能試験について説明する。この絶縁性能試験では、実施例として、上述した製造方法でアクチュエータ１０を製造した。また、比較例として、セパレータ１４を備えていないアクチュエータ１０を製造した。また、この絶縁性能試験では、実施例および比較例の各アクチュエータ１０に加える荷重の大きさを変更しつつ陽極１１と陰極１２との間の抵抗値を測定し、陽極１１と陰極１２とが短絡したときの荷重の大きさを記録した。

この絶縁性能試験の結果を図４に示す。同図から、セパレータ１４を備えた実施例のアクチュエータ１０は、セパレータ１４を備えていない比較例のアクチュエータ１０と比較して、荷重に対して十分な絶縁性能を有していることが明らかである。つまり、陰極１２とＰＶＣゲルシート１３との間にセパレータ１４を配置したことで、アクチュエータ１０に荷重が加わったときの陽極１１と陰極１２との短絡の発生を確実に防止ができることが理解される。

次に、アクチュエータ１０の特性試験について説明する。特性試験では、実施例および比較例の各アクチュエータ１０に対して直流電圧を供給したときの厚み方向の変位量（収縮量）を複数の電圧値について測定した。この場合、この特性試験では、陽極１１、ＰＶＣゲルシート１３、セパレータ１４および陰極１２を１枚ずつこの順番で積層したユニットを１０ユニット積層したアクチュエータ１０を実施例とし、陽極１１、ＰＶＣゲルシート１３および陰極１２を１枚ずつこの順番で積層したユニットを１０ユニット積層したアクチュエータ１０を比較例とした。

特性試験の結果を図５に示す。図５から、セパレータ１４を備えた実施例のアクチュエータ１０は、セパレータ１４を備えていない比較例のアクチュエータ１０と比較して、変位量が６％程度低下することが判る。つまり、セパレータ１４を備えたことによって変位量が低下するものの、その低下率は僅かであることが理解される。

このように、このアクチュエータ１０によれば、陰極１２とＰＶＣゲルシート１３との間にセパレータ１４を配置したことにより、ＰＶＣゲルシート１３に対する電圧印加時のＰＶＣゲルシート１３の変形の特性を維持しつつ陽極１１と陰極１２との接触を防止することができるため、陽極１１と陰極１２との短絡を確実に防止することができる。

また、このアクチュエータ１０によれば、非導電性繊維を用いた不織布４１を備えてセパレータ１４を形成したことにより、陽極１１と陰極１２との接触の防止を低コストで実現することができる。

また、このアクチュエータ１０によれば、不織布４１にポリ塩化ビニル系材料を含浸させてセパレータ１４を形成したことにより、不織布４１だけでセパレータ１４を形成する構成と比較して、電圧印加時のＰＶＣゲルシート１３の変形の特性の低下を確実に防止することができるため、アクチュエータ１０の性能の低下を回避しつつ陽極１１と陰極１２との短絡を確実に防止することができる。

また、このアクチュエータ１０によれば、ＰＶＣゲルシート１３を、不織布４１に含浸させたポリ塩化ビニル系材料を不織布の一面側に浸出させてゲル状態を呈するゲル膜としてセパレータ１４と一体に形成したことにより、セパレータ１４とＰＶＣゲルシート１３とを別体に形成する構成と比較して、陽極１１、ＰＶＣゲルシート１３、セパレータ１４および陰極１２を積層してアクチュエータ１０を組み立てる際の組立て効率を十分に向上させることができる。

なお、上述したアクチュエータ１０は、本発明に係るアクチュエータの一例であって、適宜変更した構成を採用することができる。例えば、上述したアクチュエータ１０では、ＰＶＣゲルシート１３とセパレータ１４とを一体に形成した構成を採用しているが、ＰＶＣゲルシート１３とセパレータ１４とを別体に形成した構成を採用することもできる。また、ポリ塩化ビニル系材料を不織布４１に含浸させたセパレータ１４に代えて、ポリ塩化ビニル系材料を含浸させていない不織布４１をセパレータ１４として用いることもできる。また、非導電性を有する不織布４１に代えて、非導電性を有する紙や高分子フィブリルで形成されたセパレータ１４を用いることもできる。

また、上述したアクチュエータ１０は、１枚の陽極１１、２枚の陰極１２、２枚のＰＶＣゲルシート１３および２枚のセパレータ１４を備えて構成されているが、アクチュエータ１０を構成する陽極１１、陰極１２、ＰＶＣゲルシート１３およびセパレータ１４の数（上述したユニットの積層数）は任意に規定することができる。

また、上述したアクチュエータ１０の構成では、陽極１１、陰極１２、ＰＶＣゲルシート１３およびセパレータ１４が円形に形成されているが、他の平面視形状（例えば、楕円形や多角形）の陽極１１、陰極１２、ＰＶＣゲルシート１３およびセパレータ１４を採用することもできる。

１０ アクチュエータ
１１ 陽極
１２ 陰極
１３ ＰＶＣゲルシート
１４ セパレータ
４１ 不織布
Ｆ 駆動力

Claims (6)

1. ポリ塩化ビニルおよび可塑剤を含有して誘電性を有するポリ塩化ビニル系材料で形成されて常温においてゲル状態を呈するポリ塩化ビニル系成形体の両面にそれぞれ対向するように陽極および陰極が配置され、前記陽極および前記陰極を介した前記ポリ塩化ビニル系成形体に対する電圧印加時の当該ポリ塩化ビニル系成形体の変形に伴って発生する力を駆動力として用いるアクチュエータであって、
   前記電圧印加時の前記ポリ塩化ビニル系成形体の変形の特性を維持しつつ前記陽極と前記陰極との接触を防止するセパレータを当該陰極と当該ポリ塩化ビニル系成形体との間に配置したことを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記セパレータは、非導電性を有する不織布で形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記セパレータは、非導電性を有する紙で形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
4. 前記セパレータは、高分子フィブリルで形成されていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
5. 前記セパレータに前記ポリ塩化ビニル系材料が含浸されていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 前記ポリ塩化ビニル系成形体は、前記セパレータに含浸させた前記ポリ塩化ビニル系材料が当該セパレータの一面側に浸出してゲル状態を呈するゲル膜として当該セパレータと一体に形成されていることを特徴とする請求項５記載のアクチュエータ。

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