JPS6176295A - Joint device using bimorph element - Google Patents

Joint device using bimorph element

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JPS6176295A
JPS6176295A JP19817884A JP19817884A JPS6176295A JP S6176295 A JPS6176295 A JP S6176295A JP 19817884 A JP19817884 A JP 19817884A JP 19817884 A JP19817884 A JP 19817884A JP S6176295 A JPS6176295 A JP S6176295A
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JP
Japan
Prior art keywords
bimorph element
joint
joint device
bimorph
fulcrum
Prior art date
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Pending
Application number
JP19817884A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
田中 守通
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Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6176295A publication Critical patent/JPS6176295A/en
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は高分子圧電バイモルフ素子の屈曲運動を駆動源
とした関節装置にかかわり、擬手、擬足。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a joint device using the bending motion of a polymer piezoelectric bimorph element as a driving source, such as a pseudohand or a pseudopod.

ロボット、自動制御機器等の関節装f!tK関する。Joint equipment for robots, automatic control equipment, etc. f! Regarding tK.

(従来の技術) 関節装置の腕の屈曲手段としては一般に、モーターやリ
ニアアクチュエータ等を駆動源とし、直接にまたは歯車
等の動力伝達装置を介して間接に関節を支点とする腕の
運動を生せしめる方法が用いられている。この方法では
駆動源及び動力伝達装置の体積2重帯が大^〈なり、関
節装置の機構が複雑になる欠点がある。また駆動源とし
てバイメタルや形状記憶合金などの材料を用いることも
考えられるが、いずれも熱の供給が必要となり、字幕変
域での作動や、熱放散の必要性、熱源の供給方法など繁
雑な問題が多い。以上の関節を支点とし腕を駆動する方
法の問題点を解消する手段として、駆動源として圧電バ
イモルフ素子を用い、電界印加時にノシーモル7素モた
遍−町す邊−変皇員で関節を運かす方法が考えられる〇 (発明が解決しようとする問題点) 圧電バイモルフ素子用材料としてはチタン酸ジルコン酸
鉛、チタン酸バリウム等のセラミックス材料が従来より
知られているが、セラミックスは脆く、薄く形成したと
き折れやすいという欠点を有し、バイモルフを形成する
場合にも実用上厚くなるので、電、界印加時には後述す
る関係から小さな屈曲貸を示すにすぎない欠点を有する
(Prior Art) Generally, the arm bending means of a joint device uses a motor, a linear actuator, etc. as a drive source, and generates arm motion using the joint as a fulcrum either directly or indirectly through a power transmission device such as a gear. A compulsory method is used. This method has the disadvantage that the volume double zone of the drive source and the power transmission device becomes large, and the mechanism of the joint device becomes complicated. It is also possible to use materials such as bimetals or shape memory alloys as a drive source, but both require heat supply and require complicated operations such as operation in the subtitle range, the need for heat dissipation, and the method of supplying the heat source. There are many problems. As a means of solving the problems of the above method of driving the arm using the joint as a fulcrum, a piezoelectric bimorph element is used as the driving source, and when an electric field is applied, the joint is moved by the Noshimol 7 elements. 〇 (Problem to be solved by the invention) Ceramic materials such as lead zirconate titanate and barium titanate have been known as materials for piezoelectric bimorph elements, but ceramics are brittle and thin. It has the disadvantage that it is easily bent when formed, and when forming a bimorph, it becomes thick in practical terms, and when an electric field or field is applied, it exhibits only a small bending due to the relationship described later.

本発明の目的は、高分子圧電材料で形成されたバイモル
フ素子を用い、電界印加時の屈曲運動を駆動源として関
節を支点とする腕を動かすことによって関節装置の構造
を単純なものにすることKある。
An object of the present invention is to simplify the structure of a joint device by using a bimorph element made of a polymeric piezoelectric material and moving an arm using a joint as a fulcrum using bending motion when an electric field is applied as a driving source. There is K.

(問題点を解決するだめの手段) 高分子圧電材料としてはポリフッ化ビニIJデンやフッ
化ビニリデンと共重合可能な4フツ化エチレンモノマー
や塩化67フ化エチレン等の不飽和単量体との共重合体
組成物がある。またこれらの高分子材料にチタン酸ジル
コン酸鉛や、錫ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛、アンチ
モンニオブ酸ジルコン酸鉛等のセラミックス粉末を混合
した有機・無機接合物圧電材料がある。これらの高分子
圧電材料は成形が容易であり、通常用いられるプラスチ
ックス押出成形法によって薄いフィルムを形成すること
が可能である。しかも薄いフィルムを用いてバイモルフ
素子を形成できるので、電界印加することによりバイモ
ルフ素子の屈曲量を大きくとることができる。
(Another means to solve the problem) As a polymeric piezoelectric material, polyvinylidene fluoride or vinylidene fluoride can be copolymerized with an unsaturated monomer such as tetrafluoroethylene monomer or 67fluoroethylene chloride. There are copolymer compositions. There are also organic-inorganic bonded piezoelectric materials in which these polymeric materials are mixed with ceramic powders such as lead zirconate titanate, lead zirconate titanate tin niobate, and lead zirconate antimony niobate. These polymeric piezoelectric materials are easy to mold and can be formed into thin films by commonly used plastic extrusion methods. Moreover, since the bimorph element can be formed using a thin film, the amount of bending of the bimorph element can be increased by applying an electric field.

高分子圧電体フィルムは押出成形後、圧延および延伸等
の工程を得て薄フィルムとなし、表裏面に蒸着や塗装な
どの方法によりアルミニウム等の金属の電極を形成し、
両電極間に直流5〜15φの電界を印加して所定時間保
持した後、電界を印加しながら短時間で冷却することに
より分権させて型造される。
After extrusion molding, the polymer piezoelectric film is made into a thin film through processes such as rolling and stretching, and electrodes of metal such as aluminum are formed on the front and back surfaces by methods such as vapor deposition or painting.
After applying an electric field of 5 to 15 φ DC between both electrodes and maintaining it for a predetermined period of time, the electric field is applied and cooled for a short time to decentralize and mold.

第1図においてバイモルフ素子1け2枚の高分子圧電体
フィルム2,2′から成り、これらにはそれぞれ電[4
,4’が形成されており、フィルム2゜/は接着層6に
よって接合されているOt電極。
In FIG. 1, one bimorph element consists of two polymer piezoelectric films 2, 2', each of which has an electric current [4].
, 4' are formed, and the film 2°/ is an Ot electrode bonded by an adhesive layer 6.

4′は直流雪原5に接続されている。フィルム2゜グの
分極方向が実線の矢印で示された様に同一方向であり、
互いに逆方向の電界が電源5から印加されていると、フ
ィルム2は伸長し、フィルム/は縮少するのでこのバイ
モルフ素子は点線の矢印の方向に屈曲する。屈曲したバ
イモルフ素子1の曲率半径Rは第1図に示した回路接続
の場合、薄い接着層3の厚ざを無視すると、tを各フィ
ルムの浮さく6n) 、 Vを電圧(egg 。emu
> * dを圧電定数(cg+s、arnu)とすると
き、R= ’/3 ・へU1/dで示される。第2図は
バイモルフ素子1が屈曲し1′に変形したとき、バイモ
ルフ素子1の長さ方向の変位tUを示す模式図である。
4' is connected to the DC snow field 5. The polarization directions of the film 2° are in the same direction as shown by the solid arrows,
When electric fields in opposite directions are applied from the power source 5, the film 2 expands and the film 2 contracts, causing the bimorph element to bend in the direction of the dotted arrow. In the case of the circuit connection shown in FIG. 1, the radius of curvature R of the bent bimorph element 1 is calculated as follows: ignoring the thickness of the thin adhesive layer 3, t is the floating distance of each film 6n), V is the voltage (egg.emu)
>* When d is a piezoelectric constant (cg+s, arnu), R='/3· is expressed as U1/d. FIG. 2 is a schematic diagram showing the longitudinal displacement tU of the bimorph element 1 when the bimorph element 1 is bent and deformed to 1'.

長さL(備)のバイモルフ素子1が電圧V (egg 
、esu)Kよって曲率半径R(弾)を形成し屈曲し1
′を形成し念とすると、バイモルフ皇子1の長さ方向の
変位置Uけ、U=L−2Rsin T−/2Rで示され
る。たとえば、d=100X10−’cgs、esu 
r L=2m r t = 0.0010m、V=10
0V C=0.353 cgs−esu)のとき、R=
 2 cm。
A bimorph element 1 with a length L (equipment) has a voltage V (egg
, esu) K forms a radius of curvature R (bullet) and bends 1
', the displacement position U in the length direction of the bimorph prince 1 is expressed as U=L-2Rsin T-/2R. For example, d=100X10-'cgs, esu
r L=2m r t = 0.0010m, V=10
0V C=0.353 cgs-esu), R=
2cm.

U=0.08cntとなる。変位″tl−Uを大^くす
るためには曲率半径Rを小さくすること、即ち電圧V。
U=0.08cnt. In order to increase the displacement "tl-U", the radius of curvature R must be decreased, that is, the voltage V.

電圧定数dを上げることのほか、特1(フィルムの厚さ
tを小さくすることが重要である。セラミックス製バイ
モルフ素子ではtを薄く成形することが難かし7く、例
え薄く成形し得たとしても脆いため屈曲した@に破壊す
る危険が多いが、高分子圧電バイモルフ素子はこの欠点
を補なってくれるものである。
In addition to increasing the voltage constant d, it is important to reduce the film thickness t (Special 1).In ceramic bimorph elements, it is difficult to mold t thinly, and even if it can be molded thinly, However, since they are brittle, there is a high risk of them breaking when bent, but polymer piezoelectric bimorph elements compensate for this drawback.

第6図囚は関節装置もの基本構造を示すもので、パイセ
ルフ素子1の両端を1k17.7’上の自在回転支点8
.8′に紹付け、腕7,7′は関節となる支点9によっ
て連結されている。バイモルフ戸子1の屈曲によって生
ずる支点8,8間の直線距離の変位置は電圧■によって
可変することができ、支点9と腕7,7′とKよって形
成されるアングルも797け自在に可変できる。第3図
の)は第3図(んの変形であり、腕7,7′の支点9の
延長にある腕7S。
Figure 6 shows the basic structure of the joint device, in which both ends of the pi-self element 1 are connected to a freely rotating support 8 on
.. 8', the arms 7 and 7' are connected by a fulcrum 9 that serves as a joint. The displacement position of the linear distance between the fulcrums 8 and 8 caused by the bending of the bimorph door 1 can be varied by voltage ■, and the angle formed by the fulcrum 9 and the arms 7, 7' and K can also be freely varied by 797 degrees. can. ) in FIG. 3 is a modification of FIG.

7 S’上にバイモルフ素子1の両端が自在回転支点8
.8′に給付けられた関節装置を示すものである。
7 Both ends of the bimorph element 1 are placed on S' as a freely rotating fulcrum 8
.. Fig. 8' shows the articulation device provided at 8'.

この場合もバイモルフ素子1の屈曲によって!1i18
゜8を動かすことができる。
In this case too, due to the bending of the bimorph element 1! 1i18
Can move 8 degrees.

第4図はバイモルフ素子1の両端を直接腕7゜7′の端
部にある接合点10.10に把持させた関節装置である
。この場合バイモルフ素子1そのものが関節となり腕7
,7′を動かす。
FIG. 4 shows a joint device in which both ends of the bimorph element 1 are held directly at the joint points 10 and 10 at the ends of the arms 7 and 7'. In this case, the bimorph element 1 itself becomes a joint and the arm 7
,7' move.

腕7,7′およびそれぞれに連結した腕7S、78′は
用途に応じて適当な構造材料、例えば、金属。
The arms 7, 7' and the arms 7S, 78' connected thereto are made of a suitable structural material, such as metal, depending on the application.

プラスチックス、セラミックス、木材等が用いることが
でき、支点8 、8’ 、 9は通常用いられる機構に
よって形成することができる。バイモルフ素子1け必要
とされる関節装置の用途に応じ材質。
Plastics, ceramics, wood, etc. can be used, and the fulcrums 8, 8', 9 can be formed by a commonly used mechanism. The material is selected depending on the application of the joint device that requires one bimorph element.

形状、複数のフィルムから形成されたものを通用するこ
とができ、またバイモルフ素子1の数も複数個並列に用
いることができる。さらに本関節装置を直列に知合せ、
複数個の関節装置からなる装置を構成することも可卯で
ある。
It is possible to use any shape or structure formed from a plurality of films, and it is also possible to use a plurality of bimorph elements 1 in parallel. Furthermore, this joint device is connected in series,
It is also possible to construct a device consisting of a plurality of joint devices.

(実施例) 本発明は、高分子圧電バイモルフ素子の屈曲運動を駆動
源とする関節装置を提俳するものであり、以下に各種の
実施例について説明する。
(Embodiments) The present invention proposes a joint device using the bending motion of a polymer piezoelectric bimorph element as a driving source, and various embodiments will be described below.

第5図は関節となる支点9に腕7.7を取付け、バイモ
ルフ素子1の両端を自在継手8t、8tに把持し、これ
らを腕7,7の支点8,8に取付け、バイモルフ素子1
の璽極を電源5に接続した関節装置である。
FIG. 5 shows an arm 7.7 attached to a fulcrum 9 serving as a joint, both ends of the bimorph element 1 held by universal joints 8t, 8t, these attached to fulcrums 8, 8 of arms 7, 7, and a bimorph element 1
This is a joint device in which the wire electrodes are connected to a power source 5.

第6図は第5図の変形であり、バイモルフ素子1の取付
は位置が支点9に対して腕の延長上にある関節装置であ
る。
FIG. 6 is a modification of FIG. 5, in which the bimorph element 1 is mounted in a joint device in which the position is on the extension of the arm relative to the fulcrum 9.

第7図は第5図、第6図の実施例および第4図のバイ−
モルフ素子1を直接関節とした構造を組合わせた複数の
関節からなる人工手である。各関節に取付けられたバイ
モルフ素子1a、1b、1c。
FIG. 7 shows the embodiments shown in FIGS. 5 and 6 and the bi-directional structure shown in FIG. 4.
This is an artificial hand consisting of a plurality of joints in which a structure in which the morph element 1 is used as a direct joint is combined. Bimorph elements 1a, 1b, 1c attached to each joint.

Id、1eは電源5a、5b+5ct5d、5eに接続
これ各電源はコンピューター10に接続されてコントロ
ールされており、所定のタイミングで適当な電圧が各電
源に作動し、各バイモルフ素子に印加され、人工手は自
在に運動することができる。
Id, 1e are connected to power supplies 5a, 5b + 5ct 5d, 5e. Each power supply is connected to and controlled by the computer 10, and an appropriate voltage is applied to each power supply at a predetermined timing, applied to each bimorph element, and the artificial hand is can move freely.

(発明の効果) 本発明は高分子圧電バイモルフ素子を駆動源とした関節
装置であり、バイモルフ素子は極めて軽量で小型にする
ことができ、しかも電界印加によって容易に作動するこ
とができるので、関節を支点とする腕を動かす関節装置
を単純な構造にすることが可能である。
(Effects of the Invention) The present invention is a joint device using a polymer piezoelectric bimorph element as a driving source.The bimorph element can be made extremely lightweight and compact, and can be easily operated by applying an electric field. It is possible to have a simple structure for the joint device that moves the arm using the fulcrum as the fulcrum.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明のバイモルフ素子を使用した関節装置の
断面図、第2図はバイモルフ素子の長さ方向の変位置を
示す模式図、第3図囚、■)は関節装置の動作説明図、
第4図は本発明の関節装置と腕の関係を示す図、第5〜
7図は本発明の関節装置の実施例の平面図である。 1:バイモルフ素子 2:高分子圧電体フィルム 6:接着層 a、4’:*極 5:’に源 7.7,7S、7S:腕 9:関節 10:コンピューター 半 1 図 第2図 ゝ/ 第3図(A)       第3図(B)第 4− 図 第 5 図 第 6 図 第7図 C
Figure 1 is a cross-sectional view of a joint device using the bimorph element of the present invention, Figure 2 is a schematic diagram showing the displacement of the bimorph element in the longitudinal direction, and Figure 3 (2) is an explanatory diagram of the operation of the joint device. ,
Figure 4 is a diagram showing the relationship between the joint device of the present invention and the arm, and Figures 5-
FIG. 7 is a plan view of an embodiment of the joint device of the present invention. 1: Bimorph element 2: Polymer piezoelectric film 6: Adhesive layer a, 4': *Pole 5:' source 7.7, 7S, 7S: Arm 9: Joint 10: Computer half 1 Figure 2/ Figure 3 (A) Figure 3 (B) Figure 4 Figure 5 Figure 6 Figure 7 C

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 複数の高分子圧電フィルムからなるバイモルフ素子を駆
動源とする関節装置。
A joint device whose drive source is a bimorph element made of multiple polymeric piezoelectric films.
JP19817884A 1984-09-21 1984-09-21 Joint device using bimorph element Pending JPS6176295A (en)

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JP19817884A JPS6176295A (en) 1984-09-21 1984-09-21 Joint device using bimorph element

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JP19817884A JPS6176295A (en) 1984-09-21 1984-09-21 Joint device using bimorph element

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JP19817884A Pending JPS6176295A (en) 1984-09-21 1984-09-21 Joint device using bimorph element

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58165989A (en) * 1982-03-20 1983-10-01 東北金属工業株式会社 Machine actuator

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58165989A (en) * 1982-03-20 1983-10-01 東北金属工業株式会社 Machine actuator

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