WO2007094433A1 - 積層複合材料を用いるアクチュエータ - Google Patents

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Hiroshi Asanuma
Toshiyuki Nakata
Toshiaki Tanaka
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Chiba University NUC
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0613—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using layers of different materials joined together, e.g. bimetals

Definitions

  • the present invention relates to an actuator, and more particularly to an actuator using a laminated composite material.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • Patent Document 1 describes a laminated composite material that can be used.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 10-138380
  • an object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide an actuator using a laminated composite material that achieves both large deformation and high output.
  • the actuator includes a plurality of substrates having a pair of substrates having different coefficients of thermal expansion, and an insulating layer sandwiched between the pair of substrates. It has a laminated composite material and an elastic layer sandwiched between a plurality of laminated composite materials.
  • the elastic layer is preferably an insulating rubber.
  • one of the pair of substrates is made of aluminum, magnesium, titanium, nickel, iron, copper, zinc, or an alloy containing at least one of them.
  • the other one of the pair of substrates is preferably formed using a pre-predder sheet containing at least one of carbon fiber, boron fiber, glass fiber, silicon carbide fiber, or aramid fiber.
  • the carbon fibers of the pre-preda sheet are oriented in the deformation direction of the laminate.
  • the insulating layer is made of at least one of glass fiber reinforced resin, aramid fiber reinforced resin, insulating resin film, and metal oxide film.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an actuator according to the present embodiment (hereinafter referred to as “the present actuator”).
  • the present actuator is sandwiched between a plurality of laminated composite materials 1 having a pair of substrates 11 having different thermal expansion coefficients and an insulating layer 12 sandwiched between the pair of substrates, and a plurality of laminated composite materials 1. And an elastic layer 2 to be formed.
  • the pair of substrates 11 in the laminated composite material have different coefficients of thermal expansion, It functions as an actuator by using the difference in thermal expansion coefficient. More specifically, each of the substrates starts to thermally expand by heating the pair of substrates, but a difference in thermal expansion occurs between the pair of substrates. Appears as a deformation of the material. By controlling this deformation, it can function as an activator.
  • the material of the pair of substrates 11 is not particularly limited.
  • At least one of the conductive metal plates is for generating heat, for example.
  • the metal desirably has a large coefficient of thermal expansion.
  • the other of the materials of the pair of substrates 11 is not particularly limited, but it is desirable to use a material having a low coefficient of thermal expansion.
  • a fiber reinforced resin can be suitably used, and a more specific example is a pre-predder sheet (CFRP) containing carbon fiber.
  • CFRP pre-predder sheet
  • the prepreg sheet containing the carbon fiber is also useful as a heater.
  • the above-mentioned pre-preder sheet may contain boron fiber, glass fiber, carbon carbide fiber or aramid fiber in addition to carbon fiber.
  • the pre-predicate containing carbon fiber can also serve as a heater, so it is more suitable when the function as a power heater is weak. It is also useful to place the body inside.
  • the material of the pre-preda sheet is not limited, but it is preferable to use a resin such as polyester resin or epoxy resin.
  • the insulating layer 12 sandwiched between the pair of substrates and joining them is not particularly limited as long as it can be joined, but does not buffer the thermal deformation of the pair of substrates.
  • a high-strength material such as a resin containing aramid fiber is desirable.
  • aramid fiber Glass fiber reinforced resin, insulating resin film, metal oxide film and the like can be preferably used.
  • a metal oxide film if one of the pair of substrates is a metal plate, it can be realized simply by subjecting it to an oxidation process, which makes it easy to create! ⁇ ⁇ Has advantages.
  • the present actuator is characterized in that a plurality of the laminated composite materials 1 described above are further used, and an elastic layer is used between them.
  • the elastic layer is a layer containing a substance having elasticity, and is not particularly limited as long as it has elasticity.
  • rubber is suitable.
  • the hardness of the elastic layer is preferably a force depending on the thickness of the elastic layer, AOHS or more and less than A80HS, more preferably A60HS or less, and even more preferably A40HS or less.
  • the elastic layer may be disposed on the entire surface between the plurality of laminated composite materials, or may be divided into a plurality of portions with a gap. By doing so, it becomes possible to pass gas or liquid between the laminated composite materials, and heat exchange with the laminated composite materials is actively performed, and cooling or heating is efficiently performed, and the response of the actuator Can be improved. It is also possible to adjust the weight (including the adjustment of the center of gravity) as an actuator by inserting a substance into this space. When a gas or liquid is passed through the gap, it is possible to cause a chemical reaction in the gap between the laminated composite materials to cause a temperature or pressure change.
  • a pure aluminum plate (A1050-H24) was used as a pair of substrates, and a CFRP plate was used as the other substrate.
  • CFRP plates are useful as low thermal expansion materials and heaters.
  • epoxy bonding A copper foil was used as an electrode connected to the CFRP layer using a film.
  • rubber was used as the elastic layer, and as shown in Table 1 below, a total of 18 kinds of rubbers were used, including 6 kinds of hardness and 3 kinds of thickness.
  • the pair of substrates are: pure aluminum plate (thickness 0.2 mm), CFRP pre-preder sheet (thickness 0.12 mm) and rubber sheet 40 mm wide and 80 mm long, and copper foil for electrodes 40 mm wide and long Cut to 50 mm, the surface of pure aluminum was polished with # 320 water-resistant abrasive paper and the copper foil was polished with # 600 water-resistant abrasive paper.
  • the CFRP pre-preda was first cured under the conditions of 453K, 0.1 lMPa, 3.6ks. These were laminated with rubber and cured.
  • the structure of the actuator created in this example is the same as that of the actuator shown in FIG. 1. Two laminated composite materials are used, and rubber is interposed between them. The distance between the electrodes was 60 mm, and the pure aluminum plate and the CFRP pre-preder sheet were bonded with epoxy resin (thickness after curing: 0.04 mm).
  • the curvature at room temperature was measured.
  • the curvature was measured using a laser displacement meter (Keyence Visible Light Laser Displacement Sensor LK-1000) while holding the actuator with a ceramic jig.
  • Figure 2 shows the relationship between the curvature at room temperature (293K) and the hardness of the rubber.
  • the dotted line indicates the value of curvature in a single composite material without an elastic layer.
  • Omm, 0.5 mm that is also used when the rubber thickness is changed, and the curvature due to the rubber thickness is not significantly different in the measurement range. There was not much. Therefore, there is no particular limitation on the thickness of the rubber, but it can be said that a desirable range is, for example, 2 mm or less.
  • Fig. 3 (A) is a diagram showing the results when the rubber hardness is A1HS
  • Fig. 3 (B) is a diagram showing the results when the rubber hardness is A20HS. The temperature was raised and lowered from 313K force to 453K, and the curvature of the sample was measured every 20K.
  • the output of the present actuator was about twice that of a single laminated composite material regardless of the hardness and thickness. In other words, in this range, it was confirmed that the force could be transmitted without affecting the hardness and output, and it was confirmed that the actuator can achieve both curvature and output.
  • FIGS. 4 (A) and (B) show the results before and after the after cure (no load, 433 K, 7.2 k s), respectively. As shown in Fig. 4 (B), the hysteresis was almost eliminated by the after cure.
  • FIG. 5 shows the actual A sectional view of an example of an actuator according to the example (an example in which the elastic layer is divided into three) is shown.
  • the elastic layer disposed between the laminated composite materials is divided into a plurality of layers
  • the actuator has voids between the laminated composites.
  • the number of divisions was all three, and by changing the width, the ratio of the area of the elastic layer (rubber) to the entire area (hereinafter simply referred to as “ratio”) was changed.
  • Table 2 shows the conditions for each sample, V shows the measurement results for this curvature, and Fig. 6 shows the measurement results for the output.
  • Fig. 7 shows the measurement results for the output (however, for sample 1 as an example) (experimental conditions, etc.) Is carried out in the same manner as in Example 1.)
  • the elastic layer has a hardness of A20HS and a thickness of 2. Omm.
  • the curvature of the sample 4 is dramatically improved by disposing and disposing the force void having a curvature of about 5 m. It was confirmed that the same curvature as the laminated material of the layers could be approached.
  • the desirable range is not particularly limited as long as the elastic layer is divided and dispersed, but it is desirably 75% or less, more desirably 50% or less.
  • the output is dispersed, the output is about twice that of the case of a single laminated composite material, and a large curvature and a large output are achieved. It was confirmed that
  • the area of the elastic layer with respect to the total area where the laminated composite material faces is considered to have a large effect. It is considered that the number of divisions of the layer, its width, and further the depth can be adjusted as appropriate, and is not limited to this embodiment.
  • Example 3 This example is substantially the same as Example 2, but the direction in which the elastic layer is arranged is different.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of the actuator according to the present embodiment.
  • a plurality of elastic bodies 2 are dispersed and arranged so that voids are formed substantially perpendicular to the direction in which the electrodes 13 face each other.
  • a plurality of elastic bodies 2 are dispersed and arranged so that gaps are formed substantially parallel to the direction in which 13 faces.
  • Fig. 8 (A) is a view of the actuator viewed from the top
  • Fig. 8 (B) is a cross-sectional view taken along the line A-A 'of Fig.
  • Fig. 8 (A) (the actuator is substantially parallel to the direction in which the electrode 13 faces).
  • Fig. 8 (C) is a cross-sectional view taken along the line B-B 'of Fig. 8 (A).
  • Fig. 8 (C) is a cross-sectional view of the actuator in a direction substantially perpendicular to the direction in which the electrode 13 faces.
  • the number of divisions of the elastic layer was 3, the hardness of the elastic layer was A20HS, and the thickness was 2. Omm.
  • the actuator using the laminated composite material capable of achieving both large deformation and high output can be provided by the actuator of this example.
  • the present invention can be used industrially as various actuators. Although not specifically limited, it can be widely applied to manipulators, flow control valves, pressure control valves, and the like.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment according to an embodiment and Example 1.
  • FIG. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the curvature at room temperature (293K) and the hardness of rubber in Example 1.
  • FIG. 3 is a graph showing the output and its temperature dependence in Example 1.
  • FIG. 4 is a graph showing temperature dependence regarding the curvature of the actuator in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic view showing an actuator according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the curvature at room temperature and the area ratio in Example 2.
  • FIG. 7 is a diagram showing the output and its temperature dependence in Example 2.
  • FIG. 8 is a schematic view showing an actuator according to Embodiment 3.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the percentage of area at room temperature and the area ratio in Example 3.

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Abstract

　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。そのため、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弾性層と、を有することを特徴とするアクチュエータとする。

Description

明 細 書
積層複合材料を用いるァクチユエータ
技術分野
[0001] 本発明は、ァクチユエータに関し、特に、積層複合材料を用いるァクチユエータに 関する。
背景技術
[0002] 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ィ匕という概 念が近年注目を集めている。
[0003] 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ぐ直交方向に大きい 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、かつァク チユ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。
[0004] 特許文献 1 :特開平 10— 138380号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 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。
[0006] そこで、本発明は上記課題を解決し、大変形と高出力の両立を行う積層複合材料 を用いたァクチユエータを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 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、 弾性体カゝ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。
[0008] 即ち、上記課題を解決するための一つの手段は、ァクチユエータにお 、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。
[0009] 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。
[0010] 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 なることが望ましぐまた、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、炭化珪素繊維又はァラミド繊維の少なくともいずれかを含 むプリプレダシートを用いてなることも望ましい。更に、プリプレダ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 化榭脂、ァラミド繊維強化榭脂、絶縁性榭脂フィルム、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 、態様である。
発明の効果
[0011] 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ァ クチユエータを提供することができる。
発明を実施するための最良の形態
[0012] 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。
[0013] (実施形態 1)
図 1に、本実施形態に係るァクチユエータ（以下「本ァクチユエータ」という。）の概略 図を示す。本ァクチユエータは、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。
[0014] 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ァクチユ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ァクチユ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-ゥ 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 、。
[0015] 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、例えば繊維強化榭脂 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ダ シート (CFRP)が挙げられる。なお、プリプレダシートの場合、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ぐこの 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ダシートはヒーターとしても有用である。なお、上 記プリプレダシートにおいては、炭素繊維のほか、ホウ素繊維、ガラス繊維、炭化ケィ 素繊維又はァ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ダシ 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力 ヒーターとしての機能が弱 い場合、この機能確保のため、プリプレダシートに更に-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、プリプレダシートの材料としては、限定 されるわけではないが、ポリエステル榭脂、エポキシ榭脂等の榭脂を好適に用いるこ とがでさる。
[0016] 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 、て特段に限定されな 、が、一対の基板の熱変形を緩衝しな 、ように例えばァ ラミド繊維を含んでなる榭脂など、高強度のものが望ましい。また、ァラミド繊維のほか 、ガラス繊維強化榭脂、絶縁性榭脂フィルム、金属酸ィ匕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！ヽぅ利点も有する。
[0017] また、本ァクチユエータは、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力 AOHS以上 A80HSより小さいこ と力望ましく、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 くくなつてしまう。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ァクチユエータの応答性を 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ァクチユエータ 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。
[0018] 以上、本ァクチユエータにより、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ぐ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ァクチユエータとすることも可能である。
[0019] (実施例 1)
以下、本実施形態に係るァクチユエ一タの例を実際に作成してァクチユエータとし ての機能を確認した。
[0020] 本実施例に係るァクチユエータは、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 一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。
[表 1]
Figure imgf000006_0001
[0021] ここで、本実施例に係るァクチユ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プリプレダシート（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プリプレダは 453K、 0. lMPa、 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ァクチュ エータの構造は、図 1で示すァクチユ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プリプレダシートはエポキシ榭脂 (硬化後の厚さ 0. 04mm)で接着した。
[0022] まず、室温における曲率について測定を行った。曲率の測定はァクチユエ一タをセ 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。
[0023] 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つて行く ことを確認した。これはゴムの硬度が低 、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よりは低ぐより望ましくは 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 、ることを確認して 、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力 s (2. Omm、 1. Omm、 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 つた。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。
[0024] また、出力及びその温度依存性にっ 、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、 PAKZ20— 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ボンチをァクチユ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。
[0025] 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力 ら 453Kまで昇温、降温を行い、 20K毎に試料の曲率を測定した。
[0026] この結果、硬さや厚さによらず、本ァクチユ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力つた。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 できるァクチユエータであることを確認した。
[0027] ところで、ァクチユ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。これはァクチユ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カロ 熱保持するアフターキュア一を行うと良い。アフターキュア一（無負荷、 433K、 7. 2k s)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、アフターキュア一によつてヒステリシスを殆ど消去することができた。
[0028] (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 施例に係るァクチユエ一タの例（弾性層が三つに分けられた場合の例）の断面図を 示す。
[0029] 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、本ァクチュ 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 V、ての測定結果を図 6に、出力につ 、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. Ommとしている。
[表 2]
Figure imgf000008_0001
[0030] 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 であった力 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ぐより望ましくは 50%以下である。
[0031] 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 ることがでさることを確認した。
[0032] 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 料が向力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。
[0033] (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に本実施例に係るァクチユ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 ヽる。な お図 8 (A)はァクチユ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（ァクチユエータを電極 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（ァクチユエ 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. Ommとした。
[表 3]
Figure imgf000009_0001
[0034] 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。
[0035] 以上、本実施例のァクチユエータにより、大変形と高出力の両立を行う積層複合材 料を用いたァクチユエータを提供することができることを確認した。
産業上の利用可能性
[0036] 本発明は、以上のとおり、各種ァクチユ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。
図面の簡単な説明
[0037] [図 1]実施形態、実施例 1に係るァクチユエータを示す概略図。 [図 2]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。
[図 3]実施例 1における出力及びその温度依存性にっ 、て示す図。
[図 4]実施例 1におけるァクチユエータの曲率に関する温度依存性を示す図。
[図 5]実施例 2に係るァクチユエータを示す概略図。
[図 6]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。
[図 7]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。
[図 8]実施例 3に係るァクチユエータを示す概略図。
[図 9]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

請求の範囲
[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弾 性層と、を有するァクチユエータ。
[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記載のァクチユエ一 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記載のァクチユエータ。
[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 維又はァラミド繊維の少なくとも 、ずれかを含むプリプレダシートを用いてなることを 特徴とする請求項 3記載のァクチユエータ。
[5] 前記プリプレダ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記載のァクチユエータ。
[6] 前記絶縁層は、ガラス繊維強化榭脂、ァラミド繊維強化榭脂、絶縁性榭脂フィルム
、金属酸ィ匕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記載のァクチ ユエータ。
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