WO2015083589A1 - 多連アクチュエータ - Google Patents

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WO2015083589A1
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actuators
actuator
multiple actuator
reference axis
electrostrictive material
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Inventor
大寺　昭三
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株式会社 村田製作所
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
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    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857—Macromolecular compositions
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    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals
    • H10N30/877—Conductive materials
    • H10N30/878—Conductive materials the principal material being non-metallic, e.g. oxide or carbon based

Definitions

  • 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 capable of three-dimensional operation.
  • the present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide a multiple actuator that can improve the responsiveness and bend in any direction.
  • a multiple actuator 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.
  • the electrostrictive material is arranged so as to be deformed in the length direction of the reference axis, and the connecting portion is bent so that the plurality of actuators can rotate around the reference axis.
  • the base material and the connection portion are integrally formed.
  • the electrostrictive material preferably includes a laminate in which polymer electrostrictive materials formed in a film shape are laminated.
  • the plurality of actuators preferably include an actuator having a unimorph structure.
  • At least one of the plurality of actuators includes an actuator having a bimorph structure.
  • the deformation direction of each of the plurality of actuators forms an angle of 90 degrees with the deformation direction of the adjacent actuator.
  • the plurality of actuators include actuators having different lengths in the reference axis direction.
  • 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.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a multiple actuator 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A shows a multiple actuator in an undeformed state
  • FIG. 1B shows a multiple actuator in a deformed state.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating bending of the flexible substrate in the multiple actuator 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A shows a flexible substrate before bending
  • FIG. 2B shows a flexible substrate after bending.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the actuator having a bimorph structure.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an electrode pattern formed on a flexible substrate in the multiple actuator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining bending of the flexible substrate in Modification 20 of the multiple actuator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A shows a flexible substrate before bending
  • FIG. 5B shows a flexible substrate after bending.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating bending of the flexible substrate in the multiple actuator 30 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A shows a flexible substrate before bending
  • FIG. 6B shows a flexible substrate after bending.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of different actuator lengths in the multiple actuator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a multiple actuator 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A shows a multiple actuator in an undeformed state
  • FIG. 1B shows a multiple actuator in a deformed state.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating bending of the flexible substrate (base material) 2 in the multiple actuator 10 according to the present embodiment. 2A shows the flexible substrate 2 before bending, and FIG. 2B shows the flexible substrate 2 after bending.
  • the multiple actuator 10 includes a plurality of actuators 3 (3A, 3B) and a connection portion 4.
  • a multiple actuator composed of two actuators is shown as an example, but the present invention is not limited to this.
  • the plurality of actuators 3 ⁇ / b> A, 3 ⁇ / b> B are connected along the reference axis L direction by the connection portion 4.
  • the connection portion 4 is formed integrally with the base material 2.
  • the base material 2 is provided with a notch for bending. Then, by bending the base material 2 at the position of the broken line shown in FIG. 2A and bending the connecting portion 4, the two actuators 3A and 3B are moved along the reference axis L as shown in FIG. It is possible to turn in the surrounding direction to face a predetermined direction. By bending at three broken lines as shown in FIG. 2, the direction in which the adjacent portions face each other can be made 90 degrees different.
  • Actuators 3A and 3B each have a base material 2 on which an electrostrictive material 1 that is deformed by an electric field is disposed.
  • the electrostrictive material 1 is deformed in the length direction of the reference axis L (the double arrow direction in the figure) by applying a voltage between the electrodes on the electrode pattern 5 (see FIG. 4) formed on the substrate 2. It is arranged in such a direction as to contract (extend).
  • the actuators 3A and 3B are bent, for example, as shown in FIG.
  • the actuator 3A of FIG.1 (b) is deform
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the actuator 3 having a bimorph structure.
  • the electrostrictive material 1 ⁇ / b> A is disposed on one surface of the substrate 2
  • the electrostrictive material 1 ⁇ / b> B is disposed on the other surface, and one end of the actuator 3 is fixed at the operation fixed end 7.
  • electrostrictive materials 1 ⁇ / b> A and 1 ⁇ / b> B are each a material that expands when a voltage is applied.
  • each actuator can be driven independently, and the plurality of actuators 3A, 3B can be directed in different directions by the connecting portion, so that the tip portion can be bent in an arbitrary direction. It becomes possible.
  • each actuator of the multiple actuators can be bent only in one direction, but can be bent in any direction by combining movements.
  • the bimorph actuator can be bent in two directions, so that a large deformation can be realized.
  • the responsiveness can be greatly improved as compared with a material such as a shape memory wire that is deformed by heat. Further, when simultaneously driving actuators facing different directions, it is possible to bend in an arbitrary angle direction of 0 to 90 degrees by changing the applied voltage.
  • the deformation directions of the actuators 3A and 3B so as to form an angle of 90 degrees with each other. In this way, despite the simple structure, when only one of the actuators is driven, the tip of the actuator can be moved in a direction different by 90 degrees.
  • a polymer electrostrictive material can be used as the electrostrictive material 1.
  • the polymer electrostrictive material is not particularly limited as long as it is a polymer material having a permanent dipole.
  • examples of the polymer electrostrictive material include PVDF (polyvinylidene fluoride), a PVDF copolymer, for example, a copolymer such as P (VDF-TrFE) and P (VDF-VF), and P (VDF-TrFE).
  • VDF-TrFE-CTFE P (VDF-TrFE-CTFE)
  • VDF-TrFE-CDFE P (VDF-TrFE-HFA)
  • VDF-TrFE-HFP P (VDF-TrFE-VC)
  • P poly
  • VDF vinylidene fluoride
  • TrFE trifluoroethylene
  • CFE chlorofluoroethylene
  • CTFE chlorotrifluoroethylene
  • CDFE chlorodifluoroethylene
  • HFA hexafluoroacetone
  • HFP means hexafluoropropylene
  • VC means vinyl chloride.
  • P (VDF-TrFE-CFE) is particularly preferable in that a large distortion can be obtained by applying a voltage.
  • the thickness of the electrostrictive material 1 may be set as appropriate, but may be, for example, about several ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the electrostrictive material 1 may have a different polymer electrostrictive material and thickness, but is preferably the same.
  • the electrostrictive material 1 is also preferably a laminate in which polymer electrostrictive materials formed in a film shape are laminated. By laminating, the force that can be generated in the unimorph structure can be sufficiently increased.
  • the electrode pattern 5 is formed on the base material 2, and the edge connector portion 6 is formed at the end of the base material 2.
  • the electrostrictive material 1 is deformed by applying a voltage from the edge connector portion 6.
  • the electrode pattern 5 and the edge connector portion 6 may be formed of any appropriate conductive material as long as they can function as electrodes. Examples of such conductive materials include Ni (nickel), Pt (platinum), Pt—Pd (platinum-palladium alloy), Al (aluminum), Au (gold), Au—Pd (gold palladium alloy), and other metals. Examples thereof include organic conductive materials such as PEDOT (polyethylenedioxythiophene), PPy (polypyrrole), and PANI (polyaniline).
  • the organic conductive material is preferable because cracks are hardly introduced.
  • the organic conductive material can be used to form an electrode by a method such as ink preparation and brush coating, spray coating using a mask, or screen printing when the viscosity of the ink is high.
  • the thicknesses of the electrode pattern 5 and the edge connector portion 6 may be appropriately set according to the conductive material used, but can be set to, for example, about 20 nm to 10 ⁇ m.
  • the electrode pattern 5 and the edge connector portion 6 may be different in conductive material and thickness, but are preferably the same.
  • the base material 2 may be formed of any appropriate flexible material as long as it can be curved following the deformation of the electrostrictive material.
  • flexible materials include PET (polyethylene terephthalate), cellophane, vinyl chloride, polyimide, polyester, and the like.
  • the thickness of the substrate 2 may be set as appropriate, but can be, for example, about several ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the connecting portion 4 is fixed and fixed with a resin or the like after the connecting portion 4 is bent and the directions of the plurality of actuators are set to desired directions.
  • a resin an adhesive such as an epoxy resin can be used.
  • it may be fixed with an adhesive tape or the like.
  • FIG. 5 shows a modification of the multiple actuator according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining bending of the flexible substrate 2 in the multiple actuator 20 of the modification.
  • This modified example is a multiple actuator composed of three actuators.
  • FIG. 5A shows the flexible substrate 2 before bending
  • FIG. 5B shows the flexible substrate 2 after bending.
  • the number of actuators constituting the multiple actuator is not limited, and by providing the connection portion 4 by designing the shape of the notch and the position where the bending line is formed in the base material (flexible substrate) 2, An arbitrary number of actuators can be connected to realize an arbitrary driving operation. (Second Embodiment)
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the bending of the flexible substrate 2 in the multiple actuator 30 according to the second embodiment of the present invention.
  • 6A shows the flexible substrate 2 before bending
  • FIG. 6B shows the flexible substrate 2 after bending.
  • the present embodiment is the same as the first embodiment except that the multiple actuator 30 includes two actuators 3C and 3D having different lengths in the reference axis L direction.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of different actuator lengths in the multiple actuator according to the second embodiment.
  • an actuator having a short length is arranged on the operation fixed end 7 side, and the direction of the two actuators forms an angle of 90 degrees. Yes.
  • FIG. 7A shows the case where the two actuators have the same length
  • FIG. 7B shows the case where the two actuators have different lengths.
  • 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.
  • the deformation of the actuator 3 ⁇ / b> D on the operation fixed end 7 side and the deformation of the actuator 3 ⁇ / b> C in other portions can be handled as being substantially equal. Therefore, when trying to deform the tip part two-dimensionally, it is possible to realize an operation of drawing a smooth trajectory.
  • Electrostrictive material As the electrostrictive material, a 10- ⁇ m-thick P (VDF-TrFE-CFE) layer laminated with 20 layers by thermocompression bonding was used. The size is 20 mm wide and 20 mm long.
  • 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.
  • films having electrode patterns formed on both sides are laminated, but films having electrode patterns formed on one side may be laminated.
  • This laminate was mounted and fixed on a flexible substrate.
  • the flexible substrate was made of polyimide having a thickness of 120 ⁇ m, 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.
  • the flexible substrate was bent as shown in FIG. 2 (b) so that the directions 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.
  • a unimorph actuator is formed on each of the front and back surfaces.
  • an electric field of 80 MV / m was applied to this unimorph, bending of about 20 degrees occurred.
  • the actuator could be bent in different directions by 90 degrees.

Abstract

　本発明の多連アクチュエータ１０は、電歪材料１が表面に配置された基材２を各々が有する複数のアクチュエータ３Ａ、３Ｂと、複数のアクチュエータ３Ａ、３Ｂを基準軸Ｌに沿って接続する接続部４とを備え、電歪材料１は、基準軸Ｌの長さ方向に変形するように配置され、接続部４は、複数のアクチュエータ３Ａ、３Ｂが基準軸Ｌの周り方向に回動可能に屈曲する。

Description

多連アクチュエータ
　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。
　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）。
特公平６－１１４７５号公報
　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。
　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。
　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することを特徴とする。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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、本発明の第１の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、図２（ｂ）は曲げ加工後のフレキシブル基板である。 図３は、バイモルフ構造を有するアクチュエータの動作を説明する図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係る多連アクチュエータにおける、フレキシブル基板上に形成された電極パターンの一例を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施形態に係る多連アクチュエータの変形例２０において、フレキシブル基板の屈曲を説明する図である。図５（ａ）は曲げ加工前のフレキシブル基板、図５（ｂ）は曲げ加工後のフレキシブル基板である。 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、図６（ｂ）は曲げ加工後のフレキシブル基板である。 図７は、本発明の第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。
　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）
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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）
 

Claims (8)

  1. 　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する多連アクチュエータ。
  2. 　前記基材および前記接続部は一体に形成されている、請求項１記載の多連アクチュエータ。
  3. 　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、請求項１または２記載の多連アクチュエータ。
  4. 　前記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、請求項１から３のいずれか一項に記載の多連アクチュエータ。
  5. 　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、請求項１から４のいずれか一項に記載の多連アクチュエータ。
  6. 　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、請求項１から５のいずれか一項に記載の多連アクチュエータ。
  7. 　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、請求項１から６のいずれか一項に記載の多連アクチュエータ。
  8. 　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、請求項７に記載の多連アクチュエータ。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112106213A (zh) * 2018-03-15 2020-12-18 皇家飞利浦有限公司 基于电活性材料的致动器设备
CN112343349A (zh) * 2020-11-12 2021-02-09 重庆交通大学 压电导管、预应力筋先张折弯装置及预应力筋先张折弯施工方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02108355U (ja) * 1989-02-16 1990-08-29
WO2009084305A1 (ja) * 2007-12-27 2009-07-09 Murata Manufacturing Co., Ltd. アクチュエータアレイおよびアクチュエータアレイの駆動方法
JP2010148265A (ja) * 2008-12-19 2010-07-01 Panasonic Corp ミアンダ形振動子およびこれを用いた光学反射素子
JP2011018682A (ja) * 2009-07-07 2011-01-27 Konica Minolta Medical & Graphic Inc 有機圧電材料、超音波振動子、その製造方法、超音波探触子、及び超音波医用画像診断装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004079887A1 (ja) * 2003-03-03 2004-09-16 Eamex Corporation イオン交換樹脂成形品

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02108355U (ja) * 1989-02-16 1990-08-29
WO2009084305A1 (ja) * 2007-12-27 2009-07-09 Murata Manufacturing Co., Ltd. アクチュエータアレイおよびアクチュエータアレイの駆動方法
JP2010148265A (ja) * 2008-12-19 2010-07-01 Panasonic Corp ミアンダ形振動子およびこれを用いた光学反射素子
JP2011018682A (ja) * 2009-07-07 2011-01-27 Konica Minolta Medical & Graphic Inc 有機圧電材料、超音波振動子、その製造方法、超音波探触子、及び超音波医用画像診断装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112106213A (zh) * 2018-03-15 2020-12-18 皇家飞利浦有限公司 基于电活性材料的致动器设备
CN112343349A (zh) * 2020-11-12 2021-02-09 重庆交通大学 压电导管、预应力筋先张折弯装置及预应力筋先张折弯施工方法
CN112343349B (zh) * 2020-11-12 2022-01-28 重庆交通大学 压电导管、预应力筋先张折弯装置及预应力筋先张折弯施工方法

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