JP2009050046A - ポリマーアクチュエータおよびアクチュエータユニット - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で直線的な運動が取り出されるユニモルフ構造のポリマーアクチュエータを提供する。
【解決手段】ポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１は、絶縁層部２１が導電層部２２および導電層部２３に挟まれたポリマー層２０と、ポリマー層２０に接合された支持層部３０とを備えるユニモルフ構造を形成している。アクチュエータ本体１１の端部１３と端部１４との間は、スプリング１２によって互いに引き付け合う方向へ力が加わっている。これにより、通電によってアクチュエータ本体１１に反りが生じると、アクチュエータ本体１１の端部１３と端部１４との間の距離は変化する。すなわち、アクチュエータ本体１１の反りは、端部１３と端部１４との距離の変化という直線運動として取り出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポリマーアクチュエータおよびアクチュエータユニットに関する。

例えば樹脂などの伸縮可能な絶縁膜の両面に導電膜を形成し、この導電膜間に電圧を印加することにより電気エネルギーを運動エネルギーに変換するポリマーアクチュエータが知られている。このようなポリマーアクチュエータでは、シリコン樹脂やアクリル樹脂などの伸縮可能な絶縁膜の両面に電極が設けられている。絶縁膜を挟む導電膜に電圧を印加すると、ポリマーアクチュエータは絶縁膜に加わる静電引力によって伸縮する。

上述のようなポリマーアクチュエータを用いて運動エネルギーを取り出すために、ユニモルフ構造のアクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。ユニモルフ構造のアクチュエータは、絶縁膜と導電膜とからなるポリマー層の一方の端面にポリマー層と材質の異なる薄膜が設けられている。ユニモルフ構造のアクチュエータに通電すると、ポリマー層が伸縮するものの、薄膜はほとんど伸縮しない。そのため、ユニモルフ構造のアクチュエータに通電すると、ポリマー層と薄膜との伸縮率の差によって反りが生じる。この反りを運動エネルギーとして取り出すことにより、電気的なエネルギーが運動エネルギーに変換される。

しかしながら、ユニモルフ構造のアクチュエータの場合、通電によって反りが生じるにすぎない。そのため、ユニモルフ構造のアクチュエータの運動は、屈曲運動である。その結果、ユニモルフ構造のアクチュエータからは直線的な運動を容易に取り出すことができないという問題がある。

特開２００６−２０４０９９号公報

そこで、本発明の目的は、簡単な構造で直線的な運動が取り出されるユニモルフ構造のポリマーアクチュエータおよびアクチュエータユニットを提供することにある。

（１）本発明のポリマーアクチュエータは、伸縮可能な絶縁層部と、前記絶縁層部の一方の面および他方の面にそれぞれ設けられている導電層部と、前記絶縁層部の一方の面に形成された前記導電層部を挟んでこの一方の端面側に形成されている支持層部と、長手方向の両端部が対向するように断面が略Ｕ字形状に曲げられている帯状に積層された前記絶縁層部、前記導電層部および前記支持層部の前記両端部の間に設けられ、前記両端部を相互に引き付ける力を付与する弾性部材と、を備える。
以下、本明細書中において絶縁層部、導電層部および支持層部から構成された単位部分を、以下「アクチュエータ本体」と称する。帯状のアクチュエータ本体を略Ｕ字形状に曲げて両端部を対向させることにより、対向する両端部間に所定の距離が形成される。そして、アクチュエータ本体に通電することによりアクチュエータ本体に反りが生じると、略Ｕ字形状に曲げられたアクチュエータ本体は対向する両端部の間の距離が変化する。そのため、アクチュエータ本体の反りは、対向する両端部間における距離の変化、すなわち直線運動に変換される。したがって、簡単な構造でユニモルフ構造のポリマーアクチュエータ本体から直線的な運動を取り出すことができる。

（２）本発明のポリマーアクチュエータでは、前記絶縁層部および前記導電層部が複数層積層されている。
すなわち、アクチュエータ本体は、絶縁層部および導電層部を複数積層してもよい。このように複数の絶縁層部および導電層部を有することにより、ポリマーアクチュエータから取り出すことができる力を増大させることができる。

（３）本発明のアクチュエータユニットは、請求項１または２記載のポリマーアクチュエータを複数積層して備える。
複数のポリマーアクチュエータを重ねることにより、重ねられたポリマーアクチュエータユニットからは個々のポリマーアクチュエータの変位が総和として得られる。すなわち、個々のポリマーアクチュエータの変位が小さくても、ポリマーアクチュエータを重ねることにより、全体の変位が増大する。したがって、変位の大きな直線的な運動を取り出すことができる。

（４）本発明のアクチュエータユニットでは、複数の前記ポリマーアクチュエータは、周方向へ所定の角度間隔ずらされている。
これにより、複数のポリマーアクチュエータは略放射状に配置される。そのため、複数のポリマーアクチュエータを重ねる場合でも、高さ方向すなわちポリマーアクチュエータユニットの変位方向の全長が低減される。したがって、体格の小型化および占有容積の低減を図ることができる。

以下、本発明によるポリマーアクチュエータおよびアクチュエータユニットの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるポリマーアクチュエータを図１に示す。図１は、第１実施形態によるポリマーアクチュエータを示す概略図である。図１では、ポリマーアクチュエータを側面から見た形状を示している。

ポリマーアクチュエータ１０は、アクチュエータ本体１１と、弾性部材としてのスプリング１２とを備えている。ポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１は、側面視した形状が略Ｕ字形状に形成されている。アクチュエータ本体１１は、ポリマー層２０と支持層部３０とから構成されている。ポリマー層２０は、絶縁層部２１と導電層部２２、２３とから構成されている。絶縁層部２１は、例えばシリコンエラストマーやポリウレタンなどの柔軟な材料で形成されている。絶縁層部２１を形成する例えばシリコンエラストマーやポリウレタンは、電気を通しにくい絶縁体であり、誘電体でもある。導電層部２２、２３は、絶縁層部２１の両面にそれぞれ形成されている。導電層部２２、２３は、例えばシリコンエラストマーにカーボン粒子などの導電体を分散させた樹脂で形成されている。これにより、導電層部２２、２３は、導電性を有する薄膜として形成される。このように、アクチュエータ本体１１のポリマー層２０では、絶縁層部２１が導電層部２２と導電層部２３との間に挟み込まれている。

ポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１は、支持層部３０を有している。支持層部３０は、ポリマー層２０を構成する導電層部２３の絶縁層部２１とは反対側に設けられている。支持層部３０は、導電層部２３に貼り付けられている。アクチュエータ本体１１を略Ｕ字形状に形成するとき、支持層部３０は外周側に位置する。支持層部３０は、例えば樹脂や金属などポリマー層２０と伸縮率の異なる材料で形成されている。第１実施形態の場合、支持層部３０は、ポリエチレンで形成されている。

絶縁層部２１、導電層部２２および導電層部２３の厚さは、それぞれ数μｍから数十μｍ程度に設定されている。支持層部３０は、数十μｍから数ｍｍ程度の任意の厚さに設定されている。これらにより、ポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１は、厚さが数十μｍから数ｍｍ程度に設定されている。アクチュエータ本体１１、絶縁層部２１、導電層部２２および導電層部２３、ならびに支持層部３０の厚さは、任意に設定することができる。なお、絶縁層部２１、導電層部２２および導電層部２３、ならびに支持層部３０は、以上で例示したものに限らず、例えば市販の材料など、任意の材料で形成することができる。

スプリング１２は、略Ｕ字形状に折り曲げられたアクチュエータ本体１１の端部１３と端部１４とを弾性変形可能に接続している。スプリング１２は、端部１３と端部１４とを引き付ける方向へ力を加えている。スプリング１２は、ポリマー層２０が取り付けられた支持層部３０が平坦な板状に復元する力に対抗して、端部１３と端部１４とを引き付けている。これにより、アクチュエータ本体１１は、略Ｕ字形状に保持される。なお、弾性部材は、端部１３と端部１４との間を弾性変形可能に保持するものであれば、スプリング１２に限らず適用することができる。

アクチュエータ本体１１は、電源１５に接続されている。アクチュエータ本体１１は、配線部１６および配線部１７を経由して電源１５に接続している。配線部１６は、図１および図２に示すように導電層部２２に接続している。また、配線部１７は、導電層部２３に接続している。これにより、導電層部２２と導電層部２３との間には、電源１５から所定の電圧が印加される。配線部１６は、図２に示すように電源１５とは反対側の端部がパッド１８を経由して導電層部２２に接続している。また、配線部１７は、電源１５とは反対側の端部がパッド１９を経由して導電層部２３に接続している。

ポリマーアクチュエータ１０を製造する場合、まず図３に示すように帯状のアクチュエータ本体１１が用意される。アクチュエータ本体１１は、例えばシート状の積層体を切り出すことにより、帯状に形成される。アクチュエータ本体１１は、支持層部３０と、導電層部２３、絶縁層部２１および導電層部２２が順に積層されたポリマー層２０とから形成される。帯状に形成されたアクチュエータ本体１１は、長手方向の両端部、すなわち端部１３と端部１４とが対向するように図３に示す矢印Ｒの方向へ曲げられる。アクチュエータ本体１１は、導電層部２２を内側にして曲げられる。このとき、アクチュエータ本体１１の支持層部３０は弾性力を有しているため、アクチュエータ本体１１は図４に示すように略Ｕ字形状に曲げられる。

端部１３と端部１４とが向かい合う略Ｕ字形状に曲げられたアクチュエータ本体１１は、端部１３と端部１４との間にスプリング１２が取り付けられる。これにより、スプリング１２の弾性力は端部１３と端部１４とを引き付ける方向に加わり、アクチュエータ本体１１は略Ｕ字形状に保持される。以上の手順により、ポリマーアクチュエータ１０が形成される。形成されたポリマーアクチュエータ１０は、アクチュエータ本体１１の導電層部２２に配線部１６が接続され、導電層部２３に配線部１７が接続される。

次に、上記の構成によるポリマーアクチュエータ１０の作動について説明する。
ポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１は、伸縮率の異なる支持層部３０と、絶縁層部２１、導電層部２２および導電層部２３からなるポリマー層２０とが積層されている。すなわち、ポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１は、ユニモルフ構造を形成している。導電層部２２と導電層部２３との間に電源１５から数百Ｖから数ｋＶの電圧を加えると、導電層部２２と導電層部２３との間に挟み込まれている絶縁層部２１に静電引力が発生する。そのため、アクチュエータ本体１１のポリマー層２０には歪みが生じ、アクチュエータ本体１１は変形する。このとき、例えば図３に示すようにアクチュエータ本体１１が板状の場合、アクチュエータ本体１１は通電時に導電層部２２を外側にして湾曲する。

第１実施形態の場合、アクチュエータ本体１１はあらかじめ導電層部２２を内側にして端部１３と端部１４とが対向するＵ字形状に曲げられている。そのため、通電によってポリマー層２０に歪みが生じ、アクチュエータ本体１１が変形すると、アクチュエータ本体１１はスプリング１２の力に抗して端部１３と端部１４との間の距離が大きくなる。すなわち、アクチュエータ本体１１に通電すると、端部１３と端部１４との間の距離は拡大する。これにより、第１実施形態では、ユニモルフ構造のポリマーアクチュエータ１０を略Ｕ字形状に曲げることによって、端部１３と端部１４との間の距離の変化という直線運動が取り出される。

ここで、ポリマーアクチュエータ１０の変位量の一例について説明する。
ポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１の変位量δは、式（１）に示すストーニーの式によって求められる。
δ＝｛３×ｔ１×（１−ｖ）×Ｌ²×σ｝／（Ｅ×ｔ２²） （１）
ｔ１：ポリマー層２０の厚さ
ｔ２：支持層部３０の厚さ
Ｅ ：支持層部３０のヤング率
ｖ ：支持層部３０のポアソン比
Ｌ ：アクチュエータ本体１１の全長
アクチュエータ本体１１の全長Ｌは、折り曲げられたアクチュエータ本体１１を平板状に伸ばしたとき、端部１３から端部１４までの長さである。
δ ：通電時におけるアクチュエータ本体１１の変位量
変位量δは、通電の断続によって変化する端部１３と端部１４との間の距離に対応する。
σ ：通電時にアクチュエータ本体１１へ加わる内部応力

内部応力σは、以下の式（２）によって求められる。
σ＝Ｆ／（Ｗ×Ｌ） （２）
Ｆ ：通電時にアクチュエータ本体１１に加わる静電引力
Ｗ ：アクチュエータ本体１１の幅
以上の式により、変位量δを求めることができる。ここで、第１実施形態によるポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１の実施例として以下の値を設定する。

支持層部３０をポリエチレンで形成する場合、ヤング率Ｅは、Ｅ＝７．６×１０⁸Ｎ／ｍ²である。また、支持層部３０の厚さｔ２は、ｔ２＝０．１×１０^-3ｍ＝１００μｍである。さらに、支持層部３０のポアソン比ｖは、ｖ＝０．４５である。
一方、絶縁層部２１、導電層部２２および導電層部２３から形成されるポリマー層２０の厚さｔ１は、０．１×１０^-3ｍ＝１００μｍである。このポリマー層２０を有するアクチュエータ本体１１は、全長ＬがＬ＝１０×１０^-2ｍ＝１０ｃｍであり、幅ＷがＷ＝２×１０^-2ｍ＝２ｃｍである。

印加電圧を５ｋＶとしたとき、アクチュエータ本体１１に加わる静電引力Ｆは、Ｆ＝１０Ｎであるとすると、
δ＝１．０８×１０−３ｍ≒１ｍｍ
となる。
したがって、図１に示すアクチュエータ本体１１の場合、通電することによって端部１３と端部１４との間において約１ｍｍの変位を得ることができる。

以上、説明したように、第１実施形態の場合、ユニモルフ構造のポリマーアクチュエータ１０はアクチュエータ本体１１の端部１３と端部１４とが対向する略Ｕ字形状に形成されている。そのため、通電によってポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１に生じる反りは、端部１３と端部１４との間の距離の変化に変換される。したがって、簡単な構造でユニモルフ構造のポリマーアクチュエータ１０から直線的な運動を取り出すことができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるポリマーアクチュエータを適用したアクチュエータユニットを図５および図６に示す。
第２実施形態では、アクチュエータユニット４０は、図５に示すようにポリマーアクチュエータ１０が厚さ方向へ複数重ねられている。ポリマーアクチュエータ１０は、例えば図６に示すように変形が生じる端部１３と端部１４とが互いに重ねられている。ポリマーアクチュエータ１０は、第１実施形態で説明したように、通電することにより端部１３と端部１４との間の距離が変化する。そこで、ポリマーアクチュエータ１０を重ねることにより、得られる変位は各ポリマーアクチュエータ１０の変位の総和となる。例えば第１実施形態で説明した例のように一つのポリマーアクチュエータ１０の変位が約１ｍｍのとき、図５に示すように八つのポリマーアクチュエータ１０を重ねるとその変位の総量すなわちアクチュエータユニット４０の変位量は約８ｍｍとなる。

また、第２実施形態では、複数のポリマーアクチュエータ１０は、重なり合う中心から周方向へ所定の角度間隔で配置されている。そのため、アクチュエータユニット４０は、図６に示すようにポリマーアクチュエータ１０が放射状に配置されている。ポリマーアクチュエータ１０は、アクチュエータ本体１１の端部１３と端部１４とが対向する略Ｕ字形状に曲げられている。そのため、湾曲している部分は、スプリング１２の力が加わっているアクチュエータ本体１１の端部１３、１４に比較して厚さが大きくなる。そこで、このポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１が湾曲した部分を、周方向へずらす、すなわち周方向へ所定の角度間隔で配置することにより、ポリマーアクチュエータ１０同士の干渉が低減される。

第２実施形態では、ポリマーアクチュエータ１０を複数重ねることにより、取り出される変位を大きくすることができる。また、第２実施形態では、複数のポリマーアクチュエータ１０は、周方向へ所定の角度間隔で配置されている。したがって、ポリマーアクチュエータ１０同士の干渉が低減され、複数のポリマーアクチュエータ１０が重ねられたアクチュエータユニット４０の全長および占有容積を低減することができる。

また、第２実施形態では、複数重ねたポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１への通電を個々に制御してもよい。複数のポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１への通電を個々に制御することにより、アクチュエータユニット４０全体の変位量を任意に調整することができる。例えば、八つのポリマーアクチュエータ１０を重ねる場合、そのうちの四つのポリマーアクチュエータ１０に通電することにより、変位の総量の約半分の変位を取り出すことができる。

（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態では、ポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１の導電層部２３側に支持層部３０を設ける例について説明した。しかし、アクチュエータ本体１１の導電層部２２側にも支持層部を設けてもよい。この場合、導電層部２３側に設ける支持層部３０と導電層部２２側に設ける支持層部との伸縮率は、同一でも異なっていてもよい。

また、第２実施形態では、放射状に八つのポリマーアクチュエータ１０を重ねる例について説明したが、ポリマーアクチュエータ１０の数は八つに限らず任意の数に設定することができる。また、複数のポリマーアクチュエータ１０は、必ずしも一定の角度間隔で配置する必要はなく、任意の角度間隔で配置してもよい。さらに、ポリマーアクチュエータ１０を複数積層するだけでなく、ポリマアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１においてポリマー層２０を複数層積層してもよい。すなわち、各ポリマーアクチュエータ１０のアクチュエータ本体１１において、絶縁層部２１、ならびに導電層部２２および導電層部２３を複数積層してもよい。このように各ポリマーアクチュエータ１０のポリマー層２０を複数積層することにより、各ポリマーアクチュエータ１０から取り出される力を増大することができる。

本発明の第１実施形態によるポリマーアクチュエータの側面視を示す概略図。 本発明の第１実施形態によるポリマーアクチュエータの端部近傍を拡大した図であり、（Ａ）は対向する端部側から見た概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図。 本発明の第１実施形態によるポリマーアクチュエータのアクチュエータ本体を平板状に展開した概略図。 本発明の第１実施形態によるポリマーアクチュエータの側面視を示す概略図。 本発明の第２実施形態によるアクチュエータユニットの平面視を示す概略図。 本発明の第２実施形態によるアクチュエータユニットの側面視を示す概略図。

符号の説明

１０：ポリマーアクチュエータ、１１：アクチュエータ本体、１２：スプリング（弾性部材）、１３：端部、１４：端部、２１：絶縁層部、２２、２３：導電層部、３０：支持層部、４０：アクチュエータユニット

Claims (4)

1. 伸縮可能な絶縁層部と、
   前記絶縁層部の一方の面および他方の面にそれぞれ設けられている導電層部と、
   前記絶縁層部の一方の面に形成された前記導電層部を挟んでこの一方の端面側に形成されている支持層部と、
   長手方向の両端部が対向するように断面が略Ｕ字形状に曲げられている帯状に積層された前記絶縁層部、前記導電層部および前記支持層部の前記両端部の間に設けられ、前記両端部を相互に引き付ける力を付与する弾性部材と、
   を備えるポリマーアクチュエータ。
2. 前記絶縁層部および前記導電層部が複数層積層されている請求項１記載のポリマーアクチュエータ。
3. 請求項１または２記載のポリマーアクチュエータを複数積層して備えるアクチュエータユニット。
4. 複数の前記ポリマーアクチュエータは、周方向へ所定の角度間隔ずらされている請求項３記載のアクチュエータユニット。

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