説明

アクチュエータ素子

【課題】ユニモルフ構造を有するアクチュエータ素子であっても、アクチュエータ素子に変位を生じさせるエネルギーを効率良く直線運動に変換することができるアクチュエータ素子を提供する。
【解決手段】電歪材料で形成された矩形状の電歪フィルム21の両面に導体パターン23、24を設けてあり、一の導体パターン24側を基材30に接着してある。電歪フィルム21、基材30の対向する二辺の両端部を、電歪フィルム21、基材30が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてある。折り曲げた角部の一部に両端を残してスリットを形成し、折り曲げた部分のうちスリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させても良い。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電歪材料で形成されたフィルムの両面に電極として導電層を設けてあり、一の導電層側が基材に接着されているユニモルフ構造を有するアクチュエータ素子に関する。
【背景技術】
【0002】
医療機器、産業用ロボット等は、精緻な動きを要求される機会が多い。したがって、小型、軽量であり、しかも柔軟性に富むアクチュエータ素子の開発が急務となっている。例えばイオン導電性高分子を用いた高分子アクチュエータ素子は、イオン導電性高分子膜と、イオン導電性高分子膜の両面に相互に絶縁状態で接合した金属電極とで構成されており、金属電極間に電圧を印加することによりイオン導電性高分子膜に湾曲等の変形を生じさせている。
【0003】
また、上述したアクチュエータ素子を組み合わせることにより、湾曲等の変形を直線運動、回転運動等として取り出す動作機構も提案されている。例えば特許文献1には、絶縁層部の両面に導電層部を設けてあり、一の導電層部を支持層部に接合してあるユニモルフ構造を有するポリマーアクチュエータが開示されている。図1は、従来のユニモルフ構造を有するアクチュエータの構成を示す模式図である。
【0004】
図1において、従来のアクチュエータ10は、絶縁層部16の両面に導電層部17、18を設けてあるポリマー層11と、ポリマー層11の一面に接合された支持層部19とを備えている。端部13、14間は、スプリング12により端部13、14が互いに近づく方向へ付勢している。導電層部17、18は電源15と接続してあり、通電することができる。
【0005】
したがって、導電層部17,18が通電することによりアクチュエータ10に反りが生じた場合、端部13、14間の距離が変化する。つまり、アクチュエータ10の反りは、端部13、14間の距離の変化という直線運動として取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2009−050046号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、特許文献1に開示してあるアクチュエータ10では、アクチュエータ10に反りを生じさせるエネルギーのほとんどがスプリング12の伸縮に使われ、効率良く直線運動に変換することが困難であるという問題点があった。しかし、例えばスプリング12を外し、端部13又は端部14のいずれかを固定した場合、アクチュエータ10の反りを端部13、14間の距離の変化という直線運動として取り出すことができない。
【0008】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ユニモルフ構造を有するアクチュエータ素子であっても、アクチュエータ素子に変位を生じさせるエネルギーを効率良く直線運動に変換することができるアクチュエータ素子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】
【0009】
上記目的を達成するために第1発明に係るアクチュエータ素子は、電歪材料で形成された矩形状のフィルムの両面に導電層を設けてあり、一の導電層側を矩形状の基材に接着してあるアクチュエータ素子であって、前記基材の対向する二辺の両端部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあることを特徴とする。
【0010】
第1発明では、電歪材料で形成された矩形状のフィルムが接着してある基材の対向する二辺の両端部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてある。これにより、矩形状の基材が湾曲した場合に、基材の対向する二辺の両端部に屈曲部が存在するので、基材の対向する二辺の両端部では湾曲を抑制することができる。したがって、基材の対向する二辺の一端側を固定することにより、アクチュエータ素子に変位を生じさせるエネルギーを、他端の直線運動へと変換することが可能となる。
【0011】
次に、上記目的を達成するために第2発明に係るアクチュエータ素子は、電歪材料で形成された矩形状のフィルムの両面に導電層を設けてあり、一の導電層側を矩形状の基材に接着してあるアクチュエータ素子であって、前記基材が湾曲する面の側部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあり、折り曲げた角部の一部に両端を残してスリットを形成してあり、折り曲げた部分のうち前記スリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させてあることを特徴とする。
【0012】
第2発明では、電歪材料で形成された矩形状のフィルムが接着してある基材が湾曲する面の側部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてある。折り曲げた角部の一部に両端を残してスリットを形成してあり、折り曲げた部分のうちスリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させてある。基材が湾曲した場合に、側部を折り曲げた部分のうちスリットが形成してある部分が湾曲していることにより、基材の湾曲以外の変形をより抑制することができる。したがって、基材の対向する二辺の一端側を固定することにより、アクチュエータ素子に変位を生じさせるエネルギーを、他端の直線運動へと変換することが可能となる。
【0013】
また、第3発明に係るアクチュエータ素子は、第1又は第2発明において、前記フィルムと接続してある外部電極を、矩形状の前記フィルムの一辺側に設けてあることを特徴とする。
【0014】
第3発明では、フィルムと接続してある外部電極を、矩形状のフィルムの一辺側に設けてあるので、フィルムの対向する二辺の一端側を固定することにより他端の直線運動を妨げることがない。
【発明の効果】
【0015】
上記構成により、矩形状の基材が湾曲した場合に、基材の対向する二辺の両端部に屈曲部が存在するので、基材の対向する二辺の両端部では湾曲を抑制することができる。したがって、基材の対向する二辺の一端側を固定することにより、アクチュエータ素子に変位を生じさせるエネルギーを、他端の直線運動へと変換することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】従来のユニモルフ構造を有するアクチュエータの構成を示す模式図である。
【図2】本発明の実施の形態1に係るアクチュエータ素子の構成を示す模式図である。
【図3】本発明の実施の形態1に係るアクチュエータ素子の製造工程を模式的に示す斜視図である。
【図4】本発明の実施の形態2に係るアクチュエータ素子の構成を示す模式図である。
【図5】本発明の実施の形態2に係るアクチュエータ素子の構成を模式的に示す平面図及び側面図である。
【図6】本発明の実施の形態2に係るアクチュエータ素子の製造工程を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0018】
(実施の形態1)
図2は、本発明の実施の形態1に係るアクチュエータ素子の構成を示す模式図である。図2(a)は、本発明の実施の形態1に係るアクチュエータ素子の構成を模式的に示す斜視図であり、図2(b)は、本発明の実施の形態1に係るアクチュエータ素子の構成を模式的に示す側面図である。実施の形態1に係るアクチュエータ素子20は、高分子電歪材料で形成された電歪フィルム21、基材30を準備し、電歪フィルム(フィルム)21の表裏両面には、それぞれ内部電極として導体パターン(導電層)23、24を設けてあり、導体パターン24側を基材30に接着してある。また、導体パターン23、24を延伸させて、引き出し電極(外部電極)25、26が形成されている。
【0019】
電歪フィルム21を形成する高分子電歪材料としては、強誘電性を有し、永久双極子を有する高分子圧電材料であれば、特に限定されるものではない。例えばPVDF(ポリビニリデンフルオロイド)、PVDF(ポリビニリデンフルオロイド)系の共重合体、コーポリマであるP(VDF−TrFE−HFP)、あるいはPVDF系のターポリマであるP(VDF−TrFE−CFE)、P(VDF−TrFE−CTFE)、P(VDF−TrFE−CDFE)、P(VDF−TrFE−HFA)、P(VDF−TrFE−HFP)、P(VDF−TrFE−VC)、P(VDF−VF)等が好ましい。なお、Pはポリを、VDFはビニリデンフルオロイドを、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はクロロディ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、VFはビニルフルオロイドを、それぞれ示している。
【0020】
特に、P(VDF−TrFE−CFE)がより好ましい。大きな変位を得ることができるからである。また、電歪フィルム21の厚みは適宜設定することが可能であるが、例えば数μm〜100μm程度が好ましい。
【0021】
また、基材30を形成する材料は、後述する曲げ成形、湾曲形成等を行うことができる限り、特に限定されるものではない。例えば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、ポリエステル等である。また、上述した電歪材料から選定しても良い。さらに、基材30の厚みは、適宜設定することが可能である。例えば数μm〜100μm程度が好ましい。
【0022】
具体的には、電歪フィルム21を、数μmから100μm程度のフィルム状に成形し、電歪フィルム21の表裏両面に、マスク越しに導電性インクを噴霧することにより、導体パターン23、24を形成する。導電性インクの粘度にもよるが、インクジェット方式、はけ塗り、スクリーン印刷方式等、適宜形成方法を変更しても良い。
【0023】
導電性インクとしては、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)等の有機導電性材料を用い、有機バインダーとともに、溶剤に溶解させて使用する。有機バインダーとしては、例えばゼラチン系バインダー、アクリル系バインダー、ポリビニルアルコール系バインダー等を用いることができる。溶剤は、メタノール、エタノール等の有機導電性材料のような、有機バインダーを溶解することが可能な溶剤から選択すればよい。
【0024】
また、導体パターン23、24を延伸させ、引き出し電極25、26を形成し、引き出し電極25、26を電源28と接続してある。引き出し電極25、26は、電歪フィルム21を基材30に積層した場合に、重なり合わない位置であって、電歪フィルム21、基材30の同一辺側に形成してある。このようにすることで、異なる極性を有する引き出し電極25、26が互いに接触することがない。
【0025】
積層した電歪フィルム21、基材30は、対向する二辺の両端部を、電歪フィルム21、基材30が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に、およそ90度折り曲げて屈曲部27を形成している。電歪フィルム21、基材30が湾曲した場合に、屈曲部27の存在により、導体パターン23、24が存在する領域では湾曲が生じるものの、導体パターン23、24が存在しない領域では湾曲することを抑制することができる。したがって、アクチュエータ素子20に変位を生じさせるエネルギーを、矢印方向の直線運動へと効率良く変換することが可能となる。
【0026】
図3は、本発明の実施の形態1に係るアクチュエータ素子20の製造工程を模式的に示す斜視図である。まず図3(a)に示すように、高分子電歪材料で形成された電歪フィルム(フィルム)21、基材30を準備し、電歪フィルム21の表裏両面に、導体パターン23、24を形成して、引き出し電極25、26を同一辺側に引き出す。
【0027】
そして、図3(b)に示すように、電歪フィルム21と基材30とを積層して接着する。電歪フィルム21と基材30との接着には、熱硬化又はUV硬化の接着剤を用いる。
【0028】
次に図3(c)に示すように、引き出し電極25、26を引き出した一辺と直交する二辺において、導体パターン23、24が形成されている範囲だけ、導体パターン23、24を残して、余分な電歪フィルム21、基材30を切除する。これにより、電歪フィルム21、基材30を平面視した形状はH型となる。
【0029】
そして、図3(d)に示すように、残っている二辺の両端部をおよそ90度、電歪フィルム21、基材30が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げて屈曲部27を形成する。最後に、電歪フィルム21、基材30の形状をテープ等を用いて固定し、例えばオーブンで85℃の雰囲気中に5分程度入れた後、大気中で冷却して成形する。
【0030】
以上のように本実施の形態1によれば、電歪フィルム21、基材30の対向する二辺の両端部を、電歪フィルム21、基材30が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあるので、矩形状の電歪フィルム21、基材30が湾曲した場合に、電歪フィルム21、基材30の対向する二辺の両端部に屈曲部27が存在するので、電歪フィルム21、基材30の対向する二辺の両端部では湾曲を抑制することができる。したがって、電歪フィルム21、基材30の対向する二辺の一端側を固定することにより、アクチュエータ素子20に変位を生じさせるエネルギーを、他端の直線運動へと効率良く変換することが可能となる。
【0031】
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2に係るアクチュエータ素子20の構成を示す模式図である。実施の形態2に係るアクチュエータ素子20は、実施の形態1と同様、高分子電歪材料で形成された電歪フィルム21、基材30を準備し、電歪フィルム(フィルム)21の表裏両面には、それぞれ内部電極として導体パターン(導電層)23、24を設けてあり、導体パターン24側を基材30に接着してある。また、導体パターン23、24を延伸させて、引き出し電極(外部電極)25、26が形成されている。
【0032】
具体的には、電歪フィルム21を、数μmから100μm程度のフィルム状に成形し、電歪フィルム21の表裏両面に、マスク越しに導電性インクを噴霧することにより、導体パターン23、24を形成する。導電性インクの粘度にもよるが、インクジェット方式、はけ塗り、スクリーン印刷方式等、適宜形成方法を変更しても良い。
【0033】
また、導体パターン23、24を延伸させ、引き出し電極25、26を形成し、引き出し電極25、26を電源28と接続してある。引き出し電極25、26は、電歪フィルム21を基材30に積層した場合に、重なり合わない位置であって、同一辺側に形成してある。このようにすることで、異なる極性を有する引き出し電極25、26が互いに接触することがない。
【0034】
また、積層した電歪フィルム21、基材30が湾曲する面の側部を、電歪フィルム21、基材30が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に、およそ90度折り曲げて屈曲部27を形成している。折り曲げた角部の一部に両端を残してスリットを形成してあり、折り曲げた部分のうちスリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させてあり、梁として機能させている。
【0035】
図5は、本発明の実施の形態2に係るアクチュエータ素子20の構成を示す平面図及び側面図である。図5(a)は、本発明の実施の形態2に係るアクチュエータ素子20の構成を示す平面図を、図5(b)は、本発明の実施の形態2に係るアクチュエータ素子20の構成を示す側面図を、それぞれ示している。
【0036】
図5(b)に示すように、電歪フィルム21、基材30が湾曲する面の側部を、電歪フィルム21、基材30が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に、およそ90度折り曲げた角部のうち、導体パターン23、24と重なっている範囲にスリットを形成している。折り曲げた部分のうちスリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させることで、梁部41を形成している。電歪フィルム21、基材30が湾曲した場合に、電歪フィルム21、基材30が湾曲した凸面の下部に梁部41が存在するので、電歪フィルム21、基材30の湾曲以外の変形をより抑制することができる。したがって、引き出し電極25、26を引き出した一辺側を固定することにより、アクチュエータ素子20に湾曲を生じさせるエネルギーを、図4に示す矢印方向の直線運動へと効率良く変換することが可能となる。
【0037】
図6は、本発明の実施の形態2に係るアクチュエータ素子20の製造工程を模式的に示す斜視図である。まず図6(a)に示すように、高分子電歪材料で形成された電歪フィルム(フィルム)21、基材30を準備し、電歪フィルム21の表裏両面に、導体パターン23、24を形成して、引き出し電極25、26を同一辺側に引き出す。
【0038】
そして、図6(b)に示すように、電歪フィルム21と基材30とを積層して接着する。電歪フィルム21と基材30との接着には、熱硬化又はUV硬化の接着剤を用いる。
【0039】
次に図6(c)に示すように、引き出し電極を引き出した一辺と直交する二辺に沿って、導体パターン23、24が形成されている範囲にだけ、スリット加工を行いスリット61を形成する。そして図6(d)に示すように、スリット61に沿って、電歪フィルム21、基材30が湾曲する面の側部を、電歪フィルム21、基材30が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向におよそ90度折り曲げて、屈曲部27を形成する。
【0040】
図6(e)に示すように、スリット61に沿って、両側の屈曲部27のうちスリットが形成してある部分を、電歪フィルム21、基材30の下部で互いに距離が狭まるように湾曲させて、梁部41を形成する。最後に、電歪フィルム21、基材30及び梁部41の形状をテープ等を用いて固定し、例えばオーブンで85℃の雰囲気中に5分程度入れた後、大気中で冷却する。
【0041】
以上のように本実施の形態2によれば、電歪フィルム21、基材30が湾曲する面の側部を、電歪フィルム21、基材30が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあり、折り曲げた角部の一部に両端を残してスリット61を形成してある。折り曲げた部分のうちスリット61が形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させてある。電歪フィルム21、基材30が湾曲した場合に、折り曲げた部分のうちスリット61が形成してある部分が湾曲していることにより、電歪フィルム21、基材30の湾曲以外の変形をより抑制することができる。したがって、電歪フィルム21、基材30の対向する二辺の一端側を固定することにより、アクチュエータ素子20に変位を生じさせるエネルギーを、他端の直線運動へと変換することが可能となる。
【0042】
その他、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内であれば多種の変形、置換等が可能であることは言うまでもない。例えば、電極膜は、上述した導電性インクを用いても良いし、金属薄膜を用いても良い。また、上述のように、電歪フィルム21と基材30とが同じ大きさであり、両方を屈曲させても良いし、あるいは電歪フィルム21を小さくしておき、基材30のみを屈曲させるようにしても良い。
【符号の説明】
【0043】
20 アクチュエータ素子
21 電歪フィルム(フィルム)
23、24 導体パターン(導電層)
25、26 引き出し電極(外部電極)
27 屈曲部
30 基材
41 梁部
61 スリット

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電歪材料で形成された矩形状のフィルムの両面に導電層を設けてあり、一の導電層側を矩形状の基材に接着してあるアクチュエータ素子であって、
前記基材の対向する二辺の両端部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあることを特徴とするアクチュエータ素子。
【請求項2】
電歪材料で形成された矩形状のフィルムの両面に導電層を設けてあり、一の導電層側を矩形状の基材に接着してあるアクチュエータ素子であって、
前記基材が湾曲する面の側部を、該基材が湾曲して凸面が形成される方向と反対の方向に折り曲げてあり、
折り曲げた角部の一部に両端を残してスリットを形成してあり、
折り曲げた部分のうち前記スリットが形成してある部分を、互いに距離が狭まるように湾曲させてあることを特徴とするアクチュエータ素子。
【請求項3】
前記フィルムと接続してある外部電極を、矩形状の前記フィルムの一辺側に設けてあることを特徴とする請求項1又は2に記載のアクチュエータ素子。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate


【公開番号】特開2013−78239(P2013−78239A)
【公開日】平成25年4月25日(2013.4.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−218041(P2011−218041)
【出願日】平成23年9月30日(2011.9.30)
【出願人】(000006231)株式会社村田製作所 (3,635)