(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電歪材料で形成された二枚のシートのうち一方のシートの表裏両面に電極膜を形成してあり、
該電極膜を形成してあるシートと、形成していないシートとを張り合わせてあるアクチュエータ素子を複数束ねてあるアクチュエータアレイであって、
前記アクチュエータ素子の前記電極膜に印加する電圧の極性を切り替える極性切替手段を備え、
該極性切替手段は、前記アクチュエータ素子ごとに、隣接する前記アクチュエータ素子の前記電極膜を同じ極性、又は異なる極性に切り替えるようにしてあることを特徴とするアクチュエータアレイ。
【請求項２】
前記電極膜は、金属材料にて形成してあることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータアレイ。
【請求項３】
前記電極膜は、導電性高分子材料にて形成してあることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電歪材料を用いたユニモルフ型アクチュエータを複数束ねてあるアクチュエータアレイに関する。特に変形した状態であっても変形した状態を維持することが可能なアクチュエータアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
介護機器、リハビリ機器、産業用ロボット等は、精緻な動きを要求される機会が多く、人工筋肉等に応用するアクチュエータの開発が急がれている。人工筋肉は、電圧を印加した時点で所望の歪み量を得ることができるとともに、歪みが発生した状態で適度に硬化し、変形した状態を維持することができることが望ましい。
【０００３】
人工筋肉に用いることができる材料としては、電圧を印加することにより生じる電界の大きさに応じて所望の歪み量を得ることができる電歪材料が用いられる。特に高分子電歪材料は、歪み量が比較的大きく、しかも軽量であることから人工筋肉に用いる材料として注目されている。
【０００４】
例えば特許文献１には、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）系、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）系のコーポリマであるＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ等の高分子電歪材料を二層張り合わせてある、いわゆるユニモルフ型アクチュエータが開示されている。ユニモルフ型アクチュエータは、アクティブ層に電界を印加することにより、ノンアクティブ層の方向へと屈曲する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６５４５３９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示してあるユニモルフ型アクチュエータは、大きな屈曲変位を得ることができるものの、例えばＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）系の高分子電歪材料を二層張り合わせてあるため、ヤング率が５００ＭＰａから１ＧＰａ程度であることから、数十μｍから数百μｍの厚みでは、何らかの外力が付加された場合、容易に変形するという問題点があった。
【０００７】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、外部から何らかの外力が付加された場合であっても、変形した状態を維持することができるアクチュエータアレイ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】
【０００８】
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アレイは、電歪材料で形成された二枚のシートのうち一方のシートの表裏両面に電極膜を形成してあり、該電極膜を形成してあるシートと、形成していないシートとを張り合わせてあるアクチュエータ素子を複数束ねてあるアクチュエータアレイであって、前記アクチュエータ素子の前記電極膜に印加する電圧の極性を切り替える極性切替手段を備え、該極性切替手段は、前記アクチュエータ素子ごとに、隣接する前記アクチュエータ素子の前記電極膜を同じ極性、又は異なる極性に切り替えるようにしてあることを特徴とする。
【０００９】
第１発明では、電歪材料で形成された二枚のシートのうち一方のシートの表裏両面に電極膜を形成してあり、電極膜を形成してあるシートと、形成していないシートとを張り合わせてあるアクチュエータ素子を複数束ねてある。アクチュエータ素子ごとに、隣接するアクチュエータ素子の電極膜を同じ極性、又は異なる極性に切り替える。隣接するアクチュエータ素子の電極膜を同じ極性、又は異なる極性に切り替えることができるので、例えばアクチュエータ素子の変形時には隣接する電極膜に印加する電圧の極性を同じ極性とすることにより、隣接する電極膜間に電気的斥力が生じ、アクチュエータ素子の変形が阻害されることなく大きく変形する。一方、アクチュエータ素子が変形した時点で隣接する電極膜に印加する電圧の極性を互いに異なる極性へと切り替えることにより、隣接する電極膜間に電気的引力が生じ、アクチュエータ素子は変形した状態で互いに引き寄せあい、硬度が増大する。したがって、変形状態を効果的に維持することが可能となる。
【００１２】
また、第２発明に係るアクチュエータアレイは、第１発明において、前記電極膜は、金属材料にて形成してあることを特徴とする。
【００１３】
第２発明では、電極膜を金属材料にて形成することにより、比較的安価なアクチュエータアレイを提供することが可能となる。
【００１４】
第３発明に係るアクチュエータアレイは、第１発明において、前記電極膜は、導電性高分子材料にて形成してあることを特徴とする。
【００１５】
第３発明では、電極膜を導電性高分子材料にて形成することにより、電極膜が電歪材料と密着しやすく、アクチュエータ素子の変形により電極膜が剥離するのを効果的に抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成により、隣接するアクチュエータ素子の電極膜を同じ極性、又は異なる極性に切り替えることができるので、例えばアクチュエータ素子の変形時には隣接する電極膜に印加する電圧の極性を同じ極性とすることにより、隣接する電極膜間に電気的斥力が生じ、アクチュエータ素子の変形が阻害されることなく大きく変形する。一方、アクチュエータ素子が変形した時点で隣接する電極膜に印加する電圧の極性を互いに異なる極性へと切り替えることにより、隣接する電極膜間に電気的引力が生じ、アクチュエータ素子は変形した状態で互いに引き寄せあい、硬度が増大する。したがって、変形状態を効果的に維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係るアクチュエータアレイの構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るアクチュエータアレイのアクチュエータ素子の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図３】ユニモルフ型アクチュエータの動作原理の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るアクチュエータアレイの変形時の印加電圧極性を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るアクチュエータアレイの変形状態維持時の印加電圧極性を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。以下の実施の形態は、特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではなく、実施の形態の中で説明されている特徴的事項の組み合わせの全てが解決手段の必須事項であるとは限らないことは言うまでもない。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータアレイの構成を模式的に示す断面図である。本実施の形態に係るアクチュエータアレイ１０は、複数のアクチュエータ素子１２、１２、・・・を束ねてある。アクチュエータ素子１２は、それぞれ高分子電歪材料からなる二枚の電歪シート（シート）１３、１３を張り合わせてあり、一方の電歪シート１３の表裏両面に、電極膜１４、１４を形成してある。
【００２０】
電歪シート１３、１３を構成する高分子電歪材料としては、強誘電性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）系のコーポリマであるＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ、あるいはＰＶＤＦ系のターポリマ、例えばＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＤＦＥ、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＡ、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ、ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＣ等が好ましい。なお、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、それぞれ示している。
【００２１】
図２は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータアレイ１０のアクチュエータ素子１２の製造工程を模式的に示す断面図である。まず図２（ａ）に示すように、高分子電歪材料からなる二枚の電歪シート１３、１３を準備し、一方の電歪シート１３の表裏両面に、一定の膜厚にて電極膜１４、１４を形成する。
【００２２】
具体的には、電歪シート１３、１３として、上述した高分子電歪材料を用いて数μｍから１００μｍ程度のシートを成形する。そして、一方の電歪シート１３の表裏両面に、蒸着あるいはスパッタにより、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）等の金属膜を電極膜１４、１４として２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度形成する。電極膜１４、１４を形成した後、図２（ｂ）に示すように、電歪シート１３、１３をエポキシ系の熱硬化性接着剤、ＵＶ硬化性接着剤等を用いて張り合わせ、アクチュエータ素子１２を得る。
【００２３】
アクチュエータ素子１２は、いわゆるユニモルフ型アクチュエータとして機能する。図３は、ユニモルフ型アクチュエータの動作原理の説明図である。
【００２４】
図３の例では、上述した高分子電歪材料からなる二枚の電歪シート１３、１３の、一方の電歪シート１３の表裏両面に電極膜１４、１４を形成してあり、電歪シート１３、１３をエポキシ系の熱硬化性接着剤、ＵＶ硬化性接着剤等を用いて張り合わせてある。張り合わせた電歪シート１３、１３の一端を支持部材に固着し、他端は動作することが可能に開放してある。
【００２５】
電極膜１４、１４を電源１１に接続して、所定の電圧を印加した場合、電極膜１４、１４が形成してある電歪シート１３は厚み方向に収縮し、ポアソン比に応じて長さが延伸する。しかし、張り合わせてある電歪シート１３は長さが変動しないことから、アクチュエータ素子１２は、図３の矢印方向に湾曲するよう変形する。
【００２６】
図１に戻って、電源１１は、二つの電極膜１４、１４を一組として、それぞれ並列に接続してある。最も外側に配置してあるアクチュエータ素子１２、１２の電極膜１４、１４、１４、１４は直接電源１１に接続してある。それ以外のアクチュエータ素子１２、１２、・・・の電極膜１４、１４、・・・は、印加する電圧の極性を切り替える極性切替手段１５を介して接続してある。印加する電圧の極性を切り替える極性切替手段１５は特に限定されるものではないが、例えば高電圧リレーを用いれば良い。
【００２７】
本実施の形態に係るアクチュエータアレイ１０は、複数のアクチュエータ素子１２、１２、・・・を束ねてあるだけであり、隣接するアクチュエータ素子１２、１２間は、接着剤等により固着していない。したがって、電源１１による電圧の印加によって、それぞれのアクチュエータ素子１２が大きく変形することにより、アクチュエータアレイ１０全体として変形が増大する。
【００２８】
また、アクチュエータアレイ１０を大きく変形させたい場合には、極性切替手段１５により、隣接するアクチュエータ素子１２、１２の極性を、互いに異なる極性となるように切り替える。図４は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータアレイ１０の変形時の印加電圧極性を模式的に示す断面図である。
【００２９】
図４では、３つのアクチュエータ素子１２、１２、１２を束ねたアクチュエータアレイ１０を示している。電極膜１４、１４、・・・の上方に記載してある符号は、「＋」が正極を、「−」が負極を、それぞれ示している。アクチュエータアレイ１０を変形させる場合、極性切替手段１５により、隣接するアクチュエータ素子１２、１２の電極膜１４、１４、・・・に印加させる電圧の極性は、互いに異なる極性となっている。
【００３０】
すなわち、図４において最も左側に位置するアクチュエータ素子１２の電極膜１４、１４は、左側から順に電源１１の正極、負極にそれぞれ接続してあるのに対し、隣接するアクチュエータ素子１２の電極膜１４、１４は、左側から順に電源１１の負極、正極にそれぞれ接続するよう、極性切替手段１５により切り替えてある。そして、最も右側に位置するアクチュエータ素子１２の電極膜１４、１４は、左側から順に電源１１の正極、負極にそれぞれ接続してある。
【００３１】
このように電圧を印加した場合、各アクチュエータ素子１２はユニモルフ型アクチュエータとして機能し、電極膜１４、１４を形成してある電歪シート１３が延伸することにより矢印方向へと屈曲する。また、隣接するアクチュエータ素子１２、１２では、隣接する電極膜１４、１４に印加してある電圧の極性が同じであることから、両者の間には電気的斥力が生じる。したがって、互いに反発しあいながら屈曲するので、変形が阻害されることなく大きく変形する。
【００３２】
本実施の形態では、この状態でアクチュエータアレイ１０を硬化させるべく、極性切替手段１５により、隣接するアクチュエータ素子１２、１２の極性が同じ極性となるように切り替える。図５は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータアレイ１０の変形状態維持時の印加電圧極性を模式的に示す断面図である。
【００３３】
図５でも、図４と同様、３つのアクチュエータ素子１２、１２、１２を束ねたアクチュエータアレイ１０を示している。電極膜１４、１４、・・・の上方に記載してある符号は、「＋」が正極を、「−」が負極を、それぞれ示している。アクチュエータアレイ１０の変形状態を維持する場合、極性切替手段１５により、隣接するアクチュエータ素子１２、１２の電極膜１４、１４、・・・に印加させる電圧の極性は、すべて同一の極性となっている。
【００３４】
すなわち、最も左側に位置するアクチュエータ素子１２の電極膜１４、１４は、左側から順に電源１１の正極、負極にそれぞれ接続してあるのに対し、隣接するアクチュエータ素子１２の電極膜１４、１４も、左側から順に電源１１の正極、負極にそれぞれ接続するよう、極性切替手段１５により切り替えてある。そして、最も右側に位置するアクチュエータ素子１２の電極膜１４、１４も、左側から順に電源１１の正極、負極にそれぞれ接続してある。
【００３５】
このように電圧を印加した場合、各アクチュエータ素子１２はユニモルフ型アクチュエータとして機能し、電極膜１４、１４を形成してある電歪シート１３が延伸することにより矢印方向へ屈曲した状態を維持する。また、隣接するアクチュエータ素子１２、１２では、隣接する電極膜１４、１４に印加してある電圧の極性が異なることから、両者の間には電気的引力が生じる。したがって、互いに引き寄せあうことにより変形した電歪シート１３、１３、・・・の変形の自由度が損なわれ、硬化したのと同様の効果が期待できる。
【００３６】
以上のように本実施の形態によれば、アクチュエータ素子１２、１２、・・・の電極膜１４、１４、・・・に印加する電圧の極性を切り替えることができるので、例えばアクチュエータ素子１２、１２、・・・の変形時には隣接する電極膜１４、１４、・・・に印加する電圧の極性を同じ極性とすることにより、隣接する電極膜１４、１４間に電気的斥力が生じ、アクチュエータ素子１２、１２の変形が阻害されることなく大きく変形する。一方、アクチュエータ素子１２、１２、・・・が変形した時点で隣接する電極膜１４、１４に印加する電圧の極性を互いに異なる極性へと切り替えることにより、隣接する電極膜１４、１４間に電気的引力が生じ、アクチュエータ素子１２、１２、・・・は変形した状態で互いに引き寄せあって、硬度が増大する。したがって、変形状態を効果的に維持することが可能となる。
【００３７】
なお、上述した実施の形態では、電歪シート１３の表裏両面に電極膜１４、１４を形成してから、電極膜を形成していない電歪シート１３と張り合わせているが、特に表裏両面に電極膜を形成することに限定されるものではなく、片方の面に電極膜を形成した電歪シート同士を張り合わせても良いことは言うまでもない。
【００３８】
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、上述した金属材料を用いても良いし、導電性高分子材料を用いても良い。例えば３，４−ポリエチレンジオキシチオフェン−ポリスチレンスルフォン酸（以下、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳという）にて電極膜を形成する場合、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを機械的に粉砕し、アクリル樹脂等の有機バインダとともにプロパノール（有機溶剤）中に溶解する。そして、機械的に攪拌することによりＰＥＤＯＴ／ＰＳＳペーストを作成し、スクリーン印刷することにより電極膜を形成する。これにより、変形により剥離しにくいアクチュエータ素子１２を容易に得ることができる。
【００３９】
また、アクチュエータ素子１２、１２、・・・の両端を固定した、アーチ形状のアクチュエータとしても良い。この場合であっても上述した効果と同等の効果を奏することが期待できる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  アクチュエータアレイ
１１  電源
１２  アクチュエータ素子
１３  電歪シート
１４  電極膜
１５  極性切替手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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