JPH07107763A

JPH07107763A - アクチュエータ

Info

Publication number: JPH07107763A
Application number: JP22985391A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kuramochi; 浩倉持
Original assignee: Fukoku Co Ltd; Polytec Design KK
Current assignee: Fukoku Co Ltd; Polytec Design KK
Priority date: 1991-06-03
Filing date: 1991-06-03
Publication date: 1995-04-21

Abstract

(57)【要約】【目的】電気制御によって速応性に優れた、精度の高
い、縮み−戻りの直線運動を実現し、しかも従来にはな
い柔軟性を有するアクチュエータを提供する。【構成】本発明によるアクチュエータは、内部に金属塩
を溶媒に溶けた状態、すなわちイオン状態で含有してい
る高分子フィルムが、柔軟で形状復元性に優れ、該高分
子フィルムを部分的に、しかも平均的に支持する電気絶
縁性支持材を介して、両者が交互に配置した積層体をな
すもので、その両端の積層面にはそれぞれ電極板が取り
付けられている。本発明に電界を作用させると、高分子
フィルム内のイオンが変位して、各フィルムの片面に正
極、反対側の面に負極ができ、それぞれ支持材を介して
隣り合うフィルムとの間に静電引力が働く。この引力は
容易に該支持材を変形せしめ、したがって、アクチュエ
ータ全体としての縮み運動が得られるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界の作用によって縮
み−戻りの直線運動を実現する、高分子材料を基材に用
いたアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】アクチュエータは、非機械的エネルギー
を機械的エネルギーに変換する役目を果たすものであ
り、従来、電気エネルギーを利用した電気モータ、油圧
エネルギーを利用した油圧モータ、油圧シリンダ、空気
圧エネルギーを利用した空気圧モータ、空気圧シリンダ
などによって回転運動または直線運動が実現されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記に示した
従来のアクチュエータのうち、電気エネルギーを利用し
た電気モータは精密な制御が可能であるが、速応性に欠
け、また、油圧エネルギーを利用した油圧モータ、油圧
シリンダは強力ではあるが、速応性、精密性に欠け、さ
らに、空気圧エネルギーを利用した空気圧モータ、空気
圧シリンダは速応性はあるが微細な調節が困難であると
いうようにそれぞれ一長一短を有するため、用途に応じ
て適宜使いわける必要がある。また、油圧および空気圧
アクチュエータについては稼働時における騒音の問題が
あり、また、油圧式については排油処理、火災の危険性
などの問題も抱えている。さらに、これら従来のアクチ
ュエータはすべて剛体機械であり、柔軟性に欠け、ま
た、内部構造が複雑で、一部の電気モータを除けば一般
に大型で重量が大きい。しかも、たとえば油圧アクチュ
エータにおける、油を圧縮するための油圧ポンプを駆動
する電動機など、アクチュエータ本体以外の周辺機器が
必要であり、その初期投資コストおよびランニングコス
トも大きい。

【０００４】そのため近年になって、従来の剛体機械と
してのアクチュエータとは一転して、筋肉のような、柔
軟性に優れた高分子材料によるアクチュエータに着目さ
れるようになり、高分子ゲルを母材とした、ｐＨ、電
圧、温度、溶媒などの変化によって収縮・膨潤、または
屈曲運動をするアクチュエータの開発がなされている。
しかし、応答が遅い、体積変化または運動量が小さい、
所定の溶媒中でないと作動しないなど解決すべき様々な
問題点が残っており、実用化には至っていない。

【０００５】本発明は、これら諸問題を解決するために
なされたもので、一対の電極で挟み電圧をかけると負の
電極側に正電荷、正の電極側に負電荷が現れる、つま
り、電界の作用によって分極が生じる機能性高分子材料
を用いて、電気制御による速応性に優れた、高精度の縮
み−戻り運動を実現し、しかも、構造が簡単で、軽量で
小型化が可能であり、使い易く安全で、騒音の心配もな
く、周辺機器も必要とせず、さらに、柔軟性を有するた
めこれを生かした有効な用途が期待できる、新規のアク
チュエータを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によるアクチュエ
ータは、電界の作用によって片面に正極、反対側の面に
負極ができる特性を有するフィルム状の高分子材料と、
該高分子材料を部分的に、しかも平均的に支持し得る、
柔軟で形状復元性に優れた電気絶縁性支持材が交互に配
置した積層体、および該積層体の両端面をなす該高分子
材料面にそれぞれ取り付けられた電極板を有してなるも
のである。

【０００７】前記のような特性を示す高分子材料は、基
本的に、以下に示す各方法によって作製することができ
る。（イ）金属塩を溶媒に溶かしてイオン状態にし、これを
ゴム、エラストマーまたは樹脂に含有させる。該溶媒は
母材となるゴム、エラストマーまたは樹脂と相溶性があ
り、また、高誘電率、高沸点のものを使用する。（ロ）イオン交換樹脂の粒子を、ゴム、エラストマーま
たは樹脂によるバインダーで固める。（ハ）固体電界質の粒子を、ゴム、エラストマーまたは
樹脂によるバインダーで固める。（ニ）高誘電率物質の粒子を、ゴム、エラストマーまた
は樹脂によるバインダーで固める。

【０００８】なお、本発明における該高分子材料および
絶縁性支持材の厚さは、一般に５〜５００μｍが適当と
されるが、使用目的によって適宜変更してもよい。ま
た、支持材および該支持材が高分子フィルムを部分的に
支持することで高分子フィルム間に形成される空隙につ
いても、平均的に間隔をもって設けられていることを条
件に、その大きさや形状は使用目的によって適宜変更し
てよい。

【０００９】

【作用】本発明によるアクチュエータを構成する、電界
の作用によって片面に正極、反対側の面に負極ができる
フィルム状の高分子材料は、電圧を与えられていない状
態においては、すなわち分極は生じておらず、アクチュ
エータ本体に運動は起こらない。

【００１０】しかし、本アクチュエータに電界が作用さ
れると、各高分子フィルムにおいて、正の電極板側の面
に負電荷、負の電極板側の面に正電荷が瞬時に現れ、す
なわち、分極が生じる。そして、各高分子フィルムの正
極面と、支持材を介して隣り合う高分子フィルムの負極
面との間に静電引力が発生する。なお、各高分子フィル
ム間における前記支持材は柔軟で、形状復元性に優れた
性質を有し、また、高分子フィルムを部分的に支持する
ものであり、よって該支持材を挟んだ高分子フィルム間
には部分的に空隙が存在している。そのため、電界の作
用を受け、高分子フィルム間に静電引力が働くと、該空
隙の存在により、柔軟な支持材は容易に変形し、高分子
フィルム間の距離は狭まる。これはすなわち、アクチュ
エータ全体として、高分子フィルムの積層方向の縮み運
動を実現するものである。

【００１１】なお、本アクチュエータに与えている電圧
を除去すると、高分子フィルムの分極が瞬時になくな
り、高分子フィルム間の静電引力が消え、それによって
優れた形状復元性を有する該支持材は高分子フィルム間
の距離を拡げて、アクチュエータは再び初期の形状に戻
る。

【００１２】このように、本アクチュエータは、電気制
御により速応性の優れた、精度の高い、縮み−戻りの直
線運動を実現できるものである。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明するが、
これにより限定されるものではない。

【００１４】第１図から第４図までは、本発明の第一実
施例を示す。

【００１５】この実施例において、母材となるゴム１Ｘ
が金属塩を正イオン１ａおよび負イオン１ｂの状態で含
有していることで、電界の作用を受けると該イオン１
ａ、１ｂによって片面に正極、反対側の面に負極ができ
る特性を有するフィルム状の高分子材料１が、柔軟でか
つ強度が高く、形状復元性に優れ、該高分子フィルム１
を部分的に、しかも平均的に支持する電気絶縁性支持材
２を介して、両者が交互に配置した積層構造をなしてい
る。両端の積層面には、電極板４、５が取り付けられて
いる。該支持材２は、微小な厚みの円柱状をなし、等間
隔で多数設けられ、高分子フィルム１を部分的に支持す
るものである。そのため、各高分子フィルム１間には支
持材２によって支持されない空隙３が存在する。各高分
子フィルム１における面１０と面１１は表・裏の関係に
あり、電極板４、５と接していない面１０はそれぞれ支
持材２を介して隣り合う高分子フィルム１の面１０と対
向し、同様に電極板４、５と接していない面１１はそれ
ぞれ支持材２を介して隣り合う高分子フィルム１の面１
１と対向している。

【００１６】前記のような特性を有する高分子フィルム
１は、注型ウレタンゴムの原料であるタケネートＬ−２
７０５（武田薬品工業（株）製）に、アルカリ金属塩で
あるチオシアン酸カリウムをγ−ブチロラクトンに溶か
して添加、均一に混合し、しかる後、ＭＯＣＡ（３、
３’−ジクロロ−４、４’−ジアミノジフェニルメタ
ン）を加えて架橋させることで得られる。なお、γ−ブ
チロラクトンは誘電率が高いため塩を溶解、すなわちイ
オン状態にしやすく、また、ウレタンゴムと相溶性があ
るため該ゴム内に含有されやすく、さらに、沸点が高く
揮発しにくいため、含有された状態が保持されやすい。

【００１７】前記支持材２は、ポリノルボーネンゴムの
原料であるノーソレックス（（株）日本ゼオン製）にプ
ロセスオイルを加え、架橋させることで得られる。

【００１８】次に、本実施例の作動を説明する。

【００１９】第２図のように、本アクチュエータに電圧
が与えられていない状態においては、高分子フィルム１
に含有される正イオン１ａのカリウムイオンと負イオン
１ｂのチオシアン酸イオンはランダムに分散した状態に
あり、したがって、片面に正極、反対側の面に負極がで
きる現象、すなわち分極は生じておらず、第１図に示す
アクチュエータ本体に運動は起こらない。

【００２０】しかし、本アクチュエータに電圧が与えら
れ、電極板５が正極板５ａ、電極板４が負極板４ｂとな
って前者から後者へ電界Ｅが生じると、第３図のよう
に、瞬時にしてそれぞれの高分子フィルム１内の正イオ
ン１ａが電界Ｅの方向に、負イオン１ｂはそれと逆の方
向に、γ−ブチロラクトンを通じて容易に変位し、その
結果、各高分子フィルム１において、負極板４ｂ側に正
極面１０ａまたは１１ａ、正極板５側に負極面１０ｂま
たは１１ｂができる。そして、各高分子フィルム１の正
極面１０ａと、支持材２を介して隣り合う負極面１０ｂ
の間、また、正極面１１ａと、支持材２を介して隣り合
う負極面１１ｂの間で静電引力が働き、支持材２に力が
加わる。柔軟な支持材２は空隙３の存在により容易に変
形して、高分子フィルム１間の距離は狭まり、第４図の
ように、本アクチュエータ全体として、積層方向に縮み
運動が実現される。

【００２１】また、本アクチュエータに与えている電圧
を除去すると、高分子フィルム１における分極がなくな
って、高分子フィルム１間の静電引力が消え、それによ
って優れた形状復元性を有する支持材２は高分子フィル
ム１間の距離を拡げ、アクチュエータは再び第１図に示
す初期の形状に戻る。

【００２２】ここで、本実施例の示す上記の挙動の具体
的データを挙げると、高分子フィルム１におけるウレタ
ンゴム、γ−ブチロラクトン、チオシアン酸カリウムの
重量比を５：５：３、フィルムの厚さを８０μｍとし、
また、支持材２を直径８０μｍ、厚さ４０μｍの円柱状
として１００μｍ間隔で設け、積層部分を５０ｍｍ角の
正方体とした試料に、５００Ｖの電圧を与えた場合、瞬
時にして積層方向に収縮率１５％の縮み運動をしてその
状態を維持し、電圧を除去すると、瞬時にして再び初期
の形状に戻るという結果が得られている。

【００２３】このような運動を引き起こす要因である、
高分子フィルム１のイオン１ａ、１ｂによる分極は、電
界Ｅの作用に対する応答性が非常に速く、また、可逆的
な現象であるため、本アクチュエータにおいて、速応性
に優れた縮み−戻り運動が実現されるものである。

【００２４】しかも、前記両イオン１ａ、１ｂは、与え
られる電圧の大きさに応じて正イオン１ａが電界Ｅの方
向に、負イオン１ｂがその逆方向に相対的に変位するも
ので、つまり、電圧の大きさに応じて、各高分子フィル
ム１間の静電引力の大きさがアナログ的に変化する。し
たがって、本アクチュエータにおいては、その与える電
圧の大きさによってアナログ的に運動量を制御し、運動
速度を可変することが可能となる。

【００２５】第５図および第６図は、本発明の第二実施
例を示す。

【００２６】この実施例においては、前記第一実施例に
おける高分子フィルム１に代わって、電界の作用を受け
ると、ゴム６Ｘによるバインダーで固められた陰イオン
交換樹脂６Ｒの粒子によって片面に正極、反対側の面に
負極ができる特性を有するフィルム状の高分子材料６が
設けられている。その他の構成は前記実施例と同様であ
る。なお、各高分子フィルム６における面６０と面６１
は表・裏の関係にあり、電極板４、５と接していない面
６０はそれぞれ支持材２を介して隣り合う高分子フィル
ム６の面６０と対向し、同様に電極板４、５と接してい
いない面６１はそれぞれ支持材２を介して隣り合う高分
子フィルム６の面６１と対向している。

【００２７】前記のような特性を有する高分子フィルム
６は、二液架橋型（二液を混合して熱を加えると架橋す
るタイプ）の液状シリコーンゴムの原料ＳＥ−６７４４
・Ａ液、Ｂ液（東レ・ダウコーニング・シリコーン
（株）製）の混合液中に、粒径が５００μｍの陰イオン
交換樹脂ダイヤイオンＳＡ１０Ａ（三菱化成工業（株）
製）を含水率１％に調節して添加、混合し、架橋させる
ことで、該ダイヤイオンＳＡ１０Ａの粒子が該ゴムによ
るバインダーで固められた状態（該ゴムによって、粒子
間の隙間が埋められた状態）で得られるものである。

【００２８】陰イオン交換樹脂６Ｒは、スチレン系の高
分子基体６ｃにイオン交換基を結合させたものであり、
このイオン交換基は、移動できない正の固定イオン６ａ
と、解離性のある負の対立イオン６ｂからなる。水分の
存在のもと、該イオン交換基は対立イオン６ｂを解離し
て電気二重層を構成している。

【００２９】次に、本実施例の作動を説明する。

【００３０】第５図のように、本アクチュエータに電圧
が与えられていない状態においては、高分子フィルム６
内の陰イオン交換樹脂６Ｒに分極は生じておらず、アク
チュエータ本体に運動は起こらない。

【００３１】しかし、本アクチュエータに電圧が与えら
れ、電極板５が正極板５ａ、電極板４が負極板４ｂとな
って前者から後者へ電界Ｅが生じると、第６図のよう
に、瞬時にして、各陰イオン交換樹脂６Ｒにおける負の
対立イオン６ｂが電界Ｅとは逆の方向に移動して、陰イ
オン交換樹脂６Ｒは電気双極子（正電荷の中心と負電荷
の中心が一致しない状態のもの）となる。その結果、各
高分子フィルム６において、正極板５ａ側に負極面６０
ｂまたは６１ｂができ、負極板４ｂ側に正極面６０ａま
たは６１ａができる。そして、第一実施例の場合と同様
に、各正極面６０ａと、支持材２を介して隣り合う負極
面６０ｂの間、また、各正極面６１ａと、支持材２を介
して隣り合う負極面６１ｂの間で静電引力が働き、該静
電引力が支持材２を空隙３側へ変形せしめることで、本
アクチュエータに積層方向の縮み運動が実現されるもの
である。

【００３２】なお、本アクチュエータに与えている電圧
を除去すると、対立イオン６ｂは第５図に示した元の状
態に移動し、したがって、高分子フィルム６間の静電引
力は消え、アクチュエータは初期の形状に戻る。

【００３３】ここで、本実施例の示す上記の挙動の具体
的データを挙げると、高分子フィルム６の厚さを、陰イ
オン交換樹脂６Ｒ（粒径５００μｍ）を一層に並べた状
態の５００μｍとし、また、支持材２を直径８０μｍ、
厚さ５０μｍの円柱状として１００μｍ間隔で設け、積
層部分を５０ｍｍ角の正方体とした試料に、１ｋＶの電
圧を与えた場合、瞬時にして積層方向に収縮率５％の縮
み運動をしてその状態を維持し、電圧を除去すると、瞬
時にして再び初期の形状に戻るという結果が得られてい
る。

【００３４】このような運動を引き起こす要因である、
高分子フィルム６のイオン交換樹脂６Ｒによる分極は、
電界Ｅの作用に対する応答性が非常に速く、また、可逆
的な現象であるため、本アクチュエータにおいて、速応
性に優れた縮み−戻り運動が実現されるもので、さら
に、第一実施例と同様、与える電圧の大きさによってア
ナログ的に運動量を制御し、運動速度を可変することが
可能である。

【００３５】本発明による第三実施例としては、前記二
つの実施例における高分子フィルムに代わって、電界の
作用を受けると、エラストマーによるバインダーで固め
られた固体電解質の粒子によって片面に正極、反対側の
面に負極ができる特性を有する高分子フィルムが使用さ
れている以外は、前記各実施例と同様の構成を有する。

【００３６】このような特性を有する高分子フィルム
は、固体電解質Ｒｂ_４Ｃｕ_１６Ｃｌ_１５Ｉ_７の粒子を、
熱可塑性エラストマーＳＥＢＳの原料であるタフテック
Ｈ−１０５２（旭化成工業（株）製）によるバインダー
で固めた状態として得られるものである。

【００３７】本発明による第四実施例としては、前記三
つの実施例における高分子フィルムに代わって、電界の
作用を受けると、バインダーとなるエラストマーで固め
られた高誘電率物質の粒子によって片面に正極、反対側
の面に負極ができる特性を有する高分子フィルムが使用
されている以外は、前記各実施例と同様の構成を有す
る。

【００３８】このような特性を有する高分子フィルム
は、高誘電率物質チタン酸ジルコニウム酸鉛の粒子を、
前記タフテックＨ−１０５２によるバインダーで固めた
状態として得られるものである。

【００３９】これら第三、第四実施例についても、電界
の作用を受けると固体電解質または高誘電率物質自体が
分極を引き起こすことにより、それぞれ高分子フィルム
における片面に正極、反対側の面に負極ができ、その結
果、支持材を介した高分子フィルム間に静電引力が働い
てフィルム同士が引き合い、該支持材を変形せしめるこ
とで、アクチュエータ全体としての縮み運動が得られる
ものである。

【００４０】以上、本発明の具体的な実施例を説明した
が、各実施例における高分子フィルムと支持材の成分お
よび製法は、各実施例において記載したものに限られ
ず、また、該支持材については、高分子フィルムを部分
的、しかも平均的に支持するものであれば、実施例記載
の形状、数に限られない。（例えば、高分子フィルムと
同様フィルム状で、但し同一大の穴が等間隔であけられ
ているもの、でもよい。）なお、該成分および製法、ま
た、各構成物の形状寸法によって、同一電圧に対する運
動出力は異なるものであり、使用目的に応じて選定する
ことができる。

【００４１】

【発明の効果】このように、本発明によるアクチュエー
タは、電気制御により縮み−戻りの直線運動を実現する
ものであり、（イ）速応性に優れ、精密な制御が可能である。（ロ）構造が簡単、軽量で小型化が可能であり、また、
使い易く安全で、信頼性が高く、騒音の心配もない。（ハ）周辺機器を必要としない。（ニ）高分子材料を基体としたアクチュエータであり、
従来品とは違って柔軟性を有するため、これを生かした
有効な用途が期待できる。等の優れた効果が得られるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第一実施例の正面図である。

【図２】該第一実施例における、電界を作用させていな
い状態の原理説明図である。

【図３】該第一実施例における、電界を作用させた状態
の原理説明図である。

【図５】本発明による第二実施例における、電界を作用
させていない状態の原理説明図である。

【図６】該第二実施例における、電界を作用させた状態
の原理説明図である。

【符号の説明】

１フィルム状高分子材料１Ｘゴム１ａ正イオン１ｂ負イオン１０、１１面１０ａ、１１ａ正極面１０ｂ、１１ｂ負極面２電気絶縁性支持材３空隙４電極板４ｂ負極板５電極板５ａ正極板６フィルム状高分子材料６Ｘゴム６Ｒ陰イオン交換樹脂６ａ正の固定イオン６ｂ負の対立イオン６ｃ高分子基体６０、６１面６０ａ、６１ａ正極面６０ｂ、６１ｂ負極面

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【手続補正書】

【提出日】平成３年６月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正書】

【提出日】平成６年８月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】追加

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第一実施例の正面図である。

【図４】該第一実施例における、電界を作用させた状態
の正面図である。

【符号の説明】１フィルム状高分子材料１Ｘゴム１ａ正イオン１ｂ負イオン１０面１１面１０ａ正極面１１ａ正極面１０ｂ負極面１１ｂ負極面２電気絶縁性支持材３空隙４電極板４ｂ負極板５電極板５ａ正極板６フィルム状高分子材料６Ｘゴム６Ｒ陰イオン交換樹脂６ａ正の固定イオン６ｂ負の対立イオン６ｃ高分子基体６０面６１面６０ａ正極面６１ａ正極面６０ｂ負極面６１ｂ負極面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電界の作用によって、片面に正極、反対側
の面に負極ができる特性を有するフィルム状の高分子材
料と、該高分子材料を部分的に、しかも平均的に支持し
得る、柔軟で形状復元性に優れた電気絶縁性支持材が交
互に配置した積層体、および該積層体の両端面をなす該
高分子材料面にそれぞれ取り付けられた電極板を有して
なるアクチュエータ。
【請求項２】前記フィルム状高分子材料は、ゴム、エラ
ストマーまたは樹脂が金属塩をイオン状態で含有してな
る請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】前記フィルム状高分子材料は、ゴム、エラ
ストマーまたは樹脂によるバインダーでイオン交換樹脂
の粒子を固めてなる請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項４】前記フィルム状高分子材料は、ゴム、エラ
ストマーまたは樹脂によるバインダーで固体電解質の粒
子を固めてなる請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項５】前記フィルム状高分子材料は、ゴム、エラ
ストマーまたは樹脂によるバインダーで高誘電率物質の
粒子を固めてなる請求項１記載のアクチュエータ。