JP5286415B2 - 高分子アクチュエータとこれを用いたバルブ - Google Patents

Description

本発明は、高分子材料を用いた高分子アクチュエータと、この高分子アクチュエータを用いて流路の開閉や流量制御する場合に好適なバルブに関する。

従来より、例えば、容器内の流路の制御として流体を常時封止する場合には、通常、Ｏリング等のシール部材を用いた軸封装置が利用されている。この軸封装置は、シール部材により封止機能を高めることが第１の目的とされているため、シール部材や流体の封止領域が所定の位置に定められている場合が一般的である。このため、仮に、この軸封装置により封止領域を非封止領域に切換え操作して流路の開閉や流量制御しようとする場合には、封止領域のシール部材やハウジングなどの装着部位にネジ送り機構などの別の動作機構を設ける必要がある。

一方、封止領域を開閉状態に切り換えるようにするバルブとして、高分子アクチュエータを用いたバルブが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このバルブでは、いわゆる、人工筋肉が弁体として用いられ、この弁体の変形によって流路が切り換わるようになっている。人工筋肉は、ゴム状の薄い高分子膜（エラストマー）が伸縮可能な電極で挟まれ、この電極間に電圧が加えられたときに高分子膜が面方向に伸頂される、ＥＰＡＭ（Electroactive Polymer Artificial Muscle）構造になっている。

他方、本出願人は、特許文献２の軸封装置を提案している。同文献２の軸封装置は、高分子材料を用いた軸封装置であり、軸封部に電気的刺激を介して膨縮又は変形する高分子材料製の軸封体が配設され、軸封部に軸封体の膨縮又は変形により漏れ流体が流れる流路が設けられている。この軸封装置において、軸封体は、平行な上下面を有する略円板状に形成され、その上下面の中央部が一対の固定電極によって挟まれている。この一対の固定電極は、軸方向において略同形状であり、電極部分が軸封体に当接した状態で配設されている。これにより、駆動体の電極から半径方向に延出した部分が屈曲部位になっている。

特許第３５０１２１６号公報 特許第４３９４７４９号公報

しかしながら、シール部材を用いた軸封装置は、封止領域と非封止領域とを切り換える際に動作機構の接触や摺動を伴うため、シール部材や摺動部分に摩耗が生じやすくなり、シール性を十分に確保することが難しい。このため、この軸封装置は、流路の開閉や流量制御には適していない。

また、特許文献１のバルブは、流体封止時に流体圧力をＥＰＡＭ全体で受けるため、ＥＰＡＭの耐圧強度が必要になると共に強い封止力も必要になる。更に、本体内に別のシール機構を必要としたり弁座を設ける必要もあって内部構造が複雑になる。しかも、このバルブは、高分子膜の印加領域全面に電極を配しているため、この高分子膜をバルブの弁体や弁体のアクチュエータ等の可動部として用いる場合、印加エネルギーに対する変形量が少なくなって効率が悪くなる。このようにバルブは、比較的小口径のバルブ用であり、大流量の流れ量を制御する場合には実用的ではない。

特許文献２の軸封装置は、軸封体の移動に伴う摩耗を防いで高いシール性能を維持しつつ、簡単な内部構造により所定流量の流体を流したり、外部電気信号の調整により軸封体の膨縮・変形量を調節して流体の漏れ量を高精度に制御でき、電磁弁の代替やその他の各種の用途に利用可能になっている。しかし、この軸封装置により空気中で軸封体を十分に変位させるためには数ｋＶ以上の大きな印加電圧が必要になるため、流路開閉用や流量制御用として実用化する上では変位量を確保しつつ、印加電圧の低電圧化が望まれている。この場合、軸封体の変位量を維持しつつ、例えば、１ｋＶ以下の印加電圧にすることが好ましい。

本発明は、上記の実情に鑑みて鋭意研究の結果、開発に至ったものであり、その目的とするところは、簡単な構造によって高いシール性を確保でき、少ない印加電圧で変位量を増大させつつ流路の開閉制御や流量制御を高精度におこなうことができ、印加電圧を変化させることによって小流量から大流量までの流量の制御を実施可能で応答性能を向上させた高分子アクチュエータと、この高分子アクチュエータを用いたバルブを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、電気的外部刺激を介して変形する駆動体と、この駆動体の上下面側に対向配置されて正負の電気的外部刺激を駆動体に印加する固定電極を有し、前記上下面側の固定電極のうち、少なくとも一方側の電極を前記駆動体が変形する側に突設させ、前記駆動体が変形したときにクーロン力により変位して当接可能な当接面を設け、非印加時に、少なくとも一方の前記当接面と前記駆動体との間に離間領域を施した高分子アクチュエータである。

請求項２に係る発明は、離間領域に当接面と駆動体とが外端方向に向けて次第に相対的に離間する円弧面や放射面やテーパ面などの傾斜面を設けた高分子アクチュエータである。

請求項３に係る発明は、離間領域に段差領域を設けた高分子アクチュエータである。

請求項４に係る発明は、駆動体は、少なくとも前記当接面の反対側の表面に、この駆動体と共に変形して駆動体に電気的外部刺激を印加する可撓性電極を配設した高分子アクチュエータである。

請求項５に係る発明は、請求項４における可撓性電極を介して積層駆動体を積層して駆動部材を構成し、この積層駆動体に更に固定電極を配置して前記駆動部材の応答性能を向上させた高分子アクチュエータである。

請求項６に係る発明は、当接面は、表面粗さを２５〜５００とした高分子アクチュエータである。

請求項７に係る発明は、複数の流路を有するボデー内に、高分子アクチュエータを弁体として配設し、この弁体で流路を開閉又は流量調整するようにした高分子アクチュエータを用いたバルブである。

請求項８に係る発明は、高分子アクチュエータの駆動体をダイヤフラム式又はピストン式の主弁を開閉するためのパイロット弁とした高分子アクチュエータである。

請求項９に係る発明は、パイロット弁に設けた弁座部の円周上に複数のオリフィスを穿設し、複数のオリフィスを二次側の連通路に連通させた高分子アクチュエータである。

請求項１０に係る発明は、複数個のオリフィスの総流路面積を主弁に設けた通孔の流路面積より大とし、かつ小径で複数個のオリフィスを配設して高分子アクチュエータの発生応力が流体圧力の負荷に作用してパイロット弁を駆動させた高分子アクチュエータである。

請求項１１に係る発明は、オリフィスの径をそれぞれφ０．２５〜φ０．５ｍｍとし、弁座部に複数個のオリフィスを設けた高分子アクチュエータを用いたバルブである。

請求項１２に係る発明は、オリフィスの径をそれぞれφ０．２５ｍｍ以下とし、弁座部に複数個のオリフィスを設けた高分子アクチュエータを用いたバルブである。

請求項１３に係る発明は、複数個のオリフィスは、弁座部の円周上に所定ピッチで配設した高分子アクチュエータを用いたバルブである。

請求項１４に係る発明は、所定ピッチは、１．８〜５．５ｍｍである高分子アクチュエータを用いたバルブである。

請求項１に係る発明によると、電極からの電気的外部刺激により駆動体を変形させるように構成したＥＰＡＭを用いることにより別の動作機構を設ける必要がなく、摺動や接触の発生を防いで高シール性を確保しながら流路を開閉制御したり流量制御することができる。上下面側の電極のうち、少なくとも一方側の電極を駆動体が屈曲変形する側に突設させて、駆動体が変形したときにクーロン力により変位して当接可能な当接面を設け、非印加時に当接面と駆動体との間に離間領域を施しているので、電圧印加時に駆動体が変形して電極との距離が短くなるごとに離間領域に大きいクーロン力が発生し、このクーロン力により駆動体と電極とが引き合って駆動体の変形が促進される。このため、少ない印加電圧により駆動体の変位量を増大させることができる。更に、印加電圧を調節することにより駆動体の変形量を調節することもでき、この印加電圧の変化によって高精度の開閉制御や小流量から大流量までの流量制御も可能になる。しかも、電圧を最大に印加したときには、駆動体が当接面に沿うように変形するため、この最大電圧印加時において駆動体が略一定の形状に変形して安定した流路の状態を保持することが可能となる。

請求項２に係る発明によると、離間領域に傾斜面を設けることにより固定電極に印加電圧を加えて駆動体が変形するときの駆動体の変形に伴うクーロン力を比例的に増大でき、この増大したクーロン力によって少ない印加電圧により変位量を増加させながら駆動体を滑らかに変位させて開閉制御や流量制御を高精度に行なうことが可能となる。

請求項３に係る発明によると、離間領域に段差領域を設けることにより高精度の加工を施すことなく当接面と駆動体とを離間させることができ、段差領域を介して当接面と駆動体との間のクーロン力を増大させて少ない印加電圧で駆動体の変位量を増加させることができる。

請求項４に係る発明によると、可撓性電極を設けることにより印加領域を大きくして駆動体をより大きく変位させることが可能となる。

請求項５に係る発明によると、積層した駆動体を設け、この積層駆動体に更に固定電極を配置しているので、変形の応答性能が向上し、例えば、閉時の応答速度を速くすることが可能となる。

請求項６に係る発明によると、当接面に表面粗さを２５以上とした面を施すことで電圧に対する駆動体の応答性が高まり、印加電圧と駆動体の変形量とを比例の関係に近づけることができる。これにより、印加電圧に対する駆動体の変形量を高精度に調整でき、微少な流量制御も可能となる。

請求項７に係る発明によると、全体を簡略化できることでコンパクト化を図ることができ、しかも、高分子アクチュエータによって高精度な開閉制御と流量制御とをおこなうことができる。

請求項８に係る発明によると、従来の電磁弁に比べて全体構造を簡略化してコンパクト性を向上させたバルブを設けることができ、部品点数の削減や組立易さを向上させつつ、少ない消費電力により駆動体を高精度に作動させて主弁を開閉制御することができ、従来の電磁弁の代替品として機能性に優れたパイロット式のバルブを提供することが可能になる。

請求項９に係る発明によると、弁座部に複数のオリフィスを穿設することでパイロット弁の流量を増大させることができ、このオリフィスを連通路に連通することで圧力損失が低減して二次側に流れる流量を更に増大できる。

請求項１０に係る発明によると、オリフィス径を小さくして複数箇所に配設することにより、高分子アクチュエータの発生応力を効率良く圧力の負荷に作用させてパイロット弁の駆動において高圧で大流量を確保可能となり、このパイロット弁によりソレノイドを用いたパイロット弁と同等或はそれ以上の圧力、流量制御が可能な主弁を提供することが可能になる。

請求項１１に係る発明によると、φ０．２５〜φ０．５ｍｍのオリフィス径の複数のオリフィスを設けた場合に、所定圧力に対して所定流量が得られるパイロット弁を設けることができる。しかも、オリフィスの総面積を一定とした場合、オリフィス径を小さくすることでより高圧で大流量のパイロット弁を設けることが可能になる。

請求項１２に係る発明によると、オリフィス径をφ０．２５ｍｍ以下とすることで、圧力に対してほぼ比例の関係により所定の流量が得られる高精度のパイロット弁を設けることができる。この場合、圧力が変動する範囲に応じて、一定の総面積を保持しながらオリフィス数を変更することで、圧力に対して所定流量の得られるパイロット弁を提供できる。

請求項１３に係る発明によると、円周上に所定ピッチでオリフィスを設けることで、電圧印加時の高分子アクチュエータ全体をオリフィスに対して均等に変形させることができるため、効果的に発生応力を生じさせてパイロット弁を動作させることが可能になる。
更に、請求項１４に係る発明によると、所定ピッチを好適な値に設定でき、より高い精度で高分子アクチュエータを動作させることが可能になる。

本発明の高分子アクチュエータの第１実施形態を示す模式断面図である。 図１の高分子アクチュエータの変形状態を示す模式図である。 本発明の高分子アクチュエータと比較するための比較例を示した模式図である。 本発明の高分子アクチュエータの第２実施形態を示す模式断面図である。 本発明の高分子アクチュエータの第３実施形態を示す模式断面図である。 本発明の高分子アクチュエータの第４実施形態を示す模式断面図である。 本発明の高分子アクチュエータの第５実施形態を示す模式断面図である。 本発明の高分子アクチュエータの第６実施形態を示す模式断面図である。 本発明の高分子アクチュエータの第７実施形態を示す模式断面図である。 本発明の高分子アクチュエータの第８実施形態を示す模式断面図である。 本発明の高分子アクチュエータを用いたバルブの実施形態を示す概略断面図である。 図１１のバルブの弁開状態を示した概略断面図である。 本発明の高分子アクチュエータを用いたバルブの他の実施形態を示す概略断面図である。 変位測定装置を示した概略図である。 被測定体の屈曲変形状態を示した模式図である。 供試品Ａの要部を示した概略断面図である。 比較品ａの要部を示した概略断面図である。 供試品Ａに対する印加電圧と駆動体の変位量を示したグラフである。 比較品ａに対する印加電圧と駆動体の変位量を示したグラフである。 供試品Ｂの要部を示した概略断面図である。 比較品ｂの要部を示した概略断面図である。 供試品Ｂに対する印加電圧と駆動体の変位量を示したグラフである。 比較品ｂに対する印加電圧と駆動体の変位量を示したグラフである。 供試品Ｃの要部を示した概略断面図である。 供試品Ｃに対する印加電圧と駆動体の変位量を示したグラフである。 供試品Ｄの要部を示した概略断面図である。 供試品Ｄに対する印加電圧と駆動体の変位量を示したグラフである。 供試品Ｅの要部を示した概略断面図である。 供試品Ｅにおける電圧の変化と変位量の変化とを示したグラフである。 供試品Ｆにおける電圧の変化と変位量の変化とを示したグラフである。 図２９の電圧に対する変位量の変化を示したグラフである。 図３０の電圧に対する変位量の変化を示したグラフである。 本発明の高分子アクチュエータを用いたバルブの更に他の実施形態を示す断面図である。 図３３の一部拡大断面図である。 図３３のオリフィスの模式図である。 オリフィス径の異なるパイロット弁の圧力と流量の関係を示したグラフである。 オリフィス数の異なるパイロット弁の圧力と流量の関係を示したグラフである。 異なる圧力時のパイロット弁のオリフィス数と流量の関係を示したグラフである。 図３４におけるオリフィス周辺を示した断面模式図である。 図３９における高分子アクチュエータに電圧印加した状態を示す断面模式図である。 高分子アクチュエータの変形時における平均距離を示した断面模式図である。 間隔の異なるオリフィスを示した断面模式図である。 本発明の高分子アクチュエータを用いたバルブの更に異なる他例を示した断面図である。 図４３の一部拡大断面図である。 図４３に示すパイロット弁を用いた流量測定装置の概念図である。 流量と電圧の関係を示したグラフである。 電圧のオンオフと流量の関係を示したグラフである。 本発明における高分子アクチュエータの他の実施形態を示す模式断面図である。 図４８における駆動部材を上方に屈曲させた状態を示す模式断面図である。

以下に、本発明における高分子アクチュエータとこれを用いたバルブの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１においては、本発明の高分子アクチュエータの第１実施形態を示している。高分子アクチュエータ本体（以下、アクチュエータ本体という）１は、駆動体２と、固定電極３、４とを有している。

駆動体２は、電気的外部刺激を介して変形可能な電気刺激性高分子材料から成っている。この電気刺激性高分子材料としては、誘電体エラストマーアクチュエータに使用できるものであればよく、例えば、ポリウレタンやシリコーン、ニトリルゴムなどがある。更に、ポリウレタンなどにイオン液体、電荷移動錯体などの添加剤が添加された高分子材料を駆動体として用いるようにしてもよい。

一方、固定電極３、４は、適宜の導体を材料として形成されればよく、例えば、ＳＵＳ３０４などの材料から成っている。固定電極３、４は、それぞれ駆動体２の上面２ａ、下面２ｂ側に対向配設され、図示しない外部の電源のプラス極とマイナス極にそれぞれ電気的に繋がっている。これにより、固定電極３、４は、正負の電気的外部刺激を駆動体２に平面的に印加できるようになっている。

上下面側の固定電極３、４のうち、少なくとも一方側の固定電極、本実施形態においては下面側の固定電極４は、駆動体２が屈曲変形する側に突設され、駆動体２が変形したときにクーロン力により変位して当接可能な当接面５が設けられ、非印加時には、この当接面５と駆動体２との間に離間領域Ｔが施されるようになっている。当接面５は、後述するように上下面側の固定電極や、或は、上面側の固定電極に設けられていてもよい。
当接面５には、この当接面５と当接面と対向する駆動体２とが外端方向に向けて次第に相対的に離間するように傾斜面６が設けられ、この傾斜面６は、図に示すように円弧面からなっている。

前述した駆動体２は、当接面５に対向する対向面７を有している。当接面５には表面粗さが２５以上の面を施すことが望ましく、この場合、固定電極３、４による電圧印加に対する駆動体２の応答性が高まる。一方、表面粗さが粗くなり過ぎると同じ変位量を得る場合に、より高い印可電圧を要するため、表面粗さは５００以下が好ましい。ここで、表面粗さとは、中心線平均粗さをいう。

図２の模式図において、アクチュエータ本体１の固定電極３、４に電圧を印加させる（電場を加える）と、駆動体２には、（１）誘電性ポリオール又は双極子モーメントを有するポリオールが電場により配向することにより、高分子鎖の構造が変化し、電界ベクトルが分布する応力が生じる。このとき、（２）固定電極３、４及びその周辺部の電場によるクーロン効果により駆動体２の厚み方向の幅が減少し、この駆動体２は、厚み方向と９０°方向の長手平面方向に拡張する。また、（３）電荷の注入と偏在化とにより、両極側において非対称な体積変化が誘起されるために応力が発生する。
駆動体２は、この（１）〜（３）までの応力により、下面側の固定電極４方向に屈曲変形する。

このとき、図２（ａ）に示すように、下面側の固定電極４と駆動体２との距離Ｌは、駆動体２が変形する側に当接形成された当接面５によって図３のアクチュエータ部材１０に示した距離Ｌ_１よりも短くなり、電圧を印加した際には、電極に集まったマイナス電荷と駆動体のプラス電荷とによって、駆動体２とこの駆動体２と離間している固定電極４との間に大きいクーロン力が発生する。このため、駆動体２には、下面側の固定電極４との固定部８に生じるクーロン力に、距離Ｌによる近接状態の当接面５との間に生じるクーロン力が加算され、図２（ｂ）、図２（ｃ）のように駆動体２が当接面５に当接するように屈曲変形する。一方、図３の比較例に示したアクチュエータ部材１０の場合、駆動体部１１には、電極部１２、１３への電圧印加によって電極部１３と固着部１４との間に生じるクーロン力のみが加わる。この結果により、駆動体２は、駆動体部１１に比較して変位量が増大する。

しかも、当接面５に、この当接面５と駆動体２とが外端方向に向けて次第に相対的に離間する傾斜面６を設けているので、固定電極３、４への電圧を上げたときに駆動体２と当接面５との距離Ｌが加速度的に短くなりながら駆動体２が変形する。その際、クーロンの法則によりクーロン力による荷電粒子間に働く力がこの距離の二乗に反比例し、軸封体２と当接面５との間のクーロン力が飛躍的に増加しながら軸封体２が屈曲変形する。しかも、駆動体２と固定電極４との間の距離が短くなるときには上記したように駆動体２のプラス電荷がマイナス電極側に集中し、より大きいクーロン力が発生して変位量が増大する。これらの結果、軸封体２の一部が当接面５に当接すると、その隣接部位のクーロン力が高まって駆動体２は当接面５に貼り付くように屈曲変形する。このように、電荷の働きの機能を向上させて駆動体２を当接面５に当接させるように変形させているので、駆動体２の変位量を大きくすることができ、しかも、当接面５に円弧面６を形成していることで、駆動体２の変形もスムーズになる。

上述したように、アクチュエータ本体１は、駆動体２と固定電極３、４とを有する簡単な構造であって、電気的外部刺激により駆動体２を屈曲変形させることにより、高いシール性を確保しながら動作できるアクチュエータである。このとき、少ない印加電圧によって駆動体２を大きく変位させることが可能であるため、流路開閉用や流量制御用として実用化に適したアクチュエータを構成できる。

図４においては、本発明の高分子アクチュエータの第２実施形態を示している。なお、この実施形態以降において、それ以前の実施形態と同一箇所は同一符号によって表し、その説明を省略する。この実施形態におけるアクチュエータ本体２０は、下面側の固定電極２１の傾斜面２２をテーパ面として形成したものである。この場合にも、前記の放射面を円弧面とした場合と同様に駆動体２を変形させることができ、少ない電圧印加によって駆動体２の変位量を大きくすることができる。

図５においては、本発明における高分子アクチュエータの第３実施形態を示している。この実施形態のアクチュエータ本体２５においては、駆動体２６の上下面側にテーパ面からなる傾斜面２７、２７が形成されている。この場合にも、固定電極に傾斜面を形成した場合と同様に、少ない印加電圧により駆動体２６の変位量を大きくできる。
このように、傾斜面は、離間領域Ｔにおける当接面又はこの当接面と対向する駆動体の何れか一方に形成されていればよく、或は、当接面と駆動体との双方に設けられていてもよく、この場合、当接面と駆動体とが外端方向に向けて次第に相対的に離間する形状であれば、傾斜面を円弧面や放射面やテーパ面などの各種の形状に設けることができる。また、この実施形態において、放射面２７は駆動体２６の上下面の双方の側に形成されているが、当接面２８を有する下面側の固定電極２９のみに形成されていてもよい。

図６においては、本発明の高分子アクチュエータの第４実施形態を示している。この実施形態におけるアクチュエータ本体３０においては、下面側の固定電極３１に当接面３２が形成され、離間領域Ｔに、無印加状態で駆動体２が離間する段差領域Ｇが設けられたものである。この場合にも、段差領域Ｇを介して駆動体２と固定電極３１との間のクーロン力が増大し、少ない印加電圧で駆動体２の変位量が増大する。段差領域Ｇは、離間領域Ｔにおける当接面と駆動体との一方或は双方に形成されていればよく、例えば、図に示した以外にも、駆動体２側に形成されていてもよい。この段差領域は、駆動体と当接面とが電圧の無印加状態で離間状態を維持できれば高精度に加工される必要もない。

図７においては、本発明の高分子アクチュエータの第５実施形態を示している。この実施形態におけるアクチュエータ本体４０は、駆動体２、固定電極３、４に加えて、可撓性電極４１、４２を有している。駆動体２、固定電極３、４は前述した材料と同じで形成されていればよく、下面側の固定電極４には円弧面からなる傾斜面６が形成されている。可撓性電極４１、４２は、適宜の導体材料により形成され、例えば、金を材料とし、スパッタにより駆動体２に金の薄膜が形成されている。そして、可撓性電極４１は、当接面５の反対側の表面（対向面７）に配設され、駆動体２に電気的外部刺激を印加しながらこの駆動体２と共に変形するようになっている。

このようにアクチュエータ本体４０は、駆動体に可撓性電極４１、４２を蒸着することで異なる印加領域を得るようになっており、この印加領域によって駆動体２内に生じる応力分布を正負の一方に偏在させて対向する印加領域が無い側、すなわち固定電極４側に駆動体２を屈曲変形させるような電場分布を有する構成になっている。これにより、可撓性電極を設けない場合と比較して飛躍的に印加電圧を向上させることができ、駆動体２の変位量を一層増大させることができる。

図８においては、本発明の高分子アクチュエータの第６実施形態を示している。この実施形態のアクチュエータ本体４５においては、駆動体２に可撓性電極４１、４２がスパッタ等により蒸着され、固定電極３、２１のうち、下面側の固定電極２１にテーパ面からなる傾斜面２２が形成されている。このように、可撓性電極４１、４２を設ける場合にも、適宜の形状の傾斜面２２を設けることが可能になっている。

更に、図９においては、本発明の高分子アクチュエータの第７実施形態を示している。このアクチュエータ本体５０では、駆動体２６の上下面側にテーパ面からなる傾斜面２７が形成され、当接面５の反対の表面に駆動体２６と共に変形する可撓性電極４１が設けられ、駆動体２６と固定電極４との間に可撓性電極４２が設けられている。

図１０は、本発明の高分子アクチュエータの第８実施形態を示している、この実施形態のアクチュエータ本体５５においては、離間領域Ｔに駆動体２が無印加状態で離間する段差領域Ｇを設けた上で、駆動体２の当接面５の反対側の表面である対向面７と、駆動体２と固定電極３１との間にそれぞれ可撓性電極４１、４２を設けたものである。この場合、可撓性電極を設けない場合と比較して駆動体２の変位量を増大させることができる。

続いて、本発明の高分子アクチュエータを用いたバルブについて説明する。図１１においては、本発明の高分子アクチュエータを用いたバルブの実施形態を示している。バルブ本体６０はボデー６１を有し、このボデー６１には入口側流路６２と出口側流路６３とからなる複数の流路が形成され、ボデー６１内にはアクチュエータ本体６５が弁体として配設されている。

アクチュエータ本体６５は、駆動体６６と、上下面側の固定電極６７、６８と、可撓性電極６９、７０とを有し、下面側の固定電極６８には、円弧面からなる傾斜面７１が形成されている。電極６７、６８には電源回路７２が接続され、この電源回路７２は電源７３とスイッチ７４とが設けられている。この構造により、アクチュエータ本体６５が動作して流路６２、６３が開閉状態となったり、又は流量調整される。

図１１においては、スイッチ７４がオフの状態を示しており、この場合、駆動体６６がボデー６１内に形成された座面６１ａに当接して流路が閉状態となる。一方、図１２においては、スイッチ７５がオンになった状態を示しており、この場合、駆動体６６に電圧が印加されてこの駆動体６６が屈曲変形して座面６１ａから離れて入口側流路６２と出口側流路６３とが連通して流路が開状態となる。バルブ本体６０は、このようにアクチュエータ本体６５を用いて流路を開閉制御する構造に設けられていることで、全体の簡略化とコンパクト化が図られている。この実施形態におけるバルブ本体６０は、スイッチ７４がオフの状態で弁閉状態となる、いわゆるノーマリークローズタイプのバルブとなっているが、スイッチ７４がオフ状態で弁開状態となる、いわゆるノーマリーオープンタイプのバルブとして構成することも可能である。

図１３においては、本発明の高分子アクチュエータを用いたバルブの他の実施形態を示したものであり、高分子アクチュエータをバルブ本体８０に内蔵したものである。この実施形態におけるバルブ本体８０は、ボデー８１と、ダイヤフラム弁体８２と、アクチュエータ本体８５とを有している。

ボデー８１の内部には、一次側流路９１、二次側流路９２が形成され、一次側流路９１と二次側流路９２との間には、これらを接続する接続流路９３が設けられている。接続流路９３は、連通路９８を介して一次側流路９１と連通しており、この接続流路９３と二次側流路９２との間に、流路開閉用弁体であるダイヤフラム弁体８２が設けられている。ダイヤフラム弁体８２は、ボデー８１内に形成された弁座９４に着座可能になっていると共に、ダイヤフラム弁体８２の内部には貫通孔８６が形成され、この貫通孔８６を介して接続流路９３と二次側流路９２とが連通可能に設けられている。更に、貫通孔８６の上端面側には弁座部８７が形成されている。

アクチュエータ本体８５は、駆動体９５と、固定電極９６、９７とを有し、ダイヤフラム弁体８２の上部側に配設されている。駆動体９５は、ダイヤフラム弁体８２の弁座部８７の上面側に装着され、図示しない電源のオンオフによる固定電極９６、９７への電圧印加によってこの弁座部８７を開閉可能になっている。このように、アクチュエータ本体８５は、バルブ本体８０の流路内に配設され、アクチュエータ本体８５をパイロット弁として作動させることによりバルブ本体８０が開閉制御される。

図１３においては、電源オフの状態を示しており、この場合、連通路９８を介して一次側流路９１と接続流路９３とが同じ圧力になっており、ダイヤフラム弁体８２は、一次側流路９１からの圧力により弁座９４に着座して接続流路９３と二次側流路９２とが閉じられた状態となる。
この状態から電源オンにして固定電極９６、９７に電圧を印加すると、駆動体９５の外周側が弁座部８７から離れるように固定電極９７側に当接するように屈曲変形し、これにより、貫通孔８６を介して接続流路９３と二次側流路９２とが連通して流路開の状態になり、一次側流路９１から二次側流路９２に流体を流すことが可能になる。

上記のように、アクチュエータ本体８５をパイロット弁としてバルブ本体８０内に内蔵した場合、全体の小型化を図りつつ、このアクチュエータ本体８５を少ない電圧印加で動作させてバルブ本体８０を高精度に開閉制御することが可能になる。そして、従来既知のパイロット弁であれば、操作用圧力流体を一次側流体から分流して使用する内部式パイロット弁であろうと、操作用圧力流体を外部から供給する外部パイロット弁であろうと、ソレノイドコイル、鉄心、コイル等からなる電磁弁である以上、主回路のバルブとは別の構造体として設置されていたが、この高分子アクチュエータを電磁弁のソレノイドと同等の機能を発揮させるようにすれば、部品点数の削減となって、同図のようにバルブ本体内にアクチュエータ本体を内蔵し主回路と一体的な構造とすることが可能となり組立て易さ等のメリットと相まって、低コストでよりコンパクトな代替品の提供が可能になる。この実施形態におけるバルブ本体８０以外にも、各種の態様のバルブ本体内にアクチュエータ本体を内蔵することも可能であり、この場合にも少ない電圧印加で高精度の開閉制御や流量制御を実施できる。

この種の構造のバルブに対して２．８ｋＰａの圧力の空気を供給したところ、ダイヤフラム弁体の閉状態では空気の漏れ量を１ｍＬ／ｍｉｎ以下に制御し、電圧を０．７５ｋＶ印加してダイヤフラムを開状態にしたときに約６００ｍＬ／ｍｉｎの流量を確保することができた。これに対して、従来構造の固定電極を使用したアクチュエータにおいて、２倍の電圧である１．５ｋＶを印加した場合であっても１ｍＬ／ｍｉｎ以下の流量のまま変化が確認されず、ダイヤフラム弁体は閉状態のままであった。以上のとおり、本発明の高分子アクチュエータを内蔵したバルブは、所定流量を制御し、小流量を制御するパイロット弁としての機能を十分に果たすことが確認された。

次に、本発明における高分子アクチュエータに所定の電圧を印加し、その変位量を実験により測定した。この変位量の測定には、図１４に示した変位測定装置を用いた。
変位測定装置１００は、左右の移動式テーブル１０１、１０２を有し、一方の移動式テーブル１０１にはアクチュエータ本体１を固定可能な固定部１０３が設けられ、他方の移動式テーブル１０２にはレーザ変位計（株式会社キーエンス製、型式ＬＪ−Ｇ０８０）１０４が取付けられている。レーザ変位計１０４は、アクチュエータ本体１にレーザＬを照射して駆動体２の屈曲変位量を測定可能になっている。

レーザ変位計１０４を用いてアクチュエータ本体１の屈曲変位量を測定する場合、屈曲型の駆動体２の変位量としては、図１５の模式図に示すように変位量ｘと変位量ｙとが考えられるが、変位量ｙは変位量ｘに比較してその変位する量が大きく、測定の誤差の影響を受けにくいため、この変位量ｙをアクチュエータ本体１の変位量として定義付けてこの変位量ｙを測定した。この場合、アクチュエータ本体の上面側をプラス側、下面側をマイナス側とし、プラス側に変位した場合はその変位量をプラスで表し、マイナス側に変位した場合にはその変位量をマイナスで表すこととする。

次に、図３３はパイロット弁を用いたバルブの更に他の実施形態を示した断面図、図３４は図３３の一部拡大断面図、図３５は図３３におけるオリフィスの模式図を示している。
ここで、高分子アクチュエータを用いてパイロット弁を構成しようとする場合、一般的なパイロット弁における駆動用のソレノイドに対して高分子アクチュエータの発生応力は小さいため、高分子アクチュエータを使ったパイロット弁ではソレノイドを使ったパイロット弁と同程度の圧力、流量を制御することが難しいという問題がある。さらには、耐久性や応答速度でも一般的なパイロット弁に比べて性能が劣りやすくなる。
図３３のパイロット弁では、これらの問題を解決するようにしたものである。

図３３においては、内部にパイロット弁を有するバルブ１３１を示している。バルブ１３１は、パイロット弁１３０と、一次側流路１３２ａと二次側流路１３２ｂとこれらの間に設けられた環状弁座１３３を有し、環状弁座１３３に着座可能にピストン式からなる主弁１３４が設けられている。
このように、このバルブ１３１では、高分子アクチュエータの駆動体２を、ピストン式の主弁１３４を開閉するためのパイロット弁１３０としたものである。この場合、主弁１３４がダイヤフラム式である場合にも、同様にしてバルブを構成できる。また、この実施形態では、パイロット弁１３０をピストン式の主弁１３４を開閉するために用いているが、このパイロット弁１３０を単体で使用することもできる。

例えば、単体としてバルブを使用する場合、使用流体は粘性の低い流体が良く、特に空気などの気体流体が好適である。さらに、これらの流体を制御する開閉弁、流量調整弁に適用することができる。また、所定ピッチでオリフィス数を増やすことでより多くの流量を確保することが可能で工場配管や機械設備などに適用でき、特にシリンダ駆動用の電磁切換弁として使用することで低消費電力での駆動が可能である。

パイロット弁１３０は、バルブ１３１のカバー１３５ａとキャップ１３５ｂとにより内部に設けられる収納室１３６に収納され、この収納室１３６は、後述の通孔１３４ａを介して一次側流路１３２ａと連通されている。バルブ１３１は、この態様のパイロット弁１３０を有していることによって、大流量が要求される用途にも利用可能である。パイロット弁１３０は、バルブ１３１の外部に配置されていてもよい。

バルブ１３１におけるパイロット弁１３０は、図示しない可撓性電極を有する駆動体２と、傾斜面６に沿うように配設される固定電極３と、固定電極３に対応する固定電極４とを有し、これらから成る高分子アクチュエータ本体により構成されている。駆動体２は、固定電極３、４の間に装着され、固定電極３は第１駆動体ホルダー１３７ａ、固定電極４は第２駆動体ホルダー１３７ｂに設けられている。各固定電極３、４は、図示しない電源に接続される。この電源から固定電極３、４を介して駆動体２に電圧が印加される。

この実施形態では、第１駆動体ホルダー１３７ａ、第２駆動体ホルダー１３７ｂに別体の固定電極３、４が設けられているが、固定電極は第１駆動体ホルダー１３７ａ、第２駆動体ホルダー１３７ｂに一体に設けられていてもよい。このように、各駆動ホルダーに対して、固定電極を一体又は別体に設けることができる。

このバルブ１３１では、内部に高分子アクチュエータにより作動するパイロット弁１３０を組み込むことで全体をコンパクト化でき、しかも、板状の駆動体を複数の小さいオリフィスに対して動作させて圧力制御しているため、パイロット弁１３０の高さ方向を低くでき、バルブ１３１の更なる小型化が可能になる。

図３３に示すように、第１駆動ホルダー１３７ａは略円柱状に形成され、底面側には前記の傾斜面６が設けられている。この傾斜面６には前記の固定電極３が設けられ、電圧印加時には駆動体２が傾斜面６に沿うように変形する。第１駆動ホルダー１３７ａは、Ｏリング１４０を介して螺着によって上下動可能にキャップ１３５ｂに取り付けられ、駆動体２に対して傾斜面６の高さを調整可能になっている。

第２電極ホルダー１３７ｂは略筒状に形成され、その上面側に駆動体２が着座する弁座部１３９と前記固定電極４が設けられている。
弁座部１３９の円周上には複数のオリフィス１４１が穿設されている。この複数のオリフィス１４１は、第２電極ホルダー１３７ｂの内側に形成された二次側の連通路１３８に連通して形成されている。第２駆動ホルダー１３７ｂは、Ｏリング１４２を介してカバー１３５ａに固定され、その固定後にはオリフィス１４１を介してパイロット弁１３０の一次側と二次側とが連通するようになっている。

図３５に示すように、オリフィス１４１は中心Ｐから等間隔で放射状に設けられ、例えば、φ０．５ｍｍの穴径の場合、２〜８個程度設けられる。図において、駆動体２の外径は、オリフィス１４１及び第１駆動体ホルダ１３７ａ（第２駆動体ホルダ１３７ｂ）の外径よりも大径に形成される。これにより、電圧を印加しない状態においては、駆動体２が弁座部１３９を閉塞してオリフィス１４１が確実に塞がれ、電圧印加時においては、駆動体２が傾斜面６に沿うように変形してオリフィス１４１による連通流路が確実に形成される。

主弁１３４は、略円板状の形状を呈し、カバー１３５ａに形成された挿通穴１４３に上下動自在に取り付けられる。カバー１３５ａ内部には空間状の案内部１４４が設けられており、主弁１３４はこの案内部１４４によりガイドされながら上下移動する。そのため、流体の作用で主弁１３４が異中心になりにくくなっている。主弁１３４には、中央部位にオリフィス１４１と連通する通気孔１３４ｂ、環状弁座１３３よりも外周側となる位置に通孔１３４ａが形成されている。

このバルブ１３１では、固定電極３、４からの電圧の印加又は電圧の印加停止によりパイロット弁１３０の駆動体２を動作させ、この駆動体２により弁座部１３９を開閉してオリフィス１４１を連通状態又は閉塞状態にしてパイロット弁機能を発揮するようになっている。パイロット弁１３０は、電圧を印加したときに駆動体２が開動作するノーマリークローズタイプとなっている。

図３３、図３４において、電圧の印加を停止してパイロット弁１３０を閉状態としたときにはオリフィス１４１が駆動体２により閉止され、一次側流路１３２ａが通孔１３４ａ、カバー１３５ａに形成された穴部１４５、収納室１３６と連通し、二次側流路１３２ｂは通気孔１３４ｂと連通した状態となる。このとき、主弁１３４の圧力を受ける面積について下方側（二次側）よりも上方側（一次側）のほうが大きいため、主弁１３４が環状弁座１３３に押し付けられる。この動作によって、一次側流路１３２ａと二次側流路１３２ｂとが閉止される。

ついで、固定電極に電圧印加することにより駆動体２が変形してパイロット弁１３０が開状態となった場合、収納室の圧力がオリフィス１４１、通気孔１３４ｂを介して二次側流路１３２ｂに抜けるため主弁１３４が下方側から圧力を受け、この一次側圧力によって主弁１３４が案内部１４４に沿って押し上げられる。そのため、主弁１３４が環状弁座１３３から離間し、一次側流路１３２ａから二次側流路１３２ｂに流体が供給される。

このとき、パイロット弁１３０をバルブとして機能させるための条件として、通孔１３４ａの流量をＱ１、弁座部１３９上のオリフィス１４１の総流量をＱ２とすると、流量Ｑ１よりも流量Ｑ２が大きくなければ主弁１３４の上部側と下部側とで差圧が発生しないためパイロット弁として機能させることができない。また、流量Ｑ１により閉の応答速度が大きく影響を受け、流量Ｑ２と流量Ｑ１との差により開の応答速度が影響を受ける。そのため、流量Ｑ２をより多くすることで、開閉の応答速度を広範囲で設定することが可能になる。

このバルブ１３１では、図に示すように第２電極ホルダー１３７ｂの内側に連通路１３８を一体形成していることで弁座部１３９上に開口されるオリフィス１４１を複数設けて流量を増大させることができる。また、この一体化により、圧力損失を低減させながら二次側流路１３２ｂに流れる流量を増大できる。オリフィス１４１の径を小さくしながらこのオリフィスを複数配設したときには、高い圧力時においてもスムーズに開閉動作できる。

バルブ１３１は上記のような構成であるから、パイロット弁１３０のオリフィス径を小さくすることで高分子アクチュエータの発生応力を効率良く圧力の負荷に作用させることが可能となる。このため、パイロット弁１３０の駆動時に高圧で大流量を確保可能となる。

上記のパイロット弁１３０について、図示しない圧力計と流量計とを１次側に接続し、オリフィスの個数や穴径、及び圧力を変えながら電圧を印加して駆動体を動作させたときの１次側圧力や流量を測定した。この場合、パイロット弁部分のみを圧力や流量の測定対象とし、バルブ１３１の主弁１３４の動作による圧力、流量の影響を受けないようにするため、パイロット弁１３０のみから成る機構を設け、このパイロット弁機構について圧力、流量を測定した。

このパイロット弁について、オリフィス１４１の総流路面積を一定にし、オリフィス径をφ１．０、０．５、０．２５ｍｍと変えて、同じ円周上（φ１４ｍｍ上）に配設したときの流量と圧力とを測定した。その測定結果を図３６に示す。このとき、高分子アクチュエータの条件として、駆動部に厚さ０．５ｍｍのエステル系ポリウレタンを用い、駆動電圧を１．５ｋＶとして傾斜電極に図３３の形状のものを用いた。流量の測定については、電圧印加から１０秒後とした。

オリフィス１４１の総流路面積としては、φ１．０ｍｍ×１個のオリフィスの流路面積を基準とし、φ０．５ｍｍ×４個、φ０．２５ｍｍ×１６個のオリフィスを配設した。各オリフィスについて、総流路面積は一定であるため圧力損失を考慮した上でも理論上の流量はほぼ一定となるはずであるが、実際の図３６の測定結果は大きく異なるものとなった。
同図より、オリフィスの総流路面積が一定である場合、オリフィス径をより小さくすることで、より高圧で大流量のパイロット弁の提供が可能になることがわかった。

次に、φ０．２５ｍｍのオリフィス１４１の数を８、１６、２４、４８個と変えて、同一円周上（φ１４ｍｍ上）にこのオリフィス１４１を配置したときの圧力と流量との関係を測定した。その測定結果を図３７に示す。同図において、オリフィス数が８個と１６個との場合を比較すると、何れの圧力においてもオリフィス１６個の流量がオリフィス８個の流量のおよそ２倍になっており、理想的な関係になっているといえる。しかし、オリフィス１６個とオリフィス４８個とを比較した場合、３倍の流量が流れれば理想的ではあるが実際にはその流量を下回る結果になった。また、オリフィス２４個のときに、０．２ＭＰａを境に傾きが小さくなっている。これは、０．２ＭＰａ以下では高分子アクチュエータの発生応力が圧力による負荷より大きく、０．３ＭＰａ以上の圧力では発生応力と圧力による負荷が拮抗しているためである。

図３７より、たとえ同径のオリフィスの数を増やしたとしても必ずしも流量増にはならないことがわかる。同図においては、０．４ＭＰａ以上の圧力では１６個以下のオリフィス１４１を必要な流量に合わせて配置すればよく、０．２ＭＰａ以下の圧力で２４個以下のオリフィス１４１を必要な流量に合わせて配置すればよいことが確認できた。さらに、異なる直径の円周上や直線、その他の形状でオリフィス１４１を配設する場合には、０．４ＭＰａ以上のときは２つのオリフィス１４１、１４１の中心が、例えば２．７ｍｍ以上離れていればよく、０．２ＭＰａ以下では、例えば１．８ｍｍ以上離れていればよいことが確認された。

更に、φ０．５ｍｍのオリフィスについて、異なる圧力（０．１、０．０８、０．０６ＭＰａ）のときに最も多くの流量が流れる同一円周上（φ１４ｍｍ上）の望ましいオリフィス数を調べた。異なる圧力時における流量の測定結果を図３８に示す。
この場合、０．０８ＭＰａでは８個のときが最も多くの流量となり、０．０６ＭＰａのときには１６個の場合に多くの流量となった。このことから、φ０．５ｍｍの比較的大きい穴径のオリフィスでは、圧力が高くなると流量が低くなる傾向にあり、穴数を増やしても流量を増やすことはできないことが確認された。

また、異なる直径の円周上や直線、その他の形状にオリフィス１４１を配設する場合には、０．０８ＭＰａ以上のときには２つのオリフィス１４１、１４１の中心が、例えば５．５ｍｍ以上離れていればよく、０．０６ＭＰａ以下では、例えば２．７ｍｍ以上離れていればよいことが確認された。

続いて、上記の測定結果を考慮しつつ、オリフィスを介して高分子アクチュエータ（駆動体）を駆動させて圧力、流量を制御する態様のパイロット弁をバルブ内に組み込む際に、このパイロット弁の望ましいオリフィスの穴径、間隔を検討する。この検討として、パイロット弁の内部に所定圧力の負荷が加わった場合に、駆動体によってオリフィスを開状態にできないときの限界のオリフィスの穴径及び間隔を述べる。

先ず、オリフィスの穴径が駆動体の動作に与える影響を説明する。
図３９においては、図３４におけるオリフィス１４１周辺を模式的に表したものであり、パイロット弁１３０の駆動体２に電圧が印加されておらず、この駆動体２でオリフィス１４１が塞がれた状態を示している。このようなオリフィス１４１を開動作できない状態において、高分子アクチュエータに発生する応力と、図３４の収納室１３６内における圧力の負荷との関係は、
高分子アクチュエータの発生応力＜圧力による負荷 （式１）
となる。

その際、収納室１３６内には所定圧力が満たされ、二次側流路１３２ｂの圧力がゼロになっている。二次側流路１３２ｂの圧力がゼロでない場合には、図３９の矢印に示した収納室１３６とオリフィス１４１とに挟まれた領域で駆動体２にかかる圧力Ｑ１は、収納室１３６と二次側流路１３２ｂとの差圧となる。

図４０においては、図３９の高分子アクチュエータに所定の電圧を印加したときに、（式１）の状態が維持されて、パイロット弁１３０が開状態まで動作しない場合を表している。
ここで、（式１）から、高分子アクチュエータに働く力Ｍ１とは、図４０において下向きの矢印で示した圧力の負荷Ｗに対して、電圧印加時に変形領域Ｒ１における面積Ｓ１で上向き矢印で示した発生応力σ１と、変形領域Ｒ１の面積Ｓ１との積になる。変形領域Ｒ１の面積Ｓ１とは、固定電極３、４の当接面３ａ、４ａに接していないオリフィス１４１周辺の駆動体２の面積であり、当接面３ａ、４ａに接している駆動体２の部分（変形領域Ｒ１の外側の部分）による発生応力は、圧力の負荷Ｗに作用しないことは明らかである。

駆動体２の圧力の負荷Ｗが加わる部分に関して、オリフィス１４１上に密着している部分には下向きのみの圧力の負荷がかかる。（式１）の状態のときには、オリフィス１４１上の駆動体２が固定部位になり、この固定部位以外の部分が自由端部に近い状態となり発生応力σ１により弾性力を発揮できる状態となる。この場合、電圧印加時には、駆動体２の自由端部に当接面３ａ方向への応力が発生し、図４０に示すように駆動体２は当接面３ａ側に張り付くこととなる。

この状態において、駆動体２の自由端部側に働く発生応力をσ１、この発生応力σ１の負荷が作用する変形領域Ｒ１の間隔Ｊ１における前記面積をＳ１、オリフィス１４１部分に加わる圧力をＱ１、この圧力Ｑ１が加わるオリフィス面積をＤとし、これらを（式１）に代入すると、パイロット弁１３０が開状態でないときの関係は、
発生応力σ１×面積Ｓ１＜圧力Ｑ×オリフィス面積Ｄ （式２）
で表わされる。

上記の発生応力σ１は、面積Ｓ１のうち、図４１に示すオリフィス１４１上の駆動体２が平らになる部分の間隔Ｊ１ｂにおける面積Ｓ１ｂと、この面積Ｓ１ｂ周辺の駆動体２が傾斜する部分の間隔Ｊ１ａにおける面積Ｓ１ａとに働くことになる。このように、オリフィスの発生応力σ１が働く部分を面積Ｓ１ａ、面積Ｓ１ｂに分けた場合、それぞれに対して平均距離Ｈ１、平均距離Ｈ２を介して発生応力σ１による力が働く。

このとき、図４１に示すように、平均距離Ｈ２は当接面３ａから駆動体２の平らな部分まで、平均距離Ｈ１は当接面３ａから駆動体２の傾斜部分の距離の平均値までとなり、この平均距離Ｈ１は、平均距離Ｈ２のおよそ１／２になる。すなわち、平均距離Ｈ２＞平均距離Ｈ１の関係となることから、駆動体２の平らな部分に働く発生応力をσ１ｂ、傾斜部分に働く発生応力をσ１ａとすると、クーロンの法則より荷電粒子間に働く力は距離の二乗に反比例するため、発生応力σ１ｂ＜発生応力σ１ａの関係になる。
発生応力σ１として、これらの発生応力σ１ａ、σ１ｂを（式２）に代入すると、以下の（式３）となる。
発生応力σ１ａ×面積Ｓ１ａ＋発生応力σ１ｂ×面積Ｓ１ｂ＜圧力Ｑ１×オリフィス面積Ｄ （式３）
この場合、傾斜部分に働く力（発生応力σ１ａ×面積Ｓ１ａ）は、発生応力σ１ａや駆動体２自体が有する弾性力などに影響を受ける。

（式３）において、圧力Ｑ１が加わるオリフィス面積Ｄは発生応力σ１ｂが加わる面積Ｓ１ｂと等しくなる。
すなわち、（式３）は、
発生応力σ１ａ×面積Ｓ１ａ＋発生応力σ１ｂ×面積Ｓ１ｂ＜圧力Ｑ１×面積Ｓ１ｂ （式４）となる。

（式４）において、面積Ｓ１ｂを小さくしてゼロに近づけた場合には、（式４）は、発生応力σ１ａ×面積Ｓ１ａ＜０ （式５）の関係に近づくことになる。
（式５）より、電圧印加時における高分子アクチュエータに働く力は、発生応力σ１ａと面積Ｓ１ａとの積によってその大小関係が大きく左右される。また、（式４）において、発生応力σ１ａと圧力Ｑ１とが一定である場合にパイロット弁が開状態でないときには、オリフィス面積Ｄ（面積Ｓ１ｂ）を小さくすることで（式３）（又は（式４））における発生応力σ１ｂ×面積Ｓ１ｂの値が相対的に大きくなって（式３）、（式４）の関係が満たされなくなる。このように、オリフィス１４１が開動作しない条件である（式３）、（式４）が満たされないことで、パイロット弁が開動作する。

例えば、オリフィス径をφ０．２５ｍｍ以下にした場合、オリフィス面積Ｄがφ０．２５の時より小さくなるので、図３７より０．４ＭＰａ以上の圧力であってもパイロット弁が開状態になりやすい。また、図３７の電圧印加時の発生応力より低い場合でも０．４ＭＰａの圧力が開閉できる。ようするに発生応力と印加電圧は密接な関係にあるので低電圧化できる。

上記のことから、パイロット弁１３０のオリフィス１４１を開状態にできない場合を（式３）、（式４）で表わしたときには、オリフィス面積Ｄ（面積Ｓ１ｂ）を小さくした場合にパイロット弁が開状態になりやすくなり、すなわち、オリフィス１４１が小径である場合にパイロット弁としての機能を向上できるといえる。

次いで、オリフィスの間隔が高分子アクチュエータの動作に与える影響を検討する。
図４２においては、間隔の異なるオリフィス１４１に対して駆動体２が動作した状態を示したものである。図中、間隔Ｋ１ａを介してオリフィス１４１、１４１が設けられている。一方、間隔Ｋ１ａよりも距離の短い間隔Ｋ１ｂでオリフィス１４１、１４１が設けられている。

電圧印加時に駆動体２が変形する際には、駆動体２は弁座部１３９側で間隔Ｋ１ａで接触したときにこの間隔Ｋ１ａの中間位置で固定電極３に接する形状になる。このように間隔Ｋ１ａは、隣り合うオリフィス１４１、１４１の間で、駆動体２の一部が固定電極３の当接面３ａに当接するために必要な最低限の距離になっている。この間隔Ｋ１ａがオリフィス１４１、１４１同士の最小間隔になる。
一方、間隔Ｋ１ｂを介して設けられたオリフィス１４１、１４１は、当接面３ａに接することができない状態になっている。

間隔Ｋ１ａにおける駆動体２から当接面３ａまでの平均距離をＨ３、間隔Ｋ１ｂにおける駆動体２から当接面３ａまでの平均距離をＨ４とすると、平均距離Ｈ３＜平均距離Ｈ４の関係になり、前述したクーロンの法則から間隔Ｋ１ａにおける発生応力のほうが間隔Ｋ１ｂにおける発生応力よりも大きくなる。このため、仮にオリフィス１４１を間隔Ｋ１ａで駆動体２に配設した場合のパイロット弁が開動作しないときには、同じ駆動体２でオリフィス１４１を間隔Ｋ１ｂに設けたとしてもパイロット弁が駆動することはない。
また、間隔Ｋ１ａよりも広い間隔でオリフィス１４１を配設した場合、駆動体２の傾斜部分に働く発生応力は変わることがないため、オリフィス１４１を複数設ける場合には間隔Ｋ１ａのピッチで配設することが望ましい。

例えば、オリフィス径がφ０．２５の場合、図３７からオリフィスのピッチＫ１ａを２．７ｍｍとすれば、ピッチを２．７ｍｍで配設さえすればパイロット弁を０．４ＭＰａの圧力で駆動することができる。ようするに、オリフィスを配設する円周を大きくしてピッチ２．７ｍｍでオリフィスを配設した場合、オリフィス数が多くなり総流路面積が大きくなるのでより多くの流量を確保できる。

上述したように、この実施形態におけるバルブ１３１では、複数個のオリフィス１４１の総流路面積を主弁１３４に設けた通孔１３４ａの流路面積より大とし、かつ小径で複数個のオリフィス１４１を配設して、高分子アクチュエータの発生応力が流体圧力の負荷に作用してパイロット弁１３０を駆動させるようになっている。

このように構成することで、パイロット弁１３０による機能を確実に発揮させながらバルブ１３１を駆動でき、高分子アクチュエータによる発生応力が向上することでソレノイドを利用した一般的なパイロット弁と同程度或はそれ以上の圧力、流量を制御することが可能になる。更に、耐久性、応答速度の点においても、一般的なパイロット弁に比べて性能の高いものを提供できる。

また、オリフィス１４１の径をより小さくすることで、オリフィス１４１への流量を最大にできる隙間となる高分子アクチュエータのストローク量もしくはリフト量を小さくできるため、応答速度がより向上する。例えば、オリフィス１４１の流量が最大になる隙間として、φ０．５ｍｍの径のオリフィスの場合には、このオリフィスの上部側の隙間が０．１２５ｍｍ必要になるのに対して、φ０．２５ｍｍの径のオリフィスの場合には、その上部側の隙間が０．０６２５ｍｍとなるので、高分子アクチュエータの変形速度が一定であるときに、オリフィスの流量が最大になるまでの時間を半分に抑えることができる。

固定電極３の当接面３ａと駆動体２との離間距離を短くできるので、クーロンの法則によって発生応力をより大きくでき高圧の流体を制御できる。高分子アクチュエータのストローク量が小さくなるので、駆動体２や通常柔軟性を有している電極の作動時の負荷が小さくなって作動耐久性が向上する。

また、前述したオリフィスの径を変えたときの流量、圧力の測定結果から、オリフィス１４１の径をそれぞれφ０．２５〜φ０．５ｍｍとし、弁座部１３９に複数個のオリフィス１４１を設けるとよい。
更に、オリフィス１４１の径をそれぞれφ０．２５ｍｍ以下とし、弁座部１３９に複数個のオリフィス１４１を設けることがより望ましい。

この場合、オリフィス１４１を弁座部１３９の同一円周上に所定ピッチで配設することで、高分子アクチュエータ全体をこのオリフィス１４１に対して均等に変形させて効果的な発生応力でパイロット弁を動作できる。その際、所定ピッチは、１．８〜５．５ｍｍであることが好ましい。更に、弁座部の同一円周上以外の所定ピッチにオリフィスを設けるようにしてもよく、異なる径の複数の円周上にオリフィスを配設してオリフィス同士のピッチをより細かく設定したり、或は、オリフィスを円周上以外の位置に並べるように配してもよい。

図３３〜図４２に示した高分子アクチュエータは、パイロット弁の一例を示したが、これに限定されることなく、図３３〜図４２を複数の流路を有するボデー内に、高分子アクチュエータを弁体として配設し、この弁体で流路を開閉又は流量調整するようにした高分子アクチュエータを用いたバルブに応用できることは勿論である。

図４３においては、内部にパイロット弁を有するバルブの他例を示したものである。このバルブ１１１は、一次側流路１１２ａ、二次側流路１１２ｂ、環状弁座１１３を有し、環状弁座１１３に着座可能に通孔１１４ａを有するダイヤフラム１１４が設けられ、パイロット弁１１０を動作させたときにダイヤフラム１１４を流路開閉用弁体として動作させて押圧閉止する構造である。図４４においては図４３の一部拡大図を示しており、図４５は、同上に示すパイロット弁を用いた流量測定装置の概念図である。

前述した図１３のバルブでは、２．８ｋＰａの空気を開閉制御できる例を示しているが、この実施形態のバルブでは、２０ｋＰａの空気の開閉制御を、図１３の実施形態と同等の電圧（０．７５ｋＶ）で制御することが可能になっている。

パイロット弁１１０は、カバー１１５ａとキャップ１１５ｂから成る収納室１１６に収納され、この収納室１１６は、連通孔１１２ｃ及び通孔１１４ａを介して一次側流路１１２ａと連通されている。バルブ１１１は、前記のバルブ１３１と同様に、パイロット弁１１０により大流量を流す場合に適している。パイロット弁１１０は、バルブ１１１の外部に配置された構造であってもよい。

パイロット弁１１０は、可撓性電極４１を有する駆動体２に傾斜面６を有する固定電極３とこれと対応する固定電極４より成る高分子アクチュエータ本体で構成されている。図中、１１７ａは第１駆動体ホルダー、１１７ｂは第２駆動体ホルダーであり、これらの間に駆動体２が装着され、固定電極３、４を介して電圧が印加される。１１７ｃは固定電極３、４に電圧を印加する電源である。１１８は二次側流路１１２ｂとダイヤフラム１１４の通気孔１１４ｂを介して連通する連通路である。

このバルブ１１１においては、固定電極３、４からの電圧の印加又は電圧の印加停止により連通路１１８の一端に設けた弁座部１１９に対して駆動体２を開閉駆動するように設けてパイロット弁機能を発揮させている。その際、パイロット弁１１０は、電圧印加時に駆動体２が開動作するノーマリークローズタイプとなっている。

図４４において、距離Ａは、異なる電極の固定電極３、４の間の放電を防ぐために必要であり、印加する電圧が高ければ高いほどその距離Ａを長くする必要がある。

図４３、図４４において、パイロット弁１１０が閉状態のときには、弁座１１３は収納室１１６の圧力によって閉止され、一次側流路１１２ａは連通孔１１２ｃ、通孔１１４ａ、収納室１１６と連通し、二次側流路１１２ｂは通気孔１１４ｂ、連通路１１８と連通した状態になっている。このとき、ダイヤフラム１１４の圧力を受ける面積に関して、一次側よりも二次側のほうが大きいため、ダイヤフラム１１４は弁座１１３に押し付けられる。これにより、一次側流路１１２ａと二次側流路１１２ｂとが閉止される。

ついで、固定電極３、４に電圧を印加することにより駆動体２が変形してパイロット弁１１０が開状態となった場合、収納室１１６内の圧力が連通路１１８、通気孔１１４ｂを介して二次側流路１１２ｂに抜けるので、ダイヤフラム１１４は下方側からのみ圧力を受け、この二次側圧力によりダイヤフラム１１４が押し上げられる。そして、弁座１１３からダイヤフラム１１４が離間して一次側流路１１２ａから二次側流路１１２ｂに流体が供給される。

この場合、図４５に示す測定装置で電圧印加時の流量を測定した結果を示す。図４５は、図４３に示すバルブ１１１の二次側に流量計１２０を設けて、パイロット弁１１０への電圧印加時の流量を測定する状態を示す測定装置の概念図である。このとき、２０ｋＰａの圧力をバルブ１１１に供給した場合、パイロット弁１１０に電圧を０．７５ｋＶ印加してパイロット弁１１０が開状態になったとき、約２５Ｌ／ｍｉｎの流量を確保することができた。このように、高分子アクチュエータをパイロット弁として作動させることで大流量を流すことが可能になっている。

このときのバルブ１１１の電圧と流量との関係を図４６のグラフに示している。この場合、電圧の印加を停止したとき、流量の閉時の応答速度が遅いことが確認できる。

バルブ１１１を繰り返し開閉させたときの電圧と流量との関係を図４７に示す。このとき、電圧を印加してから流量が流れる開状態への応答速度は、約０．５Ｓで、電圧の印加を停止して流量が流れなくなる閉状態への応答速度は約２．０Ｓである。この応答速度の違いは、電圧印加時は分子の配向、クーロン力、電荷への注入、偏在化などでパイロット弁１１０の駆動体２が屈曲するのに対して、電圧印加を停止したときは、駆動体２の弾性により旧位に戻ることが大きな要因と考えられる。その他、電圧印加時に発生した応力の残留や駆動体２の粘着性により電極に駆動体２が貼り付いているため応答速度が遅いと考えられる。なお、ここで応答速度とは、電圧をオンオフしてから最終値（２５Ｌ／ｍｉｎ）の６３．２％（時定数）の値に達するまでの時間をいう。

図４８と図４９は、高分子アクチュエータの他の実施形態を示したものであり、これによると、図４６と図４７に示した流量の閉時の応答速度が遅い状態を解消することが可能となる。この解消するための手段を以下に説明する。

同図において、駆動体２に可撓性電極４１を介して積層駆動体９ａを積層して駆動部材９を構成し、この積層駆動体９ａに更に固定電極３ａを配置して駆動部材９の閉時の応答性能を向上させるようにしている。

この場合、電源７３に電源回路７２ａ、７２ｂ、７２ｃを介して固定電極４、固定電極３並びに固定電極３ａに接続し、電源回路の途中にスイッチ７４，７４ａを配置している。

図４８は、下方への屈曲状態を示し、図４９は上方への屈曲を示している。下方に屈曲する場合は、図４８に示すように、スイッチ７４を入れ、スイッチ７４ａを切り、固定電極４にプラスと固定電極３を介して可撓性電極４１にマイナスの電圧を印加し、一方、上方へ屈曲させる場合は、図４９に示すようにスイッチ４ａを入れ、スイッチ７４を切り、固定電極３ａにプラスと固定電極３を介して可撓性電極にマイナスの電圧を印加すると、開閉両方の応答速度が約０．５Ｓになり、したがって、閉時の応答速度が遅い状態を解決することができる。

同図に示すように、積層駆動体９ａを積層して駆動部材９を構成することによって、旧位に戻るときも、積層駆動体９ａを高分子アクチュエータとしての機能を発揮させることもできるので、分子の配向、クーロン力、電荷の注入、偏在化によって旧位に強制的に変位するため、駆動部材９は上下の両方向への高い応答性能を得ることができる。
なお、図４８、４９に示した高分子アクチュエータを図１１、図１２並びに図１３に示したバルブに適用でき得ることは勿論である。

図１に示した円弧面６を有する固定電極４を備えたアクチュエータ本体１を図１６の寸法に形成し、このアクチュエータ本体１を供試品Ａとして駆動体２の変位量を上記の変位測定装置１００により測定した。一方、このアクチュエータ本体１との比較用として、図３に示したアクチュエータ部材１０を図１７に示した寸法に形成し、これを比較品ａとして駆動体部１１の変位量を同様に測定した。図１６の供試品Ａにおける駆動体２は、テトラブチルアンモニウムクロリドを０．５ｗｔ％添加したエステル系ポリウレタンからなり、直径２０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍに形成されている。一方、マイナス側の固定電極４には傾斜面６が形成され、プラス側の固定電極３は全体が駆動体２に固着されている。

供試品Ａに２ｋＶの電圧を所定時間印加したときの電圧の印加状態を図１８（ａ）、電圧印加時の駆動体２の変位量の測定結果を図１８（ｂ）、比較品ａに２ｋＶの電圧を所定時間印加したときの電圧の印加状態を図１９（ａ）、電圧印加時の駆動体部１１の変位量の測定結果を図１９（ｂ）に示す。

この測定結果より、図１８（ｂ）に示した供試品Ａの場合には約０．３５ｍｍの変位量、図１９（ｂ）に示した比較品１の場合には約０．１ｍｍの変位量となった。よって、供試品Ａは、比較品ａよりも変位量が大きくなることが実験により確認された。

図７に示した円弧面６を有する駆動体２に可撓性電極４１、４２を形成したアクチュエータ本体４０を図２０の寸法に形成したものを供試品Ｂとした。供試品Ｂにおける駆動体２は、テトラブチルアンモニウムクロリドを０．５ｗｔ％添加したエステル系ポリウレタンからなり、直径２０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍに形成されている。この駆動体２には、マイナス側において金の薄膜が直径１６ｍｍ以下にスパッタで形成され、プラス側においては金の薄膜が全面にスパッタで形成されている。一方、マイナス側の固定電極４には傾斜面として前記円弧面６が形成され、プラス側の固定電極３は全体が駆動体２に固着されている。

図２１においては、図３のアクチュエータ部材に対して可撓性電極部１４、１５を形成したアクチュエータ部材１６である比較品ｂを示している。比較品ｂにおける駆動体部１１は、固定電極部１３が当接面を有しない従来構造であり、駆動体部１１のマイナス側に金の薄膜が直径１６ｍｍ以下にスパッタで形成されて可撓性電極部１５が構成され、プラス側には金の薄膜が全面にスパッタで形成されて可撓性電極部１４が構成されている。

供試品Ｂに１ｋＶの電圧を所定時間印加したときの電圧の印加状態を図２２（ａ）、電圧印加時の駆動体２の変位量の測定結果を図２２（ｂ）、比較品ｂに１ｋＶの電圧を所定時間印加したときの電圧の印加状態を図２３（ａ）、電圧印加時の駆動体部１１の変位量の測定結果を図２３（ｂ）に示す。

この測定結果より、１ｋＶの印加電圧を加えたときに、図２０の供試品Ｂの場合には図２２（ｂ）に示すように約０．６５ｍｍの変位量、図２１の比較品ｂの場合には図２３（ｂ）に示すように約０．０５ｍｍの変位量が確認された。よって、供試品Ｂは、比較品ｂよりも変位量が大きくなり、しかも、前述した実施例１の実験の場合と比較して、供試品の変位量と比較品の変位量との割合の差が大きくなることが確認された。このことから、固定電極が当接面を有し、駆動体に可撓性電極を設けた供試品Ｂは、より大きな変位量が得られることが確認された。

また、図８におけるアクチュエータ本体４５を図２４の寸法に設けたものを供試品Ｃとした。この供試品Ｃに０．３ｋＶの電圧を所定時間印加したときの電圧の印加状態を図２５（ａ）、電圧印加時の駆動体２の変位量の測定結果を図２５（ｂ）に示す。
この測定結果より、供試品Ｃは、図２１の比較品ｂの測定結果である図２３と比べて少ない印加電圧で、より大きい変位量が得られることが確認された。
なお、当接面の外端部と駆動体との距離は、アクチュエータとして必要な変位量から設定することができ、前記の図１６のような円弧形状の場合はＲ５以下の円弧形状が望ましく、図２４のようなテーパ形状の場合は当接面の傾斜面が４５度以下が望ましい。また、アクチュエータとして必要な変位量から当接面の外端部と駆動体との距離を決定するため、設計や加工性の点から円弧形状よりテーパ形状の方が良い。

図１０に示したアクチュエータ本体５５を図２６の寸法に設けたものを供試品Ｄとした。この供試品Ｄに１ｋＶの電圧を所定時間印加したときの電圧の印加状態を図２７（ａ）、電圧印加時の駆動体２の変位量の測定結果を図２７（ｂ）に示す。
この測定結果より、供試品Ｄを図２１の比較品ｂの測定結果である図２３と比べた場合、同じ印加電圧で、より大きい変位量が得られることが確認された。

続いて、図７のアクチュエータ本体４０を図２８の寸法に形成したものを供試品Ｅとし、この供試品Ｅに対して０．１ｋＶ刻みでステップ状に印加電圧を上げて駆動体２の変形部分を屈曲変形させて固定電極４の円弧面６と接するまで変位させ、その後、０．１ｋＶ刻みでステップ状に印加電圧を下げるようにした。このときの電圧の変化と駆動体の変位量の変化とを図２９に示す。

図２９の測定結果より、同じ印加電圧であっても、印加電圧を上げたときと下げたときでは変位量が異なる場合があり、変位量の変化の軌跡は、電圧の上昇と下降とで異なっている。すなわち、印加電圧を０．７ｋＶまで上げたときには変位量が大きくなるが、印加電圧を０．７ｋＶまで下げたときには旧位まで形状が戻らず、０．４ｋＶまで下げたときに大きく旧位まで変形する。このことから、このアクチュエータ本体４０は、電圧上昇時と下降時とにおいて、印加電圧とその変位量とがほぼ比例関係にあった従来のアクチュエータに比べて、印加電圧の上昇により大きく変位させた変位量を、この電圧上昇時よりも低い印加電圧により維持することが可能であると言える。

次いで、図２８のアクチュエータ本体４０の駆動体２における当接面５の表面粗さを２５としたものを供試品Ｆとし、この供試品Ｆに供試品Ｅの場合と同様に０．１ｋＶ刻みでステップ状に印加電圧を上昇・下降させた。このときの電圧の変化と駆動体２の変位量とを図３０に示す。また、このときの印加電圧と変位量とを横軸と縦軸としたグラフを図３２に示し、このグラフと同様に供試品Ｅの印加電圧に対する変位量の変化を図３１のグラフに示す。なお、前述した供試品Ｅにおける表面粗さは、１．６である。また、表面粗さとは、中心線平均粗さをいう。

図３０と図２９とを比較すると、図３０の供試品Ｆは、印加電圧に対して変位量がより比例するように変化していると言える。すなわち、図３１のグラフよりも図３２のグラフのほうがより直線的であり、表面粗さを２５にすることで印加電圧と変位量との関係が比例の関係に近づいていることが確認された。このように、供試品Ｆは、印加電圧の変化に対して変位量が比例的に変化するため、特にリニア制御に適しており、微少流量の制御にも適していると言える。また、この供試品Ｆや供試品Ｅは、特定の印加電圧に対して特定の変位量が得られるため、この応答を利用したオンオフ制御に適しており、図２９や図３０の所定の印加電圧に対して異なる変位量が得られることを利用して、各種の制御機器などへの利用が可能になる。

１ アクチュエータ本体
２ 駆動体
３、４ 固定電極
３ａ、４ａ 当接部
５ 当接面
６ 傾斜面
９ 駆動部材
９ａ 積層駆動体
４１、４２ 可撓性電極
６０、８０ バルブ本体
６１ ボデー
６２、６３ 流路
１３０ パイロット弁
１３２ａ 一次側流路
１３２ｂ 二次側流路
１３４ ピストン（流路開閉用弁体）
１３４ａ 通孔
１３９ 弁座部
１４１ オリフィス
Ｇ 段差領域
Ｔ 離間領域

Claims (14)

1. 電気的外部刺激を介して変形する駆動体と、この駆動体の上下面側に対向配置されて正負の電気的外部刺激を駆動体に印加する固定電極を有し、前記上下面側の固定電極のうち、少なくとも一方側の電極を前記駆動体が変形する側に突設させ、前記駆動体が変形したときにクーロン力により変位して当接可能な当接面を設け、非印加時に、少なくとも一方の前記当接面と前記駆動体との間に離間領域を施したことを特徴とする高分子アクチュエータ。
2. 前記離間領域に前記当接面と駆動体とが外端方向に向けて次第に相対的に離間する円弧面や放射面やテーパ面などの傾斜面を設けた請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
3. 前記離間領域に段差領域を設けた請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
4. 前記駆動体は、少なくとも前記当接面の反対側の表面に、この駆動体と共に変形して駆動体に電気的外部刺激を印加する可撓性電極を配設した請求項２又は３に記載の高分子アクチュエータ。
5. 請求項４における可撓性電極を介して積層駆動体を積層して駆動部材を構成し、この積層駆動体に更に固定電極を配置して前記駆動部材の応答性能を向上させた高分子アクチュエータ。
6. 前記当接面は、表面粗さを２５〜５００とした請求項１乃至５の何れか１項に記載の高分子アクチュエータ。
7. 複数の流路を有するボデー内に、前記高分子アクチュエータを弁体として配設し、この弁体で前記流路を開閉又は流量調整するようにした請求項１乃至６の何れか１項に記載の高分子アクチュエータを用いたバルブ。
8. 前記高分子アクチュエータの駆動体をダイヤフラム式又はピストン式の主弁を開閉するためのパイロット弁とした請求項１乃至７の何れか１項に記載の高分子アクチュエータ。
9. 前記パイロット弁に設けた弁座部の円周上に複数のオリフィスを穿設し、当該複数のオリフィスを二次側の連通路に連通させた請求項８に記載の高分子アクチュエータ。
10. 複数個のオリフィスの総流路面積を前記主弁に設けた通孔の流路面積より大とし、かつ小径で複数個のオリフィスを配設して前記高分子アクチュエータの発生応力が流体圧力の負荷に作用して前記パイロット弁を駆動させた請求項８又は９に記載の高分子アクチュエータ。
11. 前記オリフィスの径をそれぞれφ０．２５〜φ０．５ｍｍとし、前記弁座部に複数個のオリフィスを設けた請求項８乃至１０の何れか１項に記載の高分子アクチュエータを用いたバルブ。
12. 前記オリフィスの径をそれぞれφ０．２５ｍｍ以下とし、前記弁座部に複数個のオリフィスを設けた請求項８乃至１０の何れか１項に記載の高分子アクチュエータを用いたバルブ。
13. 前記複数個のオリフィスは、前記弁座部の円周上に所定ピッチで配設した請求項９乃至１２の何れか１項に記載の高分子アクチュエータを用いたバルブ。
14. 前記所定ピッチは、１．８〜５．５ｍｍである請求項１３に記載の高分子アクチュエータを用いたバルブ。

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