JP6468646B2 - Multilayer actuator - Google Patents
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Description
本発明は、電極層間の電圧に応じて変形するアクチュエータに関し、特に、電界によるイオンの移動に伴い変形を生じる高分子積層体を複数枚重ねて構成される積層型アクチュエータに関する。 The present invention relates to an actuator that deforms in response to a voltage between electrode layers, and more particularly to a stacked actuator that is formed by stacking a plurality of polymer laminates that are deformed as ions move due to an electric field.
各種電子機器において、小型で且つ軽量で柔軟性に富むアクチュエータの必要性が高まっており、この要求に対して、高分子伸縮式の高分子アクチュエータが期待されている。特に、アクチュエータの駆動力を高めるために、電極層間の電圧に応じて変形する高分子積層体を複数用いて積層した積層型アクチュエータが注目されている。 In various electronic devices, there is an increasing need for a small, lightweight, and flexible actuator. In response to this demand, a polymer telescopic polymer actuator is expected. In particular, in order to increase the driving force of the actuator, attention has been paid to a laminated actuator in which a plurality of polymer laminates deformed according to the voltage between electrode layers are laminated.
この積層型アクチュエータの従来例として、特許文献1では、複数の積層体(高分子積層体)901を板厚方向に複数組み重ねた積層型アクチュエータ910が提案されている。図7は、従来例の積層型アクチュエータ910を説明する分解斜視図及び斜視図である。 As a conventional example of this laminated actuator, Patent Document 1 proposes a laminated actuator 910 in which a plurality of laminated bodies (polymer laminated bodies) 901 are assembled in the thickness direction. FIG. 7 is an exploded perspective view and a perspective view illustrating a conventional multilayer actuator 910.
従来例の積層型アクチュエータ910は、図7(a)に示すように、第1の電極903と第2の電極904との間に電解質層902を挟んだ三層構造を基本とする第1の積層体901Aと、同じ構成の第2の積層体901Bと、その間に設けられた絶縁層906と、を用いており、図7(b)示すように、それぞれ板厚方向に重ねられている。そして、積層型アクチュエータ910は、図7(c)示すように、第1の積層体901A及び第2の積層体901Bのそれぞれ設けられた第1の突出部903a同士を電気的に接続するとともに、第2の突出部904a同士を電気的に接続して、第1の積層体901Aと第2の積層体901Bとを電気的に並列接続している。このように、複数の積層体901を並列接続すると、通電された別々の積層体901が、厚み方向に繋がった状態となり、アクチュエータの駆動電圧をそのままに、応答速度や変位量の低下を抑え、発生力の向上を図ることができる。 As shown in FIG. 7A, the multilayer actuator 910 of the conventional example has a first structure based on a three-layer structure in which an electrolyte layer 902 is sandwiched between a first electrode 903 and a second electrode 904. A stacked body 901A, a second stacked body 901B having the same configuration, and an insulating layer 906 provided therebetween are used, and are stacked in the thickness direction as shown in FIG. 7B. Then, as shown in FIG. 7C, the stacked actuator 910 electrically connects the first protrusions 903a provided in the first stacked body 901A and the second stacked body 901B, respectively. The second protrusions 904a are electrically connected to each other, and the first stacked body 901A and the second stacked body 901B are electrically connected in parallel. Thus, when a plurality of laminated bodies 901 are connected in parallel, the energized separate laminated bodies 901 are connected in the thickness direction, and the decrease in response speed and displacement is suppressed while the actuator drive voltage remains unchanged. The generation force can be improved.
しかしながら、従来例のような並列接続の場合、図7に示すように、第1の電極903に第1の突出部903aを設け、第2の電極904に第2の突出部904a設けるように、並列配線するための構造を工夫する必要があった。また、アクチュエータの駆動に寄与しない通電部(第1の突出部903a及び第2の突出部904a)が大きくなり、配線抵抗の増加による駆動部分の電圧降下が生じる虞があった。 However, in the case of parallel connection as in the conventional example, as shown in FIG. 7, the first electrode 903 is provided with a first protrusion 903 a, and the second electrode 904 is provided with a second protrusion 904 a, It was necessary to devise a structure for parallel wiring. In addition, the energization portions (first protrusion 903a and second protrusion 904a) that do not contribute to the drive of the actuator become large, and there is a possibility that a voltage drop in the drive portion due to an increase in wiring resistance may occur.
一方、電気的に並列接続ではなく、高分子積層体を電気的に直列接続することで、配線するための構造を簡素にすることができる。しかしながら、複数の高分子積層体同士における静電容量値の差、残留電荷の差等により、直列接続された複数の高分子積層体のそれぞれに均等な電圧がかからず、例えば、複数の高分子積層体のうちの一部の積層体に電圧が過剰にかかるなどの課題が新たに発生した。このため、直列接続タイプの積層型アクチュエータの場合において、その性能を安定させる必要があった。 On the other hand, the structure for wiring can be simplified by electrically connecting the polymer laminates in series rather than electrically in parallel. However, due to differences in capacitance values between the polymer laminates, differences in residual charges, etc., a uniform voltage is not applied to each of the polymer laminates connected in series. New problems such as excessive voltage applied to some of the molecular stacks. For this reason, in the case of the serial connection type stacked actuator, it is necessary to stabilize its performance.
本発明は、上述した課題を解決するもので、高分子積層体が直列接続され安定した性能を有する積層型アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a multilayer actuator in which polymer laminates are connected in series and have stable performance.
この課題を解決するために、本発明の積層型アクチュエータは、イオンを含有した電解質層と該電解質層の厚さ方向の両面に設けられた一対の電極層との三層構造を基本とする一組の高分子積層体を有し、該高分子積層体が板厚方向に複数組重ねられて、それぞれの前記高分子積層体同士が電気的に直列接続された積層型アクチュエータにおいて、前記高分子積層体間の対向する前記電極層が、導電性を有する中間電極接続体を介して接続され、該中間電極接続体が、前記イオンを透過させなく、前記板厚方向の両側における前記電極層に電圧が印加された際に、それぞれの前記高分子積層体の前記一対の電極層間にかかる電圧を調整する分圧手段を備えたことを特徴としている。 In order to solve this problem, the multilayer actuator of the present invention is based on a three-layer structure of an electrolyte layer containing ions and a pair of electrode layers provided on both sides in the thickness direction of the electrolyte layer. has a set of polymer laminates, polymer laminate is stacked plurality of sets in the thickness direction, the multilayer actuator, each of the polymer stacked bodies are electrically connected in series, the polymer The electrode layers facing each other between the stacked bodies are connected via an intermediate electrode connection body having conductivity, and the intermediate electrode connection body does not transmit the ions and is formed on the electrode layers on both sides in the plate thickness direction. A voltage dividing means is provided for adjusting a voltage applied between the pair of electrode layers of each polymer laminate when a voltage is applied.
これによれば、本発明の積層型アクチュエータは、高分子積層体間の特性ばらつきなどによる、高分子積層体にかかる電圧の不均一化を防止することができる。このことにより、高分子積層体を容易に電気的に直列接続でき、安定した性能を得ることができる。 According to this, the multilayer actuator of the present invention can prevent voltage non-uniformity applied to the polymer laminate due to variations in characteristics between the polymer laminates. As a result, the polymer laminates can be easily electrically connected in series, and stable performance can be obtained.
また、本発明の積層型アクチュエータは、前記電解質層がポリマーとイオン液体を混合したゲルを含んでおり、前記電極層が前記ポリマーと前記イオン液体と導電性粒子とを混合したゲルを含んでおり、前記中間電極接続体が前記分圧手段に接続されていることを特徴としている。 In the multilayer actuator of the present invention, the electrolyte layer includes a gel in which a polymer and an ionic liquid are mixed, and the electrode layer includes a gel in which the polymer, the ionic liquid, and conductive particles are mixed. The intermediate electrode connection body is connected to the voltage dividing means.
これによれば、中間電極接続体が、高分子積層体間を分離しつつ、集電体としても機能することとなる。このため、1つの高分子積層体の積層厚みを厚くすることがなく、高分子積層体の特性、特に応答性を向上させることができる。 According to this, the intermediate electrode connector functions as a current collector while separating the polymer laminates. For this reason, the characteristic of a polymer laminated body, especially responsiveness can be improved, without increasing the lamination thickness of one polymer laminated body.
また、本発明の積層型アクチュエータは、前記中間電極接続体が、絶縁性のフィルムの両面に導電層が形成されて、両面の前記導電層間が接続されてなることを特徴としている。 In the multilayer actuator of the present invention, the intermediate electrode connector is characterized in that a conductive layer is formed on both surfaces of an insulating film and the conductive layers on both surfaces are connected.
これによれば、絶縁性のフィルムなので、イオンを確実に透過させないとともに、柔軟性が有り変形耐性に優れている構造体を得ることができる。しかもフィルムの両面に導電層を形成するので、高分子積層体の接触する部分に適した導電層の組成を調整することができ(密着性向上や接触抵抗を下げる等)、高分子積層体に適合した構造体を得ることができる。 According to this, since it is an insulating film, it is possible to obtain a structure that does not transmit ions reliably and is flexible and excellent in deformation resistance. In addition, since the conductive layers are formed on both sides of the film, the composition of the conductive layer suitable for the contact portion of the polymer laminate can be adjusted (for example, improved adhesion and reduced contact resistance). An adapted structure can be obtained.
また、本発明の積層型アクチュエータは、前記電極層と前記中間電極接続体とが、前記電極層より柔軟な導電性のゲルを介して接続されていることを特徴としている。 In the multilayer actuator according to the present invention, the electrode layer and the intermediate electrode connector are connected via a conductive gel that is softer than the electrode layer.
これによれば、電極層と中間電極接続体との電気的な接続を確実に行うことができる。しかも高分子積層体が変形を繰り返す際に電極層が伸び縮みし、その伸び縮みによる高分子積層体と中間電極接続体とのずれを吸収することができる。このため、積層型アクチュエータの駆動力や変形の変位の減衰を小さくすることができる。 According to this, electrical connection between the electrode layer and the intermediate electrode connector can be reliably performed. Moreover, when the polymer laminate repeats deformation, the electrode layer expands and contracts, and the deviation between the polymer laminate and the intermediate electrode connector due to the expansion and contraction can be absorbed. For this reason, the attenuation of the driving force and deformation displacement of the multilayer actuator can be reduced.
また、本発明の積層型アクチュエータは、板厚方向の両側における電極のそれぞれと接続された一対の端子部を有し、前記分圧手段と前記中間電極接続体の一部とが前記一対の端子部間で一体化されていることを特徴としている。 The laminated actuator of the present invention has a pair of terminal portions connected to the electrodes on both sides in the plate thickness direction, and the voltage dividing means and a part of the intermediate electrode connector are the pair of terminals. It is characterized by being integrated between the parts.
これによれば、外部との接続が容易で、取り扱いし易い。 According to this, the connection with the outside is easy and the handling is easy.
本発明の積層型アクチュエータは、高分子積層体間の特性ばらつきなどによる、高分子積層体にかかる電圧の不均一化を防止することができる。このことにより、高分子積層体を容易に電気的に直列接続でき、安定した性能を得ることができる。 The multilayer actuator of the present invention can prevent the voltage applied to the polymer laminate from becoming non-uniform due to variations in characteristics between the polymer laminates. As a result, the polymer laminates can be easily electrically connected in series, and stable performance can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係わる積層型アクチュエータ101の構成を説明する斜視構成図である。図2は、本発明の第1実施形態に係わる積層型アクチュエータ101の構成を説明する構成図であって、図2(a)は、図1に示すZ1側から見た上面図であり、図2(b)は、図1に示すX1側から見た側面図である。図3は、本発明の第1実施形態に係わる積層型アクチュエータ101の構成を説明する構成図であって、図2(a)に示すIII−III線における断面図である。図4は、本発明の第1実施形態に係わる積層型アクチュエータ101の構成を説明する構成図であって、図2(a)に示すIV−IV線における断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a perspective configuration diagram illustrating the configuration of the multilayer actuator 101 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a configuration diagram illustrating the configuration of the multilayer actuator 101 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2A is a top view seen from the Z1 side shown in FIG. 2 (b) is a side view seen from the X1 side shown in FIG. FIG. 3 is a configuration diagram illustrating the configuration of the multilayer actuator 101 according to the first embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line III-III shown in FIG. FIG. 4 is a configuration diagram illustrating the configuration of the multilayer actuator 101 according to the first embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along line IV-IV shown in FIG.
本発明の第1実施形態の積層型アクチュエータ101は、図1及び図2に示すような矩形の外観を呈し、2つの高分子積層体R3(R3A、R3B)が中間電極接続体M5を挟んで板厚方向DT(図2(b)に示すZ方向)に重ねられて電気的に直列接続れて構成されている。また、積層型アクチュエータ101には、図3に示すように、高分子積層体R3間にかかる電圧を調整する2つの分圧手段D7(D7A、D7B)を2つ備えている。更に、本発明の第1実施形態では、高分子積層体R3と中間電極接続体M5との間に柔軟な導電性のゲルからなるゲル層G4(G4A、G4B)と、2つの高分子積層体R3を挟んだ一対の端子部T9(T9A、T9B)と、を備えている。 The laminated actuator 101 according to the first embodiment of the present invention has a rectangular appearance as shown in FIGS. 1 and 2, and two polymer laminates R3 (R3A, R3B) sandwich an intermediate electrode connector M5. They are stacked in the plate thickness direction DT (Z direction shown in FIG. 2B) and electrically connected in series. Further, as shown in FIG. 3, the laminated actuator 101 includes two voltage dividing means D7 (D7A, D7B) for adjusting the voltage applied between the polymer laminates R3. Furthermore, in the first embodiment of the present invention, a gel layer G4 (G4A, G4B) made of a flexible conductive gel and two polymer laminates between the polymer laminate R3 and the intermediate electrode connector M5. A pair of terminal portions T9 (T9A, T9B) sandwiching R3.
先ず、積層型アクチュエータ101の高分子積層体R3は、電圧に応じて変形するアクチュエータであり、図3及び図4に示すように、電解質層11と電解質層11の厚さ方向の両面に設けられた一対の電極層12(12E、12F)との三層構造を基本として構成されている。また、本発明の第1実施形態では、一対の電極層12(12E、12F)の厚さ方向(図3に示すZ方向)の外側に形成された集電層13(13K、13L)を備えている。そして、一対の端子部T9を介して外部から電力を供給すると、電極層12Eと電極層12Fとの間の電圧に応じて、この高分子積層体R3が変形するようになっている。 First, the polymer laminate R3 of the multilayer actuator 101 is an actuator that deforms according to voltage, and is provided on both surfaces of the electrolyte layer 11 and the electrolyte layer 11 in the thickness direction, as shown in FIGS. It is configured on the basis of a three-layer structure with a pair of electrode layers 12 (12E, 12F). Moreover, in 1st Embodiment of this invention, the current collection layer 13 (13K, 13L) formed in the outer side of the thickness direction (Z direction shown in FIG. 3) of a pair of electrode layer 12 (12E, 12F) is provided. ing. When electric power is supplied from the outside via the pair of terminal portions T9, the polymer laminate R3 is deformed according to the voltage between the electrode layer 12E and the electrode layer 12F.
ここで、本発明の第1実施形態の積層型アクチュエータ101に用いた高分子積層体R3について、図5を用いて説明する。図5は、高分子積層体R3の動作原理について説明した模式図であって、図5(a)は、本発明の第1実施形態の電解質層11と電極層12におけるイオンを模式化した図であり、図5(b)は、本発明の第1実施形態の電極層12に電圧が印加された状態を示している。 Here, the polymer laminate R3 used in the multilayer actuator 101 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the operating principle of the polymer laminate R3, and FIG. 5A is a diagram schematically illustrating ions in the electrolyte layer 11 and the electrode layer 12 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5B shows a state in which a voltage is applied to the electrode layer 12 of the first embodiment of the present invention.
先ず、図5(a)に示すように、高分子積層体R3は、対向配置された一対の電極層12(12E、12F)と、一対の電極層12(12E、12F)との間に設けられた電解質層11と、を有し、それぞれの層の中には、陽イオンCAと陰イオンANが分散されている。 First, as shown to Fig.5 (a), polymer laminated body R3 is provided between a pair of electrode layer 12 (12E, 12F) and the pair of electrode layer 12 (12E, 12F) which were opposingly arranged. The electrolyte layer 11 is formed, and a cation CA and an anion AN are dispersed in each layer.
そして、電極層12Eと電極層12Fとの間に電圧が印加されると、図5(b)に示すように、電極層12Eと電極層12Fとの間に挟まれている電解質層11内に電界が発生して、電極層12Eに陽イオンCAが移動するとともに、電極層12Fに陰イオンANが移動する。このため、一方側を支持して支点PP(支持部分)とすると、アクチュエータへの電界の方向に応じて、アクチュエータの他方側が大きく変位する(図5(b)ではZ1方向に向けて変位している)。 Then, when a voltage is applied between the electrode layer 12E and the electrode layer 12F, as shown in FIG. 5B, the electrolyte layer 11 sandwiched between the electrode layer 12E and the electrode layer 12F. An electric field is generated, and the positive ions CA move to the electrode layer 12E, and the negative ions AN move to the electrode layer 12F. Therefore, if one side is supported and used as a fulcrum PP (supporting portion), the other side of the actuator is greatly displaced according to the direction of the electric field to the actuator (in FIG. 5B, it is displaced toward the Z1 direction). )
そして、このアクチュエータの他方側を作用点LP(作用部分)とすると、各種アクチュエータとして利用することができる。つまり、Y方向の変形とZ方向の変形がおこり、作用点LPでZ方向及びY方向(図4(b)に示す駆動方向KD)への駆動が可能になる。なお、アクチュエータへの電界の方向を変えることで、アクチュエータの作用方向を変えることができるし、アクチュエータへの電圧の強さを変えることで、電圧に応じて変形する変形量を変えることもできる。 If the other side of the actuator is an action point LP (action part), it can be used as various actuators. That is, deformation in the Y direction and deformation in the Z direction occur, and driving in the Z direction and the Y direction (the driving direction KD shown in FIG. 4B) becomes possible at the action point LP. Note that by changing the direction of the electric field applied to the actuator, the direction of action of the actuator can be changed, and by changing the strength of the voltage applied to the actuator, the amount of deformation deformed according to the voltage can also be changed.
次に、上述した高分子積層体R3の各構成要素のそれぞれについて詳しく説明する。先ず、高分子積層体R3の電解質層11は、ベースとなるポリマー(樹脂材料)にイオン液体を混合したゲルを含んだフィルム体であり、図3及び図4に示すように、一対の電極層12(12E、12F)に挟まれている。また、電解質層11の作製は、イオン液体及び樹脂材料(ポリマー)を溶媒に溶かしてキャスト液を作製し、型枠にキャスト液をキャスティングした後、真空乾燥して溶媒を蒸発させることにより行われる。なお、電解質層11のポリマー(樹脂材料)の材質として、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDGF)やポリメチルメタクリレート(PMMA)等を用いることができる。 Next, each component of the polymer laminate R3 will be described in detail. First, the electrolyte layer 11 of the polymer laminate R3 is a film body including a gel in which an ionic liquid is mixed with a base polymer (resin material). As shown in FIGS. 3 and 4, a pair of electrode layers is used. 12 (12E, 12F). The electrolyte layer 11 is produced by dissolving a ionic liquid and a resin material (polymer) in a solvent to produce a cast liquid, casting the cast liquid on a mold, and then vacuum drying to evaporate the solvent. . In addition, as a material of the polymer (resin material) of the electrolyte layer 11, for example, polyvinylidene fluoride (PVDGF), polymethyl methacrylate (PMMA), or the like can be used.
次に、高分子積層体R3の電極層12は、電解質層11と同じベースとなるポリマー(樹脂材料)及びイオン液体と、導電性粒子を有して構成され、ポリマー(樹脂材料)及びイオン液体中に導電性粒子を混合してゲルを含んだものである。そして、一対の電極層12(12E、12F)は、前述したように、電解質層11の厚さ方向の両面に設けられ、電解質層11を挟持している(図3を参照)。以上のように構成された電解質層11及び電極層12(12E、12F)を用いると、低い電圧で大きな変位が得られるようになる。なお、電極層12の導電性粒子としては、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、金粒子、白金粒子、ニッケル粒子等を用いることができる。 Next, the electrode layer 12 of the polymer laminate R3 includes a polymer (resin material) and an ionic liquid, which are the same base as the electrolyte layer 11, and conductive particles, and the polymer (resin material) and the ionic liquid. It contains gel by mixing conductive particles inside. And as above-mentioned, a pair of electrode layer 12 (12E, 12F) is provided in both surfaces of the thickness direction of the electrolyte layer 11, and clamps the electrolyte layer 11 (refer FIG. 3). When the electrolyte layer 11 and the electrode layer 12 (12E, 12F) configured as described above are used, a large displacement can be obtained at a low voltage. In addition, as the conductive particles of the electrode layer 12, carbon nanotubes, carbon fibers, gold particles, platinum particles, nickel particles, and the like can be used.
次に、高分子積層体R3の集電層13は、バインダ樹脂中に金等の金属粒子が分散された皮膜からなり、図3及び図4に示すように、一対の電極層12(12E、12F)の厚さ方向(図3に示すZ方向)の外側に形成されている。これにより、一対の電極層12(12E、12F)と一対の集電層13(13K、13L)とで導電率の高い一対の電極を構成することができ、電極の導電率を高くすることができる。そして、この電極に電流が流れやすくなり、一対の電極層12(12E、12F)間の電位の変化が早くなる。このため、高分子積層体R3の変位応答性を良くすることができる。 Next, the current collecting layer 13 of the polymer laminate R3 is made of a film in which metal particles such as gold are dispersed in a binder resin. As shown in FIGS. 3 and 4, a pair of electrode layers 12 (12E, 12E, 12F) in the thickness direction (Z direction shown in FIG. 3). Accordingly, a pair of electrodes having high conductivity can be formed by the pair of electrode layers 12 (12E, 12F) and the pair of current collecting layers 13 (13K, 13L), and the conductivity of the electrodes can be increased. it can. And it becomes easy to flow an electric current into this electrode, and the change of the electric potential between a pair of electrode layers 12 (12E, 12F) becomes quick. For this reason, the displacement responsiveness of the polymer laminate R3 can be improved.
また、集電層13は、バインダ樹脂中に金属粒子が分散されたコンポジット体からなる皮膜なので、充分な柔軟性を有している。このため、この集電層13を電極層12に積層して用いても、高分子積層体R3の変形の動きを阻害することなく、変形の繰り返しに対しても強い耐性を有している。なお、本発明の第1実施形態では、集電層13が一対の電極層12(12E、12F)の両側に好適に形成されているが、これに限らず、一対の電極層12(12E、12F)の少なくとも一方に形成されていれば良い。 Further, the current collecting layer 13 is a film made of a composite body in which metal particles are dispersed in a binder resin, and thus has sufficient flexibility. For this reason, even if this current collection layer 13 is used by being laminated on the electrode layer 12, it has strong resistance against repeated deformation without inhibiting the deformation of the polymer laminate R3. In the first embodiment of the present invention, the current collecting layer 13 is suitably formed on both sides of the pair of electrode layers 12 (12E, 12F). However, the present invention is not limited to this, and the pair of electrode layers 12 (12E, 12F) may be formed at least on one side.
次に、積層型アクチュエータ101の中間電極接続体M5について説明する。中間電極接続体M5は、図3及び図4に示すように、PEN(Polyethylene Naphthalate)等の絶縁性のフィルム15の両面側に、金、白金、銅等の導電性を有する導電層55(55E、55F)が形成されて、後述するが、導電層55(55E、55F)間が電気的に接続されて構成されている。なお、導電層55として、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)とポリスチレンスルホン酸(PSS)の混合体である導電性高分子膜や金属粉がバインダ樹脂に分散されたコンポジット膜を用いても良い。 Next, the intermediate electrode connector M5 of the multilayer actuator 101 will be described. As shown in FIGS. 3 and 4, the intermediate electrode connector M <b> 5 has a conductive layer 55 (55 </ b> E) having conductivity such as gold, platinum, and copper on both sides of an insulating film 15 such as PEN (Polyethylene Naphthalate). 55F), which will be described later, the conductive layers 55 (55E, 55F) are electrically connected. The conductive layer 55 may be a conductive polymer film that is a mixture of polyethylene dioxythiophene (PEDOT) and polystyrene sulfonic acid (PSS) or a composite film in which metal powder is dispersed in a binder resin.
そして、中間電極接続体M5が高分子積層体R3Aと高分子積層体R3Bとの間に配設されて、高分子積層体R3Aの電極層12Fと中間電極接続体M5の導電層55Fとが集電層13Lを介して電気的に接続されるとともに、高分子積層体R3Bの電極層12Eと中間電極接続体M5の導電層55Eとが集電層13Kを介して電気的に接続される。これにより、対向する高分子積層体R3Aの電極層12Fと高分子積層体R3Bの電極層12Eとの間が中間電極接続体M5を介して電気的に接続されることとなる。また、中間電極接続体M5の導電層55が高分子積層体R3に対して集電体としても機能することとなるので、高分子積層体R3の特性、特に応答性を向上させることができる。 The intermediate electrode connector M5 is disposed between the polymer laminate R3A and the polymer laminate R3B, and the electrode layer 12F of the polymer laminate R3A and the conductive layer 55F of the intermediate electrode connector M5 are collected. The electrode layer 12E of the polymer laminate R3B and the conductive layer 55E of the intermediate electrode connector M5 are electrically connected via the current collecting layer 13K while being electrically connected via the current layer 13L. As a result, the electrode layer 12F of the polymer laminate R3A and the electrode layer 12E of the polymer laminate R3B that face each other are electrically connected via the intermediate electrode connector M5. Further, since the conductive layer 55 of the intermediate electrode connector M5 also functions as a current collector for the polymer laminate R3, it is possible to improve the characteristics, particularly responsiveness, of the polymer laminate R3.
また、中間電極接続体M5は、金属薄膜の導電層55や絶縁性のフィルム15の基材から構成されているので、高分子積層体R3に含まれるイオン液体中のイオンを透過しない機能を有している。これにより、中間電極接続体M5が高分子積層体R3間を分離することとなるので、複数の高分子積層体R3を重ね合わせることができる。このため、1つの高分子積層体R3の積層厚みを厚くすることなしに、アクチュエータの特性を向上することができる。 Further, since the intermediate electrode connector M5 is composed of the metal thin film conductive layer 55 or the base material of the insulating film 15, it has a function of not transmitting ions in the ionic liquid contained in the polymer laminate R3. doing. Accordingly, the intermediate electrode connector M5 separates the polymer laminates R3, so that a plurality of polymer laminates R3 can be overlapped. For this reason, the characteristics of the actuator can be improved without increasing the thickness of the single polymer laminate R3.
また、中間電極接続体M5の基材が絶縁性のフィルム15なので、イオンを確実に透過させないとともに、柔軟性が有り変形耐性に優れている構造体を得ることができる。しかもフィルム15の両面に導電層55を形成する構成なので、高分子積層体R3の接触する部分(第1実施形態では集電層13)に適した導電層55の組成を調整することができ(密着性向上や接触抵抗を下げる等)、高分子積層体R3に適合した構造体を得ることができる。 Further, since the base material of the intermediate electrode connector M5 is the insulating film 15, it is possible to obtain a structure that does not allow ions to permeate reliably and is flexible and has excellent deformation resistance. And since it is the structure which forms the conductive layer 55 on both surfaces of the film 15, the composition of the conductive layer 55 suitable for the part (current collection layer 13 in 1st Embodiment) which the polymer laminated body R3 contacts can be adjusted ( For example, it is possible to obtain a structure suitable for the polymer laminate R3.
次に、積層型アクチュエータ101のゲル層G4は、アクリル樹脂、シリーコーン樹脂及びフッ素樹脂等の合成樹脂中にカーボン粒子や銀粒子が分散された導電性のゲルからなる層であって、図3及び図4に示すように、高分子積層体R3と中間電極接続体M5との間に配設され、高分子積層体R3(R3A、R3B)の集電層13(13L、13K)と中間電極接続体M5の導電層55(55F、55E)とを電気的に接続している。これにより、高分子積層体R3の電極層12と中間電極接続体M5とが、集電層13及びゲル層G4を介して、接続されることとなる。このことにより、高分子積層体R3の電極層12と中間電極接続体M5との電気的な接続を確実に行うことができる。なお、ゲル層G4に用いる合成樹脂は、低弾性率の特性を有した材料を用いている。 Next, the gel layer G4 of the multilayer actuator 101 is a layer made of a conductive gel in which carbon particles and silver particles are dispersed in a synthetic resin such as an acrylic resin, a series resin, and a fluorine resin. 4 and FIG. 4, the current collecting layer 13 (13L, 13K) and the intermediate electrode of the polymer laminate R3 (R3A, R3B) are disposed between the polymer laminate R3 and the intermediate electrode connector M5. The conductive layer 55 (55F, 55E) of the connection body M5 is electrically connected. As a result, the electrode layer 12 of the polymer laminate R3 and the intermediate electrode connector M5 are connected via the current collecting layer 13 and the gel layer G4. Thereby, the electrical connection between the electrode layer 12 of the polymer laminate R3 and the intermediate electrode connector M5 can be reliably performed. The synthetic resin used for the gel layer G4 is made of a material having a low elastic modulus.
また、ゲル層G4は、電極層12より柔軟な特性を有しており、高分子積層体R3が変形を繰り返す際に電極層12が伸び縮みし、その伸び縮みによる高分子積層体R3と中間電極接続体M5とのずれを吸収することができる。このため、積層型アクチュエータ101の駆動力や変形の変位の減衰を小さくすることができる。 Further, the gel layer G4 has more flexible characteristics than the electrode layer 12, and when the polymer laminate R3 repeats deformation, the electrode layer 12 expands and contracts. Deviation from the electrode connector M5 can be absorbed. For this reason, the attenuation of the driving force and deformation displacement of the multilayer actuator 101 can be reduced.
次に、積層型アクチュエータ101の構成について引き続き説明を進めるが、図6を用いて、構成と回路を関連付けながら説明を行う。図6は、本発明の第1実施形態に係わる積層型アクチュエータ101の回路構成を説明する模式図である。 Next, the description of the configuration of the stacked actuator 101 will be continued, but will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a circuit configuration of the multilayer actuator 101 according to the first embodiment of the present invention.
先ず、積層型アクチュエータ101の端子部T9は、一般に用いられている両面のプリント配線板(PWB、Printed Wiring Board)を用い、図3及び図4に示すように、積層型アクチュエータ101の板厚方向DT(図3に示すZ方向)の両端側における電極、つまり本発明の第1実施形態では、高分子積層体R3Aの電極層12Eと高分子積層体R3Bの電極層12Fのそれぞれと電気的に接続して、両端に一対(端子部T9A及び端子部T9B)、配設されている。なお、端子部T9(T9A、T9B)と電極層12(12E、12F)との電気的な接続は、端子部T9の一面9a側に設けられた配線パターン(図示していない)により、集電層13(13K、13L)を介して行われている。 First, as the terminal portion T9 of the multilayer actuator 101, a commonly used double-sided printed wiring board (PWB, Printed Wiring Board) is used. As shown in FIGS. Electrodes at both ends of DT (Z direction shown in FIG. 3), that is, in the first embodiment of the present invention, electrically with each of the electrode layer 12E of the polymer laminate R3A and the electrode layer 12F of the polymer laminate R3B. A pair (terminal portion T9A and terminal portion T9B) is disposed at both ends. The electrical connection between the terminal portion T9 (T9A, T9B) and the electrode layer 12 (12E, 12F) is collected by a wiring pattern (not shown) provided on the one surface 9a side of the terminal portion T9. This is done via layer 13 (13K, 13L).
また、一対の端子部T9(T9A、T9B)間の空間を保つため、合成樹脂製のスペーサ58が一対の一対の端子部T9間に配設されている。また、図示はしていないが、抵抗、コンデンサ及び集積回路(IC、integrated circuit)等の電気部品もこの端子部T9の一面9a側に搭載されている。なお、両面のプリント配線板の他に、両面のフレキシブルプリント基板(FPC、Flexible printed circuits)を用いることもできる。 Further, in order to maintain a space between the pair of terminal portions T9 (T9A, T9B), a synthetic resin spacer 58 is disposed between the pair of terminal portions T9. Although not shown, electrical components such as a resistor, a capacitor, and an integrated circuit (IC) are also mounted on the one surface 9a side of the terminal portion T9. In addition to a double-sided printed wiring board, a double-sided flexible printed circuit board (FPC, Flexible printed circuits) can also be used.
また、端子部T9は、図3及び図4に示す外部端子9tから、図6に示す交流電源ACGに接続されている。これにより、端子部T9の他面9z側に設けられた配線パターン、スルーホール(図示していない)及び端子部T9の一面9a側に設けられた配線パターンを介して、積層型アクチュエータ101の板厚方向DT(図3に示すZ方向)の両端側における電極(本発明の第1実施形態では電極層12Eと電極層12F)に交流電圧の全圧がかかるようになる。 The terminal portion T9 is connected to the AC power source ACG shown in FIG. 6 from the external terminal 9t shown in FIGS. Accordingly, the board of the laminated actuator 101 is connected via the wiring pattern provided on the other surface 9z side of the terminal portion T9, the through hole (not shown), and the wiring pattern provided on the first surface 9a side of the terminal portion T9. The total pressure of the AC voltage is applied to the electrodes (the electrode layer 12E and the electrode layer 12F in the first embodiment of the present invention) on both ends in the thickness direction DT (the Z direction shown in FIG. 3).
最後に、積層型アクチュエータ101の分圧手段D7は、ツェナーダイオード(Zener diode)を用いており、図3に示すように、2つの分圧手段D7A及び分圧手段D7Bが一対の端子部T9(T9A、T9B)のそれぞれに搭載され、一対の端子部T9(T9A、T9B)間に配設されている。 Finally, the voltage dividing means D7 of the multilayer actuator 101 uses a Zener diode, and as shown in FIG. 3, the two voltage dividing means D7A and the voltage dividing means D7B have a pair of terminal portions T9 ( T9A, T9B) and disposed between the pair of terminal portions T9 (T9A, T9B).
また、分圧手段D7は、図3及び図4に示す導電性を有する導電体88及び端子部T9の一面9a側に設けられた配線パターンを介して、中間電極接続体M5に電気的に接続されている。そして、図6に示すように、分圧手段D7は、板厚方向DTの両側における電極層12に電圧が印加された際に、それぞれの高分子積層体R3の一対の電極層12間にかかる電圧を調整している。これにより、高分子積層体R3間の特性ばらつきなどによる、高分子積層体R3にかかる電圧の不均一化を防止することができる。このことにより、高分子積層体R3を容易に電気的に直列接続でき、安定した性能を得ることができる。なお、導電体88として、金属箔や導電性接着材等を用いることができるが、本発明の第1実施形態では、導電性ゴムを好適に用いている。 Further, the voltage dividing means D7 is electrically connected to the intermediate electrode connector M5 via the conductive conductor 88 shown in FIGS. 3 and 4 and the wiring pattern provided on the one surface 9a side of the terminal portion T9. Has been. As shown in FIG. 6, the voltage dividing means D7 is applied between the pair of electrode layers 12 of each polymer laminate R3 when a voltage is applied to the electrode layers 12 on both sides in the plate thickness direction DT. The voltage is adjusted. As a result, it is possible to prevent the voltage applied to the polymer laminate R3 from becoming non-uniform due to variations in characteristics between the polymer laminates R3. As a result, the polymer laminate R3 can be easily electrically connected in series, and stable performance can be obtained. In addition, although metal foil, a conductive adhesive, etc. can be used as the conductor 88, in 1st Embodiment of this invention, conductive rubber is used suitably.
また、分圧手段D7には、図6に示すように、整流方向が逆向きの2つのダイオード素子を用いており、交流電流に対応して整流を行えるようにしている。なお、2つの分圧手段D7A及び分圧手段D7Bは、一対の端子部T9(T9A、T9B)のそれぞれに搭載されているが、図6に示すような接続にできれば、いずれか一方の端子部T9に搭載されていても良い。 In addition, as shown in FIG. 6, the voltage dividing means D7 uses two diode elements whose rectification directions are opposite to each other, so that rectification can be performed in response to an alternating current. The two voltage dividing means D7A and the voltage dividing means D7B are mounted on each of the pair of terminal portions T9 (T9A, T9B). However, if the connection shown in FIG. It may be mounted on T9.
また、本発明の第1実施形態では、図3及び図4に示すように、分圧手段D7(D7A、D7B)と中間電極接続体M5の一部とが一対の端子部T9(T9A、T9B)間で一体化されている。これにより、高分子積層体R3のの一端側で外部との接続が容易となり、この一体化された部分を取り扱うことで、取り扱いがし易い。しかも分圧手段D7や電機部品等が一対の端子部T9間に配置されているので、より取り扱いがし易い。 Moreover, in 1st Embodiment of this invention, as shown in FIG.3 and FIG.4, the voltage dividing means D7 (D7A, D7B) and a part of intermediate electrode connection body M5 are a pair of terminal part T9 (T9A, T9B). ) Are integrated. Thereby, the connection with the outside becomes easy on one end side of the polymer laminate R3, and handling is easy by handling this integrated portion. Moreover, since the voltage dividing means D7, the electric parts, and the like are disposed between the pair of terminal portions T9, handling is easier.
以上のように構成された本発明の第1実施形態の積層型アクチュエータ101における、効果について、以下に纏めて説明する。 The effects of the multilayer actuator 101 according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described below.
本発明の第1実施形態の積層型アクチュエータ101は、積層されたそれぞれの高分子積層体R3における一対の電極層12にかかる電圧を調整する分圧手段D7を備えたので、高分子積層体R3間の特性ばらつきなどによる、高分子積層体R3にかかる電圧の不均一化を防止することができる。このことにより、高分子積層体R3を容易に電気的に直列接続でき、安定した性能を得ることができる。 Since the laminated actuator 101 according to the first embodiment of the present invention includes the voltage dividing means D7 for adjusting the voltage applied to the pair of electrode layers 12 in each laminated polymer laminate R3, the polymer laminate R3. It is possible to prevent voltage non-uniformity applied to the polymer laminate R3 due to characteristic variation between the two. As a result, the polymer laminate R3 can be easily electrically connected in series, and stable performance can be obtained.
また、高分子積層体R3同士がイオンを透過しなく導電性を有する中間電極接続体M5を介して接続されているので、中間電極接続体M5が、高分子積層体R3間を分離しつつ、集電体としても機能することとなる。このため、1つの高分子積層体R3の積層厚みを厚くすることがなく、高分子積層体R3の特性、特に応答性を向上させることができる。 Further, since the polymer laminates R3 are connected via the intermediate electrode connector M5 that does not transmit ions and has conductivity, the intermediate electrode connector M5 separates the polymer laminates R3, It will also function as a current collector. For this reason, the characteristic of the polymer laminate R3, particularly the responsiveness, can be improved without increasing the laminate thickness of one polymer laminate R3.
また、中間電極接続体M5の基材が絶縁性のフィルム15なので、イオンを確実に透過させないとともに、柔軟性が有り変形耐性に優れている構造体を得ることができる。しかもフィルム15の両面に導電層55を形成する構成なので、高分子積層体R3の接触する部分(第1実施形態では集電層13)に適した導電層55の組成を調整することができ(密着性向上や接触抵抗を下げる等)、高分子積層体R3に適合した構造体を得ることができる。 Further, since the base material of the intermediate electrode connector M5 is the insulating film 15, it is possible to obtain a structure that does not allow ions to permeate reliably and is flexible and has excellent deformation resistance. And since it is the structure which forms the conductive layer 55 on both surfaces of the film 15, the composition of the conductive layer 55 suitable for the part (current collection layer 13 in 1st Embodiment) which the polymer laminated body R3 contacts can be adjusted ( For example, it is possible to obtain a structure suitable for the polymer laminate R3.
また、電極層12と中間電極接続体M5とが電極層12より柔軟な導電性のゲルを介して接続されているので、電極層12と中間電極接続体M5との電気的な接続を確実に行うことができる。しかも高分子積層体R3が変形を繰り返す際に電極層12が伸び縮みし、その伸び縮みによる高分子積層体R3と中間電極接続体M5とのずれを吸収することができる。このため、積層型アクチュエータ101の駆動力や変形の変位の減衰を小さくすることができる。 In addition, since the electrode layer 12 and the intermediate electrode connector M5 are connected via a conductive gel that is more flexible than the electrode layer 12, the electrical connection between the electrode layer 12 and the intermediate electrode connector M5 is ensured. It can be carried out. In addition, when the polymer laminate R3 repeats deformation, the electrode layer 12 expands and contracts, and the deviation between the polymer laminate R3 and the intermediate electrode connector M5 due to the expansion and contraction can be absorbed. For this reason, the attenuation of the driving force and deformation displacement of the multilayer actuator 101 can be reduced.
また、分圧手段D7と中間電極接続体M5とが一対の端子部T9間で一体化されているので、外部との接続が容易で、取り扱いし易い。 Moreover, since the voltage dividing means D7 and the intermediate electrode connector M5 are integrated between the pair of terminal portions T9, connection to the outside is easy and easy to handle.
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, For example, it can deform | transform and implement as follows, These embodiments also belong to the technical scope of this invention.
<変形例1>
上記第1実施形態では、2つの高分子積層体R3(R3A、R3B)を積層して構成したが、これに限るものではなく、複数組、板厚方向DTに重ねられて電気的に直列接続された構成でも良い。その際には、言うまでもないが、それぞれの高分子積層体R3の間には、分圧手段D7がそれぞれ設けられている。また、それぞれの高分子積層体R3の間に中間電極接続体M5をそれそれ用いるのが好適である。
<Modification 1>
In the first embodiment, the two polymer laminates R3 (R3A, R3B) are laminated, but the present invention is not limited to this, and a plurality of sets are stacked in the thickness direction DT and electrically connected in series. It is also possible to have a configuration. In that case, needless to say, voltage dividing means D7 is provided between the polymer laminates R3. Further, it is preferable to use the intermediate electrode connector M5 between the polymer laminates R3.
<変形例2>
上記第1実施形態では、中間電極接続体M5が絶縁性のフィルム15の両面に導電層55(55E、55F)が形成された構成のものを用いたが、これに限るものではなく、例えばグラファイトを主成分としたシートや、Au、Al等の金属箔でも良い。
<Modification 2>
In the first embodiment, the intermediate electrode connector M5 has a structure in which the conductive layers 55 (55E, 55F) are formed on both surfaces of the insulating film 15. However, the present invention is not limited to this. It is also possible to use a sheet mainly composed of a metal foil such as Au or Al.
<変形例3>
上記第1実施形態に対して、積層された高分子積層体R3及び端子部T9の一部を封止部材で覆うようにして、封止構造にした構成でも良い。
<Modification 3>
With respect to the first embodiment, a configuration may be adopted in which a part of the laminated polymer laminate R3 and the terminal portion T9 is covered with a sealing member to form a sealing structure.
本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the scope of the object of the present invention.
11 電解質層
12、12E、12F 電極層
R3、R3A、R3B 高分子積層体
G4、G4A、G4B ゲル層
M5 中間電極接続体
15 フィルム
55、55E、55F 導電層
D7、D7A、D7B 分圧手段
T9、T9A、T9B 端子部
101 積層型アクチュエータ
DT 板厚方向
11 Electrolyte layer 12, 12E, 12F Electrode layer R3, R3A, R3B Polymer laminate G4, G4A, G4B Gel layer M5 Intermediate electrode connector 15 Film 55, 55E, 55F Conductive layer D7, D7A, D7B Voltage dividing means T9, T9A, T9B Terminal part 101 Multilayer actuator DT Thickness direction
Claims (5)
前記高分子積層体間の対向する前記電極層が、導電性を有する中間電極接続体を介して接続され、
該中間電極接続体が、前記イオンを透過させなく、
前記板厚方向の両側における前記電極層に電圧が印加された際に、それぞれの前記高分子積層体の前記一対の電極層間にかかる電圧を調整する分圧手段を備えたことを特徴とする積層型アクチュエータ。 A pair of polymer laminates based on a three-layer structure of an ion-containing electrolyte layer and a pair of electrode layers provided on both sides in the thickness direction of the electrolyte layer, In a laminated actuator in which a plurality of the polymer laminates are electrically connected in series by being stacked in a plurality in the plate thickness direction,
The opposing electrode layers between the polymer laminates are connected via a conductive intermediate electrode connector,
The intermediate electrode connector does not transmit the ions,
A laminate comprising voltage dividing means for adjusting a voltage applied between the pair of electrode layers of each of the polymer laminates when a voltage is applied to the electrode layers on both sides in the plate thickness direction. Type actuator.
前記電極層は、前記ポリマーと前記イオン液体と導電性粒子とを混合したゲルを含んでおり、
前記中間電極接続体が前記分圧手段に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の積層型アクチュエータ。 The electrolyte layer includes a gel in which a polymer and an ionic liquid are mixed,
The electrode layer includes a gel obtained by mixing the polymer, the ionic liquid, and conductive particles,
The multilayer actuator according to claim 1, wherein the intermediate electrode connection body is connected to the voltage dividing means.
前記分圧手段と前記中間電極接続体の一部とが前記一対の端子部間で一体化されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の積層型アクチュエータ。 Having a pair of terminal portions connected to each of the electrodes on both sides in the plate thickness direction;
Multilayer actuator according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a part of the said voltage divider intermediate electrode connecting member are integrated between the pair of terminal portions.
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