执行器装置及其驱动方法与流程

文档序号:15626999发布日期:2018-10-09 23:13
本发明涉及执行器装置及其驱动方法。
背景技术
:专利文献1公开了压电执行器。专利文献2公开了管型压电执行器。专利文献3公开了功能元件、采用了功能元件的装置、以及功能元件的制造方法。【在先技术文献】【专利文献】专利文献1:日本特开2001-197758号公报专利文献2:日本特开2002-125383号公报专利文献3:日本特开2004-281711号公报技术实现要素:发明要解决的课题本发明的目的在于提供一种新的执行器装置及其驱动方法。用于解决课题的手段本发明的执行器装置具有执行器以及能对该执行器施加高频电压的交流电源。该执行器具有由聚合物形成的柔性管、内侧电极以及外侧电极。在与柔性管的长度方向正交的剖面,内侧电极与柔性管的内周面的至少一部分接触。在该剖面,外侧电极覆盖柔性管的外周面的一部分。交流电源在动作时,对执行器施加具有1MHz以上的频率的高频电压,使执行器向在剖面中从内侧电极朝向外侧电极的方向移位。另外,交流电源停止向执行器施加高频电压而使执行器返回原来的位置。发明效果本发明提供一种新的执行器装置及其驱动方法。附图说明图1A表示实施方式的执行器装置的概略图。图1B表示已移位的执行器的概略图。图2A表示柔性管的剖视图。图2B表示柔性管的另一剖视图。图2C表示柔性管的又一剖视图。图2D表示无法移位的柔性管的剖视图。图2E表示无法移位的另一柔性管的剖视图。图2F表示具有多个外侧电极的柔性管的剖视图。图3A表示制造执行器的方法中包含的1个工序的概略图。图3B表示接着图3A的、制造执行器的方法中包含的1个工序的概略图。图3C表示接着图3B的、制造执行器的方法中包含的1个工序的概略图。图4是表示采用高频电压来驱动执行器装置的方法中的时间与电压的关系的图表。图5是表示采用低频电压来驱动执行器装置的方法中的时间与电压的关系的图表。图6表示sawyer-tower电路的概略图。图7表示用于定义移位量的执行器的概略图。图8表示熔融纺丝法的概略图。图9是表示实施例1的执行器的电场-极化量的延滞测定结果(即,D-E履历曲线测定的结果)的图表。具体实施方式以下,参照附图,对本发明的实施方式进行说明。图1A表示实施方式的执行器装置的概略图。如图1A所示,实施方式的执行器装置具有执行器1和交流电源5。采用交流电源5,对执行器1施加高频电压。(执行器1)执行器1具有柔性管2、内侧电极3和外侧电极4。如之后详细地说明的那样,柔性管2由聚合物形成。柔性管2是中空的,并且,具有内周面和外周面。如图1A所示,内侧电极3优选沿着柔性管2的长度方向(即,图1A中的上下方向)形成。同样地,外侧电极4也优选沿着柔性管2的长度方向形成。如之后详细地说明的那样,在图1A中,外侧电极4覆盖柔性管2的右侧的外周面。在采用交流电源5对执行器1施加高频电压时,如图1B所示,执行器1移位。图2A表示柔性管2的剖视图。更详细地说,图2A表示与柔性管2的长度方向正交的剖视图。本说明书中采用的术语“剖面”意味着与柔性管2的长度方向正交的剖面。如图2A所示,内侧电极3可以以填满柔性管2的内部的方式与柔性管2的内周面的整周接触。内侧电极3也可以被称为芯电极。外侧电极4覆盖柔性管2的外周面的右侧部分2RO。另一方面,柔性管2的外周面的左侧部分2LO露出。如之后详细地说明的那样,在采用交流电源5对执行器1施加交流电压时,对位于内侧电极3与外侧电极4之间的聚合物(即,在图2A中为柔性管2的右半部分2R)施加电场。另一方面,不对柔性管2的左半部分2L施加电场。结果,执行器1向从内侧电极3朝向外侧电极4的方向(即,图2A中所包含的箭头X的方向)移位。在图2A中,内侧电极3也可以是中空的。图2B表示柔性管2的另一剖视图。如图2B所示,内侧电极3无需填满柔性管2的内部。此外,内侧电极3无需与柔性管2的所有内周面接触。如图2B所示,内侧电极3也可以与柔性管2的内周面的一部分接触。在图2B中,内侧电极3与柔性管2的内周面的右侧部分2RI接触。另一方面,内侧电极3不与柔性管2的内周面的左侧部分2LI接触。外侧电极4覆盖柔性管2的外周面的右侧部分2RO。另一方面,柔性管2的外周面的左侧部分2LO露出。在图2B所示的情况下也同样地,在采用交流电源5对执行器1施加交流电压时,对位于内侧电极3与外侧电极4之间的聚合物的部分(即,柔性管2的右半部分2R)施加电场。另一方面,不对柔性管2的左半部分2L施加电场。结果,执行器1向箭头X的方向移位。本发明者认为:与内侧电极3填满柔性管2的内部的情况(例如参照图2A)相比,在柔性管2为中空的情况(例如参照图2B)下的移位量大。图2C表示柔性管2的又一剖视图。如图2C所示,内侧电极3与柔性管2的内周面的一部分(即,右侧部分2RI)接触。而且,外侧电极4覆盖柔性管2的外周面的整个面。在图2C所示的情况下也同样地,在采用交流电源5对执行器1施加交流电压时,对位于内侧电极3与外侧电极4之间的聚合物(即,柔性管2的右半部分2R)施加电场。另一方面,不对柔性管2的左半部分2L施加电场。结果,执行器1向箭头X的方向移位。但是,在图2D所示的情况下,执行器1不移位。在图2D中,内侧电极3与柔性管2的内周面的左侧部分2LI接触,另一方面,外侧电极4与柔性管2的外周面的右侧部分2RO接触。在图2D中,即使采用交流电源5对执行器1施加交流电压,也几乎不会对柔性管2施加电场,所以,执行器1不移位。在图2E所示的情况下也同样地,执行器1不移位。这是因为,对位于内侧电极3与外侧电极4之间的所有聚合物以圆对称的方式施加电场。从图2A、图2B、图2C、图2D和图2E明确可知,需要满足以下的条件(I)和条件(II)的任一方。条件(I):(Ia)在该剖面,内侧电极3与柔性管2的内周面的至少一部分(例如右侧部分2RI)接触,(Ib)在该剖面,外侧电极4覆盖柔性管2的外周面的一部分(例如右侧部分2RO),但外侧电极4不覆盖柔性管2的外周面的全部,并且,(Ic)在该剖面,以将柔性管2的一部分(例如柔性管2的右侧部分2R)夹设于外侧电极4与和内侧电极3接触的柔性管2的内周面的至少一部分(例如,在图2B中为右侧部分2RI,在图2A中为内侧电极3自身)的方式,使外侧电极4与和内侧电极3接触的柔性管2的内周面的至少一部分相向(参照图2A和图2B)。条件(II):(IIa)在该剖面,内侧电极3与柔性管2的内周面的一部分(例如右侧部分2RI)接触,但内侧电极3不与柔性管2的内周面的全部接触,并且(IIb)在该剖面,外侧电极4覆盖柔性管2的外周面的整周(参照图2C)。在该剖面,被外侧电极4覆盖的柔性管2的外周面的一部分(例如右侧部分2RO)的长度相对于未被外侧电极4覆盖的柔性管2的外周面的其余部分(例如左侧部分2LO)的长度的比率可以为1/3以上且3以下。换言之,(右侧部分2RO的长度)/((右侧部分2RO的长度)+(左侧部分2LO的长度))的值可以为25%以上且75%以下。在本说明书中,该值也被称为覆盖率。优选的是,该值(即覆盖率)为大致50%。如图2F所示,在该剖面,外侧电极4可以包括第1外侧电极部4a和第2外侧电极部4b。第1外侧电极部4a和第2外侧电极部4b均覆盖柔性管2的外周面的一部分。第1外侧电极部4a和第2外侧电极部4b优选均沿着柔性管2的长度方向形成。但是,第1外侧电极部4a和第2外侧电极部4b在该剖面中并非配置成圆对称。在此情况下,与图2E所示的情况同样地,执行器1不移位。虽然并未图示,但内侧电极3也可以包括第1内侧电极部和第2内侧电极部。第1内侧电极部和第2内侧电极部均与柔性管2的内周面的一部分接触。第1内侧电极部和第2内侧电极部优选均沿着柔性管2的长度方向形成。柔性管2的剖面可以是圆形,但是,只要执行器1通过采用了交流电源5的交流电压的施加而能够变形,那么柔性管2的剖面的形状就没有特别限定。柔性管2的剖面的形状的例子是圆形、椭圆形或多边形。柔性管2由聚合物形成。优选的是,柔性管2由通过以下的化学式(I)表示的聚合物或其共聚物形成。[化学式1]在此,X1是卤素原子,X2~X4是分别独立地从由氢原子和卤素原子构成的组中选择的1种。在化学式(I)中,卤素原子优选为氟原子。更优选的是,柔性管2由通过以下的化学式(II)表示的共聚物形成。[化学式2]在此,X1是卤素原子,并且,X2~X8是分别独立地从由氢原子和卤素原子构成的组中选择的1种。在化学式(II)中也同样地,卤素原子优选为氟原子。作为一个例子,X1、X2、X5、X6和X7是氟原子,并且,X3、X4和X8是氢。换言之,柔性管2可以由偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物(以下,称为“P(VDF/TrFE)共聚物”)形成。如上所述,柔性管2优选由压电聚合物形成。在柔性管2由压电聚合物形成的情况下,优选对压电聚合物实施极化处理。通过极化处理,压电聚合物的极化在从内侧电极3向外侧电极4的方向取向。为了极化处理,可以采用sawyer-tower电路。此外,可以省略极化处理。(执行器1的制法)执行器1可以如下制造。如图3A所示,在由直线状的金属丝形成的内侧电极3的外周面形成聚合物。这样,柔性管2形成于内侧电极3的外周面。然后,如图3B所示,除去柔性管2的一端(在图3B中为下端),内侧电极3的一端31露出。接下来,如图3C所示,柔性管2的外周面的一部分(在图3C中为右半部分)通过溅射法由金属覆盖,形成外侧电极4。这样制造执行器1。详细情况参照后述的实施例。参照了实施例的本领域技术人员可以容易制造实施方式的执行器1。若需要,则可以对执行器1实施极化处理。如图1A所示,采用导电性糊剂21a和21b,将内侧电极3露出的一端和外侧电极4的一部分固定于在表面具有金属带21a、21b的基板29。交流电源5与金属带21a、21b电连接。这样得到实施方式的执行器装置。如图1A所示,执行器1的固定于基板29的一部分被称为固定端部22。固定端部22具有长度FXL(以下,称为固定长度FXL)。执行器1的其余部分被称为自由部分23。自由部分23具有长度FRL(以下,称为自由长度FRL)。(交流电源5)采用交流电源5,将具有1MHz以上的频率的高频电压施加到执行器1。在本说明书中,“高频电压”意味着具有1MHz以上的频率的交流电压。另一方面,在本说明书中,“低频电压”意味着具有不足1000KHz的频率的交流电压。交流电压优选具有1伏特以上且100伏特以下的峰间电压(peaktopeakvoltage),更优选具有3伏特以上且30伏特以下的峰间电压,再优选具有4伏特以上且10伏特以下的峰间电压。执行器装置的使用者通过将执行器1与交流电源5电连接来准备执行器装置。或者,执行器装置的使用者通过购入具有执行器1和交流电源5的执行器装置来准备执行器装置。在对执行器1施加了高频电压的情况下,如图1B所示,执行器1的自由部分23向X方向移位。如图4所示,在对执行器1施加高频电压的期间,尽管以高频交替对执行器1施加正电压和负电压,却维持执行器1的移位。也就是说,在对执行器1施加高频电压的期间,自由部分23不返回原来的位置并且不向与X方向相反的方向移位。另一方面,在停止向执行器1的电压的施加时,执行器1返回原来的位置。以下,在本说明书中,将对执行器1施加电压的期间定义为“接通期间”。另一方面,在本说明书中,将未对执行器1施加电压的期间、即停止向执行器1的电压的施加的期间定义为“断开期间”。作为一个例子,在接通期间和断开期间之间,希望以下的数学式(I)成立。6Hz≤1/(接通期间+断开期间)≤26Hz(I)本发明者认为,执行器1具有6Hz以上且26Hz以下的共振频率。因此,在该共振频率下,执行器1的移位量就会不寻常。参照后述的表3。为了使数学式(I)成立,交流电源5可以对执行器1间歇性地施加高频电压。不限定接通期间和断开期间的占空比(即,(接通期间的长度)/((接通期间的长度)+(断开期间的长度)))。作为一个例子,占空比为0.5。在对执行器1施加了具有不足1000KHz的频率的电压(即,低频电压)的情况下,如图5所示,在接通期间,执行器1的自由部分23与正相位(即,施加正电压的期间)和负相位(即,施加负电压的期间)同步地分别向X方向(在本段和图5中,称为“+X方向”)或其反方向(同样地称为“-X方向”)移位。在未施加电压的瞬间(即,对执行器1施加0伏特的电压的瞬间),执行器1的自由部分23返回原来的位置。本发明的主旨不包括低频电压对执行器1的驱动。(实施例1)(执行器1的制作)实施例1的执行器1如以下那样制作。首先,采用丙酮来洗净由具有30微米的直径的铜丝形成的内侧电极3。然后,用紫外线照射内侧电极3的侧面5分钟。另外于此,将偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物(以下,称为“P(VDF/TrFE)共聚物”,从株式会社吴羽购入,商品名为KFW#2200)溶解于被维持为摄氏90度的碳酸二乙酯。这样得到浸渍涂敷溶液。P(VDF/TrFE)共聚物中的偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚比率(重量比)为75:25。接下来,将铜丝浸渍于浸渍涂敷溶液,采用P(VDF/TrFE)共聚物来覆盖内侧电极3的周面。这样,如图3A所示,内侧电极3的侧面被由P(VDF/TrFE)共聚物形成的柔性管2覆盖。柔性管2具有大致20微米的厚度。柔性管2与内侧电极3一起被切断成具有30毫米的长度。被切断的柔性管2的一端被浸渍于维持为摄氏90度的碳酸二乙酯内3分钟,除去覆盖该一端的P(VDF/TrFE)共聚物的下端部。这样,如图3B所示,被切断的内侧电极3的一端露出。露出的内侧电极3的一部分具有2毫米的长度。露出的内侧电极3的一部分采用聚酰亚胺膜(未图示)来覆盖。在柔性管2的外周面的一半,通过溅射法来蒸镀铝。这样,如图3C所示,由铝形成外侧电极4。外侧电极4具有大致100纳米的厚度。外侧电极4沿着柔性管2的长度方向形成,并且,覆盖柔性管2的外周面的大致一半。换言之,柔性管2的外周面的大致一半由外侧电极4覆盖,另一方面,柔性管2的外周面的其余一半不由外侧电极4覆盖而是露出。然后,除去聚酰亚胺膜。这样,得到实施例1的执行器1。换言之,在柔性管2的内周面和外周面分别形成内侧电极3和外侧电极4。(执行器1向基板29的贴附)如图1所示,实施例1的执行器1如下那样贴附于基板29。基板29在其表面具有第1铜带21a和第2铜带21b。第1铜带21a与第2铜带21b电绝缘。露出的内侧电极3的一部分和外侧电极4的下端的一部分分别采用导电性糊剂20a、21b而固接于第1铜带21a和第2铜带21b。这样,执行器1的下端(即,露出的内侧电极3的一部分)作为固定端部22而起作用。另一方面,执行器1的下端以外的部分作为自由部分23而起作用。(极化处理)如图6所示,实施例1的执行器1被提供给了极化处理。图6表示用于极化处理的sawyer-tower电路的概略图。如图6所示,在实施例1中采用的sawyer-tower电路具有示波器10、交流电压源11(从安捷伦科技有限公司(アジレントテクノロジ)购入,商品名为33250A)、AC/DC放大器12(从株式会社NF回路设计(株式会社エヌエフ回路設計)购入,商品名为HVA4322)、高电阻器13(0.1兆欧~10千兆欧,从株式会社日本FineChem(株式会社日本ファインケム)购入,商品名为RH6HVS)、电容器14(2.6微法@1KHz)、以及探针15(从テクトロニクス株式会社购入,商品名为P3000)。实施例1的执行器1被浸渍于油16。图9是表示实施例1的执行器1的电场-极化量的延滞测定结果(即,D-E履历曲线测定的结果)的图表。实施例1的执行器1具有60mC/m2的残留极化。(高频驱动)如图1所示,交流电源5(从安捷伦科技有限公司购入,商品名为33250A)与实施例1的执行器1电连接。自由长度FRL为25毫米。固定长度FXL为5毫米。采用交流电源5,对实施例1的执行器1施加具有10伏特的峰间电压的高频电压。高频电压为正弦波的交流电压。高频电压的频率为1MHz。如图4所示,高频电压在0.05秒的接通期间被施加到执行器1,另一方面,在0.05秒的断开期间,高频电压不施加到执行器1。接通期间和断开期间交替反复。如图4所示,在接通期间,执行器1的自由部分23向X方向移位,另一方面,在断开期间,执行器1的自由部分23不移位而是返回原来的位置。接通-断开频率为10Hz(=1/((接通期间:0.05秒)+(断开期间:0.05秒)))。接通-断开占空比为0.5(=(接通期间:0.05秒)/((接通期间:0.05秒)+(断开期间:0.05秒)))。更详细地说,如图4所示,与后述的低频驱动的情况不同,在接通期间,尽管以高频交替对执行器1施加正电压和负电压,却维持执行器1的自由部分23向X方向的移位。而且,在接通期间,执行器1的自由部分23不返回原来的位置,并且,不向与该一方向相反的方向移位。这样,在接通期间,执行器1的自由部分23不与施加到执行器1的高频电压的正相位(即,施加正电压的期间)和负相位(即,施加负电压的期间)同步。执行器1的自由部分23不返回原来的位置,并且,也没有向与该X方向相反的方向移位。在接通期间,执行器1的自由部分23如图7所示,维持向X方向移位。在本说明书中,执行器1的这样的动作(即,移位)被称为“高频驱动”。不言而喻的是,固定端部22在接通期间和断开期间双方都没有移位。测定自由部分23的移位量D。图7表示自由部分23的移位量D的测定的概略图。在本说明书中,如图7所示,移位量D被定义为断开期间的自由部分23的位置与接通期间的自由部分23的位置之间的距离。(伴随于频率的变化的移位量D的测定)在实施例1中,高频电压的频率如以下的表1所示那样改变。测定各频率下的移位量D。[表1]峰间电压:10伏特接通-断开频率:22Hz高频电压的频率(MHz)移位量D(毫米)10.009100.05200.1125250.19375300.425402.65502.65602.65702.25801.675从表1明确可知,在高频电压具有1MHz以上的频率的情况下,执行器1移位。从移位量D的观点来看,优选的是,高频电压具有40MHz以上且70MHz以下的频率。更优选的是,高频电压具有40MHz以上且60MHz以下的频率。高频电压的上限的一个例子是80MHz。(伴随于峰间电压的变化的移位量D的测定)接下来,峰间电压如以下的表2所示那样改变。测定各峰间电压下的移位量D。高频电压的频率为40MHz。[表2]高频电压的频率:40MHz接通-断开频率:10Hz峰间电压(伏特)移位量D(毫米)40.07550.212560.470.82581.12591.425从表2显而易见的是,伴随着峰间电压的增加,移位量D增加。(伴随于接通-断开频率的变化的移位量D的测定)进而,接通-断开频率如以下的表3所示那样改变。测定各接通-断开频率下的移位量D。高频电压的频率为25MHz。峰间电压为10伏特。[表3]高频电压的频率:25MHz峰间电压:10伏特接通-断开频率(Hz)移位量D(毫米)60.00389100.00588140.00586180.01278220.19375230.0369260.0078从表3明确可知,在接通-断开频率为22Hz的情况下,移位量D就会不寻常。因此,本发明者们认为,实施例1的执行器1具有22Hz的共振频率。在本说明书中,接通-断开频率基于以下的数学式(II)来定义。(接通-断开频率)=1/((接通期间的时间)+(断开期间的时间))(II)“接通-断开频率”也可以被称为“间歇频率”。(参考:低频驱动)采用交流电源5,对实施例1的执行器1施加具有60伏特的峰间电压的低频电压。低频电压为正弦波的交流电压。低频电压的频率为1Hz~30Hz。如图5所示,与高频驱动的情况不同,在低频驱动中,在接通期间,执行器1的自由部分23与正相位(即,施加正电压的期间)和负相位(即,施加负电压的期间)同步,分别向X方向或与X方向相反的方向移位。在未施加电压的瞬间(即,对执行器1施加0伏特的电压的瞬间),执行器1的自由部分23返回原来的位置。在低频电压的频率为22Hz的情况下,实施例1的执行器1具有7.5微米这样最大的移位量D。(实施例2)在实施例2中,除了通过熔融纺丝法代替浸渍涂敷法而在内侧电极3的侧面覆盖由P(VDF/TrFE)共聚物形成的柔性管2以外,与实施例1同样地制作执行器1。图8表示熔融纺丝法的概略图。在实施例2中,由铜丝形成的内侧电极3被第1带轮33引导而导入熔化炉30。在熔化炉30的内部,在内侧电极3的侧面覆盖由P(VDF/TrFE)共聚物形成的柔性管2。在熔化炉30的内部,柔性管2被加热到摄氏270度。这样被覆盖的由铜丝形成的内侧电极3通过具有0.5毫米的内径的模具31,从熔化炉30被挤出。这样被挤出的内侧电极3被第2带轮32引导,并以2rpm/分的速度被卷取。在25MHz的高频电压的频率、10伏特的峰间电压以及1Hz的接通-断开频率的条件下,测定实施例2的执行器1的移位量D。结果,实施例2的执行器1的移位量D为75微米。(实施例3)在实施例3中,除了以下的事项(I)~(III),与实施例1的情况同样地制作执行器1。(I)自由长度FRL为37毫米,并且,固定长度FXL为5毫米。(II)代替由铜丝形成的内侧电极3,采用由具有20微米的直径的钢琴丝(即,碳钢)形成的内侧电极3。(III)没有实施极化处理在25MHz的高频电压的频率、10伏特的峰间电压以及1Hz的接通-断开频率的条件下,测定实施例3的执行器1的移位量D。结果,实施例3的执行器1的移位量D为38微米。(比较例1)在比较例1中,在10Hz的低频电压的频率以及60伏特的峰间电压的条件下,测定实施例1的执行器1的移位量D。在比较例1中,没有断开期间而总是为接通期间。结果,在比较例1中,执行器1的移位量D为大致0微米。也就是说,在比较例1中,执行器1没有动作。(比较例2)在比较例2中,在1Hz的低频电压的频率以及60伏特的峰间电压的条件下,测定实施例2的执行器1的移位量D。在比较例2中,没有断开期间而总是为接通期间。结果,在比较例2中,执行器1的移位量D为大致0微米。也就是说,在比较例2中,执行器1没有动作。(比较例3)在比较例3中,在1Hz的低频电压的频率以及60伏特的峰间电压的条件下,测定实施例3的执行器1的移位量D。在比较例3中,没有断开期间而总是为接通期间。结果,在比较例3中,执行器1的移位量D为大致0微米。也就是说,在比较例3中,执行器没有动作。产业上的可利用性本发明的执行器装置可以用作人工肌肉。标号说明1执行器装置2柔性管2L柔性管的左半部分2LI柔性管的内周面的左侧部分2LO柔性管的外周面的左侧部分2R柔性管的右半部分2RI柔性管的内周面的右侧部分2RO柔性管的外周面的右侧部分3内侧电极30熔化炉31模具32第2带轮33第1带轮4外侧电极4a第1外侧电极部4b第2外侧电极部5交流电源10示波器11交流电压源12AC/DC放大器13高电阻器14电容器15探针16油20a导电性糊剂20b导电性糊剂21a金属带21b金属带22固定端部23自由部分29基板31内侧电极的一端D移位量FRL自由长度FXL固定长度当前第1页1 2 3 
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