JPWO2019102799A1 - Actuator - Google Patents
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Abstract
本発明のアクチュエータは、加熱により繊維軸を中心とした回転駆動をする繊維状高分子材料を備え、繊維状高分子材料の両端が引張応力T(MPa)で固定されており、前記引張応力T(MPa)が、繊維状高分子材料の繊維軸方向のヤング率E(MPa)との間に、下記式(1)の関係を有する。0.011×E≦T≦0.023×E ・・・・(1)The actuator of the present invention includes a fibrous polymer material that is rotationally driven around a fiber axis by heating, and both ends of the fibrous polymer material are fixed by a tensile stress T (MPa). (MPa) has the relationship of the following formula (1) with Young's modulus E (MPa) in the fiber axis direction of the fibrous polymer material. 0.011 x E ≤ T ≤ 0.023 x E ... (1)
Description
本発明は、アクチュエータに関する。
本願は、2017年11月21日に、日本に出願された特願2017−223548号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。The present invention relates to an actuator.
The present application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-223548 filed in Japan on November 21, 2017, the contents of which are incorporated herein by reference.
先進国における高齢化社会の到来、ロボット工学の発達、人類の知的活動へのシフトなどから、様々な物品の動力化が求められており、種々のアクチュエータが提案されている。例えば、特許文献1には、コイル状又は非コイル状に撚りが挿入されたポリマーファイバーを含むアクチュエータにより、可逆的な電熱ねじり作動や、引張作動が実証されたことが開示されている。
With the advent of an aging society in developed countries, the development of robotics, and the shift to intellectual activities of humankind, the motorization of various articles is required, and various actuators have been proposed. For example,
アクチュエータが含む非コイル状に撚りが挿入されたポリマーファイバーは、シングルフィラメントまたはマルチフィラメントである、高強度で高度に鎖配向した前駆体ポリマーファイバーに、コイル化を生成しないレベルまで、撚りを挿入することにより形成される。 The non-coiled twisted polymer fiber contained in the actuator inserts the twist into a high-strength, highly chain-oriented precursor polymer fiber that is single-filament or multifilament to a level that does not produce coiling. Is formed by
アクチュエータが含むコイル状に撚りが挿入されたポリマーファイバーは、前記前駆体ポリマーファイバーに、コイル化が起こるまで撚りを挿入するか、又は、前記前駆体ポリマーファイバーにコイル化を生成しないレベルまで、撚りを挿入し、次いで、最初に挿入された撚りに、同じ方向または反対方向にコイル化を挿入することにより形成される。 The coiled polymer fiber contained in the actuator is either twisted into the precursor polymer fiber until coiling occurs, or twisted to a level that does not generate coiling into the precursor polymer fiber. Is then formed by inserting the coiling in the same or opposite direction into the first inserted twist.
このように、特許文献1には、ねじり作動(すなわち、回転駆動)を与える高分子アクチュエータが開示されているが、アクチュエータを駆動する温度環境によっては、アクチュエータの駆動安定性が低下する場合がある。
As described above,
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広い温度範囲の環境下で駆動安定性に優れたアクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an actuator having excellent drive stability in an environment in a wide temperature range.
上記目的を達成するために、本発明者らが検討した結果、以下の知見を得た。高分子アクチュエータを構成する繊維状高分子材料は、素材ごとに異なる温度−機械特性を有し、一般にガラス転移点温度(Tg)を超える温度環境下では機械強度(たとえば、ヤング率)が低下する。これにより、アクチュエータを、その繊維状高分子材料のガラス転移温度(Tg)よりも高い温度(たとえば、ガラス転移温度(Tg)が47℃であれば、80℃)で駆動させるようとすると、アクチュエータの駆動安定性へ悪影響を及ぼすことがわかった。すなわち、アクチュエータを上記の高い温度で駆動させる場合、ヤング率の低下は固定張力(すなわち、引張応力)の低下につながり、固定張力の低下はアクチュエータの駆動安定性へ悪影響を及ぼすことを見出した。また、室温での張力が高すぎてもアクチュエータにおける繊維状高分子材料の破断等の懸念がある。 As a result of examination by the present inventors in order to achieve the above object, the following findings were obtained. The fibrous polymer material constituting the polymer actuator has different temperature-mechanical properties depending on the material, and the mechanical strength (for example, Young's modulus) generally decreases in a temperature environment exceeding the glass transition temperature (Tg). .. As a result, when the actuator is driven at a temperature higher than the glass transition temperature (Tg) of the fibrous polymer material (for example, 80 ° C if the glass transition temperature (Tg) is 47 ° C), the actuator is attempted. It was found that the drive stability of the That is, it has been found that when the actuator is driven at the above-mentioned high temperature, a decrease in Young's modulus leads to a decrease in fixed tension (that is, tensile stress), and a decrease in fixed tension adversely affects the driving stability of the actuator. Further, even if the tension at room temperature is too high, there is a concern that the fibrous polymer material in the actuator may break.
このような知見に基づく、本発明の第一の態様に係るアクチュエータは、以下の通りである。
(1)加熱により繊維軸を中心とした回転駆動をする繊維状高分子材料と、前記繊維状高分子材料の両端を固定する固定手段とを備え、
前記繊維状高分子材料の両端が、前記固定手段により引張応力T(MPa)で固定されており、前記引張応力T(MPa)が、前記繊維状高分子材料の繊維軸方向のヤング率E(MPa)との間に、下記式(1)の関係を有するアクチュエータ。
0.011×E≦T≦0.023×E ・・・・(1)The actuator according to the first aspect of the present invention based on such findings is as follows.
(1) A fibrous polymer material that is rotationally driven around a fiber shaft by heating and a fixing means for fixing both ends of the fibrous polymer material are provided.
Both ends of the fibrous polymer material are fixed by the fixing means with a tensile stress T (MPa), and the tensile stress T (MPa) is the Young's modulus E (Young's modulus E in the fiber axis direction of the fibrous polymer material). An actuator having the relationship of the following formula (1) with MPa).
0.011 x E ≤ T ≤ 0.023 x E ... (1)
(2)更に、加熱手段を備える、前記(1)に記載のアクチュエータ。
(3)前記繊維状高分子材料を構成する高分子が、前記繊維状高分子材料の繊維軸と非平行の規則的な高分子配向を有するものを含む、前記(1)又は(2)に記載のアクチュエータ。
(4)前記繊維状高分子材料は捻られたものである、前記(3)に記載のアクチュエータ。(2) The actuator according to (1) above, further comprising a heating means.
(3) In the above (1) or (2), the polymer constituting the fibrous polymer material includes a polymer having a regular polymer orientation non-parallel to the fiber axis of the fibrous polymer material. The actuator described.
(4) The actuator according to (3) above, wherein the fibrous polymer material is twisted.
本発明のアクチュエータは、広い温度範囲の環境下で優れた駆動安定性を発揮することができる。 The actuator of the present invention can exhibit excellent drive stability in an environment over a wide temperature range.
図1は、本発明の一実施形態に係るアクチュエータ1を示す概略図である。
アクチュエータ1は、加熱により繊維軸を中心とした回転駆動をする繊維状高分子材料10と、繊維状高分子材料10の両端を固定する固定手段20,21とを備え、繊維状高分子材料10の両端が、固定手段20、21により引張応力T(MPa)で固定されており、引張応力T(MPa)が、繊維状高分子材料10の繊維軸方向のヤング率E(MPa)との間に、下記式(1)の関係を有する。FIG. 1 is a schematic view showing an
The
0.011×E≦T≦0.023×E ・・・・(1) 0.011 x E ≤ T ≤ 0.023 x E ... (1)
上記式(1)は、繊維状高分子材料のガラス転移温度(Tg)に関わらずいずれかの温度におけるものであってよく、繊維状高分子材料のTg−22℃以上Tg以下のいずれかの温度におけるものであってよく、繊維状高分子材料のTg−22℃におけるものであってよく、25℃におけるものであってよい。
固定手段20、21により繊維状高分子材料10を固定する際の引張応力Tを式(1)の条件とすることで、実施形態のアクチュエータ1は、広い温度範囲の環境下で安定した駆動性を得ることができる。The above formula (1) may be at any temperature regardless of the glass transition temperature (Tg) of the fibrous polymer material, and is any one of Tg-22 ° C. or higher and Tg or lower of the fibrous polymer material. It may be at a temperature, at Tg-22 ° C. of the fibrous polymer material, or at 25 ° C.
By setting the tensile stress T when fixing the
実施形態のアクチュエータにおいて、繊維状高分子材料10は、捻られたものであることが好ましい。捻られた(すなわち、捻り処理済み)繊維状高分子材料10は、通常、螺旋を巻かず、直線形状を維持したままで非コイル状に撚りが挿入されることにより得ることができる。また、捻られた繊維状高分子材料10は、一般的な繊維の紡糸、撚糸の工程において、繊維状形状を形成させる段階において、捻りが加えられたもの、すなわち、繊維状高分子材料の製造工程において捻られたものであってもよい。繊維状高分子材料10が捻られたものであることにより、加熱により駆動可能なアクチュエータが、より一層効率的に駆動可能となる。
In the actuator of the embodiment, the
未処理の繊維状高分子材料を予め製造し、その後、撚りを挿入する方法により繊維状高分子材料を捻る場合、繊維状高分子材料10として、例えば、直径500μmのナイロン6,6のモノフィラメントを25℃の環境下で、例えば、ナイロン6,6のモノフィラメントのヤング率の1×10−3〜1×10−2倍の適度な引張応力を加えてコイル化を生じさせないように捻じると、1m当たり400〜600回程度まで回転させた非コイル状の捻り処理済みモノフィラメントを得ることができる。When an untreated fibrous polymer material is manufactured in advance and then the fibrous polymer material is twisted by a method of inserting a twist, the
また、繊維状高分子材料10として、例えば、直径250μmのナイロン6,6のモノフィラメントを25℃の環境下で、ナイロン6,6のモノフィラメントのヤング率の1×10−3〜1×10−2倍の適度な引張応力を加えてコイル化を生じさせないように捻じると、1m当たり850〜1150回程度まで回転させた非コイル状の捻り処理済みモノフィラメントを得ることができる。この回転数を超えてナイロン6,6のモノフィラメントを捻じると、コイル化が生じ、又は破断してしまうおそれがある。また、フィラメントのヤング率の1×10−2倍を超えた引張応力を加えた場合には、スナール(巻き瘤)が生じたり、フィラメントが破断したりしやすい傾向がある。Further, as the
このように、ガラス転移温度が25℃よりも高い高分子から構成される繊維を、その高分子のガラス転移温度以下の温度環境下(たとえば、25℃)で適度な引張応力を加えて捻じると、その温度(25℃)においてコイル化が生じる直前の状態まで捻じられた非コイル状の捻り処理済みモノフィラメントを得ることができる。 In this way, a fiber composed of a polymer having a glass transition temperature higher than 25 ° C. is twisted by applying an appropriate tensile stress in a temperature environment below the glass transition temperature of the polymer (for example, 25 ° C.). Then, a non-coiled twisted monofilament twisted to the state immediately before coiling at that temperature (25 ° C.) can be obtained.
また、25℃よりも高い温度、例えば、捻ろうとする未処理の繊維状高分子材料を構成する高分子のガラス転移温度よりも高い温度で捻った場合には、より多くの回転数まで回転させても、コイル化や繊維状高分子材料の破断を生じさせずに捻ることができる場合がある。 Further, when twisted at a temperature higher than 25 ° C., for example, a temperature higher than the glass transition temperature of the polymer constituting the untreated fibrous polymer material to be twisted, the polymer is rotated to a higher number of revolutions. However, there are cases where it can be twisted without causing coiling or breaking of the fibrous polymer material.
繊維状高分子材料10のガラス転移温度以下の温度環境下で捻じりを加えた繊維状高分子材料10において、捻じりが元に戻る作用を抑制するために、その高分子のガラス転移温度以上の環境に一定期間置くなどの、残存応力緩和処理を行うことが好ましい。
なお、上記では、繊維状高分子材料10として、捻り処理済みモノフィラメントの取得について例示したが、繊維状高分子材料10は、捻り処理済みマルチフィラメントであってもよい。In the
In the above, the acquisition of the twisted monofilament has been illustrated as the
後述する実施例に示すように、室温(25℃)において、この繊維状高分子材料10である、捻り処理済みモノフィラメント(ナイロン6,6)に対して、上記式(1)の関係を有するよう30MPa以上50MPa以下の引張応力Tで固定することで、室温(25℃)から80℃までの広い温度範囲の環境下で安定した回転駆動性を保持ことができ、耐熱性が付与されたアクチュエータが得られる。ナイロン6,6の捻り処理済みモノフィラメントを繊維状高分子材料とし、式(1)の関係を有する高分子アクチュエータは、室温における駆動性の安定を損なうことなく、80℃の高温環境下での安定した駆動性を発揮する。
As shown in Examples described later, at room temperature (25 ° C.), the twisted monofilament (nylon 6, 6), which is the
また、繊維状高分子材料10の繊維軸方向のヤング率Eに対して引張応力Tが高い場合には、アクチュエータの出力(例えば、仕事率Wr)が低下する傾向がある。引張応力Tは、0.023×E以下であり、0.022×E以下であることが好ましく、0.021×E以下であることがより好ましく、0.020×E以下であることが特に好ましい。
Further, when the tensile stress T is higher than the Young's modulus E in the fiber axial direction of the
また、繊維状高分子材料10の繊維軸方向のヤング率Eに対して引張応力Tが低い場合には、アクチュエータの駆動安定性が低下する傾向がある。引張応力Tは、0.011×E以上であり、0.012×E以上であることが好ましく、0.013×E以上であることがより好ましい。
Further, when the tensile stress T is low with respect to the Young's modulus E in the fiber axial direction of the
上記の捻られた(捻り処理済み)繊維状高分子材料は、繊維状高分子材料を構成する高分子が、前記繊維状高分子材料の繊維軸と非平行の規則的な高分子配向を有するものを含むものであってよい。繊維状高分子材料は、高分子鎖が配向することにより、繊維軸方向とその垂直方向とで、構造及び物性において高い異方性を示すことが一般に知られている。これは繊維軸方向と平行に高分子鎖が配向し、結晶構造を形成しやすいことに起因する。繊維状高分子材料を構成する高分子は、繊維状高分子材料の繊維軸と非平行の規則的な高分子配向を有するものを含むことが好ましい。繊維状高分子材料を構成する高分子が、繊維軸と非平行の規則的な高分子配向をするものを含んでいることは、繊維状高分子材料に回転駆動する機能を付与する一手段である。繊維状高分子材料に捻りを加えることで、繊維状高分子材料を構成する高分子が繊維軸に斜行して規則的に配向した状態とでき、必要によりアニールを行うことで、上記状態を固定できる。
繊維状高分子材料を構成する高分子が、繊維軸と非平行の規則的な配向をするものを含んでいることは、繊維状高分子材料の小角X線散乱分析および広角X線回折分析により特定することができる。In the twisted (twisted) fibrous polymer material, the polymer constituting the fibrous polymer material has a regular polymer orientation that is non-parallel to the fiber axis of the fibrous polymer material. It may include things. It is generally known that a fibrous polymer material exhibits high anisotropy in structure and physical properties in the fiber axis direction and the direction perpendicular to the fiber axis direction due to the orientation of the polymer chains. This is because the polymer chains are oriented parallel to the fiber axis direction and easily form a crystal structure. The polymer constituting the fibrous polymer material preferably contains a polymer having a regular polymer orientation non-parallel to the fiber axis of the fibrous polymer material. The fact that the polymer constituting the fibrous polymer material contains a polymer having a regular polymer orientation that is not parallel to the fiber axis is one means of imparting a rotational driving function to the fibrous polymer material. is there. By twisting the fibrous polymer material, the polymers constituting the fibrous polymer material can be obliquely oriented along the fiber axis, and if necessary, annealing can be performed to bring about the above state. Can be fixed.
The fact that the polymers constituting the fibrous polymer material include those having a regular orientation non-parallel to the fiber axis is determined by small-angle X-ray scattering analysis and wide-angle X-ray diffraction analysis of the fibrous polymer material. Can be identified.
実施形態のアクチュエータは、所定のガラス転移温度(Tg)を有する繊維状高分子材料が駆動源とした場合に、ガラス転移温度(Tg)近辺の温度で好適に駆動させることができ、かつ、式(1)の関係を有するので、ガラス転移温度(Tg)近辺の温度を含む広い温度環境下で優れた駆動安定性を発揮する。したがって、例えば、ガラス転移温度(Tg)が45℃のナイロン6や、47℃のナイロン6,6を繊維状高分子材料とすることにより、室温付近における駆動性を損なうことなく、約80℃の高温環境下での駆動安定性に優れたアクチュエータとすることができる。 The actuator of the embodiment can be suitably driven at a temperature near the glass transition temperature (Tg) when a fibrous polymer material having a predetermined glass transition temperature (Tg) is used as a driving source, and is of the formula. Since it has the relationship (1), it exhibits excellent drive stability in a wide temperature environment including a temperature near the glass transition temperature (Tg). Therefore, for example, by using nylon 6 having a glass transition temperature (Tg) of 45 ° C. or nylon 6 or 6 having a glass transition temperature (Tg) of 47 ° C. as the fibrous polymer material, the drivability at around room temperature is not impaired, and the temperature is about 80 ° C. The actuator can be an actuator having excellent drive stability in a high temperature environment.
繊維状高分子材料を構成する高分子の種類としては、高分子の結晶化を促進する観点から、線形の高分子が好ましい。ここで、線形の高分子とは、主鎖に環状構造を含まないものをいう。線形の高分子としては、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ナイロン6、ナイロン6,6等のナイロン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等のフッ素樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等のうち、主鎖に環状構造を持たないものが挙げられる。
なお、繊維状高分子材料とは、高分子材料からなる繊維であってよい。
実施形態のアクチュエータにおいて、繊維状高分子材料を構成する高分子のガラス転移温度(Tg)は、25℃よりも高いものが好ましく、高分子のガラス転移温度(Tg)は40℃以上であることが好ましい。また、高分子のガラス転移温度(Tg)の上限としては、160℃以下であることが好ましく、90℃以下であることがより好ましく、60℃以下であることがさらに好ましい。例えば、高分子の種類としては、ナイロン6(Tg:45℃)、ナイロン6,6(Tg:47℃)等のナイロン、ポリメチルメタクリレート(Tg:100℃)等のアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート(Tg:80℃)等のポリエステル樹脂、ポリカーボネート(Tg:145℃)、ポリ塩化ビニル(Tg:82℃)、ポリカーボネート(Tg:150℃)、ポリエーテルエーテルケトン(Tg:143℃)等が挙げられる。また、ガラス転移温度(Tg)が25℃以下の高分子の種類としては、ポリエチレン(Tg:−120℃)、ポリプロピレン(Tg:−20℃)等が挙げられる。As the type of polymer constituting the fibrous polymer material, a linear polymer is preferable from the viewpoint of promoting crystallization of the polymer. Here, the linear polymer means a polymer whose main chain does not contain a cyclic structure. Examples of the linear polymer include low-density polyethylene, high-density polyethylene, polyolefins such as polypropylene, nylon 6, nylons 6,6 and the like, polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride, etc. Among fluororesins such as perfluoroalkoxy alkane resin, acrylic resins, urethane resins, etc., those having no cyclic structure in the main chain can be mentioned.
The fibrous polymer material may be a fiber made of the polymer material.
In the actuator of the embodiment, the glass transition temperature (Tg) of the polymer constituting the fibrous polymer material is preferably higher than 25 ° C., and the glass transition temperature (Tg) of the polymer is 40 ° C. or higher. Is preferable. The upper limit of the glass transition temperature (Tg) of the polymer is preferably 160 ° C. or lower, more preferably 90 ° C. or lower, and even more preferably 60 ° C. or lower. For example, the types of polymers include nylon such as nylon 6 (Tg: 45 ° C.) and nylon 6,6 (Tg: 47 ° C.), acrylic resin such as polymethylmethacrylate (Tg: 100 ° C.), and polyethylene terephthalate (Tg). : 80 ° C.) and other polyester resins, polycarbonate (Tg: 145 ° C.), polyvinyl chloride (Tg: 82 ° C.), polycarbonate (Tg: 150 ° C.), polyetheretherketone (Tg: 143 ° C.) and the like. Examples of the type of polymer having a glass transition temperature (Tg) of 25 ° C. or lower include polyethylene (Tg: −120 ° C.) and polypropylene (Tg: −20 ° C.).
実施形態のアクチュエータにおいて、例えば、ガラス転移温度(Tg)が47℃のナイロン6,6を繊維状高分子材料とするアクチュエータであれば、室温付近における駆動性を損なうことなく、かつ、約80℃の高温環境下を含む広い温度範囲において、駆動安定性に優れたアクチュエータとすることができる。例えば、ガラス転移温度(Tg)が−120℃のポリエチレンを繊維状高分子材料とするアクチュエータであれば、−120℃付近を含む広い温度範囲において、駆動安定性に優れたアクチュエータとすることができる。例えば、ガラス転移温度(Tg)が143℃のポリエーテルエーテルケトンを繊維状高分子材料とすることにより、143℃付近を含む広い温度範囲において、駆動安定性に優れたアクチュエータとすることができる。 In the actuator of the embodiment, for example, in the case of an actuator using nylons 6 and 6 having a glass transition temperature (Tg) of 47 ° C. as a fibrous polymer material, the driveability near room temperature is not impaired and the temperature is about 80 ° C. It is possible to obtain an actuator having excellent drive stability in a wide temperature range including a high temperature environment. For example, an actuator using polyethylene having a glass transition temperature (Tg) of −120 ° C. as a fibrous polymer material can be an actuator having excellent drive stability in a wide temperature range including around −120 ° C. .. For example, by using a polyetheretherketone having a glass transition temperature (Tg) of 143 ° C. as a fibrous polymer material, an actuator having excellent drive stability can be obtained in a wide temperature range including around 143 ° C.
実施形態のアクチュエータは、このように、繊維状高分子材料のガラス転移温度(Tg)を含む、Tg±40℃の広い温度範囲において、駆動安定性に優れたアクチュエータとすることができる。アクチュエータの使用環境を考慮して、アクチュエータの駆動の安定が高まる蓋然性の高い温度範囲に、室温が含まれ、汎用性に優れたものとなるという観点から、繊維状高分子材料のガラス転移温度(Tg)は、25℃を超え、60℃以下であることが特に好ましい。 As described above, the actuator of the embodiment can be an actuator having excellent drive stability in a wide temperature range of Tg ± 40 ° C. including the glass transition temperature (Tg) of the fibrous polymer material. Considering the usage environment of the actuator, the glass transition temperature of the fibrous polymer material (from the viewpoint that the room temperature is included in the temperature range with a high probability of increasing the stability of the actuator drive and the fibrous polymer material is excellent in versatility. Tg) is particularly preferably above 25 ° C and below 60 ° C.
繊維状高分子材料を構成する高分子は結晶性であることが好ましい。繊維状高分子材料における高分子の結晶化度は、50%以上であることが好ましく55%〜90%であることがさらに好ましい。結晶化度がこのような範囲にあることで、分子配向の異方性が高く、アクチュエータとしての効果に優れるものとすることが容易となる。 The polymer constituting the fibrous polymer material is preferably crystalline. The crystallinity of the polymer in the fibrous polymer material is preferably 50% or more, and more preferably 55% to 90%. When the crystallinity is in such a range, the anisotropy of the molecular orientation is high, and it becomes easy to make the effect as an actuator excellent.
実施形態のアクチュエータにおいて、繊維状高分子材料は、モノフィラメントファイバーを含むものであってよく、モノフィラメントファイバーからなるものであってもよく、マルチフィラメントファイバーを含むものであってもよく、マルチフィラメントファイバーからなるものであってもよい。
繊維状高分子材料は、捻りが加えられたモノフィラメントファイバーであってもよく、コイル化が生じる直前まで、すなわちコブが生じる直前まで捻りが加えられたモノフィラメントファイバーであってもよい。In the actuator of the embodiment, the fibrous polymer material may include monofilament fibers, may be composed of monofilament fibers, may contain multifilament fibers, or may be from multifilament fibers. It may be.
The fibrous polymer material may be a twisted monofilament fiber, or may be a twisted monofilament fiber until just before coiling occurs, that is, just before hump occurs.
実施形態のアクチュエータは、繊維状高分子材料10の両端を固定する固定手段20,21を備える。固定手段20,21は、繊維状高分子材料10の両端を所定の引張応力Tで固定できるものであれば制限されない。繊維状高分子材料10の長さを一定に固定できる単なるチャック(すなわち、固定治具)であってもよく、引張応力Tを調整することのできるバネを備えた固定手段であってもよい。
The actuator of the embodiment includes fixing means 20 and 21 for fixing both ends of the
実施形態のアクチュエータにおいて、繊維状高分子材料10は、加熱により繊維軸を中心とした回転駆動をするものである。実施形態のアクチュエータは加熱手段を備えるものであってもよく、加熱手段を備えずに、外部の環境温度に反応して繊維軸を中心とした回転駆動をするものであってもよい。
In the actuator of the embodiment, the
実施形態のアクチュエータが備える加熱手段としては、繊維状高分子材料に直接に接する導電体であることが好ましい。加熱手段は、繊維状高分子材料に螺旋状に所定の隙間を設けて巻かれた線状導電体であることが好ましい。導電体に電圧を印加することで、繊維状高分子材料を加熱できる。
図2は、直径D10の繊維状高分子材料10に、直径D11の線状導電体11が螺旋状に所定の隙間間隔Iを設けて巻かれている例を示す概略図である。The heating means included in the actuator of the embodiment is preferably a conductor that is in direct contact with the fibrous polymer material. The heating means is preferably a linear conductor wound around a fibrous polymer material with a predetermined gap spirally provided. The fibrous polymer material can be heated by applying a voltage to the conductor.
2, the
線状導電体11としては、金属ワイヤやカーボンナノチューブの糸が挙げられる。好ましい金属ワイヤとしては、タングステンワイヤ、ステンレスワイヤ、銅ワイヤ等が挙げられる。 Examples of the linear conductor 11 include a metal wire and a thread of carbon nanotubes. Preferred metal wires include tungsten wire, stainless wire, copper wire and the like.
繊維状高分子材料10の直径D10は、0.01mm<D10≦40mmであってもよく、0.05mm<D10≦10mmであってもよく、0.1mm<D10≦1mmであってもよい。The diameter D 10 of the fibrous
また、繊維状高分子材料10及び線状導電体11の断面は、円形であるものを前提にして説明しているが、略円形のものであってもよく、略楕円形のものであってもよく、偏平な形状であってもよい。そのとき、その略円形、略楕円形又は偏平な形状の長径は、円形の直径D11又はD10に置き換えて(すなわち、ヘイウッド径換算して)理解することができる。Further, although the cross sections of the
アクチュエータ1の長さあたりの電気抵抗を好適な範囲とするため、繊維状高分子材料10の直径D10、線状導電体11の直径D11、及び線状導電体11のピッチ(I+D11)を適宜設計することができる。繊維状高分子材料10の直径D10が、例えば、0.1mm<D10≦1mmであるとき、線状導電体11の直径D11は、1μm≦D11≦1000μmが好ましく、5μm≦D11≦500μmがより好ましく、10μm≦D11≦100μmが特に好ましい。In order to set the electric resistance per length of the
繊維状高分子材料10の直径D10と、線状導電体11の直径D11との関係は、0.001≦D11/D10<2が好ましく、0.005≦D11/D10≦1.0がより好ましく、0.01≦D11/D10≦0.5が特に好ましい。The diameter D 10 of the fibrous
線状導電体11の直径D11と、線状導電体11の導電体間距離Iとの関係は、0.01≦I/D11≦10が好ましく、0.05≦I/D11≦5がより好ましく、0.1≦I/D11≦3が特に好ましい。The relationship between the diameter D 11 of the linear conductor 11 and the distance I between the conductors of the linear conductor 11 is preferably 0.01 ≦ I / D 11 ≦ 10, and 0.05 ≦ I / D 11 ≦ 5. Is more preferable, and 0.1 ≦ I / D 11 ≦ 3 is particularly preferable.
線状導電体11と繊維状高分子材料10との成す角度θは、0°<θ≦90°であり、30°≦θ≦90°が好ましく、45°≦θ≦75°がより好ましい。
The angle θ formed by the linear conductor 11 and the
線状導電体11は繊維状高分子材料10に固定されていることが好ましい。繊維状高分子材料10に線状導電体11が螺旋状に巻かれ、接着固定されていることが好ましい。線状導電体11が巻き付けられた繊維状高分子材料10の表面に、接着剤を塗布し、乾燥・硬化させて線状導電体11を繊維状高分子材料の表面10上に固定してもよく、繊維状高分子材料10の表面に、予め接着剤を塗布し、その後、繊維状高分子材料10の表面の接着剤層の上に線状導電体11を巻き付けて、乾燥・硬化させて線状導電体11を繊維状高分子材料10の表面上に固定してもよい。
The linear conductor 11 is preferably fixed to the
繊維状高分子材料10に線状導電体11が螺旋状に巻かれ、接着固定されている態様は、線状導電体11が接着剤の樹脂硬化物に完全に被覆されていてもよく、線状導電体11の螺旋構造の隣接する隙間に接着剤の樹脂硬化物が充填され、線状導電体11の一部が露出されていてもよい。
In the embodiment in which the linear conductor 11 is spirally wound around the
繊維状高分子材料10に線状導電体11が螺旋状に巻かれ、接着固定されていることにより、線状導電体11の、繊維状高分子材料10の表面上の固定位置がずれることを防止しやすい。
Since the linear conductor 11 is spirally wound around the
本発明のアクチュエータの製造方法の一例を図3で説明する。初めに、捻り処理済みモノフィラメントの繊維状高分子材料10の一端を、固定手段20で止めた後、繊維状高分子材料10の他端に錘40を下げる。あらかじめこの捻り処理済みモノフィラメントのヤング率Eを測定しておけば、錘40の重量を調整することで、式(1)の関係を有するように、引張応力Tを調整することができる。更に、固定手段21で繊維状高分子材料10を止めることにより、繊維状高分子材料10と、繊維状高分子材料10の両端を固定する固定手段20,21とを備え、繊維状高分子材料10の両端が、固定手段20、21により固定され、式(1)の関係を有するアクチュエータとすることができる。
An example of the method for manufacturing the actuator of the present invention will be described with reference to FIG. First, one end of the twisted monofilament
また、例えば、固定手段20,21で固定された繊維状高分子材料10の中央に、ステンレス板などの動力伝達手段30を設け、そのステンレス板の一端又は両端に運動を与えるべき対象を接続することで、アクチュエータが動力源として機能する。この構造においては、繊維状高分子材料10のうち、固定手段20,21間の範囲の固定手段20側の半分の部分を加熱することにより、動力伝達手段30に対して、繊維状高分子材料10の繊維軸を中心とした回転駆動を与えることができる。また、繊維状高分子材料10のうち、上記範囲の固定手段21側の半分の部分を加熱することで、動力伝達手段30に対して、繊維状高分子材料10の繊維軸を中心とした逆の回転駆動を与えることができる。
Further, for example, a power transmission means 30 such as a stainless plate is provided in the center of the
以下、具体的実施例により、本発明についてより詳細に説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に、何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the examples shown below.
[繊維状高分子材料のヤング率評価]
実施例および比較例で得られた捻り処理済みモノフィラメント(直径0.5mm、捻り回数500回/m)15cmを採取し、恒温槽付引っ張り試験機(INSTRON社製引張試験機5581)に試験長10cmにて取り付けた。恒温槽を25℃、40℃および80℃にそれぞれ保ち、フィラメントを取り付けてから5分以上静置してから引っ張り試験を行った。引っ張り速度は10mm/分で行い、得られた応力−歪み曲線の直線領域からヤング率を算出した。[Evaluation of Young's modulus of fibrous polymer material]
Twisted monofilaments (diameter 0.5 mm, number of twists 500 times / m) obtained in Examples and Comparative Examples were collected and subjected to a test length of 10 cm in a tensile tester with a constant temperature bath (Tensile tester 5581 manufactured by INSTRON). I installed it at. The constant temperature bath was kept at 25 ° C., 40 ° C., and 80 ° C., respectively, and the filament was attached and allowed to stand for 5 minutes or more before performing a tensile test. The tensile speed was 10 mm / min, and Young's modulus was calculated from the linear region of the obtained stress-strain curve.
[アクチュエータの動作安定性評価]
実施例および比較例で得られた加熱応答型アクチュエータにおける細線付きモノフィラメントの中央(端部より4cmの部分)に、動力伝達手段としての幅4mm×長さ4cm×厚み1mmのステンレス板2枚を固定した(図1参照。)。このステンレス板の合計の重量は6gであった。25℃の環境下で、細線付きモノフィラメントの一方の端部の固定部分から中央の板までの半分の長さの部分に対し、5Vの直流電圧を印加して回転運動を起こして中央のステンレス板を回転させた。ステンレス板の水平状態を初期の角度としたときに+20度回転した時点で直流電源を切り、直後にもう一方の細線付きモノフィラメントの端部固定部分から中央のステンレス板までの半分の長さの部分に同様に5Vの直流電圧を印加し、先とは反対方向の回転を、ステンレス板が−20度に達するまで継続した。同様の操作を60回繰り返し、それぞれの回転方向での運動を起こしていた時間(「半周期時間」)tを周期ごとに計測して、半周期時間tの相対標準偏差(RSD)を算出することにより比較・評価した。同様の動作試験を40℃および80℃にて行い、各温度条件ごとに半周期時間tの相対標準偏差(RSD)を算出した。相対標準偏差(RSD)について、5%を下回ったものを「良い」、上回ったものを「悪い」と評価した。[Evaluation of actuator operation stability]
Two stainless steel plates having a width of 4 mm, a length of 4 cm, and a thickness of 1 mm are fixed to the center (a portion 4 cm from the end) of the monofilament with a thin wire in the heat-responsive actuators obtained in Examples and Comparative Examples. (See Fig. 1). The total weight of this stainless steel plate was 6 g. In an environment of 25 ° C, a DC voltage of 5 V is applied to a part of half the length from the fixed part of one end of the monofilament with a thin wire to the central plate to cause rotational movement, and the central stainless plate. Was rotated. When the horizontal state of the stainless steel plate is set to the initial angle, the DC power is turned off when it is rotated by +20 degrees, and immediately after that, the half length part from the end fixing part of the other monofilament with a thin wire to the central stainless steel plate. Similarly, a DC voltage of 5 V was applied, and the rotation in the opposite direction was continued until the stainless plate reached -20 degrees. The same operation is repeated 60 times, the time t during which the motion is occurring in each rotation direction (“half cycle time”) t is measured for each cycle, and the relative standard deviation (RSD) of the half cycle time t is calculated. We compared and evaluated by. A similar operation test was performed at 40 ° C. and 80 ° C., and the relative standard deviation (RSD) of the half cycle time t was calculated for each temperature condition. Regarding the relative standard deviation (RSD), those below 5% were evaluated as "good", and those above 5% were evaluated as "bad".
[アクチュエータの仕事率の測定]
図4及び図5を用いて、アクチュエータの仕事率の測定方法を説明する。動力伝達手段30である長さ40mm、幅7mm、厚さ1mm、重さ2gのステンレス板を、実施例および比較例で得られたアクチュエータの繊維状高分子材料10である細線付きフィラメントの中点に、細線付きフィラメントに対して直角に交わるように取り付けた。この測定用アクチュエータを、図4に示すように、細線付きフィラメントおよびステンレス板がいずれも水平になるように、設置治具70,71に設置し、動力伝達手段30であるステンレス板の両端に、重さが無視できるほどに細い、直径0.1mmのナイロン糸50,51を接着した。次いで、ステンレス板のそれぞれの両端の上方に、図4に示すように滑車61と角度計付き滑車60を設置した。滑車61および角度計付き滑車60の位置は、ナイロン糸50,51が垂直に伸びて、滑車61および角度計付き滑車60との接点に至る位置である。滑車61および角度計付き滑車60の直径はいずれも10mmであった。そして、角度計付き滑車60から垂れ下がる、ナイロン糸50のうちステンレス板と接続されていない側の先端には、角度計付き滑車60との接点から下方15cmの位置に7gの錘41を取り付けた。他方、角度計のない滑車61から垂れ下がるナイロン糸51のうち、ステンレス板と接続されていない側の先端には、5gの錘42を取り付けた。[Measurement of actuator power]
A method of measuring the power of the actuator will be described with reference to FIGS. 4 and 5. A stainless steel plate having a length of 40 mm, a width of 7 mm, a thickness of 1 mm, and a weight of 2 g, which is a power transmission means 30, is used as a midpoint of a filament with a fine wire, which is a
次に、25℃の環境下で、設置治具70,71を外して、繊維状高分子材料10である細線付きモノフィラメントの一方の端部の固定部分から中央の動力伝達手段30であるステンレス板までの半分の長さの部分に対し、12Vの直流電圧を2秒間印加すると、図5(a)に示すように、細線付きモノフィラメントが回転駆動して7gの錘41が吊り降りた。続いて、細線付きモノフィラメントの反対側の半分の長さの部分に対して12Vの直流電圧を2秒間印加すると、図5(b)に示すように、細線付きモノフィラメントが回転駆動して7gの錘41が吊り上がった。これを1サイクルとし、両側の錘の重量の差である2gを持ち上げる仕事を50サイクル繰り返させた。この1サイクルにおける、重量差2gを持ち上げる2秒間の錘の移動量d(mm)を角度計の角度から計算し、その値を用いて下記式(2)から仕事率Wrを計算し、50サイクルの平均を求めた。
Wr(μJ/秒)
=2(g)÷1000×9.8×d(mm)÷1000×106÷2(秒)
=9.8×d(μJ/秒) ・・・(2)Next, in an environment of 25 ° C., the installation jigs 70 and 71 are removed, and the stainless plate which is the central power transmission means 30 from the fixed portion of one end of the monofilament with a fine wire which is the
Wr (μJ / sec)
= 2 (g) ÷ 1000 × 9.8 × d (mm) ÷ 1000 × 10 6 ÷ 2 (seconds)
= 9.8 × d (μJ / sec) ・ ・ ・ (2)
[実施例1]
直径0.5mmのナイロン6,6(Tg:47℃)からなるモノフィラメント(東レモノフィラメント社製)を、荷重400gおよび捻り回数500回/mの条件で捻り、180℃で40分間の条件でアニーリングを行い、捻り処理済みモノフィラメントを得た。この捻り処理済みモノフィラメントのヤング率を、上記の評価法により測定したところ、25℃のヤング率は2.27GPaであった。なお、捻じる前の、ナイロン6,6のモノフィラメントの25℃のヤング率は3.02GPa、捻った後の、40℃のヤング率Eは1.43GPa、80℃のヤング率Eは0.95GPaであった。[Example 1]
A monofilament (manufactured by Toray Monofilament Co., Ltd.) made of nylon 6,6 (Tg: 47 ° C.) having a diameter of 0.5 mm is twisted under the conditions of a load of 400 g and a number of twists of 500 times / m, and annealing is performed at 180 ° C. for 40 minutes. This was performed to obtain a twisted monofilament. When the Young's modulus of the twisted monofilament was measured by the above evaluation method, the Young's modulus at 25 ° C. was 2.27 GPa. The Young's modulus E of nylon 6 and 6 monofilaments at 25 ° C. before twisting was 3.02 GPa, the Young's modulus E at 40 ° C. after twisting was 1.43 GPa, and the Young's modulus E at 80 ° C. was 0.95 GPa. Met.
次に、捻り処理済みモノフィラメントの周りに、直径0.03mmのタングステン細線を巻き付けて加熱手段とした。タングステン細線の巻き付けピッチ(一巻きの細線の細線一本分の幅と、その細線および隣り合う細線の間の距離との和)は0.12mmとした。
得られた細線付きフィラメント(すなわち、繊維状高分子材料10)を採取し、一方の端部から5mmの部分を、間隔を設けて2つのチャックを設けた治具の一方のチャック(すなわち、固定手段20)に固定した(図3参照。)。そして、細線付きフィラメントの他方の端部は、もう一つのチャック(すなわち、固定手段21)を通した上で、600gの錘40に接続し、この錘40にかかる重力と等しい張力が細線付きフィラメントに印加されるようにした。そして、その状態で下方のチャック(すなわち、固定手段21)を閉じ、固定することにより細線付きフィラメントを張力600gf(600g÷1000×9.8÷((0.25mm÷1000)2×π)÷106≒30MPa)にて固定した。細線付きフィラメントのチャック間に張られた部分の長さは7cmであった。このようにして、動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータを得た。また、同様の手順で、細線付きフィラメントのチャック間に張られた部分の長さを10cmとして、仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータを得た。Next, a fine tungsten wire having a diameter of 0.03 mm was wound around the twisted monofilament to serve as a heating means. The winding pitch of the tungsten thin wire (the sum of the width of one thin wire of one roll and the distance between the thin wire and the adjacent thin wire) was set to 0.12 mm.
The obtained filament with fine wires (that is, the fibrous polymer material 10) is collected, and one chuck (that is, fixing) of a jig provided with two chucks at a distance of 5 mm from one end. It was fixed to the means 20) (see FIG. 3). Then, the other end of the filament with fine wire is passed through another chuck (that is, fixing means 21) and connected to a
実施例1の仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータについて、上記の方法で仕事率の測定を行った結果を表1に示す。実施例1の動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータについて、25℃、40℃及び80℃の各温度環境下で、上記の方法で動作安定性の評価を行った結果を図6及び表1に示す。 Table 1 shows the results of measuring the power by the above method for the heat-responsive actuator for measuring the power of Example 1. FIG. 6 and Table show the results of evaluating the operational stability of the heat-responsive actuator for evaluating the operational stability of Example 1 under the respective temperature environments of 25 ° C., 40 ° C., and 80 ° C. by the above method. Shown in 1.
[実施例2]
錘40の質量を変更し、細線付きフィラメントを固定する張力を800gf(約40MPa)とした以外は、実施例1と同様にして、加熱応答型アクチュエータを得た。実施例2の仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータについて、上記の方法で仕事率の測定を行った結果を表1に示す。実施例2の動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータについて、25℃、40℃及び80℃の各温度環境下で、上記の方法で動作安定性の評価を行った結果を表1に示す。[Example 2]
A heat-responsive actuator was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mass of the
[実施例3]
錘40の質量を変更し、細線付きフィラメントを固定する張力を1000gf(約50MPa)とした以外は、実施例1と同様にして、加熱応答型アクチュエータを得た。実施例3の仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータについて、上記の方法で仕事率の測定を行った結果を表1に示す。実施例3の動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータについて、25℃、40℃及び80℃の各温度環境下で、上記の方法で動作安定性の評価を行った結果を表1に示す。[Example 3]
A heat-responsive actuator was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mass of the
[比較例1]
錘40の質量を変更し、細線付きフィラメントを固定する張力を400gf(約20MPa)とした以外は、実施例1と同様にして、加熱応答型アクチュエータを得た。比較例1の仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータについて、上記の方法で仕事率の測定を行った結果を表1に示す。比較例1の動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータについて、25℃、40℃及び80℃の各温度環境下で、上記の方法で動作安定性の評価を行った結果を図7及び表1に示す。[Comparative Example 1]
A heat-responsive actuator was obtained in the same manner as in Example 1 except that the mass of the
実施例1〜3及び比較例1の、仕事率の測定のための加熱応答型アクチュエータは、いずれもが、9μJ/s以上の仕事率で機能していることが分かった。 It was found that the heat-responsive actuators for measuring the power in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 all functioned at a power of 9 μJ / s or more.
実施例1〜3及び比較例1の、動作安定性評価のための加熱応答型アクチュエータについて、上記の方法で動作安定性の評価を行ったところ、25℃及び40℃の評価ではいずれも「良い」の判定であった。そして、実施例1〜3の加熱応答型アクチュエータでは、80℃の高温でも、動作安定性評価の判定は「良い」であったが、比較例1の加熱応答型アクチュエータでは、80℃の高温では、動作安定性評価の判定は「悪い」結果であった。 When the operation stability of the heat-responsive actuators of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 for evaluation of operation stability was evaluated by the above method, both of the evaluations of 25 ° C. and 40 ° C. were "good". Was the judgment. Then, in the heating response type actuators of Examples 1 to 3, the judgment of the operation stability evaluation was "good" even at a high temperature of 80 ° C., but in the heating response type actuator of Comparative Example 1, at a high temperature of 80 ° C. , The judgment of the operation stability evaluation was a "bad" result.
固定手段20、21により繊維状高分子材料10を固定する際の引張応力Tを式(1)の条件とすることで、アクチュエータ1は、広い温度範囲の環境下での安定した駆動性を得ることができることが分かった。
By setting the tensile stress T when fixing the
各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は各実施形態によって限定されることはなく、請求項(クレーム)の範囲によってのみ限定される。 Each configuration and a combination thereof in each embodiment are examples, and the configurations can be added, omitted, replaced, and other changes are possible without departing from the spirit of the present invention. Moreover, the present invention is not limited to each embodiment, but is limited only to the scope of claims.
本発明のアクチュエータは、加熱により繊維軸を中心とした回転駆動をするアクチュエータとして、様々な物品の動力化の用途において、使用することができる。 The actuator of the present invention can be used as an actuator for rotationally driving around a fiber shaft by heating in various articles for motorization.
1・・・アクチュエータ、10・・・繊維状高分子材料、11・・・線状導電体、20,21・・・固定手段、30・・・動力伝達手段、40,41,42・・・錘、50,51・・・ナイロン糸、60・・・角度計付き滑車、61・・滑車、70,71・・・設置治具、I・・・線状導電体の螺旋構造の隣接する線状導電体同士の隙間間隔、D10・・・繊維状高分子材料の直径、D11・・・線状導電体の直径、T・・・固定手段による繊維状高分子材料への引張応力、E・・・繊維状高分子材料のヤング率、d・・・錘の移動量1 ... Actuator, 10 ... Fibrous polymer material, 11 ... Linear conductor, 20, 21 ... Fixing means, 30 ... Power transmission means, 40, 41, 42 ... Weight, 50, 51 ... Nylon thread, 60 ... Slider with angle meter, 61 ... Slider, 70, 71 ... Installation jig, I ... Adjacent line of spiral structure of linear conductor Gap spacing between conductive conductors, D 10 ... Diameter of fibrous polymer material, D 11 ... Diameter of linear conductor, T ... Tension stress on fibrous polymer material by fixing means, E: Young's modulus of fibrous polymer material, d: Movement amount of weight
Claims (4)
前記繊維状高分子材料の両端が、前記固定手段により引張応力T(MPa)で固定されており、前記引張応力T(MPa)が、前記繊維状高分子材料の繊維軸方向のヤング率E(MPa)との間に、下記式(1)の関係を有するアクチュエータ。
0.011×E≦T≦0.023×E ・・・・(1)It is provided with a fibrous polymer material that is rotationally driven around a fiber shaft by heating and a fixing means for fixing both ends of the fibrous polymer material.
Both ends of the fibrous polymer material are fixed by the fixing means with a tensile stress T (MPa), and the tensile stress T (MPa) is the Young's modulus E (Young's modulus E in the fiber axis direction of the fibrous polymer material). An actuator having the relationship of the following formula (1) with MPa).
0.011 x E ≤ T ≤ 0.023 x E ... (1)
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