專利名稱：高分子致動器和使用了該致動器的閥以及軸封結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用了高分子材料的高分子致動器，特別涉及適合于使用該高分子致 動器進行流路的開閉、流量控制的閥以及軸封結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
以往，例如，作為容器內(nèi)的流路的控制，在對流體進行常時密封的情況下，通常利 用使用了密封部件的軸封裝置。該軸封裝置中的密封部件為了對空氣/水/油/氣體等多 種多樣的流體進行密封，例如，使用剖面大致圓形狀的環(huán)狀0環(huán)、填充環(huán)。這些密封部件其 主要的功能對流體進行密封，所以要求較高的密封性能。因此，在密封部件中，通常，在軸封裝置中的一側(cè)的部件中，在軸或者孔的半徑方 向上形成于同一平面內(nèi)的軸向上安裝了剖面略矩形形狀的槽，通過與另一側(cè)的部件的接觸 壓力來進行密封時，具有通過槽部形狀而壓縮的壓縮余量。在組裝了軸封裝置后，例如，0環(huán) 由于該壓縮余量被壓縮而產(chǎn)生推斥力，根據(jù)該推斥力，發(fā)揮通過接觸面壓得到的密封性而 進行軸封。另外，通常，以各種合成橡膠為材料形成了密封部件，但為了使該材料在不引起異 常的變形的范圍內(nèi)發(fā)揮適度的壓縮應力，特別需要滿足規(guī)定的低壓縮永久形變、進而需要 滿足耐候性/耐摩耗性/耐熱、以及耐寒性/耐油性/耐藥品性等特性。另外，密封部件例 如用于汽車/建設(shè)機械/飛機/OA設(shè)備/產(chǎn)業(yè)設(shè)備等多個領(lǐng)域的軸封裝置中，所以需要根 據(jù)各領(lǐng)域(用途)選擇材料而使壓縮余量成變得適當，不論在軸封部移動的運動、或者軸封 部不移動的固定用的任何狀態(tài)下使用的情況下，都需要以軸封功能的確保為前提而實現(xiàn)耐 久性/插入性/壓縮破壞的防止等。這樣，通常的軸封裝置由于以通過密封部件來提高密封功能為第1目的，所以通 常密封部件、流體的密封區(qū)域被定位到規(guī)定的位置。因此，內(nèi)置了密封裝置的裝置，其內(nèi)部 結(jié)構(gòu)復雜化。當前，假設(shè)希望將密封區(qū)域切換操作為非密封區(qū)域而使密封區(qū)域移動，而將該軸 封裝置利用于各種驅(qū)動源中的情況下，需要在密封區(qū)域的密封部件、外殼等安裝部位處設(shè) 置其他動作機構(gòu)。作為該動作機構(gòu)，例如有螺旋進給機構(gòu)、活塞/汽缸機構(gòu)、以及旋轉(zhuǎn)機構(gòu) 等，為了使這些機構(gòu)動作，還需要使用人力、電氣、空氣、油壓、以及彈簧等的某一種動力手 段。另一方面，為了將密封區(qū)域切換為開閉狀態(tài)，有使用了高分子致動器的閥(例如， 參照專利文獻1)。在該文獻1的閥中，具有如下致動器將所謂人造肌肉用作閥芯(valving element)，通過使該閥芯自身變形，從而無需使用復雜的動力手段而切換流路。人工肌肉 由膜型的電形變伸縮聚合體構(gòu)成，通過電壓的ONOFF變形而直接或者經(jīng)由密封件與閥座 相接相離，來對流路進行開閉。另外，該文獻的閥是如下EPAM(Electr0actiVe Polymer Artificial Muscle，人工肌肉)結(jié)構(gòu)用能夠伸縮的電極來夾持橡膠狀的薄的高分子膜 (彈性體)，并對該電極之間施加電壓，從而使高分子膜在面方向上伸長(在周方向上擴
3徑)。在該情況下，在該人工肌肉中，為了增大形變量或者變形量，在高分子膜的施加區(qū)域整 個面中配設(shè)電極而增加了電荷注入量。專利文獻1 日本專利第3501216號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，在希望通過軸封裝置實施流路的開閉、流量控制的情況下，需要用于如上所 述將密封區(qū)域切換為非密封區(qū)域的動作機構(gòu)或動力手段，在該情況下，存在裝置的結(jié)構(gòu)復 雜化而整體大型化、重量增加這樣的問題。另外，在切換密封狀態(tài)和非密封狀態(tài)時，伴隨構(gòu)成動作機構(gòu)的部件相互的接觸、滑 動，所以由于該接觸、滑動而構(gòu)成動作機構(gòu)的部件產(chǎn)生磨耗、或者滑動的部件產(chǎn)生磨耗。而 且，密封部件自身也由于在保持與密封區(qū)域的對方密封部件接觸/加壓狀態(tài)的狀態(tài)下移 動，所以也產(chǎn)生與滑動伴隨的磨耗。通過0環(huán)實現(xiàn)的密封部分如果在整周產(chǎn)生磨耗，則由于 接觸部分的壓力降低、外傷而易于引起流體泄漏，在該情況下，由于滑動面粗糙、潤滑不充 分等外在要因，而有時使磨耗進一步加速。另外，在0環(huán)的滑動面中產(chǎn)生了局部性的磨耗的 情況下，也易于引起流體泄漏，如果在0環(huán)的滑動面產(chǎn)生損傷，還有時使磨耗進一步加速。 特別，在動作機構(gòu)的運動速度較快、在偏心狀態(tài)下進行運動、滑動的面的面粗糙度粗糙、潤 滑不充分的情況下，0環(huán)還有時扭曲。因此，使用了 0環(huán)的軸封結(jié)構(gòu)無法充分地確保其密封 性，并非是適合于進行流路的開閉、流量控制的結(jié)構(gòu)，所以難以用作各種驅(qū)動源。另一方面，在專利文獻1中，通過將閥芯自身設(shè)成由EPAM構(gòu)成的高分子致動器，而 排除了復雜的動力機構(gòu)，但由于閥芯自身是EPAM，所以在流體密封時，以EPAM整體的受壓 面積承受流體壓力，在EPAM中需要較大的耐壓強度，并且還需要較大的密封力。另外，在本 體內(nèi)，需要其他密封機構(gòu)、必須設(shè)置用于落位的閥座部分，在閥芯自身中應用EPAM時，由于 沒有原樣地利用EPAM的耐強度、與變形相伴的應力特性，所以并不合理。而且，該閥構(gòu)成為在高分子膜的施加區(qū)域整個面中配置了電極，所以在例如將該 高分子膜用作閥的閥芯或者閥芯的致動器等可動部時，在一定的施加能量下，變形量受到 限制。因此，在考慮了期望的流量調(diào)整能力、閥開時的密封能力等時，僅能夠采用比較小口 徑的閥，而并非實用。這樣，對于該閥，也不適合于用作各種驅(qū)動源。本發(fā)明是鑒于所述實情進行精心研究的結(jié)果而開發(fā)出的，其目的在于，能夠?qū)⒏?分子致動器利用于各種驅(qū)動源中，特別能夠?qū)⒏叻肿又聞悠鞯淖冃瘟恳渤浞值厥褂迷陂y、 軸封裝置中。為了達成所述目的，第1方面的發(fā)明提供一種高分子致動器，其特征在于，具有經(jīng) 由電氣的外部刺激而變形的驅(qū)動體、和在該驅(qū)動體的上下表面?zhèn)葘ο蚺渲枚鴮︱?qū)動體平面 性地施加正負的電氣的外部刺激的電極，該電極具有不同的施加區(qū)域，并具有如下電場分 布通過該施加區(qū)域使在驅(qū)動體內(nèi)產(chǎn)生的應力分布偏向正負中的一方，而使驅(qū)動體向不存 在對向的施加區(qū)域的一側(cè)彎曲變形。第2方面的發(fā)明提供一種高分子致動器，其特征在于，具有經(jīng)由電氣的外部刺激 而變形的驅(qū)動體、和在該驅(qū)動體的上下面?zhèn)葘ο虻毓潭ǘ鴮︱?qū)動體平面性地施加正負的電 氣的外部刺激的固定電極，該固定電極具有不同的施加區(qū)域，并具有如下電場分布通過該 施加區(qū)域使在驅(qū)動體內(nèi)產(chǎn)生的應力分布偏向正負中的一方，而使驅(qū)動體彎曲變形到不存在對向的施加區(qū)域的一側(cè)。在第3方面的發(fā)明記載的高分子致動器中，其特征在于，在固定電極中的成為寬的施加區(qū)域側(cè)的固定電極與驅(qū)動體之間的相對或者非相 對位置，蒸鍍了在驅(qū)動體彎曲變形的過程中與該驅(qū)動體一體地變形而對該驅(qū)動體施加電氣 的外部刺激的可撓性的蒸鍍電極。在第4方面的發(fā)明記載的高分子致動器中，其特征在于，將上下面?zhèn)鹊碾姌O中的寬的施加區(qū)域側(cè)的電極，設(shè)為在驅(qū)動體彎曲變形的過程中 與該驅(qū)動體一體地變形而對該驅(qū)動體施加電氣的外部刺激的可撓性的蒸鍍電極，并將該蒸 鍍電極埋設(shè)在驅(qū)動體內(nèi)。在第5方面的發(fā)明記載的高分子致動器中，其特征在于，驅(qū)動體是在停止了電氣的外部刺激時恢復到原來的位置，另一方面在施加了電氣 的外部刺激時該部位以外的部位彎曲變形的電氣刺激性高分子材料。在第6方面的發(fā)明記載的高分子致動器中，其特征在于，在固定電極的一側(cè)的電極中，設(shè)置了朝向驅(qū)動體的外端徑向從該驅(qū)動體擴大離散 的傾斜面。在第7方面的發(fā)明記載的高分子致動器中，其特征在于，在具有多個流路的主體內(nèi)，配設(shè)高分子致動器而作為閥芯，通過該閥芯對流路進 行開閉或者流量調(diào)整。在第8方面的發(fā)明記載的高分子致動器中，其特征在于，在本體內(nèi)部中設(shè)置軸封部，在該軸封部中應用高分子致動器而通過該高分子致動 器的變形產(chǎn)生了流體的泄漏現(xiàn)象。根據(jù)第1發(fā)明，能夠提供一種高分子致動器，使施加時或者施加停止時的EPAMjP 電氣刺激性高分子材料的變形量增加來進行流量的流量控制。在該情況下，沒有與驅(qū)動體 的移動相伴的磨耗，所以能夠維持高的密封性能并且能夠通過簡單的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來切換開閉 狀態(tài)而使流體流動。另外，通過根據(jù)外部電氣信號等來調(diào)整驅(qū)動體的變形量，并調(diào)整接觸面 壓力來控制流量，能夠高精度地控制從小流量到大流量的流量來用于任何用途中。進而，無 需設(shè)置動作機構(gòu)而能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動體的變形，從而能夠防止內(nèi)部的劣化來長期維持優(yōu)良的性 能。由此，本發(fā)明的高分子致動器還可以利用于各種驅(qū)動源、或者空氣致動器、以及電磁閥 等閥中，進而，還可以控制流路停止活動狀態(tài)下的微少泄漏量，從而還可以應用于各種技術(shù) 領(lǐng)域中。根據(jù)第2發(fā)明，除了第1效果以外還可以防止固定電極的暴露，防止電壓施加時的 短路來抑制產(chǎn)生故障等。根據(jù)第3發(fā)明，能夠?qū)碜怨潭姌O的電壓施加進行補助，在驅(qū)動體離開固定電 極時也可以維持向該驅(qū)動體的電壓施加。由此，能夠增大驅(qū)動體的變形量。根據(jù)第4發(fā)明，通過蒸鍍電極和固定電極來夾持驅(qū)動體，從而能夠省略一側(cè)的固 定電極。因此，能夠使結(jié)構(gòu)簡化而易于制作。根據(jù)第5發(fā)明，在施加了電氣的外部刺激時，由于該部位以外的部位變形，從而無 需在該部分中設(shè)置電極，變形部分成為自由端部，從而能夠增大變化量。因此，能夠較大地 形成流量，并且能夠?qū)嵤└呔鹊牧髁空{(diào)節(jié)。
根據(jù)第6發(fā)明，通過固定電極的外端的前端部位，不妨礙驅(qū)動體的變形，而沿著其 傾斜面，驅(qū)動體輕松地彎曲，能夠得到比平坦的電極大的變位。根據(jù)第7發(fā)明，能夠提供一種閥，能夠使驅(qū)動部構(gòu)成為簡單的結(jié)構(gòu)而緊湊化地形 成，且使用了能夠切換多個流路的以往沒有的結(jié)構(gòu)的能夠用作切換閥的高分子致動器。而 且，能夠根據(jù)實施方式使流路增減地形成，即使在設(shè)置于多通閥的方式中的情況下也可以 高精度地控制各流路的開閉狀態(tài)以及流量，所以還可以應用于各種技術(shù)領(lǐng)域中。根據(jù)第8發(fā)明，能夠提供一種能夠緊湊地形成，且能夠高精度地控制流體的泄漏 量的軸封結(jié)構(gòu)。而且，還可以控制軸封狀態(tài)下的微少泄漏量，所以還能夠應用于各種技術(shù)領(lǐng) 域中。


圖1是示出本發(fā)明的高分子致動器的示意圖。(a)是示出對高分子致動器的電場 的分布的示意圖。(b)是示出對高分子致動器的應力的產(chǎn)生狀態(tài)的示意圖。(c)是示出高 分子致動器變形后的狀態(tài)的示意圖。圖2是示出電氣刺激性高分子材料的特性的說明圖。圖3是示出將本發(fā)明的高分子致動器使用在閥中的例子的概略剖面圖。圖4是示出對圖3的閥施加了電氣的外部刺激的狀態(tài)的概略剖面圖。圖5是示出在圖3的高分子致動器中設(shè)置了蒸鍍電極的閥的例子的概略剖面圖。圖6是示出對圖5的閥施加了電氣的外部刺激的狀態(tài)的概略剖面圖。圖7是示出將本發(fā)明的高分子致動器使用在三向切換閥中的例子的概略剖面圖。圖8是示出對圖7的三向切換閥施加了電氣的外部刺激的狀態(tài)的概略剖面圖。圖9是示出在圖7的高分子致動器中設(shè)置了蒸鍍電極的三向切換閥的例子的概略 剖面圖。圖10是示出對圖9的三向切換閥施加了電氣的外部刺激的狀態(tài)的概略剖面圖。圖11是示出將本發(fā)明的高分子致動器利用在安全閥中的例子的概略圖。圖12是示出將本發(fā)明的高分子致動器利用在活塞/汽缸機構(gòu)中的例子的概略圖。圖13是示出變位測定裝置的概略圖。圖14是示出基于變位測定裝置的測定條件和變位量的測定結(jié)果的曲線。(a)是示 出電壓的施加條件的曲線。(b)是示出電壓施加時的電流的狀態(tài)的曲線。(C)是示出被測 定體的變位量的曲線。圖15是示出被測定體的彎曲變位部分的示意圖。(a)是示出被測定體的變位部分 的示意圖。(b)是(a)中的A部放大圖。圖16是示出對高分子致動器的電場矢量分布的示意圖。圖17是示出圖16的要部的放大示意圖。圖18是示出圖16中的應力矢量分布的示意圖。圖19是示出圖18的要部的放大示意圖。圖20是示出向軸封體的電場矢量分布的示意圖。圖21是示出圖20的要部的放大示意圖。圖22是示出圖20中的應力矢量分布的示意圖。
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圖23是示出圖22的要部的放大示意圖。圖24是示出對高分子材料的電場矢量的產(chǎn)生狀態(tài)的示意圖。(a)是示出施加區(qū)域 相等的情況下的電場矢量的產(chǎn)生狀態(tài)的示意圖。(b)是示出施加區(qū)域不同的情況下的電場 矢量的產(chǎn)生狀態(tài)的示意圖。圖25是示出對高分子材料的應力矢量的產(chǎn)生狀態(tài)的示意圖。(a)是示出施加區(qū)域 相等的情況下的應力矢量的產(chǎn)生狀態(tài)的示意圖。(b)是示出施加區(qū)域不同的情況下的應力 矢量的產(chǎn)生狀態(tài)的示意圖。圖26是示出高分子材料的彎曲狀態(tài)的示意圖。(a)是示出軸封體的彎曲狀態(tài)的概 略示意圖。(b)是示出驅(qū)動體的彎曲狀態(tài)的概略示意圖。圖27是示出高分子材料的其他例子的示意圖。圖28是示出對圖27的高分子材料的電場矢量的產(chǎn)生狀態(tài)的示意圖。圖29是示出圖27的高分子材料的應力矢量的產(chǎn)生狀態(tài)的示意圖。圖30是示出軸封體的變形狀態(tài)的示意圖。(a)是示出施加區(qū)域相等的情況下的軸 封體的變形狀態(tài)的示意圖。(b)是示出施加區(qū)域不同的情況下的軸封體的變形狀態(tài)的示意 圖。(c)是示出軸封體的彎曲狀態(tài)的示意圖。圖31是示出將本發(fā)明中的高分子致動器使用在閥中的其他例子的開狀態(tài)的概略 剖面圖。圖32是示出圖31中的閥的閉狀態(tài)的概略剖面圖。(符號說明)10 致動器本體；11 驅(qū)動體(電氣刺激性高分子材料)；Ila 前端面；12、13 電 極；14 蒸鍍電極；21 主體；23 驅(qū)動部；33,34 流動流路；35 閥座；37 座面。
具體實施例方式以下，根據(jù)附圖，對本發(fā)明中的高分子致動器的實施方式進行詳細說明。在圖1中，示出了本發(fā)明的高分子致動器的一個實施方式。在該圖中，高分子致動 器本體(以下，稱致動器本體)10具有驅(qū)動體11、電極12、13、以及蒸鍍電極14。驅(qū)動體11由能夠經(jīng)由電氣刺激而變形的材料構(gòu)成，在本實施方式中，由在使電氣 的外部刺激停止了時恢復到原來的位置，另一方面在施加了電氣的外部刺激時該部位以外 的部位彎曲變形的電氣刺激性高分子材料構(gòu)成。此處，將本發(fā)明中的變形定義為不拘泥于 驅(qū)動體11的體積變化的增減而改變形狀。即，本發(fā)明的“變形”包括驅(qū)動體11伴隨體積變 化而膨脹、或者不伴隨體積變化而使形狀變化的情況這雙方。圖2示出本發(fā)明中的施加了電氣刺激時該部位以外的部位變形的電氣刺激性高 分子材料的特性。作為構(gòu)成圖1的驅(qū)動體11的電氣刺激性高分子材料的一個例子，例如有聚醚類聚 氨酯。該材料是混合主劑和硬化劑而成的，主劑至少包含苯乙烯、腈化合物、BHT (二丁基羥 基甲苯)、以及酞酸酯。另外，硬化劑至少包含酞酸、二苯基甲烷二異氰酸酯、以及酞酸酯。 作為包含各成分的具體的電氣刺激性高分子材料，例如有株式會社Exseal Corporation制 人肌(注冊商標)的gel sheet (膠貼)。另外，該電氣刺激性高分子材料除了聚醚類聚氨 酯以外，也可以是例如薄膜的硅，在該情況下也可以發(fā)揮與所述同樣的功能、特性。進而，只
7要是能夠發(fā)揮同樣的功能、特性的材料，則也可以使用所述以外的材料。在本實施方式中，作為電氣刺激性高分子材料，使用了聚氨酯/彈性體。另一方面，在驅(qū)動體11的上下面?zhèn)?，以局部性地夾持該驅(qū)動體11的方式，對向配 置了電極12、13，進而，從該位置到外部電連接。通過該結(jié)構(gòu)，電極12、13能夠?qū)︱?qū)動體平面 性地施加正負的電氣刺激。另外，在電極中，有在具有寬的施加區(qū)域的一側(cè)、即驅(qū)動體11 側(cè)長長地形成的電極12 ；以及在具有窄的施加區(qū)域的一側(cè)、即驅(qū)動體11側(cè)較短地形成的電 極13，這樣具有相互不同的施加區(qū)域。進而，這些電極12、13分別是分別被固定到用于固定 該電極的固定部15、16上的固定電極。這些電極12、13具有如下電場分布通過不同的施加區(qū)域，使在施加時在驅(qū)動體 11內(nèi)產(chǎn)生的應力分布偏向正負中的一方，而使驅(qū)動體11彎曲變形到?jīng)]有對向的施加區(qū)域 的一側(cè)、即較短地形成的一側(cè)的電極13的方向。另外，配設(shè)于即使在驅(qū)動體11彎曲變形時， 也從外部隱蔽的位置。蒸鍍電極14具有可撓性，在寬的施加區(qū)域側(cè)、即電極12與驅(qū)動體11之間的與電 極12相對或者非相對的位置處被蒸鍍到驅(qū)動體11，而與該驅(qū)動體11 一體設(shè)置。蒸鍍電極 14在驅(qū)動體11彎曲變形的過程中與驅(qū)動體11 一體變形，同時對該驅(qū)動體11施加電氣的外 部刺激。在本實施方式中，示出了在如圖1所示，將電極12、13設(shè)為固定電極的情況下，在 該固定電極12、13中的寬的施加區(qū)域側(cè)的固定電極12上蒸鍍了蒸鍍電極14的情況，但也 可以作為寬的施加區(qū)域側(cè)的電極而僅設(shè)置蒸鍍電極14并省略固定電極12。在該情況下， 雖然未圖示，但只要將蒸鍍電極14埋設(shè)在驅(qū)動體11的內(nèi)部中而從外部隱蔽，則能夠防止在 通過致動器本體10的流體是液體時該液體接觸到蒸鍍電極14而使電壓短路。在將蒸鍍電 極14隱蔽于驅(qū)動體11內(nèi)部時，例如，使蒸鍍電極處于薄狀地形成的驅(qū)動體之上，以卷繞該 驅(qū)動體的方式折回而設(shè)置成規(guī)定的厚度，從而能夠?qū)⒄翦冸姌O埋入在固定電極內(nèi)。接下來，對于所述致動器本體10的基本技術(shù)及其動作，首先，以下說明本申請人 已經(jīng)提出的PCT申請(PCT/JP2008/61259)中的軸封裝置。該軸封裝置如圖30所示，在內(nèi)部中設(shè)置有軸封體1和固定電極部2、3。軸封體1是經(jīng)由電氣的外部刺激而膨脹的高分子材料制，例如，由聚氨酯/彈性體 構(gòu)成。另外，固定電極部2、3形成為均等的長度而配設(shè)在軸封體1的上下部側(cè)。于是，如果 對固定電極部2、3施加了電場，則軸封體1變形，并由于該變形而在未圖示的流路中流過泄 漏流體。在對其進行具體說明時，在圖30中，如果對固定電極部2、3施加了電場，則通過由 該電場產(chǎn)生的應力，在軸封體1中，在固定電極部2、3的相對部位、或者比固定電極部2突 出的軸封體1的部分中，如圖30(a)所示，(1)感應性多元醇或者具有偶極子力矩的多元醇 通過電場而取向，從而高分子鏈的結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生電場矢量分布的應力。此時，如圖30(b) 所示，(2)通過由固定電極部2、3及其周邊部的電場產(chǎn)生的庫侖效應，軸封體1的厚度方 向的寬度減少，由此，該軸封體1向與厚度方向90°的方向的長度平面方向擴張。另外，如 圖30(c)所示，(3)通過電荷的注入和偏向化，在兩極側(cè)感應出非對稱的體積變化而產(chǎn)生應 力。由此，在軸封體1中所述⑴ ⑶這3個發(fā)揮作用而該軸封體1變形。此時，在軸封體1中產(chǎn)生的應力是通過相對的固定電極部2、3之間的電場分布而產(chǎn)生的，在固定電 極部2、3之間、以及固定電極部的外周周邊部的軸封體1內(nèi)，構(gòu)成從高電位側(cè)朝向低電位側(cè)
的矢量。該矢量的大小成為如下分布在固定電極部2、3的外周部位處變得最大，在成為 與該固定電極部2、3非接觸的部位的半徑方向(平面方向)上，朝向外周側(cè)逐漸衰減。這 些應力在使軸封體1從高電位側(cè)向低電位側(cè)彎曲的方向上作用，此時，低電位側(cè)的固定電 極部3的外周周邊部作為彎曲變形的支點發(fā)揮作用，軸封體1彎曲。接下來，在圖1中，對具有電極12、13的本發(fā)明的致動器本體10的動作進行說明。在該情況下，成為驅(qū)動體11的電氣刺激性高分子材料(例如，聚氨酯彈性體)成 為如下狀態(tài)被長度不同的電極12、13夾持，或者在較長一側(cè)的電極12上還設(shè)置蒸鍍電極 14而通過該蒸鍍電極14和較短的一側(cè)的電極13夾持。驅(qū)動體11有被電極12、13夾持的 部分、和不與電極12、13相接而向外側(cè)延長的部分。如果對兩個電極12、13施加了電場，則在驅(qū)動體11中由于以下的理由而產(chǎn)生應 力，但該應力值大于所述的施加區(qū)域相等的圖30中的電極2、3的情況下的軸封體1中產(chǎn)生 的應力值，由于該應力作用的面的力矩長較大，所以此時的變形量大于所述的情況。在對電極12、13施加了電場時，與所述施加區(qū)域相等的固定電極部2、3中夾持的 軸封體1的情況同樣地，在驅(qū)動體11中，如圖1(a)所示，(4)感應性多元醇或者具有偶極 子力矩的多元醇由于電場而發(fā)生取向，從而高分子鏈的結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生電場矢量分布的應 力。此時，如圖1(b)所示，(5)通過由電極12、13及其周邊部的電場得到的庫侖效應，驅(qū)動 體1的厚度方向的寬度減少，由此，該驅(qū)動體11向與厚度方向90°的方向的長度平面方向 擴張。另外，如圖1(c)所示，(6)通過電荷的注入和偏向化，在兩極側(cè)感應出非對稱的體積 變化而產(chǎn)生應力。驅(qū)動體11由于⑷ (6)的應力而變形，但在驅(qū)動體11的電極12側(cè)、電極13側(cè)， 在蒸鍍電極14側(cè)、以及沒有電極13的非電極周邊部中，電場以兩個電極14、13的外周部位 取最大值而在驅(qū)動體11的外側(cè)半徑方向(平面方向)上衰減分布。進而，從驅(qū)動體11中 的蒸鍍電極14的外周部位和蒸鍍電極14與電極13不重疊的部分，朝向電極13接觸的外 周部方向，電場集中分布地作用，所以使驅(qū)動體11變形的應力高效地作用。另外，在電極13 的外周部位中，產(chǎn)生向彎曲方向作用的彎曲應力矢量V，通過這些應力，在驅(qū)動體11中，以 在電極13的端部側(cè)支撐的部分為支點C，通過力矩長M的作用而彎曲力增大，而能夠大幅彎 曲變形。本發(fā)明的致動器本體10構(gòu)成為，改良具有施加區(qū)域相等的電極的軸封體1，具備 具有不同的施加區(qū)域的電極12、13，設(shè)置了如下電場分布通過該施加區(qū)域使在驅(qū)動體11 內(nèi)產(chǎn)生的應力分布偏向正負中的一方，而使驅(qū)動體11彎曲變形到?jīng)]有對向的施加區(qū)域的 一側(cè)、即電極13側(cè)，所以與圖30的軸封體1相比能夠飛躍地增大驅(qū)動體11的變形量。因 此，本發(fā)明的高分子致動器能夠應用于具有適合于驅(qū)動源、閥等的流路的管路中。此處，作為利用本發(fā)明的高分子致動器時的優(yōu)選的例子，對將該高分子致動器搭 載于閥中的使用了高分子致動器的閥的實施方式進行說明。在圖3中，示出了使用致動器本體10來構(gòu)成閥本體20的狀態(tài)。該閥本體20具有 致動器本體10、主體21、以及電源電路22。
致動器本體10具有包括驅(qū)動體11和電極12、13的驅(qū)動部23、圓柱保持器24、以 及筒狀保持器25。驅(qū)動體11以適宜的厚度形成為中空圓筒狀。在該驅(qū)動體11的上下面?zhèn)?，對向?置了不同極性的電極12、13，該電極12、13分別以配設(shè)在圓柱保持器24與筒狀保持器25之 間的狀態(tài)從驅(qū)動體11的上下面?zhèn)妊由煸O(shè)置到主體的外部而與電源電路22連接。圓柱保持器24具有圓柱部26、和比該圓柱部26擴徑的擴徑凸緣部27。另一方 面，筒狀保持器25具有直徑比圓柱保持器24的圓柱部26稍微大的內(nèi)插部28，能夠向該內(nèi) 插部28插入圓柱部26。另外，在筒狀保持器25的上部側(cè)，形成了擴徑狀的嵌合卡合部29。 經(jīng)由筒狀保持器25的內(nèi)插部28表面?zhèn)鹊膱D案化部30，在筒狀保持器25的底面?zhèn)仍O(shè)置了所 述電極12，另一方面，經(jīng)由圓柱保持器24的圓柱部26表面?zhèn)鹊膱D案化部31，在擴徑凸緣部 27的上面?zhèn)仍O(shè)置了電極13。這樣，電極12和電極13都被固定為固定電極。在該情況下，電極12在徑向上伸長地形成，另一方面，電極13在徑向上形成得比 該電極12短。由此，電極12和電極13具有不同的施加區(qū)域，即，電極12具有寬的施加區(qū) 域，電極13具有窄的施加區(qū)域。這樣預先在設(shè)置了電極12、13的圓柱保持器24與筒狀保持器25之間設(shè)置了驅(qū)動 體11的狀態(tài)下，將圓柱部26插入到內(nèi)插部28內(nèi)，從而一體構(gòu)成致動器本體10。此時，驅(qū)動 體11的底面?zhèn)缺粖A持在擴徑凸緣部27的上面?zhèn)龋厦鎮(zhèn)缺粖A持在筒狀保持器25的底面?zhèn)?而被定位固定到這些保持器24、25之間。通過該結(jié)構(gòu)，能夠從驅(qū)動體11的上下面?zhèn)龋ㄟ^ 電極12和電極13來施加電場。主體21形成為大致圓筒狀，在內(nèi)周側(cè)形成有安裝部32、多個流動流路33、34、以及 閥座35。以能夠?qū)⒅聞悠鞅倔w10配設(shè)為閥芯的方式，在主體21的上部側(cè)形成了安裝部32， 在比該安裝部32的入口側(cè)稍里側(cè)的位置，形成了筒狀保持器25的嵌合卡合部29能夠卡合 的卡合突部36。另外，在安裝部32的下方側(cè)，在驅(qū)動體11的前端面Ila抵接的位置，設(shè)置 了座面37。兩個流動流路33、34在比座面37下方側(cè)的主體21的下部側(cè)，與外部連通地形 成，在本實施方式中，在相互正交的方向上穿孔而形成。閥座35在流動流路33與流動流路 34之間，從流動流路34側(cè)突出設(shè)置而環(huán)狀地形成。另外，雖然未圖示，但在流動流路33、34 上，連接了接頭、管子等適宜的管路。致動器本體10被裝入于安裝部32，在嵌合卡合部29嵌入到了卡合突部36的狀態(tài) 下與主體21 —體化，通過該一體化在流動流路33、34之間配設(shè)了驅(qū)動部23。電源電路22具有電源38和開關(guān)39，與電極12、13連接。該電源電路22通過開關(guān) 39的0N/0FF對電極12、13施加電場而對驅(qū)動體11施加電氣的外部刺激、或者停止施加。另外，本實施方式中的閥本體20的驅(qū)動體11具有如下性質(zhì)在停止了電氣的外部 刺激時，一邊變形到原來的位置一邊恢復而成為閥開狀態(tài)，另一方面在施加了電氣的外部 刺激時，該部位以外的部位變形而成為閥閉狀態(tài)，但雖然未圖示，除此以外還可以構(gòu)成為， 在施加了電氣的外部刺激時，該部位以外的部位變形而成為閥閉狀態(tài)，另一方面在停止了 電氣的外部刺激時，在變形到原來的位置的同時恢復而成為閥開狀態(tài)。其對于使用了后述 高分子致動器的軸封結(jié)構(gòu)，也是同樣的。接下來，對所述閥本體20的動作進行說明。在圖3的狀態(tài)下，開關(guān)39是OFF的狀態(tài)，而成為不從電源38對驅(qū)動體11施加電場的狀態(tài)。在該情況下，驅(qū)動體11 一邊變形到原來的位置一邊恢復而其前端面Ila密接密 封到座面37。由此，流動流路33與流動流路34連通而成為閥開狀態(tài)。當前，如果如圖4所示，將開關(guān)39切換為ON的狀態(tài)，則從電源電路38經(jīng)由電極12、 13對驅(qū)動體11的上下面?zhèn)仁┘硬煌瑯O性的電場。在該施加時，由于電極12具有比電極13 寬的施加區(qū)域，從而驅(qū)動體11的前端面Ila側(cè)遠離座面37而向下方側(cè)彎曲變形，抵接密封 到閥座35。因此，由于該驅(qū)動體11，流動流路33與流動流路34之間被塞住而成為閥閉狀 態(tài)。進而，還可以通過控制此時的施加量(電壓的大小、電壓的施加時間(過渡響 應))，來調(diào)節(jié)驅(qū)動體11的變形量、變形響應時間而提高針對座面37的按壓力(抵接密封 力)，或者從泄漏流路33、34的連通狀態(tài)緩緩提高電壓而調(diào)節(jié)驅(qū)動體11的變形來進行從大 等級的流量到驅(qū)動體11大幅變形的微少等級的流量為止的流量控制。如果從該狀態(tài)再次將開關(guān)39切換為OFF的狀態(tài)，則電壓的施加停止而驅(qū)動體11 恢復到圖3的狀態(tài)，從而再次成為閥開狀態(tài)。這樣，閥本體20是以致動器本體10為閥芯而配設(shè)的，通過該閥芯對流路33、34進 行開閉、或者流量調(diào)整。在圖5中，示出對使用了本發(fā)明的致動器的閥設(shè)置了蒸鍍電極14的例子。另外， 在以后的實施方式中，對與所述實施方式相同的部分附加同一符號，省略其說明。在該閥本體40中，蒸鍍電極14是以埋入到驅(qū)動體11的電極12側(cè)而隱蔽的狀態(tài)來 配設(shè)的，并且成為與該電極12電連接的狀態(tài)。另外，蒸鍍電極14是在驅(qū)動體11的半徑方 向上伸長地形成的，在該蒸鍍電極14側(cè)，形成了比圖3的閥本體20的電極寬的施加區(qū)域。在該閥本體40中，如果如圖6所示，將開關(guān)39切換為ON的狀態(tài)而施加了電場，則 電壓經(jīng)由電極12傳遞至蒸鍍電極14。此時，蒸鍍電極14具有更寬的施加區(qū)域，從而能夠通 過該蒸鍍電極14使驅(qū)動體11大幅彎曲變形。而且，在希望使驅(qū)動體11從筒狀保持器25的 底面?zhèn)冗h離時，也通過蒸鍍電極14來維持向驅(qū)動體11的電壓施加。因此，該閥本體20能 夠使驅(qū)動體11進一步大幅彎曲變形，由此能夠形成增大了流動流路33、34的閥開時的流路 徑的大口徑閥。在圖7中，示出由致動器本體10構(gòu)成的三向切換閥41的例子。在該圖的三向切換閥41中，在主體42中，形成了 3個流動流路43、44、45。在這3 個流動流路43、44、45中，兩個流動流路43、44是在比座面37下方側(cè)的主體42的下部側(cè)在 相互正交的方向上與外部連通地形成的，并且，流動流路45是從安裝部32與外部連通地形 成的。在圖7中，在該閥本體中，開關(guān)39是OFF的狀態(tài)，在驅(qū)動體11向座面37密接密封 時，流動流路43與流動流路44連通，流動流路45成為被驅(qū)動體11塞住的狀態(tài)。由此，在 流動流路43與流動流路44之間流過流體。另一方面，在圖8中，在將開關(guān)39切換為ON的狀態(tài)的情況下，驅(qū)動體11彎曲變形 而遠離座面37，從而與閥座35抵接密封。因此，成為流動流路44被塞住的狀態(tài)，成為流動 流路43與流動流路45連通了的狀態(tài)。因此，在流動流路43與流動流路45之間流過流體。 這樣，該三向切換閥41具有通過施加電場或者切換為停止狀態(tài)，而切換3個流動流路43、 44、45的結(jié)構(gòu)。
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圖9以及圖10示出在圖7的三向切換閥中設(shè)置了蒸鍍電極14的例子。該例中的 三向切換閥46與圖5的閥本體40的情況同樣地，能夠通過蒸鍍電極14的寬的施加區(qū)域使 驅(qū)動體11大幅彎曲變形。因此，在圖10中，驅(qū)動體11的彎曲變形時的流路被確保得較大， 能夠提供大口徑的三向切換閥46。接下來，敘述將本發(fā)明的高分子致動器應用在安全閥中的例子。在圖11中的安全 閥50中搭載了本發(fā)明的高分子致動器，該安全閥50具有致動器本體51、外殼52、配管53、 壓力傳感器54、以及開關(guān)電路55。致動器本體51被內(nèi)裝在外殼52內(nèi)，成為能夠通過施加電場、或者停止電場而在周 方向上變形的適宜形狀。該致動器本體51的結(jié)構(gòu)例如與所述致動器本體10相同，內(nèi)裝了 包括驅(qū)動體11和電極12、13的驅(qū)動部23。以對配管53連通了內(nèi)部的流路56的狀態(tài)，安裝 了外殼52，在配管53內(nèi)安裝了壓力傳感器54。壓力傳感器54通過將配管53內(nèi)部的壓力 的變動作為電壓而發(fā)送，來檢測該配管53內(nèi)的壓力變化。開關(guān)電路55設(shè)置在壓力傳感器 54與致動器本體51之間，能夠根據(jù)壓力傳感器54的壓力的變動來停止向致動器本體51的 電場。另外，在該開關(guān)電路55中，在向配管53內(nèi)最初封入壓力時，在致動器本體51到達規(guī) 定的壓力值為止的期間，臨時施加致動器本體51密封用的基準電壓值。在該安全閥50中，在由壓力傳感器54檢測出配管53內(nèi)的壓力值時，壓力值成為 了規(guī)定的值以上的情況下，通過開關(guān)電路55來停止施加電壓。接下來，通過停止施加電壓， 致動器本體51從通常時的狀態(tài)變形到收縮側(cè)，未圖示的驅(qū)動體的前端側(cè)遠離外殼52內(nèi)周 面而在該致動器本體51與外殼52之間產(chǎn)生未圖示的間隙。通過該間隙，流路56連通，進 行壓力釋放，從而配管53內(nèi)的壓力降低。進而，在該壓力釋放之后壓力恢復到規(guī)定值以下時，從開關(guān)電路55對致動器本體 51施加此時的壓力傳感器54的電壓。由此，致動器本體51向膨脹側(cè)變形，驅(qū)動體的前端側(cè) 密接到外殼52內(nèi)周面而流路56成為停止活動狀態(tài)，壓力泄漏被密封。另一方面，在圖12中，示出將本發(fā)明的高分子致動器利用在活塞/汽缸驅(qū)動機構(gòu) (以下，稱為驅(qū)動機構(gòu))中的例子。該驅(qū)動機構(gòu)60具有4個致動器本體61、62、63、64、外殼 65、以及汽缸部66。在圖中，致動器本體61、62、63、64的結(jié)構(gòu)與致動器本體10相同，分別收納在外殼 65內(nèi)而能夠在周方向上變形。在外殼65中，設(shè)置了流路67、68、69、70、71。流路67配設(shè)成 能夠?qū)碜酝獠康膲嚎s空氣供給到驅(qū)動機構(gòu)60內(nèi)，并且流路68、69配設(shè)成能夠?qū)Ⅱ?qū)動機構(gòu) 60內(nèi)的壓縮空氣排出到外部。另外，流路70、71與汽缸部66連接，向該汽缸部66，供給/ 排氣來自驅(qū)動機構(gòu)60的壓縮空氣。各致動器本體61、62、63、64配設(shè)在流路68與流路71、流路71與流路67、流路67 與流路70、以及流路70與流路69之間，在對該致動器本體61、62、63、64施加電壓時，分別 膨脹/變形而能夠?qū)Ω髁髀分g進行軸封。在圖12(a)中，如果進行控制，以通過停止向致動器本體61、63施加電壓，使它們 向縮徑側(cè)變形，另一方面，通過對致動器本體62、64施加電壓，使它們向擴徑側(cè)變形，則流 路67與流路70、流路71與流路68之間分別連通，并且流路69與流路70、流路71與流路 67之間分別成為塞住的狀態(tài)。如果在該狀態(tài)下，從流路67側(cè)供給了壓縮空氣，則該壓縮空氣經(jīng)由流路70被送入到汽缸部66內(nèi)，設(shè)置在該汽缸部66內(nèi)的活塞66a向左移動。由于該活塞66a的移動，汽缸 部66內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)由流路71而從流路68排出。另一方面，在圖12 (b)中，如果進行控制，以通過對致動器本體61、63施加電壓，使 它們向擴徑側(cè)變形，并且通過停止向致動器本體62、64施加電壓，使它們向縮徑側(cè)變形，則 流路67與流路71、流路70與流路69之間分別連通，并且流路71與流路68、流路67與流 路70之間分別塞住。如果在該狀態(tài)下，從流路67側(cè)供給了壓縮空氣，則該壓縮空氣經(jīng)由流路71被送入 到汽缸部66內(nèi)，在圖中活塞66a向右移動。通過該活塞66a的移動，汽缸部66內(nèi)的壓縮空 氣經(jīng)由流路70從流路69排出。這樣，在驅(qū)動機構(gòu)60中，對向各致動器本體61、62、63、64的電壓施加進行控制，從 而切換流路，從流路67供給壓縮空氣，從而能夠使活塞66a往復運動。如上所述，分別示出了使用本發(fā)明的高分子致動器，來設(shè)置各種閥本體、安全閥 50、以及驅(qū)動機構(gòu)60的情況，但它們僅為一個例子，本發(fā)明的高分子致動器只要在不脫離 其結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)都進行變更設(shè)計，能夠應用于各種裝置、機構(gòu)等中。例如，通過將高分子致動器設(shè)置在抗藥液的材質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，能夠提供一種能夠 在控制藥液的密封、或者藥液的流量狀態(tài)的同時進行供給的裝置。由此，例如，能夠?qū)⒏叻?子致動器應用于液晶制造、半導體精密設(shè)備等的一部分的裝置中。在該情況下，還可以自由 地選擇與裝置的引入/引出側(cè)連接的管的材質(zhì)來改變應用流體。在該情況下，由于在任一閥的方式中，都能夠增大致動器本體的變形量，所以能夠 進行大流量的控制。另外，構(gòu)造上，電極不會暴露于流體中，而能夠使沒有該電極的部分彎 曲，所以能夠消除向外部泄漏電荷而安全地使用。進而，能夠使用本發(fā)明的高分子致動器來形成軸封結(jié)構(gòu)。在該情況下，雖然未圖 示，但在內(nèi)側(cè)具有流路的主體本體的內(nèi)部設(shè)置軸封部，在該軸封部中應用致動器本體10，從 而通過該致動器本體10的變形而消除流體的泄漏現(xiàn)象即可。通過該結(jié)構(gòu)，能夠?qū)α髀愤M行 軸封而對流體進行密封、或者根據(jù)該密封狀態(tài)來控制為微少等級的泄漏流量。進而，還可以 控制在維持了軸封狀態(tài)的狀態(tài)下產(chǎn)生泄漏的所謂微少泄漏。在圖31和圖32中，用同一符號來表示與圖3和圖4所示的概略剖面圖的例子相 同的部分，省略其說明。圖31示出將本發(fā)明中的高分子致動器使用在閥中的其他例子，是閥為開狀態(tài)的 情況下的概略剖面圖，圖32是閥為閉狀態(tài)的情況下的概略剖面圖。在圖31、圖32中，在固定電極12A、13A中的固定電極13A中，設(shè)置了朝向驅(qū)動體 11的外端徑向而從該驅(qū)動體11擴大離散的傾斜面13a。因此，通過設(shè)為長度不同的對向的固定電極12A、13A、且在一方的電極中具有傾斜 面13a的電極13A，通過電極13A的前端部位，不會妨礙驅(qū)動體11的變形，而驅(qū)動體11沿著 其傾斜面13a輕松地彎曲，能夠相對平坦的電極得到較大的變位。于是，通過施加電壓，驅(qū)動體11向具有傾斜面13a的電極13A側(cè)變形，所以閥如圖 32所示可靠地成為閉狀態(tài)。之后，如果使電壓停止，則驅(qū)動體11 一邊向原來的位置變形一 邊恢復，閥如圖31所示，成為開狀態(tài)。實施例1
以下，對本發(fā)明中的高分子致動器的實施例進行說明。在該實施例中，為了確認在 施加了電氣的外部刺激時該部位以外的部位變形的電氣刺激性高分子材料的變形方式可 否利用于高分子致動器中，施加規(guī)定的電壓，而測定了其變位量。通過圖13所示的變位測 定裝置75進行了該測定。變位測定裝置75具有用于固定作為電氣刺激性高分子材料的被測定體(人肌 (注冊商標)的gel sheet、產(chǎn)品號H0-l)76的機架77、和能夠使該機架77移動的移動用臺 78。另外，具有高壓電源(松定Preeision株式會社制、型號HJPQ-30P1) 79，該高壓電源79 與夾持被測定體76的未圖示的固定電極連接，能夠?qū)Ρ粶y定體76施加電場。另外，具有激 光變位計(株式會社keyence制、型號LJ-G080) 80，該激光變位計80能夠?qū)Ρ粶y定體76照 射激光L，來測定被測定體76的彎曲變位量。在通過該變位測定裝置75來測定時，首先，在測定前用變位測定裝置75的未圖示 的固定電極來夾持被測定體76，而固定到機架77上。另外，通過移動用臺78，來調(diào)節(jié)被測 定體76與激光變位計80的距離。在該狀態(tài)下，操作高壓電源79，如圖14(a)所示，對被測定體76，從OV到7kV，每 20秒將施加電壓階段狀地提高lkV，用激光變位計80來測定此時的被測定體76的變位量。 圖14(b)示出電壓施加時的電流的狀態(tài)。在圖15中，示出施加了電壓時的被測定體76的動作。如圖15(a)所示，被測定體 76通過電壓的施加從根源向負極側(cè)彎曲變形。此時，在圖15(b)中，將從沒有施加電壓施 (施加0V)時的被測定體76的端面76a到電壓施加時的角部76b的距離設(shè)為彎曲變位量 δ。圖14(c)的曲線示出該變位量δ的推移。根據(jù)圖14，在施加電壓成為4kV以上時被測定體76變位。進而，如果施加電壓達 到了 7kV，則變位量δ成為大致1. 15mm，此時的變位量最大。另外，如果從施加了 7kV的電 壓的狀態(tài)將施加電壓降低到不施加電壓的(0V施加)的狀態(tài)，則被測定體76返回至初始 (施加電壓之前)的形狀。通過以上的測定結(jié)果，在所述條件下，作為被測定體76的電氣刺激性高分子材料 的最大變形量大至1. 15mm，所以能夠判斷為適合于本發(fā)明的高分子致動器中使用的高分子 材料。在該情況下，被測定體76在施加電壓時向負電極側(cè)彎曲，但在使極性反轉(zhuǎn)了的情 況下，彎曲方向變得相反(正電極側(cè))。由此，在實際使用時，能夠通過其條件等彎曲到期望 的彎曲方向。另外，在所述情況下，被測定體76在電壓施加時彎曲變形，通過變位量δ而形成 間隙，從而能夠利用該電氣刺激性高分子材料，來構(gòu)成通常時處于閉的狀態(tài)的所謂NC(常 閉)類型的密封裝置。進而，通過將該電氣刺激性高分子材料預先設(shè)置成，在初始狀態(tài)下成 形為彎曲的形狀，另一方面在施加了電壓時變形為平面形狀，還可以構(gòu)成通常處于開的狀 態(tài)的所謂NO(常開)類型的密封裝置。實施例2通過仿真對向本發(fā)明的高分子致動器施加了電壓時的電場矢量的分布進行了解 析。為了比較，針對圖30所示的軸封部結(jié)構(gòu)、即被施加區(qū)域相等的固定電極部夾持的高分 子材料(軸封體)1也進行該仿真，而對該高分子材料1、和被施加區(qū)域不同的電極夾持的本發(fā)明的電氣刺激性高分子材料(驅(qū)動體)11分別實施了該仿真。該仿真，通過對在向電極 施加了電場時在各電氣刺激性高分子材料的內(nèi)部中產(chǎn)生的電場矢量的分布進行解析，而進 行。作為此時的條件，針對被施加電極相等的電極部2、3夾持的高分子材料1，將電極 部2、3的尺寸設(shè)為外徑Φ 5mm、厚度1mm，將高分子材料1的尺寸設(shè)為外徑Φ 10mm、厚度2mm， 對電極部2施加了+IV，對電極部3施加了-IV。將此時的高分子材料1的介電常數(shù)設(shè)為ε =3。另一方面，針對施加電極不同的電極12、13，將施加區(qū)域?qū)挼囊粋?cè)的電極12的尺 寸設(shè)為外徑Φ 5mm、厚度1mm，將施加區(qū)域窄的一側(cè)的電極13的尺寸設(shè)為外徑Φ 3mm、厚度 lmm,并且，將電氣刺激性高分子材料11的尺寸設(shè)為外徑Φ 10mm、厚度2mm，對電極12施加 了+IV、對電極13施加了-IV。將此時的電氣刺激性高分子材料1的介電常數(shù)設(shè)為ε =3。該仿真的結(jié)果，在具有施加區(qū)域相等的電極部2、3的高分子材料1中，在圖20所 示的電場矢量分布中，最大電場強度是4012V/m，此時的最大電場矢量產(chǎn)生部位如圖21所 示，成為相對的各電極部2、3的外周部位。另外，如圖24(a)的產(chǎn)生電場矢量圖所示，從被 電極部2、3夾持的區(qū)域，在使與該電極部2、3非接觸部分的高分子材料1彎曲的方向上確 認了矢量分布。另外，在根據(jù)圖20、圖21的電場矢量分布求出了麥克斯韋應力的圖22、23所示的 應力矢量分布的示意圖中，最大應力是9. 5X10_"N、最大應力產(chǎn)生部位是相對的各電極部 2、3的外周部位。此時，如圖25(a)的產(chǎn)生應力矢量圖所示，確認了在將與電極部2、3非接 觸部分作為最大產(chǎn)生應力，在使高分子材料1以低電位側(cè)的電極部3的外周部為支點而彎 曲到低電位側(cè)的方向上產(chǎn)生應力分布。另一方面，在作為施加區(qū)域不同的電極12、13的電氣刺激性高分子材料11中，在 圖16所示的電場矢量分布中，最大電場強度是5090V/m，此時的最大電場矢量產(chǎn)生部位如 圖17所示，是電極13的外周部位。另外，如圖24(b)的產(chǎn)生電場矢量圖所示，確認了從被 電極12、13夾持的區(qū)域，在使與該電極12、13非接觸部分的電氣刺激性高分子材料11彎曲 的方向上產(chǎn)生矢量分布。另外，在根據(jù)圖16、圖17的電場矢量分布求出了麥克斯應力的圖18、圖19所示的 應力矢量分布的示意圖中，最大應力是1. βΧΙΟ,Ν，最大應力產(chǎn)生部位是電極13的外周部 位。此時，如圖25(b)的產(chǎn)生應力矢量圖所示，將與電極13的非接觸部分作為最大產(chǎn)生應 力，在使電氣刺激性高分子材料11以該低電位側(cè)電極13的外周部為支點向低電位側(cè)彎曲 的方向上產(chǎn)生應力分布。通過以上的仿真結(jié)果，本發(fā)明中的驅(qū)動體11的最大電場強度的值和最大應力的 值都大于軸封體1的值。由此，在實際的變形時，通過該最大電場強度和最大應力，軸封體1 成為圖26(a)所示的彎曲狀態(tài)，驅(qū)動體11成為圖26(b)所示的彎曲狀態(tài)。這樣，本發(fā)明中 的驅(qū)動體11比軸封體1更大幅地彎曲，其變位量進一步變大。實施例3進而，構(gòu)成與實施例2不同的結(jié)構(gòu)的高分子致動器，對該高分子致動器施加電壓， 與實施例2的情況同樣地通過仿真解析了此時的電場矢量的分布。在該例子中，如圖27所 示，電氣刺激性高分子材料(驅(qū)動體)81成為其外周面是大至半球面形狀的中空環(huán)狀。另夕卜，在該驅(qū)動體81的上下側(cè)，配設(shè)了上面?zhèn)入姌O82和下面?zhèn)入姌O83。驅(qū)動體81中的與上 面?zhèn)入姌O82的接觸部分成為上面?zhèn)鹊钠矫娌课?，另一方面，與下面?zhèn)入姌O83的接觸部分成 為下面?zhèn)鹊钠矫娌课缓蛢?nèi)周側(cè)的曲面部位。如果從電極82、83對驅(qū)動體81施加了電氣的外部刺激，則產(chǎn)生圖28所示那樣的 電場矢量分布。若求出此時的產(chǎn)生應力矢量圖，則為圖29所示的狀態(tài)。如圖29的箭頭所示， 在施加電場時，對高分子材料81，在徑向上向縮徑方向產(chǎn)生應力，并且在軸向上延伸的方向 上產(chǎn)生應力，所以高分子材料81如圖28、圖29所示，高效地變到密封流體而防止泄漏的方 向。通過該變形，在將安裝了該驅(qū)動體81的高分子致動器應用于閥等驅(qū)動源中的情況下， 驅(qū)動體81的外周面?zhèn)冉佑|到流路的壁面，從而能夠提高閥閉時的密封力、進行從大等級的 流量到微少等級的流量控制 。另外，在將安裝了驅(qū)動體81的高分子致動器應用于軸封裝置 中的情況下，驅(qū)動體81的外周面?zhèn)冉佑|到軸封部分而能夠高精度地控制流量的泄漏量、控 制軸封狀態(tài)下的微少泄漏量。另外，通過該結(jié)構(gòu)，電極82、83被內(nèi)置于構(gòu)成高分子致動器的部位，所以防止電極 82、83被暴露于流體側(cè)。
權(quán)利要求
一種高分子致動器，其特征在于，具有經(jīng)由電氣的外部刺激而變形的驅(qū)動體、和在該驅(qū)動體的上下表面?zhèn)葘ο蚺渲枚鴮λ鲵?qū)動體平面性地施加正負的電氣的外部刺激的電極，該電極具有不同的施加區(qū)域，并具有如下電場分布通過該施加區(qū)域使在所述驅(qū)動體內(nèi)產(chǎn)生的應力分布偏向正負中的一方，而使所述驅(qū)動體向不存在對向的施加區(qū)域的一側(cè)彎曲變形。
2.一種高分子致動器，其特征在于，具有經(jīng)由電氣的外部刺激而變形的驅(qū)動體、和在該驅(qū)動體的上下表面?zhèn)葘ο虻毓潭ǘ?對所述驅(qū)動體平面性地施加正負的電氣的外部刺激的固定電極，該固定電極具有不同的施 加區(qū)域，并具有如下電場分布通過該施加區(qū)域使在所述驅(qū)動體內(nèi)產(chǎn)生的應力分布偏向正 負中的一方，而使所述驅(qū)動體向不存在對向的施加區(qū)域的一側(cè)彎曲變形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高分子致動器，其特征在于，在所述固定電極中的、成為寬的施加區(qū)域側(cè)的固定電極與所述驅(qū)動體之間的相對或者 非相對位置，蒸鍍了在所述驅(qū)動體彎曲變形的過程中與該驅(qū)動體一體地變形而對該驅(qū)動體 施加電氣的外部刺激的可撓性的蒸鍍電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子致動器，其特征在于，將所述上下表面?zhèn)鹊碾姌O中的、寬的施加區(qū)域側(cè)的電極，設(shè)為在所述驅(qū)動體彎曲變形 的過程中與該驅(qū)動體一體地變形而對該驅(qū)動體施加電氣的外部刺激的可撓性的蒸鍍電極， 并將該蒸鍍電極埋設(shè)在所述驅(qū)動體內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中的任意一項所述的高分子致動器，其特征在于，所述驅(qū)動體是在停止了電氣的外部刺激時恢復到原來的位置、另一方面在施加了電氣 的外部刺激時該部位以外的部位彎曲變形的電氣刺激性高分子材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任意一項所述的高分子致動器，其特征在于，在所述固定電極的一側(cè)的電極中，設(shè)置了朝向所述驅(qū)動體的外端徑向從該驅(qū)動體擴大 離散開的傾斜面。
7.使用權(quán)利要求1 6中的任意一項所述的高分子致動器的閥，其特征在于，在具有多個流路的主體內(nèi)，配設(shè)所述高分子致動器而作為閥芯，通過該閥芯對所述流 路進行開閉或者流量調(diào)整。
8.使用權(quán)利要求1 6中的任意一項所述的高分子致動器的軸封結(jié)構(gòu)，其特征在于，在本體內(nèi)部中設(shè)置軸封部，在該軸封部中應用所述高分子致動器而通過該高分子致動器的變形產(chǎn)生了流體的泄漏現(xiàn)象。
全文摘要
能夠?qū)⒏叻肿又聞悠骼迷诟鞣N驅(qū)動源中，特別，還可以將高分子致動器的變形量使用在閥、軸封裝置中。本發(fā)明提供一種高分子致動器，具有經(jīng)由電氣刺激而變形的驅(qū)動體、和在該驅(qū)動體的上下面?zhèn)葘ο蚺渲枚鴮︱?qū)動體平面性地施加正負的電氣刺激的電極。該電極具有不同的施加區(qū)域，并具有如下電場分布通過該施加區(qū)域使在驅(qū)動體內(nèi)產(chǎn)生的應力分布偏向正負中的一方，而使驅(qū)動體彎曲變形到?jīng)]有對向的施加區(qū)域的一側(cè)。
文檔編號C08L75/04GK101960710SQ20098010819
公開日2011年1月26日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者五味知佳士, 山崎知哉, 青木和弘 申請人:株式會社開滋