申请/专利权人：琳得科株式会社

申请日：2017-10-26

公开（公告）日：2020-10-16

公开（公告）号：CN110100096B

主分类号：F03G7/06(20060101)

分类号：F03G7/06(20060101);D02G1/02(20060101);H02N11/00(20060101)

优先权：["20161227 JP 2016-252346"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.16#授权;2019.08.30#实质审查的生效;2019.08.06#公开

摘要：本发明的致动器由纤维状高分子材料构成，所述纤维状高分子材料由高分子构成，在所述纤维状高分子材料的最外表面具有捻痕，所述捻痕相对于所述纤维状高分子材料的纤维轴倾斜的角度x与角度y具有x＞y+0.5的关系，所述角度y是将由构成所述纤维状高分子材料的高分子构成的纤维在25℃的环境下施加所述纤维的拉伸模量×4.5×10－3的拉伸应力，并捻绕至产生卷曲的极限或者捻绕至断裂的极限时的捻痕相对于所述纤维的纤维轴倾斜的角度。

主权项：1.一种致动器，其由纤维状高分子材料构成，所述纤维状高分子材料由高分子构成，在所述纤维状高分子材料的最外表面具有捻痕，其中，所述捻痕相对于所述纤维状高分子材料的纤维轴倾斜的角度x与角度y具有x＞y+0.5°的关系，所述角度y是将由构成所述纤维状高分子材料的高分子构成的纤维在25℃的环境下施加所述纤维的拉伸模量×4.5×10－3的拉伸应力，并捻绕至产生卷曲的极限或者捻绕至断裂的极限时的捻痕相对于所述纤维的纤维轴倾斜的角度。

全文数据：致动器及其制造方法技术领域本发明涉及一种致动器及其制造方法。本申请根据2016年12月27日在日本申请的特愿2016-252346号主张优先权，在此引用其内容。背景技术由于发达国家的老龄社会的到来、机器人工学的发达、向人类智能活动的转换等，而寻求各种物品的动力化，并提出了各种致动器的方案。例如，在专利文献1中公开有一种含有插捻的卷状聚合物纤维的致动器。含有插捻的卷状聚合物纤维的致动器通过以下方式形成，即，选择作为单丝或者多丝的以高强度且高度链取向的前体聚合物纤维，向所述前体聚合物纤维插捻直到发生卷曲，或者，向所述前体聚合物纤维插捻直到不产生卷曲的水平，接着，在相同或者相反方向上向最初插入的捻度插入卷曲。在专利文献1中说明了，由于温度变化，含有插捻的卷状聚合物纤维的致动器能够以提供拉伸收缩或者拉伸膨胀的方式进行操作。另外，卷曲之前的聚合物纤维的光学显微镜照片显示了螺旋形的表面特征，其相对于纤维方向的偏角α用下式表达。α＝tan－1πdT在式中，d是聚合物纤维的直径，T是聚合物纤维每单位长度所插入的捻度的量。现有技术文献专利文献专利文献1：日本专利公开2016-42783号公报发明内容一要解决的技术问题但是，专利文献1所公开的含有插捻的非卷状聚合物纤维的致动器，未必相对于温度变化而言显示出较大的可动范围，有时输出也不充分。本发明鉴于上述的实际情况而完成，其目的在于提供一种新的致动器及其制造方法，其比以往显示出较大的热的可动范围。二技术方案为了实现上述目的，本发明人进行了深入研究，结果发现了比以往显示出较大的热的可动范围的致动器。另外，发现了一种制造方法，其通过对由玻璃化转变温度高于25℃的高分子构成的纤维状高分子材料在温度高于所述高分子的玻璃化转变温度的环境下进行捻绕，而容易获得那样的致动器。即，本发明如以下所述。1一种致动器，其由纤维状高分子材料构成，所述纤维状高分子材料由高分子构成，在所述纤维状高分子材料的最外表面具有捻痕，其中，所述捻痕相对于所述纤维状高分子材料的纤维轴倾斜的角度x、与角度y具有x＞y+0.5°的关系，所述角度y是将由构成所述纤维状高分子材料的高分子构成的纤维在25℃的环境下施加所述纤维的拉伸模量×4.5×10－3的拉伸应力，并捻绕至产生卷曲的极限或者捻绕至断裂的极限时的捻痕相对于所述纤维的纤维轴倾斜的角度。2根据所述1所述的致动器，其特征在于，所述高分子的玻璃化转变温度是45℃以上。3根据所述1或2所述的致动器，其特征在于，所述高分子是尼龙。4根据所述1～3中任一项所述的致动器，其特征在于，所述角度x是45°以上。5根据所述1～4中任一项所述的致动器的制造方法，其中，所述制造方法包含对由玻璃化转变温度高于25℃的高分子构成的纤维在温度高于所述高分子的玻璃化转变温度的环境下进行捻绕的工序。三有益效果本发明的致动器比以往的致动器显示出较大的热的可动范围。附图说明图1是表示本发明的第一实施方式的致动器的概要图。图2是表示致动器试样的、相对于捻绕速度的捻痕的角度及旋转角度的图表。具体实施方式本发明的第一实施方式的致动器由纤维状高分子材料构成，所述纤维状高分子材料由高分子构成，在所述纤维状高分子材料的最外表面具有捻痕，所述捻痕相对于纤维轴倾斜的角度x与角度y具有x＞y+0.5°的关系，所述角度y是将由构成所述纤维状高分子材料的高分子构成的纤维在25℃的环境下施加所述纤维的拉伸模量×4.5×10－3的拉伸应力，并捻绕至产生卷曲的极限或者捻绕至断裂的极限时的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度。作为构成纤维状高分子材料的高分子，以尼龙6，6为例。如果将直径为250μm的尼龙6，6的单丝在25℃的环境下施加适度的拉伸应力并以使其不产生卷曲的方式进行捻绕，则每1m能够旋转约1000次，单丝的最外表面附近的聚合物分子相对于纤维轴能够产生大约达44°的倾斜，在单丝的最外表面产生大约达44°的捻痕。当超过该转速对尼龙6，6的单丝进行捻绕，则产生卷曲。即，尼龙6，6的单丝捻绕至产生卷曲的极限时的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度y是大约44°。如果将直径为500μm的尼龙6，6的单丝在25℃的环境下施加适度的拉伸应力并以使其不产生卷曲的方式进行捻绕，则每1m能够旋转约500次，单丝的最外表面附近的聚合物分子相对于纤维轴能够产生大约达44°的倾斜，在单丝的最外表面产生大约达44°的捻痕。即，尼龙6，6的单丝捻绕至产生卷曲的极限时的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度y是大约44°。这样，如果将由玻璃化转变温度高于25℃的高分子构成的纤维在该高分子的玻璃化转变温度以下的温度环境下例如，25℃施加适度的拉伸应力进行捻绕，则无论纤维的粗度即，直径如何，在捻绕至刚刚要产生卷曲之前时的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度y大约是恒定的。而且，在以往的致动器中，捻痕相对于纤维轴倾斜的角度x与所述角度y的关系是x≤y，捻痕相对于纤维轴的倾斜度较小。作为适度的拉伸应力，只要是所述纤维的拉伸模量的4.5×10－3倍的大小即可。与此相对，本发明的第一实施方式的致动器的角度x与角度y具有x＞y+0.5°的关系。因此，朝向以构成致动器的纤维状高分子材料的纤维轴为中心的旋转方向的取向更显著，具有较大的热的可动范围。具体而言如以下那样确定角度y。在对由构成纤维状高分子材料的高分子构成的纤维在25℃下施加该纤维的拉伸模量×4.5×10－3的拉伸应力进行捻绕时断裂的情况下，用比断裂时刻的捻绕速度少10转的转速再次在相同的条件下对相同的纤维进行捻绕后，在比构成纤维状高分子材料的高分子的玻璃化转变温度高40℃以上的温度下进行了30分钟后述的残留应力缓和处理，将上述这种状态的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度设定为y。另外，在对所述纤维在25℃下施加了该纤维的拉伸模量×4.5×10－3的拉伸应力并进行了捻绕时产生了卷曲的情况下，之后，在比构成纤维状高分子材料的高分子的玻璃化转变温度高40℃以上的温度下进行了30分钟后述的残留应力缓和处理，将上述这种状态的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度设定为y。在本发明的第一实施方式的致动器中，所述角度x与所述角度y的关系是x＞y+0.5°，优选是x＞y+1°，更优选是x＞y+3°，特别优选是x＞y+4°。从容易获得本发明的第一实施方式的致动器的观点出发，优选是x≤y+40°，更优选是x≤y+30°。在纤维状高分子材料的最外表面具有的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度x优选是45°以上，更优选是46°以上，特别优选是48°以上。从容易获得本发明的第一实施方式的致动器的观点出发，优选是x≤85°，更优选是x≤75°。本发明的第二实施方式的致动器的制造方法包括，对由玻璃化转变温度高于25℃的高分子构成的纤维在温度高于所述高分子的玻璃化转变温度的环境下进行捻绕的工序。在本发明的第二实施方式的致动器的制造方法中，对由玻璃化转变温度高于25℃的高分子构成的纤维在温度高于所述高分子的玻璃化转变温度的环境下进行捻绕。由此，容易使在纤维状高分子材料的最外表面具有的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度x比在25℃的环境下捻绕至产生卷曲的极限时的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度y大。或者，在本发明的第二实施方式的致动器的制造方法中，容易使在纤维状高分子材料的最外表面具有的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度x比在25℃的环境下捻绕至断裂的极限时的捻痕相对于纤维轴倾斜的角度y大。即，在本发明的第二实施方式的致动器的制造方法中，比起如以往的致动器那样在25℃的环境下对纤维进行捻绕的情况，施加大的捻绕，增大通过加热而以纤维轴为中心所产生的旋转运动，而容易获得具有较大的热的可动范围的本发明的第一实施方式的致动器。在本发明的第二实施方式的致动器的制造方法中，捻绕纤维的工序的温度环境只要是温度高于该高分子的玻璃化转变温度的环境下则不受限定，优选是温度比该高分子的玻璃化转变温度高10℃以上的环境下，更优选是温度比该高分子的玻璃化转变温度高20℃以上的环境下。特别优选是温度比该高分子的玻璃化转变温度高40℃以上的环境下。通过使捻绕纤维的工序的温度环境成为更高的温度，而能够减小用于捻绕纤维所需要的扭矩，在使需要非常大的扭矩的粗纤维、刚性的纤维能够容易地捻绕的方面也有用。在接近该高分子的玻璃化转变温度的温度环境下实施了捻绕的纤维状高分子材料中，为了抑制捻绕恢复到原样的作用，优选进行在该高分子的玻璃化转变温度以上的环境下放置一定期间等的残留应力缓和处理。以上所述的本发明的第二实施方式的致动器的制造方法是用于获得本发明的第一实施方式的致动器的方法的一例，但获得本发明的第一实施方式的致动器的方法不限于此。在本发明的第二实施方式的致动器的制造方法中，捻绕纤维的工序的环境的温度比纤维的玻璃化转变温度高，且纤维的玻璃化转变温度高于25℃。即，捻绕纤维的工序的环境的温度＞纤维的玻璃化转变温度＞25℃。本发明的第二实施方式的致动器的制造方法是为了获得本发明的第一实施方式的致动器所优选的方法，但为了获得本发明的第一实施方式的致动器，既可以采用捻绕纤维的工序的环境的温度＞25℃＞纤维的玻璃化转变温度的制造方法，也可以采用纤维的玻璃化转变温度＞捻绕纤维的工序的环境的温度＞25℃的制造方法。如果考虑越是高温越具有软化倾向的高分子材料的特性，则优选至少采用捻绕纤维的工序的环境的温度＞25℃的制造方法。另外，作为用于获得本发明的第一实施方式的致动器的制造方法，也可以在对纤维进行纺纱、延伸时，一边向以纤维轴为中心的旋转方向施加变形一边进行延伸。这种情况下的角度y是关于下述情况下的捻痕的，即，在对进行通常的纺纱、延伸而制造的纤维在25℃的环境下施加进行通常的纺纱、拉伸而制造的纤维的拉伸模量×4.5×10－3的拉伸应力，当捻绕至产生卷曲的极限或者断裂的极限时的捻痕。本发明的第一实施方式的致动器也可以除此以外具有以下的特征。作为构成本发明的第二实施方式的致动器的高分子的种类，从能够采用上述的本发明的第二实施方式的致动器的制造方法的观点出发，优选玻璃化转变温度Tg高于25℃。高分子的玻璃化转变温度Tg可以高于45℃。例如，作为高分子的种类，能够举出尼龙6Tg：45℃、尼龙6，6Tg：47℃等尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯Tg：100℃等丙烯酸树脂、聚对苯二甲酸乙二酯Tg：80℃等聚酯树脂、聚碳酸酯Tg：145℃、聚氯乙烯Tg：82℃、聚碳酸酯Tg：150℃等。另外，作为玻璃化转变温度Tg低于25℃的高分子的种类，能够举出聚乙烯Tg：－120℃、聚丙烯Tg：－20℃等。优选构成纤维状高分子材料的高分子是结晶性的。纤维状高分子材料中的高分子的结晶化度优选是50％以上，更优选是55％～90％。通过使结晶化度在这样的范围，而容易获得各向异性高、且作为致动器的效果优良的产品。本发明的第一实施方式的致动器优选是施加了捻绕的单丝纤维。另外，构成本发明的第一实施方式的致动器的纤维状高分子材料可以是将施加了捻绕的单丝纤维缠绕于心轴所获得的卷状纤维，此时，既可以是向与最初施加的捻绕的方向相同的方向进行缠绕而成为卷状纤维，也可以是向与最初施加的捻绕的方向相反的方向进行缠绕而成为卷状纤维。向与最初施加的捻绕的方向相同的方向缠绕的卷状纤维能够作为通过加热而收缩的致动器发挥功能。向与最初施加的捻绕的方向相反的方向缠绕的卷状纤维，能够作为通过加热而伸长的致动器发挥功能。当像这样使本发明的第一实施方式的致动器卷曲时，能够进一步增大通过加热而在卷的轴向上产生的线性运动的距离。在这种情况下，优选通过向卷的内侧插入芯棒，而使伸长的作用不向横向散逸。构成本发明的第一实施方式的致动器的纤维状高分子材料可以由多丝纤维构成。【实施例】下面通过具体的实施例对本发明进行更详细地说明。但是，本发明并不受以下所示的实施例的任何限定。[捻痕相对于纤维轴的倾斜角度的测量]使用光学显微镜观察致动器，并测量线状的捻痕相对于纤维轴的角度。所谓的捻痕的角度是指，将与纤维轴向平行设定为0°，将与纤维轴垂直方向设定为90°，对于在纤维直径方向的中央部附近观察的捻痕，确定捻痕从纤维轴向起的倾斜角度。[基于加热的致动器的可动范围的评价]采取12cm长的致动器试样，在距离一方的端设定为端部A为1cmB点、6cmC点、11cmD点的位置上标注标记，在距离端部A为1cm的B点的位置上，安装长度为30mm、宽度为1.5mm、厚度为0.5mm、质量为170mg的细长的不锈钢制的板。具体而言，在距离不锈钢制的板的端为10mm的位置上折弯该不锈钢制的板，并用折弯的部分夹住试样，通过用钳子施加力而将不锈钢制的板固定于致动器试样。不锈钢制的板以与试样成为正交的朝向的方式安装。从距离端部A为11cm的D点的位置到另一方的端部即，距离端部A为12cm的位置用夹具固定，使不锈钢制的板朝下，一边使试样与铅直方向平行一边以沉到C点的标记的方式浸到温度为25℃的水浴后，进行上提，并以沉到C点的标记的方式缓慢地浸到温度为80℃的热水浴中。通过加温，从致动器试样向以纤维轴为中心的旋转方向施加力，当不锈钢制的板以致动器试样为轴进行旋转时，将不锈钢制的板停止活动的角度与沉浸到25℃水浴时的角度的差作为可动范围的角度进行观察。重复5次当浸到温度为25℃的水浴后，到浸到温度为80℃的热水浴为止的一系列的旋转运动，并将这些可动范围的角度的平均值作为该致动器试样的旋转角度。[实施例1]准备了由尼龙66构成的丝东丽单丝制，拉伸模量：2.9×103MPa，玻璃化转变温度：47℃，直径0.5mm。将该丝取1m，在一端经由环状的配件连接了260g的锤。另外，将另一方的一端连接于电动机。借助于锤的自重，丝以沿重力方向延伸的方式拉伸，通过在环状的配件上穿过金属棒，而使连接了锤的丝的一端仅向上下方向自由活动，而不向旋转方向活动。此时，向丝施加的拉伸应力是12.98MPa，向丝施加的拉伸应力是丝的拉伸模量的4.5×10－3倍。而且，在丝的周围设置筒状的加热器MISEC株式会社制，产品名：管式加热器マイチューブヒーター，将1m的丝的整体的周围环境保持为180℃，并使电动机以400rpm运转到580转。在该实施例1中，在捻绕丝期间在丝上没有产生结。对于该丝，固定两端而使得捻绕不恢复到原样，在此基础上，在180℃无湿度调节的环境下保管30分钟，进行了残留应力缓和处理。将实施了该捻绕的丝作为测量评价用的致动器试样。测量了捻痕相对于纤维轴的倾斜角度，捻痕的角度是49.3°。评价了基于加热的致动器的可动范围，旋转角度是315°。[实施例2]当对丝实施捻绕时，将1m的丝的整体的周围环境保持为80℃，并使电动机以400rpm运转到540转，对于该丝，固定两端而使得捻绕不恢复到原样，在此基础上，在180℃无湿度调节的环境下保管30分钟，进行了残留应力缓和处理，除此之外，以与实施例1同样的方式获得了致动器试样。在该实施例2中，也在捻绕丝期间在丝上没有产生结。测量了捻痕相对于纤维轴的倾斜角度，捻痕的角度是47.6°。评价了基于加热的致动器的可动范围，旋转角度是292°。[比较例1]当对丝实施捻绕时，不进行用加热器提高丝的周围的温度，而在25℃的环境下实施捻绕至580转，除此之外，以与实施例1同样的方式获得了试样。在该比较例1中，由于在捻绕丝期间在丝上产生了结，因此将没有结的部分作为了致动器试样。测量了捻痕相对于纤维轴的倾斜角度，捻痕的角度是44.2°。评价了基于加热的致动器的可动范围，旋转角度是270°。[比较例2]当对丝实施捻绕时，不进行用加热器提高丝的周围的温度，而在25℃的环境下对丝实施捻绕至500转，除此之外，以与实施例1同样的方式获得了致动器试样。在该比较例2中，在捻绕丝期间在丝上没有产生结。测量了捻痕相对于纤维轴的倾斜角度，捻痕的角度是44.5°。评价了基于加热的致动器的可动范围，旋转角度是270°。[比较例3]当对丝实施捻绕时，不进行用加热器提高丝的周围的温度，而在25℃的环境下对丝实施捻绕至375转，除此之外，以与实施例1同样的方式获得了致动器试样。在该比较例3中，在捻绕丝期间在丝上没有产生结。测量了捻痕相对于纤维轴的倾斜角度，捻痕的角度是33.1°。评价了基于加热的致动器的可动范围时，旋转角度是225°。[比较例4]当对丝实施捻绕时，不进行用加热器提高丝的周围的温度，而在25℃的环境下对丝实施捻绕至250转，除此之外，以与实施例1同样的方式获得了致动器试样。在该比较例4中，在捻绕丝期间在丝上没有产生结。测量了捻痕相对于纤维轴的倾斜角度，捻痕的角度是20.0°。评价了基于加热的致动器的可动范围，旋转角度是160°。[比较例5]当对丝实施捻绕时，不进行用加热器提高丝的周围的温度，而在25℃的环境下对丝实施捻绕至125转，除此之外，以与实施例1同样的方式获得了致动器试样。在该比较例5中，在捻绕丝期间在丝上没有产生结。测量了捻痕相对于纤维轴的倾斜角度，捻痕的角度是10.1°。评价了基于加热的致动器的可动范围，旋转角度是80°。图2中用图表表示实施例1、2、以及比较例1～5的各个致动器试样的相对于捻绕速度的捻痕的角度及旋转角度。在比较例2、3、4、5中，捻痕的角度及旋转角度与捻绕速度大致具有正比例的关系，在超过比较例2的转速500次而进行旋转的比较例1的捻痕的角度及旋转角度中，与比较例2的捻痕的角度及旋转角度大致相同。即，在25℃的环境下，比较例2的转速500次是产生卷曲的极限，当超过该次数地捻绕尼龙66的纤维时，则产生卷曲。即，比较例1的捻痕的角度44.2°是y2，比较例2的捻痕的角度44.5°是y3，y3处于y2±0.5°的范围内，因此二者中的较大方，即y3＝44.5°是相对于在实施例及比较例中使用的尼龙6，6的纤维而言的角度y。但是，在实施例1中，超过尼龙66的玻璃化转变温度：47℃，在180℃的环境下，即使捻绕至580转，也不产生卷曲，旋转角度是315°，显示出较大的热的可动范围。在实施例2中，即使将尼龙66在80℃的环境下捻绕至540转，也不产生卷曲，旋转角度是292°，显示出较大的热的可动范围。在表1中示出各实施例及比较例的捻绕处理时的温度、转速、有无结、捻痕的角度x、角度x与角度y的关系、旋转角度即，致动器可动范围。【表1】捻绕处理时的温度转速有无结捻痕的角度xx与y的关系旋转角度实施例1180℃＞Tg580无49.3°x＞y+0.5°315°实施例280℃＞Tg540无47.6°x＞y+0.5°292°比较例125℃＜Tg580有44.2°＝yx＝y270°比较例225℃＜Tg500无44.5°x＜y+0.5°270°比较例325℃＜Tg375无33.1°x＜y+0.5°225°比较例425℃＜Tg250无20.0°x＜y+0.5°160°比较例525℃＜Tg125无10.1°x＜y+0.5°80°工业实用性本发明的第一实施方式的致动器即使在需要较大的角度或者较大距离的活动的各种物品的动力化的用途中，也能够使用。

权利要求：1.一种致动器，其由纤维状高分子材料构成，所述纤维状高分子材料由高分子构成，在所述纤维状高分子材料的最外表面具有捻痕，其中，所述捻痕相对于所述纤维状高分子材料的纤维轴倾斜的角度x与角度y具有x＞y+0.5的关系，所述角度y是将由构成所述纤维状高分子材料的高分子构成的纤维在25℃的环境下施加所述纤维的拉伸模量×4.5×10－3的拉伸应力，并捻绕至产生卷曲的极限或者捻绕至断裂的极限时的捻痕相对于所述纤维的纤维轴倾斜的角度。2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述高分子的玻璃化转变温度是25℃以上。3.根据权利要求1或2所述的致动器，其特征在于，所述高分子是尼龙。4.根据权利要求1～3中任一项所述的致动器，其特征在于，所述角度x是45°以上。5.一种权利要求1～4中任一项所述的致动器的制造方法，其中，所述制造方法包含对由玻璃化转变温度高于25℃的高分子构成的纤维在温度高于所述高分子的玻璃化转变温度的环境下进行捻绕的工序。

百度查询： 琳得科株式会社 致动器及其制造方法

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