2016 Fiscal Year Research-status Report
液体窒素温度におけるポリイミドフィルムの特性評価とソフトアクチュエータへの応用
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15K20908
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
山口 大介 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (00735657)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ソフトアクチュエータ / フィルモティクス / 極低温 / 液体窒素 / 極限環境 / 剥離試験 / 引張試験機 / ガス圧 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、液体窒素温度付近（－196℃）において駆動を実現するソフトフィルムアクチュエータの確立を目標としており、研究を基盤課題、本課題、発展課題の3つのステップに分けている。昨年度、基盤課題としてアクチュエータの主材料となるポリイミドフィルム同士の溶着強度についての評価を進めた。本年度は本課題であるバルーン型アクチュエータの試作・性能評価を実施し、さらに発展課題としてロボットアーム等への応用を視野に入れた湾曲型フィルムアクチュエータの試作・評価を行った。
バルーン型アクチュエータを利用した実験では、昨年度得られた溶着強度から推定した耐久度と同程度の実験結果が得られ、従来と比較して高いガス圧を印加可能である事が示された。また基盤課題に再度戻ることによって、より強い溶着方向を選定した。選定された溶着方向を元にバルーン型アクチュエータの製作を行った。試作によって、従来と同サイズで、さらに高いガス圧の印加が実現された。最大印加圧力が向上したことにより、駆動源として使用した際の最大発生力の大幅な向上が期待される。
発展課題である湾曲型アクチュエータの製作では、片方のフィルムを折り曲げた蛇腹構造とすることで湾曲動作を実現した。試作した湾曲型アクチュエータについて、室温および－195℃付近で駆動評価を行った。いずれの温度においても、想定どおりの動作を実現している。一方で、フィルムを折り曲げた部分での強度低下が見られた。また製作プロセスが複雑であり、大量生産が困難という課題が挙がった。そこで、フィルムに対して塑性加工を施し、蛇腹構造と同様の動作を実現する莢状構造を製作するフィルム型取り装置を製作した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
（1）バルーン型アクチュエータの製作を行い、最大印加圧力に関する評価実験を行った。試作したアクチュエータに空気を印加し、溶着部よりリークが生じる圧力を最大印加圧力とし測定した。最大印加圧力は170kPaと大きく、フィルモティクス用アクチュエータとして十分であった。また溶着試験より算出された最大印加圧力と同程度であり、溶着強度の限界までアクチュエータとして利用できていることが確かめられた。
（2）アクチュエータへの最大印加圧力が溶着強度に依存していることが確かめられたことから、基盤課題に戻り、より強い溶着の実現を目指した。これまでのT字剥離方向からせん断剥離方向に溶着方向を変えることで、更なるアクチュエータの性能向上を目指した。引張試験機による剥離試験の結果、せん断剥離方向ではT字剥離方向の7.6倍の強度向上が見られた。また試作したアクチュエータでは、最大印加圧力が3.2倍と大きく向上した。
（3）湾曲動作を実現する蛇腹構造を持ったアクチュエータを試作・評価した。蛇腹構造の製作には、ポリイミドフィルムを折り曲げる事で製作を行った。試作したアクチュエータについて、室温および－140℃付近において評価を行った。1関節あたり、印加圧力30kPaにおいて最大発生力30mNm、無負荷時の最大湾曲量27度であった。ハンドリング用アクチュエータへの応用などが期待できる。
（4）蛇腹構造を有したアクチュエータの製作では、蛇腹を繰り返し展開・収納することによる疲労破壊が生じやすかった。加えて折り曲げプロセスが複雑であり、ロボットへの使用を視野に入れると、同じ性能のアクチュエータが複数必要である事から、より簡易なアクチュエータ製作手法が必要であった。そこで塑性変形をフィルムに対して施し、湾曲動作を実現する莢状構造を製作するフィルム型取り装置を製作した。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに、基盤課題・本課題および発展課題の半分まで完了している。引き続き、湾曲型アクチュエータについての評価をすすめ、計画していた発展課題を完了させる。一方で、以下に述べる課題解決を進めることで、さらなるアクチュエータの性能向上を目指す。
フィルム型取り装置の製作によって、型取りを利用したアクチュエータの製作が可能となった。本装置を使用し、今後はアクチュエータの製作および性能評価を進めていく。型取りで製作したアクチュエータが、フィルムの折り込みによって製作されたアクチュエータと同程度の湾曲量・発生力が得られれば、大量生産が可能なアクチュエータが実現され、ロボットへの応用が容易になると考えられる。
また溶着部がせん断方向となるようにアクチュエータを製作することで、最大印加圧力が向上することがわかっている。一方で、先端部の封止方法は従来と同様のT字剥離方向であり、高いガス圧の印加によって先端部より破損が生じている。最大印加圧力を十分に発揮するためには、アクチュエータ製作時の先端部封止方法を考慮する必要がある。そこで、先端部の封止が剪断方向となる封止方法について新たに検討を進める。
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| Causes of Carryover |
購入予定であったポリイミドフィルムについて、使用状況から次年度の購入とした。これによる研究計画への影響はない。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本年度は昨年度購入予定であったポリイミドフィルムを追加購入する。また、研究成果発表として学会参加費、論文投稿費等を予定している。
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