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高分子致动器和使用了该致动器的阀以及轴封结构

阅读：291发布：2021-03-01

IPRDB可以提供高分子致动器和使用了该致动器的阀以及轴封结构专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且能够将高分子致动器利用在各种驱动源中，特别，还可以将高分子致动器的变形量使用在阀、轴封装置中。本发明提供一种高分子致动器，具有经由电气刺激而变形的驱动体、和在该驱动体的上下面侧对向配置而对驱动体平面性地施加正负的电气刺激的电极。该电极具有不同的施加区域，并具有如下电场分布：通过该施加区域使在驱动体内产生的应力分布偏向正负中的一方，而使驱动体弯曲变形到没有对向的施加区域的一侧。，下面是高分子致动器和使用了该致动器的阀以及轴封结构专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高分子致动器，其特征在于，

具有经由电气的外部刺激而变形的驱动体、和在该驱动体的上下表面侧对向配置而对所述驱动体平面性地施加正负的电气的外部刺激的电极，该电极具有不同的施加区域，并具有如下电场分布：通过该施加区域使在所述驱动体内产生的应力分布偏向正负中的一方，而使所述驱动体向不存在对向的施加区域的一侧弯曲变形。

2.一种高分子致动器，其特征在于，

具有经由电气的外部刺激而变形的驱动体、和在该驱动体的上下表面侧对向地固定而对所述驱动体平面性地施加正负的电气的外部刺激的固定电极，该固定电极具有不同的施加区域，并具有如下电场分布：通过该施加区域使在所述驱动体内产生的应力分布偏向正负中的一方，而使所述驱动体向不存在对向的施加区域的一侧弯曲变形。

3.根据权利要求2所述的高分子致动器，其特征在于，

在所述固定电极中的、成为宽的施加区域侧的固定电极与所述驱动体之间的相对或者非相对位置，蒸镀了在所述驱动体弯曲变形的过程中与该驱动体一体地变形而对该驱动体施加电气的外部刺激的可挠性的蒸镀电极。

4.根据权利要求1所述的高分子致动器，其特征在于，

将所述上下表面侧的电极中的、宽的施加区域侧的电极，设为在所述驱动体弯曲变形的过程中与该驱动体一体地变形而对该驱动体施加电气的外部刺激的可挠性的蒸镀电极，并将该蒸镀电极埋设在所述驱动体内。

5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的高分子致动器，其特征在于，所述驱动体是在停止了电气的外部刺激时恢复到原来的位置、另一方面在施加了电气的外部刺激时该部位以外的部位弯曲变形的电气刺激性高分子材料。

6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的高分子致动器，其特征在于，在所述固定电极的一侧的电极中，设置了朝向所述驱动体的外端径向从该驱动体扩大离散开的倾斜面。

7.使用权利要求1～6中的任意一项所述的高分子致动器的阀，其特征在于，在具有多个流路的主体内，配设所述高分子致动器而作为阀芯，通过该阀芯对所述流路进行开闭或者流量调整。

8.使用权利要求1～6中的任意一项所述的高分子致动器的轴封结构，其特征在于，在本体内部中设置轴封部，在该轴封部中应用所述高分子致动器而通过该高分子致动器的变形产生了流体的泄漏现象。

说明书全文

高分子致动器和使用了该致动器的阀以及轴封结构

技术领域

[0001] 本发明涉及使用了高分子材料的高分子致动器，特别涉及适合于使用该高分子致动器进行流路的开闭、流量控制的阀以及轴封结构。

背景技术

[0002] 以往，例如，作为容器内的流路的控制，在对流体进行常时密封的情况下，通常利用使用了密封部件的轴封装置。该轴封装置中的密封部件为了对空气/水/油/气体等多种多样的流体进行密封，例如，使用剖面大致圆形状的环状O环、填充环。这些密封部件其主要的功能对流体进行密封，所以要求较高的密封性能。

[0003] 因此，在密封部件中，通常，在轴封装置中的一侧的部件中，在轴或者孔的半径方向上形成于同一平面内的轴向上安装了剖面略矩形形状的槽，通过与另一侧的部件的接触压力来进行密封时，具有通过槽部形状而压缩的压缩余量。在组装了轴封装置后，例如，O环由于该压缩余量被压缩而产生推斥力，根据该推斥力，发挥通过接触面压得到的密封性而进行轴封。

[0004] 另外，通常，以各种合成橡胶为材料形成了密封部件，但为了使该材料在不引起异常的变形的范围内发挥适度的压缩应力，特别需要满足规定的低压缩永久形变、进而需要满足耐候性/耐摩耗性/耐热、以及耐寒性/耐油性/耐药品性等特性。另外，密封部件例如用于汽车/建设机械/飞机/OA设备/产业设备等多个领域的轴封装置中，所以需要根据各领域(用途)选择材料而使压缩余量成变得适当，不论在轴封部移动的运动、或者轴封部不移动的固定用的任何状态下使用的情况下，都需要以轴封功能的确保为前提而实现耐久性/插入性/压缩破坏的防止等。

[0005] 这样，通常的轴封装置由于以通过密封部件来提高密封功能为第1目的，所以通常密封部件、流体的密封区域被定位到规定的位置。因此，内置了密封装置的装置，其内部结构复杂化。

[0006] 当前，假设希望将密封区域切换操作为非密封区域而使密封区域移动，而将该轴封装置利用于各种驱动源中的情况下，需要在密封区域的密封部件、外壳等安装部位处设置其他动作机构。作为该动作机构，例如有螺旋进给机构、活塞/汽缸机构、以及旋转机构等，为了使这些机构动作，还需要使用人力、电气、空气、油压、以及弹簧等的某一种动力手段。

[0007] 另一方面，为了将密封区域切换为开闭状态，有使用了高分子致动器的阀(例如，参照专利文献1)。在该文献1的阀中，具有如下致动器：将所谓人造肌肉用作阀芯(valving element)，通过使该阀芯自身变形，从而无需使用复杂的动力手段而切换流路。人工肌肉由膜型的电形变伸缩聚合体构成，通过电压的ONOFF变形而直接或者经由密封件与阀座相接相离，来对流路进行开闭。另外，该文献的阀是如下EPAM(Electroactive Polymer Artificial Muscle，人工肌肉)结构：用能够伸缩的电极来夹持橡胶状的薄的高分子膜(弹性体)，并对该电极之间施加电压，从而使高分子膜在面方向上伸长(在周方向上扩径)。在该情况下，在该人工肌肉中，为了增大形变量或者变形量，在高分子膜的施加区域整个面中配设电极而增加了电荷注入量。

[0008] 专利文献1：日本专利第3501216号公报

发明内容

[0009] 但是，在希望通过轴封装置实施流路的开闭、流量控制的情况下，需要用于如上所述将密封区域切换为非密封区域的动作机构或动力手段，在该情况下，存在装置的结构复杂化而整体大型化、重量增加这样的问题。

[0010] 另外，在切换密封状态和非密封状态时，伴随构成动作机构的部件相互的接触、滑动，所以由于该接触、滑动而构成动作机构的部件产生磨耗、或者滑动的部件产生磨耗。而且，密封部件自身也由于在保持与密封区域的对方密封部件接触/加压状态的状态下移动，所以也产生与滑动伴随的磨耗。通过O环实现的密封部分如果在整周产生磨耗，则由于接触部分的压力降低、外伤而易于引起流体泄漏，在该情况下，由于滑动面粗糙、润滑不充分等外在要因，而有时使磨耗进一步加速。另外，在O环的滑动面中产生了局部性的磨耗的情况下，也易于引起流体泄漏，如果在O环的滑动面产生损伤，还有时使磨耗进一步加速。特别，在动作机构的运动速度较快、在偏心状态下进行运动、滑动的面的面粗糙度粗糙、润滑不充分的情况下，O环还有时扭曲。因此，使用了O环的轴封结构无法充分地确保其密封性，并非是适合于进行流路的开闭、流量控制的结构，所以难以用作各种驱动源。

[0011] 另一方面，在专利文献1中，通过将阀芯自身设成由EPAM构成的高分子致动器，而排除了复杂的动力机构，但由于阀芯自身是EPAM，所以在流体密封时，以EPAM整体的受压面积承受流体压力，在EPAM中需要较大的耐压强度，并且还需要较大的密封力。另外，在本体内，需要其他密封机构、必须设置用于落位的阀座部分，在阀芯自身中应用EPAM时，由于没有原样地利用EPAM的耐强度、与变形相伴的应力特性，所以并不合理。

[0012] 而且，该阀构成为在高分子膜的施加区域整个面中配置了电极，所以在例如将该高分子膜用作阀的阀芯或者阀芯的致动器等可动部时，在一定的施加能量下，变形量受到限制。因此，在考虑了期望的流量调整能力、阀开时的密封能力等时，仅能够采用比较小口径的阀，而并非实用。这样，对于该阀，也不适合于用作各种驱动源。

[0013] 本发明是鉴于所述实情进行精心研究的结果而开发出的，其目的在于，能够将高分子致动器利用于各种驱动源中，特别能够将高分子致动器的变形量也充分地使用在阀、轴封装置中。

[0014] 为了达成所述目的，第1方面的发明提供一种高分子致动器，其特征在于，具有经由电气的外部刺激而变形的驱动体、和在该驱动体的上下表面侧对向配置而对驱动体平面性地施加正负的电气的外部刺激的电极，该电极具有不同的施加区域，并具有如下电场分布：通过该施加区域使在驱动体内产生的应力分布偏向正负中的一方，而使驱动体向不存在对向的施加区域的一侧弯曲变形。

[0015] 第2方面的发明提供一种高分子致动器，其特征在于，具有经由电气的外部刺激而变形的驱动体、和在该驱动体的上下面侧对向地固定而对驱动体平面性地施加正负的电气的外部刺激的固定电极，该固定电极具有不同的施加区域，并具有如下电场分布：通过该施加区域使在驱动体内产生的应力分布偏向正负中的一方，而使驱动体弯曲变形到不存在对向的施加区域的一侧。

[0016] 在第3方面的发明记载的高分子致动器中，其特征在于，

[0017] 在固定电极中的成为宽的施加区域侧的固定电极与驱动体之间的相对或者非相对位置，蒸镀了在驱动体弯曲变形的过程中与该驱动体一体地变形而对该驱动体施加电气的外部刺激的可挠性的蒸镀电极。

[0018] 在第4方面的发明记载的高分子致动器中，其特征在于，

[0019] 将上下面侧的电极中的宽的施加区域侧的电极，设为在驱动体弯曲变形的过程中与该驱动体一体地变形而对该驱动体施加电气的外部刺激的可挠性的蒸镀电极，并将该蒸镀电极埋设在驱动体内。

[0020] 在第5方面的发明记载的高分子致动器中，其特征在于，

[0021] 驱动体是在停止了电气的外部刺激时恢复到原来的位置，另一方面在施加了电气的外部刺激时该部位以外的部位弯曲变形的电气刺激性高分子材料。

[0022] 在第6方面的发明记载的高分子致动器中，其特征在于，

[0023] 在固定电极的一侧的电极中，设置了朝向驱动体的外端径向从该驱动体扩大离散的倾斜面。

[0024] 在第7方面的发明记载的高分子致动器中，其特征在于，

[0025] 在具有多个流路的主体内，配设高分子致动器而作为阀芯，通过该阀芯对流路进行开闭或者流量调整。

[0026] 在第8方面的发明记载的高分子致动器中，其特征在于，

[0027] 在本体内部中设置轴封部，在该轴封部中应用高分子致动器而通过该高分子致动器的变形产生了流体的泄漏现象。

[0028] 根据第1发明，能够提供一种高分子致动器，使施加时或者施加停止时的EPAM、即电气刺激性高分子材料的变形量增加来进行流量的流量控制。在该情况下，没有与驱动体的移动相伴的磨耗，所以能够维持高的密封性能并且能够通过简单的内部结构来切换开闭状态而使流体流动。另外，通过根据外部电气信号等来调整驱动体的变形量，并调整接触面压力来控制流量，能够高精度地控制从小流量到大流量的流量来用于任何用途中。进而，无需设置动作机构而能够实现驱动体的变形，从而能够防止内部的劣化来长期维持优良的性能。由此，本发明的高分子致动器还可以利用于各种驱动源、或者空气致动器、以及电磁阀等阀中，进而，还可以控制流路停止活动状态下的微少泄漏量，从而还可以应用于各种技术领域中。

[0029] 根据第2发明，除了第1效果以外还可以防止固定电极的暴露，防止电压施加时的短路来抑制产生故障等。

[0030] 根据第3发明，能够对来自固定电极的电压施加进行补助，在驱动体离开固定电极时也可以维持向该驱动体的电压施加。由此，能够增大驱动体的变形量。

[0031] 根据第4发明，通过蒸镀电极和固定电极来夹持驱动体，从而能够省略一侧的固定电极。因此，能够使结构简化而易于制作。

[0032] 根据第5发明，在施加了电气的外部刺激时，由于该部位以外的部位变形，从而无需在该部分中设置电极，变形部分成为自由端部，从而能够增大变化量。因此，能够较大地形成流量，并且能够实施高精度的流量调节。

[0033] 根据第6发明，通过固定电极的外端的前端部位，不妨碍驱动体的变形，而沿着其倾斜面，驱动体轻松地弯曲，能够得到比平坦的电极大的变位。

[0034] 根据第7发明，能够提供一种阀，能够使驱动部构成为简单的结构而紧凑化地形成，且使用了能够切换多个流路的以往没有的结构的能够用作切换阀的高分子致动器。而且，能够根据实施方式使流路增减地形成，即使在设置于多通阀的方式中的情况下也可以高精度地控制各流路的开闭状态以及流量，所以还可以应用于各种技术领域中。

[0035] 根据第8发明，能够提供一种能够紧凑地形成，且能够高精度地控制流体的泄漏量的轴封结构。而且，还可以控制轴封状态下的微少泄漏量，所以还能够应用于各种技术领域中。

附图说明

[0036] 图1是示出本发明的高分子致动器的示意图。(a)是示出对高分子致动器的电场的分布的示意图。(b)是示出对高分子致动器的应力的产生状态的示意图。(c)是示出高分子致动器变形后的状态的示意图。

[0037] 图2是示出电气刺激性高分子材料的特性的说明图。

[0038] 图3是示出将本发明的高分子致动器使用在阀中的例子的概略剖面图。

[0039] 图4是示出对图3的阀施加了电气的外部刺激的状态的概略剖面图。

[0040] 图5是示出在图3的高分子致动器中设置了蒸镀电极的阀的例子的概略剖面图。

[0041] 图6是示出对图5的阀施加了电气的外部刺激的状态的概略剖面图。

[0042] 图7是示出将本发明的高分子致动器使用在三向切换阀中的例子的概略剖面图。

[0043] 图8是示出对图7的三向切换阀施加了电气的外部刺激的状态的概略剖面图。

[0044] 图9是示出在图7的高分子致动器中设置了蒸镀电极的三向切换阀的例子的概略剖面图。

[0045] 图10是示出对图9的三向切换阀施加了电气的外部刺激的状态的概略剖面图。

[0046] 图11是示出将本发明的高分子致动器利用在安全阀中的例子的概略图。

[0047] 图12是示出将本发明的高分子致动器利用在活塞/汽缸机构中的例子的概略图。

[0048] 图13是示出变位测定装置的概略图。

[0049] 图14是示出基于变位测定装置的测定条件和变位量的测定结果的曲线。(a)是示出电压的施加条件的曲线。(b)是示出电压施加时的电流的状态的曲线。(c)是示出被测定体的变位量的曲线。

[0050] 图15是示出被测定体的弯曲变位部分的示意图。(a)是示出被测定体的变位部分的示意图。(b)是(a)中的A部放大图。

[0051] 图16是示出对高分子致动器的电场矢量分布的示意图。

[0052] 图17是示出图16的要部的放大示意图。

[0053] 图18是示出图16中的应力矢量分布的示意图。

[0054] 图19是示出图18的要部的放大示意图。

[0055] 图20是示出向轴封体的电场矢量分布的示意图。

[0056] 图21是示出图20的要部的放大示意图。

[0057] 图22是示出图20中的应力矢量分布的示意图。

[0058] 图23是示出图22的要部的放大示意图。

[0059] 图24是示出对高分子材料的电场矢量的产生状态的示意图。(a)是示出施加区域相等的情况下的电场矢量的产生状态的示意图。(b)是示出施加区域不同的情况下的电场矢量的产生状态的示意图。

[0060] 图25是示出对高分子材料的应力矢量的产生状态的示意图。(a)是示出施加区域相等的情况下的应力矢量的产生状态的示意图。(b)是示出施加区域不同的情况下的应力矢量的产生状态的示意图。

[0061] 图26是示出高分子材料的弯曲状态的示意图。(a)是示出轴封体的弯曲状态的概略示意图。(b)是示出驱动体的弯曲状态的概略示意图。

[0062] 图27是示出高分子材料的其他例子的示意图。

[0063] 图28是示出对图27的高分子材料的电场矢量的产生状态的示意图。

[0064] 图29是示出图27的高分子材料的应力矢量的产生状态的示意图。

[0065] 图30是示出轴封体的变形状态的示意图。(a)是示出施加区域相等的情况下的轴封体的变形状态的示意图。(b)是示出施加区域不同的情况下的轴封体的变形状态的示意图。(c)是示出轴封体的弯曲状态的示意图。

[0066] 图31是示出将本发明中的高分子致动器使用在阀中的其他例子的开状态的概略剖面图。

[0067] 图32是示出图31中的阀的闭状态的概略剖面图。

[0068] (符号说明)

[0069] 10：致动器本体；11：驱动体(电气刺激性高分子材料)；11a：前端面；12、13：电极；14：蒸镀电极；21：主体；23：驱动部；33、34：流动流路；35：阀座；37：座面。

具体实施方式

[0070] 以下，根据附图，对本发明中的高分子致动器的实施方式进行详细说明。

[0071] 在图1中，示出了本发明的高分子致动器的一个实施方式。在该图中，高分子致动器本体(以下，称致动器本体)10具有驱动体11、电极12、13、以及蒸镀电极14。

[0072] 驱动体11由能够经由电气刺激而变形的材料构成，在本实施方式中，由在使电气的外部刺激停止了时恢复到原来的位置，另一方面在施加了电气的外部刺激时该部位以外的部位弯曲变形的电气刺激性高分子材料构成。此处，将本发明中的变形定义为不拘泥于驱动体11的体积变化的增减而改变形状。即，本发明的“变形”包括驱动体11伴随体积变化而膨胀、或者不伴随体积变化而使形状变化的情况这双方。

[0073] 图2示出本发明中的施加了电气刺激时该部位以外的部位变形的电气刺激性高分子材料的特性。

[0074] 作为构成图1的驱动体11的电气刺激性高分子材料的一个例子，例如有聚醚类聚氨酯。该材料是混合主剂和硬化剂而成的，主剂至少包含苯乙烯、腈化合物、BHT(二丁基羟基甲苯)、以及酞酸酯。另外，硬化剂至少包含酞酸、二苯基甲烷二异氰酸酯、以及酞酸酯。作为包含各成分的具体的电气刺激性高分子材料，例如有株式会社Exseal Corporation制人肌(注册商标)的gel sheet(胶贴)。另外，该电气刺激性高分子材料除了聚醚类聚氨酯以外，也可以是例如薄膜的硅，在该情况下也可以发挥与所述同样的功能、特性。进而，只要是能够发挥同样的功能、特性的材料，则也可以使用所述以外的材料。

[0075] 在本实施方式中，作为电气刺激性高分子材料，使用了聚氨酯/弹性体。

[0076] 另一方面，在驱动体11的上下面侧，以局部性地夹持该驱动体11的方式，对向配置了电极12、13，进而，从该位置到外部电连接。通过该结构，电极12、13能够对驱动体平面性地施加正负的电气刺激。另外，在电极中，有：在具有宽的施加区域的一侧、即驱动体11侧长长地形成的电极12；以及在具有窄的施加区域的一侧、即驱动体11侧较短地形成的电极13，这样具有相互不同的施加区域。进而，这些电极12、13分别是分别被固定到用于固定该电极的固定部15、16上的固定电极。

[0077] 这些电极12、13具有如下电场分布：通过不同的施加区域，使在施加时在驱动体11内产生的应力分布偏向正负中的一方，而使驱动体11弯曲变形到没有对向的施加区域的一侧、即较短地形成的一侧的电极13的方向。另外，配设于即使在驱动体11弯曲变形时，也从外部隐蔽的位置。

[0078] 蒸镀电极14具有可挠性，在宽的施加区域侧、即电极12与驱动体11之间的与电极12相对或者非相对的位置处被蒸镀到驱动体11，而与该驱动体11一体设置。蒸镀电极14在驱动体11弯曲变形的过程中与驱动体11一体变形，同时对该驱动体11施加电气的外部刺激。

[0079] 在本实施方式中，示出了在如图1所示，将电极12、13设为固定电极的情况下，在该固定电极12、13中的宽的施加区域侧的固定电极12上蒸镀了蒸镀电极14的情况，但也可以作为宽的施加区域侧的电极而仅设置蒸镀电极14并省略固定电极12。在该情况下，虽然未图示，但只要将蒸镀电极14埋设在驱动体11的内部中而从外部隐蔽，则能够防止在通过致动器本体10的流体是液体时该液体接触到蒸镀电极14而使电压短路。在将蒸镀电极14隐蔽于驱动体11内部时，例如，使蒸镀电极处于薄状地形成的驱动体之上，以卷绕该驱动体的方式折回而设置成规定的厚度，从而能够将蒸镀电极埋入在固定电极内。

[0080] 接下来，对于所述致动器本体10的基本技术及其动作，首先，以下说明本申请人已经提出的PCT申请(PCT/JP2008/61259)中的轴封装置。

[0081] 该轴封装置如图30所示，在内部中设置有轴封体1和固定电极部2、3。

[0082] 轴封体1是经由电气的外部刺激而膨胀的高分子材料制，例如，由聚氨酯/弹性体构成。另外，固定电极部2、3形成为均等的长度而配设在轴封体1的上下部侧。于是，如果对固定电极部2、3施加了电场，则轴封体1变形，并由于该变形而在未图示的流路中流过泄漏流体。

[0083] 在对其进行具体说明时，在图30中，如果对固定电极部2、3施加了电场，则通过由该电场产生的应力，在轴封体1中，在固定电极部2、3的相对部位、或者比固定电极部2突出的轴封体1的部分中，如图30(a)所示，(1)感应性多元醇或者具有偶极子力矩的多元醇通过电场而取向，从而高分子链的结构变化，产生电场矢量分布的应力。此时，如图30(b)所示，(2)通过由固定电极部2、3及其周边部的电场产生的库仑效应，轴封体1的厚度方向的宽度减少，由此，该轴封体1向与厚度方向90°的方向的长度平面方向扩张。另外，如图30(c)所示，(3)通过电荷的注入和偏向化，在两极侧感应出非对称的体积变化而产生应力。

[0084] 由此，在轴封体1中所述(1)～(3)这3个发挥作用而该轴封体1变形。此时，在轴封体1中产生的应力是通过相对的固定电极部2、3之间的电场分布而产生的，在固定电极部2、3之间、以及固定电极部的外周周边部的轴封体1内，构成从高电位侧朝向低电位侧的矢量。

[0085] 该矢量的大小成为如下分布：在固定电极部2、3的外周部位处变得最大，在成为与该固定电极部2、3非接触的部位的半径方向(平面方向)上，朝向外周侧逐渐衰减。这些应力在使轴封体1从高电位侧向低电位侧弯曲的方向上作用，此时，低电位侧的固定电极部3的外周周边部作为弯曲变形的支点发挥作用，轴封体1弯曲。

[0086] 接下来，在图1中，对具有电极12、13的本发明的致动器本体10的动作进行说明。

[0087] 在该情况下，成为驱动体11的电气刺激性高分子材料(例如，聚氨酯弹性体)成为如下状态：被长度不同的电极12、13夹持，或者在较长一侧的电极12上还设置蒸镀电极14而通过该蒸镀电极14和较短的一侧的电极13夹持。驱动体11有被电极12、13夹持的部分、和不与电极12、13相接而向外侧延长的部分。

[0088] 如果对两个电极12、13施加了电场，则在驱动体11中由于以下的理由而产生应力，但该应力值大于所述的施加区域相等的图30中的电极2、3的情况下的轴封体1中产生的应力值，由于该应力作用的面的力矩长较大，所以此时的变形量大于所述的情况。

[0089] 在对电极12、13施加了电场时，与所述施加区域相等的固定电极部2、3中夹持的轴封体1的情况同样地，在驱动体11中，如图1(a)所示，(4)感应性多元醇或者具有偶极子力矩的多元醇由于电场而发生取向，从而高分子链的结构变化，产生电场矢量分布的应力。此时，如图1(b)所示，(5)通过由电极12、13及其周边部的电场得到的库仑效应，驱动体1的厚度方向的宽度减少，由此，该驱动体11向与厚度方向90°的方向的长度平面方向扩张。另外，如图1(c)所示，(6)通过电荷的注入和偏向化，在两极侧感应出非对称的体积变化而产生应力。

[0090] 驱动体11由于(4)～(6)的应力而变形，但在驱动体11的电极12侧、电极13侧，在蒸镀电极14侧、以及没有电极13的非电极周边部中，电场以两个电极14、13的外周部位取最大值而在驱动体11的外侧半径方向(平面方向)上衰减分布。进而，从驱动体11中的蒸镀电极14的外周部位和蒸镀电极14与电极13不重叠的部分，朝向电极13接触的外周部方向，电场集中分布地作用，所以使驱动体11变形的应力高效地作用。另外，在电极13的外周部位中，产生向弯曲方向作用的弯曲应力矢量V，通过这些应力，在驱动体11中，以在电极13的端部侧支撑的部分为支点C，通过力矩长M的作用而弯曲力增大，而能够大幅弯曲变形。

[0091] 本发明的致动器本体10构成为，改良具有施加区域相等的电极的轴封体1，具备具有不同的施加区域的电极12、13，设置了如下电场分布：通过该施加区域使在驱动体11内产生的应力分布偏向正负中的一方，而使驱动体11弯曲变形到没有对向的施加区域的一侧、即电极13侧，所以与图30的轴封体1相比能够飞跃地增大驱动体11的变形量。因此，本发明的高分子致动器能够应用于具有适合于驱动源、阀等的流路的管路中。

[0092] 此处，作为利用本发明的高分子致动器时的优选的例子，对将该高分子致动器搭载于阀中的使用了高分子致动器的阀的实施方式进行说明。

[0093] 在图3中，示出了使用致动器本体10来构成阀本体20的状态。该阀本体20具有致动器本体10、主体21、以及电源电路22。

[0094] 致动器本体10具有包括驱动体11和电极12、13的驱动部23、圆柱保持器24、以及筒状保持器25。

[0095] 驱动体11以适宜的厚度形成为中空圆筒状。在该驱动体11的上下面侧，对向配置了不同极性的电极12、13，该电极12、13分别以配设在圆柱保持器24与筒状保持器25之间的状态从驱动体11的上下面侧延伸设置到主体的外部而与电源电路22连接。

[0096] 圆柱保持器24具有圆柱部26、和比该圆柱部26扩径的扩径凸缘部27。另一方面，筒状保持器25具有直径比圆柱保持器24的圆柱部26稍微大的内插部28，能够向该内插部28插入圆柱部26。另外，在筒状保持器25的上部侧，形成了扩径状的嵌合卡合部29。经由筒状保持器25的内插部28表面侧的图案化部30，在筒状保持器25的底面侧设置了所述电极12，另一方面，经由圆柱保持器24的圆柱部26表面侧的图案化部31，在扩径凸缘部
27的上面侧设置了电极13。这样，电极12和电极13都被固定为固定电极。

[0097] 在该情况下，电极12在径向上伸长地形成，另一方面，电极13在径向上形成得比该电极12短。由此，电极12和电极13具有不同的施加区域，即，电极12具有宽的施加区域，电极13具有窄的施加区域。

[0098] 这样预先在设置了电极12、13的圆柱保持器24与筒状保持器25之间设置了驱动体11的状态下，将圆柱部26插入到内插部28内，从而一体构成致动器本体10。此时，驱动体11的底面侧被夹持在扩径凸缘部27的上面侧，上面侧被夹持在筒状保持器25的底面侧而被定位固定到这些保持器24、25之间。通过该结构，能够从驱动体11的上下面侧，通过电极12和电极13来施加电场。

[0099] 主体21形成为大致圆筒状，在内周侧形成有安装部32、多个流动流路33、34、以及阀座35。以能够将致动器本体10配设为阀芯的方式，在主体21的上部侧形成了安装部32，在比该安装部32的入口侧稍里侧的位置，形成了筒状保持器25的嵌合卡合部29能够卡合的卡合突部36。另外，在安装部32的下方侧，在驱动体11的前端面11a抵接的位置，设置了座面37。两个流动流路33、34在比座面37下方侧的主体21的下部侧，与外部连通地形成，在本实施方式中，在相互正交的方向上穿孔而形成。阀座35在流动流路33与流动流路34之间，从流动流路34侧突出设置而环状地形成。另外，虽然未图示，但在流动流路33、34上，连接了接头、管子等适宜的管路。

[0100] 致动器本体10被装入于安装部32，在嵌合卡合部29嵌入到了卡合突部36的状态下与主体21一体化，通过该一体化在流动流路33、34之间配设了驱动部23。

[0101] 电源电路22具有电源38和开关39，与电极12、13连接。该电源电路22通过开关39的ON/OFF对电极12、13施加电场而对驱动体11施加电气的外部刺激、或者停止施加。

[0102] 另外，本实施方式中的阀本体20的驱动体11具有如下性质：在停止了电气的外部刺激时，一边变形到原来的位置一边恢复而成为阀开状态，另一方面在施加了电气的外部刺激时，该部位以外的部位变形而成为阀闭状态，但虽然未图示，除此以外还可以构成为，在施加了电气的外部刺激时，该部位以外的部位变形而成为阀闭状态，另一方面在停止了电气的外部刺激时，在变形到原来的位置的同时恢复而成为阀开状态。其对于使用了后述高分子致动器的轴封结构，也是同样的。

[0103] 接下来，对所述阀本体20的动作进行说明。

[0104] 在图3的状态下，开关39是OFF的状态，而成为不从电源38对驱动体11施加电场的状态。在该情况下，驱动体11一边变形到原来的位置一边恢复而其前端面11a密接密封到座面37。由此，流动流路33与流动流路34连通而成为阀开状态。

[0105] 当前，如果如图4所示，将开关39切换为ON的状态，则从电源电路38经由电极12、13对驱动体11的上下面侧施加不同极性的电场。在该施加时，由于电极12具有比电极13宽的施加区域，从而驱动体11的前端面11a侧远离座面37而向下方侧弯曲变形，抵接密封到阀座35。因此，由于该驱动体11，流动流路33与流动流路34之间被塞住而成为阀闭状态。

[0106] 进而，还可以通过控制此时的施加量(电压的大小、电压的施加时间(过渡响应))，来调节驱动体11的变形量、变形响应时间而提高针对座面37的按压力(抵接密封力)，或者从泄漏流路33、34的连通状态缓缓提高电压而调节驱动体11的变形来进行从大等级的流量到驱动体11大幅变形的微少等级的流量为止的流量控制。

[0107] 如果从该状态再次将开关39切换为OFF的状态，则电压的施加停止而驱动体11恢复到图3的状态，从而再次成为阀开状态。

[0108] 这样，阀本体20是以致动器本体10为阀芯而配设的，通过该阀芯对流路33、34进行开闭、或者流量调整。

[0109] 在图5中，示出对使用了本发明的致动器的阀设置了蒸镀电极14的例子。另外，在以后的实施方式中，对与所述实施方式相同的部分附加同一符号，省略其说明。

[0110] 在该阀本体40中，蒸镀电极14是以埋入到驱动体11的电极12侧而隐蔽的状态来配设的，并且成为与该电极12电连接的状态。另外，蒸镀电极14是在驱动体11的半径方向上伸长地形成的，在该蒸镀电极14侧，形成了比图3的阀本体20的电极宽的施加区域。

[0111] 在该阀本体40中，如果如图6所示，将开关39切换为ON的状态而施加了电场，则电压经由电极12传递至蒸镀电极14。此时，蒸镀电极14具有更宽的施加区域，从而能够通过该蒸镀电极14使驱动体11大幅弯曲变形。而且，在希望使驱动体11从筒状保持器25的底面侧远离时，也通过蒸镀电极14来维持向驱动体11的电压施加。因此，该阀本体20能够使驱动体11进一步大幅弯曲变形，由此能够形成增大了流动流路33、34的阀开时的流路径的大口径阀。

[0112] 在图7中，示出由致动器本体10构成的三向切换阀41的例子。

[0113] 在该图的三向切换阀41中，在主体42中，形成了3个流动流路43、44、45。在这3个流动流路43、44、45中，两个流动流路43、44是在比座面37下方侧的主体42的下部侧在相互正交的方向上与外部连通地形成的，并且，流动流路45是从安装部32与外部连通地形成的。

[0114] 在图7中，在该阀本体中，开关39是OFF的状态，在驱动体11向座面37密接密封时，流动流路43与流动流路44连通，流动流路45成为被驱动体11塞住的状态。由此，在流动流路43与流动流路44之间流过流体。

[0115] 另一方面，在图8中，在将开关39切换为ON的状态的情况下，驱动体11弯曲变形而远离座面37，从而与阀座35抵接密封。因此，成为流动流路44被塞住的状态，成为流动流路43与流动流路45连通了的状态。因此，在流动流路43与流动流路45之间流过流体。这样，该三向切换阀41具有通过施加电场或者切换为停止状态，而切换3个流动流路43、
44、45的结构。

[0116] 图9以及图10示出在图7的三向切换阀中设置了蒸镀电极14的例子。该例中的三向切换阀46与图5的阀本体40的情况同样地，能够通过蒸镀电极14的宽的施加区域使驱动体11大幅弯曲变形。因此，在图10中，驱动体11的弯曲变形时的流路被确保得较大，能够提供大口径的三向切换阀46。

[0117] 接下来，叙述将本发明的高分子致动器应用在安全阀中的例子。在图11中的安全阀50中搭载了本发明的高分子致动器，该安全阀50具有致动器本体51、外壳52、配管53、压力传感器54、以及开关电路55。

[0118] 致动器本体51被内装在外壳52内，成为能够通过施加电场、或者停止电场而在周方向上变形的适宜形状。该致动器本体51的结构例如与所述致动器本体10相同，内装了包括驱动体11和电极12、13的驱动部23。以对配管53连通了内部的流路56的状态，安装了外壳52，在配管53内安装了压力传感器54。压力传感器54通过将配管53内部的压力的变动作为电压而发送，来检测该配管53内的压力变化。开关电路55设置在压力传感器54与致动器本体51之间，能够根据压力传感器54的压力的变动来停止向致动器本体51的电场。另外，在该开关电路55中，在向配管53内最初封入压力时，在致动器本体51到达规定的压力值为止的期间，临时施加致动器本体51密封用的基准电压值。

[0119] 在该安全阀50中，在由压力传感器54检测出配管53内的压力值时，压力值成为了规定的值以上的情况下，通过开关电路55来停止施加电压。接下来，通过停止施加电压，致动器本体51从通常时的状态变形到收缩侧，未图示的驱动体的前端侧远离外壳52内周面而在该致动器本体51与外壳52之间产生未图示的间隙。通过该间隙，流路56连通，进行压力释放，从而配管53内的压力降低。

[0120] 进而，在该压力释放之后压力恢复到规定值以下时，从开关电路55对致动器本体51施加此时的压力传感器54的电压。由此，致动器本体51向膨胀侧变形，驱动体的前端侧密接到外壳52内周面而流路56成为停止活动状态，压力泄漏被密封。

[0121] 另一方面，在图12中，示出将本发明的高分子致动器利用在活塞/汽缸驱动机构(以下，称为驱动机构)中的例子。该驱动机构60具有4个致动器本体61、62、63、64、外壳65、以及汽缸部66。

[0122] 在图中，致动器本体61、62、63、64的结构与致动器本体10相同，分别收纳在外壳65内而能够在周方向上变形。在外壳65中，设置了流路67、68、69、70、71。流路67配设成能够将来自外部的压缩空气供给到驱动机构60内，并且流路68、69配设成能够将驱动机构
60内的压缩空气排出到外部。另外，流路70、71与汽缸部66连接，向该汽缸部66，供给/排气来自驱动机构60的压缩空气。

[0123] 各致动器本体61、62、63、64配设在流路68与流路71、流路71与流路67、流路67与流路70、以及流路70与流路69之间，在对该致动器本体61、62、63、64施加电压时，分别膨胀/变形而能够对各流路之间进行轴封。

[0124] 在图12(a)中，如果进行控制，以通过停止向致动器本体61、63施加电压，使它们向缩径侧变形，另一方面，通过对致动器本体62、64施加电压，使它们向扩径侧变形，则流路67与流路70、流路71与流路68之间分别连通，并且流路69与流路70、流路71与流路67之间分别成为塞住的状态。

[0125] 如果在该状态下，从流路67侧供给了压缩空气，则该压缩空气经由流路70被送入到汽缸部66内，设置在该汽缸部66内的活塞66a向左移动。由于该活塞66a的移动，汽缸部66内的压缩空气经由流路71而从流路68排出。

[0126] 另一方面，在图12(b)中，如果进行控制，以通过对致动器本体61、63施加电压，使它们向扩径侧变形，并且通过停止向致动器本体62、64施加电压，使它们向缩径侧变形，则流路67与流路71、流路70与流路69之间分别连通，并且流路71与流路68、流路67与流路70之间分别塞住。

[0127] 如果在该状态下，从流路67侧供给了压缩空气，则该压缩空气经由流路71被送入到汽缸部66内，在图中活塞66a向右移动。通过该活塞66a的移动，汽缸部66内的压缩空气经由流路70从流路69排出。

[0128] 这样，在驱动机构60中，对向各致动器本体61、62、63、64的电压施加进行控制，从而切换流路，从流路67供给压缩空气，从而能够使活塞66a往复运动。

[0129] 如上所述，分别示出了使用本发明的高分子致动器，来设置各种阀本体、安全阀50、以及驱动机构60的情况，但它们仅为一个例子，本发明的高分子致动器只要在不脱离其结构的范围内都进行变更设计，能够应用于各种装置、机构等中。

[0130] 例如，通过将高分子致动器设置在抗药液的材质、内部结构中，能够提供一种能够在控制药液的密封、或者药液的流量状态的同时进行供给的装置。由此，例如，能够将高分子致动器应用于液晶制造、半导体精密设备等的一部分的装置中。在该情况下，还可以自由地选择与装置的引入/引出侧连接的管的材质来改变应用流体。

[0131] 在该情况下，由于在任一阀的方式中，都能够增大致动器本体的变形量，所以能够进行大流量的控制。另外，构造上，电极不会暴露于流体中，而能够使没有该电极的部分弯曲，所以能够消除向外部泄漏电荷而安全地使用。

[0132] 进而，能够使用本发明的高分子致动器来形成轴封结构。在该情况下，虽然未图示，但在内侧具有流路的主体本体的内部设置轴封部，在该轴封部中应用致动器本体10，从而通过该致动器本体10的变形而消除流体的泄漏现象即可。通过该结构，能够对流路进行轴封而对流体进行密封、或者根据该密封状态来控制为微少等级的泄漏流量。进而，还可以控制在维持了轴封状态的状态下产生泄漏的所谓微少泄漏。

[0133] 在图31和图32中，用同一符号来表示与图3和图4所示的概略剖面图的例子相同的部分，省略其说明。

[0134] 图31示出将本发明中的高分子致动器使用在阀中的其他例子，是阀为开状态的情况下的概略剖面图，图32是阀为闭状态的情况下的概略剖面图。

[0135] 在图31、图32中，在固定电极12A、13A中的固定电极13A中，设置了朝向驱动体11的外端径向而从该驱动体11扩大离散的倾斜面13a。

[0136] 因此，通过设为长度不同的对向的固定电极12A、13A、且在一方的电极中具有倾斜面13a的电极13A，通过电极13A的前端部位，不会妨碍驱动体11的变形，而驱动体11沿着其倾斜面13a轻松地弯曲，能够相对平坦的电极得到较大的变位。

[0137] 于是，通过施加电压，驱动体11向具有倾斜面13a的电极13A侧变形，所以阀如图32所示可靠地成为闭状态。之后，如果使电压停止，则驱动体11一边向原来的位置变形一边恢复，阀如图31所示，成为开状态。

[0138] 实施例1

[0139] 以下，对本发明中的高分子致动器的实施例进行说明。在该实施例中，为了确认在施加了电气的外部刺激时该部位以外的部位变形的电气刺激性高分子材料的变形方式可否利用于高分子致动器中，施加规定的电压，而测定了其变位量。通过图13所示的变位测定装置75进行了该测定。

[0140] 变位测定装置75具有用于固定作为电气刺激性高分子材料的被测定体(人肌(注册商标)的gel sheet、产品号H0-1)76的机架77、和能够使该机架77移动的移动用台78。另外，具有高压电源(松定Preeision株式会社制、型号HJPQ-30P1)79，该高压电源79与夹持被测定体76的未图示的固定电极连接，能够对被测定体76施加电场。另外，具有激光变位计(株式会社keyence制、型号LJ-G080)80，该激光变位计80能够对被测定体76照射激光L，来测定被测定体76的弯曲变位量。

[0141] 在通过该变位测定装置75来测定时，首先，在测定前用变位测定装置75的未图示的固定电极来夹持被测定体76，而固定到机架77上。另外，通过移动用台78，来调节被测定体76与激光变位计80的距离。

[0142] 在该状态下，操作高压电源79，如图14(a)所示，对被测定体76，从0V到7kV，每20秒将施加电压阶段状地提高1kV，用激光变位计80来测定此时的被测定体76的变位量。
图14(b)示出电压施加时的电流的状态。

[0143] 在图15中，示出施加了电压时的被测定体76的动作。如图15(a)所示，被测定体76通过电压的施加从根源向负极侧弯曲变形。此时，在图15(b)中，将从没有施加电压施(施加0V)时的被测定体76的端面76a到电压施加时的角部76b的距离设为弯曲变位量δ。图14(c)的曲线示出该变位量δ的推移。

[0144] 根据图14，在施加电压成为4kV以上时被测定体76变位。进而，如果施加电压达到了7kV，则变位量δ成为大致1.15mm，此时的变位量最大。另外，如果从施加了7kV的电压的状态将施加电压降低到不施加电压的(0V施加)的状态，则被测定体76返回至初始(施加电压之前)的形状。

[0145] 通过以上的测定结果，在所述条件下，作为被测定体76的电气刺激性高分子材料的最大变形量大至1.15mm，所以能够判断为适合于本发明的高分子致动器中使用的高分子材料。

[0146] 在该情况下，被测定体76在施加电压时向负电极侧弯曲，但在使极性反转了的情况下，弯曲方向变得相反(正电极侧)。由此，在实际使用时，能够通过其条件等弯曲到期望的弯曲方向。

[0147] 另外，在所述情况下，被测定体76在电压施加时弯曲变形，通过变位量δ而形成间隙，从而能够利用该电气刺激性高分子材料，来构成通常时处于闭的状态的所谓NC(常闭)类型的密封装置。进而，通过将该电气刺激性高分子材料预先设置成，在初始状态下成形为弯曲的形状，另一方面在施加了电压时变形为平面形状，还可以构成通常处于开的状态的所谓NO(常开)类型的密封装置。

[0148] 实施例2

[0149] 通过仿真对向本发明的高分子致动器施加了电压时的电场矢量的分布进行了解析。为了比较，针对图30所示的轴封部结构、即被施加区域相等的固定电极部夹持的高分子材料(轴封体)1也进行该仿真，而对该高分子材料1、和被施加区域不同的电极夹持的本发明的电气刺激性高分子材料(驱动体)11分别实施了该仿真。该仿真，通过对在向电极施加了电场时在各电气刺激性高分子材料的内部中产生的电场矢量的分布进行解析，而进行。

[0150] 作为此时的条件，针对被施加电极相等的电极部2、3夹持的高分子材料1，将电极部2、3的尺寸设为外径φ5mm、厚度1mm，将高分子材料1的尺寸设为外径φ10mm、厚度2mm，对电极部2施加了+1V，对电极部3施加了-1V。将此时的高分子材料1的介电常数设为ε＝3。

[0151] 另一方面，针对施加电极不同的电极12、13，将施加区域宽的一侧的电极12的尺寸设为外径φ5mm、厚度1mm，将施加区域窄的一侧的电极13的尺寸设为外径φ3mm、厚度1mm，并且，将电气刺激性高分子材料11的尺寸设为外径φ10mm、厚度2mm，对电极12施加了+1V、对电极13施加了-1V。将此时的电气刺激性高分子材料1的介电常数设为ε＝3。

[0152] 该仿真的结果，在具有施加区域相等的电极部2、3的高分子材料1中，在图20所示的电场矢量分布中，最大电场强度是4012V/m，此时的最大电场矢量产生部位如图21所示，成为相对的各电极部2、3的外周部位。另外，如图24(a)的产生电场矢量图所示，从被电极部2、3夹持的区域，在使与该电极部2、3非接触部分的高分子材料1弯曲的方向上确认了矢量分布。

[0153] 另外，在根据图20、图21的电场矢量分布求出了麦克斯韦应力的图22、23所示的-11应力矢量分布的示意图中，最大应力是9.5×10 N、最大应力产生部位是相对的各电极部
2、3的外周部位。此时，如图25(a)的产生应力矢量图所示，确认了在将与电极部2、3非接触部分作为最大产生应力，在使高分子材料1以低电位侧的电极部3的外周部为支点而弯曲到低电位侧的方向上产生应力分布。

[0154] 另一方面，在作为施加区域不同的电极12、13的电气刺激性高分子材料11中，在图16所示的电场矢量分布中，最大电场强度是5090V/m，此时的最大电场矢量产生部位如图17所示，是电极13的外周部位。另外，如图24(b)的产生电场矢量图所示，确认了从被电极12、13夹持的区域，在使与该电极12、13非接触部分的电气刺激性高分子材料11弯曲的方向上产生矢量分布。

[0155] 另外，在根据图16、图17的电场矢量分布求出了麦克斯应力的图18、图19所示的-10应力矢量分布的示意图中，最大应力是1.3×10 N，最大应力产生部位是电极13的外周部位。此时，如图25(b)的产生应力矢量图所示，将与电极13的非接触部分作为最大产生应力，在使电气刺激性高分子材料11以该低电位侧电极13的外周部为支点向低电位侧弯曲的方向上产生应力分布。

[0156] 通过以上的仿真结果，本发明中的驱动体11的最大电场强度的值和最大应力的值都大于轴封体1的值。由此，在实际的变形时，通过该最大电场强度和最大应力，轴封体1成为图26(a)所示的弯曲状态，驱动体11成为图26(b)所示的弯曲状态。这样，本发明中的驱动体11比轴封体1更大幅地弯曲，其变位量进一步变大。

[0157] 实施例3

[0158] 进而，构成与实施例2不同的结构的高分子致动器，对该高分子致动器施加电压，与实施例2的情况同样地通过仿真解析了此时的电场矢量的分布。在该例子中，如图27所示，电气刺激性高分子材料(驱动体)81成为其外周面是大至半球面形状的中空环状。另外，在该驱动体81的上下侧，配设了上面侧电极82和下面侧电极83。驱动体81中的与上面侧电极82的接触部分成为上面侧的平面部位，另一方面，与下面侧电极83的接触部分成为下面侧的平面部位和内周侧的曲面部位。

[0159] 如果从电极82、83对驱动体81施加了电气的外部刺激，则产生图28所示那样的电场矢量分布。若求出此时的产生应力矢量图，则为图29所示的状态。如图29的箭头所示，在施加电场时，对高分子材料81，在径向上向缩径方向产生应力，并且在轴向上延伸的方向上产生应力，所以高分子材料81如图28、图29所示，高效地变到密封流体而防止泄漏的方向。通过该变形，在将安装了该驱动体81的高分子致动器应用于阀等驱动源中的情况下，驱动体81的外周面侧接触到流路的壁面，从而能够提高阀闭时的密封力、进行从大等级的流量到微少等级的流量控制。另外，在将安装了驱动体81的高分子致动器应用于轴封装置中的情况下，驱动体81的外周面侧接触到轴封部分而能够高精度地控制流量的泄漏量、控制轴封状态下的微少泄漏量。

[0160] 另外，通过该结构，电极82、83被内置于构成高分子致动器的部位，所以防止电极82、83被暴露于流体侧。

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轴封-专利编号CN105008776B	2020-05-12	430
轴封-专利编号CN103994222A	2020-05-12	373
轴封-专利编号CN102094972A	2020-05-13	123
轴封-专利编号CN101156008A	2020-05-11	373
轴封-专利编号CN105090509A	2020-05-12	139
轴封装置-专利编号CN110785588A	2020-05-13	531
轴封-专利编号CN105008776A	2020-05-11	178
轴封-专利编号CN103994222B	2020-05-11	340
轴封-专利编号CN108506132A	2020-05-11	626
轴封装置-专利编号CN103906953B	2020-05-13	785

高分子致动器和使用了该致动器的阀以及轴封结构

高分子致动器和使用了该致动器的阀以及轴封结构

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