JP4784840B2

JP4784840B2 - 磁場応答固体高分子複合体およびアクチュエータ素子

Info

Publication number: JP4784840B2
Application number: JP2007309901A
Authority: JP
Inventors: 欣志安積; 幸道中尾
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: JP2008099551A

Description

本発明は、磁場応答固体高分子複合体、電場・磁場応答固体高分子複合体、それらの製造方法ならびにアクチュエータ素子材料、人体外からの磁場照射により駆動される磁場応答カテーテル材料、磁場センサによる先端位置センシング材料に関する。

イオン交換膜の両面に電極(陽極と陰極)を備えた超小型アクチュエータ素子は、公知である(特許文献１参照)。この超小型アクチュエータ素子は、電極を介して電圧を印加することにより、イオン交換膜が柔軟に湾曲および変形する。しかしながら、この電圧駆動方式の小型アクチュエータ素子は、マイクロマシーンへの応用に当たっては、電極へのリード線接続が技術的に非常に困難であり、これがその普及を妨げる一因となっている。また、電圧駆動方式のアクチュエータは、電圧の印加のみでは大きな力が得られない(大きな
変位量が得られない)ことが多く、駆動力の増大が求められている。
特公平７−４０７５号公報

従って、本発明は、リード線を必要とすることなく、大きく柔軟に湾曲および変形しうる超小型アクチュエータ素子を提供することを主な目的とする。

本発明は、さらに電圧駆動方式の超小型アクチュエータにおいて、大きな変位を達成する新規な超小型アクチュエータ素子を提供することをも主な目的とする。

本発明者は、上記の技術の現状を考慮しつつ、鋭意研究を行った結果、固体高分子イオン交換膜の少なくとも一方の表面に強磁性体材料層を形成させる場合には、磁場に鋭敏に応答して、大きな変位量を呈する新規な超小型アクチュエータ素子が得られることを見出した。

また、本発明者は、引き続き研究を進めた結果、固体高分子イオン交換膜の少なくとも一方の表面に貴金属層と強磁性体材料層とを併せて形成させる場合には、電場と磁場とに鋭敏に応答して、大きな変位量を呈する新規な超小型アクチュエータ素子が得られることを見出した。

すなわち、本発明は、下記の磁場応答固体高分子複合体および磁場・電場応答固体高分子複合体、それらの製造方法ならびにアクチュエータ素子材料、人体外からの磁場照射により駆動される磁場応答カテーテル材料或いは磁場センサによる先端位置センシング材料を提供する。
１．固体高分子イオン交換膜の少なくとも一方の表面に強磁性体材料層を備えた磁場応答固体高分子複合体であって、強磁性体材料がコバルトである磁場応答固体高分子複合体。２．固体高分子イオン交換膜の少なくとも一方の表面に強磁性体材料層を備えた磁場応答固体高分子複合体を用いるアクチュエータ素子であって、強磁性体材料がコバルトであるアクチュエータ素子。

本発明によれば、柔軟性に優れ、変位量の正確な制御が可能であり、かつ大きく湾曲および変形しうる磁場応答固体高分子複合体および電場・磁場応答固体高分子複合体が得ら
れる。

従って、本発明による磁場応答固体高分子複合体は、磁場駆動による超小型ソフトアクチュエータ素子材料、人体外からの磁場照射により駆動される磁場応答カテーテル材料、磁場センサによる先端位置センシング材料などとして有用である。

また、本発明による電場・磁場応答固体高分子複合体は、電場・磁場駆動による超小型ソフトアクチュエータ素子材料などとして有用である。

より具体的には、本発明による超小型ソフトアクチュエータ素子を、例えば、マイクロサージャリー技術において使用される種々の医療器具(眼球手術、腹腔鏡下手術、微小血
管縫合手術などに際して使用されるピンセット、ハサミ、鉗子、スネア、レーザメス、スパチュラ、クリップなど)に適用する場合には、器具の微動操作を正確かつ的確に行うこ
とが出来るので、患者に対する過度の肉体的および精神的な負担が軽減される。

さらに、本発明による超小型ソフトアクチュエータ素子を備えたマイクロデバイス或いはマイクロマシンは、発電設備、化学反応装置などのプラント類、航空機エンジン、ロケットエンジンなどの機械システムなどにおける配管系統、機器内部などの検査用/モニタ
ー用/補修用センサー、補修用工具などとして、有用である。

さらにまた、本発明による超小型ソフトアクチュエータ素子は、高周波振動によるマイクロポンプ、リハビリテーション用動力マッサージ器などの健康器具、湿度計、湿度計コントロール装置、ソフトマニピュレーター、水中バルブ、ソフト運搬装置などの工業用機器などにも、適用できる。

以下、本発明の一実施形態の概略を示す断面図を参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。
I．磁場応答固体高分子複合体
図１は、本発明による磁場応答固体高分子複合体の製造方法の概要を示す模式図である。

本発明で基材として使用する固体高分子イオン交換膜(図１においては、高分子ゲルし
て表示してある；以下単に「基材」ということがある)としては、陽イオン交換樹脂膜、
陰イオン交換樹脂膜および両性イオン交換樹脂膜が挙げられる。

基材を構成する陽イオン交換樹脂としては、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリスチレンなどにスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基を導入した樹脂が挙げられる。これらの樹脂からなる陽イオン交換樹脂の中では、フッ素樹脂にスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入された陽イオン交換樹脂膜が、樹脂自体が柔軟であって、アクチュエータとしての変位量を大きくすることができるので、より好ましい。この様なフッ素樹脂系の陽イオン交換樹脂膜は、例えば、“ナフィオン”(デュポン社)などの商標名により市販されている。

磁場応答固体高分子複合体の製造は、上述の基材を所定の強磁性体金属イオンを含む水溶液に浸漬し、金属イオンを吸着させた後、金属イオンを吸着した基材を還元剤水溶液に浸漬することにより、行う。

基材を浸漬する水溶液としては、コバルトイオン、ニッケルイオン或いはこれら両イオンを含む水溶液を使用する。この様な水溶液としては、硫酸塩(CoSO₄、NiSO₄など)の水溶
液、塩化物塩(CoCl₂、NiCl₂など)の水溶液が挙げられる。

次いで、金属イオンの還元は、金属イオンを吸着した基材を公知のメッキ加工において使用されている還元剤水溶液に浸漬することにより、行う。この様な還元剤としては、特に限定されるものではないが、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、ヒドラジン、亜硫酸ナトリウム、ジメチルアミノボラン、アスコルビン酸ナトリウムなどが例示される。この還元操作により、基材表面に強磁性材料層が形成される。

次いで、還元処理された基材を、必要ならば水洗して、所望の磁場応答固体高分子複合体を得る。

本発明においては、固体高分子イオン交換膜からなる基材に対する「金属イオンの吸着操作→還元操作→水洗操作」という一連の工程を複数回繰り返して行うことにより、強磁性体層の厚さを大きくすることができる。この工程の繰り返し回数は、所望の強磁性体層の厚さに応じて適宜選択することが出来る。

さらに必要ならば、表面に強磁性材料層が形成された基材を無電解メッキ液に浸漬することにより、強磁性体材料層の厚さを増大させることが出来る。無電解メッキ液としては、特に限定されることなく、金属、樹脂などに対する公知のメッキ加工において使用されている無電解メッキ液を使用することができる。この様な無電解メッキ液としては、例えば、硫酸コバルト系メッキ液、硫酸コバルト-次亜リン酸ナトリウム-酒石酸塩-硼酸系メ
ッキ液、硫酸ニッケル-次亜リン酸ナトリウム-乳酸-プロピオン酸系メッキ液、硫酸ニッ
ケル-次亜リン酸ナトリウム-酢酸ナトリウム系メッキ液、硫酸ニッケル-次亜リン酸ナト
リウム-コハク酸ナトリウム-リンゴ酸系メッキ液などが例示される。

なお、図１に示す磁場応答固体高分子複合体は、その両面に強磁性材料層が形成された実施態様(両面型)を示しているが、本発明は、その一面にのみ強磁性材料層を形成する実施態様(片面型)をも包含する。片面型の磁場応答固体高分子複合体は、良好な柔軟性を示すが、磁場感応性は、両面型の磁場応答固体高分子複合体に劣る。従って、所望の用途に応じて、両面型或いは片面型を選択すればよい。

片面型磁場応答固体高分子複合体は、例えば、強磁性体金属イオンを両面に担持した基材の片面のみに還元剤を接触させて、強磁性材料層を形成するとともに、他の片面を純水により洗浄して、金属イオンを洗い流すことにより、製造することが出来る。或いは、基材の一面を被覆した状態で、他の片面にのみ強磁性体金属イオンを吸着担持させた後、金属イオンを還元することによっても、片面型磁場応答固体高分子複合体を製造することが出来る。

本発明による磁場応答固体高分子複合体において、基材と強磁性材料層の厚さは、目的乃至用途に応じて適宜選択することができる。一般に、基材の厚さは０．０５〜０．５mm程度(より好ましくは、０．１５〜０．３ｍｍ程度)であり、強磁性材料層の厚さ１〜１０μｍ程度(より好ましくは、３〜５μm程度)である。

本発明による磁場応答固体高分子複合体は、磁場内に置かれた場合に、磁場に鋭敏に応答して大きく湾曲或いは変形する。
II．電場・磁場応答固体高分子複合体
本発明による電場・磁場応答固体高分子複合体は、基材上に貴金属層と強磁性材料層を備えている。

基材上への貴金属層の形成は、例えば、特許第２，９６１，１２５号公報に記載された
手法に従って行うことができる。

すなわち、所定の貴金属(金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウムなど)の錯体を含む水溶液に基材を浸漬して、貴金属錯体を基材に吸着させた後、吸着された貴金属錯体を還元剤により還元して、基材表面に貴金属を析出させ、さらに必要に応じて、表面に貴金属層が形成された基材を洗浄する。この吸着操作、還元操作および洗浄操作も、必要に応じて繰り返し行うことにより、貴金属層の厚さを増大させることができる。

次いで、上述の磁場応答固体高分子複合体の製造手法に準じて、貴金属層を備えた基材を所定の強磁性体金属イオンを含む無電解メッキ液に浸漬し、金属イオンを吸着させ、金属イオンを吸着した基材を還元剤水溶液に浸漬した後、必要ならばさらに水洗して、基材表面に貴金属層と強磁性材料層とを備えた所望の電場・磁場応答固体高分子複合体を得る。

電場・磁場応答固体高分子複合体においても、基材、貴金属層および強磁性材料層の厚さは、目的乃至用途に応じて適宜選択することができる。基材および強磁性材料層の厚さは、上述の磁場応答固体高分子複合体の場合と同様である。基材と強磁性体層との間に介在する貴金属層の厚さは２〜１５μｍ程度(より好ましくは、３〜５μｍ程度)である。

本発明による電場・磁場応答固体高分子複合体は、電場と磁場とに対して、鋭敏に応答して大きく湾曲或いは変形するというユニークな特性を示す。従って、電場と磁場内におけるその変位量は、前記の磁場応答固体高分子複合体の磁場内における変位量よりも著しく大きくなる。

以下に、実施例を示し、本発明の特徴とするところをさらに明確にする
実施例１
厚さ０．２ｍｍのフッ素樹脂系固体高分子電解質膜(商品名“Nafion117”、Dupont社製)を２００ｍＭ硫酸コバルト水溶液中に３０分間浸漬して、コバルトイオンを吸着させた
後、４０ｍＭＮａＢＨ_４水溶液中に３０分間浸漬して、その表面にコバルト金属層を還元析出させ、さらに水洗した。この一連の操作を３回繰り返して、厚さ３μｍのＣｏメッキ層を備えた固体高分子電解質複合体を作製した。

図２は、本実施例で得られたＣｏメッキ層を備えた固体高分子電解質複合体の断面を示すＳＥＭ写真である。固体高分子電解質膜の表面にほぼ均一にＣｏメッキ層が形成されていることが明らかである。
実施例２
実施例１で作製した固体高分子電解質膜/Co複合体をさらに硫酸コバルト、次亜リン酸
ナトリウム、酒石酸塩およびホウ酸からなるコバルト無電解メッキ浴に浸し、温度９０℃で２時間保持して、Ｃｏメッキ層を厚さ７μｍとした。
実施例３
実施例２で作製した固体高分子電解質膜／Ｃｏ複合体から２ｍｍ×２０ｍｍの長方形試験片を切り取り、一方の短辺縁部３ｍｍをつかみ、その反対側へ１．５テスラの強さの永久磁石（商品名“NEOMAX-44H”、住友特殊金属（株）製）を近づけた。

その結果、図３に示す様に、試験片先端と永久磁石との距離が１５ｍｍとなった時点で、試験片が湾曲した。

本発明により得られた磁場応答固体高分子複合体の優れた特性が明らかである。
実施例４
特許２，９６１，１２５号公報実施例１に記載の公知方法に従って、基材としての厚さ０．２ｍｍのフッ素樹脂系固体高分子電解質膜(商品名“Nafion117”、Dupont社製)に金
メッキ層を形成した後、上記実施例１に示す手法によりさらにコバルト層を形成して、基材/金/コバルトからなる複合体を作製した。

得られた複合体から２ｍｍ×２０ｍｍの長方形試験片を切り取り、一方の短辺縁部３ｍｍを実施例３と同様の方法でつかんだ。次いで、図４に示す様に、つかんだ部分から電圧３Ｖを加えたところ、約４５度湾曲した。さらに、この試験片の先端に１．５テスラの強さの永久磁石（商品名“NEOMAX-44H”、住友特殊金属（株）製）を近づけたところ、試験片の先端が９０度以上湾曲した。

本発明により得られた電場・磁場応答固体高分子複合体の優れた特性が明らかである。

本発明による磁場応答固体高分子複合体の製造方法の概要を示す模式図である。実施例１で得られた磁場応答固体高分子複合体の断面を示すＳＥＭ写真である。実施例３で得られた試験片の磁場応答固体高分子複合体としての特性を示す写真である。実施例４で得られた試験片の電場・磁場応答固体高分子複合体としての特性を示す図面である。

Claims

固体高分子イオン交換膜の少なくとも一方の表面に強磁性体材料層を備えた磁場応答固体高分子複合体であって、強磁性体材料がコバルトである磁場応答固体高分子複合体。
固体高分子イオン交換膜の少なくとも一方の表面に強磁性体材料層を備えた磁場応答固体高分子複合体を用いるアクチュエータ素子であって、強磁性体材料がコバルトであるアクチュエータ素子。