JPH074075B2 - アクチュエータ素子 - Google Patents
アクチュエータ素子Info
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- JPH074075B2 JPH074075B2 JP3059793A JP5979391A JPH074075B2 JP H074075 B2 JPH074075 B2 JP H074075B2 JP 3059793 A JP3059793 A JP 3059793A JP 5979391 A JP5979391 A JP 5979391A JP H074075 B2 JPH074075 B2 JP H074075B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
- H02N11/006—Motors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
- Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Prostheses (AREA)
- Fluid-Pressure Circuits (AREA)
- Micromachines (AREA)
Description
【産業上の利用分野】本発明はアクチュエータ素子に関
し、より詳細にはイオン交換膜に湾曲および変形を生ぜ
しめることから成る超小型のアクチュエータ素子に関す
る。
し、より詳細にはイオン交換膜に湾曲および変形を生ぜ
しめることから成る超小型のアクチュエータ素子に関す
る。
【従来の技術】アクチュエータを小型化すると慣性力よ
りも摩擦や粘性力が支配的となるため、モータやエンジ
ンのような慣性力を利用してエネルギーを運動に変える
機構は、超小型機械用のアクチュエータとしては用いる
ことが困難であると言われている。これまでに提案され
ている超小型アクチュエータの作動原理としては、静電
引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式、高分子伸
縮式等が知られている。静電引力型アクチュエータは電
極となる板や棒を対極に引きつけるもので、数十μｍ離
れた対極との間に１００Ｖ程度の電圧をかけて、電極を
たわませるものが知られている。圧電型アクチュエータ
はチタン酸バリウムなどセラミックの圧電素子に数Ｖの
電圧をかけて素子を伸縮させるもので、ナノメートル単
位の変位を制御できるものが知られている。また超音波
式は圧電素子などで発生させた超音波振動と摩擦力の組
み合わせで、ずれを生じさせることで駆動するものが知
られている。形状記憶合金式アクチュエータは温度によ
って形状が大きく変化するため、温度を変化させること
で作動する。高分子伸縮式アクチュエータは高分子の繊
維が、温度あるいはpHの変化や周囲の化学物質の濃度変
化によって伸縮するものである。
りも摩擦や粘性力が支配的となるため、モータやエンジ
ンのような慣性力を利用してエネルギーを運動に変える
機構は、超小型機械用のアクチュエータとしては用いる
ことが困難であると言われている。これまでに提案され
ている超小型アクチュエータの作動原理としては、静電
引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式、高分子伸
縮式等が知られている。静電引力型アクチュエータは電
極となる板や棒を対極に引きつけるもので、数十μｍ離
れた対極との間に１００Ｖ程度の電圧をかけて、電極を
たわませるものが知られている。圧電型アクチュエータ
はチタン酸バリウムなどセラミックの圧電素子に数Ｖの
電圧をかけて素子を伸縮させるもので、ナノメートル単
位の変位を制御できるものが知られている。また超音波
式は圧電素子などで発生させた超音波振動と摩擦力の組
み合わせで、ずれを生じさせることで駆動するものが知
られている。形状記憶合金式アクチュエータは温度によ
って形状が大きく変化するため、温度を変化させること
で作動する。高分子伸縮式アクチュエータは高分子の繊
維が、温度あるいはpHの変化や周囲の化学物質の濃度変
化によって伸縮するものである。
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
での超小型アクチュエータにはそれぞれ作動環境に制限
があったり、応答性が不十分であったり、また構造が複
雑であったり、柔軟性が欠如しているなどの問題点を有
している。例えば、これまでの高分子伸縮式アクチュエ
ータを作動させるには、高分子繊維が接触している溶液
を他の塩類を含む溶液に交換する必要があり、小型で速
い応答を必要とする用途には利用困難であった。本発明
は構造が単純で、小型化が容易であり、応答も速く、小
電力で作動し、かつ柔軟であるようなアクチュエータ素
子を提供することを目的とする。
での超小型アクチュエータにはそれぞれ作動環境に制限
があったり、応答性が不十分であったり、また構造が複
雑であったり、柔軟性が欠如しているなどの問題点を有
している。例えば、これまでの高分子伸縮式アクチュエ
ータを作動させるには、高分子繊維が接触している溶液
を他の塩類を含む溶液に交換する必要があり、小型で速
い応答を必要とする用途には利用困難であった。本発明
は構造が単純で、小型化が容易であり、応答も速く、小
電力で作動し、かつ柔軟であるようなアクチュエータ素
子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のアクチュエータ素子は、イオン交換膜と、このイオ
ン交換膜の両面に接合した電極とから成り、前記イオン
交換膜の含水状態において、前記イオン交換膜に電位差
をかけて前記イオン交換膜に湾曲および変形を生ぜしめ
ることを特徴とする。以下、本発明のアクチュエータ素
子を図面にもとづき説明する。図１に示すとおり、本発
明のアクチュエータ素子１はイオン交換膜２と、このイ
オン交換膜２の両面に接した電極３, 3'とから成る。イ
オン交換膜２としては、陽イオン交換膜、陰イオン交換
膜のいづれも使用することができ、たとえば陽イオン交
換膜としてポリスチレンスルホン酸膜やスルホン基やカ
ルボキシル基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜を挙げる
ことができる。かかるイオン交換膜の両面に接合する電
極３, 3'には白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウ
ム等の貴金属が好ましいが、そのほか導電性高分子や黒
鉛などの導電性と耐食性を合わせ持つ物質が利用でき
る。接合方法には化学メッキ、電気メッキ、真空蒸着、
スパッタリング、塗布、圧着、溶着等の電極材料を高分
子膜に付着させるための既知の方法が全て利用できる。
そして、電極３, 3'をリード線を介して直流電源５に連
結すると本発明のアクチュエータ素子が得られる。本発
明においてはアクチュエータ素子の作動時には、イオン
交換膜が含水状態である必要がある。ここで含水状態と
は、アクチュエータが水中で、または高湿度の大気中で
も作動することを意味する。水中においては、周囲の水
中に含まれるイオンは動作に影響する場合があるが、種
々のイオンや溶質を含んだ液中でも作動できる。本発明
によるアクチュエータ素子の作動機構あるいは原理は明
確ではないが、膜の表裏に電位差がかかることで、図２
に示すようにイオン交換膜２中の正イオン４が陰極３'
側に移動し、このイオンに伴なわれて水分子が膜内で移
動するために陽極側と陰極側で水分量に差ができると推
定される。従って含水率が高まれば膨潤し、含水率が低
下すれば収縮するので、膜の表裏で水分量に差が付けば
膜は湾曲すると考えられる。ただし、イオンの分布に差
が付いても、その状態でイオンの動きが止まれば、膜の
外部からの水の拡散によって次第に水分分布は元の均一
状態に近づくと推定される。すなわち一定電圧をかけて
いても膜内の電流が減少すれば、一端生じた含水率の分
布は徐々に平均化されて行くために、湾曲は元に戻ると
考えられる。陽イオン交換膜を純水中で用いた場合、移
動するイオンはＨ+ イオンであり、食塩水中で用いた場
合はＮａ+ であると考えられるため、電圧をかけるとそ
れらのイオンは水分子と共に陰極側へ移動する。このよ
うに考察すれば、陰極側の高分子膜の含水率が上がり、
陽極側の含水率は下がるので、陰極側が伸びて陽極側が
縮むため、膜は陽極側へ湾曲することになり、この傾向
は実施例の結果と一致する。以下、本発明の実施例を述
べる。
明のアクチュエータ素子は、イオン交換膜と、このイオ
ン交換膜の両面に接合した電極とから成り、前記イオン
交換膜の含水状態において、前記イオン交換膜に電位差
をかけて前記イオン交換膜に湾曲および変形を生ぜしめ
ることを特徴とする。以下、本発明のアクチュエータ素
子を図面にもとづき説明する。図１に示すとおり、本発
明のアクチュエータ素子１はイオン交換膜２と、このイ
オン交換膜２の両面に接した電極３, 3'とから成る。イ
オン交換膜２としては、陽イオン交換膜、陰イオン交換
膜のいづれも使用することができ、たとえば陽イオン交
換膜としてポリスチレンスルホン酸膜やスルホン基やカ
ルボキシル基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜を挙げる
ことができる。かかるイオン交換膜の両面に接合する電
極３, 3'には白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウ
ム等の貴金属が好ましいが、そのほか導電性高分子や黒
鉛などの導電性と耐食性を合わせ持つ物質が利用でき
る。接合方法には化学メッキ、電気メッキ、真空蒸着、
スパッタリング、塗布、圧着、溶着等の電極材料を高分
子膜に付着させるための既知の方法が全て利用できる。
そして、電極３, 3'をリード線を介して直流電源５に連
結すると本発明のアクチュエータ素子が得られる。本発
明においてはアクチュエータ素子の作動時には、イオン
交換膜が含水状態である必要がある。ここで含水状態と
は、アクチュエータが水中で、または高湿度の大気中で
も作動することを意味する。水中においては、周囲の水
中に含まれるイオンは動作に影響する場合があるが、種
々のイオンや溶質を含んだ液中でも作動できる。本発明
によるアクチュエータ素子の作動機構あるいは原理は明
確ではないが、膜の表裏に電位差がかかることで、図２
に示すようにイオン交換膜２中の正イオン４が陰極３'
側に移動し、このイオンに伴なわれて水分子が膜内で移
動するために陽極側と陰極側で水分量に差ができると推
定される。従って含水率が高まれば膨潤し、含水率が低
下すれば収縮するので、膜の表裏で水分量に差が付けば
膜は湾曲すると考えられる。ただし、イオンの分布に差
が付いても、その状態でイオンの動きが止まれば、膜の
外部からの水の拡散によって次第に水分分布は元の均一
状態に近づくと推定される。すなわち一定電圧をかけて
いても膜内の電流が減少すれば、一端生じた含水率の分
布は徐々に平均化されて行くために、湾曲は元に戻ると
考えられる。陽イオン交換膜を純水中で用いた場合、移
動するイオンはＨ+ イオンであり、食塩水中で用いた場
合はＮａ+ であると考えられるため、電圧をかけるとそ
れらのイオンは水分子と共に陰極側へ移動する。このよ
うに考察すれば、陰極側の高分子膜の含水率が上がり、
陽極側の含水率は下がるので、陰極側が伸びて陽極側が
縮むため、膜は陽極側へ湾曲することになり、この傾向
は実施例の結果と一致する。以下、本発明の実施例を述
べる。
【実施例】実施例１ 厚さ0.２mmのフッ素樹脂系イオン交換膜Nafion (登録商
標、デュポン社製) に化学メッキにより白金を３mg／cm
2 ずつ両面に接合させた。この接合体を幅２mm長さ２０
mmに裁断し、その一端に２mm角の白金箔に白金リード線
の付いた給電体を両面から押しつけて、プラスチック製
持具で挟んだ。純水中に持具を固定して、この接合体小
片を釣り下げ、リード線は直流定電圧電源に接続した。
リード線間に0.２Ｖ印加すると、接合体は瞬時に湾曲
し、先端は陽極方向に約0.１mm移動した。電圧印加時に
は過渡的な電流が流れるが、１秒後には１０μＡ以下に
なり、ほとんど電流は流れなくなる。印加電圧を０Ｖに
すると、接合体の湾曲は瞬時に元に戻った。さらに逆方
向に0.２Ｖの電圧をかけると、逆方向に湾曲した。印加
電圧を１Ｖにすると湾曲は大きくなり、先端部分の変位
は約0.５mmであった。印加電圧を上げると接合体の湾曲
はさらに大きくなったが、1.３Ｖをこえると電気分解が
生じ、電流が流れ続けてガス発生が見られた。 実施例２ 約３％の食塩水に実施例１の接合体を２時間浸漬させた
後に電圧をかけた。１Ｖ印加した場合、先端は瞬時に陽
極方向に１mm移動したが、電圧を印加したままでも１秒
程度かけて徐々に元の位置に戻った。この状態で電圧を
０Ｖに戻すと、逆方向に１mm移動し、さらに逆向きに１
Ｖ印加すると、さらに１mm移動して、合計２mmの変位が
得られた。この場合にも約１秒後には元の中央位置に戻
った。また電圧を1.６Ｖに上げると２mmの変位が得られ
たが、電気分解はほとんど生じず電流が流れ続けること
もなかった。 実施例３ 厚さ約0.15mmのポリスチレンスルホン酸膜に化学メッキ
により両面に白金１mg／cm2 とイリジウム２mg／cm2 ず
つを接合させた。この接合体を幅0.３mm長さ３mmに裁断
し、その一端に白金リード線を両面から押しつけて、プ
ラスチック製持具で挟んだ。約３％の食塩水中に持具を
固定して、この接合体小片を釣り下げ、リード線は直流
定電圧電源に接続した。リード線間に1.６Ｖ印加する
と、接合体は瞬時に湾曲し、先端は陽極方向に約0.３mm
移動した。また逆方向に1.６Ｖの電圧をかけると、逆方
向に湾曲した。
標、デュポン社製) に化学メッキにより白金を３mg／cm
2 ずつ両面に接合させた。この接合体を幅２mm長さ２０
mmに裁断し、その一端に２mm角の白金箔に白金リード線
の付いた給電体を両面から押しつけて、プラスチック製
持具で挟んだ。純水中に持具を固定して、この接合体小
片を釣り下げ、リード線は直流定電圧電源に接続した。
リード線間に0.２Ｖ印加すると、接合体は瞬時に湾曲
し、先端は陽極方向に約0.１mm移動した。電圧印加時に
は過渡的な電流が流れるが、１秒後には１０μＡ以下に
なり、ほとんど電流は流れなくなる。印加電圧を０Ｖに
すると、接合体の湾曲は瞬時に元に戻った。さらに逆方
向に0.２Ｖの電圧をかけると、逆方向に湾曲した。印加
電圧を１Ｖにすると湾曲は大きくなり、先端部分の変位
は約0.５mmであった。印加電圧を上げると接合体の湾曲
はさらに大きくなったが、1.３Ｖをこえると電気分解が
生じ、電流が流れ続けてガス発生が見られた。 実施例２ 約３％の食塩水に実施例１の接合体を２時間浸漬させた
後に電圧をかけた。１Ｖ印加した場合、先端は瞬時に陽
極方向に１mm移動したが、電圧を印加したままでも１秒
程度かけて徐々に元の位置に戻った。この状態で電圧を
０Ｖに戻すと、逆方向に１mm移動し、さらに逆向きに１
Ｖ印加すると、さらに１mm移動して、合計２mmの変位が
得られた。この場合にも約１秒後には元の中央位置に戻
った。また電圧を1.６Ｖに上げると２mmの変位が得られ
たが、電気分解はほとんど生じず電流が流れ続けること
もなかった。 実施例３ 厚さ約0.15mmのポリスチレンスルホン酸膜に化学メッキ
により両面に白金１mg／cm2 とイリジウム２mg／cm2 ず
つを接合させた。この接合体を幅0.３mm長さ３mmに裁断
し、その一端に白金リード線を両面から押しつけて、プ
ラスチック製持具で挟んだ。約３％の食塩水中に持具を
固定して、この接合体小片を釣り下げ、リード線は直流
定電圧電源に接続した。リード線間に1.６Ｖ印加する
と、接合体は瞬時に湾曲し、先端は陽極方向に約0.３mm
移動した。また逆方向に1.６Ｖの電圧をかけると、逆方
向に湾曲した。
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、下記
特長を有するアクチュエータ素子が得られる。 １) 単純な構造であり、超小型化できる。 ２) 超小型化しても水の粘性抵抗や表面の摩擦力に打ち
勝つだけの大きな力が発生できる。 ３) 生体内などの液中で作動する。 ４) １Ｖ程度の低電圧で作動する。 ５) 超小型であれば微少な電流でも作動する。 ６) 比較的応答が速い。 ７) 電圧によってアクチュエータの動作が制御できる。 ８) 比較的大きな力を発生する反面、素子自体は柔軟で
ある。 すなわち本発明によれば、電極間に0.１〜３Ｖの直流電
圧をかけることにより、１秒以内に素子長の1/10もの変
位が得られ、かつ水中で作動する柔軟な素子を作製でき
る。素子を細長い棒状にすれば、大きく湾曲させること
ができ、大きな変位を得ることができる。従って本発明
によれば、従来のアクチュエータでは不可能であった水
中での超小型動力発生機構が可能になるので、特に水中
で作動する超小型ロボット用の人工筋肉として利用で
き、また生体内で使用される医療用器具の動力にも応用
できる。
特長を有するアクチュエータ素子が得られる。 １) 単純な構造であり、超小型化できる。 ２) 超小型化しても水の粘性抵抗や表面の摩擦力に打ち
勝つだけの大きな力が発生できる。 ３) 生体内などの液中で作動する。 ４) １Ｖ程度の低電圧で作動する。 ５) 超小型であれば微少な電流でも作動する。 ６) 比較的応答が速い。 ７) 電圧によってアクチュエータの動作が制御できる。 ８) 比較的大きな力を発生する反面、素子自体は柔軟で
ある。 すなわち本発明によれば、電極間に0.１〜３Ｖの直流電
圧をかけることにより、１秒以内に素子長の1/10もの変
位が得られ、かつ水中で作動する柔軟な素子を作製でき
る。素子を細長い棒状にすれば、大きく湾曲させること
ができ、大きな変位を得ることができる。従って本発明
によれば、従来のアクチュエータでは不可能であった水
中での超小型動力発生機構が可能になるので、特に水中
で作動する超小型ロボット用の人工筋肉として利用で
き、また生体内で使用される医療用器具の動力にも応用
できる。
【図１】本発明のアクチュエータ素子の電圧無印加状態
の概要断面図である。
の概要断面図である。
【図２】本発明のアクチュエータ素子の電圧印加状態の
概要断面図である。
概要断面図である。
１ アクチュエータ素子 ２ 陽イオン
交換膜 ３ 電極 ３' 電極 ４ 水分子数個を伴った可動陽イオン ５ 電源
交換膜 ３ 電極 ３' 電極 ４ 水分子数個を伴った可動陽イオン ５ 電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−4731（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−320068（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−20586（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−113869（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−129063（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−41685（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】 イオン交換膜と、このイオン交換膜の両
面に接合した電極とから成り、前記イオン交換膜の含水
状態において、前記イオン交換膜に電位差をかけて前記
イオン交換膜に湾曲および変形を生ぜしめることを特徴
とするアクチュエータ素子。
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