CN102992257A - 致动器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型、高速响应性优越且能够较大位移的致动器，并提供一种能够容易制造这样的致动器的制造方法。本发明的致动器的特征在于，其由多个电极(11)、多个阳离子交换树脂膜(12)、多个阴离子交换树脂膜(13)的层叠体构成，阳离子交换树脂膜(12)和阴离子交换树脂膜(13)交替层叠，阳离子交换树脂膜(12)及阴离子交换树脂膜(13)分别被两个电极(11)夹持，对相邻的阳离子交换树脂膜(12)和阴离子交换树脂膜(13)之间的电极(11)施加电压，使得成为相同的极性。

Description

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。
背景技术
近年来，在医疗领域或微机械领域等中，小型致动器的必要性正在提高。
这样的小型的致动器在要求小型的同时，还要求以低电压驱动。为了实现这样的低电压化而进行了各种尝试(例如，参照专利文献1)。
目前公知的小型致动器，主流采用通过离子的移动而使得材料收缩/膨润的离子交换膜。
在这样的致动器中，当为了增大位移量而增大离子交换膜的厚度时，由于通过离子的扩散速度来支配动作，所以存在无法得到高速响应性的问题。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-79129号公报
发明内容
本发明的一方式提供一种小型、高速响应性优越、可较大位移的致动器。另外，提供一种可容易制造这样的致动器的制造方法。
本发明的一方式的致动器包括第一阳离子交换树脂膜和第一阴离子交换树脂膜，所述第一阳离子交换树脂膜和所述第一阴离子交换树脂膜在第一方向上层叠，对所述第一阳离子交换树脂膜在所述第一方向上施加第一极性的第一电压，对所述第一阴离子交换树脂膜在所述第一方向上施加第二极性的第二电压。
通过该结构，提供一种小型、高速响应性优越且能够较大位移的致动器。
本发明的一方式的致动器的制造方法，其特征在于，包括：以使多个阳离子交换树脂膜的各自的第一端部侧的厚度比第二端部侧的厚度薄的方式进行成形的工序；以使多个阴离子交换树脂膜的各自的第三端部侧的厚度比第四端部侧的厚度薄的方式进行成形的工序；在所述多个阳离子交换树脂膜的各自的所述第一面以及所述第三面、所述第二面以及所述第四面上分别形成第一电极、第二电极的工序；在所述多个阴离子交换树脂膜的各自的所述第五面以及第七面、所述第六面以及所述第八面上分别形成第三电极、第四电极的工序；将所述多个阳离子交换树脂膜中的一个阳离子交换树脂膜和所述多个阴离子交换树脂膜中的一个阴离子交换树脂膜以所述第四面和所述第七面隔着所述第二电极和所述第三电极的方式接合的工序；在所述第二面和所述第五面之间的所述第二电极和所述第三电极之间插入第五电极的工序。
通过该结构，能够提供一种小型、高速响应性优越且能够较大位移的致动器的制造方法。
上述的本发明的致动器的特征在于，其由多个电极、多个阳离子交换树脂膜、多个阴离子交换树脂膜的层叠体构成，所述阳离子交换树脂膜和所述阴离子交换树脂膜交替层叠，所述阳离子交换树脂膜以及所述阴离子交换树脂膜分别被两个所述电极夹持，相邻的所述阳离子交换树脂膜和所述阴离子交换树脂膜之间的所述电极被施加电压，使得成为相同的极性。
通过该结构，提供一种小型、高速响应性优越且能够较大位移的致动器。
在上述的本发明的致动器中，优选所述阳离子交换树脂膜的厚度为20μm以上1000μm以下。
通过该结构，能够在使致动器的响应速度更快的同时，进一步增大位移量。
在上述的本发明的致动器中，优选所述阴离子交换树脂膜的厚度为20μm以上1000μm以下。
通过该结构，能够在使致动器的响应速度更快的同时，进一步增大位移量。
在上述的本发明的致动器中，优选所述阳离子交换树脂膜由氟系离子交换树脂构成。
通过该结构，能够使致动器的响应速度更快。
在上述的本发明的致动器中，优选所述阴离子交换树脂膜由碳系离子交换树脂构成。
由此，能够使响应速度更快。
在上述的本发明的致动器优选由被覆膜覆盖。
通过该结构，能够进一步提高致动器的耐久性。
在上述的本发明的致动器中，优选所述被覆膜的厚度为0.1μm以上100μm以下。
通过该结构，能够在不妨碍致动器的响应性的情况下，进一步提高致动器的耐久性。
在上述的本发明的致动器中，优选所述多个阳离子交换树脂膜分别包括第一端部、第二端部、所述第一端部的一侧的在厚度方向上相对的第一面以及第二面、所述第二端部的一侧的在厚度方向上相对的第三面以及第四面，所述第一面与所述第二面的间隔比所述第三面与所述第四面的间隔短，所述多个阴离子交换树脂膜分别包括第三端部、第四端部、所述第三端部的一侧的在厚度方向上相对的第五面以及第六面、所述第四端部的一侧的在厚度方向上相对的第七面以及第八面，所述第五面与所述第六面的间隔比所述第七面与所述第八面的间隔短，所述多个电极之中的第一电极被配置于所述第一面以及所述第三面，所述多个电极之中的第二电极被配置于所述第二面以及所述第四面，所述多个电极之中的第三电极被配置于所述第五面以及所述第七面，所述多个电极之中的第四电极被配置于所述第六面以及所述第八面，所述第二电极和所述第三电极在所述第二端部以及所述第四端部的一侧相接，所述多个电极之中的第五电极在所述第一端部以及所述第三端部的一侧被配置于所述第二电极和所述第三电极之间。
通过该结构，提供一种进一步小型、高速响应性优越且能够较大位移的致动器。
上述的本发明的致动器的制造方法的特征在于，包括：以使所述多个阳离子交换树脂膜的各自的所述第一端部侧的厚度比所述第二端部侧的厚度薄的方式进行成形的工序；以使所述多个阴离子交换树脂膜的各自的所述第三端部侧的厚度比所述第四端部侧的厚度薄的方式进行成形的工序；在所述多个阳离子交换树脂膜的各自的所述第一面以及所述第三面、所述第二面以及所述第四面上分别形成第一电极、第二电极的工序；在所述多个阴离子交换树脂膜的各自的所述第五面以及第七面、所述第六面以及所述第八面上分别形成第三电极、第四电极的工序；将所述多个阳离子交换树脂膜的每个阳离子交换树脂膜和所述多个阴离子交换树脂膜的每个阴离子交换树脂膜，交替地并且以所述第三面和所述第八面隔着所述第一电极和所述第四电极相接、所述第四面和所述第七面隔着所述第二电极和所述第三电极相接的方式进行接合的工序；在所述第一端部和所述第三端部的一侧的、所述第一电极和所述第四电极之间以及所述第二电极和所述第三电极之间分别插入第五电极的工序。
通过该结构，提供一种进一步小型、高速响应性优越且能够较大位移的致动器。
附图说明
图1是表示本发明的致动器的第一实施方式的剖视图。
图2是表示第一实施方式的致动器的驱动状态的模式图。
图3是表示本发明的致动器的第二实施方式的剖视图。
图4是表示本发明的致动器的制造方法的一例的工序图。
符号说明
1...致动器  1’...致动器  11...电极  12...阳离子交换树脂膜  13...阴离子交换树脂膜  14...端子(第五电极)
具体实施方式
以下，详细说明本发明的最佳实施方式。
《致动器的第一实施方式》
首先，对本发明的致动器的第一实施方式进行说明。
图1是表示本发明的致动器的第一实施方式的剖视图，图2是表示第一实施方式的致动器的驱动状态的模式图。
致动器1是由将多个电极11、多个阳离子交换树脂膜12、多个阴离子交换树脂膜13层叠的层叠体构成的。在本实施方式中，如图1所示，由四个阳离子交换树脂膜12、三个阴离子交换树脂膜13、八个电极11构成。
如图1所示，致动器1交替层叠有阳离子交换树脂膜12和阴离子交换树脂膜13。
而且，在阳离子交换树脂膜12和阴离子交换树脂膜13之间配置有一个电极11。
另外，阳离子交换树脂膜12以及阴离子交换树脂膜13各被两个电极11夹持。
换言之，致动器1按照电极11、阳离子交换树脂膜12、电极11、阴离子交换树脂膜13、电极11、阳离子交换树脂膜12、电极11、...、阴离子交换树脂膜13、电极11的顺序进行层叠。
电极11与电源连接，并具有对阳离子交换树脂膜12、阴离子交换树脂膜13施加电压的功能。
作为构成电极11的材料，比如有金、铂、铱、钯、钌等金属，碳纤维，各种导电性高分子等。
阳离子交换树脂膜12通过施加电压，向与电源的正极侧连接的电极11侧弯曲。这是通过在阳离子交换树脂膜12中，伴随着阳离子向负极侧的移动水分子也移动，负极侧膨润正极侧收缩而产生的。
作为构成阳离子交换树脂膜12的阳离子交换树脂，没有特别的限定，但优选使用氟系离子交换树脂。由此，能够使响应速度更快，同时进一步增大位移量。
作为氟系离子交换树脂，例如可以举出：Nafion(杜邦公司的商品名)、Flemion(旭硝子公司的商品名)等。
这样的阳离子交换树脂膜12的厚度优选为20μm以上1000μm以下，更优选为100μm以上500μm以下。由此，能够在使响应速度更快的同时，进一步增大位移量。
阴离子交换树脂膜13通过施加电压而向与电源的负极侧连接的电极11侧弯曲。这是通过在阴离子交换树脂膜13中，伴随着阴离子向正极侧的移动水分子也移动，正极侧膨润负极侧收缩而产生的。
作为构成阴离子交换树脂膜13的阴离子交换树脂，没有特别的限定，但优选使用碳系离子交换树脂。由此，能够在使响应速度更快的同时，进一步增大位移量。
作为碳系离子交换树脂，例如可以举出Aciplex(旭化成公司的商品名)等。
这样的阴离子交换树脂膜13的厚度优选为20μm以上1000μm以下，更优选为100μm以上500μm以下。通过该结构，能够在使致动器的响应速度更快的同时，进一步增大位移量。
另外，致动器1优选整体由被覆膜覆盖。通过该结构，能够防止各离子交换树脂膜内的水分的蒸发，能够进一步提高致动器1的耐久性。
作为构成被覆膜的材料，并不特别限定，例如，可以举出：聚乙烯、聚丙烯等的聚烯烃，聚氯乙烯，聚酯，聚酰胺，聚醚酰胺，聚氨酯，氟树脂，硅酮橡胶等。
这样的被覆膜的厚度优选为0.1μm以上100μm以下，更优选为1μm以上10μm以下。由此，能够在不妨碍致动器的响应性的情况下，进一步提高致动器的耐久性。
在这样构成的致动器1中，当对电极施加电压时，阳离子交换树脂膜12以及阴离子交换树脂膜13向相同方向弯曲(图2的实线)，致动器1整体较大弯曲。另外，由于使用薄的离子交换树脂，所以能够防止离子的移动速度产生降低，能够加快响应速度。另外，通过切换电源的正负，如图2所示，致动器1可使弯曲方向变化。
以上，对本实施方式的致动器1进行了说明，但本发明的致动器不限于此。例如，在上述说明中，说明了致动器1由四个阳离子交换树脂膜12、三个阴离子交换树脂膜13、八个电极11构成，但是阳离子交换树脂膜12、阴离子交换树脂膜13、电极11只要有多个即可，其数量并不限定。
《致动器的第二实施方式》
下面，对本发明的致动器的第二实施方式进行说明。
图3是表示本发明的致动器的第二实施方式的剖视图。
本实施方式的致动器1’与前述的实施方式同样，是由将多个电极11、多个阳离子交换树脂膜12、多个阴离子交换树脂膜13层叠的层叠体构成的。在本实施方式中，如图3所示，由四个阳离子交换树脂膜12、三个阴离子交换树脂膜13、十四个电极11构成。
致动器1’与前述的实施方式同样，交替层叠有阳离子交换树脂膜12和阴离子交换树脂膜13。
而且，在阳离子交换树脂膜12和阴离子交换树脂膜13之间配置有两个电极11，这与前述的实施方式不同。
即，致动器1’是交替层叠被两个电极11夹持的阳离子交换树脂膜12和被两个电极11夹持的阴离子交换树脂膜13的结构。
通过形成这样的结构，能够提供一种高速响应性优越，可较大位移的致动器1’，并且可以容易制造这样的致动器1’。
《致动器1’的制造方法》
下面，对上述致动器1’的制造方法的一例进行说明。
图4是表示致动器的制造方法的一例的工序图。
首先，准备四个阳离子交换树脂膜12和三个阴离子交换树脂膜13。图中，将阳离子交换树脂膜12的上方称为第一端部，将阳离子交换树脂膜12的下方称为第二端部，将阴离子交换树脂膜13的上方称为第三端部，将阴离子交换树脂膜13的下方称为第四端部。另外，将第一端部的左面称为第一面，将第一端部的右面称为第二面，将第二端部的左面称为第三面，将第二端部的右面称为第四面，进而将第三端部的左面称为第五面，将第三端部的右面称为第六面，将第四端部的左面称为第七面，将第四端部的右面称为第八面。
接着，如图4(a)所示，通过冲压成形等对各膜的一方的端部(第一端部以及第三端部)进行成型，使得其一部分的厚度变薄。
接着，在四个阳离子交换树脂膜12和三个阴离子交换树脂膜13的两面形成一对电极11(图4(b))。图中，将在第一面以及第三面配置的电极11称为第一电极，将在第二面以及第四面配置的电极11称为第二电极，将在第五面以及第七面配置的电极11称为第三电极，将在第六面以及第八面配置的电极11称为第四电极。
在使用Nafion(杜邦公司的商品名)来作为阳离子交换树脂膜12的情况下，例如，可以如以下那样形成电极11(镀金)。
在作为金的络合物的二氯菲啰啉金的水溶液中，将如上述那样成型了端部的一部分的Nafion(阳离子交换树脂膜12)浸渍12小时左右，通过离子交换，使金络合物离子吸附在膜中。之后，在60℃的亚硫酸钠水溶液中浸渍5小时左右，通过还原作用在各膜表面镀金，形成电极11。
另一方面，在使用Aciplex(旭化成公司的商品名)来作为阴离子交换树脂膜13的情况下，例如，可以如以下那样形成电极11(镀金)。
在作为金的络合物的四氯金(III)酸(HAuCl4)的水溶液中将Aciplex膜(阴离子交换树脂膜13)浸渍12小时左右，通过离子交换，使金络合物离子吸附于膜中。之后，在60℃的抗坏血酸钠(sodium ascorbate)水溶液中浸渍5小时左右，通过还原作用在膜表面镀金，形成电极11。
接着，如图4(c)所示，将两面形成有电极11的阳离子交换树脂膜12以及阴离子交换树脂膜13交替接合。即，第三面和第八面隔着第一电极和第四电极相接，第四面和第七面隔着第二电极和第三电极相接。此时，在由如上所述成型的阳离子交换树脂膜12以及阴离子交换树脂膜13的一部分形成的空间中，插入用于连接电极11和电源的端子14(第五电极)。即，在第一端部和第三端部的一侧的第一电极和第四电极之间以及在第二电极和第三电极之间分别插入第五电极。
需要说明的是，阳离子交换树脂膜12以及阴离子交换树脂膜13的接合例如可以采用公知的导电性粘结剂来进行。
之后，根据需要用被覆膜覆盖，然后将电源和端子14(第五电极)电连接，由此得到致动器1’。
以上，对于本发明，基于最佳实施方式进行了说明，但本发明不限定于此。

Claims (13)

1.一种致动器，其特征在于，
包括第一阳离子交换树脂膜和第一阴离子交换树脂膜，
所述第一阳离子交换树脂膜和所述第一阴离子交换树脂膜在第一方向上层叠，
对所述第一阳离子交换树脂膜在所述第一方向上施加第一极性的第一电压，对所述第一阴离子交换树脂膜在所述第一方向上施加第二极性的第二电压。
2.如权利要求1所述的致动器，其特征在于，
所述第一阳离子交换树脂膜被第一电极和第二电极夹着，
所述第一阴离子交换树脂膜被第三电极和第四电极夹着。
3.如权利要求2所述的致动器，其特征在于，
所述第二电极兼为所述第三电极。
4.如权利要求1至3中任一项所述的致动器，其特征在于，
所述致动器还包括第二阳离子交换树脂膜和第二阴离子交换树脂膜，
所述第二阳离子交换树脂膜和所述第二阴离子交换树脂膜沿所述第一方向层叠在所述第一阴离子交换树脂膜上。
5.如权利要求1至4中任一项所述的致动器，其特征在于，
所述阳离子交换树脂膜的厚度为20μm以上1000μm以下。
6.如权利要求1至5中任一项所述的致动器，其特征在于，
所述阴离子交换树脂膜的厚度为20μm以上1000μm以下。
7.如权利要求1至6中任一项所述的致动器，其特征在于，
所述阳离子交换树脂膜包含氟系离子交换树脂。
8.如权利要求1至7中任一项所述的致动器，其特征在于，
所述阴离子交换树脂膜包含碳系离子交换树脂。
9.如权利要求1至8中任一项所述的致动器，其特征在于，
所述致动器由被覆膜覆盖。
10.如权利要求9所述的致动器，其特征在于，
所述被覆膜的厚度为0.1μm以上100μm以下。
11.如权利要求1至10中任一项所述的致动器，其特征在于，
所述第一阳离子交换树脂膜及所述第二阳离子交换树脂膜分别包括第一端部、第二端部、所述第一端部的一侧的在所述第一方向上相对的第一面以及第二面、所述第二端部的一侧的在所述第一方向上相对的第三面以及第四面，
所述第一面与所述第二面的间隔比所述第三面与所述第四面的间隔短，
所述第一阴离子交换树脂膜及所述第二阴离子交换树脂膜分别包括第三端部、第四端部、所述第三端部的一侧的在所述第一方向上相对的第五面以及第六面、所述第四端部的一侧的在所述第一方向上相对的第七面以及第八面，
所述第五面与所述第六面的间隔比所述第七面与所述第八面的间隔短，
所述第一电极配置于所述第一面以及所述第三面，
所述第二电极配置于所述第二面以及所述第四面，
所述第三电极配置于所述第五面以及所述第七面，
所述第四电极配置于所述第六面以及所述第八面，
所述第二电极和所述第三电极在所述第二端部以及所述第四端部的一侧相接，
第五电极在所述第一端部以及所述第三端部的一侧配置在所述第二电极和所述第三电极之间。
12.一种致动器的制造方法，其特征在于，包括：
以使多个阳离子交换树脂膜的各自的第一端部侧的厚度比第二端部侧的厚度薄的方式进行成形的工序；
以使多个阴离子交换树脂膜的各自的第三端部侧的厚度比第四端部侧的厚度薄的方式进行成形的工序；
在所述多个阳离子交换树脂膜的各自的所述第一面以及所述第三面、所述第二面以及所述第四面上分别形成第一电极、第二电极的工序；
在所述多个阴离子交换树脂膜的各自的所述第五面以及第七面、所述第六面以及所述第八面上分别形成第三电极、第四电极的工序；
将所述多个阳离子交换树脂膜中的一个阳离子交换树脂膜和所述多个阴离子交换树脂膜中的一个阴离子交换树脂膜以所述第四面和所述第七面隔着所述第二电极和所述第三电极的方式接合的工序；
在所述第二面和所述第五面之间的所述第二电极和所述第三电极之间插入第五电极的工序。
13.如权利要求12所述的致动器的制造方法，其特征在于，还包括：
将所述多个阳离子交换树脂膜中的另外一个阳离子交换树脂膜和所述多个阴离子交换树脂膜中的所述一个阴离子交换树脂膜以所述第三面和所述第八面隔着所述第一电极和所述第四电极的方式接合的工序；
在所述第一面和所述第六面之间的所述第一电极和所述第四电极之间插入第六电极的工序。
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