JP2013034314A

JP2013034314A - アクチュエータ素子およびアクチュエータ装置

Info

Publication number: JP2013034314A
Application number: JP2011169268A
Authority: JP
Inventors: Kenji Oda; 研二小田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-02-14

Abstract

【課題】電極層の伸縮方向の変位が得られるアクチュエータ素子の提供。
【解決手段】イオン伝導体２と、イオン伝導体２の向かい合う一対の第１方向側部２Ａ、２Ａにそれぞれ形成された第１方向電極層３、３と、イオン伝導体２の向かい合う一対の第２方向側部２Ｂ、２Ｂにそれぞれ形成された第２方向電極層４と、を備えたアクチュエータ素子１。第１方向電極層３および第２方向電極層４は、与えられる電位に応じて伸長または収縮可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学反応により作動するアクチュエータ素子およびアクチュエータ装置に関する。

空気中や真空中で作動可能なアクチュエータ素子として、伸縮性のある電極層を有するアクチュエータ素子が提案されている（例えば特許文献１、２を参照）。
図４は、アクチュエータ素子の例を示すもので、ここに示すアクチュエータ素子２１は、イオン伝導層２２の一方および他方の面に、伸縮性のある電極層２３Ａ、２３Ｂを備えている。
図５に示すように、アクチュエータ素子２１は、電源２４によって電極層２３Ａ、２３Ｂ間に電位差が与えられると、電極層２３Ａ、２３Ｂが伸縮することによって、未変形状態（図５（ａ））から、素子２１の厚さ方向に曲げ変形した状態（図５（ｂ））となる。

特開２０１０−１６０９５２号公報特開２００５−１７６４２８号公報

図４および図５に示すアクチュエータ素子２１は、素子２１の厚さ方向に変位するが、効率向上のため電極層２３Ａ、２３Ｂの伸縮方向の変位を得ることができる構造が望まれていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電極層の伸縮方向の変位が得られるアクチュエータ素子およびアクチュエータ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を提供する。
本発明は、１または複数のイオン伝導体と、前記イオン伝導体の向かい合う一対の第１方向側部にそれぞれ形成された第１方向電極層と、前記イオン伝導体の向かい合う一対の第２方向側部にそれぞれ形成された第２方向電極層と、を備え、前記第１方向側部と第２方向側部は互いに異なる方向に向いており、前記第１方向電極層および第２方向電極層は、与えられる電位に応じて伸長または収縮可能であるアクチュエータ素子を提供する。
前記イオン伝導体は、断面略矩形であり、前記第１方向側部と第２方向側部は、互いに直交する方向に向いた側部であることが好ましい。
本発明のアクチュエータ素子は、前記複数のイオン伝導体が、前記第１方向電極層および第２方向電極層の厚さ方向にマトリクス状に並んで配置されている構成が可能である。
前記イオン伝導体は、イオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなることが好ましい。
前記第１方向電極層および第２方向電極層は、カーボンナノチューブとイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなることが好ましい。
本発明のアクチュエータ装置は、前記アクチュエータ素子を、前記第１方向電極層および第２方向電極層の厚さ方向にマトリクス状に並んで配置したアクチュエータ装置である。

本発明によれば、イオン伝導体の第１方向側部に形成された第１方向電極層と、イオン伝導体の第２方向側部に形成された第２方向電極層とを備え、これら電極層が電位に応じて伸長または収縮可能であるので、電極層の伸縮方向と同じ方向に変位可能である。
従って、電極層の伸縮力がそのまま利用されることから、エネルギー効率の点で有利となる。

本発明のアクチュエータ素子の第１の実施形態を示す模式図であり、（ｂ）は未変形状態であり、（ａ）、（ｃ）は変形した状態である。本発明のアクチュエータ装置の一例を示す模式図である。本発明のアクチュエータ素子の第２の実施形態を示す模式図である。従来のアクチュエータ素子の一例を示す模式図である。前図のアクチュエータ素子の動作を示す模式図であり、（ａ）は未変形状態であり、（ｂ）は曲げ変形した状態である。

（第一の実施形態）
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態であるアクチュエータ素子１を示すもので、ここに示すアクチュエータ素子１は、イオン伝導体２と、イオン伝導体２の第１方向側部２Ａ、２Ａにそれぞれ形成された第１方向電極層３、３と、イオン伝導体２の第２方向側部２Ｂ、２Ｂにそれぞれ形成された第２方向電極層４、４と、を備えている。

イオン伝導体２は、向かい合う一対の第１方向側部２Ａ、２Ａと、向かい合う一対の第２方向側部２Ｂ、２Ｂとを有する断面形状を有する。
図１（ｂ）では、イオン伝導体２は断面略矩形である。第１方向側部２Ａ、２Ａはイオン伝導体２の左辺部と右辺部であり、第２方向側部２Ｂ、２Ｂはイオン伝導体２の上辺部と下辺部である。
第１方向側部２Ａ、２Ａと、第２方向側部２Ｂ、２Ｂは、互いに異なる方向に向いている。すなわち、第１方向側部２Ａ、２Ａは、図１の左右方向（第１方向Ｄ１）に向いており、第２方向側部２Ｂ、２Ｂは上下方向（第２方向Ｄ２）（左右方向に直交する方向）に向いている。
第１方向側部２Ａ、２Ａは互いに平行であることが好ましい。第２方向側部２Ｂ、２Ｂも互いに平行であることが好ましい。

なお、イオン伝導体の断面形状は、向かい合う一対の第１方向側部と、向かい合う一対の第２方向側部を有する形状であればよく、略矩形に限らず、六角形、八角形などの他の多角形であってもよい。また、第１方向と第２方向は互いに直交する方向に限らず、互いに異なる方向であればよい。

イオン伝導体２は、例えばイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなる。
イオン性液体は、例えば常温溶融塩であり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態となる。イオン性液体の導電率は０．１Ｓｍ^−１以上が好ましい。
イオン性液体としては、下記の一般式（Ｉ）〜（ＩＶ）で表わされるカチオン（好ましくは、イミダゾリウムイオン）と、アニオン（Ｘ⁻）からなるものを例示することができる。

［ＮＲ_ｘＨ_４−ｘ］^＋（ＩＩＩ）
［ＰＲ_ｘＨ_４−ｘ］^＋（ＩＶ）
上記の式（Ｉ）〜（ＩＶ）において、Ｒは炭素数１〜１２のアルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３〜１２のアルキル基を示し、式（Ｉ）においてＲ^１は炭素数１〜４のアルキル基または水素原子を示す。式（Ｉ）において、ＲとＲ^１は同一ではないことが好ましい。式（ＩＩＩ）および（ＩＶ）において、ｘはそれぞれ１〜４の整数である。

アニオン（Ｘ⁻）としては、テトラフルオロホウ酸アニオン、ヘキサフルオロリン酸アニオン、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド酸アニオン、過塩素酸アニオン、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）炭素酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、ジシアンアミドアニオン、トリフルオロ酢酸アニオン、有機カルボン酸アニオンおよびハロゲンイオンより選ばれる少なくとも１種が好ましい。

イオン伝導体２を構成するゲル状組成物に使用できるポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ，ナフィオン）、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などが挙げられる。
イオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物におけるイオン性液体とポリマーの配合比（質量比）は、イオン性液体：ポリマー＝１：２〜４：１が好ましく、イオン性液体：ポリマー＝１：１〜２：１がより好ましい。
前記ポリマーは、第１方向電極層３および第２方向電極層４にも使用できる。

第１方向電極層３および第２方向電極層４は、例えばカーボンナノチューブとイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなり、導電性があり電気応答伸縮活性を有する。
カーボンナノチューブは、グラフェンシートを筒形とした炭素系材料であり、その周壁の構成数から単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）と多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）とがある。また、グラフェンシートの構造の違いからカイラル（らせん）型、ジグザグ型、およびアームチェア型などがある。
カーボンナノチューブは、アスペクト比が大きいとゲルが形成し易くなる傾向があるため、単層ナノチューブが好ましい。

カーボンナノチューブとイオン性液体とからなるゲル（カーボンナノチューブゲル）におけるカーボンナノチューブの配合割合は、カーボンナノチューブ／ゲル＝１〜４０質量％が好ましく、カーボンナノチューブ／ゲル＝５〜２０質量％がより好ましい。
カーボンナノチューブゲルに対するポリマーの配合比は、ゲル：ポリマー＝１：２〜４：１が好ましく、ゲル：ポリマー＝１：１〜２：１がより好ましい。
第１方向電極層３、３は、相互に絶縁状態となるように形成されている。第２方向電極層４、４も、相互に絶縁状態となるように形成されている。

図示例では、第１方向電極層３は、第１方向側部２Ａ、２Ａの全高さ範囲に形成されている。第１方向電極層３は、一定厚さであることが好ましい。
第２方向電極層４は、第２方向側部２Ｂ、２Ｂの全幅範囲に形成されている。第２方向電極層４は、一定厚さであることが好ましい。
第１方向電極層３および第２方向電極層４の厚さは、１０〜５００μｍ（好ましくは５０〜２００μｍ）が好適である。
なお、図１では幅方向は第１方向Ｄ１であり、高さ方向は第２方向Ｄ２である。

図１（ａ）および図１（ｃ）に示すように、アクチュエータ素子１は、図示せぬ電源によって、第１方向電極層３、３と第２方向電極層４、４との間に電位差を与えることができる。電極層３、４には、例えば０．５〜３Ｖの直流電圧をかけることができる。

電極層３、４は、与えられる電位に応じて伸長または収縮することができる。
例えば、図１（ａ）に示すように、第１方向電極層３、３にプラス電位が与えられ、第２方向電極層４、４にマイナス電位が与えられると、第１方向電極層３、３は第２方向Ｄ２（上下方向）に収縮するとともに、第２方向電極層４、４は第１方向Ｄ１（左右方向）に伸長する。このため、アクチュエータ素子１は、第１方向Ｄ１（左右方向）の寸法が大きくなるとともに、第２方向Ｄ２（上下方向）の寸法が小さくなる。

図１（ｃ）に示すように、第１方向電極層３、３にマイナス電位が与えられ、第２方向電極層４、４にプラス電位が与えられると、第１方向電極層３、３は第２方向Ｄ２に伸長するとともに、第２方向電極層４、４は第１方向Ｄ１に収縮する。このため、アクチュエータ素子１は、第１方向Ｄ１（左右方向）の寸法が小さくなるとともに、第２方向Ｄ２（上下方向）の寸法が大きくなる。

図１（ａ）および図１（ｃ）に示すように、プラス電位が与えられた電極層３、４が収縮し、マイナス電位が与えられた電極層３、４が伸長するのは、プラス電位側にイオン半径の小さいアニオンが集まり、マイナス電位側にイオン半径の大きいカチオンが集まることによる立体効果、および量子化学的効果によりカーボンナノチューブがマイナス電位側で大きく伸びること、などによると考えられる。
アクチュエータ素子１は、空気中や真空中でも作動する。

アクチュエータ素子１は、イオン伝導体２の第１方向側部２Ａに形成された第１方向電極層３と、イオン伝導体２の第２方向側部２Ｂに形成された第２方向電極層４とを備え、電極層３、４が電位に応じて伸長または収縮可能であるので、電極層３、４の伸縮方向と同じ方向（第１方向Ｄ１または第２方向Ｄ２）に変位可能である。
アクチュエータ素子１は、電極層の伸縮力を電極層の厚さ方向の力に変換するタイプのアクチュエータ素子（図４等）とは異なり、電極層３、４の伸縮力がそのまま利用されるため、エネルギー効率の点で有利となる。

図２は、本発明のアクチュエータ装置の一例を示すもので、ここに示すアクチュエータ装置１０は、複数のアクチュエータ素子１（図１参照）をマトリクス状に並べて配置したものである。
以下の説明において、既出の構成については、同じ符号を付して説明を省略または簡略化する。
アクチュエータ素子１の配列方向は第１方向電極層３の厚さ方向（第１方向Ｄ１）および第２方向電極層４の厚さ方向（第２方向Ｄ２）である。図示例では、９つのアクチュエータ素子１が、左右方向（第１方向Ｄ１）に３列、上下方向（第２方向Ｄ２）に３行のマトリクス状に配列されている。
第１方向Ｄ１に隣り合うアクチュエータ素子１、１は、第１方向電極層３、３の外面が向かい合い、互いに当接または近接している。第２方向Ｄ２に隣り合うアクチュエータ素子１、１は、第２方向電極層４、４の外面が向かい合い、互いに当接または近接している。

アクチュエータ装置１０では、複数のアクチュエータ素子１がマトリクス状に並べられているため、電極層３、４が伸縮したときのアクチュエータ装置１０全体の変位量は、アクチュエータ素子１が１つのみである場合に比べて大きくなる。
従って、電極層３、４の電位を変化させたときに得られる変位量、および変位により生じる力（押圧力など）を大きくできる。

アクチュエータ素子１の第１方向Ｄ１の配列数は、図示例に限らず、２以上の任意の数としてよい。アクチュエータ素子１の第２方向Ｄ２の配列数についても、２以上の任意の数としてよい。
本発明のアクチュエータ装置は、アクチュエータ素子１をマトリクス状に配置したものに限らず、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２のいずれか一方にのみ複数並べた構成、例えば１行複数列や複数行１列の配置を採用してもよい。
また、図２に示すアクチュエータ装置１０を複数並べることによってアクチュエータ装置を構成すれば、さらに大きな変位量が得られる。

（第二の実施形態）
図３は、本発明のアクチュエータ素子の第２の実施形態を示すもので、ここに示すアクチュエータ素子１１は、マトリクス状に並んで配置された複数のイオン伝導体２と、イオン伝導体２の第１方向側部２Ａ、２Ａにそれぞれ形成された第１方向電極層３、３と、イオン伝導体２の第２方向側部２Ｂ、２Ｂにそれぞれ形成された第２方向電極層４、４と、を備えている。

イオン伝導体２の配列方向は第１方向電極層３の厚さ方向（第１方向Ｄ１）および第２方向電極層４の厚さ方向（第２方向Ｄ２）である。図示例では、９つのイオン伝導体２が、左右方向（第１方向Ｄ１）に３列、上下方向（第２方向Ｄ２）に３行のマトリクス状に配列されている。

第１方向Ｄ１に隣り合うイオン伝導体２、２間にある第１方向電極層３は、両イオン伝導体２、２に接して形成されている。すなわち、隣り合うイオン伝導体２、２は、その間にある第１方向電極層３を共有している。
第２方向Ｄ２に隣り合うイオン伝導体２、２間にある第２方向電極層４は、両イオン伝導体２、２に接して形成されている。すなわち、隣り合うイオン伝導体２、２は、その間にある第２方向電極層４を共有している。

アクチュエータ素子１１では、複数のイオン伝導体２がマトリクス状に並べられているため、電極層３、４が伸縮したときのアクチュエータ素子１１全体の変位量は、イオン伝導体２が１つのみである場合に比べて大きくなる。
従って、電極層３、４の電位を変化させたときに得られる変位量、および変位により生じる力（押圧力など）を大きくできる。

イオン伝導体２の第１方向Ｄ１の配列数は、図示例に限らず、２以上の任意の数としてよい。イオン伝導体２の第２方向Ｄ２の配列数についても、２以上の任意の数としてよい。
本発明のアクチュエータ素子は、イオン伝導体２をマトリクス状に配置したものに限らず、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２のいずれか一方にのみ複数並べた構成、例えば１行複数列や複数行１列の配置を採用してもよい。
また、図３に示すアクチュエータ素子１１を複数並べることによってアクチュエータ装置を構成すれば、さらに大きな変位量が得られる。

１、１１・・・アクチュエータ素子、２・・・イオン伝導体、２Ａ・・・第１方向側部、２Ｂ・・・第２方向側部、３・・・第１方向電極層、４・・・第２方向電極層、１０・・・アクチュエータ装置、Ｄ１・・・第１方向、Ｄ２・・・第２方向。

Claims

１または複数のイオン伝導体と、
前記イオン伝導体の向かい合う一対の第１方向側部にそれぞれ形成された第１方向電極層と、
前記イオン伝導体の向かい合う一対の第２方向側部にそれぞれ形成された第２方向電極層と、を備え、
前記第１方向側部と第２方向側部は互いに異なる方向に向いており、
前記第１方向電極層および第２方向電極層は、与えられる電位に応じて伸長または収縮可能であることを特徴とするアクチュエータ素子。
前記イオン伝導体は、断面略矩形であり、
前記第１方向側部と第２方向側部は、互いに直交する方向に向いた側部であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ素子。
前記複数のイオン伝導体は、前記第１方向電極層および第２方向電極層の厚さ方向にマトリクス状に並んで配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ素子。
前記イオン伝導体は、イオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載のアクチュエータ素子。
前記第１方向電極層および第２方向電極層は、カーボンナノチューブとイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載のアクチュエータ素子。
請求項１〜５のうちいずれか１項記載のアクチュエータ素子を、前記第１方向電極層および第２方向電極層の厚さ方向にマトリクス状に並んで配置したことを特徴とするアクチュエータ装置。