JP2016089847A - アクチュエータおよびそれを用いたポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が容易で、長期間の使用に耐え、大きい力の発生と大きな変位が得られるアクチュエータおよびそれを用いたポンプを提供する。【解決手段】筐体１と、ヒーター２と、可動部３と、を備えるとともに、少なくとも筐体１および可動部３により気密室４が構成されており、気密室４の内部に多孔性配位高分子５および流体６を有し、流体６が、１７以上の分子量を有する気体を含むアクチュエータとする。このようなアクチュエータを備えたポンプは、多量の移送流体を移送することができ、小型化が容易である。【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータおよびそれを用いたポンプに関するものである。

アクチュエータは、バルブの開閉、機械の駆動、流体の移送などに利用され、電磁式、静電気式、圧電式、流体圧式など、様々な方式のアクチュエータが提案され実用化されている。

近年、デバイスの小型化に伴い、アクチュエータも小型化が求められている。小型化が容易なアクチュエータとしては、圧電式アクチュエータ、静電気式アクチュエータ（たとえば、特許文献１を参照）、水素吸蔵合金を用いたアクチュエータ（例えば、特許文献２を参照）、作動媒体の気化−凝縮による体積変化を利用したアクチュエータ（例えば、特許文献３を参照）などが挙げられる。

特開２００３−２１１３９３号公報 特開昭６１−１９２９０６号公報 特開平６−１５９２２８号公報

しかしながら、圧電式アクチュエータや静電気式アクチュエータでは、発生できる力が小さく、変位も極めて小さいため、アクチュエータとして用途が限定されるという問題があった。

水素吸蔵合金を用いたアクチュエータは、大きい力の発生と大きい変位を得られるが、分子が小さい水素ガスを用いているため、アクチュエータの外部に水素ガスが容易に漏出してしまい、長期間の使用に耐えられないという問題があった。

気体・液体の体積変化を利用したアクチュエータは小型化が容易で、大きい力の発生と大きい変位を得られるが、ヒーター加熱により蒸発させた物質が、アクチュエータ内のヒーター以外の部分で凝縮し、液体として留まってしまい、体積が充分に膨張しなくなる、すなわち大きい力の発生と大きい変位を維持できず、長期間の使用に耐えられないという問題があった。

本発明は上記の課題に鑑みなされたもので、小型化が容易で、長期間の使用に耐え、大きい力の発生と大きな変位が得られるアクチュエータおよびそれを用いたポンプを提供することを目的とする。

本発明のアクチュエータは、筐体と、ヒーターと、可動部と、を備えるとともに、少なくとも前記筐体および前記可動部により気密室が構成されており、該気密室の内部に多孔性配位高分子および流体を有し、該流体が、１７以上の分子量を有する気体を含むことを特徴とする。

本発明のポンプは、上述のアクチュエータを備えることを特徴とする。

本発明によれば、小型化が容易で、長期間の使用に耐え、大きい力の発生と大きな変位が得られるアクチュエータおよびそれを用いたポンプを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るアクチュエータを模式的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るアクチュエータを模式的に示す断面図である。 多孔性配位高分子の好適な配置の一例を模式的に示す断面図である。 ヒーターと多孔性配位高分子の好適な配置の一例を模式的に示す断面図である。 ヒーターと多孔性配位高分子の好適な配置の他の例を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るポンプを模式的に示す断面図である。

本発明の実施形態について、図を参照しつつ具体的に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態であるアクチュエータ１００は、筐体１と、ヒーター２と、可動部３と、を備えており、筐体１および可動部３により気密室４が構成されている。気密室４の内部には、多孔性配位高分子５と流体６が封入されている。本実施形態において、気密室４はシリンダ状の凹部と、凹部に挿入されたピストン状の可動部３により形成されており、凹部の内壁と可動部３の側面とはグリスなどの潤滑剤（図示せず）を介して接触している。また、本実施形態においては、ヒーター２が、筐体１の凹部の底面と反対側の面に密着するように配置されている。なお、本発明の説明に用いる図はいずれも、アクチュエータ１００の、可動部３が変位する方向に平行な一断面を模式的に示したものである。

多孔性配位高分子５はＭＯＦ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ）またはＰＣＰ（Ｐｏｒｏｕｓ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ）とも呼ばれ、結晶構造に由来する均一なマイクロ孔またはメソ孔領域の細孔を多数有しており、それ自身の体積よりもはるかに大きい体積の流体６を吸着できる。

多孔性配位高分子５は、気密室４の内部に存在する流体６のすべてまたは一部を吸着するとともに、加熱により吸着した流体６を脱離できる。

本実施形態のアクチュエータ１００では、ヒーター２の発熱により、筐体１の底部を介して多孔性配位高分子５が加熱され、多孔性配位高分子５に吸着されていた流体６が脱離する。その結果、気密室４の内部の圧力が上昇し、可動部３が気密室４の体積を大きくする方向に変位する。

一方、ヒーター２の発熱を止めると、多孔性配位高分子５が冷却され、流体６が多孔性配位高分子５に吸着される。その結果、気密室４の内部の圧力が低下し、可動部３が気密室４の体積を小さくする方向に変位する。

多孔性配位高分子５への流体６の吸着・脱離は可逆的であることから、可動部３の動作も可逆的となり、アクチュエータ１００は安定な動作を実現できる。

このように、アクチュエータ１００は、多孔性配位高分子５に流体６が吸着、脱離することにより、気密室４の内部に存在する流体６の体積が変化し、可動部３を変位させるこ
とにより動作する。多孔性配位高分子５はそれ自身の体積よりもはるかに大きい体積の流体６を吸着できるため、多孔性配位高分子５に吸着した流体６を加熱により脱離させることによって、流体６の体積が大きく膨張し、気密室４の一部を構成する可動部３を大きく変位させることができる。したがって、アクチュエータ１００の動作に必要な多孔性配位高分子５の量は少量でよく、容易に小型化を実現できる。

また、多孔性配位高分子５は流体６を可逆的に吸着・脱離できるため、本実施形態のアクチュエータ１００は、繰り返し使用しても大きな変位量を維持できる。流体６として、分子量が比較的大きく漏出の可能性が低い水や炭化水素等を用いることができる点からも、アクチュエータ１００は大きな変位量を維持したまま繰り返し使用できる。

また、流体６はアクチュエータ１００の動作環境（動作する温度、圧力、以下、単に動作環境という場合もある）において液体または気体であるものを用いる。流体６は、動作環境において気体であるものを用いることが特に望ましい。これにより、アクチュエータ１００の動作中に、気体が凝縮（液化）・結露しないことから、より安定した変位量が得られる。

ここで、アクチュエータ１００の動作環境において、流体６が気密室４内で凝縮する量未満であれば、流体６は気体であるとみなす。すなわち、気密室４内における流体６の蒸気圧が、飽和蒸気圧に到達しない量であれば、流体６は気体である。

流体６としては、分子量が１７以上の水、二酸化炭素、一酸化炭素、アンモニア、メタノール、エタノール、アセトン、トルエン、ベンゼン、ヘキサンなどが望ましい。分子量が１７より小さいものを流体６として用いた場合、気密室４から流体６が漏出しやすく、繰り返し使用すると変位量が小さくなる懸念がある。

水、二酸化炭素は極性を有するため、多孔性配位高分子５への吸着量を多くでき、アクチュエータ１００の変位を大きくできるため望ましい。さらに、水や二酸化炭素は不燃性で無害であり、安全性が高いため望ましい。

流体６の種類は、気密室４内の流体６をマイクロシリンジなどで採取し、ガスクロマトグラフィーなどにより、同定できる。

アクチュエータ１００に用いる多孔性配位高分子５としては、例えば、
Ｚｎ_４Ｏ（ＢＤＣ）_３（以下、ＭＯＦ−５と記載する。）
Ｚｎ（ＭｅＩＭ）_２（以下、ＺＩＦ−８と記載する。）
Ｍ（ＯＨ）（ＢＤＣ）（ＭはＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅから選ばれる少なくとも１種。以下、Ｍ−ＭＩＬ−５３と記載する。）
Ａｌ（ＯＨ）（ｆｕｍａｒａｔｅ）
ＶＯ（ＢＤＣ）（以下、Ｖ−ＭＩＬ−４７と記載する。）
Ｍ_３Ｏ（ｆｕｍａｒａｔｅ）_３Ｘ（ＭはＦｅ、Ｃｒ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種。ＸはＦ⁻、ＯＨ⁻などの１価のアニオン。以下Ｍ−ＭＩＬ−８８Ａと記載する）
Ｍ_３Ｏ（ＢＤＣ）_３Ｘ（ＭはＦｅ、Ｃｒ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種。ＸはＦ⁻、ＯＨ⁻などの１価のアニオン。以下Ｍ−ＭＩＬ−８８Ｂと記載する）
Ｍ_３Ｏ（２，６−ＮＤＣ）_３Ｘ（ＭはＦｅ、Ｃｒ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種。ＸはＦ⁻、ＯＨ⁻などの１価のアニオン。以下Ｍ−ＭＩＬ−８８Ｃと記載する）
Ｍ_３Ｏ（ＢＰＤＣ）_３Ｘ（ＭはＦｅ、Ｃｒ、Ａｌから選ばれる少なくとも１種。ＸはＦ⁻、ＯＨ⁻などの１価のアニオン。以下Ｍ−ＭＩＬ−８８Ｄと記載する）
Ｍ’_２（ＤＯＢＤＣ）（Ｍ’はＺｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種。以下、Ｍ’−ＭＯＦ−７４と記載する。）
Ａｌ（ＯＨ）（１，４−ＮＤＣ）
Ｃｒ_３ＯＸ（ＢＤＣ）_３（ＸはＦ⁻、ＯＨ⁻などの１価のアニオン。以下、Ｃｒ−ＭＩＬ−１０１と記載する。）
Ａｌ_８（ＯＨ）_１５（ＢＴＣ）_３（以下、Ａｌ−ＭＩＬ−１１０と記載する。）
Ｃｕ_３（ＢＴＣ）_２（以下、ＨＫＵＳＴ−１と記載する。）
Ｚｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４（ｆｕｍａｒａｔｅ）_６またはＺｒ_６Ｏ_６（ｆｕｍａｒａｔｅ）_６（以下、ＭＯＦ−８０１と記載する。）
Ｚｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４（ＢＤＣ）_６またはＺｒ_６Ｏ_６（ＢＤＣ）_６（以下、ＵｉＯ−６６と記載する。）
Ｚｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４（ＢＰＤＣ）_６またはＺｒ_６Ｏ_６（ＢＰＤＣ）_６（以下、ＵｉＯ−６７と記載する。）
Ｚｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４（ＴＰＤＣ）_６またはＺｒ_６Ｏ_６（ＴＰＤＣ）_６（以下、ＵｉＯ−６８と記載する。）
ＺｒＯ（ＢＤＣ）（以下、ＭＩＬ−１４０と記載する。）
Ｚｎ_４Ｏ（ＢＴＢ）_２（以下、ＭＯＦ−１７７と記載する。）
などが挙げられる。

上記化学式で用いた略号は、
Ｈ_２（ＢＤＣ）：テレフタル酸
Ｈ（ＭｅＩＭ）：２−メチルイミダゾール
Ｈ_２（ｆｕｍａｒａｔｅ）：フマル酸
Ｈ_４（ＤＯＢＤＣ）：２，５−ジヒドロキシテレフタル酸
Ｈ_２（１，４−ＮＤＣ）：１，４−ナフタレンジカルボン酸
Ｈ_２（２，６−ＮＤＣ）：２，６−ナフタレンジカルボン酸
Ｈ_３（ＢＴＣ）：１，３，５−ベンゼントリカルボン酸
Ｈ_２（ＢＰＤＣ）：４，４’−ビフェニルジカルボン酸
Ｈ_２（ＴＰＤＣ）：４，４’’−ｐ−テルフェニルジカルボン酸
Ｈ_３（ＢＴＢ）：１，３，５−トリス（４−カルボキシフェニル）ベンゼン
において、Ｈ^＋が解離した残基を表わす。

多孔性配位高分子５は、金属イオンに有機配位子が配位結合した主鎖を有する結晶性の物質である。多孔性配位高分子５は、結晶構造に由来するマイクロ孔またはメソ孔領域の細孔を多数有している。細孔が結晶構造のネットワークによって形成されているため、細孔の直径や、吸着分子との相互作用が均一である。つまり、流体６と多孔性配位高分子５の細孔の内壁との相互作用が均一で、細孔１つあたりに吸着する分子数も均一なため、特定の吸着能力を有する多孔性配位高分子５を再現良く製造することができる。

多孔性配位高分子５は、金属イオンと有機配位子との組み合わせで構成されており、多くの種類が存在する。例えば、上述のような多孔性配位高分子５において、その構成要素である有機配位子の全部または一部が、他の配位子に置換されていてもよい（例えば、テレフタル酸を２−ヒドロキシテレフタル酸に置換するなど）。また、配位子の一部が欠損した構造を有していてもよい。官能基としては、例えば−ＣＨ_３などのアルキル基、−ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ_２、−ＳＯ_３Ｈ、−ＳＯ_３Ｌｉ、−ＳＯ_３Ｎａなどが挙げられる。また、例えば上述の多孔性配位高分子５を構成する金属イオンの全部または一部が、他の金属イオンに置換されていてもよい。金属イオンの価数は上述の場合と同じであることが望ましい。

このように、多孔性配位高分子５は種類が多く、設計性が高いため、流体６の種類に応じて、適切な相互作用を有する多孔性配位高分子５を選択または設計することが可能である。

多孔性配位高分子５の種類は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定により得られた回折パターンにより同定することができる。また、赤外分光法（ＩＲ）、核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）などの各種分光法や、元素分析によって、多孔性配位高分子５の種類を同定してもよい。なお、ガス吸着測定によって求めた細孔径分布や、ＢＥＴ法によって求めた比表面積によって同定することもできる。

流体６を吸着・脱離可能な多孔質材料としては、多孔性配位高分子５のほか、ゼオライトやメソポーラスシリカなどが挙げられるが、例えば、多孔性配位高分子５に代えてゼオライトを用いた場合、ゼオライトは流体６との相互作用が大きいことから、流体６を脱離させるためにより高温まで加熱する必要がある。したがって、ゼオライトを用いた場合、多孔性配位高分子５を用いたアクチュエータ１００と比較して、エネルギー効率が低いものとなる。また、アクチュエータ１００の周辺を不必要に加熱してしまう懸念があり、その場合さらにエネルギー効率が低下する。

また、メソポーラスシリカは流体６との相互作用が弱く、多孔性配位高分子５と比べて流体６の吸着量が非常に少ない。したがって、メソポーラスシリカを用いた場合、多孔性配位高分子５を用いたアクチュエータ１００と比べて、変位量が非常に小さくなる。

多孔性配位高分子５と流体６との特に望ましい組み合わせの一例として、吸水性を有する多孔性配位高分子５と、水を含有する流体６との組合せが挙げられる。流体６は、少量ではあるが気密室４から漏出する可能性があり、その結果アクチュエータ１００の変位量が時間とともに小さくなる懸念がある。しかし、アクチュエータ１００を空気中で使用する場合、空気中には水が多量に含まれているため、水分子が気密室４から漏出したとしても、気密室４の外部に存在する水分子が気密室４の外部から気密室４の内部に供給され、アクチュエータ１００の変位量が長期間にわたり安定したものとなる。

すなわち、多孔性配位高分子５が吸水性を有し、流体６が水を含有していることによって、長期間にわたり安定した変位量を示すアクチュエータ１００とすることができる。

吸水性を有する多孔性配位高分子５としては、たとえばＭ−ＭＩＬ−５３、Ａｌ（ＯＨ）（ｆｕｍａｒａｔｅ）、Ｖ−ＭＩＬ−４７、Ｍ−ＭＩＬ−８８Ａ、Ｍ−ＭＩＬ−８８Ｂ、Ｍ−ＭＩＬ−８８Ｃ、Ｍ−ＭＩＬ−８８Ｄ、Ｍ’−ＭＯＦ−７４、Ａｌ（ＯＨ）（１，４−ＮＤＣ）、Ｃｒ−ＭＩＬ−１０１、Ａｌ−ＭＩＬ−１１０、ＨＫＵＳＴ−１、ＭＯＦ−８０１、ＵｉＯ−６６、ＵｉＯ−６７、ＵｉＯ−６８、ＭＩＬ−１４０等が挙げられる。特に、Ｍ−ＭＩＬ−５３、Ａｌ（ＯＨ）（ｆｕｍａｒａｔｅ）、ＭＯＦ−８０１、ＵｉＯ−６６は吸水性が高く、水に対して安定なため望ましい。

流体６に含まれる水分量は、例えば、湿度にして３０％以上７０％以下、特に４０％以上６０％以下が望ましい。湿度が低すぎると多孔性配位高分子５への水分の吸着量が少なくなり、アクチュエータ１００の変位量が小さくなる。湿度が高すぎると外部温度の変化によって気密室４の内部で水分が結露してしまい、アクチュエータ１００の変位量が小さくなる。流体６は水分を含有していれば何でもよいが、気密室４への封入が容易な点から空気であることが最も望ましい。

多孔性配位高分子５と流体６との特に望ましい組み合せの他の例としては、疎水性の多孔性配位高分子５と、疎水性の炭化水素を含有する流体６との組合せが挙げられる。炭化水素は水や二酸化炭素よりも分子サイズ（分子量）が大きいため、気密室４から漏出しにくい。また、多孔性配位高分子５が疎水性であるため、気密室４の外部から気密室４に水分が侵入しても、多孔性配位高分子５に対する流体６の吸着挙動は変化せず、アクチュエ
ータ１００の変位量が長期間にわたり安定したものとなる。

すなわち、多孔性配位高分子５が疎水性であり、流体６が疎水性の炭化水素を含有していることによって、長期間にわたり安定した変位量を示すアクチュエータ１００とすることができる。

疎水性の多孔性配位高分子５としては、例えばＺＩＦ−８が挙げられる。

流体６に含まれる炭化水素としては、分子内の炭素数が３以上かつ１０以下であるものが望ましく、６以上１０以下であるものが特に望ましい。炭化水素の分子内の炭素数が多いと、多孔性配位高分子５への吸着量が多くなり、アクチュエータ１００の変位量が大きくなる。また、分子サイズ（分子量）が大きいため気密室４から漏出しにくく、長期間にわたり安定した変位量を示すアクチュエータ１００とすることができる。なお、炭素数が多すぎると凝縮して液体になりやすく、アクチュエータ１００の変位量が小さくなってしまう。

炭化水素は−ＯＨ、−ＣＯＯＨ、−ＮＨ_２、−ＳＯ_３Ｈなどの極性を有する官能基を持たないものが望ましい。Ｃ、Ｈのみで分子が構成される炭化水素は、極性が小さいため特に望ましい。具体的には、トルエン、ベンゼン、ヘキサンなどが望ましい。炭化水素の極性が小さいと凝縮が起こらず、アクチュエータ１００が安定して動作する。さらに、疎水性の多孔性配位高分子５に多量に吸着できるため、アクチュエータ１００の変位が大きくなる。

図１では、ひとつの気密室４に対してひとつの可動部３を有する場合を示したが、ひとつの気密室４に対して２つ以上の可動部３を有していてもよい。この場合、同時に２つ以上の可動部３を動作させることが可能となる。

図２は、可動部３をダイアフラムとした場合のアクチュエータ１００の断面を模式的に示したものである。可動部３が図１に示すようなピストン形状の場合、筐体１と可動部３との間に若干の隙間が生じやすく、その隙間を通して流体６が気密室４から漏出し、アクチュエータ１００が動作しなくなる場合がある。しかし、可動部３をダイアフラム３ａとした場合、気密室４を確実に封止することができる。したがって、可動部３をダイアフラム３ａとすることで、流体６の気密室４からの漏出をより確実に抑制でき、アクチュエータ１００の変位量が長期間にわたり安定したものとなる。

図２ではダイアフラム３ａが接着剤７によって筐体１に接合されている場合を示したが、ダイアフラム３ａと筐体１とは他の方法によって接合されていてもよい。他の接合方法としては、たとえば、融着、ろう付け、はんだ付け、超音波接合、溶接などが挙げられる。また、ネジ留めなどの方法で圧着するだけでもよい。

ダイアフラム３ａの材質はゴム、樹脂、金属、ガラス、セラミックスなど、流体６を封止できるものであれば何でもよい。特に、変位量が大きいゴムや樹脂を用いることで、変位量の大きいアクチュエータ１００とすることができ望ましい。シリコーンゴムを含むシリコーン樹脂は、変形量の大きさ、および耐久性という観点から特に望ましい。

ダイアフラム３ａの形状は、図２のような平板状の他、変位量を大きくするため、蛇腹状や波状等の形状であってもよい。

以下、ヒーター２、気密室４および多孔性配位高分子５の配置に関して、可動部３をダイアフラムとした図を用いて詳細を説明するが、これらはピストン形状の可動部３にも適
用可能である。

図３に示すように、気密室４の内壁の少なくとも一部が、多孔性配位高分子５の被覆層により被覆されていることが望ましい。気密室４の内壁の少なくとも一部を多孔性配位高分子５が被覆することにより、多孔性配位高分子５に筐体１を介してヒーター２の熱が効率的に伝わる。その結果、ヒーター２の挙動に対して、多孔性配位高分子５における流体６の吸着・脱離が迅速に起こり、アクチュエータ１００の変位量が大きくなるとともにヒーター２の挙動に対する応答が速くなる。

気密室４の内壁に多孔性配位高分子５の被覆層を形成する方法としては、たとえば溶媒に多孔性配位高分子５とバインダを分散させ、筐体１の凹部に塗布し、溶媒を蒸発させればよい。この場合、被覆層は多孔性配位高分子５の他、バインダを含有している。また、筐体１の凹部の表面に直接多孔性配位高分子５を析出させてもよい。この場合、筐体１の凹部を多孔性配位高分子５の前駆体溶液に接触させたまま放置し、凹部の表面に多孔性配位高分子５を析出させればよい。なお、多孔性配位高分子５の被覆層は、気密室４を形成する可動部３の内壁に形成されていてもよい。

このとき、被覆層の多孔性配位高分子５と、被覆層に被覆された気密室４の内壁とが、同じ金属元素を含有していることが望ましい。被覆層の多孔性配位高分子５とそれに被覆された気密室４の内壁とが同じ金属元素を含有することにより、多孔性配位高分子５の被覆層と内壁との間に連続的な界面が形成され、界面の熱伝導性が向上する。その結果、ヒーター２の挙動に対して、多孔性配位高分子５における流体６の吸着・脱離がより迅速に起こり、アクチュエータ１００の変位量が大きくなるとともにヒーター２の挙動に対する応答がより速くなる。

ヒーター２は、上述の例では筐体１の凹部と反対側の面に密着、または接着剤、粘着テープ、グリス、半田などの層を介して接着されているが、たとえば、図１に示すような筐体１よりも大きいヒーター２に替えて、筐体１の内部に小型のヒーター２が埋設されていてもよいし、筐体１の表面または内部に、直接ヒーター２の導体配線２ａを設けてもよい。また、ヒーター２は可動部３の内部に埋設されていてもよいし、可動部３の表面または内部に直接ヒーター２の導体配線２ａを設けてもよい。ヒーター２の導体配線２ａを設ける場合、導体配線２ａが形成される基材は絶縁性の材料であることが望ましい。

なお、ヒーター２により加熱した多孔性配位高分子５の最高温度と、加熱していない場合の温度との差は、１００℃以内であることが望ましく、５０℃以内であることがさらに望ましい。最高温度が高すぎると、多孔性配位高分子５が冷却されて、流体６を吸着する速度が遅くなり、アクチュエータ１００の動作が遅くなる。

ヒーター２による加熱を停止した後の、多孔性配位高分子５の冷却を促進するために、筐体１に放熱フィンなどを設けてもよい。また、空冷や水冷などの冷却手段によって筐体１を冷却してもよい。

ヒーター２として、加熱だけでなく冷却も可能なペルチェモジュールを用いてもよい。ペルチェモジュールは直流電流の通電方向を変えるだけで、加熱と冷却のどちらも行える。多孔性配位高分子５から流体６を脱離させるときはペルチェモジュールを用いて加熱し、多孔性配位高分子５に流体６を吸着させるときはペルチェモジュールを用いて冷却することによって、より高速にアクチュエータ１００を動作させることができる。

ヒーター２は、気密室４の内部に配置してもよい。たとえば、ヒーター２本体を気密室４の内部に配置してもよいし、気密室４の内壁にヒーター２として導体配線２ａ（以下、
単に導体配線２ａという）を設けてもよい。

気密室４の内壁に導体配線２ａを設ける場合、図４に示すように、導体配線２ａの少なくとも一部が、多孔性配位高分子５の被覆層により被覆されていることが望ましい。導体配線２ａの少なくとも一部を多孔性配位高分子５が被覆していることにより、多孔性配位高分子５に導体配線２ａの熱が効率的に伝わる。その結果、導体配線２ａの挙動に対して、多孔性配位高分子５における流体６の吸着・脱離が迅速に起こり、アクチュエータ１００の変位量が大きくなるとともに導体配線２ａの挙動に対する応答が速くなる。

導体配線２ａに多孔性配位高分子５の被覆層を形成する方法としては、例えば溶媒に多孔性配位高分子５とバインダを分散させ、導体配線２ａに塗布し、溶媒を蒸発させればよい。この場合、被覆層は多孔性配位高分子５の他、バインダを含有している。また、導体配線２ａの表面に、直接多孔性配位高分子５を析出させてもよい。この場合、導体配線２ａを多孔性配位高分子５の前駆体溶液に接触させたまま放置し、導体配線２ａ上に多孔性配位高分子５を析出させればよい。

このとき、被覆層の多孔性配位高分子５と、被覆層に被覆された導体配線２ａとが、同じ金属元素を含有していることが望ましい。多孔性配位高分子５とそれに被覆された導体配線２ａとが同じ金属元素を含有することにより、多孔性配位高分子５の被覆層と導体配線２ａとの間に連続的な界面が形成され、界面の熱伝導性が向上する。その結果、導体配線２ａの挙動に対して、多孔性配位高分子５における流体６の吸着・脱離がより迅速になり、アクチュエータ１００の変位量が大きくなるとともに導体配線２ａの挙動に対する応答がより速くなる。

導体配線２ａと多孔性配位高分子５の望ましい組み合わせとしては、たとえば、導体配線２ａが銅を含有し、多孔性配位高分子５がＨＫＵＳＴ−１である場合である。銅は熱伝導性が高いため、多孔性配位高分子５への熱伝導が極めて良好になる。導体配線２ａの材料としては、銅、銅ニッケル合金、銅マンガン合金が特に望ましい。

なお、多孔性配位高分子５の被覆層は、図５に示すように気密室４の内部にヒーター２本体を配置した場合、ヒーター２本体の表面に設けてもよい。

そして、図６に示すように、上述のようなアクチュエータ１００を備えるポンプ２００では、大きな流量で気体や液体などの移送流体を移送することができる。上述のようなアクチュエータ１００は、変位量が大きいため、可動部３の往復運動によって、多量の移送流体を移送できるためである。アクチュエータ１００は小型化が容易なため、ポンプ２００も小型化が容易となり、液体吐出ヘッドやマイクロポンプなどとして好適に用いることができる。

図６に示すポンプ２００は、アクチュエータ１００と、ポンプ室８とを備えている。アクチュエータ１００は、筐体１と、ヒーター２と、ダイアフラム３ａとを備えるとともに、筐体１およびダイアフラム３ａにより気密室４が構成され、気密室４のヒーター２側の内壁には多孔性配位高分子５の被覆層が設けられ、気密室４の内部には流体６が封入されている。ポンプ室８は吸入口９と排出口１０を有しており、ダイアフラム３ａを介して気密室４と対向する位置に設けられている。このようなポンプ１００では、ダイアフラム３ａが大きく変位し、吸入口９と排出口１０から効率的に移送流体を移送できるため、移送流体の流量を大きくできる。吸入口９と排出口１０は、ひとつのポンプ室８に対してそれぞれ複数設けられていてもよく、いずれも逆止弁を備えていることが特に望ましい。逆止弁を備えることによって、移送流体の逆流を防ぐことができ、効率的に移送流体を移送できる。

以下、本発明のアクチュエータについて、実施例に基づき詳細に説明する。

まず、多孔性配位高分子として、親水性のＵｉＯ−６６、ＨＫＵＳＴ−１、疎水性のＺＩＦ−８を準備した。ＺＩＦ−８の粉末として市販のＢａｓｏｌｉｔｅ（登録商標） Ｚ１２００（シグマアルドリッチ社製）を用いた。ＸＲＤ測定を行い、ＺＩＦ−８の構造を有していることを確認した。なお、文献（例えばP. Kusgens et al., Microporous Mesoporous Mater., 2009, 120, 325.）に示されているように、ＺＩＦ−８はほとんど水を吸
着しない疎水性の多孔性配位高分子である。

ＵｉＯ−６６の粉末は以下のようにして合成した。Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（以下、ＤＭＦ）１５０ｍｌに塩化ジルコニウムを２．１ｇ、Ｈ_２（ＢＤＣ）を１．５ｇ溶解させた。この溶液を耐圧容器に入れて密閉し、１２０℃で２４時間加熱した。冷却後、耐圧容器の内容物を吸引ろ過し、白い粉末を得た。ろ紙上にＤＭＦを注いで洗浄した後、回収した粉末をメタノールに浸漬して２４時間放置した。これを再度吸引ろ過し、室温で３０分間乾燥させた。さらに１５０℃で真空引きしながら１２時間乾燥させた。空気中の水分（分子量１８）を吸着させるため、室温、空気中で２４時間放置した。得られた粉末のＸ線回折（以下、単にＸＲＤという）測定を行い、ＵｉＯ−６６が合成されたことを確認した。なお、文献（例えばH. Furukawa et al., J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 4369.
）に示されているように、ＵｉＯ−６６は吸水性がある親水性の多孔性配位高分子である。

ＨＫＵＳＴ−１の合成方法は後述する。

筐体として、厚さ２ｍｍ、直径２０ｍｍの銅円板を準備し、一方の表面の中央に深さ０．５ｍｍ、直径３ｍｍの凹部を設け、他方の表面に、５ｍｍ×５ｍｍのセラミックヒーターを、シリコーングリスを介して配置した。ヒーターには、温度測定のため太さ０．５ｍｍのシース熱電対の先端を接着した。

可動部としては、アクリル製円柱（直径３ｍｍ、厚さ２ｍｍ）、シリコーンゴムシート（厚さ０．１ｍｍ）、ポリエチレンシート（厚さ０．０５ｍｍ）を準備した。以下、アクリルをＡ、シリコーンゴムをＳＧ、ポリエチレンをＰＥという場合もある。

筐体の凹部に所定の多孔性配位高分子の粉末を凹部の深さの半分（０．２５ｍｍ）まで充填し、可動部を取り付けた。なお、アクリル製円柱（Ａ）はグリスを塗布した外周面が、凹部の内周面と接するように凹部に挿入して気密室を形成し、図１に示すようなピストン構造（Ｐ）のアクチュエータを作製した。シリコーンゴムシート（ＳＧ）およびポリエチレンシート（ＰＥ）は、凹部を覆うように配置し、凹部の外縁部において接着剤で接着することで凹部を封止して気密室を形成し、図２に示すようなダイアフラム構造（Ｄ）のアクチュエータを作製した。

気密室に封入する流体としては、空気、メタン（分子量１６）、トルエン（分子量９２）を用いた。メタンを封入する場合は、１５０℃で真空引きしながら１２時間乾燥させて吸着している水分等を除去した状態の多孔性配位高分子の粉末を、メタンガスを充填したグローブボックス内に持ち込み、グローブボックス内でアクチュエータを作製した。トルエンを封入する場合は、凹部にトルエンを１滴滴下した後、多孔性配位高分子の粉末を凹部に所定量充填し、液体のトルエンが蒸発または多孔性配位高分子に吸収されたことを確認した後、アクチュエータを作製した。

充填した多孔性配向分子、封入した流体および可動部は、表１に示すような組合せとした（試料Ｎｏ．１〜７）。

凹部の内壁を多孔性配位高分子で被覆した図３に示すような試料は、以下のようにして作製した。筐体は上述と同様な銅円板を用いた。

ＵｉＯ−６６粉末１００ｍｇに、バインダとしてポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥ）５ｍｇを添加し、エタノールを加えて乳鉢で撹拌し、スラリーを得た。このスラリーを凹部に注入し、空気中で２４時間放置して乾燥した。これにより、凹部の底面および内周面（内壁）にＵｉＯ−６６の被覆層を形成した。得られたＵｉＯ−６６は、凹部にイオン交換水を注入して１２時間放置することで、ＵｉＯ−６６の細孔内に吸着したエタノールを水に置換した。その後、凹部内のイオン交換水を排出し、室温で１２時間真空引きして残留水分および残留エタノールを除去したのち、さらに空気中で２４時間放置することでＵｉＯ−６６の細孔内に水分（分子量１８）を吸着させた。

ＨＫＵＳＴ−１を合成するため、５ｍｇのＨ_３（ＢＴＣ）をエタノール１０ｍＬに溶解させた反応溶液を準備した。凹部以外をテープでマスキングした筐体を、反応溶液に浸漬して７２時間放置した。なお、多孔性配位高分子のＸＲＤ測定用として、１ｃｍ×１ｃｍ、厚さ０．５ｍｍの銅板を同時に浸漬した。浸漬後、筐体および銅板を取り出してマスキングテープを除去した。筐体および銅板をエタノールで洗浄した後、室温で１２時間乾燥させ、さらに８０℃で真空引きしながら１２時間加熱し、エタノールを除去した。筐体の凹部、測定用銅板ともに、表面が青色であった。測定用銅板のＸＲＤ測定により、銅とＨＫＵＳＴ−１の回折ピークが確認され、銅表面に銅を中心金属に持つＨＫＵＳＴ−１の被覆層が存在することが確認できた。なお、文献（例えばP. Kusgens et al., Microporous
Mesoporous Mater., 2009, 120, 325.）に示されているように、ＨＫＵＳＴ−１は吸水
性がある親水性の多孔性配位高分子である。筐体は、空気中、室温にて２４時間放置し、ＨＫＵＳＴ−１に水分（分子量１８）を吸着させた。

また、筐体として直径３ｍｍの貫通孔を有するアクリル円板（厚さ０．５ｍｍ、直径２０ｍｍ）の一方の主面に、表面に銅のヒーター配線を形成したポリイミドシートを接着したものを準備した。なお、ポリイミドシートは、ヒーター配線とアクリル円板とが対向するように配置し、アクリル円板の貫通孔の周縁部で接着剤を介して接着した。言い換えれば、アクリル円板の筐体の凹部の底面はポリイミドシートであり、その凹部の底面には銅のヒーター配線が設けられている。以下、ポリイミドをＰＩという場合もある。

このアクリル円板と銅のヒーター配線付きポリイミドシートからなる筐体（以下、単にアクリル製筐体という場合もある）に、上述と同様な方法でＵｉＯ−６６またはＨＫＵＳＴ−１の被覆層を形成した。このアクリル製筐体の場合、多孔性配位高分子の被覆層はヒーター配線の表面に形成されていた。

凹部の内壁またはヒーター配線表面にＵｉＯ−６６、ＨＫＵＳＴ−１を形成した筐体の、凹部を覆うようにシリコーンゴムシート（ＳＧ）を配置し、凹部の外縁部において接着剤で接着することで凹部を封止し、図３および図４に示すようなダイアフラム構造（Ｄ）のアクチュエータを作製した（試料Ｎｏ．８〜１１）。

なお、アクリル製筐体を用いたアクチュエータ（試料Ｎｏ．１０、１１）は、ポリイミドシート（ＰＩ）上にヒーターの導体配線を備えていることからセラミックヒーターは使用しなかった。温度測定用のシース熱電対は、ポリイミドシートの導体配線と対向する部位に接着した。

＜評価方法＞
ヒーターに電圧可変式の直流電源を接続し、ヒーター温度が３秒で８０℃に到達し、アクチュエータの変位量が最大に到達した時点でヒーターをオフにするように動作を設定した。可動部の最大変位量（Ｄｍａｘ）は、可動部の横に定規を設置し、変位量をルーペで観察して測定した。また、最高温度である８０℃に到達してから可動部の変位量が最大になるまでの時間（Ｔ）を計測した。さらに、加熱してから室温まで冷却する操作を５０サイクル繰り返し、５０サイクル経過後の最大変位量（Ｄｍａｘ（５０））を測定した。各試料の初期の最大変位量（Ｄｍａｘ（０））、最大変位量到達時間（Ｔ）、および５０サイクル経過後の最大変位量（Ｄｍａｘ（５０））を表１に示す。

＜結果＞
筐体の凹部内に、多孔性配位高分子、および分子量が１７以上の気体を含む流体を有するアクチュエータである試料Ｎｏ．２〜４、６〜１１は、ヒーターの加熱による可動部の初期の最大変位量（Ｄｍａｘ（０））が０．１ｍｍ以上であった。特に、多孔性配位高分子を凹部の内壁に被覆した試料Ｎｏ．７〜１１では特に変位量が大きく、最大変位到達時間（Ｔ）が短くなった。これは、多孔性配位高分子を凹部の内壁に被覆したことにより、ヒーターによる熱量の多孔性配位高分子に対する伝導性が向上したためと考えられる。

一方、凹部内に多孔性配位高分子を有していない試料Ｎｏ．１、および凹部内の流体の分子量が１７より小さい試料Ｎｏ．５では、可動部の変位が確認できなかった。試料Ｎｏ．１の場合、自由膨張であれば８０℃の加熱によって、気密室内の流体である空気の体積は二割ほど膨張するはずであるが、シリコーンゴム製のダイアフラムの張力により、ダイアフラムが変位しなかったと考えられる。試料Ｎｏ．５の場合、メタンはＵｉＯ−６６に吸着できる量が少ないため、多孔性配位高分子の流体吸着効果が得られず、メタンの自由膨張の圧力に対してダイアフラムの張力が勝り、ダイアフラムが変位しなかったと考えられる。

試料Ｎｏ．２では、５０サイクル後には可動部の変位が確認できなかったが、これは凹部とピストンとの間の封止が充分ではなく、凹部内の流体である空気が凹部の外に漏出し、変位しなくなったと考えられる。

試料Ｎｏ．６は、疎水性の多孔性配位高分子を用いており、変位に寄与した流体は、たとえば合成に用いた溶媒の残留物等、水以外の分子であったと考えられる。そのため、可動部の変位が比較的小さく、また、溶媒の残留物等が凹部の外に漏出し、５０サイクル後には変位しなくなったと考えられる。

１ ：筐体
２ ：ヒーター
２ａ ：導体配線
３ ：可動部
３ａ ：ダイアフラム
４ ：気密室
５ ：多孔性配位高分子
６ ：流体
７ ：接着剤
８ ：ポンプ室
９ ：吸入口
１０ ：排出口
１００ ：アクチュエータ
２００ ：ポンプ

Claims (11)

1. 筐体と、ヒーターと、可動部と、を備えるとともに、少なくとも前記筐体および前記可動部により気密室が構成されており、
   該気密室の内部に多孔性配位高分子および流体を有し、
   該流体が、１７以上の分子量を有する気体を含むことを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記多孔性配位高分子が吸水性を有するとともに、前記流体が水を含有していることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記多孔性配位高分子が疎水性を有するとともに、前記流体が炭化水素を含有していることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 前記可動部が、ダイアフラムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 前記ダイアフラムが、シリコーン樹脂により形成されていることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記気密室の内壁の少なくとも一部が、前記多孔性配位高分子の被覆層により被覆されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 前記被覆層の前記多孔性配位高分子と、前記被覆層に被覆された前記内壁とが、同じ金属元素を含有することを特徴とする請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 前記ヒーターが、前記筐体の内壁に配置された導体配線であり、
   該導体配線の少なくとも一部が、前記多孔性配位高分子の被覆層により被覆されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 前記被覆層の前記多孔性配位高分子と、前記被覆層に被覆された前記導体配線とが、同じ金属元素を含有していることを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のアクチュエータを備えるポンプ。
11. 前記可動部を介して前記気密室と対向する位置にポンプ室を備え、該ポンプ室が少なくとも１つ以上の吸入口および少なくとも１つ以上の排出口を有することを特徴とする請求項１０に記載のポンプ。
    

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