JP2768869B2 - Actuator element - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【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電気的刺激により湾曲
および変形を生じさせてアクチュエータとして機能させ
る超小型のアクチュエータ素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator element, and more particularly, to a micro actuator element that functions as an actuator by causing an ion exchange membrane to bend and deform by electrical stimulation.
【０００２】[0002]
【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
機構を、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
吸引型、圧電型、超音波式、形状記憶合金、高分子伸縮
式等が知られている。2. Description of the Related Art When an actuator is miniaturized, friction and viscous force are dominant over inertial force. Therefore, a mechanism for converting energy into motion using an inertial force, such as a motor or an engine, has been developed for micro machines. It is said that it is difficult to use as an actuator. As operating principles of the micro actuators proposed so far, electrostatic attraction type, piezoelectric type, ultrasonic type, shape memory alloy, polymer telescopic type and the like are known.
【０００３】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
わせにより、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、温度またはpＨの変化や周囲の化学物質の温
度変化によって伸縮するものである。応答が早く、小電
力で作動するアクチュエータ素子として、例えば特願平
３−５９７９３号公報に開示されているような、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
らなり、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
よび変形を生じるものが知られている。An electrostatic attraction type actuator attracts a plate or a rod serving as an electrode to a counter electrode, and applies a voltage of about 100 V to a counter electrode separated by several tens of μm to bend the electrode. ing. Piezoelectric actuators apply a voltage of several volts to a ceramic piezoelectric element such as barium titanate to expand and contract the element, and are known to be capable of controlling displacement in nanometer units. The ultrasonic type is
2. Description of the Related Art There is known a device which is driven by causing a shift by a combination of ultrasonic vibration generated by a piezoelectric element or the like and a frictional force. Since the shape of a shape memory alloy type actuator greatly changes depending on the temperature, it operates by changing the temperature. In a polymer telescopic actuator, a polymer fiber expands and contracts due to a change in temperature or pH or a change in temperature of a surrounding chemical substance. As an actuator element which responds quickly and operates with low power, the actuator element includes, for example, an ion exchange membrane as disclosed in Japanese Patent Application No. 3-59793 and electrodes bonded to both surfaces of the ion exchange membrane. It is known that, in a water-containing state of an ion exchange membrane, a potential difference is applied to the ion exchange membrane to cause the ion exchange membrane to bend and deform.
【０００４】[0004]
【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欠点を有し
ている。However, the conventional microminiature actuators are limited in operating environment, have insufficient responsiveness, have a complicated structure, and lack flexibility. It has drawbacks such as
【０００５】たとえばイオン交換膜を用いたアクチュエ
ータ素子に、ポリスチレンスルホン酸膜や、スルホン基
およびカルボキシル基をもつフッ素系樹脂イオン交換膜
のような強酸系の陽イオン交換膜を用いる場合には、イ
オン交換膜の両面に接合する電極の材料として白金、イ
リジウム、パラジウム、ルテニウム等の貴金属を使用し
なければならず、安価な金属、例えばニッケルや銅等は
腐食の問題により使用することができない。その結果、
アクチュエータ素子の製造コストは大きくなってしま
う。For example, when a strong acid cation exchange membrane such as a polystyrene sulfonic acid membrane or a fluorine resin ion exchange membrane having a sulfone group and a carboxyl group is used for an actuator element using an ion exchange membrane, the Precious metals such as platinum, iridium, palladium and ruthenium must be used as materials for electrodes to be bonded to both surfaces of the exchange membrane, and inexpensive metals such as nickel and copper cannot be used due to corrosion problems. as a result,
The manufacturing cost of the actuator element increases.
【０００６】さらに、高分子ゲルアクチュエータは、ゲ
ルの膨潤・収縮により体積変化により素子を変形させる
ため、ゲル外からの溶媒の吸収またはゲル外への溶媒の
放出が必要である。このような作動原理に基づくアクチ
ュエータは、ゲルを取り巻く環境が常に溶媒を含む場合
にのみ作動可能である。また、人体中で作動させようと
する場合、体内に存在する各種イオンの為に、ゲルの正
常な動きが阻害されるという欠点があった。Further, since the polymer gel actuator deforms the element due to volume change due to swelling / shrinking of the gel, it is necessary to absorb a solvent from outside the gel or to release the solvent outside the gel. Actuators based on such operating principles can only operate when the environment surrounding the gel always contains a solvent. Further, when it is intended to operate in a human body, there is a drawback that normal movement of the gel is hindered by various ions present in the body.
【０００７】本発明の目的は、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、柔軟で、か
つ安価なアクチュエータ素子を提供することである。本
発明の別の目的は、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、アクチュエータを取
り巻く環境に影響されずに作動し、かつ柔軟であるアク
チュエータ素子を提供することである。An object of the present invention is to provide a flexible and inexpensive actuator element which has a simple structure, is easily miniaturized, has a quick response, operates with low power, and is flexible. Another object of the present invention is to provide an actuator element which has a simple structure, is easy to miniaturize, has a quick response, operates with low power, operates without being affected by the environment surrounding the actuator, and is flexible. It is to be.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の第１の要旨で
は、陽イオンに交換した含水状態の陽イオン交換膜と、
このイオン交換膜の両面に接合した電極とからなり、前
記陽イオン交換膜に電位差をかけることにより前記陽イ
オン交換膜に湾曲および変形が生じるアクチュエータ素
子が提供される。本発明の第２の要旨では、含水状態の
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、前記イオン交換膜と前記電極を被覆するポリマー
材料からなり、前記イオン交換膜に電位差をかけること
により前記ポリマー材料被覆に湾曲および変形が生じる
アクチュエータ素子が提供される。According to a first aspect of the present invention, there is provided a water-containing cation exchange membrane which has been exchanged with a cation,
There is provided an actuator element comprising electrodes bonded to both surfaces of the ion exchange membrane and applying a potential difference to the cation exchange membrane to cause the cation exchange membrane to bend and deform. According to a second aspect of the present invention, there is provided an ion exchange membrane in a water-containing state, electrodes bonded to both surfaces of the ion exchange membrane, and a polymer material covering the ion exchange membrane and the electrode. To provide an actuator element in which the polymer material coating is curved and deformed.
【０００９】以下、本発明のアクチュエータ素子の第１
の態様を図面に基づき説明する。図１に示すとおり、本
発明のアクチュエータ素子１は陽イオン交換膜２と、こ
のイオン交換膜２の両面に接した電極３,３'とからな
る。Hereinafter, the first of the actuator elements of the present invention will be described.
Will be described based on the drawings. As shown in FIG. 1, the actuator element 1 of the present invention comprises a cation exchange membrane 2 and electrodes 3, 3 'in contact with both sides of the ion exchange membrane 2.
【００１０】この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もつフッ
素樹脂系イオン交換膜を用いてアクチュエータ素子をつ
くることが可能であるが、この場合には従来、白金、イ
リジウム、パラジウム、ルテニウム等の貴金属、または
導電性高分子や黒鉛などの耐食性を合わせもつ物質を電
極３,３'として用いることが必要であった。しかし、本
発明によれば、陽イオン交換樹脂を予じめ陽イオンによ
って交換しておくので、高価な電極を用いる必要がな
く、電極３,３'に貴金属以外の金属、例えばニッケルや
銅を用いることができ、アクチュエータ素子を安価に製
造できる。予め陽イオンにより交換した陽イオン交換樹
脂に、ニッケル、銅などの耐食性をもたない金属を付着
させると、電極は腐食することなく、長期にアクチュエ
ータ素子として用いることが可能である。As the cation exchange membrane, an actuator element can be manufactured by using a polystyrene sulfonic acid membrane or a fluororesin ion exchange membrane having a sulfone group or a carboxyl group. It was necessary to use a noble metal such as iridium, palladium, ruthenium, or a substance having corrosion resistance such as a conductive polymer or graphite as the electrodes 3, 3 '. However, according to the present invention, since the cation exchange resin is exchanged with cations in advance, there is no need to use expensive electrodes, and metals other than noble metals, such as nickel and copper, are used for the electrodes 3, 3 '. The actuator element can be manufactured at low cost. If a non-corrosive metal such as nickel or copper is attached to a cation exchange resin that has been exchanged with cations in advance, the electrode can be used as an actuator element for a long time without corrosion.
【００１１】電極の陽イオン交換樹脂への接合には、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。For bonding the electrode to the cation exchange resin, all known methods for attaching an electrode material to a polymer film, such as chemical plating, electroplating, vacuum deposition, sputtering, coating, pressure bonding, and welding, are used. it can.
【００１２】電極３,３'をリード線を介して電源５に連
結するとアクチュエータ素子が完成する。電源５は、直
流電源または交流のいずれでもよい。When the electrodes 3, 3 'are connected to the power supply 5 via the lead wires, the actuator element is completed. The power supply 5 may be either a DC power supply or an AC power supply.
【００１３】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が動作に影響
する場合もあるが、本発明のアクチュエータは、種々の
イオンや溶質を含んだ液中でも作動できる。In the present invention, when the actuator element operates, the ion exchange membrane needs to be in a water-containing state. Here, the term “water-containing state” means that the actuator operates in water or in the high-humidity atmosphere. In water, ions contained in surrounding water may affect the operation, but the actuator of the present invention can operate even in a liquid containing various ions and solutes.
【００１４】本発明のアクチュエータの第２の態様で
は、図２に示すように、イオン交換膜２および電極３,
３'はポリマー材料６により被覆されている。イオン交
換膜としては、陽イオン交換膜および陰イオン交換膜の
いずれも使用することができる。陽イオン交換膜として
は、第１の態様の場合と同様のイオン交換膜が使用でき
る。陰イオン交換膜としては、例えば、アンモニウム基
を含んだフッ素樹脂系イオン交換膜が使用できる。In a second embodiment of the actuator according to the present invention, as shown in FIG.
3 'is coated with a polymer material 6. As the ion exchange membrane, any of a cation exchange membrane and an anion exchange membrane can be used. As the cation exchange membrane, the same ion exchange membrane as in the first embodiment can be used. As the anion exchange membrane, for example, a fluororesin-based ion exchange membrane containing an ammonium group can be used.
【００１５】電極材料および電極の接合方法も第１の態
様と同じである。The electrode material and the method of joining the electrodes are the same as in the first embodiment.
【００１６】被覆用ポリマー材料６としては、薄い被膜
を形成できるポリマーなら制限なく使用でき、とりわけ
水不溶性ポリマーが好ましい。たとえば、ポリエチレ
ン、ポリスチレン、ポリアミドなどが挙げられる。ま
た、被覆方法も特に限定されるものではないが、薄膜を
形成できる方法が好ましい。たとえば、被覆ポリマーの
溶液または融液に、イオン交換膜と電極から成る素子を
浸漬し、引き上げた後乾燥する方法、被覆ポリマーの溶
液または融液に、イオン交換膜と電極から成る素子を浸
漬し、次いでポリマーの貧溶媒に浸漬する方法などが挙
げられる。As the coating polymer material 6, any polymer capable of forming a thin film can be used without limitation, and a water-insoluble polymer is particularly preferable. For example, polyethylene, polystyrene, polyamide and the like can be mentioned. The coating method is not particularly limited, but a method capable of forming a thin film is preferable. For example, a method of immersing an element consisting of an ion-exchange membrane and an electrode in a solution or a melt of a coating polymer, pulling it up and drying it, immersing an element consisting of an ion-exchange membrane and an electrode in a solution or melt of a coating polymer Then, a method of immersing the polymer in a poor solvent is exemplified.
【００１７】本発明の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３および図４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
高まればイオン交換膜は膨潤し、含水率が低下すればイ
オン交換膜は収縮するので、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。Although the operating mechanism or principle of the actuator element of the present invention is not clear, a potential difference is applied to the front and back of the membrane, and as shown in FIGS.
It is presumed that the positive ions 4 inside move to the cathode 3 'side, and water molecules move in the membrane accompanying the ions, so that a difference in water content occurs between the anode side and the cathode side. Therefore, when the water content increases, the ion exchange membrane swells, and when the water content decreases, the ion exchange membrane shrinks. Therefore, it is considered that the membrane is curved if the water content is different between the front and back of the membrane.
【００１８】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。However, even if there is a difference in the distribution of ions, if the movement of the ions stops in that state, it is estimated that the water distribution gradually approaches the original uniform state due to the diffusion of water from the outside of the membrane. In other words, even if a constant voltage is applied, if the current in the film decreases, the distribution of the water content once generated gradually averages, so that it is considered that the curvature returns to its original state. When the cation exchange membrane is used in pure water, the moving ions are considered to be H + ions, and when used in saline solution, it is considered to be Na +. Move to the cathode side. Considering this way,
Since the water content of the polymer film on the cathode side increases and the water content on the anode side decreases, the cathode side expands and the anode side shrinks, so the membrane curves to the anode side, and this tendency is consistent with the results of the examples. I do.
【００１９】[0019]
【実施例】以下、実施例を示し、本発明を説明する。実施例１ 厚さ０.２mmのフッ素樹脂系陽イオン交換膜ナフィオン
（Ｎafion(登録商標）、デュポン社製)を０.１規定水酸
化ナトリウム溶液に浸し、予め陽イオンをＮa+に交換し
たものに、塩化スズ及び塩化パラジウムにより前処理を
行った後、無電解ニッケルめっき液ＭＡＣニッケル６０
０(登録商標、奥野化学工業製）によって、めっきを行
った。このめっき膜を幅２mm長さ２０mm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。The present invention will be described below with reference to examples. Example 1 A 0.2 mm-thick fluororesin-based cation exchange membrane Nafion (Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont) was immersed in a 0.1 N sodium hydroxide solution, and cations were exchanged for Na + in advance. After pretreatment with tin chloride and palladium chloride, an electroless nickel plating solution MAC nickel 60
0 (registered trademark, manufactured by Okuno Chemical Industry Co., Ltd.). This plating film was cut into a width of 2 mm and a length of 20 mm, and a power supply having a platinum lead wire on a 2 mm square platinum foil was pressed to one end of the plating film from both sides, and was sandwiched between plastic holding tools.
【００２０】純水中に持具を同定してこのめっき膜を釣
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。このめっき膜は１ケ月後にも腐
食することなく、電圧印加によって上記と同様な動作を
起こさせることが可能であった。The plated film was suspended by identifying the holding tool in pure water, and the lead wire was connected to a DC constant voltage power supply. When 0.2 V was applied between the lead wires, the joined body was instantaneously bent, and the tip moved about 0.1 mm toward the anode. When a voltage is applied, a transient current flows, but after 1 second, the current becomes 10 μA or less, and almost no current flows. When the applied voltage was set to 0 V, the curvature of the joined body was immediately restored. Further, when a voltage of 0.2 V was applied in the opposite direction, it was curved in the opposite direction. When the applied voltage was 1 V, the curvature became large, and the displacement of the tip portion was about 0.5 mm. This plating film was able to cause the same operation as described above by applying a voltage without corrosion even after one month.
【００２１】実施例２ 厚さ０.２mmのフッ素樹脂系陽イオン交換膜ナフィオン
（登録商標、デュポン社製)の両面に、化学めっきによ
り白金を３mg／cm2ずつ接合させた。この接合体を幅２c
m長さ２０mmに裁断し、両面に白金リード線を接合し、
ポリスチレンのキシレン溶液（濃度１％）に浸漬後、風
乾した。 Example 2 Platinum was bonded by 3 mg / cm 2 to both sides of a 0.2 mm thick fluororesin-based cation exchange membrane Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont) by chemical plating. This joined body is width 2c
m Cut to a length of 20 mm, joined platinum lead wires on both sides,
After immersion in a xylene solution of polystyrene (concentration: 1%), it was air-dried.
【００２２】大気中で、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０.１m
m移動した。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。When a voltage of 0.2 V is applied between the lead wires in the atmosphere, the joined body is instantaneously bent, and the tip is about 0.1 m in the direction of the anode.
Moved m. When the applied voltage was set to 0 V, the curvature of the joined body was immediately restored. Further, when a voltage of 0.2 V was applied in the opposite direction, it was curved in the opposite direction.
【００２３】また、１Ｈzの周期の矩形波で１Ｖの電位
差を与えると、接合体は１Ｈzの周期で屈曲運動を繰り
返し、長期間にわたってこの運動を持続した。When a potential difference of 1 V was given by a rectangular wave having a cycle of 1 Hz, the zygote repeated bending motion at a cycle of 1 Hz and maintained this movement for a long period of time.
【００２４】[0024]
【発明の効果】本発明によれば、安価な、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。ポリ
マー被覆を有する場合、周囲に溶媒がない環境でも長期
間動作が持続する。According to the present invention, an inexpensive micro power generation mechanism in water can be provided, so that it can be used as an artificial muscle especially for micro robots operating in water and used in vivo. It can also be applied to the power of medical equipment. With a polymer coating, operation lasts for a long time even in an environment without solvent around.
【図１】 本発明の第１の態様のアクチュエータ素子の
断面図。FIG. 1 is a sectional view of an actuator element according to a first embodiment of the present invention.
【図２】 本発明の第２の態様のアクチュエータ素子の
断面図。FIG. 2 is a sectional view of an actuator element according to a second embodiment of the present invention.
【図３】 本発明の第１の態様のアクチュエータ素子の
動作原理を示す図。FIG. 3 is a view showing the operation principle of the actuator element according to the first embodiment of the present invention.
【図４】 本発明の第２の態様のアクチュエータ素子の
動作原理を示す図。FIG. 4 is a view showing the operation principle of the actuator element according to the second embodiment of the present invention.
１：アクチュエータ素子、２：イオン交換膜、３,３'：
電極、４：陽イオン、５：電源、６：ポリマー材料1: actuator element, 2: ion exchange membrane, 3, 3 ':
Electrode, 4: cation, 5: power supply, 6: polymer material
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 伸一 大阪府大阪市此花区島屋１丁目１番３号 住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者 福田 豊 大阪府大阪市此花区島屋１丁目１番３号 住友電気工業株式会社大阪製作所内 審査官 米山 毅 (56)参考文献 実開 平４−275078（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02N 11/00──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Shinichi Miyake 1-3-1, Shimaya, Konohana-ku, Osaka-shi, Osaka Sumitomo Electric Industries, Ltd. Osaka Works (72) Inventor Yutaka Fukuda 1, Shimaya, Konohana-ku, Osaka-shi, Osaka 1-3-3, Sumitomo Electric Industries, Ltd. Examiner at Osaka Works Takeshi Yoneyama (56) Reference Jpn. 4-275078 (JP, U) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H02N 11/00
Claims (2)
交換膜と、このイオン交換膜の両面に接合した貴金属以
外の電極とからなり、前記陽イオン交換膜に電位差をか
けることにより前記陽イオン交換膜に湾曲および変形が
生じるアクチュエータ素子。1. A cation-exchange membrane in a water-containing state, which has been exchanged with a cation, and an electrode other than a noble metal bonded to both sides of the ion-exchange membrane. Actuator element where the exchange membrane is curved and deformed.
交換膜の両面に接合した電極と、前記イオン交換膜と前
記電極を被覆するポリマー材料からなり、前記イオン交
換膜に電位差をかけることにより前記ポリマー材料被覆
に湾曲および変形が生じるアクチュエータ素子。2. An ion-exchange membrane in a water-containing state, electrodes bonded to both sides of the ion-exchange membrane, a polymer material covering the ion-exchange membrane and the electrode, and a potential difference is applied to the ion-exchange membrane. An actuator element in which the polymer material coating bends and deforms.
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| JP14249992A JP2768869B2 (en) | 1992-06-03 | 1992-06-03 | Actuator element |
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