JP4265972B2

JP4265972B2 - バイモルフ型板状アクチュエータ

Info

Publication number: JP4265972B2
Application number: JP2004003768A
Authority: JP
Inventors: 嘉宏中坊; 利春向井; 欣志安積
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: JP2005192892A

Description

本発明は、バイモルフ型板状アクチュエータに関する。

筋肉は神経活動電位の微弱な電気信号にコントロールされる力学的アクチュエータの一種であり、その性能は、収縮率が３０％、発生圧力が０．３ＭＰａ、応答速度が０．１ｓといわれている。従って人工的に筋肉のような材料（すなわち「人工筋肉」）をつくりだすことができるならば、機械におけるアクチュエータを生物と同じ働きをする柔らかいアクチュエータで構成することができる。

このような人工筋肉、すなわち柔らかいアクチュエータの一例として電極接合型イオン導電性高分子アクチュエータ（以下、ＩＣＰＦアクチュエータと呼ぶ）が、非特許文献１〜３が既に開示されている。

ＩＣＰＦアクチュエータは、パーフルオロスルホン酸膜（ＰＦＳ）の表面に白金を無電解メッキした膜であり、その両面の白金層を電極として電圧を印可すると高速に屈曲する。この現象は１９９２年に小黒らにより発見されたものである［非特許文献１］。

また、［非特許文献２］［非特許文献３］では、ＩＣＰＦアクチュエータの適用例として、カテーテル先端ガイド、摩擦駆動エレメント、波状振動源、人工繊毛、等が開示されている。

小黒他："イオン導電性高分子膜−電極接合体の低電圧刺激による屈曲"、Ｊ．ｏｆＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅＳｏｃｉｅｔｙ，５，ｐｐ．２７-３０，１９９２．田所諭："柔らかいアクチュエータ"，日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．１５、Ｎｏ．３、ｐｐ．３１８−３２２、１９９７浜田良彦他："ＩＣＰＦアクチュエータを用いた人工繊毛の開発"、日本機械学会、Ｎｏ．９７-２２、ロボティックス・メカトロニクス講演会‘９７講演論文集（Ｖｏｌ．Ａ）、１９９７

上述したＩＣＰＦアクチュエータは、両面に電極を有するバイモルフ型の板状アクチュエータであり、電圧の印可により表裏に伸縮差が生じて屈曲する。しかし、その屈曲方向は、その形状固有の方向に限られるため、形状が決まると屈曲方向が一義的に決まり、形状にかかわりなく屈曲方向を自由に制御することはできなかった。
そのため、従来の適用例では、複数のＩＣＰＦアクチュエータを組み合わせて所望の動作を行わせる必要が生じ、各アクチュエータへの電圧印可のため各電極対までの結線ラインが複数必要となり、全体として複雑な構造にならざるを得ない問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、アクチュエータの形状にかかわりなく、屈曲方向を自由に設定でき、所望の動作を単一又は複数のアクチュエータを用いて、簡単な結線で行わせることができるバイモルフ型板状アクチュエータを提供することにある。

本発明によれば、内部にイオンと水分子を有し、電場によりイオンが水分子を伴って移動して膨潤するイオン交換樹脂膜と、該イオン交換樹脂膜の両面に密着して形成され、導電性を有する１対または複数対の金属薄膜と、該各対の金属薄膜間にそれぞれ電圧を印加し、その間に電場を形成する電源装置と、前記電圧を制御する制御装置とを備え、前記イオン交換樹脂膜と金属薄膜とで板状のアクチュエータ本体部を成し、前記イオン交換樹脂膜と金属薄膜は、その屈曲方向を制御するための貫通スリットを同一箇所に有し、前記貫通スリットは、前記アクチュエータ本体部の端辺部を切断しない範囲に形成された複数の直線状のスリットである、ことを特徴とするバイモルフ型板状アクチュエータが提供される。

上記本発明の構成によれば、電源装置で各対の金属薄膜間にそれぞれ電圧を印加し、その間に電場を形成すると、イオン交換樹脂膜は、電場がかかった時、樹脂内の動くことができるイオンが水分子を伴って電極に引き寄せられ、それによってイオンの動いた電極の側が膨潤することによって屈曲する。
また、イオン交換樹脂膜と金属薄膜が、その屈曲方向を制御するための貫通スリット（切断線）を同一箇所に有するので、全体の屈曲はそれぞれの部分ごとの屈曲の集合として動作することになる。従って、あらかじめ適切な位置に適切な貫通スリット（切断線）を設けることで、アクチュエータの形状にかかわりなく、屈曲方向を自由に設定できる。
また複数の直線の貫通スリットを設けることにより、その貫通スリットの方向に屈曲させることができる。従って、矩形の辺に平行に設けることにより、全体を円筒状に屈曲させることができる。また細長い矩形の辺に斜めに設けることにより、全体を捩じれた形状に変形させることができる。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記イオン交換樹脂膜は、パーフルオロスルホン酸膜（ＰＦＳ）であり、前記金属薄膜は、無電解メッキした金または白金の膜である。

この構成により、米国デュポン社から市販されているＮａｆｉｏｎ（登録商標）の両面に金または白金の膜を無電解メッキし、適切な位置に適切な貫通スリット（切断線）を設けるだけで、所望の屈曲方向のバイモルフ型板状アクチュエータを簡単に形成することができる。

互いに平行な複数の直線の貫通スリットを設けることにより、その貫通スリットの方向に屈曲させることができる。従って、矩形の辺に平行に設けることにより、全体を円筒状に屈曲させることができる。また細長い矩形の辺に斜めに設けることにより、全体を捩じれた形状に変形させることができる。

また、前記複数対の金属薄膜は、同一面上で複数箇所に間隔を隔てて区分されている、ことが好ましい。

この構成により、エッチングまたはプリントで形成された同一面上の複数箇所にそれぞれ電圧を印加し、同一面上の複数箇所をそれぞれ独立に屈曲させることができる。

上述した本発明のバイモルフ型板状アクチュエータは、アクチュエータの形状にかかわりなく、屈曲方向を自由に設定でき、所望の動作を単一又は複数のアクチュエータを用いて、簡単な結線で行わせることができる、等の優れた効果を有する。

以下、本発明を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、電極接合型イオン導電性高分子アクチュエータ（ＩＣＰＦアクチュエータ）の原理図である。ＩＣＰＦアクチュエータは、パーフルオロスルホン酸膜（ＰＦＳ）の両面に白金又は金の電極膜を無電解メッキした膜であり、その両面の電極膜に所定の電圧を印可すると高速に屈曲する。
パーフルオロスルホン酸膜（ＰＦＳ）は、燃料電池を構成する電解質膜として知られるフッ素樹脂系のイオン交換樹脂であり、例えば、米国デュポン社からＮａｆｉｏｎ（登録商標）の名称で市販されている。
ＰＦＳは、電場がかかった時、樹脂内の動くことができるイオン（フッ素樹脂系はカチオン交換樹脂が通常なのでプラスイオン）が水分子を伴って電極に引き寄せられ、それによってイオンの動いた電極の側（この場合マイナス）が膨潤することによって屈曲する。
このＩＣＰＦアクチュエータは、駆動電圧が１．５Ｖ程度と低く、耐久性が高く１０万回以上の屈曲が確認されており、応答時間が０．１ｓ以下と速く、１００Ｈｚ以上の動作が可能である、等の特徴を有している。

図２は、ＩＣＰＦアクチュエータの従来の屈曲方向を示す図である。この図において、（Ａ）は細長い平板状の場合、（Ｂ）は正方形に近い矩形の場合である。

細長い平板状の場合（図２Ａの左図）、図１に示したように、ＩＣＰＦアクチュエータ１は、パーフルオロスルホン酸膜２（ＰＦＳ）の両面に白金又は金の電極膜３を無電解メッキした膜であり、この電極膜３に電圧を印加しその間に電場がかかった時、樹脂内の動くことができるプラスイオンが水分子を伴って電極（−側）に引き寄せられ、それによってイオンの動いた電極の側（−側）が膨潤することによって図２Ａの右図のように屈曲する。
この場合、電極に一様に電圧をかけた場合、屈曲の曲率半径Ｒはほぼ一定となる。また、かけた電圧と曲率（１／Ｒ）はおおむね比例する関係にある。電圧Ｖを高くするほど屈曲の曲率半径Ｒは小さくなる。
このとき屈曲の仕方は、正の電圧がかかった方が縮み、負の電圧がかかった方が伸びる。すなわち、アクチュエータ全体として、ある一方向の屈曲を得たい場合は、短冊上の形状にすればよい。こうすれば短冊の長さ方向が円弧を描くように曲がる。

正方形に近い矩形の場合（図２Ｂの左図）、同様にプラスイオンが水分子を伴って電極（−側）に引き寄せられ、それによってイオンの動いた電極の側（−側）が面内で２方向に膨潤すると、図２Ｂの右図のように、球面の一部を形成するように屈曲する。
そのため、この場合には、屈曲方向が定まらず、屈曲方向を自由に制御することはできなかった。

図３は、本発明のバイモルフ型板状アクチュエータの第１、２実施形態と参考例を示す図である。この図に示すように、本発明のバイモルフ型板状アクチュエータ１０は、イオン交換樹脂膜１２、１対または複数対の金属薄膜１４ａ，１４ｂ、電源装置１６および制御装置１８からなる。

イオン交換樹脂膜１２は、内部にイオンと水分子を有し電場によりイオンが水分子を伴って移動して膨潤する板状の樹脂膜である。イオン交換樹脂膜１２として、上述したパーフルオロスルホン酸膜（ＰＦＳ）、または米国デュポン社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）を用いることができる。

金属薄膜１４ａ，１４ｂは、イオン交換樹脂膜１２の両面に密着して形成されており、導電性を有する。この膜は、白金又は金を無電解メッキした膜であるのが好ましい。
電源装置１６は、各対の金属薄膜間にそれぞれ電圧を印加し、その間に電場を形成する。
制御装置１８は、例えばコンピュータであり、各対の金属薄膜間に印加する電圧を制御する。

また、図３に示すように、イオン交換樹脂膜１２と金属薄膜１４ａ，１４ｂは、その屈曲方向を制御するための貫通スリット１５を同一箇所に有する。例えば、任意形状のアクチュエータの中程に、隠し包丁を入れるように、何本か平行に切れ目を入れる。そうすると、今度は切り離された部分ごとに、球の一部として屈曲することにあるので、全体としては曲がりが前と変わってくることになり、これを用いて屈曲方向を制御することができる。

図３Ａは本発明の第１実施形態図であり、左図は電圧印加前、右図は電圧印加後を示している。この例のように、正方形に近い矩形の場合、貫通スリット１５を矩形の辺に平行に設けることにより、全体を円筒状に屈曲させることができる。この場合、屈曲方向が正確に定まると共に、その出力を幅に比例させて大きくできる。
すなわち正方形に近い形状の場合、中に何本かの切れ目を入れておけば、球の一部としてではなく、円筒の一部のように曲がるようになる。

図３Ｂは本発明の第２実施形態図であり、左図は電圧印加前、右図は電圧印加後を示している。この例のように、細長い矩形の場合、貫通スリット１５を矩形の辺に斜めに設けることにより、全体を捩じれた形状に変形させることができる。この場合、長手方向が長いほど、その捩じれ角を長さに比例させて大きくできる。

図３Ｃは参考例の図であり、左図は電圧印加前、右図は電圧印加後を示している。この例のように、円形または矩形に同心に延びる単一または複数の螺旋の貫通スリット１５を設けることにより、全体を螺旋状に変形させることができる。この場合、単一の螺旋で貫通スリット１５が長いほど、面に直交する方向の変位を大きくでき、複数の螺旋で構成するとその出力を大きくできる。

図４は、本発明のバイモルフ型板状アクチュエータの第３実施形態図であり、図４Ａは電圧印加前の平面図、図４Ｂはその屈曲後の側面図である。
この例において、６対の金属薄膜１４ａ-１，１４ｂ-１〜１４ａ-６，１４ｂ-６が、同一面上で６箇所に間隔を隔てて区分されている。各金属薄膜１４ａ-１，１４ｂ-１〜１４ａ-６，１４ｂ-６の隣接する端面間には、薄膜のない絶縁部が形成され、この図で下端に設けた給電部１７から６対の金属薄膜１４ａ-１，１４ｂ-１〜１４ａ-６，１４ｂ-６にそれぞれ異なる電圧を印加できるようになっている。このような、金属薄膜は、薄膜形成後にスポットレーザを照射し、熱による金属面の蒸散を利用するレーザー加工、エッチング処理、プリント基板を形成するプリント技術、等により容易に形成することができる。
またこの例では、３対の金属薄膜１４ａ-１，１４ｂ-１〜１４ａ-３，１４ｂ-３の間に２本の貫通スリット１５（切れ目）を設け、３対の金属薄膜１４ａ-１，１４ｂ-１〜１４ａ-３，

この構成により、図４Ｂに例示するように、レーザー加工、エッチング処理、プリント技術、等で形成された同一面上の複数箇所にそれぞれ電圧を印加し、同一面上の複数箇所をそれぞれ独立に屈曲させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

ＩＣＰＦアクチュエータの原理図である。ＩＣＰＦアクチュエータの従来の屈曲方向を示す図である。本発明のバイモルフ型板状アクチュエータの第１、２実施形態と参考例を示す図である。本発明のバイモルフ型板状アクチュエータの第３実施形態図である。

符号の説明

１ＩＣＰＦアクチュエータ、２パーフルオロスルホン酸膜（ＰＦＳ）、３電極膜、
１０バイモルフ型板状アクチュエータ、１２イオン交換樹脂膜、
１４ａ，１４ｂ、１４ａ-１，１４ｂ-１〜１４ａ-６，１４ｂ-６金属薄膜、
１５貫通スリット（切れ目）、１６電源装置、１８制御装置

Claims

内部にイオンと水分子を有し、電場によりイオンが水分子を伴って移動して膨潤するイオン交換樹脂膜と、
該イオン交換樹脂膜の両面に密着して形成され、導電性を有する１対または複数対の金属薄膜と、
該各対の金属薄膜間にそれぞれ電圧を印加し、その間に電場を形成する電源装置と、
前記電圧を制御する制御装置とを備え、
前記イオン交換樹脂膜と金属薄膜とで平板状のアクチュエータ本体部を成し、
前記イオン交換樹脂膜と金属薄膜は、その屈曲方向を制御するための貫通スリットを同一箇所に有し、
前記貫通スリットは、前記アクチュエータ本体部の端辺部を切断しない範囲に形成された複数の直線状のスリットである、ことを特徴とするバイモルフ型板状アクチュエータ。
前記イオン交換樹脂膜は、パーフルオロスルホン酸膜（ＰＦＳ）であり、
前記金属薄膜は、無電解メッキした金または白金の膜である、ことを特徴とする請求項１に記載のバイモルフ型板状アクチュエータ。
前記複数対の金属薄膜は、同一面上で複数箇所に間隔を隔てて区分されている、ことを特徴とする請求項１に記載のバイモルフ型板状アクチュエータ。