JP5162664B2 - 高分子アクチュエータ及び高分子アクチュエータ搭載デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、電極間に電位差を与えると変形を生じるアクチュエータに係り、特に電界によるイオンの移動に伴い変形を生じる高分子アクチュエータに関する。
従来、高分子アクチュエータの１つとして、イオン交換樹脂層と、このイオン交換樹脂層の表面に相互に絶縁状態で形成された金属電極層とを備えたイオン伝導アクチュエータが知られている（例えば、下記特許文献１）。この高分子アクチュエータは、金属電極層の間に電位差をかけて、イオン交換樹脂層に湾曲及び変形を生じさせることで、アクチュエータとして機能させるというものである。
また、イオン液体とカーボンナノチューブで構成したゲルを電極層に用いるアクチュエータも知られている（例えば、下記特許文献２）。
特開平１１−２３５０６４号公報
特開２００５−１７６４２８号公報
図６は、図５に示す高分子アクチュエータ１を構成する電極３，３の上下面をベース基板４の接続部４ａ等にて挟持し、高分子アクチュエータ１の端部を固定支持した状態を示す。
しかしながら、このように高分子アクチュエータ１をベース基板４で挟持する等して高分子アクチュエータ１に対し厚み方向に強い圧力がかかると、高分子アクチュエータ１は柔らかい材質で構成されるため電極３及び電解質層２が潰れて電極３，３の間隔Ｔ１が小さくなる。この間隔が減少した支持部は、変位動作部より電界強度が高まる為、イオン移動が集中しやすくなり、その結果、動作変位量や変位に伴う駆動力が低下するなどの問題が発生した。また、間隔Ｔ１の減少により 絶縁性が損なわれやすくなり、定常的漏れ電流が増加し、消費電力の増加や、湾曲変位量及び湾曲に伴う駆動力が低下する等アクチュエータ特性が低下する問題が発生した。
そこで本発明は上記従来の課題を解決するものであり、特に支持部の構成を改良し、アクチュエータ特性を向上させた高分子アクチュエータを提供することを目的としている。
本発明は、電解質層と、前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた一対の電極を有し、前記一対の電極間に電圧を付与すると変形する高分子アクチュエータにおいて、
前記高分子アクチュエータは支持部と変形部とを備え、前記支持部での前記電極間の間隔が、前記変形部での前記電極間の間隔より大きいことを特徴とするものである。
前記高分子アクチュエータは支持部と変形部とを備え、前記支持部での前記電極間の間隔が、前記変形部での前記電極間の間隔より大きいことを特徴とするものである。
これにより、支持部をベース基板の接続部で挟み込んで固定した場合等、厚み方向に圧力が作用しても従来に比べて支持部における電極間の間隔を広く保ちやすく支持部への不要なイオン移動の集中や漏れ電流の増加等を抑制できる。よって従来に比べて変位動作量や変位に伴う駆動力を大きくでき、また、消費電力を減少できる等アクチュエータ特性の向上を図ることができる。
本発明では、前記支持部での前記電解質層の厚さが、前記変形部での前記電解質層の厚さより大きいことが好ましい。これにより、簡単な形態で、より効果的に、厚み方向に強い圧力が作用しても電極間の間隔の減少を抑制でき、アクチュエータ特性の向上を図ることが出来る。
また本発明では、前記支持部での前記電極の厚さは、前記変形部での前記電極の厚さより大きいことが好ましい。これにより、厚み方向に強い圧力が作用しても、支持部の電極で受ける力を増やし、支持部の電解質層を潰れにくくできる。よって従来に比べて効果的に、支持部への不要なイオン移動の集中や、電極間の間隔の減少を抑制でき、アクチュエータ特性の向上をより適切に図ることが出来る。
また本発明は、上記の高分子アクチュエータを備えたデバイスであって、前記高分子アクチュエータの前記支持部を導電固定部材によって支持することにより前記高分子アクチュエータを固定すると共に前記電極に通電することを特徴とするものである。前記支持部の厚み寸法が、固定されていない状態に比べて小さくなるように圧力をかけて支持されている形態に出来る。
本発明では、支持部に厚さ方向に圧力がかかり、電解質層及び電極が厚さ方向に多少潰れても、従来に比べて支持部での電極間の間隔を従来よりも大きく保つことができる。よって、従来に比べてアクチュエータ特性の向上を簡単な構成にて適切に図ることが可能である。
本発明の高分子アクチュエータによれば、支持部をベース基板の接続部で挟み込んで固定した場合等、厚み方向に圧力が作用しても従来に比べて支持部における電極間の間隔を広く保ちやすく支持部への不要なイオン移動の集中や漏れ電流の増加等を抑制できる。よって従来に比べて動作変位量や変位に伴う駆動力を大きくでき、また、消費電力を減少できる等アクチュエータ特性の向上を図ることができる。
図１は本実施形態における高分子アクチュエータを厚さ方向から切断した断面図、図２は図１に示す高分子アクチュエータの支持部を固定支持した断面図、図３、図４は本実施形態における変形例を示す高分子アクチュエータの断面図、である。
本実施形態における高分子アクチュエータ１０は、電解質層１１と、電解質層１１の厚さ方向の両側表面に形成される電極１２、１２を備えて構成される。
電解質層１１は、例えば、イオン交換樹脂と、塩を含有する分極性有機溶媒又はイオン液体である液状有機化合物とが含まれたものである。イオン交換樹脂は陽イオン交換樹脂であることが好適である。これにより陰イオンが固定され、陽イオンが自由に移動可能となる。陽イオン交換樹脂を用いると、高分子アクチュエータ１０の湾曲変位量を大きくでき好ましい。陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂等の樹脂に、スルホン酸基、カルボキシル基等の官能基が導入されたものを好ましく使用できる。
電極１２，１２は、電解質層１１の両表面に金や白金等の電極材料がメッキやスパッタ等で形成されたものである。メッキとしては無電解メッキを用いることが好適である。
あるいは電極１２，１２は、電解質層１１と同じ樹脂構成に導電性フィラーを混合させたものであってもよい。導電性フィラーとしては、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバー等を提示できる。例えば、電解質シートと、導電フィラーが入った電極シートとを重ね合わせることで３層構造フィルムの高分子アクチュエータ１０を形成できる。
また別の具体例としては、イオン液体と樹脂材料からなる電解質層１１と、カーボンナノチューブ等の導電性フィラー、イオン液体及び樹脂材料からなる電極１２，１２から成る高分子アクチュエータ１０を提示できる。樹脂材料としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）や、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等を提示できる。この具体例では電解質層１１内にイオン交換樹脂を含まないので、陽イオン及び陰イオンのどちらも自由に移動可能な状態となっている。
本実施形態における電解質層１１、及び電極１２の材質や構造、製法等に関しては特に限定されるものではない。電解質層１１と、その両表面に電極１２，１２を備え、一対の電極１２、１２間に電圧を付与すると湾曲などの変位をする高分子アクチュエータであれば、電解質層１１及び電極１２の形態は問わない。
高分子アクチュエータ１０を構成する電極１２，１２間に電圧を印加すると、
電解質層１１内のイオン移動などによって電解質層１１の上下にて膨潤差が生じ、曲げ応力が発生して、例えば図２の点線で示すように変形部１４が上方向に湾曲する。図２の例では電解質層１１の下側の電極１２が陰極で、上側の電極１２が陽極である。イオン移動で電極間に膨潤の差が生じる原理は一般に一義的ではないとされているが、代表的な原理要因の１つに、陽イオンと陰イオンのイオン半径の差で膨潤に差が生じることが知られている。
電解質層１１内のイオン移動などによって電解質層１１の上下にて膨潤差が生じ、曲げ応力が発生して、例えば図２の点線で示すように変形部１４が上方向に湾曲する。図２の例では電解質層１１の下側の電極１２が陰極で、上側の電極１２が陽極である。イオン移動で電極間に膨潤の差が生じる原理は一般に一義的ではないとされているが、代表的な原理要因の１つに、陽イオンと陰イオンのイオン半径の差で膨潤に差が生じることが知られている。
以下、本実施形態における高分子アクチュエータ１０の特徴的構成について説明する。
図１に示すように電解質層１１と、その両表面に電極１２，１２を有する断面構造で形成された高分子アクチュエータ１０は、支持部１３と変形部１４とが一体的に形成された構成である。高分子アクチュエータ１０は、支持部１３から変形部１４にかけての長さ方向（Ｙ方向）への寸法が幅方向（Ｘ方向）への寸法及び厚さ方向（Ｚ方向）への寸法に比べて長い長方形状である。
図１に示すように電解質層１１と、その両表面に電極１２，１２を有する断面構造で形成された高分子アクチュエータ１０は、支持部１３と変形部１４とが一体的に形成された構成である。高分子アクチュエータ１０は、支持部１３から変形部１４にかけての長さ方向（Ｙ方向）への寸法が幅方向（Ｘ方向）への寸法及び厚さ方向（Ｚ方向）への寸法に比べて長い長方形状である。
図１に示すように、支持部１３における電解質層１１の厚さＴ２は、変形部１４における電解質層１１の厚さＴ３よりも厚くなっている。よって、支持部１３での電極１２，１２間の間隔（＝Ｔ２）は、変形部１４での電極１２，１２間の間隔（＝Ｔ３）よりも大きくなっている。
したがって図２に示すように支持部１３を電極１２のある上下からベース基板１５の接続部１５ａにて挟み込み、支持部１３に厚さ方向（Ｚ方向）に圧力がかかり、電解質層１１及び電極１２が厚さ方向に多少潰れても、従来に比べて支持部１３での電極１２、１２間の間隔Ｔ４を従来よりも（図６参照）大きく保つことができる。
そして図２に示すように高分子アクチュエータ１０の支持部１３を固定支持した状態で、電極１２，１２間に電圧を印加したときに支持部１３の部分での不要なイオン移動の集中や、定常的な漏れ電流の増大を抑制することができる。その結果、変位量や駆動力の増大や、消費電力を低減できる。以上により本実施形態によれば従来に比べてアクチュエータ特性の向上を簡単な構成にて適切に図ることが可能である。
支持部１３での電解質層１１の厚さＴ２は、２０〜３０μｍ程度、変形部１４での電解質層１１の厚さＴ３は、１０〜２０μｍ程度、電極１２，１２の厚さは、３０〜１００μｍ程度である。
図３に示す実施形態の電解質層１１は、図１に示す電極質層１１と同様に、支持部１３での厚さＴ２が変形部１４での厚さＴ３より厚くなっている。加えて図３では、支持部１３での電極１２の厚さＴ５も、変形部１４での電極１２の厚さＴ６より大きくなっている。これにより、支持部１３の電極１２，１２のある両側を挟持等して圧力が支持部１３に加わったとき、厚さの厚い電極１２で受ける力を増やし（電極１２で吸収する力を増やし）、支持部１３の電解質層１１を潰れにくくできる。よって、より効果的に、電極１２，１２間の間隔の減少を抑制でき、アクチュエータ特性の向上を図ることが出来る。図３に示す支持部１３での電極１２の厚さＴ５は、４０〜１１０μｍ程度、変形部１４での電極１２の厚さＴ６は、３０〜１００μｍ程度である。
図４に示す実施形態では、電解質層１１の厚さＴ３は、支持部１３から変形部１４にかけて一定である。図４に示す実施形態では、支持部１３の電解質層１１の両表面に絶縁性のギャップ２０が設けられ、ギャップ２０の両表面から変形部１４を構成する電解質層１１の両表面にかけて電極１２，１２が形成されている。このようにギャップ２０を設けることで、支持部１３の電極１２，１２間の間隔Ｔ２を、変形部１４の電極１２，１２間の間隔Ｔ３よりも大きくできる。なおギャップ２０は空間であってもよい。
図２の高分子アクチュエータ１０は一端が固定支持された片持ち梁構造であるが、高分子アクチュエータ１０の両端が支持される形態にも適用できる。このとき高分子アクチュエータ１０の両端の支持部１３を図１，図３，図４のいずれかの形態で形成する。また本実施形態の高分子アクチュエータ１０は、支持部１３を図２のようにベース基板１５に挟持する使用以外に、支持部１３に対して、厚さ方向に圧力が加わる使用形態全般に有効に使用できる。
図１，図３に示すように、電解質層１１の支持部１３の厚さＴ２を厚くするには、電解質シートを端で折り曲げて重ねたり、一定厚の電解質シートの支持部１３の部分で別体の電解質シートを兼ねたりすれば簡単に形成できる。
１０ 高分子アクチュエータ
１１ 電解質層
１２ 電極
１３ 支持部
１４ 変形部
１５ ベース基板
２０ ギャップ
１１ 電解質層
１２ 電極
１３ 支持部
１４ 変形部
１５ ベース基板
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Claims (5)
- 電解質層と、前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた一対の電極を有し、前記一対の電極間に電圧を付与すると変形する高分子アクチュエータにおいて、
前記高分子アクチュエータは支持部と変形部とを備え、前記支持部での前記電極間の間隔が、前記変形部での前記電極間の間隔より大きいことを特徴とする高分子アクチュエータ。 - 前記支持部での前記電解質層の厚さが、前記変形部での前記電解質層の厚さより大きい請求項１記載の高分子アクチュエータ。
- 前記支持部での前記電極の厚さは、前記変形部での前記電極の厚さより大きい請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
- 請求項１ないし３の高分子アクチュエータを備えたデバイスであって、前記高分子アクチュエータの前記支持部を導電固定部材によって支持することにより前記高分子アクチュエータを固定すると共に前記電極に通電することを特徴とする高分子アクチュエータ搭載デバイス。
- 前記支持部の厚み寸法が、固定されていない状態に比べて小さくなるように圧力をかけて支持されている請求項４記載の高分子アクチュエータ搭載デバイス。
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