JPH04275078A - アクチュエータ素子 - Google Patents
アクチュエータ素子Info
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- JPH04275078A JPH04275078A JP3059793A JP5979391A JPH04275078A JP H04275078 A JPH04275078 A JP H04275078A JP 3059793 A JP3059793 A JP 3059793A JP 5979391 A JP5979391 A JP 5979391A JP H04275078 A JPH04275078 A JP H04275078A
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- membrane
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
- H02N11/006—Motors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
- Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【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湾曲および変形を生ぜ
しめることから成る超小型のアクチュエータ素子に関す
る。
し、より詳細にはイオン交換膜に湾曲および変形を生ぜ
しめることから成る超小型のアクチュエータ素子に関す
る。
【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
機構は、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
引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式、高分子伸
縮式等が知られている。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
み合わせで、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、温度あるいはpHの変化や周囲の化学物質の濃度
変化によって伸縮するものである。
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
機構は、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
引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式、高分子伸
縮式等が知られている。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
み合わせで、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、温度あるいはpHの変化や周囲の化学物質の濃度
変化によって伸縮するものである。
【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問題点を有
している。例えば、これまでの高分子伸縮式アクチュエ
ータを作動させるには、高分子繊維が接触している溶液
を他の塩類を含む溶液に交換する必要があり、小型で速
い応答を必要とする用途には利用困難であった。本発明
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、かつ柔軟であるようなアクチュエータ素
子を提供することを目的とする。
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問題点を有
している。例えば、これまでの高分子伸縮式アクチュエ
ータを作動させるには、高分子繊維が接触している溶液
を他の塩類を含む溶液に交換する必要があり、小型で速
い応答を必要とする用途には利用困難であった。本発明
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、かつ柔軟であるようなアクチュエータ素
子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のアクチュエータ素子は、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成り、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ぜしめ
ることを特徴とする。以下、本発明のアクチュエータ素
子を図面にもとづき説明する。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’とから成る
。イオン交換膜2としては、陽イオン交換膜、陰イオン
交換膜のいづれも使用することができ、たとえば陽イオ
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持つフッ素樹脂系イオン交換膜を挙
げることができる。かかるイオン交換膜の両面に接合す
る電極3, 3’には白金、イリジウム、パラジウム、
ルテニウム等の貴金属が好ましいが、そのほか導電性高
分子や黒鉛などの導電性と耐食性を合わせ持つ物質が利
用できる。接合方法には化学メッキ、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。 そして、電極3, 3’をリード線を介して直流電源5
に連結すると本発明のアクチュエータ素子が得られる。 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は動作に影響する場合があるが
、種々のイオンや溶質を含んだ液中でも作動できる。本
発明による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2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膨潤し、含水率
が低下すれば収縮するので、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。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。以下、本発明の実
施例を述べる。
明のアクチュエータ素子は、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成り、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ぜしめ
ることを特徴とする。以下、本発明のアクチュエータ素
子を図面にもとづき説明する。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’とから成る
。イオン交換膜2としては、陽イオン交換膜、陰イオン
交換膜のいづれも使用することができ、たとえば陽イオ
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持つフッ素樹脂系イオン交換膜を挙
げることができる。かかるイオン交換膜の両面に接合す
る電極3, 3’には白金、イリジウム、パラジウム、
ルテニウム等の貴金属が好ましいが、そのほか導電性高
分子や黒鉛などの導電性と耐食性を合わせ持つ物質が利
用できる。接合方法には化学メッキ、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。 そして、電極3, 3’をリード線を介して直流電源5
に連結すると本発明のアクチュエータ素子が得られる。 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は動作に影響する場合があるが
、種々のイオンや溶質を含んだ液中でも作動できる。本
発明による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2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膨潤し、含水率
が低下すれば収縮するので、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。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。以下、本発明の実
施例を述べる。
【実施例】実施例1
厚さ0.2mmのフッ素樹脂系イオン交換膜Nafio
n (登録商標、デュポン社製) に化学メッキにより
白金を3mg/cm2 ずつ両面に接合させた。この接
合体を幅2mm長さ20mmに裁断し、その一端に2m
m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。純水中に持
具を固定して、この接合体小片を釣り下げ、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0
V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。印加電圧を上げると接
合体の湾曲はさらに大きくなったが、1.3Vをこえる
と電気分解が生じ、電流が流れ続けてガス発生が見られ
た。 実施例2 約3%の食塩水に実施例1の接合体を2時間浸漬させた
後に電圧をかけた。1V印加した場合、先端は瞬時に陽
極方向に1mm移動したが、電圧を印加したままでも1
秒程度かけて徐々に元の位置に戻った。この状態で電圧
を0Vに戻すと、逆方向に1mm移動し、さらに逆向き
に1V印加すると、さらに1mm移動して、合計2mm
の変位が得られた。この場合にも約1秒後には元の中央
位置に戻った。また電圧を1.6Vに上げると2mmの
変位が得られたが、電気分解はほとんど生じず電流が流
れ続けることもなかった。 実施例3 厚さ約0.15mmのポリスチレンスルホン酸膜に化学
メッキにより両面に白金1mg/cm2 とイリジウム
2mg/cm2 ずつを接合させた。この接合体を幅0
.3mm長さ3mmに裁断し、その一端に白金リード線
を両面から押しつけて、プラスチック製持具で挟んだ。 約3%の食塩水中に持具を固定して、この接合体小片を
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1.6V印加すると、接合体は瞬時に湾曲し、
先端は陽極方向に約0.3mm移動した。また逆方向に
1.6Vの電圧をかけると、逆方向に湾曲した。
n (登録商標、デュポン社製) に化学メッキにより
白金を3mg/cm2 ずつ両面に接合させた。この接
合体を幅2mm長さ20mmに裁断し、その一端に2m
m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。純水中に持
具を固定して、この接合体小片を釣り下げ、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0
V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。印加電圧を上げると接
合体の湾曲はさらに大きくなったが、1.3Vをこえる
と電気分解が生じ、電流が流れ続けてガス発生が見られ
た。 実施例2 約3%の食塩水に実施例1の接合体を2時間浸漬させた
後に電圧をかけた。1V印加した場合、先端は瞬時に陽
極方向に1mm移動したが、電圧を印加したままでも1
秒程度かけて徐々に元の位置に戻った。この状態で電圧
を0Vに戻すと、逆方向に1mm移動し、さらに逆向き
に1V印加すると、さらに1mm移動して、合計2mm
の変位が得られた。この場合にも約1秒後には元の中央
位置に戻った。また電圧を1.6Vに上げると2mmの
変位が得られたが、電気分解はほとんど生じず電流が流
れ続けることもなかった。 実施例3 厚さ約0.15mmのポリスチレンスルホン酸膜に化学
メッキにより両面に白金1mg/cm2 とイリジウム
2mg/cm2 ずつを接合させた。この接合体を幅0
.3mm長さ3mmに裁断し、その一端に白金リード線
を両面から押しつけて、プラスチック製持具で挟んだ。 約3%の食塩水中に持具を固定して、この接合体小片を
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1.6V印加すると、接合体は瞬時に湾曲し、
先端は陽極方向に約0.3mm移動した。また逆方向に
1.6Vの電圧をかけると、逆方向に湾曲した。
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、下記
特長を有するアクチュエータ素子が得られる。 1) 単純な構造であり、超小型化できる。 2) 超小型化しても水の粘性抵抗や表面の摩擦力に打
ち勝つだけの大きな力が発生できる。 3) 生体内などの液中で作動する。 4) 1V程度の低電圧で作動する。 5) 超小型であれば微少な電流でも作動する。 6) 比較的応答が速い。 7) 電圧によってアクチュエータの動作が制御できる
。 8) 比較的大きな力を発生する反面、素子自体は柔軟
である。 すなわち本発明によれば、電極間に0.1〜3Vの直流
電圧をかけることにより、1秒以内に素子長の1/10
もの変位が得られ、かつ水中で作動する柔軟な素子を作
製できる。素子を細長い棒状にすれば、大きく湾曲させ
ることができ、大きな変位を得ることができる。従って
本発明によれば、従来のアクチュエータでは不可能であ
った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。
特長を有するアクチュエータ素子が得られる。 1) 単純な構造であり、超小型化できる。 2) 超小型化しても水の粘性抵抗や表面の摩擦力に打
ち勝つだけの大きな力が発生できる。 3) 生体内などの液中で作動する。 4) 1V程度の低電圧で作動する。 5) 超小型であれば微少な電流でも作動する。 6) 比較的応答が速い。 7) 電圧によってアクチュエータの動作が制御できる
。 8) 比較的大きな力を発生する反面、素子自体は柔軟
である。 すなわち本発明によれば、電極間に0.1〜3Vの直流
電圧をかけることにより、1秒以内に素子長の1/10
もの変位が得られ、かつ水中で作動する柔軟な素子を作
製できる。素子を細長い棒状にすれば、大きく湾曲させ
ることができ、大きな変位を得ることができる。従って
本発明によれば、従来のアクチュエータでは不可能であ
った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。
【図1】本発明のアクチュエータ素子の電圧無印加状態
の概要断面図である。
の概要断面図である。
【図2】本発明のアクチュエータ素子の電圧印加状態の
概要断面図である。
概要断面図である。
1 アクチュエータ素子
2 陽イオン交換膜
2 陽イオン交換膜
Claims (1)
- 【請求項1】 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成り、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ぜしめることを特
徴とするアクチュエータ素子。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3059793A JPH074075B2 (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | アクチュエータ素子 |
US07/841,518 US5268082A (en) | 1991-02-28 | 1992-02-26 | Actuator element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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