JPH06235376A - ケモメカニカルアクチュエ―タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】空気中での駆動が可能で、低電圧で大きな屈曲
変位が得られ、且つ製造が容易なアクチエータを提供す
ること。 【構成】電気的な刺激によって変形するケモメカニカル
物質を用いたアクチュエ―タであって、イオン交換樹脂
薄膜と、該イオン交感樹脂薄膜に接合した電極薄膜と、
該電極薄膜に電圧を印加する電源装置とを具備したこと
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気的な刺激により機
械的変形を生じるパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳ）等
のイオン交感樹脂を用いた、ケモメカニカルアクチュエ
ータに関する。特に、水やＮａＣｌ水溶液等の溶液を必
要とせずに、空気中で駆動するケモメカニカルアクチュ
エータに関する。

【０００２】なお、ケモメカニカルアクチュエータと
は、化学的変化を介して機械的変形を生じるケモメカニ
カル物質（メカノケミカル物質とも呼ばれている）を用
いたアクチュエ―タの総称である。

【０００３】

【従来の技術】近年、医療機器、産業用ロボット及びマ
イクロマシン等の分野において、小さく、軽く、且つ柔
軟性に富むアクチュエ―タに対するニ―ズが高まってい
る。

【０００４】電気的エネルギ―を機械的エネルギ―に変
換するアクチュエ―タとして、現在最も広範に使われて
いるものの１つにモ―タがある。モ―タは制御が容易で
あり、大型なものは大きな機械的力を発生させることが
でき、且つエネルギ―変換効率も高い等の特長を有して
いる。しかし、モータは構造が複雑であるため、小形化
には適さない。小型化すると、単位重量当りの出力は重
量の２乗に比例して小さくなり、効率も重量の１．５乗
に比例して小さくなる等の問題を生じる。

【０００５】小型化に適したアクチュエ―タとしては、
シリコン材料を使用した静電アクチュエ―タや形状記憶
合金アクチュエ―タ等が知られているが、何れも柔軟性
に欠けるという問題がある。

【０００６】そこで、小さく、軽く、且つ柔軟性に富む
アクチュエ―タとして、電界に応答するケモメカニカル
物質を使った電界駆動型ケモメカニカルアクチュエ―タ
や、圧電性ポリマーアクチュエータが注目されている。

【０００７】電界駆動型ケモメカニカルアクチュエータ
としては、パーフルオロスルホン酸膜（ＰＳＦ膜）に無
電界メッキにより白金電極を接合させ、電解質溶液中で
電圧を印加することにより屈曲するように構成されたア
クチュエ―タが提案されている（小黒啓介、水素貯蔵合
金アクチュエ―タと高分子分極アクチュエ―タ、油圧と
空気圧、第２３巻第３号、平成４年５月）。

【０００８】また、圧電性ポリマーアクチュエータとし
ては、厚み方向に分極させた２枚の圧電フィルムを貼り
合わせ、バイモルフ横効果によって、電圧の印加により
屈曲変位するアクチュエータが知られている（マイクロ
マシンと材料、林輝監修、シーエムシー、151 〜152
）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】

＜従来技術の欠点＞

【００１０】小黒の提案したアクチュエ―タは、薄膜化
したケモメカニカル物質に白金電極を接合したことによ
り、応答速度を向上させ得る特長を有している。しか
し、溶液中もしくは湿潤状態でしか駆動できないため、
使用できる範囲が限定される欠点がある。また、電極を
形成するための無電界メッキはウエットプロセスなの
で、製造工程が複雑になる欠点がある。

【００１１】一方、圧電性ポリマーアクチュエ―タは、
空気中で使用でき、また高速駆動できる特徴を有してい
るが、電圧に対する変位量が非常に小さいという欠点が
ある。例えば、長さ２０mm、幅１０mm、厚さ１００μm
、圧電定数１８．３ｐＣ／Ｎの複合系圧電性ポリマー
の場合、印加電圧が１００Ｖで屈曲させたときの先端変
位は２０μm 程度に過ぎない。また、分極方向を揃える
ための分極処理や貼り合わせ処理等が必要とされるた
め、製造工程が複雑になる欠点がある。 ＜発明の目的＞

【００１２】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、空気中での駆動が可能で、低電圧で
大きな屈曲変位が得られ、且つ製造が容易なアクチエー
タを提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段および作用】本発明のケモ
メカニカルアクチュエータは、電気的な刺激によって変
形するケモメカニカル物質を使ったアクチュエ―タであ
って、イオン交換樹脂薄膜と、該イオン交感樹脂薄膜に
接合した電極薄膜と、該電極薄膜に電圧を印加する電源
装置とを具備したことを特徴とするものである。まず、
図１を参照して、本発明の基本的構成を説明する。

【００１４】図１に示したように、本発明によるケモメ
カニカルアクチュエータ１０３の基本的構成は、イオン
交換樹脂膜１０１の表面および裏面に、薄膜電極１０２
ａおよび１０２ｂを夫々接合させたものである。薄膜電
極１０２ａおよび１０２ｂを介して、イオン交換樹脂薄
膜１０１に電圧が印加されるようになっている。

【００１５】イオン交感樹脂薄膜１０１を構成するイオ
ン交換樹脂としては、パーフルオロスルホン酸（ＰＦ
Ｓ）およびポリエチレンスルホン酸等を用いることがで
きるが、耐薬品性等を考慮するとＰＦＳが好ましい。Ｐ
ＦＳ薄膜としては、市販のものを用いることができる。
また、ＰＦＳ溶液をスピンコート等で薄膜化した後に、
不要な溶剤を揮発させて形成したものを用いてもよい。
イオン交換樹脂薄膜１０１の膜厚は特に限定されない
が、数μm 〜１mmが好ましく、更に好適には50μm〜300
μm 程度である。

【００１６】薄膜電極１０２ａ，１０２ｂの材質は、導
電性と柔軟性とを併せもつものであればよく、白金もし
くは金が好ましい。薄膜電極１０２ａ，１０２ｂの厚さ
は、一般には数nm〜数μm 、好適には５nm〜50nm程度で
ある。また、これら薄膜電極１０２ａ，１０２ｂは、ス
パッタリングや真空蒸着等のドライプロセスを用いて形
成することができる。特に、薄膜電極１０２ａ，１０２
ｂの形成にスパッタリングを用いると、その成膜時にイ
オン交感樹脂薄膜１０１に対して不要な熱を与ずにすむ
ので好ましい。スパッタリングの条件は特に限定される
ものではないが、一例を挙げれば次の通りである。即
ち、スパッタリング装置がダイオード放電マグネトロン
型で、その電極形状が対向平行円板（直径60mm）、電極
間距離が30mm、、雰囲気ガスがアルゴンの場合、成膜時
の真空度は通常0.005mTorr〜0.5mTorr、好ましくは0.03
mTorr 〜0.09mTorr である。または、導入電力は１Ｗ〜
100Ｗであればよい。スパッタリングの時間は、通常10
秒〜1000秒である。このような条件でイオン交感樹脂薄
膜１０１の両面をスパッタリングし、薄膜電極１０２ａ
および１０２ｂを形成すればよい。

【００１７】上記のようにして得られたアクチュエータ
素子１０３は、電圧を印加することによって屈曲変位お
よび力を発生する。その理由は現在検討中であり、未だ
正確なメカニズムは明らかにされていない。しかし、Ｐ
ＦＳ薄膜をイオン交換樹脂薄膜１０１として用いる場合
は、例えば、電場の印加によりＰＦＳのＮａ⁺ イオンが
電離して負極側に移動し、或いは分子（例えばＰＦＳの
側鎖であるＣＦ₃ ）が回転して配向分極が生じる結果、
該薄膜は体積差による屈曲を生じるものと推定される。

【００１８】薄膜電極１０２ａ，１０２ｂに印加する電
圧は、一般には１Ｖ〜500 Ｖの範囲、好ましくは変位が
大きくなる10Ｖ以上である。また、本発明のケモメカニ
カルアクチュエータは直流電圧でも交流電圧でも駆動さ
せ得るが、直流電圧が印加された瞬間に大きく変位し、
継続して電圧を印加しても変位は徐々に小さくなって、
或る変位で一定になる。振動変位を生じさせる場合は、
所望の変位振動数に応じた周波数の交流電圧を印加すれ
ばよい。

【００１９】

【実施例】以下、図面に示した実施例に従い、本発明を
更に具体的に説明する。 ＜第１実施例＞

【００２０】スパッタリングを用いることにより、膜厚
180μm のＰＦＳ膜の表面および裏面に、厚さ５nm〜10
nmの金薄膜を形成した。こうして得られたＰＦＳ薄膜／
金薄膜の接合体を、幅1.5mm 、長さ15mmの短冊状にカッ
トした。こうして、図２に示すＰＦＳ薄膜２０１と金の
薄膜電極２０２ａ，２０２ｂからなるアクチュエータ素
子２０３を製造した。

【００２１】上記で得たアクチュエータ素子２０３を、
図２に示したシステムにセットして電圧を印加した。図
２において、２０４ａ，２０４ｂは白金ワイヤからなる
外部電極であり、２０５は電極支持部である。アクチュ
エータ素子２０３は、その薄膜電極２０２ａ，２０２ｂ
が夫々外部電極２０４ａ，２０４ｂに接触するように、
外部電極によって把持された。外部電極２０４ａ，２０
４ｂは、配線２０６を介してアンプ２０７に接続されて
おり、アンプ２０７はファンクションジェネレータ２０
８に接続されている。

【００２２】ファンクションジェネレータ２０８で任意
波形の電圧を発生させ、この電圧をアンプ２０７、配線
２０６および外部電極２０４ａ，２０４ｂを介してアク
チュエータ素子２０３に印加した。その結果、周波数１
Ｈｚで電圧10Ｖを印加したときには、先端の片振幅が約
0.3mm で屈曲変位した。また、印加電圧を20Ｖにする
と、先端の片振幅が約0.5mm で屈曲変位した。 ＜第２実施例＞

【００２３】スパッタリングにより、膜厚 180μm のＰ
ＦＳ膜の表面および裏面に、厚さ10nmの白金薄膜を形成
した。こうして得られたＰＦＳ薄膜／白金薄膜の接合体
を、幅1.5mm 、長さ15mmの短冊状にカットすることによ
り、図２に示したと同様のアクチュエータ素子を製造し
た。

【００２４】このアクチュエータ素子に対して、図２に
示したシステムを用いて電圧を印加したところ、周波数
１Ｈｚ、印加電圧20Ｖにおいて、先端の片振幅が約0.2m
m の屈曲変位を生じた。 ＜第３実施例＞

【００２５】スパッタリングを用いることにより、膜厚
180μm のＰＦＳ膜の表面および裏面に、厚さ10nmの金
薄膜を形成した。こうして得られたＰＦＳ薄膜／金薄膜
の接合体を、幅1.5mm 、長さ15mmの短冊状にカットし、
これを純水中に１週間浸漬した。こうして、図３に示す
ように、ＰＦＳ薄膜３０１と金の薄膜電極３０２ａ，３
０２ｂからなるアクチュエータ素子３０３を製造した。

【００２６】上記で得たアクチュエータ素子３０３を、
図３に示したシステムにセットして電圧を印加した。図
３において、３０４ａ，３０４ｂは白金ワイヤからなる
外部電極であり、３０５は電極支持部である。アクチュ
エータ素子３０３は、その薄膜電極３０２ａ，３０２ｂ
が夫々外部電極３０４ａ，３０４ｂに接触するように、
外部電極によって把持された。外部電極３０４ａ，３０
４ｂは、配線３０６を介してアンプ３０７に接続されて
おり、アンプ３０７はファンクションジェネレータ３０
８に接続されている。また、この実施例では、アクチュ
エータ素子３０３をＮａＣｌ水溶液中で駆動させるため
に、容器３０９内に 0.9％のＮａＣｌ水溶液３１０を満
たし、アクチュエータ素子３０３を、その先端から12mm
がＮａＣｌ水溶液３１０中に浸漬した状態に保持した。

【００２７】図３の状態で、アクチュエータ素子２０３
に電圧を印加したところ、周波数１Ｈｚ、印加電圧５Ｖ
において、アクチュエータの先端は約0.3mm の片振幅で
屈曲変位した。 ＜第４実施例＞

【００２８】以下の実施例は、本発明によるアクチュエ
ータの応用例を示している。この実施例は、該アクチュ
エータ素子の屈曲変位を利用したグリッパに関するもの
である。

【００２９】図４に示すように、この実施例では、第１
および第２実施例と同様にして製造された一対のアクチ
ュエータ素子４０３，４０３が用いられる。即ち、これ
らアクチュエータ素子４０３はＰＦＳ薄膜４０１と、そ
の表面および裏面に形成された薄膜電極４０２ａ，４０
２ｂからなっている。これら一対のアクチュエータ素子
４０３，４０３は、図示のように所定の距離だけ離間し
て対向するように、夫々の一端部が保持部材４０４に固
定されている。

【００３０】上記の構成によれば、夫々のアクチュエー
タ素子４０４に対して所定の電圧を印加し、両者の先端
が互いに接近するように屈曲変位を生じさせれば、この
二つのアクチュエータ素子によって、両者間に存在する
物体を把持することができる。また、この把持動作のと
きとは正負逆の電圧を印加することによって、把持した
物体を放すこともできる。

【００３１】また、この実施例になるグリッパでは、ア
クチュエータ素子４０３が柔軟性を有しているので、生
体等の柔らかい物体を破壊することなく把持することが
できる。更に、グリッパのアクチュエータ４０３を構成
するイオン交換樹脂（特にＰＦＳ）４０１や、金もしく
は白金からなる薄膜電極４０２ａ，４０２ｂが何れも耐
薬品性が高いため、酸もしくはアルカリ水溶液、または
反応性の大きいガス中で使用することも可能である。な
お、把持すべき対象物が駆動電圧によって変質しまうよ
うな場合等では、アクチュエータ素子４０３を絶縁性ポ
リマー等で被覆して用いるようにする。 ＜第５実施例＞この実施例は、本発明のアクチュエータ
素子を、先端にグリッパを有する多自由度の管状マニピ
ュレータとして応用した例である。

【００３２】図５（ａ）に示すように、この実施例で
は、先端に複数の割れ目５１０を有する円筒管状に成形
されたのイオン交感樹脂薄膜５０１に、多種類の薄膜電
極が形成されている。即ち、イオン交感樹脂薄膜５０１
を屈曲変位させるための複数の薄膜電極５０２と、グリ
ッパとして機能する先端の割れ目５１０を開閉させるた
めの薄膜電極５０３と、管の内面に形成された共通の薄
膜電極５０４である。これら夫々の薄膜電極には、電圧
を印加するための配線５０５が夫々設けられている。

【００３３】上記の構成によれば、屈曲を生じさせるた
めの複数の薄膜電極５０２から特定の電極を選択し、該
電極に正もしくは負の電圧を選択して印加することによ
り、屈曲変位させる部位および屈曲の方向を制御するこ
とができる。加えて、割れ目５１０を開閉させるための
薄膜電極５０３に電圧を印加することにより、図５
（ｂ）に示したように、先端の割れ目５１０が拡開する
ようにイオン交感樹脂薄膜５０１を変形することができ
る。また、このように拡開した割れ目５１０は、逆極性
の電圧を印加することにより閉じることができるから、
この割れ目に物体を把持することが可能になる。従っ
て、上記構成によれば、先端の割れ目５１０に物体を把
持することができる多自由度の管状マニピュレータが可
能になる。加えて、円筒管状のイオン交感樹脂薄膜５０
１の内部には洗浄液等の流体を流したり、また光ファイ
バ、小型カメラまたは鉗子等を挿入することができるか
ら、マニピュレータとしての高い利用価値を有する。 ＜第６実施例＞この実施例は、本発明のアクチュエータ
素子が交流電圧印加により振動変位することを利用し
て、これを光スキャナに応用したものである。

【００３４】図６に示すように、この実施例では、第１
および第２実施例と同様にして製造されたアクチュエー
タ素子６０３、即ち、イオン交換樹脂薄膜６０１と薄膜
電極６０２ａ，６０２ｂからなるアクチュエータ素子６
０３が用いられる。このアクチュエータ素子６０３の一
端が、支持部材６０４に固定されている。そして、アク
チュエータ素子６０３は、交流電圧を印加することによ
り、図中破線で示す範囲で振動されるようになってい
る。

【００３５】また、アクチュエータ素子６０３の薄膜電
極６０２ａ表面に対して、平行光発生装置６０５から所
定の方向に、平行光６０６が入射されるようになってい
る。その反射光は、光検出装置６０７で検出される。こ
のとき、アクチュエータ素子６０３は所定範囲で振動さ
れるから、平行光６０６の入射角度が変化し、その反射
光の方向も図中破線で示す範囲でスキャンニングされ
る。なお、薄膜電極６０２ａ，６０２ｂは金または白金
等の反射率の高い物質で形成されているため、平行光６
０６が乱反射等により損失されることはない。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によるケモ
メカニカルアクチュエ―タは空気中で駆動でき、且つ低
電圧で大きな屈曲変位が得られると共に、製造が容易で
あるといった顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるケモメカニカルアクチュエータの
基本構成を示す断面図である。

【図２】空気中で駆動させるように構成された、本発明
の一実施例になるケモメカニカルアクチュエータを示す
図である。

【図３】電解質溶液中で駆動させるように構成された、
本発明の他の実施例になるケモメカニカルアクチュエー
タを示す図である。

【図４】本発明のケモメカニカルアクチュエータを、グ
リッパに応用した実施例を示す図である。

【図５】本発明のケモメカニカルアクチュエータを、先
端にグリッパ機能を具備した多自由度の管状マニピュレ
ータに応用した実施例を示す図である。

【図６】本発明のケモメカニカルアクチュエータを、光
スキャナに応用した実施例を示す図である。

【符号の説明】

１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１…イ
オン交換樹脂薄膜、１０１ａ，１０１ｂ，２０１ａ，２
０１ｂ，３０１ａ，３０１ｂ，４０１ａ，４０１ｂ，５
０１ａ，５０１ｂ，６０１ａ，６０１ｂ…薄膜電極、１
０３，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３…アク
チュエータ素子、２０４，３０４…外部電極、２０５，
３０５，４０４，６０４…支持部材、２０６，３０６，
５０５…配線、２０７，３０７…アンプ、２０８，３０
８…ファンクションジェネレータ、３０９…容器、３１
０…電解質溶液、６０５…平行光発生装置、６０６…平
行光、６０７…光検出装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気的な刺激によって変形するケモメカ
   ニカル物質を用いたアクチュエ―タであって、イオン交
   換樹脂薄膜と、該イオン交感樹脂薄膜に接合した電極薄
   膜と、該電極薄膜に電圧を印加する電源装置とを具備し
   たことを特徴とする。