(57)【要約】【課題】センサーや電気回路を内蔵する高分子アクチュエーターを提供する。【解決手段】内部に移動可能なイオンを含む電解質膜と、この電解質膜の両面にそれぞれ形成されて該電解質膜に電位差を与える第１及び第２の駆動電極層と、上記電解質膜の一面に形成されるセンサー電極層と、上記電解質膜の一面に配置されてセンサー電極層の出力を使用して上記第１及び第２の駆動電極層を駆動制御する電気回路チップと、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界が与えられることにより変形するアクチュエーター材料を含む層と、
前記層の第１面に配置される第１の駆動電極と、
前記層の前記第１面に対向する第２面に配置される第２の駆動電極と、
前記層の前記第１面の側に配置され、前記第１の駆動電極及び前記第２の駆動電極を駆動する電気回路チップと、
を備えるアクチュエーター。
【請求項２】
前記アクチュエーター材料は、前記電界が与えられることにより移動可能なイオンを含む電解質である請求項１に記載のアクチュエーター。
【請求項３】
更に、前記アクチュエーター材料の上に形成されて前記層の表面に発生する電圧を検出するセンサー電極を備え、
前記電気回路チップは、与えられる目標値と前記センサー電極の検出出力とに基づいて前記第１の駆動電極及び前記第２の駆動電極に電圧を印加する、請求項１または２に記載のアクチュエーター。
【請求項４】
前記第２の駆動電極の一部が前記層の前記第一面の側に回り込んでいる、請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエーター。
【請求項５】
前記第２の駆動電極の一端部が前記層の前記第一面の側に回り込んでいる、請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュエーター。
【請求項６】
前記電気回路チップが前記層の前記第一面の側において前記第１の駆動電極前記第２の駆動電極、及び前記センサー電極に接続される、請求項５に記載のアクチュエーター。
【請求項７】
前記層の一部には前記電界を与えない領域又は前記層を湾曲させない領域が設けられ、当該領域に前記電気回路チップが配置される、請求項１乃至６のいずれかに記載のアクチュエーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエーターに関し、特に変位の方向や変位の程度を検出可能な構成等を備えたアクチュエーターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエーターの種類の一つに高分子アクチュエーターがある。このアクチュエーターは、ゴムのような柔らかい材質であるが、電圧を加えると曲がり、加えていないときは元に戻る特徴を持っている。例えば、イオン交換膜の両側に電極を形成し、イオン交換膜に電位差を与えてイオン交換膜に変形を発生させる。このような高分子電解質膜形のアクチュエーターの例が特開平４−２７５０７８号公報や特開平１１−１６９３９３号公報に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−２７５０７８号公報
【特許文献２】特開平１１−１６９３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような高分子アクチュエーターをロボットアームのような機械的な構造体に応用する場合、アクチュエーターの曲がり（変形）加減を制御する必要がある。この制御を行うためカメラや角度センサー、コントローラ等が用いられる。センサー類はロボットアームに付加され、あるいはロボットアームの外部に配置されてロボットアームの姿勢を観察（検出）する。例えば、ロボットアームの関節の軸にボリュウムを付加し軸の回転角度を抵抗値に変換して回転角度を検出する。また、カメラでロボットアームの全体の動きをとらえ、画像認識によって位置情報を得ている。これ等の結果に基づいてコントローラでアクチュエーターを駆動制御する。
【０００５】
しかしながら、これらのロボットアーム等の構造体はアクチュエーターの他にセンサー類やコントローラを別途用意しなければならず、高分子アクチュエーターの動力発生機構は比較的に小型で簡単な構造で構成できるにも拘わらず、アクチュエーターの構造体全体を小型に構成することは難しい。
【０００６】
よって、本発明は小型のアクチュエーター構造体を構成し得るアクチュエーターを提供することを目的の１つとする。
【０００７】
また、本発明はセンサーや電気回路を内蔵するアクチュエーターを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様のアクチュエーターは、電界が与えられることにより変形するアクチュエーター材料を含む層と、上記層の第１面に配置される第１の駆動電極と、上記層の上記第１面に対向する第２面に配置される第２の駆動電極と、上記層の上記第１面の側に配置され、上記第１の駆動電極及び上記第２の駆動電極を駆動する電気回路チップと、を備える。
【０００９】
かかる構成とすることにより、アクチュエーター材料の層上に、上記アクチュエーター材料に電圧を印加する電気回路チップを実装したアクチュエーターを構成することが可能となる。また、駆動電極に近接して上記電気回路チップを設けることにより、パワーロスを減少することができる。また、アクチュエーターを小型化することができる。
【００１０】
上記アクチュエーター材料は、上記電界が与えられることにより移動可能なイオンを含む電解質であることが望ましい。ここで、電解質膜はイオンを通す性質の膜であり、電解質膜を挟む負極と正極が電気的にショートしないような性質も持つ膜である。もっともこれに限定されるものではなく、電圧の印加によって膜中のイオンが移動（あるいは偏倚）し当該膜の形状が変形するものであればよい。また、電圧の印加によって変形する材料であればよく、例えば、圧電アクチュエーター材料、電歪アクチュエーター材料等であってもよい。
【００１１】
かかる構成とすることによって、電解質膜上に駆動電極層に駆動電圧を印加する電気回路を実装した（高分子）アクチュエーターを構成することが可能となる。駆動電極層に近接して駆動回路を設けることによってパワーロスを減少することができる。また、アクチュエーターを小型に構成することができる。後述するように、剥離層転写法によってアクチュエーター作製とは別途のプロセスで作製した電気回路チップ（ＩＣチップ）を高温環境下におくことなく（高分子）電解質膜に接合することができる。
【００１２】
上述したような各構成において、更に、上記アクチュエーター材料の層（例えば、電解質膜）上に形成されて上記層の表面に発生する電圧を検出するセンサー電極を備え、上記電気回路チップは、与えられる目標値と上記センサー電極の検出出力とに基づいて上記第１の駆動電極及び上記第２の駆動電極に電圧を印加することが望ましい。それにより、１つの層（例えば、電解質膜）上に駆動電極層と、センサー電極層と、コントローラとを備える構成が得られ、アクチュエーター単体でアクチュエーターの曲がり加減をコントロールすることができる。
【００１３】
例えば、上記層としての電解質膜が湾曲し、溶媒（水分）が移動すると、イオンが移動して膜中のイオン密度に差異が生じ、電解質膜の膜間に電位差が発生する。この電位差（電荷）は電解質膜の湾曲量に対応するのでセンサー電極層に発生する電圧でアクチュエーターの湾曲や曲がり加減（変形量）を知ることができる。変形量を検出するセンサーがアクチュエーターと一体化されるのでアクチュエーターの構造体全体を小型に構成することができる。
【００１４】
上記第２の駆動電極の一部または一端部が上記層（例えば、電解質膜）の上記第一面の側に回り込んでいることが望ましい。それにより、電気回路チップと第１及び第２の駆動電極とを電解質膜の一面側で接続することができる。
【００１５】
上記電気回路チップが上記層（例えば、電解質膜）の上記第一面の側において上記第１の駆動電極、上記第２の駆動電極、及び上記センサー電極に接続されることが望ましい。それにより、パワーロスを減少することができる。また、アクチュエーターを小型化することができる。
【００１６】
上記層（例えば、電解質膜）の一部には上記電界を与えない領域又は上記層を湾曲させない領域が設けられ、当該領域に上記電気回路チップが配置されることが望ましい。それにより、電気回路チップに力が作用しないようにし、チップへのダメージを回避する。また、電気回路チップと電極間の電気的接続あるいは接合へのダメージを回避する。
【００１７】
上記層（例えば、電解質膜）には、外部接続用のパッド電極が形成されることが望ましい。それにより、アクチュエーターの内部回路と外部回路との接続が容易になる。
【００１８】
上記センサー電極層は上記層（例えば、電解質膜）上の一方向に延在して該延在方向における該層の湾曲に対応した電圧を検出することが望ましい。それにより、延在方向における湾曲（曲がり）程度に応じた電圧をセンサー電極層により検出することができる。
【００１９】
上記センサー電極層は上記層（例えば、電解質膜）の湾曲によって曲げられる方向に延在することが望ましい。それにより、湾曲した層（例えば、電解質膜）部分に発生した電圧をセンサー電極層により検出することができる。
【００２０】
上記第１及び第２の駆動電極層と上記センサー電極層とは離間して上記層（例えば、電解質膜）上に形成されることが望ましい。それにより、駆動電極層と上記センサー電極層との間の電気的絶縁を確保し、駆動電極層からセンサー電極層へのクロストーク（ノイズ）を減少する。
なお、上述した構成は適宜に組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本願のアクチュエーターは、アクチュエーター材料層（例えば、電解質膜）上にコントローラなどの電気回路チップを実装するので小型のアクチュエーター構造体を構成することができる。また、１つのアクチュエーター材料層（例えば、電解質膜）上に、駆動電極、センサー電極及び電気回路チップを備えるので小型のアクチュエーター構造体を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のセンサー電極層を備えるアクチュエーターの例を説明する斜視図である。
【図２】図１に示されたアクチュエーターの動作例を説明する説明図である。
【図３】アクチュエーターの駆動制御系を説明するブロック図である。
【図４】本発明の電気回路チップを備えたアクチュエーターの例を説明する斜視図である。
【図５】図４に示されたアクチュエーターから電気回路チップを除いた状態を説明する平面図である。
【図６】電気回路チップの例を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明のアクチュエーターは電界が与えられて変形するアクチュエーター材料層を使用する。アクチュエーター材料としては、電解質アクチュエーター材料、高分子アクチュエーター材料、圧電アクチュエーター材料、電歪アクチュエーター材料等の種々のもの我存在する。本発明のアクチュエーターの実施の形態では、電界が与えられて変形する電解質膜をアクチュエーター材料の一例として使用するが、これに限定されるものではない。同じ技術が電界を与えると変形する他のアクチュエーター材料に適用可能である。
【００２４】
実施例では電界が印加されると変形するアクチュエーター材料として、例えば、イオン導電性の高分子電解質膜を使用する。電圧の印加によって電解質膜が変形する理由は正確に解明されているわけではないが、概略、次のように説明することができる。
【００２５】
電解質膜の表裏にそれぞれ電極を形成し、表裏の電極に直流電源によって電位差を生ぜしめると、印加電界によって電解質膜中のイオンがその極性に対応する電極側に移動する。このイオンに伴って水分子（溶媒）も移動するので電解質膜の正電極側と負電極側とでは、電解質膜中の水分（溶媒）量に差が生じる。電解質膜中の水分量が増えた側では電解質膜が膨らみ、水分量が減った側では電解質膜が収縮する。その結果、電解質膜が湾曲する。
【００２６】
電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（商品名「ナフィオン」、デュポン（株）登録商標）、パーフルオロカルボン酸膜（商品名「フレミオン」、旭化成（株）登録商標）等、イオン液をゲル化したもの等を使用することが可能である。
電解質膜は、電圧を印加すると曲がり、印加しないと元に戻る特徴を持っている。
電解質膜の材質は、例えば、ゴムのような感触であり、電圧を印加していないときはやわらかい。
【００２７】
本願では、この電解質膜に外部から力（外的応力）を加えると電解質膜に電圧（電位差）が発生することに着目している。これは、電解質膜を湾曲すると、電解質膜中に水分（溶媒）の偏りが発生し、これに伴って電解質膜の伸張側と伸縮側との間でイオン密度に差異が生じることによると考えられる。発生した電圧は電解質膜の湾曲（曲がり加減）に関係している。
この電圧をセンサー電極層で検出し、電解質膜上に設けた電気回路チップ（制御回路）によって信号処理する。センサー電極層の検出電圧は駆動電圧に比べてレベルが低いが（例えば、１／１０００）、センサー電極の近傍で信号処理することによって信号劣化を最小限に抑えることができ、Ｓ／Ｎを向上することができる。
【００２８】
（実施例）
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１乃至図３は、本願のアクチュエーターの動作を説明する図であり、図１はアクチュエーター全体の概略を示す斜視図、図２は図１に示すアクチュエーターの湾曲（曲がり）動作例を説明する説明図である。図３はアクチュエーターの動作を制御するコントローラの構成例を示すブロック回路図である。
【００２９】
図１に示すように、アクチュエーター１は、電解質膜１０の一方の面に形成された第１の駆動電極層としての駆動電極１１（電極Ａ）及びセンサー電極１３と、他方の面全体に形成された第２の駆動電極層としての駆動電極１２（電極Ｂ）とを備えている。駆動電極１１とセンサー電極１３とは、電気的絶縁のために所定距離、例えば、０．５〜１．０ｍｍ程度離間している。
【００３０】
電解質膜１０は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜を使用することができるが、これに限定されるものではない。イオン交換膜としては、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜のいずれも使用可能である。例えば、陽イオン交換膜としては、パーフルオロスルホン酸膜、パーフルオロカルボン酸膜を挙げることができる。
【００３１】
駆動電極１１及び１２，センサー電極１３は、金、白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、カーボンナノチューブなどを使用することが出来るが、これ等に限定されるものではない。電極の電解質膜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、溶着などが適宜に使用される。
【００３２】
例えば、実施例では、電解質膜１０としてパーフルオロスルホン酸膜（商品名「ナフィオン」、デュポン社登録商標）が使用され、その形状は、短辺が２ｃｍ、長辺が５ｃｍ、厚さが２００μｍ〜１ｍｍ程度の長方形に形成されている。上述したセンサー電極１３の形状は、例えば、（電解質膜１０の）短辺方向における長さ（幅）は２ｍｍ、長辺方向における長さは５ｃｍである。もっともこの形状に限定されるものではなく、電解質膜１０あるいはアクチュエーターの形状は自由に選定することができる。
【００３３】
実施例では、駆動電極１１、１２、センサー電極１３は電解質膜１０に金メッキを施すことによって形成された。電解質膜１０への金メッキは、塩化ジクロロフェナントロリン金（III）［Ａｕ(phen)Ｃｌ2］Ｃｌ水溶液に浸潤し，イオン交換反応で金錯イオンを吸着させる。吸着させた膜を亜硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ3）水溶液に浸漬して、還元して膜の内部に取り込まれた金イオンを外側に析出する。これによって膜の両面に金めっきを施すことが可能となる。メッキされる金の量は、一回のメッキ工程でメッキできる金の量は片面１〜２ｍｇ/ｃｍ2である。これを繰り返して所要の電極膜厚とする。例えば、４回〜８回程度メッキを繰り返すと、片面１０ｍｇ/ｃｍ2程度の金が析出する。この場合、金層（電極層）の膜厚はおおよそ１〜５μｍ程度である。
【００３４】
このようにして電解質膜の片面に形成された金電極層をレーザーによって、電気的絶縁に必要な０．５〜１ｍｍの幅で直線状にカットすることにより、駆動電極と１１とセンサー電極１３が分離される。センサー電極１３は電解質膜１０の長手方向に延在し、アクチュエーターの湾曲動作によって湾曲面に発生する電極層１２と１３間の電位差（電圧）を検出する。なお、センサー電極１３は電解質膜１０の表面及び裏面のいずれに形成しても良い。
【００３５】
図２は、アクチュエーター１の動作例を説明する説明図である。同図において、図１対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００３６】
同図に示すように、アクチュエーター１の駆動電極層１１及び１２に直流電源からそれぞれ負電圧及び正電圧が印加されると、電解質膜１０中の陰イオンは駆動電極層１２側に移動する。それに伴って、駆動電極層１１側の水分が相対的に減少し、駆動電極１２側の水分が相対的に増大し、図２の左図に示すように、アクチュエーター１は左側に湾曲して曲がる。同様に、駆動電極層１１及び１２に直流電源からそれぞれ正電圧及び負電圧が印加されると、電解質膜１０中の陰イオンは駆動電極層１１側に移動する。駆動電極層１２側の水分が相対的に減少し、駆動電極１１側の水分が相対的に増大し、図２の右図に示すように、アクチュエーター１は右側に湾曲して曲がる。
【００３７】
図３は、上述したアクチュエーター１を駆動する制御系（コントローラ）３０を説明するブロック図である。後述するように制御系（コントローラ）３０は、電気回路チップ４０として集積回路（ＩＣ）チップによって構成される。
【００３８】
同図に示されるように、センサー電極１３の検出電圧が増幅器３１によってレベル増幅されて比較器（差動増幅器）３２の逆相入力に入力される。比較器３２には現時点のアクチュエーター１の位置に対応した電圧が供給される。比較器３２の正相入力にはアクチュエーター１の動作量の目標値が電圧値として入力されている。比較器３２はセンサー電極の電圧と目標値との偏差を出力する。駆動回路３３はこの偏差出力の極性（正又は負）に応じてアクチュエーター１の動き方向を決定し、出力電圧の極性を決定する。また、偏差出力の絶対値に応じてどの程度アクチュエーター１を湾曲させるかを決定して出力電圧のレベルを設定する。
【００３９】
駆動回路３３の出力電圧はアクチュエーター１の駆動電極１１及び１２に供給される。アクチュエーター１は、駆動回路３３の出力電圧の極性に対応した方向に湾曲し（曲がり）、出力電圧のレベルに対応した湾曲量（曲がり量）となる。アクチュエーター１が駆動電極１１及び１２によって湾曲すると、センサー電極１３の領域の電解質膜では水分が移動してイオン密度に差が生じ、センサー電極１３の電圧が変化する。この値が比較器３２に３３にフィードバックされ、目標値との差分を偏差として出力し補正を行う。このフィードバック制御ループによってアクチュエーター１は設定された目標値に対応する位置に移動し安定する。
【００４０】
図４乃至図６は、上述したアクチュエーター１上に上述した制御系（コントローラ）３０の機能を果たす電気回路チップ４０を設けた例を説明する説明図である。図４は電気回路チップ４０を載せた状態のアクチュエーターに示す斜視図、図５は電気回路チップ４０を外した状態のアクチュエーターを示す平面図、図６は電気回路チップ４０の例を拡大して示す説明図である。各図において、図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００４１】
図４及び図５に示すように、電解質膜１０の一面には、駆動電極１１と、センサー電極１３が形成される。電解質膜１０の他面（一面と対向する面）には駆動電極１２が形成される。また、電解質膜１０の一面側の下部には、チップ配置領域Ｃが設定され、電解質膜１０の他面から電解質膜１０の下端部を回り込んだ駆動電極１２の一部も形成される。
【００４２】
チップ配置領域Ｃには、電源パッドＰ１、接地パッドＰ２、信号パッドＰ３等が所要数形成される。これ等のパッド電極の配置は電気回路チップ４０のパッド電極の配置と対応するように設けられている。これ等の電極類は電解質膜１０の表面に化学めっきにより、導電膜（例えば、金）を形成し、該導電膜をレーザーエッチングにより、パターニングすることによって得ることができる。
チップ配置領域Ｃではアクチュエーター１の動きによって、電気回路チップ４０に電気的接続の断線や電気回路素子のダメージ等を与えないようにするべく、アクチュエーター１が非動作（非変形）となるようになされる。非動作領域は電解質膜１０の両側の電位が等電位となるようにしたり、駆動電極を配置しないことによって実現される。
【００４３】
図６は、電気回路チップ４０のパッケージの底部側を示している。底部の外周側には、上述した駆動電極１１対応してパッド電極Ｑ１１、Ｑ１１が設けられている。駆動電極１２に対応してパッド電極Ｑ１２、Ｑ１２が設けられている。センサー電極１３に対応してＱ１３が設けられたいる。また、上述した電源パッドＰ１、接地パッドＰ２、信号パッドＰ３に対応してパッド電極Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が設けられている。電気回路チップ４０のパッケージの中央部には、アクチュエーター１の制御を行うＩＣチップが配置されている。
【００４４】
電気回路チップ４０とアクチュエーター１（あるいは電解質膜１０）との電気的接続（張り合わせ）には種々の方法を適用できるが、例えば、電解質膜１０を高温状態にせずに済む剥離層転写法を使用すると都合がよい。剥離層転写法は、例えば、石英ガラスなどの耐熱基板上に剥離層を形成し、この上に半導体膜を成膜し、半導体回路を（高温プロセスで）形成する。形成された半導体層をプラスチックフィルム等の（低耐熱性）対象体に貼り合わせ、剥離層を破壊して耐熱基板を分離し、半導体層を対象体に転写する。接合には導電性接着剤、異方性導電膜、超音波ボンデイング、圧着、はんだ付けなどを使用することが出来る。このような剥離層転写法は、例えば、特開平１１−３１２８１１号公報などによって詳細に説明されているのでその説明を省略する。
【００４５】
以上説明したように、本発明の実施例によれば高分子アクチュエーターに電気回路チップが直接設けられているので、配線の引き回しを最小限にすることができ、パワーロスや信号ロスが少ない。センサー電極の出力が低レベルであってもアクチュエーターを制御することができるので具合がよい。
また、制御系がアクチュエーター内に収まるので小型である。センサーのコストも安くて済む。このセンサー電極が形成されたアクチュエーターを使用することによってロボットアームなどのアクチュエーター構造体を小型に構成し得る。
【００４６】
なお、上記実施例では、センサー電極は一方向に延在し、この方向におけるアクチュエーターの湾曲（曲がり）に対応した一つの出力を発生するが、これに限定されない。
【００４７】
また、印加圧力に応じた電圧を発生するＰＺＴ等の圧電素子や歪みゲージなどの抵抗値変化素子をセンサー電極の代わりに電解質膜上に使用しても同様の効果を期待可能である。
【００４８】
また本発明は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で広く適用が可能であり、電解質アクチュエーター材料以外にも、圧電アクチュエーター材料、電歪アクチュエーター材料等を用いたアクチュエーターに適用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  アクチュエーター、１０  電解質膜、１１，１２  駆動電極、１３  センサー電極、３０  駆動制御系、３１  増幅器、３２  比較器、３３  駆動回路、４０  電気回路チップ、Ｐ１〜Ｐ３  パッド電極、Ｑ１〜Ｑ３  パッド電極、Ｑ１１，Ｑ１２  パッド電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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