(57)【要約】【課題】小型で、高速応答性に優れ、大きく変位することが可能なアクチュエーターを提供すること、このようなアクチュエーターを容易に製造可能な製造方法を提供すること。【解決手段】本発明のアクチュエーターは、複数の電極１１と、複数のカチオン交換樹脂膜１２と、複数のアニオン交換樹脂膜１３と、の積層体で構成され、カチオン交換樹脂膜１２とアニオン交換樹脂膜１３とが交互に積層されており、カチオン交換樹脂膜１２およびアニオン交換樹脂膜１３は、それぞれ、２つの電極１１で挟持されており、隣り合うカチオン交換樹脂膜１２とアニオン交換樹脂膜１３との間の電極１１が、同じ極性となるように電圧が印加されることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極と、
複数のカチオン交換樹脂膜と、
複数のアニオン交換樹脂膜と、の積層体で構成され、
前記カチオン交換樹脂膜と前記アニオン交換樹脂膜とが交互に積層されており、
前記カチオン交換樹脂膜および前記アニオン交換樹脂膜は、それぞれ、２つの前記電極で挟持されており、
隣り合う前記カチオン交換樹脂膜と前記アニオン交換樹脂膜との間の前記電極が、同じ極性となるように電圧が印加されることを特徴とするアクチュエーター。
【請求項２】
前記カチオン交換樹脂膜の平均厚さは、２０μｍ以上１０００μｍ以下である請求項１に記載のアクチュエーター。
【請求項３】
前記アニオン交換樹脂膜の平均厚さは、２０μｍ以上１０００μｍ以下である請求項１または２に記載のアクチュエーター。
【請求項４】
前記カチオン交換樹脂膜は、フッ素系イオン交換樹脂で構成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアクチュエーター。
【請求項５】
前記アニオン交換樹脂膜は、炭素系イオン交換樹脂で構成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアクチュエーター。
【請求項６】
被覆膜で被覆されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアクチュエーター。
【請求項７】
前記被覆膜の平均厚さは、０．１μｍ以上１００μｍ以下である請求項６に記載のアクチュエーター。
【請求項８】
前記複数のカチオン交換樹脂膜の各々は第１の端部、第２の端部、前記第１の端部の側の厚みの方向に対向する第１面および第２面、前記第２の端部の側の厚みの方向に対向する第３面および第４面を含み、前記第１面と前記第２面との間隔は前記第３面と前記第４面との間隔より短く、
前記複数のアニオン交換樹脂膜の各々は第３の端部、第４の端部、前記第３の端部の側の厚みの方向に対向する第５面および第６面、前記第４の端部の側の厚みの方向に対向する第７面および第８面を含み、前記第５面と前記第６面との間隔は前記第７面と前記第８面との間隔より短く、
前記複数の電極のうちの第１電極は前記第１面および前記第３面に配置され、
前記複数の電極のうちの第２電極は前記第２面および前記第４面に配置され、
前記複数の電極のうちの第３電極は前記第５面および前記第７面に配置され、
前記複数の電極のうちの第４電極は前記第６面および前記第８面に配置され、
前記第２電極と前記第３電極とは前記第２の端部および前記第４の端部の側で接し、
前記複数の電極のうちの第５電極は前記第１の端部および前記第３の端部の側で前記第２電極と前記第３電極との間に配置される請求項１ないし７のいずれかに記載のアクチュエーター。
【請求項９】
請求項８に記載のアクチュエーターの製造方法であって、
前記複数のカチオン交換樹脂膜の各々の前記第１の端部の側の厚みが前記第２の端部の側の厚みより薄くなるよう成形する工程と、
前記複数のアニオン交換樹脂膜の各々の前記第３の端部の側の厚みが前記第４の端部の側の厚みより薄くなるよう成形する工程と、
前記複数のカチオン交換樹脂膜の各々の前記第１面および前記第３面、前記第２面および前記第４面に、それぞれ第１電極、第２電極を形成する工程と、
前記複数のアニオン交換樹脂膜の各々の前記第５面および第７面、前記第６面および前記第８面に、それぞれ第３電極、第４電極を形成する工程と、
前記複数のカチオン交換樹脂膜の各々と前記複数のアニオン交換樹脂膜の各々とを、交互に、かつ、前記第３面と前記第８面とが前記第１電極と前記第４電極とを介して、前記第４面と前記第７面とが前記第２電極と前記第３電極とを介して接するように接合する工程と、
前記第１の端部と前記第３の端部の側の、前記第１電極と前記第４電極との間に、および、前記第２電極と前記第３電極との間に、それぞれ、第５電極を挿入する工程と、を含むことを特徴とするアクチュエーターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエーターおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野やマイクロマシン分野等において、小型のアクチュエーターの必要性が高まっている。
このような小型のアクチュエーターは、小型であるとともに、低電圧で駆動することが求められている。このような低電圧化を実現するために種々の試みが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来より知られている小型アクチュエーターは、イオンの移動により材料が収縮・膨潤するイオン交換膜を用いたものが主流である。
このようなアクチュエーターにおいて、変位量を大きくするためにイオン交換膜の厚さを大きくすると、イオンの拡散速度により動作が支配されるため、高速応答性が得られないといった問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−７９１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、小型で、高速応答性に優れ、大きく変位することが可能なアクチュエーターを提供すること、このようなアクチュエーターを容易に製造可能な製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のアクチュエーターは、複数の電極と、
複数のカチオン交換樹脂膜と、
複数のアニオン交換樹脂膜と、の積層体で構成され、
前記カチオン交換樹脂膜と前記アニオン交換樹脂膜とが交互に積層されており、
前記カチオン交換樹脂膜および前記アニオン交換樹脂膜は、それぞれ、２つの前記電極で挟持されており、
隣り合う前記カチオン交換樹脂膜と前記アニオン交換樹脂膜との間の前記電極が、同じ極性となるように電圧が印加されることを特徴とする。
これにより、小型で、高速応答性に優れ、大きく変位することが可能なアクチュエーターを提供することができる。
【０００７】
本発明のアクチュエーターでは、前記カチオン交換樹脂膜の平均厚さは、２０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。
これにより、応答速度をより速いものとしつつ、変位量をより大きくすることができる。
本発明のアクチュエーターでは、前記アニオン交換樹脂膜の平均厚さは、２０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。
これにより、応答速度をより速いものとしつつ、変位量をより大きくすることができる。
【０００８】
本発明のアクチュエーターでは、前記カチオン交換樹脂膜は、フッ素系イオン交換樹脂で構成されていることが好ましい。
これにより、応答速度をより速いものとすることができる。
本発明のアクチュエーターでは、前記アニオン交換樹脂膜は、炭素系イオン交換樹脂で構成されていることが好ましい。
これにより、応答速度をより速いものとすることができる。
【０００９】
本発明のアクチュエーターでは、被覆膜で被覆されていることが好ましい。
これにより、アクチュエーターの耐久性をより高いものとすることができる。
本発明のアクチュエーターでは、前記被覆膜の平均厚さは、０．１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
これにより、アクチュエーターの応答性を阻害することなく、アクチュエーターの耐久性をより高いものとすることができる。
【００１０】
本発明のアクチュエーターでは、前記複数のカチオン交換樹脂膜の各々は第１の端部、第２の端部、前記第１の端部の側の厚みの方向に対向する第１面および第２面、前記第２の端部の側の厚みの方向に対向する第３面および第４面を含み、前記第１面と前記第２面との間隔は前記第３面と前記第４面との間隔より短く、
前記複数のアニオン交換樹脂膜の各々は第３の端部、第４の端部、前記第３の端部の側の厚みの方向に対向する第５面および第６面、前記第４の端部の側の厚みの方向に対向する第７面および第８面を含み、前記第５面と前記第６面との間隔は前記第７面と前記第８面との間隔より短く、
前記複数の電極のうちの第１電極は前記第１面および前記第３面に配置され、
前記複数の電極のうちの第２電極は前記第２面および前記第４面に配置され、
前記複数の電極のうちの第３電極は前記第５面および前記第７面に配置され、
前記複数の電極のうちの第４電極は前記第６面および前記第８面に配置され、
前記第２電極と前記第３電極とは前記第２の端部および前記第４の端部の側で接し、
前記複数の電極のうちの第５電極は前記第１の端部および前記第３の端部の側で前記第２電極と前記第３電極との間に配置されることが好ましい。
これにより、さらに小型で、高速応答性に優れ、大きく変位することが可能なアクチュエーターを提供することができる。
【００１１】
本発明のアクチュエーターの製造方法は、請求項８に記載のアクチュエーターの製造方法であって、
前記複数のカチオン交換樹脂膜の各々の前記第１の端部の側の厚みが前記第２の端部の側の厚みより薄くなるよう成形する工程と、
前記複数のアニオン交換樹脂膜の各々の前記第３の端部の側の厚みが前記第４の端部の側の厚みより薄くなるよう成形する工程と、
前記複数のカチオン交換樹脂膜の各々の前記第１面および前記第３面、前記第２面および前記第４面に、それぞれ第１電極、第２電極を形成する工程と、
前記複数のアニオン交換樹脂膜の各々の前記第５面および第７面、前記第６面および前記第８面に、それぞれ第３電極、第４電極を形成する工程と、
前記複数のカチオン交換樹脂膜の各々と前記複数のアニオン交換樹脂膜の各々とを、交互に、かつ、前記第３面と前記第８面とが前記第１電極と前記第４電極とを介して、前記第４面と前記第７面とが前記第２電極と前記第３電極とを介して接するように接合する工程と、
前記第１の端部と前記第３の端部の側の、前記第１電極と前記第４電極との間に、および、前記第２電極と前記第３電極との間に、それぞれ、第５電極を挿入する工程と、を含むことを特徴とする。
これにより、さらに小型で、高速応答性に優れ、大きく変位することが可能なアクチュエーターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のアクチュエーターの第１実施形態を示す断面図である。
【図２】第１実施形態に係るアクチュエーターの駆動状態を示す模式図である。
【図３】本発明のアクチュエーターの第２実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明のアクチュエーターの製造方法の一例を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
《アクチュエーターの第１実施形態》
まず、本発明のアクチュエーターの第１実施形態について説明する。
図１は、本発明のアクチュエーターの第１実施形態を示す断面図、図２は、第１実施形態に係るアクチュエーターの駆動状態を示す模式図である。
【００１４】
アクチュエーター１は、複数の電極１１と、複数のカチオン交換樹脂膜１２と、複数のアニオン交換樹脂膜１３とが積層した積層体で構成されている。本実施形態では、図１に示すように、４つのカチオン交換樹脂膜１２と、３つのアニオン交換樹脂膜１３と、８つの電極１１とで構成されている。
アクチュエーター１は、図１に示すように、カチオン交換樹脂膜１２とアニオン交換樹脂膜１３とが交互に積層されている。
【００１５】
そして、カチオン交換樹脂膜１２とアニオン交換樹脂膜１３との間に、１つの電極１１が配されている。
また、カチオン交換樹脂膜１２およびアニオン交換樹脂膜１３は、２つの電極１１で、それぞれ挟持されている。
言い換えると、アクチュエーター１は、電極１１、カチオン交換樹脂膜１２、電極１１、アニオン交換樹脂膜１３、電極１１、カチオン交換樹脂膜１２、電極１１、…、アニオン交換樹脂膜１３、電極１１の順に積層されている。
【００１６】
電極１１は、電源に接続されており、カチオン交換樹脂膜１２、アニオン交換樹脂膜１３に電圧を印加する機能を有している。
電極１１を構成する材料としては、金、白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム等の金属、炭素繊維、各種導電性高分子等が挙げられる。
カチオン交換樹脂膜１２は、電圧を印加することにより、電源の正極側に接続した電極１１側に屈曲する。これは、カチオン交換樹脂膜１２において、負極側への陽イオンの移動にともなって、水分子も移動し、負極側が膨潤し、正極側が収縮することにより生じる。
【００１７】
カチオン交換樹脂膜１２を構成するカチオン交換樹脂としては、特に限定されないが、フッ素系イオン交換樹脂を用いるのが好ましい。これにより、応答速度をより速いものとしつつ、変位量をより大きくすることができる。
フッ素系イオン交換樹脂としては、例えば、ナフィオン（デュポン社の商品名）、フレミオン（旭硝子社の商品名）等を挙げることができる。
【００１８】
このようなカチオン交換樹脂膜１２の平均厚さは２０μｍ以上１０００μｍ以下であるのが好ましく、１００μｍ以上５００μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、応答速度をより速いものとしつつ、変位量をより大きくすることができる。
アニオン交換樹脂膜１３は、電圧を印加することにより、電源の負極側に接続した電極１１側に屈曲する。これは、アニオン交換樹脂膜１３において、正極側への陰イオンの移動にともなって、水分子も移動し、正極側が膨潤し、負極側が収縮することにより生じる。
【００１９】
アニオン交換樹脂膜１３を構成するアニオン交換樹脂としては、特に限定されないが、炭素系イオン交換樹脂を用いるのが好ましい。これにより、応答速度をより速いものとしつつ、変位量をより大きくすることができる。
炭素系イオン交換樹脂としては、例えば、アシプレックス（旭化成社の商品名）等を挙げることができる。
【００２０】
このようなアニオン交換樹脂膜１３の平均厚さは、２０μｍ以上１０００μｍ以下であるのが好ましく、１００μｍ以上５００μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、応答速度をより速いものとしつつ、変位量をより大きくすることができる。
また、アクチュエーター１は、全体が被覆膜で被覆されているのが好ましい。これにより、これにより、各イオン交換樹脂膜内の水分の蒸発を防止することができ、アクチュエーター１の耐久性をより高いものとすることができる。
【００２１】
被覆膜を構成する材料としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポリアミド、ポリエーテルアミド、ポリウレタン、フッ素樹脂、シリコーンゴム等を挙げることができる。
このような被覆膜の平均厚さは、０．１μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましく、１μｍ以上１０μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、アクチュエーターの応答性を阻害することなく、アクチュエーターの耐久性をより高いものとすることができる。
【００２２】
このような構成のアクチュエーター１において、電極に電圧を印加すると、カチオン交換樹脂膜１２およびアニオン交換樹脂膜１３が同じ方向に屈曲するものとなり（図２の実線）、アクチュエーター１全体が大きく屈曲する。また、薄いイオン交換樹脂を用いているので、イオンの移動速度を低下が生じることが防止され、応答速度を速くすることができる。また、電源の正負を切り替えることにより、図２に示すように、アクチュエーター１は、屈曲方向を変化させることができる。
【００２３】
以上、本実施形態のアクチュエーター１について説明したが、本発明のアクチュエーターは、これに限定されない。例えば、上記説明では、アクチュエーター１が、４つのカチオン交換樹脂膜１２と、３つのアニオン交換樹脂膜１３と、８つの電極１１とで構成されているものとして説明したが、カチオン交換樹脂膜１２、アニオン交換樹脂膜１３、電極１１は、複数あればよく、その数は限定されない。
【００２４】
《アクチュエーターの第２実施形態》
次に、本発明のアクチュエーターの第２実施形態について説明する。
図３は、本発明のアクチュエーターの第２実施形態を示す断面図である。
本実施形態のアクチュエーター１’は、前述した実施形態と同様に、複数の電極１１と、複数のカチオン交換樹脂膜１２と、複数のアニオン交換樹脂膜１３とが積層した積層体で構成されている。本実施形態では、図３に示すように、４つのカチオン交換樹脂膜１２と、３つのアニオン交換樹脂膜１３と、１４つの電極１１とで構成されている。
【００２５】
アクチュエーター１’は、前述した実施形態と同様に、カチオン交換樹脂膜１２とアニオン交換樹脂膜１３とが交互に積層されている。
そして、カチオン交換樹脂膜１２とアニオン交換樹脂膜１３との間には、前述した実施形態と異なり、２つの電極１１が配されている。
すなわち、アクチュエーター１’は、２つの電極１１で挟持されたカチオン交換樹脂膜１２と、２つの電極１１で挟持されたアニオン交換樹脂膜１３とが、交互に積層した構成となっている。
このような構成とすることにより、高速応答性に優れ、大きく変位することが可能なアクチュエーター１’を提供することができるとともに、そのようなアクチュエーター１’を容易に製造することができる。
【００２６】
《アクチュエーター１’の製造方法》
次に、上記アクチュエーター１’の製造方法の一例について説明する。
図４は、アクチュエーターの製造方法の一例を示す工程図である。
まず、４つのカチオン交換樹脂膜１２と、３つのアニオン交換樹脂膜１３とを用意する。図中、カチオン交換樹脂膜１２の上方を第１の端部、下方を第２の端部ともいい、アニオン交換樹脂膜１３の上方を第３の端部、下方を第４の端部ともいう。また、第１の端部の左面を第１面、右面を第２面ともいい、第２の端部の左面を第３面、右面を第４面ともいい、さらに、第３の端部の左面を第５面、右面を第６面ともいい、第４の端部の左面を第７面、右面を第８面ともいう。
【００２７】
次に、図４（ａ）に示すように、各膜の一方の端部（第１の端部および第３の端部）をプレス成形等によって、その一部の厚さが薄くなるように成型する。
次に、４つのカチオン交換樹脂膜１２と、３つのアニオン交換樹脂膜１３の両面に一対の電極１１を形成する（図４（ｂ））。図中、第１面および第３面に配された電極１１を第１電極、第２面および第４面に配された電極１１を第２電極、第５面および第７面に配された電極１１を第３電極、第６面および第８面に配された電極１１を第４電極ともいう。
【００２８】
カチオン交換樹脂膜１２として、ナフィオン（デュポン社の商品名）を用いた場合、例えば、以下のようにして電極１１（金メッキ）を形成することができる。
金の錯体であるジクロロフェナントロリン金の水溶液に、上記のように端部の一部を成型したナフィオン（カチオン交換樹脂膜１２）を１２時間程度浸漬して、イオン交換により、金錯体イオンを膜中に吸着させる。その後、６０℃の亜硫酸ナトリウム水溶液に５時間程度浸漬し、還元作用により各膜表面に金をメッキし、電極１１を形成する。
【００２９】
一方、アニオン交換樹脂膜１３として、アシプレックス（旭化成社の商品名）を用いた場合、例えば、以下のようにして電極１１（金メッキ）を形成することができる。
金の錯体であるテトラクロロ金（III）酸  （ＨＡｕＣｌ４）の水溶液にアシプレックス膜（アニオン交換樹脂膜１３）を１２時間程度浸漬して、イオン交換により、金錯体イオンを膜中に吸着させる。その後、６０℃のアスコルビン酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ  ａｓｃｏｒｂａｔｅ）水溶液に５時間程度浸漬し、還元作用により膜表面に金をメッキし、電極１１を形成する。
【００３０】
次に、図４（ｃ）に示すように、両面に電極１１を形成したカチオン交換樹脂膜１２およびアニオン交換樹脂膜１３を、交互に接合する。すなわち、第３面と第８面とが第１電極と第４電極とを介して、第４面と第７面とが第２電極と第３電極とを介して接する。この際、上記のように成型したカチオン交換樹脂膜１２およびアニオン交換樹脂膜１３の一部で形成される空間に、電極１１と電源とを接続するための端子１４（第５電極）を挿入する。すなわち、第１の端部と第３の端部の側の第１電極と第４電極との間に、および、第２電極と第３電極との間に、それぞれ、第５電極を挿入する。
【００３１】
なお、カチオン交換樹脂膜１２およびアニオン交換樹脂膜１３の接合は、例えば、公知の導電性接着剤を用いて行うことができる。
その後、必要に応じて被覆膜で被覆した後、電源と、端子１４（第５電極）とを電気的に接続することにより、アクチュエーター１’を得る。
以上、本発明について、好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３２】
１…アクチュエーター  １’アクチュエーター  １１…電極  １２…カチオン交換樹脂膜  １３…アニオン交換樹脂膜  １４…端子（第５電極）
【図１】
2013062964.tif 000003
【図２】
2013062964.tif 000004
【図３】
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【図４】
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