JP2013034313A - Actuator device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学反応により作動するアクチュエータ素子を有するアクチュエータ装置に関する。 The present invention relates to an actuator device having an actuator element that operates by an electrochemical reaction.
空気中や真空中で作動可能なアクチュエータ素子として、伸縮性のある電極層を有するアクチュエータ素子が提案されている（例えば特許文献１、２を参照）。
図５は、このアクチュエータ素子を用いたアクチュエータ装置の例を示すもので、ここに示すアクチュエータ装置４０は、アクチュエータ素子１と、アクチュエータ素子１に接続された電極２Ａ、２Ｂと、電極２Ａ、２Ｂに接続された電源３とを備えている。
アクチュエータ素子１は、イオン伝導層４の一方および他方の面に、それぞれ伸縮性のある電極層５Ａ、５Ｂを備えている。
電極２Ａ、２Ｂは、先端２Ａａ、２Ｂａが電極層５Ａ、５Ｂの外面５Ａａ、５Ｂａに当接することにより電極層５Ａ、５Ｂに電気的に接続されている。
電極２Ａ、２Ｂと電極層５Ａ、５Ｂとの接続には半田付けが用いられていないため、半田付け時の高温により電極層５Ａ、５Ｂが破損することはない。
アクチュエータ装置４０は、電源３により電極２Ａ、２Ｂ間に電位差がかかると、図５に２点鎖線で示すように、電極層５Ａ、５Ｂが伸縮することによりアクチュエータ素子１に曲げ変形が生じる。
As actuator elements that can be operated in air or in vacuum, actuator elements having a stretchable electrode layer have been proposed (see, for example,
FIG. 5 shows an example of an actuator device using this actuator element. The
The
The
Since the soldering is not used for the connection between the
In the
しかしながら、アクチュエータ装置４０では、アクチュエータ素子１の変位や振動などによって、電極２Ａ、２Ｂと電極層５Ａ、５Ｂとの接触が不十分となり、電極２Ａ、２Ｂとアクチュエータ素子１との間の接続信頼性が低下するおそれがあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電極とアクチュエータ素子との接続信頼性を高めることができるアクチュエータ装置を提供することを目的とする。
However, in the
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an actuator device that can improve the connection reliability between an electrode and an actuator element.
上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を提供する。
本発明は、イオン伝導層とその両面にそれぞれ形成された一対の電極層とを有するアクチュエータ素子と、前記アクチュエータ素子の電極層にそれぞれ電気的に接続された一対の電極と、を備え、前記電極によって電位差が与えられることにより前記電極層が伸長または収縮することによって、前記アクチュエータ素子が厚さ方向に曲げ変形可能であり、前記電極は、前記アクチュエータ素子に、導電性ペーストからなる導電接合部を介して固定されているアクチュエータ装置を提供する。
前記イオン伝導層は、イオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなることが好ましい。
前記電極層は、カーボンナノチューブとイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなることが好ましい。
本発明のアクチュエータ装置は、前記電極がフレキシブルプリント基板であり、前記アクチュエータ素子の外面に対面させて設けられている構成とすることができる。
本発明のアクチュエータ装置は、前記電極が、前記電極層の外面に前記導電接合部を介して固定されている構成としてよい。
本発明のアクチュエータ装置は、前記電極層の外面に導電層が形成され、前記電極が、前記導電層の外面に前記導電接合部を介して固定されている構成としてよい。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following configuration.
The present invention comprises an actuator element having an ion conductive layer and a pair of electrode layers formed on both sides thereof, and a pair of electrodes electrically connected to the electrode layers of the actuator element, respectively, The actuator element can be bent and deformed in the thickness direction by extending or contracting the electrode layer by applying a potential difference by the electrode, and the electrode has a conductive joint made of a conductive paste on the actuator element. An actuator device is provided that is fixed via the actuator.
The ion conductive layer is preferably made of a gel composition containing an ionic liquid and a polymer.
The electrode layer is preferably made of a gel composition containing carbon nanotubes, an ionic liquid, and a polymer.
The actuator device according to the present invention may be configured such that the electrode is a flexible printed circuit board and is provided facing the outer surface of the actuator element.
The actuator device according to the present invention may be configured such that the electrode is fixed to the outer surface of the electrode layer via the conductive joint portion.
The actuator device of the present invention may be configured such that a conductive layer is formed on the outer surface of the electrode layer, and the electrode is fixed to the outer surface of the conductive layer via the conductive joint.
本発明によれば、電極が、導電性ペーストからなる導電接合部を介してアクチュエータ素子に固定されているため、アクチュエータ素子が変位したり、振動が加えられた場合においても、電極とアクチュエータ素子との電気的接続を確保できる。
従って、電極とアクチュエータ素子との間の接続信頼性を高めることができる。
According to the present invention, since the electrode is fixed to the actuator element via the conductive joint made of the conductive paste, even when the actuator element is displaced or vibrated, the electrode and the actuator element Can be secured.
Therefore, the connection reliability between the electrode and the actuator element can be improved.
（第一の実施形態）
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明のアクチュエータ装置の第１の実施形態であるアクチュエータ装置１０を示すもので、ここに示すアクチュエータ装置１０は、アクチュエータ素子１と、アクチュエータ素子１に接続された一対の電極２Ａ、２Ｂと、電極２Ａ、２Ｂに接続された電源３とを備えている。
アクチュエータ素子１は、イオン伝導層４と、その一方および他方の面にそれぞれ形成された伸縮性のある電極層５Ａ、５Ｂとを有する。
(First embodiment)
The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an
The
イオン伝導層４は、例えばイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなる。
イオン性液体は、例えば常温溶融塩であり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態となる。イオン性液体の導電率は０．１Ｓｍ−１以上が好ましい。
イオン性液体としては、下記の一般式（Ｉ）〜（ＩＶ）で表わされるカチオン（好ましくは、イミダゾリウムイオン）と、アニオン（Ｘ−）からなるものを例示することができる。
The ion
The ionic liquid is, for example, a normal temperature molten salt, and is in a molten state in a wide temperature range including normal temperature (room temperature). The conductivity of the ionic liquid is preferably 0.1 Sm −1 or more.
The ionic liquids (preferably an imidazolium ion) are cations represented by the following general formula (I) ~ (IV) and the anion - can be exemplified those composed of (X).
［ＮＲｘＨ４−ｘ］＋ （ＩＩＩ）
［ＰＲｘＨ４−ｘ］＋ （ＩＶ）
上記の式（Ｉ）〜（ＩＶ）において、Ｒは炭素数１〜１２のアルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３〜１２のアルキル基を示し、式（Ｉ）においてＲ１は炭素数１〜４のアルキル基または水素原子を示す。式（Ｉ）において、ＲとＲ１は同一ではないことが好ましい。式（ＩＩＩ）および（ＩＶ）において、ｘはそれぞれ１〜４の整数である。
[NR x H 4-x ] + (III)
[PR x H 4-x ] + (IV)
In the above formulas (I) to (IV), R represents an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or an alkyl group having an ether bond and a total number of carbon and oxygen of 3 to 12, and in formula (I), R 1 Represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or a hydrogen atom. In the formula (I), R and R 1 are preferably not the same. In formula (III) and (IV), x is an integer of 1-4, respectively.
アニオン（Ｘ−）としては、テトラフルオロホウ酸アニオン、ヘキサフルオロリン酸アニオン、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド酸アニオン、過塩素酸アニオン、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）炭素酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、ジシアンアミドアニオン、トリフルオロ酢酸アニオン、有機カルボン酸アニオンおよびハロゲンイオンより選ばれる少なくとも１種が好ましい。 Examples of the anion (X − ) include a tetrafluoroborate anion, a hexafluorophosphate anion, a bis (trifluoromethanesulfonyl) imidate anion, a perchlorate anion, a tris (trifluoromethanesulfonyl) carbonate anion, and a trifluoromethanesulfonate anion. , Dicyanamide anion, trifluoroacetate anion, organic carboxylate anion and halogen ion are preferred.
イオン伝導層４を構成するゲル状組成物に使用できるポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ，ナフィオン）、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などが挙げられる。
イオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物におけるイオン性液体とポリマーの配合比（質量比）は、イオン性液体：ポリマー＝１：２〜４：１が好ましく、イオン性液体：ポリマー＝１：１〜２：１がより好ましい。
前記ポリマーは、電極層５Ａ、５Ｂにも使用できる。
Polymers that can be used in the gel composition constituting the ion
The mixing ratio (mass ratio) of the ionic liquid and the polymer in the gel composition containing the ionic liquid and the polymer is preferably ionic liquid: polymer = 1: 2 to 4: 1, and the ionic liquid: polymer = 1. : 1-2: 1 is more preferable.
The polymer can also be used for the
電極層５Ａ、５Ｂは、例えばカーボンナノチューブとイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなり、導電性があり電気応答伸縮活性を有する。
カーボンナノチューブは、グラフェンシートを筒形とした炭素系材料であり、その周壁の構成数から単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）と多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）とがある。また、グラフェンシートの構造の違いからカイラル（らせん）型、ジグザグ型、およびアームチェア型などがある。
カーボンナノチューブは、アスペクト比が大きいとゲルが形成し易くなる傾向があるため、単層ナノチューブが好ましい。
The
The carbon nanotube is a carbon-based material in which a graphene sheet is formed into a cylindrical shape, and includes a single-walled nanotube (SWNT) and a multi-walled nanotube (MWNT) based on the number of peripheral walls. Moreover, there are a chiral type, a zigzag type, and an armchair type because of the difference in the structure of the graphene sheet.
Since the carbon nanotube has a tendency to easily form a gel when the aspect ratio is large, the single-walled nanotube is preferable.
カーボンナノチューブとイオン性液体とからなるゲル（カーボンナノチューブゲル）におけるカーボンナノチューブの配合割合は、カーボンナノチューブ／ゲル＝１〜４０質量％が好ましく、カーボンナノチューブ／ゲル＝５〜２０質量％がより好ましい。
カーボンナノチューブゲルに対するポリマーの配合比は、ゲル：ポリマー＝１：２〜４：１が好ましく、ゲル：ポリマー＝１：１〜２：１がより好ましい。
電極層５Ａ、５Ｂは、相互に絶縁状態となるように形成されている。
イオン伝導層４および電極層５Ａ、５Ｂの厚さは、１０〜５００μｍ（好ましくは５０〜２００μｍ）が好適である。
The compounding ratio of the carbon nanotubes in the gel composed of carbon nanotubes and ionic liquid (carbon nanotube gel) is preferably carbon nanotubes / gel = 1 to 40% by mass, and more preferably carbon nanotubes / gel = 5 to 20% by mass.
The compounding ratio of the polymer to the carbon nanotube gel is preferably gel: polymer = 1: 2 to 4: 1, and more preferably gel: polymer = 1: 1 to 2: 1.
The
The thickness of the ion
電極２Ａ、２Ｂは、金属などの導電性材料からなり、先端２Ａａ、２Ｂａに向かって厚さ寸法（または径）が小さくなる形状であり、図示例では、先端２Ａａ、２Ｂａが電極層５Ａ、５Ｂの上部の外面５Ａａ、５Ｂａ（アクチュエータ素子１の外面）に当接または近接している。
The
電極２Ａ、２Ｂの先端２Ａａ、２Ｂａを含む部分は、導電性ペーストからなる導電接合部６により外面５Ａａ、５Ｂａに固定されている。電極２Ａ、２Ｂの先端２Ａａ、２Ｂａを含む部分は、導電接合部６に埋め込まれた状態となっており、これによって、電極２Ａ、２Ｂは、導電接合部６を介して電極層５Ａ、５Ｂに電気的に接続されている。
The portions including the tips 2Aa and 2Ba of the
導電性ペーストは、導電粒子とバインダ樹脂とを含むものが用いられる。導電粒子は金属（銀、銅、ニッケル、金、錫など）やカーボンなどの導電性物質からなる粒子または粉体である。
バインダ樹脂としては、飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などが使用できる。
導電粒子は、バインダ樹脂１００質量部に対して好ましくは２３０〜１９００質量部、より好ましくは４００〜９００質量部添加することができる。
As the conductive paste, a paste containing conductive particles and a binder resin is used. The conductive particles are particles or powder made of a conductive material such as metal (silver, copper, nickel, gold, tin, etc.) or carbon.
As the binder resin, a saturated polyester resin, an acrylic resin, an epoxy resin, or the like can be used.
The conductive particles can be added in an amount of preferably 230 to 1900 parts by mass, more preferably 400 to 900 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the binder resin.
導電接合部６は、導電性ペーストを印刷などにより塗布することによって形成することができる。導電性ペーストは、導電粒子およびバインダ樹脂のほか、溶剤を含んでいてもよい。溶剤としては、エタノール、プロパノールなどがある。
導電性ペーストは、例えば１２０℃〜１８０℃で乾燥されることによって溶剤が除去され、固化するとともに、導電粒子どうしが互いに接触することにより高い導電性が得られる。
The conductive joint 6 can be formed by applying a conductive paste by printing or the like. The conductive paste may contain a solvent in addition to the conductive particles and the binder resin. Examples of the solvent include ethanol and propanol.
The conductive paste is dried at, for example, 120 ° C. to 180 ° C. to remove the solvent and solidify, and high conductivity can be obtained by bringing the conductive particles into contact with each other.
図１に示すように、アクチュエータ装置１０は、電源３により電極２Ａ、２Ｂ間に電位差がかかると、導電接合部６を介して電極層５Ａ、５Ｂに電位差がかかる。電極２Ａ、２Ｂには、例えば０．５〜３Ｖの直流電圧をかけることができる。
電極層５Ａ、５Ｂに電位差がかかると、２点鎖線で示すように、電極層５Ａ、５Ｂが伸長または収縮することによりアクチュエータ素子１には曲げ変形が生じる。
As shown in FIG. 1, in the
When a potential difference is applied to the electrode layers 5A and 5B, bending deformation occurs in the
図２は、アクチュエータ素子１の動作を説明する図である。
電極層５Ａ、５Ｂに電位差が加えられると、電極層５Ａ、５Ｂのカーボンナノチューブ相とイオン性液体相の界面に電気二重層が形成され、それによる界面応力によって電極層５Ａ、５Ｂが伸長または収縮する。
これによって、アクチュエータ素子１は、図２（ａ）に示す未変形状態から、図２（ｂ）に示すように、厚さ方向に曲げ変形した状態となる。
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the
When a potential difference is applied to the electrode layers 5A and 5B, an electric double layer is formed at the interface between the carbon nanotube phase and the ionic liquid phase of the electrode layers 5A and 5B, and the electrode layers 5A and 5B expand or contract due to the interfacial stress. To do.
As a result, the
アクチュエータ素子１は、陽極側（図２の左方）に曲げが生じやすい。陽極側に曲げが生じやすいのは、量子化学的効果によりカーボンナノチューブが陰極側で大きく伸びること、およびイオン性液体ではアニオンに比べてカチオンのイオン半径が大きいためその立体効果により陰極側がより大きく伸びること、などによると考えられる。
アクチュエータ素子１の先端１ａの変位量（例えば図２（ｂ）に示すＬ１）は、例えばアクチュエータ素子１の長さの０．５〜１倍であってよい。
アクチュエータ素子１は、空気中や真空中でも作動する。
The
The displacement amount (for example, L1 shown in FIG. 2B) of the
The
アクチュエータ装置１０は、電極２Ａ、２Ｂが導電接合部６を介して電極層５Ａ、５Ｂに固定されているため、アクチュエータ素子１が変位したり（図２（ｂ）参照）、振動が加えられた場合においても、電極２Ａ、２Ｂと電極層５Ａ、５Ｂとの間の電気的接続を確保できる。
従って、電極２Ａ、２Ｂとアクチュエータ素子１との間の接続信頼性を高めることができる。
また、電極２Ａ、２Ｂは導電性ペーストからなる導電接合部６によりアクチュエータ素子１に接続されるため、電極が素子に半田付けされる場合とは異なり、高熱によるアクチュエータ素子１の損傷を防止できる。
In the
Therefore, the connection reliability between the
Further, since the
（第二の実施形態）
図３は、本発明のアクチュエータ装置の第２の実施形態であるアクチュエータ装置２０を示すもので、ここに示すアクチュエータ装置２０は、電極１２Ａ、１２Ｂ以外は図１に示すアクチュエータ装置１０と同様の構成である。
電極１２Ａ、１２Ｂは、フレキシブルプリント基板であり、外面５Ａａ、５Ｂａから間隔をおいて、外面５Ａａ、５Ｂａに対面して設置されている。
図示例では、電極１２Ａ、１２Ｂは、内面１２Ａａ、１２Ｂａ下部が電極層５Ａ、５Ｂの外面５Ａａ、５Ｂ上部に一定の間隔をおいて対面している。
(Second embodiment)
FIG. 3 shows an
The
In the illustrated example, in the
電極１２Ａ、１２Ｂは、可撓性を有するフィルム状の基材１３の少なくとも内面（内面１２Ａａ、１２Ｂａ）に配線層（導電層）（図示略）が形成されている。基材１３は厚さ方向に曲げ変形可能である。
基材１３には、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステルなどの絶縁性の樹脂材料を使用できる。配線層は、金属（銅、アルミニウム等）などからなり、メッキなどにより基材１３表面に形成できる。
In the
For the
電極１２Ａ、１２Ｂの内面１２Ａａ、１２Ｂａは、導電性ペーストからなる導電接合部１６を介して外面５Ａａ、５Ｂａに固定されている。
導電接合部１６は、内面１２Ａａ、１２Ｂａの一部（外面５Ａａ、５Ｂａに対する対面領域の一部）と外面５Ａａ、５Ｂａとの間に設けられ、電極１２Ａ、１２Ｂの配線層と電極層５Ａ、５Ｂとを電気的に接続する。
The inner surfaces 12Aa and 12Ba of the
The
アクチュエータ装置２０は、電極１２Ａ、１２Ｂが導電接合部１６を介して電極層５Ａ、５Ｂに固定されているため、アクチュエータ素子１が変位したり（図３の２点鎖線を参照）、振動が加えられた場合においても、電極１２Ａ、１２Ｂと電極層５Ａ、５Ｂとの間の電気的接続は確保される。
また、電極１２Ａ、１２Ｂはフレキシブルプリント基板であるため、アクチュエータ素子１の変位に追従して容易に変形できることから、確実に電気的接続を確保できる。
従って、電極１２Ａ、１２Ｂとアクチュエータ素子１との間の接続信頼性を高めることができる。
In the
In addition, since the
Therefore, the connection reliability between the
（第三の実施形態）
図４は、本発明のアクチュエータ装置の第３の実施形態であるアクチュエータ装置３０を示すもので、ここに示すアクチュエータ装置３０は、アクチュエータ素子１の電極層５Ａ、５Ｂの外面５Ａａ、５Ｂａに、それぞれ導電層７Ａ、７Ｂが形成されていること以外は図１に示すアクチュエータ装置１０と同様の構成である。
(Third embodiment)
FIG. 4 shows an
導電層７Ａ、７Ｂは、金属（金、銀など）、カーボンナノチューブなどの導電性材料からなる。導電層７Ａ、７Ｂの厚さは例えば１０〜５０ｎｍである。導電層７Ａ、７Ｂの形成によって、アクチュエータ素子１の表面導電性が高められる。
電極２Ａ、２Ｂの先端２Ａａ、２Ｂａを含む部分は、導電性ペーストからなる導電接合部６により導電層７Ａ、７Ｂの外面７Ａａ、７Ｂａに固定されている。これによって、電極２Ａ、２Ｂは、導電接合部６および導電層７Ａ、７Ｂを介して電極層５Ａ、５Ｂに電気的に接続されている。
The
The portions including the tips 2Aa and 2Ba of the
アクチュエータ装置３０は、電極２Ａ、２Ｂが導電接合部６を介して導電層７Ａ、７Ｂに固定されているため、電極２Ａ、２Ｂとアクチュエータ素子１との間の接続信頼性を高めることができる。
In the
１・・・アクチュエータ素子、２Ａ、２Ｂ・・・電極、３・・・電源、４・・・イオン伝導層、５Ａ、５Ｂ・・・電極層、６、１６・・・導電接合部、７Ａ、７Ｂ・・・導電層。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記アクチュエータ素子の電極層にそれぞれ電気的に接続された一対の電極と、を備え、
前記電極によって電位差が与えられることにより前記電極層が伸長または収縮することによって、前記アクチュエータ素子が厚さ方向に曲げ変形可能であり、
前記電極は、前記アクチュエータ素子に、導電性ペーストからなる導電接合部を介して固定されていることを特徴とするアクチュエータ装置。 An actuator element having an ion conductive layer and a pair of electrode layers respectively formed on both sides thereof;
A pair of electrodes electrically connected to the electrode layers of the actuator element,
The actuator element can be bent and deformed in the thickness direction by extending or contracting the electrode layer by applying a potential difference by the electrode,
The actuator device, wherein the electrode is fixed to the actuator element through a conductive joint made of a conductive paste.
前記電極は、前記導電層の外面に前記導電接合部を介して固定されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載のアクチュエータ装置。 A conductive layer is formed on the outer surface of the electrode layer;
The actuator device according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrode is fixed to an outer surface of the conductive layer via the conductive joint portion.
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