JP2006025507A - 高分子アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電解液を確実に封入できるとともに、高分子アクチュエータの駆動時において、導電性高分子素子に作用するストレスを低減できる外装容器を提供する。
【解決手段】 電解液が封入されるとともに導電性高分子素子（20）が内蔵される外装容器（10）に伸縮部（30）を設ける。そして、導電性高分子素子（20）の変形時において、この変形方向と同方向に伸縮部（30）を変形させるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解液中に浸漬された導電性高分子素子を備えた高分子アクチュエータに係り、特に、上記電解液が封入される外装容器の構造に関するものである。

従来より、イオン交換樹脂や導電性高分子素子等の伸縮及び変形を駆動原理とする高分子アクチュエータが知られている（例えば特許文献１参照）。この高分子アクチュエータは、水などの電解液中に導電性高分子素子が浸漬された状態で、該導電性高分子素子に電位差を生じさせることで、導電性高分子素子を膨潤、縮小させるようにしている。具体的に、例えば導電性高分子素子に正の電圧を印加して陽極とする一方、電解液中に電極を設けて陰極とする場合には、電解液中の陰イオンが導電性高分子素子中へ移動し、導電性高分子素子が膨潤する。その結果、この導電性高分子素子が伸長変形する。また逆に、導電性高分子素子に負の電圧を印加して陰極とする一方、電解液中の電極を陽極とする場合には、導電性高分子素子中の陰イオンが電解液中に放出され、導電性高分子素子が縮小する。その結果、この導電性高分子素子が収縮変形する。以上のように、高分子アクチュエータは、電解質中に浸漬された導電性高分子素子の膨張、及び縮小変形を駆動原理としており、例えば医療器具の可動要素として活用する技術が提案されている。
特開２００２−３３０５９８号公報

しかしながら、上記特許文献１のような導電性高分子素子を利用した高分子アクチュエータは、上述のような膨張縮小変形を行うため、導電性高分子素子を電解液中に含浸させる必要がある。そのため、高分子アクチュエータの実設計においては、導電性高分子素子が内蔵されるとともに上記電解液が封入される外装容器が必要となる。よって、高分子アクチュエータを可動要素として利用する場合には、導電性高分子素子の変形と共に上記外装容器を変形させる必要がある。ところが、導電性高分子素子は、一般的にその変位量の割にその出力圧が小さいことが知られている。このため、導電性高分子素子の変形時に上記外装容器に作用する出力圧によって上記外装容器を変形させることが困難であった。したがって、高分子アクチュエータの駆動時において、所定の電位差によって要望する変位量を得ることが困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電解液を確実に封入できるとともに、高分子アクチュエータの駆動時において、導電性高分子素子に作用するストレスを低減できる外装容器を提供することである。

本発明は、導電性高分子素子及び電解液が内蔵される外装容器に伸縮部を設けるようにしたものである。

より具体的に、第１の発明は、電解液が封入される外装容器（10）と、該外装容器（10）に支持されて該電解液中に浸漬されるとともに電圧が印加されることで変形する導電性高分子素子（20）とを備えた高分子アクチュエータを前提としている。そして、この高分子アクチュエータは、上記外装容器（10）が、上記導電性高分子素子（20）の変形方向に伸縮変形する伸縮部（30）を備えているものである。

上記第１の発明では、外装容器（10）内に電解液が封入されるとともに、この電解液中に導電性高分子素子（20）が浸漬される。そして、導電性高分子素子（20）に所定の電圧が印加されることで、該導電性高分子素子（20）が膨潤又は縮小する。その結果、導電性高分子素子（20）が所定方向に変形する。

ここで、本発明では、導電性高分子素子（20）が内蔵される外装容器（10）に伸縮部（30）を設けている。このため、導電性高分子素子（20）が例えば所定方向に伸長し、外装容器（10）における導電性高分子素子（20）の支持部に外装容器（10)の外側方向への力が作用すると、この力によって外装容器（10）の伸縮部（30）が伸長変形する。一方、導電性高分子素子（20）が例えば所定方向に収縮し、外装容器（10）における導電性高分子素子（20）の支持部に外装容器（10）の内側方向へ力が作用すると、この力によって外装容器（10）の伸縮部（30）が収縮変形する。

第２の発明は、第１の発明の高分子アクチュエータにおいて、伸縮部（30）が導電性高分子素子（20）の変形方向に伸縮変形する蛇腹機構で構成されているものである。なお、ここで言う「蛇腹機構」は、波形ないしジグザグ形状に形成された部材であり、所定方向への力に対して容易に伸長、収縮変形するものである。

上記第２の発明では、伸縮部（30）が蛇腹機構で構成される。よって、導電性高分子素子（20）の変形時に外装容器（10）に力が作用すると、蛇腹機構（30）は、この力が作用する方向に容易に伸長、収縮する。

第３の発明は、第１又は第２の発明の高分子アクチュエータにおいて、伸縮部（30）が、弾性部材を有するものである。

上記第３の発明では、伸縮部（30）の少なくとも一部が弾性力を有する弾性部材で構成される。よって、導電性高分子素子（20）が変形し、外装容器（10）に所定方向の力が作用すると、伸縮部（30）の弾性部材が伸長、収縮する。

第４の発明は、第１から第３のいずれか１の発明の高分子アクチュエータにおいて、外装容器（10）が、導電性高分子素子（20）の一端が支持される第１端部（11）と、該導電性高分子素子（20）の他端が支持される第２端部（12）と、上記第１，第２端部（11,12）、及び上記導電性高分子素子（20）とで電解液の封入空間を形成する側面部（13）とを備え、導電性高分子素子（20）は、第１端部（11）と第２端部（12）とを結ぶ方向を変形方向として実質的に伸縮するように構成されているものである。

上記第４の発明では、導電性高分子素子（20）が外装容器（10）の第１端部（11）と第２端部（12）とに狭持されて保持される。そして、導電性高分子素子（20）に所定の電圧が印加されると、導電性高分子素子（20）は、第１端部（11）と第２端部（12）とを結ぶ方向において伸長、収縮変形する。その結果、外装容器（10）の伸縮部（30）は、この導電性高分子素子（20）の伸長、収縮方向と同方向に伸縮変形する。

第５の発明は、第４の発明の高分子アクチュエータにおいて、伸縮部（30）が、外装容器（10）の側面部（13）に形成されているものである。

上記第５の発明では、外装容器（10）の伸縮部（30）が、第１端部（11）と第２端部（12）との間の側面部（13）に形成される。そして、例えば導電性高分子素子（20）が第１端部（11）と第２端部（12）を結ぶ方向において伸長すると、第１端部（11）と第２端部（12）とに外装容器（10）の外側方向への力が作用する。その結果、第１端部（11）と第２端部（12）との間に位置する側面部（13）の伸縮部（30）は、この力の作用方向と同方向に伸長変形する。一方、例えば導電性高分子素子（20）が第１端部（11）と第２端部（12）を結ぶ方向において収縮すると、第１端部（11）と第２端部（12）とに外装容器（10）の内側方向への力が作用する。その結果、第１端部（11）と第２端部（12）との間に位置する側面部（13）の伸縮部（30）が、この力の作用方向と同方向に収縮変形する。

第６の発明は、第４の発明の高分子アクチュエータにおいて、伸縮部（30）が、外装容器（10）の第１端部（11）と第２端部（12）との少なくとも一方に形成されているものである。

上記第６の発明では、外装容器（10）の伸縮部（30）が、第１端部（11）と第２端部（12）とのいずれか一方、又は両方に形成される。そして、例えば導電性高分子素子（20）が第１端部（11）と第２端部（12）を結ぶ方向において伸長すると、第１端部（11）と第２端部（12）とに外装容器（10）の外側方向への力が作用する。したがって、例えば第１端部（11）の伸縮部（30）がこの力の作用方向と同方向に伸長する。一方、例えば導電性高分子素子（20）が第１端部（11）と第２端部（12）を結ぶ方向において収縮すると、第１端部（11）と第２端部（12）とに外装容器（10）の内側方向への力が作用する。その結果、例えば第１端部（11）の伸縮部（30）が、この力の作用方向と同方向に収縮変形する。

上記第１の発明によれば、外装容器（10）に伸縮部（30）を設けることによって、導電性高分子素子（20）の変形時に、該導電性高分子素子（20）の変形方向と同方向に外装容器（10）を変形させることができる。よって、外装容器（10）内に電解液を封入することができるとともに、高分子アクチュエータの駆動時において、導電性高分子素子（20）に作用するストレスを低減できる。したがって、所定の電位差によって高分子アクチュエータを円滑かつ効果的に変形させることができる。すなわち、この高分子アクチュエータの性能の向上を図ることができる。

上記第２の発明によれば、伸縮部（30）として蛇腹機構を利用することによって、高分子アクチュエータ駆動時において、導電性高分子素子（20）に作用するストレスを一層効果的に低減できる。

また、外装容器（10）の一部を波形ないしジグザグ形状に成形することで、上記蛇腹機構を容易に形成することができる。さらに、外装容器（10）の一部を蛇腹機構としても、外装容器（10）における電解液のシール性が損なわれてしまうことはほとんどない。したがって、外装容器（10）の内部に電解液を確実に保持させながら、高分子アクチュエータの可動性能の向上を図ることができる。

上記第３の発明によれば、外装容器（10）の伸縮部（30）に弾性部材を設けることで、導電性高分子素子（20）の変形に応じて外装容器（10）を容易かつ柔軟に伸縮変形させることができる。特に、第２の発明で上述した蛇腹機構に弾性部材を設けることで、外装容器（10）を柔軟に変形させながら、導電性高分子素子（20）に作用するストレスを効果的に低減できる。

上記第４の発明によれば、導電性高分子素子（20）を外装容器（10）の第１と第２端部（11,12）との間に保持することで、導電性高分子素子（20）の設置性の向上を図ることができる。

上記第５の発明によれば、伸縮部（30）を側面部（13）に形成することで、導電性高分子素子（20）の伸縮方向に併せて伸縮部（30）を容易に伸縮変形させ、高分子アクチュエータの性能を向上させることができる。

上記第６の発明によれば、伸縮部（30）を少なくとも第１端部（11）と第２端部（12）の一方に形成することで、導電性高分子素子（20）の伸縮方向に併せて伸縮部（30）を容易に変形させ、高分子アクチュエータの性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
まず、本発明の実施形態１に係る高分子アクチュエータ（1）について、図１を基に説明する。

高分子アクチュエータ（1）は、電解液が封入される外装容器（10）と、該外装容器（10）に内蔵されて上記電解液中に浸漬される導電性高分子素子（20）とを備えている。

上記外装容器（10）は、中空でやや細長の円筒状に形成されている。この外装容器（10）は、第１端部（11）、第２端部（12）、及び側面部（13）とを有している。

第１端部（11）は、外装容器（10）の一端（図１における左端）に形成されている。そして、第１端部（11）には、上記導電性高分子素子（20）の一端が支持されている。一方、第２端部（12）は、外装容器（10）の他端（図２における右端）に形成されている。そして、第２端部（12）には、上記導電性高分子素子（20）の他端が支持されている。

側面部（13）は、第１端部（11）と第２端部（12）との間における外装容器（10）の周壁を構成している。そして、側面部（13）は、第１端部（11）、第２端部（12）、及び導電性高分子素子（20）によって電解液の封入空間を形成している。なお、側面部（13）には、詳細は後述する伸縮部（30）が設けられている。

導電性高分子素子（20）は、第１，第２端部（11,12）に支持されることで、外装容器（10）の内部に保持されている。この導電性高分子素子（20）は、電圧印加によって伸縮変形する性状を有する。なお、本実施形態においては、導電性高分子素子（20）が第１端部（11）と第２端部（12）とを結ぶ方向（図１の左右方向）に伸長、又は収縮変形するように構成されている。また、この導電性高分子素子（20）は、線状に成形された例えば「ポリピロール」等の高分子材料が複数束ねられることで、円柱状の導電性高分子素子を構成している。さらに、導電性高分子素子（20）は、切換スイッチ（23）を介して電源手段（22）とリード線によって接続されている。そして、導電性高分子素子（20）は、電源手段（22）と通電することによって陽極、又は陰極として機能する。

また、導電性高分子素子（20）の外周側には、対向電極（21）が配置されている。この対向電極（21）は、導電性高分子素子（20）の外周縁と所定の間隔を介して該導電性高分子素子（20）を囲むように配置されている。また、対向電極（21）は、切換スイッチ（23）を介して電源手段（22）とリード線によって接続されている。そして、対向電極（21）は、電源手段（22）と通電することによって、上記導電性高分子素子（20）と逆の極性を有する電極として機能する。

本発明の特徴として、高分子アクチュエータ（1）は、外装容器（10）の側面部（13）に上述した伸縮部（30）を備えている。具体的に、伸縮部（30）は、波形ないしジグザグ形状に成形された蛇腹機構によって構成されている。この蛇腹機構（30）は、例えば側面部（13）における第１端部（11）寄りに成形されている。そして、蛇腹機構（30）は、導電性高分子素子（20）が伸縮変形する際、この導電性高分子素子（20）の伸縮方向と同方向に伸縮変形するように構成されている。

−高分子アクチュエータの伸縮動作−
次に、上記高分子アクチュエータの伸縮動作について図２を基に説明する。上記切換スイッチ（23）が図２(Ａ)の状態に切り換わると、導電性高分子素子（20）が陽極となる一方、対向電極（21）が陰極として機能する。その結果、電解液中の陰イオンが導電性高分子素子（20）中に移動し、導電性高分子素子（20）が膨潤する。そして、このような導電性高分子素子（20）の膨潤に伴って導電性高分子素子（20）が左右方向（図２(Ａ)の矢印方向）に伸長する。

以上のようにして、導電性高分子素子（20）が伸長すると、第１端部（11）と第２端部（12）には、外装容器（10）における左右方向外側への力が作用する。その結果、第１端部（11）と第２端部（12）に介在する蛇腹機構（30）は、このような左右方向外側への力によって左右に伸長変形する。

一方、上記切換スイッチ（23）が図２(Ｂ)の状態に切り換わると、導電性高分子素子（20）が陰極となる一方、対向電極（21）が陽極として機能する。その結果、導電性高分子素子（20）中の陰イオンが電解液中の対向電極（21）へ移動し、導電性高分子素子（20）が縮小する。そして、このような導電性高分子素子（20）の縮小に伴って導電性高分子素子（20）が左右方向（図２(Ｂ)の矢印方向）に収縮する。

以上のようにして、導電性高分子素子（20）が収縮すると、第１端部（11）と第２端部（12）には、外装容器（10）における左右方向内側への力が作用する。その結果、第１端部（11）と第２端部（12）に介在する蛇腹機構（30）は、このような左右方向内側への力によって左右に収縮変形する。

−実施形態１の効果−
上記実施形態１によれば、外装容器（10）に蛇腹機構からなる伸縮部（30）を設けることによって、導電性高分子素子（20）の伸縮変形時に、該導電性高分子素子（20）の伸縮方向と同方向に外装容器（10）を伸縮変形させることができる。よって、高分子アクチュエータ（1）の駆動時において、導電性高分子素子（20）に作用するストレスを低減できる。したがって、所定の電位差によって高分子アクチュエータ（1）を円滑かつ効果的に変形させることができる。すなわち、この高分子アクチュエータの性能の向上を図ることができる。

また、上記実施形態１では、伸縮部（30）を蛇腹機構とすることで、外装容器（10）に伸縮部（30）を容易に形成することができる。また、このように外装容器（10）に蛇腹機構（30）を設けても、外装容器（10）における電解液のシール性が損なわれてしまうこと
はほとんどない。したがって、外装容器（10）の内部に電解液を確実に保持させながら、高分子アクチュエータの性能の向上を図ることができる。

《発明の実施形態２》
次に、実施形態２に係る高分子アクチュエータについて、図３を参照しながら説明する。実施形態２に係る高分子アクチュエータは、実施形態１の高分子アクチュエータと外装容器（10）の構成が異なるものである。具体的に、実施形態２では、外装容器（10）の伸縮部（30）が外装容器（10）の第２端部（12）に設けられている。

外装容器（10）の第２端部（12）には、円形の嵌合溝（15）内に可動部材（14）が嵌合している。そして、この可動部材（14）のうち、導電性高分子素子（20）側の面（図３における左面）に、導電性高分子素子（20）の端部が固定されている。

上記伸縮部（30）は、いわゆる転動型のダイヤフラム（31）で構成されている。そして、転動型ダイヤフラム（31）の外周端（31a）は、外装容器（10）の側面部（13）における内壁と連結されている。以上の構成によって、転動型ダイヤフラム（31)、側面部（13）、第１端部（11）、及び導電性高分子素子（20）の間に仕切られた空間が、電解液の封入空間として形成されている。また、伸縮部（30）における外周端（31a）と可動部材（14）の固定部との間には、折り返し部（31b）が形成されている。

以上のような高分子アクチュエータにおいて、例えば電位差によって導電性高分子素子（20）が伸長すると、上記可動部材（14）が嵌合溝（15）を摺動しながら右方向に移動する。この際、転動型ダイヤフラム（31）は、可動部材（14）によって引っ張られると同時に、折り返し部（31b）が転動して変形する。よって、この構成においても、導電性高分子素子（20）の変形時に該導電性高分子素子（20）に対してストレスが作用しにくくなる。したがって、所定の電位差によって高分子アクチュエータ（1）を円滑かつ効果的に変形させることができる。

《発明の実施形態３》
次に、実施形態３に係る高分子アクチュエータについて、図４を参照しながら説明する。実施形態３に係る高分子アクチュエータは、実施形態２の高分子アクチュエータと伸縮部（30）の構成が異なるものである。

外装容器（10）の第２端部（12）には、円形の開口部（15）が形成されている。そして、この開口部（15）に、伸縮部（30）としていわゆる平板型ダイヤフラム（32）が形成されている。この平板型ダイヤフラム（32）のうち、導電性高分子素子（20）側の面（図４における左面）に、該導電性高分子素子（20）の端部が固定されている。また、この平板型ダイヤフラム（32）の外周端（32a）は、上記開口部（15）の内壁と連結されている。

以上の構成によって、平板型ダイヤフラム（32)、側面部（13）、第１端部（11）、及び導電性高分子素子（20）の間に仕切られた空間が、電解液の封入空間として形成されている。また、平板型ダイヤフラム（32）における外周端（32a）と導電性高分子素子（20）の固定部との間には、複数の折り返し部（32b）が形成されている。

以上のような高分子アクチュエータにおいて、例えば電位差によって導電性高分子素子（20）が伸長すると、該導電性高分子素子（20）によって平板型ダイヤフラム（32）が右方向に押し込まれる。この際、平板型ダイヤフラム（32）の折り返し部（32）は、導電性高分子素子（20）の右方向への伸長を許容するよう引張り変形する。よって、この構成においても、導電性高分子素子（20）の変形時に該導電性高分子素子（20）に対してストレスが作用しにくくなる。したがって、所定の電位差によって高分子アクチュエータ（1）を円滑かつ効果的に変形させることができる。

《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

上記実施形態では、外装容器（10）の伸縮部（30）として、蛇腹機構やダイヤフラム構造を設けるようにしている。しかしながら、これ以外の伸縮部（30）の構成として、例えば図５に示すようなテレスコピック機構を設けることもできる。

図５では、外装容器（10）を略筒状の第１外装容器（10a）と、該第１外装容器（10a）に嵌合する第２外装容器（10b）とで構成したものである。なお、この例では、第１外装容器（10a）の内周壁面と第２外装容器（10b）の外周壁面との間にシール機構（16）を設けることによって、外装容器（10）内に電解液を確実に封入できるようにしている。そして、この構成においても、第１外装容器（10a）内で第２外装容器（10b）をスライドさせることで、導電性高分子素子（20）の伸縮変形に応じて外装容器（10）を伸縮変形させることができる。

また、上記実施形態について、蛇腹機構やダイヤフラム構造などの伸縮部（30）を、例えばゴムなどの弾性部材で構成することもできる。このようにすると、導電性高分子素子（20）の変形に応じて外装容器（10）を容易かつ柔軟に伸縮変形させることができる。

さらに、上記実施形態２又は３では、ダイヤフラム構造の伸縮部（30）を外装容器（10）の第２端部（12）に設けるようにしている。しかしながら、この伸縮部（30）を外装容器（10）の第１端部（11）、あるいは第１端部（11）と第２端部（12）との両方に設けるようにしてもよい。この場合にも、導電性高分子素子（20）の伸縮変形に応じて、この伸縮方向と同方向に外装容器（10）を伸縮変形させることができ、この高分子アクチュエータの可動性能の向上を図ることができる。

実施形態１に係る高分子アクチュエータの全体構成図である。 高分子アクチュエータの伸縮動作を示す構成図である。 実施形態２に係る高分子アクチュエータの外装容器の全体構成図である。 実施形態３に係る高分子アクチュエータの外装容器の全体構成図である。 その他の実施形態に係る高分子アクチュエータの外装容器の全体構成図である。

符号の説明

(10) 外装容器
(11) 第１端部
(12) 第２端部
(13) 側面部
(20) 導電性高分子素子
(30) 伸縮部

Claims (6)

1. 電解液が封入される外装容器（10）と、該外装容器（10）に支持されて該電解液中に浸漬されるとともに電圧が印加されることで変形する導電性高分子素子（20）とを備えた高分子アクチュエータであって、
   上記外装容器（10）は、上記導電性高分子素子（20）の変形方向に伸縮変形する伸縮部（30）を備えている高分子アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の高分子アクチュエータにおいて、
   伸縮部（30）は、導電性高分子素子（20）の変形方向に伸縮変形する蛇腹機構で構成されている高分子アクチュエータ。
3. 請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータにおいて、
   伸縮部（30）は、弾性部材を有する高分子アクチュエータ。
4. 請求項１から３のいずれか１に記載の高分子アクチュエータにおいて、
   外装容器（10）は、導電性高分子素子（20）の一端が支持される第１端部（11）と、該導電性高分子素子（20）の他端が支持される第２端部（12）と、上記第１，第２端部（11,12）、及び上記導電性高分子素子（20）とで電解液の封入空間を形成する側面部（13）とを備え、
   導電性高分子素子（20）は、第１端部（11）と第２端部（12）とを結ぶ方向を変形方向として実質的に伸縮するように構成されている高分子アクチュエータ。
5. 請求項４に記載の高分子アクチュエータにおいて、
   伸縮部（30）は、外装容器（10）の側面部（13）に形成されている高分子アクチュエータ。
6. 請求項４に記載の高分子アクチュエータにおいて、
   伸縮部（30）は、外装容器（10）の第１端部（11）と第２端部（12）との少なくとも一方に形成されている高分子アクチュエータ。

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