JP2006295999A - 高分子リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、小型な高分子リニアアクチュエータを提供すること。
【解決手段】含水状態または含イオン流体状態のイオン交換樹脂に対向電極を形成し、対向電極に電圧を印加することで、イオン交換樹脂１２０の形状を変形させる高分子リニアアクチュエータ１００であって、イオン交換樹脂１２０の断面形状は、高分子リニアアクチュエータ１００が変形する方向に沿う駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な中空円筒形状であり、イオン交換樹脂１２０の内壁部及び外壁部にそれぞれ形成された電極を有し、内壁部に形成された内壁電極１４０と外壁部に形成された外壁電極１３０、１３１、１３２、１３３との少なくともいずれか一方の電極は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において分割され、内壁部と外壁部の少なくともいずれか一方において、中空円筒形状の周方向に沿った方向に電位の分布を持たせたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高分子リニアアクチュエータ、特にイオン交換樹脂を用いた高分子リニアアクチュエータに関するものである。

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、多種多様な動作原理を応用したアクチュエータが研究開発されている。こうした中で注目されているアクチュエータの一つに、高分子アクチュエータがある。高分子アクチュエータは、含水状態のイオン交換樹脂の表面に電極を形成し、電圧の印加により屈曲変形させる構成を有している。高分子アクチュエータは、柔軟な駆動様態であるため、人工筋肉と呼ばれている。そして、高分子アクチュエータは、今後、様々な分野での応用が期待されている。

高分子アクチュエータの変形様態は、その基本動作原理に基づいて、屈曲変形となる。このような、屈曲変形の特性を生かし、高分子アクチュエータを能動カテーテル、または人工臓器として用いる等の提案が数多くなされている。

ここで、アクチュエータの適応対象によっては、屈曲変形では不都合を生ずることがある。例えば、アクチュエータが変形することで、可動部材を駆動する方向が１軸方向である、所謂リニアアクチュエータを用いることが望まれることもある。

例えば、特許文献１には、高分子アクチュエータの屈曲運動を直動運動に変換する構成が開示されている。特許文献１によると、一対の対向した高分子アクチュエータを、絶縁部材を介して配置している。これにより、リニア駆動する高分子リニアアクチュエータの構成を実現している。

特開２００４−３１４２１９号公報

例えば、マイクロマシン等の分野で用いられるアクチュエータは、サイズが数ミリメートル、駆動量が数百マイクロメートルという仕様が求められる。しかしながら、特許文献１で提案されているアクチュエータは、複雑な構成を有している。このため、特許文献１に開示された構成では、小型のリニアアクチュエータを製造することは困難である。

また、特許文献１では、各々対向したアクチュエータは、全く同一の構成とする必要がある。しかしながら、実際は、製造誤差や絶縁部材との接着誤差等により、対向するアクチュエータどうしを全く同一の構成とすることは困難である。対向するアクチュエータどうしが同一の構成ではないとき、アクチュエータ全体は、リニアな駆動、即ち直線運動ではなく、その軌跡が曲線を描く屈曲運動を生じてしまう。このため、特許文献１に開示された構成では、簡便に直線運動を得ることは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単な構成で、小型な高分子リニアアクチュエータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、第１の本発明によれば、含水状態または含イオン流体状態のイオン交換樹脂に対向電極を形成し、対向電極に電圧を印加することで、イオン交換樹脂の形状を変形させる高分子リニアアクチュエータであって、イオン交換樹脂の断面形状は、高分子リニアアクチュエータが変形する方向に沿う駆動軸に関して線対称（軸対称）な中空円筒形状または中空多角柱形状であり、イオン交換樹脂の内壁部及び外壁部にそれぞれ形成された電極を有し、内壁部に形成された電極と外壁部に形成された電極との少なくともいずれか一方の電極は、駆動軸に関して線対称な位置において分割され、内壁部と外壁部の少なくともいずれか一方において、中空円筒形状の周方向または中空多角柱形状の辺に沿った方向に電位の分布を持たせたことを特徴とする高分子リニアアクチュエータを提供できる。

また、第２の本発明によれば、含水状態または含イオン流体状態のイオン交換樹脂に対向電極を形成し、対向電極に電圧を印加することで、イオン交換樹脂の形状を変形させる高分子リニアアクチュエータであって、イオン交換樹脂の断面形状は、高分子リニアアクチュエータが変形する方向に沿う駆動軸に関して線対称な中空円筒形状または中空多角柱形状であり、イオン交換樹脂の内壁部及び外壁部にそれぞれ形成された電極を有し、内壁部と外壁部の少なくともいずれか一方において、駆動軸に関して線対称な位置に電極を形成しない非電極形成領域を設けたことを特徴とする高分子リニアアクチュエータを提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、駆動軸上に、高分子リニアアクチュエータと固定部材とを接続する支持点と、高分子リニアアクチュエータと可動部材とを接続する接続点と、を設けたことが望ましい。

第１の本発明に係る高分子リニアアクチュエータは、含水状態または含イオン流体状態のイオン交換樹脂に対向電極を有している。対向電極に電圧を印加することで、イオン交換樹脂の形状を変形させる。イオン交換樹脂の断面形状は、高分子リニアアクチュエータが変形する方向に沿う駆動軸に関して線対称な中空円筒形状または中空多角柱形状である。イオン交換樹脂の内壁部及び外壁部に、それぞれ形成された電極を有している。また、内壁部に形成された電極と外壁部に形成された電極との少なくともいずれか一方の電極は、駆動軸に関して線対称な位置において分割されている。これにより、内壁部に形成された電極と外壁部に形成された電極との少なくともいずれか一方の電極は、駆動軸に関して線対称な位置に形成される構成となる。そして、内壁部と外壁部の少なくともいずれか一方において、中空円筒形状の周方向または中空多角柱形状の辺に沿った方向に電位の分布を持たせている。このような構成により、内壁部に形成された電極と、外壁部に形成された電極との間に電圧を印加する。電位分布は、中空円筒形状の周方向または中空多角柱形状の辺に沿った方向に生ずる。同時に、電位分布は、駆動軸に関して線対称な位置に生ずる。また、電圧の印加により、イオン交換樹脂内の陽イオンと水分子とが移動する。これにより、外壁側と内壁側との間に膨潤差が発生する。そして、印加電圧の大きさに応じて、駆動軸に関して線対称な位置において、外壁側及び内壁側に伸びまたは縮みを生ずる。従って、高分子リニアアクチュエータは駆動軸に沿って変形する。この結果、簡単な構成で、小型な高分子リニアアクチュエータを提供することができる。

また、第２の本発明に係る高分子リニアアクチュエータは、内壁部と外壁部の少なくともいずれか一方において、駆動軸に関して線対称な位置に電極を形成しない非電極形成領域を有している。この構成により、電位分布は、中空円筒形状の周方向または中空多角柱形状の辺に沿った方向に生ずる。同時に、電位分布は、駆動軸に関して線対称な位置に生ずる。同時に、電位分布は、駆動軸に関して線対称な位置に生ずる。また、電圧の印加により、イオン交換樹脂内の陽イオンと水分子とが移動する。これにより、外壁側と内壁側との間に膨潤差が発生する。そして、印加電圧の大きさに応じて、駆動軸に関して線対称な位置において、外壁側及び内壁側に伸びまたは縮みを生ずる。従って、高分子リニアアクチュエータは駆動軸に沿って変形する。この結果、簡単な構成で、小型な高分子リニアアクチュエータを提供することができる。

本発明に係る高分子リニアアクチュエータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により、この発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る高分子リニアアクチュエータの斜視構成を示す。図１に示すように、高分子リニアアクチュエータ１００は、中空円筒形状に成形された含水状態のイオン交換樹脂１２０を有している。また、イオン交換樹脂１２０は、含イオン流体状態の材料で構成することもできる。

イオン交換樹脂１２０の外壁部（中空円筒の外周部）には、外壁電極１３０、１３１、１３２、１３３が形成されている。外壁部に形成された外壁電極１３０、１３１、１３２、１３３は、後述する駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、４ヶ所の溝１５０で分割されている。また、イオン交換樹脂１２０の内壁部（中空円筒の内周部）には、全周囲にわたって内壁電極１４０が形成されている。

図２は、高分子リニアアクチュエータ１００を駆動するための電源を接続した状態の斜視構成を示す。高分子リニアアクチュエータ１００の外壁電極１３０、１３１と内壁電極１４０との間に、駆動用可変電源１６２を接続する。駆動用可変電源１６２は、外壁電極１３０、１３１と内壁電極１４０との間に任意の電圧を印加する。

また、高分子リニアアクチュエータ１００の外壁電極１３２、１３３と内壁電極１４０との間に、駆動用可変電源１６３を接続する。駆動用可変電源１６３は、外壁電極１３２、１３３と内壁電極１４０との間に任意の電圧を印加する。

図３は、高分子リニアアクチュエータ１００を側面から見た断面形状の構成を示す。図３において、高分子リニアアクチュエータ１００の形状が変化する方向、即ち駆動方向を駆動軸Ａ−Ａ’として示す。イオン交換樹脂１２０の断面形状は、高分子リニアアクチュエータ１００が変形する方向に沿う駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な中空円筒形状である。また、外壁部に形成された外壁電極１３０、１３１、１３２、１３３は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、４ヶ所の溝１５０で分割されている。これにより、外壁電極１３０、１３１、１３２、１３３は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置に形成される構成となる。

高分子リニアアクチュエータ１００の外周部の図３における下端部分は、固定部材１８０と支持点１６０ａで支持、固定されている。なお、高分子リニアアクチュエータ１００の内周部の図３における下端部分を、固定部材（不図示）と支持点１６０ｂで支持、固定する構成でも良い。

また、高分子リニアアクチュエータ１００の外周部の図３における上端部分は、可動部材１９０と接続点１６１ａで当接している。高分子リニアアクチュエータ１００の内周部の図３における上端部分を、可動部材（不図示）と接続点１６１ｂで当接する構成でも良い。可動部材１９０は、高分子リニアアクチュエータ１００が駆動する対象物である。

ここで、駆動用可変電源１６２、１６３により、内壁電極１４０と外壁電極１３０、１３１、１３２、１３３間に電圧を印加する。これにより、イオン交換樹脂１２０内で陽イオン１７０が移動する。同時に、陽イオン１７０の移動に応じて極性分子である水分子も移動する。図３において、水分子の図示は省略する。陽イオン１７０及び水分子は陰極側に移動する。このため、電圧に応じて外壁部と内壁部に膨潤差が生ずる。この結果、外壁部及び内壁部に伸びまたは縮みが生じる。

例えば、駆動用可変電源１６２により、内壁電極１４０に対し外壁電極１３０、１３１へ正電圧を印加する場合を考える。このとき、駆動用可変電源１６３は、内壁電極１４０に対し外壁電極１３２、１３３へ負電圧を印加するように構成する。これにより、図３に示すように、外壁電極１３０及び外壁電極１３１の近傍領域では、陽イオン１７０及び水分子は内壁側へ移動する。また、外壁電極１３２及び外壁電極１３３の近傍領域では、陽イオン１７０及び水分子は外壁側へ移動する。このため、図３の矢印で示すように、外壁電極１３０及び外壁電極１３１の近傍領域では、中空円筒形状の周方向に沿って、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、内壁部に伸びを生ずる。また、外壁電極１３２及び外壁電極１３３の近傍領域では、中空円筒形状の周方向に沿って、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、外壁部に伸びを生ずる。

図４は、高分子リニアアクチュエータ１００の変形の様子を示す。図４において、電圧印加前（変形前）の状態を破線、電圧印加後（変形後）の状態を実線でそれぞれ示す。高分子リニアアクチュエータ１００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿って変形量ｄだけ伸びる方向に変形する。このように、高分子リニアアクチュエータ１００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に伸縮するリニアアクチュエータとして動作する。ここで、高分子リニアアクチュエータ１００は、支持点１６０ａにおいて固定部材１８０に固定されている。このため、高分子リニアアクチュエータ１００は、接続点１６１ａで当接している可動部材１９０をリニア駆動することができる。

これに対して、駆動用可変電源１６２により、内壁電極１４０に対し外壁電極１３０、１３１へ負電圧を印加する場合を考える。このとき、駆動用可変電源１６３は、内壁電極１４０に対し外壁電極１３２、１３３へ正電圧を印加するように構成する。これにより、外壁電極１３０及び外壁電極１３１の近傍領域では、陽イオン及び水分子は外壁側へ移動する。また、外壁電極１３２及び外壁電極１３３の近傍領域では、陽イオン及び水分子は内壁側へ移動する。このため、外壁電極１３０及び外壁電極１３１の近傍領域では、中空円筒形状の周方向に沿って、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、外壁部に伸びを生ずる。また、外壁電極１３２及び外壁電極１３３の近傍領域では、中空円筒形状の周方向に沿って、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、内壁部に伸びを生ずる。この結果、高分子リニアアクチュエータ１００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿って変形量ｄだけ縮む方向に変形する。

また、陽イオン１７０及び水分子の移動量は、印加電圧に対応している。このため、駆動用可変電源１６２、１６３により印加電圧を制御することで、高分子リニアアクチュエータ１００の変形量ｄを制御できる。

印加電圧の制御方法としては、例えば、以下の（１）〜（４）のような方法を用いることができる。
（１）一定電圧の電圧値を変化させる定電圧制御方法、
（２）一定電流の電流値を変化させる定電流制御方法、
（３）矩形波のデューティー比を変化させるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御方法、
（４）オフセット値と周期波形とを重畳させ、波高値を変化させるオフセット交流制御。なお、これらの方法に限られず、他の制御方法を用いることもできる。

なお、イオン交換樹脂１２０に含水されている素材は、水に限るものではない。例えば、極性をもつ分子構造であれば、イオン流体等の液体でも良い。

また、本発明の理解を深めるために、所望の駆動軸の方向へ変形しないアクチュエータの３つの構成例を図５、図６、図７に基づいて説明する。いずれの構成例も、所望の駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向へはリニアに駆動しない例を示す。図５に示す構成例では、外壁部に形成された外壁電極２３０、２３１、２３２、２３３は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して非対称な位置において分割されている。このため、高分子アクチュエータ２００は駆動軸Ａ−Ａ’には沿わずに軸外、即ち軸Ｂ−Ｂ’に沿った方向に変化してしまう。この結果、高分子アクチュエータ２００は、所望の機能を満足しない。また、図６に示す構成例では、外壁電極２３０、２３１、２３２、２３３は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して非対称かつ不等間隔な位置において分割されている。このため、高分子アクチュエータ２００は駆動軸Ａ−Ａ’には沿わずに軸外に沿った方向に変化してしまう。この結果、高分子アクチュエータ２００は、リニアアクチュエータとしての機能を満足しない。

また、図７は、所望の駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向へはリニアに駆動しない他の例を示す。高分子リニアアクチュエータ２００の外壁電極２３０、２３１、２３２、２３３は、駆動軸Ａ−Ａ’に対して、線対称に形成されている。そして、外壁電極２３０、２３１、２３２、２３３の分割点に対応する溝２５０が、駆動軸Ａ−Ａ’上の２箇所と、駆動軸Ａ−Ａ’外の２箇所に形成されている。このとき、高分子アクチュエータ２００は駆動軸Ａ−Ａ’には沿わずに軸外、即ち軸Ｂ−Ｂ’に沿った方向に変化してしまう。この結果、高分子アクチュエータ２００は、所望の機能を満足しない。

（製造方法）
次に、高分子リニアアクチュエータ１００の製造方法を説明する。図８は、高分子リニアアクチュエータ１００の製造手順を示す図である。図８の（ａ）において、イオン交換樹脂１２０を中空の円筒チューブ状に成形する。図８の（ｂ）において、メッキ等の方法によりイオン交換樹脂１２０の外壁部及び内壁部に外壁電極１３０及び内壁電極１４０を形成する。次に、図８の（ｃ）において、レーザー加工やエッチング法を用いて外壁電極１３０に溝１５０を形成する。溝１５０により、外壁電極１３０は分割される。そして、図８の（ｄ）において、必要な厚さに切断する。これにより、高分子リニアアクチュエータ１００を、容易に、大量かつ安価に製造できる。

（第１の変形例）
図９は、本実施例の第１の変形例に係る高分子リニアアクチュエータ３００を側面から見た断面形状の構成を示す。図９において、高分子リニアアクチュエータ３００の形状が変化する方向、即ち駆動方向を駆動軸Ａ−Ａ’として示す。イオン交換樹脂１２０の断面形状は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な中空円筒形状である。

本変形例では、イオン交換樹脂１２０の外壁部に形成された外壁電極３３０、３３１、３３２、３３３は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、４ヶ所の溝３５０で分割されている。そして、外壁電極３３２の大きさと、外壁電極３３３の大きさとが異なっている。また、内壁部には、全周囲にわたって内壁電極３４０が形成されている。このような構成においても、実施例１と同様の原理により、高分子リニアアクチュエータ３００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に変形する。このため、高分子リニアアクチュエータ３００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に伸縮するリニアアクチュエータとして動作する。

（第２の変形例）
図１０は、本実施例の第２の変形例に係る高分子リニアアクチュエータ４００を側面から見た断面形状の構成を示す。図１０において、高分子リニアアクチュエータ４００の形状が変化する方向、即ち駆動方向を駆動軸Ａ−Ａ’として示す。イオン交換樹脂１２０の断面形状は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な中空円筒形状である。

本変形例では、イオン交換樹脂１２０の外壁部には、全周囲にわたって外壁電極４３０が形成されている。また、内壁部に形成された内壁電極４４０、４４１、４４２、４４３は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、４ヶ所の溝４５０で分割されている。このような構成においても、実施例１と同様の原理により、高分子リニアアクチュエータ４００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に変形する。このため、高分子リニアアクチュエータ４００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に伸縮するリニアアクチュエータとして動作する。

（第３の変形例）
図１１は、本実施例の第３の変形例に係る高分子リニアアクチュエータ５００を側面から見た断面形状の構成を示す。図１１において、高分子リニアアクチュエータ５００の形状が変化する方向、即ち駆動方向を駆動軸Ａ−Ａ’として示す。イオン交換樹脂１２０の断面形状は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な中空円筒形状である。

本変形例では、イオン交換樹脂１２０の外壁部に形成された外壁電極５３０、５３１、５３２、５３３は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、４ヶ所の溝５５０で分割されている。また、内壁部に形成された内壁電極５４０、５４１、５４２、５４３は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、４ヶ所の溝５５１で分割されている。このような構成においても、実施例１と同様の原理により、高分子リニアアクチュエータ５００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に変形する。このため、高分子リニアアクチュエータ５００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に伸縮するリニアアクチュエータとして動作する。

なお、第３の変形例では、内壁電極５４０、５４１及び外壁電極５３０、５３１の電極対において、外壁電極５３０、５３１に対して正電圧を印加する。また、内壁電極５４２、５４３及び外壁電極５３２、５３３の電極対において、内壁電極５４２、５４３に対して正電圧を印加する。各電極に対する印加電圧をこのように構成すると、高分子リニアアクチュエータ５００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿って伸びる方向に変形する。一方、内壁電極５４０、５４１及び外壁電極５３０、５３１の電極対において、外壁電極５３０、５３１を接地し、内壁電極５４０、５４１に対して正電圧を印加する。また、内壁電極５４２、５４３及び外壁電極５３２、５３３の電極対において、内壁電極５４２、５４３を接地し、外壁電極５３２、５３３に対し正電圧を印加する。各電極に対する印加電圧をこのように構成すると、高分子リニアアクチュエータ５００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿って縮む方向に変形する。このように単極性、例えば正の極性の電源のみを用いて高分子リニアアクチュエータ５００を駆動軸Ａ−Ａ’に沿って伸縮させることができる。

（第４の変形例）
図１２は、本実施例の第４の変形例に係る高分子リニアアクチュエータ６００を側面から見た断面形状の構成を示す。図１２において、高分子リニアアクチュエータ６００の形状が変化する方向、即ち駆動方向を駆動軸Ａ−Ａ’として示す。イオン交換樹脂１２０の断面形状は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な中空多角形形状、例えば中空八角形形状である。

本変形例では、イオン交換樹脂１２０の外壁部に形成された外壁電極６３０、６３１、６３２、６３３は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において、４ヶ所の溝６５０で分割されている。また、内壁部には、全周囲にわたって内壁電極６４０が形成されている。このような構成においても、実施例１と同様の原理により、高分子リニアアクチュエータ６００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に変形する。このため、高分子リニアアクチュエータ６００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に伸縮するリニアアクチュエータとして動作する。

図１３は、本発明の実施例２に係る高分子リニアアクチュエータの斜視構成を示す。図１３に示すように、高分子リニアアクチュエータ７００は、中空円筒形状に成形された含水状態のイオン交換樹脂１２０を有している。また、イオン交換樹脂１２０は、含イオン流体状態の材料で構成することもできる。

イオン交換樹脂１２０の外壁部（中空円筒の外周部）には、外壁電極７３０、７３１が形成されている。さらに、外壁部には、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置に、電極を形成していない非電極形成領域７８０、７８１が設けられている。また、イオン交換樹脂１２０の内壁部（中空円筒の内周部）には、全周囲にわたって内壁電極７４０が形成されている。

図１４は、高分子リニアアクチュエータ７００を駆動するための電源を接続した状態の斜視構成を示す。高分子リニアアクチュエータ７００の外壁電極７３０、７３１と内壁電極７４０との間に、駆動用可変電源７６０を接続する。駆動用可変電源７６０は、外壁電極７３０、７３１と内壁電極７４０との間に任意の電圧を印加する。

図１５は、高分子リニアアクチュエータ７００を側面から見た断面形状の構成を示す。図１５において、高分子リニアアクチュエータ７００の形状が変化する方向、即ち駆動方向を駆動軸Ａ−Ａ’として示す。イオン交換樹脂１２０の断面形状は、高分子リニアアクチュエータ７００が変形する方向に沿う駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な中空円筒形状である。また、非電極形成領域７８０、７８１は、外壁部の駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置に形成されている。

高分子リニアアクチュエータ７００の外周部の図１５における下端部分は、固定部材１８０と支持点１６０ａで支持、固定されている。なお、高分子リニアアクチュエータ７００の内周部の図１５における下端部分を、固定部材（不図示）と支持点１６０ｂで支持、固定する構成でも良い。

また、高分子リニアアクチュエータ７００の外周部の図１５における上端部分は、可動部材１９０と接続点１６１ａで当接している。高分子リニアアクチュエータ７００の内周部の図１５における上端部分を、可動部材（不図示）と接続点１６１ｂで当接する構成でも良い。可動部材１９０は、高分子リニアアクチュエータ７００が駆動する対象物である。

ここで、駆動用可変電源７６０により、内壁電極７４０と外壁電極７３０、７３１との間に電圧を印加する。これにより、イオン交換樹脂１２０内で陽イオン１７０が移動する。同時に、陽イオン１７０の移動に応じて極性分子である水分子（不図示）も移動する。陽イオン及び水分子は陰極側に移動する。このため、電圧に応じて外壁部と内壁部に膨潤差が生ずる。この結果、外壁部及び内壁部に伸びまたは縮みが生じる。

例えば、駆動用可変電源７６０により、内壁電極７４０に対し、外壁電極７３０、７３１へ正電圧を印加する場合を考える。これにより、図１５に示すように、外壁電極７３０及び外壁電極７３１の近傍領域では、陽イオン１７０及び水分子は内壁側へ移動する。また、非電極形成領域７８０及び非電極形成領域７８１の近傍領域では、電界の影響が少ないので、陽イオン１７０及び水分子の移動は殆ど移動しない。この結果、図１５中に矢印で示すように外壁電極７３０及び７３１の近傍領域では、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な位置において内壁側に伸びが生じる。このため、高分子リニアアクチュエータ７００は駆動軸Ａ−Ａ’に沿って縮む方向に変形する。

図１６は、高分子リニアアクチュエータ７００の変形の様子を示す。図１６において、電圧印加前（変形前）の状態を破線、電圧印加後（変形後）の状態を実線でそれぞれ示す。高分子リニアアクチュエータ７００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿って変形量ｄだけ縮む方向に変形する。また、印加電圧の極性を負電圧とすることで、高分子リニアアクチュエータ７００は、伸びる方向に変形する。このように、高分子リニアアクチュエータ７００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に変形するリニアアクチュエータとして動作する。ここで、高分子リニアアクチュエータ７００は、支持点１６０ａにおいて固定部材１８０に固定されている。このため、高分子リニアアクチュエータ７００は、接続点１６１ａで当接している可動部材１９０をリニア駆動することができる。

また、駆動用可変電源７６０により、外壁電極７３０、７３１に対し内壁電極７４０へ負電圧もしくは正電圧を印加しても同様の効果を得ることができる。さらに好ましくは、効率的に高分子リニアアクチュエータ７００を変形させるために、内壁部、または外壁部、またはこれら両方に形成された非電極形成領域が、内壁部の総面積、または外壁部の総面積の各々３０％〜７０％となるように設定することが望ましい。

また、陽イオン及び水分子の移動量は、印加電圧に対応している。このため、駆動用可変電源７６０により印加電圧を制御することで、高分子リニアアクチュエータ７００の変形量ｄを制御できる。

印加電圧の制御方法としては、例えば、実施例１で説明したような、定電圧制御方法、定電流制御方法、ＰＷＭ制御方法、オフセット交流制御等を用いることができる。なお、これらの方法に限られず、他の制御方法を用いることもできる。

なお、イオン交換樹脂１２０に含水されている素材は、水に限るものではない。例えば、極性をもつ分子構造であれば、イオン流体等の液体でも良い。

(第１の変形例）
図１７は、本実施例の第１の変形例に係る高分子リニアアクチュエータ８００を側面から見た断面形状の構成を示す。図１７において、高分子リニアアクチュエータ８００の形状が変化する方向、即ち駆動方向を駆動軸Ａ−Ａ’として示す。イオン交換樹脂１２０の断面形状は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な中空円筒形状である。

本変形例では、イオン交換樹脂１２０の外壁部に外壁電極８３０、８３１が形成されている。そして、外壁電極８３０の大きさと、外壁電極８３１の大きさとは異なっている。また、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な外壁部の位置に非電極形成領域８８０、８８１が形成されている。そして、内壁部の全周囲にわたって内壁電極８４０が形成されている。このような構成においても、実施例２と同様の原理により、高分子リニアアクチュエータ８００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に変形する。このため、高分子リニアアクチュエータ８００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に伸縮するリニアアクチュエータとして動作する。

(第２の変形例）
図１８は、本実施例の第２の変形例に係る高分子リニアアクチュエータ９００を側面から見た断面形状の構成を示す。図１８において、高分子リニアアクチュエータ９００の形状が変化する方向、即ち駆動方向を駆動軸Ａ−Ａ’として示す。イオン交換樹脂１２０の断面形状は、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な中空円筒形状である。

本変形例では、イオン交換樹脂１２０の外壁部の全周囲にわたって外壁電極９３０が形成されている。また、内壁部には内壁電極９４０、９４１が形成されている。さらに、駆動軸Ａ−Ａ’に関して線対称な内壁部の位置に非電極形成領域９８０、９８１が形成されている。このような構成においても、実施例２と同様の原理により、高分子リニアアクチュエータ９００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に変形する。このため、高分子リニアアクチュエータ９００は、駆動軸Ａ−Ａ’に沿った方向に伸縮するリニアアクチュエータとして動作する。

なお、本発明に係る高分子リニアアクチュエータは、上記各実施例で説明した構成に限られるものではなく、これらの構成の組み合わせ、また、同様の効果を有する構成も含まれる。さらに、イオン交換樹脂１２０の断面形状の一部を他の領域の形状と異ならせて剛性に変化を持たせる構成と組み合わせても良い。これにより、イオンの移動による力と剛性による力とを用いてアクチュエータをリニアに駆動できる。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な応用例をとることができる。

以上のように、本発明に係る高分子リニアアクチュエータは、簡単な構成で、小型なリニアアクチュエータに適している。

本発明の実施例１に係る高分子リニアアクチュエータの斜視構成を示す図である。 実施例１の高分子リニアアクチュエータの斜視構成を示す他の図である。 実施例１の高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示す図である。 実施例１の高分子リニアアクチュエータの変形の様子を示す図である。 所望の駆動軸に沿ってリニアに変化しない高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示す図である。 所望の駆動軸に沿ってリニアに変化しない高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示す他の図である。 所望の駆動軸に沿ってリニアに変化しない高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示すさらに他の図である。 実施例１の高分子リニアアクチュエータの製造方法を示す図である。 実施例１の第１の変形例の高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示す図である。 実施例１の第２の変形例の高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示す図である。 実施例１の第３の変形例の高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示す図である。 実施例１の第４の変形例の高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示す図である。 本発明の実施例２に係る高分子リニアアクチュエータの斜視構成を示す図である。 実施例２の高分子リニアアクチュエータの斜視構成を示す他の図である。 実施例２の高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示す図である。 実施例２の高分子リニアアクチュエータの変形の様子を示す図である。 実施例２の第１の変形例の高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示す図である。 実施例２の第２の変形例の高分子リニアアクチュエータを側面から見た断面形状を示す図である。

符号の説明

１００ 高分子リニアアクチュエータ
１２０ イオン交換樹脂
１３０、１３１ １３２、１３３ 外部電極
１４０ 内壁電極
１５０ 溝
１６０ａ、１６０ｂ 支持点
１６１ａ、１６１ｂ 接続点
１６２、１６３ 駆動用可変電源
１７０ 陽イオン
１８０ 固定部材
１９０ 可動部材
２００ 高分子リニアアクチュエータ
２３０、２３１、２３２、２３３ 外壁電極
２４０ 内壁電極
２５０ 溝
３００ 高分子リニアアクチュエータ
３３０、３３１、３３２、３３３ 外壁電極
３４０ 内壁電極
３５０ 溝
４００ 高分子リニアアクチュエータ
４３０ 外壁電極
４４０、４４１、４４２、４４３ 内壁電極
４５０ 溝
５００ 高分子リニアアクチュエータ
５３０、５３１、５３２、５３３ 外壁電極
５４０、５４１、５４２、５４３ 内壁電極
５５０、５５１ 溝
６００ 高分子リニアアクチュエータ
６３０、６３１、６３２、６３３ 外壁電極
６４０ 内壁電極
６５０ 溝
７００ 高分子リニアアクチュエータ
７３０、７３１ 外壁電極
７４０ 内壁電極
７６０ 駆動用可変電源
７８０、７８１ 非電極形成領域
８００ 高分子リニアアクチュエータ
８３０、８３１ 外壁電極
８４０ 内壁電極
８８０、８８１ 非電極形成領域
９００ 高分子リニアアクチュエータ
９３０ 外壁電極
９４０、９４１ 内壁電極
９８０、９８１ 非電極形成領域

Claims (3)

1. 含水状態または含イオン流体状態のイオン交換樹脂に対向電極を形成し、
   前記対向電極に電圧を印加することで、
   前記イオン交換樹脂の形状を変形させる高分子リニアアクチュエータであって、
   前記イオン交換樹脂の断面形状は、前記高分子リニアアクチュエータが変形する方向に沿う駆動軸に関して線対称な中空円筒形状または中空多角柱形状であり、
   前記イオン交換樹脂の内壁部及び外壁部にそれぞれ形成された電極を有し、
   前記内壁部に形成された前記電極と前記外壁部に形成された前記電極との少なくともいずれか一方の前記電極は、前記駆動軸に関して線対称な位置において分割され、
   前記内壁部と前記外壁部の少なくともいずれか一方において、前記中空円筒形状の周方向または前記中空多角柱形状の辺に沿った方向に電位の分布を持たせたことを特徴とする高分子リニアアクチュエータ。
2. 含水状態または含イオン流体状態のイオン交換樹脂に対向電極を形成し、
   前記対向電極に電圧を印加することで、
   前記イオン交換樹脂の形状を変形させる高分子リニアアクチュエータであって、
   前記イオン交換樹脂の断面形状は、前記高分子リニアアクチュエータが変形する方向に沿う駆動軸に関して線対称な中空円筒形状または中空多角柱形状であり、
   前記イオン交換樹脂の内壁部及び外壁部にそれぞれ形成された電極を有し、
   前記内壁部と前記外壁部の少なくともいずれか一方において、前記駆動軸に関して線対称な位置に電極を形成しない非電極形成領域を設けたことを特徴とする高分子リニアアクチュエータ。
3. 前記駆動軸上に、
   前記高分子リニアアクチュエータと固定部材とを接続する支持点と、
   前記高分子リニアアクチュエータと可動部材とを接続する接続点と、を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の高分子リニアアクチュエータ。
   
   

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