JP2007267471A - ポリマーアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】棒状物体を長手方向に移動させることのできるポリマーアクチュエータを提供する。
【解決手段】円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子体１１と、該イオン導電性高分子体１１の内周面に複数の内部電極１２ａが前記イオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる内部電極アレイ１５ａと、前記イオン導電性高分子体１１の外周面に複数の外部電極１２ｂが前記イオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる外部電極アレイ１５ｂとを備えるポリマーアクチュエータ１０であって、前記内部電極１２ａと外部電極１２ｂの間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータ１０の内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータ１０の円筒内部の棒状物体を長手方向に移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、棒状物体を長手方向に移動させるポリマーアクチュエータに関するものである。

医療機器や産業用ロボット、マイクロマシン等の分野において、小型、軽量で柔軟性に富むアクチュエータが求められており、それに対応すべくそのアクチュエータの作動原理として静電引力型、圧電型、超音波型、形状記憶合金式、高分子伸縮式等が提案されている。

このうち、高分子伸縮式としてイオン導電性高分子を用いたポリマーアクチュエータは軽量で発生力が大きいこと等から、新しいアクチュエータとして検討されてきている。このポリマーアクチュエータは、イオン導電性高分子膜（イオン交換樹脂膜）とその表面に相互に絶縁状態で接合した金属電極とからなり、該イオン導電性高分子膜を含水状態として金属電極間に電圧を印加することによりイオン導電性高分子膜に湾曲または変形を生じさせることを特徴とするものである（例えば、特許文献１，２参照。）。

しかし、その動作は基本的に湾曲であり、そのままでは用途が限られていた。そこで、特許文献３では、円筒形状の伸縮部の外周側と内周側とに電極を配したポリマーアクチュエータ素子を用い、径方向において電極を介して伸縮部を積層することにより、電圧印加時に径方向において縮み、軸方向において伸びるポリマーアクチュエータが提案されている。また、特許文献４では、アクチュエータ素子の組み合わせにより湾曲の動作を伸縮動作に変換したものが提案されている。また特許文献５では、運動変換機構を工夫することにより伸長方向および収縮方向の両方に充分な大きさの出力およびストロークを発生させることができるポリマーアクチュエータが提案されている。また特許文献６では、ポリマーアクチュエータ素子の板を複数枚使用することによるダイヤフラムポンプが提案されている。

特開２００２−３３０５９８号公報 特開２００５−０３３９９１号公報 特開２００３−１９９３６５号公報 特開２００４−３１４２１９号公報 特開２００５−０８１４８７号公報 特開２００２−３３２９５６号公報

しかしながら、これらの用途は限定されており、ポリマーアクチュエータ素子の特徴を生かしながら様々な用途で使用するにはまだ十分とは言えず、更なる動作機構の開発が求められていた。

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、棒状物体を長手方向に移動させることのできるポリマーアクチュエータを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために提供する本発明は、円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子体と、該イオン導電性高分子体の内周面に複数の内部電極が前記イオン導電性高分子体の長手方向に配列されてなる内部電極アレイと、前記イオン導電性高分子体の外周面に複数の外部電極が前記イオン導電性高分子体の長手方向に配列されてなる外部電極アレイとを備えるポリマーアクチュエータであって、前記内部電極と外部電極の間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータの内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータの円筒内部の棒状物体を長手方向に移動させることを特徴とするポリマーアクチュエータである。

ここで、前記印加電圧状態の制御により、前記イオン導電性高分子体の内径を縮小させて当該ポリマーアクチュエータの内壁で前記棒状物体の一方の端部を把持し、ついでこの把持部分から前記棒状物体の他方の端部側に向けて前記内部電極及び外部電極の長手方向配列順に前記イオン導電性高分子体の内径の拡大、縮小を交互に行って前記イオン導電性高分子体を蛇腹形状に変形させて当該ポリマーアクチュエータの長さを短縮させた後、前記イオン導電性高分子体の内径を縮小させて当該ポリマーアクチュエータの内壁で前記棒状物体の他方の端部側部分を把持し、さらに該棒状物体の他方の端部側部分を把持したまま当該部分以外のイオン導電性高分子体を元の円筒形状に戻して棒状物体を長手方向に移動させることが好適である。

また前記内部電極は、前記イオン導電性高分子体の内周面の円周上に設けられた１または複数の帯状の電極膜からなり、前記外部電極は、前記イオン導電性高分子体の外周面の円周上に設けられた１または複数の帯状の電極膜からなることが好ましい。

また、前記イオン導電性高分子体内部に内部電極へ電圧印加するための配線を有するとよい。

また前記内部電極と外部電極との配置関係、内部電極と外部電極との面積比、印加電圧の大きさの少なくともいずれか一つを調整して前記イオン導電性高分子体の内径変化量を調整することが好ましい。

また少なくとも前記内部電極上に保護層を有することが好ましく、前記イオン導電性高分子体は、その内部に強度維持フレームを有することが好ましい。

また前記イオン導電性高分子体の内周面に前記棒状物体を保持するグリップ層を有するとよい。

前記課題を解決するために提供する本発明は、請求項１〜８のいずれか一に記載のポリマーアクチュエータが同心円状に複数配置されてなることを特徴とするポリマーアクチュエータである。

本発明によれば、内部電極アレイと外部電極アレイへの電圧印加状態を制御してイオン導電性高分子体の長手方向の各位置の内径変化を制御することにより、当該ポリマーアクチュエータの円筒内部にある棒状物体をその長手方向に大きい変位でかつ応答性よく出し入れ自在に移動させることが可能となる。あるいは、外部にある棒状物体をポリマーアクチュエータの先端の円筒内部で掴まえて、該ポリマーアクチュエータの円筒内部を経由して取り出したりすることもできる。
また、このポリマーアクチュエータを利用して狭い空間に長い棒を出すことが可能となる。すなわち、医療用カテーテルの限られた空間中から様々なものを精度よくコントロールされた力で出し入れすることができる。
また、本発明のポリマーアクチュエータは、棒状物体を出し入れ運動させるために必要な空間が従来よりも少なくてすむため、当該ポリマーアクチュエータを個々に駆動可能なように二次元的に行列配置して、それぞれのポリマーアクチュエータの棒状物体の出し入れ運動を制御することにより、ピンディスプレイ（３Ｄディスプレイ）とすることができる。

以下に、本発明に係るポリマーアクチュエータの構成について説明する。
図１は、本発明に係るポリマーアクチュエータの第１の実施の形態における構成を示す概略図である。図１（ａ）は本発明のポリマーアクチュエータの外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のａ−ａ´で切断した場合の構成を示す断面図である。

図１に示すように、ポリマーアクチュエータ１０は、円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子体１１と、イオン導電性高分子体１１の内周面に複数（図１では３つ）の内部電極１２ａがイオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる内部電極アレイ１５ａと、イオン導電性高分子体１１の外周面に複数（図１では３つ）の外部電極１２ｂがイオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる外部電極アレイ１５ｂとを備える。また、ポリマーアクチュエータ１０では、内部電極１２ａと外部電極１２ｂの間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータ１０の内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータ１０の円筒内部にある棒状物体をその長手方向に移動させることができる。

ここで、内部電極アレイ１５ａの１電極である内部電極１２ａは１または複数の帯状の電極膜からなり、イオン導電性高分子体１１の内周面の円周上に設けられている。あるいはイオン導電性高分子体１１の内周面をスパイラル状に設けられてもよい。また、外部電極アレイ１５ｂの１電極である外部電極１２ｂも１または複数の帯状の電極膜からなり、イオン導電性高分子体１１の外周面の円周上に設けられている。あるいはイオン導電性高分子体１１の外周面をスパイラル状に設けられてもよい。図１に示す内部電極１２ａ、外部電極１２ｂはともに１つのつながったベルト状の電極膜である。

また、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂはそれぞれイオン導電性高分子体１１の長手方向に等間隔で配置され、内部電極アレイ１５ａ、外部電極アレイ１５ｂを形成している。また、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂは同じ幅すなわち面積比として１：１の関係となっており、電極位置Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３それぞれにおいて、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂは正対するように配置されている。また、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂそれぞれは外部電源を含む電圧印加システム（図示せず）につながっており、それぞれ別個に電圧が印加されるようになっている。なお、図１では内部電極アレイ１５ａ、外部電極アレイ１５ｂはそれぞれ３つの電極が配列されているが、配列する電極の数は３つ以上であれば特に制限はない。

なお、ここでいうポリマーアクチュエータ１０は、特許第２９６１１２５号公報、特開平１１−２０６１６２号公報などで開示されている従来公知のものでもよいが、それ以外に例えばつぎのような構成のものを使うとよい。
図２は、本発明のポリマーアクチュエータを構成するポリマーアクチュエータ素子の基本的構成を示す断面図である。
ポリマーアクチュエータ素子ａ１は、陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜（イオン導電性高分子フィルム）１と、該イオン導電性高分子膜１の両面それぞれに設けられる電極膜２と、該電極膜２それぞれに電気的に接続されたリード線４とを備え、１対のリード線４より電極膜２間に電圧が印加されることによりイオン導電性高分子膜１が湾曲または変形するものである。

イオン導電性高分子膜１は、フッ素樹脂、炭化水素系などを骨格としたイオン交換樹脂からなり、表裏２つの主面をもつ形状を呈している。本発明での円筒形状である。また、イオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換樹脂、両イオン交換樹脂いずれでもよいが、このうち陽イオン交換樹脂が好適である。

陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入されたものが挙げられ、とくにフッ素樹脂にスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入された陽イオン交換樹脂が好ましい。

電極膜２は内部電極１２ａ、外部電極１２ｂに相当するものであり、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなり、前記カーボン粉末同士がイオン導電性樹脂を介して結合していることを特徴とする。カーボン粉末は、導電性をもつカーボンブラックの微細粉末であり、比表面積が大きなものほど電極膜２としてイオン導電性高分子膜１と接する表面積が大きくなりより大きな変形量を得ることができる。例えばケッチェンブラックが好ましい。また、イオン導電性樹脂は、イオン導電性高分子膜１を構成する材料と同じものでよい。

また、電極膜２は、イオン導電性樹脂成分とカーボン粉末を含む塗料がイオン導電性高分子膜１に塗布されてなるものである。あるいは、電極膜２は、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなる導電膜がイオン導電性高分子膜１に圧着されてなるものである。
いずれの方法によっても、簡便に短時間で電極膜２を形成することができる。

なお、少なくともイオン導電性高分子膜１に陽イオン物質が含浸されているが、該陽イオン物質とは、水及び金属イオン、水及び有機イオン、イオン液体のいずれかであることが好ましい。ここで、金属イオンとは例えば、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、マグネシウムイオン等が挙げられる。また、有機イオンとは例えば、アルキルアンモニウムイオン等が挙げられる。これらのイオンはイオン導電性高分子膜１中において水和物として存在している。イオン導電性高分子膜１が水及び金属イオン、または水及び有機イオンを含み、含水状態となっている場合には、ポリマーアクチュエータ素子ａ１は中からこの水が揮発しないように封止されていることが好ましい。

また、イオン液体とは、常温溶融塩とも言われる不燃性、不揮発性のイオンのみからなる溶媒であり、例えばイミダゾリウム環系化合物、ピリジニウム環系化合物、脂肪族系化合物のものを使用することができる。イオン導電性高分子膜１にイオン液体を含浸させている場合には、揮発する心配なく高温あるいは真空中でもポリマーアクチュエータ素子ａ１を使用することができようになる。

また、図３に、前記ポリマーアクチュエータ素子の変形例を示す。
図３は、本発明のポリマーアクチュエータを構成する別のポリマーアクチュエータ素子の基本的構成を示す断面図である。
ポリマーアクチュエータ素子ａ２は、上述したポリマーアクチュエータ素子ａ１の１対の電極膜２それぞれの上に金または白金からなる金属導電膜３を備え、該金属導電膜３にリード線４を電気的に接続した構成となっている。ここで、イオン導電性高分子膜１、電極膜２、イオン導電性高分子膜１に含浸させる陽イオン物質は、図２で示したものと同じである。

ここで、金属導電膜３は、１対の電極膜２それぞれの上に湿式めっき法、蒸着法、スパッタ法などの従来公知の成膜手法により、金または白金の薄膜が形成されてなるものである。この金属導電膜３の厚さにはとくに制限はないが、リード線４からの電位が電極膜２に均等に印加されるように連続した膜となる程度の厚さであることが好ましい。

図４に、これらのポリマーアクチュエータ素子ａ１，ａ２の動作原理を示す。ここでは、イオン導電性高分子膜１中にナトリウムイオンが含浸されているものとして説明する。
図４（ａ）では、電源Ｅよりリード線４を通じて、図中左側のポリマーアクチュエータａ１の電極膜２にプラスの電位、図中右側の電極膜２にマイナスの電位を印加している。この電位差（例えば０．５〜２．０Ｖ程度）により、ポリマーアクチュエータ素子ａ１（ａ２）のイオン導電性高分子膜１中では、マイナスの電位が印加された側（図中右側）の電極膜２にナトリウムイオン水和物が引き寄せられて移動し、当該電極膜２の近傍に集中しこの領域は体積膨張するようになる。一方、プラスの電位が印加された側（図中左側）の電極膜２近傍におけるナトリウム水和物濃度は減少し、この領域は体積収縮するようになる。その結果、イオン導電性高分子膜１の２つの電極膜２近傍領域の間に体積差が生じることとなり、イオン導電性高分子膜１は図中左側に湾曲するようになる。

図４（ｂ）では、２つの電極膜２がショートした状態でつながれることから２つの電極膜２近傍領域で蓄積された電荷に応じて放電が起こる。そして、その結果２つの電極膜２の間に電位差がなくなることから、イオン導電性高分子膜１の２つの電極膜２近傍領域の間に体積差はなくなり、イオン導電性高分子膜１は初期形状状態である真っ直ぐな状態となる。

図４（ｃ）では、電源Ｅよりリード線４を通じて、図中左側のポリマーアクチュエータ素子ａ１（ａ２）の電極膜２にマイナスの電位、図中右側の電極膜２にプラスの電位を印加しており、電圧印加方法が図４（ａ）の場合とは逆である。この電位差により、ポリマーアクチュエータ素子ａ１（ａ２）のイオン導電性高分子膜１中では、マイナスの電位が印加された側（図中左側）の電極膜２の近傍領域は体積膨張するようになり、プラスの電位が印加された側（図中右側）の電極膜２近傍領域は体積収縮するようになる。その結果、イオン導電性高分子膜１は図中右側に湾曲するようになる。

このポリマーアクチュエータ素子ａ１，ａ２の動作原理に基づいて、本発明のポリマーアクチュエータ１０はつぎのように動作することになる。
図５に、本発明のポリマーアクチュエータ１０の動作ステップを示す。ここでは、イオン導電性高分子体１１中にナトリウムイオンが含浸されているものとして説明する。

（Ｓ１１）ポリマーアクチュエータ１０の円筒内部に棒状物体Ｐが挿入されており、すべての内部電極１２ａ、外部電極１２ｂには電圧が印加されていない初期状態である（図５（ａ）の状態）。なお、ここではポリマーアクチュエータ１０は水平面上に直立した状態であり、棒状物体Ｐには図中下方向に重力加速度が作用しているが、初期状態ではポリマーアクチュエータ１０の内壁は棒状物体Ｐに密着している。また、図中ポリマーアクチュエータ１０の内部電極１２ａ、外部電極１２ｂは省略している。

（Ｓ１２）まず、ポリマーアクチュエータ１０の電極位置Ｅ１における内部電極１２ａ及び外部電極１２ｂのみに電圧を印加する（図５（ｂ）の状態）。ここでは、内部電極１２ａにマイナスの電位を、外部電極１２ｂにはプラスの電位を印加する。この電位差により、イオン導電性高分子体１１の内径は縮小し、ポリマーアクチュエータ１０の内壁が棒状物体Ｐの一方の端部を締め付けて把持するようになる。また、ポリマーアクチュエータ１０は電極位置Ｅ１から電極位置Ｅ３に向けてその内径、外径が広がるようにわずかに湾曲している。

（Ｓ１３）つぎに、ポリマーアクチュエータ１０の電極位置Ｅ１への電圧印加を維持したまま、電極位置Ｅ２，Ｅ３における内部電極１２ａ及び外部電極１２ｂに電圧を印加する（図５（ｃ）の状態）。ここでは、電極位置Ｅ２の内部電極１２ａにプラスの電位を、外部電極１２ｂにはマイナスの電位を印加し、電極位置Ｅ３の内部電極１２ａにマイナスの電位を、外部電極１２ｂにはプラスの電位を印加する。これにより、電極位置Ｅ２ではイオン導電性高分子体１１の内径は拡大し、電極位置Ｅ３ではイオン導電性高分子体１１の内径は縮小して、イオン導電性高分子体１１は蛇腹形状に変形することとなりポリマーアクチュエータ１０全体としての長さが短縮するようになる。図においては長さＡだけ短縮している。また、これと同時あるいはその後に電極位置Ｅ３のポリマーアクチュエータ１０の内壁が棒状物体Ｐの他方の端部部分（図中上部分）を締め付けて把持する。なお、内部電極アレイ１５ａ、外部電極アレイ１５ｂそれぞれで配列される電極の数が４以上の場合には、前記ステップＳ１２の把持部分から棒状物体Ｐの他方の端部側に向けて内部電極１２ａ及び外部電極１２ｂの長手方向配列順に、本ステップにおけるイオン導電性高分子体１１の内径の拡大、縮小が交互に行われるように各電極に電圧を印加する。また、その際の電圧印加はすべての電極位置の電極に同時に行ってもよいが、前記ステップＳ１２の把持部分から棒状物体Ｐの他方の端部側に向かって順番に行ってもよい。

（Ｓ１４）つぎに、ポリマーアクチュエータ１０の電極位置Ｅ３への電圧印加を維持したまま、電極位置Ｅ１，Ｅ２における内部電極１２ａと外部電極１２ｂをショートさせる。あるいはイオン導電性高分子体１１を初期状態に戻すとポリマーアクチュエータ１０の内壁が棒状物体Ｐに接触するため、電極位置Ｅ１，Ｅ２においてその接触を防止する程度に内部電極１２ａ及び外部電極１２ｂに電圧を印加してもよい（図５（ｄ）の状態）。これにより、イオン導電性高分子体１１は元の円筒形状に戻るように変形しポリマーアクチュエータ１０全体としての長さが元の長さに戻るように伸長するようになる。ここで、棒状物体Ｐは図中上部分の端部部分がポリマーアクチュエータ１０の内壁で把持されているため、該ポリマーアクチュエータ１０の伸長とともに棒状物体Ｐもその長手方向（図では上方向）に移動することになる。

（Ｓ１５）最後に、すべての電極位置の内部電極１２ａと外部電極１２ｂをショートさせ、ポリマーアクチュエータ１０を初期状態に戻す（図５（ｅ）の状態）。これにより、棒状物体Ｐは最初の状態から変位量Ａだけその長手方向に移動したことになる。

以上のようなポリマーアクチュエータ１０の駆動ステップでは、ポリマーアクチュエータ１０の湾曲は小さくてすむため、短い応答時間で対象物（棒状物体Ｐ）を長手方向に移動させることができる。なお、図１の構成のポリマーアクチュエータ１０は本発明のポリマーアクチュエータとしては最小単位の構成であり、その長手方向（軸方向）の変位量も単位変位量Ａと小さいが、前記内部電極アレイ１５ａ及び外部電極アレイ１５ｂの電極数を増やすことによりイオン導電性高分子体１１の湾曲する数を増加させて前記ステップＳ１１からステップＳ１５を１回行った（１サイクル）際の変位を大きくすることができる。

すなわち、内部電極アレイ１５ａ及び外部電極アレイ１５ｂの電極数をＬとすると、湾曲数ｎ＝（Ｌ−１）／２となることから、１サイクルの変位量は次の式となる。
（１サイクルの変位量）＝Ａ×（Ｌ−１）／２

あるいは、図６に示すように、前記ステップＳ１１からステップＳ１５の手順を１サイクルとして、そのサイクルを繰り返して行うことでその変位量を確保してもよい。この場合の全変位量は次の式となる。
（全変位量）＝Ａ×ｍ（サイクル数）

以上のポリマーアクチュエータ１０は例えば次の手順で作製することができる。
（Ｓ２１）円筒形状のイオン導電性高分子体１１を用意する。
（Ｓ２２）有機溶媒にイオン導電性樹脂を溶解したものに、所定の比表面積のカーボン粉末を目標のカーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比となるように混ぜ合わせ、分散させて塗料を得る。
（Ｓ２３）ステップＳ２２の塗料を用いてイオン導電性高分子体１１の必要部位に塗布し、その塗膜を大気中で乾燥させる。当該処理（塗布−乾燥）を繰り返し、所望の厚さの電極膜を内周面、外周面それぞれに形成し、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂとする。これ以外にめっき法により導電性金属からなる電極膜を形成してもよい。
（Ｓ２４）イオン導電性高分子体１１に陽イオン物質を含浸させる処理を行う。具体的には、イオン導電性高分子体１１に電極膜を形成したものを金属イオン、有機イオンいずれかを含む塩化物溶液または水酸化物溶液、あるいはイオン液体に浸漬することにより、これらの金属イオン、有機イオン、イオン液体がイオン導電性高分子体１１及び電極膜中に含浸させる。
（Ｓ２５）内部電極１２ａ、外部電極１２ｂそれぞれにリード線を接続して、ポリマーアクチュエータを完成する。

図７、図８に本発明のポリマーアクチュエータ１０の変形例として、ａ−ａ´で切断した場合の断面図を示す。

図７に示すポリマーアクチュエータ１０Ａは、ポリマーアクチュエータ１０と同様に、円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子体１１と、イオン導電性高分子体１１の内周面に複数（図７では３つ）の内部電極１２ａ_１，１２ａ_２，１２ａ_３がイオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる内部電極アレイと、イオン導電性高分子体１１の外周面に複数（図７では３つ）の外部電極１２ｂ_１，１２ｂ_２，１２ｂ_３がイオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる外部電極アレイとを備える。また、ポリマーアクチュエータ１０では、内部電極１２ａ_１と外部電極１２ｂ_１の間、内部電極１２ａ_２と外部電極１２ｂ_２の間、内部電極１２ａ_３と外部電極１２ｂ_３の間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータ１０Ａの内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータ１０Ａの円筒内部にある棒状物体をその長手方向に移動させることができる。

ポリマーアクチュエータ１０Ａがポリマーアクチュエータ１０と異なる点は、内部電極１２ａ_１，１２ａ_２，１２ａ_３と外部電極１２ｂ_１，１２ｂ_２，１２ｂ_３とがそれぞれ対応する電極と正対せずイオン導電性高分子体１１の長手方向にずれている点である。図７においては、外部電極１２ｂ_１，１２ｂ_２，１２ｂ_３に対して内部電極１２ａ_１，１２ａ_２，１２ａ_３がそれぞれ図中下方向に一定距離ずれている。これにより、例えばポリマーアクチュエータ１０Ａの内径が縮小する際のイオン導電性高分子体１１の湾曲変形が、イオン導電性高分子体１１の円筒直径方向のみではなく、円筒長手方向（図では上方向）の変形が加わるようになり、棒状物体Ｐのこの円筒長手方向の動き（図では下方向の動き）をより抑制することができる。例えば、棒状物体Ｐに対して重力が図中下方向に作用する場合には、その重力に抗してイオン導電性高分子体１１が図中上方向に湾曲変形するので、棒状物体Ｐを図中上方向に移動させやすくなる。また逆に、イオン導電性高分子体１１の湾曲変形を図中下方向となるようにすると、例えば棒状物体Ｐの図中下端にスプリングが配置され、常に図中上方向への力が発生する場合に、そのスプリングの力に抗してイオン導電性高分子体１１が図中下方向に湾曲変形して、棒状物体Ｐの図中上方向への動きを抑制することができる。

また図８に示すポリマーアクチュエータ１０Ｂは、ポリマーアクチュエータ１０と同様に、円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子体１１と、イオン導電性高分子体１１の内周面に複数（図８では３つ）の内部電極１２ａ_４，１２ａ_５，１２ａ_６がイオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる内部電極アレイと、イオン導電性高分子体１１の外周面に複数（図８では３つ）の外部電極１２ｂ_４，１２ｂ_５，１２ｂ_６がイオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる外部電極アレイとを備える。また、ポリマーアクチュエータ１０では、内部電極１２ａ_４と外部電極１２ｂ_４の間、内部電極１２ａ_５と外部電極１２ｂ_５の間、内部電極１２ａ_６と外部電極１２ｂ_６の間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータ１０Ｂの内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータ１０Ｂの円筒内部にある棒状物体をその長手方向に移動させることができる。

ポリマーアクチュエータ１０Ｂがポリマーアクチュエータ１０と異なる点は、内部電極１２ａ_４，１２ａ_４，１２ａ_６と外部電極１２ｂ_４，１２ｂ_５，１２ｂ_６とでイオン導電性高分子体１１表面に占める面積が異なる点である。図８においては内部電極１２ａ_４，１２ａ_４，１２ａ_６及び外部電極１２ｂ_４，１２ｂ_５，１２ｂ_６はベルト状の電極であって、内部電極１２ａ_１，１２ａ_２，１２ａ_３のベルト幅が外部電極１２ｂ_４，１２ｂ_５，１２ｂ_６のベルト幅よりも大きくなっており、面積内部電極１２ａ_１，１２ａ_２，１２ａ_３の面積が外部電極１２ｂ_４，１２ｂ_５，１２ｂ_６の面積よりも大きくなっている。これにより、例えばポリマーアクチュエータ１０Ｂの内径が拡大・縮小する際のイオン導電性高分子体１１の湾曲変形量は小さくなるが、変位面積は大きくなり、棒状物体Ｐへの接触面積が大きくなることからより棒状物体Ｐをグリップすることができる。

つぎに、本発明に係るポリマーアクチュエータの第２の実施の形態について説明する。
図９は、本発明に係るポリマーアクチュエータの第２の実施の形態における構成を示す概略断面図である。

図９に示すように、ポリマーアクチュエータ２０Ａは、円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子体１１と、イオン導電性高分子体１１の内周面に複数（図９では３つ）の内部電極１２ａがイオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる内部電極アレイ１５ａと、イオン導電性高分子体１１の外周面に複数（図９では３つ）の外部電極１２ｂがイオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる外部電極アレイ１５ｂと、内部電極１２ａ及びイオン導電性高分子体１１の内壁を保護する保護層２６ａと、外部電極１２ｂ及びイオン導電性高分子体１１の外壁を保護する保護層２６ｂとを備える。また、ポリマーアクチュエータ２０Ａでは、内部電極１２ａと外部電極１２ｂの間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータ２０Ａの内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータ２０Ａの円筒内部にある棒状物体をその長手方向に移動させることができる。

ここで、イオン導電性高分子体１１、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂは第１の実施の形態で示したものと同じであり、ポリマーアクチュエータ２０Ａの動作ステップは第１の実施の形態と同じである。

保護層２６ａ，２６ｂは、それぞれ内部電極１２ａ、外部電極１２ｂを保護するものであるから、できるだけ摩擦係数の小さい材料からなることが好ましい。例えば、フッ素系樹脂やポリエチレン系樹脂などのコーティング層、ダイヤモンドライクカーボン薄膜などが挙げられる。なお、この保護層２６ａ，２６ｂ内に内部電極１２ａ、外部電極１２ｂへのリード配線を埋め込むようにしてもよい。

この保護層２６ａ，２６ｂにより、ポリマーアクチュエータ２０Ａの内壁が棒状物体と接触しても内部電極１２ａやイオン導電性高分子体１１が損傷を受けることがなくなり、また外壁も周囲と接触しても外部電極１２ｂやイオン導電性高分子体１１が損傷を受けることがなくなるためその耐久性が向上する。

図１０に本発明のポリマーアクチュエータ２０Ａの変形例を示す。
図１０に示すように、ポリマーアクチュエータ２０Ｂは、円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子体１１と、イオン導電性高分子体１１の内周面に複数（図１０では３つ）の内部電極１２ａがイオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる内部電極アレイ１５ａと、イオン導電性高分子体１１の外周面に複数（図１０では３つ）の外部電極１２ｂがイオン導電性高分子体１１の長手方向に配列されてなる外部電極アレイ１５ｂと、内部電極１２ａ及びイオン導電性高分子体１１の内壁を保護する保護層２６ａと、棒状物体Ｐと接触して該棒状物体Ｐをグリップするグリップ層２７ａとを備える。また、ポリマーアクチュエータ２０Ｂでは、内部電極１２ａと外部電極１２ｂの間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータ２０Ｂの内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータ２０Ｂの円筒内部にある棒状物体Ｐをその長手方向に移動させることができる。

ここで、イオン導電性高分子体１１、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂ、保護層２６ａは図９のポリマーアクチュエータ２０Ａで示したものと同じであり、ポリマーアクチュエータ２０Ｂの動作ステップは第１の実施の形態と同じである。

グリップ層２７ａは、棒状物体Ｐをグリップするために摩擦係数が大きい材料からなることが好ましく、例えばスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）や天然ゴム（ＮＲ）などが挙げられる。あるいはポリマーアクチュエータ２０Ｂの内壁をすべてカバーするように保護層２６ａを形成した後に、所定の領域のみその保護層２６ａ表面を粗面化したり微小粒子を付着させることによりグリップ層２７ａとしてもよい。なお、グリップ層２７ａは、その下に内部電極１２ａを含まないように形成することが好ましい。

このグリップ層２７ａにより、ポリマーアクチュエータ２０Ａの内壁が棒状物体と接触してもイオン導電性高分子体１１が損傷を受けることがなくなるだけでなく、その棒状物体を確実に把持することができ、棒状物体の移動の信頼性が向上する。

つぎに、本発明に係るポリマーアクチュエータの第３の実施の形態について説明する。
図１１は、本発明に係るポリマーアクチュエータの第３の実施の形態における構成を示す概略断面図である。

図１１に示すように、ポリマーアクチュエータ３０Ａは、円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子ベース３１ａと、該イオン導電性高分子ベース３１ａ内部に前記該イオン導電性高分子ベース３１ａの構造を維持するためのフレーム３１ｂとからなるイオン導電性高分子体３１Ａと、イオン導電性高分子体３１Ａの内周面に複数（図１１では３つ）の内部電極１２ａがイオン導電性高分子体３１Ａの長手方向に配列されてなる内部電極アレイ１５ａと、イオン導電性高分子体３１Ａの外周面に複数（図１１では３つ）の外部電極１２ｂがイオン導電性高分子体３１Ａの長手方向に配列されてなる外部電極アレイ１５ｂとを備える。また、ポリマーアクチュエータ３０Ａでは、内部電極１２ａと外部電極１２ｂの間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータ３０Ａの内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータ３０Ａの円筒内部にある棒状物体をその長手方向に移動させることができる。

ここで、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂは第１の実施の形態で示したものと同じであり、ポリマーアクチュエータ３０Ａの動作ステップは第１の実施の形態と同じである。

イオン導電性高分子体３１Ａのうち、イオン導電性高分子ベース３１ａは内部にフレーム３１ｂを有していること以外は第１の実施の形態で示したイオン導電性高分子体１１と同じものである。また、フレーム３１ｂはイオン導電性分子体３１Ａとしての剛性を維持するためのものであり、硬い高分子材料からなる繊維が骨材としてイオン導電性分子体３１Ａ内部に張り巡らされている。

このようなイオン導電性高分子ベース３１ａとフレーム３１ｂが一体となったイオン導電性高分子体３１Ａは、まず硬い高分子材料からなる繊維を円筒形状の型に入れて円筒形状のフレーム３１ｂとし、ついでその型の中にイオン導電性高分子ベース３１ａの原材料を入れた後に加熱等の加工によりイオン導電性高分子ベース３１ａとして得られるものである。

イオン導電性高分子体３１Ａのフレーム３１ｂによりポリマーアクチュエータ３０Ａとしての剛性が維持される。特に、変位量を大きくするために軟らかいイオン導電性高分子ベース３１ａとした場合には有効である。

図１２に本発明のポリマーアクチュエータ３０Ａの変形例を示す。
図１２に示すように、ポリマーアクチュエータ３０Ｂは、円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子ベース３１ａと、該イオン導電性高分子ベース３１ａ内部に前記該イオン導電性高分子ベース３１ａの構造を維持し内部電極１２ａ及び外部電極１２ｂへ電圧を印加するためのリード線となる配線フレーム３１ｅとからなるイオン導電性高分子体３１Ｂと、イオン導電性高分子体３１Ｂの内周面に複数（図１２では３つ）の内部電極１２ａがイオン導電性高分子体３１Ｂの長手方向に配列されてなる内部電極アレイ１５ａと、イオン導電性高分子体３１Ｂの外周面に複数（図１２では３つ）の外部電極１２ｂがイオン導電性高分子体３１Ｂの長手方向に配列されてなる外部電極アレイ１５ｂとを備える。また、ポリマーアクチュエータ３０Ｂでは、内部電極１２ａと外部電極１２ｂの間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータ３０Ｂの内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータ３０Ｂの円筒内部にある棒状物体をその長手方向に移動させることができる。

ここで、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂ、イオン導電性高分子ベース３１ａは図１１のポリマーアクチュエータ３０Ａで示したものと同じであり、ポリマーアクチュエータ３０Ｂの動作ステップは第１の実施の形態と同じである。

イオン導電性高分子体３１Ｂのうち、配線フレーム３１ｅは内部電極１２ａ及び外部電極１２ｂへ電圧を印加するためのリード線であるとともにイオン導電性分子体３１Ｂとしての剛性を維持するためのものであり、リード線が骨材としてイオン導電性分子体３１Ｂ内部に張り巡らされている。

このようなイオン導電性高分子ベース３１ａと配線フレーム３１ｅが一体となったイオン導電性高分子体３１Ｂは、まずリード線からなる繊維を円筒形状の型に入れて円筒形状の配線フレーム３１ｅとし、ついでその型の中にイオン導電性高分子ベース３１ａの原材料を入れた後に加熱等の加工によりイオン導電性高分子ベース３１ａとして得られるものである。なおこのとき、イオン導電性高分子体３１Ｂの内部電極１２ａ、外部電極１２ｂが形成される予定の箇所の壁面に配線フレーム３１ｅのリード線の端部が露出しているように形成されている。

イオン導電性高分子体３１Ｂの配線フレーム３１ｅによりポリマーアクチュエータ３０Ｂとしての剛性が維持されるとともに、ポリマーアクチュエータ３０Ｂの円筒内周部、外周部に配線スペースをとる必要がなくなるためにコンパクト化することが可能となる。

図１３に本発明のポリマーアクチュエータ３０Ａの別の変形例を示す。
図１３に示すように、ポリマーアクチュエータ３０Ｃは、円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子ベース３１ａと、該イオン導電性高分子ベース３１ａ内部に前記該イオン導電性高分子ベース３１ａの構造を維持するためのフレーム３１ｂとからなるイオン導電性高分子体３１Ａと、イオン導電性高分子体３１Ａの内周面に複数（図１３では３つ）の内部電極１２ａがイオン導電性高分子体３１Ａの長手方向に配列されてなる内部電極アレイ１５ａと、イオン導電性高分子体３１Ａの外周面に複数（図１３では３つ）の外部電極１２ｂがイオン導電性高分子体３１Ａの長手方向に配列されてなる外部電極アレイ１５ｂと、内部電極１２ａ及びイオン導電性高分子体１１の内壁を保護する保護層２６ａと、外部電極１２ｂ及びイオン導電性高分子体１１の外壁を保護する保護層２６ｂとを備える。また、ポリマーアクチュエータ３０Ｃでは、内部電極１２ａと外部電極１２ｂの間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータ３０Ｃの内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータ３０Ｃの円筒内部にある棒状物体をその長手方向に移動させることができる。

ここで、イオン導電性高分子体３１Ａ、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂは図１１のポリマーアクチュエータ３０Ａで示したものと同じであり、保護層２６ａ，２６ｂは図９のポリマーアクチュエータ２０Ａで示したものと同じである。またポリマーアクチュエータ３０Ｂの動作ステップは第１の実施の形態と同じである。

つぎに、本発明に係るポリマーアクチュエータの第４の実施の形態について説明する。
図１４は、本発明に係るポリマーアクチュエータの第４の実施の形態における構成を示す概略図である。図１４（ａ）は本発明のポリマーアクチュエータの外観を示す斜視図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のａ−ａ´で切断した場合の構成を示す断面図である。

図１４に示すように、ポリマーアクチュエータ４０は、第１の実施の形態で示したポリマーアクチュエータ１０が同心円状に複数配置（図１４では２つ配置）されてなるものである。ここで、イオン導電性高分子体１１、内部電極１２ａ、外部電極１２ｂは第１の実施の形態で示したものと同じであり、ポリマーアクチュエータ４０の動作ステップは第１の実施の形態と同じである。

内側のポリマーアクチュエータ１０と外側のポリマーアクチュエータ１０は径が異なるだけで、同じ動作が行われる。したがって、径方向の変位に関してポリマーアクチュエータ１０が積層された効果により、より大きな変位の力を発生させることができる。なお、ここでは第１の実施の形態のポリマーアクチュエータ１０を径方向に積層したものを示したが、積層に適用できるポリマーアクチュエータはこれに限定されるものではなく、前記第１の実施の形態のその他のもの（図７、図８）、第２の実施の形態（図９、図１０）、第３の実施の形態（図１１〜図１３）で示したポリマーアクチュエータを用いることもできる。

本発明に係るポリマーアクチュエータの第１の実施の形態における構成を示す図である。 ポリマーアクチュエータ素子の基本構成（１）を示す断面図である。 ポリマーアクチュエータ素子の基本構成（２）を示す断面図である。 ポリマーアクチュエータ素子の基本動作原理の説明図である。 本発明のポリマーアクチュエータの動作原理の説明図（１）である。 本発明のポリマーアクチュエータの動作原理の説明図（２）である。 本発明に係るポリマーアクチュエータの第１の実施の形態における変形例（１）の構成を示す図である。 本発明に係るポリマーアクチュエータの第１の実施の形態における変形例（２）の構成を示す図である。 本発明に係るポリマーアクチュエータの第２の実施の形態における構成を示す図である。 本発明に係るポリマーアクチュエータの第２の実施の形態における変形例の構成を示す図である。 本発明に係るポリマーアクチュエータの第３の実施の形態における構成を示す図である。 本発明に係るポリマーアクチュエータの第３の実施の形態における変形例（１）の構成を示す図である。 本発明に係るポリマーアクチュエータの第３の実施の形態における変形例（２）の構成を示す図である。 本発明に係るポリマーアクチュエータの第４の実施の形態における構成を示す図である。

符号の説明

１…イオン導電性高分子膜、２…電極膜、３…金属導電膜、４…リード線、１０,１０Ａ,１０Ｂ，２０Ａ，２０Ｂ，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，４０…ポリマーアクチュエータ、１１，３１Ａ，３１Ｂ…イオン導電性高分子体、１２ａ，１２ａ_１，１２ａ_２，１２ａ_３，１２ａ_４，１２ａ_５，１２ａ_６…内部電極、１２ｂ，１２ｂ_１，１２ｂ_２，１２ｂ_３，１２ｂ_４，１２ｂ_５，１２ｂ_６…外部電極、１５ａ…内部電極アレイ、１５ｂ…外部電極アレイ、２６ａ，２６ｂ…保護層、２７ａ…グリップ層、３１ａ…イオン導電性高分子ベース、３１ｂ…フレーム、３１ｅ…配線フレーム、ａ１，ａ２…ポリマーアクチュエータ素子、Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３…電極位置、Ｐ…棒状物体

Claims (9)

1. 円筒形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子体と、該イオン導電性高分子体の内周面に複数の内部電極が前記イオン導電性高分子体の長手方向に配列されてなる内部電極アレイと、前記イオン導電性高分子体の外周面に複数の外部電極が前記イオン導電性高分子体の長手方向に配列されてなる外部電極アレイとを備えるポリマーアクチュエータであって、
   前記内部電極と外部電極の間への印加電圧状態の制御により当該ポリマーアクチュエータの内径を変化させ、当該ポリマーアクチュエータの円筒内部の棒状物体を長手方向に移動させることを特徴とするポリマーアクチュエータ。
2. 前記印加電圧状態の制御により、前記イオン導電性高分子体の内径を縮小させて当該ポリマーアクチュエータの内壁で前記棒状物体の一方の端部を把持し、ついでこの把持部分から前記棒状物体の他方の端部側に向けて前記内部電極及び外部電極の長手方向配列順に前記イオン導電性高分子体の内径の拡大、縮小を交互に行って前記イオン導電性高分子体を蛇腹形状に変形させて当該ポリマーアクチュエータの長さを短縮させた後、前記イオン導電性高分子体の内径を縮小させて当該ポリマーアクチュエータの内壁で前記棒状物体の他方の端部側部分を把持し、さらに該棒状物体の他方の端部側部分を把持したまま当該部分以外のイオン導電性高分子体を元の円筒形状に戻して棒状物体を長手方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
3. 前記内部電極は、前記イオン導電性高分子体の内周面の円周上に設けられた１または複数の帯状の電極膜からなり、前記外部電極は、前記イオン導電性高分子体の外周面の円周上に設けられた１または複数の帯状の電極膜からなることを特徴とする請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
4. 前記イオン導電性高分子体内部に内部電極へ電圧印加するための配線を有することを特徴とする請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
5. 前記内部電極と外部電極との配置関係、内部電極と外部電極との面積比、印加電圧の大きさの少なくともいずれか一つを調整して前記イオン導電性高分子体の内径変化量を調整することを特徴とする請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
6. 少なくとも前記内部電極上に保護層を有することを特徴とする請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
7. 前記イオン導電性高分子体は、その内部に強度維持フレームを有することを特徴とする請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
8. 前記イオン導電性高分子体の内周面に前記棒状物体を保持するグリップ層を有することを特徴とする請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
9. 請求項１〜８のいずれか一に記載のポリマーアクチュエータが同心円状に複数配置されてなることを特徴とするポリマーアクチュエータ。

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