JP4551673B2 - イオン交換樹脂成型品及びこれを用いたアクチュエータ素子 - Google Patents

Description

本発明は、イオン交換樹脂成形品及びこれに金属電極を形成して変位部に用いた湾曲及び／または変形可能なアクチュエータ素子に関する。

医療機器や産業用ロボット、マイクロマシンなどの分野において、軽量で柔軟性に富むアクチュエータの必要性が高まっている。特に、軽量性、柔軟性に加えて、小型でもあるアクチュエータの必要性が高まっている。また、ロボットやマニピュレータ等の用途においては、重い物体の移動等に代表される耐荷重性や、アクチュエータとしての長さが長い形状がアクチュエータに要求される。

例えば、小型化したアクチュエータは、駆動力の支配因子が慣性力よりも摩擦や粘性力となるため、モータやエンジンのような慣性力を利用してエネルギーを運動に変える機構を、超小型アクチュエータの動力として用いることが困難であった。このため、超小型アクチュエータの作動原理としては、静電引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式、高分子伸縮式などが提案されている。

このような要求を満たす、小型化が容易であり、応答性が速く、しかも小電力で作動する高分子アクチュエータとして、イオン交換膜とこのイオン交換膜の表面で接合した電極とからなり、イオン交換膜の含水状態においてイオン交換膜に電位差をかけてイオン交換膜に湾曲および変形を生じさせることによりアクチュエータとして機能することができる高分子アクチュエータ素子が提案されている（特許文献１）。

特開平4-275078号公報

この高分子アクチュエータ素子は、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、該イオン交換樹脂膜の含水状態において、金属電極間に電位差をかけることによりイオン交換樹脂成形品に湾曲および変形を生じさせることを特徴としている。

しかしながら、上記高分子アクチュエータ素子は、単独のイオン交換樹脂膜に金属電極を接合したものを変位部に用いているために、以下に記す側面を有していた。

すなわち、湾曲または変位の大きいアクチュエータ素子としての性能を最大限発揮させるには、当該アクチュエータ素子が備える対向する金属電極間の幅は、狭いほうが好ましい。当該金属電極の幅が広くなるにつれて、変位量が小さくなり、また変位速度も遅くなる。しかし、マニピュレータや人工指のような用途にアクチュエータ素子を用いる場合には、一定以上の耐荷重性が求められるため、当該アクチュエータ素子の幅は一定以上であることが求められる。従って、耐荷重性が求められるアクチュエータ素子においては、耐荷重性を満たすためにイオン交換樹脂の幅を広くすると変位量及び変位速度が低下するという背反が生ずることとなる。

また、湾曲や変形の大きなアクチュエータ素子とするためには、変位部が長いアクチュエータ素子が望ましい。このような素子とするためには、変位部に用いられるイオン交換樹脂の成型品に金属電極を形成した複合成型品を複数連結して変位部に用いることが考えられる。

しかし、ただ連結させた複合成型品をアクチュエータの変位部に用いた場合、各複合成型品を湾曲、変位させるためには、各複合成型品ごとに電圧を与えるリード線を取り付けなければならず、複雑な構造となる。そのため、アクチュエータ素子の応用用途が制限される。

本発明は、前述したような従来技術における課題を解決し、構造的制限の少なく応用用途の広いアクチュエータ素子を提供することを目的とする。

本発明者らは、課題解決のため、以下に記す手段を取った。すなわち本発明は、イオン交換樹脂成型品の表面に、相互に絶縁状態で形成された金属電極を有している複合成型品において、二つの複合成形品のうち、一の複合成形品が他の一の複合成型品を連結する連結部位を有し、当該連結部に、金属電極のうちの一つ以外とは絶縁されており、かつ他の一の複合成型品の金属電極または連結部の金属表面と接触している金属表面を、少なくとも二面以上有する連結された複合成型品である。即ち、前記複合成型品は、相互に絶縁状態で形成された金属電極をイオン交換樹脂成型品の表面に有している複合成型品において、
隣接する任意の二つの複合成形品のうちの一の複合成形品について、他の一の複合成型品を連結する連結部を有し、
当該連結部において少なくとも二面以上の金属電極を有し、
当該連結部における該金属電極について
（１）金属電極は同じ複合成型品のうちの一つ以外とは絶縁され、かつ、
（２）金属電極は、前記他の複合成型品の金属電極表面または前記他の複合成型品の連結部の金属電極表面と接触している、
複合成型品である。

また、イオン交換樹脂成型品の表面に、相互に絶縁状態で形成された金属電極を有している複合成型品において、少なくとも2以上であるｎ個の複合成形品が他の複合成形品を連結するための連結部を有し、当該連結部に、金属電極のうちの一つ以外とは絶縁されており、かつ他の複合成型品の連結部の金属表面と接触することがきる金属表面を、少なくとも四面以上有する複合成型品である。すなわち、本発明は、相互に絶縁状態で形成された金属電極をイオン交換樹脂成型品の表面に有している複合成型品において、他の複合成形品を連結するための連結部を少なくとも2個以上の複合成形品が有し、当該連結部は、当該連結部を備える複合成型品を備える金属電極のうちの一つ以外とは絶縁されており、かつ他の複合成型品の連結部の金属表面と接触することがきる金属表面を少なくとも四面以上有する複合成型品群である。

更に、本発明は、上記に記載の複合成型品が連結部を形成する嵌合凸部及び／または嵌合凹部を備えた複合成形品である。特に、嵌合凹部を備えた複合成型品は、該嵌合凹部がコの字状である場合には、本発明は、上記記載の複合成型品における連結部がコの字形状である複合成形品である。

更に、本発明は、上記に記載の複合成型品の連結部の先端に、外れ防止の機構を有し、他の一の複合成型品の連結部の先端に、一の複合成型品の外れ防止機構に対応する外れ防止機構を有している複合成型品または連結された複合成型品である。

更に、本発明は、上記に記載した複合成型品が複数連結している複合成型品において、そのうち少なくとも二つの複合成型品が、金属電極間の幅ｗが２０ｍｍ以下であって、当該二つの複合成型品が、互いに、一の複合成型品の幅方向から見て、他の複合成型品の膜面方向が実質上水平となる角度以外で連結されている、連結された複合成型品である。つまり、本発明は、隣接する複合成型品の幅方向の軸が交わるように複合成型品が連結された複合成型品の組み合わせを少なくとも１つ以上有する、上記複合成型品が複数連結している複合成型品群である。

更に、本発明は、上記いずれかに記載した複合成型品が複数連結している複合成型品において、任意の複合成型品の端部から順番に１ないしｎまで番号をつけたｎ個の複合成型品の側周ｄが、ｄ（ｎ）＞ｄ（ｎ−１）の関係を有する連結された複合成型品である。つまり、本発明は、複合成型品が複数連結している複合成型品群であり、隣接する複合成型品が嵌合により連結され、末端の複合成型品からｎ番目の複合成型品の側周ｄ（ｎ）とｎ−１番目の複合成型品の側周ｄ（ｎ−１）とが下式（１）の関係である複合成型品群である。
ｄ（ｎ）＞ｄ（ｎ−１） 式（１）。

また、上記いずれかに記載した複合成型品が複数連結している複合成型品を変位部に用い、かつ当該連結された複合成型品における一方の端部にある複合成型品の各金属電極に、電圧を供給するためのリード線が接続されているアクチュエータ素子である。

また、上記アクチュエータ素子を用いたロータリアクチュエータである。

また、上記アクチュエータ素子を駆動部に用いた位置決め装置、姿勢制御装置、応答装置、調節装置、保持機構または関節機構である。

また、上記アクチュエータ素子を駆動部に用いたマニピュレータ、遠隔操縦装置または手術用器具である。

また、上記アクチュエータ素子を用いた人工関節、人工筋肉または人工指である。

本発明の用いることにより、湾曲や変位が大きくかつ耐荷重性に優れ、回転運動可能なアクチュエータ素子および当該アクチュエータ素子に好適なイオン交換成型体の複合成型品を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図１ないし図９に基づいて詳細に説明する。ただし本発明は、図面により例示された実施形態に限られるものではない。

図1ないし図6は本発明の複合成型品の形態を例示した図である。図7および図8は本発明の連結された複合成型品群の形態を例示した図である。図9は連結された複合成型品群をアクチュエータ素子として使用した形態を例示した図である。

複合成型品は、イオン交換樹脂成型品の表面に、相互に絶縁状態で形成された金属電極を有している。

ここで、本発明でいう絶縁とは、”絶縁状態”の語を含めて、電極が接続される電極を除く電極と実質的に短絡を生じないことをいうものであって、もとよりイオン交換樹脂を介しての通電を排除しているものではない。ただし、この定義については、リード線の絶縁皮膜において絶縁の語を使用する場合が除かれる。

イオン交換樹脂の成型品を構成するイオン交換樹脂としては、陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂を例示として挙げることができる。このうち、陽イオン交換樹脂が、アクチュエータ素子とした場合の変位量を大きくできるため、好適に用いることができる。

前記陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などの樹脂に、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ものを用いることができる。特に、前記陽イオン交換樹脂としては、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。また、このような陽イオン交換樹脂は、イオン交換容量が０.８〜３.０meq/g、好ましくは１.４〜２.０meq/gのものが望ましい。すなわち、このようなイオン交換容量の陽イオン交換樹脂を使用すれば、さらに変位量を大きくすることができるからである。

更に、前記複合成型品のイオン交換樹脂の含水状態において、イオン交換樹脂が有する官能基とイオン対を形成する対イオンがアルキルアンモニウムイオンであることは、通常使用されている対イオンがＮa⁺である場合と比べて、前記複合成型品により高い電圧を印加しても、気泡の発生が起こりにくくなるので、好ましい。

イオン交換樹脂成型品の形状は、矩形平板状、膜状、円柱状、円筒状等任意の形状とすることができる。つまり、本発明は、相互に絶縁状態で形成された金属電極をイオン交換樹脂成型品の表面に有しているイオン交換樹脂成形体において、隣接する任意の二つのイオン交換樹脂成形体のうちの一のイオン交換樹脂成形体について、他の一のイオン交換樹脂成形体を連結する連結部を有し、当該連結部において少なくとも二面以上の金属電極を有し、当該連結部における該金属電極について（１）金属電極は同じイオン交換樹脂成形体のうちの一つ以外とは絶縁され、かつ、（２）金属電極は、前記他のイオン交換樹脂成形体の金属電極表面または前記他のイオン交換樹脂成形体の連結部の金属電極表面と接触している、イオン交換樹脂成形体でもある。なかでも矩形平面状にすれは、後述の対向する金属電極を平行に設置することが容易であるので、金属電極間にかかる電圧に対する湾曲、変形の効率を高くすることが容易となり、好ましい。図1では、連結部を有するイオン交換樹脂成型品の形状が四角柱の場合における複合成型品が例示されている。また図２では、連結部を有するイオン交換樹脂成型品の形状が円柱の場合における複合成型品が例示されている。

本発明において、複合成型品とは、イオン交換樹脂成型品の外壁表面に、相互に絶縁状態にある金属電極を少なくとも２つ以上形成させたものをいう。

複合成型品における金属電極を構成する金属は電気抵抗の少ない固体金属であれば、特に制限されるものではない。高寿命化のための観点からは、前記金属として、耐酸化性に優れる金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム等が好ましい。

金属電極は、イオン交換樹脂中に電位変化を与える必要があるので、イオン交換樹脂成型品の表面に形成され、相互に絶縁状態で少なくとも二面以上が形成される。相互に絶縁された金属電極を二面有する複合成型品を単品としてアクチュエータ素子の変位部として用いた場合、電極に垂直方向の変位運動を行うことができる。一方、相互に絶縁された金属電極を少なくとも四面有している複合成型品は、アクチュエータ素子の変位部として単独で使用した場合でも、旋回運動が可能である。

イオン交換樹脂成型品に金属電極を形成させる方法としては、イオン交換樹脂成形品表面に化学めっき、電気めっき、真空蒸着、スパッタリング、塗布、圧着、溶着などの方法を用いることができる。例えば、化学めっき法では、イオン交換樹脂成型品にある金属表面をエッチングしたのち、めっき触媒を担持し、めっき浴に浸漬することによってイオン交換樹脂成型品の表面にめっきを行い、金属電極を形成することができる。具体的には以下のような方法を用いることができる。下記の(１)〜(３)の工程を数サイクル繰り返して実施すことで、イオン交換樹脂成型品の表面に金めっきが施された前記イオン交換樹脂膜と金属電極層との接合体を得ることができる。
(i)イオン交換樹脂成形品に金属錯体を水溶液中で吸着させる工程(吸着工程)、
(ii)イオン交換樹脂成形品に吸着した金属錯体を、還元剤により還元して前記イオン交換樹脂成形品表面に金属を析出させる工程(析出工程)、
(iii)金属が析出したイオン交換樹脂成形品を洗浄液で洗浄する工程(洗浄工程)。
上記のような工程で金属電極を形成する場合、使用するイオン交換樹脂成型品の表面を予め粗化してもよい。さらにまた、形成された電極上に、追加の電極層を設けてもよい。追加の電極層は、化学めっき、電気めっき、真空蒸着、スパッタリング、塗布、圧着、溶着などの方法によって形成することができる。これらの方法は、複合成型品の連結部の金属表面の形成方法としても、同様に使用できる。

金属電極間の絶縁は、金属電極がイオン交換樹脂成形品のすべての表面に形成された複合成型品の端部を切断することによって行うことができる。また、金属電極形成時にマスキングを行うことにより、互いに絶縁された金属電極を形成することもできる。前記した端部の切断は、通常の研削方法を用いることができる。特に複合成型品が小型である場合には、レーザー光を複合成型品に照射して金属電極の一部を削って、電極間に絶縁帯を設けることによって、電極間の絶縁を行うことができる。これらの切断又はレーザー照射を用いる方法は、複合成型品の連結部の金属表面を絶縁する方法としても、使用できる。また、イオン交換樹脂成型品に金属電極を形成し、ついで絶縁部を形成した後、加工により形成された連結部に金属表面を設ける方法を用いて、本発明の複合成型品を得ることができる。しかし、イオン交換樹脂成型品に連結部を予め形成し、その後、金属電極と当該連結部の金属表面を同時に設けることもできる。

本発明の複合成型品群は、アクチュエータ素子の変位部として用いる場合に、複数の複合成型品を連結させて用いる。よって、本発明複合成型品ｎ個のうち、少なくともｎ-1個の複合成型品には、他の複合成型品を少なくとも一つ連結するための連結部を有している。

複合成型品の連結部には、それぞれ他の複合成型品に電流を流すために、他の複合成型品が接触する表面には、金属電極のうちの一つ以外とは絶縁されている金属表面を少なくとも二面以上有する。上述のように、当該金属電極が一対しかないアクチュエータ素子では、単独の複合成型品を変位部に用いたアクチュエータ素子は、金属電極と垂直な方向の一方向の運動しかできない。しかしこの場合、後述のように、連結部に金属表面を二面以上有する複合成型品を、隣接する複合成型品について、一の複合成型品の金属電極が他の複合成型品の金属電極と互いに水平となる状態以外となるような接続角度を有する状態で連結させて、アクチュエータ素子の変位部に用いた場合、アクチュエータ素子全体としては、旋回運動をさせることもできる。

これに対し、金属電極を四面以上有している複合成型品では、上述のように、単独の複合成型品を変位部に用いたアクチュエータ素子でも一応の回転運動は可能である。しかし、素早い湾曲や変位を引き起こすためには、電極間のイオン交換樹脂の電位差を大きくする必要があり、このため、各電極間の幅は２０ｍｍ以下にすることが好ましい。よって、単独の複合成型品を変位部に用いたアクチュエータ素子は、電極垂直方向の断面積が、約４００ｍｍ^２以下のアクチュエータ素子ととして用いることが好ましい。また、上記の複合成型品群は、膜状の複合成型品を組み立てることによっても得ることができるので、円筒状若しくは円柱状のイオン交換樹脂成型品に金属電極を四面以上形成することよりも、旋回運動をすることができるアクチュエータ素子として容易に得ることができる。

一方、連結部に、金属電極のうちの一つ以外とは絶縁されており、かつ他の複合成型品の連結部の金属表面と接触することがきる金属表面を、少なくとも四面以上有する複合成型品を、連結させてアクチュエータ素子の変位部に用いた場合、各複合成型品とその連結方法を変えることで、アクチュエータ素子の変位部全体としては、大きな設計の自由度を確保できる。

複合成型品の連結部の形状は、両複合成型品の連結部で、金属電極のうちの一つ以外とは絶縁されている金属表面が、複合成型品間でそれぞれ接触する形状であれば良く、連結部の金属表面の接触が容易に外れない形状であることが好ましい。このような形状の一例として、一の複合成型品の連結部の形状を凸形状に、他の一の複合成型品の形状を対応する凹形状とすることができる。つまり、複合成型品が連結部を形成する嵌合凸部及び／または嵌合凹部を備えた複合成形品を用いることができる。隣接する複合成型品において、一の複合成型品に嵌合凸部を備え、他の複合成型品に嵌合凹部を備える場合において、２つの複合成型品を連結させたときに、一の複合成型品の嵌合凸部に形成された金属表面が他の複合成型品の嵌合凹部に形成された金属表面と、電気的に導通できるように接触をさせる。一の複合成型品における接触した金属表面が一の複合成型品における一つの金属電極と電気的に導通し、他の複合成型品における接触した金属表面が他の複合成型品における一つの金属電極と電気的に導通することにより、前記金属表面の接触により、一の複合成型品における一つの金属電極に電圧を印加することで、他の複合成型品における一つの金属電極に該電圧と同位相となる電圧を印加することができる。また、前記連結部である前記嵌合凹部または前記嵌合凸部を、連結および製造が容易であることから、矩形の凹部または矩形の凸部とすることが好ましい。また、連結部である前記嵌合凸部及び前記嵌合凹部により形成される嵌合は、鎌継ぎ及び目違い継ぎに代表される公知の形態で嵌合することができる。また、前記嵌合凸部及び前記嵌合凹部は、嵌合構造に適した形状であればよい。

図１においては凸形状をした連結部１１と凹形状をした連結部１２とを備えた複合成型品１０を例示した。また、図２においては、凸形状をした連結部２１と凹形状をした連結部２２とを備えた複合成型品２０を例示した。図１及び図２において、本発明の複合成型品における金属電極及び連結部における金属表面は、任意の表面に形成することができるために、図示していない。

図３では、複合成型品の表面に、金属電極および連結部の金属表面を斜線で例示した。これにより、当該金属電極や金属表面が、他の金属電極等とどのように絶縁されているのかの一例が示される。図３（ａ）では凸形状の連結部が示されている。図３（ｂ）では、図３（ａ）の凸形状の連結部と連結可能な凹形状の連結部が示されている。図３（ａ）において、複合成型品３０は、金属電極を四面備え、金属電極３１１は連結部（嵌合凸部）３３の金属表面３２１と電気的の導通する。金属電極３１２は連結部（嵌合凸部）３３の金属表面３２２と電気的の導通する。同様に、金属電極３１１、３１２以外の金属電極もそれぞれ、金属表面３２１、３２２以外の金属表面と電気的に導通する。図３においては、金属電極が直接金属表面と接続して電気的に導通しているが、本発明の複合成型品は、金属メッキ等の方法により金属層を設けて金属電極と金属表面とを接続しても良い。図３（ｂ）において、複合成型品３０は、金属電極を四面備え、金属電極３１３は連結部（嵌合凹部）３４の金属表面３２３と電気的に導通する。金属電極３１４は連結部（嵌合凹部）３４の金属表面３２４と電気的の導通する。同様に、金属電極３１１、３１２の金属電極もそれぞれ、一の金属表面とそれぞれ電気的に導通する。図３においては、金属電極が直接金属表面と接続して電気的に導通しているが、本発明の複合成型品は、金属メッキ等の方法により金属層を設けて金属電極と金属表面とを接続しても良い。

また、図4には、本発明の複合形成品の異なる実施態様例として、膜状の複合成型品において連結部がコの字形状である場合を例示した。即ち、図４前記嵌合凹部が矩形の凹部である複合成型品を用いた場合である。図４においては、一の複合成型品４０は嵌合凹部４２を備えている。また、他の複合成型品４１は嵌合凹部４３、４４を備えている。嵌合凹部４２と嵌合凹部４３とが嵌め合わさる様に一の複合成型品４０と他の複合成型品４１とを連結することで、複合成型品がそれぞれ一方の複合成型品を挟むので、複合成型品が外れにくい連結がなされる。特に膜状の複合成型品を用いた場合において、連結部の形状をコの字形状とすることにより、複合成型品の加工が簡単であり、かつ、接触部位が外れにくくすることができる。

図５(a)(b)には、金属電極及び金属表面に斜線を付して、金属電極および連結部の金属表面が形成されている複合成型品５０を示した。本発明では、このように、直接金属電極が、他の複合成型品の金属電極等に直接接触する場合でもよく、この場合には、相互に接触している金属電極の部分が、本発明にいう連結部の金属表面に課された条件を満たせば、本発明の要件を満たすに足りる。複合成型品５０は、金属電極５２１、５２２を備え、嵌合凹部５３１には金属表面５４１を備える。また、複合成型品５１は、金属電極５２３、５２４を備え、嵌合凹部５３２には金属表面５４２を備える。複合成型品５０、５１がそれぞれ相手の嵌合凹部５３２、５３１に挟まるように嵌め合って連結することで、金属電極５２２と電気的に導通する複合成型品５０の金属表面５４１は、接触部５５２において複合成型品５１の金属電極５２３と接触する。同様に複合成型品５１の金属表面５４２は、金属電極５２１と対向する複合成型品５０の金属電極と接触する。

更に、本発明の複合成型品において、一の複合成型品の連結部に外れ防止機構があり、他の一の複合成型品の連結部に、一の複合成型品の外れ防止機構に対応する外れ防止の機構を有している場合には、特に接触部位が外れにくくなる。図６にはこのような外れ防止機構を有する連結部の例示として、金属電極間の中央部分を電極方向と水平方向の断面図として示したものである。図６(a)のように、外れ防止機構は、連結部の形状についてそのような加工を行なうことで作成することもでき、また図６(b)のように、連結部作成後に、別途外れ防止機構を取り付けることもできる。

上述のように、素早い湾曲や変位を引き起こすためには、各電極間の幅は、２０ｍｍ以下にすることが好ましい。そこで、図７に示すように、複合成型品の少なくとも一組の金金属電極間の幅ｗが２０ｍｍ以下であるものを二つ以上用意し、これらを互いに、一の複合成型品の幅ｗ１またはｗ２方向から見て、他の複合成型品の膜面方向（当該幅方向に対して垂直方向）が実質上水平となるように連結された複合成型品群７０を用いることができる。つまり、複合成型品群７０は、複合成型品７１の幅方向の軸Ｘが複合成型品７２の幅方向の軸Ｙとが平行とならず、接続角度θが０°以外の角度で形成されるように複合成型品が連結された複合成型品群である。この複合成型品群をアクチュエータ素子に用いた場合、各複合成型体それぞれは、素早く大きい湾曲や変位を直線的な運動としてしか行わなくとも、アクチュエータ素子全体では、当該直線運動が二方向以上で生じることになる。従って、当該二つの金属電極幅ｗが２０ｍｍ以下の複合成型品を、互いに実質上水平となる角度以外で連結させて、変位部に用いたアクチュエータ素子では、全体として優れた回転運動が可能になる。図７は、このように連結された複合成型体を例示的に示したものである。中でも、お互いが垂直方向で、連結されている場合には、最も効率良く回転運動を生じさせることができる。よって図７では、例示として最も回転運動の効率がよい垂直に連結した場合を示した。ただし、図７中に示したそれぞれの金属電極幅ｗ1およびｗ2は、どちらも２０ｍｍ以下であるとする。

本発明は、連結された複合成型品の任意の複合成型品の端部から順番に１ないしｎまで番号をつけたｎ個の複合成型品の側周ｄが、ｄ（ｎ）＞ｄ（ｎ−１）の関係を有している複合成型品である。つまり、本発明は、複合成型品が複数連結している複合成型品群であり、隣接する複合成型品が嵌合により連結され、末端の複合成型品からｎ番目の複合成型品の側周ｄ（ｎ）とｎ−１番目の複合成型品の側周ｄ（ｎ−１）とが
ｄ（ｎ）＞ｄ（ｎ−１） 式（１）
の関係である複合成型品群である。前記複合成型品群は、連結された複合成型品が順に太くなっていく構成であり、一の複合成型品が隣接する一方の複合成型品の幅より細く、一の複合成型品に対して隣接する他方の複合成型品の幅が大きくなる構成である。複合成型品の側周ｄとは、金属電極に垂直な断面の周囲長をいう。このような構造の連結された複合成型品を変位部に用いたアクチュエータでは、複合成型品の太い部分では耐荷重性に優れる一方、複合成型品の細い部分では大きな湾曲や変形が可能となる。図８では、このように連結された複合成型体を例示的に示している。図８の例示では、金属電極に垂直な断面の各辺の長さ（ａ１〜ａ４）の合計が側周ｄ（ｎ）となる。

図９は、連結された複合成型品を変位部に用いたアクチュエータ素子の例示図である。本発明の複合成型品の複合成型品群を用いたアクチュエータ素子９０は、３つの複合成型品が連結されている。金属電極９２１、９５１を含む４面に金属電極を備えた第１の複合形成品は、測周が第１の複合形成品より大きく、金属電極９２２、９５２を含む４面に金属電極を備えた第２の複合成型品に連結されている。第２の複合成型品は、測周が第２の複合形成品より大きく、金属電極９２３、９５３を含む４面に金属電極を備えた第３の複合成型品に連結されている。第１の複合成型品と第２の複合成型品とは、上述の連結部（図示せず）により連結されている。第２の複合成型品と第３の複合成型品とは、上述の連結部（図示せず）により連結されている。第３の複合成型品が有する４つの金属電極は、それぞれ、リード線９６１、９６２、９６３、９６４を介して電源９７に接続される。例えば、金属電極９２３と金属電極９２２と金属電極９２１とが電気的につながるように連結部を形成すると、金属電極９２３に電圧を印加することにより、金属電極９２２と金属電極９２１とには、金属電極９２３に印加された電圧と同じ電圧を印加することができる。各複合成型品の４面のうちの残りの３面についても同様であり、例えば、金属電極９５３と金属電極９５２と金属電極９５１とが電気的につながるように連結部を形成すると、金属電極９５３に電圧を印加することにより、金属電極９５２と金属電極９５１とには、金属電極９５３に印加された電圧と同位相の電圧を印加することができる。つまり、アクチュエータ素子９０においては、第３の複合成型品における金属電極９２３、９５３を含む４面に金属電極に印加する電圧を互いに独立に適切な電圧を印加することで、複合成型品群の先端に相当する第１の複合成型品の端部Ａが任意の方向に変位することができる。

本発明の複合成型品を連結したものをアクチュエータ素子とするためには、連結された複合成型品のどちらか一方の端部にある複合成型品に形成されている金属電極のそれぞれに、リード線の一端を電気的に接続させ、当該各リード線の他端が操作制御部に接続させることが必要になる。このような接続を行うことにより、連結された複合成型品の根元部分から先端部分まで、湾曲、変位を生じさせるための電圧を与えることができる。リード線は電気抵抗の小さなものであれば種類を問わず使用できる。一般的には通常の金属導線が用いられる。また、リード線に絶縁皮膜を設けたものを使用することもできる。

当該電極間に、各複合成型品につき０.１〜１０Ｖの直流電圧をかけると、数秒以内に素子長の１〜３倍程度の変位を得ることができる。各複合成型品に与える電圧によって、アクチュエータ素子全体としては、様々な動作を素早く起こすことができる。

本願の発明は上記の通りであるから、以下に示す効果を奏することができる。

まず本発明は、イオン交換樹脂成型品の表面に、相互に絶縁状態で形成された金属電極を有している複合成型品において、二つの複合成形品のうち、一の複合成形品が他の一の複合成型品を連結する連結部位を有し、当該連結部に、金属電極のうちの一つ以外とは絶縁されており、かつ他の一の複合成型品の金属電極または連結部の金属表面と接触している金属表面を、少なくとも二面以上有する連結された複合成型品である。つまり、相互に絶縁状態で形成された金属電極をイオン交換樹脂成型品の表面に有している複合成型品において、隣接する任意の二つの複合成形品のうちの一の複合成形品について、他の一の複合成型品を連結する連結部を有し、当該連結部において少なくとも二面以上の金属電極を有し、当該連結部における該金属電極について
（１）金属電極は同じ複合成型品のうちの一つ以外とは絶縁され、かつ、
（２）金属電極は、前記他の複合成型品の金属電極表面または前記他の複合成型品の連結部の金属電極表面と接触している

複合成型品である。従って、この複合成型品を変位部に用いたアクチュエータ素子は、いずれか一つの複合成型品の電極に電圧を与えることで、複数の複合成型品とも湾曲や変形を起こすことが可能となる。従って、アクチュエータ素子に好適な複合成型品群とすることができる。

また本発明は、イオン交換樹脂成型品の表面に、相互に絶縁状態で形成された金属電極を有している複合成型品において、少なくとも2以上であるｎ個の複合成形品が他の複合成形品を連結するための連結部を有し、当該連結部に、金属電極のうちの一つ以外とは絶縁されており、かつ他の複合成型品の連結部の金属表面と接触することがきる金属表面を、少なくとも四面以上有する複合成型品である。つまり、相互に絶縁状態で形成された金属電極をイオン交換樹脂成型品の表面に有している複合成型品において、他の複合成形品を連結するための連結部を少なくとも2個以上の複合成形品が有し、当該連結部は、
当該連結部を備える複合成型品を備える金属電極のうちの一つ以外とは絶縁されており、かつ
他の複合成型品の連結部の金属表面と接触することがきる金属表面を少なくとも四面以上有する
複合成型品群である。この複合成型品群を用いれば、複合成型品を２つ以上連結した場合でも、全ての複合成型品に上記効果を与えることができる。従って、アクチュエータ素子に好適な複合成型品とすることができる。

更に本発明は、上記の複合成型品の連結部がコの字形状とすることにより、製作が簡単で、かつ連結部が外れにくいアクチュエータ素子に好適な、複合成型品および連結された複合成型品とすることができる。

更に本発明は、上記いずれかに記載の複合成型品の連結部の先端に、外れ防止の機構を有し、他の一の複合成型品の連結部の先端に、一の複合成型品の外れ防止機構に対応する外れ防止機構を有している複合成型品または連結された複合成型品であるので、更に接触部位が外れにくいアクチュエータ素子とすることができ、動きの大きい用途に特に好適な、複合成型品および連結された複合成型品とすることができる。

更に本発明は、上記いずれかに記載した複合成型品が複数連結している複合成型品において、そのうち少なくとも二つの複合成型品が、金属電極間の幅ｗが２０ｍｍ以下であって、その2つの複合成型品が、互いに、一の複合成型品の幅方向から見て、他の複合成型品の膜面方向が実質上水平となる角度以外で連結されている、連結された複合成型品である。よって、この関係を有する連結された複合成型品をアクチュエータ素子の変位部に用いた場合、アクチュエータ素子全体としては、優れた回転運動が可能であるアクチュエータ素子とすることができ、なかでも、ロータリアクチュエータとして好適に使用できる。従って、かかるアクチュエータ素子に好適な連結された複合成型品とすることができる。

更に本発明は上記いずれかに記載した複合成型品が複数連結している複合成型品において、任意の複合成型品の端部から順番に１ないしｎまで番号をつけたｎ個の複合成型品の側周ｄが、
ｄ（ｎ）＞ｄ（ｎ−１）
関係を有する連結された複合成型品である。よって、当該関係を有する連結された複合成型品を変位部に用いたアクチュエータであれば、ｎが小さいほど湾曲や変位が大きく、一方、ｎが大きいほど耐荷重性に優れるので、特に根元部では耐荷重性が要求され、一方、先端部では細かい変位が要求されるマニピュレータ、遠隔操縦装置の用途に好適なアクチュエータ素子とすることができる。従って、かかるアクチュエータ素子に好適な連結された複合成型品とすることができる。

また、本発明のアクチュエータ素子は、上記いずれかに記載した複合成型品が複数連結している複合成型品を変位部に用い、かつ当該連結された複合成型品における一方の端部にある複合成型品の各金属電極に、電圧を供給するためのリード線が接続されている。従って、各複合成型品の金属電極にリード線を取り付ける必要がなく、端部にある複合成型品にのみリード線を取り付ければ足りる。よって、構造上の制限が少なく応用用途の広いアクチュエータ素子とすることができる。

また、本発明のアクチュエータ素子は上記性質を有するため、位置決め装置、姿勢制御装置、応答装置、調節装置、保持機構または関節機構の駆動部の用途に好適なアクチュエータ素子とすることができる。

更に、本発明に係るアクチュエータ素子をマイクロデバイスの案内部材本体の先端部に接合すると、操作制御部による操作によって、任意かつ積極的に湾曲（変形）させることができるので、案内部材本体の先端部に接続した、ハサミ、鉗子、スネア、レーザメス、スパチュラなどのマイクロサージェリーの医療器具、各種センサー、工具などのマイクロデバイスの誘導性能を向上することができ、これによって、目的部位へ任意の方向に向けることができ、その操作が熟練を要することなく、迅速かつ容易に行うことができる。

従って、このようなマイクロデバイスおよびそれを備えたマイクロマシンを、例えば、眼球手術、腹腔鏡下手術、微少血管縫合手術などのマイクロサージェリー技術においてピンセット、ハサミ、鉗子、スネア、レーザメス、スパチュラ、クリップなどの医療器具に適用すれば、検査や治療時における患者に与える苦痛を極力和らげ、患者に対する肉体的、精神的負担を低減することができる。

更に、本アクチュエータ素子は、耐荷重性を有しつつ、複雑な動作が可能となるので、義手、ロボット指等の人工指、人工関節、人工筋肉、マニュピュレータ、または遠隔操縦装置等に、好適に使用できる。

また、このようなマイクロデバイスおよびそれを備えたマイクロマシンを、発電設備等のプラント、航空機エンジン等の機械システムの配管系統やエンジン内部等の検査、補修等を行う各種センサーや、補修用工具などに適用すれば、補修作業に手間や時間を要せず、確実に行うことが可能となる。

また、本発明に係る高分子電解質アンモニウム誘導体は、上記以外に、高周波振動によるマイクロポンプ、リハビリ用補助動力マッサージ器などの健康器具、湿度計、湿度計コントロール装置、水中バルブ、ソフト運搬装置などの工業用機器、金魚および海草などの水中モービル、動く釣り餌および推進ヒレなどのホビー用品などにも好適に使用することができる。

連結部を有する複合成型品の例示図。 連結部を有する複合成型品の例示図。 金属電極及び連結部の金属表面を示した複合成型品の一部の例示図。 連結部を有する複合成型品の例示図。 金属電極及び連結部の金属表面を示した複合成型品の一部の例示図。 外れ防止機構を有する連結部の一部を例示した断面図。 連結された複合成型品の例示図。 連結された複合成型品の例示図。 連結された複合成型品を変位部に用いたアクチュエータ素子の例示図。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、４１、５０ 複合成型品
７０、８０ 連結された複合成型品
９０ アクチュエータ素子
７１、７２ 複合成型品
１１、１２、２１、２２ 連結部
３３、３４、４１、６１ 連結部
３１１、３１２、３１３、３１４ 金属電極
３２１、３２２ 金属表面
５２１、５２２、５２３、５２４ 金属電極
５４１、５４２ 金属表面
９２１、９２２、９２３ 金属電極
９５１、９５２、９５３ 金属電極
９６１、９６２、９６３、９６４ リード線

Claims (15)

1. 相互に絶縁状態で形成された金属電極をイオン交換樹脂成型品の表面に有している複合成型品において、
   隣接する任意の二つの複合成形品のうちの一の複合成形品について、他の一の複合成形品を連結する連結部を有し、当該連結部が嵌合凸部及び／または嵌合凹部を形成しており、
   当該連結部において少なくとも二面以上の金属電極を有し、
   当該連結部における該金属電極について、
   （１）金属電極は同じ複合成型品のうちの一つ以外とは絶縁され、かつ、
   （２）金属電極は、前記他の複合成型品の金属電極表面または前記他の複合成型品の連結部の金属電極表面と接触している、複合成型品。
2. 相互に絶縁状態で形成された金属電極をイオン交換樹脂成型品の表面に有している複合成型品において、他の複合成形品を連結するための連結部を少なくとも２個以上の複合成形品が有している複合成型品群であって、
   当該連結部は、当該連結部を備える複合成型品を備える金属電極のうちの一つ以外とは絶縁されており、かつ他の複合成型品の連結部の金属表面と接触することができる金属表面を少なくとも四面以上有し、当該連結部が嵌合凸部及び／または嵌合凹部を形成している複合成型品群。
3. 前記嵌合凹部または前記嵌合凸部が、矩形の凹部または矩形の凸部である請求項１に記載の複合成型品。
4. 前記嵌合凹部または前記嵌合凸部が、矩形の凹部または矩形の凸部である請求項２に記載の複合成型品群。
5. 前記連結部の先端に、外れ防止の機構を有し、他の一の複合成型品の連結部の先端に、当該外れ防止機構に対応する外れ防止機構を有している請求項１に記載の複合成型品。
6. 一の複合成型品の連結部の先端に、外れ防止の機構を有し、他の一の複合成型品の連結部の先端に、一の複合成型品の外れ防止機構に対応する外れ防止機構を有している請求項２に記載の複合成型品群。
7. 請求項２に記載の複合成型品群において、そのうち少なくとも二つの複合成型品が、金属電極間の幅ｗが２０ｍｍ以下であって、当該二つの複合成型品が、互いに、一の複合成型品の幅方向から見て、他の複合成型品の膜面方向が実質上水平となる角度以外で連結されている、請求項２に記載の複合成型品群。
8. 請求項２に記載の複合成型品群であり、隣接する複合成型品が嵌合により連結され、末端の複合成型品からｎ番目の複合成型品の側周ｄ（ｎ）とｎ−１番目の複合成型品の側周ｄ（ｎ−１）とが下式（１）の関係である請求項２に記載した複合成型品群。
   ｄ（ｎ）＞ｄ（ｎ−１） 式（１）
9. 請求項１に記載した複合成型品が複数連結している複合成型品群を変位部に用いたアクチュエータ素子。
10. 請求項２に記載の複合成型品群を変位部に用いたアクチュエータ素子。
11. 請求項２に記載の複合成型品群の一方の末端にある複合成型品の金属電極に、電圧を供給するためのリード線が接続されているアクチュエータ素子。
12. 請求項９から１１のいずれか１項に記載のアクチュエータ素子を用いたロータリアクチュエータ。
13. 請求項９から１１のいずれか１項に記載のアクチュエータ素子を駆動部に用いた位置決め装置、姿勢制御装置、応答装置、調節装置、保持機構または関節機構。
14. 請求項９から１１のいずれか１項に記載のアクチュエータ素子を駆動部に用いたマニピュレータ、遠隔操縦装置または手術用器具。
15. 請求項９から１１のいずれか１項に記載のアクチュエータ素子を用いた人工関節、人工筋肉または人工指。

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