JP4646530B2 - アクチュエータ素子及び駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の屈曲動作の組み合わせにより駆動するアクチュエータ及びその駆動方法に関する。

アクチュエータには、旋回運動をするロータリーアクチュエータや、直線的な運動をするリニアアクチュエータがある。これらの用途としては、方向や角度を調整する位置決め装置など種々の用途に用いられている。

一体化されたアクチュエータ素子自体が屈曲運動をするものとしては、現在においては、イオン交換樹脂に電極層を接合したイオン交換樹脂成型品を用いたアクチュエータ素子と伸縮運動をする導電性高分子層に伸縮率の低い層を接合した導電性高分子アクチュエータ素子との高分子アクチュエータに限られる。

一体化されたアクチュエータ素子自体が屈曲運動する高分子アクチュエータ素子には、実用的な用途への適用について、イオン交換樹脂に電極層を接合したイオン交換樹脂成型品を用いたアクチュエータ素子をカテーテルに代表される医療用チューブの導入部に用いた例が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１０３３６号公報第１−５頁

アクチュエータとして駆動する上記の医療用チューブの導入部は、特定の一方向へ屈曲運動するのみであり、一度に複数方向への動きをするなどのアクチュエータとしての複雑な動作をすることはない。

しかし、高分子アクチュエータが未だ適用されていない用途には、一度に複数方向へ運動する用途が多い。従って、これらの用途に適用させるためには、一度に複数方向へ駆動させることができる構造のアクチュエータ素子を得ることが必要である。

また、実用に用いられている上記の医療用チューブの導入部の駆動力は、イオン交換樹脂成型品を用いたアクチュエータ素子の単独層の駆動による力であるので、発生する力には限界がある。そのため、高分子アクチュエータの用途を拡大するためには、さらなる駆動力を向上させることが、できれば望ましい。

つまり、本発明の目的は、実用的用途に用いることができるアクチュエータ素子を提供することである。

そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、第一の発明として、作動部を複数備えたアクチュエータ素子であって、前記作動部は屈曲動作をし、前記作動部は二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体であり、前記作動部は、相互に、実質的に電気的絶縁された状態で配置されていることを特徴とするアクチュエータ素子を用いることにより、一度に複数方向へ駆動させることができることを見出し本願発明に至った。前記アクチュエータ素子は、筒状もしくは袋状のアクチュエータとすることにより、肺、心臓、胃、腸、膀胱、口腔、横隔膜を含む臓器の人工品である人工臓器として好適に用いることができる。前記アクチュエータ素子を壁部に屈曲運動をする作動部を含み、前記作動部の屈曲運動により内側の空間部が膨張または収縮することを特徴とするアクチュエータ素子とすることにより、該アクチュエータ素子は、伸縮運動をすることができ、また、蠕動運動をすることができるので人工臓器として好適である。

本発明者らは、第二の発明として、屈曲動作をするアクチュエータ素子が積層されたアクチュエータの積層体を用いることにより、大きな駆動力を発生することができるので、実用的用途に用いることができることを見出し本発明に至った。

本発明者らは、第三の発明として、屈曲運動をする作動部を複数備えアクチュエータ素子であって、作動部の屈曲方向軸が略平行となる状態で２以上の作動部が配置され、前記状態に配置された作動部の２以上と連結した蓋部を備えたアクチュエータ素子の駆動方法であって、蓋部と連結した複数の作動部を同方向に屈曲させ、開口形成部により形成される開口部の面積を増大させるアクチュエータ素子の駆動方法を用いることにより、前記アクチュエータ素子を駆動させた場合には、前記アクチュエータ素子と連結した後部形成部が動くために、開口面積が増減する運動をすることができるので、実用的用途に用いることができることを見出し、本願発明に至った。

本発明者らは、第四の発明として、頂部に連結する複数の脚部を備えたアクチュエータ素子であって、前記脚部は屈曲運動をする作動部を含み、前記頂部は円形、楕円形または多角形状の輪状に形成された膜状体であり、前記脚部の本数は３以上であり、前記作動部は、相互に、実質的に電気的絶縁された状態で配置されていることを特徴とするアクチュエータ素子を用いることにより、頂部を左右に広げた人間の口のような状態とすることが可能であり、人のような動作をすることができることを見出した。また、前記脚部において、一の脚部に印加する電圧を隣接する脚部と逆位相にすることにより輪状の頂部は、ウエーブ状の運動をすることができるので、超音波モーターなどの超音波アクチュエータの代替駆動装置として用いることができ、実用的用途に用いることができることを見出し、本願発明に至った。

本発明者らは、第五の発明として、頂部に連結する複数の脚部を備えたアクチュエータであって、前記脚部が屈曲運動をする作動部を含み、前記脚部に接続されたリードを介して印加される電圧を調整することにより、前記頂部を水平方向に移動させることを特徴とするアクチュエータの駆動方法を用いることにより、頂部が水平方向に移動することができる歩行装置として用いることができるので、実用的用途に用いることができることを見出し、本願発明に至った。

本発明者らは、第六の発明として、頂部に連結する複数の脚部を備えたアクチュエータ素子であって、前記脚部は屈曲運動をする作動部を含み、前記脚部の本数は３以上であり、前記脚部が備えるアクチュエータ素子は屈曲状態で保持され、前記脚部は、接地部部と前記頂部の鉛直方向軸に対して略垂直となる平面とがなす狭角が１５°から６０°であることを特徴とするアクチュエータ素子を用いることにより、前記頂部の方向または角度を微調整することができることを見出し、角度調整装置などの実用的用途に用いることができるので、本願発明に至った。

なお、上記の本願発明に於いて、実質的に電気的な絶縁がされた状態とは、各作動部に電圧が印加された際に、アクチュエータ素子において短絡が生じない状態を示す。

上記アクチュエータ素子は実用的用途に好適に用いることができる。

本願発明について、以下図を用いて説明するが、本願発明はこれらに限定されるものではない。

（第一の発明）
本願発明の第一の発明は、作動部を複数備えたアクチュエータ素子であって、前記作動部は屈曲動作をし、前記作動部は二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体であり、前記作動部は、相互に、実質的に電気的絶縁された状態で配置されていることを特徴とするアクチュエータ素子である。

図１は、本願第一の発明のアクチュエータ素子の一実施態様例について、斜めから見た模式図である。アクチュエー素子１は、４つの作動部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄで構成され、各作動部は同一平面上に配置されている。

各作動部は、膜状の高分子電解質層３の両面に電極層が形成されている。作動部２ａは、膜状の高分子電解質層３の両面において、電極層４ａ、４ｂが高分子電解質層３を介して積層された積層体として形成されている。また、作動部２ｂは、電極層４ｃ、４ｄが膜状の高分子電解質層３を介して積層された積層体として形成されている。作動部２ｃ及び作動部２ｄについても、高分子電解質層３を電解質層として、高分子電解質層が中間層となるように、２つの電極層と高分子電解質層との積層体として形成されている。高分子電解質層３の下側の形成された電極層にも形成されている。なお、前記作動部は、４つに限られるものではなく、所望の動きを行うために所望の複数個の作動部を設けることができる。

図１のアクチュエータ素子１は、４つの作動部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが、図１における縦方向の溝である絶縁部６ａと横方向の溝である絶縁部６ｂとにより仕切られている。各作動部における各電極層は、それぞれ電圧が印加されるように、電圧印加部が備えられている。図１においては、高分子電解質層の上側の形成された電極層に、それぞれ電圧印加部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが形成されているが、高分子電解質層３の下側の形成された電極層にもそれぞれ形成されている。

アクチュエータ素子１の作動部は、互いに絶縁されているので、各作動部をそれぞれ独立に屈曲運動させることができる。そのため、アクチュエータ素子１は、全体として特定方向へ屈曲運動するだけではなく、図２（ｂ）に示すような特定の面を包み込むような動作や図２（ｃ）のような波状の運動をすることもできる。

図２は、図１のアクチュエータ素子１について、各作動部に電圧印加されていない状態及び各作動部に電圧を印加した状態について示した模式図である。

図２（ａ）は、アクチュエータ素子１の各作動部に電圧印加されていない状態である。作動部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのそれぞれについて、外側に凸となるように電圧を印加した場合には、図２（ｂ）に示すような、アクチュエータ素子１が上側面を包み込む状態となる。また、アクチュエータ素子１を図２（ｂ）に示すような状態とするように各作動部に印加された電圧と逆の位相となる電圧を各作動部に印加することにより、アクチュエータ素子１は、図２（ｂ）の状態の逆向きである、アクチュエータ素子１が下側面を包み込む状態となる。このような、アクチュエータ素子１の各作動部について、同一の側の電極層に同一の位相の電圧を印加するアクチュエータ素子の駆動方法により、包み込む動作のアクチュエータとすることができ、前記アクチュエータを、例えば捕捉装置、凹凸挙動をポンプダイヤフラム、ロボット等の顔の表情を変化させる駆動装置、昇降装置とすることができる。

図２（ｃ）は、４つの作動部を備えたアクチュエータ素子１のうち、隣接する２つの作動部を一組として、特定の組と他の組を逆の位相となるように、各作動部に電圧を印加した状態である。図２（ｃ）は、作動部２ａと作動部２ｃとを一組として、電圧を同一位相で印加している。また、作動部２ｂと作動部２ｄとを他の一組として、作動部２ａと作動部２ｃとの組に印加された電圧に対して逆の位相の電圧をこの他の一組に印加している。隣接する作動部を一組として、特定の組と隣接する他の組とが逆の位相となるように、各作動部に電圧を印加した状態とする駆動方法により、アクチュエータ素子１を波形に駆動させることができる。また、前記駆動方法において、特定の組と隣接する他の組に印加される電圧を該特定の組に印加される電圧と逆の位相の電圧とし、特定の組に印加される電圧が経時で正弦曲線となるように、各作動部に電圧を印加することで、アクチュエータ素子がその駆動により移動運動をすることができる。そのため、前記駆動方法により、前記アクチュエータ素子を含むアクチュエータは、例えば、造波装置、直動装置、自走装置、搬送装置、ロボット等の顔の表情を変化させる駆動装置として用いることができる。

図１及び図２においては、アクチュエータ素子の各作動部が絶縁部を介して隣接するように設置されているが、作動部の面積を大きくして隣接する作動部との電圧印加部間の距離が十分に離れるようにすることでも、各作動部をそれぞれ独立に駆動させることができる。特定の作動部の電圧印加部と隣接する作動部との電極印加部とが十分離れている場合には、特定の作動部の電圧印加部に印加された電圧が、作動部の抵抗または電圧の電気的降下により、前記の隣接する作動部に対して駆動の阻害をする作用を見かけ上することがない。つまり、本願第一の発明におけるアクチュエータ素子の各作動部は、実質的に電気的な絶縁がされた状態で配置されていればよい。前記アクチュエータ素子に絶縁部が形成されず、実質的に電気的な絶縁がされた状態となるように電圧を印加されるアクチュエータ素子の駆動方法は、絶縁部を設ける必要が無いので、作業性の観点から好ましい。例えば、各作動部に１．５Ｖを電圧印加する場合に、隣接する作動部の電圧印加部に対する電圧印加部間の距離を５ｍｍ程度はなせばよく、４．５Ｖの電圧を印加する際には隣接する作動部の電圧印加部に対する電圧印加部間の距離を約３０ｍｍとすることもできる。

また、前記電極層としては、通電性を有する層であれば特に限定されるものではない。前記電極層は、高分子電解質にメッキを施すことにより簡単に電極層を形成することができることから、通電性の良い銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）などの電導性金属を主として含む金属電極層であることが好ましく、金、白金、パラジウム、及びロジウムからなる群のより選ばれた少なくとも１種以上の金属を含む金属電極層であることがより好ましい。前記電極層が金電極であることが、電極層に柔軟性を付与することもできるので、特に好ましい。

本願第一の発明のアクチュエータ素子の作動部は、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体である。前記積層体は、高分子電解質層と電極層とを備えているものであれば特に限定されるものではないが、高分子電解質層と電極層とが接合しているものが、電極層が剥離することがないので好ましい。前記高分子電解質層は、加工が容易であることからイオン交換樹脂を主として構成されていることが好ましい。前記イオン交換樹脂としては、特に限定されるものではなく、公知の樹脂を用いることができ、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親水性官能基を導入したものを用いることができる。特に、前記イオン交換樹脂として、フッ素樹脂にスルホン酸基及び／またはカルボキシル基を導入した陽イオン交換樹脂を用いることが、剛性が適度でありイオン交換量が大きく、耐薬品性及び繰り返し曲げに対する耐久性が良好であるために高分子アクチュエータとして好ましい。なお、前記陽イオン交換樹脂のイオン交換容量は、アクチュエータとして大きな変位量を得るために、０．８〜３．０ｍｅｑであることが好ましく、１．４〜２．０ｍｅｑ／ｑであることがより好ましい。このような樹脂としては、例えばパーフルオロスルホン酸樹脂（商品名「Ｎａｆｉｏｎ」、ＤｕＰｏｎｔ社製）、パーフルオロカルボン酸樹脂（商品名「フレミオン」、旭硝子社製）、ＡＣＩＰＬＥＸ（旭化成工業社製）、ＮＥＯＳＥＰＴＡ（トクヤマ社製）を用いることができる。

また、前記電極層としては、通電性を有する層であれば特に限定されるものではないが、高分子電解質にメッキを施すことにより簡単に電極層を形成することができることから、通電性の良い銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）などの電導性金属を主として含む電極層であることがより好ましい。

前記積層体を得る方法としては、特に限定されるものではないが、以下の方法により得ることができる。以下の方法により得ることができる。膜状イオン交換樹脂表面へ金電極を形成する方法を例示する。（１）吸着工程：フェナントリン金塩化物水溶液に２４時間浸漬し、成形品内にフェナントリン金錯体を吸着させ、（２）析出工程：亜硫酸ナトリウムを含む水溶液中で、吸着したフェナントリン金錯体を還元して、膜状イオン交換樹脂の表面に金電極を形成させる。このとき、水溶液の温度を６０〜８０℃とし、亜硫酸ナトリウムを徐々に添加しながら、６時間フェナントリン金錯体の還元を行う。次いで、（３）洗浄工程：表面に金電極が形成した膜状イオン交換樹脂を取り出し、７０℃の水で１時間洗浄する。上記（１）〜（３）の工程を７サイクル繰り返して実施すことで、前記積層体である高分子電解質層と金属電極層との接合体を得ることができる。

また、本願第一の発明のアクチュエータ素子は、作動部と該作動部と隣接する作動部との間に絶縁部を設けることにより、絶縁部を設けない場合に比べて、駆動による変位が大きく、明確な形状変化の動作を生じることができる。絶縁部を設ける場合には、膜状アクチュエータ素子の形成方法であって、前記アクチュエータ素子は、絶縁部と作動部と電圧印加部とが前記アクチュエータ素子に所定の挙動を与えるための所定の配置とされ、前記作動部分は二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体であることを特徴とするアクチュエータ素子の形成方法とを用いることができる。

図１及び図２のアクチュエータ素子の絶縁部は、高分子電解質層上に電極層が形成されていない状態として、形成されている。図１及び図２のアクチュエータ素子の絶縁部の形成方法としては、特に限定されず、例えば、上述の積層体の形成方法により形成された電極層を鋭利な刃物でカッティングしてもよいし、レーザー照射により切除しても良い。また、上述の積層体の形成方法において、（１）吸着工程及び／または（２）析出工程において、マスキングすることにより電極層を形成しないことで、絶縁層を形成しなくても良い。なお、図１及び図２においては、アクチュエータ素子の絶縁部は、高分子電解質層上に電極層が形成されていない状態として、形成されているが、電気絶縁性樹脂により形成された絶縁層を隣接する作動部との間に設けることにより、絶縁部を形成しても良い。

図３は、絶縁部の形成パターンを示す図１のアクチュエータ素子１についての上面図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）のように、絶縁部として交差する絶縁溝を形成することにより等面積の作動部を形成してもよく、図３（ｃ）及び図３（ｄ）のように、絶縁部として絶縁溝を形成することにより、絶縁部により区分された作動部の一部が等分にされていない作動部を形成しても良い。

（第二の発明）
また、本願第二の発明は、屈曲動作をするアクチュエータ素子が絶縁層を介して積層されたアクチュエータ素子の積層体である。図４は、前記アクチュエータの積層体に用いられる屈曲動作をするアクチュエータ素子が絶縁層を介して積層されたアクチュエータ素子積層体２１についての断面図である。図４（ａ）のアクチュエータ素子集合体２１ａは、６つのアクチュエータ素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆを備え、３つのアクチュエータ素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃは各アクチュエータ素子間に、可撓性を有する絶縁層２３ａ、２３ｂを備えている。また、３つのアクチュエータ素子、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆは、各アクチュエータ素子間に、可撓性を有する絶縁層２３ｄ、２３ｅを備えている。また、アクチュエータ素子２２ｃとアクチュエータ素子２２ｄ間には、絶縁層２３ｃを備えているが、基体により構成された絶縁層であっても良い。

このような構造を備えることにより、図４（ｂ）に示すように、アクチュエータ素子２２ａとアクチュエータ素子２２ｂとアクチュエータ素子２２ｃとを含むの集合体が図４（ｂ）の右方向に駆動し、アクチュエータ素子２２ｄとアクチュエータ素子２２ｅとアクチュエータ素子２２ｆとを含む集合体が図４（ｂ）の左方向に駆動することができる。３つのアクチュエータ素子を含む集合体が同一方向に屈曲する駆動をする方法により、アクチュエータ素子３つ分の大きな駆動力を得ることができるので、アクチュエータ素子の積層体２１ａは、アクチュエータ素子６つ分の駆動力を得ることができる。前記のアクチュエータ素子の積層体の構造を採用することにより、構成が簡単で、しかも容易に大きな駆動力を得ることができる。そのため、前記のアクチュエータ素子集合体を用いたアクチュエータ素子の積層体は、一のアクチュエータ素子積層部と他のアクチュエータ素子積層部とが反対の積層方向に屈曲させる駆動方法により、より大きな駆動力を発生するリニアアクチュエータとして用いることができる。なお、各アクチュエータ素子が、図４（ａ）のように外側に電極層を備え、隣接するアクチュエータ素子間で電極が接触することにより素子で短絡を生じる場合には、３つのアクチュエータ素子を含む集合体（アクチュエータ素子積層部）の各素子間に絶縁層を設けることが好ましい。図４（ａ）、（ｂ）においては、各アクチュエータ素子間に可撓性を有する絶縁層を、例えば１０μｍ以下とするように、薄くすることで力の緩衝作用を減少することができ、アクチュエータ素子の屈曲による駆動力の減少を防止することができる。なお、各絶縁層は、アクチュエータ素子間で短絡を生じなければ良く、実質的な絶縁性を有していれば良い。

図４（ａ）及び図４（ｂ）におけるアクチュエータ素子２２ａは、高分子電解質層２４の両側に電極層２５ａ、２５ｂを備えているが、各アクチュエータ素子について、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体を用いることができる。各アクチュエータ素子を駆動させるために、各アクチュエータ素子に含まれる２つの電極層に、それぞれリードを介して電源が取り付けられ、前記電極層に電圧印加がされる。この電圧印加により、各アクチュエータ素子が独立に駆動して、大きな駆動力を得ることができる。

図４（ｃ）のアクチュエータ素子集合体２１ｂは、シリンダー２９中に４つのアクチュエータ素子２２ｇ、２２ｈ、２２ｉ、２２ｊを備え、２つのアクチュエータ素子２２ｇ、２２ｈ間に、絶縁層２６ａを備えている。同様に、２つのアクチュエータ素子２２ｉ、２２ｊ間に、空間層である絶縁層２６ｃを備えて、２つのアクチュエータ素子２２ｈ、２２ｉ間には、絶縁層２６ｂを備えている。各アクチュエータ素子は、シリンダー内において、シリンダー内壁面と接した状態で、摺動可能なように配置されている。アクチュエータ素子２２ｇは、高分子電解質層２８の両側に電極層２７ａ、２７ｂを備え、他のアクチュエータ素子も同様に、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体を用いることができる。

図４（ｄ）は、２つのアクチュエータ素子２２ｇ、２２ｈについて、屈曲させた際の凸部が互いに向かうように屈曲させ、２つのアクチュエータ素子２２ｉ、２２ｊについて、屈曲させた際の凸部が互いに向かうように屈曲させた場合の状態のアクチュエータ素子２１ｂの断面図である。アクチュエータ素子２２ｇとアクチュエータ素子２２ｈと絶縁層２７ａとを１つの集合体とした場合には、図４（ｄ）の左右方向の該集合体は１つアクチュエータ素子の屈曲運動による変位量の２倍の変位量を得ることができる。また、アクチュエータ素子２２ｉとアクチュエータ素子２２ｊと絶縁層２７ｂとを１つの集合体とした場合においても、図４（ｄ）の左右方向の該集合体は１つアクチュエータ素子の屈曲運動による変位量の２倍の変位量を得ることができる。従って、本願第二の発明のアクチュエータは、アクチュエータ素子の個数ｎとした場合に、アクチュエータ素子の屈曲量のｎ倍の変位量を得ることができる。なお、各アクチュエータ素子を駆動させるために、各アクチュエータ素子に含まれる２つの電極層に、それぞれリードを介して電源が取り付けられ、前記電極層に電圧印加がされる。この電圧印加により、各アクチュエータ素子が独立に駆動して、大きな駆動幅を得ることができる。なお、図４（ｄ）のシリンダーの開口部側のアクチュエータ素子にシャフトを取り付けるなど、アクチュエータ素子の積層体による駆動力を伝達する構成を取ることもできる。また、各絶縁層は、アクチュエータ素子間で短絡を生じなければ良く、実質的な絶縁性を有していれば良い。

図４（ｃ）、（ｄ）において、各アクチュエータ素子間には、絶縁層を備えているが、各アクチュエータ素子間のすべてに絶縁層を備える必要はない。例えば、各アクチュエータ素子がイオン交換樹脂膜の厚さ方向の両側に金電極層を備えている素子である場合には、電極に電圧を印加して素子を駆動させた際に外側に凸となる側の電極が陰極となり、外側に凹となる側の電極が陽極となる。この場合、アクチュエータ素子の積層体２１ｂは、上述の隣接するアクチュエータ素子の駆動による屈曲運動が逆方向となるように屈曲運動させる駆動方法により、各素子を駆動させた際に隣接するアクチュエータ素子の近接する電極は、同極となる。この場合には、短絡を生じにくいので、各アクチュエータ素子間に絶縁層を備えていなくても良い。各アクチュエータ素子で屈曲量を変える調整を行う場合には、各アクチュエータ素子間に絶縁層を備えることが好ましい。本願第二の発明の一実施態様例である、シリンダー内側にアクチュエータ素子の積層体を備える構成を用いる場合には、アクチュエータ素子の電源を印加する手段は特に限定されるものではない。例えば、アクチュエータ内壁面にアクチュエータの積層方向に溝を設け、該溝に電圧を印加するためのリードを摺動可能なように納めて、該リードを介してアクチュエータ素子の電極と電源とを接続する構成を用いることができる。この構成では、前記リードは、アクチュエータ素子に追随して移動することができるので、アクチュエータ素子の電極層に電圧を印加し続けることができる。

本願第二の発明において、アクチュエータ素子に、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体を用いることができるが、前記積層体は、高分子電解質層と電極層とを備えているものであれば特に限定されるものではないが、高分子電解質層と電極層とが接合しているものが、電極層が剥離することがないので好ましい。前記の二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体については、第一の発明についての積層体と同様である。

（第三の発明）
本願における第三の発明は、屈曲運動をする作動部を複数備えたアクチュエータ素子であって、作動部の屈曲方向軸が略平行となる状態で２以上の作動部が配置され、前記状態に配置された作動部の２以上と連結した蓋部を備えたアクチュエータ素子である。

図５（ａ）は、本願第四の発明の一実施態様例についての模式図である。アクチュエータ素子３１は、作動部３２ａ、３２ｂとを備えている。蓋部３３ａは、枠部３４ａを介して作動部３２ａ、３２ｂの２つの作動部と連結している。蓋部３３ｂも、同様に、枠部３４ｂを介して作動部３２ａ、３２ｂの２つの作動部と連結している。作動部３２ａは、リード接続部３６ａにおいて、リード３５ａと接続し、リード３５ａ、３５ｂを介して電源３７ａに接続している。同様に、作動部３２ｂも、リード接続部３６ｂにおいて、リード３５ｂと接続し、リード３５ｃ、３５ｄを介して電源３７ｂに接続している。

図５（ａ）において、作動部３２ａは、電極層３８ａと３８ｂとを、高分子電解質層４０を介して積層させた構造を形成している。作動部３２ａは、該作動部の上平面３２１に垂直となる軸Ｘ１の上方向に凸または凹となるように屈曲運動をする。作動部３２ｂも、作動部３２ａと同様に、高分子電解質層３９を中間層として電極層３８ａと３８ｂとを積層させた構造を有し、該作動部の上平面３２２に垂直となる軸Ｘ２の上方向に凸または凹となるように屈曲運動をする。前記作動部の屈曲方向軸Ｘ１とＸ２とが略平行となる状態で、アクチュエータ素子３１に２つの作動部が配置され、該作動部に枠部を介して連結した蓋部をアクチュエータ素子３１に備えているので、該アクチュエータ３１は、２つの作動部３２ａと作動部３２ｂとが同方向に屈曲運動するように駆動させる駆動方法をさせた場合には、図５（ｂ）のように開口部３９が形成される。このような駆動方法により、アクチュエータ素子３１は、大きな開口部を形成することができ、無音で軽量であり、優れた電気的開閉装置として実用として好適に用いることができる。また、人間のまぶたとしても用いることができる。

図５に示した第三の発明の実施態様例では、作動部３２ａ、３２ｂと枠部３４ａ、３４ｂとが一体となっているが、作動部と枠部との境界付近に絶縁溝を形成しても良い。前記絶縁溝は、作動部と枠部との絶縁部を形成しているが、鋭利な刃物によるカッティングやレーザー照射により電極層を切除して形成することができるが、作動部と枠部と間に絶縁層を介在させてもよい。なお、前記作動部に印加する電圧が、通常の高分子アクチュエータに印加する電圧である１．５Ｖの印加電圧である場合には、リード接続部と電圧印加部との距離が５ｍｍ程度離れていれば前記枠部は屈曲運動をすることが無く、作動部の形状変化に追随する動きのみをし、前記作動部が屈曲運動をした際には、蓋部が開口動作をすることとなる。

また、図５の実施態様例に於いては、蓋部と枠部とは別個の構成部として設置されているが、該蓋部と該枠部とを一体化され、該枠部が作動部と別個の構成部とされても良い。例えば、前記枠部と一体化した台形状の蓋部が作動部と直接連結していてもよく、該蓋部と作動部との間に絶縁層を介してもよい。前記絶縁層は特に限定されるものでは無いが、形成が容易であることから、絶縁性の樹脂層を好適に用いることができる。

第三の発明における、作動部は、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体を用いることができるが、前記積層体は、高分子電解質層と電極層とを備えているものであれば特に限定されるものではないが、高分子電解質層と電極層とが接合しているものが、電極層が剥離することがないので好ましい。前記の二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体は、第一の発明についての積層体と同様である。なお、前記作動部は、導電性高分子層に伸縮率の低い層を接合した導電性高分子アクチュエータ素子を屈曲可能なアクチュエータ素子として、作動部に用いることができる。

（第四の発明）
また、本願の第四の発明は、頂部に連結する複数の脚部を備えたアクチュエータであって、前記脚部が屈曲運動をする作動部を含み、前記頂部が円形、楕円形または多角形状の輪状に形成された膜状体であり前記脚部の本数が３以上であり、前記アクチュエータ素子が、相互に、実質的に電気的絶縁された状態で配置されていることを特徴とするアクチュエータでもある。

第四の発明についての一実施形態に用いられるアクチュエータ素子を図６に示す。アクチュエータ素子４１は、四角形状の輪状をした膜状体である頂部４２を備え、頂部の内側に脚部４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄを備えている。前記脚部は、電圧を電極層に印加しない状態で、内側に凸となる状態で屈曲した状態で接地されている。

脚部４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄは、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体で構成され、各脚部の電極層にリードを介して電源が接続されて、各脚部には別個独立に電圧印加をすることができる。各脚部は、電極層に電圧を印加することにより、脚部が屈曲の曲率半径が大きくなった状態（屈曲の浅い状態）に動作させたりや屈曲の曲率半径が小さくなった状態（屈曲の深い状態）に動作させることができる。このような動作を、脚部にさせることにより、四角形状の輪状をした膜状体である頂部は、作動する脚部との接続部を中心として、上下方向に変位することができる。なお、前記脚部は、４つに限られるものではなく、所望の動きを行うために所望の複数個の脚部を設けることができる。

図６（ｂ）は、第４の発明のおける図６（ａ）の実施態様例において、アクチュエータ素子４１の脚部を駆動させた際の模式図である。図６（ｂ）のアクチュエータ素子の状態は、脚部４３ａは曲率半径が小さくなった状態（屈曲の深い状態）に動作した状態であり、脚部４３ｂと脚部４３ｄは曲率半径が大きくなった状態（屈曲の浅い状態）に動作した状態であり、脚部４３ｃはそのままの状態である。このような脚部を個別に駆動をすることにより、頂部を左右に広げた人間の口のような状態とすることが可能であり、人のような動作をすることができる。そのため、第４の発明のおけるアクチュエータは人工の口型モデルとすることができる。また、前記脚部において、一の脚部に印加する電圧を隣接する脚部と逆位相にすることにより輪状の頂部は、ウエーブ状の運動をすることができ、超音波モーター等の超音波アクチュエータと同様の駆動をすることができる。第４の発明のアクチュエータ素子は、超音波アクチュエータの代替駆動装置として用いた場合には、軽量、無音、低振動であるので、環境上、優れた駆動装置として用いることができる。

前記脚部は、図６（ａ）の実施態様例においては、脚部全体が、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体で構成されているが、頂部が十分な動作をすることができれば、脚部の一部に前記積層体が用いられても良い。なお、前記脚部に用いられる前記積層体に、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体を用いることができるが、前記積層体は、高分子電解質層と電極層とを備えているものであれば特に限定されるものではないが、高分子電解質層と電極層とが接合しているものが、電極層が剥離することがないので好ましい。前記の二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体は、第一の発明についての積層体と同様である。また、前記脚部として、伸縮運動をする導電性高分子層に伸縮率の低い層を接合したバイモルフ型の導電性高分子アクチュエータ素子を用いても良い。

図６の実施態様例においては、脚部と頂部とが一体化されているが、別個に独立の構成部品であってもよい。頂部は、脚部の動作に追随して動くことが可能な柔軟性を備えていれば特に限定されるものではない。また、前記脚部と前記頂部との境界付近に絶縁部を設けて、前記脚部と前記頂部とが実質的に電気的絶縁された状態であってもよいが、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体により脚部と頂部とが一体化されている場合には、脚部に含まれる作動部が相互に、実質的に電気的絶縁された状態となるように電圧を印加することができればよい。

（第五の発明）
本願における第五の発明は、頂部に連結する複数の脚部を備えたアクチュエータ素子であって、前記脚部が屈曲運動をする作動部を含み、前記脚部に接続されたリードを介して印加される電圧を調整することにより、前記頂部を水平方向に移動させることを特徴とするアクチュエータ素子の駆動方法でもある。

図７（ａ）は、第五の発明のアクチュエータ素子についての一実施態様例において、アクチュエータ素子を斜めからみた模式図である。アクチュエータ素子５１は、３つの脚部５２ａ、５２ｂ、５２ｃを備え、該脚部と連結する頂部５３とによりアクチュエータ素子が形成されている。図７（ａ）では、アクチュエータ素子５４は、各脚部が屈曲した状態である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のアクチュエータ素子の脚部に電圧を印加していない状態の上面図である。

アクチュエータ素子５３は、各脚部に電圧が印加されない状態では図７（ｂ）に示すように平面状をしているが、図７（ａ）においては、各脚部が電圧を印加されることにより屈曲し、アクチュエータ素子に下向きの力が発生し、頂部５３が各脚部により持ち上げられる。頂部５３は、各脚部に印加される電圧を調整することにより、高さ位置を変えることができる。各脚部は、リードを介して電源と接続され、印加される電圧を調整することができる。各脚部は、接地点５５ａ、５５ｂ、５５ｃで地面を押圧している。各脚部に電圧をさらに印加すると、各接地点はアクチュエータ素子５４の内側へ移動する曲げ動作が生じる。各脚部に印加される電圧を下げると、各接地点は外側へ移動する伸び動作を生じる。各脚部に印加される電圧を調整することにより、各脚部が曲げ動作および伸び動作を行い、アクチュエータ素子５４は、頂部を水平方向に移動させる歩行動作をすることができる。なお、前記脚部は、３つに限られるものではなく、所望の動きを行うために所望の複数個の脚部を設けることができる

また、図７のアクチュエータ素子には、レンズ５６が備えてある、地面が印刷物である場合には、各脚部の印加電圧を同時に上げ下げすることにより、レンズ５６の焦点を調整することができる。また、各脚部に印加される電圧を調整することで頂部を水平方向に移動させる歩行動作をさせて、レンズによる拡大対象物を見ることができる。

本願の第５の発明は、図７においてはアクチュエータ素子５４が三角形状をしているが、脚部が屈曲運動をする作動部を含み、頂部に連結する複数の脚部を備えていれば特に限定されるものではない。たとえば、四角形状のアクチュエータ素子として各角を脚部とすることができ、星形のアクチュエータ素子を用いることもできる。

図７のアクチュエータ素子は、頂部と脚部とが一体化して形成され、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体で構成されている。前記脚部が前記積層体で構成されていることにより、該脚部は屈曲運動をすることができる。本願第五の発明に用いるアクチュエータ素子は、頂部と脚部とが一体化して形成されたものに限定されるものではなく、頂部と脚部が独立の部品であってもよい。脚部と頂部との境界付近に絶縁溝等の絶縁部を設けてもよい。脚部が頂部と独立した部品である場合には、該脚部に屈曲運動をする作動部を含むものであればよい。前記の二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体は、第一の発明についての積層体と同様である。また、前記脚部として、伸縮運動をする導電性高分子層に伸縮率の低い層を接合したバイモルフ型の導電性高分子アクチュエータ素子を用いても良い。

前記脚部は、相互に、実質的に電気的絶縁された状態で配置されている。前記脚部と頂部との境界付近に絶縁溝等の絶縁部を備えていない場合には、例えば、各作動部に１．５Ｖを電圧印加する場合に、脚部間の距離を５ｍｍ程度とすることで各脚部が独立に動作することができ、４．５Ｖの電圧を印加する際には脚部間の距離を約３０ｍｍとすることで各脚部が独立に動作することができ。なお、脚部により大きな電圧を印加したい場合には
、前記脚部と頂部との境界付近に絶縁溝等の絶縁部を備えていることが、各脚部を容易に独立して駆動することができるので好ましい。

（第六の発明）
本願の第六の発明は、頂部に連結する複数の脚部を備えたアクチュエータ素子であって、前記脚部は屈曲運動をする作動部を含み、前記脚部の本数は３以上であり、前記脚部が備えるアクチュエータ素子は屈曲状態で保持され、前記脚部は、接地部部と前記頂部の鉛直方向軸に対して略垂直となる平面とがなす狭角が１５°から６０°であることを特徴とするアクチュエータ素子である。

図８は、第六の発明のアクチュエータ素子の一実施態様を示す模式図である。アクチュエータ素子６１は、頂部６２に連結する脚部６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄを備えている。前記アクチュエータ素子は、接地部６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄにおいて接地している。

図８（ｂ）は、図８（ａ）のアクチュエータ素子６１についてのＡ−Ａ断面図である。頂部６２に連結する脚部６３ａは、接地部６４ａにおいて頂部６２の鉛直方向軸Ｙに対して略垂直となる平面６５となす狭角θが１５°〜６０°の範囲内である。脚部６３ｃについても、同様に、接地部６４ｃにおいて頂部６２の鉛直方向軸Ｙに対して略垂直となる平面６５となす狭角θ’が１５°〜６０°の範囲内である。前記脚部が屈曲状態で保持され、各脚部が接地部において前記頂部の鉛直方向軸に対して略垂直となる平面とがなす狭角が１５°から６０°の範囲内であることにより、頂部は、各脚部に電圧を印加することによりそれぞれ屈曲運動させることで、頂部の上側を上側方向において任意の方向へ向けることができる。なお、前記脚部は、４つに限られるものではなく、所望の動きを行うために所望の複数個の脚部を設けることができる

前記脚部は、屈曲運動することができる作動部を含むものであればよいが、成形が容易であることから、作動部のみにより形成されていることが好ましい。前記作動部は、二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体を用いることができるが、前記積層体は、高分子電解質層と電極層とを備えているものであれば特に限定されるものではないが、高分子電解質層と電極層とが接合しているものが、電極層が剥離することがないので好ましい。前記の二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体は、第一の発明についての積層体と同様である。なお、前記作動部は、導電性高分子層に伸縮率の低い層を接合した導電性高分子アクチュエータ素子を屈曲可能なアクチュエータ素子として、作動部に用いることができる。

図７（ａ）において、頂部６２には絶縁溝６６ａ、６６ｂが絶縁部として形成されているが、脚部の印加電圧に比べて頂部の面積が広く、各脚部が実質的に電気的絶縁状態にあれば、各脚部は独立に駆動することができる。アクチュエータ素子の小型化等のため頂部の面積に比べて各脚部に印加される電圧が高い場合や頂部の動きを微細にコントロールしたい場合には、各脚部を絶縁するための絶縁部を設けることが好ましい。

前記アクチュエータ素子は、頂部の上側を上側方向において任意の方向へ向けることができるため、角度調整装置として好適である。特に、前記アクチュエータ素子は、頂部にＣＣＤカメラを取り付けた場合には、電気化学的に駆動するために振動がないために画像に振動が伝わらず、しかも５ｍｍ角程度の小型化が容易であるために、角度調整装置、もしくは方向調整装置として、好適である。また、前記頂部に人工の眼球をつけた場合には、無音であり、モータによる駆動に比べてスムースな眼運動をすることができるので、人工の眼球の駆動装置としても好適である。

本願発明のアクチュエータ素子は、作動部を複数備えたアクチュエータ素子であって、前記作動部は屈曲動作をし、前記作動部は二つの電極層が高分子電解質層を介して積層された積層体であり、前記作動部は、相互に、実質的に電気的絶縁された状態で配置されていることを特徴とするアクチュエータ素子であり、一度に複数方向へ駆動させることができる。前記アクチュエータ素子は、筒状もしくは袋状のアクチュエータとすることにより、心臓、膀胱、胆嚢、胃、肺、腸、口腔、横隔膜など、これらを含む臓器の人工品である人工臓器として好適に用いることができる。

また、本願発明は、屈曲動作をするアクチュエータ素子が絶縁層を介して積層されたアクチュエータの積層体であり、該積層体を用いることにより、大きな駆動力を発生することができるので、実用的用途に好適である。

また、本願発明は、屈曲運動をする作動部を複数備えアクチュエータ素子であって、作動部の屈曲方向軸が略平行となる状態で２以上の作動部が配置され、前記状態に配置された作動部の２以上と連結した蓋部を備えたアクチュエータ素子の駆動方法であり、前記駆動方法は開口面積が増減する運動をすることができるので、実用的用途に好適である。

また、本願発明は、頂部に連結する複数の脚部を備えたアクチュエータ素子であって、前記脚部は屈曲運動をする作動部を含み、前記頂部は円形、楕円形または多角形状の輪状に形成された膜状体であり、前記脚部の本数は３以上であり、前記作動部は、相互に、実質的に電気的絶縁された状態で配置されていることを特徴とするアクチュエータ素子であり、頂部を左右に広げた人間の口のような状態の用途や、ウエーブ状の運動をする超音波アクチュエータの代替駆動装置として用いることができ、実用的用途に用いることができる。

また、本願発明は、頂部に連結する複数の脚部を備えたアクチュエータ素子であって、頂部に連結する複数の脚部を備えたアクチュエータ素子であって、前記脚部は屈曲運動をする作動部を含み、前記脚部の本数は３以上であり、前記脚部が備えるアクチュエータ素子は屈曲状態で保持され、前記脚部は、接地部部と前記頂部の鉛直方向軸に対して略垂直となる平面とがなす狭角が１５°から６０°であることを特徴とするアクチュエータ素子であるので、角度調整装置などの実用的用途に用いることができる。

第一の発明のアクチュエータ素子の一実施態様例について、斜めから見た模式図。 （ａ） 図１のアクチュエータ素子について、各作動部に電圧印加されていない状態について示した模式図。 （ｂ） 図１のアクチュエータ素子について、各作動部に電圧を印加した一の状態について示した模式図。 （ｃ） 図１のアクチュエータ素子について、各作動部に電圧を印加した他の状態について示した模式図。 第一の発明のアクチュエータ素子の絶縁部の形成パターンを示す上面図。 第二の発明のアクチュエータ素子積層体についての断面図。 （ａ）本願第三の発明の一実施態様例についての模式図。 （ｂ） （ａ）の実施態様例についての駆動させた状態の模式図。 本願第四の発明の一実施態様例についての模式図。 （ａ）第五の発明のアクチュエータ素子についての一実施態様例を斜めからみた模式図。 （ｂ） 図７（ａ）のアクチュエータ素子の脚部に電圧を印加していない状態の上面図。 （ａ）第六の発明のアクチュエータ素子の一実施態様を示す模式図。 （ｂ）図８（ａ）のアクチュエータ素子についての模式的なＡ−Ａ断面図。

符号の説明

１ アクチュエー素子
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 作動部
３ 高分子電解質層
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 電極層
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 電圧印加部
２１ａ、２１ｂ アクチュエータ素子集合体
２４ 高分子電解質層
２５ａ、２５ｂ 電極層
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ 絶縁層
２７ａ、２７ｂ 電極層
２８ 高分子電解質層
３１ アクチュエータ素子
３２ａ、３２ｂ 作動部
３２１、３２２ 作動部の上平面
３３ａ、３３ｂ 蓋部
３４ａ、３４ｂ 枠部
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ リード
３６ａ、３６ｂ リード接続部
３７ａ、３７ｂ 電源
３８ａ、３８ｂ 電極層
３９ 開口部
４０ 高分子電解質層
４１ アクチュエータ素子
４２ 頂部
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ 脚部
５１ アクチュエータ素子
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 脚部
５３ 頂部
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ 接地点
５６ レンズ
６１ アクチュエータ素子
６２ 頂部
６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ 脚部
６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ 接地部
６５ 略垂直となる平面
６６ａ、６６ｂ 絶縁溝

Claims (12)

1. 作動部を複数備えたアクチュエータ素子であって、
   前記作動部は屈曲動作をし、
   前記作動部は二つの通電性を有する層である電極層が単一のイオン交換樹脂膜である高分子電解質層を介して積層された積層体であり、
   前記作動部は、相互に、実質的に電気的絶縁された状態で、かつ同一面上に配置されていることを特徴とするアクチュエータ素子。
2. 前記作動部の屈曲方向軸が略平行となる状態で２以上の作動部が配置され、前記状態に配置された作動部の２以上と連結した蓋部をさらに備えた請求項１に記載のアクチュエータ素子。
3. 頂部に連結する複数の脚部を、屈曲運動をする前記作動部を含んで構成し、
   前記頂部は円形、楕円形または多角形状の輪状に形成された膜状体であり、
   前記脚部の本数は３以上であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子。
4. 頂部に連結する複数の脚部を、屈曲運動をする前記作動部を含んで構成し、
   前記脚部に接続されたリードを介して電圧を印加することにより、前記頂部を水平方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子の駆動方法。
5. 頂部に連結する複数の脚部を、屈曲運動をする前記作動部を含んで構成し、
   前記脚部の本数は３以上であり、前記脚部は屈曲状態で保持され、前記脚部は、接地部において前記頂部の鉛直方向軸に対して略垂直となる平面とがなす狭角が１５°から６０°であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子。
6. 前記アクチュエータ素子を筒状もしくは袋状に形成し、
   前記作動部の屈曲運動により内側の空間部が膨張または収縮することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子。
7. 前記複数の作動部が絶縁部を介して配置されることにより他の作動部と相互に電気的に絶縁された状態を形成している請求項１から６のいずれか１項に記載のアクチュエータ素子。
8. 前記電極層が金、白金、パラジウム、及びロジウムからなる群のより選ばれた少なくとも１種以上の金属を含む金属電極層である請求項１から７のいずれか１項に記載のアクチュエータ素子。
9. 前記電極層が無電解メッキ法によってイオン交換樹脂膜上に形成されて金属電極層であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のアクチュエータ素子。
10. 請求項６のアクチュエータ素子を用いた、人工の心臓、膀胱、胆嚢、胃、肺、腸、口腔、横隔膜を含む袋状もしくは筒状の人工臓器。
11. 請求項５に記載のアクチュエータ素子を用いた角度調整装置。
12. 請求項２に記載のアクチュエータ素子の駆動方法であって、蓋部と連結した複数の作動部を同方向に屈曲させ、開口形成部により形成される開口部の面積を増大させるアクチュエータ素子の駆動方法。

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