JP4852996B2 - アクチュエータシステム - Google Patents

Description

本発明は、高分子アクチュエータ素子からなるアクチュエータシステム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高分子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。この高分子アクチュエータは、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。

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１では、高分子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。また、特許文献２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。

特開２００２−３３２９５６号公報 特開２００４−３１４２１９号公報

しかしながら、これらの用途は限定されており、高分子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、簡便な構造で直線運動または回転運動し様々な用途に使用できるアクチュエータシステムを提供することを目的とする。

本発明の第１のアクチュエータシステムは、短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、平坦面に長手方向の一方の端部が固定されて該平坦面から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、主面上にそれぞれの先端が向く方向が前記高分子アクチュエータ素子の湾曲方向のうち一方向に揃えられた複数の爪部を有し、前記高分子アクチュエータ素子上で前記爪部が該高分子アクチュエータ素子の前記平坦面に固定された端部とは反対側の端部と接するように配置された平板とを備えると共に、前記爪部は、短冊形状で前記平板の主面に対して一定の傾斜角度をもって該主面に一端が固定された複数の可撓性フィルムが襞を成すように連なったものであり、前記高分子アクチュエータ素子が電圧印加で湾曲することにより、該高分子アクチュエータ素子の前記平坦面に固定された端部とは反対側の端部が前記平板の爪部を押し、該平板が一方向に直線移動するものである。

ここで、複数の前記高分子アクチュエータ素子が該高分子アクチュエータ素子の湾曲する方向に一列に配置されていることが好ましく、さらに隣接する前記高分子アクチュエータ素子は、交互に、またはお互いの湾曲方向が逆となるように動作することが好適である。

本発明の第２のアクチュエータシステムは、棒形状の固定軸と、短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、短冊幅方向が前記固定軸の長手方向と平行で長手方向の一方の端部が該固定軸の外周面に固定されて該外周面から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、中空の円筒形状で、円筒内周面にそれぞれの先端が向く方向が該円筒の円周方向のうち一方向に揃えられた複数の爪部を有し、前記固定軸を円筒の中心として内包し前記爪部が前記高分子アクチュエータ素子の前記固定軸の外周面に固定された端部とは反対側の端部と接するように配置された回転体とを備えると共に、前記爪部は、短冊形状で前記回転体の内周面に対して一定の傾斜角度をもって該内周面に一端が固定された複数の可撓性フィルムが襞を成すように連なったものであり、前記高分子アクチュエータ素子が電圧印加で湾曲することにより、該高分子アクチュエータ素子の前記固定軸の外周面に固定された端部とは反対側の端部が前記回転体の爪部を押し、該回転体が一方向に回転するものである。

ここで、複数の前記高分子アクチュエータ素子が前記固定軸の外周面上で直立して放射状に配置されていることが好ましく、さらに隣接する前記高分子アクチュエータ素子は、交互に、またはお互いの湾曲方向が逆となるように動作することが好適である。

本発明の第１のアクチュエータシステムによれば、小型化が容易で、軽量ながら発生力が大きく変形量が大きいという高分子アクチュエータ素子の特長を生かしながら、直線移動するアクチュエータシステムを提供することができる。
また、本発明の第２のアクチュエータシステムによれば、高分子アクチュエータ素子の特長を生かしながら、回転運動するアクチュエータシステムを提供することができる。
またこのとき、複数個の高分子アクチュエータ素子を並列に使用するようにした場合には、全体として大きな発生力を得ることができる。また、隣り合う高分子アクチュエータ素子を逆方向に変形させるようにした場合には、効率良く移動、または回転させることができる。
さらに、このような高分子アクチュエータ素子を使用したアクチュエータシステムは、小型化や薄型化が容易で軽量であり、サイズを小さくしても比較的大きな発生力を得ることができる。

以下に、本発明に係るアクチュエータシステムの第１の実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明に係るアクチュエータシステムの構成を示す概略図である。
図１に示すように、アクチュエータシステム１００は、短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、基準面である平坦面１１に長手方向の一方の端部が固定されて平坦面１１から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄ上に主面が平坦面１１と平行になるように配置された平板１２と、平板１２の高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄに面する主面上にそれぞれの先端が向く方向が高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄの湾曲方向のうち一方向（図１では左方向）に揃えられた複数の爪部１３とを有しており、爪部１３は高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄの平坦面１１に固定された端部とは反対側の端部と接している。

ここで、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄはそれぞれの高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄの湾曲する方向に一列に配置されていることが好ましい。また、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄは平坦面１１に対してある角度をもって固定されていてもよい。さらに、図中高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄは４つであるが、高分子アクチュエータ素子の個数は特に限定されるものではなく、１つでもよい。また複数個の高分子アクチュエータ素子を並列に設置してもよい。

高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄのうち、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃは電源Ｅ１を共通の電源として、同じ方向を向いている電極膜に同じ極性の電位が印加されるように接続されている。また、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄも電源Ｅ２を共通の電源として、同じ方向を向いている電極膜に同じ極性の電位が印加され、かつ高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃの同じ方向を向いている電極膜に対して逆の極性の電位が印加されるように接続されている。あるいは、後述するような電圧印加方法が可能であれば高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄはそれぞれ独立した電源と接続されていてもよい。

平板１２は、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄに面する主面について爪部１３が形成できる程度に平坦な面であればよく、図のような一様な厚みの板に限定されない。例えば、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄに面する主面の反対面側は後述する直線移動に伴って該反対面上に搭載した物体を同様に移動させやすいように物体を固定したり保持したりする部位が形成されていてもよい。

爪部１３は、短冊形状で平板１２の主面に対して一定の傾斜角度をもって該主面に一端が固定された複数の可撓性フィルムが襞を成すように連なったものであることが好ましい。

なお、ここでいう高分子アクチュエータ素子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、本発明で使用する高分子アクチュエータ素子の基本的構成を示す断面図である。
高分子アクチュエータ素子１０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。例えば、短冊形状、円盤形状、円柱形状、円筒形状などが挙げられる。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、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、高分子アクチュエータ素子１０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高分子アクチュエータ素子１０を使用することができようになる。

また、図３に、前記高分子アクチュエータ素子の変形例を示す。
図３は、本発明で使用する別の高分子アクチュエータの基本的構成を示す断面図である。
高分子アクチュエータ素子２０は、上述した高分子アクチュエータ素子１０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、これらの高分子アクチュエータ素子１０，２０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、図中左側の高分子アクチュエータ１０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。この電位差により、高分子アクチュエータ素子１０（２０）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、図中左側の高分子アクチュエータ素子１０（２０）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、高分子アクチュエータ素子１０（２０）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。

この高分子アクチュエータ素子１０（２０）の動作原理に基づいて、本発明のアクチュエータシステム１００はつぎのように動作することになる。
図５に、本発明のアクチュエータシステム１００の動作を示す。ここでは、使用する高分子アクチュエータ素子１０（２０）の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５（ａ）は、図１と同じ状態であり、電源Ｅ１，Ｅ２から高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄへは電圧が印加されていない場合を示している。そのため、高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄは図４（ｂ）の場合と同様に、平坦面１１上で直立した状態となっており、平板１２も静止した状態である。

つぎに、図５（ｂ）に示すように、電源Ｅ１，Ｅ２から高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄへ電圧を印加する（電位差０．５〜２．０Ｖ程度）。具体的には、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃの図中左側の電極膜にプラスの電位、図中右側の電極膜にマイナスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃは図４（ａ）と同様に図中左側に湾曲する。一方、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄの図中左側の電極膜にマイナスの電位、図中右側の電極膜にプラスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄは図４（ｃ）と同様に図中右側に湾曲する。すなわち、隣接する高分子アクチュエータ素子の間では同一方向に面する電極膜へ印加される電圧を逆極性とすることにより、隣接する該高分子アクチュエータ素子はお互いの湾曲方向が逆となるように動作する。

これにより、図中右側に湾曲した高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄの平坦面１１に固定された端部とは反対側の端部は、湾曲変形の初期にそれぞれ爪部１３の１つの先端に当接し、それからさらに湾曲することで該爪部１３を図中右側方向に押すことになる。この押圧力が当該爪部１３を経由して平板１２に伝達され、その結果、平板１２は図中右側方向に直線移動することになる。なお、この際に図中左側に湾曲した高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃは、爪部１３が撓むことからその平坦面１１に固定された端部とは反対側の端部が爪部１３に引っ掛かることなく図中左方向に移動し、平板１２の直線移動を阻害することはない。

ついで、図５（ｂ）の状態による平板１２の直線移動の後、図５（ｃ）に示すように、電源Ｅ１，Ｅ２から高分子アクチュエータ素子１０ａ〜１０ｄへ図５（ｂ）の場合とは各電極膜への電圧印加が逆極性となるように電圧を印加する（電位差０．５〜２．０Ｖ程度）。具体的には、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃの図中左側の電極膜にマイナスの電位、図中右側の電極膜にプラスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃは図４（ａ）の状態（図中左側への湾曲状態）から図４（ｃ）と同様に図中右側に湾曲する。一方、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄの図中左側の電極膜にプラスの電位、図中右側の電極膜にマイナスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄは図４（ｃ）の状態（図中右側への湾曲状態）から図４（ａ）と同様に図中左側に湾曲する。ここでも、隣接する高分子アクチュエータ素子の間では同一方向に面する電極膜へ印加される電圧を逆極性とすることにより、隣接する該高分子アクチュエータ素子はお互いの湾曲方向が逆となるように動作する。

これにより、図中右側に湾曲した高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃの平坦面１１に固定された端部とは反対側の端部は、湾曲変形の初期にそれぞれ爪部１３の１つの先端に当接し（図においては高分子アクチュエータ素子１０ｃの端部のみが当接し）、それからさらに湾曲することで該爪部１３を図中右側方向に押すことになる。この押圧力が当該爪部１３を経由して平板１２に伝達され、その結果、平板１２は図中右側方向にさらに直線移動することになる。なお、この際に高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄは、爪部１３が撓むことからその平坦面１１に固定された端部とは反対側の端部が爪部１３に引っ掛かることなく図中左方向に移動し、平板１２の直線移動を阻害することはない。

以降、電源Ｅ１，Ｅ２から印加する電圧の極性を切り替えることにより（あるいは位相のずれた交流電圧の印加により）、図５（ｂ），（ｃ）の状態を交互に繰り返して、平板１２を一方向（図中右方向）に連続して直線移動させることができる。

なお、図５では隣接する高分子アクチュエータ素子がお互いの湾曲方向が逆となるように動作する場合を示したが、隣接する高分子アクチュエータ素子が交互に動作するようにしてもよい。すなわち、図５（ｂ）の場合に高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃは動作させず、高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄのみを動作させ、図５（ｃ）の場合に高分子アクチュエータ素子１０ｂ，１０ｄは動作させず、高分子アクチュエータ素子１０ａ，１０ｃのみを動作させるようにするとよい。

以上のように、いわゆるラチェット機構を応用したアクチュエータシステムにより、重量のある対象物を直線移動させる機構、例えばステージ装置を実現することができる。

次に、本発明に係るアクチュエータシステムの第２の実施の形態について説明する。
図６は、本発明に係るアクチュエータシステムの第２の実施の形態における構成を示す概略図である。
図６に示すように、アクチュエータシステム３００は、棒形状の固定軸３１と、短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、短冊幅方向が固定軸３１の長手方向と平行で長手方向の一方の端部が固定軸３１の外周面に固定されて該外周面から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子３０ａ,３０ｂ、３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｇと、中空の円筒形状で固定軸３１を円筒の中心として高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈとともに内包する回転体３２と、回転体３２の円筒内周面にそれぞれの先端が向く方向が該円筒の円周方向のうち一方向（図中左回り方向）に揃えられた複数の爪部３３とを有しており、爪部３３は高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈの固定軸３１の外周面に固定された端部とは反対側の端部と接している。

ここで、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈは、図２，図３で示したものと同じである。また、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈはそれぞれが固定軸３１の外周面上で直立して放射状に配置されていることが好ましい。また、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈは外周面に対してある角度をもって固定されていてもよい。さらに、図中高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈは８つの高分子アクチュエータ素子であるが、高分子アクチュエータ素子の個数は特に限定されるものではなく、１つでもよい。また複数個の高分子アクチュエータ素子を固定軸３１の長手方向に並列に設置してもよい。

また、図６では表示を省略しているが、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈのうち、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇは１つの電源（仮にＥ３とする）を共通の電源として、固定軸３１内を経由して同じ方向を向いている電極膜に同じ極性の電位が印加されるように接続されている。また、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈも別の１つの電源（仮にＥ４とする）を共通の電源として、同じ方向を向いている電極膜に同じ極性の電位が印加され、かつ高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇの同じ方向を向いている電極膜に対して逆極性の電位が印加されるように接続されている。あるいは、後述するような電圧印加方法が可能であれば高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈはそれぞれ独立した電源と接続されていてもよい。

回転体３２は、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈに面する内周面について爪部３３が形成できる程度に滑らかな面であればよく、図のような一様な厚みの円筒に限定されない。例えば、回転体３２の外周面側は後述する回転運動に伴って該外周面上に搭載あるいは接した物体を同様に移動させやすいように物体を固定したり保持したりする部位が形成されていてもよい。

爪部３３は、短冊形状で回転体３２の内周面に対して一定の傾斜角度をもって該内周面に一端が固定された複数の可撓性フィルムが襞を成すように連なったものであることが好ましい。

本発明のアクチュエータシステム３００は前記高分子アクチュエータ素子１０（２０）の動作原理に基づいて、つぎのように動作することになる。
図７に、本発明のアクチュエータシステム３００の動作を示す。ここでは、使用する高分子アクチュエータ素子３０の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７（ａ）は、図６と同じ状態であり、電源Ｅ３，Ｅ４から高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈへは電圧が印加されていない場合を示している。そのため、高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈは図４（ｂ）の場合と同様に、固定軸３１の外周面上で直立した状態となっており、回転体３２も静止した状態である。

つぎに、図７（ｂ）に示すように、電源Ｅ３，Ｅ４から高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈへ電圧を印加する（電位差０．５〜２．０Ｖ程度）。具体的には、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇの該高分子アクチュエータ素子に対して図中左側の電極膜にプラスの電位、図中右側の電極膜にマイナスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇは図４（ａ）と同様に図中左側（左回り方向）に湾曲する。一方、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈの該高分子アクチュエータ素子に対して図中左側の電極膜にマイナスの電位、図中右側の電極膜にプラスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈは図４（ｃ）と同様に図中右側（右回り方向）に湾曲する。すなわち、隣接する高分子アクチュエータ素子の間では同一方向に面する電極膜へ印加される電圧を逆極性とすることにより、隣接する該高分子アクチュエータ素子はお互いの湾曲方向が逆となるように動作する。

これにより、図中右側に湾曲した高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈの固定軸３１の外周面に固定された端部とは反対側の端部は、湾曲変形の初期にそれぞれ爪部３３の１つの先端に当接し、それからさらに湾曲することで該爪部３３を図中右側方向（右回り方向）に押すことになる。この押圧力が当該爪部３３を経由して回転体３２に伝達され、固定軸３１を中心としたモーメント力として作用するため、回転体３２は図中右回り方向に回転運動することになる。なお、この際に図中左側（左回り方向）に湾曲した高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇは、爪部３３が撓むことからその固定軸３１の外周面に固定された端部とは反対側の端部が爪部３３に引っ掛かることなく図中左方向（左回り方向）に移動し、回転体３２の回転運動を阻害することはない。

ついで、図７（ｂ）の状態による回転体３２の回転運動の後、図７（ｃ）に示すように、電源Ｅ３，Ｅ４から高分子アクチュエータ素子３０ａ〜３０ｈへ図７（ｂ）の場合とは各電極膜への電圧印加が逆極性となるように電圧を印加する（電位差０．５〜２．０Ｖ程度）。具体的には、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇの該高分子アクチュエータ素子に対して図中左側の電極膜にマイナスの電位、図中右側の電極膜にプラスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇは図４（ａ）の状態（図中左側への湾曲状態）から図４（ｃ）と同様に図中右側（右回り方向）に湾曲する。一方、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈの該高分子アクチュエータ素子に対して図中左側の電極膜にプラスの電位、図中右側の電極膜にマイナスの電位が印加されている。その結果、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈは図４（ｃ）の状態（図中右側への湾曲状態）から図４（ａ）と同様に図中左側（左回り方向）に湾曲する。ここでも、隣接する高分子アクチュエータ素子の間では同一方向に面する電極膜へ印加される電圧を逆極性とすることにより、隣接する該高分子アクチュエータ素子はお互いの湾曲方向が逆となるように動作する。

これにより、図中右側（右回り方向）に湾曲した高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇの固定軸３１の外周面に固定された端部とは反対側の端部は、湾曲変形の初期にそれぞれ爪部３３の１つの先端に当接し、それからさらに湾曲することで該爪部３３を図中右側方向（右回り方向）に押すことになる。この押圧力が当該爪部３３を経由して回転体３２に伝達され、固定軸３１を中心としたモーメント力として作用するため、回転体３２は図中右回り方向にさらに回転運動することになる。なお、この際に高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈは、爪部３３が撓むことからその固定軸３１の外周面に固定された端部とは反対側の端部が爪部３３に引っ掛かることなく図中左方向（左回り方向）に移動し、回転体３２の回転運動を阻害することはない。

以降、電源Ｅ３，Ｅ４から印加する電圧の極性を切り替えることにより（あるいは位相のずれた交流電圧の印加により）、図７（ｂ），（ｃ）の状態を交互に繰り返して、回転体３２を一方向（図中右回り方向）に連続して回転運動させることができる。

なお、図７では隣接する高分子アクチュエータ素子がお互いの湾曲方向が逆となるように動作する場合を示したが、隣接する高分子アクチュエータ素子が交互に動作するようにしてもよい。すなわち、図７（ｂ）の場合に高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇは動作させず、高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈのみを動作させ、図５（ｃ）の場合に高分子アクチュエータ素子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ，３０ｈは動作させず、高分子アクチュエータ素子３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇのみを動作させるようにするとよい。

以上のように、いわゆるラチェット機構を応用したアクチュエータシステムにより、大きなトルクで対象物を回転運動させる機構、例えば小型の回転式ジャイロ装置を実現することができる。

本発明に係るアクチュエータシステムの第１の実施の形態における構成を示す断面図である。 本発明で使用する高分子アクチュエータ素子の構成（１）を示す断面図である。 本発明で使用する高分子アクチュエータ素子の構成（２）を示す断面図である。 高分子アクチュエータ素子（１）の動作原理を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態であるアクチュエータシステムの動作原理を説明する図である。 本発明に係るアクチュエータシステムの第２の実施の形態における構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態であるアクチュエータシステムの動作原理を説明する図である。

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〜１０ｄ，２０，３０ａ〜３０ｈ…高分子アクチュエータ素子、１１…平坦面、１２…平板、１３，３３…爪部、３１…固定軸、３２…回転体、１００，３００…アクチュエータシステム、Ｅ１，Ｅ２…電源

Claims (6)

1. 短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、平坦面に長手方向の一方の端部が固定されて該平坦面から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、
   主面上にそれぞれの先端が向く方向が前記高分子アクチュエータ素子の湾曲方向のうち一方向に揃えられた複数の爪部を有し、前記高分子アクチュエータ素子上で前記爪部が該高分子アクチュエータ素子の前記平坦面に固定された端部とは反対側の端部と接するように配置された平板と
   を備え、
   前記爪部は、短冊形状で前記平板の主面に対して一定の傾斜角度をもって該主面に一端が固定された複数の可撓性フィルムが襞を成すように連なったものであり、
   前記高分子アクチュエータ素子が電圧印加で湾曲することにより、該高分子アクチュエータ素子の前記平坦面に固定された端部とは反対側の端部が前記平板の爪部を押し、該平板が一方向に直線移動する
   アクチュエータシステム。
2. 複数の前記高分子アクチュエータ素子が該高分子アクチュエータ素子の湾曲する方向に一列に配置されている
   請求項１に記載のアクチュエータシステム。
3. 隣接する前記高分子アクチュエータ素子は、交互に、またはお互いの湾曲方向が逆となるように動作する
   請求項２に記載のアクチュエータシステム。
4. 棒形状の固定軸と、
   短冊形状で陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両主面それぞれに設けられる電極膜とを有し、短冊幅方向が前記固定軸の長手方向と平行で長手方向の一方の端部が該固定軸の外周面に固定されて該外周面から直立した状態とされ、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、
   中空の円筒形状で、円筒内周面にそれぞれの先端が向く方向が該円筒の円周方向のうち一方向に揃えられた複数の爪部を有し、前記固定軸を円筒の中心として内包し前記爪部が前記高分子アクチュエータ素子の前記固定軸の外周面に固定された端部とは反対側の端部と接するように配置された回転体と
   を備え、
   前記爪部は、短冊形状で前記回転体の内周面に対して一定の傾斜角度をもって該内周面に一端が固定された複数の可撓性フィルムが襞を成すように連なったものであり、
   前記高分子アクチュエータ素子が電圧印加で湾曲することにより、該高分子アクチュエータ素子の前記固定軸の外周面に固定された端部とは反対側の端部が前記回転体の爪部を押し、該回転体が一方向に回転する
   アクチュエータシステム。
5. 複数の前記高分子アクチュエータ素子が前記固定軸の外周面上で直立して放射状に配置されている
   請求項４に記載のアクチュエータシステム。
6. 隣接する前記高分子アクチュエータ素子は、交互に、またはお互いの湾曲方向が逆となるように動作する
   請求項５に記載のアクチュエータシステム。

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