JP5012284B2

JP5012284B2 - アクチュエータシステム

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Publication number: JP5012284B2
Application number: JP2007194553A
Authority: JP
Inventors: 業須藤; 信之永井; 勇人本村; 康博渡辺; 健二香取
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: JP2009033856A

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ポリマーアクチュエータは印加電圧に応じた応答速度で変形し、重量あたりの発生トルクが大きく、用途によっては従来のモーターに代わる軽量化、小型化駆動素子として期待されている。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電子導電性の電極とからなり、該イオン導電性高分子膜を含水状態として前記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。）。

ここで、ポリマーアクチュエータの駆動力発生メカニズムがポリマー電解質内部のイオンの移動によって発生する体積変化によるため、駆動させるイオンの移動速度がアクチュエータの駆動速度に影響することから、駆動速度の速い一般的な水系の溶媒を用いていた。

しかしながら、使用環境の温度によってはその水分が蒸発してしまうため、アクチュエータ内部への封止が必要であった。また、封止することによって、アクチュエータからの水分の放出は抑制されるが、封止内での体積が変化することによって、駆動力の伝達に支障をきたしてしまう問題が発生した。なお、特許文献３では電解質溶液をシリコン等の被覆部で封入したものが開示され、特許文献４ではアクチュエータを電解質溶液ごと容器に密封したものが開示されているが、いずれも水分の蒸発による体積変化は考慮されておらず、駆動力の伝達への影響が懸念された。また、高分子系などの非水系溶媒とすれば蒸発が抑えられ駆動力の伝達に支障をきたす問題は少なくなるが、駆動速度が遅くなってしまう。

特開２００２−３３０５９８号公報特開２００５−０３３９９１号公報特開２０００−０８３３８９号公報特開２００６−３１１６３０号公報

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、水系の溶媒を用いて高分子アクチュエータの駆動速度を落とすことなく、変位や駆動力伝達への水蒸気の発生による影響を除去する構造のアクチュエータシステム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、水系の電解液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上に対向して設けられる２つの電極膜と、を有し、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体が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、前記高分子アクチュエータ素子に固定され、該高分子アクチュエータ素子が湾曲したときの変位を外部対象物に作用して伝える構造体と、少なくとも前記高分子アクチュエータ素子を包み込んで、前記電解液を封止する膨張収縮可能なポリマーフィルムと、からなり、前記ポリマーフィルムは、前記構造体が外部対象物に作用する部分以外の領域で膨張して水の蒸発による前記電解液の体積変化を吸収することを特徴とするアクチュエータシステムである。

また前記課題を解決するために提供する本発明は、棒形状または短冊形状で水系の電解液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上に対向して設けられる２つの電極膜と、を有し、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体が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、前記高分子アクチュエータ素子の長手方向に直交する方向への突起物として該高分子アクチュエータ素子に固定される複数の構造体と、前記高分子アクチュエータ素子及び複数の構造体を包み込んで前記電解液を封止する膨張収縮可能なポリマーフィルムと、からなり、電圧印加された前記高分子アクチュエータ素子が湾曲したときの変位を前記複数の構造体の突起先端部分が外部対象物に作用して伝えるアクチュエータシステムであって、前記複数の構造体が前記高分子アクチュエータ素子の長手方向に間隔を空けて固定されるとともに、前記ポリマーフィルムが該複数の構造体それぞれの突起先端部分で固定されており、前記ポリマーフィルムが、前記構造体同士の間隙で膨張して水の蒸発による前記電解液の体積変化を吸収することを特徴とするアクチュエータシステムである。

また前記課題を解決するために提供する本発明は、棒形状または短冊形状で水系の電解液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上に対向して設けられる２つの電極膜と、を有し、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体が湾曲する複数の高分子アクチュエータ素子が、基準面と、該基準面と平行に配置される平板状の構造体との間に設けられ、前記複数の高分子アクチュエータ素子それぞれの長手方向の一方の端部Ａが前記基準面に固定され、他方の端部Ｂが前記構造体に旋回可能に固定されており、膨張収縮可能なポリマーフィルムが前記基準面と構造体に固定されて該基準面と構造体との間の前記複数のイオン導電性高分子体の電解液を封止しており、電圧印加された前記複数の高分子アクチュエータ素子の湾曲に伴ってそれぞれの端部Ｂが前記構造体を前記基準面に対して水平方向に押して変位させ、この変位を該構造体の端面部分が外部対象物に作用して伝えるアクチュエータシステムであって、前記ポリマーフィルムが前記構造体の外部対象物に作用する端面側以外の前記基準面と構造体の間からはみ出るように膨張して水の蒸発による前記電解液の体積変化を吸収することを特徴とするアクチュエータシステムである。

本発明のアクチュエータシステムによれば、水系の溶媒を用いながら水蒸気の発生による体積変化が発生しても、その変位や駆動力を効率よく利用することができる。

まず、従来のアクチュエータシステムについて説明する。
図１は、従来のアクチュエータシステムの構成例を示す断面図である。
図１に示すように、アクチュエータシステム９００は、高分子アクチュエータ素子１０と、高分子アクチュエータ素子１０を駆動する電源Ｅと、高分子アクチュエータ素子１０を包み込み、該高分子アクチュエータ素子１０に含まれる電解液１ａを封止する膨張収縮可能なポリマーフィルム９３と、からなる。なお、図１（ａ）は高分子アクチュエータ素子１０に電源Ｅから電圧印加されておらず放電した状態を示し、図１（ｂ）は電圧印加されて駆動している状態を示している。

ここで、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、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。なおここでは、イオン導電性高分子体は、その一態様としてフィルム状となったもの（イオン導電性高分子膜）を示す。
高分子アクチュエータ素子１０は、水系の電解液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。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、イオン導電性高分子膜１の表面に接合した電子導電性の電極である。そのような電極材料として、例えば、金、白金、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ−１,６−ヘプタジイン、ポリ−ｐ−フェニレン、ポリフェニレンビニレンなどが挙げられる。またこれらを含む混合物であっても良い。具体的には、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ものである。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に水系の電解液１ａが含浸されているが、該電解液１ａは、水及び金属イオン、または水及び有機イオンである。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ため、少なくとも高分子アクチュエータ素子１０をポリマーフィルムで包み込むことによって、中からこの水が揮発しないように封止している。

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、本発明の高分子アクチュエータを構成する別の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に含浸させる水系の電解液は、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（例えば０．５〜２．０Ｖ程度）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。

ポリマーフィルム９３は、膨張収縮可能で水を通さない高分子材料からなり、高分子アクチュエータ素子１０（２０）を包み込んで、電解液１ａを封止するものである。

ここで、アクチュエータシステム９００を室温等比較的低い温度環境で使用するとき、図１に示すように、ポリマーフィルム９３は高分子アクチュエータ素子１０（２０）にほぼ密着した状態にあり、高分子アクチュエータ素子１０（２０）の駆動に追従して伸縮する。したがって、電源Ｅから電圧を印加して駆動させる場合（図１（ｂ））に、高分子アクチュエータ素子１０（２０）とポリマーフィルム９３とは一体の物として駆動して、高分子アクチュエータ素子１０（２０）の先端部分９６が外部対象物に対して湾曲する高分子アクチュエータ素子１０（２０）の変位（あるいは駆動力）を伝達する作用点となる。

つぎに、アクチュエータシステム９００を高温環境で使用するときを考える。この場合、電解液１ａの水が蒸発するようになり、図５（ａ）に示すように、その水蒸気による電解液１ａ´の体積膨張に伴ってポリマーフィルム９３が膨張するようになる。このとき、ポリマーフィルム９３は電解液１ａ´を封止しているが、高分子アクチュエータ素子１０（２０）からはかなり離れた状態となっている。ここで、電源Ｅから電圧を印加して駆動させると（図５（ｂ））、膨張したポリマーフィルム９３の内部で高分子アクチュエータ素子１０（２０）だけが駆動することとなり、高分子アクチュエータ素子１０（２０）の先端部分９６はその変位（あるいは駆動力）を外部対象物に作用して伝えることができない。

また、図１の高分子アクチュエータ素子１０（２０）に該高分子アクチュエータ素子１０（２０）の変位（あるいは駆動力）を外部対象物に伝達するための構造体９２を固定したものも考えられるが、この場合も図６（ａ）に示すように、ポリマーフィルム９３は高分子アクチュエータ素子１０（２０）及び構造体９２からはかなり離れた状態となるため、電源Ｅから電圧を印加して駆動させても（図６（ｂ））、膨張したポリマーフィルム９３の内部で高分子アクチュエータ素子１０（２０）だけが駆動することとなり、構造体９２はその変位（駆動力）を外部対象物に作用して伝えることができない。あるいはポリマーフィルム９３がそこまで膨張していなくても、前記変位（駆動力）を十分に伝達することができず、変位（駆動力）伝達の阻害要因となる。

本発明はこの問題を解決すべくなされたものである。すなわち、本発明に係るアクチュエータシステムは、水系の電解液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上に対向して設けられる２つの電極膜と、を有し、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体が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、前記高分子アクチュエータ素子に固定され、該高分子アクチュエータ素子が湾曲したときの変位を外部対象物に作用して伝える構造体と、少なくとも前記高分子アクチュエータ素子を包み込んで、前記電解液を封止する膨張収縮可能なポリマーフィルムと、からなり、前記ポリマーフィルムは、前記構造体が外部対象物に作用する部分以外の領域で膨張して水の蒸発による前記電解液の体積変化を吸収することを特徴とする。

以下に、本発明に係るアクチュエータシステムの具体的構成について説明する。なお、本発明を図面に示した実施形態をもって説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、実施の態様に応じて適宜変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

まず本発明に係るアクチュエータシステムの第１の実施の形態について説明する。
図７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の概略図を示す。
アクチュエータシステム１００は、高分子アクチュエータ素子１０と、高分子アクチュエータ素子１０の長手方向に直交する方向への突起物として該高分子アクチュエータ素子１０に固定される複数の構造体１２と、高分子アクチュエータ素子１０及び複数の構造体１２を包み込んで電解液１ａを封止する膨張収縮可能なポリマーフィルム１３と、からなる（図７（ａ））。なお、このアクチュエータシステム１００の使用環境温度は電解液が凍らない温度から電解液の水分が過剰に蒸発しない温度までの範囲である。例えば、室温から６０℃である。

ここで、高分子アクチュエータ素子１０は、図２に示し前述したものであり、棒形状または短冊形状で水系の電解液１ａが含浸されたイオン導電性高分子体１と、該イオン導電性高分子体１上に対向して設けられる２つの電極膜２と、を有し、電極膜２の間に電圧が印加されることによりイオン導電性高分子体１が湾曲するものである。また、高分子アクチュエータ素子１０に代えて、図３に示す高分子アクチュエータ素子２０を用いてもよい。

構造体１２は、高分子アクチュエータ素子１０からの突起物となるものであれば、その形状はとくに限定されず、外部対象物への変位伝達に好適なものとすればよい。例えば、柱状の構造体１２とすると外部対象物に作用する側に突起するように高分子アクチュエータ素子１０に固定する。また、円盤形状の構造体１２とすると高分子アクチュエータ素子１０の外部対象物に作用する好適な位置に固定する。なお、構造体１２は外部対象物に変位を伝達できる程度に剛性を有する材料からなる。また、複数の構造体１２が高分子アクチュエータ素子１０の長手方向に間隔を空けて固定されるものとする。これにより、構造体１２同士の間に間隙１５を設けることとなる。

ポリマーフィルム１３は、膨張収縮可能で水を通さない高分子材料からなり、高分子アクチュエータ素子１０（２０）及び複数の構造体１２を包み込んで、電解液１ａを封止するものである。例えば、厚み数十μｍのＡｌ蒸着したポリエチレンフィルムなどが挙げられる。また、ポリマーフィルム１３は、構造体１２それぞれの突起先端部分１２ａに固定されている。固定方法は外部対象物との接触によっても剥離しない強度で固定されればとくに限定されず、例えば接着剤による接着などでよい。

図７は、アクチュエータシステム１００を室温等比較的低い温度環境で使用するときを示している。図７（ａ）は高分子アクチュエータ素子１０に電源Ｅから電圧印加されておらず放電した状態を示しており、ポリマーフィルム１３は高分子アクチュエータ素子１０（２０）及び複数の構造体１２に沿ってほぼ密着した状態にあり、高分子アクチュエータ素子１０（２０）の駆動に追従して伸縮する。したがって、電源Ｅから電圧を印加して駆動させる場合（図７（ｂ））に、高分子アクチュエータ素子１０（２０）及び複数の構造体１２とポリマーフィルム１３とは一体の物として駆動して、複数の構造体１２の高分子アクチュエータ素子１０（２０）が湾曲した側の突起先端部分１２ａが外部対象物に対して湾曲する高分子アクチュエータ素子１０（２０）の変位（あるいは駆動力）を伝達する作用点となる。

つぎに、アクチュエータシステム１００を高温環境で使用するときを考える。この場合、電解液１ａの水が蒸発し、その水蒸気による電解液１ａ´の体積膨張に伴ってポリマーフィルム１３が膨張するようになるが、ポリマーフィルム１３は構造体１２の突起先端部１２ａに固定されていることから、図８（ａ）に示すように、構造体１２同士の間隙１５で膨張して電解液１ａ´の体積変化を吸収するようになる。すなわち、ポリマーフィルム１３は、構造体１２が外部対象物に作用する部分である突起先端部１２ａ以外の領域（間隙１５）で膨張して水の蒸発による電解液１ａ´の体積変化を吸収することができる。

したがって、この状態で電源Ｅから電圧を印加して駆動させると（図８（ｂ））、高分子アクチュエータ素子１０（２０）が駆動し湾曲するのに伴って、複数の構造体１２の高分子アクチュエータ素子１０（２０）が湾曲した側の突起先端部分１２ａが外部対象物に接触することができ、その変位（あるいは駆動力）を外部対象物に作用して伝えることが可能である。

つぎ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９に、本発明に係るアクチュエータシステムの第２の実施の形態における構成の概略図を示す。
アクチュエータシステム２００は、複数の高分子アクチュエータ素子１０が構造体２１の基準面２１ｓと、該基準面２１ｓと平行に配置される平板状の構造体２２との間に設けられ、複数の高分子アクチュエータ素子１０それぞれの長手方向の一方の端部Ａが基準面２１ｓに固定され、他方の端部Ｂが構造体２２に蝶番構造２９により旋回可能に固定されており、さらに膨張収縮可能なポリマーフィルム２３が基準面２１ｓまたは構造体２１と構造体２２に固定されて基準面２１ｓと構造体２２との間の複数のイオン導電性高分子体１０の電解液１ａを封止してなるものである（図９（ａ））。なお、このアクチュエータシステム２００の使用環境温度は電解液が凍らない温度から電解液の水分が過剰に蒸発しない温度までの範囲である。例えば、室温から６０℃である。

ここで、高分子アクチュエータ素子１０は、図２に示し前述したものであり、棒形状または短冊形状で水系の電解液１ａが含浸されたイオン導電性高分子体１と、該イオン導電性高分子体１上に対向して設けられる２つの電極膜２と、を有し、電極膜２の間に電圧が印加されることによりイオン導電性高分子体１が湾曲するものである。また、複数の高分子アクチュエータ素子１０が基準面２１ｓと構造体２２の間において、電圧印加により湾曲する方向が揃うように一定間隔で配列されている。なお、高分子アクチュエータ素子１０に代えて、図３に示す高分子アクチュエータ素子２０を用いてもよい。

構造体２１は、アクチュエータシステム２００の駆動に関して固定されたものである。
また、構造体２２は、外部対象物に変位を伝達できる程度に剛性を有する材料からなる平板状のものである。

ポリマーフィルム２３は、膨張収縮可能で水を通さない高分子材料からなり、複数の高分子アクチュエータ素子１０（２０）を包み込んで、電解液１ａを封止するものである。例えば、厚み数十μｍのＡｌ蒸着したポリエチレンフィルムなどが挙げられる。また、ポリマーフィルム２３を、構造体２１，２２に固定して電解液１ａを封止するため、構造体２１と構造体２２の間の隙間を埋めるように掛け渡されている。また、駆動の際に外部対象物に接触することになる構造体２２の１つの端面部分２２ａにはポリマーフィルム２３を固定しないようにし、該端面部分２２ａから少し構造体２２の中心側に入った部分で固定するとよい。さらに、ポリマーフィルム２３を撓ませて、構造体２２の端面部分２２ａ側以外の端面側の基準面２１ｓと構造体２２の間からはみ出して空隙２５を形成している。

図９は、アクチュエータシステム２００を室温等比較的低い温度環境で使用するときを示している。図９（ａ）は高分子アクチュエータ素子１０（２０）に電源Ｅから電圧印加されておらず放電した状態を示しており、ポリマーフィルム２３は構造体２１，２２の間でとくに膨張収縮することなく電解液１ａを封止した状態にあり、構造体２２の移動に追従して伸縮する。つぎに、電源Ｅから電圧を印加して駆動させると（図９（ｂ））、複数の高分子アクチュエータ素子１０（２０）が湾曲し、その湾曲に伴ってそれぞれの端部Ｂが構造体２２を基準面２１ｓに対して水平方向に押すように作用する。これにより、構造体２２は押される方向に変位することとなり、構造体２２の端面部分２２ａが外部対象物に対してこの変位を伝達する作用点となる。

つぎに、アクチュエータシステム２００を高温環境で使用するときを考える。この場合、電解液１ａの水が蒸発し、その水蒸気による電解液１ａ´の体積膨張に伴ってポリマーフィルム２３が膨張するようになるが、ポリマーフィルム２３は構造体２１，２２に掛け渡されて固定されていることから、図１０（ａ）に示すように、空隙２５の部分で膨張して電解液１ａ´の体積変化を吸収するようになる。すなわち、ポリマーフィルム２３は、構造体２２が外部対象物に作用する部分である端面部分２２ａ以外の領域（空隙２５）で膨張して水の蒸発による電解液１ａ´の体積変化を吸収することができる。

したがって、この状態で電源Ｅから電圧を印加して駆動させると（図１０（ｂ））、複数の高分子アクチュエータ素子１０（２０）が駆動し湾曲するのに伴って、図９（ｂ）の場合と同様に構造体２２は基準面２１ｓに対して水平方向に押されて変位し、構造体２２の端面部分２２ａが外部対象物に接触してその変位（あるいは駆動力）を外部対象物に作用して伝えることが可能である。

従来のアクチュエータシステムの構成を示す概略図である。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の動作原理を説明する図である。従来のアクチュエータシステムの高温環境下における構成（１）を示す概略図である。従来のアクチュエータシステムの高温環境下における構成（１）を示す概略図である。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概略図である。本発明に係るアクチュエータシステムの第１の実施の形態の高温環境下における構成を示す概略図である。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概略図である。本発明に係るアクチュエータシステムの第２の実施の形態の高温環境下における構成を示す概略図である。

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、１０，２０…高分子アクチュエータ素子、１２，２１，２２，９２…構造体、１２ａ…突起先端部、１３，２３，９３…ポリマーフィルム、１５…間隙、２１ｓ…基準面、２２ａ…端面部分、２５…空隙、２９…蝶番構造、１００，２００，９００…アクチュエータシステム、１ａ，１ａ´…電解液、Ａ，Ｂ…端部、Ｅ…電源

Claims

水系の電解液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上に対向して設けられる２つの電極膜と、を有し、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体が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、
前記高分子アクチュエータ素子に固定され、該高分子アクチュエータ素子が湾曲したときの変位を外部対象物に作用して伝える構造体と、
少なくとも前記高分子アクチュエータ素子を包み込んで、前記電解液を封止する膨張収縮可能なポリマーフィルムと、からなり、
前記ポリマーフィルムは、前記構造体が外部対象物に作用する部分以外の領域で膨張して水の蒸発による前記電解液の体積変化を吸収することを特徴とするアクチュエータシステム。
棒形状または短冊形状で水系の電解液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上に対向して設けられる２つの電極膜と、を有し、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体が湾曲する高分子アクチュエータ素子と、
前記高分子アクチュエータ素子の長手方向に直交する方向への突起物として該高分子アクチュエータ素子に固定される複数の構造体と、
前記高分子アクチュエータ素子及び複数の構造体を包み込んで前記電解液を封止する膨張収縮可能なポリマーフィルムと、からなり、
電圧印加された前記高分子アクチュエータ素子が湾曲したときの変位を前記複数の構造体の突起先端部分が外部対象物に作用して伝えるアクチュエータシステムであって、
前記複数の構造体が前記高分子アクチュエータ素子の長手方向に間隔を空けて固定されるとともに、前記ポリマーフィルムが該複数の構造体それぞれの突起先端部分で固定されており、
前記ポリマーフィルムが、前記構造体同士の間隙で膨張して水の蒸発による前記電解液の体積変化を吸収することを特徴とするアクチュエータシステム。
棒形状または短冊形状で水系の電解液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上に対向して設けられる２つの電極膜と、を有し、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体が湾曲する複数の高分子アクチュエータ素子が、基準面と、該基準面と平行に配置される平板状の構造体との間に設けられ、
前記複数の高分子アクチュエータ素子それぞれの長手方向の一方の端部Ａが前記基準面に固定され、他方の端部Ｂが前記構造体に旋回可能に固定されており、
膨張収縮可能なポリマーフィルムが前記基準面と構造体に固定されて該基準面と構造体との間の前記複数のイオン導電性高分子体の電解液を封止しており、
電圧印加された前記複数の高分子アクチュエータ素子の湾曲に伴ってそれぞれの端部Ｂが前記構造体を前記基準面に対して水平方向に押して変位させ、この変位を該構造体の端面部分が外部対象物に作用して伝えるアクチュエータシステムであって、
前記ポリマーフィルムが前記構造体の外部対象物に作用する端面側以外の前記基準面と構造体の間からはみ出るように膨張して水の蒸発による前記電解液の体積変化を吸収することを特徴とするアクチュエータシステム。