JPH0241685A - メカノケミカルアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 大発明は、スイッチ素子やロボツトの触指等に適用する
ことができる、電気的刺激により屈曲するメカノケミカ
ルアクチュエータに関するものである。

〔従来技術〕

ロボット工学や医療技術の進歩に伴い、軽量で柔軟性に
富む小型のアクチュエータに対するニズが急速に高まっ
ている。従来、アクチュエータは、モータに見られるよ
うに電磁気力を基本としたものが長い間使われてきた。

この種のアクチュエータは制御が工学的に容易であると
いう長所がある反面、構造が複雑であるうえにシステム
が大掛かりになり出力重量比が小さいという欠点が存在
する。また柔軟性という点でかなり劣っている。

そこで、上記ニーズに対して一方では新しい原理による
アクチュエータが検討され、高分子ゲルに代表されるメ
カノケミカル物質を用いたものが注目を浴びてきている
。

ここで、メカノケミカル物質上は、溶媒の組成変化や光
などの刺激により自らが機械的変形を行う有機物質のこ
とであり、これを利用したアクチュエータは小型、軽量
であり、かつ柔軟性に冨むと同時に自らが変形するので
出力重量比が大きくなることが期待される。これまでに
光照射や溶媒交換によりメカノケミカル物質が伸縮する
ことを利用したアクチュエータが提案されている（特開
昭６０−１８４９７５号）。

これらのアクチュエータでは、刺激種とメカノケミカル
物質とを物理的に接触しやすいようにして応答性の向上
を図っているが、構造が複雑になり、刺激種を工学的に
制御するのに困難さを伴う。

また、制御が容易な電気を刺激種に選んでメカノケミカ
ル物質を伸縮させるシステムも提案されている（特開昭
６２−１．５１８２４号、特開昭６１−４７３１号）。

特開昭６２−１５１８２４号記載の電気的刺激によりメ
カノケミカル物質が伸縮するシステムでは、外殻の内部
空間全体にメカノケミカル物質が充填されるために、電
圧の印加により正極付近のメカノケミカル物質が収縮し
た際にメカノケミカル物質の内部に残留応力が発生して
メカノケミカル物質を破壊せしめる。また、特開昭６１
−４７３１号記載のシステムでは、メカノケミカル物質
を溶液中に浸漬し、溶液中の電極に電圧を印加して、該
メカノケミカル物質を電気の作用により大きく屈曲させ
ようとするものであり、これを用いてアクチュエータへ
の応用か考えられている。しかし、溶液中でしか使用す
ることができず、応用の範囲が限定されてしまう。

〔第１発明の説明〕 本第１発明（特許請求の範囲第（１）項に記載の発明）
は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、
作動時にメカノケミカル物質の特性を損なわず、大気中
においても使用可能なメカノケミカルアクチュエータを
提供しようとするものである。

本第１発明のメカノケミカルアクチュエータは、弾性材
料よりなり、内部に空間のある外殻と、該外殼内に形成
された空間内に挿入された電解質溶液と、前記空間内に
配置され、表面を非イオン性高分子ケルにより被覆され
てなる正電極及び負電極と、該正電極と負電極とに接続
されてなり、該正電極と負電極との間への直流電圧印加
の制御を行う電源手段と、該正電極と負電極との間であ
って、上記直流電圧印加の制御に伴うその変形により生
ずる変形力が上記外殻に作用する位置に配置されてなる
イオン性高分子ゲルとよりなることを特徴とするもので
ある。

本第１発明のメカノケミカルアクチュエータは、上記正
電極及び負電極の間への直流電圧の印加を制御すること
によりメカノケミカル物質であるイオン性高分子ゲルが
その正電極側の面において負電極側の面よりもより多く
の電解質溶液を吸収してより膨潤することにより屈曲変
形する。この変形に伴う作用力を外殻に作用させること
により結果としてアクチュエータ全体が屈曲する。また
、電圧を除くか、あるいは電極の正・負を逆にすること
によりイオン性高分子ゲルが電解質溶液を排出するため
に元の状態に復元し、それに伴ってアクチュエータ全体
は元の状態に復元する。更に、上記電極の正・負を逆に
した状態を続けるとアクチュエータ全体が反転すること
もできる。本第１発明のアクチュエータは、外殼内に配
置されてなる電解質溶液の高分子ゲル内への吸収・排出
の繰り返しにより、高分子ゲルを屈曲・復元運動さセ゛
るものであるため、ゲルにおける残留応力の発生を抑制
し、イオン性高分子ゲルが破壊することはなく、その特
性が損なわれることはない。また、本第１発明のアクチ
ュエータは、電解質溶液、電極及びイオン性高分子ゲル
を外殼内に収容挿置するものであるため、従来のように
溶液中でしか作動しないという問題はなく、大気中にお
いても使用することができる。従って、広範囲な用途に
利用することができるう更に、本第１発明のアクチュエ
ータは、正電極と負電極とが外殻の空間で一体化され、
両者の間隔を短くすれば、微小な電圧（数Ｖ程度）によ
っても作動し、屈曲の速度及び発生ずる歪みの量等を容
易に制御することができる。

このような特性を有する本第１発明のアクチュエータは
、スイッチ素子、開閉弁、ロボント触指等に応用するこ
とができる。

〔第２発明の説明〕 以下、本第１発明をより具体的にした発明（本第２発明
とする）を説明する。

本第２発明のメカノケミカルアクチュエータは、イオン
性高分子ケルと、電解質溶液と、表面を非イオン性高分
子ゲルにより被覆されてなる正電極及び負電極とが弾性
材料よりなる外殻の内部空間に配置されてなるものであ
る。

」１記イオン性高分子ゲルは、電場の印加、解除により
屈曲・復元運動を行うものであり、電場に応答させるた
めにイオン性のものとする。該イオン性高分子ゲルとし
ては、以下のようなものを用いるのが望ましい。すなわ
ち、ポリビニルアルコールとポリアクリル酸をン容解さ
せた水・ジメチルスルボキシド混合溶液を２回ないし数
回繰り返し凍結解凍し、さらにその生成物を水酸化すｌ
・リウム水溶液に浸漬することにより得られるイオン性
高分子ゲルである。この高分子ゲルは機械的強度に優れ
、衝撃等の外力では容易に破壊しない。この場合、上記
混合溶媒の有機溶媒としてはジメチルスルホキシド以外
のものを用いることもできるが、ポリビニルアルコール
と相溶性のあるジメチルスルホキシドが最もよい。上記
混合溶媒の場合、ジメチルスルホキシドの体積分率が２
５〜４０％の混合溶媒を用いることが良く、体積分率２
０％以下、または４０％以上の場合、イオン性高分子ゲ
ルは得られるものの電気的刺激により応答して生ずる屈
曲の歪みは小さい。凍結解凍の条件として前記混合溶液
を６０°Ｃ以上に加熱した後−４０°Ｃ以下の温度で急
に凍結し、さらに１時間当たり１０°Ｃ以下の昇温速度
でゆっくりと解凍するのが好ましい。この条件以外で得
られた生成物は、次の水酸化すトリウム水溶液に浸漬す
る工程で著しく膨潤して最終のイオン性高分子ゲルの機
械的強度は低下する。なお、製造工程のうち、水酸化す
トリウム水溶液の浸漬を省くと、高分子ゲルはほとんど
屈曲しない。

本第２発明における電解質溶液は、水酸化リチウム、炭
酸すトリウム、炭酸水素カリウム等の塩基性塩の水溶液
が良い。塩化すトリウム、臭化カリウム等の中性塩を用
いることもてきるが、メカノケミカルアクチュエータを
長時間連続して作動させるとその性能が徐々に低下する
。

塩酸、リン酸、塩化マグネシウム、硫酸第二鉄等の酸性
塩や２価、３価の陽イオンをもつ塩は前記イオン性高分
子ゲルのメカノケミカル特性を失わせる。

正電極と負電極は、表面を非イオン性高分子ゲルで被覆
されたものとする。これは、電極の素材である金属と外
殻とが直接接触するのを防ぎ、外殻を保護するためであ
る。

該非イオン性高分子ケルとしては特に制限はないが、例
えば４％ポリビニルアルコール水溶液を繰り返し凍結解
凍して得られる高分子ゲルが望ましい。正電極及び負電
極の素材としては、白金線、金薄膜、カーボン繊維等の
柔軟性を有するものが良い。上記非イオン性高分子ゲル
を被覆する方法としては、非イオン性高分子ゲルの薄膜
を作成した後それを接着剤を用いて電極に被覆するのが
望ましい。

また、被覆する非イオン性高分子ゲルの厚さとしては、
０．１　ｍｍ〜１　ｍｍの範囲が適当である。この正電
極と負電極とは１対でもよく更にそれ以上の数州いても
良い。また、正電極と前記イオン性高分子ゲルとが直接
接触するのを防止する手段を具備しておくのが望ましい
。これは、正電極とイオン性高分子ゲルとが接触すると
、両者が反応してイオン性高分子ゲルが有するメカノケ
ミカル特性が減少して電気的刺激に対して応答しにくく
なるためである。従って、アクチュエータが屈曲した状
態から復元させるために、正・負の電極を逆にする場合
、以前負電極であったものが正電極となるが、復元する
状態では、イオン性高分子ゲルが電解質溶液を排出して
いるため該電極とイオン性高分子ゲルとの相互作用は小
さく両者が接触していても問題はない。しかし、更にア
クチュエータを反転させる場合には、両者の相互作用が
大きくなるため、この場合には、該電極は、イオン性高
分子ケルと接触しない位置に配置するのが良い。

この接触防止手段としては、正電極とイオン性高分子ゲ
ルとの間にスペーサを設置しておく等により具備できる
。

上記イオン性高分子ゲル等を内部に配置する外殻は、内
部の物質を外力から保護する働きをするものであり、素
材を弾性材料とする。該弾性材料は、高分子が望ましく
、例えば、アクリルフィルム、ニトリル・ブタジェンゴ
ム等が挙げられる。

外殻の内部の空間では、正電極と負電極との間にイオン
性高分子ゲルがはさまれた形の積層状で配置するのが良
い。

また、イオン性高分子ゲルは、その屈曲・復元運動によ
り外殻を変形させて、アクチュエータ全体を屈曲・復元
させるものである。そのため、イオン性高分子ゲルの配
置は、上記正電極と負電極との間であって、かつ両電極
間への直流電圧印加の制御に伴うイオン性高分子ケルの
変形により生ずる変形力が」１記外殻に作用する位置と
する。この例としては、第５図に示すように、正・負の
電極３．４間であって、イオン性高分子ゲル２の両端が
外殻１の空間内面に固定されている配置がある。この場
合、イオン性高分子ゲル２が変形することにより、イオ
ン性高分子ゲル２が変形することにより、イオン性高分
子ゲル２を固定している外殻の部分が変形力を受けて外
殻全体が変形する。

また、第６図に示すように、イオン性高分子ゲル２の一
端が外殻１に固定されている配置があり、この場合には
、ゲル２の他端が変形することにより可撓性の電極３（
あるいは４）に当接する。これによって電極を介して外
殻全体が変形される。

また、第７図に示すように、イオン性高分子ケル２ば、
何ら固定されていないが電極３．４とゲル２との間隔が
ゲルの変形に対して充分狭い配置にしてあり、この場合
には、ゲル２の端部が変形に伴い移動することにより電
極３（あるいは４）に当接し、外殻全体を変形させる。

また、第８図に示すように、イオン性高分子ゲル２の一
方の側のみが電極に固定されている配置があり、この場
合、ゲル２が例えば、「り」の字に変形すると、固定し
た側の電極（図では４）の上端及び下端が変形に伴う作
用を受けて、その電極側の外殻面が変形すると共に、そ
れに伴って図の上下の外殻部分を介して作用する変形力
により反対側の外殻面も変形して、外殻全体が変形する
。以上の例では、電極は、可撓性である必要がある。な
お、電極が可撓性を有する必要のない例として、第９図
に示すように、正・負両電極３．４の長さが短く、その
間のイオン性高分子ゲル２は長く、その一端が外殻１に
固定されている配置がある。この場合、電極が対向する
部分のゲル２の変形により他端にまで変形が及び、この
他端が外殻１に当接して、外殻１全体が変形する。ゲル
２は、電極に影響されずに、外殻に変形力を与えること
ができるので、電極ば可撓性でなくてもよい。また、第
１０図に示すように、２組の電極が外殻空間の上部と下
部にそれぞれ配置され、１個のイオン性高分子ゲル２が
２組の電極３．４の間であって、かつその両端が外殻１
に固定されてなる配置である。この場合、２組の電極３
．４とを同じような極性の印加をすると、ゲル２は上端
と下端とが同じ方向に変形するため３字に変形し、また
、反対の極性の印加をすると、ゲル２は「＜」の字に変
形し、それぞれ外殻全体を変形させる。ゲル２ば、電極
３．４に影響されずに外殻を変形させることができるた
め、電極３．４は可撓性でなくてもよい。

本第２発明のアクチュエータは、電場の印加・解除、あ
るいは印加電場の正・負の逆転により屈曲・復元運動を
行うものであり、印加する電圧としては直流電圧とする
。そのため、正電極と負電極とに接続される電源手段は
直流電源とする。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本実施例のアクチュエータの断面図を、第２
図は、その一部切欠斜視図を示す。

長方体の外殻１は、高分子弾性材料、例えば、アクリル
フィルム、ニトリル・ブタジェンゴム等よりなり、内部
に空間を有する。該空間内には、直流電圧の印加によっ
て屈曲する板状のイオン性高分子ゲル２と、上記イオン
性高分子ゲル２に電気エネルギを与えるための板状の正
電極３及び負電極４とが該イオン性高分子ゲル２をはさ
むように積層されて配置されてなる。負電極４は可撓性
で、イオン性高分子ゲル２の変形に伴って変形するよ・
うになっている。正電極３はプラスチックスペーサ５を
介してイオン性高分子ゲル２に接触しないように位置さ
れてなる。なお、負電極４は、イオン性高分子ゲル２に
接触しても問題はなく、負電極４とイオン性高分子ゲル
２の接触界面を接着剤で接合してもよい。正電極３及び
負電極４は、その表面を非イオン性高分子ゲル７により
被覆されてなる。また、残りの空間には電解質溶液６が
満たされている。

また、イオン性高分子ゲル２ば、外殻１の空間と長さが
同しであるため外殻１に拘束されている。

そのため、高分子ゲル２が変形すると外殻１も変形する
。

上記正電極３と負電極４とは、その先端部が外殻１より
突出しており、それぞれ電源８に接続されてなる。この
電源８より前記イオン性高分子ゲル２に直流電圧が印加
制御される。電圧の印加制御によりイオン性高分子ゲル
２の内部と電解質溶液中とのイオンが正及び負電極に向
かって移動するに伴い、イオン性高分子ゲルがその正電
極側の面において負電極側の面より多くの電解質溶液を
吸収してより膨潤する。その結果として、イオン性高分
子ゲル２の正電極３近傍の内部に引張応力が生じて、イ
オン性高分子ゲル２が屈曲して、アクチュエータ全体が
屈曲する。また、電圧の印加の解除、あるいは正・負電
極の逆転によりイオン性高分子ゲル２が電解質溶液を排
出し、その結果として内部の引張応力を減少するために
形状を復元して、アクチュエータ全体も復元する。なお
、正・負電極の逆転を行う場合、正・負側電極はイオン
性高分子ゲル２に接触しないように位置するのがよい。

本実施例のアクチュエータは、電解質溶液によりイオン
性高分子ゲルにおける残留応力の発生を抑制して、イオ
ン性高分子ゲルの屈曲・復元運動を滑らかに行う。更に
、イオン性高分子ゲル等が一体化しているので、大気中
でも使用することができる。

また、他の実施例として、第３図及び第４図に示すもの
がある。第３図は該実施例のアクチュエータの断面図、
第４図はその一部切欠斜視図である。この実施例のアク
チュエータは、正電極３がイオン性高分子ゲル２の長さ
よりも長く、しかもひだ状に配置され、しかもイオン性
高分子ゲル２よりも長さの短い負電極４を使用した以外
は前記実施例のものと同様のものである。この実施例で
は、正電極３がひだ状に配置されているので拡がる（延
びる）ことが可能であるため、またイオン性高分子ゲル
２より長ざが長いのでイオン性高分子ゲル２の正電極側
の面全体に引張応力を発生させることができるのでアク
チュエータをより速く、しかもより大きく屈曲させるこ
とができる。

また、負電極４は、短いので、イオン性高分子ゲル２の
変形が直接外殻１を変形させることができるので、負電
極４は可撓性である必要はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例におけるメカノケミカルアク
チュエータの断面図、第２図は、そのメカノケミカルア
クチュエータの一部切欠斜視図、第３図は、他の実施例
におけるメカノケミカルアクチュエータの断面図、第４
図は、そのメカノケミカルアクチュエータの一部切欠斜
視図、第５図ないし第１０図は、本発明のメカノケミカ
ルアクチュエータにおけるイオン性高分子ゲルの配置の
具体例を示す断面図である。 １・・・ ３・・・ ５・・・ ６・・・ ８・・・ 外殻、　　　２・・・イオン性高分子ゲル、正電極、　
　４・・・負電極、 プラスチックスペーサ、 電解質溶液、７・・・非イオン性高分子ゲル電源 第７図 第３図 第２＠ 第４図 第５図 第７図 第６図 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性材料よりなり、内部に空間のある外殻と、該
   外殼内に形成された空間内に挿入された電解質溶液と、
   前記空間内に配置され、表面を非イオン性高分子ゲルに
   より被覆されてなる正電極及び負電極と、該正電極と負
   電極とに接続されてなり、該正電極と負電極との間への
   直流電圧印加の制御を行う電源手段と、該正電極と負電
   極との間であって、上記直流電圧印加の制御に伴うその
   変形により生ずる変形力が上記外殻に作用する位置に配
   置されてなるイオン性高分子ゲルとよりなることを特徴
   とするメカノケミカルアクチュエータ。
2. （２）請求項（１）記載のメカノケミカルアクチュエー
   タにおいて、上記正電極を、イオン性高分子ゲルと直接
   接触するのを防止する手段を具備してなることを特徴と
   するメカノケミカルアクチュエータ。