高分子アクチュエータ
【課題】 積層体を強固に固定しても変位量および駆動力の低下を抑えることが可能な高分子アクチュエータを提供すること。
【解決手段】 積層体１Ａが固定部材３０を重ねて基台５０との間にネジ止めすることにより、強固に固定されている。リング状の固定部材３０に形成された押え部３１が、積層体１Ａに形成された略三角形状の可撓部２２の支持部側を保持固定することにより、自由端を形成する可撓部２２の第１辺２２ａと第２辺２２ｂに寸法差を生じさせる。積層体１Ａに電界を与えて、可撓部２２に曲げ変形させると、前記の寸法差が可撓部２２の頂点Ａに捩じれを発生させる。各頂点Ａには通常の曲げ応力による駆動力に加えて、捩じれ変形による力の成分が加わるため、可撓部２２の変位量および駆動力の低下を防止することができる。
【解決手段】 積層体１Ａが固定部材３０を重ねて基台５０との間にネジ止めすることにより、強固に固定されている。リング状の固定部材３０に形成された押え部３１が、積層体１Ａに形成された略三角形状の可撓部２２の支持部側を保持固定することにより、自由端を形成する可撓部２２の第１辺２２ａと第２辺２２ｂに寸法差を生じさせる。積層体１Ａに電界を与えて、可撓部２２に曲げ変形させると、前記の寸法差が可撓部２２の頂点Ａに捩じれを発生させる。各頂点Ａには通常の曲げ応力による駆動力に加えて、捩じれ変形による力の成分が加わるため、可撓部２２の変位量および駆動力の低下を防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間に電位差を与えると変形を生じるアクチュエータに係り、特に電界によるイオンの移動に伴い変形を生じる高分子アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、イオン交換樹脂を用いたアクチュエータが記載されている。
同文献の図６に記載のアクチュエータは、輪状からなるアクチュエータ素子の内側に複数の脚部が一体形成されており、リード線を介して脚部に電圧を与えると前記脚部を屈曲させることができるというものである。
【０００３】
また特許文献２には、Ｃ型形状からなる陽イオン交換樹脂を用いたアクチュエータが記載されている。このアクチュエータでは、電極間に電圧を印加すると、負電極が凸状に、正電極が凹状となるように変形することから、アクチュエータ全体を略円錐形状に変形させることができるというものである。
【０００４】
特許文献１に記載されたアクチュエータでは一度に複数の脚部を用いることにより、特許文献２に記載されたアクチュエータでは内周側に駆動力を集中することにより、ともに大きな駆動力を得ることが可能とされている。
【特許文献１】特開平２００４−２８２９９２号公報
【特許文献２】特開平２００５−２７４４４号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載のものでは、脚部と輪状部分とが一体に形成されており、脚部が屈曲すると、支持部を形成する輪状のアクチュエータ素子の内周側が脚部とともに軸中心線と平行を成す上下方向に変形しやすい形状である。しかも、特許文献１にも記載されているように、複数の脚部の変位量に差が生じた場合には、アクチュエータ素子自体がウェーブ状に変形してしまう。
【０００６】
このため、このようなアクチュエータを安定的に駆動するためには、支持部（輪状のアクチュエータ素子）を強固に保持固定することが必要であり、このため固定部材の大型化および複雑化を招き、コストが高騰しやすいという問題がある。
【０００７】
一方、固定部材により支持部を強く保持固定しすぎると、脚部の動きが拘束されやすくなる、このため、アクチュエータの変位量が小さくなり、または大きな駆動力を発生することができなくなるという問題が生じる。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、支持部を強固に固定しても変位量および駆動力の低下を抑えることを可能とした高分子アクチュエータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電解質層の両面に一対の電極層がそれぞれ積層された積層体からなる高分子アクチュエータにおいて、
前記積層体は、支持部と前記支持部と対向する頂点とを有し、前記支持部の一方の端部から前記頂点に向かって延びる第１辺及び前記支持部の他方の端部から前記頂点に向かって延びる第２辺とにより挟まれた領域が可撓部とされており、
前記第１辺の長さ寸法と前記第２辺の長さ寸法との間に寸法差が設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明では、二辺の間の寸法差を形成しておくことにより、可撓部に捩じれを生じさせることができる。捩じれは、可撓部の自由端側ほど大きいため、本来の曲げ変形による駆動力に加えて、捩じれによる駆動力を発生させることができる。その結果、大きな駆動力および変形量を発生させることができる。
【００１１】
例えば、前記第１辺と前記第２辺が直線で形成されているものである。あるいは前記第１辺と前記第２辺とが曲率半径の異なる曲線で形成されているものである。前者の場合には、可撓部の全長を短く形成することができるため、駆動力の大きなアクチュエータとすることができる。また後者の場合には、可撓部の全長を長くできるため、変形量の大きなアクチュエータとすることができる。
【００１２】
また複数の可撓部が設けられているものとして形成される。
この場合、前記支持部がリング状に形成されており、前記可撓部が前記支持部の内側から前記リングの中心に向かって突出形成されているものである。
【００１３】
上記手段では、複数の可撓部の駆動力を集約した状態で取り出すことができ、より大きな駆動力を発生することが可能なアクチュエータとすることができる。
【００１４】
また周方向に隣接する可撓部どうしが互いに合同をなす形状で形成されるものが好ましい。
【００１５】
上記手段では、個々の可撓部が発生する駆動力を等しくできる。また、隣接する可撓部同士が接触することによる駆動力のロスが生じ難いため、駆動力を効率良く取り出すことができる。
【００１６】
また、前記複数の可撓部の数が二つであり、前記二つの可撓部が、前記支持部を共有し前記二つの可撓部のそれぞれの頂点の距離が離れるように配置され、前記積層体全体が略四角形状に形成されているものが好ましい。
【００１７】
上記手段では、先端に捩じれ変形させることができ、しかも複数の可撓部を備えたアクチュエータを簡単な構成で形成することができる。
【００１８】
上記いずれにおいても、前記頂点を二つ有し、前記可撓部が略台形形状で形成されているものが好ましい。
【００１９】
上記手段では、可撓部に大きな捩れを発生させることができるため、充分に大きな変位量および駆動力を発生するアクチュエータを得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の高分子アクチュエータでは、支持部を強固に保持固定することができるとともに、このように保持固定しても可撓部の充分に大きな変位量および駆動力を発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１はイオン導電型の高分子アクチュエータの基本原理を説明するための断面図であり、（Ａ）は動作前の非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態を示している。
【００２２】
まず、高分子アクチュエータの基本構成について説明する。
図１（Ａ）（Ｂ）に示すイオン導電型の高分子アクチュエータ１は、電解質層２と、この電解質層２の一方の面に設けられた第１の電極層３と、電解質層２の他方の面に設けられた第２の電極層４とが重ねられた積層体１Ａとして構成されている。
【００２３】
電解質層２は、イオン交換が可能な樹脂層であり、陽イオン交換樹脂に電解質である電解液が含浸されたものである。陽イオン交換樹脂は、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やカルボキシル基などの親水性官能基が導入されたものである。電解液は、塩を含有する分極性有機溶媒やイオン液体などである。また、電解質層２が、ポリフッ化ビニリデンなどのベースポリマーにイオン液体が混入されてゲル状とされたものであってもよい。
【００２４】
第１の電極層３および第２の電極層４は、電解質層２と同じ電解質層に導電性フィラーが含まれているものである。すなわち、第１の電極層３と第２の電極層４は、電解液が含浸されたイオン交換樹脂に、さらにカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなどの導電性フィラーが混入されて構成されている。あるいは陽イオン液体を含んだ前記ゲル状の層の内部に導電性フィラーが混入されているものであってもよい。
【００２５】
前記電解質層２となるシート状の樹脂と、導電性フィラーが混入されたシート状の第１の電極層３およびシート状の第２の電極層４とが積層されることで、図１（Ａ）に示す３層構造の積層体１Ａを形成することができる。この積層体１Ａは、電解質層２と第１の電極層３との境界面、および電解質層２と第２の電極層４との境界面は、強い密着性を有して結合されている。
【００２６】
また、第１の電極層３と第２の電極層４を形成する他の方法として、メッキ浴や金属錯体の溶液を使用して、電解質層２を構成する陽イオン交換樹脂の両面に金や銀または銅などの導電性金属を付着させて、第１の電極層３および第２の電極層４を形成してもよい。この場合に、前記導電性金属は、その一部が電解質層２を構成する樹脂内に入り込んだ構造である。
【００２７】
図１（Ｂ）に示すように、第１の電極層３が陽極側となり、第２の電極層４が陰極側となるように、電解質層２に電界が与えられると、電解質層２内の陽イオンおよび極性分子が陰極側である第２の電極層４へ偏移する。第１の電極層３と第２の電極層４とが、電解質層２と同様にイオン交換可能な層の内部に導電性フィラーが混入されたものである場合には、第１の電極層３と第２の電極層４内で解離した陽イオンおよび極性分子も第２の電極層４側に偏移する。
【００２８】
その結果、電解質層２の内部では、第２の電極層４側に偏った位置で体積が膨張しようとする。つまり、第２の電極層４側において膨張応力が発生しこれに基づいて膨張歪みが発生するために、積層体１Ａに曲げ応力が発生して、図１（Ｂ）に示すように積層体１Ａに曲げが発生し、高分子アクチュエータ１として機能する。
【００２９】
以下の説明においては、図１（Ｂ）に示すように、高分子アクチュエータ１を形成する積層体１ＡのＹ２側の一端を固定端１ａとし、Ｙ１側の他端を自由端１ｂとして説明する。
【００３０】
なお、変形量ΔＨとは、固定端１ａを基準として自由端１ｂをＺ方向に曲げ変形させたときに、自由端１ｂの初期状態におけるＺ方向の位置と変形後のＺ方向の位置との差を意味する。変形量は固定端１ａと自由端１ｂとの間の距離に比例する。また駆動力とは、高分子アクチュエータ１の自由端１ｂを持ち上げることができる最大の力、または自由端１ｂに加えた荷重を大きくしたときに変形量ΔＨ＝０を維持することができる最大荷重（耐荷重量）を意味する。
【００３１】
以下には、上記基本構成を備えた高分子アクチュエータについて説明する。
なお、以下に示す高分子アクチュエータは、例えば、キーボード装置や操作パネルなどに設けられるキートップを、必要に応じ突出させる駆動源、あるいは、カメラレンズのフォーカス装置などの駆動源への応用が考案されている。
【００３２】
図２は本発明の第１の実施の形態を示す高分子アクチュエータを示し、（Ａ）は高分子アクチュエータの全体の平面図、（Ｂ）は高分子アクチュエータの一部を構成する可撓部の平面図、図３は可撓部を拡大して示す側面図であり、（Ａ）は駆動前の初期状態、（Ｂ）は高分子アクチュエータの駆動状態を示している。
【００３３】
図２に示すように、本発明の高分子アクチュエータ１０は、リング状に形成された支持部１１と、この支持部１１の内縁部に円の中心方向に向けて突出するとともに周方向に周設された複数の可撓部１２とを有して構成され、このような高分子アクチュエータ１０は上記の基本構成を備えた積層体１Ａにより一体に形成されたものである。
【００３４】
可撓部１２は略三角形状に形成されており、三角形の底辺側が支持部１１の内側に設けられ、且つ個々の三角形の頂点Ａがリング状の支持部１１の中心側に位置するように円周方向に所定の間隔で並べられている。
【００３５】
複数の可撓部１２はすべて同じ形状（合同）である。支持部１１はリング状であるため、リング状の固定部材を用いて固定することができる。すなわち、リング状の支持部１１を、同じくリング状の固定部材と基台５０との間に設置し、上下方向から挟み込んで強固に保持固定することが可能である。
【００３６】
ここで、１つの可撓部１２において、頂点Ａから支持部１１に向かって２方向にそれぞれ延びる２辺と支持部１１との２つの交点の一方を第１交差部１１ａ、他方を第２交差部１１ｂとする。さらに、頂点Ａから第１交差部１１ａに延びる一方の辺を第１辺１２ａ、頂点Ａから第２交差部１１ｂに延びる他方の辺を第２辺１２ｂとする。なお、頂点Ａが自由端１ｂに相当し、第１交差部１１ａおよび第２交差部１１ｂが固定端１ａに相当している。
【００３７】
この可撓部１２は、第１辺１２ａおよび第２辺１２ｂがともに円弧形状で形成されている。第１辺１２ａの長さ寸法（頂点Ａから第１交差部１１ａまでの距離）Ｌ１と第２辺１２ｂの長さ寸法（頂点Ａから第２交差部１１ｂまでの距離）Ｌ２とを比較すると、長さ寸法Ｌ１は長さ寸法Ｌ２よりも短い寸法で形成されている（Ｌ１＜Ｌ２）。
【００３８】
このように、略三角形状から形成される可撓部１２の第１辺１２ａと第２辺１２ｂとは異なる寸法で形成されている。このため、積層体に電界が与えられて可撓部１２に曲げ変形が発生すると、第１辺１２ａと第２辺１２ｂとの長さ寸法差に起因するねじりモーメントが発生する。すなわち、自由端である頂点ＡがＺ１方向に曲げ変形すると同時に、長い方の長さ寸法Ｌ２からなる第２辺１２ｂが短い方の長さ寸法Ｌ１１よりも大きくＺ１方向に曲げ変形しようとするため、可撓部１２に捩じれが発生する（図２（Ｂ）の矢印参照）。この捩じれは、自由端の先端である頂点Ａほど大きい。
【００３９】
このため、可撓部１２の頂点Ａには通常の曲げ応力による駆動力に、捩じれ変形による力の成分が加わる。その結果、この高分子アクチュエータには、従来の片持ち支持だけの可撓部よりも大きな駆動力を発生させることが可能である。
【００４０】
しかも捩じれが発生する分だけ、頂点Ａの変形量ΔＨも増大させることが可能となる（図３（Ａ）（Ｂ）参照）。
【００４１】
このように、本願発明の高分子アクチュエータ１０では、支持部１１を強固に保持固定しても可撓部１２に発生する駆動力の低下を防止することができるとともに、変位量ΔＨを増大させることが可能である。
【００４２】
図４は本発明の第２の実施の形態を示す高分子アクチュエータの分解斜視図、図５（Ａ）は図４に示す高分子アクチュエータの平面図、（Ｂ）は（Ａ）の断面図、図６は図５の（Ａ）を部分的に拡大して示す平面図である。
【００４３】
第２の実施の形態に示す高分子アクチュエータ２０も、上記基本構成を備えた積層体１Ａにより一体的に形成されている。
【００４４】
第２の実施の形態に示すアクチュエータ２０は、可撓部２２を三角形状に形成した点が上記第１の実施の形態の高分子アクチュエータ１０と異なる点であり、以下に説明する。
【００４５】
図４に示すように、積層体１Ａの全体は円形状に形成されており、その外縁側にリング状からなる支持部２１が設けられている。そして、積層体１Ａの中心を頂点Ａとし、外縁側の支持部１１を底辺とする三角形状の可撓部２２が複数設けられている。これら複数の可撓部２２は、支持部２１の内側に周方向に一定の中心角α（図４ないし図６では、α＝４５度）で配置されている。すなわち、各可撓部２２は底辺側が支持部２１を介して周方向に連結された状態で一体に形成されているが、頂点Ａ同士はそれぞれ分離している。したがって、個々の可撓部２２は外縁側の支持部２１が固定端を形成し、中心側の頂点Ａは自由端を形成している。
【００４６】
なお、周方向に隣接する可撓部２２同士の間には三角状の隙間からなる開口スペース２３が形成されており、一方の可撓部２２の第１辺２２ａとこれと隣接する他方の可撓部２２の第２辺２２ｂとが開口スペース２３を介して周方向に対向している。
【００４７】
この実施の形態では、一つの可撓部２２を形成する第１辺２２ａと第２辺２２ｂとは同じ長さ寸法Ｌであり、可撓部２２は二等辺三角形で形成されている。
【００４８】
前記積層体１Ａの両面に形成された第１の電極層３と第２の電極層４との間に電界を与えると、複数の可撓部２２はすべて同じ方向に同時に曲げ変形させられる。
【００４９】
図５（Ｂ）に示すように、高分子アクチュエータ２０は、例えば符号３０に示すような固定部材と、基台５０との間に支持部２１が挟まれた状態で保持固定される。
【００５０】
固定部材３０はリング形状で形成されており、固定部材３０の内縁部には中心方向に突出する複数の押え部３１が周方向に一定の中心角αで形成されている。各押え部３１は、半径方向に対して垂直をなす垂直押え部３１ａと、半径方向に対して平行をなす平行押え部３１ｂと、積層体１Ａに形成された開口スペース２３を避けるようにその外側に形成された回避部３４とを有し、これらの形状がこの順番で周方向に繰り返されることにより形成されている。
【００５１】
積層体１Ａの縁部には複数のネジ穴３３が一定の間隔で穿設されている。図５（Ａ）に示すように、固定部材３０は、積層体１Ａの上にＸＹ方向および周方向に位置合わされ、図示しないネジが固定部材３０のネジ穴３３に挿入されて基台５０上に螺着される。これにより、積層体１Ａが基台５０と固定部材３０との間に強固に保持固定されている。
【００５２】
固定部材３０の押え部３１は、積層体１Ａの可撓部２２の固定端側である支持部２１のみを基台５０との間で上下方向から拘束する。したがって、可撓部２２の頂点Ａ側は拘束力を受けない自由状態にある。
【００５３】
ここで、図６に示すように、可撓部２２の頂点Ａから支持部２１に向かって２方向に延びる一方の第１辺２２ａと支持部２１とが交差する点を第１交差部２１ａとし、同じく頂点Ａから支持部２１に向かって延びる他方の第２辺２２ｂと支持部２１とが交差する点を第２交差部２１ｂとする。
【００５４】
押え部３１の垂直押え部３１ａと平行押え部３１ｂとは、可撓部２２の第１辺２２ａ上の位置２１ｃにて交差しており、可撓部２２の固定部側を基台５０との間で保持固定している。頂点Ａと位置２１ｃとの長さ寸法をＬ３とする。押え部３１が可撓部２２に重なる保持状態では、第２辺２２ｂの長さ寸法Ｌはそのままである。しかし、第１辺２２ａの実質的な長さ寸法、すなわち第１辺２２ａが自由端として機能する長さ寸法は、押え部３１が可撓部２２に重なる部分の長さ寸法（Ｌ−Ｌ３）を除いたＬ３である。
【００５５】
このように、押え部３１は、支持部２１から略三角形状に突出する可撓部２２を形成する第１辺２２ａと第２辺２２ｂとの間に寸法差Ｌ−Ｌ３を形成する。
【００５６】
よって、上記第１の実施の形態と同様に、可撓部２２が曲げ変形する際に、可撓部２２の頂点Ａ側に前記寸法差Ｌ−Ｌ３に応じた捩じれを発生させることができる。よって、積層体１Ａを基台５０と固定部材３０との間に強固に固定した場合であっても、各頂点Ａには通常の曲げ応力による駆動力に、捩じれ変形による力の成分が加わるため、可撓部２２の変位量および駆動力を容易に増大させることが可能である。
【００５７】
なお、本実施の形態においては、積層体１Ａは一様な構造であるものとしたが、固定部材３０により拘束される部分においては第１の電極層３または第２の電極層４のうちいずれかが形成されてない部分があってもかまわない。この場合、積層体１のうち電圧がかかっているにもかかわらず拘束されて動けない部分の面積が小さくなり、電流を有効に活用できる。また、積層体１Ａは周方向にいくつかに分割されていても同様の動作が可能であり、可撓部２２ごとに分割されて可撓部２２の集合体として形成されていてもかまわない。
【００５８】
また、高分子アクチュエータは以下に示すような形状であってもよい。
図７Ａは第２の実施の形態の変形例を示す高分子アクチュエータの平面図、図７Ｂは図７Ａの積層体を示す平面図、図７Ｃは図７Ａの固定部材を示す平面図である。なお、図７Ａ，図７Ｃではハッチングを付した部分が固定部材を示している。
【００５９】
図７Ａないし図７Ｃに示す高分子アクチュエータは、リング形状からなり、内縁側に複数の押え部３１が設けられた固定部材３０と、同じくリング形状からなる支持部２１の内側に複数の可撓部２２が形成された積層体１Ａとが設けられ、積層体１Ａの外縁である支持部２１が固定部材３０で固定される点、各可撓部２２の先端は互いに分離され自由端として機能しており、与えられた電界に応じて各可撓部２２の先端が曲げ変形する点、および固定部材３０の押え部３１によって可撓部２２を形成する第１辺と第２辺との間に実質的な寸法差を設けるようにしている点、において上記第２の実施の形態と同様である。
【００６０】
ただし、第３の実施の形態では、可撓部２２をスパイラル状に形成した点で上記第２の実施の形態と相違している。このような構成でも、固定部材３０を用いて基台上に積層体１Ａを強固に固定した場合に、上記同様の捩じれ変形を発生させることができ、可撓部２２の変位量および駆動力を増大させることができる。
【００６１】
なお、図７Ａ、図７Ｂに示すように、隣接する可撓部２２どうしの間に第１の実施の形態同様に隙間からなる開口スペース２３を形成しておくと、変形する際に隣接する可撓部２２どうしの接触が防止され、変位量および駆動力のロスを避けることが可能となる点で好ましい。
【００６２】
図８は本発明の第３の実施の形態を示す斜視図である。
第２の実施の形態に示す高分子アクチュエータ４０も、上記基本構成を備えた積層体１Ａにより一体的に形成されている。この高分子アクチュエータ４０は、外観が長方形状からなる積層体１Ａで形成されている。
【００６３】
積層体１Ａは、一つの対角線が固定部材の押え部３１と基台（図示せず）との間に強固に挟まれた状態で保持固定されており、この部分が固定端を形成している。そして、対角線を共通の底辺としてその両側に２つの三角形が設けられており、これらが可撓部４２，４２を形成している。なお、可撓部４２，４２の先端が自由端である。いいかえると、二つの可撓部４２、４２は押え部３１を共有し、自由端（頂点）Ａ、Ａが互いに距離が離れるよう背中合わせに配置されている。
【００６４】
一方の可撓部４２と他方の可撓部４２とは対角線に対して線対称に設けられている。第１辺４２ａおよび第２辺４２ｂは、一方の可撓部４２と他方の可撓部４２との間でそれぞれ同じ長さ寸法で形成され、全体として長方形状とされている。
【００６５】
このため、図８に点線で示すように、積層体１Ａの両面に所定の電界を与えると、２つの可撓部４２，４２を同じ方向に同期して曲げ変形させることができる。このとき、２つの可撓部４２，４２に発生する変形量および駆動力は同等である。
【００６６】
しかも、第１辺４２ａの長さ寸法と第２辺４２ｂの長さ寸法との間には、積層体１Ａの形状である長方形に応じた寸法差が形成されている。このため、上記第１および第２の実施の形態同様に、可撓部４２，４２が曲げ変形する際に可撓部４２，４２の寸法差に応じた捩じれを発生させることができる。よって、固定端である対角線を押え部３１と基台（図示せず）とで強固に保持固定したとしても、可撓部４２，４２の変位量および駆動力を容易に増大させることが可能である。
【００６７】
なお、第１辺４２ａと第２辺４２ｂの長さを変え、全体として平行四辺形状としても同様の効果を奏することができる。また、第１辺４２ａと第２辺４２ｂが異なる曲率半径を持つ曲線となり、全体として４本の曲線からなる４辺形としてもよい。
【００６８】
以上のように本願発明の高分子アクチュエータでは、簡単な構成で、支持部を強固に保持固定することができるとともに可撓部の充分に大きな変位量および駆動力を発生することができる。
【００６９】
さらに上述した積層体１Ａの形状は、以下に示すような台形形状としたものであってもよい。
【００７０】
図９は可撓部の他の形状として積層体の一部を示す平面図である。
図９に示す積層体１Ａは、仮想の頂点Ａから２方向に延びる互いに長さ寸法の異なる第１辺２２ａ，第２辺２２ｂと、上底部２２ｃおよび下底部２２ｄとからなる。ここで、互いに長さが異なる第１辺２２ａおよび第２辺２２ｂと、上底部２２ｃとがそれぞれ交わる交点２つを頂点Ａ１，Ａ２とする。下底部２２ｄは、リング形状の支持部２１の一部で形成されており、全体として略台形形状である。そして、支持部２１から中心方向に突出する略台形形状の部分が可撓部２２に相当している。可撓部２２のうち下底部２２ｄを含む支持部２１側の一部は、上記同様に固定部材３０に設けられた押え部３１により上下方向から挟み込まれて強固に保持固定されている。
【００７１】
この実施の形態においては、上底部２２ｃの両端に位置する第１辺２２ａの長さ寸法Ｌａと第２辺２２ｂの長さ寸法Ｌｂとの間に寸法差（Ｌｂ−Ｌａ）が設けられる。これにより、積層体１Ａに電界を与えて動作させたときに、中心側となる可撓部２２の上底部２２ｃに寸法差（Ｌｂ−Ｌａ）に起因する捩じれを発生させることができる。
【００７２】
このように可撓部２２を略台形形状に形成すると、可撓部２２の先端である上底部２２ｃに、通常の曲げ変形による駆動力に加えて捩じれ変形による力の成分が加わるようになり、より大きな駆動力を発生させることが可能となる。よって、支持部２１を強固に固定しても可撓部２２における変位量および駆動力の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】イオン導電型の高分子アクチュエータの基本原理を説明するための断面図であり、（Ａ）は動作前の非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態、
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す高分子アクチュエータを示し、（Ａ）は高分子アクチュエータの全体の平面図、（Ｂ）は高分子アクチュエータの一部を構成する可撓部の平面図、
【図３】可撓部を拡大して示す側面図であり、（Ａ）は駆動前の初期状態、（Ｂ）は高分子アクチュエータの駆動状態、
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す高分子アクチュエータの分解斜視図、
【図５】（Ａ）は図４に示す高分子アクチュエータの平面図、（Ｂ）は（Ａ）の断面図、
【図６】図５の（Ａ）を部分的に拡大して示す平面図、
【図７Ａ】第２の実施の形態の変形例を示す高分子アクチュエータの平面図、
【図７Ｂ】図７Ａの積層体を示す平面図、
【図７Ｃ】図７Ａの固定部材を示す平面図、
【図８】本発明の第３の実施の形態を示す斜視図、
【図９】可撓部の他の形状として積層体の一部を示す平面図、
【符号の説明】
【００７４】
１ 高分子アクチュエータ
２ 電解質層
３ 第１の電極層
４ 第２の電極層
１Ａ 積層体
１０，２０，４０ 高分子アクチュエータ
１１，２１ 支持部
１１ａ，２１ａ 第１交差部
１１ｂ，２１ｂ 第２交差部
１２，２２ 可撓部
１２ａ，２２ａ，４２ａ 第１辺
１２ｂ，２２ｂ，４２ｂ 第２辺
３０ 固定部材
３１ 押え部
３１ａ 垂直押え部
３１ｂ 平行押え部
Ａ 頂点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間に電位差を与えると変形を生じるアクチュエータに係り、特に電界によるイオンの移動に伴い変形を生じる高分子アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、イオン交換樹脂を用いたアクチュエータが記載されている。
同文献の図６に記載のアクチュエータは、輪状からなるアクチュエータ素子の内側に複数の脚部が一体形成されており、リード線を介して脚部に電圧を与えると前記脚部を屈曲させることができるというものである。
【０００３】
また特許文献２には、Ｃ型形状からなる陽イオン交換樹脂を用いたアクチュエータが記載されている。このアクチュエータでは、電極間に電圧を印加すると、負電極が凸状に、正電極が凹状となるように変形することから、アクチュエータ全体を略円錐形状に変形させることができるというものである。
【０００４】
特許文献１に記載されたアクチュエータでは一度に複数の脚部を用いることにより、特許文献２に記載されたアクチュエータでは内周側に駆動力を集中することにより、ともに大きな駆動力を得ることが可能とされている。
【特許文献１】特開平２００４−２８２９９２号公報
【特許文献２】特開平２００５−２７４４４号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載のものでは、脚部と輪状部分とが一体に形成されており、脚部が屈曲すると、支持部を形成する輪状のアクチュエータ素子の内周側が脚部とともに軸中心線と平行を成す上下方向に変形しやすい形状である。しかも、特許文献１にも記載されているように、複数の脚部の変位量に差が生じた場合には、アクチュエータ素子自体がウェーブ状に変形してしまう。
【０００６】
このため、このようなアクチュエータを安定的に駆動するためには、支持部（輪状のアクチュエータ素子）を強固に保持固定することが必要であり、このため固定部材の大型化および複雑化を招き、コストが高騰しやすいという問題がある。
【０００７】
一方、固定部材により支持部を強く保持固定しすぎると、脚部の動きが拘束されやすくなる、このため、アクチュエータの変位量が小さくなり、または大きな駆動力を発生することができなくなるという問題が生じる。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、支持部を強固に固定しても変位量および駆動力の低下を抑えることを可能とした高分子アクチュエータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、電解質層の両面に一対の電極層がそれぞれ積層された積層体からなる高分子アクチュエータにおいて、
前記積層体は、支持部と前記支持部と対向する頂点とを有し、前記支持部の一方の端部から前記頂点に向かって延びる第１辺及び前記支持部の他方の端部から前記頂点に向かって延びる第２辺とにより挟まれた領域が可撓部とされており、
前記第１辺の長さ寸法と前記第２辺の長さ寸法との間に寸法差が設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明では、二辺の間の寸法差を形成しておくことにより、可撓部に捩じれを生じさせることができる。捩じれは、可撓部の自由端側ほど大きいため、本来の曲げ変形による駆動力に加えて、捩じれによる駆動力を発生させることができる。その結果、大きな駆動力および変形量を発生させることができる。
【００１１】
例えば、前記第１辺と前記第２辺が直線で形成されているものである。あるいは前記第１辺と前記第２辺とが曲率半径の異なる曲線で形成されているものである。前者の場合には、可撓部の全長を短く形成することができるため、駆動力の大きなアクチュエータとすることができる。また後者の場合には、可撓部の全長を長くできるため、変形量の大きなアクチュエータとすることができる。
【００１２】
また複数の可撓部が設けられているものとして形成される。
この場合、前記支持部がリング状に形成されており、前記可撓部が前記支持部の内側から前記リングの中心に向かって突出形成されているものである。
【００１３】
上記手段では、複数の可撓部の駆動力を集約した状態で取り出すことができ、より大きな駆動力を発生することが可能なアクチュエータとすることができる。
【００１４】
また周方向に隣接する可撓部どうしが互いに合同をなす形状で形成されるものが好ましい。
【００１５】
上記手段では、個々の可撓部が発生する駆動力を等しくできる。また、隣接する可撓部同士が接触することによる駆動力のロスが生じ難いため、駆動力を効率良く取り出すことができる。
【００１６】
また、前記複数の可撓部の数が二つであり、前記二つの可撓部が、前記支持部を共有し前記二つの可撓部のそれぞれの頂点の距離が離れるように配置され、前記積層体全体が略四角形状に形成されているものが好ましい。
【００１７】
上記手段では、先端に捩じれ変形させることができ、しかも複数の可撓部を備えたアクチュエータを簡単な構成で形成することができる。
【００１８】
上記いずれにおいても、前記頂点を二つ有し、前記可撓部が略台形形状で形成されているものが好ましい。
【００１９】
上記手段では、可撓部に大きな捩れを発生させることができるため、充分に大きな変位量および駆動力を発生するアクチュエータを得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の高分子アクチュエータでは、支持部を強固に保持固定することができるとともに、このように保持固定しても可撓部の充分に大きな変位量および駆動力を発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１はイオン導電型の高分子アクチュエータの基本原理を説明するための断面図であり、（Ａ）は動作前の非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態を示している。
【００２２】
まず、高分子アクチュエータの基本構成について説明する。
図１（Ａ）（Ｂ）に示すイオン導電型の高分子アクチュエータ１は、電解質層２と、この電解質層２の一方の面に設けられた第１の電極層３と、電解質層２の他方の面に設けられた第２の電極層４とが重ねられた積層体１Ａとして構成されている。
【００２３】
電解質層２は、イオン交換が可能な樹脂層であり、陽イオン交換樹脂に電解質である電解液が含浸されたものである。陽イオン交換樹脂は、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やカルボキシル基などの親水性官能基が導入されたものである。電解液は、塩を含有する分極性有機溶媒やイオン液体などである。また、電解質層２が、ポリフッ化ビニリデンなどのベースポリマーにイオン液体が混入されてゲル状とされたものであってもよい。
【００２４】
第１の電極層３および第２の電極層４は、電解質層２と同じ電解質層に導電性フィラーが含まれているものである。すなわち、第１の電極層３と第２の電極層４は、電解液が含浸されたイオン交換樹脂に、さらにカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなどの導電性フィラーが混入されて構成されている。あるいは陽イオン液体を含んだ前記ゲル状の層の内部に導電性フィラーが混入されているものであってもよい。
【００２５】
前記電解質層２となるシート状の樹脂と、導電性フィラーが混入されたシート状の第１の電極層３およびシート状の第２の電極層４とが積層されることで、図１（Ａ）に示す３層構造の積層体１Ａを形成することができる。この積層体１Ａは、電解質層２と第１の電極層３との境界面、および電解質層２と第２の電極層４との境界面は、強い密着性を有して結合されている。
【００２６】
また、第１の電極層３と第２の電極層４を形成する他の方法として、メッキ浴や金属錯体の溶液を使用して、電解質層２を構成する陽イオン交換樹脂の両面に金や銀または銅などの導電性金属を付着させて、第１の電極層３および第２の電極層４を形成してもよい。この場合に、前記導電性金属は、その一部が電解質層２を構成する樹脂内に入り込んだ構造である。
【００２７】
図１（Ｂ）に示すように、第１の電極層３が陽極側となり、第２の電極層４が陰極側となるように、電解質層２に電界が与えられると、電解質層２内の陽イオンおよび極性分子が陰極側である第２の電極層４へ偏移する。第１の電極層３と第２の電極層４とが、電解質層２と同様にイオン交換可能な層の内部に導電性フィラーが混入されたものである場合には、第１の電極層３と第２の電極層４内で解離した陽イオンおよび極性分子も第２の電極層４側に偏移する。
【００２８】
その結果、電解質層２の内部では、第２の電極層４側に偏った位置で体積が膨張しようとする。つまり、第２の電極層４側において膨張応力が発生しこれに基づいて膨張歪みが発生するために、積層体１Ａに曲げ応力が発生して、図１（Ｂ）に示すように積層体１Ａに曲げが発生し、高分子アクチュエータ１として機能する。
【００２９】
以下の説明においては、図１（Ｂ）に示すように、高分子アクチュエータ１を形成する積層体１ＡのＹ２側の一端を固定端１ａとし、Ｙ１側の他端を自由端１ｂとして説明する。
【００３０】
なお、変形量ΔＨとは、固定端１ａを基準として自由端１ｂをＺ方向に曲げ変形させたときに、自由端１ｂの初期状態におけるＺ方向の位置と変形後のＺ方向の位置との差を意味する。変形量は固定端１ａと自由端１ｂとの間の距離に比例する。また駆動力とは、高分子アクチュエータ１の自由端１ｂを持ち上げることができる最大の力、または自由端１ｂに加えた荷重を大きくしたときに変形量ΔＨ＝０を維持することができる最大荷重（耐荷重量）を意味する。
【００３１】
以下には、上記基本構成を備えた高分子アクチュエータについて説明する。
なお、以下に示す高分子アクチュエータは、例えば、キーボード装置や操作パネルなどに設けられるキートップを、必要に応じ突出させる駆動源、あるいは、カメラレンズのフォーカス装置などの駆動源への応用が考案されている。
【００３２】
図２は本発明の第１の実施の形態を示す高分子アクチュエータを示し、（Ａ）は高分子アクチュエータの全体の平面図、（Ｂ）は高分子アクチュエータの一部を構成する可撓部の平面図、図３は可撓部を拡大して示す側面図であり、（Ａ）は駆動前の初期状態、（Ｂ）は高分子アクチュエータの駆動状態を示している。
【００３３】
図２に示すように、本発明の高分子アクチュエータ１０は、リング状に形成された支持部１１と、この支持部１１の内縁部に円の中心方向に向けて突出するとともに周方向に周設された複数の可撓部１２とを有して構成され、このような高分子アクチュエータ１０は上記の基本構成を備えた積層体１Ａにより一体に形成されたものである。
【００３４】
可撓部１２は略三角形状に形成されており、三角形の底辺側が支持部１１の内側に設けられ、且つ個々の三角形の頂点Ａがリング状の支持部１１の中心側に位置するように円周方向に所定の間隔で並べられている。
【００３５】
複数の可撓部１２はすべて同じ形状（合同）である。支持部１１はリング状であるため、リング状の固定部材を用いて固定することができる。すなわち、リング状の支持部１１を、同じくリング状の固定部材と基台５０との間に設置し、上下方向から挟み込んで強固に保持固定することが可能である。
【００３６】
ここで、１つの可撓部１２において、頂点Ａから支持部１１に向かって２方向にそれぞれ延びる２辺と支持部１１との２つの交点の一方を第１交差部１１ａ、他方を第２交差部１１ｂとする。さらに、頂点Ａから第１交差部１１ａに延びる一方の辺を第１辺１２ａ、頂点Ａから第２交差部１１ｂに延びる他方の辺を第２辺１２ｂとする。なお、頂点Ａが自由端１ｂに相当し、第１交差部１１ａおよび第２交差部１１ｂが固定端１ａに相当している。
【００３７】
この可撓部１２は、第１辺１２ａおよび第２辺１２ｂがともに円弧形状で形成されている。第１辺１２ａの長さ寸法（頂点Ａから第１交差部１１ａまでの距離）Ｌ１と第２辺１２ｂの長さ寸法（頂点Ａから第２交差部１１ｂまでの距離）Ｌ２とを比較すると、長さ寸法Ｌ１は長さ寸法Ｌ２よりも短い寸法で形成されている（Ｌ１＜Ｌ２）。
【００３８】
このように、略三角形状から形成される可撓部１２の第１辺１２ａと第２辺１２ｂとは異なる寸法で形成されている。このため、積層体に電界が与えられて可撓部１２に曲げ変形が発生すると、第１辺１２ａと第２辺１２ｂとの長さ寸法差に起因するねじりモーメントが発生する。すなわち、自由端である頂点ＡがＺ１方向に曲げ変形すると同時に、長い方の長さ寸法Ｌ２からなる第２辺１２ｂが短い方の長さ寸法Ｌ１１よりも大きくＺ１方向に曲げ変形しようとするため、可撓部１２に捩じれが発生する（図２（Ｂ）の矢印参照）。この捩じれは、自由端の先端である頂点Ａほど大きい。
【００３９】
このため、可撓部１２の頂点Ａには通常の曲げ応力による駆動力に、捩じれ変形による力の成分が加わる。その結果、この高分子アクチュエータには、従来の片持ち支持だけの可撓部よりも大きな駆動力を発生させることが可能である。
【００４０】
しかも捩じれが発生する分だけ、頂点Ａの変形量ΔＨも増大させることが可能となる（図３（Ａ）（Ｂ）参照）。
【００４１】
このように、本願発明の高分子アクチュエータ１０では、支持部１１を強固に保持固定しても可撓部１２に発生する駆動力の低下を防止することができるとともに、変位量ΔＨを増大させることが可能である。
【００４２】
図４は本発明の第２の実施の形態を示す高分子アクチュエータの分解斜視図、図５（Ａ）は図４に示す高分子アクチュエータの平面図、（Ｂ）は（Ａ）の断面図、図６は図５の（Ａ）を部分的に拡大して示す平面図である。
【００４３】
第２の実施の形態に示す高分子アクチュエータ２０も、上記基本構成を備えた積層体１Ａにより一体的に形成されている。
【００４４】
第２の実施の形態に示すアクチュエータ２０は、可撓部２２を三角形状に形成した点が上記第１の実施の形態の高分子アクチュエータ１０と異なる点であり、以下に説明する。
【００４５】
図４に示すように、積層体１Ａの全体は円形状に形成されており、その外縁側にリング状からなる支持部２１が設けられている。そして、積層体１Ａの中心を頂点Ａとし、外縁側の支持部１１を底辺とする三角形状の可撓部２２が複数設けられている。これら複数の可撓部２２は、支持部２１の内側に周方向に一定の中心角α（図４ないし図６では、α＝４５度）で配置されている。すなわち、各可撓部２２は底辺側が支持部２１を介して周方向に連結された状態で一体に形成されているが、頂点Ａ同士はそれぞれ分離している。したがって、個々の可撓部２２は外縁側の支持部２１が固定端を形成し、中心側の頂点Ａは自由端を形成している。
【００４６】
なお、周方向に隣接する可撓部２２同士の間には三角状の隙間からなる開口スペース２３が形成されており、一方の可撓部２２の第１辺２２ａとこれと隣接する他方の可撓部２２の第２辺２２ｂとが開口スペース２３を介して周方向に対向している。
【００４７】
この実施の形態では、一つの可撓部２２を形成する第１辺２２ａと第２辺２２ｂとは同じ長さ寸法Ｌであり、可撓部２２は二等辺三角形で形成されている。
【００４８】
前記積層体１Ａの両面に形成された第１の電極層３と第２の電極層４との間に電界を与えると、複数の可撓部２２はすべて同じ方向に同時に曲げ変形させられる。
【００４９】
図５（Ｂ）に示すように、高分子アクチュエータ２０は、例えば符号３０に示すような固定部材と、基台５０との間に支持部２１が挟まれた状態で保持固定される。
【００５０】
固定部材３０はリング形状で形成されており、固定部材３０の内縁部には中心方向に突出する複数の押え部３１が周方向に一定の中心角αで形成されている。各押え部３１は、半径方向に対して垂直をなす垂直押え部３１ａと、半径方向に対して平行をなす平行押え部３１ｂと、積層体１Ａに形成された開口スペース２３を避けるようにその外側に形成された回避部３４とを有し、これらの形状がこの順番で周方向に繰り返されることにより形成されている。
【００５１】
積層体１Ａの縁部には複数のネジ穴３３が一定の間隔で穿設されている。図５（Ａ）に示すように、固定部材３０は、積層体１Ａの上にＸＹ方向および周方向に位置合わされ、図示しないネジが固定部材３０のネジ穴３３に挿入されて基台５０上に螺着される。これにより、積層体１Ａが基台５０と固定部材３０との間に強固に保持固定されている。
【００５２】
固定部材３０の押え部３１は、積層体１Ａの可撓部２２の固定端側である支持部２１のみを基台５０との間で上下方向から拘束する。したがって、可撓部２２の頂点Ａ側は拘束力を受けない自由状態にある。
【００５３】
ここで、図６に示すように、可撓部２２の頂点Ａから支持部２１に向かって２方向に延びる一方の第１辺２２ａと支持部２１とが交差する点を第１交差部２１ａとし、同じく頂点Ａから支持部２１に向かって延びる他方の第２辺２２ｂと支持部２１とが交差する点を第２交差部２１ｂとする。
【００５４】
押え部３１の垂直押え部３１ａと平行押え部３１ｂとは、可撓部２２の第１辺２２ａ上の位置２１ｃにて交差しており、可撓部２２の固定部側を基台５０との間で保持固定している。頂点Ａと位置２１ｃとの長さ寸法をＬ３とする。押え部３１が可撓部２２に重なる保持状態では、第２辺２２ｂの長さ寸法Ｌはそのままである。しかし、第１辺２２ａの実質的な長さ寸法、すなわち第１辺２２ａが自由端として機能する長さ寸法は、押え部３１が可撓部２２に重なる部分の長さ寸法（Ｌ−Ｌ３）を除いたＬ３である。
【００５５】
このように、押え部３１は、支持部２１から略三角形状に突出する可撓部２２を形成する第１辺２２ａと第２辺２２ｂとの間に寸法差Ｌ−Ｌ３を形成する。
【００５６】
よって、上記第１の実施の形態と同様に、可撓部２２が曲げ変形する際に、可撓部２２の頂点Ａ側に前記寸法差Ｌ−Ｌ３に応じた捩じれを発生させることができる。よって、積層体１Ａを基台５０と固定部材３０との間に強固に固定した場合であっても、各頂点Ａには通常の曲げ応力による駆動力に、捩じれ変形による力の成分が加わるため、可撓部２２の変位量および駆動力を容易に増大させることが可能である。
【００５７】
なお、本実施の形態においては、積層体１Ａは一様な構造であるものとしたが、固定部材３０により拘束される部分においては第１の電極層３または第２の電極層４のうちいずれかが形成されてない部分があってもかまわない。この場合、積層体１のうち電圧がかかっているにもかかわらず拘束されて動けない部分の面積が小さくなり、電流を有効に活用できる。また、積層体１Ａは周方向にいくつかに分割されていても同様の動作が可能であり、可撓部２２ごとに分割されて可撓部２２の集合体として形成されていてもかまわない。
【００５８】
また、高分子アクチュエータは以下に示すような形状であってもよい。
図７Ａは第２の実施の形態の変形例を示す高分子アクチュエータの平面図、図７Ｂは図７Ａの積層体を示す平面図、図７Ｃは図７Ａの固定部材を示す平面図である。なお、図７Ａ，図７Ｃではハッチングを付した部分が固定部材を示している。
【００５９】
図７Ａないし図７Ｃに示す高分子アクチュエータは、リング形状からなり、内縁側に複数の押え部３１が設けられた固定部材３０と、同じくリング形状からなる支持部２１の内側に複数の可撓部２２が形成された積層体１Ａとが設けられ、積層体１Ａの外縁である支持部２１が固定部材３０で固定される点、各可撓部２２の先端は互いに分離され自由端として機能しており、与えられた電界に応じて各可撓部２２の先端が曲げ変形する点、および固定部材３０の押え部３１によって可撓部２２を形成する第１辺と第２辺との間に実質的な寸法差を設けるようにしている点、において上記第２の実施の形態と同様である。
【００６０】
ただし、第３の実施の形態では、可撓部２２をスパイラル状に形成した点で上記第２の実施の形態と相違している。このような構成でも、固定部材３０を用いて基台上に積層体１Ａを強固に固定した場合に、上記同様の捩じれ変形を発生させることができ、可撓部２２の変位量および駆動力を増大させることができる。
【００６１】
なお、図７Ａ、図７Ｂに示すように、隣接する可撓部２２どうしの間に第１の実施の形態同様に隙間からなる開口スペース２３を形成しておくと、変形する際に隣接する可撓部２２どうしの接触が防止され、変位量および駆動力のロスを避けることが可能となる点で好ましい。
【００６２】
図８は本発明の第３の実施の形態を示す斜視図である。
第２の実施の形態に示す高分子アクチュエータ４０も、上記基本構成を備えた積層体１Ａにより一体的に形成されている。この高分子アクチュエータ４０は、外観が長方形状からなる積層体１Ａで形成されている。
【００６３】
積層体１Ａは、一つの対角線が固定部材の押え部３１と基台（図示せず）との間に強固に挟まれた状態で保持固定されており、この部分が固定端を形成している。そして、対角線を共通の底辺としてその両側に２つの三角形が設けられており、これらが可撓部４２，４２を形成している。なお、可撓部４２，４２の先端が自由端である。いいかえると、二つの可撓部４２、４２は押え部３１を共有し、自由端（頂点）Ａ、Ａが互いに距離が離れるよう背中合わせに配置されている。
【００６４】
一方の可撓部４２と他方の可撓部４２とは対角線に対して線対称に設けられている。第１辺４２ａおよび第２辺４２ｂは、一方の可撓部４２と他方の可撓部４２との間でそれぞれ同じ長さ寸法で形成され、全体として長方形状とされている。
【００６５】
このため、図８に点線で示すように、積層体１Ａの両面に所定の電界を与えると、２つの可撓部４２，４２を同じ方向に同期して曲げ変形させることができる。このとき、２つの可撓部４２，４２に発生する変形量および駆動力は同等である。
【００６６】
しかも、第１辺４２ａの長さ寸法と第２辺４２ｂの長さ寸法との間には、積層体１Ａの形状である長方形に応じた寸法差が形成されている。このため、上記第１および第２の実施の形態同様に、可撓部４２，４２が曲げ変形する際に可撓部４２，４２の寸法差に応じた捩じれを発生させることができる。よって、固定端である対角線を押え部３１と基台（図示せず）とで強固に保持固定したとしても、可撓部４２，４２の変位量および駆動力を容易に増大させることが可能である。
【００６７】
なお、第１辺４２ａと第２辺４２ｂの長さを変え、全体として平行四辺形状としても同様の効果を奏することができる。また、第１辺４２ａと第２辺４２ｂが異なる曲率半径を持つ曲線となり、全体として４本の曲線からなる４辺形としてもよい。
【００６８】
以上のように本願発明の高分子アクチュエータでは、簡単な構成で、支持部を強固に保持固定することができるとともに可撓部の充分に大きな変位量および駆動力を発生することができる。
【００６９】
さらに上述した積層体１Ａの形状は、以下に示すような台形形状としたものであってもよい。
【００７０】
図９は可撓部の他の形状として積層体の一部を示す平面図である。
図９に示す積層体１Ａは、仮想の頂点Ａから２方向に延びる互いに長さ寸法の異なる第１辺２２ａ，第２辺２２ｂと、上底部２２ｃおよび下底部２２ｄとからなる。ここで、互いに長さが異なる第１辺２２ａおよび第２辺２２ｂと、上底部２２ｃとがそれぞれ交わる交点２つを頂点Ａ１，Ａ２とする。下底部２２ｄは、リング形状の支持部２１の一部で形成されており、全体として略台形形状である。そして、支持部２１から中心方向に突出する略台形形状の部分が可撓部２２に相当している。可撓部２２のうち下底部２２ｄを含む支持部２１側の一部は、上記同様に固定部材３０に設けられた押え部３１により上下方向から挟み込まれて強固に保持固定されている。
【００７１】
この実施の形態においては、上底部２２ｃの両端に位置する第１辺２２ａの長さ寸法Ｌａと第２辺２２ｂの長さ寸法Ｌｂとの間に寸法差（Ｌｂ−Ｌａ）が設けられる。これにより、積層体１Ａに電界を与えて動作させたときに、中心側となる可撓部２２の上底部２２ｃに寸法差（Ｌｂ−Ｌａ）に起因する捩じれを発生させることができる。
【００７２】
このように可撓部２２を略台形形状に形成すると、可撓部２２の先端である上底部２２ｃに、通常の曲げ変形による駆動力に加えて捩じれ変形による力の成分が加わるようになり、より大きな駆動力を発生させることが可能となる。よって、支持部２１を強固に固定しても可撓部２２における変位量および駆動力の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】イオン導電型の高分子アクチュエータの基本原理を説明するための断面図であり、（Ａ）は動作前の非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態、
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す高分子アクチュエータを示し、（Ａ）は高分子アクチュエータの全体の平面図、（Ｂ）は高分子アクチュエータの一部を構成する可撓部の平面図、
【図３】可撓部を拡大して示す側面図であり、（Ａ）は駆動前の初期状態、（Ｂ）は高分子アクチュエータの駆動状態、
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す高分子アクチュエータの分解斜視図、
【図５】（Ａ）は図４に示す高分子アクチュエータの平面図、（Ｂ）は（Ａ）の断面図、
【図６】図５の（Ａ）を部分的に拡大して示す平面図、
【図７Ａ】第２の実施の形態の変形例を示す高分子アクチュエータの平面図、
【図７Ｂ】図７Ａの積層体を示す平面図、
【図７Ｃ】図７Ａの固定部材を示す平面図、
【図８】本発明の第３の実施の形態を示す斜視図、
【図９】可撓部の他の形状として積層体の一部を示す平面図、
【符号の説明】
【００７４】
１ 高分子アクチュエータ
２ 電解質層
３ 第１の電極層
４ 第２の電極層
１Ａ 積層体
１０，２０，４０ 高分子アクチュエータ
１１，２１ 支持部
１１ａ，２１ａ 第１交差部
１１ｂ，２１ｂ 第２交差部
１２，２２ 可撓部
１２ａ，２２ａ，４２ａ 第１辺
１２ｂ，２２ｂ，４２ｂ 第２辺
３０ 固定部材
３１ 押え部
３１ａ 垂直押え部
３１ｂ 平行押え部
Ａ 頂点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層の両面に一対の電極層がそれぞれ積層された積層体からなる高分子アクチュエータにおいて、
前記積層体は、支持部と前記支持部と対向する頂点とを有し、前記支持部の一方の端部から前記頂点に向かって延びる第１辺及び前記支持部の他方の端部から前記頂点に向かって延びる第２辺とにより挟まれた領域が可撓部とされており、
前記第１辺の長さ寸法と前記第２辺の長さ寸法との間に寸法差が設けられていることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１辺と前記第２辺が直線で形成されている請求項１記載の高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１辺と前記第２辺とが曲率半径の異なる曲線で形成されている請求項１記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
複数の可撓部が設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記支持部がリング状に形成されており、前記可撓部が前記支持部の内側から前記リングの中心に向かって突出形成されている請求項４に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
周方向に隣接する可撓部どうしが互いに合同をなす形状で形成される請求項５記載の高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記複数の可撓部の数が二つであり、前記二つの可撓部が、前記支持部を共有し前記二つの可撓部のそれぞれの頂点の距離が離れるように配置され、前記積層体全体が略四角形状に形成されている請求項４記載の高分子アクチュエータ。
【請求項８】
前記頂点を二つ有し、前記可撓部が略台形形状で形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項１】
電解質層の両面に一対の電極層がそれぞれ積層された積層体からなる高分子アクチュエータにおいて、
前記積層体は、支持部と前記支持部と対向する頂点とを有し、前記支持部の一方の端部から前記頂点に向かって延びる第１辺及び前記支持部の他方の端部から前記頂点に向かって延びる第２辺とにより挟まれた領域が可撓部とされており、
前記第１辺の長さ寸法と前記第２辺の長さ寸法との間に寸法差が設けられていることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１辺と前記第２辺が直線で形成されている請求項１記載の高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１辺と前記第２辺とが曲率半径の異なる曲線で形成されている請求項１記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
複数の可撓部が設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記支持部がリング状に形成されており、前記可撓部が前記支持部の内側から前記リングの中心に向かって突出形成されている請求項４に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
周方向に隣接する可撓部どうしが互いに合同をなす形状で形成される請求項５記載の高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記複数の可撓部の数が二つであり、前記二つの可撓部が、前記支持部を共有し前記二つの可撓部のそれぞれの頂点の距離が離れるように配置され、前記積層体全体が略四角形状に形成されている請求項４記載の高分子アクチュエータ。
【請求項８】
前記頂点を二つ有し、前記可撓部が略台形形状で形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１１５０１６（Ｐ２０１０−１１５０１６Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８５５７６（Ｐ２００８−２８５５７６）
【出願日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
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