高分子アクチュエータ
【課題】 簡単な構成で、変位量および駆動力の大きな高分子アクチュエータを提供すること。
【解決手段】 第１の高分子シート２０と第２の高分子シート３０とが拘束部材１５ａ，１５ｂに並設されている。一方の第１の高分子シートを仮想中心線Ｏａ−Ｏａに対して左右対称となる形状で形成し、他方の第２の高分子シート３０を仮想中心線Ｏｂ−Ｏｂに対して左右非対称となる形状で形成する。両高分子シート２０，３０に所定の電界を与えると、一方の左右対称の第１の高分子シート２０の自由端２２はＺ１方向に曲げ変形する。他方の左右非対称の第２の高分子シート３０の自由端３２は、Ｚ１方向への曲げ変形と捩れ変形とが同時に発生し、自由端３２が第１の高分子シート２０の湾曲面の外側に回り込んで第１の高分子シート２０の外面をＺ１方向に支持する。これにより、高分子アクチュエータ１の変位量および駆動力を大きくすることができる。
【解決手段】 第１の高分子シート２０と第２の高分子シート３０とが拘束部材１５ａ，１５ｂに並設されている。一方の第１の高分子シートを仮想中心線Ｏａ−Ｏａに対して左右対称となる形状で形成し、他方の第２の高分子シート３０を仮想中心線Ｏｂ−Ｏｂに対して左右非対称となる形状で形成する。両高分子シート２０，３０に所定の電界を与えると、一方の左右対称の第１の高分子シート２０の自由端２２はＺ１方向に曲げ変形する。他方の左右非対称の第２の高分子シート３０の自由端３２は、Ｚ１方向への曲げ変形と捩れ変形とが同時に発生し、自由端３２が第１の高分子シート２０の湾曲面の外側に回り込んで第１の高分子シート２０の外面をＺ１方向に支持する。これにより、高分子アクチュエータ１の変位量および駆動力を大きくすることができる。
【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】
従来、高分子アクチュエータの１つとして、イオン交換樹脂層と、このイオン交換樹脂層を挟んで、両側に相互に絶縁状態で形成された金属電極層とを備えたイオン伝導アクチュエータが知られている（例えば、下記特許文献１）。この高分子アクチュエータは、対向する金属電極層の間に電位差をかけて、イオンあるいは極性分子を一方の面側に局在化させることによりイオン交換樹脂層に湾曲及び変形を生じさせることで、アクチュエータとして機能させるというものである。
【特許文献１】特開平１１−２３５０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この手のアクチュエータを短冊状のシート形状で用いる場合、シートが細長ければ変位量は大きく、発生荷重（駆動力）は小さい。これとは逆に幅を広く長さを短くすると、発生荷重は大きくなるが、変位量が小さくなる。
【０００４】
したがって、必要な変位量と発生荷重に合わせて、厚み、縦横寸法比を設計することになるが、変位量、発生荷重を共に大きくすることは難しかった。
【０００５】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、簡単な構成で大きな変位量および発生荷重を得ることが可能な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】
【０００６】
本発明は、電解質層及び前記電解質層の両面にそれぞれ設けられた一対の電極層とを有し、前記一対の電極間に与えられた電界に応じて主として前記電極層に対して直交する第１の方向に湾曲変形する可撓部が二以上併設された高分子アクチュエータにおいて、
各可撓部の前記電極間に各可撓部が同じ第１の方向に湾曲する電界を与えたときに、少なくとも一の可撓部が、捩れを含む湾曲変形により、隣接する他の可撓部の湾曲面の外側をなす面と当接可能な位置に回りこみ、該他の可撓部が前記一の可撓部によって支持されることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明では、一方の可撓部が変形したときに、並設された他方の可撓部を下側から支持するという簡単な構成により、大きな変位量および駆動力を得ることができる。
【０００８】
上記においては、前記一対の可撓部が、前記一方の可撓部と前記他方の可撓部との間で非対称の形状で形成されているものである。
【０００９】
または、前記一の可撓部に形成された前記一対の電極層の形状が、左右非対称で形成されているものである。
【００１０】
あるいは、前記一の可撓部の両面に形成された前記一対の電極層の導電性が、電極層の内部で場所ごとに異なるものである。
【００１１】
上記構成では、一の可撓部に捩れ変形を積極的に発生させることができ、他方の可撓部側により大きく変位して回りこむことから、より大きな力で支持することが可能となる。
【００１２】
また複数の前記可撓部が階段状に隣接配置されており、下段側に位置する一の可撓部が、それよりも上段側に隣接して配置された他の可撓部を支持することが、前記下段側から上段側にかけて順次行われているものとすることができる。
【００１３】
上記手段では、上段側の可撓部をこれに隣接配置された下段側の可撓部が順次支持することができるため、上段側の可撓部が発生荷重の低い細長い形状からなる可撓部であっても各可撓部が発生する発生荷重が合成されてより大きな発生荷重（駆動力）を発生させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の高分子アクチュエータでは、簡単な構成で、大きな変位量および駆動力を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明における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側面図である。
【００１６】
図１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とを重ねた積層型の高分子シート１Ａとして形成されている。
【００１７】
電解質層２は、イオン交換が可能な樹脂層であり、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。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。
【００１８】
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。
【００１９】
電解質層２に混入する導電性フィラーの割合を変えることにより、第１の電極層３および第２の電極層４の導電率を調整することが可能とされている。
【００２０】
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に示す３層構造の高分子シート１Ａを形成することができる。この高分子シート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との境界面が強い密着性を有する構造となっている。
【００２１】
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。この場合にも、付着させる導電性金属の比率を変えることにより、第１の電極層３および第２の電極層４の導電率を調整することが可能である。
【００２２】
高分子アクチュエータ１は、高分子シート１Ａの一方の端部である固定端１ａが上下方向から拘束部材５ａ，５ｂによって挟持されることにより固定されている。
【００２３】
図１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内で解離したイオンおよび極性分子も第２の電極層４側に偏移する。
【００２４】
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、高分子シート１Ａに曲げ応力が発生して、図１の実線に示すように、高分子シート１Ａに曲げ変形が発生し、高分子アクチュエータ１として機能する。
【００２５】
なお、以下の説明において変位量ΔＨとは、固定端１ａを基準として自由端１ｃをＺ方向に曲げ変形させたときに、自由端１ｃの破線で示す初期状態におけるＺ方向の位置と、実線で示す変形後のＺ方向の位置との差を意味する。変位量ΔＨは固定端１ａと自由端１ｃとの間の距離に比例する。また発生荷重（駆動力）とは、高分子アクチュエータ１の自由端１ｃを持ち上げることができる最大の力、または自由端１ｃに加えた荷重を大きくしたときに変位量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。
【００２６】
また高分子シート１Ａが曲げ変形するときに、高分子シート１Ａは主として第１の電極層３と直交する第１の方向α１（図１の矢印方向）に曲げ変形する。このとき、第１の方向となる曲げの曲率中心が位置する側の湾曲面を高分子シート１Ａの内面と規定し、これとは逆側の湾曲面を外面（外側をなす面）と規定する。なお、図１では、第１の電極層３の表面が高分子シート１Ａの内面に該当し、第２の電極層４の表面が高分子シート１Ａの外面（外側をなす面）に該当している。ただし、電界を逆方向に与えることにより、高分子シート１Ａの曲げ変形する第１の方向が、第２の電極層４と直交するα２（α１方向と逆方向）となる場合には、第１の電極層３の表面が高分子シート１Ａの外面（外側をなす面）に該当し、第２の電極層４の表面が高分子シート１Ａの内面に該当することになる。
【００２７】
図２は本発明の第１の実施の形態として高分子アクチュエータを示す斜視図、図３は高分子アクチュエータを図２のＹ２方向に見た場合を示す正面図であり、（Ａ）は非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態、また図４は高分子アクチュエータを図２のＸ１方向に見た場合を示す側面図であり、（Ａ）は非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態である。
【００２８】
図２ないし図４に示すように、第１の実施の形態に示す高分子アクチュエータ１０は、互いに独立して動作する二枚の高分子シートから形成されている。すなわち、高分子アクチュエータ１０は、帯状からなる第１の高分子シート（第１の可撓部）２０と、三角形状からなる第２の高分子シート（第２の可撓部）３０の二枚の高分子シートから構成される。
【００２９】
第１の高分子シート（第１の可撓部）２０と第２の高分子シート（第２の可撓部）３０の構造は、上記基本原理と同様であり、その外観の形状が異なるだけである。すなわち、第１の高分子シート２０と第２の高分子シート３０は、ともに電解質層２の両面に一対の電極層を形成する第１の電極層３および第２の電極層４がそれぞれ設けられた構成である。
【００３０】
第１の高分子シート２０と第２の高分子シート３０とは、ともに長手方向をＹ方向に向けるとともに、幅（Ｘ）方向に所定の隙間を空けて並設されている。そして、第１の高分子シート２０の固定端２１と第２の高分子シート３０の固定端３１とが、拘束部材１５ａ，１５ｂによって板厚方向（Ｚ方向）から挟持されることにより、同一平面上に片持支持の状態で固定されている。第１の高分子シート２０および第２の高分子シート３０の他方の端部（先端）は、ともにＺ１−Ｚ２方向に自在に曲げ変形可能な自由端２２，３２を構成している。
【００３１】
一方の第１の高分子シート２０は、固定端２１と自由端２２の間が一定の幅寸法からなる帯状の部材として形成されており、Ｙ軸に平行で且つその中心を通る仮想中心線Ｏａ−Ｏａに対して左右対称の形状である。
【００３２】
他方の第２の高分子シート３０は、固定端３１側の幅寸法が最も幅広く、自由端３２側が最も幅の狭い三角形状の部材として形成されている。第２の高分子シート３０は、Ｙ軸に平行で且つその中心を通る仮想中心線Ｏｂ−Ｏｂに対して左右非対称をなす形状である。特に、第２の高分子シート３０の長手方向に平行に沿う一辺、すなわち図示Ｘ２側の第１の高分子シート２０寄りの一方の一辺３３の長さ寸法は、第２の高分子シート３０の図示Ｘ１側の他方の一辺である斜辺３４の長さ寸法よりも短い構成である。このように、他方の第２の高分子シート３０は左右の辺に寸法差を有して形成されている。
【００３３】
上記構成からなる高分子アクチュエータの動作について説明する。
第１の高分子シート２０と第２の高分子シート３０をそれぞれ構成する第１の電極層３と第２の電極層４との間に所定の電圧を印加すると、第１の高分子シート２０と第２の高分子シート３０の電解質層２，２にそれぞれ電界が発生する。
【００３４】
すると、図２に実線で示すように、第１の高分子シート２０および第２の高分子シート３０に第１の方向α１への曲げ変形が発生し、自由端２２および自由端３２が図示Ｚ１方向に持ち上がるように変形させられる。
【００３５】
このとき、一方の第１の高分子シート２０は左右対称形状であるため、自由端２２は左右方向（Ｘ方向）への振れが少ない状態でＺ１方向に沿ってほぼ真上に持ち上げられる。
【００３６】
これに対し、他方の第２の高分子シート３０の形状は左右非対称であり、図示Ｘ２側の一方の一辺３３の長さ寸法は他方の一辺である斜辺３４よりも短い。このため、斜辺３４側の抵抗値は、長さ寸法の短い図示Ｘ２側の一辺３３側の抵抗値よりも大きく、これにより電界質層２に与えられる電界の大きさは、過渡的に図示Ｘ２側の一辺３３よりも斜辺３４の方が大きくなる。このため、過渡的に見た場合に、電界質層２に分布するイオンの密度は均一ではなく、斜辺３４側よりも図示Ｘ２側の一辺３３側に多くのイオンが分布する。その結果、電解質層２の内部では、斜辺３４側よりも図示Ｘ２側の一辺３３側に偏った位置での体積の膨張が大きくなる。つまり、発生する膨張応力は斜辺３４側よりも図示Ｘ２側の一辺３３側の方が大きく、第２の高分子シート３０にはこれに基づく膨張歪みが発生し、長手方向の伸び量は図示Ｘ２側の一辺３３側よりも斜辺３４側が大きくなる。よって、過渡的に、第２の高分子シート３０を形成する左右の二辺の伸び量に差が発生し、この伸び量の差に基づく捩れが第２の高分子シート３０全体に発生する。
【００３７】
この捩れ変形により、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に示すように、第２の高分子シート３０の自由端３２が、隣接する第１の高分子シート２０の湾曲面の外側をなす面（外面）と当接可能な位置に回り込んで、第１の高分子シート２０の外面に当接し、さらに、第１の高分子シート２０を図示上方（Ｚ１方向）に持ち上げる。よって、第１の高分子シート２０には、第１の高分子シート２０自身の駆動力Ｆ１と、第２の高分子シート３０による駆動力Ｆ２とが同時に第１の方向α１に作用することにより、高分子アクチュエータ１０全体として大きな駆動力（Ｆ１＋Ｆ２）を発生させることができる。
【００３８】
ここで、一般に、高分子シートはその形状が幅寸法Ｗに比較して全長Ｌが長い帯状の場合（Ｗ＜＜Ｌ）には駆動力は小さいが変位量ΔＨは大きく、逆に幅寸法Ｗに比較して全長が短い（Ｗ＞＞Ｌ）場合には変位量ΔＨは小さいが大きな駆動力を発生させるという特徴を有する。本実施の形態では、少なくとも第１の高分子シート２０の形状は細長い帯状（Ｗ＜＜Ｌ）であるため、大きな変位量ΔＨを確保することが可能である。
【００３９】
そして、第１の実施の形態に示す高分子アクチュエータ１０では、このように大きな変位量ΔＨを発生させるとともに、第２の高分子シート３０が第１の高分子シート２０を持ち上げるため、全体として大きな駆動力を発生させることができる。
【００４０】
上記のように、第２の高分子シート３０に捩れ変形を発生させるためには、電界質層２内におけるイオンの分布を制御すればよく、そのために上記のような第２の高分子シート３０の形状を仮想中心線に対して左右非対称とする以外の方法であってもよい。
【００４１】
例えば、第２の高分子シート３０を形成する第１の電極層３および第２の電極層４の導電率を、それぞれの電極層の内部で場所ごとに異ならせることで実現することが可能である。これにより、第２の高分子シート３０自体が、たとえ仮想中心線に対して左右対称形状であっても、左右非対称形状（三角形状）の場合と同様の捩れ変形を生じさせることが可能となる。
【００４２】
ただし、第２の高分子シート３０が仮想中心線に対して左右非対称の形状であり、さらに加えて導電率をそれぞれの電極層の内部で場所ごとに異なるようにすると、さらに捩れ変位量を大きくすることが可能となるため、より大きな駆動力を発生させることができるようになる。
【００４３】
なお、導電率の分布調整は、上述したように、第１の電極層３および第２の電極層４を形成する電解質層に混入する導電性フィラーの割合を変えることにより、あるいは付着させる導電性金属の比率を変えることにより行うことができる。
【００４４】
さらに電解質層２の形状を仮想中心線に対して左右対称とし、その両面に形成する第１の電極層３と第２の電極層４の形状のみが左右非対称となるように形成してもよい。また仮想中心線に対して左右非対称とするには、電解質層２の一部に電極層を形成しない領域を設けるようにして行うものであってもよい。
【００４５】
図５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平面図である。
図５に示す高分子アクチュエータ５０は、一枚の高分子シート１Ａによって形成されている。高分子シート１Ａの構造は、上記基本原理と同様である。ただし、第２の実施の形態では、高分子シート１Ａに一本の切れ目５０ａがシートの途中まで形成されており、この切れ目５０ａにより、第１の可撓部５１と第２の可撓部５２とに分離されている。
【００４６】
一方の第１の可撓部５１は一方の仮想中心線Ｏａ−Ｏａに対して左右対称形状に含まれる細長い帯状として形成され、他方の第２の可撓部５２は他方の仮想中心線Ｏｂ−Ｏｂに対して左右非対称に含まれる略三角形状の形状として形成されている。
【００４７】
このため、上記同様に第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、略三角形状からなる第２の可撓部５２に上記同様の捩れ変形が発生し、第１の可撓部５１の湾曲面の外側に回り込んで第１の可撓部５１の外面に当接してこれを支持することが可能である。よって、上記同様に大きな変位量ΔＨおよび大きな駆動力を発生する高分子アクチュエータ５０とすることができる。
【００４８】
このように、第１の可撓部と第２の可撓部は同じ一枚の高分子シートで形成することもできし、上記第１の実施に形態に示すように二枚の別々の高分子シートで形成することもできる。
【００４９】
図６は本発明の第３の実施の形態を示す高分子アクチュエータの平面図である。
第３の実施の形態に示す高分子アクチュエータ６０は、一方の仮想中心線Ｏａ−Ｏａに対して左右非対称形状からなる第１の高分子シート（第１の可撓部）６１と、他方の仮想中心線Ｏｂ−Ｏｂに対して左右非対称形状からなる第２の高分子シート（第２の可撓部）６２とにより形成される。
【００５０】
第１の高分子シート（第１の可撓部）６１および第２の高分子シート（第２の可撓部）６２が曲げ変形する方向は同じ第１の方向、すなわち紙面の表側から裏側に向かう方向、またはその逆方向である。また第１の高分子シート（第１の可撓部）６１および第２の高分子シート（第２の可撓部）６２が捩れ変形する方向は互いに接近する方向である。このため、一方の第１の高分子シート６１と他方の第２の高分子シート６２とは交差しやすくなっている。よって、一方の第１の高分子シート６１と他方の第２の高分子シートのうちの一方が他方の下に潜り込んで確実に支持することが可能となっている。
【００５１】
このように、本発明の高分子アクチュエータでは、仮想中心線に対して左右対称の高分子シート（第１の可撓部）と左右非対称の高分子シート（第２の可撓部）との組み合わせて形成することができるし、仮想中心線に対して左右非対称を成す二枚の高分子シート（可撓部）を組み合わせることにより形成することもできる。
【００５２】
次に、図７は本発明の第４の実施の形態を示す高分子アクチュエータの平面図である。図７に示すように、可撓部の数は２つに限られるものではなく、複数の可撓部を有する構成であってもよい。
【００５３】
図７に実線で示す高分子アクチュエータ７０では、帯状ないしは爪状からなる複数（図７では４枚）の高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４を湾曲形状の一対の拘束部材７５に板厚方向から挟持され、階段状に隣接配置された状態で固定されている。高分子アクチュエータ７０は、右端のＯ−Ｏ線上に位置する最上段の高分子シート７１が最もＹ１方向に突出するように形成され、高分子シート７１の下段側に隣接して配置された高分子シート７２が２番目に突出しており、高分子シート７２の下段側に隣接して配置された高分子シート７３が３番目に突出している。そして、左端の最下段に設けられた高分子シート７４の突出量が最も小さい。各高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４の構造は上記基本原理と同様である。なお、拘束部材７５の湾曲形状には、波状、円弧形状、楕円形状などが含まれる。
【００５４】
この実施の形態では、最も突出量の大きい最上段の高分子シート７１の左右両辺の長さは同じである。すなわち、最も突出量の大きい高分子シート７１は仮想中心線に対して左右対称となる形状で形成されている。
【００５５】
これに対し、その下段側に隣接配置される高分子シート７２は、高分子シート７１寄りのＸ１側の内辺が短く、逆側（Ｘ２側）である外辺が長くなるように形成されており、左右両辺（内辺と外辺）の長さの間には寸法差ΔＬ１が設けられている。同様に、高分子シート７２の下段側に隣接配置される高分子シート７３には寸法差ΔＬ２設けられ、さらに高分子シート７３の下段側に隣接配置された最下段の高分子シート７４には寸法差ΔＬ３が設けられている。そして、これらの寸法差の関係は、ΔＬ１＜ΔＬ２＜ΔＬ３であり、寸法差ΔＬは最上段に位置する高分子シート７１から最下段の高分子シート７４に向かうほどに大きい。つまり、最も突出量の大きい最上段の高分子シート７１以外の高分子シート７２，７３，７４は、それぞれの仮想中心線に対して左右非対称となる形状で形成されている。
【００５６】
各高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４を形成するそれぞれの第１の電極層３と第２の電極層４との間に電位差に基づく電界を与えると、各高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４はすべて同じ第１の方向（紙面の表側から裏側に向かう方向、またはその逆方向）に曲げ変形が発生する。同時に、高分子シート（可撓部）７２，７３，７４には寸法差ΔＬ１，ΔＬ２，ΔＬ３に応じた捩れ変形が発生する。この場合の捩れ変形の量は、最も大きな寸法差ΔＬ３を有する高分子シート７４が最も大きく、次に寸法差ΔＬ２を有する高分子シート７３が大きく、寸法差ΔＬ１を有する高分子シート７３が最も小さい。
【００５７】
このため、高分子シート７２の自由端が最上段の高分子シート７１の湾曲面の外側に回り込んで高分子シート７１を支持し、その下段側に位置する高分子シート７３の自由端がその上段側に位置する高分子シート７２の湾曲面の外側に回り込んで高分子シート７２を支持し、さらにその下段側に位置する高分子シート７４の自由端がその上段側に位置する高分子シート７３の湾曲面の外側に回り込んで高分子シート７３を支持する。すなわち、最下段に位置する高分子シート７４の自由端がこれに隣接する上段側の高分子シート７３を、この高分子シート７３の自由端がこれに隣接する上段側の高分子シート７２を、さらに高分子シート７２の自由端がこれに隣接する上段側央の高分子シート７１をそれぞれこの順番で支持することができる。
【００５８】
よって、最も突出量の大きい最上段の高分子シート７１には、下段側に位置する高分子シート７２，７３，７４の駆動力が作用するため、高分子シート７１に大きな駆動力を発生させることができる。さらには、各高分子シート７２，７３，７４には捩れ変形が加わるため、高分子シート７１の変位量を大きくすることができる。
【００５９】
なお、電位差に基づく電界を、各高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４に同時に与えると、上記の順番通りに重ならない場合も考えられる。このような場合には、変形する順番が高分子シート７１、高分子シート７２、高分子シート７３、高分子シート７４となるように、各高分子シート（可撓部）に電界を発生させる時間に差（時間差）を設けるようにすると良い。すなわち、最初に最上段の高分子シート７１に電界を与え、次にその下段の高分子シート７２に電界を与え、さらにその下段の高分子シート７３に電界を与え、最後に最下段の高分子シート７４に電界を与えるようにする。これにより、確実に、各高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４が順番通りに重なるようになり、隣接する一の高分子シート（可撓部）が他の高分子シート（可撓部）を支持することが可能となる。
【００６０】
なお、図７に点線で示すように、中心線Ｏ−Ｏに対して線対象となるように高分子シート（可撓部）７２’，７３’および７４’を形成すると、これらが発生する駆動力を、最も突出量の大きい最上段の高分子シート７１に作用させることが可能となるため、さらに大きな駆動力を発生させること、および高分子シート７１の変位量を大きくすることができる。
【００６１】
なお、図６および図７に示す実施の形態では、各可撓部を別々の高分子シートを用いて構成した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、図５に示す第２の実施の形態同様に一枚のシートから構成したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明における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側面図、
【図２】本発明の第１の実施の形態として高分子アクチュエータを示す斜視図、
【図３】高分子アクチュエータの正面図であり、（Ａ）は非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態、
【図４】高分子アクチュエータの側面図であり、（Ａ）は非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態、
【図５】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平面図、
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す高分子アクチュエータの平面図、
【図７】本発明の第４の実施の形態を示す高分子アクチュエータの平面図、
【符号の説明】
【００６３】
1 高分子アクチュエータ
１Ａ 高分子シート
１ａ 固定端
１ｃ 自由端
２ 電解質層
３ 第１の電極層
４ 第２の電極層
５ａ，５ｂ 拘束部材
２０ 第１の高分子シート（第１の可撓部）
３０ 第２の高分子シート（第２の可撓部）
２１，３１ 固定端
２２，３２ 自由端
３３ Ｘ２側の一辺
３４ 斜辺
５０ 高分子アクチュエータ
５０ａ 切れ目
５１ 第１の可撓部
５２ 第２の可撓部
６０ 高分子アクチュエータ
６１ 第１の高分子シート（第１の可撓部）
６２ 第２の高分子シート（第２の可撓部）
７０ 高分子アクチュエータ
７１，７２，７３，７４ 高分子シート（可撓部）
７５ 拘束部材
【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】
従来、高分子アクチュエータの１つとして、イオン交換樹脂層と、このイオン交換樹脂層を挟んで、両側に相互に絶縁状態で形成された金属電極層とを備えたイオン伝導アクチュエータが知られている（例えば、下記特許文献１）。この高分子アクチュエータは、対向する金属電極層の間に電位差をかけて、イオンあるいは極性分子を一方の面側に局在化させることによりイオン交換樹脂層に湾曲及び変形を生じさせることで、アクチュエータとして機能させるというものである。
【特許文献１】特開平１１−２３５０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この手のアクチュエータを短冊状のシート形状で用いる場合、シートが細長ければ変位量は大きく、発生荷重（駆動力）は小さい。これとは逆に幅を広く長さを短くすると、発生荷重は大きくなるが、変位量が小さくなる。
【０００４】
したがって、必要な変位量と発生荷重に合わせて、厚み、縦横寸法比を設計することになるが、変位量、発生荷重を共に大きくすることは難しかった。
【０００５】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、簡単な構成で大きな変位量および発生荷重を得ることが可能な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】
【０００６】
本発明は、電解質層及び前記電解質層の両面にそれぞれ設けられた一対の電極層とを有し、前記一対の電極間に与えられた電界に応じて主として前記電極層に対して直交する第１の方向に湾曲変形する可撓部が二以上併設された高分子アクチュエータにおいて、
各可撓部の前記電極間に各可撓部が同じ第１の方向に湾曲する電界を与えたときに、少なくとも一の可撓部が、捩れを含む湾曲変形により、隣接する他の可撓部の湾曲面の外側をなす面と当接可能な位置に回りこみ、該他の可撓部が前記一の可撓部によって支持されることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明では、一方の可撓部が変形したときに、並設された他方の可撓部を下側から支持するという簡単な構成により、大きな変位量および駆動力を得ることができる。
【０００８】
上記においては、前記一対の可撓部が、前記一方の可撓部と前記他方の可撓部との間で非対称の形状で形成されているものである。
【０００９】
または、前記一の可撓部に形成された前記一対の電極層の形状が、左右非対称で形成されているものである。
【００１０】
あるいは、前記一の可撓部の両面に形成された前記一対の電極層の導電性が、電極層の内部で場所ごとに異なるものである。
【００１１】
上記構成では、一の可撓部に捩れ変形を積極的に発生させることができ、他方の可撓部側により大きく変位して回りこむことから、より大きな力で支持することが可能となる。
【００１２】
また複数の前記可撓部が階段状に隣接配置されており、下段側に位置する一の可撓部が、それよりも上段側に隣接して配置された他の可撓部を支持することが、前記下段側から上段側にかけて順次行われているものとすることができる。
【００１３】
上記手段では、上段側の可撓部をこれに隣接配置された下段側の可撓部が順次支持することができるため、上段側の可撓部が発生荷重の低い細長い形状からなる可撓部であっても各可撓部が発生する発生荷重が合成されてより大きな発生荷重（駆動力）を発生させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の高分子アクチュエータでは、簡単な構成で、大きな変位量および駆動力を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明における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側面図である。
【００１６】
図１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とを重ねた積層型の高分子シート１Ａとして形成されている。
【００１７】
電解質層２は、イオン交換が可能な樹脂層であり、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。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。
【００１８】
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。
【００１９】
電解質層２に混入する導電性フィラーの割合を変えることにより、第１の電極層３および第２の電極層４の導電率を調整することが可能とされている。
【００２０】
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に示す３層構造の高分子シート１Ａを形成することができる。この高分子シート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との境界面が強い密着性を有する構造となっている。
【００２１】
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。この場合にも、付着させる導電性金属の比率を変えることにより、第１の電極層３および第２の電極層４の導電率を調整することが可能である。
【００２２】
高分子アクチュエータ１は、高分子シート１Ａの一方の端部である固定端１ａが上下方向から拘束部材５ａ，５ｂによって挟持されることにより固定されている。
【００２３】
図１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内で解離したイオンおよび極性分子も第２の電極層４側に偏移する。
【００２４】
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、高分子シート１Ａに曲げ応力が発生して、図１の実線に示すように、高分子シート１Ａに曲げ変形が発生し、高分子アクチュエータ１として機能する。
【００２５】
なお、以下の説明において変位量ΔＨとは、固定端１ａを基準として自由端１ｃをＺ方向に曲げ変形させたときに、自由端１ｃの破線で示す初期状態におけるＺ方向の位置と、実線で示す変形後のＺ方向の位置との差を意味する。変位量ΔＨは固定端１ａと自由端１ｃとの間の距離に比例する。また発生荷重（駆動力）とは、高分子アクチュエータ１の自由端１ｃを持ち上げることができる最大の力、または自由端１ｃに加えた荷重を大きくしたときに変位量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。
【００２６】
また高分子シート１Ａが曲げ変形するときに、高分子シート１Ａは主として第１の電極層３と直交する第１の方向α１（図１の矢印方向）に曲げ変形する。このとき、第１の方向となる曲げの曲率中心が位置する側の湾曲面を高分子シート１Ａの内面と規定し、これとは逆側の湾曲面を外面（外側をなす面）と規定する。なお、図１では、第１の電極層３の表面が高分子シート１Ａの内面に該当し、第２の電極層４の表面が高分子シート１Ａの外面（外側をなす面）に該当している。ただし、電界を逆方向に与えることにより、高分子シート１Ａの曲げ変形する第１の方向が、第２の電極層４と直交するα２（α１方向と逆方向）となる場合には、第１の電極層３の表面が高分子シート１Ａの外面（外側をなす面）に該当し、第２の電極層４の表面が高分子シート１Ａの内面に該当することになる。
【００２７】
図２は本発明の第１の実施の形態として高分子アクチュエータを示す斜視図、図３は高分子アクチュエータを図２のＹ２方向に見た場合を示す正面図であり、（Ａ）は非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態、また図４は高分子アクチュエータを図２のＸ１方向に見た場合を示す側面図であり、（Ａ）は非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態である。
【００２８】
図２ないし図４に示すように、第１の実施の形態に示す高分子アクチュエータ１０は、互いに独立して動作する二枚の高分子シートから形成されている。すなわち、高分子アクチュエータ１０は、帯状からなる第１の高分子シート（第１の可撓部）２０と、三角形状からなる第２の高分子シート（第２の可撓部）３０の二枚の高分子シートから構成される。
【００２９】
第１の高分子シート（第１の可撓部）２０と第２の高分子シート（第２の可撓部）３０の構造は、上記基本原理と同様であり、その外観の形状が異なるだけである。すなわち、第１の高分子シート２０と第２の高分子シート３０は、ともに電解質層２の両面に一対の電極層を形成する第１の電極層３および第２の電極層４がそれぞれ設けられた構成である。
【００３０】
第１の高分子シート２０と第２の高分子シート３０とは、ともに長手方向をＹ方向に向けるとともに、幅（Ｘ）方向に所定の隙間を空けて並設されている。そして、第１の高分子シート２０の固定端２１と第２の高分子シート３０の固定端３１とが、拘束部材１５ａ，１５ｂによって板厚方向（Ｚ方向）から挟持されることにより、同一平面上に片持支持の状態で固定されている。第１の高分子シート２０および第２の高分子シート３０の他方の端部（先端）は、ともにＺ１−Ｚ２方向に自在に曲げ変形可能な自由端２２，３２を構成している。
【００３１】
一方の第１の高分子シート２０は、固定端２１と自由端２２の間が一定の幅寸法からなる帯状の部材として形成されており、Ｙ軸に平行で且つその中心を通る仮想中心線Ｏａ−Ｏａに対して左右対称の形状である。
【００３２】
他方の第２の高分子シート３０は、固定端３１側の幅寸法が最も幅広く、自由端３２側が最も幅の狭い三角形状の部材として形成されている。第２の高分子シート３０は、Ｙ軸に平行で且つその中心を通る仮想中心線Ｏｂ−Ｏｂに対して左右非対称をなす形状である。特に、第２の高分子シート３０の長手方向に平行に沿う一辺、すなわち図示Ｘ２側の第１の高分子シート２０寄りの一方の一辺３３の長さ寸法は、第２の高分子シート３０の図示Ｘ１側の他方の一辺である斜辺３４の長さ寸法よりも短い構成である。このように、他方の第２の高分子シート３０は左右の辺に寸法差を有して形成されている。
【００３３】
上記構成からなる高分子アクチュエータの動作について説明する。
第１の高分子シート２０と第２の高分子シート３０をそれぞれ構成する第１の電極層３と第２の電極層４との間に所定の電圧を印加すると、第１の高分子シート２０と第２の高分子シート３０の電解質層２，２にそれぞれ電界が発生する。
【００３４】
すると、図２に実線で示すように、第１の高分子シート２０および第２の高分子シート３０に第１の方向α１への曲げ変形が発生し、自由端２２および自由端３２が図示Ｚ１方向に持ち上がるように変形させられる。
【００３５】
このとき、一方の第１の高分子シート２０は左右対称形状であるため、自由端２２は左右方向（Ｘ方向）への振れが少ない状態でＺ１方向に沿ってほぼ真上に持ち上げられる。
【００３６】
これに対し、他方の第２の高分子シート３０の形状は左右非対称であり、図示Ｘ２側の一方の一辺３３の長さ寸法は他方の一辺である斜辺３４よりも短い。このため、斜辺３４側の抵抗値は、長さ寸法の短い図示Ｘ２側の一辺３３側の抵抗値よりも大きく、これにより電界質層２に与えられる電界の大きさは、過渡的に図示Ｘ２側の一辺３３よりも斜辺３４の方が大きくなる。このため、過渡的に見た場合に、電界質層２に分布するイオンの密度は均一ではなく、斜辺３４側よりも図示Ｘ２側の一辺３３側に多くのイオンが分布する。その結果、電解質層２の内部では、斜辺３４側よりも図示Ｘ２側の一辺３３側に偏った位置での体積の膨張が大きくなる。つまり、発生する膨張応力は斜辺３４側よりも図示Ｘ２側の一辺３３側の方が大きく、第２の高分子シート３０にはこれに基づく膨張歪みが発生し、長手方向の伸び量は図示Ｘ２側の一辺３３側よりも斜辺３４側が大きくなる。よって、過渡的に、第２の高分子シート３０を形成する左右の二辺の伸び量に差が発生し、この伸び量の差に基づく捩れが第２の高分子シート３０全体に発生する。
【００３７】
この捩れ変形により、図３（Ｂ）および図４（Ｂ）に示すように、第２の高分子シート３０の自由端３２が、隣接する第１の高分子シート２０の湾曲面の外側をなす面（外面）と当接可能な位置に回り込んで、第１の高分子シート２０の外面に当接し、さらに、第１の高分子シート２０を図示上方（Ｚ１方向）に持ち上げる。よって、第１の高分子シート２０には、第１の高分子シート２０自身の駆動力Ｆ１と、第２の高分子シート３０による駆動力Ｆ２とが同時に第１の方向α１に作用することにより、高分子アクチュエータ１０全体として大きな駆動力（Ｆ１＋Ｆ２）を発生させることができる。
【００３８】
ここで、一般に、高分子シートはその形状が幅寸法Ｗに比較して全長Ｌが長い帯状の場合（Ｗ＜＜Ｌ）には駆動力は小さいが変位量ΔＨは大きく、逆に幅寸法Ｗに比較して全長が短い（Ｗ＞＞Ｌ）場合には変位量ΔＨは小さいが大きな駆動力を発生させるという特徴を有する。本実施の形態では、少なくとも第１の高分子シート２０の形状は細長い帯状（Ｗ＜＜Ｌ）であるため、大きな変位量ΔＨを確保することが可能である。
【００３９】
そして、第１の実施の形態に示す高分子アクチュエータ１０では、このように大きな変位量ΔＨを発生させるとともに、第２の高分子シート３０が第１の高分子シート２０を持ち上げるため、全体として大きな駆動力を発生させることができる。
【００４０】
上記のように、第２の高分子シート３０に捩れ変形を発生させるためには、電界質層２内におけるイオンの分布を制御すればよく、そのために上記のような第２の高分子シート３０の形状を仮想中心線に対して左右非対称とする以外の方法であってもよい。
【００４１】
例えば、第２の高分子シート３０を形成する第１の電極層３および第２の電極層４の導電率を、それぞれの電極層の内部で場所ごとに異ならせることで実現することが可能である。これにより、第２の高分子シート３０自体が、たとえ仮想中心線に対して左右対称形状であっても、左右非対称形状（三角形状）の場合と同様の捩れ変形を生じさせることが可能となる。
【００４２】
ただし、第２の高分子シート３０が仮想中心線に対して左右非対称の形状であり、さらに加えて導電率をそれぞれの電極層の内部で場所ごとに異なるようにすると、さらに捩れ変位量を大きくすることが可能となるため、より大きな駆動力を発生させることができるようになる。
【００４３】
なお、導電率の分布調整は、上述したように、第１の電極層３および第２の電極層４を形成する電解質層に混入する導電性フィラーの割合を変えることにより、あるいは付着させる導電性金属の比率を変えることにより行うことができる。
【００４４】
さらに電解質層２の形状を仮想中心線に対して左右対称とし、その両面に形成する第１の電極層３と第２の電極層４の形状のみが左右非対称となるように形成してもよい。また仮想中心線に対して左右非対称とするには、電解質層２の一部に電極層を形成しない領域を設けるようにして行うものであってもよい。
【００４５】
図５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平面図である。
図５に示す高分子アクチュエータ５０は、一枚の高分子シート１Ａによって形成されている。高分子シート１Ａの構造は、上記基本原理と同様である。ただし、第２の実施の形態では、高分子シート１Ａに一本の切れ目５０ａがシートの途中まで形成されており、この切れ目５０ａにより、第１の可撓部５１と第２の可撓部５２とに分離されている。
【００４６】
一方の第１の可撓部５１は一方の仮想中心線Ｏａ−Ｏａに対して左右対称形状に含まれる細長い帯状として形成され、他方の第２の可撓部５２は他方の仮想中心線Ｏｂ−Ｏｂに対して左右非対称に含まれる略三角形状の形状として形成されている。
【００４７】
このため、上記同様に第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、略三角形状からなる第２の可撓部５２に上記同様の捩れ変形が発生し、第１の可撓部５１の湾曲面の外側に回り込んで第１の可撓部５１の外面に当接してこれを支持することが可能である。よって、上記同様に大きな変位量ΔＨおよび大きな駆動力を発生する高分子アクチュエータ５０とすることができる。
【００４８】
このように、第１の可撓部と第２の可撓部は同じ一枚の高分子シートで形成することもできし、上記第１の実施に形態に示すように二枚の別々の高分子シートで形成することもできる。
【００４９】
図６は本発明の第３の実施の形態を示す高分子アクチュエータの平面図である。
第３の実施の形態に示す高分子アクチュエータ６０は、一方の仮想中心線Ｏａ−Ｏａに対して左右非対称形状からなる第１の高分子シート（第１の可撓部）６１と、他方の仮想中心線Ｏｂ−Ｏｂに対して左右非対称形状からなる第２の高分子シート（第２の可撓部）６２とにより形成される。
【００５０】
第１の高分子シート（第１の可撓部）６１および第２の高分子シート（第２の可撓部）６２が曲げ変形する方向は同じ第１の方向、すなわち紙面の表側から裏側に向かう方向、またはその逆方向である。また第１の高分子シート（第１の可撓部）６１および第２の高分子シート（第２の可撓部）６２が捩れ変形する方向は互いに接近する方向である。このため、一方の第１の高分子シート６１と他方の第２の高分子シート６２とは交差しやすくなっている。よって、一方の第１の高分子シート６１と他方の第２の高分子シートのうちの一方が他方の下に潜り込んで確実に支持することが可能となっている。
【００５１】
このように、本発明の高分子アクチュエータでは、仮想中心線に対して左右対称の高分子シート（第１の可撓部）と左右非対称の高分子シート（第２の可撓部）との組み合わせて形成することができるし、仮想中心線に対して左右非対称を成す二枚の高分子シート（可撓部）を組み合わせることにより形成することもできる。
【００５２】
次に、図７は本発明の第４の実施の形態を示す高分子アクチュエータの平面図である。図７に示すように、可撓部の数は２つに限られるものではなく、複数の可撓部を有する構成であってもよい。
【００５３】
図７に実線で示す高分子アクチュエータ７０では、帯状ないしは爪状からなる複数（図７では４枚）の高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４を湾曲形状の一対の拘束部材７５に板厚方向から挟持され、階段状に隣接配置された状態で固定されている。高分子アクチュエータ７０は、右端のＯ−Ｏ線上に位置する最上段の高分子シート７１が最もＹ１方向に突出するように形成され、高分子シート７１の下段側に隣接して配置された高分子シート７２が２番目に突出しており、高分子シート７２の下段側に隣接して配置された高分子シート７３が３番目に突出している。そして、左端の最下段に設けられた高分子シート７４の突出量が最も小さい。各高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４の構造は上記基本原理と同様である。なお、拘束部材７５の湾曲形状には、波状、円弧形状、楕円形状などが含まれる。
【００５４】
この実施の形態では、最も突出量の大きい最上段の高分子シート７１の左右両辺の長さは同じである。すなわち、最も突出量の大きい高分子シート７１は仮想中心線に対して左右対称となる形状で形成されている。
【００５５】
これに対し、その下段側に隣接配置される高分子シート７２は、高分子シート７１寄りのＸ１側の内辺が短く、逆側（Ｘ２側）である外辺が長くなるように形成されており、左右両辺（内辺と外辺）の長さの間には寸法差ΔＬ１が設けられている。同様に、高分子シート７２の下段側に隣接配置される高分子シート７３には寸法差ΔＬ２設けられ、さらに高分子シート７３の下段側に隣接配置された最下段の高分子シート７４には寸法差ΔＬ３が設けられている。そして、これらの寸法差の関係は、ΔＬ１＜ΔＬ２＜ΔＬ３であり、寸法差ΔＬは最上段に位置する高分子シート７１から最下段の高分子シート７４に向かうほどに大きい。つまり、最も突出量の大きい最上段の高分子シート７１以外の高分子シート７２，７３，７４は、それぞれの仮想中心線に対して左右非対称となる形状で形成されている。
【００５６】
各高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４を形成するそれぞれの第１の電極層３と第２の電極層４との間に電位差に基づく電界を与えると、各高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４はすべて同じ第１の方向（紙面の表側から裏側に向かう方向、またはその逆方向）に曲げ変形が発生する。同時に、高分子シート（可撓部）７２，７３，７４には寸法差ΔＬ１，ΔＬ２，ΔＬ３に応じた捩れ変形が発生する。この場合の捩れ変形の量は、最も大きな寸法差ΔＬ３を有する高分子シート７４が最も大きく、次に寸法差ΔＬ２を有する高分子シート７３が大きく、寸法差ΔＬ１を有する高分子シート７３が最も小さい。
【００５７】
このため、高分子シート７２の自由端が最上段の高分子シート７１の湾曲面の外側に回り込んで高分子シート７１を支持し、その下段側に位置する高分子シート７３の自由端がその上段側に位置する高分子シート７２の湾曲面の外側に回り込んで高分子シート７２を支持し、さらにその下段側に位置する高分子シート７４の自由端がその上段側に位置する高分子シート７３の湾曲面の外側に回り込んで高分子シート７３を支持する。すなわち、最下段に位置する高分子シート７４の自由端がこれに隣接する上段側の高分子シート７３を、この高分子シート７３の自由端がこれに隣接する上段側の高分子シート７２を、さらに高分子シート７２の自由端がこれに隣接する上段側央の高分子シート７１をそれぞれこの順番で支持することができる。
【００５８】
よって、最も突出量の大きい最上段の高分子シート７１には、下段側に位置する高分子シート７２，７３，７４の駆動力が作用するため、高分子シート７１に大きな駆動力を発生させることができる。さらには、各高分子シート７２，７３，７４には捩れ変形が加わるため、高分子シート７１の変位量を大きくすることができる。
【００５９】
なお、電位差に基づく電界を、各高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４に同時に与えると、上記の順番通りに重ならない場合も考えられる。このような場合には、変形する順番が高分子シート７１、高分子シート７２、高分子シート７３、高分子シート７４となるように、各高分子シート（可撓部）に電界を発生させる時間に差（時間差）を設けるようにすると良い。すなわち、最初に最上段の高分子シート７１に電界を与え、次にその下段の高分子シート７２に電界を与え、さらにその下段の高分子シート７３に電界を与え、最後に最下段の高分子シート７４に電界を与えるようにする。これにより、確実に、各高分子シート（可撓部）７１，７２，７３，７４が順番通りに重なるようになり、隣接する一の高分子シート（可撓部）が他の高分子シート（可撓部）を支持することが可能となる。
【００６０】
なお、図７に点線で示すように、中心線Ｏ−Ｏに対して線対象となるように高分子シート（可撓部）７２’，７３’および７４’を形成すると、これらが発生する駆動力を、最も突出量の大きい最上段の高分子シート７１に作用させることが可能となるため、さらに大きな駆動力を発生させること、および高分子シート７１の変位量を大きくすることができる。
【００６１】
なお、図６および図７に示す実施の形態では、各可撓部を別々の高分子シートを用いて構成した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、図５に示す第２の実施の形態同様に一枚のシートから構成したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明における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側面図、
【図２】本発明の第１の実施の形態として高分子アクチュエータを示す斜視図、
【図３】高分子アクチュエータの正面図であり、（Ａ）は非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態、
【図４】高分子アクチュエータの側面図であり、（Ａ）は非駆動状態、（Ｂ）は駆動状態、
【図５】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平面図、
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す高分子アクチュエータの平面図、
【図７】本発明の第４の実施の形態を示す高分子アクチュエータの平面図、
【符号の説明】
【００６３】
1 高分子アクチュエータ
１Ａ 高分子シート
１ａ 固定端
１ｃ 自由端
２ 電解質層
３ 第１の電極層
４ 第２の電極層
５ａ，５ｂ 拘束部材
２０ 第１の高分子シート（第１の可撓部）
３０ 第２の高分子シート（第２の可撓部）
２１，３１ 固定端
２２，３２ 自由端
３３ Ｘ２側の一辺
３４ 斜辺
５０ 高分子アクチュエータ
５０ａ 切れ目
５１ 第１の可撓部
５２ 第２の可撓部
６０ 高分子アクチュエータ
６１ 第１の高分子シート（第１の可撓部）
６２ 第２の高分子シート（第２の可撓部）
７０ 高分子アクチュエータ
７１，７２，７３，７４ 高分子シート（可撓部）
７５ 拘束部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層及び前記電解質層の両面にそれぞれ設けられた一対の電極層とを有し、前記一対の電極間に与えられた電界に応じて主として前記電極層に対して直交する第１の方向に湾曲変形する可撓部が二以上併設された高分子アクチュエータにおいて、
各可撓部の前記電極層間に各可撓部が同じ第１の方向に湾曲する電界を与えたときに、少なくとも一の可撓部が、捩れを含む湾曲変形により、隣接する他の可撓部の湾曲面の外側をなす面と当接可能な位置に回りこみ、該他の可撓部が前記一の可撓部によって支持されることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記一の可撓部は平面視左右非対称の形状である、請求項１記載の高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記一の可撓部に形成された前記一対の電極層の形状が、左右非対称で形成されている請求項１または２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記一の可撓部の両面に形成された前記一対の電極層の導電性が、電極層の内部で場所ごとに異なるものである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
複数の前記可撓部が階段状に隣接配置されており、下段側に位置する一の可撓部が、それよりも上段側に隣接して配置された他の可撓部を支持することが、前記下段側から上段側にかけて順次行われている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項１】
電解質層及び前記電解質層の両面にそれぞれ設けられた一対の電極層とを有し、前記一対の電極間に与えられた電界に応じて主として前記電極層に対して直交する第１の方向に湾曲変形する可撓部が二以上併設された高分子アクチュエータにおいて、
各可撓部の前記電極層間に各可撓部が同じ第１の方向に湾曲する電界を与えたときに、少なくとも一の可撓部が、捩れを含む湾曲変形により、隣接する他の可撓部の湾曲面の外側をなす面と当接可能な位置に回りこみ、該他の可撓部が前記一の可撓部によって支持されることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記一の可撓部は平面視左右非対称の形状である、請求項１記載の高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記一の可撓部に形成された前記一対の電極層の形状が、左右非対称で形成されている請求項１または２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記一の可撓部の両面に形成された前記一対の電極層の導電性が、電極層の内部で場所ごとに異なるものである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
複数の前記可撓部が階段状に隣接配置されており、下段側に位置する一の可撓部が、それよりも上段側に隣接して配置された他の可撓部を支持することが、前記下段側から上段側にかけて順次行われている請求項１ないし４のいずれか１項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７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１２４６６３（Ｐ２０１０−１２４６６３Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９８５１８（Ｐ２００８−２９８５１８）
【出願日】平成２０年１１月２１日（２００８．１１．２１）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２１日（２００８．１１．２１）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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