(57)【要約】【課題】  電場応答性高分子膜の屈曲運動を有限回転運動に直接変換することができ、水溶液中又は湿潤状態に容易に保持することができ、かつ生物的な柔らかい動きができると共にフィードバック制御により、回転位置や、みかけの剛性、内力などを変化させることができる有限回転型高分子アクチュエータを提供する。【解決手段】  両面間に通電したときに屈曲する電場応答性高分子膜からなり渦巻き状に成形された渦巻き膜１２と、渦巻き膜を囲む中空部を有し内部に電場応答性高分子膜に適した保持液を保有する中空容器１４と、中空容器を貫通し軸心を中心に回転可能な回転軸１６と、中空容器を通して渦巻き膜の両面間に通電する電圧印加ライン１８とを備え、渦巻き膜１２の内端が回転軸１６に固定され、渦巻き膜の外端が中空容器１４に固定されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面間に通電したときに屈曲する電場応答性高分子膜からなり渦巻き状に成形された渦巻き膜と、該渦巻き膜を囲む中空部を有し内部に電場応答性高分子膜に適した保持液を保有する中空容器と、該中空容器を貫通し軸心を中心に回転可能な回転軸と、中空容器を通して渦巻き膜の両面間に通電する電圧印加ラインとを備え、
前記渦巻き膜の内端が回転軸に固定され、渦巻き膜の外端が中空容器に固定されている、ことを特徴とする有限回転型高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記渦巻き膜は、渦巻き方向が互いに反対の正巻き膜と逆巻き膜とからなり、該正巻き膜と逆巻き膜は、同一の回転軸に隣接して固定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の有限回転型高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記電圧印加ラインを介して渦巻き膜の両面間に通電しその電圧又は電流を制御する通電制御装置を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の有限回転型高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記電場応答性高分子膜は、イオン導電性高分子膜の両面に電極を備えた導電性高分子金属複合体（ＩＰＭＣ）である、ことを特徴とする請求項１に記載の有限回転型高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記保持液は、ナトリウムイオン、セシウムイオン、又はテトラエチルアンモニウム（ＴＥＡ）イオンをカウンターイオンとして含む水溶液である、ことを特徴とする請求項１に記載の有限回転型高分子アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電場応答性高分子膜の屈曲運動を有限回転運動に直接変換する有限回転型高分子アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療、福祉、ロボット、エンターテイメント産業などの様々な分野で、生物的な柔らかい動きができる高分子アクチュエータが着目されている。高分子アクチュエータとは、高分子材料を主体とし、高分子材料自体が何らかの刺激に対して応答して変形することを利用するアクチュエータをいう。かかる高分子アクチュエータは、非特許文献１、その他に開示されている。
【０００３】
現在、実用化に近いところまで開発が進んでいる高分子アクチュエータ材料のひとつとして、図１１に示すイオン導電性高分子膜（Ｉｏｎｉｃ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  ｇｅｌ  Ｆｉｌｍ：ＩＣＰＦ）が知られている。この高分子膜は、イオン導電性高分子膜１の両面に電極２ａ，２ｂを備えたものであり、イオン導電性高分子金属複合体（Ｉｏｎｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍｅｔａｌ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：ＩＰＭＣ）とも呼ばれる。以下これをＩＰＭＣ膜（又はＩＣＰＦ膜）と呼ぶ。
【０００４】
ＩＰＭＣ膜は、電極間に電圧を加えたときに、高分子内のイオンが膜厚方向に移動し、これに伴い樹脂内の溶媒が膜厚方向に移動し、その結果、膜の一方の面が伸び他方の面が縮むことにより、屈曲する特性を有する。この屈曲運動の応答特性は、低電圧駆動（３Ｖ以下）で応答速度が比較的速く（例えば１０ｍｓ）、変形も大きい。また、機械的、熱的、化学的耐久性にも優れていることが知られている。
以下、ＩＰＭＣ膜のように、両面間に通電したときに屈曲する特性を有する膜を、「電場応答性高分子膜」と総称する。
【０００５】
上述したＩＰＭＣ膜の屈曲運動を利用したアクチュエータとして、例えば、非特許文献２、３、特許文献１〜３等が既に提案されている。
【０００６】
非特許文献２のアクチュエータは、図１２に示すように、一端が固定され互いに平行に延びる２枚のＩＣＰＦ膜とその先端を結ぶ電極のないＰＦＳＦ（Ｐｅｒｆｌｕｏｒｏ-ｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）からなり、２枚のＩＣＰＦ膜に位相の異なる電圧をサイン波で印加し、ＰＦＳＦの中間点Ａを楕円運動させ、この点Ａに接触する対象物を摩擦力で直線駆動又は回転駆動するものである。
【０００７】
非特許文献３のアクチュエータは、図１３に示すように、２枚のＩＰＭＣ膜の中間を可撓性材料（例えばセロハン）で連結して直線状に構成し、その２対（４枚）を互いにほぼ平行に配置し、その両端部を１対の連結部材で連結したものである。各ＩＰＭＣ膜の外側を＋極にして電場を加えることによりそれぞれの膜が外側に屈曲し、中間部がフリージョイントの役割を果たし、全長が収縮するようになっている。従ってこの収縮運動を利用して対象物を直線運動や振子運動させることができる。
【０００８】
特許文献１の「医療用チューブ」は、図１４に示すように、チューブ本体５２の先端部の湾曲部に、筒状のイオン交換樹脂成形品５４とその内面及び外面に形成した少なくとも２対の電極５５ａ，５５ｂ，５６ａ，５６ｂとを有し、この各対の電極に電圧を印加することによって筒状のイオン交換樹脂成形品５４が変形するように構成したものである。
【０００９】
特許文献２の「積層型高分子アクチュエータ」は、変位量をほとんど低下することなく、出力圧を向上させることを目的とし、図１５に示すように、高分子アクチュエータ素子６１の複数個を電気絶縁層６２を介して積層してなり、各素子の電極に各別かつ同時に電圧を印加して複数の素子６１を同一方向に湾曲させるものである。
【００１０】
特許文献３の「高分子アクチュエータ」は、湾曲変位することなく、線方向に伸張／収縮させることを目的とし、図１６に示すように、酸性若しくは塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ハイドロゲル７２ａ，７２ｂと、このハイドロゲルに内設された電極７３ａ，７３ｂとから構成されるゲル／電極複合体７４ａ，７４ｂが電解質水溶液７６中に配設され、電極７３ａ，７３ｂ間に電圧が印加されるに伴って、ゲル／電極複合体７４ａ，７４ｂがそれぞれ体積変化を起こすように構成されたものである。
【００１１】
【非特許文献１】安積欣志、「高分子アクチュエータ」、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２１  Ｎｏ．７，ｐｐ．７０８〜７１２，２００３
【非特許文献２】Ｓ．ＴＡＤＯＫＯＲＯ，ｅｔ  ａｌ．，“Ａｎ  Ｅｌｌｉｐｔｉｃ  Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｄｒｉｖｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ＩＣＰＦ  Ａｃｔｕａｔｏｒ”，  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，１９９６．
【非特許文献３】釜道紀浩、他、「イオン導電性高分子を用いた直動人工筋アクチュエータの開発−歩行ロボットへの応用を目指して−」、日本ロボット学会創立２０周年記念学術講演会、Ｏｃｔ．２００２．
【００１２】
【特許文献１】特開平８-１０３３６号公報、「医療用チューブ」
【特許文献２】特開２００２-３３０５９８号公報、「積層型高分子アクチュエータ」
【特許文献３】特開２００４-１８８５２３号公報、「高分子アクチュエータ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した従来の高分子アクチュエータは、ＩＰＭＣ膜の屈曲をそのまま利用した屈曲運動や、これを変換した直動運動は比較的簡単な機構でできるが、回転運動はできない問題点があった。
そのため、ロボットの指（フィンガー）等の有限回転運動を必要とする場合、歯車、リンク、等の別の機構を付加して回転運動に変換する必要があり、アクチュエータ全体が大型となり、適用が困難又は実質的に不可能だった。
また、高分子アクチュエータは、電場応答性高分子膜の膨潤収縮現象を利用するため、電場応答性高分子膜を常に水溶液中又は湿潤した状態に保持する必要があるが、従来の高分子アクチュエータはこれが困難な問題点があった。
【００１４】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、電場応答性高分子膜の屈曲運動を有限回転運動に直接変換することができ、水溶液中又は湿潤状態に容易に保持することができ、かつ生物的な柔らかい動きができると共にフィードバック制御により、回転位置や、みかけの剛性、内力などを変化させることができる有限回転型高分子アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によれば、両面間に通電したときに屈曲する電場応答性高分子膜からなり渦巻き状に成形された渦巻き膜と、該渦巻き膜を囲む中空部を有し内部に電場応答性高分子膜に適した保持液を保有する中空容器と、該中空容器を貫通し軸心を中心に回転可能な回転軸と、中空容器を通して渦巻き膜の両面間に通電する電圧印加ラインとを備え、
前記渦巻き膜の内端が回転軸に固定され、渦巻き膜の外端が中空容器に固定されている、ことを特徴とする有限回転型高分子アクチュエータが提供される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記渦巻き膜は、渦巻き方向が互いに反対の正巻き膜と逆巻き膜とからなり、該正巻き膜と逆巻き膜は、同一の回転軸に隣接して固定されている。
【００１７】
また、前記電圧印加ラインを介して渦巻き膜の両面間に通電しその電圧又は電流を制御する通電制御装置を備える。
【００１８】
また、前記電場応答性高分子膜は、イオン導電性高分子膜の両面に電極を備えた導電性高分子金属複合体（ＩＰＭＣ）である。
【００１９】
また、前記保持液は、ナトリウムイオン、セシウムイオン、又はテトラエチルアンモニウム（ＴＥＡ）イオンをカウンターイオンとして含む水溶液である。
【発明の効果】
【００２０】
上記本発明の構成によれば、渦巻き膜の内端が回転軸に固定され、渦巻き膜の外端が中空容器に固定されているので、電圧印加ラインを介して渦巻き膜の両面間に通電することにより、電場応答性高分子膜の全体が屈曲し、その屈曲に対応して内端に固定された回転軸を有限回転運動に直接変換することができる。
また、電場応答性高分子膜の屈曲量は、通電時の電圧にほぼ比例し、屈曲方向は通電時の印加電圧の極（正負）で決まるので、電圧印加ラインを介して通電しその電圧又は電流を制御することにより、回転軸の回転方向と回転角度を制御することができる。
さらに、電場応答性高分子膜からなる渦巻き膜で直接回転軸を回転させるので、生物的な柔らかい動きができる。
また、電場応答性高分子膜に適した保持液を保有する中空容器の中空部に渦巻き膜を収容するので、回転軸を中空容器に対してオイルシール等でシールするだけで、電場応答性高分子膜を水溶液中又は湿潤状態に容易に保持することができる。
【００２１】
また、渦巻き膜を、渦巻き方向が互いに反対の正巻き膜と逆巻き膜で構成し、その正巻き膜と逆巻き膜を、同一の回転軸に隣接して固定することにより、正巻き膜と逆巻き膜を独立にフィードバック制御して、回転位置や、みかけの剛性、内力などを変化させることができる。
【００２２】
また、保持液として、ナトリウムイオン、セシウムイオン、又はテトラエチルアンモニウムイオンをカウンターイオンとして含む水溶液を用いることにより、同一の電場応答性高分子膜を用いて、その特性（応答特性、減衰特性、等）を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明の有限回転型高分子アクチュエータの第１実施形態図である。この図は、各構成部材を分解した状態で示しており、本発明の有限回転型高分子アクチュエータ１０は、渦巻き膜１２、中空容器１４、回転軸１６、電圧印加ライン１８、及び通電制御装置２０を備える。
【００２５】
渦巻き膜１２は、両面間に通電したときに屈曲する電場応答性高分子膜からなり渦巻き状に成形されている。電場応答性高分子膜は、イオン導電性高分子膜１の両面に電極２ａ，２ｂを備えた導電性高分子金属複合体（ＩＰＭＣ）であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、両面間に通電したときに屈曲する特性を有する他の電場応答性高分子膜を用いてもよい。イオン交換膜の多くはこの特性を有することが知られている。
渦巻き状に成形する手段は、両面に電極２ａ，２ｂを備えた高分子膜を平板状に成形したのち、同心に巻いてもよく、或いは予め同心に巻いた高分子膜１の両面に電極を形成してもよい。
【００２６】
電極２ａ，２ｂは、金、白金、銅、アルミニウム等の金属であるのが好ましいが、金属以外であっても導電性があればよい。
電極２ａ，２ｂの形成は、例えばＮａｆｏｎ１１７（Ｄｕｐｏｎｔ社）等のイオン交換樹脂膜に、金や白金などの貴金属又は銅、アルミニウムを無電解めっき法によりめっきするのがよい。
すなわち、まず、イオン交換膜すなわち電場応答性高分子膜に、化学めっき法により、形成したい金属の錯体水溶液中で、イオン交換により表面に錯体を吸着させる。次いで、適当な還元水溶液中で還元することにより、接合強度の強い金属層が還元析出される。更に通常の化学めっき又は上述した吸着・還元を繰り返すことにより所望の厚さに金属膜を形成することができる。
【００２７】
また、渦巻き膜１２の渦巻きの間には、絶縁フィルム３が間隔を開けて緩く挟まれており、電極間の接触を防いでいる。なお、透水性の絶縁フィルム３を渦巻き膜１２の片面又は両面に形成してもよい。
【００２８】
中空容器１４は、容器本体１４ａと蓋１４ｂからなる。容器本体１４ａは、渦巻き膜１２を囲む中空部を有し、内部に電場応答性高分子膜に適した保持液１５を保有する。蓋１４ｂは、容器本体１４ａの中空部に渦巻き膜１２を収容した状態で、容器本体１４ａの開口部を水密に閉じるようになっている。回転軸１６は、その少なくとも一端が外部まで貫通した状態となり、図示しないシール装置で保持液１５が漏れないようにシールされる。
【００２９】
保持液１５は、ナトリウムイオン、セシウムイオン、又はテトラエチルアンモニウム（ＴＥＡ）イオンをカウンターイオンとして含む水溶液である。カウンターイオンに相違により、同一の電場応答性高分子膜であってもその特性（応答特性、減衰特性、等）が変化するので、必要な特性に応じて適当な濃度の水溶液に浸してカウンターイオンを交換（ドーピング）する。
なお、保持液１５は、渦巻き膜１２及び回転軸１６の運動に影響しない限りで、可撓性部材（スポンジ等）に含浸させたもの、或いはゲル状であってもよい。
【００３０】
回転軸１６は、中空容器１４を貫通して、その軸心を中心に回転可能に中空容器１４に支持されて、図示しないシール装置で保持液１５が漏れないようにシールされている。
【００３１】
渦巻き膜１２の内端は、回転軸１６の外面に固定され、渦巻き膜の外端は中空容器１４の内面に固定されている。渦巻き膜１２と回転軸１６の固定は、膜端部のねじれがそのまま軸に伝達されるように剛に連結し、渦巻き膜１２と中空容器１４の固定は、回転が可能な連結であるのが好ましい。なお、この連結によっても、両面の電極２ａ，２ｂ間の絶縁は保持されるように構成する。
【００３２】
電圧印加ライン１８は、渦巻き膜１２の両面の電極２ａ，２ｂに接続する２本の信号線１８ａ，１８ｂからなり、中空容器１４を通して渦巻き膜１２の両面間に通電する。
【００３３】
通電制御装置２０は、電源及び制御装置（ＰＣ等）からなり、電圧印加ライン１８を介して渦巻き膜１２の両面間に通電しその電圧又は電流を制御する。また、後述するフィードバック制御を行うために、平衡位置からのロータ軸の回転角を検出する角度検出器（図示せず）を備えるのがよい。
【００３４】
図２は、図１の作動説明図である。この図において、（Ａ）は、電圧（又は電流）を印加していないフリー状態、（Ｂ）は、渦巻き膜１２の内面の電極に正（＋）の電圧、外面の電極に負（−）の電圧を印加した印加状態（以下、「正印加状態」と呼ぶ）である。
上述したように、電場応答性高分子膜（ＩＰＭＣ膜）は、電極間に電圧を加えたときに、高分子内のイオン（カウンターイオン）が膜厚方向に移動し、これに伴い樹脂内の溶媒（例えば水分子）が膜厚方向に移動し、その結果、膜の一方の面（負極側）が伸び他方の面（正極側）が縮むことにより、正極側に曲がる特性を有する。
【００３５】
従って、上記本発明の構成によれば、渦巻き膜１２の内端が回転軸１６に固定され、渦巻き膜１２の外端が中空容器１４に固定されているので、電圧印加ライン１８を介して渦巻き膜の両面間に正印加状態で通電することにより、電場応答性高分子膜（すなわち渦巻き膜１２）の全体が正極側に曲がり、その屈曲に対応して内端に固定された回転軸１６を有限回転運動（この例で角度θ１）に直接変換することができる。
また、図２（Ｂ）と逆に、外面の電極に正（＋）の電圧、内面の電極に負（−）の電圧を印加（以下、「逆印加状態」と呼ぶ）すれば、同様の作用により、回転軸１６を逆回転の有限回転運動に直接変換することができる。
【００３６】
図３は、本発明の有限回転型高分子アクチュエータの第２実施形態図である。この図も、各構成部材を分解した状態で示している。この例において、渦巻き膜１２は、渦巻き方向が互いに反対の正巻き膜１２ａと逆巻き膜１２ｂとからなる。また、正巻き膜１２ａと逆巻き膜１２ｂは、同一の回転軸１６に隣接して固定されている。その他の正巻き膜１２ａと逆巻き膜１２ｂの構成は、上述した渦巻き膜１２と同様である。
【００３７】
電圧印加ライン１８は、正巻き膜１２ａと逆巻き膜１２ｂの両面の電極２ａ，２ｂにそれぞれ接続する２組（１組は２本の信号線１８ａ，１８ｂ）からなり、それぞれ中空容器１４を通して正巻き膜１２ａと逆巻き膜１２ｂの両面間に通電する。
【００３８】
通電制御装置２０は、同様に電源及び制御装置（ＰＣ等）からなり、電圧印加ライン１８を介して２つの渦巻き膜１２（正巻き膜１２ａと逆巻き膜１２ｂ）の両面間に通電する電圧又は電流を制御する。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。なお、同様に２組（４枚）以上の渦巻き膜１２で構成してもよい。
【００３９】
図４は、図３の作動説明図である。この図において、（Ａ）は正巻き膜１２ａの作動、（Ｂ）は逆巻き膜１２ｂの作動を示し、両方とも内面の電極に正（＋）の電圧、外面の電極に負（−）の電圧を印加した正印加状態である。
【００４０】
この構成によれば、図４（Ａ）に示すように、正巻き膜１２ａの両面間に通電して正印加状態にすることにより、電場応答性高分子膜（すなわち渦巻き膜１２）の全体が屈曲し、外端が固定されているので、その屈曲に対応して内端に固定された回転軸１６を有限回転運動（この例で角度θ１）に直接変換することができる。
また、図４（Ｂ）に示すように、逆巻き膜１２ｂの場合は、同じ正印加状態において、回転軸１６を逆方向の有限回転運動（この例で角度−θ２）に直接変換することができる。
【００４１】
すなわち、図４（Ａ）（Ｂ）のように、正巻き膜１２ａ及び逆巻き膜１２ｂの両方を正印加状態に印加した場合には、それぞれ逆方向に回転し、回転トルクがバランスする中間位置まで回転する。
更に、角度をフィードバックすることによって、以下に示すように、回転トルクがバランスする位置の指定と、剛性の制御、及び内力の制御などが可能となる。
【００４２】
（理論的解析）
以下、角度計測に基づくフィードバック制御を行うことで、回転剛性及び停止角度を変化させられることを示す。
ＩＰＭＣ膜が発生するトルクは、それぞれの膜に加えた電圧に比例し、［数１］の式（１）で示され、これから回転型アクチュエータの運動方程式は式（２）となる。
ここで、τａ（ｔ）はＩＰＭＣ膜がロータ軸に与えるトルク、τｔ（ｔ）はロータ軸に加わる負荷トルク、Ｇｍｖａ１、Ｇｍｖａ２は、ＩＰＭＣ膜１２ａ，１２ｂに加えた電圧ｖ１（ｔ），ｖ２（ｔ）から発生トルクまでの伝達関数、ｍは慣性モーメント、ｃは減衰係数、ｋはばね定数、θは平衡位置からのロータ軸の回転角である。
次に、回転位置と剛性を制御するため、それぞれのＩＰＭＣ膜に加える電圧を［数１］の式（３）として定める。ここでｋｆはフィードバックによって増加させる剛性、θｄは回転トルクがバランスする希望する角度、αは任意に設定できる内力であって２つのトルクの拮抗により打ち消される。
式（２）（３）から、［数１］の式（４）が導かれる。
式（４）から、剛性がｋからｋ＋ｋｆに変化し、外力によるトルクτｔが０のときの停止角度がθｄになることがわかる。
【００４３】
【数１】
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【００４４】
まとめると、図４（Ａ）（Ｂ）の正巻き膜１２ａ及び逆巻き膜１２ｂの両方を独立にフィードバック制御することにより、回転位置の指定や、見かけの剛性を高めたり、変化させたりすることができる。
【００４５】
また、正巻き膜１２ａと逆巻き膜１２ｂの印加状態を逆にした場合（例えば、正巻き膜１２ａを正印加状態、逆巻き膜１２ｂを逆印加状態）には、両方とも同一方向に回転するので、回転トルクを高めることができる。
【実施例１】
【００４６】
ＩＰＭＣ膜を２枚用い、図３に示した有限回転型高分子アクチュエータ（以下、試作アクチュエータと呼ぶ）を試作した。
ＩＰＭＣ膜は、幅５ｍｍ、厚さ０．１８ｍｍ、長さ５０ｍｍであり、カウンターイオンはＮａ＋である。
また試作アクチュエータは、ＩＰＭＣ膜を２枚使った拮抗型である。これは、通常ＩＰＭＣ膜はまっすぐな梁状のものであるため、巻き戻ってしまわないように２枚用いて拮抗させるためである。なお予め渦巻き状に成形されたＩＰＭＣ膜を１枚で使い、図１のように非拮抗型としてもよい。
【００４７】
（試作アクチュエータの構造）
試作アクチュエータは、図３に示したように短冊状のＩＰＭＣ膜１２ａ，１２ｂ、アクチュエータケース１４、ロータ軸１６から構成される。ＩＰＭＣ膜１２ａ，１２ｂの一端をロータ軸に取り付け、渦巻き状になるように他端をアクチュエータケース１４の内壁に固定する。２枚のＩＰＭＣ膜１２ａ，１２ｂを渦巻きの向きが逆方向になるように取り付けることで、２つのＩＰＭＣ膜からなる拮抗型のアクチュエータとした。なお、ＩＰＭＣ膜と内壁との固定部分には導線１８ａ，１８ｂを接触させ電圧を印加できるようにした。
【００４８】
（駆動電圧と回転角度）
図５は、試作アクチュエータの電圧と回転角度の関係図である。この図は、外力を加えない状態で電圧を加えたときに、回転した角度を計測した結果である。ロータの静止摩擦の影響があるため、計４回の測定を行いその平均値を求めた。なお、実験では、上述した方法により、図３に示したＩＰＭＣ膜１２ａ，１２ｂの回転方向が同じになるように電圧を加えた。
実験に用いたＩＰＭＣ膜は長さ５０ｍｍであるため回転角度は小さいが、より長いＩＰＭＣ膜を用いることによって、回転角度を大きくすることが可能である。
【００４９】
（駆動電圧とトルク）
図６は、試作アクチュエータの電圧とトルクの関係図である。この図は、回転しないように固定した状態で電圧を加えたときに、発生したトルクを計測した結果である。
【００５０】
この実験に用いたＩＰＭＣ膜は幅５ｍｍ、厚さ０．１８ｍｍであるが、より幅や厚さの大きなＩＰＭＣ膜を用いることによって、より大きなトルクを発生させることが可能である。また、今回は２枚のＩＰＭＣ膜を用いているが、より多くの枚数のＩＰＭＣ膜をロータに取り付け並列化することにより、枚数に応じてトルクを発生させることが可能である。
【実施例２】
【００５１】
ＩＰＭＣ膜を２枚用い、実施例１と同様に図３に示した有限回転型高分子アクチュエータ（以下、試作アクチュエータと呼ぶ）を試作した。
２枚のＩＰＭＣ膜はＮａｆｉｏｎ１１７に金めっきを５回行って作製した。また、ＩＰＭＣ膜の寸法は長さ５０ｍｍ、幅６．０ｍｍ、厚さ約０．２ｍｍであった。これを、カウンターイオンがＮａ＋の水溶液中で使用した。
【００５２】
（モデル化／機械特性）
はじめに、アクチュエータに固有の回転剛性（回転ばね定数）を求める。渦巻き状のＩＰＭＣ膜は曲がり梁（渦巻きばね）であることを考え、平衡位置からの微小変形を仮定する。分布曲げモーメントは位置によらず一定でロータ軸のトルクτ［Ｎｍ］と一致するとし、曲げモーメントによる渦巻きばねの弾性ポテンシャルエネルギＵ［Ｊ］は、［数２］の式（５）で与えられる。ここで、Ｅ［Ｐａ］はヤング率、Ｉ［ｍ４］は断面２次モーメント、Ｌ［ｍ］は梁の全長である。
【００５３】
平衡位置からのロータ軸の回転角をθ［ｒａｄ］とおくと、Ｃａｓｔｉｇｌｉａｎｏの第２定理より、式（５）のＵをτで微分して、［数２］の式（６）が求まる。ここでｋ［Ｎｍ／ｒａｄ］は回転ばね定数である。拮抗型の場合には、回転ばね定数はそれぞれのＩＰＭＣ膜の回転ばね定数の和となる。
【００５４】
次に、ロータ軸とＩＰＭＣ膜の慣性および減衰効果を考えると、［数２］の式（７）の運動方程式を導くことができる。ここで、ｍ［ｋｇｍ２］は慣性モーメント、ｃは減衰係数［Ｎｍｓ／ｒａｄ］、τａ（ｔ）［Ｎｍ］は電圧を加えることでＩＰＭＣ膜がロータ軸に与えるトルク、τｔ（ｔ）［Ｎｍ］はロータ軸に加わる負荷トルクを表す。
【００５５】
【数２】
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【００５６】
（電気機械変換系と電気インピーダンス）
ＩＰＭＣ膜に加えた電圧から発生したトルクまでの動特性とＩＰＭＣ膜の電気インピーダンスは、線形システムと仮定しそれぞれ伝達関数Ｇτａｖａ（ｓ）、Ｚｐ（ｓ）で表現する。
前述の機械系と、電気機械変換系、電気インピーダンスをあわせた全体の系を図７に示す。
【００５７】
（同定実験）
ロータ軸に長さ５０ｍｍの軽い棒を直角に取り付け、棒の変位と力を、それぞれレーザ変位計と微小荷重ロードセルで計測した。棒の長さから、変位と力をそれぞれ回転角とトルクに換算した。
【００５８】
（機械系の同定）
はじめに、電圧は加えず外力としてトルクを加え、回転した角度を計測した。３３点の角度とトルクのデータに対して最小２乗法を用い、ばね定数ｋを同定した。
次に、ロータ軸を自由振動させ、回転角の時間応答から固有振動数と減衰率を求め、慣性モーメントと減衰係数を同定した。固有角振動数ωｎは３９．２［ｒａｄ／ｓ］、減衰率ζは０．２１０であり、慣性モーメントｍ（＝ｋ／ωｎ２）と減衰係数ｃ（＝２ｍζωｎ）を同定した。
表１に、同定されたｍ、ｃ、ｋの値を示す。
【００５９】
【表１】
2006136059.tif 000005
【００６０】
（電気機械変換系の同定）
ロータ軸を固定した状態で１［Ｖ］の電圧を加えトルクのステップ応答を計測した。計測結果を図８に示す。この図において、横軸は時間［ｓ］、縦軸はトルク［Ｎｍ］である。
この図に示すように、ステップ入力後の時間の経過につれトルクはゆっくりと減少するが、ほぼ一定であることがわかる。なお、ステップ入力直後の振動はロードセルの振動によるものと考えられる。伝達関数Ｇτａｖａ（ｓ）は定数であると近似し、ステップ電圧を加えて１秒経過したのち約６秒間の平均トルクから伝達関数Ｇτａｖａを求めた。
この結果、伝達関数Ｇτａｖａ＝５．５×１０-６［Ｎｍ／Ｖ］と同定された。
【００６１】
（システムの周波数応答）
正弦波電圧を０．１［Ｈｚ］から１００［Ｈｚ］まで３回に分けてスイープし、加えた電圧から回転角度までの無負荷時の時間応答を計測し、ＦＦＴを用いて周波数応答を得た。図９に得られた周波数応答特性を示す。実線は実験値、破線は同定されたパラメータを用いて伝達関数をプロットしたものである。両者はよく一致している。
また、図１０はインピーダンスＺｐ（ｓ）の周波数応答を示す。低周波域ではゲインと位相がそれぞれ約−１０［ｄＢ／ｄｅｃ］と約−４５［ｄｅｇ］の特性をもち、また高周波域では純抵抗の特性に近づくことがわかる。
【００６２】
上述したように、本発明の有限回転型高分子アクチュエータは、電圧印加ラインを介して渦巻き膜の両面間に通電することにより、電場応答性高分子膜の全体が屈曲し、外端が固定されているので、その屈曲に対応して内端に固定された回転軸を有限回転運動に直接変換することができる。
また、電場応答性高分子膜の屈曲量は、通電時の電圧にほぼ比例し、屈曲方向は通電時の印加電圧の極（正負）で決まるので、電圧印加ラインを介して通電しその電圧又は電流を制御することにより、回転軸の回転方向と回転角度を制御することができる。
さらに、電場応答性高分子膜からなる渦巻き膜で直接回転軸を回転させるので、生物的な柔らかい動きができる。
また、電場応答性高分子膜に適した保持液を保有する中空容器の中空部に渦巻き膜を収容するので、回転軸を中空容器に対してオイルシール等でシールするだけで、電場応答性高分子膜を水溶液中又は湿潤状態に容易に保持することができる。
【００６３】
また、渦巻き膜を、渦巻き方向が互いに反対の正巻き膜と逆巻き膜で構成し、その正巻き膜と逆巻き膜を、同一の回転軸に隣接して固定することにより、正巻き膜と逆巻き膜を独立にフィードバック制御して、回転位置や、みかけの剛性、内力などを変化させることができる。
【００６４】
従って、本発明の高分子アクチュエータは柔軟な回転駆動が可能な機械要素として用いることができる。例えば、ロボットの関節駆動には、実際のところ有限の回転角度で十分である。ほかに、医療、福祉、ホビー、水中用機械への応用が可能である。
【００６５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の有限回転型高分子アクチュエータの第１実施形態図である。
【図２】図１の作動説明図である。
【図３】本発明の有限回転型高分子アクチュエータの第２実施形態図である。
【図４】図３の作動説明図である。
【図５】試作アクチュエータの電圧と回転角度の関係図である。
【図６】試作アクチュエータの電圧とトルクの関係図である。
【図７】本発明のアクチュエータモデルのブロック図である。
【図８】試作アクチュエータのステップ入力後の時間とトルクの関係図である。
【図９】試作アクチュエータの周波数応答特性図である。
【図１０】試作アクチュエータのインピーダンスＺｐ（ｓ）の周波数応答特性図である。
【図１１】イオン導電性高分子金属複合体（ＩＰＭＣ膜）の構成図である。
【図１２】非特許文献２のアクチュエータの構成図である。
【図１３】非特許文献３のアクチュエータの構成図である。
【図１４】特許文献１の「医療用チューブ」の構成図である。
【図１５】特許文献２の「積層型高分子アクチュエータ」の構成図である。
【図１６】特許文献３の「高分子アクチュエータ」の構成図である
【符号の説明】
【００６７】
１  イオン導電性高分子膜、２ａ，２ｂ  電極、３  絶縁フィルム、
１０  有限回転型高分子アクチュエータ、
１２  渦巻き膜（ＩＰＭＣ膜）、１２ａ  正巻き膜、１２ｂ  逆巻き膜、
１４  中空容器（アクチュエータケース）、１４ａ容器本体、１４ｂ蓋、
１５  保持液、１６  回転軸（ロータ軸）、
１８  電圧印加ライン、１８ａ，１８ｂ  信号線（導線）、
２０  通電制御装置
【図１】
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【図２】
2006136059.tif 000007
【図３】
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【図４】
2006136059.tif 000009
【図５】
2006136059.tif 000010
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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