(57)【要約】【課題】湾曲変位することなく、線方向に伸張／収縮することができ、軽量でありかつ低電圧動作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】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２ａ、２ｂと、この高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂに内設された電極３ａ、３ｂとから構成されるゲル／電極複合体４ａ、４ｂが電解質水溶液６中に配設され、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの電極３ａ、３ｂ間に電圧が印加されるに伴ってゲル／電極複合体４ａ、４ｂがそれぞれ体積変化を起こすように構成された、高分子アクチュエータ１。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ゲルと、この高分子ゲルに内設された電極とから構成されるゲル／電極複合体の複数個が電解質溶液中に配設され、前記複数のゲル／電極複合体の前記電極間に電圧が印加されるに伴って前記複数のゲル／電極複合体がそれぞれ体積変化を起こすように構成された、高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記電極間に電圧が印加されるに伴って、前記複数のゲル／電極複合体周辺における前記電解質溶液のｐＨが変化し、このｐＨ変化に応じて前記複数のゲル／電極複合体の前記体積変化が起こる、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項３】
酸性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなる前記ゲル／電極複合体と、塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなる前記ゲル／電極複合体とを各々１個以上有する、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記ゲル／電極複合体を構成する前記高分子ゲルが、酸性の官能基と塩基性の官能基とを有する高分子を含有する、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記ゲル／電極複合体を構成する前記高分子ゲルが、酸性の官能基を有する高分子と、塩基性の官能基を有する高分子との混合物を含有する、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項６】
前記複数のゲル／電極複合体がほぼ平行に配設されている、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記複数のゲル／電極複合体が、容器内に配設されてその両端から前記電極が取り出され、前記容器内には前記電解質溶液が充填されている、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項８】
前記容器が前記複数のゲル／電極複合体の前記体積変化に追随する伸縮性を有している、請求項７に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項９】
前記高分子ゲルが高分子ハイドロゲルからなり、前記電解質溶液が電解質水溶液からなる、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項１０】
前記ゲル／電極複合体を構成する前記電極が、コイル状の金属線又は金属網である、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項１１】
前記ゲル／電極複合体を構成する前記電極が、前記高分子ゲル内に混合、分散される電子導電性を有する粒子状又は繊維状の物質である、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項１２】
前記ゲル／電極複合体を構成する前記電極が、前記コイル状の金属線又は前記金属網と、前記電子導電性粒子状物質又は前記電子導電性繊維状物質とからなる、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【請求項１３】
前記電極が金、白金、パラジウム、非晶質炭素、黒鉛のうちの少なくとも１種からなる、請求項１に記載した高分子アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、介護支援、危険作業、エンタテインメント等の様々な方面からロボットが注目されている。これらの用途に適用されるロボットは、動物のように多くの関節（可動部）を有し、複雑な動作を可能とすることが求められる。
【０００３】
この可動部を駆動するアクチュエータとして、従来から磁気回転モーターが用いられているが、構成材料が金属のためにアクチュエータ重量が大きいという欠点がある。可動部にアクチュエータを組み込む場合、可動部を動作させる際にアクチュエータ重量が負荷となる。このため、重量の大きいアクチュエータを用いるには大出力が求められ、大出力のアクチュエータは大型、大重量となってしまうという解決困難な矛盾が生じる。また、磁気回転モーターを用いる場合、必要な回転数、トルクに調整するための減速器が必要となり、この減速器に用いられるギヤは磨耗により徐々に性能低下するという欠点もある。低速回転で高トルクが得られる超音波モーターは減速器が不要だが、これも金属材料で構成されるために重量が大きい。
【０００４】
このため、近年では、軽量でありかつ柔軟性に富んだ高分子材料によって構成される高分子アクチュエータが注目されている。この高分子アクチュエータとしては、例えばポリフッ化ビニリデン等を用いた高分子圧電素子、電子導電性高分子等を用いた導電性高分子アクチュエータ、高分子ゲル等を用いたゲルアクチュエータ等が知られている。
【０００５】
上記のゲルアクチュエータ、特に水膨張高分子ゲルを用いる高分子ハイドロゲルアクチュエータは、高分子ハイドロゲルが周囲の温度、イオン強度、ｐＨといった環境に応答して体積変化することを利用するものである。その変位量は３０〜５０％と大きく、発生力も０．２〜０．４ＭＰａであり、生体骨格筋に匹敵する性能を発揮する。しかしながら、温度は加熱、冷却ともに高速制御が困難であり、またイオン強度やｐＨは周囲電解液をポンプ等を用いて強制交換しなければならず、これに用いる電解液を蓄えるタンクも必要となることから、小型軽量なシステムとして不向きである。
【０００６】
一方、ｐＨ応答性高分子ハイドロゲルは、ゲルを構成する高分子内に酸性或いは塩基性の官能基を有しており、ゲル周囲における水溶液のｐＨによって膨張度、ゲル体積が変化するものである。例えば、酸性基を有するｐＨ応答性高分子ハイドロゲルを用いる場合、ゲル周囲における電解質水溶液のｐＨが高いときには、ゲル中の酸性基がプロトンを解離してアニオンとなり、親水性が増すと共に負電荷の分子内或いは分子間での反発が働き、ゲルは膨張する。逆に、ゲル周囲における電解質水溶液のｐＨが低いときには、ゲル中の酸性基は解離せず、さらに酸性基同士で水素結合を形成するなどしてゲルは収縮する。
【０００７】
ここで、上記の酸性基を有するｐＨ応答性高分子ハイドロゲルに代えて、塩基性基を有するｐＨ応答性高分子ハイドロゲルを用いる場合は、上記の反応とは逆に、ゲル周囲における電解質水溶液のｐＨが高いときには、ゲル中の塩基性基がプロトン化してカチオンとなり、親水性が増すと共に正電荷の分子内或いは分子間での反発が働き、ゲルは膨張する。
【０００８】
上記のようにして、ｐＨ応答性高分子ハイドロゲルを用いる場合、電解質水溶液中に電極を配設して１〜３Ｖ程度の電圧を印加すると、電解質水溶液中にイオン濃度勾配が形成され、電極近傍のｐＨを変化させることが可能である。この現象を利用することにより、加熱冷却装置、ポンプ、タンク等を必要とせずに、ｐＨ応答性高分子ハイドロゲルの膨張／収縮を、１〜３Ｖといった低い電圧で制御することが可能となる。
【０００９】
実際には、図５に示すように、電解質水溶液１１が充填された容器１０中に２枚の電極板１２ａ及び１２ｂを配設し、この電極１２ａ、１２ｂ間に酸性基を有する高分子からなるｐＨ応答性高分子ハイドロゲル１３を設置し、電極１２ａ、１２ｂ間に電圧を印加すると、陽極１２ｂ周辺の電解質水溶液１１のｐＨが上昇することによって陽極１２ｂ側のゲル１３が膨張する。これと同時に、陰極１２ａ周辺の電解質水溶液１１のｐＨが低下することによって陰極１２ａ側のゲル１３が収縮する。従って、結果として図５に示すように、ゲル１３は湾曲変形する。なお、塩基性基を有する高分子からなるｐＨ応答性高分子ハイドロゲルでは、上記と逆向きに湾曲変形する。
【００１０】
この変形を利用してアクチュエータとすることも可能であり、ｐＨ応答性高分子ハイドロゲル膜の両面に電極を配置し、これら電極間に電圧を印加することで電気化学的に湾曲変位を得るアクチュエータも知られている（例えば、後記の特許文献１参照。）。なお、この湾曲変位アクチュエータの長さ方向変位発生力は、例えば約０．０１ＭＰａ程度である。
【００１１】
【特許文献１】
特公平７−９７９１２号公報、第３欄の３０行目〜第４欄の２６行目
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、湾曲変位するアクチュエータは、生体骨格筋のように線方向に伸張／収縮するものに比べてロボットの関節等に利用することが難しく、また湾曲変形から得られる発生力は一般に弱い。
【００１３】
さらに、電極間隔を広げてゲルをいずれか一方の電極に近づけることで、もう一方の電極による影響を避け、ゲルを湾曲させずに膨張（伸張）／収縮させることも可能であるが、ゲルの膨張／収縮を妨げずにゲルを電極近傍に固定することも非常に困難である。
【００１４】
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、湾曲変位することなく、線方向に伸張／収縮することができ、軽量でありかつ低電圧動作が可能な高分子アクチュエータを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、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ゲルと、この高分子ゲルに内設された電極とから構成されるゲル／電極複合体の複数個が電解質溶液中に配設され、前記複数のゲル／電極複合体の前記電極間に電圧が印加されるに伴って前記複数のゲル／電極複合体がそれぞれ体積変化を起こすように構成された、高分子アクチュエータに係るものである。
【００１６】
本発明によれば、前記複数のゲル／電極複合体が前記電解質溶液中に配設され、前記複数のゲル／電極複合体の前記電極間に電圧が印加されるに伴って前記複数のゲル／電極複合体がそれぞれ体積変化を起こすように構成されているので、上記したような従来の加熱冷却装置、ポンプ、タンク等を必要とせず、軽量化を図ることができ、また、例えば１〜３Ｖといった低い電圧で制御することが可能である。
【００１７】
また、前記複数のゲル／電極複合体が、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ゲルと、この高分子ゲルに内設された電極とから構成されているので、従来のように湾曲変位することなく、例えば生体骨格筋のように線方向に伸張／収縮することができる。
【００１８】
従って、前記複数のゲル／電極複合体の前記体積変化によって得られる発生力の向上を図ることができ、例えばロボットの関節（可動部）等に好適に利用することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明において、前記高分子ゲルが高分子ハイドロゲルからなり、前記電解質溶液が電解質水溶液からなることが好ましい。
【００２０】
また、本発明に基づく高分子アクチュエータは、酸性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなる前記ゲル／電極複合体と、塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなる前記ゲル／電極複合体とを各々１個以上有することが好ましい。
【００２１】
図１は、本発明に基づく高分子アクチュエータ１の一構成例の概略斜視図である。また、図２は、図１の本発明に基づく高分子アクチュエータ１の概略断面図である。
【００２２】
図１及び図２に示すように、本発明に基づく高分子アクチュエータ１は、酸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２ａと、この高分子ハイドロゲル２ａに内設された電極３ａとからなる、ゲル／電極複合体（以下、酸性ゲル／電極複合体と称する場合がある。）４ａと；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２ｂと、この高分子ハイドロゲル２ｂに内設された電極３ｂとからなる、ゲル／電極複合体（以下、塩基性ゲル／電極複合体と称する場合がある。）４ｂと；を有することが好ましい。
【００２３】
また、ゲル／電極複合体４ａ及び４ｂが、容器５内に配設されており、その両端から電極３ａ、３ｂが取り出され、容器５内には電解質水溶液６が充填されている。なお、ゲル／電極複合体４ａ及び４ｂがほぼ平行に配設されている。ここで、容器５は、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの前記体積変化に追随する伸縮性を有することが望ましい。
【００２４】
そして、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの電極３ａ、３ｂ間に電圧が印加されるに伴って、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂ周辺における電解質水溶液６のｐＨが変化し、このｐＨ変化に応じてゲル／電極複合体４ａ、４ｂの前記体積変化が起こる。
【００２５】
即ち、酸性ゲル／電極複合体４ａにおける電極３ａを陰極、塩基性ゲル／電極複合体４ｂにおける電極３ｂを陽極として１〜３Ｖの電圧を印加すると、陰極３ａ周辺における電解質水溶液６のｐＨは低下する。ｐＨが低下した場合、酸性ゲル／電極複合体４ａ中の酸性基は解離せず、さらに酸性基同士で水素結合を形成するなどして、酸性ゲル／電極複合体４ａは収縮する。一方、１〜３Ｖの電圧を印加すると、陽極３ｂ周辺における電解質水溶液６のｐＨは上昇する。ｐＨが上昇した場合、塩基性ゲル／電極複合体４ｂ中の塩基性基はプロトン化せず、さらに塩基性基同士で水素結合を形成するなどして、塩基性ゲル／電極複合体４ｂは収縮する（図２（ｂ））。
【００２６】
また、電圧印加をやめるか、或いは上記とは逆向きの電圧を印加すれば、酸性ゲル／電極複合体４ａ周辺における電解質水溶液６のｐＨは上昇する。ｐＨが上昇した場合、酸性ゲル／電極複合体４ａ中の酸性基がプロトンを解離してアニオンとなり、親水性が増すと共に、負電荷の分子内或いは分子間での反発が働き、酸性ゲル／電極複合体４ａは膨張する。一方、塩基性ゲル／電極複合体４ｂ周辺における電解質水溶液６のｐＨは低下する。ｐＨが低下した場合、塩基性ゲル／電極複合体４ｂ中の塩基性基がプロトン化してカチオンとなり、親水性が増すと共に、正電荷の分子内或いは分子間での反発が働き、塩基性ゲル／電極複合体４ｂは膨張する（図２（ａ））。
【００２７】
本発明に基づく高分子アクチュエータ１によれば、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂが電解質水溶液６中に配設され、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの電極３ａ、３ｂ間に電圧が印加されるに伴って、上述したように、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂがそれぞれ体積変化を起こすように構成されているので、加熱冷却装置、ポンプ、タンク等を必要とせず、軽量化を図ることができ、また、例えば１〜３Ｖといった低い電圧で制御することができる。
【００２８】
また、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂが、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２ａ、２ｂと、この高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂに内設された電極３ａ、３ｂとから構成されるので、どちらのゲル／電極複合体４ａ、４ｂも電圧に対して同方向に膨張／収縮することができ、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの形状が図示するように棒状であっても、従来のように湾曲変位することなく、長さ方向の伸張／収縮変位（線方向変位）を両方のゲル／電極複合体４ａ、４ｂから取り出すことが可能となる。
【００２９】
さらに、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂが前記体積変化を起こしても、高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂが電極３ａ、３ｂから離れることがないので、効率的に周囲のｐＨ変化をゲル／電極複合体４ａ、４ｂに伝えることができ、より一層効果的な伸張／収縮を行うことができる。
【００３０】
従って、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの前記体積変化によって得られる発生力をより一層向上させることができ、例えばロボットの関節（可動部）等に好適に利用することができる。
【００３１】
本発明に基づく高分子アクチュエータ１において、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂを構成する電極３ａ、３ｂは、高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂの前記体積変化を阻害せず追従する電子導電体であることが望ましく、例えば図１〜図３に示すような、コイル状の金属線であることが好ましい。この場合、弾性変形によってゲル／電極複合体４ａ、４ｂの前記体積変化に追従することができる。ここで、前記体積変化を阻害しないためには、前記コイルを形成する金属線は細くしなやかであるほど、より好適である。
【００３２】
また、電極３ａ、３ｂを構成する材料は、電圧を印加した際に酸化或いは還元されて溶出や不動体化しないことが重要であり、金、白金、パラジウム、非晶質炭素、黒鉛のうちの少なくとも１種が好適に用いられ、これらの中でも軽量な非晶質炭素、黒鉛がより好ましい。
【００３３】
電解質水溶液６は、公知の水溶性電解質を溶解した水溶液を使用することができる。電解質濃度が高ければイオン導電率が高くなり、高速にｐＨ変化を誘起できるが、浸透圧差によって高分子ハイドロゲル２ａ、２ｂから電解質水溶液６へと水が奪われることがあるため、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの膨張が阻害されることがある。電解質濃度が低ければゲル／電極複合体４ａ、４ｂの膨張は阻害されないが、高速な応答が得られなくなることがある。従って、電解質濃度は０．０１〜０．５ｍｏｌ／ｄｍ３であることが好ましい。
【００３４】
容器５は、電解質水溶液６を蓄える容器であり、またゲル／電極複合体４ａ、４ｂの変位を力学的仕事として取り出す端子として機能するものである。容器５の形状、材料は多様だが、電解質水溶液６を密閉することができ、かつゲル／電極複合体４ａ、４ｂの変位を阻害しない柔軟性を有していることが求められる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、フッ素樹脂等の高分子材料フィルムからなる袋状容器が好適である。
【００３５】
ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの電極３ａ、３ｂと電気的に接合された電極端子７は、容器５の密閉性を損なわない状態で容器５の外部に露呈する。容器５がゲル／電極複合体４ａ、４ｂの前記体積変化に追随する伸縮性を有する場合、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの端部を容器５に固定することにより、ゲル／電極複合体４ａ、４ｂの変位に伴って容器５も変形することができる。従って、例えば容器端部５’を動作させたい機器可動部（図示省略）に取り付けることで、力学的仕事を行うことができる。また、このゲル／電極複合体４ａ、４ｂの容器５への固定する端部を上述の電極端子とすることもできる。
【００３６】
さらに、容器５が上記のような伸縮性を有さなくても、例えば容器端部５’を容器本体５には固定せず、容器本体５の壁面に沿ってスライド可能な構造とすれば、容器５がゲル／電極複合体４ａ、４ｂの前記体積変化を阻害することはない。
【００３７】
本発明に基づく高分子アクチュエータにおいて、前記複数のゲル／電極複合体を構成する前記高分子ゲルが、酸性の官能基と塩基性の官能基とを有する高分子を含有していてもよい。この場合、前記ゲル／電極複合体周辺における前記電解質溶液のｐＨが低いときには塩基性基のカチオン化によって膨張し、ｐＨが高いときにも酸性基のアニオン化によって膨張するが、中性付近ではイオン化した両官能基がイオン結合により錯体（イオンコンプレックス）形成するため、収縮する。
【００３８】
この現象は、前記複数のゲル／電極複合体を構成する前記高分子ゲルが、酸性の官能基を有する高分子と、塩基性の官能基を有する高分子との混合物を含有する場合でも同様に観測される。
【００３９】
このようなゲル／電極複合体を適用すれば、中性電解液中で電極電位を卑、貴のどちらに動かしてもゲルは膨張し、平衡電位に戻すことで収縮する。従って、陰極用、陽極用の２種類のゲルを用いる必要がなく、同一構成のゲル／電極複合体の電極間に電圧を印加することで、線方向変位を前記複数のゲル／電極複合体から取り出すことが可能となる。
【００４０】
上記に前記複数のゲル／電極複合体を構成する電極として、コイル状の金属線を例示したが、前記電極は、前記高分子ゲルの前記体積変化を阻害せず追従する電子導電体であればよく、この他にも例えば図４に示すような、金属網であってもよい。前記金属網を用いた場合も上記した前記コイル状の金属線と同様にして、弾性変形によって前記高分子ゲルの前記体積変化に追従することができるが、網を形成する金属線が細くしなやかであるほど、より一層好適である。
【００４１】
また、前記複数のゲル／電極複合体を構成する前記電極が、前記高分子ゲル内に混合、分散される電子導電性を有する粒子状又は繊維状の物質であってもよい。この場合、前記高分子ゲルの前記体積変化をより一層妨げることなく、効果的にｐＨ変化を誘起することができる。
【００４２】
さらに、前記複数のゲル／電極複合体を構成する前記電極として、前記コイル状の金属線又は前記金属網と、前記電子導電性粒子状物質又は前記電子導電性繊維状物質とを併用すれば、前記複数のゲル／電極複合体全体に、より一層速やかにｐＨ変化が誘起されるため、アクチュエータとしてより一層高速な応答を得ることができる。
【００４３】
また、前記電極を構成する材料は、電圧を印加した際に酸化或いは還元されて溶出や不動体化しないことが重要であり、例えば金、白金、パラジウム、非晶質炭素、黒鉛のうちの少なくとも１種を用いることが好ましく、これらの中でも軽量な非晶質炭素、黒鉛がより好ましい。
【００４４】
前記複数のゲル／電極複合体を構成する前記高分子ゲルに用いることのできる酸性若しくは塩基性の官能基を有する高分子は、酸性ではカルボン酸、スルホン酸等の官能基、塩基性では１級アミン、２級アミン、３級アミン等の官能基を有する高分子を挙げることができる。
【００４５】
具体的には、酸性では、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリビニル酢酸、ポリマレイン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸等を挙げることができる。
【００４６】
塩基性では、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリビニルピリジン、ポリリジン、ポリビニルアニリン、ポリビニルイミダゾール、ポリ（アミノエチルアクリレート）、ポリ（メチルアミノエチルアクリレート）、ポリ（ジメチルアミノエチルアクリレート）、ポリ（エチルアミノエチルアクリレート）、ポリ（エチルメチルアミノエチルアクリレート）、ポリ（ジエチルアミノエチルアクリレート）、ポリ（アミノエチルメタクリレート）、ポリ（メチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ジメチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（エチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（エチルメチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ジエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（アミノプロピルアクリレート）、ポリ（メチルアミノプロピルアクリレート）、ポリ（ジメチルアミノプロピルアクリレート）、ポリ（エチルアミノプロピルアクリレート）、ポリ（エチルメチルアミノプロピルアクリレート）、ポリ（ジエチルアミンプロピルアクリレート）、ポリ（アミノプロピルメタクリレート）、ポリ（メチルアミノプロピルメタクリレート）、ポリ（ジメチルアミノプロピルメタクリレート）、ポリ（エチルアミノプロピルメタクリレート）、ポリ（エチルメチルアミノプロピルメタクリレート）、ポリ（ジエチルアミノプロピルメタクリレート）等を挙げることができる。
【００４７】
また、必要に応じて、これらに分子内或いは分子間で架橋を施した高分子、これらのモノマーと他のモノマーとの共重合体、他の高分子との混合物を使用することができる。
【００４８】
前記複数のゲル／電極複合体は、２個以上の複数個であればその個数に制約なく使用することができる。但し、前記複数のゲル／電極複合体として、酸性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなる前記ゲル／電極複合体と、塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなる前記ゲル／電極複合体とを用いる場合には、前者の酸性ゲル／電極複合体を陰極、後者の塩基性ゲル／電極複合体を陽極として電圧を印加するため、両者が同数であることがより好ましい。
【００４９】
また、前記複数のゲル／電極複合体を構成する前記高分子ゲルが、酸性の官能基と塩基性の官能基とを有する高分子を含有する場合、及び、前記ゲル／電極複合体を構成する前記高分子ゲルが、酸性の官能基を有する高分子と、塩基性の官能基を有する高分子との混合物を含有する場合にも、上記と同様にして半数の電極を陰極、残りの電極を陽極として電圧を印加するため、前記複数のゲル／電極複合体の総数は偶数個であることがより好ましい。
【００５０】
【実施例】
以下、本発明に基づく高分子アクチュエータを実際に作製し、動作させた実施例について説明する。
【００５１】
実施例１
前記複数のゲル／電極複合体に用いる前記高分子ハイドロゲルは、モノマー、架橋剤及び開始剤を水溶混合し、ラジカル重合することによって作製した。
【００５２】
酸性の官能基を有する高分子のモノマーとしてアクリル酸、架橋剤としてＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、開始剤として過硫酸アンモニウムを用い、ｍｏｌ比でモノマー：架橋剤：開始剤を１００：３：１として水溶混合してゲル前駆体溶液とした。
【００５３】
電極には直径１０μｍの白金線からなる直径１ｍｍのコイルを用い、これを内径１．５ｍｍ、長さ３０ｍｍのガラス管内に挿入し、コイルの軸とガラス管の軸とが一致するように固定した。
【００５４】
このガラス管に上記のゲル前駆体溶液を注入し、ガラス管両端をゴム栓にて封じて５０℃に加温することにより、ゲル前駆体溶液のゲル化を行った。ゲル化後、ガラス管の一端を加圧して他端から取り出すことにより、酸性ゲル／電極複合体（酸性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなるゲル／電極複合体）を得た。
【００５５】
また、塩基性の官能基を有する高分子のモノマーとしてジメチルアミノメチルメタクリレート、架橋剤としてＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、開始剤として過硫酸アンモニムを用い、ｍｏｌ比でモノマー：架橋剤：開始剤を１００：３：１として水溶混合してゲル前駆体溶液とした。このゲル前駆体溶液を用い、上記の酸性ゲル／電極複合体と同様の方法によって塩基性ゲル／電極複合体（塩基性の官能基を有する高分子を含有した高分子ゲルからなるゲル／電極複合体）を得た。
【００５６】
次に、上記に得られた酸性ゲル／電極複合体及び塩基性ゲル／電極複合体を０．１ＮのＮａＣｌ水溶液に２４時間浸漬した後、長さ５０ｍｍ、直径６ｍｍの円筒状ポリエチレンフィルムに収納し、円筒状ポリエチレンフィルムの片側開口部を熱融着により封じた。もう一方の開口部からは０．１ＮのＮａＣｌ水溶液を注入し、熱融着にて封じた。この熱融着の際に、ゲル／電極複合体の両端から露呈したコイルを挟み込んで熱融着して固定し、これを電極端子とした。このようにして、図１及び図２に示すような高分子アクチュエータを作製した。
【００５７】
上記に作製した高分子アクチュエータにおいて、酸性ゲル／電極複合体の電極端子を陰極、塩基性ゲル／電極複合体の電極端子を陽極として３Ｖの電圧を印加したところ、両極のゲル／電極複合体が共に収縮し、これに伴って高分子アクチュエータ両端の熱融着部間距離が４５ｍｍから２５ｍｍへと変化した。この変化に要した時間は４５秒であった。また、長さ方向変位発生力は約０．３ＭＰａであった。
【００５８】
実施例２
前記複数のゲル／電極複合体に用いる前記高分子ハイドロゲルは、モノマー、架橋剤及び開始剤を水溶混合し、ラジカル重合することによって作製した。
【００５９】
酸性の官能基を有する高分子のモノマーとしてアクリル酸、塩基性を示す官能基を有する高分子のモノマーとしてジメチルアミノメチルメタクリレート、架橋剤としてＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、開始剤として過硫酸アンモニムを用い、ｍｏｌ比で酸性モノマー：塩基性モノマー：架橋剤：開始剤を５０：５０：３：１として水溶混合してゲル前駆体溶液とした。
【００６０】
電極には直径１０μｍの白金線からなる直径１ｍｍのコイルを用い、これを内径１．５ｍｍ、長さ３０ｍｍのガラス管内に挿入し、コイルの軸とガラス管の軸とが一致するように固定した。
【００６１】
このガラス管に上記のゲル前駆体溶液を注入し、ガラス管両端をゴム栓にて封じて５０℃に加温することにより、ゲル前駆体溶液のゲル化を行った。ゲル化後、ガラス管の一端を加圧して他端から取り出すことにより、両性ゲル／電極複合体（酸性の官能基と塩基性の官能基とを有する高分子を含有する高分子ゲルからなるゲル／電極複合体）を得た。
【００６２】
次に、上記に得られた両性ゲル／電極複合体２本を０．１ＮのＮａＣｌ水溶液に２４時間浸漬した後、長さ５０ｍｍ、直径６ｍｍの円筒状ポリエチレンフィルムに収納し、円筒状ポリエチレンフィルムの片側開口部を熱融着により封じた。もう一方の開口部からは０．１ＮのＮａＣｌ水溶液を注入し、熱融着にて封じた。この熱融着の際に、ゲル／電極複合体の両端から露呈したコイルを挟み込んで熱融着して固定し、これを電極端子とした。このようにして、図１及び図２に示すような高分子アクチュエータを作製した。
【００６３】
上記に作製した高分子アクチュエータにおいて、一方のゲル／電極複合体の電極端子を陰極、他方のゲル／電極複合体の電極端子を陽極として３Ｖの電圧を印加したところ、両極のゲル／電極複合体が共に膨張し、これに伴って高分子アクチュエータ両端の熱融着部間距離が３０ｍｍから４５ｍｍへと変化した。この変化に要した時間は４４秒であった。また、長さ方向変位発生力は約０．３ＭＰａであった。
【００６４】
実施例３
前記複数のゲル／電極複合体に用いる前記高分子ハイドロゲルは、モノマー、架橋剤、開始剤及び高分子を水溶混合し、ラジカル重合することによって作製した。
【００６５】
塩基性の官能基を有する高分子のモノマーとしてジメチルアミノメチルメタクリレート、酸性の官能基を有する高分子としてポリアクリル酸、架橋剤としてＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、開始剤として過硫酸アンモニムを用い、ｍｏｌ比（ポリアクリル酸は繰り返し単位ｍｏｌ）で塩基性モノマー：酸性高分子：架橋剤：開始剤を５０：５０：３：１として水溶混合してゲル前駆体溶液とした。
【００６６】
電極には直径１０μｍの白金線からなる直径１ｍｍのコイルを用い、これを内径１．５ｍｍ、長さ３０ｍｍのガラス管内に挿入し、コイルの軸とガラス管の軸とが一致するように固定した。
【００６７】
このガラス管に上記のゲル前駆体溶液を注入し、ガラス管両端をゴム栓にて封じて５０℃に加温することにより、ゲル前駆体溶液のゲル化を行った。ゲル化後、ガラス管の一端を加圧して他端から取り出すことにより、酸性塩基性混合ゲル／電極複合体（酸性の官能基を有する高分子と、塩基性の官能基を有する高分子との混合物を含有する高分子ゲルからなるゲル／電極複合体）を得た。
【００６８】
次に、上記に得られた酸性塩基性混合ゲル／電極複合体２本を０．１ＮのＮａＣｌ水溶液に２４時間浸漬した後、長さ５０ｍｍ、直径６ｍｍの円筒状ポリエチレンフィルムに収納し、円筒状ポリエチレンフィルムの片側開口部を熱融着により封じた。もう一方の開口部からは０．１ＮのＮａＣｌ水溶液を注入し、熱融着にて封じた。この熱融着の際に、ゲル／電極複合体の両端から露呈したコイルを挟み込んで熱融着して固定し、これを電極端子とした。このようにして、図１及び図２に示すような高分子アクチュエータを作製した。
【００６９】
上記に作製した高分子アクチュエータにおいて、一方のゲル／電極複合体の電極端子を陰極、他方のゲル／電極複合体の電極端子を陽極として３Ｖの電圧を印加したところ、両極のゲル／電極複合体が共に膨張し、これに伴って高分子アクチュエータ両端の熱融着部間距離が３０ｍｍから４５ｍｍへと変化した。この変化に要した時間は４４秒であった。また、長さ方向変位発生力は約０．３ＭＰａであった。
【００７０】
実施例４
モノマーの重量の５重量％に相当する炭素繊維を粉砕した炭素繊維粉をゲル前駆体溶液に加えたこと以外は、実施例１と同様にして高分子アクチュエータを作製した。
【００７１】
酸性ゲル／電極複合体の電極端子を陰極、塩基性ゲル／電極複合体の電極端子を陽極として３Ｖの電圧を印加したところ、両極のゲル／電極複合体が共に収縮し、これに伴って高分子アクチュエータ両端の熱融着部間距離が４５ｍｍから３１ｍｍへと変化した。この変化に要した時間は２１秒であった。また、長さ方向変位発生力は約０．３ＭＰａであった。
【００７２】
【発明の作用効果】
本発明によれば、前記複数のゲル／電極複合体が前記電解質溶液中に配設され、前記複数のゲル／電極複合体の前記電極間に電圧が印加されるに伴って前記複数のゲル／電極複合体がそれぞれ体積変化を起こすように構成されているので、上記したような従来の加熱冷却装置、ポンプ、タンク等を必要とせず、軽量化を図ることができ、また、例えば１〜３Ｖといった低い電圧で制御することが可能である。
【００７３】
また、前記複数のゲル／電極複合体が、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ゲルと、この高分子ゲルに内設された電極とから構成されているので、従来のように湾曲変位することなく、例えば生体骨格筋のように線方向に伸張／収縮することができる。
【００７４】
従って、前記複数のゲル／電極複合体の前記体積変化によって得られる発生力の向上を図ることができ、例えばロボットの関節（可動部）等に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による高分子アクチュエータの一構成例の概略斜視図である。
【図２】同、高分子アクチュエータの概略断面図である。
【図３】同、高分子アクチュエータを構成するゲル／電極複合体の一例の概略斜視図である。
【図４】同、高分子アクチュエータを構成するゲル／電極複合体の他の例の概略斜視図である。
【図５】従来例による高分子アクチュエータの概略断面図である。
【符号の説明】
１…高分子アクチュエータ、２…高分子ハイドロゲル、３…電極、
４…ゲル／電極複合体、５…容器、６…電解質水溶液、７…電極端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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