(57)【要約】【課題】  伸長方向および収縮方向の両方に充分な大きさの出力およびストロークを発生することが可能な高分子アクチュエータを提供する。【解決手段】  軸線Ｌ方向に相対移動可能な第１ケーシング２１および第２ケーシング２２に両端部がヒンジ２７で枢支され、中間部が軸線Ｌから離反する方向に湾曲した２枚の板ばね２６の外周に、電圧を加えることで伸縮する導電性高分子材料で構成されたアクチュエータエレメント１４を巻き付ける。アクチュエータエレメント１４の収縮により板ばね２６を軸線Ｌに接近する方向に変形させて第１、第２ケーシング２１，２２を相互に離反させるとともに、アクチュエータエレメント１４の伸長により板ばね２６の弾発力で板ばね２６を軸線Ｌから離反する方向に変形させて第１、第２ケーシング２１，２２を相互に接近させる。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線（Ｌ）方向に相対移動可能な第１出力部材（２１）および第２出力部材（２２）と、
両端部が軸線（Ｌ）の近傍で第１、第２出力部材（２１，２２）に接続され、中間部が軸線（Ｌ）から離反する方向に湾曲するように弾発力で付勢された複数の駆動力変換部材（２６，３４）と、
電圧を加えることで伸縮する導電性高分子材料（１２）で構成されて複数の駆動力変換部材（２６，３４）の周囲に巻き付けられたアクチュエータエレメント（１４）と、
を備え、
アクチュエータエレメント（１４）の収縮により複数の駆動力変換部材（２６，３４）を軸線（Ｌ）に接近する方向に変形させて第１、第２出力部材（２１，２２）を相互に離反させるとともに、アクチュエータエレメント（１４）の伸長により前記弾発力で複数の駆動力変換部材（２６，３４）を軸線（Ｌ）から離反する方向に変形させて第１、第２出力部材（２１，２２）を相互に接近させることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
駆動力変換部材（２６）が板ばねで構成され、自己の弾性で前記弾発力を発生することを特徴とする、請求項１に記載の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、電圧を加えることで伸縮する導電性高分子材料を用いた高分子アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
かかる高分子アクチュエータは、下記特許文献１により公知である。この特許文献１の図７の実施例に示されたものは、コイルスプリングの外周を電解質部を挟んで導電性高分子材料で覆って導電性高分子チューブを構成し、この導電性高分子チューブの導電性高分子材料および電解質部間に電圧を加えることで、導電性高分子チューブをコイルスプリングの軸線に沿う方向に伸縮させて高分子アクチュエータとしての機能を発揮させるようになっている。
【特許文献１】特開２０００−１３３８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、導電性高分子材料の伸縮率は１５％程度に過ぎず、高分子アクチュエータの出力を往復動として取り出す場合に充分なストロークが得られない問題がある。また導電性高分子チューブは収縮時に引張荷重を受け、伸長時に圧縮荷重を受けることになるが、細長い導電性高分子チューブは大きな圧縮荷重を支持することができずに座屈してしまう問題がある。
【０００４】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、伸長方向および収縮方向の両方に充分な大きさの出力およびストロークを発生す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する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、軸線方向に相対移動可能な第１出力部材および第２出力部材と、両端部が軸線の近傍で第１、第２出力部材に接続され、中間部が軸線から離反する方向に湾曲するように弾発力で付勢された複数の駆動力変換部材と、電圧を加えることで伸縮する導電性高分子材料で構成されて複数の駆動力変換部材の周囲に巻き付けられたアクチュエータエレメントとを備え、アクチュエータエレメントの収縮により複数の駆動力変換部材を軸線に接近する方向に変形させて第１、第２出力部材を相互に離反させるとともに、アクチュエータエレメントの伸長により前記弾発力で複数の駆動力変換部材を軸線から離反する方向に変形させて第１、第２出力部材を相互に接近させることを特徴とする高分子アクチュエータが提案される。
【０００６】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、駆動力変換部材が板ばねで構成され、自己の弾性で前記弾発力を発生することを特徴とする高分子アクチュエータが提案される。
【０００７】
尚、実施例の第１、第２ケーシング２１，２２は本発明の第１、第２出力部材に対応し、実施例の板ばね２６およびリンク部材３４は本発明の駆動力変換部材に対応する。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１の構成によれば、中間部が軸線から離反する方向に湾曲するように弾発力で付勢された複数の駆動力変換部材の両端部を第１、第２出力部材に接続し、電圧を加えることで伸縮する導電性高分子材料で構成されたアクチュエータエレメントを複数の駆動力変換部材の周囲に巻き付けたので、アクチュエータエレメントを収縮させると複数の駆動力変換部材が軸線に接近する方向に変形して第１、第２出力部材を相互に離反させることができ、またアクチュエータエレメントを伸長させると前記弾発力で複数の駆動力変換部材が軸線から離反する方向に変形して第１、第２出力部材を相互に接近させることができる。
【０００９】
アクチュエータエレメントと第１、第２出力部材との間に駆動力変換部材を介在させたことで、アクチュエータエレメントの伸縮量を拡大して第１、第２出力部材に大きなストロークを与えることができ、しかも複数の駆動力変換部材の外周に充分に長いアクチュエータエレメントを巻き付けたので、アクチュエータエレメントの収縮力を駆動力変換部材に効果的に伝達して大きな出力を発生することができる。更に、アクチュエータエレメントの伸長時に駆動力変換部材を前記弾発力で付勢するので、アクチュエータエレメントの座屈を防止しながら第１、第２出力部材を接近させることができる。
【００１０】
請求項２の構成によれば、板ばね製の駆動力変換部材が自己の弾性で前記弾発力を発生するので、特別の弾発部材を不要にして部品点数を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１２】
図１〜図６は本発明の第１実施例を示すもので、図１は導電性高分子チューブの構造を示す図、図２はアクチュエータエレメントの全体図、図３は図２の３−３線拡大断面図、図４は高分子アクチュエータの鉛直断面図、図５は高分子アクチュエータの水平断面図、図６は図４に対応する作用説明図である。
【００１３】
先ず、高分子アクチュエータに使用されるアクチュエータエレメントの構造を図１〜図３に基づいて説明する。
【００１４】
高分子アクチュエータＡに使用する導電性高分子材料は、例えばポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェンおよびこれらの誘導体のうちの一種、あるいは複数種の混合物で構成される。導電性高分子材料を電解液に浸し、導電性高分子材料および電解液にそれぞれプラス電位およびマイナス電位を与えると、導電性高分子材料に電解液中のマイナスイオンが吸収されて膨張し、逆に導電性高分子材料および電解液にそれぞれマイナス電位およびプラス電位を与えると、導電性高分子材料から電解液中のマイナスイオンが放出されて収縮する性質がある。このとき、僅かに１Ｖ〜３Ｖの電圧を加えるだけで導電性高分子材料は１５％程度の伸縮率と２２ＭＰａ程度の出力を発生することができ、かつ０．２秒程度の応答時間で伸長状態および収縮状態を切り替えることができる。
【００１５】
図１に示すように、細い金属線をコイル状に巻いたコイル部材１１を導電性高分子材料１２で覆うことにより導電性高分子チューブ１３を構成する。導電性高分子材料１２をコイル部材１１と一体化することで、その径方向の伸縮を抑制して軸方向の伸縮を促進することができる。１本の導電性高分子チューブ１３が発生する出力には限界があるため、それを複数本束ねてアクチュエータエレメント１４を構成する。
【００１６】
図２および図３に示すように、本実施例のアクチュエータエレメント１４は６本の導電性高分子チューブ１３…を束ね、その両端部で一体に締結したものである。即ち、アクチュエータエレメント１４の端部において、金属等の硬質材料で形成した円柱状の芯材１５の外周にゴム等の緩衝材１６を被せ、その外周に複数本（実施例では６本）の導電性高分子チューブ１３…の端部を束ねた後、それらの外周にゴム等の緩衝材１７を介して金属で形成した円筒状の締結リング１８を嵌合させる。そして締結リング１８を隣接する導電性高分子チューブ１３…の間の６カ所で、図３（Ｂ）の状態から図３（Ａ）の状態に径方向内側にかしめることにより、芯材１５と締結リング１８との間に６本の導電性高分子チューブ１３…を締結する。
【００１７】
また一方の締結リング１８をかしめ加工する際に、その内側に延びる１本の電極線２０を何れか１本の導電性高分子チューブ１３に電気的に接続しておく。６本の導電性高分子チューブ１３…は相互に接触しているため、１本の電極線２０を介して６本の導電性高分子チューブ１３に電圧を印加することができる。
【００１８】
次に、図４および図５に基づいて前記アクチュエータエレメント１４を用いた高分子アクチュエータＡの構造を説明する。
【００１９】
軸線Ｌ上に配置された有底円筒状の第１ケーシング２１および第２ケーシング２２が摺動自在に嵌合しており、第２ケーシング２２の内周面に摺動自在に支持された円筒部材２３の両端部と第１、第２ケーシング２１，２２とをジャバラ状のブーツ２４，２４で接続することで、電解液が充填された電解液室２５が区画される。弧状に湾曲させた矩形状の板ばね２６を２枚組み合わせ、それらの両端部をヒンジ２７…を介して第１、第２ケーシング２１，２２の端板２１ａ，２２ａの内面に枢支する。このとき、板ばね２６，２６の中間部は軸線Ｌを挟んで相互に離反する方向に湾曲する。
【００２０】
アクチュエータエレメント１４の両端部は円筒部材２３の両端部に固定され、アクチュエータエレメント１４の中間部が２枚の板ばね２６，２６の外周にらせん状に巻き付けられる。このとき、アクチュエータエレメント１４が軸線Ｌ方向に滑らないように、板ばね２６，２６の側縁にアクチュエータエレメント１４が係合する切欠が形成される。そして電解液室２５の内部に延びる電極棒２８と、アクチュエータエレメント１４から延びる電極線２０とが、第１ケーシング２１を通してバッテリに接続される。
【００２１】
しかして、アクチュエータエレメント１４に電極線２０を介してバッテリのマイナス極を接続し、電解液に電極棒２８を介してバッテリのプラス極を接続すると、導電性高分子チューブ１３…から電解液中にマイナスイオンが放出されることで該導電性高分子チューブ１３…、即ちアクチュエータエレメント１４…が収縮する。すると、図６に示すように、アクチュエータエレメント１４が収縮して相互に離反する方向に湾曲していた２枚の板ばね２６，２６が相互に接近する方向に変形し、その湾極度が減少して直線に近づくことで板ばね２６，２６の両端間の距離が増加し、第１、第２ケーシング２１，２２が軸線Ｌ方向に伸長するように駆動される。このとき、電解液室２５の一部を区画するブーツ２４，２４が軸線Ｌ方向に引き延ばされる同時に軸線Ｌに接近する方向に撓むことで、電解液室２５の容積は一定に保持される。
【００２２】
逆に、アクチュエータエレメント１４に電極線２０を介してバッテリのプラス極を接続し、電解液に電極棒２８を介してバッテリのマイナス極を接続すると、電解液中のマイナスイオンが導電性高分子チューブ１３…に吸収されることでアクチュエータエレメント１４…が伸長する。アクチュエータエレメント１４が伸長すると２枚の板ばね２６，２６が自己の弾性で元の湾曲形状に復帰することで、板ばね２６，２６の両端間の距離が減少して第１、第２ケーシング２１，２２が軸線Ｌ方向に収縮するように駆動される。このとき、電解液室２５の一部を区画するブーツ２４，２４が軸線Ｌ方向に収縮すると同時に軸線Ｌから離反する方向に撓むことで、電解液室２５の容積は一定に保持される。
【００２３】
以上のように、アクチュエータエレメント１４自体の伸縮率が小さくても、そのアクチュエータエレメント１４を板ばね２６，２６の外周に巻き付けることで全長を増加させ、かつ湾曲した板ばね２６，２６を直線状に延ばすことで高分子アクチュエータＡに伸縮ストロークを発生させるので、収縮率の限られたアクチュエータエレメント１４を使用しながら大きなストロークを発生させることができる。
【００２４】
またアクチュエータエレメント１４…は引張荷重を伝達するのみで圧縮荷重を伝達できないが、板ばね２６，２６が自己の弾性で元の湾曲形状に復帰することで、アクチュエータエレメント１４を座屈させることなく高分子アクチュエータＡを収縮駆動することができる。更に、高分子アクチュエータＡは１Ｖ〜３Ｖの極めて低い電圧で作動可能であるために消費電力が小さく、しかも騒音を発生しないので静粛な作動が可能である。
【００２５】
またアクチュエータエレメント１４自体も以下のような優れた特性を有している。即ち、６本の導電性高分子チューブ１３…の端部を束ねる際に、硬質の芯材１５の周囲を囲むように配置した導電性高分子チューブ１３…の外周を環状の締結リング１８をかしめることで一体に締結するので、６本の導電性高分子チューブ１３…を整然とした形状に束ねて円筒部材２３に精度良く固定できる。
【００２６】
次に、図７および図８に基づいて本発明の第２実施例を説明する。
【００２７】
第１実施例では動力変換部材として弧状に湾曲した一対の板ばね２６を用いているが、第２実施例では中央部をヒンジ３１で枢支された２枚のリンク板３２，３３よりなる一致のリンク部材３４を用いており、各々のリンク部材３４の両端部はヒンジ２７，２７を介して第１、第２ケーシング２１，２２の端板２１ａ，２２ａに枢支される。そして両リンク部材３４，３４は全体として菱形に構成されており、それらの中間部どうしが圧縮コイルばね３５で相互に離反する方向に付勢される。第２実施例のその他の構成は、上述した第１実施例の構成と同じである。
【００２８】
この第２実施例によれば、アクチュエータエレメント１４の収縮により圧縮コイルばね３５を圧縮しながらリンク部材３４，３４を偏平に潰すことで第１、第２ケーシング２１，２２が離反し、アクチュエータエレメント１４の伸長により圧縮コイルばね３５の弾発力でリンク部材３４，３４を元の形状に復帰させることで第１、第２ケーシング２１，２２が接近する。この第２実施例によっても、上述した第１実施例と同様の作用効果を達成することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００３０】
例えば、実施例では６本の導電性高分子チューブ１３…を束ねてアクチュエータエレメント１４を構成しているが、束ねる導電性高分子チューブ１３…の本数は任意である。
【００３１】
また第１実施例では２枚の板ばね２６，２６を組み合わせているが、軸線Ｌのまわりを囲むように３枚以上の板ばね２６…を配置しても良い。
【００３２】
また第１実施例では弧状に湾曲させた２枚の板ばね２６，２６を紡錘形に組み合わせているが、平板を中央部で所定角度に屈曲させた２枚の板ばね２６，２６を菱形に組み合わせても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】導電性高分子チューブの構造を示す図
【図２】アクチュエータエレメントの全体図
【図３】図２の３−３線拡大断面図
【図４】高分子アクチュエータの鉛直断面図
【図５】高分子アクチュエータの水平断面図
【図６】図４に対応する作用説明図
【図７】第２実施例に係る高分子アクチュエータの鉛直断面図
【図８】図７に対応する作用説明図
【符号の説明】
【００３４】
１２        導電性高分子材料
１４        アクチュエータエレメント
２１        第１ケーシング（第１出力部材）
２２        第２ケーシング（第２出力部材
２６        板ばね（駆動力変換部材）
３４        リンク部材（駆動力変換部材）
Ｌ          軸線
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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