(57)【要約】【課題】軽く、動作音が静かであり、安全に安定して使用でき、かつ、動作が伸縮で、応答速度が生体筋肉と同程度の性能を持つアクチュエータを提供すること。【解決手段】アクチュエータ用材料として、安定に動作して応答速度が速いイオン導電性高分子アクチュエータに使用される膜材料に、導電性微粒子を混合した材料を使用する。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質溶液中に浸漬されて、電圧の印加に応じて伸縮するタイプのアクチュエータ膜の膜材料であって、電圧の印加に応じて前記電解質溶液中で電離している負あるいは正の電解質イオンを捕らえる能力を持つイオン導電性高分子材料に導電性微粒子を分散させて高電子伝導性にしたことを特徴とするアクチュエータ膜材料。
【請求項２】
前記イオン導電性高分子材料が、パーフルオロスルホン酸コポリマー、パーフルオロカルボン酸コポリマー、ポリスチレンスルホン酸コポリマー、ポリスチレンカルボン酸コポリマーである請求項１に記載のアクチュエータ膜材料。
【請求項３】
前記導電性微粒子が、炭素微粒子、白金微粒子、金微粒子、カーボンナノチューブあるいはそれらの混合物である微小な導電体である請求項１に記載のアクチュエータ膜材料。
【請求項４】
電極とともに電解質溶液に浸漬され、且つ、前記電極との間に所定の電圧が印加されるとき伸縮するアクチュエータ膜であって、前記アクチュエータ膜を構成するための材料が電圧印加に応じて電解質溶液中で電離している負あるいは正の電解質イオンを捕らえる能力を持つイオン導電性高分子材料に導電性微粒子を分散させて高電子伝導性にした材料であることを特徴とするアクチュエータ膜。
【請求項５】
前記イオン導電性高分子材料が、パーフルオロスルホン酸コポリマー、パーフルオロカルボン酸コポリマー、ポリスチレンスルホン酸コポリマー、ポリスチレンカルボン酸コポリマーである請求項４に記載のアクチュエータ膜。
【請求項６】
前記導電性微粒子が、炭素微粒子、白金微粒子、金微粒子、カーボンナノチューブあるいはそれらの混合物である微小な導電体である請求項４に記載のアクチュエータ膜。
【請求項７】
アクチュエータ膜、該アクチュエータ膜と対向して配置された電極、前記アクチュエータ膜と前記電極が浸漬される電解質溶液、および、前記アクチュエータ膜と対向電極の間に所定の電圧を印加するための電圧源から構成されるアクチュエータであって、前記アクチュエータ膜を構成するための材料が電圧印加に応じて電解質溶液中で電離している負あるいは正の電解質イオンを捕らえる能力を持つイオン導電性高分子材料に導電性微粒子を分散させて高電子伝導性にした材料であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項８】
前記アクチュエータ膜が前記イオン導電性高分子材料と前記導電性微粒子からなり、前記アクチュエータ膜と対向電極の間に所定の電圧を印加するための前記アクチュエータ膜と前記電圧源との電気的な接続を、前記アクチュエータ膜の端部でのみ行う請求項７記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記アクチュエータ膜が前記イオン導電性高分子材料と前記導電性微粒子からなり、前記アクチュエータ膜と対向電極の間に所定の電圧を印加するための前記アクチュエータ膜と前記電圧源との電気的な接続を、前記アクチュエータ膜の端部と前記アクチュエータ膜の表面に螺旋状に設けた金属電極で行う請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記アクチュエータ膜が、前記イオン導電性高分子材料と前記導電性微粒子とによる薄膜と、金属薄膜電極とが交互に積層された構造である請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記アクチュエータ膜が、前記イオン導電性高分子材料と前記導電性微粒子の混合材料による複数の単位アクチュエータ膜と導電体で表面を覆われた柔軟な樹脂薄膜からなり、該樹脂薄膜の両面の導電体の両表面に該単位アクチュエータ膜が伸縮動作方向に対し一列に周期的に配置されている構造である請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記金属電極が独立した電極であり、互いに導電性の線で接続されている請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記金属電極がひだ状に畳んだ１枚の連続した金属箔である請求項１０に記載の伸縮型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧が印加されることにより伸縮するアクチュエータ膜の材料、アクチュエータ膜およびこれを用いたアクチュエータとその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２１世紀前半の日本では、高齢あるいは事故、病気等で、手足の機能に不自由を感じるようになった人々が、健常者と同様に社会参加できる社会にすることが必要である。ウエアラブルパワーアシスト技術は、手足の機能に不自由を感じるようになった人達を対象とした技術であり、身に着けることにより、不自由している機能をアシストすることを目指している。現在よく知られているウエアラブルパワーアシスト技術に、電動車椅子や電動義肢がある。このほかにも、最近、着ることによって手軽に力がアシストされるパワードスーツ等の新しい技術が提案されている（非特許文献１：H. Kobayashi and T. Shiiba: Basic Study on Human Robot Interaction for Motion Support by Muscle Suit: Proceedings of 2002 IEEE, Int., Workshop on Robot and Human Interactive Communication pp. 17-22.）。
【０００３】
このような技術には、手足を動かそうとする意思を検知するセンサ、動かした量を検知するセンサ、そして、手足の動きをアシストするアクチュエータが最低限必要となる。特に、アクチュエータには、応答速度や、発生応力、変位といったアクチュエータ特性が生体筋肉と同程度以上であるということだけではなく、軽く、音が静かで、安全であるということも必要とされる。このような特性をもつアクチュエータは、ウエアラブルパワーアシスト技術用としてだけではなく、ペット型ロボットや医療用電動機器など、人間や人間の生活環境に直接触れることが必要な機器のアクチュエータとしても必要とされている。
【０００４】
現在、パワードスーツ用のアクチュエータとして、空圧のゴム人工筋やモータが使われている。これらのアクチュエータは、アクチュエータ特性は優れているが、重量が重く、また動作音も大きくなりやすいといった欠点があった。
【０００５】
このような従来のアクチュエータとは別に、有機高分子材料といったソフトマテリアルを用いたアクチュエータがある。アクチュエータの中でも、ポリアニリンやポリピロールをいった導電性高分子を材料とした導電性高分子アクチュエータ（特許文献１：特開平２−２０５８６号公報）と、イオン交換樹脂を材料としたイオン導電性高分子アクチュエータ（特許文献２：特開平６−６９９１号公報）は、材料が軽く、動作音も静かで、駆動電圧が数ボルトと低く、柔らかいため安全であるというように、ウエアラブルパワーアシスト技術用のアクチュエータに適した特性を持っている。
【０００６】
【特許文献１】特開平２−２０５８６号公報
【０００７】
【特許文献２】特開平６−６９９１号公報
【非特許文献１】H. Kobayashi and T. Shiiba: Basic Study on Human Robot Interaction for Motion Support by Muscle Suit: Proceedings of 2002 IEEE, Int., Workshop on Robot and Human Interactive Communication pp. 17-22.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、これらのアクチュエータの特性を生体筋肉と比較してみると、導電性高分子アクチュエータは、筋肉と同じく動作方向が伸縮であるということや、発生応力が筋肉より数倍から数十倍大きいといった利点はあるものの、応答速度が遅く、また動作による膜の劣化が激しい。また、イオン導電性高分子アクチュエータは応答速度が速く、長時間安定に動作するといった利点がある反面、発生応力が筋肉の数十から数百分の一と弱く、また動作が屈曲のため、ウエアラブルパワーアシスト技術用のアクチュエータ等にそのまま使用することは難しかった。
【０００９】
本発明の目的は、軽く、動作音が静かであり、安全に安定して使用でき、かつ、動作が伸縮で、応答速度が生体筋肉と同程度の性能を持つアクチュエータ膜材料、アクチュエータ膜およびこれを用いた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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明では、アクチュエータ膜材料として、安定に動作して応答速度が速いイオン導電性高分子材料と導電性微粒子を混合した材料を使用する。導電性微粒子を混合することにより、膜材料の表面及び内部に、表面積が大きく柔軟な電極が形成され、本来、電子導電性が低かった膜が高電子導電性となる。このことにより、動作が伸縮型の導電性高分子と同様の使用方法が適用でき、伸縮動作が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、軽く、動作音が静かであり、安全に安定して使用でき、かつ、動作が生体筋肉と類似した動きを出しやすい伸縮が可能で、応答速度も生体筋肉と同程度の性能を持つアクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。
【００１３】
（実施例１）
実施例１では、本発明のアクチュエータの基本的な動作の概念および、その作製方法について説明する。はじめに、基本的な動作の概略について図１Ａ−図１Ｃを用いて説明する。図１Ａ−図１Ｃは、本発明のアクチュエータを動作させるために必要な構成およびアクチュエータの駆動力を発生するアクチュエータ膜に電圧を印加した場合のアクチュエータ膜の伸縮動作を説明するための概念図である。
【００１４】
実施例１のアクチュエータは、アクチュエータ膜１、これに対向して設けられる対向電極２、アクチュエータ膜１と対向電極２とが浸漬される電解質溶液３およびアクチュエータ膜１と対向電極２とに電圧を印加するための電圧源４から構成される。電圧源４は、電源とスイッチが直列に接続された回路が並列に接続され、並列接続されている回路の電源は逆極性とされている。アクチュエータ膜１は、樹脂５に導電性の微粒子６を分散させた膜である。樹脂５は、電解質溶液３中で電離している負の電解質イオン７、あるいは正の電解質イオン８を捕らえる能力を持つイオン導電性高分子材料である。
【００１５】
実施例１では、アクチュエータ膜１の樹脂５にパーフルオロスルホン酸コポリマーを使用した。パーフルオロスルホン酸コポリマーは、側鎖の末端にスルホン基がついた構造をとり、電解質溶液中で正の電解質イオンを捕らえる能力を有する。導電性の微粒子６には、直径約５０ナノメートルの炭素微粒子を使用した。パーフルオロスルホン酸コポリマーに対する炭素微粒子６の混合比は、重量比で樹脂５に対し０．３とした。対向電極２は白金を使用した。電解質溶液３には濃度０．１５規定の塩化ナトリウム水溶液を使用した。電解質溶液３中では、電解質である塩化ナトリウムが負の電解質イオンである塩化物イオン７と正の電解質イオンであるナトリウムイオン８とに電離している。
【００１６】
図１Ａは電圧源４の二つのスイッチを、ともにオフ、つまり、アクチュエータ膜１と対向電極２の電気的な接続を切った状態を示している。アクチュエータ膜１で使用した樹脂５は、正の電解質イオンであるナトリウムイオン８を捕らえる能力を有するため、ある程度の量のナトリウムイオンが、電圧を印加しなくてもアクチュエータ膜１内に捕らわれている。そのため、アクチュエータ膜１は、電圧を印加しなくても電解質イオンが存在しない純水中に設置したときと比べ、膨張している。
【００１７】
図１Ｂはアクチュエータ膜１が対向電極２に対して負の電位になるように、下側のスイッチをオンとして、電圧を印加した状態を示している。アクチュエータ膜１は導電性の微粒子６を分散させてあるため、アクチュエータ膜１の内部および表面に表面積が非常に大きく、かつ柔軟な電子伝導性の高い電極を構成するものとなっている。そのため、アクチュエータ膜１の端部の一部に電極を接触させるだけで、アクチュエータ膜１の全域をほぼ同一の電位とすることが可能である。しかし、アクチュエータ膜１の端部の電極の接触部分に金、あるいは白金を、メッキあるいは蒸着で着けると接触抵抗は、より小さくなり、さらに望ましい。
【００１８】
アクチュエータ膜１と対向電極２との間に、例えば、１．２ボルトの電圧を印加すると、電解質溶液中の正の電解質イオン８であるナトリウムイオンが図１Ａの状態より多くアクチュエータ内に取り込まれる。その結果、アクチュエータ膜１は図１Ａの状態よりさらにΔＬ膨張する。この際、電圧印加前のアクチュエータ膜１の全長をＬとした場合、伸び率ΔＬ／Ｌは約１．５％である。
【００１９】
図１Ｃはアクチュエータ膜１が対向電極２より正の電位になるように、上側のスイッチをオンとして、電圧を印加した状態を示している。アクチュエータ膜１と対向電極２との間に、例えば、１．２ボルトの電圧を印加すると、アクチュエータ膜１内に捕らえられていた正の電解質イオンであるナトリウムイオン８がアクチュエータ膜１の外に静電力で放出される。その結果、図１Ａの状態よりΔＬ収縮する。この際、電圧印加前のアクチュエータ膜１の全長をＬとした場合、収縮率ΔＬ／Ｌは約０．５％である。
【００２０】
このようにして、本発明のアクチュエータ膜１に印加する電圧を変化させることにより、伸縮動作させることができる。実際問題として、図１Ｂのようにアクチュエータ膜１に印加する電圧を対向電極２に対して負電位としてアクチュエータ膜１を伸ばす動作をさせたとしても、膜の伸びが、膜の端部にある物を押して動かす、と言う働きをすることにはならないから、本発明のアクチュエータ膜１により構成するアクチュエータは、生体筋肉と同様に、引き付ける形で物を動かす、と言う働きをすることになる。すなわち、図１Ｂ（または図１Ａ）の状態から図１Ｃの状態に制御してアクチュエータ膜１の端部にある物を引き付ける働きをする。引き付ける力を解除するときは、図１Ｂまたは図１Ａの状態にすれば良い。なお、図１Ａの状態から図１Ｃの状態に制御してもアクチュエータ膜１の端部にある物を引き付ける働きをするものとすることができるが、変位の大きさでは劣る。この場合は、しかし、アクチュエータ膜１と対向電極２との間に印加する電圧が一つの極性のものでよいメリットがある。
【００２１】
実施例１のアクチュエータ膜１の材料は、比重が約２のパーフルオロスルホン酸コポリマーに、比重が約２．３の炭素微粒子を混合したものである。そのため、ピエゾリニアアクチュエータによく使われる比重が約８のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛セラミック）や、モータ等の材料となる比重が約８の鉄と比べ、同じ容量のものを作る場合、重量を軽くすることができる。また、本発明のアクチュエータは約３０ミリ秒以下の応答性を示す。また、１０，０００，０００回以上の伸縮動作（図１Ｂと図１Ｃの状態を繰り返す）をさせても安定して動作する。
【００２２】
実施例１では、アクチュエータ膜１に使用する樹脂５に、パーフルオロスルホン酸コポリマーを用いたが、側鎖の末端にスルホン基ではなくカルボキシル基をつけた構造の樹脂を用いても良い。また、主鎖をポリフルオロ炭素ではなくポリスチレンにしても使用できる。アクチュエータ膜１に使用する導電性微粒子６には炭素微粒子の他、カーボンナノチューブ、白金微粒子、金微粒子なども使用できる。表１に樹脂にパーフルオロスルホン酸コポリマーを用いた場合の本発明のアクチュエータ膜に使用できる微粒子の種類とサイズを表１に示す。
【００２３】
【表１】
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５０００ナノメートル以下の炭素微粒子、１００ナノメートル以下の白金微粒子、１００ナノメートル以下の金微粒子であれば動作可能であったが、大きな伸縮率を得ようとした場合、それぞれ１００ナノメートル以下、５０ナノメートル以下、５０ナノメートル以下にすることが、より望ましい。
【００２４】
また、本発明のアクチュエータ膜が伸縮動作するためには、微粒子混合樹脂膜の電気伝導度が約０．１Ｓ／ｃｍ以上になるような、樹脂と微粒子の混合比が有効である。微粒子混合樹脂膜の電気伝導度と樹脂と微粒子の混合比の関係は、樹脂、微粒子の種類、サイズに依存する。樹脂５としてパーフルオロスルホン酸コポリマー、導電性微粒子として炭素微粒子を用いた場合に、アクチュエータとして伸縮動作させるための微粒子のサイズと樹脂に対する重量混合比の関係を表２に示す。
【００２５】
【表２】
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対向電極２は、導電性を有し、表面が電気化学反応により劣化しにくい材料であれば使用できる。実施例１では白金を使用したが、他にも金、炭素等も使用できる。対向電極２の形状はアクチュエータ膜１の周りを取り囲むような構造にすると、伸縮率を大きく、高速に動作させることができる。電解質溶液３には塩化ナトリウムや塩化カリウム等の金属の塩化物塩の水溶液のほか、過塩素酸塩、フッ化ホウ酸塩、フッ化リン酸塩、臭化物塩、水酸化物塩、酢酸塩、硫酸塩、硝酸塩、ホウ酸塩等の水溶液も使用することができる。また、カチオンにも金属のほか、アルキルアンモニウム塩等の分子性のカチオンも使用できる。
【００２６】
本発明のアクチュエータ膜は、その変位の大きさおよび応答速度は電解質の種類および印加電圧に依存する。
【００２７】
電解質の種類では、電解質溶液内での電解質イオンのサイズが大きい方が変位は大きい。すなわち、正の電解質イオンにアルカリ金属を用いた場合、リチウムイオンよりナトリウムイオン、ナトリウムイオンよりカリウムイオン、カリウムイオンよりルビジウムイオンの方が変位は大きい。さらに、アルカリ金属イオンのように単原子イオンより、アルキルアンモニウムイオンのようなサイズが大きな分子イオンの方が変位は大きい。しかし、電解質イオンのサイズが大きくなるにつれ、応答速度は遅くなる。
【００２８】
印加電圧を大きくするに従い応答速度は速くなる。しかし、印加電圧を大きくすると電解質溶液の電気分解が起き、対向電極２やアクチュエータ膜表面に気泡が発生してしまうので、適当な値を選択する必要がある。
【００２９】
実施例１のアクチュエータ膜の作製方法について図２Ａから図２Ｄを用いて説明する。図２Ａから図２Ｄは実施例１のアクチュエータ膜の作製方法の工程を示した概念図である。
【００３０】
はじめに、電解質溶液中で電離している負の電解質イオンあるいは正の電解質イオンを捕らえる能力を有するイオン導電性高分子材料である樹脂１１を溶媒１２に分散させた溶液（樹脂分散溶液）に任意の割合で導電性微粒子１３を混合し、攪拌して微粒子混合溶液１４を作製する（図２Ａ）。実施例１では樹脂分散溶液は、パーフルオロスルホン酸コポリマーを、水とアルコールの混合溶媒（混合比は１：１）に５％分散させた溶液、あるいはその溶液とジメチルホルムアミドとの混合溶液とした。導電性微粒子１３には直径約５０ナノメートルの炭素微粒子を使用した。
【００３１】
次に、作製した微粒子混合溶液１４を親水性の基板１５上に塗布し、７０度で高温乾燥させ、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製する（図２Ｂ）。実施例１では基板１５にガラス基板を使用した。また、実施例１では、乾燥温度を７０度としたが、乾燥温度領域は室温から１８０度まで可能である。塗布方法としてはキャスト法、スピンキャスト法、吹きつけ塗布法のいずれも使用できる。
【００３２】
次に、乾燥したイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を基板１５ごと電解質を溶かした水溶液１７につける。すると、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１が膨潤し、基板１５から剥離する（図２Ｃ）。このとき、電解質を溶かした水溶液１７の代わりに、純水を使用することも可能である。
【００３３】
最後に、剥離したイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１をすくい取り、任意の形状に整えるため、不要な部分を機械的に切断しアクチュエータ膜１が完成する（図２Ｄ）。
【００３４】
図２Ｄの整形処理では、機械的な切断で形状を整えたが、酸素ガス等を用いたドライエッチングで形状を整えることも可能である。また、アクチュエータ膜１の成型は基板１５から剥離した後に行ったが、剥離前に行うことも可能である。さらに、図３に示すように基板２１に必要とするアクチュエータ膜１の型２２を作っておき、そこに微粒子混合溶液１４を流し込んだ後、乾燥、剥離しても、必要とする形状のアクチュエータを得ることができる。
【００３５】
実施例１によれば、本発明のアクチュエータ膜１は、電圧を印加することにより安定して伸縮動作をさせることが可能であり、また、任意の形状のものを容易に作製することができる。
【００３６】
（実施例２）
実施例２では、実施例１で説明したアクチュエータ膜１の種々の実現形態を図４から図１２Ｄを用いて説明する。
【００３７】
図４は実施例１で述べたアクチュエータ膜１の最も簡単な構造を示した斜視図である。図に示すようにｘｙｚ直交座標系をとり、ｘ軸方向に大きく伸縮動作をさせるとする。このアクチュエータ膜１の特徴は、電解質溶液中で電離している負の電解質イオンあるいは正の電解質イオンを捕らえる能力を有するイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１と、電源との接続のための端部電極３２とで構成されていることにある。そのため、構造が簡単で、図２Ｄで得られたアクチュエータ膜に端部電極３２を取り付けるだけで容易に作製することができるといった利点がある。図４では膜の一方端の端部電極３２のみで電源と接続するものとしたが、膜の両端に端部電極３２を設けることももちろん可能である。
【００３８】
図４の例では電解質溶液中で電離している負の電解質イオンあるいは正の電解質イオンを捕らえる能力を有するイオン導電性高分子にパーフルオロスルホン酸コポリマー、導電性微粒子に直径約５０ナノメートルの炭素微粒子を使用した。
【００３９】
混合する導電性微粒子に炭素微粒子を用いると、アクチュエータの重量が軽くなり、作製材料の価格も安くなるといった利点がある反面、電源と接続している場所から離れるにつれ、電源との接続点から遠い部位での伸縮の変位の大きさが小さくなるといった欠点がある。このような伸縮の変位量の減少は、炭素微粒子の電気伝導度が金属と比べて低いことから、アクチュエータ膜１内での電流・抵抗（ＩＲ）ドロップによる電圧降下が生じるためと考えられる。
【００４０】
アクチュエータ膜１の大きさが小さい場合は、電圧降下による変位量の減少は問題にならない。しかし、アクチュエータ膜１の変位量は、アクチュエータ膜１の長さに依存するため、変位量を大きくとろうとして、アクチュエータ膜１の全長を長くすると、電極から離れれば離れるほど電圧降下の影響は大きくなり、変位量はある一定量より大きくならないという問題が生じる。
【００４１】
導電性微粒子に約５０ナノメートルのサイズの炭素微粒子、樹脂にパーフルオロスルホン酸コポリマー、樹脂に対する微粒子の混合比（重量比）を１：０．３として作製した図４に示すアクチュエータ膜１で、電圧降下による伸縮動作の変位の減少があまり問題とならないで動作したサイズと膜厚の関係を表３に示す。印加電圧は５ボルトとし、図４のアクチュエータ１のｘ軸方向の長さをＬ、ｙ軸方向の幅をＷ、ｚ軸方向の厚さをＴとする。
【００４２】
【表３】
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電圧降下による変位量の減少を防ぐための方法としては以下に述べる幾つかの方法がある。
（１）導電性微粒子に金や白金等の電気伝導度の高い微粒子を用いる。
（２）変位量の減少が問題となるような電圧降下が生じないように、アクチュエータ膜１に、適宜、端部電極３２に接続された金属電極を取り付ける。
【００４３】
上記（１）の方法は、作製方法自体は簡単であるが、炭素微粒子で作製したものと比べ、アクチュエータ膜１の重量が大きくなり、また、価格も高くなるといった欠点がある。この欠点は、炭素微粒子と金属微粒子を混合して使用することである程度は解決できるが、実施例２では、以下、上記（２）に示す端部電極３２に接続された金属電極を取り付けたアクチュエータ膜１について説明する。
【００４４】
図５は、一端が端部電極３２に接続された金属薄膜電極４２をイオン導電性高分子と導電性微粒子の薄膜構造とされたイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１の表面に接触させながら螺旋状に巻きつけたアクチュエータ膜１の構造を示す斜視図である。すなわち、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１の表面に、一端が端部電極３２に接続された電気伝導度の高い金属薄膜電極４２が、混合膜３１の片方の端部から他方の端部までｘ軸を回転中心として螺旋状に巻きついた構造である。このため、図５に示すようにｘｙｚ直交座標系をとり、ｘ軸方向に大きく伸縮動作をさせるために電圧を印加すると、金属薄膜電極４２は全領域で等電位になるため、アクチュエータ膜１のＩＲドロップによる電圧降下は、隣り合う金属薄膜電極４２間の部分のみとなる。したがって、隣り合う金属薄膜電極４２間の距離を短く、すなわち、密に巻けば、ＩＲドロップによる電圧降下を抑えられ、伸縮動作の変位量の減少も抑えることができる。また、このアクチュエータ膜１の金属薄膜電極４２は、構造的には軟らかいものとできるから、それ自身がアクチュエータ膜１のｘ軸方向の伸縮運動に与える物理的阻害は小さい。なお、ここでは、アクチュエータ膜１のイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜は薄膜構造としたが、ｘ軸方向に長い直方体あるいは円柱の形状とすることもできる。
【００４５】
具体例で見ると、アクチュエータ膜１のイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１は厚さ０．１ミリメートル、幅２ミリメートル、長さ１０センチメートルの直方体、金属薄膜電極４１は厚さ０．３マイクロメートル、幅０．０５ミリメートルの白金で、螺旋ピッチ３はミリメートルとした。この大きさで構成したアクチュエータ膜１を図１Ａ−図１Ｃの構成で伸縮動作をさせると、約２ｍｍの変位を得ることができる。
【００４６】
図５に示したアクチュエータ膜１は、図２Ａから図２Ｄで述べた方法でイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製したのち、真空蒸着装置に入れ、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を回転させながら、スリットを通し金あるいは白金を蒸着することにより作製することができる。
【００４７】
金属薄膜電極４２は真空蒸着による作製法によらなく、例えば、直径０．０１ミリメートル程度の金線あるいは白金線を機械的に螺旋状に巻き付ける方法としても、同様の効果が得られる。
【００４８】
なお、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１の表面に金属薄膜電極４２を形成した後、さらに、その上にイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合液を吹きつけ塗布でコートすると、金属薄膜電極４２が断線しにくい、耐久性が向上したアクチュエータ膜１を製作することができる。
【００４９】
図６Ａ、図６Ｂはイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１と複数の中間金属電極５２を交互に配置したアクチュエータ膜１の例を示す斜視図である。いずれも図に示すようにｘｙｚ直交座標系をとり、ｘ軸方向に大きく伸縮動作をさせるものとする。
【００５０】
図６Ａ、図６Ｂのいずれの例でも、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１に適当なピッチで複数の中間金属電極５２が交互に配置される。図６Ａの例では、複数の中間金属電極５２が図の手前側に示す側面に設けられた導電性の渡り線５３で接続されているのに対し、図６Ｂの例では、複数の中間金属電極５２が図の手前側と裏側に示す側面に設けられた導電性の渡り薄膜５５で接続されている。導電性の渡り線５３および導電性の渡り薄膜５５の一端は端部電極３２に接続される。ここでは、図示しなかったが、中間金属電極５２の端部電極３２から最も遠いものを導電性の渡り線５３および導電性の渡り薄膜５５によって端部電極３２に接続するものとしても良い。
【００５１】
図６Ａ、図６Ｂのいずれの例でも、アクチュエータ膜１はイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１と中間金属電極５２が、ｘ軸に沿って交互に積層した構造からなる。このアクチュエータ膜１は端部電極３２に電圧を印加すると、導電性の渡り線５３および導電性の渡り薄膜５５で接続されている中間金属電極５２は、全領域で等電位になる。そのため、アクチュエータ膜１のＩＲドロップによる電圧降下は隣り合う中間金属電極５２間の部分のみとなる。隣り合う中間金属電極５２間の距離を短くすれば、ＩＲドロップによる電圧降下を抑えられ、伸縮動作の変位量の減少も抑えることができる。つまり、中間金属電極５２に挟まれたイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１の長さを、短くすることにより、電圧降下による変位量の減少を押さえることができる。また、中間金属電極５２間に接続されている導電性の渡り線５３および導電性の渡り薄膜５５は、アクチュエータ膜１が伸縮する際の物理的阻害要因となるが、導電性の渡り線５３および導電性の渡り薄膜５５に細く柔軟な材料あるいは薄い柔軟な材料を用いれば、その影響は小さく、実質的な阻害要因とはならない。
【００５２】
ここで、図６Ａに示すイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１の大きさは、厚さ０．１ミリメートル、幅２ミリメートル、中間金属電極５２に挟まれた部分の長さはそれぞれ３ミリメートル、中間金属電極５２は厚さ０．１ミリメートル、幅２ミリメートル、長さが０．０２ミリメートルの金、導電性の渡り線５３は直径０．０１ミリメートルの金線、混合膜３１と中間金属電極５２の繰り返し回数を３３回、すなわちアクチュエータ膜１の全長（３ミリメートル＋０．０２ミリメートル）×３３回＝９９．６６ミリメートルとした。全長９９．６６ミリメートルのうち、伸縮動作に有効なアクチュエータ膜の部分は３ミリメートル×３３回＝９９ミリメートルである。
【００５３】
一方、図６Ｂに示すアクチュエータ膜１では、中間金属電極５２と導電性の渡り薄膜５５とを金属箔膜の連続したものとした。イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１の大きさは、厚さ０．１ミリメートル、幅２ミリメートル、中間金属電極５２（金属箔膜５５）に挟まれた長さが３ミリメートル、金属箔膜５５は厚さ０．００５ミリメートルの金箔を３３回折り返したものとした。アクチュエータ膜１の全長は（３ミリメートル＋０．００５ミリメートル）×３３回＋０．００５ミリメートル＝９９．１７とした。全長９９．１７ミリメートルのうち、伸縮動作に有効なアクチュエータ膜の部分は３ミリメートル×３３回＝９９ミリメートルである。
【００５４】
図６Ａおよび図６Ｂに示したアクチュエータ膜１を上述の大きさとし、図１Ａ−図１Ｃの構成で伸縮動作をさせると、約２ｍｍの変位を得ることができる。
【００５５】
図７Ａから図７Ｄは、図６Ａに示すアクチュエータ膜１の作製方法の工程を示した概念図である。
【００５６】
はじめに、金メッキとリソグラフィーを用いたマイクロマシン技術で基板６１の表面上に高さ０．１ミリメートル、幅０．０２ミリメートル、ピッチ３．０２ミリメートルの金のラインアンドスペースパターン６２を作製する（図７Ａ）。このとき、金の代わりに白金を使用することも可能である。次に、実施例１の図２Ａから図２Ｄで記した微粒子混合溶液１４を金のラインアンドスペースパターン６２の隙間に入るように塗布し、高温乾燥させ、ラインアンドスペースパターン６２の金電極を含んだイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製する（図７Ｂ）。次に、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１をラインアンドスペースパターン６２の金電極とともに基板上６１から剥離して形状を厚さ０．１ミリメートル、幅２ミリメートル、全長９９．６６ミリメートルとなるように切断する（図７Ｃ）。最後に、ラインアンドスペースパターン６２の各金電極同士を直径０．０１ミリメートルの金線５３あるいは白金線で接続するとともに、図示しなかったが、端部電極３２と結合させれば、アクチュエータ膜１は完成する（図７Ｄ）。
【００５７】
図８Ａから図８Ｄは、図６Ｂに示すアクチュエータ膜１の作製方法の工程を示した概念図である。はじめに、基板７１の表面上に、高さ１ミリメートル、幅１ミリメートル、長さ２．５ミリメートルの合成樹脂壁７２をｘ方向に３．００５ミリメートルピッチに並べたものをｙ方向に２ミリメートル間隔に２列配置する（図８Ａ）。次に、厚さ０．００５ミリメートルの金箔５２をひだ状に合成樹脂壁７２の隙間に挿入する（図８Ｂ）。次に、実施例１の図２Ａから図２Ｄで記したイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合溶液１４を金箔７３と合成樹脂壁７２に覆われた部分に塗布し、高温乾燥させ、金電極を含んだイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製する（図８Ｃ）。最後に、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を基板７１から剥離し、形状を厚さ０．１ミリメートル、全長９９．１７ミリメートルに成型するとともに、図示しなかったが、端部電極３２と結合させれば、アクチュエータ膜１は完成する（図８Ｄ）。
【００５８】
図９はアクチュエータ膜１の内部に金属電極を配線したアクチュエータ膜１の斜視図である。図に示すようにｘｙｚ直交座標系をとり、ｘ軸方向に伸縮動作をさせるものとする。このアクチュエータ膜１は、ｘ軸方向に長い直方体の形状をしたアクチュエータ膜１の内部に、互いにつながった電気伝導度の高い金属電極８２が、ｘ軸と垂直となるように互いに平行に一定の距離をあけて端面部からもう一方の端面部まで埋め込まれた構造をとる。このアクチュエータ膜１に電圧を印加すると、金属電極８２は、全領域で等電位になる。したがって、図６Ａ、図６Ｂに示したアクチュエータ膜１と同様に、隣り合う金属電極８２の間隔を短くすることにより、電圧降下による変位量の減少を押さえることができる。
【００５９】
ここではイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１は厚さ０．１ミリメートル、幅２ミリメートル、長さ１０センチメートルの直方体、金属電極８２は直径０．０１ミリメートルの金線を３３回折り返したものを使用した。
【００６０】
図９のアクチュエータ膜１を実施例１の図１に記したシステムを用い、伸縮動作をさせると、約２ミリメートルの変位を得ることができる。
【００６１】
図１０Ａから図１０Ｅは、図９のアクチュエータの作製方法の工程を示した概念図である。
【００６２】
はじめに、マイクロマシン技術で表面に深さ０．０５ミリメートル、幅２ミリメートル、長さ１０センチメートルの溝をつけた基板９１を用意する。次に、基板９１の溝に沿って実施例１の図２Ａから図２Ｄで記した微粒子混合溶液１４を注ぎ、乾燥させてイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製する。（図１０Ａ）。作製したイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１の表面に直径０．０１ミリメートルの金線８２を、端部からもう一方の端部までｘ軸に垂直になるようにピッチ３ミリメートルで図に示すように配線する（図１０Ｂ）。つぎに、表面に金線８２を配線したイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１表面に、深さ０．０５ミリメートル、幅２ミリメートル、長さ１０センチメートルの穴が開いた型９４をのせ、基板９１と一体化した状態で固定する（図１０Ｃ）。型９４を固定後、実施例１の図２Ａから図２Ｄで記した微粒子混合溶液１４を穴に注ぎ込み、高温乾燥させ、内部に配線された電極を含むイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製する（図１０Ｄ）。乾燥後、型９４を取り除き、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を基板９１から剥離するとともに、図示しなかったが、端部電極３２と結合させれば、アクチュエータ膜１は完成する（図１０Ｅ）。
【００６３】
この実施例に関しては、直方体の形状をしたアクチュエータ膜１についてしか説明しなかったが、円柱状のアクチュエータ膜１とすることもできる。すなわち、基板９１の切り欠き断面が半円状のものとして、断面半円状のイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を形成し、図１０Ｂで説明したように、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１表面に直径０．０１ミリメートルの金線９３を、端部からもう一方の端部までｘ軸に垂直になるようにピッチ３ミリメートルで配線する。次いで、図１０Ｃで説明したように上型９４を載せてイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を形成するが、上型９４の断面を基板９１の半円状の切り欠き断面を伏せた形とすれば良い。
【００６４】
（実施例３）
図１１Ａおよび図１１Ｂはアクチュエータ膜の伸縮動作を、変位の大きな屈曲動作に変換し、一軸方向の伸縮動作として取り出すためのアクチュエータ膜の基本構造およびその動作原理を示した概念図である。図１１Ａは電圧印加前の状態を、図１１Ｂは電圧を印加したときの動作の様子を示している。このアクチュエータ膜１は、単位アクチュエータ膜１０１と樹脂薄膜１０２、樹脂薄膜１０２の両表面を被覆している導電体１０３および電源との接続のための端部電極３２からなる。図に示すようにｘｙｚ直交座標系をとり、ｘ軸方向に大きく伸縮動作をさせるとする。樹脂薄膜１０２はｘ方向に長く、ｚ方向の膜厚が薄い直方体である。
【００６５】
このアクチュエータ膜１は、導電体１０３で両表面が被覆された柔軟な樹脂薄膜１０２の両面に、ｘ軸方向に対し一列に周期的に単位アクチュエータ膜１０１が複数枚貼り付けられた構造をとる。表面と裏面の単位アクチュエータ膜１０１の大きさ、間隔は同じだが、表面の単位アクチュエータ膜１０１の隙間の中央部分に裏面の単位アクチュエータ膜の中央部分が来るように配置してある。
【００６６】
これに電圧を印加すると、各単位アクチュエータ膜１０１はｘｙ面で導電体１０３に接触しているため、電圧降下はｚ軸方向のみ生じる。しかし、ｚ軸方向は非常に薄いため、電圧降下による変位量の減少は実質上無視できる。また、各単位アクチュエータ膜１０１は、ｘ方向に伸縮動作をしようとするが、片面が導電体１０３および樹脂薄膜１０２で固定されているため、ユニモルフ構造となり図１１Ｂのように屈曲動作となる。この屈曲動作はアクチュエータ膜１としてはｘ軸方向の大きな伸縮動作として現れる。
【００６７】
ここでは、各単位アクチュエータ膜１０１の大きさは、厚さ０．０５ミリメートル、幅２ミリメートル、長さ６ミリメートル。隣り合う単位アクチュエータ膜１０１間の間隔は４ミリメートルである。表面と裏面の単位アクチュエータ膜の大きさ、間隔は同じだが、表面の単位アクチュエータ膜１０１の隙間の中央部分に裏面の単位アクチュエータ膜１０１の中央部分が来るように配置してある。樹脂薄膜１０２は厚さ０．０１ミリメートル、幅２ミリメートル、長さ１０センチメートルのポリエチレン薄膜である。導電体１０３は厚さ０．２マイクロメートルの白金とした。樹脂薄膜は、ポリエチレンのほか、ポリイミドやポリ塩化ビニリデンのように、柔軟な薄膜であれば使用できる。
【００６８】
図１２Ａから図１２Ｄは、図１１Ａに示すアクチュエータ膜１の作製方法の工程を示した概念図である。
【００６９】
はじめに、ポリエチレン薄膜１０２の両面に白金１０３を０．２マイクロメートル蒸着する（図１２Ａ）。次に、深さ０．０５ミリメートル、幅２ミリメートル、長さ６ミリメートルの長方形の穴が４ミリメートル間隔に並んだ２枚の型１１３、１１４を図１２Ａに示す白金１０３を被覆したポリエチレン薄膜１０２の両面に設けてポリエチレン薄膜１０２を挟み込む（図１２Ｂ）。次に、型１１３、１１４をマスクにして、実施例１の図２Ａから図２Ｄで記した微粒子混合溶液１４を、白金１０３を被覆したポリエチレン薄膜１０２の両面に吹きつけ塗布を行い、高温乾燥させてイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を形成する（図１２Ｃ）。最後に、型１１３、１１４をはずし、形状を整える（図１２Ｄ）。図示しなかったが、端部電極３２と結合させれば、アクチュエータ膜１は完成する。
【００７０】
（実施例４）
実施例３までは、本発明のアクチュエータ膜およびその材料について述べたが、実施例４では、本発明のアクチュエ膜を用いたアクチュエータの構成例およびその応用例について図１３Ａ，図１３Ｂ、図１４Ａ，図１３Ｂおよび図１５を用いて説明する。
【００７１】
本発明のアクチュエータ膜は電解質溶液内でのみ伸縮動作をすることができる。したがって、これを汎用的なアクチュエータとして使うには、アクチュエータ膜の伸縮動作を電解質溶液の外に伝える必要がある。その際に、電解質溶液が外に漏れない構造のアクチュエータにする必要がある。以下、アクチュエータ膜を用いたアクチュエータについて説明する。
【００７２】
図１３Ａ、図１３Ｂは、アクチュエータの伸縮動作を線で外部に取り出すアクチュエータの原理を示す概念図である。
【００７３】
図１３Ａはアクチュエータ膜が伸びているときのアクチュエータを断面の形で示している。すなわち、図１Ａで説明した状態である。このアクチュエータは外枠２０１と、その中にある電解質溶液２０２、アクチュエータ膜２０３、対向電極２０４、アクチュエータ膜保持部２０５、２０６、外部取り出し電極２０７、２０８、および、電解質溶液２０２内のアクチュエータ膜２０３の伸縮動作を外部に取り出すための撥水性の線２０９からなる。外枠２０１の内部は、電解質溶液２０２がある部分２１０と、線２０９が通る部分２１１の２つの部分に分けられる。電解質溶液２０２が収納されている部分２１０は、壁面の一部がアクチュエータ膜２０３を取り囲むように対向電極２０４で覆われており、また、アクチュエータ膜２０３が伸縮するのに十分な容量を有する。線２０９が通る部分２１１は撥水性材料２１２で覆われており、線２０９が通れる程度の大きさの円筒形の穴が開いている。対向電極２０４は取り出し電極２０７と接続されている。アクチュエータ膜２０３の一方の端は導電性の保持部２０５を通じて取り出し電極２０８に、他方の端は保持部２０６を通じて伸縮動作を外部に取り出すための線２０９につながっている。取り出し電極２０７、２０８の一部は電解質溶液２０２が外に漏れ出さないように外枠２０１に埋め込まれており、一部は外枠２０１の外部とつながっている。アクチュエータ膜２０３は電解質溶液２０２とともに、外枠２０１の２１０の部分にある。線２０９は外枠２０１の２１１の部分にある。ここでアクチュエータ膜保持部２０５は端部電極３２に対応する。また、他方のアクチュエータ膜保持部２０６を、他方側の端部電極としても良い。また、アクチュエータ膜２０３は、アクチュエータ膜１が複数枚積層されている。
【００７４】
取り出し電極２０７と２０８の間に電圧を印加すると、外枠２０１内部のアクチュエータ２０３は電解質溶液２０２中で伸縮動作をする。図１３Ｂは電圧印加により、図１Ｃで説明した状態と同じで、アクチュエータ膜２０３が収縮したときのアクチュエータを示している。アクチュエータ２０３の伸縮動作は、線２０９を通して外枠２０１の外部に伝達される。このとき、電解質溶液２０２は外枠２０１の２１１の部分との接触角が９０度以上となり、毛管現象により外部に出ることはできない。
【００７５】
このようにして、図１３Ａで記したアクチュエータを使えば、取り出し電極２０７と２０８の間に電圧を印加することにより、電解質溶液２０２中にあるアクチュエータ２０３の伸縮動作を、電解質溶液２０２が外に漏れ出すこと無しに、電解質溶液２０２外部に伝えることができる。
【００７６】
ここでは、外枠２０１の材料にはポリエチレンを、電解質溶液２０２には実施例１の図１Ａで記した濃度０．１５規定の塩化ナトリウム水溶液を、アクチュエータ膜２０３には実施例２の図４で記した基本構造を繊維状にして複数本束ねたもの、対向電極２０４には円筒形の白金を、アクチュエータ膜保持部２０５、２０６は白金製の冶具を、外部取り出し電極２０７、２０８には表面を白金でコートした銅線を、線２０９には合成樹脂線を、撥水性材料２１２には多孔質フッ素樹脂を使用した。電解質溶液２０２は、電解質にポリアクリル酸ナトリウム等の水溶性の高分子電解質を使用したり、ゲル化することにより粘度を上げると、外枠２０１の外部に漏出する危険性はさらに少なくなる。
【００７７】
アクチュエータ膜２０３は実施例２の図４で記した基本構造のほかにも、実施例２の図５、図６Ａ、図６Ｂ、図９、図１１Ａで述べた基本構造のいずれでも使用することができる。また、線２０９が通る部分２１１に線２０９の動作が滑らかになるように、流動パラフィン、あるいはグリスを入れても良い。ただし、この場合、アクチュエータ動作の際、過電圧等で電解質溶液内に気体が発生する場合があるので、安全のため、気体を逃がすための弁を設けた方がよい。さらに、大きな変位量を得るため、外枠２０１の２１０の部分でボビンを設置し、全長が長いアクチュエータ膜２０３を巻き取った構造にすることも可能である。
【００７８】
尤も、先にも説明したように、図１３Ｂの状態から、図１３Ａに示すように、アクチュエータ膜２０３に印加する電圧を除去しても、アクチュエータ膜２０３が線２０９を押し出して図の状態になるわけではなく、アクチュエータ膜２０３が伸びたのに対応してこれを図１３Ａに示すように、線２０９を引き出す外力を作用させることが必要である。なお、伸縮量を大きくするために、伸びた状態で、図１Ｂに示すように、電圧を印加するものとしても良い。
【００７９】
図１４Ａ、図１４Ｂは、アクチュエータ膜の伸縮動作をテコを利用して外部に取り出すアクチュエータの原理を断面の形で示す概念図である。
【００８０】
図１４Ａはアクチュエータ膜が伸びているときのアクチュエータを示している。このアクチュエータは外枠２２１と、その中にある電解質溶液２２２、アクチュエータ膜２２３、対向電極２２４、アクチュエータ膜保持部２２５、２２６、外部取り出し電極２２７、２２８、電解質溶液２２２内のアクチュエータ膜２２３の伸縮動作を外部に取り出すための棒２２９、および、棒を固定するエラストマー２３０からなる。外枠２２１の内部は、壁面の一部が対向電極２２４で覆われており、アクチュエータ膜２２３が伸縮するのに十分な容量を有す。対向電極２２４は取り出し電極２２７と接続されている。アクチュエータ膜２２３の一方の端は保持部２２５を通じて取り出し電極２２８に、他方の端は保持部２２６を通じて伸縮動作を外部に取り出すための棒２２９につながっている。取り出し電極２２７、２２８の一部は電解質溶液２２２が外に漏れ出さないように外枠２２１に埋め込まれており、一部は外枠２２１の外部とつながっている。棒２２９の片方の端は外枠２２１内のアクチュエータ膜２２３に、もう片方の端は外枠２２１の外部に、中央部分は外枠２２１内の表面にあけた穴２３１にエラストマー２３０で埋め込まれている。ここでアクチュエータ膜保持部２２５は端部電極３２に対応する。また、他方のアクチュエータ膜保持部２２６を、他方側の端部電極としても良い。
【００８１】
取り出し電極２２７と２２８の間に電圧を印加すると、外枠２２１内部のアクチュエータ膜２２３は電解質溶液２２２中で伸縮動作をする。図１４Ｂは電圧印加により、アクチュエータ膜２２３が収縮したときのアクチュエータを示している。アクチュエータ膜２２３の収縮により、棒２２９は収縮方向に引かれる。しかし、棒２２９は中央部分がエラストマー２３０で固定されているため、固定されている部分が支点となり、アクチュエータ膜２２３の収縮動作による力を、収縮方向とは逆方向の力として外枠２２１の外部に伝える。このとき、外枠２２１の穴２３１はエラストマー２３０で封じられているため、電解質溶液２２２が外枠２２１の外部に出ることはできない。
【００８２】
このようにして、図１４Ａで記したアクチュエータを使えば、取り出し電極２２７と２２８の間に電圧を印加することにより、電解質溶液２２２中にあるアクチュエータ膜２２３の伸縮動作を、電解質溶液２２２が外に漏れ出すこと無しに、電解質溶液２２２外部に伝えることができる。また、棒２２９が外枠２２１の外部での動作の変位量は、アクチュエータ膜２２３の変位だけではなく、棒２２９の外枠２２１の内部に入っている長さと、外部に出ている長さを変えることによっても調節することができる。
【００８３】
ここでは、外枠２２１の材料にはポリエチレンを、電解質溶液２２２には実施例１の図１Ａで記した濃度０．１５規定の塩化ナトリウム水溶液を、アクチュエータ膜２２３には実施例２の図４で記した基本構造を繊維状にして複数本束ねたもの、対向電極２２４の材料には白金を、アクチュエータ保持部２２５、２２６は白金製の冶具を、外部取り出し電極２２７、２２８には表面を白金でコートした銅線を、棒２２９には直径２ミリメートル、全長５ミリメートルのステンレス線を、エラストマー２３０にはポリウレタン樹脂を使用した。アクチュエータ膜２２３は実施例２の図４で記した基本構造のほかにも、実施例２の図５、図６Ａ、図６Ｂ、図９、図１１Ａで述べた基本構造のいずれでも使用することができる。また、アクチュエータ動作の際、過電圧等で電解質溶液内に気体が発生する場合があるので、安全のため、気体を逃がすための弁を設けた方がよい。さらに、大きな変位量を得るため、外枠２２１の内部にボビンを設置し、全長が長いアクチュエータ膜２２３を巻き取った構造にすることも可能である。
【００８４】
ここでは、図１４Ｂの状態から、アクチュエータ膜２２３に印加する電圧を除去して、アクチュエータ膜２２３が伸びたのに対応して図１４Ａの状態になるための外力としてエラストマー２３０の復元力が使用されている。
【００８５】
図１５は図１４Ａで説明したアクチュエータを利用した冷却用ファンの構成を示した構成図である。この冷却用ファンは、図１４Ａで記したタイプのアクチュエータ２４１、交流電源２４２、ファン２４３からなる。アクチュエータ２４１は電圧を１．２ボルト印加すると、棒２４４が６０度曲がるようにアクチュエータ及び棒２４４の長さを調節してある。アクチュエータ２４１の棒２４４の先端にファン２４３が接続されている。また、アクチュエータの取り出し電極２４５と２４６は交流電源２４２につながっている。
【００８６】
交流電源２４２より、振幅２．４ボルト、周波数２ヘルツの交流電圧信号を取り出し電極２４４と２４５間に出力すると、ファン２４３が０．５秒周期で６０度曲がり、風を送り出す。この冷却用ファンは、低電圧で駆動し、音も静かであるといった特徴をもつ。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１Ａ】実施例１のアクチュエータ膜１と対向電極２の電気的な接続を切った状態を示す図。
【図１Ｂ】実施例１のアクチュエータ膜１が対向電極２より低い電位になるように、下側のスイッチをオンとして、電圧を印加した状態を示す図。
【図１Ｃ】実施例１のアクチュエータ膜１が対向電極２より高い電位になるように、上側のスイッチをオンとして、電圧を印加した状態を示す図。
【図２Ａ】実施例１のアクチュエータ膜の作製方法の工程の内、微粒子混合溶液１４を作製する過程を示す概念図。
【図２Ｂ】実施例１のアクチュエータ膜の作製方法の工程の内、基板上にイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製する過程を示す概念図。
【図２Ｃ】実施例１のアクチュエータ膜の作製方法の工程の内、基板上のイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を基板から剥離する過程を示す概念図。
【図２Ｄ】実施例１のアクチュエータ膜の作製方法の工程の内、剥離したイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を任意の形状に整える過程を示す概念図。
【図３】基板に設けた型に微粒子混合溶液１４を流し込んだ後、乾燥、剥離してアクチュエータ膜を得る場合の基板の例を示す図。
【図４】実施例１で述べた最も簡単な構造のアクチュエータ膜を示した斜視図。
【図５】金属電極をイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜の表面に螺旋状につけたアクチュエータ膜の基本構造を示す斜視図。
【図６Ａ】イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１と、互いに導電性の線５３で接続された中間金属電極５２が、ｘ軸に沿って交互に積層した構造からなるアクチュエータの基本構造を示す斜視図。
【図６Ｂ】イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１と金属電極５５が、ｘ軸に沿って交互に積層した構造で、金属電極５５はひだ状に畳んだ１枚の金属箔であるアクチュエータ膜の基本構造を示す斜視図。
【図７Ａ】図６Ａのアクチュエータの作製方法の工程の内、金メッキとリソグラフィーを用いたマイクロマシン技術で基板６１の表面上に高さ０．１ミリメートル、幅０．０２ミリメートル、ピッチ３．０２ミリメートルの金のラインアンドスペースパターン６２を作製する過程を示す概念図。
【図７Ｂ】図６Ａのアクチュエータの作製方法の工程の内、微粒子混合溶液１４を金のラインアンドスペースパターン６２の隙間に入るように塗布し、高温乾燥させ、金電極を含んだイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製する過程を示す概念図。
【図７Ｃ】図６Ａのアクチュエータの作製方法の工程の内、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を基板上６１から剥離して形状を厚さ０．１ミリメートル、幅２ミリメートル、全長９９．６６ミリメートルとなるように切断する過程を示す概念図。
【図７Ｄ】図６Ａのアクチュエータの作製方法の工程の内、ラインアンドスペースパターン６２の各金電極同士を直径０．０１ミリメートルの金線６４あるいは白金線で接続してアクチュエータ膜を完成させる過程を示す概念図。
【図８Ａ】図６Ｂのアクチュエータの作製方法の工程の内、基板７１の表面上に、高さ１ミリメートル、幅１ミリメートル、長さ２．５ミリメートルの合成樹脂壁７２をｘ方向に３．００５ミリメートルピッチに並べたものをｙ方向に２ミリメートル間隔に２列配置する過程を示す概念図。
【図８Ｂ】図６Ｂのアクチュエータの作製方法の工程の内、厚さ０．００５ミリメートルの金箔７３をひだ状に合成樹脂壁７２の隙間に挿入する過程を示す概念図。
【図８Ｃ】図６Ｂのアクチュエータの作製方法の工程の内、微粒子混合溶液１４を金箔７３と合成樹脂壁７２に覆われた部分に塗布し、高温乾燥させ、金電極を含んだイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製する過程を示す概念図。
【図８Ｄ】図６Ｂのアクチュエータの作製方法の工程の内、アクチュエータ膜７４を基板７１から剥離し、形状を厚さ０．１ミリメートル、全長９９．１７ミリメートルに成型することによりアクチュエータ膜を完成する過程を示す概念図。
【図９】アクチュエータ膜の内部に金属電極を配線したイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜の基本構造を示した斜視図。
【図１０Ａ】図９のアクチュエータの作製方法の工程の内、マイクロマシン技術で表面に深さ０．０５ミリメートル、幅２ミリメートル、長さ１０センチメートルの溝をつけた基板９１を用意する過程を示す概念図。
【図１０Ｂ】図９のアクチュエータの作製方法の工程の内、基板９１の溝に沿って実施例１の図２Ａから図２Ｄで記した微粒子混合溶液１４を注ぎ、乾燥させてイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製する過程を示す概念図。
【図１０Ｃ】図９のアクチュエータの作製方法の工程の内、金線９３を配線したイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１に、深さ０．０５ミリメートル、幅２ミリメートル、長さ１０センチメートルの穴が開いた型９４をのせ、固定する過程を示す概念図。
【図１０Ｄ】図９のアクチュエータの作製方法の工程の内、型９４を固定後、実施例１の図２Ａから図２Ｄで記した微粒子混合溶液１４を穴に注ぎ込み、高温乾燥させ、内部に配線された電極を含むイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を作製する過程を示す概念図。
【図１０Ｅ】図９のアクチュエータの作製方法の工程の内、乾燥後、型９４を取り除き、イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を基板９１から剥離することで、アクチュエータ膜を完成する過程を示す概念図。
【図１１Ａ】アクチュエータ膜の伸縮動作を、変位の大きな屈曲動作に変換し、一軸方向の伸縮動作として取り出すためのアクチュエータの基本構造と電圧印加前の状態を示す概念図。
【図１１Ｂ】アクチュエータ膜の伸縮動作を、変位の大きな屈曲動作に変換し、一軸方向の伸縮動作として取り出すためのアクチュエータの基本構造と電圧を印加したときの動作の様子を示す概念図。
【図１２Ａ】図１１Ａのアクチュエータの作製方法の工程の内、ポリエチレン薄膜１０２の両面に白金１０３を０．２マイクロメートル蒸着する過程を示す概念図。
【図１２Ｂ】図１１Ａのアクチュエータの作製方法の工程の内、深さ０．０５ミリメートル、幅２ミリメートル、長さ６ミリメートルの長方形の穴が４ミリメートル間隔に並んだ２枚の型１１３、１１４を図１２Ａに示す白金１０３を被覆したポリエチレン薄膜１０２の両面に設けてポリエチレン薄膜１０２を挟み込む過程を示す概念図。
【図１２Ｃ】図１１Ａのアクチュエータの作製方法の工程の内、型１１３、１１４をマスクにして、実施例１の図２Ａから図２Ｄで記した微粒子混合溶液１４を、白金１０３を被覆したポリエチレン薄膜１０２の両面に吹きつけ塗布を行い、高温乾燥させイオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜３１を形成する過程を示す概念図。
【図１２Ｄ】図１１Ａのアクチュエータの作製方法の工程の内、型１１３、１１４をはずし、形状を整えてアクチュエータ膜を完成する過程を示す概念図。
【図１３Ａ】実施例３のアクチュエータの伸縮動作を線で外部に取り出すため、アクチュエータが伸びているときのアクチュエータを示す概念図。
【図１３Ｂ】実施例３のアクチュエータの伸縮動作を線で外部に取り出すため、アクチュエータに電圧が印加され、電圧印加によりアクチュエータ２０３が収縮したときのアクチュエータを示す概念図。
【図１４Ａ】実施例３のアクチュエータの伸縮動作をテコを利用して外部に取り出すため、アクチュエータが伸びているときのアクチュエータを示す概念図。
【図１４Ｂ】実施例３のアクチュエータの伸縮動作をテコを利用して外部に取り出すため、アクチュエータに電圧が印加され、電圧印加によりアクチュエータ２０３が収縮したときのアクチュエータを示す概念図。
【図１５】実施例３のアクチュエータを利用した冷却用ファンの構成を示した構成図。
【符号の説明】
【００８８】
１…アクチュエータ、２…対向電極、３…電解質溶液、４…電圧源、５…樹脂、６…導電性微粒子、７…負の電解質イオン、８…正の電解質イオン、１１…樹脂、１２…溶媒、１３…導電性微粒子、１４…微粒子混合溶液、１５…基板、１７…電解質を溶かした水溶液、２１…基板、２２…型、３１…イオン導電性高分子と導電性微粒子の混合膜、３２…端部電極、４２…金属電極、５２…金属電極、５３…導電性の線、５５…導電性の渡り薄膜、６１…基板、６２…ラインアンドスペースパターン、７１…基板、７２…合成樹脂壁、８２…金属電極、９１…基板、９４…型、１０１…単位アクチュエータ膜、１０２…樹脂薄膜、１０３…導電体、１１３，１１４…型、２０１…外枠、２０２…電解質溶液、２０３…アクチュエータ膜、２０４…対向電極、２０５，２０６…保持部、２０７…外部取り出し電極、２０８…外部取り出し電極、２０９…線、２１０…電解質溶液がある部分、２１１…線が通る部分、２１２…撥水性材料、２２１…外枠、２２２…電解質溶液、２２３…アクチュエータ、２２４…対向電極、２２５，２２６…保持部、２２７…外部取り出し電極、２２８…外部取り出し電極、２２９…棒、２３０…エラストマー、２４１…アクチュエータ、２４２…交流電源、２４３…ファン、２４４…棒、２４５，２４６…外部取り出し電極。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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