(57)【要約】【課題】高速な応答性を得られる高分子アクチュエータの駆動方法等を提供すること。【解決手段】高分子材料からなる基材１０１と、電界を発生させる為の対向電極１０２、１０３を基材表面に有し、対向電極１０２、１０３間に電圧を印加して、基材１０１内のイオンや極性分子を偏在させる事により、基材１０１の形状を所望の形状に変形させ、且つ基材１０１の変形形状を所定の時間維持する高分子アクチュエータ１００において、高分子アクチュエータ１００の変形状態が、基材１０１の形状を実質的に維持する形状維持期間ｔ２と、形状維持期間ｔ２に先立ち、基材１０１を任意の形状から所望の形状に変形させる変形開始期間ｔ１とよりなり、高分子アクチュエータ１００に印加する駆動電圧Ｖが、形状維持期間ｔ２と変形開始期間ｔ１とで各々異なる電圧を印加する。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界によって移動可能なイオンや極性分子を含有する高分子材料からなる基材と、
前記電界を発生させる為の対向電極を前記基材表面に有し、
前記対向電極間に電圧を印加して、前記基材内のイオンや極性分子を偏在させる事により、
前記基材の形状を所望の形状に変形させ、
且つ前記基材の変形形状を所定の時間維持する高分子アクチュエータにおいて、
前記高分子アクチュエータの変形状態が、
前記基材の形状を実質的に維持する形状維持期間と、
前記形状維持期間に先立ち、前記基材を任意の形状から所望の形状に変形させる変形開始期間とよりなり、
前記高分子アクチュエータに印加する駆動電圧が、
前記形状維持期間と前記変形開始期間とで各々異なる電圧を印加することを特徴とする高分子アクチュエータの駆動方法。
【請求項２】
前記形状維持期間に印加する駆動電圧が、
前記基材の変形形状を実質的に維持させる前記イオンや極性分子の分布を保持するのに必要なエネルギーと等しいエネルギーを供給する電圧であ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の駆動方法。
【請求項３】
前記形状維持期間に印加する駆動電圧が、時間と共に漸減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の駆動方法。
【請求項４】
前記形状維持期間に印加する駆動電圧が、時間と共に段階的に低下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の駆動方法。
【請求項５】
前記変形開始期間に印加する駆動電圧の少なくとも一部の電圧は、標準電圧よりも大きい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の駆動方法。
【請求項６】
前記変形開始期間に印加する駆動電圧は一定値ではないことを特徴とする請求項５に記載の高分子アクチュエータの駆動方法。
【請求項７】
前記変形開始期間に印加する駆動電圧は一定値であることを特徴とする請求項５に記載の高分子アクチュエータの駆動方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の高分子アクチュエータの駆動方法を用いて、
前記所定の形状を所定の時間にわたって実質的に維持する事が可能であることを特徴とする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、高分子アクチュエータの駆動方法及び高分子アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療機器、産業用ロボット及びマイクロマシン等の分野において、多種多様な動作原理を応用したアクチュエータが研究開発されている。中でも、イオン流体の様な極性分子を含んだ状態のイオン交換樹脂の表面に電極を形成し、電圧の印加により屈曲変形させる高分子アクチュエータは、その柔軟な駆動様態から人工筋肉と称されている。人工筋肉は、今後様々な分野での応用が期待されている。例えば、特許文献１には様々な高分子アクチュエータの構成例が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２８２９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の特許文献には、駆動電圧に対する変形形状の関係のみ記載されている。このため、この文献には、駆動電圧の印加時間と変形形状とに関しては全く開示されていない。
【０００５】
アクチュエータは、その駆動形態もさることながら、変形速度や応答速度と言った時間的要素も重要なファクターとなる。そこで、特許文献に記載された方法で実際にアクチュエータを駆動すると、動作速度が遅い為、用途が限定されてしまう。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高速な応答性を得られる高分子アクチュエータの駆動方法及びこの駆動方法により高速に駆動できる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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、電界によって移動可能なイオンや極性分子を含有する高分子材料からなる基材と、電界を発生させる為の対向電極を基材表面に有し、対向電極間に電圧を印加して、基材内のイオンや極性分子を偏在させる事により、基材の形状を所望の形状に変形させ、且つ基材の変形形状を所定の時間維持する高分子アクチュエータにおいて、高分子アクチュエータの変形状態が、基材の形状を実質的に維持する形状維持期間と、形状維持期間に先立ち、基材を任意の形状から所望の形状に変形させる変形開始期間とよりなり、高分子アクチュエータに印加する駆動電圧が、形状維持期間と変形開始期間とで各々異なる電圧を印加することを特徴とする、高分子アクチュエータの駆動方法を提供できる。
【０００８】
また、本発明の好ましい態様によれば、形状維持期間に印加する駆動電圧が、基材の変形形状を実質的に維持させるイオンや極性分子の分布を保持するのに必要なエネルギーと等しいエネルギーを供給する電圧であることが望ましい。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様によれば、形状維持期間に印加する駆動電圧が、時間と共に漸減することが望ましい。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様によれば、形状維持期間に印加する駆動電圧が、時間と共に段階的に低下することが望ましい。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様によれば、変形開始期間に印加する駆動電圧の少なくとも一部の電圧は、標準電圧よりも大きいことが望ましい。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様によれば、変形開始期間に印加する駆動電圧は一定値ではないことが望ましい。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様によれば、変形開始期間に印加する駆動電圧は一定値であることが望ましい。
【００１４】
また、本発明によれば、上述の高分子アクチュエータの駆動方法を用いて、所定の形状を所定の時間にわたって実質的に維持する事が可能であることを特徴とする高分子アクチュエータを提供できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高速な応答性を得られる高分子アクチュエータの駆動方法及びこの駆動方法により高速に駆動できる高分子アクチュエータを提供できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかる高分子アクチュエータの駆動方法及び高分子アクチュエータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１７】
本発明の実施例１に係る高分子アクチュエータとその駆動方法について説明する。図１は、高分子アクチュエータ１００と、駆動電圧源２０２、及び電気的接続を模式的に示した図である。
【００１８】
図１に示す様に、高分子アクチュエータ１００は、電界によって移動可能なイオンや極性分子を含有する、イオン交換樹脂等からなる基材１０１の表面に、無電界メッキ法等で形成された対向電極１０２及び対向電極１０３より構成されている。また、駆動電圧源２０２からの出力は、電極パッド２０１を介して対向電極１０２及び対向電極１０３に印加される。
【００１９】
図２の（ａ）及び（ｂ）は、対向電極１０２及び対向電極１０３に正・負の電圧を印加した場合の変形状態を示す図である。図２の（ａ）に示す様に、図中、高分子アクチュエータ１００の左側に形成された対向電極１０２に負電圧、右側に形成された対向電極１０３に正電圧を印加すると、印加電圧により発生する電界により、基材１０１内の陽イオンや極性分子は陰極側へ移動する。これにより、陰極側が陽極側に比べて膨潤し、基材１０１の先端は図中右側へ変形する。
【００２０】
一方、図２の（ｂ）に示すよう様に、図中、高分子アクチュエータの右側に形成された対向電極１０３に負電圧、左側に形成された対向電極１０２に正電圧を印加すると、印加電圧により発生する電界により、基材１０１内の陽イオンや極性分子は陰極側へ移動する。これにより、基材１０１の先端は図中左側へ変形する。
【００２１】
この様に高分子アクチュエータ１００は、印加する電圧により生じる基材の変形を利用したアクチュエータである。以降、アクチュエータとしての動作状態を示す、高分子アクチュエータ１００の変位量ｄ（変形量）とは、図２の（ａ）に示す様な先端が変形した量を変位量とする。
【００２２】
また、高分子アクチュエータ１００に印加する正・負の電圧は、変形の方向を決めるパラメータである。説明では、正の電圧、もしくは、負の電圧を印加した場合についてのみ記載しているが、電圧の正・負の関係を記載とは逆に印加した場合も同様の効果が得られる。
【００２３】
次に図３及び図４を用いて、本実施例に係る高分子アクチュエータ１００の時間の概念を含めた駆動形態を説明する。
【００２４】
図３の（ｂ）は、比較的短時間での高分子アクチュエータへの印加した駆動電圧Ｖを示している。また、図３の（ａ）は、そのときの変位量ｄを示したグラフである。なお、グラフのスケールは説明を容易にするために誇張して書かれており、実際のスケールをそのまま示した物ではない。
【００２５】
図３の（ａ）、（ｂ）において、駆動電圧Ｖ１を印加したときの動きを変位量ｄ１、駆動電圧Ｖ２を印加したときの動きを変位量ｄ２としている。
【００２６】
図３の（ｂ）に示す様に、高分子アクチュエータに駆動電圧Ｖ１（点線で示す）を印加した後（図中Ａ点）、高分子アクチュエータの変位量は次第に増加していく。また、駆動電圧として高い電圧Ｖ２（実線で示す）を印加する程、変形する速度（応答性）は速くなる。
【００２７】
これは、上述の様に、高分子アクチュエータ１００が、イオンや極性分子の移動を駆動源としている為、イオンや極性分子が移動し、その分布が変わっていくのにある程度の時間を要するからである。また、イオンや極性分子の移動速度は、駆動電圧が高い程速くなるからである。
【００２８】
また、図４は比較的長い時間での高分子アクチュエータ１００への印加した駆動電圧と変位量を示したグラフである。
【００２９】
図４の（ａ）、（ｂ）において、駆動電圧Ｖ１を印加したときの動きを変位量ｄ１、駆動電圧Ｖ２を印加したときの動きを変位量ｄ２、駆動電圧Ｖ３を印加したときの動きを変位量ｄ３、それぞれとしている。
【００３０】
図４の（ａ）、（ｂ）に示す様に、高分子アクチュエータ１００に一定の電圧を加えた場合、高分子アクチュエータ１００の変位速度は次第に遅くなる。しかしながら、変位量は飽和せずに、クリープ現象の様に増加していく。
【００３１】
また、必要以上に高い駆動電圧Ｖ３を印加し、その後、逆電圧を印加した場合（図中Ｂ点）、逆方向へ変形が始まるのに遅延ｔｄが生じてしまう。
【００３２】
この様な特性を踏まえて、本実施例に係る高分子アクチュエータ１００の駆動電圧波形を図５に示す。
【００３３】
図５の（ａ）に示す様に、高分子アクチュエータ１００の変形状態を、形状維持期間ｔ２、ｔ４と形状維持期間の初期に設けられた変形開始期間ｔ１、ｔ３に分離して説明する。
【００３４】
変形開始期間ｔ１、ｔ３は、高分子アクチュエータ１００を任意の状態から所望の変形状態に変化させる期間である。形状維持期間ｔ２、ｔ４は、所望の形状状態を実質的に維持する期間である。本実施例に係る高分子アクチュエータ１００の駆動方法では、変形開始期間ｔ１、ｔ３においては、必要な高分子アクチュエータ１００の変形速度（応答性）を得る事が出来る駆動電圧を所望の変形状態になるまで印加する。このときの、駆動電圧は一定値である。
【００３５】
その後、形状維持期間ｔ２、ｔ４では、漸減する駆動電圧を印加する。この様な漸減する駆動電圧を印加する理由は、上述の様に、高分子アクチュエータ１００に一定の電圧を加えた場合、変位量は飽和せずに、クリープ現象の様に次第に増加してゆくからである。
【００３６】
換言すると、所望の変形形状を実質的に維持する電圧波形、更に換言すると、所望の変形形状を維持する為にイオンや極性分子の分布を保持するのに必要なエネルギーと等しいエネルギーを供給する電圧波形は、図５の（ｂ）に示す様な、漸減する波形になる為である。
【００３７】
上述の様に、どのように電圧を漸減していくかは、個々の高分子アクチュエータの特性に因って異なる。この為、電圧波形は、個々のアクチュエータによって必要に応じて最適化される。
【００３８】
このように変形開始期間ｔ１（ｔ３）と形状維持期間ｔ２（ｔ４）とで各々異なる電圧を印加する。好ましくは、変形開始期間ｔ１（ｔ３）よりも形状維持期間ｔ２（ｔ４）における電圧を小さくする。
【００３９】
ここで、所望の変形形状を実質的に維持するとは、以下の２つの状態（１）、（２）を含む状態をいう。
（１）高分子アクチュエータ１００に対して、何ら外力が作用してないときに、フリーな状態で所望の形状を維持する状態
（２）高分子アクチュエータ１００が、ストッパ等の突き当て部に当接して所望の形状を維持する状態
【００４０】
例えば、所望の変形形状を実質的に維持するとは、高分子アクチュエータ１００の使用形態に適した変形形状を維持するという事である。例えば、高分子アクチュエータ１００をスイッチのＯＮ−ＯＦＦを駆動させる為に２値駆動させる場合、所望の変形量は、＋ｘｍｍ以上、−ｘｍｍ以上という場合が考えられる。
【００４１】
この場合、高分子アクチュエータ１００の変形量は、＋ｘｍｍ以上変位している事、もしくは−ｘｍｍ以上変位している事が変形形状を実質的に維持する事になる。
【００４２】
また、高分子アクチュエータ１００をステージの位置合わせに使用する場合、所望の変形量は、ｘｍｍステップで位置精度±δｍｍという場合が考えられる。この場合、高分子アクチュエータ１００の変形量は、所望の変形量に対して±δｍｍに収まっている事が変形形状を実質的に維持する事になる。
【００４３】
上述の様に、図５の（ｂ）に示す様な駆動電圧を印加する事で、必要な応答性を確保した上で、最低限のエネルギーで高分子アクチュエータ１００の変形形状を保持し、且つ、必要以上の電圧を印加する事が無いので、その後の変形に遅延を生じる事は無い。
【実施例２】
【００４４】
次に本発明の実施例２に係る高分子アクチュエータ１００の別の駆動方法について説明する。図６は、本実施例における電圧波形を示している。
【００４５】
図６に示す様に、形状維持期間ｔ２に高分子アクチュエータ１００に印加する電圧として、段階的に低減する電圧を印加しても良い。この様な駆動電圧波形を印加した場合、一般的には、図５に示した漸減する駆動電圧波形よりも、高分子アクチュエータ１００を所望の変位量に維持する精度は多少低減するが、駆動回路構成が簡単になる。
【実施例３】
【００４６】
次に、本発明の実施例３に係る高分子アクチュエータ１００の駆動方法について説明する。図７は、本実施例における電圧波形を示している。
【００４７】
図７に示す様に、形状維持期間ｔ２に高分子アクチュエータ１００に印加する電圧として、変形開始期間ｔ１に印加した駆動電圧よりも低い一定電圧を印加しても良い。この様な駆動電圧波形を印加した場合、一般的には、図５及び図６に示した漸減する駆動電圧波形や段階的に低減する駆動電圧波形よりも、高分子アクチュエータ１００を所望の変位量に維持する精度は多少低減するが、駆動回路構成が簡単になる。
【実施例４】
【００４８】
次に実施例４について説明する。まず、駆動電圧と標準電圧の関係について説明する。本発明に係る高分子アクチュエータ１００には一般的に標準電圧が存在する。「標準電圧」とは、耐久試験等に基づき、高分子アクチュエータの特性が劣化しないような最適な電圧値をいう。
【００４９】
標準電圧は、高分子アクチュエータ内部で発生する化学変化や基材の塑性変形などに起因して定まる電圧である。例えば、駆動電圧を印加している時間によらず、変形特性の劣化が一定の範囲内（例えば８０％）に収まる電圧である。
【００５０】
仮に、標準電圧以上の電圧を高分子アクチュエータに長時間印加すると、変形特性が一時的に、または、永久的に劣化してしまう。しかしながら、標準電圧以上の電圧を印加しても、その電圧値と印加する時間によっては特性に影響を与えない条件が存在する。
【００５１】
本願の発明者が鋭意研究した実験に基づく実例を挙げると、標準電圧が±２Ｖの高分子アクチュエータに対して、±８Ｖの電圧を５００ｍｓｅｃ印加し、その後、駆動電圧を標準電圧以下に下げた場合、特性劣化は発生しなかった。
【００５２】
これらの事を踏まえ、図８に示す様に、変形開始期間ｔ１に標準電圧Ｖ０以上の電圧を、高分子アクチュエータの特性に影響を与えない条件で印加する。その後、形状維持期間ｔ２に標準電圧Ｖ０以下の電圧を印加する。これにより、高分子アクチュエータの変形速度（応答性）を向上させ、且つ変形特性を劣化する事無く駆動する事が出来る。
【００５３】
尚、本発明では、変形開始期間を、高分子アクチュエータを任意の状態から所望の変形状態に変化させる期間と定義している。また、形状維持期間を、所望の形状状態を実質的に維持する期間と定義している。
【００５４】
さらに、変形開始期間に印加する駆動電圧として一定電圧としている。さらに、形状維持期間に印加する駆動電圧を、漸減する電圧、段階的に減少する電圧、変形開始期間に印加する駆動電圧よりも低い一定電圧として説明してきた。
【００５５】
しかしながら、これに限られず、変形開始期間や形状維持期間と印加電圧は必ずしも一致する必要は無い。例えば、図９の（ｂ）に示すような、変形開始期間ｔ１に印加する駆動電圧の少なくとも一部の電圧は、標準電圧Ｖ０よりも大きくする。そして、変形開始期間ｔ１に印加する駆動電圧は一定値ではないようにしても良い。
【００５６】
これにより、図９の（ａ）に示すように、遅延時間を生ずることなく、高速な応答性を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明にかかる高分子アクチュエータの駆動方法は、高い応答性が必要なときに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例に係る高分子アクチュエータの断面構成を示す図である。
【図２】高分子アクチュエータの変形を示す図である。
【図３】印加電圧と変位量との関係を示す図である。
【図４】印加電圧と変位量との関係を示す他の図である。
【図５】実施例１における印加電圧と変位量との関係を示す図である。
【図６】実施例２における印加電圧と変位量との関係を示す図である。
【図７】実施例３における印加電圧と変位量との関係を示す図である。
【図８】実施例４における印加電圧と変位量との関係を示す図である。
【図９】実施例５における印加電圧と変位量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００  高分子アクチュエータ
１０１  基材
１０２、１０３  対向電極
２０１  電極パッド
２０２  駆動電圧源
Ｖ０  標準電圧
【図１】
2007318933.tif 000003
【図２】
2007318933.tif 000004
【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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【図９】
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