(57)【要約】【課題】変形に対する抵抗が少ない電極を有するアクチュエーターを提供する。【解決手段】伸縮可能な筒状の第１の部位と、第１の電極と、第２の電極と、高分子電解質層と、を含み、前記第１の部位の内部は、前記高分子電解質層で埋められており、前記第１の電極は、前記第１の部位の周囲に接して螺旋状に配置され、前記第２の電極は、前記高分子電解質層の内部に埋められ、前記第１の部位の伸縮に伴い変形することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伸縮可能な筒状の第１の部位と、
第１の電極と、
第２の電極と、
高分子電解質層と、を含み、
前記第１の部位の内部は、前記高分子電解質層で埋められており、
前記第１の電極は、前記第１の部位の周囲に接して螺旋状に配置され、
前記第２の電極は、前記高分子電解質層の内部に埋められ、前記第１の部位の伸縮に伴い変形することを特徴とする伸縮駆動素子。
【請求項２】
前記第１の部位の両端は絶縁性の蓋で覆われており、前記第２の電極は前記絶縁性の蓋に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の伸縮駆動素子。
【請求項３】
前記第１の部位は、酸化還元応答化合物と液晶性部位とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の伸縮駆動素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然界に存在するエネルギーを機械的な仕事に変換する原動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原動機としては、流体の圧力を利用して機械に仕事をさせるもの（以降、流体機械と呼ぶ）、化石燃料や蒸気などを利用して機械に仕事をさせるもの（以降、熱機関と呼ぶ）、電力を利用して機械に仕事をさせるもの（以降、電動機と呼ぶ）などがある。流体機械は、具体的には、風車、水車、空気モーター及び油圧モーターなどがある。熱機関は、外燃機関及び内燃機関であり、蒸気タービン、オットー機関、ガスタービン機関及び液体燃料又は固体燃料によるロケットなどがある。また、電動機は、整流子電動機及び誘導電などがある。用途に応じて好ましい種類の原動機が使われるが、一般的に電動機は流体機械及び熱機関と比較してその大きさが小さく、また、制御が容易であることから、携帯性が求められるような小型なものでは電動機が用いられる。
【０００３】
近年、医療分野やロボット分野において、より小型なもの若しくはよりしなやかに動作する原動機として、導電性高分子の伸縮体を利用した原動機が提案されている。たとえば、特許文献１には、酸化還元に必要なイオンと電子伝導体とを含むゲルを電極とした導電性高分子の伸縮体を用いたアクチュエーターが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９９３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のアクチュエーターは電極として用いているゲルは導電性高分子の伸縮体に貼り付けられていることから、導電性高分子の伸縮と共にゲルが伸縮することになり、ゲルの伸縮に必要な力が抵抗となりアクチュエーターとして出せる力が小さくなる可能性がある。また、電子伝導体はゲルの中に隣接するもの同士が接することで電極としての導電性を維持していることから、伸張によっては接しなくなるものも出てくることになり、電極の機能としての信頼性が問題となる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した課題若しくは問題の少なくともひとつを解決するためになされたものであり、以下の適用例又は実施形態として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
本適用例にかかる伸縮駆動素子は、伸縮可能な筒状の第１の部位と、第１の電極と、第の２電極と、高分子電解質層と、を含み、前記第１の部位の内部は、前記高分子電解質層で埋められており、前記第１の電極は、前記第１の部位の周囲に接して螺旋状に配置され、前記第２の電極は、前記高分子電解質層の内部に埋められ、前記第１の部位の伸縮に伴い変形することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、伸縮可能な筒状の第１の部位と、第１の電極と、第２の電極と、高分子電解質層と、を含み、前記第１の部位の内部は、前記高分子電解質層で埋められており、前記第１の電極は、前記第１の部位の周囲に接して螺旋状に配置され、前記第２の電極は、前記高分子電解質層の内部に埋められ、前記第１の部位の伸縮に伴い変形することで、第１の部位の伸縮において第１の電極及び第２の電極が与える応力の低減を図ることができる。また、第１の電極及び第２の電極の変形は、それぞれに対しての導電性に影響を与えない。
【０００９】
第１の電極は、第１の部位の周囲に螺旋状に配置されることでバネのような形となり第１の部位の伸縮に対応して変形することが容易となるとともに、第１の電極自体の長さが変化しないことから、電極としての変わらない機能を第１の部位の伸縮に関わらず果たすことができる。また、バネのような形となることで発生する応力は、第１の電極の幅を可能な限り小さくすることで低減することが可能となる。
【００１０】
また、高分子電解質層の中に埋められる第２の電極は、第１の部位の伸縮に伴い変形することで、第２の電極自体を伸縮させる必要がないことから第１の部位に与える応力の低減化を図ることができると共に、第２の電極の長さが変わらないことで第１の部位の伸縮に関わらず電極として変わらない機能を果たすことができる。
【００１１】
［適用例２］
上記適用例にかかる伸縮駆動素子において、前記第１の部位の両端は絶縁性の蓋で覆われており、前記第２の電極は前記絶縁性の蓋に固定されていることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、前記第１の部位の両端は絶縁性の蓋で覆われており、前記第２の電極は前記絶縁性の蓋に固定されていることで、第２の電極が変形したときに第１の部位に接することを防ぎやすい構造とすることができる。
【００１３】
［適用例３］
上記適用例にかかる伸縮駆動素子において、前記第１の部位は、酸化還元応答化合物と液晶性部位とを含むことを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、前記第１の部位は、酸化還元応答化合物と液晶性部位とを含むことにより、第１の部位の伸縮の方向を液晶性部位で規定することができる。これにより、第１の部位が部分的に異なる方向に伸縮することを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１における伸縮駆動素子の概略図。
【図２】実施例２における伸縮駆動素子の概略図。
【図３】伸縮駆動素子の動作原理を説明するための模式図。
【図４】伸縮駆動素子の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。尚、本実施形態の説明に用いる図は、説明の理解を容易にするための便宜上のものであり、部分毎の縮尺の割合などが実際のものと異なる場合がある。
【００１７】
まず、アクチュエーターの動作について図３及び図４を用いて説明する。図３は、アクチュエーターを構成する酸化還元応答化合物と液晶性部位とが結合された分子構造の一部を示した図である。アクチュエーターは、図３−（ａ）及び図３−（ｂ）で示すように、ユニットＦ、ユニットＧ及びユニットＨから構成されている。ユニットＦは軸回転可能な部位であり、例えばフェニル基若しくはチオフェン環などで形成される。ユニットＧは酸化還元反応により結合若しくは分離が行われる部位であり、例えばベンゾジチオリル基などにより形成される。また、ユニットＨはユニットＧの酸化還元反応に応じて回転するユニットＦの回転方向を規定するための部位であり、液晶性を有する部位が含まれる。ユニットＦの回転軸方向は、ユニットＨに含まれる液晶性を有する部位の配向性によって規定されるものであるが、液晶性を有する部位の配向性は、例えば、延伸法や偏向紫外線照射法などにより配向方向を決めることが可能である。
【００１８】
酸化還元応答化合物が酸化された状態となるのは、酸化還元応答化合物から所定の電子が剥奪された状態であり、この状態の分子構造を示したのが図３−（ａ）である。また、酸化還元応答化合物が還元された状態というのは、酸化還元応答化合物に所定の電子が供給された状態であり、この状態の分子構造を示したのが図３−（ｂ）である。還元された状態においては、ユニットＧ同士（たとえば、Ｓ１及びＳ２）が供給された電子により結合する。これにより、ユニットＦにおいて、ユニットＨに含まれる液晶性を有する部位の配向性を維持する形で軸回転が行われる。このため、分子構造が折りたたまれた形に変化することで、酸化還元応答化合物がユニットＨに含まれる液晶性を有する部位の配向の方向に収縮する。この状態から酸化還元応答化合物が酸化されるとユニットＧ同士における結合が解除され、ユニットＦにおいて、ユニットＨに含まれる液晶性を有する部位の配向性を維持する形で軸回転が行われ、図３−（ｂ）の状態から図３−（ａ）の状態に変化する。このように酸化及び還元を繰り返すことで、酸化還元応答化合物は収縮及び膨張を繰り返す。
【００１９】
次に、図４−（ａ）にアクチュエーター８０の概略外観図を示す。図４−（ｂ）は、収縮した状態のアクチュエーター８０の断面図である。また、図４−（ｃ）は、膨張した状態のアクチュエーター８０の断面図である。アクチュエーター８０は、内部電極８１、高分子電解質８２、酸化還元応答化合物８３及び外部電極８４を含む。高分子電解質８２にとって、酸化還元応答化合物８３は電極として振舞う。
【００２０】
アクチュエーター８０の外部から内部電極８１と外部電極８４との間に内部電極８１の方が高くなるように電位差を与えると酸化還元応答化合物８３において還元反応がおきる。これによりアクチュエーター８０は収縮して図４−（ｂ）のようになる。逆に内部電極の方が低くなるように電位差を与えると酸化還元応答化合物８３において酸化反応がおきる。これによりアクチュエーター８０は膨張して図４−（ｃ）のようになる。よって、内部電極８１と外部電極８４との間に交流電流を与えることにより、アクチュエーター８０の収縮及び膨張の実行を繰り返し起こさせることが可能となる。内部電極８１の長さは、アクチュエーター８０が収縮したときの長さに合わせて調整されている。
【００２１】
次に、本発明の実施例を示す。尚、以下の実施例においては、上述したアクチュエーター８０の動作と同様の動作を行う部分についての説明は省略する。また、以下の実施例の説明で用いる図面において、矩形として描かれているものはアクチュエーター（伸縮駆動素子）の縦方向の断面を示すものであり、円形として描かれているものはアクチュエーター（伸縮駆動素子）の水平方向の断面を示すものとする。
【実施例１】
【００２２】
図１−（ａ）、図１−（ｂ）及び図１−（ｃ）に本実施例における伸縮駆動素子１０を示す。図１−（ａ）は伸縮駆動素子１０の外形図である。伸縮駆動素子１０は、内部電極１１、高分子電解質１２、酸化還元応答化合物１３及び外部電極１４を有する。図１−（ｂ）及び図１−（ｃ）は、伸縮駆動素子１０における縦方向における内部電極１１を含む部分の断面図である。伸縮駆動素子１０が収縮した状態を模式的に示したのが図１−（ｂ）であり、伸縮駆動素子１０が伸張した状態を模式的に示したのが図１−（ｃ）である。内部電極１１は、縦方向の両端にある絶縁性の蓋に固定されている。
【００２３】
伸縮駆動素子１０が収縮した状態において、内部電極１１は所定の箇所が折り曲がるように形成されている。予め折り曲がる箇所があることにより、酸化還元応答化合物１３の伸縮動作を妨げる内部電極１１の抵抗を小さくすることができる。これにより、伸縮駆動素子１０が伸縮駆動素子１０外部に与える仕事量を大きくすることができる。また、酸化還元応答化合物１３を取り囲む外部電極１４を可能な限り細く形成することで、酸化還元応答化合物１３の伸縮動作を妨げる外部電極１４の抵抗を小さくすることができる。
【００２４】
尚、図１−（ｃ）において内部電極１１を直線状に図示しているが、内部電極１１の長さは、伸縮駆動素子１０が伸びきった状態において該所定の箇所が僅かに折れ曲がる長さであることが好ましい。完全な直線状では内部電極１１の該所定の箇所が曲がらなくなり、伸縮駆動素子１０の動作を妨げる可能性がある。
【実施例２】
【００２５】
図２に、本実施例における伸縮駆動素子２０を示す。伸縮駆動素子２０は、第１内部電極２１、第２内部電極２５、高分子電解質２２、酸化還元応答化合物２３及び外部電極２４を有する。図２−（ａ）は、伸縮駆動素子２０の第１内部電極２１を含む部分の水平方向の断面図である。また、図２−（ｂ）及び図２−（ｃ）は、第１内部電極２１を含む部分の縦方向の断面図である。伸縮駆動素子２０が収縮した状態を模式的に示したのが図２−（ｂ）であり、伸縮駆動素子２０が伸張した状態を模式的に示したのが図２−（ｃ）である。
【００２６】
第２内部電極２５は、伸縮駆動素子２０が伸縮する方向の一方面に固定されており、筒状の形状を有する。第１内部電極２１は、伸縮駆動素子２０が伸縮する方向の他の一方面に固定されており、第２内部電極２５の内部に差し込まれた形で配置される。伸縮駆動素子２０が収縮した状態では第１内部電極２１が第２内部電極２５に差し込まれる量が多くなり、伸縮駆動素子２０が伸張した状態においては第１内部電極２１が第２内部電極２５に差し込まれる量が少なくなる。また、第１内部電極２１と第２内部電極２５とは同電位となっていれば必ずしも接する必要はなく、たとえば、第１内部電極２１及び第２内部電極２５のそれぞれが別々にリード線を介して伸縮駆動素子２０の外部で接続されていてもよい。尚、図２において、第１内部電極２１を棒状のものとして図示したが、内部を空洞にした筒状のものであってもよい。これにより、酸化還元応答化合物２３の伸縮動作を妨げる内部電極の抵抗を小さくすることができ、伸縮駆動素子２０が伸縮駆動素子２０外部に与える仕事量を大きくすることができる。また、外部電極２４は実施例１と同様に形成されることでよい。
【００２７】
以上、本発明の実施例について説明を行ったが、本発明は上記の実施例に限定されるものでなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で広く適用可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１０…伸縮駆動素子、１１…内部電極、１２…高分子電解質、１３…酸化還元応答化合物、１４…外部電極、２０…伸縮駆動素子、２１…第１内部電極、２２…高分子電解質、２３…酸化還元応答化合物、２４…外部電極、２５…第２内部電極、８０…アクチュエーター、８１…内部電極、８２…高分子電解質、８３…酸化還元応答化合物、８４…外部電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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