(57)【要約】【課題】イオン交換膜を用いた比較的大きな力を発生するアクチュエーターを提供する。【解決手段】第１の可動部と、第２の可動部と、絶縁膜と、を含み、前記第１の可動部は、第１のイオン交換膜と、前記第１のイオン交換膜の一方の面である第１の面に形成された第１の電極と、前記第１のイオン交換膜の前記一方の面に対向する他の一方の面である第２の面に形成された第２の電極と、を有し、前記第２の可動部は、第２のイオン交換膜と、前記第２のイオン交換膜の一方の面である第３の面に形成された第３の電極と、前記第２のイオン交換膜の前記一方の面に対向する他の一方の面である第４の面に形成された第４の電極と、を有し、前記絶縁膜の一方の面である第５の面が前記第２の面に接し、前記絶縁膜の前記一方の面に対向する他の一方の面である第６の面が前記第３の面に接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】
第１の可動部と、
第２の可動部と、
絶縁膜と、
を含み、
前記第１の可動部は、
第１のイオン交換膜と、
前記第１のイオン交換膜の一方の面である第１の面に形成された第１の電極と、
前記第１のイオン交換膜の前記一方の面に対向する他の一方の面である第２の面に形成された第２の電極と、を有し、
前記第２の可動部は、
第２のイオン交換膜と、
前記第２のイオン交換膜の一方の面である第３の面に形成された第３の電極と、
前記第２のイオン交換膜の前記一方の面に対向する他の一方の面である第４の面に形成された第４の電極と、を有し、
前記絶縁膜の一方の面である第５の面が前記第２の面に接し、
前記絶縁膜の前記一方の面に対向する他の一方の面である第６の面が前記第３の面に接することを特徴とするトランスデューサー。
【請求項２】
前記第１の可動部と前記第２の可動部とが、防水性の膜により被覆されていることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサー。
【請求項３】
複数の可動部と、
複数の絶縁膜と、を含み、
前記複数の可動部の各々は、
第１のイオン交換膜と、
前記第１のイオン交換膜の第１の面に形成された第１の電極と、
前記第１のイオン交換膜の前記第１の面に対向する第２の面に形成された第２の電極と、を有し、
前記複数の可動部の各々と前記複数の絶縁膜の各々とが交互に接して配置されていることを特徴とするトランスデューサー。
【請求項４】
前記複数の可動部が防水性の膜で被覆されていることを特徴とする請求項３に記載のトランスデューサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスデューサーに関するもので、特にイオン導電性高分子材料を用いたものに関する。トランスデューサーは、いわゆる変換器であり、ある種類のエネルギーを別なものに変える装置のことである。例えば、電気的エネルギーを運動エネルギーに変えるアクチュエーターはトランスデューサーであり、形状の変形により電気信号を発生するセンサーもトランスデューサーである。従って、本発明は、トランスデューサーを名称としているが、アクチュエーターの分野及びセンサーの分野にも関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な分野にアクチュエーター及びセンサーが用いられている。アクチュエーターは、電気、油圧若しくは気圧などにより与えられるエネルギーを物理運動量に変換する装置のことを示すが、一般的に伸縮若しくは屈伸といった単純な動作を行う装置に対して用いられる場合が多い。例えば、バルブやレバーなどといった操作部分を動作させるための装置や、ロボットの関節を動作させるための装置がアクチュエーターと呼ばれる。
【０００３】
近年は、医療分野、マイクロマシン分野及び産業用ロボット分野などに適した小型、軽量なアクチュエーターが求められるようになってきている。このような小型、軽量なアクチュエーターは、形状記憶材料や高分子材料などの伸縮、静電力、圧電力及び超音波などが動力源として用いられ、人工筋肉と呼ばれることがある。特に、高分子材料を用いたアクチュエーターはポリマクチュエーターと呼ばれ、研究開発が盛んに行われている。たとえば、特許文献１には、イオン導電性高分子（イオン交換膜）の両面に電極を形成したアクチュエーター素子が記載されている。また、ポリマクチュエーターは外部からの水分子の進入が動作に影響する場合がある。特許文献２には、この影響を少なくする目的で水不透過性材料により被覆されたアクチュエーター素子が記載されている。
【０００４】
上述したように、アクチュエーターはバルブの開閉やロボットの関節動作のために用いられる場合があるが、このような場合はバルブがどの程度開閉しているか、ロボットの関節がどの程度動いたかを検出するためにセンサーが併用されることが多い。該センサーを用いて、アクチュエーターの動作の程度若しくはアクチュエーターが動作させる対象の動作程度を検出し、伸縮若しくは屈伸といった動作の開始又は停止などの制御が行われる。アクチュエーターには、化学的刺激、電気的刺激、熱刺激及び光刺激などの外的刺激による変形の変形量を電気信号として取り出すことができるものがある。この電気信号を用いることで、アクチュエーターをセンサーとして使用することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−２７５０７８号公報
【特許文献２】特開２００９−７９１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
イオン導電性高分子を用いたアクチュエーターは膜状に形成するのが合理的ではあるが、膜状の形態の場合は他の方法によるアクチュエーターと比較して発生する力が小さい。このため、使用できる用途が限られるという問題がある。また、センサー機能が必要な場合。アクチュエーターとセンサーとを別々に設けることは、医療分野やマイクロマシン分野などの小型の装置において、それぞれを配置するための領域を確保することが難しい場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされてものであり、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。
【０００８】
［適用例１］
本適用例にかかるトランスデューサーは、第１の可動部と、第２の可動部と、絶縁膜と、を含み、前記第１の可動部は、第１のイオン交換膜と、前記第１のイオン交換膜の一方の面である第１の面に形成された第１の電極と、前記第１のイオン交換膜の前記一方の面に対向する他の一方の面である第２の面に形成された第２の電極と、を有し、前記第２の可動部は、第２のイオン交換膜と、前記第２のイオン交換膜の一方の面である第３の面に形成された第３の電極と、前記第２のイオン交換膜の前記一方の面に対向する他の一方の面である第４の面に形成された第４の電極と、を有し、前記絶縁膜の一方の面である第５の面が前記第２の面に接し、前記絶縁膜の前記一方の面に対向する他の一方の面である第６の面が前記第３の面に接することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、第１の可動部が第１のイオン交換膜と第１の電極と第２の電極とを有し、第２の可動部が第２のイオン交換膜と第３の電極と第４の電極とを有し、絶縁膜の第５の面が第２の電極に接し、絶縁膜の第６の面が第３の電極に接していることで、第１の可動部により発生される力と第２の可動部による発生される力とを合わせて使用できるトランスデューサーを構成することができる。これにより、第１の可動部の屈曲方向と第２の可動部の屈曲方向とを同じにすることで、第１の可動部により発生する力と第２の可動部により発生する力とを合わせた力をトランスデューサーの発生する力とすることができる。第１の可動部と第２の可動部との間の絶縁膜は、第１の可動部における電極と第２の可動部における電極とのショートを防ぐと共に、第１の可動部の伸張若しくは収縮する部分と第２の可動部の伸張若しくは収縮する部分との接触をなくすことでトランスデューサーの動きをスムーズにする機能を提供するものである。
【００１０】
また、この構成によれば、絶縁膜が第１の可動部と第２の可動部との間に配置されていることで、第１の可動部と第２の可動部とを別々に制御することが可能なトランスデューサーを構成することができる。これにより、例えば、第１の可動部の屈曲の方向と第２の可動部の屈曲の方向とを逆の方向にすることができる。これにより、外力を受けることで発生するトランスデューサーの屈曲が行われないようにすることができ、例えば風などの外力により位置がずれてしまうものを固定するためのアクチュエーターとして用いることができる。
【００１１】
また、この構成によれば、第１の可動部と第２の可動部とが別々に制御可能であることから、第１の可動部若しくは第２の可動部のいずれか一方をアクチュエーターとして使用し、他の一方をセンサーとして使用することが可能となる。尚、アクチュエーターとしての動作が必要ないときは、第１の可動部と第２の可動部との双方をセンサーとして使用することができる。
【００１２】
［適用例２］
上記適用例にかかるトランスデューサーにおいて、前記第１の可動部と前記第２の可動部とが、防水性の膜により被覆されていることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、少なくとも第１の可動部と第２の可動部とが防水性の膜に被覆されていることで、水分の移動の影響を受けないトランスデューサーを構成することができる。
【００１４】
［適用例３］
本適用例にかかるトランスデューサーは、複数の可動部と、複数の絶縁膜と、を含み、前記複数の可動部の各々は、第１のイオン交換膜と、前記第１のイオン交換膜の第１の面に形成された第１の電極と、前記第１のイオン交換膜の前記第１の面に対向する第２の面に形成された第２の電極と、を有し、前記複数の可動部の各々と前記複数の絶縁膜の各々とが交互に接して配置されていることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、複数の可動部の各々と複数の絶縁膜の各々とが交互に接して配置されることにより、複数の可動部の各々における第１の電極及び第２の電極が該複数の可動部の他の可動部における第１の電極若しくは第２の電極と直に接しない構造とするトランスデューサーを構成することができる。絶縁膜により、複数の可動部のそれぞれが電気的に独立していることで、複数の可動部の各々の制御を独立して行うことができる。
【００１６】
また、この構成によれば、複数の可動部の各々を同一の方向に屈曲させることができる。これにより、複数の可動部の各々が発生する屈曲の力を合わせてトランスデューサーの発生する力とすることができる。
【００１７】
また、この構成によれば、複数の可動部のいずれかをアクチュエーターとして使用し、アクチュエーターとして用いない可動部をセンサーとして用いることができる。尚、アクチュエーターとして用いないときは、複数の可動部のすべてをセンサーとして用いることができる。
【００１８】
［適用例４］
上記適用例にかかるトランスデューサーにおいて、前記複数の可動部が防水性の膜で被覆されていることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、複数の可動部が防水性の膜に被覆されていることで、水分の移動の影響を受けないトランスデューサーを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】２つの可動部を有するトランスデューサーの模式図。
【図２】屈曲するトランスデューサーの模式図。
【図３】被覆されたトランスデューサーの模式図。
【図４】５つの可動部を有するトランスデューサーのひとつの模式図。
【図５】５つの可動部を有するトランスデューサーのひとつの模式図。
【図６】５つの可動部を有するトランスデューサーのひとつの模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について模式図を用いて説明する。尚、説明に用いる模式図は、説明の便宜上必要な部分を簡単に示したものであり、構成要素の大きさの比率などは実際のものと異なる場合がある。また、本実施形態に例として示すトランスデューサーは膜状の形態を有し、模式図として示したのはいずれもトランスデューサーの厚さ方向に切断した場合の断面図である。
【００２２】
（第１実施形態）
図１に、本発明を適用したトランスデューサー１００の模式図を示す。トランスデューサー１００は、第１の可動部１０、第２の可動部２０及び絶縁膜３０を有する。第１の可動部１０は、第１の電極１１及び第２の電極１３が形成されたイオン交換樹脂１２を有する。第２の可動部２０は、第３の電極２１及び第４の電極２３が形成されたイオン交換樹脂２２を有する。第２の電極１３は絶縁膜３０の一方の面に接しており、第３の電極２１は、絶縁膜３０の他の一方の面に接している。第１の可動部１０と第２の可動部２０とは絶縁膜３０を挟んで対をなすように配置されている。
【００２３】
第１の電極１１と第３の電極２１とが第１制御線４１を介して接続され、第１制御線４１は制御部４０に接続されている。第２の電極１３と第４の電極２３とが第２制御線４２を介して接続され、第２制御線４２は制御部４０に接続されている。制御部４０は、第１制御線４１及び第２制御線４２を介して、第１の電極１１と第２の電極１３との間及び第３の電極２１と第４の電極２３との間の電位差を制御する。
【００２４】
イオン交換性樹脂は、イオン導電性高分子で形成された樹脂であり、マイナスイオン若しくはプラスイオンが内部に固定化されて存在する樹脂である。該樹脂は膜状の形で扱われることがあり、イオン交換性膜と呼ばれる場合があるが、本実施形態も含め以降の実施形態においては、イオン交換樹脂と呼ぶことにする。本発明のようにアクチュエーターの機能を持たせる場合には、一般的にイオン交換性樹脂は含水状態に保持されており、水分中をプラスイオン若しくはマイナスイオンが浮遊している。本実施形態においては、イオン交換樹脂１２及びイオン交換樹脂２２はマイナスイオンが固定化されて存在する樹脂であるとする。イオン交換樹脂１２及びイオン交換樹脂２２はいずれも含水状態にあり、水分中をプラスイオンが浮遊している。
【００２５】
ここで、イオン交換樹脂１２の動作について簡単に説明する。上述したようにイオン交換樹脂１２は、内部にマイナスイオンが固定化されプラスイオンは含有された水分の中を自由に移動できる構造を有している。第１の電極１１の電位を第２の電極１３の電位よりも高く設定した場合、水分中のプラスイオンが第２の電極１３のある側に移動する。このプラスイオンの移動に伴って水分子の移動が引き起こされる。これにより、イオン交換樹脂１２は、第２の電極１３の側が膨張し第１の電極１１の側が収縮し、この結果として屈曲することになる。この動作はイオン交換樹脂２２においても同じであり、第３の電極２１の電位を第４の電極２３の電位よりも高くすると、水分中のプラスイオンが第４の電極２３の側に移動し、これに伴い水分子の移動が引き起こされ第４の電極２３の側が膨張し第３の電極２１の側が収縮する。
【００２６】
図２−（ａ）に、制御部４０により第１制御線４１の電位を第２制御線４２の電位よりも高くする制御を行った場合のトランスデューサー１００の形状の例を、図２−（ｂ）に、制御部４０により第１制御線４１の電位を第２制御線４２の電位よりも低くする制御を行った場合のトランスデューサー１００の形状の例を示す。この形状の変化を力として用いることで、トランスデューサー１００をアクチュエーターとして用いることができる。
【００２７】
トランスデューサー１００により発生する力は、第１の可動部１０が変形することで発生する力と第２の可動部２０が変形することで発生する力の双方から導かれる力である。上述したように、第１の可動部１０の変形及び第２の可動部２０の変形は、水分子の移動によるものである。仮にイオン交換樹脂１２の厚さとイオン交換樹脂２２の厚さとを合わせた厚さを有する第３のイオン交換樹脂（図示せず）の両側に電極を形成し、該両側の電極の間に電位差を与えた場合、電位差がトランスデューサー１００に与えるものと同程度とすると、移動する水分子の量は同程度と考えられ、第３のイオン交換樹脂が発生する力はトランスデューサー１００が発生する力と同程度であると考えられる。しかしながら、第３のイオン交換樹脂の変形に要する時間は、水分子の移動する距離が長くなる分、イオン交換樹脂１２及びイオン交換樹脂２２が要する時間に比べて長くなる。従って、所定の厚さのトランスデューサーを構成する場合、一層のイオン交換樹脂により構成するよりも、より薄い厚さのイオン交換樹脂（本実施形態における第１の可動部１０及び第２の可動部２０に相当）を複数重ねて構成した方が変形に要する時間が短く、より素早い動きをサポートできるトランスデューサーを構成することができる。
【００２８】
尚、上記本実施形態の説明は、第１の可動部１０の第１の電極１１と第２の可動部２０の第３の電極２１とを第１制御線４１で接続し、第１の可動部１０の第２の電極１３と第２の可動部２０の第４の電極２３とを第２制御線４２で接続したときのものであるが、共通の信号線を用いないようにし、第１の可動部１０の制御と第２の可動部２０の制御とが別々になされるようにしてもよい。第１の可動部１０と第２の可動部２０とが別々に制御される場合でも第１の可動部１０と第２の可動部２０とを同じ方向に同時に屈曲させることは可能である。また、いずれか一方の可動部のみを屈曲させる制御を行うことで、トランスデューサー１００の屈曲により発生する力を小さくすることができる。この場合、屈曲させない他の一方の可動部をセンサーとして用いることが可能となる。
【００２９】
（第２実施形態）
本実施形態を含め、以降の実施形態の説明にあたっては、上述した実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３０】
本実施形態は、第１実施形態で説明したトランスデューサー１００を第１の膜５０で被覆するものである。第１の膜５０は、防水性の性質を有するものである。上述したように、イオン交換樹脂の変形は水分子の移動によるものである。このため、蒸発などによりイオン交換樹脂から水分が減ってしまうと移動する水分子の量が減ることになりイオン交換樹脂の変形量が小さくなる。トランスデューサー１００を第１の膜５０で被覆することにより、イオン交換樹脂からの水分の蒸発を防ぐことができ、トランスデューサー１００の発生する力が小さくなることを防ぐことができる。
【００３１】
また、第１の膜５０は、トランスデューサー１００の変形に合わせて収縮及び伸張が可能なものであることが好ましい。これにより、トランスデューサー１００に対して第１の膜５０を直に被覆させることが可能となる。
【実施例１】
【００３２】
本実施例は、トランスデューサー１００を第１の膜５０で被覆したひとつの例を示すものである。第１の膜５０は、トランスデューサー１００の変形に応じて収縮及び伸張が可能である。第１の膜５０でトランスデューサー１００を被覆した図を図３−（ａ）に示す。トランスデューサー１００は、全体が一続きの第１の膜５０で被覆されている。
【実施例２】
【００３３】
本実施例は、トランスデューサー１００を第１の膜５０で被覆したひとつの例を示すものである。第１の膜５０は、トランスデューサー１００の変形に応じて収縮及び伸張が可能である。第１の膜５０でトランスデューサー１００を被覆した図を図３−（ｂ）に示す。トランスデューサー１００を構成する第１の可動部１０及び第２の可動部２０のそれぞれが個別に第１の膜５０に被覆されている。
【００３４】
（第３実施形態）
本実施形態は、３以上の可動部を有するトランスデューサーのひとつの例を示すものである。個々の可動部の動作については、第１実施形態で示した第１の可動部１０並びに第２の可動部２０と同様である。尚、図示はないが、少なくとも可動部は上述した第１の膜５０で被覆されていることが好ましい。
【実施例３】
【００３５】
図４に５個の可動部を有するトランスデューサー２００を屈曲させた状態の図を示した。５個のトランスデューサーの各々において、第１制御線２４１が接続されているのが第１電極であり、第２制御線２４２が接続されているのが第２電極である。第１制御線２４１及び第２制御線２４２は、制御部２４０に接続されており、制御部２４０により第１制御線２４１と第２制御線２４２との間の電位差が制御される。図４で示したのは、第１制御線２４１の電位を第２制御線２４２の電位よりも高くした場合のトランスデューサー２００の状態である。
【実施例４】
【００３６】
本実施例は、トランスデューサー２００に含まれる５個の可動部のそれぞれの第１電極と第２電極との電位の差を個別に制御可能な制御部３４０を用いた例である。図５に本実施例の模式図を示す。制御部３４０における制御としては、例えば５個の可動部のうちの３個の可動部において第１電極と第２電極との間に電位差を持たせるような制御が考えられる。この場合、３個の可動部がトランスデューサー２００を屈曲させる力を発生することになる。このように、第１電極と第２電極との間に電位差を持たせる可動部の数を変えることで、トランスデューサー２００から発生させる力を変えることができる。
【実施例５】
【００３７】
本実施例は、トランスデューサー２００の可動部のひとつをセンサーとして用いた例である。可動部は変形することで水分子の移動が起こり、これにより可動部内におけるプラスイオンの移動が起こり、これが第１電極と第２電極との間に電位差を発生させる。この電位差を検出することにより、トランスデューサー２００における屈曲の状態を知ることができる。図６に本実施例の模式図を示す。５個の可動部の内の４個が制御部４４０に接続され、他の１個の可動部が制御部５４０に接続されている。
【００３８】
制御部４４０は、接続された可動部の第１電極と第２電極との間に電位差を与えるための制御部であり、制御部５４０は接続された可動部の第１電極と第２電極との間の電位差を検出するための制御部である。トランスデューサー２００は、制御部４４０の制御により４個の可動部により屈曲し、トランスデューサー２００における屈曲の量を他の１個の可動部により検出する。
【００３９】
以上、本発明の適用例及び実施形態についての説明を行ったが、本発明は上述した内容に限られる訳ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において広く変形並びに適用が可能である。例えば、実施例５において、制御部をアクチュエーターとして機能させる可動部の制御を行う制御部４４０と、センサーとして機能させる可動部の制御を行う制御部５４０とに区別して記載したが、アクチュエーターとしての機能の制御とセンサーとしての機能の制御とをひとつの制御部として構成し、アクチュエーターとして機能させる可動部を任意に選択し、選択しなかった他の可動部をセンサーとして機能させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１０…第１の可動部、１１…第１の電極、１２…イオン交換樹脂、１３…第２の電極、２０…第２の可動部、２１…第３の電極、２２…イオン交換樹脂、２３…第４の電極、３０…絶縁膜、４０…制御部、４１…第１制御線、４２…第２制御線、５０…第１の膜、１００…トランスデューサー、２００…トランスデューサー、２４０…制御部、２４１…第１制御線、２４２…第２制御線、３４０…制御部、４４０…制御部、５４０…制御部。
【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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