(57)【要約】【課題】  駆動制御が容易であり、且つ発生力が大きいアクチュエータを提供する。【解決手段】  側面方向に広がることで底部と天部の距離が近づく筒型の外枠体と、  前記外枠体の内側に収容された、電圧印加により変形する複数の変形素子からなる変形ユニットと、を有する伸縮型のアクチュエータであって、  前記変形ユニットは、電圧が印加されると前記複数の変形素子が互いに変形して前記外枠体を側面方向に広げることを特徴とするアクチュエータ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
側面方向に広がることで底部と天部の距離が近づく筒型の外枠体と、
前記外枠体の内側に収容された、電圧印加により変形する複数の変形素子からなる変形ユニットと、を有する伸縮型のアクチュエータであって、
前記変形ユニットは、電圧が印加されると前記複数の変形素子が互いに変形して前記外枠体を側面方向に広げる
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記外枠体と前記変形ユニットとが接する面積において、前記外枠体の前記側面と接する面積が、前記底部または前記天部の面よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記外枠体は編み組された繊維材を前記側面に有する請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記変形素子が、電圧印加により撓み変形する素子である、ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記変形素子はイオン移動型高分子アクチュエータであり、前記変形素子に電圧を供給する電源を更に有する請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
複数の前記変形ユニットが前記外枠体の底部から天部に向かって積み重なって配置されている請求項１に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動型の高分子アクチュエータは、電極層中へのイオンの移動に伴う、電気化学的な伸縮作用が発生することが知られている。このような高分子アクチュエータは、人工筋肉、ロボットアーム、義手、マイクロマシンのような小型の用途から大型化された用途への適用が注目されている。
【０００３】
高分子アクチュエータを用いたアクチュエータとして、特許文献１には、通電により屈曲動作を示す長尺状アクチュエータを複数組み合せた集積構造が開示されている。これらは長尺状アクチュエータからなるユニットを積層した構造で、全体として積層方向に長い形状を有し、長尺状アクチュエータの屈曲動作により発生した変位と力を積層方向へと伝達する。
【０００４】
これら集積構造のアクチュエータの発生力を高めるためには、構成要素である長尺状アクチュエータの発生力を高めるとともに、長尺状アクチュエータが力を及ぼす面積を増大させることが重要である。しかしながら、特許文献１の構造では、力を及ぼす面積が、アクチュエータの積層方向に垂直な断面のみとなり、十分な力が得られないという課題が生じていた。
【０００５】
一方、特許文献２には、剛性な繊維材をシース状に編みこんだ円筒形の外殻構造と、その内側に配置された弾性変形するチューブ体から成る伸縮駆動のアクチュエータが記載されている。チューブ体には空気の流入口が配置されており、空気圧でチューブ体を膨らませることで、チューブ体が外殻構造を押し広げる。外殻構造は円筒の径方向に押し広げられることで、繊維材の編みこみの角度を変化させ、同時に円筒の高さを小さくするように収縮する。このように空気圧アクチュエータでは、内部の空気が及ぼした等方的な圧力を、一定方向への力に換算する機構を有している。内部の空気が円筒側面を押す力を合算して利用できることから、十分な力を得ることができ、アクチュエータの力を高めることが可能である。
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載のアクチュエータは、内部に空気を導入するポンプ手段、空気圧を保持するための厚みを有するチューブ体等が必要であり、小型化は困難であった。また、伸縮運動の変位を空気圧で精細に制御すること、および膨張後のチューブ形状を制御することは難しく、特定機能を有する一つデバイスとして装置内に組み込んで使用するには多くの課題が存在していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１１８１５９号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２７４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、駆動制御が容易であり、且つ発生力が大きいアクチュエータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、
本発明に係るアクチュエータは、側面方向に広がることで底部と天部の距離が近づく筒型の外枠体と、前記外枠体の内側に収容された、電圧印加により変形する複数の変形素子からなる変形ユニットと、を有する伸縮型のアクチュエータであって、前記変形ユニットは、電圧が印加されると前記複数の変形素子が互いに変形して前記外枠体を側面方向に広げることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、駆動電圧を印加すると、複数の変形素子が変形して外枠体を側面方向に広げる運動が発生する。この側面方向への広がりを、外枠体が底部と天部の距離が近づける、すなわち縮む力に変換する。これにより、変形ユニットが変形する際に生じる力を効率的に伸縮する力に変換できる。
【００１１】
さらに、電圧印加により変形ユニットを駆動できるので、駆動制御が容易となる。すなわち、駆動制御が容易、且つ発生力の大きいアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のアクチュエータを模式的に示す図であり、（ａ）は、その全体構成を模式的に示す図であり動作前の様子を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’における断面図であり、（ｃ）は、（ａ）の動作後の様子を模式的に示す図である。
【図２】本発明の外枠体の構造例を示した図である。
【図３】本発明の変形素子の構造例を示した図である。
【図４】本発明の変形素子に撓み動作する素子を用いた場合の構造例を示した図である。
【図５】本発明の変形素子のその他の形態を示した図である。
【図６】変形素子にバルクとして伸長・収縮するものを用いた場合の構造例を示す図である。
【図７】実施形態４のアクチュエータを模式的に示す図であり、（ａ）は概観図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図８】屈曲素子であるイオン移動型高分子アクチュエータの構造と動作を説明する図であり、（ａ）は電圧印加前の状態を、（ｂ）は電圧印加後の状態を示した図である。
【図９】実施形態４のアクチュエータの内部圧力を示す特性図である。
【図１０】実施形態４のイオン移動型アクチュエータの構造計算を示す特性図である。
【図１１】（ａ）比較の形態１（ｂ）比較の形態２の概観図を示した図である。
【図１２】実施形態５の層間伝達部材の構造例を示した図である。
【図１３】実施形態６の端末構造と変形ユニットの構造例を示した図である。
【図１４】実施形態７の電気的接続の構造例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１４】
本発明のアクチュエータは、図１に示すように、筒型の外枠体５と、外枠体の内側に収容された変形ユニット３を有している伸縮型のアクチュエータである。
【００１５】
図１は、その全体構成を模式的に示す図であり、（ａ）は動作前の様子を示す図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’における断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）の動作後の様子を模式的に示す図である。
【００１６】
また、図２は本発明の筒型の外枠体５の変形例を模式的に示した図であり、変形例の詳細については後述するが、図２（ａ）の構成に基づいて外枠体の動作を説明する。
【００１７】
図２に示すように、筒型の外枠体５は、側面、天部、底部を有する中空の筒状構造である。図２（ａ）の上部に示されるように、外枠体５の断面Ａ−Ａ‘は円形であることが好ましいが、筒型として無終端管状であれば多角径の形状でもよい。
【００１８】
筒型の外枠体５は、側面方向（図２（ａ）の黒塗り矢印方向）に広がることで、白抜き矢印方向に縮む力が発生し、この結果底部と天部の距離が近づくように構成されている。
【００１９】
外枠体５の内側に収容された、変形ユニット３は、電圧印加により変形する複数の変形素子からなり、変形ユニット３に電圧が印加されると、図１（ｃ）で示すように、複数の変形素子が互いに変形して外枠体を側面方向に広げるように運動するようになっている。
【００２０】
また、筒型の外枠体５は、複数の変形素子の外側を伸縮する軸方向に沿って被覆するように外周に配置されていれば良く、底部と天部には図１のように出力部材６、２０を設けると良い。出力部材６、２０が接続されていることで、外枠体の伸縮動作を外部に力として出力できるようになる。
【００２１】
また、複数の変形素子に駆動電圧を供給するための端子９と、該端子に電圧を印加する電源を備えてアクチュエータ装置を構成するとよい。
【００２２】
筒型の外枠体５は、伸縮する軸と垂直な面（例えば、図１のＡ−Ａ‘断面）の広がり（膨張）に対応して、前記軸の方向に縮む構造体であり、ＭｃＫｉｂｂｅｎ（マッキベン）型アクチュエータで用いられるスリーブ（鞘）などを用いることができる。
【００２３】
本発明のアクチュエータは、複数の変形素子からなる変形ユニットに電圧が印加されると、複数の変形素子同士が変形することによって外枠体の側面方向において互いに離間しあう。これにより、変形ユニットが全体として、図２（ａ）のＢ−Ｂ’断面のように側面方向に広がる運動が発生する。この側面方向への広がりを、筒型の外枠体が底部と天部の距離が近づける、すなわち縮む力に変換する。これにより、変形ユニットが変形する際に生じる力を効率的に伸縮する力に変換できる。
【００２４】
すなわち、電圧印加により筒型の外枠体５が天部と底部の距離を近づける方向（伸縮の軸方向）に縮み、これに接続する出力部材からアクチュエータの伸縮運動で生じる力を取り出すことができるようになる。
【００２５】
図１のような円筒形状の外枠体を使用する場合の変形ユニットの構成としては、アクチュエータの中心軸から外枠体の側面に向かって連なるように変形素子が複数配置された構成が好ましい。
【００２６】
以下に、本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明のアクチュエータの一実施形態を模式的に示す図であり、図１（ａ）は、その全体構成を模式的に示す図であり動作前の様子を示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’における断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）の動作後の様子を模式的に示す図である。
【００２８】
本形態のアクチュエータ１は、一軸方向に伸縮し、該方向の伸縮運動を外部に出力するものである。アクチュエータ１は、該軸方向に連なって配置された複数の変形ユニット３と、該複数の変形ユニットの外側を軸方向に沿って被覆する外枠体５と、該複数の変形ユニットに駆動電圧を供給するための端子９と、該外枠体に接続する、該伸縮運動を出力するための出力部材６、２０と、を有する。
【００２９】
外枠体５は、前記軸と垂直な面の膨張に対応して、該軸の方向に縮む構造であり、該変形ユニットは、電圧が印加されると該軸と垂直な方向に変位する複数の変形素子２の集合体からなる。
【００３０】
上記構成においてアクチュエータは、外枠体の軸方向に縮むときに得られる変位と力を出力するものである。そのため、上記構成で言う外枠体の軸方向とは、アクチュエータの伸縮する軸方向（図１の白抜き矢印方向）を意味し、また、外枠体の軸と垂直な方向とは、アクチュエータの軸方向に垂直な径方向を意味している。
【００３１】
なお、以下では便宜的に、アクチュエータとして変位と力を取り出す方向を軸方向、それに垂直な方向を径方向、筒型の外枠体の底部において軸方向に垂直な断面を底面、外枠体が囲繞している周囲の面を内側面、外枠体の外周側を外側面、と呼んでいく。
【００３２】
本発明のアクチュエータ１は、図１に示すように、筒型の外枠体５と、複数の変形ユニット３に電圧を印加するための端子９、および該端子に接続する電源コントローラ８を有する。
【００３３】
そして、変形ユニット３は、変形素子２の複数の集合体から成り、互いの中心が離間するように運動するユニットとして構成されている。さらに、変形ユニット３を軸方向に連なって配置した変形ユニット群４として構成され、この変形ユニット群４は、外枠体５の内側に全て収容されている。変形ユニット群４が電源コントローラ８からの制御に応じて変形して外枠体５の側面を押すことによって、外枠体５が径方向に広がり、これにより外枠体５が軸方向に縮む。
【００３４】
すなわち筒型の外枠体は、変形ユニットの変形動作に伴って、いわゆるマッキベン型アクチュエータのスリーブと同じ原理で動作する構造体として構成される。
【００３５】
本実施形態は、図１に示すように、変形素子２を複数組み合わせた変形ユニット３として構成されており、該変形ユニットの変形素子２のそれぞれに電圧が印加されることにより、該軸と垂直なそれぞれ異なる方向に変位する。すなわち、複数の変形素子２は、それぞれの中心距離が離間するように運動する変形ユニット３を構成する。
【００３６】
変形ユニット３が底部から天部へ向かって積み重なるように、軸方向に複数連なって配置したものが、変形ユニット群４である。変形ユニット群４は、図１のように外枠体５で覆われた構造となっている。この外枠体５は径方向に膨らめば軸方向に縮む機能を有している。
【００３７】
アクチュエータ１の底部および天部の末端部には出力部材６、２０がそれぞれ配置されており、外枠体５と結合している。出力部材６、２０の面中央部分には軸部７が設けられており、軸部７をもってアクチュエータ１と、外部対象物を接続し、変位と力を伝達する。
【００３８】
上記構成において、変形ユニット群４が外枠体５を内側から径方向に押し広げることで、外枠体５は径方向に膨張し、同時に、軸方向に収縮するように運動する。このように、変形ユニット群４の径方向への力と変位を、外枠体５が変換させることで、アクチュエータ１は力と変位を軸方向へ発生させることとなる。
【００３９】
変形素子２は、電源コントローラ８による制御によって、形状変化を示すものであり、変形素子２全体として、少なくとも一方向への伸縮あるいは変位を示す。等方的に膨張するような変形素子を用いた場合は、外枠体５を内部から軸方向に押すことになり、アクチュエータ１の軸方向への収縮動作を妨げる要因となる。そのため、変形素子２は径方向の少なくとも一方向に伸長する変位を示し、かつ、軸方向には伸長する変位を示さないことが好ましい。さらに好ましくは、変形素子２は径方向の少なくとも一方向に伸長する変位を示し、かつ、軸方向には収縮する変位を示すことである。
【００４０】
このような変形素子２の動作は電源コントローラ８の調整により達成されるものであり、また、変形素子のユニット化の構造的工夫などで達成されるものである。
【００４１】
変形素子２は、電気的な通電（電圧の印加）に対して変形を示すものである。通電の結果、イオンの移動、化学変化、電歪、あるいは加熱によって変形を示す素子であると良い。
【００４２】
また、上記変形素子２のユニット化に対しては、図１（ｂ）で示すように介在部１０を介した変形ユニット３の形成、あるいは、図１（ａ）で示すように結合部１１を介した変形ユニット３の積層化による変形ユニット群４の形成、などの構成をとることが可能である。
【００４３】
本実施形態の構成では変形ユニット群４が力を及ぼす面積は外枠体５の内側面であり、内側面に加えられた力を天部と底部の距離を近づける力に集約する。管状に細長い構造を有するアクチュエータ１おいて、外枠体５の側面の面積は、底面の面積よりも遥かに大きい。底面よりも圧倒的に面積の大きい側面を利用することで、変形ユニットの面積あたりに求められる力をより小さくすることが可能である。
【００４４】
また、従来の空気圧アクチュエータの空気による加圧は等方的であり、側面にも底面にも力を加えている。即ち、全体では軸方向に収縮して力を発生させているが、内部では軸方向に膨張するように力を加えている部分が存在する。このため内部の力と外部に取り出す力が相殺し、非効率な部分を含んでいた。一方で、本構成によれば内部のバルクが力を及ぼす面は側面のみであり、空気圧アクチュエータで見られる相殺関係を含まず、より効率的な力と変位の変換が可能である。
【００４５】
本形態のアクチュエータ１の大きさは、用いる用途に応じて適宜選択できる。例えば、直径が１ｍｍ〜数十ｃｍの断面を有し、軸方向が１ｍｍ〜数十ｃｍの形状のアクチュエータを作成できる。
【００４６】
内部に配置される変形素子２の大きさは、上記伸縮アクチュエータ１の大きさに合わせて適宜選択できる。同様に、変形ユニット３および変形ユニット群４の大きさも、上記伸縮アクチュエータ１の大きさに合わせて適宜選択できる。
【００４７】
（第２の実施形態）
上記実施形態のアクチュエータ１において、筒型の外枠体５の形態を本実施形態のように形成することも可能である。
【００４８】
図２は、本形態で用いることのできる外枠体５の構造を示す模式図である。
【００４９】
本形態で用いられる外枠体５としては、図２（ａ）で示したように、径方向への膨張に伴い軸方向へ収縮するという機能を備えていればどのような材料であっても良く、また、どのような構造であっても良い。
【００５０】
好適な構成としては、図２（ｂ）〜（ｄ）で示すように、外枠体５は繊維材１２を含む構成である。
【００５１】
繊維材１２は、図２（ｂ）に示すように、編みこまれていても良く、また、図２（ｃ）に示すように、編みこまれておらず、軸方向に配向した構造であっても良く、図２（ｄ）で示したように、編みこまれておらず、軸方向に垂直な方向に並んだ構造であっても良い。尚、図２（ｂ）および図２（ｃ）では、繊維材１２は外枠体５の両末端に渡って形成されており、図２（ｄ）では、後述するようなゴム状の弾性部材との複合構造であると考えてよい。
【００５２】
また、図２（ｂ）において示された、軸方向に対して定義される編み込みの角度θ０は、本発明の効果が期待される範囲でなら任意に変更して構わない。また、編みこみの角度が９０°であれば、図２（ｃ）と図２（ｄ）の組み合わせと考えることもできる。
【００５３】
また、繊維材１２は交差するように編みこまれていても良いし、交差せずに結合して網目を形成する構造であっても良い。
【００５４】
また、繊維材１２のみからなっていても良く、また、ゴム状の弾性部材に繊維材１２を内包した構造であっても良い。また、ゴム状の弾性部材に内包されず、繊維材１２はゴム状の弾性部材の表面で接した構造であっても良い。また、弾性部材との複合化においても、図２（ｂ）〜（ｃ）で示すように、内部の繊維材１２の編みこみの有無や編みこみの角度は適宜選択して構わない。
【００５５】
また、繊維材１２の形態も、単体としてファイバー状のもの、単体としてバンド状のもの、単体としてファイバー状のものを束ねたもの、単体としてファイバー状のものを撚ったもの、と外枠体５の動作機能さえ満たせば適宜選択可能である。
【００５６】
繊維材１２は、外枠体５の初期状態からの軸方向への過度な伸びを抑制する。繊維材１２は、可撓性を有するが、自身は伸縮性を示さない剛性な材料であることが好ましい。ただし、外枠体５としての機能が満たされる範囲でならば、繊維材１２が多少の伸縮性を有していても構わない。
【００５７】
図２（ｂ）のように、繊維材１２が編みこまれている場合は、外枠体５の径方向への変化に対して、自身の撓み変化、あるいは自身の伸長の他、編みこみの角度を変化させることで追従する。図２（ｂ）では、繊維材１２は外枠体５の両末端に渡って任意の本数が任意の回転数を持って巻かれている。初期状態において、繊維材１２の軸方向に対する編みこみの角度はθ０である。外枠体５が内部から径方向に押し広げられると、形状変化に追従するように編みこみの角度がθ’に変化し、同時に外枠体５は軸方向に収縮する。
【００５８】
また、図２（ｃ）のように、繊維材１２が編みこまれてなく、軸方向に配向している場合は、外枠体５の径方向への変化に対して、繊維材１２が撓むことで、あるいは、自身の伸長をもって追従する。繊維材１２の動作により、外枠体５は径方向への伸長と同時に軸方向に収縮することが可能である。
【００５９】
また、図２（ｄ）のように、繊維材１２が編みこまれてなく、軸方向に垂直な方向に並んで配置された場合は、外枠体５の径方向への変化に対して、繊維材１２が撓みと、主として伸長をもって追従し、また、軸方向への収縮に対しては、繊維材１２はお互いの距離を縮めることで追従する。繊維材１２の動作により、外枠体５は径方向への伸長と同時に軸方向に収縮することが可能である。
【００６０】
このような繊維材１２としては、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、テフロン（登録商標）、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、アクリル樹脂のような汎用プラスチック、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、４フッ化エチレンのようなエンジニア・プラスチック、ポリフェニレンスルファイド、ポリテトラフロロエチレン、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミドのようなスーパーエンジニアリング・プラスチック、の如くの樹脂材料が挙げられる。また、ガラスやアルミナ、ジルコニア、フェライト、フォルステライト、ジルコン、ステアタイト、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、のような各種セラミック材料などが挙げられる。また、金、白金、パラジウム、ルテニウム、銀、鉄、コバルト、ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、マグネシウム、タングステン、などの各種金属材料やそれら金属を含む合金材料が挙げられる。
【００６１】
また、繊維材１２を弾性部材に内包する場合、弾性部材としては、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、エチレン・プロピレンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、エチレン・酢酸ビニルゴム、エピクロムヒドリンゴムなどの各種ゴム材料が挙げられる。
【００６２】
また、外枠体５の底面の形状は、径方向への膨張と、軸方向への収縮という動作機能さえ満たしていればどのような形状であっても構わない。円形、楕円形、両端が楔型の楕円形、三角形、四角形、その他の多角形、などであっても構わない。必要な条件として考えられるのは、外枠体５は径方向に対称に押し広げられるということであり、そのためには、底面の形状として、回転対称体であることが好ましいと言える。好適な形状としては、図１（ｂ）に示すような円形である。これは、中心点からの距離が等価であること、中心点を挟んで任意の方向に対称に押すことができること、などのためである。また、底面の形状は軸方向に沿ってある程度の変化を示しても構わない。軸方向中心部と軸方向末端の出力部材とで底面の形状が異なっても構わない。
【００６３】
好適な外枠体５の構成としては、底面が円状の筒状構造であり、また、外枠体５が剛性な繊維材１２を編みこむことによって形成された構造を挙げることができる。
【００６４】
外枠体５を使用した本発明の構成により、変形素子２が力を及ぼす面積に、底面よりも圧倒的に大きい側面を利用することができるため、アクチュエータとしてより大きな力を発生させることが可能となる。
【００６５】
（第３の実施形態）
上記のアクチュエータ１において、変形素子２の形態を本実施形態のように形成することも可能である。
【００６６】
図３は、本形態で用いることのできる変形素子２の構造および動作例を示す模式図である。
【００６７】
図３（ａ）〜（ｃ）では、それぞれバルクとしての変形挙動を示し、図３（ａ）では、バルクは少なくとも一方向への膨張変形を示し、図３（ｂ）では、バルクは少なくとも一方向への膨張変形と同時にそれと垂直な方向への収縮変形を示し、図３（ｃ）では、バルクは少なくとも一方向への撓み変形を示している。
【００６８】
等方的に膨張するような変形素子２を用いた場合は、外枠体５を内部から軸方向に押すことになり、アクチュエータ１の軸方向への収縮動作を妨げる要因となる。そのため、変形素子２は径方向の少なくとも一方向に伸長する変位を示し、かつ、軸方向には伸長する変位を示さないことが好ましい。このような構成は図３（ａ）〜（ｃ）のような変形素子２を用いることで実現可能である。また、さらに好ましくは、変形素子２は径方向の少なくとも一方向に伸長する変位を示し、かつ、軸方向には収縮する変位を示すことである。このような構成は、単体では図３（ｂ）および（ｃ）のような変形素子２を用いることで実現可能である。また、電源コントローラ８による制御の調整や、変形素子２のユニット化の構造的工夫によっても図３（ａ）〜（ｃ）で実現可能である。
【００６９】
変形素子２は、電気的な通電（電圧の印加）に対して変形を示すものである。通電の結果、イオンの移動、化学変化、電歪、あるいは加熱によって変形を示す素子であると良い。
【００７０】
このような変形素子２の具体例としては、圧電型のアクチュエータのように電場に対して分極し、結晶構造を変化させることで歪をもたらすものが挙げられる。また、イオン移動型の高分子アクチュエータのように、電場に対してイオンが移動し、体積変化で歪をもたらすもの、誘電エラストマー型の高分子アクチュエータのように、電場に対して静電力を発生させて歪をもたらすものも挙げられる。また、液晶型のアクチュエータのように、電場に対して分子配向を変化させて歪をもたらすもの、形状記憶合金のように通電による熱発生（温度変化）に伴い、結晶構造の相変態を生じて歪をもたらすものも挙げられる。また、バイメタルや熱駆動アクチュエータのように、通電による熱発生に伴い、熱膨張して歪をもたらすものもある。また、ハイドロゲルのように、電気刺激の入力に対して、水分などの溶媒を吸放出することで歪をもたらすものも挙げられる。また水素吸蔵合金材料のように、温度域に対して水素を吸蔵・放出することで歪をもたらすもの、など各種の形態を挙げることができる。
【００７１】
また、上記変形素子２のユニット化に対しては、図１（ｂ）で示すように介在部１０を介した変形ユニット３の形成、あるいは、図１（ａ）で示すように結合部１１を介した変形ユニット３の積層化による変形ユニット群４の形成、などの構成をとることが可能である。
【００７２】
変形素子２として、図３（ａ）、図３（ｂ）で示したようなバルクとしての伸長・収縮を用いたものと、図３（ｃ）で示したような撓み変形を用いたものに分けることができる。また、一般的に知られるユニモルフ素子、バイモルフ素子などのように、バルクとしての伸長・収縮を利用して素子として撓み変形する構成も考えることができる。
【００７３】
図４は、図３（ｃ）のように変形素子２が撓み変形を示す場合の、変形ユニット３および変形ユニット群４の構造例を示したものである。
【００７４】
図４（ａ）は、変形素子２を組み合わせて、変形ユニット３とした構造例を示している。
【００７５】
２枚の変形素子２は図４（ａ）で示すように、結合部１１を介してユニット化され、変形ユニット３を形成する。そして、図示せぬ電源コントローラ８および端子９により制御されることで、互いに離間する方向に撓み変形を示し、該方向に変位と力を発生させる。変形ユニット３は図４（ｂ）で示したように、その構成数を任意に増やすことができる。また、変形ユニット３は外枠体５の内部で途切れなく連なった構成であっても良く、非連続な複数のユニットを、異なる部材を介在させて連ねたような構成であっても構わない。即ち、図４（ｃ）で示すように変形ユニット３は、変形素子２の間に介在部１０を配置する構成であっても構わない。介在部１０は変形素子２の撓みによる力を伝達する必要があることから、剛性な材料であることが好ましく、繊維材１２で挙げたような、樹脂、ガラス、セラミック、金属など各種材料で形成することが可能である。また、介在部１０の個数も任意に選択して構わない。
【００７６】
変形ユニット３は、径方向の少なくとも一方向に対して離間するように運動する。変形ユニット３を面内で組み合わせ、径方向の任意の方向に、任意の数で、運動するように構成しても構わない。
【００７７】
図１（ｂ）においては、好適な例として、変形ユニット３は介在部１０を中心に配置され、９０°ずつ角度をずらした方向にそれぞれ力を与えるように構成されている。撓み動作する変形ユニット３も同様な配置で、互いに離間するように構成されて構わない。力を及ぼす面積を稼ぐために、変形ユニット３はなるたけ外枠体５の側面を対称、かつ、均一、かつ、全域に押すことがより好ましい。
【００７８】
また、図４（ｄ）で示すように変形ユニット３を軸方向に連なって配置する（積層する）ことで変形ユニット群４を形成することができる。
【００７９】
変形ユニット群４において、変形ユニット３各々の変位と力の方向は揃っていても良く、また、異なっていても良い。また、異なる変形ユニット３同士を積層しても構わない。
【００８０】
外枠体５の底面形状で言及したように、外枠体５が径方向に対称に押されることが重要であるため、変形ユニット群４の変位と力の発生は、任意の方向に対して、全体として概ね対称的であることが好ましい。
【００８１】
また、必ずしも変形ユニット３を積層して変形ユニット群４を構成する必要は無く、一層の変形ユニット３のみが外枠体５の内側に収容された構成であっても構わない。
【００８２】
また、変形素子２の形状は、撓み動作により、撓み方向に変位と力を発生させる機能を有してさえいれば、長尺状の他、どのような形状であっても構わない。
【００８３】
また、図４（ａ）のような開口して互いに離間する構造の他、どのようにユニット化しても構わない。例えば、図４（ｅ）のような介在部１０を介して同一方向に撓み動作する構成であっても適用可能である。
【００８４】
また、図５に示すような、撓み動作により一定方向へ変位と力を発生させる構造例を用いても構わない。図５（ａ）は、円盤状の変形素子が撓み動作により、円錐状に変形する構造を示している。円錐の高さ方向に変位と力を示し、該構造を図５（ｂ）あるいは図５（ｃ）のように集積して変形ユニット３を形成することが可能である。図５（ｄ）は、図４（ａ）の構造で、変位と力の方向を図４（ａ）とは垂直な方向に変化させた構造である。該構造を図５（ｅ）のように環状に接続してユニット化することで変形ユニット３を形成することができる。図５（ｆ）は、螺旋状の形態を有した構造であり、撓みにより螺旋軸に向かって変位と力を発生する。該構造を使用することも可能である。
【００８５】
その他、採りうる構造は図５に制約されるものでなく、変形素子２として少なくとも一方向へ変位と力を発生させる形態であれば、自由に選択可能である。
【００８６】
図６は、図３（ａ）、図３（ｂ）のように変形素子２がバルクとして伸長・収縮を示す場合の、変形ユニット３および変形ユニット群４の構造例を示したものである。構成的な考え方は図４で示した撓み動作する屈曲素子を適用して構わない。
【００８７】
図６（ａ）は、図３（ａ）のように変形素子２が少なくとも一方向への膨張変形を示す場合の構造例である。膨張する方向がアクチュエータ１の径方向に向かうように変形素子２を積層して変形ユニット群４を構成して使用する。この場合、変形ユニット３は変形素子２と同一であると考えても良いし、図６（ｄ）のように介在部１０を介してユニット化されると考えても良い。
【００８８】
図６（ｂ）は、図３（ｂ）のように変形素子２が、少なくとも一方向への膨張変形と同時にそれと垂直な方向への収縮変形を示す場合の構造例である。膨張する方向がアクチュエータ１の径方向に向かうように変形素子２を積層して変形ユニット群４を構成して使用する。この場合、変形ユニット３は変形素子２と同一であると考えても良いし、図６（ｄ）のように介在部１０を介してユニット化されると考えても良い。
【００８９】
図６（ｃ）は、図６（ｂ）とは初期状態が異なる、図３（ｂ）のような変形素子２を使用した場合の構造例である。この場合、変形素子２は介在部１０を介して変形ユニット３を形成している。また、変形ユニット群４は変形ユニット３と同一であると考えても良いし、図６（ｅ）のように結合部１１を介してユニットかされると考えても良い。
【００９０】
アクチュエータ１の軸方向への収縮動作を妨げないためにも、変形素子２は径方向の少なくとも一方向に伸長する変位を示し、かつ、軸方向には伸長する変位を示さないことが好ましい。さらに好ましくは、変形素子２は径方向の少なくとも一方向に伸長する変位を示し、かつ、軸方向には収縮する変位を示すことである。そのため、図６（ｂ）および図６（ｃ）のような構成がより好ましいと言える。
【００９１】
また、変形素子２の形状は、フィルム状、チューブ状、円柱状、角柱状、など各種形状をとることができる。また、これら形状を任意に組み合わせても構わない。
【００９２】
変形素子２を使用した本発明の構成により、変形素子２が外枠体５に力を及ぼす面は側面のみであり、空気圧アクチュエータで見られる相殺関係を含まず、より効率的な力と変位の変換が可能である。
【００９３】
（第４の実施形態）
上記実施形態のアクチュエータ１において、変形素子２に撓み動作するイオン移動型高分子アクチュエータを適用した場合の形態を以下に述べていく。
【００９４】
図７は、本発明のアクチュエータ１を模式的に示す図であり、図７（ａ）は、その全体構成を模式的に示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。
【００９５】
また、図８は、本発明で用いるイオン移動型高分子アクチュエータの構造および動作を説明するためのものである。
【００９６】
本発明のアクチュエータ１は、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、変形素子２を複数組み合わせ、少なくとも一方向に離間するように運動する変形ユニット３を積層した変形ユニット群４が、外枠体５で覆われた構造となっている。この外枠体５は図２（ｂ）で示すように、剛性な繊維材１２をシース状に編みこんだ構造となっており、繊維材１２の編みこみの角度の変化を受けて、径方向に膨らめば軸方向に縮む。
【００９７】
アクチュエータ１の両末端には出力部材６が配置されており、出力部材６は外枠体５、および変形ユニット群４と軸方向における両端で結合している。出力部材６の面中央部分には軸部７が設けられており、軸部７をもってアクチュエータ１と、外部対象物を接続し、変位と力を伝達する。
【００９８】
上記構成において、変形ユニット群４が外枠体５を内側から径方向に押し広げることで、外枠体５は径方向に膨張し、同時に、軸方向に収縮するように運動する。このように、変形ユニット群４の径方向への力と変位を、外枠体５が変換させることで、アクチュエータ１は力と変位を軸方向へ発生させることとなる。
【００９９】
変形素子２であるイオン移動型高分子アクチュエータ１３の構造は図８で示したような電解質層１４を第１の電極層１５および第２の電極層１６で挟持した構造である。また、電解質層１４と第１および第２の電極層１５、１６は電解質成分であるイオン（カチオン１７、アニオン１８）を含んでいる。イオン移動型アクチュエータ１３に電圧を印加すると、電場に対してイオンが移動し、カチオン１７は負極側に、アニオン１８は正極側に移動する。カチオン、アニオンの移動に伴う第１の電極層１５および第２の電極層１６の体積変化および体積差を受けて、イオン移動型高分子アクチュエータ１３は、屈曲動作を示す。図８においては、カチオン１７が移動した第１の電極層１５の体積が、第２の電極層１６の体積よりも大きくなった現象を意味している。
【０１００】
イオン移動型高分子アクチュエータ１３の第１の電極層１５および第２の電極層１６は導電性を有する高分子材料で形成されている。導電性を有する高分子材料としては、導電性高分子や導電体を内包した高分子複合体が挙げられる。
【０１０１】
導電性高分子としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレンの如き導電性ポリマー材料を挙げることができる。
【０１０２】
また、高分子複合体に用いる導電体としては、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウイスカー、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンマイクロコイルの如くの各種炭素材料や、金属（金、白金、パラジウム、ルテニウム、銀、鉄、コバルト、ニッケル、銅、インジウム、イリジウム、チタン、アルミニウムの如く）粉（微粒子）、金属化合物（酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化第二スズ、ＩＴＯの如く）、金属繊維、導電性セラミックス材料の如き導電体が挙げられる。これら導電体を１種またはそれらの混合物として高分子複合体中に含有する。
【０１０３】
該導電体を内包できる高分子としては、アクチュエータの動作に追従できる柔軟性を有するものであれば特に限定されるものではないが、加水分解性が少なく、大気中で安定なポリマーであることが好ましい。
【０１０４】
このようなポリマーとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンの如きポリオレフィン系ポリマー；ポリスチレン；ポリイミド；ポリパラフェニレンオキサイド、ポリ（２，６−ジメチルフェニレンオキサイド）、ポリパラフェニレンスルフィドの如きポリアリーレン類（芳香族系ポリマー）；ポリオレフィン系ポリマー、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアリーレン類（芳香族系ポリマー）の如くに、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基を導入したもの；ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンの如くの含フッ素系のポリマー；含フッ素系のポリマーの骨格にスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基の如くを導入したパーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマー、パーフルオロリン酸ポリマー；ポリブダジエン系化合物；エラストマーやゲルの如くのポリウレタン系化合物；シリコーン系化合物；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタレート；ナイロン；ポリアリレートを挙げることができる。
【０１０５】
上記の導電体と、ポリマーとを組み合わせて、導電体が内包した高分子材料を構成することができるが、それぞれ複数種の導電体と複数種のポリマーの材料とを混合して組み合わせてもよい。
【０１０６】
また、上述の導電性高分子材料と導電体を組み合わせて用いても構わない。
【０１０７】
また、これら電極材料は、形成時において後述する電解質を内部に含有していても構わない。
【０１０８】
また、上記ポリマーは、電解質層１４と相溶性の高いポリマーであることが好ましい。電解質層１４との相溶性および接合性が高いことで、強固に密着したアクチュエータを構成することが可能となる。このためポリマーは、電解質層１４を構成する高分子化合物と、同種、類似または同一のポリマー構造を有するポリマー、または、同種、類似または同一の官能基を有するポリマーであることが好ましい。
【０１０９】
また、電極層１５および１６の少なくとも一方を金属のみからなる層として形成してもよい。このような電極層を電解質層に直接形成する場合には、電極は導電材のみから形成されると見なしてもよい。これら金属層には金、白金、パラジウム、ルテニウム、銀、鉄、コバルト、ニッケル、銅、インジウム、イリジウム、チタン、アルミニウムの如く材料が挙げられる。これら層の形成には、めっきや蒸着、スパッタの如くで薄い金属層として形成してもよい。
【０１１０】
特に好ましい形態としては、カーボンナノチューブをポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のポリマーと、イオン液体と、で混合してゲル化させたバッキーゲルをアクチュエータ電極に用いることが好ましい。また、第１および第２の電極層は同じ材料で形成されていても、異なっていてもよい。
【０１１１】
電解質層１４は、第１および第２の電極層間に電位差を印加できるような構成であれば良いが、電解質を保持しているポリマー材料で構成することが好ましい。電解質層としての好ましい構成は、電解質（即ち、溶融状態でイオン性を示す物質）と層構造を保持するためのポリマーマトリクス材料とを含む柔軟性を有する材料が挙げられる。上記の電解質層を構成する材料としては、イオン性物質を含有する非イオン性高分子化合物、あるいはイオン伝導性高分子化合物が挙げられる。これら材料では電場の存在下で電荷が移動して電流が流れるときに、イオンが電荷の担い手となる。イオンが一方または両方の電極側に移動して局在化することで、局在化した部分が膨張し、高分子アクチュエータ全体としては変形が生じる。本発明においては、第１および第２の電極層、および電解質層が柔軟性のある高分子材料で形成されているので、少なくともいずれかの部材に変形が生じることで、残りの部材も追従して変形が生じる。
【０１１２】
ポリマーとしては、例えば、テトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンの如くの含フッ素系ポリマー；ポリエチレン、ポリプロピレンの如くのポリオレフィン系ポリマー；ポリブダジエン系化合物；エラストマーやゲルの如くのポリウレタン系化合物；シリコーン系化合物；熱可塑性のポリスチレン；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタレートを挙げることができる。これらは単独あるいは複数を組み合わせて用いてもよく、また官能基を修飾してもよく、他のポリマーとの共重合体としてもよい。
【０１１３】
これらポリマーに含有されるイオン性物質としては、例えば、フッ化リチウム、臭化リチウム、臭化ナトリウム、塩化マグネシウム、硫酸銅、酢酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム、酢酸ナトリウムを挙げることができる。
【０１１４】
また、イオン性物質として、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドやトリス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドのイオン、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）メチドやトリス（トリフルオロメチルスルホニル）メチドのイオン、あるいはこれらの当該塩を含むことが好ましい。また、これらの対となるイオンとしては、リチウム、ナトリウムなどが用いられる。
【０１１５】
また、イオン性物質としてイオン液体を用いれば空気中での駆動における耐久性が向上するためより好ましい。
【０１１６】
ここでイオン液体とは、常温溶融塩または単に溶融塩とも称されるものであり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩であり、例えば０℃、好ましくは−２０℃、さらに好ましくは−４０℃で溶融状態を呈する塩である。また、イオン液体はイオン伝導性が高いものが好ましい。イオン液体には各種公知のものを使用することができるが、実使用温度域において液体状態を呈する安定なものが好ましい。好適なイオン液体としては、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、アンモニウム塩、ホスホニウム塩が挙げられ、これらを単独あるいは混合して用いてもよい。
【０１１７】
本発明の電解質層１１としては、電解質にイオン液体を、ポリマーとしてポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用いたものが好適に挙げられる。
【０１１８】
各電極層（１２、１３）との密着性を良好にするために、電極層で用いられる高分子材料を電解質層のマトリクス材料として利用することも好ましい。
【０１１９】
変形素子２であるイオン移動型高分子アクチュエータ１３を組み合わせて、変形ユニット３とした構造例は図４に示されている。
【０１２０】
２枚のイオン移動型高分子アクチュエータ１３は図４（ａ）で示すように、結合部１１を介してユニット化され、変形ユニット３を形成する。そして、図示せぬ電圧／電流制御器である電源コントローラ８および電気的配線である端子９により通電することで、互いに離間する方向に撓み変形を示し、該方向に変位と力を発生させる。
【０１２１】
図７（ｂ）においては、好適な例として、変形ユニット３は介在部１０を中心に、４５°ずつ角度をずらした方向にそれぞれ離間するように構成されている。力を及ぼす面積を稼ぐために、変形ユニット３はなるたけ外枠体５の側面を対称、かつ、均一、かつ、全域に押すことがより好ましい。
【０１２２】
また、図４（ｄ）で示すように変形ユニット３を積層することで変形ユニット群４を形成することができる。
【０１２３】
変形素子２であるイオン移動型高分子アクチュエータ１３の形状は、撓み動作により、撓み方向に変位と力を発生させる機能を有してさえいれば、長尺状の他、どのような形状であっても構わない。
【０１２４】
また、図７で示したような開口して互いに離間する構造の他、図５で示した構造例など、撓み動作する構成であるならば、どのようにユニット化しても構わない。
【０１２５】
本発明のアクチュエータ１の大きさは、用いる用途に応じて適宜選択できる。例えば、直径が１ｍｍ〜数十ｃｍの断面を有し、軸方向が１ｍｍ〜数十ｃｍの形状のアクチュエータを作成できる。
【０１２６】
内部に配置される変形素子２の大きさは、上記伸縮アクチュエータ１の大きさに合わせて適宜選択できる。同様に、変形ユニット３および変形ユニット群４の大きさも、上記伸縮アクチュエータ１の大きさに合わせて適宜選択できる。
【０１２７】
以下に、本発明のアクチュエータ１において、形状および特性の具体的な例を挙げて、説明していく。
【０１２８】
ここでは、アクチュエータ１は、直径Ｄ［ｃｍ］、高さＬ［ｃｍ］の円筒形状の外枠体５と、外枠体５の両末端に渡って巻回された繊維材１２と、を有する構造である。一本の繊維材１２は長さｂ［ｃｍ］でｎ回巻回され、また、軸方向に対する繊維材１２の編みこみの角度は初期状態においてθ０［°］ある。
【０１２９】
ここで、構造計算の都合上、外枠体５の内部にはバルクが配置されているとする。バルクが外枠体５に与える力をＦ’［Ｎ］あるいはＰ［Ｎ／ｃｍ２］とし、また、バルクの径方向への膨張量をρ［％］とする。外枠体５はバルクによって内側から径方向へ押されることで、繊維材１２の編みこみの角度をθ’［°］に変化させ、同時に軸方向にε［％］収縮する。また、ブロッキングフォースとして最大でＦ［Ｎ］の力を軸の収縮方向に発生させる。ここでブロッキングフォースとは、アクチュエータの歪の発生を抑制した状態での力の大きさを意味している。このような状態ではアクチュエータの成す仕事は全て力に変換されるため、アクチュエータの最大発生力と見なして良い。
【０１３０】
ここではじめに、上記構成のアクチュエータ１に対して、内部に配置されるバルクが空気であると仮定する。空気圧アクチュエータとしての構造計算は、例えば、Ｆｒａｎｋ  Ｄａｅｒｄｅｎ、Ｄｉｒｋ  Ｌｅｆｅｂｅｒらが著した非特許文献「Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ  ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  ｍｕｓｃｌｅｓ：Ａｔｃｕａｔｏｒｓ  ｆｏｒ  ｒｏｂｏｔｉｃｓ  ａｎｄ  ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ」を参考にすることができる。
【０１３１】
空気が内部で行う仕事ｄＷｉｎは、外枠体５の体積変化をｄＶとすると、
ｄＷｉｎ［Ｎ＊ｃｍ］＝Ｐ［Ｎ／ｃｍ２］＊ｄＶ［ｃｍ３］
となる。また、アクチュエータ１として、外部に行う仕事ｄＷｏｕｔは、軸方向への伸縮量をｄＬとすると、
ｄＷｏｕｔ［Ｎ＊ｃｍ］＝−Ｆ［Ｎ］＊ｄＬ［ｃｍ］
となる。
【０１３２】
変換ロスが無いと仮定してｄＷｉｎ＝ｄＷｏｕｔとし、編みこみの角度θ０からのアクチュエータ１の軸方向への力Ｆと軸方向への収縮量εの関係を求めると式（１）となる。
【０１３３】
【数１】
2013055877.tif 000003
【０１３４】
また、変形後の編みこみの角度θ’におけるアクチュエータ１の軸方向への収縮量εと径方向への膨張量ρの関係は式（２）となる。
【０１３５】
【数２】
2013055877.tif 000004
【０１３６】
次に、内部に配置されるバルクが本発明のように外枠体５の側面のみを押す場合を考える。
【０１３７】
バルクが内部で行う仕事ｄＷｉｎは、バルクが側面を押す力をＦ’、外枠体５の直径の変化量をｄＤとすると、
ｄＷｉｎ［Ｎ＊ｃｍ］＝Ｆ’［Ｎ］＊ｄＤ［ｃｍ］
となる。また、アクチュエータ１として、外部に行う仕事ｄＷｏｕｔは、軸方向への伸縮量をｄＬとすると、
ｄＷｏｕｔ［Ｎ＊ｃｍ］＝−Ｆ［Ｎ］＊ｄＬ［ｃｍ］
となる。
【０１３８】
変換ロスが無いと仮定してｄＷｉｎ＝ｄＷｏｕｔとし、編みこみの角度θ０からのアクチュエータ１の軸方向への力Ｆと軸方向への収縮量εの関係を求めると式（３）となる。
【０１３９】
【数３】
2013055877.tif 000005
【０１４０】
また、変形後の編みこみの角度θ’におけるアクチュエータ１の軸方向への収縮量εと径方向への膨張量ρの関係はバルクに空気を用いたときと同様に式（２）となる。
【０１４１】
今、アクチュエータ１の外枠体５の形状を、底面の直径Ｄを１．２ｃｍ、軸方向の長さＬを６ｃｍとする。また、アクチュエータ１の軸方向へのブロッキングフォース（最大発生力）を５６５Ｎとする。即ち、アクチュエータ１は、軸方向に垂直な断面（底面）に５００Ｎ／ｃｍ２の力を必要とする。また、アクチュエータ１の軸方向への最大収縮量を全長に対して３０％とする。アクチュエータ１の収縮量は外枠体５の収縮量と見なせば、これは外枠体５が１．８ｃｍ収縮することとなる。
【０１４２】
アクチュエータ１が上記特性を満たすために必要となる、内部に配置されるバルクの径方向への膨張量と力の関係を、初期状態の編みこみの角度θ０に対して計算した結果が図９である。
【０１４３】
図９には、バルクとして空気を用いた場合（ａ）と、バルクとして本発明のように側面のみを押す構成を用いた場合（ｂ）とを示している。
【０１４４】
初期状態の編みこみの角度θ０に対して、バルクとして必要な膨張量と力がトレードオフの関係で変化している。必要な力は、本発明の構成（ｂ）で、空気を用いた構成（ａ）を常に下回っていることが分かる。
【０１４５】
空気を用いた構成（ａ）では、全体では軸方向に収縮して力を発生させているが、内部では軸方向に膨張するように力を加えている。このため内部の力と外部に取り出す力が相殺し、非効率な部分を含んでいる。一方で、本発明の構成（ｂ）では、内部のバルクが力を及ぼす面は側面のみであり、（ａ）で見られる相殺関係を含まず、より効率的に力を変換することが可能である。
【０１４６】
初期状態の編みこみの角度を３０°とした場合、バルクとして空気を用いた構成（ａ）では、必要なバルクの力は１００Ｎ／ｃｍ２であり、バルクとして側面のみを押す本発明の構成（ｂ）では、必要なバルクの力は４２Ｎ／ｃｍ２であった。また、必要な径方向への膨張量は（ａ）、（ｂ）ともに外枠体５の直径の６０％分であった。
【０１４７】
一方、本発明のような外枠体５を使用せず、内部に配置されるバルクが直接軸方向に力を与えるとすると、バルクとして必要な力は同様に５００Ｎ／ｃｍ２である。また、バルクとして必要な収縮量は外枠体５の軸方向の長さの３０％分である。
【０１４８】
このように、アクチュエータ１として必要な力に対して、底面よりも圧倒的に面積の大きい側面を利用することで、バルクとしての面積あたりに求められる力をより小さくすることが可能である。言い換えれば、バルクとして同等の力でも、本発明の構造を採ることで、アクチュエータ１としてより大きな力を発生させることが可能となる。
【０１４９】
また、本発明の構成によれば内部のバルクが力を及ぼす面は側面のみであり、空気圧アクチュエータで見られる相殺関係を含まず、より効率的な力と変位の変換が可能である。
【０１５０】
上記アクチュエータ１の構造計算を達成する、変形素子２であるイオン移動型高分子アクチュエータ１３の構造計算について、以下に言及していく。
【０１５１】
イオン移動型高分子アクチュエータ１３として、図８で示すような電極層／電解質層／電極層の三層構造で、長尺状の形状を考える。第１および第２の電極層は同一なものを使用している。また、イオン移動型アクチュエータ１３の長さ方向の両端のうち、一方は固定端として固定され、もう一方が自由端として撓み変形を示すものとする。
【０１５２】
このようなイオン移動型高分子アクチュエータ１３の撓み変形に対する構造計算は、例えば、Ｇｕｒｓｅｌ  Ａｌｉｃｉ、Ｎａｍ  Ｎ．Ｈｕｙｎｈらが著した非特許文献「Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ  １３２（２００６）６１６−６２５」を参考にすることができる。
【０１５３】
第１および第２の電極層の厚さをｈ１［ｍｍ］、電解質層の厚さをｈ２［ｍｍ］、第１および第２の電極層のヤング率をＥ１［ＭＰａ］、電解質層のヤング率をＥ２［ＭＰａ］、第１および第２の電極層および電解質層の幅をｂ［ｍｍ］、固定端からの素子の長さをＬ［ｍｍ］、撓み変形を示す自由端の撓み量（膜厚方向への変位量）をδ［ｍｍ］、撓みの曲率半径をＲ［ｍｍ］、電極層中に生じる歪をα、撓み変形を示す自由端に掛かる力をＦ［Ｎ］、とする。
【０１５４】
イオン移動型アクチュエータ１３の電極層中に発生する歪αは式（４）で、また、撓み変形を示す自由端に掛かる力Ｆは式（５）で表される。
【０１５５】
【数４】
2013055877.tif 000006
【０１５６】
【数５】
2013055877.tif 000007
【０１５７】
式（４）のＥＩはイオン移動型アクチュエータ１３のヤング率と断面二次モーメントの積を表し、ＥＩ＝Ｅ１＊（電極層の断面二次モーメント）＋Ｅ２＊（電解質層の断面二次モーメント）の関係にある。また、変位量δと曲率半径Ｒは式（６）で表わされる関係にある。
【０１５８】
【数６】
2013055877.tif 000008
【０１５９】
ここで、電極層の厚さｈ１を１ｍｍ、電解質層の厚さｈ２を０．０５ｍｍ、電極層のヤング率Ｅ１を３００ＭＰａ、電解質層のヤング率Ｅ２を１００ＭＰａ、素子の幅ｂを１ｍｍとする。また、素子の長さＬを０ｍｍ〜１０ｍｍとする。式（４）、（５）、（６）を用いて、電極層中に生じる歪αを１％、３％、５％、７％と振った場合の、素子の長さＬに対する力Ｆと変位量δの関係を求め、図示したのが図１０である。図１０において、変位量δはイオン移動型高分子アクチュエータ１３の膜厚に対する値として示されている。即ち、素子の膜厚分の変位量が得られた場合に、δは１００％であるとする。また、力Ｆはイオン移動型高分子アクチュエータ１３の素子面積で割った、面積当たりの力として示している。
【０１６０】
上記したサイズのアクチュエータ１が最大発生力５６５Ｎ、最大収縮量３０％を生じさせるためには、内部に配置されたバルクとして、側面を４２Ｎ／ｃｍ２で加圧し、径方向に６０％膨張する必要があった。
【０１６１】
図１０から、電極層中の発生歪αが５％弱であれば、バルクとしてのこれら要件を満たすことが分かる。
【０１６２】
ポリピロールやポリアニリンなどの導電性高分子は、イオンの移動に伴う電気化学的な体積変化で、数％〜数十％の膨張・収縮を示すことが知られている。このような材料をイオン移動型高分子アクチュエータ１３の電極層として使用することで、上記構造計算を満たすイオン移動型高分子アクチュエータ１３を作製することは可能となる。
【０１６３】
アクチュエータ１の発生力によっては、求められる電極層中の発生歪αの値を小さくすることができるため、導電性高分子に関わらず、公知なイオン移動型高分子アクチュエータを利用することが可能である。
【０１６４】
好適には、カーボンナノチューブなどの炭素材料と、イオン液体と、バインダーとなるポリマーの複合ゲルを電極層に用いたイオン移動型高分子アクチュエータが挙げられる。これは電極層とイオン間の作用が、二次電池的な酸化還元反応ではなく、電気二重層キャパシタ的なイオン移動を動作原理の一端とするため、耐久性が高く繰り返し使用に適するためである。
【０１６５】
また、用いるイオン移動型高分子アクチュエータ１３の仕様に合わせてアクチュエータ１の構造設計を行うことも可能である。
【０１６６】
また、バルクの分割、即ち、イオン移動型高分子アクチュエータ１３の変形ユニット化は、上記サイズにこだわらず自由に選択して構わない。
【０１６７】
また、バルクでは側面全域に力を及ぼすが、イオン移動型高分子アクチュエータ１３の変形ユニット３ではデッドスペースの存在を加味する必要がある。しかしそれは、アクチュエータ１の軸方向に垂直な断面（底面）のみを押す場合でも生じる課題であり、少なくとも変形ユニット３を利用したアクチュエータ１においては相対的には影響は少ないと言える。
【０１６８】
本発明の構成によれば、アクチュエータ１として必要な力に対して、底面よりも圧倒的に面積の大きい側面を利用することで、アクチュエータ１としてより大きな力を発生させることが可能となる。
【０１６９】
また、本発明の構成によれば、力を及ぼす面は側面のみであり、空気圧アクチュエータで見られる相殺関係を含まず、より効率的な力と変位の変換が可能である。
【０１７０】
また、空気圧アクチュエータで見られる大掛かりなガス圧制御機器などを必要せず、より軽量・小型なアクチュエータを提供することが可能である。
【０１７１】
（本アクチュエータとの特性比較）
本発明の第４実施形態の構成に対する第１の比較形態として、図１１（ａ）で示した構造を挙げることができる。図１１（ａ）では、本発明のような外枠体５を有さず、変形ユニット群４が直接軸方向に変位と力を与える。また、変形ユニット群４は、第４実施形態で述べたような撓み変形する変形素子２を集積したものである。
【０１７２】
このような構成においては、変形ユニット群４が力を及ぼす面積が、アクチュエータ１の軸方向に垂直な断面（底面）のみに制限される。このため、変形ユニット群４をバルクとして考えたときに、バルクとして必要な面積あたりの力が非常に大きなものとなる。
【０１７３】
図９で示したように、アクチュエータ１を直径１．２ｃｍ、長さ６ｃｍの円筒形状とし、また、最大発生力が５６５Ｎとすると、バルクとして求められる力は、本発明の第４実施形態（初期状態での編みこみの角度が３０°）で４２Ｎ／ｃｍ２であるのに対し、第１の比較形態では５００Ｎ／ｃｍ２となる。
【０１７４】
必要な力が大きいほど、技術的な難易度が上がることを鑑みれば、本発明の構成の優位性は明らかである。
【０１７５】
また、本発明の第４実施形態の構成に対する第２の比較形態として、図１１（ｂ）で示した構造を挙げることができる。図１１（ｂ）では、本発明と同様に外枠体５を有するが、内部に配置されるのは、変形ユニット群４でなく、代わりに流体（空気）を供給する。空気の漏れを防ぎ、空気圧力を外枠体５に伝達するために、チューブ１９が外枠体５の内側に収容されている。空気の供給でチューブ１９が膨張し、外枠体５を径方向に押し広げることで、全体として軸方向に収縮し、力を発生させる。
【０１７６】
このような構成においては、外枠体５に対して、空気は等方的に力を与える。第１の比較形態と異なり、面積の大きな側面を利用できるため、アクチュエータ１として求められる力が同一であるならば、バルクとして求められる内圧をより小さくすることが可能である。しかしながら、全体としては軸方向に収縮して力を発生させているが、内部では軸方向に膨張するように力を加えている部分が存在するため、内部の力と外部に取り出す力が相殺し、非効率な部分を含んでいる。
【０１７７】
図９で示したように、アクチュエータ１を直径１．２ｃｍ、長さ６ｃｍの円筒形状とし、また、最大発生力が５６５Ｎとすると、バルクとして求められる力は、本発明の第４実施形態（初期状態での編みこみの角度が３０°）で４２Ｎ／ｃｍ２であるのに対し、第２の比較形態では１００Ｎ／ｃｍ２（初期状態での編みこみの角度は同様に３０°とする）となる。
【０１７８】
必要な力が大きいほど、技術的な難易度が上がることを鑑みれば、本発明の構成の優位性は明らかである。
【０１７９】
また、本発明の第４実施形態では、空気圧アクチュエータで見られる大掛かりなガス圧制御機器などを必要せず、より軽量・小型なアクチュエータを提供することが可能である。
【０１８０】
（第５の実施形態）
上記のアクチュエータ１において、変形素子ユニット３と外枠体５の間に、層間伝達部材２１を本実施形態のように形成することも可能である。
【０１８１】
図１２は、本形態で用いることのできる層間伝達部材２１の構造および動作例を示す模式図であり、図１２（ａ）は、その全体構成を模式的に示す図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＡ−Ａ’における断面図であって変形に対する層間伝達部材の動作を示している。
【０１８２】
変形ユニット３を図７（ｂ）で示したように、任意の角度をずらした方向にそれぞれ離間するように構成した場合を考える。変形ユニット３はなるたけ外枠体５の側面を対称、かつ、均一、かつ、全域に押すことが好ましいが、両者の間で接面を持たない領域がどうしても生じてくる。これから、外枠体５にかかる圧力は部分的に不均一となる可能性がある。
【０１８３】
本形態で用いられる層間伝達部材２１は、変形ユニット３と外枠体５の間に存在し、これら接面を持たない領域を埋めるよう配置され、変形ユニット３が及ぼす径方向への圧力を外枠体５に略均一に伝達するためのものである。
【０１８４】
層間伝達部材２１は、変形ユニット３と外枠体５の間に掛かる圧力で自身を激しく変形させることのない、剛性を有する部材であることが好ましい。
【０１８５】
加えて、変形ユニット３および外枠体５の径方向への伸長・収縮に追随できるような可変構造を有することが好ましい。具体的には、図１２で示したように、少なくとも変形ユニット３に接する面には剛性な部材が配置され、また、接しない面には伸縮性を有する連結部材２２が配置される。
【０１８６】
このような剛性の部材としては、各種金属や各種プラスチック、各種セラミック等を適宜選択することが可能である。また、伸縮性を有する部材としては、各種ゴム等の素材として弾性・柔軟性を有するもの、或いは、ばねのような剛性な材料であっても構造体として伸縮性を有するもの、を適宜選択することが可能である。
【０１８７】
また、本形態に用いられる層間伝達部材は上記と同様な機能を有していればどのような構造であっても構わない。
【０１８８】
本形態の層間伝達部材２１は、機能として空気圧アクチュエータで使われるチューブ１９に相当する。チューブ１９は流体（空気）の漏れを防ぐために、密閉された構造でなければならないが、本形態の層間伝達部材２１は、密閉構造である必要はない。構造的な制約が少ない上に、可変を担う伸縮性を有する部材の存在からより径方向への伸縮に追随しやすい、などの利点を有する。
【０１８９】
（第６の実施形態）
上記実施形態のアクチュエータ１において、出力部材６および外枠体５の端末構造の設計によって、内部に配置する変形ユニットを本実施形態のように形成することも可能である。
【０１９０】
図１３は、本形態で用いることのできる端末構造を示す模式図である。
【０１９１】
アクチュエータ１においては、変形ユニット３の径方向への圧力を外枠体５が出力端子６に集約する。そのため、出力部材６と外枠体５とは、少なくとも一部が結合した構造をとる。
【０１９２】
アクチュエータ１の駆動に伴う、端末構造の例としては、図１３（ａ）のように、外枠体の径方向への変化に出力部材が追従して変形する構造、図１３（ｂ）のように、外枠体の径方向への変化に出力部材が追従せず、端末ほど先細りした形状を取る構造、が考えられる。
【０１９３】
図１３（ａ）では、駆動の前後に関わらず外枠体５の径は長さ方向で略均一である。このため、内部に配置する変形ユニット３は、外枠体５の長さ方向に対して、大きな変更を加える必要がなく、同一なユニットを配置することが可能であると考えられる。変形ユニット３に関しては、これをモジュール化してアクチュエータ１に搭載可能なため、コストや生産性の点でメリットを有する。
【０１９４】
このような出力端子としては、各種ゴム等の素材として弾性・柔軟性を有するもの、或いは、ばねのような剛性な材料であっても構造体として伸縮性を有するもの、を適宜選択することが可能である。また、径方向への伸縮に追従しつつも、軸方向へは変形しない構造体であることが好ましい。
【０１９５】
また、図１３（ｂ）では、駆動の前後で、外枠体５の径は長さ方向で、中央ほど径が大きく、両端末ほど径が小さい形状となる。外枠体５の径方向への伸長の率が長さ方向で異なってくるため、変形ユニット３は外枠体５の長さ方向でユニットに存在する変形素子２の数を調整する等の工夫が必要となる。一方で、出力部材自体は不可変な剛性な部材から形成されて良いため、軸部７と一体な部材とすることができる。また、図１３（ａ）のように出力部材が変形する場合は、出力部材の変形に変形ユニット３の圧力を一部必要とするが、この場合はそれが無いため出力部材に関する力の損失を抑制でき、より直接的に径方向の力を軸方向への力へと変換することが可能である。
【０１９６】
（第７の実施形態）
上記実施形態のアクチュエータ１において、変形素子２および変形ユニット３と電源コントローラ８との電気的接続を本実施形態のように形成することも可能である。
【０１９７】
図１４は、本形態で用いることのできる電気的接続を示す模式図であり、図１４（ａ）は変形ユニットの電気的接続を並列にした場合、図１４（ｂ）は電気的接続を直列にした場合を示す模式図である。
【０１９８】
図１４（ａ）では、外枠体５（或いは、層間伝達体２１）が電気伝導性を有する外部電極として機能し、また、介在部１０がもう一方の外部電極として機能している。
【０１９９】
変形ユニット３が電気的接点Ｘ、Ｙを持つとする。変形ユニット３を外枠体５内部に複数配置する場合に、電気的接点Ｘ同士が外枠体５側に向くように配置し、電気的接点Ｙ同士が介在部１０側に向くように配置する。
【０２００】
図１４（ａ）では、外枠体５および介在部１０が電気伝導性を持つ外部電極として機能するため、これら変形ユニット３同士は電気的に並列に配置されたことになる。そのため、電源コントローラからの印加電圧は、各変形ユニット３に等しく印加されることになる。よって、変形ユニット３を電圧制御する場合において、その制御性を高めることが可能である。電圧制御が好ましい変形素子としては、圧電素子や高分子アクチュエータなどが挙げられる。
【０２０１】
また、図１４（ｂ）は、変形ユニット３同士が直列に接続するよう設計されたものであり、直列接続の両端部が電源コントローラ８に接続している。
【０２０２】
変形ユニット３同士が直列に配置されている場合は、電源コントローラからの印加電流が、各変形ユニット３に等しく印加されることになる。よって、変形ユニット３を電流制御する場合において、その制御性を高めることが可能である。電流制御が好ましい変形素子としては、形状記憶合金やバイメタル、熱駆動アクチュエータなどが挙げられる。
【０２０３】
本実施形態での電気的接続を取ることで、変形ユニット３の電気的制御において、配線の類を複雑にすることなく簡便に集約し、かつ、単純な制御方法へと帰することが可能である。
【符号の説明】
【０２０４】
１  アクチュエータ
２  変形素子
３  変形ユニット
４  変形ユニット群
５  外枠体
６、２０  出力部材
７  軸部
８  電源コントローラ
９  端子
１０  介在部
１１  結合部
１２  繊維材
１３  イオン移動型高分子アクチュエータ
１４  電解質層
１５  第１の電極層
１６  第２の電極層
１７  カチオン
１８  アニオン
１９  チューブ
２１  層間伝達部材
２２  連結部材
【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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【図９】
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【図１０】
2013055877.tif 000018
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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