(57)【要約】    【課題】比較的簡単な構成で、比較的低い駆動電圧で駆動させることができ、応答性及び発生力に優れたゲルアクチュエータを提供する。    【解決手段】誘電性高分子材料を用いて形成された振動可能なゲル部材と、前記ゲル部材を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材とを備えたゲルアクチュエータであって、前記一対の電極部材は、前記ゲル部材に対して同じ側に配され、前記一対の電極部材のうち第１の電極部材は、前記一対の電極部材に電圧が印加されていないとき、前記ゲル部材と当接してこれを支持しており、第２の電極部材は、前記ゲル部材と非接触に配されていることを特徴とするゲルアクチュエータ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電性高分子材料を用いて形成された振動可能なゲル部材と、前記ゲル部材を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材とを備えたゲルアクチュエータであって、
前記一対の電極部材は、前記ゲル部材に対して同じ側に配され、
前記一対の電極部材のうち第１の電極部材は、前記ゲル部材と当接してこれを支持しており、第２の電極部材は、前記一対の電極部材に電圧が印加されていないとき、前記ゲル部材と非接触に配されていることを特徴とするゲルアクチュエータ。
【請求項２】
前記ゲル部材は、第１のゲル部材と、該第１のゲル部材における前記一対の電極部材と反対側に、前記第１のゲル部材と部分的に間隔を空けて積層された、前記第１のゲル部材よりも硬い第２のゲル部材とを有することを特徴とする請求項１に記載のゲルアクチュエータ。
【請求項３】
前記第１の電極部材は、複数の開口部を有する格子状に形成され、前記第２の電極部材は、前記開口部内に配されたことを特徴とする請求項１または２に記載のゲルアクチュエータ。
【請求項４】
前記ゲル部材は、前記誘電性高分子材料に加えて、さらに可塑剤を用いて形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のゲルアクチュエータ。
【請求項５】
前記誘電性高分子材料は、ポリ塩化ビニルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のゲルアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲルアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、医療機器、産業用ロボット、パーソナルロボットやマイクロマシン等の駆動源として用いられる、小型で柔軟性に富むアクチュエータの必要性が高まっている。
【０００３】
この種のアクチュエータとしては、例えば、フレキシブル静電アクチュエータと呼ばれるものが知られている。かかるフレキシブル静電アクチュエータとしては、誘電性樹脂フィルム内に三相電極が等ピッチとなるように埋設されてなるフレキシブルプリント基板フィルムを２枚用い、これらが、絶縁液に浸漬された状態で、ビーズ部材を介して、各三相電極同士の配置が適宜ずれるように積層されて形成されたものが挙げられる（非特許文献１参照）。かかるフレキシブル静電アクチュエータによれば、各基板フィルムの三相電極に、三相正弦波の電圧を印加することにより、両基板フィルムを、それぞれ異なる正弦波を有するように振動させて、アクチュエータとして駆動させることができる。
【０００４】
一方、上記の他、例えば、誘電性高分子材料から形成された振動可能なゲル部材と、前記ゲル部材を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材とを備えたゲルアクチュエータが知られている。
【０００５】
この種のゲルアクチュエータとしては、例えば、イオン性液体と高分子材料とで形成された、ゲル状のイオン電導層と、該イオン電導層の両面に配され、カーボンナノチューブとイオン性液体とで形成された、一対のゲル状の電極層とを備えたもの（ＩＣＰＦアクチュエータ）が挙げられる（非特許文献２参照）。かかるＩＣＰＦアクチュエータによれば、各イオン電導層に電圧を印加してこれらイオン電導層に電位差をかけることによって、イオン電導層と各電極層とを一体的に振動させて、アクチュエータとして駆動させることができる。
【０００６】
また、前記ゲルアクチュエータとして、他に例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）と可塑剤とで形成されたゲル部材と、一対の電極部材とを備え、該一対の電極部材が、前記ＰＶＣゲル部材と互いに反対側から当接しているように形成されたもの（ＰＶＣゲルアクチュエータ）が挙げられる（非特許文献３参照）。かかるＰＶＣゲルアクチュエータによれば、一対の電極部材に電圧を印加してこれらに電位差をかけることによって、ゲル部材を振動させて、アクチュエータとして駆動させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Toshiki Niino, Saku Egawa, and Toshiro Higuchi, "High-efficiency Electrostatic Actuator", Proceeding of the 6th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS ’93), pp. 236-241.
【非特許文献２】Ken Mukai, Kinji Asaka, Kenji Kyohara, Takushi Sugino, Ichiro Takeuchi, Takanori Fukushima, Takuzo Aida, "High performance fully plastic actuator based on ionic-liquid-based bucky gel", Electrochimica Acta 53(2008), pp. 5555-5562.
【非特許文献３】Misaki Yamano, Naoki Ogawa, Minoru Hashimoto, Midori Takasaki, Toshihiro Hirai, "A Contraction Type Soft Actuator using Poly Vinyl Chloride Gel", Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics Bangkok, Thiland, February 21-26, 2009, pp.745-750.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記したフレキシブル静電アクチュエータは、絶縁液中に浸漬させる必要があるため、構成が複雑となり、しかも、高い駆動電圧を必要とする、という問題を有する。また、上記したＩＣＰＦアクチュエータは、比較的低い駆動電圧で駆動し、応答性（単位時間当たりの振動数、すなわち周波数）も比較的高くなるが、その一方、発生力（駆動による変形量）が小さい、という問題を有する。さらに、上記したＰＶＣゲルアクチュエータでは、ゲル部材が一対の電極部材間を這うように振動するため、該電極部材との衝突によって、また、振動領域が制限されることによって、応答性が低い、という問題がある。
【０００９】
本発明は、上記問題点等に鑑み、比較的構成が簡単であり、比較的低い駆動電圧で駆動させることができ、応答性及び発生力に優れたゲルアクチュエータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決すべく、本発明にかかるゲルアクチュエータは、
誘電性高分子材料を用いて形成された振動可能なゲル部材と、前記ゲル部材を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材とを備えたゲルアクチュエータであって、
前記一対の電極部材は、前記ゲル部材に対して同じ側に配され、
前記一対の電極部材のうち第１の電極部材は、前記ゲル部材と当接してこれを支持しており、第２の電極部材は、前記一対の電極部材に電圧が印加されていないとき、前記ゲル部材と非接触に配されていることを特徴とする。
【００１１】
ここで、誘電性高分子とは、比誘電率が２〜１０である高分子をいう。また、該比誘電率は、誘電性高分子の両面に電極を形成し、その電極間の静電容量を、ＬＣＲメータを用いて、周波数１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、電圧１〜１．５Ｖの交流電圧を印加することによって測定する。
【００１２】
かかる構成によれば、ゲル部材に対して一対の電極部材を同じ側に配し、該一対の電極部材のうち第１の電極部材によってゲル部材を支持し、第２の電極部材をゲル部材と上記非接触に配することによって、前述したフレキシブル静電アクチュエータのように絶縁液に浸漬させる構成を採用する必要がない。
また、一対の電極部材に電圧を印加したときにおいても、ゲル部材が第２の電極部材と非接触であるような構成を採用した場合には、ゲル部材を支持するためのゲル部材を電極部材と衝突することなく振動させることができるため、比較的低い駆動電圧でゲル部材を振動させることができ、しかも、その振動の周波数を高くすることができ、且つ、振動によるゲル部材の変形量を大きくすることができる。
さらに、一対の電極部材に電圧を印加したときに、ゲル部材が第２の電極部材と接触するような構成を採用した場合には、第２の電極部材と反対の側においては、ゲル部材を第２の電極部材と衝突させることなく振動させることができるため、比較的低い駆動電圧でゲル部材を振動させることができ、しかも、その振動の周波数及びゲル部材の変形量を大きくすることができる。
加えて、ゲル部材に対して一対の電極部材を互いに反対側に配しつつ第２の電極部材を離間させる場合と比較して、作製が容易となるのに加え、ゲル部材と第２の電極部材との間隔を精度良く設定し易くなる。
従って、比較的構成が簡単であり、比較的低い駆動電圧で駆動させることができ、応答性及び発生力に優れたゲルアクチュエータを提供することができる。
【００１３】
前記ゲルアクチュエータにおいては、
前記ゲル部材は、第１のゲル部材と、該第１のゲル部材における前記一対の電極部材と反対側に、前記第１のゲル部材と部分的に間隔を空けて積層された、前記第１のゲル部材よりも硬い第２のゲル部材とを有することが好ましい。
【００１４】
かかる構成によれば、第２のゲル部材の剛性が比較的高いため、ゲルアクチュエータが、第２のゲル部材が土台部分として用いられつつ、一対の電極部材、第１のゲル部材及び第２のゲル部材が繰り返し積層されてなる積層構造を有するような構成とすることが可能となる。これにより、ゲル部材全体の変形量をより大きくすることが可能となり、より広範な用途に適用され得る。
【００１５】
前記第１の電極部材は、複数の開口部を有する格子状に形成され、
前記第２の電極部材は、複数設けられ、且つ、該複数の第２の電極部材は、前記開口部内にそれぞれ配されていることが好ましい。
【００１６】
かかる構成によれば、ゲル部材が、より複雑な振動パターンを形成することが可能となるため、より広範な用途に適用され得る。
【００１７】
前記ゲルアクチュエータにおいては、
前記ゲル部材は、前記誘電性高分子材料に加えて、さらに可塑剤を用いて形成されたことが好ましい。
【００１８】
かかる構成によれば、ゲル部材が、より柔軟性を有し易くなるため、より振動し易くなる。
【００１９】
前記ゲルアクチュエータにおいては、
前記誘電性高分子材料は、ポリ塩化ビニルであることが好ましい。
【００２０】
かかる構成によれば、ゲル部材がより作製し易くなり、且つ、ゲル部材がより機械的、化学的に安定したものとなる。
という利点がある。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明によれば、比較的構成が簡単であり、比較的低い駆動電圧で駆動させることができ、応答性及び発生力に優れたゲル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】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態のゲルアクチュエータを模式的に示す概略斜視図
【図２】本実施形態のゲルアクチュエータを模式的に示す概略分解斜視図
【図３】ゲル部材の製造方法の一例を示す概略図
【図４】本実施形態のゲルアクチュエータが駆動する状態を模式的に示す概略側面断面図
【図５】本発明の第２実施形態のゲルアクチュエータを模式的に示す概略分解斜視図
【図６】本実施形態のゲルアクチュエータが駆動する状態を模式的に示す概略側面断面図
【図７】本発明の第３実施形態のゲルアクチュエータに用いられる一対の電極部材を模式的に示す概略上面図
【図８】本発明の他の実施形態のゲルアクチュエータの一部分を模式的に示す概略側面図
【図９】実施例１で作製したゲルアクチュエータが評価される状態、及びゲルアクチュエータを拡大して示す概略斜視図
【図１０】実施例１の評価結果を示すグラフ
【図１１】比較例１の評価結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明のゲルアクチュエータの実施形態について説明する。
【００２４】
まず、本発明の第１実施形態のゲルアクチュエータについて説明する。図１、図２に示すように、本実施形態のゲルアクチュエータ１は、誘電性高分子材料を用いて形成された振動可能なゲル部材３と、前記ゲル部材３を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材５とを備えたゲルアクチュエータであって、前記一対の電極部材５は、前記ゲル部材３に対して同じ側に配され、前記一対の電極部材５のうち第１の電極部材５ａは、前記ゲル部材３と当接してこれを支持しており、第２の電極部材５ｂは、前記一対の電極部材５に電圧が印加されていないとき、前記ゲル部材３と非接触に配されている。さらに、ゲルアクチュエータ１は、土台部９を備え、土台部９に一対の電極部材５が載置されている。
【００２５】
前記ゲル部材３は、誘電性高分子材料を用いて形成されている。また、ゲル部材３は、前記誘電性高分子材料と、可塑剤とを用いて形成されていることが好ましい。可塑剤を用いて形成することにより、ゲル部材３が、より柔軟性を有し易くなるため、より振動し易くなる。
【００２６】
前記誘電性高分子は、比誘電率が、２〜８である高分子であり、好ましくは、３〜８である高分子である。このような誘電性高分子からなる材料としては、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等が挙げられる。これらのうち、ＰＶＣ、ＰＶｄＦが好ましい。前記誘電性高分子材料が、ＰＶＣ、ＰＶｄＦであることによって、ゲル部材の水分の吸蔵が少なくなり、空気中における劣化が少なくなるという利点がある。
また、これらのうち、前記誘電性高分子材料が、ＰＶＣであることがより好ましい。これにより、ゲル部材３がより作製し易くなり、且つ、ゲル部材３がより機械的、化学的に安定したものとなる。
【００２７】
前記可塑剤としては、アジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）、フタル酸ジノルマルオクチル（ＤＢＰ）、フタル酸ジイソデシル（ＤＩＤＰ）、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸プロピレン（ＰＣ）等が挙げられる。これらのうち、ＤＢＡ、ＤＯＰが好ましい。前記可塑剤がＤＢＡ、ＤＯＰであることによって、比較的容易にゲル化できるという利点がある。
【００２８】
前記誘電性高分子材料と可塑剤との組み合わせとしては、ＰＶＣとＤＢＡとの組み合わせ、ＰＶＣとＤＯＰ、ＰＶｄＦ、ＥＣ及びＰＣの少なくともいずれか１つとの組み合わせ等が挙げられる。
【００２９】
ゲル部材３の形状は、特に限定されないが、例えば、シート状の形状を採用することができる。また、ゲル部材３は、１枚のシートから構成されていても、複数のシートが積層されて構成されていてもよい。本実施形態では１枚の第１のゲルシート（第１のゲル部材）３ａから構成されている。
【００３０】
かかる第１のゲルシート３ａの厚みは、０．２〜３ｍｍであることが好ましい。厚みがこの範囲であることにより、比較的低い電圧でも比較的大きな変位が得られるという利点がある。
【００３１】
また、ゲルシート３ａのヤング率は、例えば、１〜９０ｋＰａであることが好ましい。このように、ヤング率が１〜９０ｋＰａであることによって、柔軟なゲルアクチュエータを実現でき、且つ、変形量（変位）を大きくできる利点がある。かかるヤング率は、例えば、幅３ｍｍ、長さ７ｍｍ、厚み５００μｍのゲルシートを試料として用い、テック技研社製マイクロ材料試験機によって引張試験を行うことによって、測定する。
【００３２】
第１のゲルシート３ａは、例えば、図３に示すように、以下のようにして製造することができる。すなわち、粉末状の誘電性高分子材料（図３ではＰＶＣ）と、可塑剤（図３ではＤＢＡ）とを有機溶媒（図３ではＴＨＦ）に添加し、マグネティックスターラー等で撹拌して溶解させ、得られた溶液を、箱型の容器等に入れて延ばし、乾燥させることによってシート状に形成することができる。また、上記で得られた溶液を鋳型等に流し込んで乾燥させることによって、所望の形状のシート状に形成することができる。前記有機溶媒としては、例えば、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等が挙げられる。
【００３３】
また、誘電性高分子材料と可塑剤の配合量を適宜設定することによって、第１のゲルシート３ａの柔軟性（すなわち剛性）を、所望のものに調整することができる。例えば、誘電性高分子材料と可塑剤の配合量は、１質量部：１質量部〜１質量部：１０質量部であることが好ましい。
【００３４】
一対の電極部材５は、第１のゲルシート３ａであるゲル部材３に対して同じ側に配されている。図１に示す態様では、一対の電極部材５は、ゲル部材３の下側に配されている。かかる一対の電極部材５は、それぞれ銅（Ｃｕ）箔等の金属箔や、カーボンナノチューブをイオン液体に混合したバッキーゲル等の導電性材料等から形成することができる。また、かかる一対の電極部材５は、それぞれ絶縁基板の表面に前記金属箔や導電性材料等から形成された電極層を積層することによって形成されていてもよい。
【００３５】
一対の電極部材５のうち、第１の電極部材５ａは、接地電極用の電極部材である。該第１の電極部材５ａの形状は、特に限定されないが、本実施形態では、櫛形状に形成されている。該櫛歯の数量は、特に限定されるものではない。
【００３６】
かかる第１の電極部材５ａの厚みは、１００〜６００μｍであることが好ましい。該第１の電極部材５ａの厚みが１００〜６００μｍであることによって、ゲルアクチュエータ１をより柔軟にできるという利点がある。また、ゲルアクチュエータ１を曲げた場合に、ゲル部材３と第１の電極部材５ａとの剥離がより起き難いという利点がある。第１の電極部材５ａは、土台部９上に載置され且つゲル部材３の下側に配されて、ゲル部材３を下方から支持している。
【００３７】
第２の電極部材５ｂは、駆動電極用の電極部材である。該第２の電極部材５ｂの形状は、特に限定されないが、上記第１の電極部材５ａと同様、櫛形状に形成されている。また該第２の電極部材５ｂの櫛歯部分は、第１の電極部材５ａの櫛歯部分同士の間に挿入されている。該櫛歯の数量は、特に限定されるものではない。また、第２の電極部材５ｂは、平板状であっても、後述するように格子状であってもよい。
【００３８】
また、第２の電極部材５ｂの厚みは、第１の電極部材５ａの厚みよりも小さく設定されており、これにより、該第２の電極部材５ｂは、ゲル部材３と非接触となっている。かかる第２の電極部材５ｂの厚みは、１０〜１００μｍであることが好ましい。該第２の電極部材５ｂの厚みが１０〜１００μｍであることによって、ゲルアクチュエータ１をより柔軟にできるという利点がある。また、ゲルアクチュエータ１を曲げた場合に、土台部９と第２の電極部材５ｂとの剥離が起き難いという利点がある。
【００３９】
本実施形態では、第２の電極部材５ｂとゲル部材３との隙間は、ゲル部材３が振動する前（一対の電極部材５に電圧が印加されていないとき）及び振動しているとき（一対の電極部材に電圧を印加したとき）において、該ゲル部材３が第２の電極部材５ｂと接触しないように、適宜設定されている。例えば、第２の電極部材５ｂとゲル部材３との間隔は、一対の電極部材５に電圧が印加されていない状態で、１００〜５００μｍであることが好ましい。かかる間隔が１００〜５００μｍであることによって、アクチュエータ１の応答速度、発生力をより大きくすることができるという利点がある。
【００４０】
一対の電極部材５には、直流電圧または交流電圧が印加されるようになっている。前記直流電圧は、例えば１００〜６００Ｖ、より好ましくは４００〜６００Ｖに設定されることができる。また、前記交流電圧の電圧は、例えば１００〜６００Ｖ、より好ましくは４００〜６００Ｖ、周波数は、例えば０を超えて１ｋＨｚ以下、より好ましくは０Ｈｚを超えて２００Ｈｚ以下が好ましく、２０Ｈｚを超えて２００Ｈｚ以下がより好ましい。このように、比較的低い電圧、すなわち駆動電圧で、ゲル部材３を振動させて、ゲルアクチュエータ１を駆動させることができる。なお、直流電圧を印加する場合には、印加と印加停止とを繰り返すことにより、ゲル部材３を振動させることができる。
【００４１】
かかるゲルアクチュエータ１は、例えば一対の電極部材５に交流電圧が印加されることにより、図４に示すように、第１のゲルシート３ａ内のイオン（例えばＰＶＣの場合には塩化物イオンＣｌ-）が、第２の電極部材５ｂに引き付けられ、この状態でさらに、第２の電極部材５ｂに対してさらに引き付けられる方向と離間する方向との移動を繰り返すようになっている。これにより、第１のゲルシート３ａは、該第１のゲルシート３ａの垂直方向に振動する。また、一対の電極部材５を、三相電極とすることもでき、これにより、第１のゲルシート３ａを、正弦波状に振動させることができる。
【００４２】
本実施形態のゲルアクチュエータ１によれば、一対の電極部材５が互いに電気的に接続されておらず、しかも、ゲル部材３と第２の電極部材５ｂとが接触しても放電しないことから、フレキシブル静電アクチュエータのように絶縁液に浸漬させる構成を採用する必要がない。
【００４３】
次に、本発明の第２実施形態のゲルアクチュエータについて説明する。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明し、同じ説明を繰り返さない。
【００４４】
図６に示すように、本実施形態のゲルアクチュエータ１では、ゲル部材３が、第１のゲルシート３ａと、該第１のゲルシート３ａにおける前記一対の電極部材５と反対側に、第１のゲルシート３ａと部分的に間隔を空けて積層された、前記第１ゲルシート３ａよりも硬い第２のゲルシート（第２のゲル部材）３ｂとを有している。また、第２のゲルシート３ｂは、突起部３ｂａを有している。
【００４５】
第２のゲルシート３ｂは、第１のゲルシート３ａよりも硬い、すなわち、第２のゲルシート３ｂのヤング率は、第１のゲルシート３ａのヤング率も大きくなっている。例えば、上記のように、第１のゲルシート３ａのヤング率が、１〜９０ｋＰａである場合には、第２のゲルシート３ｂのヤング率は、２０〜２００ｋＰａであることが好ましい。このように、ヤング率が２０〜２００ｋＰａであることによって、第１のゲルシート３ａを支持するに十分であるという利点がある。
【００４６】
また、第２のゲルシート３ｂの厚み（突起部３ｂａの無い部位の厚み）は、１００〜５００μｍであることが好ましい。第２のゲルシート３ｂの厚みが１００〜５００μｍであることによって、比較的作製が容易であり、また、該第２のゲルシート３ｂが振動し易くなって、その変化量を大きくできるという利点がある。
【００４７】
また、第１のゲルシート３ａと間隔を空けて第２のゲルシート３ｂが積層されるように、第２のゲルシート３ｂが、第１のゲルシート３ａと当接する突起部３ｂａを有している。この突起部３ｂａは、第１のゲルシート３ａにおける振動可能な部位の第２の電極部材５ｂはと反対の側に当接している。すなわち、第２のゲルシート３ｂは、第１のゲルシート３ａにおける第２の電極部材５ｂとの隙間がある部位における隙間のある側とは反対の側に当接している。また、突起部３ｂａは、一対の電極部材５に交流電圧を印加したとき、第１のゲルシート３ａを第２の電極部材５ｂ側に押圧するようになっている。本実施形態では、突起部３ｂａを有することによって、第１のゲルシート３ａと部分的に間隔が空けて配されている。
【００４８】
このように間隔が空けられていることによって、第１のゲルシート３ａの振動を阻害せず、より大きく発生させることができるため、ゲル部材３全体の変形量をより大きくすることができる。かかる間隔は、１００〜５００μｍであることが好ましい。かかる間隔がこの範囲であることによって、比較的作製が容易であり，ゲルシート３ａの変形を阻害しないという利点がある。
なお、本発明においては、第１のゲルシート３ａと第２のゲルシート３ｂとの間に、別部材を介在させることによって、第２のゲルシート３ｂが第１のゲルシート３ａと部分的に間隔を空けて積層されたように構成されていてもよい。
【００４９】
本実施形態によれば、一対の電極部材５に交流電圧を印加すると、図６に示すように、第１のゲルシート３ａと共に第２のゲルシート３ｂが振動する。また、第２のゲルシート３ｂの剛性が比較的高いため、該第２のゲルシート３ｂを土台部分として用いつつ、ゲルアクチュエータ１は、一対の電極部材５、第１のゲルシート３ａ及び第２のゲルシート３ｂが繰り返し積層されてなる積層構造を有する構成とすることが可能となる。
【００５０】
次に、本発明の第３実施形態のゲルアクチュエータについて説明する。本実施形態では、第１及び第２実施形態と異なる部分についてのみ説明し、同じ説明を繰り返さない。
【００５１】
図７に示すように、本実施形態のゲルアクチュエータ１では、第１の電極部材５ａが複数の開口部５ａａを有する格子状に形成されており、第２の電極部材５ｂは、複数設けられ、且つ、該複数の第２の電極部材５ｂは、前記開口部５ａａ内にそれぞれ配されている。
【００５２】
本実施形態のゲルアクチュエータ１によれば、ゲル部材３が、より複雑な振動パターンを形成すること、例えば、ゲル部材３の表面部分に進行波を発生させることが可能となる。
【００５３】
なお、上記第３実施形態では、第１の電極部材５ａが複数の開口部を有する格子状に形成され、第２の電極部材５ｂが、前記開口部内に配された構成を採用するが、その他、かかる構成とは逆に、第２の電極部材５ｂが複数の開口部を有する格子状に形成され、第１の電極部材５ａが、前記開口部に配された構成を採用する態様も挙げられる。この構成では、第２の電極部材５ｂの格子間を通って突出している第１の電極部材５ａによってゲル部材３が支持されることとなる。
【００５４】
また、上記実施形態では、一対の電極部材に電圧を印加したときに、ゲル部材が第２の電極部材に接触しないような構成を採用したが、その他、上記電圧を印加したときに、ゲル部材が第２の電極部材に接触するような構成を採用してもよい。
例えば、図８に部分的に示すように、第２の電極部材５ｂが、複数の開口部を有する格子状に形成され、一対の電極部材５に電圧を印加したとき、ゲル部材３（図８では第１のゲルシート３ａ）を前記開口部に入り込ませるような構成を採用することもできる。この場合、上記とは異なり、第２の電極部材５ｂの格子間に第１の電極部材５ａが配されていない。
かかる構成によれば、一対の電極部材５に電圧を印加したとき、ゲル部材３が第２の電極部材５ｂに衝突し、ゲル部材３の一部が格子内に入り込むため、その分、ゲル部材３の振動の振幅を大きくすることができる。また、格子内に入り込んだゲル部材３を一時的に保持することができる、すなわち、変形状態を保持する保持力を発揮し得る。
【００５５】
上記した実施形態に例示された本発明のゲルアクチュエータは、小型ポンプ、タッチパネル、細経管内探査用小型ロボット等を駆動させるアクチュエータとして適用することができる。
【００５６】
上記したように、本実施形態のゲルアクチュエータ１は、誘電性高分子材料を用いて形成された振動可能なゲル部材３と、前記ゲル部材３を振動させるためのものであって互いに電気的に接続されていない一対の電極部材５とを備えたゲルアクチュエータ１であって、前記一対の電極部材５は、前記ゲル部材３に対して同じ側に配され、前記一対の電極部材５のうち第１の電極部材５ａは、前記ゲル部材と当接してこれを支持しており、第２の電極部材５ｂは、前記一対の電極部材に電圧が印加されていないとき、前記ゲル部材３と非接触に配されている。
【００５７】
かかる構成によれば、ゲル部材３に対して一対の電極部材５を同じ側に配し、該一対の電極部材５のうち第１の電極部材５ａによってゲル部材３を支持し、第２の電極部材５ｂをゲル部材３と上記非接触に配することによって、フレキシブル静電アクチュエータのように絶縁液に浸漬させる構成を採用する必要がない。
また、一対の電極部材５に電圧を印加したときにおいても、ゲル部材３が第２の電極部材５ｂと非接触であるような構成を採用した場合には、ゲル部材３を支持するためのゲル部材３を第２の電極部材５ｂと衝突することなく振動させることができるため、比較的低い駆動電圧でゲル部材を振動させることができ、しかも、その振動の周波数を高くすることができ、且つ、振動によるゲル部材の変形量を大きくすることができる。
さらに、一対の電極部材５に電圧を印加したときに、ゲル部材３が第２の電極部材５ｂと接触するような構成を採用した場合であっても、第２の電極部材５ｂと反対の側においては、ゲル部材３を第２の電極部材５ｂと衝突することなく振動させることができるため、比較的低い駆動電圧でゲル部材３を振動させることができ、しかも、その振動の周波数及びゲル部材３の変形量を大きくすることができる。
加えて、ゲル部材３に対して一対の電極部５を互いに反対側に配しつつ第２の電極部材５ｂを離間させる場合と比較して、作製が容易となるのに加え、ゲル部材３と第２の電極部材５ｂとの間隔を精度良く設定し易くなる。
従って、比較的簡単な構成で、比較的低い駆動電圧で駆動させることができ、応答性及び発生力に優れたゲルアクチュエータ１を提供することができる。
【００５８】
前記ゲルアクチュエータ１においては、前記ゲル部材３は、第１のゲル部材（ゲルシート）３ａと、該第１のゲル部材３ａにおける前記一対の電極部材５と反対側に、前記第１のゲル部材３ａと部分的に間隔を空けて積層された、前記第１のゲル部材３ａよりも硬い第２のゲル部材３ｂとを有することが好ましい。
【００５９】
かかる構成によれば、第２のゲル部材３ｂの剛性が比較的高いため、ゲルアクチュエータ１が、第２のゲル部材３ｂが土台部分として用いられつつ、一対の電極部材５、第１のゲル部材３ａ及び第２のゲル部材３ｂが繰り返し積層されてなる積層構造を有するような構成とすることが可能となる。これにより、ゲル部材３全体の変形量をより大きくすることが可能となり、より広範な用途に適用され得る。
【００６０】
前記ゲルアクチュエータ１においては、前記第１の電極部材５ａは、格子状に形成され、前記第２の電極部材５ｂは、前記格子間に配されたことが好ましい。かかる構成によれば、ゲル部材３が、より複雑な振動パターンを形成することが可能となるため、より広範な用途に適用され得る。
【００６１】
また、前記ゲルアクチュエータ１においては、前記誘電性高分子材料は、ポリ塩化ビニルであることが好ましい。かかる構成によれば、ゲル部材３がより作製し易くなり、且つ、ゲル部材３がより機械的、化学的に安定したものとなる。
【００６２】
本発明に係るゲルアクチュエータは、上記実施形態の構成に限定されるものではない。また、本発明に係るゲルアクチュエータの作用効果は、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明に係るゲルアクチュエータは、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【実施例】
【００６３】
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明についてさらに具体的に説明する。
【００６４】
＜実施例１＞
図３に示すように、誘電性高分子材料としてのＰＶＣ粉末と可塑剤としてのＤＢＡを、１質量部：５質量部の配合量で、有機溶媒としてのＴＨＦに溶解させた。得られた溶解液をシャーレに入れ、乾燥することによって、厚み５００μｍのゲルシートを作製した。かかるゲルシートのヤング率を、テック技研社製マイクロ材料試験器によって測定したところ、２５ｋＰａであった。
一方、厚み１０００μｍであるコ字形状の銅製の第１の電極部材（接地電極用）と、該電極部材の凹み部分に配置された厚み５００μｍである矩形状の銅製の第２の電極部材（駆動電極用）とで一対の電極部材を構成した。この一対の電極部材を、土台部としてのガラス板上に載置し、載置した一対の電極部材のうち、第１の電極部材上に、上記で作製したゲルシートを載置して、図９に示すようなゲルアクチュエータを作製した。このアクチュエータにおいてゲルシートと第２の電極部材との間隔は５００μｍであった。かかるゲルアクチュエータを、図９に示すような実験用治具で挟持して固定し、ゲルシートの振動を評価するための実験を行った。
【００６５】
そして、一対の電極部材に、５００Ｖの交流電圧を印加して、このときの、ゲルシートの周波数と最大変位及び両振幅（変形量）との関係を調べた。結果を図１０に示す。図１０に示すように、交流電圧の印加によって、ゲルシートは、７５μｍだけ駆動電極用の電極部材に引き寄せられ、この状態から（この位置を中心として）、さらに両側３５μｍの振幅（両振幅）で振動した。電圧の周波数は、ゲル部材の周波数に対応しており、この振動の周波数は、１５７Ｈｚであった。
なお、図１０に示す最大変位は、ゲル部材における電圧が印加されていない状態での位置と、電圧印加後、振動時における振幅の下限の位置との差を表す。
＜実施例２＞
図５及び図６に示すのと同様の、ゲルアクチュエータを、下記のようにして作製した。
すなわち、上記実施例１と同様にして、厚みが５００μｍ、ヤング率が２５ｋＰａである矩形状の第１のゲルシートを作製した。
また、ＰＶＣとＤＢＡの質量部を１：３．３とすること以外は実施例１と同様にして、ＰＶＣ粉末とＤＢＡをＴＨＦに溶解させた。得られた溶液を、上記第２実施形態の第２のゲルシート３ｂ（図５参照）と同様の形状を形成するための型枠に入れ、乾燥することによって、第２のゲルシートを作製した。かかる第２のゲルシートにおける突起部が無い部分の厚みは１０００μｍ、突起部の突出長さは５００μｍ、ヤング率は１２５ｋＰａであった。
さらに、厚みが３００μｍである櫛形状の銅製の第１の電極部材（接地用電極）と、厚みが１００μｍである櫛形状の銅製の第２の電極部材（駆動用電極）とで一対の電極部材を構成した。これらの厚みの差により、ゲル部材と第２の電極部材との間隔を２００μｍに設定した。
この一対の電極部材を、土台部としてのガラス板上に載置し、載置した一対の電極部材のうち、第１の電極部材上に、第１のゲルシート、第２のゲルシートをこの順に積層し、更に、該第２のゲルシートの上に、一対の電極部材、第１のゲルシート、第２のゲルシートの順に積層して、ゲルアクチュエータを作製した。
そして、一対の電極部材に、５００Ｖの電圧を印加して、ゲル部材の周波数特性を調べた。この結果、直流電圧では、ゲル部材の振動における最大変位は４５μmであった。また、交流電圧では、周波数は１６０Ｈｚのとき、両振幅は６２．５μm，最大変位は８７．５μmであった。
【００６６】
＜比較例１＞
上記実施例１と同様にして、厚さ６００μmのゲルシートを作製した。このゲルシートのヤング率は、２５ｋＰａであった。
また、アルミ板から形成された第１の電極部材（接地用電極）とステンレス製の格子状の第２の電極部材（駆動用電極、空隙：６４０μm，ワイヤ幅：１８０μm）とで一対の電極部材を構成した。この一対の電極部材のうち、第１の電極部材の上にゲルシートを載置し、該ゲルシートの上に第２の電極部材を載置し、ゲルシートを一対の電極部材で反対側から挟むことによって、ゲルアクチュエータを作製した。
そして、一対の電極部材に電圧を印加して、ゲル部材の最大変位を測定した。結果を図１１に示す。この結果、４００Ｖの直流電圧を印加したところ、最大変位は７３μｍであった。また、４００Ｖの交流電圧を印加し、両振幅の周波数特性を測定したところ、１０Ｈｚで３７μｍ、また、１００Ｈｚで０．９２μｍであった。
【００６７】
上記の結果、実施例１、２の方は、比較例１よりも、高い周波数において変位が大きいため、応答性、発生力に優れていることがわかった。
【符号の説明】
【００６８】
１：ゲルアクチュエータ、３：ゲル部材、３ａ：第１のゲル部材、３ｂ：第２のゲル部材、５：一対の電極部材、５ａ：第１の電極部材、５ｂ：第２の電極部材、９：土台部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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