(57)【要約】【課題】運動性に優れ、かつデバイスの強度が高く、大きなストロークで運動させることができるアクチュエータデバイスを提供する。また、上記の機能に加え、軽量でシンプルな構造とすることができ、低電圧で作動しエネルギー消費を抑えることができるアクチュエータデバイスを提供する。【解決手段】中心電極層の両側に電解質膜層を設け、さらに該電解質膜層の外側にそれぞれ外側電極層を設けたアクチュエータデバイスであって、該デバイスは互いに隣りあうように連なって配置された複数の屈曲部に区分され、この複数の屈曲部は前記中心電極層及び外側電極層に電圧を印加したときに互いに隣り合う屈曲部どうし反対方向に屈曲するアクチュエータデバイス。【選択図】図１
2009055717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心電極層の両側に電解質膜層を設け、さらに該電解質膜層の外側にそれぞれ外側電極層を設けたアクチュエータデバイスであって、該デバイスは互いに隣りあうように連なって配置された複数の屈曲部に区分され、この複数の屈曲部は前記中心電極層及び外側電極層に電圧を印加したときに互いに隣り合う屈曲部どうし反対方向に屈曲することを特徴とするアクチュエータデバイス。
【請求項２】
前記互いに隣りあうように連なって配置されたアクチュエータデバイスの屈曲部に電圧を印加したときの前記電解質膜層の屈曲作用部が、互いに隣り合う屈曲部において、前記中心電極層のそれぞれ反対の面側に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デバイス。
【請求項３】
前記電解質膜層及び外側電極層はいずれも前記中心電極層の両側で前記複数の屈曲部に亙りデバイス長手方向に連続して積層配設されており、前記外側電極層は隣接する屈曲部ごとに交互に広幅部と狭幅部とを有し、かつ、前記外側電極層の広幅部もしくは狭幅部どうしが前記中心電極層を挟んで該中心電極の反対の面側に位置する外側電極と、互いに実質的に重ならないことを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項４】
前記電解質膜層及び前記外側電極層はいずれも前記中心電極層の両側で前記複数の屈曲部に亙りデバイス長手方向に連続して積層配設されており、前記外側電極層は隣接する屈曲部ごとに交互に層厚部と層薄部とを有し、かつ、前記外側電極層の層厚部もしくは層薄部どうしが前記中心電極層を挟んで該中心電極の反対の面側に位置する外側電極と、互いに実質的に重ならないことを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項５】
前記各屈曲部に配置され、前記中心電極を挟んで反対面側に位置する外側電極は、一方が膨張し、他方が収縮することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータデバイスが屈曲して屈曲運動する場合に、前記中心電極層が屈曲運動して形成される屈曲図形の中心線となることを特徴とするアクチュエータデバイス。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータデバイスを、面状のアクチュエータ構造体とするか、あるいは３次元的に組み合わせた円筒状のアクチュエータ構造体又は円盤状のアクチュエータ構造体としたことを特徴とするアクチュエータ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエータデバイス及びアクチュエータ構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
特定のイオン導電性高分子は、電圧を印加した際に、内部のイオンや溶媒が電場に応答して移動し、部分的に体積変動を生じて、相当程度収縮・膨張して変形することが知られている。例えば図７に示すように、高分子電解質膜７１に電極７２および７３を接合し、電圧を印加すると電極や電解質が若干収縮・膨張して凹形状になって曲がる。電極あるいは電解質のいずれが体積変動するかは、材料の選定による。そして、上述の高分子膜等を用いて屈曲する素子とすることが提案されている（特許文献１〜５、非特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、低電圧で駆動し、高機能なソフトアクチュエータが望まれている。これにより、例えば人体やその各器官に直接触れる手術デバイス及び福祉機器をはじめ、パーソナルロボットの人工筋肉とすることが期待されている。こうした要求に応えるためには、十分な強度を維持しながら大きく屈曲し、できれば生物的に多様に柔らかく動作するものが望まれる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３５０６４号公報
【特許文献２】特開２００４−３１４２１９号公報
【特許文献３】特開２００６−２８８０４０号公報
【特許文献４】特開２００７−１２６６２４号公報
【特許文献５】特開２００７−１１８１５９号公報
【非特許文献１】Boyko L. Stoimenovら, Proceedings of SPIE,vol.6524, EDPAD 2007,Yoseph Bar-Cohen, Editor, 65240T,http://www.bmc.riken.jp/~stoimenov/research/papers/2007EAPAD‐web‐IPMCComplexCurves.pdf
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、運動性に優れ、かつデバイスの強度が高く、大きなストロークで運動させることができるアクチュエータデバイスの提供を目的とする。また、本発明は、上記の機能に加え、軽量でシンプルな構造とすることができ、低電圧で作動しエネルギー消費を抑えることができるアクチュエータデバイスの提供を目的とする。さらにまた本発明は、上述の優れた性能を維持し、電極のバリの発生等による電極間のショートを抑えることができ、高効率及び高精度での大量生産にも好適に対応しうるアクチュエータデバイスの提供を目的とする。さらに上述のような優れた性能を有するアクチュエータデバイスを組み合わせてなした、複雑かつ多様な運動ないし力強い運動をさせることができるアクチュエータ構造体の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題は以下の手段により達成された。
（１）中心電極層の両側に電解質膜層を設け、さらに該電解質膜層の外側にそれぞれ外側電極層を設けたアクチュエータデバイスであって、該デバイスは互いに隣りあうように連なって配置された複数の屈曲部に区分され、この複数の屈曲部は前記中心電極層及び外側電極層に電圧を印加したときに互いに隣り合う屈曲部どうし反対方向に屈曲することを特徴とするアクチュエータデバイス。
（２）前記互いに隣りあうように連なって配置されたアクチュエータデバイスの屈曲部に電圧を印加したときの前記電解質膜層の屈曲作用部が、互いに隣り合う屈曲部において、前記中心電極層のそれぞれ反対の面側にあることを特徴とする（１）に記載のアクチュエータデバイス。
（３）前記電解質膜層及び外側電極層はいずれも前記中心電極層の両側で前記複数の屈曲部に亙りデバイス長手方向に連続して積層配設されており、前記外側電極層は隣接する屈曲部ごとに交互に広幅部と狭幅部とを有し、かつ、前記外側電極層の広幅部もしくは狭幅部どうしが前記中心電極層を挟んで該中心電極の反対の面側に位置する外側電極と、互いに実質的に重ならないことを特徴とする（１）又は（２）に記載のアクチュエータデバイス。
（４）前記電解質膜層及び前記外側電極層はいずれも前記中心電極層の両側で前記複数の屈曲部に亙りデバイス長手方向に連続して積層配設されており、前記外側電極層は隣接する屈曲部ごとに交互に層厚部と層薄部とを有し、かつ、前記外側電極層の層厚部もしくは層薄部どうしが前記中心電極層を挟んで該中心電極の反対の面側に位置する外側電極と、互いに実質的に重ならないことを特徴とする（１）又は（２）に記載のアクチュエータデバイス。
（５）前記各屈曲部に配置され、前記中心電極を挟んで反対面側に位置する外側電極は、一方が膨張し、他方が収縮することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載のアクチュエータデバイス。
（６）（１）〜（５）のいずれか１項に記載のアクチュエータデバイスが屈曲して屈曲運動する場合に、前記中心電極層が屈曲運動して形成される屈曲図形の中心線となることを特徴とするアクチュエータデバイス。
（７）（１）〜（６）のいずれか１項に記載のアクチュエータデバイスを、面状のアクチュエータ構造体とするか、あるいは３次元的に組み合わせた円筒状のアクチュエータ構造体又は円盤状のアクチュエータ構造体としたことを特徴とするアクチュエータ構造体。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のアクチュエータデバイスは、複数の屈曲部を所望の曲率にして屈曲運動させることができ運動性に優れ、大きなストロークで運動させることができ、そのときにもデバイスの強度が高く負荷のかかる運動や長時間の動作においても破損しにくいという優れた作用効果を奏する。また、本発明のアクチュエータデバイスは、上記の性能を維持しながら、軽量でシンプルな構造とすることができ、低電圧で作動させエネルギー消費を抑えることができる。また本発明のアクチュエータデバイスは、上述の優れた機能を維持し、電極のバリの発生等による電極間のショートを抑え、効率かつ精度良く製造するこができ、デバイスの大量生産に対応しうる。さらに上述のような優れた性能を有するアクチュエータデバイスを組み合わせてなした本発明のアクチュエータ構造体は、複雑かつ多様な運動ないし力強い運動をさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明のアクチュエータデバイスの一実施形態（実施形態１）における要部を模式的に示す分解斜視図である。本実施形態１のアクチュエータデバイス１０においては、中心電極層３を中心にして、その両側に電解質膜層２（上側電解質膜層２ａ、下側電解質膜層２ｂ）が配設され、さらにその両側に外側電極層１（上側電極層１ａ、下側電極層１ｂ）が配設されている。ここで、中心電極層３と電解質膜層２との間には、さらに別の機能性の層を設けてもよいが、中心電極層３から電解質膜層２に電圧が直接印加されるよう、本実施形態１のように両者が接するように配設することが好ましい。また、電解質膜層２及び外側電極層１についても同様であり、両者の間に別の層を設けてもよいが、両層が互いに接するように配設することが好ましい。
【０００９】
本実施形態１のデバイス１０においては、外側電極層１において、広幅部１ｓと狭幅部１ｔとが交互に配されるように形成されている。このとき、広幅部１ｓはその下層の電解質膜層２と略同等の幅（Ｙ方向）にされ、狭幅部１ｔはこれよりも狭くされている。そして、上側電極層１ａの広幅部１ｓないし狭幅部１ｔが、外側電極層１ｂの広幅部１ｓないし狭幅部１ｔと、中心電極層３を挟んで実質的に重ならないようにされている。
本発明において、外側電極層の特定の部分が中心電極層を挟んで（介して）重ならないとは、中心電極層に直交する方向に両側の外側電極層を投影し重ねたときの投影像において、前記特定の部分が重ならない関係にあることをいう。中心電極層を挟むように配置された外側電極層が実質的に重らないというときには、デバイスの良好な屈曲運動性が維持される範囲で、大部分が重なっていないが、一部に重なっている部分があってもよいことを意味する。中心電極層を挟むように配置された外側電極層の対向する電極の大部分が重なっていなければ、一部分に対向する外側電極の一方の電極に重なる部分があっても、両方の電極に重なる部分があっても、デバイスの屈曲運動が担保されれば良いことになる。
【００１０】
本実施形態１においては、上述した外側電極層１の広幅部１ｓ及び狭幅部１ｔの各領域ごとに、デバイス１０内の長手方向において区分された屈曲部ｕ１、ｕ２、ｕ３、ｕ４．．．が構成される。そして、中心電極層３及び外側電極層１にそれぞれ反対極性の電圧を印加することにより、上記の各屈曲部が互いに隣接する屈曲部どうし反対方向に屈曲して、デバイス１０全体としては波打つようにして屈曲運動する（図２）。ここで屈曲部が互いに反対方向に屈曲するとは屈曲形状における凸凹が反転することをいう。換言すると、隣接する屈曲部どうしで互いに曲率が反転していることをいい、その曲率の大きさは屈曲部ごとに同じであっても違っていてもよい。なお、本発明において屈曲運動とは、複数の屈曲部がその隣接する屈曲部において反対方向に屈曲する連続的な屈曲変形をいい、素子内で１か所しか変曲点を有さない単なる屈曲と区別される。
【００１１】
本実施形態１のアクチュエータデバイス１０において、デバイスの幅（Ｙ方向）は特に限定されないが、小型デバイスとする場合には１〜１０ｍｍ程度とすることが実際的であり、大型デバイスとするときには１０〜１００ｍｍ程度が実際的である。外側電極層の広幅部１ｓと狭幅部１ｔとの幅（Y方向）の比（［狭幅部１ｔの幅］／［広幅部１ｓの幅］）は特に限定されないが、各屈曲部ｕにおける良好な屈曲運動を考慮すると、この比を１：２〜１：１００程度とすることが好ましく、１：５〜１:１０程度とすることがより好ましい。
【００１２】
本実施形態１における屈曲運動について更に詳しく説明する。図２は、図１に示したデバイス１０について屈曲運動させたときの形態を模式的に示した斜視図である。本実施形態１のデバイスは、上述のように、中心電極層３と外側電極層１に電圧を印加することにより、屈曲部ｕごとに長手方向（Ｘ方向）に波打つようにして屈曲運動する。ここで電極層及び電解質膜層の具体例についていえば、後述するような、電極層１及び３をカーボンナノファイバーからなる板上電極層とし、電解質膜層３を高分子電解質膜（カチオン交換樹脂膜）とする態様が挙げられる。なお、図は直板状であるが、本発明は直板状に限らない。予め、例えば、凸形状、凹形状、凹凸形状などに変形させておいても良い。直板状の素子は正の電圧を印加した際と負の電圧を印加した際とで、反対の方向に湾曲するため、正弦波の電圧を印加した際には、振り子のように運動する。この際に、予め素子を変形させておくことにより、振り子の移動到達点を変化させることが可能である。複数素子を連結させた際にも、各素子を予め変形させておくことにより、全体の変形量を調整することが可能となる。また、駆動素子を他の基材と接合しても良い。他の基材としては、ゲル材やゴム材などのソフトマテリアルが望ましい。
【００１３】
この具体例の構成において酸性高分子電解質膜２は正極（＋）に凹になるように曲がろうとする。とすると、中心電極層３に負電圧（−）を印加し、両側の外側電極層１に正電圧（＋）を印加すると、電解質膜２には一様に両方の外側に向けて凹になろうとする力が生じる。ただし本実施形態１のデバイスにおいては、先に述べたように外側電極層に広幅部１ｓと狭幅部１ｔとが交互に設けられている。このため、外側電極層１の広幅部１ｓに対応する電解質膜２の部分すなわち屈曲作用部２ｓに広い面積で正電圧が供給される。これにより、イオンやイオンに親和した溶媒が移動し、屈曲作用部に強い屈曲力が付与される。これに対し、狭幅部１ｔに対応する電解質膜２の屈曲非作用部２ｔには狭い範囲でしか電圧が印加されず、弱い屈曲力しか付与されない。この結果として、上記屈曲作用部２ｓ側の屈曲力が屈曲非作用部２ｔの屈曲力に打ち勝ち、外側電極層の広幅部１ｓにおいてより優先的に凹形状に変形しようとする力がデバイス内に発生する。このように、互いに逆の外側方向（Ｚ方向）に曲がる屈曲作用部２ｓないし広幅部１ｓが中心電極層を挟んで、互いに隣接する屈曲部どうしにおいて反対側に配されている。これにより上述したように長手方向に広く波打つような良好な屈曲運動が実現される。なお、図は広幅部１ｓと狭幅部１ｔとが同じ長さであるが、広幅部１ｓと狭幅部１ｔとは同一の長さでなくとも良い。また、剛性に差異が生じており、外力が加わった際に座屈や湾曲する位置を規定することが可能となる。例えば、電圧を印加していない状態で、予め応力を加えておくことで剛性が弱い位置で選択的に座屈させておき、電圧を印加させ全体を駆動することでより複雑な屈曲運動が実現されることとなる。
【００１４】
ここで、本実施形態１のアクチュエータデバイス１０においては、各屈曲部の屈曲変形力がデバイス内で高まり、大きなストロークで強く屈曲運動しうる。ここで、ストロークとは屈曲による振幅方向（Ｚ方向）の変位の大きさと、屈曲運動によるデバイス長手方向の伸縮方向（Ｘ方向）の変位の大きさとの両方を意味する。X軸とZ軸とでいずれの変形量が大きくなるかは曲率や変形部の長さによって変動する。ここで、実際に本発明にかかる素子を利用する際には、保持具などで固定する。また、簡便な機構のクリップ状の保持具を用いた場合、固定部に素子全体の回転を阻害され、また固定部において素子の向きが一方向に規定される。このような場合、素子の一部の曲率を変化させることで全体の変形量が増大することがある。回転の阻害部は、保持具によるもののみならず、複数の素子を連結させた部位にも発生することがある。このような場合にも、素子の一部の曲率を変化させることで全体の変形量が増大することがある。
【００１５】
本実施形態１のアクチュエータデバイス１０は、上述のように芯となる中心電極層３を有する。したがって、アクチュエータデバイスが屈曲して屈曲運動する場合に、前記中心電極層が屈曲運動して形成される屈曲図形の中心線となるが、これは各屈曲部の前記中心電極を挟んで反対面側に位置する外側電極は、一方が膨張し、他方が収縮するのに対して、中心電極はその中間にあるからである。このため、上述したような大きなストロークで波打つような屈曲運動をさせたときにも上記の中心電極層３が背骨のように働き、高い耐久性を示し形状的に安定した動作が維持される。例えば、後述するようにアクチュエータデバイスを連結して大型のアクチュエータ構造体を構成して様々に変形させ複雑な運動をさせたときにも、芯をなす中心電極層がデバイスを強固に支え長時間耐久性を示し、しかも脊椎動物のようにしなやかかつ俊敏に応答して安定した運動性能を発揮しうる。
【００１６】
また、本実施形態１のアクチュエータデバイス１０は極めてシンプルな積層構造の膨張率の異なる複数の電極を備えているデバイスであるため、工業的な規模で大量に生産する際や、後述するような複雑にデバイスを集積してアクチュエータ構造体とするときにも、効率的にしかも寸法精度良く作製することができる。例えば、電極間をつなぐ微細なリード線や電解質膜に孔を穿けて電気的接続をとる構造などでは、複雑になりすぎ生産効率が十分ではないことがある。また成形しうるデバイス形状も非常に限定されてしまう。さらには不用意に電極間がショートしてしまい運動を長時間継続できなくなることもある。
これに対し、本実施形態１のアクチュエータデバイス１０は上述のような不具合なく、良好な生産性を実現することができ、また集積化による設計自由度が高い。さらに、電極を過度に複雑に切り込むなどの加工も必要とせず、バリの発生等による電極間のショートの問題も解決しうる。さらにまた、中心電極層３を基体とした安定した製造態様が可能となる。つまり、最初に形状的に安定な中心電極層３を作製しておき、そこにより柔らかな電解質層を塗布・乾燥し、これを外側電極層１で挟みこむという、製造工程が可能になる。これにより形状的に安定した状態が工程を通じて維持され中間製品の取り扱い性が極めて高く、高品質化しうる製造工程を実現することができる。
【００１７】
本実施形態１のデバイス１０において、電極層１及び３の厚さは特に限定されないが、後述するカーボンファイバーからなる板状電極層とする場合、例えば１０〜１０００μｍとすることが好ましく、１００〜５００μｍとすることがより好ましい。電解質膜層２の厚さはとくに限定されず、後述する電解質膜等を用いるような場合、例えば１〜１００μｍとすることが好ましく、１０〜５０μｍとすることがより好ましい。本実施形態１のデバイス１０においては、外側電極層１の広幅部１ｓと狭幅部１ｔとがデバイス長手方向（Ｘ方向）において同じ長さで交互に配設されている。しかし、この広幅部１ｓと狭幅部１ｔとの長さは特に限定されず、本実施形態と異なる形態、すなわち広幅部１ｓと狭幅部１ｔの長さを適宜に異なるものとしてもよい。換言すると、求められるデバイスの運動形態に合せて広幅部１ｓの幅及び長さ、さらに狭幅部１ｔの幅及び長さを調節することが好ましい。波長の短い小刻みな屈曲運動をさせるようなときには、例えば広幅部１ｓもしくは狭幅部１ｔの長さを１〜１０ｍｍとすることが好ましい。波長の長い大きくうねる屈曲運動をさせるようなときには、例えば広幅部１ｓもしくは狭幅部１ｔの長さを１０〜１００ｍｍとすることが好ましい。
【００１８】
本実施形態１のデバイス１０においては、例えば１０ｍｍの長さのアクチュエータの一端を固定して、振り子のように揺れる他端の移動量をストロークと規定した際に、例えば大きなストロークのデバイスとするようなときには、左右に６ｍｍ以上振れることが望ましい。
【００１９】
図３は、本発明のアクチュエータデバイスの別の実施形態（実施形態２）における要部を模式的に示す分解斜視図である。本実施形態２において、中心電極層３及び電解質膜層２の形状及び配置は上記本実施形態１と同様である。本実施形態２においては、外側電極の形状が本実施形態１とは異なるものとされている。具体的には、図３に示したように、外側電極層１に電極層の厚さを厚くした厚部１ｅと、これを薄くした薄部１ｇとを長手方向（Ｘ方向）に交互に配設している。そして、中心電極層３を挟んで、上側電極層１ａの厚部１ｅないし薄部１ｇと、下側電極層１ｂの厚部１ｅないし薄部１ｇとが互いに実質的に重ならないようにされている。一般に電極層の厚い素子は、電極層の薄い素子よりも発生力が大きい。ここで外側電極層と中心電極層とに異なる極性の電圧を印加したとき、外側電極層１の厚部１ｅと電極層２の薄部１gに対応する素子の変形は、厚部１eと中心電極部３との組み合わせによって発生する発生力と、薄部１ｇと中心電極部３との組み合わせによって発生する発生力との差分に応じて変形する。すなわち、厚部が薄部より発生力が大きいため、変形の方向は例えば薄部が凹に変形する場合、厚部が凸に変形し、これにより全体が波打つように変形する（厚部と薄部とにおける凹凸変形の方向は電圧の極性により反転させることができる。）。
【００２０】
本実施形態２のアクチュエータデバイス２０において、中心電極層３及び電解質膜層２の寸法の好ましい範囲は上述した本実施形態１におけるものと同様である。外側電極層１については、特に限定されないが、図示したもののように、その幅がデバイスの幅と同等であることが好ましい。外側電極層１の厚さについては、厚部１ｅと薄部１ｇとの厚さの比（［薄部の厚さ］／［厚部の厚さ］）が１/２から１/１０程度であることが好ましい。具体的な厚さについては特に限定されないが例えば厚部を１００μｍ〜４００μｍ程度とすることが実際的であり、薄部を５０μｍ〜１００μｍｍ程度とすることが実際的である。
【００２１】
図４は、本発明のアクチュエータデバイスのさらに別の実施形態（実施形態３）における要部を模式的に示す分解斜視図である。本実施形態３において、中心電極層３及び電解質膜層２の形状及び配置は上記本実施形態１と同様である。本実施形態２においては、外側電極層１に切込部１ｕを設け、この切込部１ｕと非切込部１ｗとが長手方向（Ｘ方向）に交合に配設されている。そして、中心電極層３を挟んで、上側電極層１ａの切込部１ｕないし非切込部１ｗと、下側電極層１ｂの切込部１ｕないし非切込部１ｗとが互いに実質的に重ならないようにされている。ここで外側電極と中心電極層とに異なる極性の電圧を印加したとき、デバイスが大きなストロークで屈曲運動をする作用については本実施形態１のときと同様である。すなわち、本実施形態３においては外側電極層１の非切込部１ｗに対応する電解質膜層２の屈曲作用部２ｓにおいて大きな屈曲力が発生し、一方薄部１ｕに対応する部分における屈曲非作用部２ｔの屈曲力は小さいものとなる。その結果、各屈曲部における屈曲方向が反転し、上述した本実施形態１と同様に、隣接する屈曲部どうしに生じる力が互いに作用しあってデバイス全体として大きなストロークの屈曲運動を実現する。
【００２２】
本実施形態３のアクチュエータデバイス３０において、中心電極層３及び電解質膜層２の寸法の好ましい範囲は上述した本実施形態１におけるものとほぼ同様である。また、外側電極層１の厚さ及び幅の好ましい範囲も実施形態１で述べたのと同様に考えて良く、その理由は切込部を形成する目的が周囲から絶縁され、電極としての機能を低下させた部位を形成することであるため、切込部の面積を必ずしも大きくすることはなく、電極の切込みが微少であっても、上記効果が多きければ良いことから、両者の比率は、実施形態１の場合とほぼ同様に考えても良いことになる。外側電極層１に切込部を形成する場合に、切込部１ｕにおいて切込本数、切込長さ等は特に限定されない。ここで、切込部１ｕの面積と非切込部１ｗとの面積の比（［切込部の面積］：［非切込部の面積］）は、本実施形態１と同様に１：２〜１：１００程度に設定することができ、この範囲に設定することが望ましい。なお、上記面積については本実施形態１における広幅部及び狭幅部においても対応し、好ましい範囲もそれぞれ上記非切込部及び切込部と同様である。
【００２３】
上記の電解質膜層に用いられる材料は特に限定されず、例えばイオン導電性高分子膜でよいが、なかでもイオン導電性高分子膜であることが好ましい。イオン導電性高分子膜をなす高分子電解質ゲルとしては、フッ素系イオン交換樹脂が挙げられ、例えば、ポリエチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基・カルボシル基などの親水性官能基を導入したものを用いることができる。このような樹脂としては、例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂（商品名「Ｎａｆｉｏｎ」、ＤｕＰｏｎｔ社製）、パーフルオロカルボン酸（商品名「フレミオン」、旭硝子社製）、ＡＣＩＰＬＥＸ（商品名：旭化成工業社製）、ＮＥＯＳＥＰＴＡ(商品名：トクヤマ社製)を用いることができる。容易に入手できる点では、ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎが好ましい。
【００２４】
またイオン交換樹脂として陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂のいずれも使用することができ、それらを組み合わせて用いてもよい。陽イオン交換樹脂としては、ポリスチレンスルホン酸、スルホン基やカルボキシル基をもつフッ素系イオン交換樹脂等が挙げられる。陰イオン交換樹脂としては、アンモニウム基を含んだフッ素系イオン交換樹脂等が挙げられる。
【００２５】
中心電極層及び外側電極層は導電性の材料であれば特に限定されないが、例えば下記のカーボンナノファイバーを用いたものが好ましい。具体的には、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）とイオン性液体（ＩＬ）を混合し、乳鉢を用いて練り合わせることにより、ゲル化させる。次いで、ＩＬが疎水性の場合には疎水性溶媒のみに、あるいは、ＩＬが親水性の場合には疎水性溶媒および親水性溶媒の混合溶媒に、ポリマー（例えば、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））とともにＣＮＦゲルを分散させて、電極層形成用分散液を調製することができる。
【００２６】
イオン性液体（ＩＬ）として具体的には、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ４）、ブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＢＭ
ＩＢＦ４）、４級アンモニウムカチオン・テトラフルオロボレート塩（広栄化学社製、Ａ
−３（商品名））、４級アンモニウムカチオン・（トリフルオロメタンスルホニル）イミド[(ＣＦ３ＳＯ２)２Ｎ−]塩（広栄化学社製、Ａ−４（商品名））が挙げられる。ここで、Ａ−３、Ａ−４のカチオンの構造は、[Ｎ(ＣＨ３)(ＣＨ３)(Ｃ２Ｈ５)(Ｃ２Ｈ４ＯＣ２Ｈ４ＯＣＨ３)]＋である。
【００２７】
カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）として具体的には、群栄化学株式会社製「ＡＣＮＦ
２５（商品名）」（比表面積２５００ｍ２／ｇ）が挙げられる。
【００２８】
上記材料によるデバイスの作製方法として具体的には、カーボンナノファイバー、イオン性液体、ポリマー、および溶媒からなる分散液、ならびに、イオン性液体、ポリマーおよび溶媒からなる溶液を、キャスト、塗布、印刷、押し出し、または射出し、乾燥して積層することにより、電極層およびイオン伝導層を形成することができる。さらに具体的に、例えば電極層、イオン伝導層、電極層の順に、キャストを行い、室温で一昼夜溶媒を乾燥させ、次いで、真空乾燥を行い、アクチュエータ素子を得ることができる。
【００２９】
図５は、図１に示したアクチュエータデバイスを組み合わせて構成したアクチュエータ構造体の一実施形態（面状アクチュエータ構造体）を模式的に示す正面図である。このアクチュエータ構造体５１においては、各デバイスの屈曲部が二次元的に接続され平板状に配列されている。このようにすることで、支持体５５ａおよび５５ｂを運動方向５２の方向に直動運動するだけではなく、運動方向５３に対しても直動運動するものである。さらには方向５２及び５３を組み合わせた複雑な運動をさせることもできる。また、その構造上、振幅の大きさを運動方向５２の方向に対してより大きくとることができ、方向５２において引く力より押す力を大きくすることができる。
【００３０】
このような面状アクチュエータ構造体は、例えば下記のようにして作製することができる。まず、面状の中心電極層の両面に高分子電解質層を設け、さらにその両面に外側電極層を設ける。この面状アクチュエータ素材の開口部５４に対応する部分に切れ目を網目状にいれることにより作製することができる。さらに、必要に応じて切れ目加工後のシートに、切れ目の部分が稜および谷となるように交互に折り畳んで折り目づけ加工をしてもよい。この折り目により、所望の方向にアクチュエータの屈曲部を屈曲させやすくなり、安定した運動性能を実現することができる。
【００３１】
図６は、上記の面状アクチュエータ構造体における領域ＶＩを拡大して示した正面図である。同図に示したとおり、このアクチュエータ構造体は、外側電極層１（上側電極層１ａ、下側電極層１ｂ）、電解質膜層２（上側電解質膜層２ａ、下側電解質膜層２ｂ）、及び中心電極層３を有する。そして、外側電極層と中心電極層とに互いに異なる極性の電圧が印加され、１つのデバイスの各屈曲部ｕ１，ｕ２，ｕ３．．．が互いに反対方向に屈曲した状態となっている。ここで、中央の屈曲部ｕ２についてみると、上側電極層１ａの方向に凹形状となるように各列の屈曲部ｕ２が屈曲している（同図では、図面上方から１列目、２列目、３列目、４列目の４列のアクチュエータデバイスが示されている。）。ここで、隣接する屈曲部列どうし（１列目と２列目、３列目と４列目）は、折り目ｐを介して互い逆方向（方向５２）に屈曲している。そして屈曲部ｕ２に隣接する屈曲部ｕ１，ｕ３は曲率が反転して逆方向に屈曲し、上記のデバイス列ごとの曲率の反転と相俟って、２次元的に広く網目状に開口部５４が開閉する面状アクチュエータ構造体（図５）が構成されている。
【００３２】
本発明のアクチュエータデバイスは、上述した面状アクチュエータ構造体以外にも、円筒状アクチュエータ構造体、円盤状膜積層型アクチュエータ構造体などに構成してもよい（上記各アクチュエータ構造体については例えば特開２００７−１１８１５９号公報参照）。また、本発明のアクチュエータデバイスは、その優れた運動性能と大きなストロークとを利用して各種の用途に利用することができ、例えば汎用アクチュエータ、触覚デバイス、凹凸形状が変化する有機ＥＬなどの表示デバイス、チューブポンプ、自走デバイスなどに好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のアクチュエータデバイスの一実施形態における要部を模式的に示す分解斜視図である。
【図２】図１に示したデバイスを屈曲運動させたときの形態を模式的に示した斜視図である。
【図３】本発明のアクチュエータデバイスの別の実施形態における要部を模式的に示す分解斜視図である。
【図４】本発明のアクチュエータデバイスのさらに別の実施形態における要部を模式的に示す分解斜視図である。
【図５】本発明のアクチュエータ構造体を模式的に示す正面図である。
【図６】図５に示した領域ＶＩを拡大して示す正面図である。
【図７】電解質膜の電圧印加にする変形性を模式的に示す正面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１、１ａ、１ｂ  外側電極層
２、２ａ、２ｂ  電解質膜層
３  中心電極層
１０、２０、３０  アクチュエータデバイス
５１  アクチュエータ構造体
５２、５３  運動方向
５４、  開口部
５５ａ、５５ｂ  支持体
７１  電解質膜
７２  電極
【図１】
2009055717.tif 000003
【図２】
2009055717.tif 000004
【図３】
2009055717.tif 000005
【図４】
2009055717.tif 000006
【図５】
2009055717.tif 000007
【図６】
2009055717.tif 000008
【図７】
2009055717.tif 000009