JP2010239784A - アクチュエータ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 電圧の印加によって伸縮するアクチュエータ素子であって、伸縮量を向上することのできるアクチュエータ素子を提供する。
【解決手段】 アクチュエータ素子は、線状部材を螺旋状に巻回して形成され、伸縮可能なコイル状のばね部と、電圧が印加されると伸縮する性質を有する薄膜部とを有するばね状構造体を備えるアクチュエータ素子であって、前記薄膜部が、前記線状部材の外周部に対して固定されて設けられ、該線状部材の軸線に沿って螺旋状に延在している。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、アクチュエータ素子に関し、特に、電圧を印加することによって伸縮するアクチュエータ素子に関する。

医療用ロボット、福祉用ロボット、産業用ロボット、マイクロマシンなどの分野において、小型かつ軽量で、柔軟性に富むアクチュエータ素子の必要性が高まっている。

特に、低電圧で駆動し、応答性が速く、柔軟性に富み、小型化および軽量化が容易で、単位重量または単位体積当たりの発生力が大きく、しかも小電力で動作するアクチュエータ素子として、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリンおよびポリチオフェンなどの導電性高分子を用いたアクチュエータ素子（以下、「導電性高分子アクチュエータ素子」という）が注目されている。

これらの導電性高分子は、電気化学的な酸化還元によって伸縮または変形する現象、いわゆる電解伸縮を発現することが知られており、導電性高分子アクチュエータ素子は、導電性高分子における電解伸縮作用を利用して、アクチュエータとして機能させるように構成される。

このような導電性高分子アクチュエータ素子が、たとえば特許文献１に開示されている。このアクチュエータ素子は、導電性高分子と、コイル型の金属性ばね状部材または金属メッシュなどによって実現される伸縮性および導電性を有する導電性基体とによって構成される構造体を有しており、該構造体は、導電性基体を構成している各線材の間の空間を導電性高分子によって埋めるように、導電性高分子と導電性基体とが複合化されて形成されている。このように構成することによって、構造体の全体に十分な電圧が印加されることを可能にするとともに、線材を補強材として機能させて、アクチュエータ素子の機械的強度の向上を図っている。

特開２００４−２１６８６８号公報

電解伸縮する導電性高分子によって形成されたフィルム体は、印加される電圧の大きさに応じて伸縮する変位量（以下、「伸縮量」という）も大きくなるが、その伸縮量は、フィルム体自身の長さに対して１〜２％と非常に小さい。したがって、このようなフィルム体を利用した従来のアクチュエータ素子では、十分な伸縮動作をさせることができず、すなわち十分な発生力を得ることができず、たとえば人工筋肉およびロボットアームの関節などといった実用的な用途における駆動源として用いることができないという問題がある。

特許文献１では、より大きな伸縮量を得るためには素子自体のサイズを大きくすることを前提とし、サイズを大きくした場合に生じる問題について解決している。すなわち、特許文献１によれば、より大きな伸縮量を得るためには、素子自体のサイズを大きくしなければならない。

本発明の目的は、電圧の印加によって伸縮するアクチュエータ素子であって、伸縮量を向上することのできるアクチュエータ素子を提供することである。

本発明は、線状部材を螺旋状に巻回して形成され、伸縮可能なコイル状のばね部と、
電圧が印加されると伸縮する性質を有する薄膜部とを有するばね状構造体を備えるアクチュエータ素子であって、
前記薄膜部が、前記ばね部の外周部に対して固定されて設けられ、該ばね部の軸線に沿って螺旋状に延在していることを特徴とするアクチュエータ素子である。

また本発明は、前記薄膜部は、導電性高分子によって形成されていることを特徴とする。

また本発明は、前記ばね部には、電極層が前記ばね部の軸線に沿って螺旋状に設けられ、前記薄膜部は該電極層に積層されて螺旋状に設けられることを特徴とする。

本発明によれば、螺旋状に延びる薄膜部の螺旋方向への伸縮量を、ばね部の軸線方向へのばね状構造体の伸縮量に変換することができる。そして、このような伸縮量の変換によって、薄膜部が伸縮する伸縮量よりも大きな伸縮量で、ばね状構造体を伸縮させることができる。

本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータ素子１を備えるアクチュエータ装置１００の構成を概略的に示す断面図である。 図１Ａに示すアクチュエータ装置１００の平面図である。 図１Ａにおける切断面線Ｉ−Ｉから見た断面図である。 アクチュエータ素子１に備えられるばね状構造体１１の構成の一部を概略的に示す斜視図である。 第２の実施形態に係るアクチュエータ素子１ａを構成するばね状構造体１１ａを説明するための図であり、図３（ａ）は、ばね状構造体１１ａの一部を拡大して示す斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た断面図である。 第３の実施形態に係るアクチュエータ素子１ｂを説明するための図であり、図４（ａ）は、ばね状構造体１１ａの一部を拡大して示す斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。 第４の実施形態に係るアクチュエータ装置１００ｃの構成を概略的に示す斜視図である。

図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータ素子１を備えるアクチュエータ装置１００の構成を概略的に示す断面図である。図１Ｂは、図１Ａに示すアクチュエータ装置１００の平面図である。図１Ｃは、図１Ａにおける切断面線Ｉ−Ｉから見た断面図である。

アクチュエータ装置１００は、電圧を印加することによって伸縮するばね状構造体１１を有するアクチュエータ素子１と、可動部２と、筐体３と、底板４と、封止材５ａ，５ｂ，５ｃと、案内部材６とを備える。アクチュエータ装置１００は、ばね状構造体１１を伸縮させることによって、可動部２が筐体３の軸線方向Ｐに沿って直線往復運動するように構成されている。すなわち、アクチュエータ装置１００は、この可動部２を直線往復運動させることによって、アクチュエータ素子１において発生する力を、アクチュエータ装置１００の外部に伝達することができるように構成されている。

アクチュエータ素子１は、円筒コイルばね状に形成された前記ばね状構造体１１と、電解質溶液１２と、作用電極１３と、対向電極１４と、作用電極１３および対向電極１４に電圧を印加する電源１５とを備える。アクチュエータ素子１の詳細については後述する。

可動部２は、一体的に形成されている構成要素であり、円形板状の円板部２ａと、直円柱状の軸部２ｂとを有する。円板部２ａは、円板部２ａの中心軸線と軸部２ｂの中心軸線とが一致するように、軸部２ｂの一端部に設けられている。また円板部２ａは、軸部２ｂの外径よりも大きな外径を有し、後述する直円柱状の内部空間Ｓの外径よりも小さな外径を有する。

筐体３は、直円筒状に一体的に形成されている構成要素であり、ばね収容部３ａと、軸部案内部３ｂとを有する。筐体３は、電気絶縁性を有する部材によって構成されている。ばね収容部３ａと軸部案内部３ｂとは互いに異なる内径を有しており、したがって、筐体３の内壁面部には軸線方向Ｐに段差が形成されている。

ばね収容部３ａは、軸部案内部３ｂの内径よりも大きな内径を有し、伸張状態におけるばね状構造体１１の伸縮方向（すなわち、後述する軸線Ｊ２方向）の長さに比べて十分大きな長さで筐体３の軸線方向Ｐに沿って延びている。ばね収容部３ａには、ばね状構造体１１、および可動部２の円板部２ａが収容される。ばね収容部３ａにおける内壁面部には、該内壁面に沿って円筒状の後述する対向電極１４が設けられる。

軸部案内部３ｂは、可動部２の軸部２ｂの外径よりも僅かに大きな内径を有し、該軸部２ｂの長手方向の長さよりも短い長さで軸線方向Ｐに沿って延びている。軸部案内部３ｂの内壁面部には、後述する封止材５ａおよび案内部材６が取り付けられる。

底板４は、円形板状の部材によって構成され、筐体３の外径と同一または略同一の外径を有する。底板４は、電気絶縁性を有する部材によって構成されている。底板４は、筐体３におけるばね収容部３ａの開口端部を塞ぐように、筐体３に対して取り付けられる。筐体３への取り付けに際して、ばね収容部３ａと底板４との間には後述する封止材５ｂが設けられる。

また、底板４には、一表面から他表面に向かって底板４の中心軸線に沿って貫通する貫通孔が形成される。該貫通孔を規定する壁面部には、後述する封止材５ｃが取り付けられ、該貫通孔には、後述する作用電極１３が挿通される。

この底板４を筐体３に対して取り付けることによって、筐体３の内部には、内部空間Ｓが形成される。すなわち、内部空間Ｓは、ばね収容部３ａの内壁面部に設けられる対向電極１４、筐体３内に形成される段差面部、および底板４の一方の表面部によって囲われる空間である。内部空間Ｓは密閉された空間であり、該内部空間Ｓには、後述する電解質溶液１２が充填される。

封止材５ａ〜５ｃは、内部空間Ｓに充填される電解質溶液１２が、内部空間Ｓから外部へ漏れ出すことを防止するために設けられるリング状の部材である。封止材５ａ〜５ｃは、電気絶縁性を有する部材によって構成されている。

封止材５ａは、筐体３の軸部案内部３ｂにおける内壁面部に取り付けられ、詳細には、ばね収容部３ａに隣接する側の端部近傍に、公知の接着手段によって固定して取り付けられる。また封止材５ａには、可動部２の軸部２ｂが挿通される。すなわち、封止材５ａは、筐体３の軸部案内部３ｂと軸部案内部３ｂに挿通された可動部２の軸部２ｂとの間に形成される間隙から電解質溶液１２が漏れ出すことを防止している。封止材５ａに挿通された可動部２の軸部２ｂは、軸線方向Ｐに沿って直線往復運動する際に、封止材５ａに対して摺動する。

封止材５ｂは、筐体３におけるばね収容部３ａの開口端部と底板４との間に間隙が形成されないように、公知の接着手段によって固定して取り付けられる。すなわち、封止材５ｂは、筐体３と筐体３に取り付けられた底板４との間から電解質溶液１２が漏れ出すことを防止している。

封止材５ｃは、底板４に形成された貫通孔を規定する壁面部に、公知の接着手段によって固定して取り付けられる。また封止材５ｃには、後述する作用電極１３が挿通される。すなわち、封止材５ｃは、底板４の貫通孔を規定する壁面部と該貫通孔に挿通される作用電極１３との間に形成される間隙から電解質溶液１２が漏れ出すことを防止している。

案内部材６は、たとえばベアリングによって実現され、筐体３の軸部案内部３ｂにおける内壁面部に設けられ、可動部２の軸部２ｂが挿通される。すなわち、案内部材６は、ばね状構造体１１の伸縮によって直線往復運動する可動部２の軸部２ｂを案内する部材である。

以下、アクチュエータ素子１について詳細に説明する。
図２は、アクチュエータ素子１に備えられるばね状構造体１１の構成の一部を概略的に示す斜視図である。ばね状構造体１１は、線状部材２３によって形成されるばね部２１と、電圧を印加することによって伸縮する性質を有する薄膜部２２とを含んでいる。

線状部材２３は、軸線Ｊ１に沿って延びる長尺の部材であり、軸線Ｊ１に垂直な平面で切断した断面（以下、「横断面」という）が円形状であり、軸線Ｊ１に沿って同一または略同一の外径を有する。

ばね部２１は、このような線状部材２３を軸線Ｊ２まわりに螺旋状に巻回することによって形成されている。ばね部２１は、詳細には、両端における座巻部を除き、線状部材２３が等ピッチで、すなわち同一のピッチ角（螺旋状に巻回された線状部材２３の螺旋軌道の軸線Ｊ２に対する角度）で巻回されて形成されている。

ばね部２１は、このように形成されることによって、軸線Ｊ２方向に伸縮可能である。詳細には、ばね部２１は、軸線Ｊ２方向に沿って圧縮荷重が付与されると軸線Ｊ２方向に収縮する。このとき、線状部材２３の任意の横断面には、収縮に伴ってねじりモーメントが発生する。そして、その収縮した状態から圧縮荷重が除去されると弾性力によって元の状態に回復する。また、軸線Ｊ２方向に沿って引張荷重が付与されると軸線Ｊ２方向に伸張する。このとき、線状部材２３の任意の横断面には、伸張に伴ってねじりモーメントが発生する。そして、その伸張した状態から引張荷重が除去されると弾性力によって元の状態に回復する。

薄膜部２２は、線状部材２３の外周部に対して固定して設けられ、線状部材２３の軸線Ｊ１に沿って螺旋状に延在している。薄膜部２２は、詳細には、少なくともばね部２１の座巻部を除く部分において、螺旋状に等ピッチ、すなわち同一のピッチ角（すなわち、螺旋状に延在する薄膜部２２の螺旋軌道の軸線Ｊ１に対する角度）で延在している。以下では、該ピッチ角をリード角と称する場合がある。また、ばね状構造体１１において薄膜部２２の延在する方向を螺旋方向Ｊ３とする。

このような構成を有するばね状構造体１１は、一方の座巻部が底板４の一方の表面部に対して固定して設けられ、他方の座巻部が可動部２の円板部２ａの一表面部、すなわち円板部２ａにおいて軸部２ｂが設けられる側とは反対側の表面部に対して固定して設けられる。ばね状構造体１１は、ばね部２１の軸線方向Ｊ２と筐体３の軸線方向Ｐとを一致させて、内部空間Ｓに配置される。

作用電極１３は、導電性を有する金属によって軸線に沿って延びるように形成され、軸線方向一方側の端部である連結端部と、軸線方向他方側の端部である電源側端部と、連結端部と電源側端部との間に設けられる挿通部とを有する。

作用電極１３の前記連結端部は、線状部材２３の一方の端部、すなわちばね部２１の一方の座巻部における端部に形成された貫通孔に挿通されて、ばね部２１と連結されている。作用電極１３の前記電源側端部にはリード線が接続され、該リード線を介して、作用電極１３と電源１５とは電気的に接続されている。

作用電極１３は、前述するように、底板４に形成される貫通孔を規定する壁面部に取り付けられる封止材５ｃに挿通された状態で、底板４に対して固定して設けられる。すなわち、作用電極１３は、アクチュエータ装置１００において、連結端部が内部空間Ｓに位置しており、挿通部において封止材５ｃに挿通され、電源側端部が外部に露出している。

対向電極１４は、前述するように、導電性を有する金属によって円筒形状に形成され、ばね収容部３ａにおける内壁面部に対して蒸着など公知の手段によって設けられる。また、筐体３のばね収容部３ａには、外壁面から内壁面に向かって貫通する微小な貫通孔が形成されており、対向電極１４は、その微小な貫通孔を介して外部に露出する露出部分を有する。その露出部分にはリード線が接続され、該リード線を介して、対向電極１４と電源１５とは電気的に接続されている。

電源１５は、前述するように、リード線を介して、作用電極１３および対向電極１４と電気的に接続され、作用電極１３および対向電極１４に対して電圧を印加することができる。

本実施形態においては、線状部材２３は、導電性を有する導体によって形成されており、たとえばチタンおよびステンレスなど腐食に対して強い金属によって形成されるのが好ましい。また、薄膜部２２は、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリンおよびポリチオフェンなど、電気化学的な酸化還元によって伸縮または変形、すなわち電解伸縮する性質を有する公知の導電性高分子によって形成される。中でも、ポリピロールは、導電性高分子として安定であり、好適に用いることができる。

この薄膜部２２は、長尺のフィルム状に成形された導電性高分子フィルムを線状部材２３に対して公知の接着手段によって（たとえば、接着剤を用いて）接着などして固定しても良い。また薄膜部２２は、電解重合法によって、線状部材２３の外周面に螺旋方向Ｊ３に沿って螺旋状に延在するように形成しても良い。

本実施形態では、前述するように、線状部材２３が導電性を有する金属によって形成されているので、線状部材２３において薄膜部２２が設けられていない外周面部が、絶縁層で覆われているのが好ましい。これは、アクチュエータ装置１００において、コイルばね部材１１が、電解質溶液１２が充填された内部空間Ｓに設けられるからである。すなわち、線状部材２３の外周面部が電解質溶液１２に露出している場合、作用電極１３および対向電極１４に対して電圧を印加したとき、電解質溶液１２から薄膜部２２へのイオンの移動が、電解質溶液１２から前記露出している外周面部へのイオンの移動よりも増大してしまい、金属に比べて導電率の高い薄膜部２２へのイオンのドーピングが阻害されるからである。これにより薄膜部２２の電界伸縮が阻害されてしまうので、これを防止するために、前記外周面部に対して、薄膜部２２が設けられていない部分が電解質溶液１２に露出しないように、絶縁層が設けられる。

また本実施形態では、前述するように、長尺のフィルム状に形成された導電性高分子フィルムを線状部材２３の外周面に螺旋方向Ｊ３に沿って固定しているが、他の実施形態では、導電性高分子を線状部材２３の外周面部を覆うように全面に電着または接着して積層し、線状部材２３の外周面部を覆っている導電性高分子層の上から、さらに、該導電性高分子層が螺旋方向Ｊ３に沿って螺旋状に電解質溶液１２に対して露出するように、絶縁層を設けても良い。これは、線状部材２３の外周面部全面を覆っている導電性高分子層に対して、螺旋方向Ｊ３に平行に絶縁層を延在させることで実現することができる。この場合には、線状部材２３の外周面部全面を覆っている導電性高分子層のうち、電解質溶液１２に露出するように螺旋方向Ｊ３に延在している部分が、薄膜部２２に対応する。

導電性高分子層が伸縮動作をする原理は、主として導電性高分子層内部への嵩高いイオンのドーピングによるものである。またドーピングされるイオンは、電解質溶液１２から導電性高分子層を通って作用電極１３へ引寄せられる。そのため、導電性高分子層と電解質溶液１２との間に絶縁層が介在していると、絶縁層が設けられている部分の導電性高分子層へのイオンの拡散が阻害され、電解質溶液１２に対して露出している部分の導電性高分子層に対してイオンのドーピングが行われ、電界伸縮が起こり線状部材２３をねじる力を発生させることができる。

また電解質溶液１２は、薄膜部２２が電圧を印加されたときに該薄膜部２２を伸縮させるための電解質、および該電解質を溶解するための溶媒を含む。前記電解質としては、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）およびカリウム（Ｋ）などを用いることができる。また前記溶媒としては、水および有機溶剤などを用いることができる。

以下、アクチュエータ装置１００の動作について説明する。
アクチュエータ装置１００は、図１に示すように、内部空間Ｓにばね状構造体１１および可動部２が収容され、さらに、電解質溶液１２が充填される。このとき、可動部２は、その軸部２ｂにおける円板部２ａが設けられる側の一端部が電解質溶液１２に浸漬し、該一端部とは反対側の他端部が外部に露出するように設けられている。可動部２が直線往復運動する際には、軸部２ｂにおける前記一端部と前記他端部との間の中間部分が、封止材５ａおよび案内部材６に対して摺動している。可動部２の円板部２ａは、その外径が内部空間Ｓの内径よりも小さくなるように形成されており、すなわち、可動部２が移動する際に、充填されている電解質溶液１２は、円板部２ａと対向電極１４との間を流れることができる。

電圧が印加されていない初期状態から、電源１５によって作用電極１３および対向電極１４に対して電圧が印加される。ばね状構造体１１において、ばね部２１は、導電性を有する導体によって形成されているので、薄膜部２２に対して均一に電圧を印加させることができる。薄膜部２２は、電圧を印加されると、電解質溶液１２中のドーパントイオンがドープされて伸張する。このとき、薄膜部２２の螺旋方向への伸張によって、ばね部２１には任意の横断面においてねじりモーメントが発生する。このねじりモーメントの発生によって、ばね状構造体１１は、伸張方向すなわち軸線Ｊ２方向に沿って伸張される。そして、可動部２は、このばね状構造体１１の伸張によって、ばね状構造体１１に押圧されて、その円板部２ａが段差面に近接する方向に移動される。

また、ばね状構造体１１が伸張している状態で、すなわち薄膜部２２にドーパントイオンがドープされている状態で、電源１５の極性を反転させて作用電極１３および対向電極１４に電圧を印加すると、薄膜部２２は、薄膜部２２にドープされているドーパントイオンが脱ドープされ、伸張状態から収縮し元の状態に回復する。これにより、ねじりモーメントは消失し、ばね部２１は、自己の弾性回復力によって元の状態に復帰する。これに伴って、ばね状構造体１１の他方の座巻部に固定されている可動部２は、元の位置まで移動する。

このように、ばね状構造体１１によれば、螺旋状に延びる薄膜部２２の軸線Ｊ３方向の伸びを、ばね部２１の軸線Ｊ１方向への伸びに変換し、さらにばね部２１の軸線Ｊ１方向への伸びをばね状構造体１１の軸線Ｊ２方向への伸びに変換することができる。そして、このような伸びの変換によって、薄膜部２２が伸張する伸張量よりも大きな伸張量で、ばね状構造体１１を軸線Ｊ２方向へ伸張させることができる。すなわち、大きな発生力を生成することができる。

以下、薄膜部２２が伸張する伸張量よりも大きな伸張量で、ばね状構造体１１を伸張させることができるとする理由について説明する。

螺旋状に巻回されたばね部２１の単位長さ、すなわち薄膜部２２の１巻（１ピッチ）分に相当する長さについて考える。ここで、ばね部２１の単位長さをＬとし、薄膜部２２の１巻分の螺旋方向長さをＫとし、ばね部２１の外径をｄとし、ばね部２１のコイル径をＤとする。

薄膜部２２の伸張率がＱ［％］であると仮定する。このとき、薄膜部２２の伸張によって、ばね部２１はねじられる。ここで、単位長さのばね部２１の一端部が固定されているものとすると、ばね部２１の他端部側における薄膜部２２の端部は、ばね部２１の周方向に沿ってΔＹだけ変位する。このとき、単位長さのばね部２１のねじれ角をΔθとすると、Δθ＝ΔＹ／（π×ｄ）（ただし、ΔＹ＝―π×ｄ＋√｛（０．０１×Ｑ×Ｋ）²−Ｋ²｝）と表すことができる。したがって、ばね状構造体１１の伸縮方向に関してばね部２１の単位長さＬ当りの伸張量をΔδとすると、Δδ＝Ｄ×ｔａｎ（Δθ）と表すことができる。

具体的な数値を当てはめて計算する。Ｄ＝１０［ｍｍ］、ｄ＝２［ｍｍ］、Ｌ＝１［ｍｍ］、Ｑ＝２［％］とする。このとき、単位長さのばね部２１における薄膜部２２の伸張量は、０．１２７ｍｍと計算される。また、ばね状構造体１１の伸縮方向に関してばね部２１の単位長さ当りの伸張量Δδは、１．２８ｍｍと計算される。すなわち、薄膜部２２が伸張する伸張量よりも大きな伸張量で、ばね状構造体１１が伸張されている。なお、ばね状構造体１１の伸張量は、前記コイル径Ｄおよびばね部２１の有効巻数ｎの関数として増大させることができる。

表１は、ｄ＝２［ｍｍ］、Ｑ＝２［％］としたときのリード角とねじれ角との関係を示している。なお、表１におけるリード角は、上から順に、単位長さＬ＝１［ｍｍ］、２［ｍｍ］、３［ｍｍ］、４［ｍｍ］、５［ｍｍ］に対応している。

表１に示されるように、ねじれ角の増分はリード角の増分と同一ではないため、リード角が小さいほどばね部２１全体としての伸縮量δは大きくなる。

図３は、第２の実施形態に係るアクチュエータ素子１ａを構成するばね状構造体１１ａを説明するための図であり、図３（ａ）は、ばね状構造体１１ａの一部を拡大して示す斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た断面図である。

上記の第１の実施形態に係るアクチュエータ素子１では、ばね状構造体１１の構成として、線状部材２３が導体の場合について記載したが、第２の実施形態に係るアクチュエータ素子１ａでは、ばね状構造体１１ａにおける線状部材２３ａが、電気絶縁性を有する絶縁体によって形成されている。なお、第２の実施形態に係るアクチュエータ素子１ａは、ばね状構造体１１ａを除く残余の構成については、第１の実施形態に係るアクチュエータ素子１と同様に構成される。第２の実施形態において、前述の実施形態における構成と同様の構成については同一の参照符を付し、同様の説明は省略する。

アクチュエータ素子１ａでは、ばね部２１ａが、絶縁体によって形成される線状部材２３ａと、線状部材２３ａの軸線Ｊ１に沿って螺旋状に延在する電極層２４ａとによって構成される。線状部材２３ａは、たとえばポリアセタールおよびテフロン（登録商標）などによって形成されるのが好ましい。電極層２４ａは、導電性を有し、線状部材２３ａに対して積層されて固定される電極層として設けられる。電極層２４ａは、金属を鍍金接着するのが好ましい。

また薄膜部２２ａは、電極層２４ａに対して積層されて固定される。この薄膜部２２ａは、第１の実施形態と同様、長尺のフィルム状に成形された導電性高分子フィルムを電極層２４ａに対して公知の接着手段によって（たとえば、接着剤を用いて）接着などして固定しても良い。また薄膜部２２ａは、電解重合法によって、電極層２４ａに対して積層するように形成しても良い。電極層２４ａは、ばね部２１ａの一方の座巻部における端部に連結される作用電極１３の連結端部と電気的に接続される。これにより、薄膜部２２ａに対して均一に電圧を印加させることができる。本実施形態では、薄膜部２２ａが電極層２４ａに対して積層されて固定されているが、他の実施形態では、電極層２４ａを設けずに、薄膜部２２ａを直接、線状部材２３ａに接着または印刷することによって、螺旋方向Ｊ３に沿って延在させても良い。

ばね状構造体１１ａがこのような構成を有する場合であっても、螺旋状に延びる薄膜部２２ａの伸張を、ばね部２１ａの軸線Ｊ２方向へのばね状構造体１１ａの伸張に変換することができる。そして、このような伸張の変換によって、薄膜部２２ａが伸張する伸張量よりも大きな伸張量で、ばね状構造体１１ａを伸張させることができる。すなわち、大きな発生力を生成することができる。

図４は、第３の実施形態に係るアクチュエータ素子１ｂを説明するための図であり、図４（ａ）は、ばね状構造体１１ａの一部を拡大して示す斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。

上記の第２の実施形態に係るアクチュエータ素子１ａでは、第１の実施形態と同様に、内部空間Ｓにおいて電解質溶液１２が充填されていたが、第３の実施形態に係るアクチュエータ素子１ｂでは、電解質溶液１２に代えて電解質エラストマ１２ｂが設けられる。電解質エラストマ１２ｂとしては、吸水性ポリマーゲルに前述の電解質を含ませたゲル、またはイオン性液体を配合したエラストマ（ゴム）を用いることができる。イオン性液体としては、一般的なものとして、たとえばＢＭＩＴＦＳＩ（1-butyl-3-methylimidazolium
bis（trifluoromethanesulfonyl）imide）などであってもよい。

第３の実施形態に係るアクチュエータ素子１ｂは、第２の実施形態に係るアクチュエータ素子１ａにおけるばね状構造体１１ａを有し、電解質エラストマ１２ｂがばね部２１ａの軸線Ｊ１に沿って、ばね状構造体１１ａの外周を覆うように設けられる。電解質溶液１２に替えて電解質エラストマ１２ｂを設けたことによって、アクチュエータ素子１ｂにおける対向電極１４ｂは、電解質エラストマ１２ｂの外周部に設けられる。なお、第３の実施形態に係るアクチュエータ素子１ｂは、電解質エラストマ１２ｂおよび対向電極１４ｂを除く残余の構成については、第２の実施形態に係るアクチュエータ素子１ａと同様に構成される。第３の実施形態において、前述の実施形態における構成と同様の構成については同一の参照符を付し、同様の説明は省略する。

電圧が印加されていない初期状態から、電源１５によって作用電極１３および電解質エラストマ１２ｂの外周部に設けられる対向電極１４ｂに対して電圧が印加される。ばね状構造体１１ａにおいて、電極層２４ａは、導電性を有する導体によって形成されているので、薄膜部２２ａに対して均一に電圧を印加させることができる。薄膜部２２ａは、電圧を印加されると、電解質エラストマ１２ｂ中のドーパントイオンがドープされて伸張する。このとき、薄膜部２２ａの螺旋方向への伸張によって、ばね部２１ａには任意の横断面においてねじりモーメントが発生する。このねじりモーメントの発生によって、ばね状構造体１１ａは、伸張方向すなわち軸線Ｊ２方向に沿って伸張される。そして、可動部２は、このばね状構造体１１ａの伸張によって、ばね状構造体１１ａに押圧されて、その円板部２ａが段差面に近接する方向に移動される。

また、ばね状構造体１１ａが伸張している状態で、すなわち薄膜部２２ａにドーパントイオンがドープされている状態で、電源１５の極性を反転させて作用電極１３および対向電極１４ｂに電圧を印加すると、薄膜部２２ａは、薄膜部２２ａにドープされているドーパントイオンが脱ドープされ、伸張状態から収縮し元の状態に回復する。これにより、ねじりモーメントは消失し、ばね部２１ａは、ばね部２１ａの弾性回復力によって元の状態に回復する。これに伴って、ばね状構造体１１ａの他方の座巻部に固定されている可動部２は、元の位置まで移動する。

アクチュエータ素子１ｂがこのような構成を有する場合であっても、螺旋状に延びる薄膜部２２ａの伸張を、軸線Ｊ２方向へのばね状構造体１１ａの伸張に変換することができる。そして、このような伸張の変換によって、薄膜部２２ａが伸張する伸張量よりも大きな伸張量で、ばね状構造体１１ａを伸張させることができる。すなわち、大きな発生力を生成することができる。

図５は、第４の実施形態に係るアクチュエータ装置１００ｃの構成を概略的に示す斜視図である。第４の実施形態に係るアクチュエータ装置１００ｃは、第１の実施形態に係るアクチュエータ装置１００に、さらに圧縮コイルばね６ｃが設けられて構成されている。またアクチュエータ装置１００ｃは、圧縮コイルばね６ｃが設けられることに伴って、ばね状構造体１１が、底板４の一方の表面部および可動部２の円板部２ａに対して固定されていない。

なお、第４の実施形態に係るアクチュエータ装置１００ｃは、圧縮コイルばね６ｃを除く残余の構成については、第１の実施形態に係るアクチュエータ装置１００と同様に構成される。第４の実施形態において、前述の実施形態における構成と同様の構成については同一の参照符を付し、同様の説明は省略する。

アクチュエータ装置１００ｃは、可動部２が、軸部２ｂに圧縮コイルばね６ｃを挿通させた状態で、筐体３に対して装着される。すなわち、圧縮コイルばね６ｃは、筐体３内に形成される段差面部と、可動部２の円板部２ａにおいて軸部２ｂが設けられる側の表面部との間に介在される。アクチュエータ装置１００ｃでは、このような圧縮コイルばね６ｃが設けられているので、電圧の印加によりコイルばね部材１１が伸張されると、コイルばね部材１１に対して、圧縮コイルばね６ｃが圧縮されることにより発生する弾性回復力を作用させることができる。すなわち、この圧縮コイルばね６ｃによって、推力の調整が可能となる。

なお、第４の実施形態はこのような構成に限らず、アクチュエータ素子１を、第２の実施形態に係るアクチュエータ素子１ａ、および第３の実施形態に係るアクチュエータ素子１ｂに適宜変更しても良い。

上記の実施形態では、電圧を印加することによって伸縮する薄膜部２２として、導電性高分子を用いる場合のみ説明しているが、薄膜部２２に用いられる部材は、導電性高分子によって形成された部材に限らず、電圧を印加することによって伸縮する性質を有する他の部材、たとえば、チタン酸ジルコン酸塩などの圧電体、およびカーボンナノチューブによっても実現することができる。

以上に示した実施形態では、アクチュエータ素子１を用いてアクチュエータ装置１００をアクチュエータとして機能させる場合について説明を行っているが、アクチュエータ素子１における電源１５に代えて、たとえば電圧計を作用電極１３と対向電極１４との間に介在させて、センサ素子とすることもできる。

たとえば図１Ａにおいて、電源１５に代えて電圧計を設けた場合、可動部２が軸線方向Ｐに沿って変位することに伴って、ばね状構造体１１は、該軸線方向Ｐ、すなわち軸線方向Ｊ２に沿って伸縮し、さらに、ばね状構造体１１が伸縮することに伴って、薄膜部２２が伸縮する。薄膜部２２の伸縮は、電解質溶液１２からのイオンのドープ・脱ドープによって生じ、このイオンのドープ・脱ドープにより作用電極１３と対向電極１４との間に電位差が生じる。このように逆の原理を利用して、作用電極１３と対向電極１４との間の電位差を電圧計で測定することによって、センサとして機能させることもできる。

１，１ａ，１ｂ アクチュエータ素子
２ 可動部
３ 筐体
４ 底板
５ａ，５ｂ，５ｃ 封止材
６ｃ 圧縮コイルばね
１１，１１ａ ばね状構造体
１２ 電解質溶液
１２ｂ 電解質エラストマ
１３ 作用電極
１４，１４ｂ 対向電極
１５ 電源
２１，２１ａ ばね部
２２，２２ａ 薄膜部
２３，２３ａ 線状部材
２４ａ 電極層
Ｓ 内部空間
１００，１００ｃ アクチュエータ装置

Claims (3)

1. 線状部材を螺旋状に巻回して形成され、伸縮可能なコイル状のばね部と、
   電圧が印加されると伸縮する性質を有する薄膜部とを有するばね状構造体を備えるアクチュエータ素子であって、
   前記薄膜部が、前記ばね部の外周部に対して固定されて設けられ、該ばね部の軸線に沿って螺旋状に延在していることを特徴とするアクチュエータ素子。
2. 前記薄膜部は、導電性高分子によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子。
3. 前記ばね部には、電極層が前記ばね部の軸線に沿って螺旋状に設けられ、前記薄膜部は該電極層に積層されて螺旋状に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ素子。

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