JP4732798B2 - アクチュエーターおよびアクチュエーターモジュール - Google Patents

Description

本発明は、電気信号により繰り返し伸縮、屈曲等の変形を引き起こすことのできる軽量のアクチュエータモジュール、およびその材料に関する。

医療や介護の分野では、能動カテーテルや内視鏡、リハビリ補助具、パワードスーツ、人工臓器等の用途に、超小型化ができ、かつ軽量、フレキシブルで駆動電圧の低い安全なアクチュエータが望まれている。また、今後新たな需要が期待されるペーパーディスプレイや携帯型触覚伝達デバイスなどには、それらの性質に加え、小さなスペースで複雑な動きを実現できるアクチュエータが必要とされる。このように、従来のような大発生応力、高速応答、高精度制御のアクチュエータだけではなく、今後、超小型化が可能な、軽量で、フレキシブルで、身に付けていて安全（低駆動電圧）なアクチュエータも必要となる。

このような超小型化が可能なアクチュエータには、通常使用されている電磁モータのように部品の組み立てが必要となるアクチュエータより、材料自身が電気信号により繰り返し変形できるアクチュエータが適している。材料自身が繰り返し変形するアクチュエータで、現在良く知られているものに強誘電体のピエゾ効果を利用したピエゾアクチュエータや、形状記憶合金（ＳＭＡ： Shape-memory alloy）の相転移を利用したSMAアクチュエータなどがある。しかし、それぞれ駆動電圧や、重さ、耐久性などに一長一短があった。

電気信号により変形する材料を用いたアクチュエータには、このような従来のアクチュエータとは別に、最近、電気信号により変形する有機材料を利用したアクチュエータが幾つか提案されている。これらのアクチュエータは有機材料を用いているため、いずれも軽量であるという特徴がある。具体的には、ポリアニリンやポリピロールをいった導電性高分子を材料とした導電性高分子アクチュエータ（特許文献１：特開平０２−２０５８６号公報）や、イオン導電性高分子を材料としたイオン導電性高分子アクチュエータ（特許文献２：特開平０６−６９９１号公報）、導電性微粒子をイオン導電性高分子でバインドした導電性微粒子混合イオン高分子アクチュエータ（非特許文献１：石橋雅義、加藤美登里：伸縮型イオン導電性高分子アクチュエータ：２００４年第５３回高分子学会年次大会、ＩＰＡ１５５）などに代表される高分子アクチュエータや、導電性高分子の熱による分子の脱着時の変形を利用したアクチュエータ（特許文献３：特許第３１３１１８０号公報）、形状記憶樹脂に導電性微粒子を混合した材料を用いたアクチュエータ（特許文献４：特開平０２−２４２８４７号公報、特許文献５：特開平０２−１５５９５５号公報）などが知られている。

特開平０２−２０５８６号公報 特開平０６−６９９１号公報 特許第３１３１１８０号公報 特開平０２−２４２８４７号公報 特開平０２−１５５９５５号公報 石橋雅義、加藤美登里：伸縮型イオン導電性高分子アクチュエータ：２００４年第５３回高分子学会年次大会、ＩＰＡ１５５

電気信号により変形する有機材料を利用したアクチュエータは軽量で、超小型化が容易であるが、動作環境や制御性に幾つかの問題があった。例えば高分子アクチュエータの多くは、基本的には電解質溶液中で同じ電解質溶液中に設置された対向電極に対し、電圧を印加することにより電解質溶液中でのみ伸縮動作する。そのため、応用先が体内や海中などに限定され、大気中などの気相中で動作させるためにはパッケージングなどの部品を加える必要があった。

一方、導電性高分子の分子脱着による変形を利用したアクチュエータは、気相中で動作することができるが、水等の分子の脱着で変形するため、湿度等、周囲の環境に動作が大きく左右され、応答も遅いといった問題があった。形状記憶樹脂に導電性を付与した材料については、この材料の変形が、基本的に不可逆であり、入力電気信号に従って何度でも変形を繰り返すものではないことから、アクチュエータとしての動作を得るためには、何らかの工夫をする必要があった。

本発明の目的は、空気などの気相中で安全に安定して使用できる、超小型化が可能で制御性がよい軽量のアクチュエータを提供することにある。

従来、熱膨張率が大きな高分子材料は絶縁体であるため、通電加熱による温度の調整は困難であり、また、電気伝導度が高い金属などの物質は熱膨張率が小さいため、実用的な温度範囲で大きな伸縮を得ることは困難であった。本発明では、上記目的を達成するために、熱膨張率が大きく、高電気伝導度の材料を使用したアクチュエータとした。本発明のアクチュエータは、アクチュエータ材料に通電することにより自己発熱させ、その温度変化に伴う大きな熱膨張、収縮による材料の変形を利用し、伸縮動作を行わせる。

本発明によれば、空気などの気相中で安全に安定して使用できる小型化が可能で制御性がよく、軽量、フレキシブルなアクチュエータを提供することができる。

本発明では、熱膨張率が大きいが絶縁体の高分子材料に導電性微粒子を混合した材料をアクチュエータに用いることにより、本来、絶縁体の高分子材料に導電性が付与され、通電による自己発熱とそれに伴う大きな変形が可能となった。この変形を可塑変形とならない範囲の温度と付負荷で行うことで、繰り返しの伸縮動作が可能となる。

本発明のアクチュエータで大きな変位を得るための条件を考察する。本発明のアクチュエータは、熱膨張による変形を利用する。一般に、長さＬの物体の、熱膨張による変形量ΔＬは、温度変化ΔＴに比例し、その比例定数が線熱膨張係数αである。すなわち、式（１）に示すような関係がある。

本発明のアクチュエータでは、通電により発生するジュール熱によりアクチュエータの温度が変化する。一般に、物質に一定電圧を印加したとき、その電気抵抗Ｒが電圧印加の間一定であるとすると、時間ｔの間に発生するジュール熱Ｅは、式（２）のように表せる。

ここで、抵抗Ｒは、電気伝導度κを使って式（３）のように表される。

ここで、Ｓはこの物質の断面積である。したがって、式（２）および式（３）から、電圧印加により発生するジュール熱Ｅは、式（４）に示すようになる。

一方、ジュール熱Ｅと、これによる物質の上昇温度ΔＴとの関係は、物質の比熱をｃ、比重をσ、輻射や熱伝導などによるエネルギー損失をＥ’とした場合、式（５）と書ける。

したがって、式（５）と式（４）から、上昇温度ΔＴは式（６）と書ける。

式（６）と式（１）から、変形量ΔＬは式（７）となる。

したがって、変形量ΔＬは、熱膨張係数αが大きく、電気伝導度κが大きく、比重σが小さい材料で大きくなることがわかる。

表１に、金属、セラミック、高分子材料および本発明の材料について、これらの物質定数の典型的な値を示す。また、表１には材料の機械的特性である引張り強度も示した。材料自身が変形するタイプのアクチュエータの場合、材料自身が破断する限界以上の力は出せない。すなわち、アクチュエータとして発生する最大の力は、材料の引張り強度に依存する。

本発明の材料は、高分子材料を主体としているので、膨張係数が大きく、比重が軽い。また、導電性微粒子を混合しているため、電気伝導度がある程度高い。そのため、通電加熱による変形が大きく、実用的なアクチュエータとなる。また、電気伝導度が金属ほどは高くないので、超薄膜を用いなくても加熱に大電流を必要としないという利点もある。高分子材料に微粒子を混合する手法は、しばしば、高分子材料の機械的強度を上げる目的で行われる。そのため、本発明の材料の引張り強度も、高分子材料の引張り強度より大きくなる。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。

（実施例１）
実施例１では、本発明のアクチュエータの基本的な動作の概念および、その作製方法について説明する。はじめに、本発明のアクチュエータを構成するアクチュエータ材料に電圧を印加したときのアクチュエータ材料の変形について述べる。

図１（Ａ）は電圧を印加する前のアクチュエータ材料の状態、（Ｂ）は電圧を印加したときのアクチュエータ材料の状態を模式的に示す図である。２は熱膨張率の大きい高分子材料、３は導電性微粒子である。１０は高分子材料に導電性微粒子３を分散させたアクチュエータ材料である。４は電源、５はスイッチであり、スイッチ５をオン、あるいは、オフして高分子材料１０に電流を流し、あるいは、通電を止めることができる。スイッチ５をオンにしてアクチュエータ材料１０に電源４の電圧を印加すると、ジュール熱によりアクチュエータ材料１０の温度が上昇し、熱膨張率に応じたアクチュエータ材料１０の等方的な変形が生じる（図１（Ｂ））。一方、スイッチ５をオフにすると、アクチュエータ材料１０は通電を止められ、温度が低下し、アクチュエータ材料１０は元の形状に戻る（図１（Ａ））。この形状変化はもちろん大気中などの気相中で行うことができる。本発明のアクチュエータはこの現象を使用して伸縮動作を行っている。

具体的には、導電性微粒子３をサイズが約４０ナノメートルの炭素微粒子、高分子材料２をパーフルオロスルホン酸コポリマーとして、これらを重量比で約１対５とした混合比で混合してアクチュエータ材料１０を形成した。この場合、印加電圧を調整して通電時のアクチュエータ材料１０の温度を最適化すると、最大で約２％の伸縮率が得られた。伸縮率とは電圧印加前のアクチュエータの全長をＬ、電圧印加時のアクチュエータの伸びをΔＬとした場合にΔＬ／Ｌであらわされる量である。

高分子材料２に使用したパーフルオロスルホン酸コポリマーは、フッ素高分子系ポリマーであり、耐熱性に優れた高熱膨張率の材料である。この材料に炭素微粒子を混合、分散させることにより高熱膨張率かつ高電気伝導度のアクチュエータ材料１０ができる。実施例１のアクチュエータ材料１０の線熱膨張係数は１００℃のとき０．０００１／Ｋ、電気伝導度は１ジーメンス／センチメートル、ガラス転移温度は約２３０℃である。アクチュエータ材料１０の電圧印加による伸縮率が約２％であったことから、アクチュエータ材料１０の温度は電圧印加により約２２０℃に上昇していると見積もれる。

図１（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明したアクチュエータ材料の通電加熱による変形を、アクチュエータ材料に錘などの負荷をかけた状態で行うと、ある入力電圧および、ある負荷の大きさの範囲では負荷を可逆的に動かすことができ、アクチュエータとして使用することができる。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、図１で説明したようなアクチュエータ材料の通電加熱による変形を使用した本発明のアクチュエータの基本動作について説明する図である。（Ａ）はアクチュエータ膜１に錘などの負荷をかけただけで電圧を印加する前の状態を示し、（Ｂ）は負荷をかけたアクチュエータ膜１へ電圧印加した状態を示す。アクチュエータ膜１はアクチュエータ材料１０を一辺が長い膜状に成形し、膜の長手方向以外は電圧印加による変形が長手方向に比べ小さく無視できるようにしている。アクチュエータ膜１の長手方向の両端に、電圧を印加するための電極６、電極７を設け、それらに外部電源４とスイッチ５を直列につなぐ。さらに、アクチュエータ膜１の片端は壁などに固定し、もう一方の端にはアクチュエータ膜１が引っ張られる方向に負荷８をかける（図２（Ａ））。このとき、負荷８の大きさはアクチュエータ膜１の引張強度を超えてはいけない。図１（Ｂ）と同じく、この状態でスイッチ５をオンにして、電源４による電圧をアクチュエータ膜１に印加すると、アクチュエータ膜１は通電加熱による温度上昇により熱膨張、すなわち伸長する（図２（Ｂ））。この状態でスイッチ５をオフにするとアクチュエータ膜１の温度が下がり再び収縮する（図２（Ａ））。このとき、アクチュエータ膜１の収縮に伴い負荷８が上下動する。すなわち、アクチュエータ膜１の伸縮動作を負荷８が行う上下運動の仕事として取り出すことができる。アクチュエータ膜１の通電時の温度をガラス転移温度より低温に抑えると、このようなアクチュエータ膜１の通電加熱による伸縮動作、すなわち負荷の上下運動を可逆的に繰り返すことができる。

アクチュエータ膜１を、サイズが長さ１センチメートル、幅２ミリメートル、厚さ１２０マイクロメートルとし、負荷８として５０グラムの錘をつけ、振幅２２ボルト、周波数１ヘルツの矩形波電圧を印加した場合、１パルスあたりのアクチュエータ膜１の伸縮率は約２％となった。すなわち、５０グラム重の負荷８を周波数１ヘルツで約２００マイクロメートル上下に動かすことができた。この例では、このアクチュエータ膜１が発生する力は約２メガパスカルとなる。実施例１のアクチュエータ材料では最大で約３メガパスカルの力を発生することができる。

また、実施例１のアクチュエータ膜１は１０ヘルツの矩形電圧を印加しても振動数に応じた伸縮動作として追従する。さらに、１００、０００回の伸縮動作（図２（Ａ）、（Ｂ）の状態を繰り返す）をさせても、伸縮率の値は最初と変化はなく、安定して動作した。

アクチュエータ膜１に、振幅１５ボルト、周波数１ヘルツの矩形波電圧を印加した時の、１パルスあたりのアクチュエータ膜１の伸縮率と膜に入力された電気エネルギーの関係を図３に示す。アクチュエータ膜１の伸縮率と膜に入力された電気エネルギーとの間には、比例関係が成り立つことがわかる。したがって、このアクチュエータ膜１の伸縮の大きさは、入力電気エネルギーを制御することで電気的に容易に制御できる。ここでは、電源として直流電源を用いたが、アクチュエータ膜１の伸縮率が入力された電気エネルギーに比例することから、交流電源を用いても、入力電気エネルギーの制御で、同様に制御できる。いずれの場合も、アクチュエータ膜に印加する電圧で制御するのがもっとも簡単であるが、もちろん、電流制御にしてもよい。

また、本発明の材料の電気抵抗は、高分子に混合された導電性微粒子の抵抗および微粒子間の抵抗であるため、アクチュエータ膜１が変形すると、微粒子間の抵抗に変化が生じ、結果としてアクチュエータ膜１の抵抗も変化する。これをモニターすることによって、アクチュエータ膜１の変形を推定することができる。そのため、この値を用いて印加電圧にフィードバックをかけることにより精確な変形の制御を行うことが可能となる。

アクチュエータ膜１に一定電圧を印加し続けると、膜の温度がこのアクチュエータ膜材料のガラス転移温度ないしは融点、分解点を越えない限り、膜の変形量は一定値に収束する。なぜなら、入力される電気エネルギーと、輻射、伝導、対流などで放出されるエネルギーが平衡状態になるからである。平衡状態に到達すれば、変形量を一定に保持しておくことが可能である。

アクチュエータ膜１に使用する高分子材料２に高分子吸湿性がある場合、室温に放置しておくと、周囲の湿気を含んで乾燥状態よりいくらか膨潤している。しかし、低い電流を膜に常に流しておくことで膜の温度を上げて水分を蒸発させ、周囲の湿度にかかわらず膜を乾燥状態にしておくことができる。このような方法を利用すると吸湿性の材料を用いても、周囲の湿度によらず、アクチュエータ膜の変形量を精確に制御できる。

先にも述べたが、アクチュエータ膜１に入力される電気エネルギーが大きく、膜の温度がこのアクチュエータ膜１の材料のガラス転移温度を越えると、膜の機械的特性が著しく下がる。すなわち、引張り強度が低下して非常に柔らかい状態となり、小さい負荷でも可塑変形をおこして元の形状に戻らなくなる。このような状態になると、アクチュエータとしては動作できない。熱膨張による変形量は温度差が大きいほど大きいため、本発明の最大変形量はアクチュエータ膜１のガラス転移温度に律速されることになる。アクチュエータ膜１は、高分子材料２と導電性微粒子３の複合材料であるから、膜のガラス転移温度は高分子材料２のガラス転移温度に依存する。そのため、ガラス転移温度が高い材料を高分子材料２として用いれば、それだけ動作可能な温度範囲が広がり、それに伴いアクチュエータ膜１の変形量も大きくとれる。

しかし、結晶性の高分子など高分子材料の種類によっては、ガラス転移温度が存在しない場合がある。その場合は、材料の融点、分解点を越える温度で動作することのないよう、入力エネルギーを制御する必要がある。この場合も、アクチュエータ膜１の材料の融点、分解点はこれを構成する高分子材料２の融点、分解点に依存するので、高分子材料２に融点あるいは分解点が高い材料を用いることで、動作可能な温度範囲が広がる、すなわち、アクチュエータの変形量も大きくとれる。

さらに、本発明のアクチュエータ膜１を大きく変形させるためには、耐熱性だけではなく膨張率が大きいことも必要である。つまり、アクチュエータ膜１に使用する高分子材料２には軟化温度が高く、高熱膨張率の高分子材料が適している。このような高分子材料には実施例１の高分子材料２で使用したパーフルオロスルホン酸コポリマー以外にも、アクリルニトリルーブタジエンースチレン共重合体、アクリル樹脂などのポリメタクリル酸エステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネイト、ポリシクロヘキシルエチレンなどのポリアルケン類、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸等があり、アクチュエータ膜の構成高分子材料としてそれらを使用することもできる。こうした高分子材料の線熱膨張係数は一般に０．００００１／Ｋから０．０００２／Ｋである。したがって、これらを構成材料としたアクチュエータ膜の線熱膨張係数も０．００００１／Ｋ以上となる。逆に、あまり熱膨張係数が大きいと変形が大きく、材料に対する負担が大きくなるため、線熱膨張係数は０．００１／Ｋ程度以下が適当である。

また、実施例１ではアクチュエータ膜１の導電性微粒子３に直径４０ナノメートルの炭素微粒子を使用したが、そのほかにも、さらに大きなサイズの導電性の炭素微粒子やカーボンナノチューブ、金、銀、白金、銅、ニッケルなどの金属微粒子、あるいはそれらの混合物なども使用できる。これらの導電性微粒子の種類や、高分子材料との混合比を変えることで、アクチュエータ膜の電気伝導度を変えることができる。電気伝導度が低いと、駆動に高電圧が必要になる。逆に電気伝導度があまり高いと、大電流を流さなければならなくなり、一般的な電源を用いることができなくなる。電気伝導度の実用的な値としては、０．１ジーメンス／センチメートルから１０００ジーメンス／センチメートルである。

一般に、高分子材料に微粒子を混合すると、その複合材料の機械的強度は増加する。混合する材料の種類と量に依存するが、２倍程度の強度増加が期待される。複合材料である本発明のアクチュエータ膜の引張り強度は、構成材料である高分子材料の２倍程度の引張り強度、すなわち最大で２００メガパスカル程度である。一方、先に述べたように、アクチュエータの最大発生応力は、材料の引張り強度に依存する。したがって、あまり引張り強度の弱い材料はアクチュエータとしての仕事をなさない。そのため、実用的な値としては０．３メガパスカル以上の引張り強度が必要となる。

高分子材料と導電性微粒子の種類と混合比を変えることによって、上記に示したような線熱膨張係数、電気伝導度、引張り強度をもつアクチュエータ膜を作製することができる。このとき、種類と混合比に従って、アクチュエータの比重は変わってくる。実施例１で使用した炭素微粒子はかさ密度が大変小さいため、この微粒子を高分子に混合すると、混合材料の比重はもとの高分子の比重よりも小さくなる。しかし、微粒子の量が高分子に対しあまり多くなると、製膜できなくなる。このときの混合材料の比重が０．５程度であったことから、混合材料の比重は０．５以上であることが望ましい。また、本発明の目的は、軽量のアクチュエータを提供することであるから、比重が金属のように大きいものは、本目的にそぐわない。したがって、比重が５より小さいものが実用的である。

先に述べた高分子材料とこれら導電性微粒子材料を用い、その混合比を最適化することで容易に１００℃以上の耐熱性をもち、線熱膨張係数が０．００００１／Ｋから０．０００１／Ｋでかつ電気伝導度が０．１ジーメンス／センチメートルから１００ジーメンス／センチメートルでかつ比重０．５から５でかつ引張り強度が０．３から２００メガパスカルのアクチュエータ膜を作製することができる。

例として、幾つかの高分子材料と導電性微粒子を組み合わせて作製したアクチュエータ膜の物性を表２に記す。

また、図１、図２では通電により膨張するアクチュエータ材料を用いて説明したが、高分子材料２としてポリフェニレンベンゾビスオキサゾールのような、負の熱膨張係数を持つものを使用すれば、通電により収縮するアクチュエータを作製できる。

実施例１のアクチュエータ膜の作製方法について図４（Ａ）−（Ｄ）を用いて説明する。図４（Ａ）−（Ｄ）は実施例１のアクチュエータ膜の作製方法の工程を示す概念図である。

はじめに、高分子１１を溶媒１２に分散させた溶液（高分子分散溶液）に任意の割合で導電性微粒子１３を混合し、攪拌して微粒子混合溶液１４を作製する（図４（Ａ））。実施例１では高分子分散溶液は、パーフルオロスルホン酸コポリマーを、水とアルコールの混合溶媒（混合比は１：１）に５％分散させた溶液、あるいはその溶液とジメチルホルムアミドとの混合溶液とした。導電性微粒子１３には直径約４０ナノメートルの炭素微粒子を使用した。

次に、作製した微粒子混合溶液１４を基板１５上に塗布し、７０度で高温乾燥させ、高分子と導電性微粒子の混合膜１６（厚さ１２０マイクロメートル）を作製する（図４（Ｂ））。実施例１では基板１５にガラス基板を使用した。また、実施例１では、乾燥温度を７０度としたが、乾燥温度領域は室温から１８０度まで可能である。塗布方法としてはキャスト法、スピンキャスト法、吹きつけ塗布法のいずれも使用できる。

次に、乾燥した高分子と導電性微粒子の混合膜１６を基板１５に付着した状態のまま純水１７に漬ける。すると、高分子と導電性微粒子の混合膜１６が膨潤し、基板１５から剥離する（図４（Ｃ））。

最後に、剥離した高分子と導電性微粒子の混合膜１６をすくい取り、任意の形状に整えるため、不要な部分を機械的に切断しアクチュエータ膜１が完成する（図４（Ｄ））。

図４（Ｄ）の整形処理では、機械的な切断で形状を整えたが、酸素ガス等を用いたドライエッチングで形状を整えることも可能である。また、アクチュエータ膜１の成型は基板１５から剥離した後に行ったが、剥離前に行うことも可能である。さらに、図５に示すように基板２１に必要とするアクチュエータ膜１の型に対応する窪み２２を形成しておき、この窪み２２に微粒子混合溶液１４を流し込んだ後、乾燥、剥離しても、必要とする形状のアクチュエータを得ることができる。

また、図４では高分子１１を溶媒１２に分散させた高分子分散溶液を用いたが、これの代わりに溶融状態の高分子に導電性微粒子を混合混練して作製することも可能である。成形には通常の樹脂の加工に使用される熱圧縮や溶融押出法を用いることができる。

以上、実施例１によれば、大気中で電圧を印加することにより安定して伸縮動作をさせることが可能な任意の膜状のアクチュエータを容易に作製することができる。

（実施例２）
実施例２では、本発明のアクチュエータを用いたアクチュエータモジュール構造と、それを利用したアクチュエータマトリクスについて、図６から図８を用いて説明する。図６（Ａ）、（Ｂ）は本発明のアクチュエータモジュール構造の概念を示す断面図であり、（Ａ）は電圧を印加する前のアクチュエータモジュールの状態の断面図、（Ｂ）は電圧を印加したときのアクチュエータモジュールの状態の断面図である。アクチュエータモジュール６０は、細長い箱状の容器６５の開放面に伸縮性部材６４が設けられ、容器６５の底面には電極６２、６３が埋め込まれている。容器６５の内部に中央で折り返されたアクチュエータ膜６１が設けられ、折り返された部分は容器６５上面の伸縮性部材６４の下面に接合され、アクチュエータ膜６１の両端は電極６２、６３に接合されている。ピン６６が、伸縮性部材６４の、アクチュエータ膜６１が接合されている部分の裏面に、アクチュエータ膜６１と重なり合うように接合されている。アクチュエータ膜６１は伸縮性部材６４により、常に張力がかかるように長さが調節されている。容器６５には単数あるいは複数の放熱用の孔６７が空けられている。さらに、この放熱用の孔の代わりに容器６５の内側の側面にペルチエ素子をつけてアクチュエータ膜６１を冷却する構造にしてもよい。

このアクチュエータモジュール６０の電極６２、６３間に電圧を印加すると、伸縮性部材６４により張力がかかっているアクチュエータ膜６１が伸長し、ピン６６を上に持ち上げることができる（図６（Ｂ））。さらに、印加電圧の値を下げるか、スイッチ５をオフとするとピン６６は再び下に下がる。このようにして電圧信号によりピン６６を上下に動かすことができる。

伸縮率の小さな伸縮型アクチュエータの動きを拡大するための方法の一つとして、Ｖ字構造の利用がある。Ｖ字構造とは、伸縮型アクチュエータの両端を固定し、アクチュエータ中央部にアクチュエータに対し垂直方向に負荷をかけた構造をさす。伸縮型アクチュエータを収縮した状態で一直線になるようにアクチュエータの両端を容器に固定する。そして、その状態でアクチュエータを伸長させると、中央部がたわむ。そのたわみを中央部に設けた負荷でアクチュエータと垂直方向の変位として取り出すと、伸縮率が小さい場合、アクチュエータの開放端のアクチュエータの延長方向の伸縮によって得られる変位よりはるかに大きな値が得られる。

図７（Ａ）−（Ｃ）はＶ字構造の利用に係るアクチュエータモジュール構造の形態を示す概念図である。（Ａ）はＶ字構造を用いたアクチュエータモジュールの外形を斜め上から見た斜視図、（Ｂ）はアクチュエータモジュールに電圧を印加しない状態のピンを下げた状態を表すアクチュエータモジュールの断面図、（Ｃ）はアクチュエータモジュールに電圧を印加することでアクチュエータ膜を伸長させ、ピンを上げた状態を表すアクチュエータモジュールの断面図である。

アクチュエータモジュール７０は、底容器７４と蓋７６とを合わせた形とされ、蓋７６の中央部の開口７５からピン７８が上下動する。底容器７４の上面部にアクチュエータ膜７１が設けられ、アクチュエータ膜７１の両端部は、底容器７４の側壁部に埋め込まれた電極７２、７３に接続される。アクチュエータ膜７１の中央部にアクチュエータ膜７１を上側に押す力を作用させるバネ７７が底容器７４の底面との間に設けられる。アクチュエータ膜７１のバネ７７が接している反対側にピン７８が設けられる。また、図示はしていないが、底容器７４、蓋７６には単数あるいは複数の放熱用の孔が空けられている。さらに、この放熱用の孔の代わりに容器７４の底面にペルチエ素子をつけてアクチュエータ膜７１を冷却する構造にしてもよい。

電極７２、７３に電圧を印加する前、すなわちアクチュエータ膜が伸長する前は、ピン７８の上面は、ふた７６表面より下になるように長さが調整されている（図７（Ｂ））。電極７２、７３に電圧を印加すると、アクチュエータ膜７１は伸長し、ピン７８はバネ７７により上に持ち上げられ、その上面は、ふた７６表面より上に現れる。さらに電圧印加をやめるか、印加電圧の値を下げると、ピン７８は再び下がる。このようにして電圧信号によりピン７８を上下に動かすことができる。

この図７に示すアクチュエータモジュールで、アクチュエータ膜７１を長さ１センチメートルのものを使用し２％の伸縮をさせた場合、ピン７８を１ミリメートル上下に動かすことができる。

図７に示すアクチュエータモジュールは、大きな変位を取り出せるだけでなく、底容器７４の壁面同士を接合することで容易にアクチュエータマトリクスができるという特徴もある。また、図７に示すアクチュエータモジュールで作製したアクチュエータマトリクスは、変位が大きいだけでなく、厚さを薄くできるといった利点も持つ。

図８は図７に示すアクチュエータモジュールを用いたアクチュエータマトリクスを上部から見た様子を示した概念図である。（Ａ）はアクチュエータモジュールの容器７４の長手方向の側面を平行に並べて、それぞれのアクチュエータモジュールのピン７８が１直線状なるように構成した１次元アクチュエータマトリクスの例である。（Ｂ）はアクチュエータモジュールの容器７４の長手方向の側面を平行に並べる際、少しずつ位置をずらして、それぞれのアクチュエータモジュールのピン７８が２次元配置されるように構成した２次元アクチュエータマトリクスの例である。

（実施例３）
実施例３は、実施例２で示したアクチュエータモジュールの応用例として、携帯型触覚伝達デバイスの一つである点字表示デバイスおよびそれを用いた点字表示システムを提案するものであり、図９、図１０を用いて説明する。

点字は高さ約０．４ミリメートルの突起をピッチ約２．２ミリメートルで配列して３×２の点マトリクスを構成した単位で表現される。実施例３の点字表示デバイスは、６個のピンマトリクスが３×２に配置され、電気信号で任意のピンが０．４ミリメートルのストロークで上下に動かせるデバイスとする。

本発明のアクチュエータモジュールを用いたもっとも単純な点字表示デバイスは、実施例２の図６で説明したアクチュエータモジュール６０を使用し、３×２に並べたアクチュエータマトリクスである。図９（Ａ）はアクチュエータモジュール６０を３×２に並べた点字表示デバイス９０を斜めからみた様子を示す概念図、（Ｂ）は点字表示デバイス９０を用いた点字表示システム９１の概念図である。

点字の仕様をみたすためアクチュエータモジュール６０は以下のようにする。
（１）各ピンのピッチを約２．２ミリメートルとするため、アクチュエータモジュール６０の上から見た断面を２．２ミリメートル×２．２ミリメートルにする。
（２）ピンを０．４ミリメートル上下させる必要があるため、アクチュエータ膜６１の折り返す前の長さを約４０ミリメートルとし、伸縮率が２％となるように電圧を印加する。

点字表示システム９１は、上記点字表示デバイス９０を複数備えた点字表示端末９２と、中央処理ユニット（ＣＰＵ）などの制御指令装置９３と、この制御指令装置に接続された駆動信号生成装置９４とを備えている。駆動信号生成装置９４は、制御指令装置９３の指令によって制御され、必要なアクチュエータモジュールに電圧を印加する。このような状態で、点字表示端末９２の上面をなぞることで、点字表示された文章を読みとることができる。本発明を用いた点字表示デバイス９０は小型で軽量なため、点字表示端末も、小さく、軽いものが実現できる。なお、図９では、通気口の表示を省略した。

図１０（Ａ）は実施例２の図７で説明したアクチュエータモジュール７０を３×２に並べた点字表示デバイス１００を上部から見た様子を示す概念図、（Ｂ）は点字表示デバイス１００を用いた点字表示システム１０１の概念図である。点字の仕様を満たすため、アクチュエータモジュールは以下のようにする。
（１）各ピンのピッチを約２．２ミリメートルとするため、アクチュエータモジュールの上から見た幅を０．９８ミリメートルにする。
（２）ピンを０．４ミリメートル上下させる必要があるため、アクチュエータ膜７１の長さを約４ミリメートルとする。

このようなアクチュエータモジュールを、アクチュエータモジュールの長手方向に交互に１．９６ミリメートルずらしながら６個並べることで、任意のアクチュエータモジュールへの電圧印加で点字を表示する、点字表示デバイスとなる。

点字表示システム１０１は、上記点字表示デバイス１００を複数備えた点字表示端末１０２を備えたこと以外は、点字表示システム９１と同じである。アクチュエータモジュール７０を用いた点字表示デバイス１００は、アクチュエータモジュール６０を用いた点字表示デバイス９０に比し、薄型で、軽量であるため、点字表示端末１０２も、薄く、軽いものが実現できる。

（実施例４）
実施例４は、実施例１で説明したアクチュエータ膜の伸縮動作を屈曲動作となるようにしたアクチュエータモジュールについて、図１１（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。

図１１（Ａ）はアクチュエータモジュール１１０に電圧を印加する前の状態を斜め上から見た概略図、（Ｂ）はアクチュエータモジュール１１０に電圧を印加したときの状態を斜め上から見た概略図である。アクチュエータモジュール１１０は、コの字型に成形したアクチュエータ膜１１１を、同じ形状に成形した絶縁体膜１１２とずれないように接着し、アクチュエータ膜１１１の両端に電極１１３、１１４を取り付け固定した構造となっている。電極１１３と１１４の間に電圧を印加すると、アクチュエータ膜１１１に電流が流れジュール熱により発熱し、膜が膨張または収縮する。このとき、絶縁体膜１１２に、アクチュエータ膜１１１より熱膨張率の小さい材料を使用すると、張り合わせた膜の表面と裏面の膨張率の違いから、張り合わせた膜が反る。

実施例４では、アクチュエータ膜１１１として、実施例１で述べられている、パーフルオロスルルホン酸コポリマーと炭素微粒子の混合材料からなる厚さ３０マイクロメートルの膜を、外形を１センチ四方のコの字型に成形して使用した。絶縁体膜１１２には、膜厚２５マイクロメートルのポリイミドフィルムを使用し、エポキシ接着剤を用いてアクチュエータ膜１１１と張り合わせた。このアクチュエータモジュール１１０の電極１１３と１１４の間に、１５ボルトの電圧を印加すると、膜先端は下方へおよそ３ミリメートル反った。この時の膜先端の変位は、同じサイズの膜を用い同じ電圧を印加した時の、実施例１で説明したアクチュエータ膜で得られる伸縮方向の変位よりはるかに大きい。このように、屈曲型アクチュエータモジュールでは、変位を大きくとることができる。

（実施例５）
実施例５は、実施例４で説明した屈曲型アクチュエータモジュール１１０を紙などの軽量物を搬送する搬送素子および、光ファイバの光路を切り替える光スイッチ素子に応用する例を提案するものであり、図１２から図１４を用いて説明する。さらに、実施例２で述べたＶ字構造アクチュエータモジュールを用いた光スイッチ素子についても図１５を用いて説明する。

図１２（Ａ）は、実施例４で説明した屈曲型アクチュエータモジュール１１０を複数個利用した搬送素子１２０を真上から見た状態と、搬送素子１２０を動作させるための制御回路を含めた搬送システムの概略図、（Ｂ）は搬送素子１２０を斜め上から見た斜視図である。搬送システムは搬送素子１２０、信号切替え装置１２１および電力制御装置１２２から構成される。搬送素子１２０は、基板１２３、屈曲型アクチュエータモジュール１１０、金属電極１２４、配線パターン１２５、電圧入力端子１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄで構成され、基板１２３上に、同じ大きさにそろえた、実施例４で説明した屈曲型アクチュエータモジュール１１０が４×４のマトリクス状に配置されている。屈曲型アクチュエータモジュール１１０は列ごとにコの字が同じ方向になり、かつ隣り合う列同士は列に対してコの字の方向が反転するよう配置されている。屈曲型アクチュエータモジュール１１０のアクチュエータ膜面の両端は基板１２３上に描かれた金属電極１２４と電気的に接続されている。また、屈曲型アクチュエータモジュール１１０の金属電極１２４と接続される端部で基板１２３の上面に固着されるとともに、絶縁体膜１１２の面が基板１２３の上面側になるように設けられる。屈曲型アクチュエータモジュール１１０は、金属電極１２４と配線パターン１２５により、列ごとに、電気的に並列に接続される。屈曲型アクチュエータモジュール１１０の一方の端子は列ごとに、電圧入力端子１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄに接続され、他方の端子は共通のグラウンド端子１２９に接続される。電圧入力端子１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃ、１２６ｄはそれぞれスイッチ１２７ａ、１２７ｂ、１２７ｃ、１２７ｄからなる信号切替え装置１２１を通し電力制御装置１２２につながっている。

図１２に示した配置では、アクチュエータモジュール１１０が屈曲する際、先端が図１１（Ｂ）とは逆に、上方（基板１２３の上面から離れる方向）に変位する。すなわち、図中のｚ方向とｘ方向に変位するため、ｘ方向に物質を搬送する。この物質の搬送方法について図１３（Ａ）−（Ｅ）を用いて説明する。図１３（Ａ）−（Ｅ）を通して引かれている一点差線は被搬送物１３０が最初に位置しているときの搬送方向の端面を示す。

図１３（Ａ）は基板１２３上に配置されたアクチュエータ列１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄのいずれにも通電していない状態を示している。これら複数のアクチュエータ列の上に被搬送物１３０が乗っている。図１３（Ｂ）はスイッチ１２７ｂおよび１２７ｄがオンになされてアクチュエータ列１２８ｂとアクチュエータ列１２８ｄに通電した状態を示す。通電されたアクチュエータ列１２８ｂおよび１２８ｄは上方に屈曲し、物体１３０はアクチュエータ列１２８ｂおよびアクチュエータ列１２８ｄによって持ち上げられる。このとき、アクチュエータ先端の変位方向は、ｚ方向とｘ方向であるので、被搬送物１３０は持ち上げられ（ｚ方向の変位）とｘ方向にＸ_１だけ移動する。図１３（Ｃ）は、図１３（Ｂ）の状態から、スイッチ１２７ａおよび１２７ｃがオンになされて、アクチュエータ列１２８ａおよびアクチュエータ列１２８ｃにも通電し、アクチュエータ列１２８ｂおよびアクチュエータ列１２８ｄと同様に上方に屈曲させた状態を示す。このとき、物体１３０はアクチュエータ列１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ、１２８ｄの全てで持ち上げられている。図１３（Ｄ）に示すように、その後、アクチュエータ列１２８ｂおよびアクチュエータ列１２８ｄの通電を遮断し、被搬送物１３０をアクチュエータ列１２８ａおよびアクチュエータ列１２８ｃによって支える。すなわち、最初にアクチュエータ列１２８ｂおよびアクチュエータ列１２８ｄで持ち上げた被搬送物１３０をアクチュエータ列１２８ａおよびアクチュエータ列１２８ｃによって支える。図１２（Ｅ）に示すように、その後、アクチュエータ列１２８ａおよびアクチュエータ列１２８ｃへの通電を遮断する。図１２（Ｅ）は遮断直後の状態を示す。この状態ではアクチュエータ列１２８ａおよびアクチュエータ列１２８ｃの屈曲は小さくなり、アクチュエータ先端は−ｚ方向とｘ方向へ変位する。この先端の変位にしたがって、被搬送物１３０は基板１２３の上面に下がるとともに、ｘ方向へ移動する。この結果、被搬送物１３０の端面は、図１３（Ａ）の当初位置からＸ_２だけｘ方向へ移動する。実施例５の搬送システムを使用すれば、図１３（Ａ）−（Ｅ）に示す過程で被搬送物１３０をｘ方向へと搬送させることができ、これを繰り返せば、搬送距離も大きいものとできる。本発明の屈曲型アクチュエータモジュールは軽量で小型化が可能なため、占有面積が小さく軽量な搬送素子を容易に作製することができる。

図１３で説明した搬送素子は、紙のような軽量物の搬送に有用であり、したがって、ＡＴＭの紙幣の移送、プリンタの紙の移送等にも応用できる。この場合、水平移送だけではないので、例えば、図１３で示した搬送素子二つを、搬送経路の両側に対向するように配置して、紙を押さえながら移送するものとすれば、垂直の移送もできる。その際、一方が（Ａ）から（Ｂ）の状態になるとき、他方が（Ｄ）から（Ｅ）の状態になるように、印加電圧のタイミングをずらす必要がある。これは、十分大きな曲率を持たせることができれば、曲面での移送にも対応できることを意味する。

図１４は実施例４に示した屈曲型アクチュエータモジュールの他の応用形態である、光ファイバの光路を切り替える、光スイッチ素子を示す概念図である。（Ａ）は屈曲型アクチュエータモジュール１１０に電圧を印加していない状態の光スイッチ素子の様子を断面図で示し、（Ｂ）は、屈曲型アクチュエータモジュール１１０に電圧を印加して、アクチュエータを屈曲させ、光路を切り替えた状態の光スイッチ素子の様子を断面図で示した図である。

実施例５に示す光スイッチ素子１４０は、１系統の光入力用光ファイバ１４１と出力用の２系統の光出力用光ファイバ１４２ａ、１４２ｂおよび、アクチュエータモジュールに電圧を供給するための電極対１４３が埋め込まれた容器１４４と、容器１４４内部に収容された入力光集光用レンズ１４５、コリメート用レンズ１４６ａ、１４６ｂ、および、微小ミラー１４７が接合された実施例４で説明した屈曲型アクチュエータモジュール１１０から構成される。光スイッチ素子１４０の電極対１４３には、アクチュエータモジュールに電圧を供給するための電力制御装置１４８が接続されている。屈曲型アクチュエータモジュール１１０は、その両端の電極部分で、容器１４４に固定されるとともに、電極対１４３に電気的に接続される。屈曲型アクチュエータモジュール１１０の、電極とは反対側の端部には微小ミラー１４７が固定され、アクチュエータの屈曲に伴って、その位置と角度を変える。容器１４４内部には、光入力用の光ファイバ１４１と入射される光を集光するレンズ１４５、入射された光をコリメートして光出力用の光ファイバ１４２ａへ導入するためのレンズ１４６ａおよび光出力用の光ファイバ１４２ａが一直線状になるように配置されている。さらに、屈曲型アクチュエータモジュール１１０の先端部分に固定されたミラー１４７で反射された光を光ファイバ１４２ｂへ導入するためのレンズ１４６ｂと光出力用の光ファイバ１４２ｂが直線状に配置されている。

屈曲型アクチュエータモジュール１１０に電圧を印加する前は、図１４（Ａ）に示すように、アクチュエータが直線状になっており、光ファイバ１４１から入射した光信号は、レンズ１４５、１４６ａを経て、光ファイバ１４２ａへ導入される。すなわち光ファイバ１４２ａから光信号が出力される。図１４（Ｂ）に示すように、電力制御装置１４８から屈曲型アクチュエータモジュール１１０に電圧を印加すると、屈曲型アクチュエータモジュール１１０が屈曲して、レンズ１４５、１４６ａの間の光路にミラー１４７が挿入され、光ファイバ１４１から入射された光は、ミラー１４７で反射されて、レンズ１４６ｂを経て、光ファイバ１４２ｂへ導入される。すなわち光ファイバ１４２ｂから光信号が出力される。光を効率よく光ファイバ１４２ｂへ導入するために、ミラー１４７の角度は正確である必要があるので、容器１４４の内部の壁面に固定された支持片の適当な位置に小さい電磁石を固定し、ミラーに微小な軟磁性体（鉄、ケイ素鋼など）を固定しておくことによって、ミラーが所望の位置付近まで移動してきた後、ミラーに固定した微小な軟磁性体が電磁石に吸着されて正確な位置に固定する仕組みを備えてもよい。ミラーの位置を戻すときには、屈曲型アクチュエータモジュール１１０へ印加していた電圧を遮断すると同時に、電磁石のスイッチもオフにして、吸着していた状態から開放すればよい。また、ストッパーなどをつけ、屈曲型アクチュエータモジュール１１０がある角度以上に屈曲しないような仕組みを備えることもできる。

このようにして、実施例５の光スイッチ素子１４０を使用すれば、光ファイバ１４１から入射された光を、光ファイバ１４２ａから光ファイバ１４２ｂへと切り替えることができる。本発明の屈曲型アクチュエータモジュールは小型化が可能なため、小型で集積化が可能で、低電圧で駆動する光スイッチを容易に作製することができる。

図１５は実施例２に示したＶ字構造のアクチュエータモジュールの他の応用形態である、光ファイバの光路を切り替える、光スイッチ素子１５０を示す概念図である。（Ａ）は、Ｖ字型アクチュエータモジュール１５１に電圧を印加していない状態の光スイッチ素子の様子を示す断面図、（Ｂ）は、Ｖ字型アクチュエータモジュールに電圧を印加して、アクチュエータをたわませ、光路を切り替えた状態の光スイッチ素子の様子を示す断面図である。この光スイッチ１５０素子はミラー１４７をつけたアクチュエータモジュール部分以外は図１４で述べた光スイッチ１４０と同じである。光スイッチ１５０のアクチュエータモジュール１５１は両端が電極対１４３に固定され、その中央部には４５度に傾けたミラーが取り付けられている。アクチュエータモジュール１５１に電圧を印加しない状態では光ファイバ１４１から入力された光信号は、ミラー１４７により反射され光ファイバ１４２ｂに出力される（図１５（Ａ））。アクチュエータモジュール１５１に電圧を印加すると、アクチュエータモジュール１５１が伸長する。しかしアクチュエータモジュール１５１の両端は固定されているため、全長の変化分の伸びは垂直方向のたわみとして現れる。すなわち、アクチュエータモジュール１５１はたわむが、重力により、その中央部につけられたミラー１４７は、下に移動する。ミラー１４７が下に移動すると光ファイバ１４１から入力された光信号は、まっすぐ光ファイバ１４２ａへと出力される。このようにして、実施例５の光スイッチ素子１５０を使用すれば、光ファイバ１４１から入射された光を、光ファイバ１４２ｂから光ファイバ１４２ａへと切り替えることができる。

（実施例６）
実施例６は、実施例４で説明した屈曲型アクチュエータモジュールおよび実施例１で説明したアクチュエータ膜を利用した医療用チューブについて、図１６、図１７を用いて説明する。

図１６（Ａ）は、医療用チューブであるカテーテル等の可撓管１６０の縦断面構造の概略図、（Ｂ）は、図１６（Ａ）のＸ−Ｘ’位置で矢印方向に見た断面構造の概略図、（Ｃ）は、可撓管１６０中の湾曲部１６１を湾曲させた様子を示す断面構造の概略図、（Ｄ）はこの可撓管１６０を用いた医療用カテーテルシステムの概念図である。

図１６（Ａ）に示すように、可撓管１６０は、軸方向に中央に配置された中空のチューブ１６２と、チューブ１６２の周面に設けられた四つのアクチュエータユニット１６３、これらを覆うカバー１６４で構成される。可撓管１６０の先端は外部操作により任意の方向に曲げることのできる湾曲部１６１となっている。

チューブ１６２の中空部は観察または処置等に使用される。また、チューブ１６２は、シリコンゴムやポリウレタンのような、柔軟で弾力性のある材質からできており、外からの力で自由に曲げることができる。カバー１６４は、チューブ１６２、および四つのアクチュエータユニット１６３を覆い、かつ、先端部に開口１６５が設けられている。

各アクチュエータユニット１６３は、実施例４に記載の屈曲型アクチュエータモジュール１１０を直線状にチューブ１６２の軸方向に複数個つなげたものからなる。屈曲型アクチュエータモジュール１１０は、それぞれ電極１６６のある端部と、電極１６６と反対側の端部の両端部をチューブ１６２の外周面に固定されている。この際、コの字型に成形され、絶縁体膜１１２と接合されたアクチュエータ膜１１１は、図１６（Ａ）に示すように、電圧を印加されない状態でややたわんだ状態になるように固定する。さらに、電圧が印加されたときに、このたわみが大きくなるように屈曲型アクチュエータモジュール１１０の面を選んで固定する。屈曲型アクチュエータモジュール１１０は、チューブ１６２の外面に設けられた電極１６６に接合され、これに接合された柔軟なリード線１６７を介して、屈曲型アクチュエータモジュールに電圧を印加するための電力制御装置１６８につながっている。

図１６（Ｂ）に示すように、アクチュエータユニット１６３は湾曲部１６１部分のチューブ１６２の外周に沿って１６３ａ−１６３ｄの四つが設けられている。電極１６６は、図１１に示すように、コの字型のアクチュエータ膜の両端部に設けられるので、ここでは、１６３ａ_１，１６３ａ_２，１６３ｂ_１，---のように表示した。リード線１６７は、図１６（Ｂ）では、図が煩雑になるので、省略した。

実施例６の可撓管１６０の湾曲部１６１を曲げるには、湾曲部１６１部分に取り付けられたアクチュエータユニット１６３を伸縮させる。すなわち、アクチュエータユニット１６３ａを収縮し、アクチュエータユニット１６３ａの対面に配置されたアクチュエータユニット１６３ｃを伸長させると、湾曲部１６１はアクチュエータユニット１６３ａが内側になるように湾曲する。湾曲部１６１は、チューブ１６２の外周に沿ってアクチュエータユニット１６３を３箇所以上付けることにより、全方向自由に湾曲することができる。図１６では４箇所のアクチュエータユニットを備えた場合を示したが、この例では、アクチュエータユニット１６３ａ、１６３ｂとに同時に同じ電圧をかけると、図１６（Ｂ）の右４５度の角度に撓ませることができる。

このような湾曲を可能にするためにはアクチュエータユニットの変位が大きい必要がある。そのため、実施例６の可撓管１６０では、アクチュエータユニット１６３に変位が大きな屈曲型アクチュエータモジュール１１０を直線状に複数並べたものを使用する。屈曲型アクチュエータモジュール１１０は、電圧を印加したときに屈曲し、電圧を印加しないと直線状になる。この屈曲に伴う屈曲型アクチュエータモジュール両端の距離の変化は、実施例１で説明したアクチュエータ膜に同じ電圧を印加して伸縮させたときの、アクチュエータ膜両端の距離の変化と比べはるかに大きい。これを利用してアクチュエータユニット１６３とすることで、アクチュエータユニット１６３の変位を大きくする。

図１６（Ａ）のように可撓管１６０を直線状とするときは、屈曲型アクチュエータモジュール１１０がわずかに屈曲している状態となるよう、屈曲型アクチュエータモジュール１１０を固定する位置を調整する。あるいは、四つのアクチュエータユニットを平面状になるように固定して、それぞれに同じ電圧を印加して、屈曲型アクチュエータモジュール１１０がわずかに屈曲している状態を実現しても良い。このことにより、各アクチュエータユニット１６３の長さは同じになり、各屈曲型アクチュエータモジュール１１０も、チューブ１６２より張力を受けずに、可撓管１６０を直線状態に保つことができる。

図１６（Ｃ）に示すように、可撓管１６０中のアクチュエータユニット１６３ａに、電力制御装置１６８から大きな電圧を印加してアクチュエータユニット１６３ａを大きく収縮させ、アクチュエータユニット１６３ｃには電圧を印加しないで湾曲部１６１を湾曲させると上側に向かって屈曲する。可撓管１６０の屈曲方向と屈曲する角度は、電力制御装置１６８に対して電圧を印加するアクチュエータユニットと電圧の大きさを指定する信号を与えて制御することができる。

図１６（Ｄ）はこの可撓管１６０を用いた医療用カテーテルシステムの概念図である。システムは、可撓管１６０、電力制御装置１６８、湾曲操作装置部１６９からなる。可撓管１６０は電力制御装置１６８と電気的に接続されている。電力制御装置１６８は湾曲操作装置部１６９に接続されており、可撓管１６０の屈曲方向と屈曲する角度を指定する湾曲操作装置部１６９の操作にしたがって、可撓管１６０中のアクチュエータユニットに電圧を印加し、可撓管１６０の先端の湾曲部１６１を湾曲させる。このようにして、この可撓管を、手元で操作し、自由に湾曲させて能動カテーテルとして用いることができる。

次に、本発明のアクチュエータを利用した医療用チューブの別な形態を、図１７を用いて説明する。図１７（Ａ）は、医療用チューブであるカテーテル等の可撓管１７０の縦断面構造の概略図、（Ｂ）は図１７Ａ中に示したＸ−Ｘ’位置で矢印方向に見た断面構造の概略図である。可撓管１７０は、図１６で説明した可撓管１６０と同様に、軸方向に中央に配置された観察または処置等に使用される中空のチューブ１７２と、チューブ１７２の周面に沿って配置された四つのアクチュエータユニット１７３ａ−１７３ｄ、それらを覆うカバー１７４で構成され、可撓管１７０の先端には開口１７５が設けられ、可撓管１７０の先端部は外部操作により任意の方向に曲げることのできる湾曲部１７１となっている。

チューブ１７２は、シリコンゴムやポリウレタンのような、柔軟で弾力性のある材質からなるベースチューブ１７６と、その先端に接続された湾曲チューブ１７７からなる。湾曲チューブ１７７はベースチューブ１７６より更に柔らかい材質からなり、外部からの力で容易に自由に曲げることができる。

可撓管１７０と可撓管１６０の違いは、主にアクチュエータユニットにある。可撓管１６０は屈曲型アクチュエータモジュールを利用してアクチュエータユニット１６３の変位を大きくしたが、可撓管１７０では、屈曲型アクチュエータモジュールの代わりに、実施例１で説明したアクチュエータ膜を利用したアクチュエータユニット１７３を用いる。しかし、実施例１で説明したアクチュエータ膜は伸縮率が小さい、すなわち、膜の全長に対する膜の変位の割合が小さい。そのため、アクチュエータユニット１７３を可撓管１７０の軸方向にそって配置し、全長を長くすることで変位量を大きくしている。

アクチュエータユニット１７３ａ−１７３ｄは、チューブ１７２の外側に取り付けられたガイド１７８ａ−１７８ｄによって束縛されている。これにより、アクチュエータユニット１７３は、チューブ１７２の軸方向には可動であるが、半径方向には動きが制限されている。ガイド１７８ａ−１７８ｄの間隔は、湾曲チューブ１７７の位置では、ベースチューブ１７６の位置より短間隔になっている。さらに、アクチュエータユニット１７３の両端はチューブ１７２の両端に固定されている。各アクチュエータユニット１７３の両端は柔軟なリード線１６７を介して、電力制御装置１６８から電圧を印加することができる。実施例１で説明したように、電圧を印加されたアクチュエータユニット１７３は収縮する。したがって、湾曲チューブ１７７は収縮したアクチュエータユニット１７３が内側になるように屈曲する。アクチュエータユニット１７３は湾曲チューブ１７７の周面に沿って複数個（図１７では４個）設けられているため、可撓管１７０の屈曲させたい方向に応じて電圧を印加するアクチュエータユニット１７３を決めて、電圧を印加すると、可撓管１７０の湾曲部１７１は、可撓管１６０の場合と同様に、全方向自由に湾曲することができる。したがって、図１６（Ｄ）で説明したように、電気信号により可撓管１７０の湾曲部１７１は自由に湾曲させることができる。

この図１７では、アクチュエータ膜１の両端に電極をつけたが、アクチュエータ膜の抵抗が高い場合、電源の電圧が高くなければ十分な動作が期待できない。したがって、アクチュエータ膜の途中に複数電極を取り付け、並列的に動作させるようにすれば、電源電圧が低く抑えられる。

本発明のアクチュエータモジュールは軽量で小型化が可能なため、これを利用して小型、軽量の医療用チューブを容易に作製することができる。

（Ａ）は電圧を印加する前のアクチュエータ材料の状態、（Ｂ）は電圧を印加したときのアクチュエータ材料の状態を模式的に示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、図１で説明したようなアクチュエータ材料の通電加熱による変形を使用した本発明のアクチュエータの基本動作について説明する図である。 アクチュエータ膜１の伸縮率と膜に入力された電気エネルギーの関係を示す図である。 （Ａ）−（Ｄ）は実施例１のアクチュエータ膜の作製方法の工程を示す概念図である。 アクチュエータ膜を成形する基板の例を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）は実施例２のアクチュエータモジュール構造の概念を示す断面図であり、（Ａ）は電圧を印加する前のアクチュエータモジュールの状態の断面図、（Ｂ）は電圧を印加したときのアクチュエータモジュールの状態の断面図である。 （Ａ）−（Ｃ）はＶ字構造の利用に係るアクチュエータモジュール構造の形態を示す概念図であり、（Ａ）はＶ字構造を用いたアクチュエータモジュールの外形を斜め上から見た斜視図、（Ｂ）はアクチュエータモジュールに電圧を印加しない状態のピンを下げた状態を表すアクチュエータモジュールの断面図、（Ｃ）はアクチュエータモジュールに電圧を印加することでアクチュエータ膜を伸長させ、ピンを上げた状態を表すアクチュエータモジュールの断面図である。 図７に示すアクチュエータモジュールを用いたアクチュエータマトリクスを上部から見た様子を示した概念図である。 実施例２の図６で説明したアクチュエータモジュールを使用した点字表示デバイス９０を斜めからみた様子を示す概念図、（Ｂ）は点字表示デバイス９０を用いた点字表示システムの概念図である。 （Ａ）は実施例２の図７で説明したアクチュエータモジュール７０を使用した点字表示デバイス１００を上部から見た様子を示す概念図、（Ｂ）は点字表示デバイス１００を用いた点字表示システム１０１の概念図である。 （Ａ）、（Ｂ）は実施例１で説明したアクチュエータ膜の伸縮動作を屈曲動作となるようにしたアクチュエータモジュールを説明する図であり、（Ａ）はアクチュエータモジュール１１０に電圧を印加する前の状態を斜め上から見た概略図、（Ｂ）はアクチュエータモジュール１１０に電圧を印加したときの状態を斜め上から見た概略図である。 （Ａ）は、実施例４で説明した屈曲型アクチュエータモジュール１１０を複数個利用した搬送素子１２０を真上から見た状態と、搬送素子１２０を動作させるための制御回路を含めた搬送システムの概略図、（Ｂ）は搬送素子１２０を斜め上から見た斜視図である。 （Ａ）は搬送素子のアクチュエータ列のいずれにも通電していない状態を示す図、（Ｂ）はアクチュエータ列１２８ｂとアクチュエータ列１２８ｄに通電した状態を示す図、（Ｃ）は、図１３（Ｂ）の状態から、アクチュエータ列１２８ａおよびアクチュエータ列１２８ｃにも通電した状態を示す図、（Ｄ）は、その後、アクチュエータ列１２８ｂおよびアクチュエータ列１２８ｄの通電を遮断した状態を示す図、（Ｅ）は全てのアクチュエータ列の通電を遮断直後の状態を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、実施例４に示した屈曲型アクチュエータモジュールの他の応用形態を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、実施例２に示したＶ字構造のアクチュエータモジュールの他の応用形態である、光ファイバの光路を切り替える、光スイッチ素子１５０を示す概念図である。 （Ａ）は、医療用チューブであるカテーテル等の可撓管１６０の縦断面構造の概略図、（Ｂ）は、図１６（Ａ）のＸ−Ｘ’位置で矢印方向に見た断面構造の概略図、（Ｃ）は、可撓管１６０中の湾曲部１６１を湾曲させた様子を示す断面構造の概略図、（Ｄ）はこの可撓管１６０を用いた医療用カテーテルシステムの概念図である。 （Ａ）は、医療用チューブであるカテーテル等の可撓管１７０の縦断面構造の概略図、（Ｂ）は図１７Ａ中に示したＸ−Ｘ’位置で矢印方向に見た断面構造の概略図である。

符号の説明

１…アクチュエータ膜、２…高分子材料、３…導電性微粒子、４…電源、５…スイッチ、６…電極、７…電極、８…負荷、１０…アクチュエータ材料、１１…高分子、１２…溶媒、１３…導電性微粒子、１４…高分子と導電性微粒子の混合溶液、１５…基板、１６…高分子と導電性微粒子の混合膜、１７…純水、２１…基板、２２…型、６０…アクチュエータモジュール、６１…アクチュエータ膜、６２…電極、６３…電極、６４…伸縮性部材、６５…容器、６６…ピン、７０…アクチュエータモジュール、７１…アクチュエータ膜、７２…電極、７３…電極、７４…容器、７５…孔、７６…ふた、７７…バネ、７８…ピン、９０…点字表示デバイス、９１…点字表示システム、９２…点字表示端末、９３…制御指令装置、９４…駆動信号生成装置、１００…点字表示デバイス、１０１…点字表示システム、１０２…点字表示端末、１１０…屈曲型アクチュエータモジュール、１１１…アクチュエータ膜、１１２…絶縁体膜、１１３…電極、１１４…電極、１２０…搬送素子、１２１…信号切替え装置、１２２…電力制御装置、１２３…基板、１２４…金属電極、１２５…配線パターン、１２６ａ〜ｄ…電圧入力端子、１２７ａ〜ｄ…スイッチ、１２９…グラウンド端子、１３０…搬送物、１４０…光スイッチ素子、１４１…光入力用光ファイバ、１４２ａ…光出力用光ファイバ、１４２ｂ…光出力用光ファイバ、１４３…電極対、１４４…容器、１４５…入力光集光用レンズ、１４６ａ…コリメート用レンズ、１４６ｂ…コリメート用レンズ、１４７…ミラー、１４８…電力制御装置、１５０…光スイッチ、１５１…アクチュエータモジュール、１６０…可撓管、１６１…湾曲部、１６２…チューブ、１６３…アクチュエータユニット、１６４…カバー、１６５…孔部、１６６…電極、１６７…リード線、１６８…電力制御装置、１６９…湾曲部操作装置部、１７０…可撓管、１７１…湾曲部、１７２…チューブ、１７３…アクチュエータユニット、１７４…カバー、１７５…孔部、１７６…ベースチューブ、１７７…湾曲チューブ、１７８…ガイド。

Claims (19)

1. 導電性微粒子と高分子材料の混合物よりなり、通電により膨張あるいは収縮する材料からなる成形物と、
   前記成形物の、前記膨張あるいは収縮する部位の両側に通電用に少なくとも二つの電極を有し、
   前記成形物が、該成形物に形成された電極間に流れる電流によるジュール熱による発熱に伴う熱膨張、あるいは熱収縮により変形し、
   前記成形物の変形量は、前記電極間に印加する電圧を調整することにより制御され、
   前記材料の線熱膨張係数が１００℃から２００℃の温度範囲で０．００００１から０．００１／Ｋであることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記成形物の変位量が、前記電極間に印加する電圧に比例することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記成形物は、該成形物の受ける負荷を利用して、アクチュエータの機能を果たすものである請求項１記載のアクチュエータ。
4. 前記材料の電気伝導度が１００℃から２００℃の温度範囲で０．１から１０００Ｓ/ｃｍ、比重が１００℃から２００℃の温度範囲で０．５から５である請求項１記載のアクチュエータ。
5. 前記材料の、引張り強度が１００℃から２００℃の温度範囲で０．３メガパスカルから２００メガパスカルである請求項１記載のアクチュエータ。
6. 前記材料の、線熱膨張係数が１００℃から２００℃の温度範囲で０．００００５から０．０００２／Ｋである請求項１記載のアクチュエータ。
7. 前記材料の、電気伝導度が１００℃から２００℃の温度範囲で０．１から１００Ｓ/ｃｍである請求項１記載のアクチュエータ。
8. 前記材料の、比重が１００℃から２００℃の温度範囲で０．５から５である請求項１記載のアクチュエータ。
9. 前記材料の、引張り強度が１００℃から２００℃の温度範囲で１メガパスカルから１００メガパスカルである請求項１記載のアクチュエータ。
10. 前記成形物に通電する際に、前記成形物の温度が前記材料のガラス転移温度以下に維持できる電流に制限される請求項１記載のアクチュエータ。
11. 前記導電性微粒子が、炭素微粒子、白金微粒子、金微粒子、銀微粒子、ニッケル微粒子、銅微粒子、カーボンナノチューブ、あるいはそれらの混合物である微小な導電体である請求項１記載のアクチュエータ。
12. 前記高分子材料が、パーフルオロスルホン酸コポリマー、アクリルニトリルーブタジエンースチレン共重合体、アクリル樹脂などのポリメタクリル酸エステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネイト、ポリシクロヘキシルエチレンなどのポリアルケン類、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸である、請求項１に記載のアクチュエータ。
13. 導電性微粒子と高分子材料の混合物よりなり、通電により膨張あるいは収縮する材料からなるアクチュエータ膜と、
    前記アクチュエータ膜の、前記膨張あるいは収縮する部位の両側に通電用に少なくとも二つの電極と、を有し、
    前記アクチュエータ膜と二つの電極とが所定の容器に収納され、且つ
    前記アクチュエータ膜の変形量は、前記電極間に印加する電圧を調整することにより制御され、
    前記材料の線熱膨張係数が１００℃から２００℃の温度範囲で０．００００１から０．００１／Ｋであることを特徴とするアクチュエータモジュール。
14. 前記アクチュエータ膜の二つの前記電極が前記容器の対向する内面に固定され、
    前記アクチュエータ膜の中央部に負荷が結合されて、前記アクチュエータ膜に常に張力がかかった状態にした請求項１３記載のアクチュエータモジュール。
15. 基板と、
    導電性微粒子と高分子材料の混合物よりなり、通電により膨張あるいは収縮する材料からなるアクチュエータ膜に、該アクチュエータ膜より熱膨張率の小さい材料からなる膜を接合した多層膜と、
    前記アクチュエータ膜の、前記膨張あるいは収縮する部位に通電用に少なくとも二つの電極と、を有し、
    前記多層膜の一端が前記基板に固定され、且つ
    前記アクチュエータ膜の変形量は、前記電極間に印加する電圧を調整することにより制御され、
    前記材料の線熱膨張係数が１００℃から２００℃の温度範囲で０．００００１から０．００１／Ｋであることを特徴とするアクチュエータモジュール。
16. 前記多層膜が所定の形状に成形されるとともに、複数の多層膜が並列に配置され、且つ並列に配置された多層膜の同一の端部が前記基板上に固定された多層膜列と、
    前記多層膜列と同じ構成の多層膜列を、前記多層膜列と逆向きに配列した多層膜の同一の端部が前記基板上に固定された多層膜列と、
    を並列に配置した請求項１５記載のアクチュエータモジュール。
17. 前記対とされた多層膜列を並列に複数配列して、同一の端部が前記基板上に固定されたそれぞれの多層膜列のアクチュエータ膜に交互に電圧を印加する請求項１６記載のアクチュエータモジュール。
18. 先端部が可撓性に富んだ中空のチューブと、
    該チューブの外面の周囲で、且つ、チューブの軸方向に固定された三つの導電性微粒子と高分子材料の混合物よりなり、通電により膨張あるいは収縮する材料からなるアクチュエータ膜と、
    前記アクチュエータ膜の、前記膨張あるいは収縮する部位の両側に通電用に少なくとも二つの電極と、該電極に接続されるとともに前記チューブの外面に沿わせて設けられたリード線と、
    前記中空のチューブ、アクチュエータ膜、電極およびリード線をカバーする外筒と、よりなり、
    前記アクチュエータ膜の変形量は、前記電極間に印加する電圧を調整することにより制御され、
    前記材料の線熱膨張係数が１００℃から２００℃の温度範囲で０．００００１から０．００１／Ｋであることを特徴とするアクチュエータモジュール。
19. 前記中空のチューブの先端部が、チューブの中央部よりも、より可撓性に富むものである請求項１８記載のアクチュエータモジュール。

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