JPS63309252A - 含水高分子ゲルアクチュエ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、含水高分子ゲルを利用した含水高分子ゲルア
クチュエータに関する。

Ｂ８発明の概要 本発明は、ベースフィルムを略コイル状に巻き付は内部
に含水高分子ゲルを収容したゲル収容室を形成すると共
に前記ベースフィルムの内面にゲル収容室の略全般に亘
って配される一対の電位に対応する導電部を設けてアク
チュエータ本体を構成し、前記一対の導電部に通電する
ことにより、含水高分子ゲルに電流が流れて含水高分子
ゲルが脱水し脱水した水がベースフィルム間の間隙から
アクチュエータ本体外に排出されてアクチュエータ本体
が収縮され、この過程において一対の導尾部がゲル収容
室の略全般に亘って配され含水高分子ゲルと導電部との
接触面積が大きく脱水作用が速いためアクチュエータ本
体の収縮が連応性に優れるという効果がある。また、ア
クチュエータの内容積を十分小さくとれば、伸長時の収
水時間も速くできる。

Ｃ０従来の技術 医療・看護、リハビリテーション、アミューズメント、
家庭用サービスなどの分野に活用されるロボットに用い
られるアクチュエータにあっては生体に近い柔軟性を備
えたものが望まれる。その一つとして含水高分子ゲルの
吸水・脱水作用を利用したものが提案されている。

従来の含水高分子ゲルアクチュエータは、第２１図及び
第２２図に示すように、含水高分子ゲルであるポリビニ
ルアルコールとポリアクリル酸の架橋体２０の両端に導
電部５．６をそれぞれ設けて構成されている。第２Ｉ図
に示すように、架橋体２０に水を含ませた状態で導電部
５．６の一方に正電位を他方に負電位を印加すると架橋
体２０が電界中に配され架橋体２０が脱水する。すると
、架橋体２０は、第２２図に示すように、その体積を収
縮し導電部５．６間の距離りが短縮する。導電部５，６
への電圧印加を停めると、架橋体２０は吸水を開始し、
第２１図に示すようにその体積を膨張し導電部５．６間
の距ＭＬが伸長する。

Ｄ８発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記含水高分子ゲルアクチュエータにお
いては、一対の導電部５．６が架橋体２０の両端に設け
られているので、導電部５．６と含水高分子ゲルである
架橋体２０との接触面積が少なく応答速度が遅いという
欠点があった。

そこで、本発明は応答速度が速い含水高分子ゲルアクチ
ュエータを提供することを目的とする。

Ｅ０問題点を解決するための手段 上記目的を達成するための本発明の構成は、ベースフィ
ルムを略コイル状に巻き付けこの巻き付けたベースフィ
ルムの内部にゲル収容室を構成しこのゲル収容室に含水
高分子ゲルを収容すると共に前記ベースフィルムの内面
に前記ゲル収容室の略全般に亘って配される一対の導電
部を設けてアクチュエータ本体を構成し、前記一対の導
電部に通電したことを特徴とする。

Ｆ０作用 含水高分子ゲルに水を吸入させアクチュエータ本体を伸
長状態とし、一対の導電部に所定の電圧を印加すると、
含水高分子ゲルに電流が流れて含水高分子ゲルが脱水し
脱水した水がベースフィルム間の間隙やベースフィルム
に設けた孔または透水性フィルムに元からある微細孔か
らアクチュエータ本体外に排出されてアクチュエータ本
体が収縮する。このアクチュエータ本体の収縮作用にお
いて一対の導電部がゲル収容室の略全般に亘って配され
含水高分子ゲルと導電部との接触面積か大きく脱水作用
が速く行われる。又、一対の導電部への電圧印加を停止
すると、含水高分子ゲルが水の吸入を開始しアクチュエ
ータ本体が伸長する。

Ｇ、実施例 以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図乃至第７図において本発明の第１実施例が示され
ている。

第１図は含水高分子ゲルアクチュエータの全体構成図を
示し、第２図はアクチュエータ本体の概念断面図（単純
化のため実際の巻き数より少なくしである。）を示し、
第３図は第２図の一部拡大断面図を示し、第４図は第１
図及び第６図のＡ。

Ａｒ線断面図を示し、第５図は第１図のＡ！Ａ、線断面
図を示し、第６図はベースフィルムの展開図を示し、第
７図はアクチュエータ本体の正面図を示している。

アクチュエータ本体ｌは、第１図及び第２図に示すよう
に、ベースフィルム２を略コイル状に巻き付は内部に含
水高分子ゲル３を収容したゲル収容室４を形成すると共
にベースフィルム２の内面に一対の導電部５．６を設け
て構成されている。

前記アクチュエータ本体ｌは、第１図及び第２図に詳し
く示すように、絶縁性を有する部材であるベースフィル
ム２から形成され、中心部２ａから中心軸方向Ｃの左右
に向かうに従ってその外形形状が幅狭となるコイル状に
巻き付けられ中心軸方向Ｃに伸縮容易なコイル状部７と
このコイル状部７の両端に設けられた円筒状の電極接続
部８とから成る。前記コイル状部７は、第２図、第３図
及び第４図に詳しく示すように、隣接するベースフィル
ム２の間隔ｄがゲル収容室４に収容された含水高分子ゲ
ル３が外部に流出しないように設定されている。又、コ
イル状部７にはゲル収容室４と外部を連通する小孔９が
多数形成されこの小孔９・の径は上記と同様に含水高分
子ゲル３が外部に流出しないように設定される。尚、通
水手段は小孔９ではなくベースフィルム２に通水性のあ
る素材を用いることにより、又、これらを併用して構成
してもよい。

前記ゲル収容室４は、第２図に詳しく示すように、ベー
スフィルム２のコイル状部７で被われて構成されこの内
部に含水高分子ゲル３が収容される。この含水高分子ゲ
ル３としてはポリ（２−アクリルアミド２−メチルプロ
パンスルホン酸）やポリメタクリル酸、ポリアクリル酸
ナトリウム等のポリアニオン、四級化ポリビニルピリジ
ン等のポリカチオンゲルやポリビニルアルコールとポリ
アクリル酸を架橋不溶化した合成高分子やカンテンやア
ルギン酸等の糖類、コラーゲンやアルブミン等タンパク
質の天然高分子ゲルなどの高分子電解質ゲルが適当であ
る。この含水高分子ゲル３をゲル収容室４に収容して含
水状態にすると、ベースフィルム２で形成されたコイル
状部７が中心軸方向Ｃにバネ状に伸縮容易なためコイル
状部７は含水高分子ゲル３の吸水膨張の圧力によって伸
長しアクチュエータ本体１は伸長状態になる。

前記一対の導電部５．６は、第２図に示すように、アク
チュエータ本体ｌの中心部２ａを境としてその左側に一
方の導電部５がその右側に他方の導電部６がそれぞれ配
置されている。この一対の導電部５．６は第６図に示す
ようにベースフィルム２の長手方向に添ってベースフィ
ルム２の内面に設けられている。即ち、ゲル収容室４を
略コイル状に取り巻くように設けられゲル収容室４の略
全般に亘って配されている。一対の導電部５．６の端部
はアクチュエータ１の電極接続部８にそれぞれ延設され
この部分で一対の導電部５．６はリード線１１に結線さ
れている。第５図にその結線状態が示され、第５図にお
いてリード線１１の先端は被覆部Ｉ２が除去されて導電
線１３が露出されておりこの導電線１３が円筒状の電極
接続部８内に挿入されている。導電線１３と導電部５．
６とは半田又は導電性接着剤１４を介して接続されてい
る。被覆部１２の円周面及び端面と電極接続部８のそれ
とは接着剤１５を介して接続されており、この電極接続
部８及びリード線１１が鍵の役目をなす。この両方の鍵
の少なくとも一方が被作動部に接続される。

また、前記両端のリード線１１は、第１図に示すように
、スイッチＳＷ１可変抵抗ＶＲ，直流電源ＤＣＶ及び電
流計Ａから成る直列回路を介して接続される。そして、
これらの直列回路によって前記一対の導電部５．６にそ
れぞれ異なる極性の電圧が印加され、この一対の導電部
５．６は一対の電位（正極と負極）に対応するものとな
っている。

次に、上記含水高分子ゲルアクチュエータの製造方法に
ついて説明する。

先づ、絶縁性のベースフィルム２の片面に導電性の箔を
蒸着あるいは接着しこれを所定箇所エツチングして一対
の導電部５．６を作成する。そして、これを第６図に示
すように、中心部２ａを中心に反対方向に帯部２ｂが延
設されこの双方の帯部２ｂは補助線Ｂに対し反対方向に
傾斜角αを有して傾斜されこの双方の帯部２ｂの先端に
は後に電極接続部８となる平行部２ｃが構成されて成る
形状に裁断する。

次に、一対の導電部５，６がないベースフィルム２の箇
所に多数の小孔９を形成する。尚、一対の導電部５．６
の箇所にも電気的特性に不具合がない範囲で小孔９を設
けてもよい。この小孔９を形成した後に一対の導電部５
．６がある面を内側としてベースフィルム２を適当な巻
数に巻きこれを熱を加えるなどしてその形を固定する。

ベースフィルム２両端の電極接続部８にリード線１１の
導電線１３を挿入しこれらを半田や導電性接着剤１４及
び接着剤１５で固定する。前記リード線１１の他端側に
はスイッチＳＷ１可変抵抗ＶＲ等を接続する。

最後に、ベースフィルム２のゲル収容室４に含水高分子
をゾル状にして流し込み流し込んだ後ゲル状にすること
によりゲル収容室４に含水高分子ゲル３を収容すれば完
了する。

このようにして製造される含水高分子ゲルアクチュエー
タの動作原理について次に説明する。

含水高分子ゲルアクチュエータを水中に配置して使用す
る場合につき説明する。

スイッチＳＷをオンすると、第２図に示すように、一対
の導電部５．６の一方に正電位が他方に負電位がそれぞ
れ印加される。すると、含水高分子ゲル３に電流が流れ
含水高分子ゲル３が脱水を始める。含水高分子ゲル３か
ら排出した水分Ｗは、第３図に詳しく示すように、隣接
するベースフィルム２の間隙ｄ及びベースフィルム２の
小孔９からアクチュエータ本体Ｉ外に排出され含水高分
子ゲル３の体積が縮小する。含水高分子ゲル３の体積が
縮小すると、含水高分子ゲル３の圧力で中心軸方向Ｃに
伸長していたアクチュエータ本体ｌがその圧力を受けな
くなり内部の含水高分子ゲル３の収縮とともに、第２図
及び第７図に示すように、中心軸方向Ｃに収縮して中心
軸方向Ｃに作用する力Ｆが生じる。

この上記過程において、一対の導電部５，６がゲル収容
室４の略全般に亘って配され含水高分子ゲル３と導電部
５．６との接触面積が大きいため脱水作用が速く行われ
る。又、従来に比較して一対の導電部５．６間の距離が
短いので、従来と同一電圧を印加しても含水高分子ゲル
３中に強い電界が生じ脱水作用が促進される。

次に、含水高分子ゲル３が脱水しアクチュエータ本体１
が収縮した状態で一対の導電部５．６への電圧印加を停
止すると、含水高分子ゲル３が水分Ｗの吸入を開始する
。すると、アクチュエータ本体！外に排出された水分Ｗ
が隣接するベースフィルム２の間隙ｄ及びベースフィル
ム２の小孔９からゲル収容室４に入り込み含水高分子ゲ
ル３は体積を膨張する。そして、この膨張した含水高分
子ゲル３の圧力でアクチュエータ本体Ｉは中心軸方向Ｃ
に伸長して中心軸方向Ｃに作用するＦと反対方向の力が
生じる。

第８図及び第１２図において本発明の第２実施例が示さ
れている。

第８図はアクチュエータ本体の概念断面図（単純化のた
め実際の巻き数より少なくしである。）′を示し、第９
図は第８図の一部拡大断面図を示し、第１θ図はベース
フィルムの展開図を示し、第１１図は第１０図のＡｓ　
　Ａｓ線断面図を示し、第１２図は含水高分子ゲルアク
チュエータの回路図を示している。

この第２実施例の説明においては前記第１実施例と比較
して一対の導電部５．６の構成のみが相違し他の構成は
同一であるため同一構成箇所は図面に第１実施例と同一
符号を付してその説明を省略する。

一対の導電部５．６は、第８図、第９図及び第１１図に
示すように、一方の導電部５がベースフィルム２の長手
方向に添って一定の間隔を隔てて二箇所に分割して設け
られ、他方の導電部６が一方の導電部５の間にそれぞれ
一定間隔ｅの絶縁部１７を介してベースフィルム２に設
けられている。

即ち、一対の導電部５．６は共にアクチュエータ本体ｌ
の外形形状と同じように中央を境に左右方向に向かうに
従ってその径を小さくする略コイル状をなしてゲル収容
室４の略全般に亘って配されている。一方の導電部６の
端部はベースフィルム２の一方の電極接続部８に延設さ
れ、他方の導電部５の端部はその分割された双方の導電
部５が一方の導電部６に接続されないように結合された
後に他方の電極接続部８に延設されている。

このような一対の導電部５．６を構成するには、第１０
図に示すように、コイル状に巻き付ける以前のベースフ
ィルム２の片面に導電性の箔を蒸着あるいは接着しこれ
にベースフィルム２の略長手方向に二本の平行線となり
、且つこの二本の平行線の一端が接続され他端がベース
フィルム２の側端面に逃げる絶縁部１７を形成するよう
エッチングを施して前記の導電性の箔を除去すればよい
。

このように構成すれば、第１Ｏ図に示すように、一対の
導電部５．６同士が平行に、且つ、微小な間隔ｅを介し
て近接される。

この第２実施例においても前記第１実施例と略同様な作
用・効果を有する。また、この第２実施例においては、
第９図に詳しく示すように、ベースフィルム２の内面に
接した含水高分子ゲル３の全面にわたって微小な間隔ｅ
を介して異なる電圧が印加されるので、その近傍の含水
高分子ゲル３には強い電界が発生し含水高分子ゲル３の
脱水作用が全面にわたって高速度で行われる。脱水され
た水分Ｗは隣接するベースフィルム２の間隙ｄ及びベー
スフィルム２の小孔９からアクチュエータ本体ｌ外に排
出される。導電部５．６近傍の含水高分子ゲル３の脱水
がこのようにして進行するとゲル収容室４の中央に位置
する含水高分子ゲル３との間に含水量の差（傾斜）が生
じる。そして、この差をなくすべく中心に位置する含水
高分子ゲル３の水分Ｗが外側に向かって含水高分子ゲル
３中を急速に拡散移動する。外側に拡散移動した水分Ｗ
は前記の含水高分子ゲル３の脱水作用により排出される
。以上より、導電部５．６近傍での脱水とゲル収容室４
中央部分での水分Ｗ移動により含水高分子ゲル３全体の
脱水が第１実施例の場合よりも高速度で進行する。さら
に、一方の導電部５と他方の導電部６とが微小な間隔ｅ
で配されているため印加する電圧が小さくてもその近傍
には強い電界が生ずるので、外部の直流電源ＤＣＶを簡
易化できる。

第１３図乃至第１５図において本発明の第３実施例が示
されている。

第１３図はベースフィルムの展開図を示し、第１４図は
第１３図におけるＡ４　　Ａ４線断面図を示し、第１５
．図は含水高分子ゲルアクチュエータの回路図を示して
いる。

この第３実施例においても前記第１実施例及び第２実施
例と比較して一対の導電部５．６の構成のみが相違し他
の構成は同一であるため同一構成箇所は図面に第１実施
例と同一符号を付してその説明を省略する。

一対の導電部５．６は、第１３図及び第１４図に示すよ
うに、ベースフィルム２に設けられた導電性の箔がベー
スフィルム２の長手方向に添って形成された８字連続形
状の絶縁部１７で画成されて一方の導電性の箔が一方の
導電部５として他方の導電性の箔が他方の導電部６とし
て構成されている。８字連続形状の絶縁部１７の端部は
それぞれベースフィルム２の側端面に逃げており一方の
電極接続部８のみが一方の導電部５に、他方の電極接続
部８のみが他方の導電部６にそれぞれ電圧を印加できる
よう構成されている。尚、絶縁部１７の折曲形状は８字
連続形状である必要はなく連続した折曲形状であればよ
い。このように構成すれば、第１５図に示すように、一
対の導電部５゜６が櫛の歯を互いに噛み合わせたように
して近接される。

この第３実施例においても前記第１実施例及び第２実施
例と略同様な作用・効果を有する。また、この実施例で
は絶縁部１７をＳ字形状に設けたので、第２実施例のも
のよりも一対の導電部５．６同士が微小な間隔ｅを介し
て近接する距離が長い。

そのため、強い電界が発生する領域が大きくなり含水高
分子ゲル３の脱水作用がより高速度で行われる。

第１６図乃至第’１８図において本発明の第４実施例が
示されている。

第１６図はアクチュエータ本体の正面図を示し、第１７
図はベースフィルムの展開図を示し、第１８図は第１６
図及び第１７図のＡｓ　　Ａｓ線断面図を示している。

この第４実施例においては、ベースフィルム２は第１７
図に示すように略Ｖ字状をなし一対の導電部５．６はベ
ースフィルム２の中央尖端部を境として左右にそれぞれ
形成されている。そして、上記ベースフィルム２を中央
尖端部が巻き付けた後に外側中央となるべく一対の導電
部５．６側の面を内側として巻き付けこれを固定するこ
とによって構成される。他の構成は前記第１実施例のも
のと略同−であるため第１実施例と同一符号を図面に付
してその説明を省略する。

この第４実施例においても前記第１実施例と同様な作用
・効果を奏する。又、この第４実施例と同様にベースフ
ィルム２を略Ｖ字状に形成し、これに第２実施例や第３
実施例で示した一対の導電部５．６の構成を適用してア
クチュエータ本体１を作成することもできる。

本発明の第１乃至第３実施例に係る含水高分子ゲルアク
チュエータをマニュピレータに適用した例が第１９図に
示されている。

第１９図において、取付台２５には肩関節部２６を介し
て上腕骨部２７が回転自在に支持されている。

この上腕骨部２７の他端には肘関節部２８を介して前腕
骨部２９が回転自在に設けられている。

この前腕骨部２９の他端には手関節部３０を介して母指
骨部３１及び中手骨部３２がそれぞれ回転自在に支持さ
れている。

この中手骨部３２の他端には指関節部３３と指骨部３４
とがこの順序で複数個接続されている。

これら上腕骨部２７．前腕骨部２９等の骨格部が含水高
分子ゲルアクチュエータにて可動される。

含水高分子ゲルアクチュエータは、前記上腕骨部２７．
前腕骨部２９等の骨格部をボディ３５にて被い、このボ
ディ３５の形状はほぼ人間の上肢の形状を有している。

このボディ３５は、肘関節部２８等の関節部付近が蛇腹
状に形成され骨格部の可動と共に変形自在に構成されて
いると共にこのボディ３５内には収納室３６が設けられ
ている。

この収納室３６は、密封されてこの中に水ａが充填され
ていると共に四本のアクチュエータ本体１が配置されて
いる。尚、水＆はアクチュエータ本体ｌの駆動のために
用いられるのみならず潤滑・冷却の用にも供される。

この四本のアクチュエータ本体ｌは、人間の上肢の主要
な運動を行うべく各骨格部に接続されている。

即ち、二本のアクチュエータ本体Ｉは、前記上腕骨部２
７をはさんで対向位置に配され、これら二本のアクチュ
エータ本体Ｉの両端は上腕骨部２７の上部と前腕骨部２
９の上部とにワイヤ１９を介してそれぞれ接続されてい
る。また、他の二本のアクチュエータ本体ｌの一方は、
前記前腕骨部２９に添うよう配され、このアクチュエー
タ本体ｌの両端は前腕骨部２９の上部と母指骨部３１と
。

中手骨部３２及び各指骨部３４とにそれぞれ接続されて
いる。前記中手骨ｆｆ１３２及び三本の指骨部３４とは
一本のワイヤ１９にて接続されさらにこのうち前記中手
骨部３２と二本の指骨部３４とは滑車３７を介して接続
されている。他方のアクチュエータ本体１は、前記前腕
骨部２９に添うよう配され、このアクチュエータ本体ｌ
の両端は前腕骨部２９の上部と中手骨部３２とにそれぞ
れワイヤ１９を介して接続されている。

而して、各アクチュエータ本体ｌの各導電部４に電圧を
印加して四本のアクチュエータ本体ｌを適宜に伸縮制御
することにより人間の腕に模した運動を行わせることが
できる。

また、前記マニュピレータの応用例においては、第１９
図に示すように一本のアクチュエータ本体１が人体筋３
８を構成しているが、厚さが数μｍ程度のベースフィル
ム２を使用してアクチュエータ本体ｌの外形を１００μ
ｍ程度に形成すれば人体筋３８の筋線維３９と同じ太さ
になるので、多数のアクチュエータ本体Ｉを束ね合わせ
て集合アクチュエータを構成したりまたはその中の■っ
の含水高分子ゲルアクチュエータはセンサとして使用し
てもよい。また同様に多数のアクチュエータ本体１を束
ね合わせて第２０図に示すような各種の人体筋３８と同
型のモデルを作ることができる。

Ｈ９発明の効果 以上述べたように本発明によれば、含水高分子が収容さ
れたゲル収容室の略全般に亘って一対の導電部を設けた
ので、含水高分子ゲルと導電部との接触面積が大きく脱
水作用が速いためアクチュエータ本体の収縮が連応性に
優れたものになるという効果を奏する。

また、含水高分子ゲルをベースフィルムで被う構成なの
で、生体に近い柔軟性を備えた軽量のアクチュエータと
することが可能であり、また薄いベースフィルムを使用
することによって小径の紡錘形とし、これを束ね合わせ
て集合アクチュエータとして生体筋に近い動作を行わせ
るなどの効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図は本発明の第１実施例を示し、第１図
は含水高分子ゲルアクチュエータの全体構成図、第２図
はアクチュエータ本体の概念断面図、第３図は第２図の
一部拡大断面図、第４図は第１図及び第６図のＡ、−Ａ
、線断面図、第５図は第１図のＡ！　　Ａｔ線断面図、
第６図はベースフィルムの展開図、第７図はアクチュエ
ータ本体の正面図であり、 第８図乃至第１２図は本発明の第２実施例を示し、第８
図はアクチュエータ本体の概念断面図、第９図は第８図
の一部拡大断面図、第１０図はベースフィルムの展開図
、第１１図は第１Ｏ図のＡ−Ａｓ線断面図、第１２図は
含水高分子ゲルアクチュエータの回路図であり、 第１３図乃至第１５図は本発明の第３実施例を示し、第
１３図はベースフィルムの展開図１第１４図は第１３図
のＡ、−Ａ、線断面図、第１５図は含水高分子ゲルアク
チュエータの回路図であり、第１６図乃至第１８図は本
発明の第４実施例を示し、−第１６図はアクチュエータ
本体の正面図、第１７図はベースフィルムの展開図、第
１８図は第１６図及び第１７図のＡｓＡｓ線断面図であ
り、第１９図はマニュピレータの断面図であり、第２０
図は人体筋のモデル図であり、第２１図及び第２２図は
従来の含水高分子ゲルアクチュエータの正面図である。 ■・・・アクチュエータ本体、２・・・ベースフィルム
、３・・・含水高分子ゲル、４・・・ゲル収容室、５・
・・一方の導電部、６・・・他方の導電部、９・・・小
孔（通水手段）。 第１図 １−ｍ−アクも二−タ事Ｉ本 ２−−−ベースブイＡ／Ａ ３−一一合水島々千Ｐｒν ４−一一グ１しばダ望 ５−−−一方か欅ｆ部 ６−−−杷方の４− ９−ｍ−・１・ん（訃手段） 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ベースフィルムを略コイル状に巻き付けこの巻き
   付けたベースフィルムの内部にゲル収容室を構成しこの
   ゲル収容室に含水高分子ゲルを収容すると共に前記ベー
   スフィルムの内面に前記ゲル収容室の略全般に亘って配
   される一対の電位に対応する導電部を設けてアクチュエ
   ータ本体を構成し、前記一対の電位に対応する導電部に
   通電したことを特徴とする含水高分子ゲルアクチュエー
   タ。
2. （２）前記ベースフィルムは通水手段を備えたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の含水高分子ゲルア
   クチュエータ。