JP2005199389A

JP2005199389A - 導電性高分子アクチュエータ

Info

Publication number: JP2005199389A
Application number: JP2004008707A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Asai; 勝彦浅井; Kazuo Yokoyama; 和夫横山; Nozomi Matsukawa; 望松川; Masaki Yamamoto; 正樹山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: JP4250536B2

Abstract

【課題】イオンの通過を妨げず、導電性高分子の伸縮体の変位も阻害しない柔軟電極を有し、効率の良い配置が可能な導電性高分子アクチュエータを提供する。
【解決手段】導電性高分子の伸縮体１１と直接接続され酸化還元反応に含まれるイオンと電子伝導体とを含有するゲルとすることで酸化還元反応に必要なイオンは電極自身が含有して伸縮体との間でイオンの出入りが可能な第１電極１２と、伸縮体と電解質托体層１３を介して接続される第２電極２５との間に電位差を与えて酸化還元反応に伴う伸縮体の膨張収縮変形が発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオンの通過を妨げず、導電性高分子の伸縮体の変位も阻害しない柔軟電極を有する導電性高分子アクチュエータに関する。

家庭用ロボットなど人間に近い場所において動作する機械に対する要求の高まりに伴い、人間の筋肉のようにしなやかな動作をする人工筋肉アクチュエータへの期待も大きくなっている。人工筋肉アクチュエータの候補として、これまでに様々な方式のアクチュエータが提案されているが、その中の一つとして、導電性高分子を用いたアクチュエータが提案されている。

導電性高分子を用いた人工筋肉アクチュエータの一例としては、図４に示すようなたわみ変形を発生させるアクチュエータが提案されている。このアクチュエータは、導電性高分子膜であるポリアニリン膜体５ａ、５ｂで固体電解質成形体２を挟み込む構造となっている。スイッチ４をオンすることで、電源３において設定された電位差がポリアニリン膜体５ａ、５ｂ間に与えられ、一方のポリアニリン膜体５ｂには陰イオンが挿入されて伸長し、もう一方のポリアニリン膜体５ａからは陰イオンが離脱して縮小し、結果としてたわみ変形が発生するようになる。この場合、一方のポリアニリン膜体５ｂはもう一方のポリアニリン膜体５ａに対して電解質形成体２を介して接続された電極として作用していることになる。この例では、たわみ方向の変位が発生しているが、導電性高分子膜が１枚だけの場合や、複数の導電性高分子膜が同方向に膨張収縮する場合には、伸び方向の変位を取り出すこともできる。このような導電性高分子アクチュエータは、２〜３Ｖの低電圧で筋肉に匹敵するような歪みを発生することから、人工筋肉としての実用化が期待されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、アクチュエータとして用いられるポリアニリンやポリピロールといった導電性高分子膜は、電極として考える場合には十分な導電性を持っていない。そのため、導電性高分子膜の末端部にリード線を接続して電位を与える構成では、動作時における先端部の電位は導電性高分子膜の抵抗のために降下し、アクチュエータの変位量や応答性は材料の持つポテンシャルに比べて減少してしまう。そこで、導電性高分子膜上に電極を設けてやり、導電性高分子膜全体の電位を均質化してやることで、変位量や応答性の向上が図れるようになる（例えば、特許文献２参照）。ただし、電極の剛性が高い場合、逆に電極によってアクチュエータの動作が妨げられることになるので、導電性高分子膜と組み合わせる柔軟電極として、非特許文献１又は非特許文献２に記載されているコイル状の電極や、非特許文献３に記載されている波形の金電極が提案されている。

特開平１１−１６９３９３号公報特開平１１−１６９３９４号公報ＣｈｅｍｉｓｔｒｙＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．９の８００〜８０１ページＳｙｎｔｈｅｔｉｃＭｅｔａｌｓ，Ｖｏｌ．１３８の３９１〜３９８ページＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．４の３１０〜３１３ページ

しかしながら、前述した柔軟電極にも課題がある。コイル状の電極の場合、電位の低下を抑制するためにはコイルを太く、狭ピッチな物にするのが望ましいが、その場合、電極と接している導電性高分子の変位が抑制されるため、全体的には変位の向上が望めなくなってしまう。また、コイルを細くした場合には、コイルの形状を保持するのが難しく、製造が困難になる。さらに、コイル状に限らず電極の形状変化によって柔軟性を持たせた柔軟電極の場合、電極の歪み方向と導電性高分子の歪み方向が完全には一致せず、耐久性に課題がある。また、円柱形状のアクチュエータとなるため、アクチュエータの内部空間などが無駄となり、高密度な配置が困難である。

一方、波形の金電極のような柔軟電極の場合、上記のような課題は余り問題にならないと考えられるが、柔軟電極を通過してイオンが出入りすることができないため、導電性高分子膜の両面を有効に利用することができず、応答性の向上に限界がある。

従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、イオンの通過を妨げず、導電性高分子の伸縮体の変位も阻害しない柔軟電極を有し、効率の良い配置が可能な導電性高分子アクチュエータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、導電性高分子の伸縮体と直接接続される第１電極と、上記導電性高分子と電解質托体層を介して接続される第２電極との間に電位差を与えることで、酸化還元反応に伴う上記導電性高分子の伸縮体の膨張収縮変形が発生する導電性高分子アクチュエータにおいて、
上記第１電極が、上記酸化還元反応に含まれるイオンと電子伝導体とを含有するゲルであることを特徴とする導電性高分子アクチュエータを提供する。

よって、本発明によれば、イオンの通過を妨げず、導電性高分子の伸縮体の変位も阻害しない柔軟電極を有し、効率の良い配置が可能な導電性高分子アクチュエータを得ることができる。すなわち、本発明によれば、導電性高分子の伸縮体と直接接続する電極が導電性高分子の伸縮体の酸化還元反応に含まれるイオンと電子伝導体とを含有するゲルとすることで、酸化還元反応において必要となるイオンは電極自身が含有することになり、導電性高分子の伸縮体との間でイオンの出入りが可能になる。また、同様に電解質托体層との間でもイオンの出入りが可能になるので、電極がイオンの通過を妨げないようになる。さらに、電極はゲルであることから柔軟性を持っており、導電性高分子の伸縮体の変位を阻害しないという効果も得られ、電極を含めてアクチュエータを積層することが容易になり、アクチュエータを効率良く配置できるようになる。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

このような構成によれば、酸化還元反応において必要となるイオンは電極自身が含有することになり、導電性高分子の伸縮体との間でイオンの出入りが可能になる。また、同様に電解質托体層との間でもイオンの出入りが可能になるので、電極がイオンの通過を妨げないようになる。さらに、電極はゲルであることから柔軟性を持っており、導電性高分子の伸縮体の変位を阻害しないという効果も得られるようになるので、イオンの通過を妨げず、導電性高分子の変位も阻害しない柔軟電極を有する導電性高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第２態様によれば、上記第１電極と上記第２電極の両方が、上記酸化還元反応に含まれるイオンと電子伝導体とを含有するゲルであることを特徴とする第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、両方の電極はゲルであることから柔軟性を持っており、導電性高分子の伸縮体の変位を阻害しないという効果も得られるようになるので、イオンの通過を妨げず、導電性高分子の変位も阻害しない柔軟電極を有する導電性高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第３態様によれば、上記第１電極に用いられるゲルが、上記導電性高分子の伸縮体の１以上の面を覆うように配置されることを特徴とする第１又は２の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、電極ゲルによって覆われる導電性高分子の伸縮体の面全体にわたってほぼ均一の電位を与えることができるようになり、変位量、応答性を導電性高分子の伸縮体の材料の持つポテンシャルにより近づけた導電性高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第４様態によれば、上記ゲル内に、電気伝導率が１００００Ｓ／ｃｍ以上の金属体が含まれることを特徴とする第１〜３のいずれか１つの様態に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、金属体の電気伝導率により、電極ゲル単体の場合に比べて電気伝導率が向上するようになり、より電気伝導率に優れた柔軟電極を有する導電性高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第５様態によれば、上記第１電極が接続された上記導電性高分子の伸縮体と、上記第２電極が、上記電解質托体層を挟みながら交互に積層されていることを特徴とする第１〜４のいずれか１つの様態に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、並列に効率良く導電性高分子の伸縮体を配置できることから、薄型で発生応力の大きい導電性高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第６様態によれば、上記導電性高分子の伸縮体が、上記第１電極又は上記電解質托体層のどちらかもしくは両方を挟みながら積層されたものに、上記第２電極が上記電解質托体層を介して接続されていることを特徴とする第１〜４のいずれか１つの様態に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、導電性高分子の伸縮体間に第２電極が含まれないので、さらに効率良く導電性高分子の伸縮体を配置でき、より薄型で発生応力の大きい導電性高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第７態様によれば、上記ゲルが、上記酸化還元反応に含まれるイオンをアニオン又はカチオンとするイオン性液体とカーボンナノチューブより構成されるゲルであることを特徴とする第１〜６のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、電極は酸化還元反応に必要なイオンと電子伝導体として作用するカーボンナノチューブとを含有することになり、イオンの通過を妨げず、導電性高分子の伸縮体の変位も阻害しない柔軟電極を有する導電性高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第８態様によれば、上記電解質托体層が、上記酸化還元反応に用いられるイオンをアニオン又はカチオンとするイオン性液体であることを特徴とする第１〜７のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、電解質托体層が溶媒の蒸発等の不安定要因を持たない導電性高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第９態様によれば、上記電解質托体層が、上記酸化還元反応に用いられるイオンをアニオン又はカチオンとするイオン性液体を含有する高分子ゲルであることを特徴とする第１〜７のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、上記電解質托体層と上記電極ゲルとの密着性に優れ、液体の封止を考慮する必要のない導電性高分子アクチュエータを得ることができる。

以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明にかかる第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１の概略を示した断面図である。また、図６にその外観図を示す。

図１において、１１は酸化還元反応に伴って膨張収縮変形する導電性高分子製の矩形の伸縮体である伸縮板であり、円筒形のケース２１、円板状のフタ２２によって囲まれた空間を満たす電解質托体層であるイオン性液体１３の液中の大略中央部に配置されている。

導電性高分子の伸縮板１１を構成する導電性高分子としては、ポリピロール、ポリアニリン、又はポリメトキシアニリン等が利用可能だが、ポリピロールは変位が大きい点で望ましい。また、導電性高分子の伸縮板１１の厚みは数十μｍ程度であるのが望ましい。それより薄いと強度的に弱く、それより厚いと導電性高分子の伸縮板１１の内部まで十分にイオンが出入りできなくなるので望ましくない。

導電性高分子の伸縮板１１の長手方向の両端には、ロッド２３ａ、２３ｂが接続されており、ロッド２３ａは、フタ２２に設けられたシール部材２４ａを貫通して、ロッド２３ｂは、ケース２１に設けられたシール部材２４ｂを貫通して、それぞれ、フタ２２及びケース２１の外部に突出している。

導電性高分子の伸縮板１１には、その上面にイオン性液体１３と同種のイオン性液体と電子伝導体であるカーボンナノチューブからなるゲルによって構成された柔軟電極（第１電極の一例）１２が密着しており、その他の面には、ケース２１内の空間に充填されたイオン性液体１３が密接している。この柔軟電極１２に接続された配線は、フタ２２に備えられたシール部材２４ｃを経て電源３に接続されている。柔軟電極１２は、導電性高分子の伸縮板１１のその上面の一面全て又はほぼ一面全面を覆うように配置されている。このようにすることで、導電性高分子の伸縮板１１の電位を全体にわたって均一に保持することができる。また、変形例として、導電性高分子の伸縮板１１の両面を覆うように柔軟電極１２を配置することで、この効果を、より顕著にすることもできる。電源３のもう一方の極には、スイッチ４を介して対電極（第２電極の一例）２５が接続されている。対電極２５は、フタ２２に備えられたシール部材２４ｄを通して、ケース２１内の空間に充填されたイオン性液体１３と接している。ゲル化が可能なイオン性液体１３としては、ＳＣＩＥＮＣＥ，Ｖｏｌ．３００の２０７２〜２０７４ページに報告されているようにＥＭＩＢＦ_４、ＢＭＩＢＦ_４、ＨＭＩＢＦ_４、ＢＭＩＰＦ_６、ＥＭＩＴｆ_２Ｎ、ＢＭＩＴｆ_２Ｎ、又はＡＢＭＩＰＦ_６等が利用可能であるが、アニオンとしてＰＦ_６を含むＢＭＩＰＦ_６、又はＡＢＭＩＰＦ_６が、ポリピロールやポリアニリンなどとの組み合わせで大きな変位が得られることから望ましい。

次に、この人工筋肉アクチュエータ１の作用を説明する。

導電性高分子の伸縮板１１が収縮する原因としては、アニオン（陰イオン）の出入り、カチオン（陽イオン）の出入り、高分子構造の変化等があるが、図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）による動作原理の説明では、ポリピロールなどの材料系においてアニオンのドープ、アンドープが主たる変形のメカニズムとされていることから、アニオンの出入りについて述べることにする。

図１（Ａ）はスイッチオフの状態で柔軟電極１２に電圧を印加していない状態を示し、図１（Ｂ）は柔軟電極１２に正の電位を印加した場合を示している。柔軟電極１２に印加された電圧により、導電性高分子の伸縮板１１にも同じ電位が与えられ、電圧無印加時に電解質托体層であるイオン性液体１３に均質に存在したアニオンが、正電極側の導電性高分子の伸縮板１１側に引き寄せられ、導電性高分子の伸縮板１１内部に入り込むようになる。この酸化過程に伴って導電性高分子の伸縮板１１が伸長し、ロッド２３ａ、２３ｂによって導電性高分子伸縮板１１の伸び方向の変位が取り出せるようになる。このとき、柔軟電極１２は、イオン性液体１３と同様なアニオン（例えばＰＦ_６）を含んでおり、イオン性液体１３と導電性高分子の伸縮板１１との間のアニオンの出入りに対しては障害とならず、アニオンは柔軟電極１２側からも出入りすることになる。また、図１（Ｃ）は柔軟電極１２に負電圧を印加した場合を示す。導電性高分子の伸縮板１１に存在したアニオンは、対向する対電極２５の方に引き寄せられ、電解質托体層であるイオン性液体１３中もしくは柔軟電極１２中に導電性高分子の伸縮板１１から離脱するようになり、この還元過程に伴って導電性高分子の伸縮板１１は収縮し、ロッド２３ａ、２３ｂによって縮み方向の変位が取り出せるようになる。ここで、柔軟電極１２には、電子伝導体としてカーボンナノチューブが含まれているが、ここに、電気伝導率が１００００Ｓ／ｃｍ以上の金属体、例えば金、銅、白金、チタン、ニッケル、若しくはステンレス等を含有させることで、柔軟電極１２の電気伝導率をカーボンナノチューブのみの場合より向上させて、人工筋肉アクチュエータ１としてより十分に機能させることができる。電気伝導率が１００００Ｓ／ｃｍ未満の金属体を柔軟電極１２に含有させる場合には、柔軟電極１２に金属を含ませることによる柔軟性の低下などの不利益と比べて、十分な電気伝導率の向上効果が得られないため、望ましくない。柔軟電極１２に含有させる金属体の形状としては、小片状の物を複数個含ませても良いし、線状の物であっても良く、また両者の組み合わせでも良い。特に線状の物は、電源との配線を兼ねることも可能であり、望ましい。

以上説明したアニオンのドープについて、柔軟電極１２が無い場合と有る場合を比較したものが図５（Ａ），（Ｂ）である。柔軟電極１２が無い場合、導電性高分子の伸縮板１１の左側に電圧を印加しても、図５（Ａ）に示されるように、アニオンは、導電性高分子の伸縮板１１の左側から順にドープされ、導電性高分子の伸縮板１１の右端までドープされるには時間がかかることになる。これは、導電性高分子の伸縮板１１の抵抗のために、導電性高分子の伸縮板１１の右端の電圧が印加された電圧とすぐには一致しないことが原因である。一方、図５（Ｂ）に示されるように、柔軟電極１２がある場合には、導電性高分子の伸縮板１１全体に電圧がかかるため、アニオンは、導電性高分子の伸縮板１１の各部分に一斉にドープされるようになり、人工筋肉アクチュエータは高速に動作するようになる。

以上のように、第１実施形態によれば、酸化還元反応において必要となるアニオンは、柔軟電極１２自身が含有することになり、導電性高分子の伸縮板１１との間でイオンの出入りが可能になる。また、同様に電解質托体層であるイオン性液体１３との間でもイオンの出入りが可能になるので、柔軟電極１２がアニオンの通過を妨げないようになる。さらに、柔軟電極１２はゲルであることから柔軟性を持っており、導電性高分子の伸縮板１１の変位を阻害しないという効果も得られるようになるので、イオンの通過を妨げず、導電性高分子の伸縮板１１の変位も阻害しない柔軟電極１２を有する導電性高分子アクチュエータを得ることができる。なお、第１実施形態ではアニオンが出入りする場合について説明したが、カチオンが出入りする場合についても同様に実施可能である。また、第１実施形態では、電解質托体層としてイオン性液体１３を用いた場合について述べているが、水若しくは有機溶剤等の溶媒中にイオンが含まれる電解液や、イオン性液体を高分子ゲル骨格に托持させたものを電解質托体層として用いた場合についても、本発明に含まれる。

また、第１実施形態における人工筋肉アクチュエータを複数本用いたロボットハンドの構成例を図７に示す。人工筋肉アクチュエータ１ａ〜１ｈを２本１組として拮抗筋構造とする。ロボットハンドの各駆動部の片側を伸張、ロボットハンドの各駆動部のもう片側を収縮することで、ロボットハンドの各駆動部の軸１０１〜１０４に回転運動を発生させることができる。具体的には、図７の構成では、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂによって上下軸１０１が回転し、以下同様に人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄによって軸１０２が、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆによって軸１０３が、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈによって軸１０４がそれぞれ回転するようになっている。

詳しくは、４自由度のロボットアームは、固定壁３０１に対して、上下方向軸沿いに横方向沿いの平面内で正逆回転する第１関節の上下軸１０１と、上下方向沿いの平面内で正逆回転する第２関節の軸１０２と、第２腕３０８と第１腕３１１との間で相互に正逆回転とする第３関節の軸１０３と、第１腕３１１と手３１３との間で相互に正逆回転とする第４関節の軸１０４とより構成されている。

第１関節１０１では、上下端部が軸受け３０４と３０５で回転自在にかつ上下方向沿いに支持された回転軸３０３の両側に円形支持体３０２，３０２が回転自在に連結され、かつ、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ（ただし、人工筋肉アクチュエータ１ｂは人工筋肉アクチュエータ１ａの背後に配設されるため図示せず。）の各一端部が固定壁３０１に連結されるとともに各他端部が上記各円形支持体３０２の支持軸１０２（第２関節の軸１０２）に連結されている。よって、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂの拮抗駆動により、第１関節の上下軸１０１回りに横方向沿いの平面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転運動させることができる。なお、上側の軸受け３０５は支持棒３０６で固定壁３０１に支持されている。

第２関節では、回転軸３０３の両側に固定された２つの円形支持体３０２，３０２に、第２腕用リンク３０８の一端が固定されている。第２腕用リンク３０８の円形支持体３０２，３０２と、回転軸３０３の一端に直交して固定された支持体３０７，３０７との間には、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄの拮抗駆動により、第２関節の支持軸１０２である横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転させる。

第３関節１０３では、第２腕３０８沿いでかつ支持体３１０と支持体３０９，３０９との間に人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆの拮抗駆動により、第３関節の支持軸１０３である横軸回りに上下方向沿い面内で第１腕３１１と手３１３とを一体的に正逆回転させる。

第４関節１０４では、第１腕３１１沿いでかつ支持体３１０と、手３１３の一端に固定された支持体３１２との間に人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈの拮抗駆動により、第３関節の支持軸１０３である横軸回りに上下方向沿い面内で手３１３を正逆回転させる。

人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄ、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆ、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈのそれぞれには、図示しない制御コンピュータの制御により、それぞれのスイッチ４が適宜オンオフされ、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄ、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆ、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈのそれぞれの収縮・伸張動作を制御する。

このような構成とすることで、多自由度を生かし、人間の腕のようにしなやかな動きをするロボットハンドが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットハンドを実現することができる。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示した断面図であり、上記第１電極が接続された上記導電性高分子の伸縮体と、上記第２電極が、上記電解質托体層を挟みながら交互に積層されているとともに、上記導電性高分子の伸縮体が上記第１電極を挟みながら積層されたものに、上記第２電極が上記電解質托体層を介して接続されている。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第２実施形態では、第１実施形態の導電性高分子の伸縮板１１にそれぞれ相当する導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの上下の両面に、第１実施形態の柔軟電極１２にそれぞれ相当する柔軟電極１２ａ〜１２ｆが密着している。これら柔軟電極１２ａ〜１２ｆを備えた導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃと、柔軟電極１２ａ〜１２ｆと同じ材質（上記柔軟電極と同様な酸化還元反応に含まれるイオンと電子伝導体とを含有するゲル）でありかつ第１実施形態の対電極２５に相当する対電極１４ａ〜１４ｄが、第１実施形態の電解質托体層１５（電解質托体層１５であるイオン性液体１３）にそれぞれ相当する電解質托体層１５ａ〜１５ｆを介して接続されている。電解質托体層１５ａ〜１５ｆとしては、イオン性液体、水、若しくは有機溶剤等の溶媒中にイオンが含まれる電解液、又は、イオン性液体を高分子ゲル骨格に托持させたものなどが使用可能であるが、イオン性液体をゲル化した物が、形状を保持しやすく、液中でなくても動作可能な点において望ましい。また、このイオン性液体をゲル化した物のゲルの厚みとしては数十μｍ〜数ｍｍであることが望ましい。この厚みより薄いと、アクチュエータ中心部での導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃに対するイオンの出入りが少なくなり、人工筋肉アクチュエータの変位が減少する。この厚みより厚いと、人工筋肉アクチュエータが全体的に大きくなり、体積当たりの出力が大幅に低下する。

次に、この人工筋肉アクチュエータ１の作用を説明する。

第１実施形態の時と同様に、アニオンの出入りによって導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃが膨張収縮する場合について述べることにする。図２において、柔軟電極１２ａ〜１２ｆに正の電位を印加した場合、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃにも同じ電位が与えられ、電圧無印加時に電解質托体層１５ａ〜１５ｆ内に均質に存在したアニオンが正電極側の導電性高分子側に引き寄せられ、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの内部まで入り込むようになる。この酸化過程に伴って導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃが伸長するようになる。このとき、柔軟電極１２ａ〜１２ｆは、電解質托体層１５ａ〜１５ｆと同様なアニオン（例えばＰＦ_６）を含んでおり、電解質托体層１５ａ〜１５ｆと導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃとの間のアニオンの出入りに対しては障害とならず、アニオンは、柔軟電極１２ａ〜１２ｆを貫通して出入りすることになる。逆に柔軟電極１２ａ〜１２ｆに負電圧を印加した場合には、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃに存在したアニオンは、対電極１４ａ〜１４ｄの方に引き寄せられ、柔軟電極１２ａ〜１２ｆに導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃから離脱するようになる。この還元過程に伴って、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃは収縮するようになる。

以上のように、第２実施形態によれば、酸化還元反応において必要となるアニオンは柔軟電極１２ａ〜１２ｆ自身が含有することになり、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃとの間でイオンの出入りが可能になる。また、同様に電解質托体層１５ａ〜１５ｆとの間でもイオンの出入りが可能になるので、電極がアニオンの通過を妨げないようになる。さらに、柔軟電極１２ａ〜１２ｆ及び対電極１４ａ〜１４ｄはゲルであることから柔軟性を持っており、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの変位を阻害しないという効果も得られるようになるので、イオンの通過を妨げず、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの変位も阻害しない柔軟電極１２ａ〜１２ｆを有する導電性高分子アクチュエータを得ることができる。また、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃ、柔軟電極１２ａ〜１２ｆ、電解質托体層１５ａ〜１５ｆ、対電極１４ａ〜１４ｄを膜状とし、積層してやることで、並列に効率良く導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃを配置できるようになることから、薄型で発生応力の大きい導電性高分子アクチュエータを得ることもできる。なお、第２実施形態では導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの両面に柔軟電極１２ａ〜１２ｆを配置しているが、これは片面だけであっても良く、柔軟電極１２ａ〜１２ｆが両面を覆う導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃと片面のみを覆う導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの組み合わせであっても良い。また、第２実施形態では人工筋肉アクチュエータ１の表面は対電極１４ａ〜１４ｄとしているが、これは導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃ、柔軟電極１２ａ〜１２ｆ、電解質托体層１５ａ〜１５ｆのいずれであっても良く、それらの場合についても本発明に含まれる。さらに、第２実施形態ではアニオンが出入りする場合について説明したが、カチオンが出入りする場合についても同様に実施可能である。

（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示した図であり、上記導電性高分子の伸縮体が、上記第１電極又は上記電解質托体層のどちらかもしくは両方を挟みながら積層されたものに、上記第２電極が上記電解質托体層を介して接続されている。なお、前述した第２実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。第３実施形態では、柔軟電極１２ａ〜１２ｄと導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃを交互に積層したものに対して、電解質托体層１５ａ〜１５ｆを介して、柔軟電極１２ａ〜１２ｄと同じ材質である対電極１４を接続している。電解質托体層１５ａ〜１５ｆとしては、第２実施形態と同様にイオン性液体、水、若しくは有機溶剤等の溶媒中にイオンが含まれる電解液、又は、イオン性液体を高分子ゲル骨格に托持させたものなどが使用可能であるが、イオン性液体をゲル化した物が、形状を保持しやすく、液中でなくても動作可能な点において望ましい。

次に、この人工筋肉アクチュエータ１の作用を説明する。

第２実施形態の時と同様に、アニオンの出入りによって導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃが膨張収縮する場合について述べることにする。図３において、柔軟電極１２ａ〜１２ｄに正の電位を印加した場合、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃにも同じ電位が与えられ、電圧無印加時に電解質托体層１５ａ〜１５ｆ内に均質に存在したアニオンが、正電極側の導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃ側に引き寄せられ、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの内部まで入り込むようになる。この酸化過程に伴って導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃが伸長するようになる。このとき、柔軟電極１２ａ〜１２ｄは、電解質托体層１５ａ〜１５ｆと同様なアニオン（例えばＰＦ_６）を含んでおり、電解質托体層１５ａ〜１５ｆと導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃとの間のアニオンの出入りに対しては障害とならず、アニオンは柔軟電極１２ａ〜１２ｄを貫通して出入りすることになる。逆に柔軟電極１２ａ〜１２ｄに負電圧を印加した場合には、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃに存在したアニオンは、対電極１４の方に引き寄せられ柔軟電極１２ａ〜１２ｄに導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃから離脱するようになる。この還元過程に伴って導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃは収縮するようになる。

以上のように、第３実施形態によれば、酸化還元反応において必要となるアニオンは、柔軟電極１２ａ〜１２ｄ自身が含有することになり、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃとの間でイオンの出入りが可能になる。また、同様に電解質托体層１５ａ〜１５ｆとの間でもイオンの出入りが可能になるので、柔軟電極１２ａ〜１２ｄがアニオンの通過を妨げないようになる。さらに、柔軟電極１２ａ〜１２ｄ及び対電極１４はゲルであることから柔軟性を持っており、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの変位を阻害しないという効果も得られるようになるので、イオンの通過を妨げず、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの変位も阻害しない柔軟電極１２ａ〜１２ｄを有する導電性高分子アクチュエータを得ることができる。また、第２実施形態と比べると、電解質托体層１５ａ〜１５ｆを導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃ間に積層する必要が無いことから、さらに効率良く導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃを配置できるようになり、より薄型で発生応力の大きい導電性高分子アクチュエータを得ることもできる。なお、第３実施形態では、導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの両側は全て柔軟電極１２ａ〜１２ｄとしているが、全てが柔軟電極である必要はなく、一部は電解質托体層であっても良い。また、第３実施形態では、柔軟電極１２ａ〜１２ｄと導電性高分子の伸縮板１１ａ〜１１ｃの積層体の３面を電解質托体層１５ａ〜１５ｆと対電極１４で覆っているが、これは１面〜６面のいずれでも良く、その全ての場合についても本発明に含まれる。さらに、第３実施形態ではアニオンが出入りする場合について説明したが、カチオンが出入りする場合についても同様に実施可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。

例えば、上記各実施形態において、上記導電性高分子の伸縮体間にある上記第１電極の一部又は全てが、上記第１電極及び上記電解質托体層の両方を積層したものであってもよい。また、さらにその一部が上記電解質托体層のみであってもよい。このような場合でも、それぞれの導電性高分子の少なくとも一面を上記第１電極が覆っていれば、上記各実施形態と同様の動作を行うことが可能である。

また、上記各実施形態において、上記ゲルが、上記酸化還元反応に含まれるイオンをカチオンとするイオン性液体とカーボンナノチューブより構成されるゲルであるようにしてもよい。また、上記電解質托体層が、上記酸化還元反応に用いられるイオンをカチオンとするイオン性液体であるようにしてもよい。また、上記電解質托体層が、上記酸化還元反応に用いられるイオンをカチオンとするイオン性液体を含有する高分子ゲルであるようにしてもよい
なお、上記各実施形態において、導電性高分子の伸縮板１１に適切な変位を発生させるため、柔軟電極に印加された電圧は、電解質托体層であるイオン性液体１３で電気分解が起こらない程度の電圧とすることが好ましい。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる導電性高分子アクチュエータは、イオンの通過を妨げず、導電性高分子の変位も阻害しない柔軟電極を有する導電性高分子アクチュエータを得ることができるものであり、人工筋肉アクチュエータ等として有用である。

（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す断面図である。本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す断面図である。本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す断面斜視図である。従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図である。（Ａ），（Ｂ）はそれぞれアニオンのドープについて、柔軟電極が無い場合と有る場合を比較した説明図である。本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの外観図である。本発明の第１実施例における人工筋肉アクチュエータを用いたロボットハンドの概略図である。

符号の説明

１人工筋肉アクチュエータ
２固体電解質成形体
３電源
４スイッチ
５ａ，５ｂ導電性高分子膜
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ導電性高分子の伸縮板
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ柔軟電極
１３イオン性液体
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ対電極
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ電解質托体層
２１ケース
２２フタ
２３ａ，２３ｂロッド
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ、２４ｄシール部材
２５対電極
１０１〜１０４回転軸

Claims

導電性高分子の伸縮体（１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）と直接接続される第１電極（１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）と、上記導電性高分子と電解質托体層（１３）を介して接続される第２電極（２５，１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ）との間に電位差を与えることで、酸化還元反応に伴う上記導電性高分子の伸縮体の膨張収縮変形が発生する導電性高分子アクチュエータにおいて、
上記第１電極が、上記酸化還元反応に含まれるイオンと電子伝導体とを含有するゲルであることを特徴とする導電性高分子アクチュエータ。
上記第１電極と上記第２電極の両方が、上記酸化還元反応に含まれるイオンと電子伝導体とを含有するゲルであることを特徴とする請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータ。
上記第１電極に用いられるゲルが、上記導電性高分子の伸縮体の１以上の面を覆うように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の導電性高分子アクチュエータ。
上記ゲル内に、電気伝導率が１００００Ｓ／ｃｍ以上の金属体が含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
上記第１電極が接続された上記導電性高分子の伸縮体と、上記第２電極が、上記電解質托体層を挟みながら交互に積層されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
上記導電性高分子の伸縮体が、上記第１電極又は上記電解質托体層のどちらかもしくは両方を挟みながら積層されたものに、上記第２電極が上記電解質托体層を介して接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
上記ゲルが、上記酸化還元反応に含まれるイオンをアニオン又はカチオンとするイオン性液体とカーボンナノチューブより構成されるゲルであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
上記電解質托体層が、上記酸化還元反応に用いられるイオンをアニオン又はカチオンとするイオン性液体であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
上記電解質托体層が、上記酸化還元反応に用いられるイオンをアニオン又はカチオンとするイオン性液体を含有する高分子ゲルであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。