(57)【要約】【課題】導電性高分子膜を容易に積層しやすく、駆動力が低下することなく、製造も容易で、外力が加わっても損傷しない、平板積層型導電性高分子アクチュエータ、その製造方法、ロボットアーム、及び、ロボットハンドを提供する。【解決手段】２枚の導電性高分子膜の両端部をそれぞれ保持して、導電性高分子膜間の間隔を電極の厚さと２枚の電解質托体層との厚さとの合計となる寸法に設定する間隔維持用部材を備える。【選択図】図１Ａ
2010161894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の導電性高分子膜と、
前記２枚の導電性高分子膜の間に配置された電極と、
前記２枚の導電性高分子膜と前記電極との間に配置されて前記２枚の導電性高分子膜と前記電極とをそれぞれ接続する２枚の電解質托体層とを備えて、
前記２枚の導電性高分子膜と前記電極の間に電位差を与えることにより、酸化還元反応により前記２枚の導電性高分子膜が膨張或いは収縮するよう構成し、
さらに、前記２枚の導電性高分子膜の両端部をそれぞれ保持して、前記２枚の導電性高分子膜間の間隔を前記電極の厚さと前記２枚の電解質托体層との厚さとの合計となる寸法に設定する間隔維持用部材を備えることを特徴とする平板積層型導電性高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記電解質托体層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質、又は液体の電解質である、請求項１に記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記２枚の電解質托体層のそれぞれの厚さが１５μｍ以上である請求項１又は２に記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記電解質托体層内に設けられて、前記導電性高分子膜と前記電極とを非接触状態に維持する、絶縁体であるセパレータを備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータ。
【請求項５】
絶縁体でかつ直径が前記電解質托体層の前記厚さ以下である球体が前記電解質托体層内に含まれている請求項１〜３のいずれか１つに記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータ。
【請求項６】
前記間隔維持用部材により前記導電性高分子膜が設定される間隔が、前記電極とその両側にある前記電解質托体層の厚さの合計に対して±５０％となるように設けられている請求項１〜５のいずれか１つに記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記間隔維持用部材により前記導電性高分子膜が設定される間隔が、前記電極とその両側にある前記電解質托体層の厚さの合計に対して±２０％となるように設けられている請求項１〜５のいずれか１つに記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータ。
【請求項８】
前記電極が導電性高分子膜からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータを備えて、前記２枚の導電性高分子膜が膨張或いは収縮することにより伸張又は屈曲動作するロボットアーム。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータを指部（１０）に備えて、前記２枚の導電性高分子膜が膨張或いは収縮することにより前記指部を伸張又は屈曲動作させるロボットハンド。
【請求項１１】
下側と上側の導電性高分子膜と電極との間に配置された下側と上側の電解質托体層が、前記各導電性高分子膜と前記電極とをそれぞれ接続するとともに、前記下側と上側の導電性高分子膜と前記電極の間に電位差を与えることにより、酸化還元反応により前記下側と上側の導電性高分子膜が膨張或いは収縮する平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法において、
前記下側の導電性高分子膜の両端部を間隔維持用部材で保持し、
次いで、前記下側の導電性高分子膜の上に前記下側の電解質托体層を積層し、
次いで、前記下側の電解質托体層の上に前記電極を積層し、
次いで、前記電極の上に前記上側の電解質托体層を積層し、
次いで、前記上側の電解質托体層の上に前記上側の導電性高分子膜を積層するとともに、前記下側の導電性高分子膜の両端部を保持する前記間隔維持用部材に、前記上側の導電性高分子膜の両端部を保持して、前記下側と上側の導電性高分子膜間の間隔を、前記電極の厚さと前記下側と上側の電解質托体層との厚さとの合計となる寸法に設定することにより、平板積層型導電性高分子アクチュエータを製造する、平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層により応力を拡大できる平板積層型導電性高分子アクチュエータ、ロボットアーム、ロボットハンド、及び、平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
少子高齢化のような社会背景に伴い、家庭用ロボット等の、人の近傍にて動作する、或いは、人と協調して作業をする機械に対するニーズは高まっている。その際、複雑な作業へのしなやかな動き、及び、人との衝突時の安全性といった観点から、人間の筋肉のような柔軟な特性を有する人工筋肉アクチュエータへの期待が高まっている。人工筋肉アクチュエータとしては、空圧を使用したもの等、種々の材料及び制御方式が提案されている。その中の一つとして、近年、導電性高分子を用いたアクチュエータが考案されている。
【０００３】
導電性高分子を用いたアクチュエータの一例としては、図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃ示すようなバイモルフ型の変形を利用す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、図９Ａに示すように、導電性高分子膜であるポリアニリン膜体５０ａ、５０ｂにより固体電解質成形体５１を挟み込む構成となっている。スイッチ５２をオンすることで、電源５３において設定された電位差がポリアニリン膜体５０ａ、５０ｂ間に与えられる。すると、図９Ｂに示されるように、一方のポリアニリン膜体５０ｂには陰イオンが挿入されて伸長し、他方のポリアニリン膜体５０ａからは陰イオンが離脱して収縮する。その結果として、バイモルフ型の変形が発生するようになる。電位差が逆の場合には、図９Ｃに示すようにポリアニリン膜体５０ａ、５０ｂが逆方向に変形する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この構成では、電極として作用する二つの導電性高分子膜の変位量の差により変形を発生させているが、一方で、電解質托体層を液体もしくはゲル状の物質とすることで、両電極の影響がお互いに影響しないようにし、片方の導電性高分子の変位のみを取り出して伸縮変形を行うアクチュエータとする構成も知られている。この場合、変形に利用しない電極については導電性高分子である必要はなく、主に金属電極が用いられているが、金属電極上に導電性高分子を設けることも可能である。
【０００５】
このような導電性高分子アクチュエータは、１．５Ｖ〜５．０Ｖの比較的低電圧で筋肉に匹敵するような応力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。
また、導電性高分子膜と電解質托体層との種類及びそれらの組み合わせにより、上述のような陰イオンでの駆動する場合のみではなく、陽イオンで駆動する導電性高分子膜を構成することがある。最近では、イオン液体を使用して、陽イオンで駆動するタイプの構成が多く報告されている。
【０００６】
なお、液体もしくはゲル状の電解質托体層としては、室温で溶融している塩として定義されるイオン液体が使用される。イオン液体は、新たな機能性液体として注目されている。イオン液体として１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム又はビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドが知られており、陽イオンと陽イオンとの電荷が非局在化することで両者間のクーロン力が小さく、室温で液体であり得る。蒸気圧が低く蒸発損失がほとんど無く、難燃性であり、熱及び酸化安定性に優れるものが多く、潤滑性能も高い。このイオン液体を絶縁シートに塗布する、或いは、イオン液体自身をゲル化することで、電解質托体層を形成させる。
【０００７】
また、導電性高分子を用いたアクチュエータとして平板型のものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。図１０Ａは、平板薄型の導電性高分子アクチュエータの断面図であり、平面薄型でかつ直方体の板形状の導電性高分子よりなるアクティブ部材層６３と、このアクティブ部材層６３の厚さ方向の大略中間部分に埋め込まれるように設けられたステンレス鋼などの金属の柔軟電極６１ａとにより、第１の電極層６１を構成している。この第１の電極層６１に対向して離れるようにアルミ箔などの金属の矩形板状の第２の電極層６２を、第１の電極層６１の厚さ方向の両側にそれぞれ配置し、第２の電極層６２と導電性のアクティブ部材層６３とに接するように電解質層６４を構成している。このような構成において、第１の電極層６１と第２の電極層６２との間に電圧を印加することにより、導電性のアクティブ部材層６３が伸縮しアクチュエータとしての動作をなす。ここで、特に電解質層６４は、アクティブ部材層６３の伸縮動作を阻害することがないように、特定の低い弾性率を持った電解質層６４ａとしているため、大きな歪を発生させて繰り返し動作させると、層間が剥離するおそれがあった。これを防ぐために、アクティブ部材層６３と第２の電極層６２の間を、保持部材６５ａで連結している。
【０００８】
このアクチュエータの長手方向のそれぞれの端部には、第１の電極層６１の矩形板状の延長部として力作用部６８を設けてあり、この力作用部６８の端縁とは反対側のパターン形成側には穴６８ｈが設けられている。この穴６８ｈに荷重フック６７のピン６７ａが挿入され、作用力６８ａを荷重フック６７に確実に作用させることができるようにしている。第１の電極層６１と第２の電極層６２との間に電源７０からスイッチ７１を介して電圧を印加することにより、アクティブ部材層６３がその長手方向言い換えれば伸縮方向（すなわち、アクチュエータの駆動力の出力方向）６６の方向に伸縮して、アクチュエータとしての動作をなす。
【０００９】
ここでは、電解質層６４は、アクティブ部材層６３の伸縮動作を阻害することがないように、特定の低い弾性率を持った電解質層６４ａとしている。この電解質層６４はそれ自体では強度が持たないため、層間の剥離を防ぐために、アクティブ部材層６３と第２の電極層６２の間を特に保持部材６５ａを介して連結している。このような層間の厚さを保持する保持部材６５ａを持たない場合と比較した結果、このような構成によれば、電解質層６４が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体の電解質であるようにして、アクティブ部材層６３の伸縮動作を阻害することがないようにしつつ、電解質層６４はそれ自体では強度が持たないため、アクティブ部材層６３と第２の電極層６２の間の間隔（厚さ）を、電解質層６４内の保持部材６５ａで保持するようにして、層間の剥離を防止することができるようにしている。
【００１０】
さらに、図１０Ｂは、平板薄型の導電性高分子アクチュエータの断面図である。このアクチュエータは、アクティブ部材層６３、電解質層６４、電極層６２を交互に積層したものである。すなわち、１枚の最上層の積層型のアクチュエータを、第２の電極層６２と第１の電解質層６４ａとアクティブ部材層６３と第１の電解質層６４ａと第２の電極層６２とで構成する。そして、最上層（第１層目）の積層型のアクチュエータの下端の第２の電極層６２を、最上層（第１層目）の積層型のアクチュエータの下方に位置する中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの上端の第２の電極層６２として兼用している。そして、この第２の電極層６２に続けて、中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの第１の電解質層６４ａとアクティブ部材層６３と第１の電解質層６４ａと第２の電極層６２とを配置している。さらに、中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの下端の第２の電極層６２を、中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの下方に位置する最下層（第３層目）の積層型のアクチュエータの上端の第２の電極層６２として兼用している。そして、この第２の電極層６２に続けて、最下層（第３層目）の積層型のアクチュエータの第１の電解質層６４ａとアクティブ部材層６３と第１の電解質層６４ａと第２の電極層６２とを配置している。
【００１１】
このような構成によって、アクチュエータの構成部材が平面薄型であるため、容易に積層できる構造とすることができる。積層したアクチュエータの伸縮に関わるアクティブ部材層６３の断面比率は、このような平面積層構造を採ることができるため、パッキング密度を高めやすい利点がある。この結果、単層ではその断面積に限りがある導電性ポリマー層のアクティブ部材層６３の断面積を増大させることができ大きな発生力を持ったアクチュエータを実現するのに好都合である。
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−１６９３９３号公報
【特許文献２】特許第３９５９１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前述した構成のアクチュエータにも課題がある。
特許文献１の方法では、バイモルフ型の変形を利用するために、さらに導電性高分子膜を積層させることによる変位の拡大、或いは応力の拡大を自由に変更することが困難である。変位の拡大には導電性高分子膜の長さを変え、応力の拡大には導電性高分子膜の幅を拡大する必要があるが、複数枚の導電性高分子膜を積層することは不可能である。バイモルフ型のアクチュエータを複数並べることしか、積層する方法に相当するだけの応力の拡大手段はない。すなわち、特許文献１の構成では、積層するのが困難である。
【００１４】
特許文献２の方法では、アクティブ部材層と電極層との間隙を保持部材により一定に保つことができ、電解質層を保護すると共に、駆動をスムーズにしている。しかしながら、アクティブ層と電極層との間に複数個の保持部材を挿入することが必要であり、その結果、保持部材とアクティブ層との接触抵抗、或いは保持部材と電極層との接触抵抗によって、駆動力が低下する可能性がある。また、積層する枚数が増加するほど、保持部材の数は比例して増加し、製造上も非常に困難となる。さらに、アクティブ部材層の厚さ方向からの外力が加わった際に、保持部材に応力集中して、アクティブ部材層と電極層が破損されかねないという欠点がある。
【００１５】
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、導電性高分子膜を容易に積層しやすく、積層しても駆動力が低下することなく、製造も容易で、外力が加わっても損傷しない、平板積層型導電性高分子アクチュエータ、ロボットアーム、ロボットハンド、及び、平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記の問題を解決するためになされたもので、以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、２枚の導電性高分子膜と、
前記２枚の導電性高分子膜の間に配置された電極と、
前記２枚の導電性高分子膜と前記電極との間に配置されて前記２枚の導電性高分子膜と前記電極とをそれぞれ接続する２枚の電解質托体層とを備えて、
前記２枚の導電性高分子膜と前記電極の間に電位差を与えることにより、酸化還元反応により前記２枚の導電性高分子膜が膨張或いは収縮するよう構成し、
さらに、前記２枚の導電性高分子膜の両端部をそれぞれ保持して、前記２枚の導電性高分子膜間の間隔を前記電極の厚さと前記２枚の電解質托体層との厚さとの合計となる寸法に設定する間隔維持用部材を備えることを特徴とする平板積層型導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００１７】
本発明の第９態様によれば、前記記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータを備えて、前記２枚の導電性高分子膜が膨張或いは収縮することにより伸張又は屈曲動作するロボットアームを提供する。
【００１８】
本発明の第１０態様によれば、前記記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータを指部に備えて、前記２枚の導電性高分子膜が膨張或いは収縮することにより前記指部を伸張又は屈曲動作させるロボットハンドを提供する。
【００１９】
本発明の第１１態様によれば、下側と上側の導電性高分子膜と電極との間に配置された下側と上側の電解質托体層が、前記各導電性高分子膜と前記電極とをそれぞれ接続するとともに、前記下側と上側の導電性高分子膜と前記電極の間に電位差を与えることにより、酸化還元反応により前記下側と上側の導電性高分子膜が膨張或いは収縮する平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法において、
前記下側の導電性高分子膜の両端部を間隔維持用部材で保持し、
次いで、前記下側の導電性高分子膜の上に前記下側の電解質托体層を積層し、
次いで、前記下側の電解質托体層の上に前記電極を積層し、
次いで、前記電極の上に前記上側の電解質托体層を積層し、
次いで、前記上側の電解質托体層の上に前記上側の導電性高分子膜を積層するとともに、前記下側の導電性高分子膜の両端部を保持する前記間隔維持用部材に、前記上側の導電性高分子膜の両端部を保持して、前記下側と上側の導電性高分子膜間の間隔を、前記電極の厚さと前記下側と上側の電解質托体層との厚さとの合計となる寸法に設定することにより、平板積層型導電性高分子アクチュエータを製造する、平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２０】
よって、本発明の前記平板積層型導電性高分子アクチュエータによれば、積層により応力を拡大することができる。すなわち、導電性高分子膜の積層枚数に直線比例して、応力拡大が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細を説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
本発明の第１態様によれば、２枚の導電性高分子膜と、
前記２枚の導電性高分子膜の間に配置された電極と、
前記２枚の導電性高分子膜と前記電極との間に配置されて前記２枚の導電性高分子膜と前記電極とをそれぞれ接続する２枚の電解質托体層とを備えて、
前記２枚の導電性高分子膜と前記電極の間に電位差を与えることにより、酸化還元反応により前記２枚の導電性高分子膜が膨張或いは収縮するよう構成し、
さらに、前記２枚の導電性高分子膜の両端部をそれぞれ保持して、前記２枚の導電性高分子膜間の間隔を前記電極の厚さと前記２枚の電解質托体層との厚さとの合計となる寸法に設定する間隔維持用部材を備えることを特徴とする平板積層型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、積層により応力を拡大できる平板積層型導電性高分子アクチュエータに関するもので、積層枚数に対して間隔維持用部材の数も増加せず、外力に対しても破損し難い柔軟で、積層枚数に直線比例して応力拡大が可能な平板積層型導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２２】
本発明の第２態様によれば、前記電解質托体層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質、又は液体の電解質である、第１の態様に記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００２３】
本発明の第３態様によれば、前記２枚の電解質托体層のそれぞれの厚さが１５μｍ以上である第１又は２の態様に記載の平板積層型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、電解質托体層の厚さが適切なことで駆動するときの抵抗が最小限に抑えられ、最適な応力拡大が可能な平板積層型導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２４】
本発明の第４態様によれば、前記電解質托体層内に設けられて、前記導電性高分子膜と前記電極とを非接触状態に維持する、絶縁体であるセパレータを備えた第１〜３のいずれか１つの態様に記載の平板積層型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、積層により応力を拡大できる平板積層型導電性高分子アクチュエータに関するもので、外力に対しても、絶縁体により導電性高分子膜と前記電極との短絡を防止することができ、短絡による誤動作を防止できる平板積層型導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２５】
本発明の第５態様によれば、絶縁体でかつ直径が前記電解質托体層の前記厚さ以下である球体が前記電解質托体層内に含まれている第１〜３のいずれか１つの態様に記載の平板積層型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、接触抵抗が少なく最大の出力を出すことができる平板積層型導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２６】
本発明の第６態様によれば、前記間隔維持用部材により前記導電性高分子膜が設定される間隔が、前記電極とその両側にある前記電解質托体層の厚さの合計に対して±５０％となるように設けられている第１〜５のいずれか１つの態様に記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００２７】
本発明の第７態様によれば、前記間隔維持用部材により前記導電性高分子膜が設定される間隔が、前記電極とその両側にある前記電解質托体層の厚さの合計に対して±２０％となるように設けられている第１〜５のいずれか１つの態様に記載の平板積層型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、導電性高分子膜と電極と電解質托体層との最適な間隔を維持でき、それらの接触も適切に維持でき、外力が加わった後も最適な間隔に復帰できるので、導電性高分子膜と電極、或いはそれらとセパレータの相互の接触による抵抗発生が回避できることによる最大の応力拡大が可能な平板積層型導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２８】
本発明の第８態様によれば、前記電極が導電性高分子膜からなることを特徴とする第１〜７のいずれか１つの態様に記載の平板積層型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、積層により応力を拡大できる平板積層型導電性高分子アクチュエータに関するもので、間隔維持用部材に保持される導電性高分子膜の枚数が同じ場合にも、より大きな応力を出すことが可能な平板積層型導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２９】
本発明の第９態様によれば、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータを備えて、前記２枚の導電性高分子膜が膨張或いは収縮することにより伸張又は屈曲動作するロボットアームを提供する。
【００３０】
本発明の第１０態様によれば、第１〜８のいずれか１つの態様に記載の平板積層型導電性高分子アクチュエータを指部に備えて、前記２枚の導電性高分子膜が膨張或いは収縮することにより前記指部を伸張又は屈曲動作させるロボットハンドを提供する。
このような構成によれば、積層により応力を拡大できる平板積層型導電性高分子アクチュエータを備えるロボットアーム又はロボットハンドに関するもので、積層枚数に対して間隔維持用部材の数も増加せず、外力に対しても破損し難い柔軟で、積層枚数に直線比例して応力拡大が可能な平板積層型導電性高分子アクチュエータを備えるロボットアーム又はロボットハンドを得ることができる。
【００３１】
本発明の第１１態様によれば、下側と上側の導電性高分子膜と電極との間に配置された下側と上側の電解質托体層が、前記各導電性高分子膜と前記電極とをそれぞれ接続するとともに、前記下側と上側の導電性高分子膜と前記電極の間に電位差を与えることにより、酸化還元反応により前記下側と上側の導電性高分子膜が膨張或いは収縮する平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法において、
前記下側の導電性高分子膜の両端部を間隔維持用部材で保持し、
次いで、前記下側の導電性高分子膜の上に前記下側の電解質托体層を積層し、
次いで、前記下側の電解質托体層の上に前記電極を積層し、
次いで、前記電極の上に前記上側の電解質托体層を積層し、
次いで、前記上側の電解質托体層の上に前記上側の導電性高分子膜を積層するとともに、前記下側の導電性高分子膜の両端部を保持する前記間隔維持用部材に、前記上側の導電性高分子膜の両端部を保持して、前記下側と上側の導電性高分子膜間の間隔を、前記電極の厚さと前記下側と上側の電解質托体層との厚さとの合計となる寸法に設定することにより、平板積層型導電性高分子アクチュエータを製造する、平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法を提供する。
このような構成によれば、積層により応力を拡大できる平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法に関するもので、積層枚数に対して間隔維持用部材の数も増加せず、外力に対しても破損し難い柔軟で、積層枚数に直線比例して応力拡大が可能な平板積層型導電性高分子アクチュエータを容易に製造することができる。
【００３２】
以下、本発明の様々な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（第１実施形態）
図１Ａは本発明にかかる第１実施形態の平板積層型導電性高分子アクチュエータ１の概半分を示す断面図、図１Ｂは図１Ａの平板積層型導電性高分子アクチュエータ１の斜視図を示している。図１Ｃは第１実施形態の変形例にかかる平板積層型導電性高分子アクチュエータの概半分を示す断面図、図１Ｄは図１Ｃの平板積層型導電性高分子アクチュエータの斜視図を示している。
【００３４】
また、図１Ｅは、特許文献２の図５であって、導電性高分子膜に対して、電解質托体層（電解質層）の厚さを３つの異なる値（５μｍ、１５μｍ、４５μｍ）に変えた上で、電解質托体層の弾性率を広範囲に変えた場合の発生変位の比率を示すグラフである。図１Ｆは、アクチュエータとして伸縮動作に寄与する導電性高分子膜の断面比率と発生変位の低下率と電解質托体層の厚さδとの関係を示すグラフである。
【００３５】
図１Ｇは、アクチュエータ１の電解質托体層４などの厚さδの設定状況を説明する図である。図１Ｈは、実施例２の場合のアクチュエータ１の電解質托体層４などの厚さδの設定状況を説明する図である。
【００３６】
図１Ｉは、図１Ａ及び図１Ｂの平板積層型導電性高分子アクチュエータ１において、その膜厚方向から外力が導電性高分子アクチュエータ１に加わった場合の図である。図２は、比較例として、第１実施形態の平板積層型導電性高分子アクチュエータ１において、不適切な設定をしたアクチュエータの図である。
【００３７】
図１Ａ及び図１Ｂに示す平板積層型導電性高分子アクチュエータにおいては、上下一対の長方形板状の導電性高分子膜（アクティブ部材層）３，３の中間部に、電解質托体層４，４をそれぞれ介して、長方形板状の電極２を埋め込むように配置している。すなわち、図１Ａ及び図１Ｂにおいて、下から上向きに、下側の導電性高分子膜３と、下側の電解質托体層４と、電極２と、上側の電解質托体層４と、上側の導電性高分子膜３とが順に配置されて積層されている。なお、図１Ａ及び図１Ｂ中、２０は電源、１９はスイッチである。
【００３８】
各電解質托体層４の厚さ方向の中間部には、多数の小さな貫通穴７ａを有する長方形の絶縁紙のセパレータ７が配置されて、各導電性高分子膜３と電極２との非接触状態（絶縁状態）を維持するようにしている。
【００３９】
２つの導電性高分子膜３，３の両端部には、絶縁体の直方体形状の間隔維持用部材５，５が配置されて、間隔維持用部材５，５により２つの導電性高分子膜３，３の両端部を保持して、２枚の導電性高分子膜３，３間の間隔が電極２の厚さと２枚の電解質托体層４，４との厚さとの合計となる間隔にほぼ設定するようにしている。ここで、間隔維持用部材５により導電性高分子膜３，３が設定される間隔が、電極２とその両側にある電解質托体層４，４の厚さの合計の値に対して±５０％となるように設けられている。±５０％が上限及び下限の値であり、この範囲外では、間隔維持用部材５により導電性高分子膜３，３の間隔を精度良く維持することが困難になるためである。さらに、間隔維持用部材５により導電性高分子膜３，３が設定される間隔が、電極２とその両側にある電解質托体層４，４の厚さの合計の値に対して±２０％となるように設けられているのが、良好な駆動性能が実現できる点で好ましい。一例として、実際上は工作精度も加味して、０．２δ（＝３〜４μｍ）まで許容することも可能である。１μｍ以下の加工精度は通常困難である。実験的にも、合計厚さの±２０％の範囲内では、駆動性能への悪影響は計測できていないため、前記範囲が好ましい。
【００４０】
また、各間隔維持用部材５は、その内側の側面に凹部５ａを有し、凹部５ａの下面に下側の導電性高分子膜３の一方の端部を載置するとともに、凹部５ａの上面に上側の導電性高分子膜３の一方の端部を配置している。そして、下側の導電性高分子膜３と上側の導電性高分子膜３との間でかつ凹部５ａ内に、絶縁体の直方体形状の腱スペーサ部材６圧入するように挿入して固定している。この腱スペーサ部材６により、下側の導電性高分子膜３と上側の導電性高分子膜３との間隔を所定間隔に保持し続けることができるとともに、下側の導電性高分子膜３の端部と上側の導電性高分子膜３の端部と各間隔維持用部材５とを固定的に保持するようにしている。よって、各間隔維持用部材５と各腱スペーサ部材６とは、それぞれ、これらの固定保持及び間隔保持機能が発揮できる程度の堅さの剛性を有している。各腱スペーサ部材６と、電極２の端部と２枚の電解質托体層４，４の端部との間は、隙間が有っても無くてもよいが、厚さ方向に外力が作用したり、アクチュエータ自体が湾曲したりするとき、電極２自体と２枚の電解質托体層４，４自体が長手方向に伸びる場合があるため、その伸び分を吸収するだけの隙間が有った方が好ましい。
【００４１】
ここで、間隔維持用部材５，５の意義を説明するため、図２には、図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｉのアクチュエータ１とは異なって、アクチュエータ１において間隔維持用部材５の代わりに、従来の保持部材３０を使用した場合についての課題を説明する。図２では、導電性高分子膜３，３の間隔は、電極２が１枚とセパレータ７が２枚の厚さ分しかない場合である。
【００４２】
このような導電性高分子膜３，３の間隔が狭い場合には、導電性高分子膜３，３にテンションが加わった時点で、図２の破線で囲んで示す接触抵抗発生部３１の付近にて、導電性高分子膜３とセパレータ７とが、そして、セパレータ７と電極２とが接触することで、導電性高分子膜３，３の伸縮動作が阻害される。また、初期状態では２つの保持部材３０と上下の導電性高分子膜３，３とで囲まれた領域が、駆動時の接触抵抗発生部３１の接触抵抗の発生により、接触抵抗発生部３１と上下の導電性高分子膜３，３とで囲まれた領域まで狭くなることからも、駆動時には導電性高分子膜３，３に内圧が掛かり、収縮による保持部材３０，３０での仕事量を減少させることになる。また、導電性高分子膜３と電極２とが接触する以前に、導電性高分子膜３と電極２との厚さ方向での距離が局所的に狭くなり、電圧降下が小さくなり、導電性高分子膜３と電極２との長手方向での印加電圧分布が生じる。これは、導電性高分子膜３，３の収縮運動に局所集中が生じることになり、全体としての最大の収縮の変位量が導電性高分子膜３，３で得られなくなり、また、長期的には局所的な寿命劣化を加速することにもつながる。
【００４３】
また、図２には示していないが、逆に、導電性高分子膜３，３の間隔が所定より広く構成されてしまった場合には、電解質托体層４，４が厚さ方向に引っ張られて変形し、導電性高分子膜３と電極２との距離が大きくなることによって、電圧降下が増加して、導電性高分子膜３への陽イオンの出入りが減少して、アクチュエータ１としての駆動力及び変位量が減少してしまう。
【００４４】
これらの不具合を防止するため、前記第１実施形態のアクチュエータ１では、間隔維持用部材５，５により、具体的には、間隔維持用部材５，５の腱スペーサ部材６，６により、下側の導電性高分子膜３と上側の導電性高分子膜３との間隔を所定間隔に保持するように構成している。
【００４５】
各導電性高分子膜３は、酸化還元反応に伴って膨張収縮変形する矩形、例えば長方形の伸縮体で、膜状である。電極２としても、導電性高分子膜３と同じ導電性高分子膜を使用するのが好ましい。なお、電極２としては、導電性高分子膜の代わりに、白金箔等の金属膜を使用してもよいが、導電性高分子膜を使用した方が変形量は大きいので好ましい。各導電性高分子膜３及び電極２をそれぞれ構成する導電性高分子としては、ポリピロール（ＰＰｙ）、又は、ポリアニリン等が利用可能であるが、ポリピロールは変位量が大きい点で望ましい。また、各導電性高分子膜３及び電極２のそれぞれの厚さはそれぞれ５μｍから３０μｍ程度であるのが望ましい。材質にも大きく依存するが、各導電性高分子膜３及び電極２のそれぞれの厚さが５μｍより薄いと、強度的に弱く、各導電性高分子膜３及び電極２のそれぞれの厚さが３０μｍより厚いと、各導電性高分子膜３及び電極２のそれぞれの内部までイオンの出入りが困難となるため、発生変位が小さくなり、同時に動作速度も低下することになり、適切ではない。
【００４６】
２枚の導電性高分子膜３，３が接触する２枚の電解質托体層４，４は、それぞれ、ゲル状のイオン液体で構成するようにしている。
【００４７】
前記したように、各導電性高分子膜３は両端は間隔維持用部材５でそれぞれ保持されている。間隔維持用部材５は電気抵抗が高い絶縁体であり、軽くて、耐腐食性の高い材料として、例えばチーク材、又は、ポリテトラフルオロエチレンを使用することが望ましい。
【００４８】
第１実施形態のより具体的な実施例１としては、厚さ１４μｍの導電性高分子膜３を各導電性高分子膜３及び電極２のそれぞれに使用した。ここで、各導電性高分子膜３及び電極２のそれぞれの他の寸法は、共に長さは２５ｍｍ、幅は５ｍｍのものを一例として使用した。また、本実施例１では、電解質托体層４としては、エチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）を使用し、このイオン性液体とモノマーであるメチルメタクリレート（ＭＭＡ）とのモル比が１：１の溶液に、架橋剤エチレングリコール・ジメタクリレート（ＥＤＧＭＡ）を添加して加熱重合した高分子電解質ゲルを用いることができる。
【００４９】
各電解質托体層４の厚さは５μｍから５０μｍ程度が望ましい。その理由は、条件（１）として、電解質托体層４の厚さが５０μｍより厚いと、導電性高分子膜３を密に配置することができないためである。逆に、条件（２）として、電解質托体層４の厚さが５μｍより薄いと、電解質托体層４の中に含まれるイオンが少なくなり、平板積層型導電性高分子アクチュエータ１としての駆動力及び変位量が低下するためである。ここで、電解質托体層４はゲル状で導電性高分子膜３と接しているが、条件（３）として、電解質托体層４が弾性により変形することができるため、導電性高分子膜３の伸縮に悪影響が無いようになっている。これらの電解質托体層４の最適な厚さδに影響する（１）〜（３）の３つの条件について、以下、説明を加える。
【００５０】
最初に、条件（１）について、導電性高分子膜３の断面比率がパラメータとなる。断面比率は、積層した導電性高分子膜３と電極２とセパレータ７と電解質托体層４との合計厚さに対する導電性高分子膜３の厚さの比率であると定義する。断面比率が小さいと、高分子アクチュエータ１の外部へ仕事をする駆動膜としての導電性高分子膜３の比率が小さいこととなり、体積当たりの仕事量、或いは重量当たりの仕事量が小さくなる。従来のボイスコイルモータ等のアクチュエータに対しての優位性を本発明の第１実施形態にかかる平板積層型導電性高分子アクチュエータ１が維持するためには、断面比率が重要な評価パラメータである。特に、人の筋肉との比較においては、平板積層型導電性高分子アクチュエータ１の性能は、人の筋肉の性能と拮抗するようにしている。例えば、導電性高分子膜３として厚さ１４μｍのポリピロール（ＰＰｙ）を使用し、電解質托体層４の厚さを１５μｍと仮定すると、複数の導電性高分子膜３を積層したときの断面比率は約３２％となる。すなわち、断面比率は、｛導電性高分子膜３の厚さ（１４μｍ）×１＋電解質托体層４の厚さ（１５μｍ）×２｝に対する｛導電性高分子膜３の厚さ（１４μｍ）×１｝の×１００倍であるから、具体的には、｛（１４μｍ×１）／（１４μｍ×１＋１５μｍ×２）｝×１００＝（１４／４４）×１００＝約３２％となる。ここでは、密度としてポリピロールを１．８ｇｒ／ｃｍ３、イオン液体を１．５ｇｒ／ｃｍ３として算出した場合である。この場合は、電極２として、先行特許（特許文献２）と同様にメッシュ状、或いは、ジグザグ形状の柔軟電極と名付けたステンレス鋼などの金属の電極２を使用しているため、電極２には電解質托体層４が食い込む形となり、電極２の厚さは断面比率の計算では無視することができる。また、この場合は、セパレータ７の代わりに、後述する、絶縁性の球体、例えば、絶縁性のプラスチック球体２１を電解質托体層４内に多数備える場合であり、各プラスチック球体２１の直径が電解質托体層４と同等かそれ以下のため、各プラスチック球体２１の厚さも計算上は電解質托体層４に含まれ、断面比率の計算では無視できるため、セパレータ７の厚さ（例えば、２５μｍ）は断面比率の計算に含めていない。さらに、導電性高分子膜３を一枚しか、断面比率の計算に入れないのは、以下の理由による。すなわち、図１Ａでは電極２が１層しかない場合であるが、実用上は、電極２を、もっと多く積層することが好ましい。このように多数積層する場合には、両端の導電性高分子膜３，３のうち片方の導電性高分子膜３だけを断面比率の計算に入れるようにしないと、断面比率の計算では、同じ導電性高分子膜３を重複して断面比率の計算に入れてしまうことになるためである。勿論、図１Ａの電極２が１層のみの場合では、両端の導電性高分子膜３，３が合計２枚必要であるが、電極２の積層が多くなれば、両端の導電性高分子膜３，３のうち片側の導電性高分子膜３は最終端に使用されるのみで、断面比率の計算の際は無視できることになる。厳密には、積層がＸ層のとき、端の導電性高分子膜３は、その厚さのＸ分の１だけ断面比率の計算に加えれば良いが、積層数に依存することもあり、通常、断面比率の計算の際は無視できる。
【００５１】
この断面比率の元で、例えば５〜６％の変位量が出る周期で動作させた場合、単位質量当たりの仕事量は約６０〜７０Ｊ／ｋｇとなる。一方、ボイスコイルモータの単位質量当たりの仕事量は例えば約０．１Ｊ／ｋｇのものが多い。人の筋肉の場合の単位質量当たりの仕事量は、約７０Ｊ／ｋｇとも言われている。つまり、平板積層型導電性高分子アクチュエータ１の断面比率が３２％の場合には、単位質量当たりの仕事量に関して、ボイスコイルモータの場合の仕事量の約５００倍以上、人の筋肉の場合の仕事量にほぼ近いアクチュエータであることが分かる。逆に、アクチュエータ１の断面比率が３２％より低下して、例えば断面比率が２％の半分の１６％の場合では、人の筋肉の半分程度の単位質量当たりの仕事量となってしまう。これより、人の筋肉と同様な性能を維持するためには、アクチュエータ１の断面比率は３２％以上である必要がある。
【００５２】
次に、条件（２）について、電解質托体層４から導電性高分子膜３へ移動できるイオン量が律速となる。例えば、電気２重層キャパシタでは、充電に要するイオン種の量を確保するために、各電解質托体層４の厚さは少なくとも数１０μｍ確保している。
【００５３】
最後に、条件（３）について、電解質托体層４の弾性率が重要なパラメータとなる。これは、特許文献２に記載されているので詳細は省略するが、図１Ｅは特許文献２の図５である。導電性高分子膜３に対して、電解質托体層（電解質層）４の厚さを３つの異なる値（５μｍ、１５μｍ、４５μｍ）に変えた上で、電解質托体層４の弾性率を広範囲に変えた場合の発生変位の比率を示すグラフである。図１Ｅにおいては、限界値である３ｋＮ／ｍ２を点線で明示しているとともに、パラメータを、電解質托体層４の厚さと断面比率（有効断面積比）の両方で記載している。ここで、縦軸の発生変位の比率は、まず、電解質托体層４がなく、導電性高分子膜（アクティブ部材層）３の伸縮を阻害する要因がない場合の発生変位を１００％としている。よって、この発生変位の比率は、電解質托体層４が導電性高分子膜３に隣接して存在するために、導電性高分子膜３の伸縮が阻害されて発生変位が小さくなる比率を示している。解析シミュレーション結果は、電解質托体層４の剛性が、ある臨界値（３ｋＮ／ｍ２）以下になると、発生変位の阻害が劇的に小さくなることを示している。図１Ｅ中、電解質托体層４の厚さを５μｍとしたものが三角印で表されるグラフ（最も下側の小さい点線のグラフ１）、電解質托体層４の厚さを１５μｍとしたものが黒丸印で表されるグラフ（中間の実線のグラフ２）、電解質托体層４の厚さを４５μｍとしたものが白丸印で表されるグラフ（最も上側の大きな点線のグラフ３）である。電解質托体層４の厚さが大きい程、発生変位の比率は大きくなっているが、アクチュエータ１として伸縮動作に寄与するのは導電性高分子膜３であって、電解質托体層４は伸縮動作に寄与しないため、電解質托体層４の厚さが大きくなることは、この観点からは逆に好ましくない。
【００５４】
図１Ｆに、アクチュエータ１として伸縮動作に寄与する導電性高分子膜３の断面比率と発生変位の低下率と電解質托体層４の厚さδとの関係のグラフを示している。電解質托体層４の厚さδが５μｍの場合の断面比率は４４％である（図１Ｆの白丸のグラフ参照）。これに対して、電解質托体層４の厚さδが１５μｍの場合の断面比率は３１％であり、電解質托体層４の厚さが４５μｍの場合の断面比率は１６％である（図１Ｆの白丸のグラフ参照）。
【００５５】
図１Ｅ及び図１Ｆから、導電性高分子膜３の厚さは、機械強度の観点から５μｍ以上とするのに対して、電解質托体層４の厚さδが５μｍの場合は、この電解質托体層４の厚さδと導電性高分子膜３の厚さと厚さが同等となるので、導電性高分子膜３に十分なイオン種を供給する供給源の電解質托体層４の厚さδとしては、５μｍが最小限の厚さと考えられる。このような条件下でも、発生変位の低下率（阻害）を２０％以下に抑えるには、電解質托体層４の弾性率を３ｋＮ／ｍ２以下にする必要があることが分かった。このような電解質托体層４の条件下では、電解質托体層４の厚さδが１５μｍの場合には、その発生変位の低下率を１０％以下に抑えることができるのでさらに好ましい（図１Ｆの黒丸のグラフ参照）。さらに、電解質托体層４の厚さδが４５μｍの場合には、その発生変位の低下率を３％以下にまで抑えることができる（図１Ｆの黒丸のグラフ参照）など、より大きい厚さの電解質托体層４が、この観点では望ましいが、反面、アクチュエータとして伸縮動作に関わる導電性高分子膜３の断面比率を下げることになるので限度がある。以上のように、特許文献２に記載されているように、電解質托体層４の厚さδは１５μｍ以上が望ましい。
【００５６】
以上から、条件（１）の導電性高分子膜３の断面比率からは、電解質托体層４の厚さは１５μｍ以下が望ましい。また、条件（２）からは、電解質托体層４の厚さは数１０μｍ確保するのが好ましい。さらに、条件（３）からは、電解質托体層４の厚さδは１５μｍ以上が望ましい。これらの条件から、電解質托体層４の最適な厚さδは１５〜２０μｍが適切と言える。なお、この３条件のうち、優先度が高い順には、条件（３）、条件（２）、そして条件（１）となり、電解質托体層４の厚さδとして、実用上、最適な厚さは１５〜２０μｍであるが、従来のアクチュエータとの優位性も考慮して、電解質托体層４の厚さδは１５μｍ程度の厚さが適当な構成であると結論付けられる。
すなわち、電解質托体層４の最適な厚さδを決定する要因としては、まず、機械的な駆動性能（条件（３））を優先し、次に、電気化学的性能（条件（２））を優先し、最後に従来アクチュエータとの比較（条件（１））を考慮すると考えている。なお、ここでは、電気化学的な性能として、条件（２）は未知の部分も多く、印加電圧等の他の条件で補完できることからも、優先度を少し下げている。
【００５７】
第１実施形態の前記実施例１では、厚さ１５μｍの電解質托体層４を使用した。図１Ｇに電解質托体層４などの厚さδの設定状況を説明している。図１Ｇのアクチュエータ１では、２枚の導電性高分子膜３，３の間に、厚さδ１＝１５μｍの電解質托体層４を４層積層して構成している。すなわち、上側の導電性高分子膜３と上側のセパレータ７との間と、上側のセパレータ７と電極２との間と、電極２と下側のセパレータ７との間と、下側のセパレータ７と下側の導電性高分子膜３との間の４箇所に、厚さδ１＝１５μｍの電解質托体層４をそれぞれ配置している。
【００５８】
なお、電解質托体層４の内部には（図１Ｇでは、厚さδ１＝１５μｍの電解質托体層４と厚さδ１＝１５μｍの電解質托体層４との間には）、導電性高分子膜３と電極２との絶縁を目的にセパレータ７を設けている。セパレータ７としては、例えば、前記実施例１では厚さ２５μｍ程度のものを使用している。
【００５９】
このように電解質托体層４の内部にセパレータ７を配置すれば、電解質托体層４のゲル化したイオン液体は、セパレータ７内にも浸透しており、実施例１では、電解質托体層４の厚さにセパレータ７の厚さを加えて、実質的には厚さ４０μｍ（＝本来の電解質托体層４の厚さδ１＝１５μｍ＋セパレータ７の厚さδ２＝２５μｍ）の電解質托体層４となっており、上述の条件（２）の観点からも、導電性高分子膜３への十分なイオン量を供給できるよう形成している。
【００６０】
一方、間隔維持用部材５において、２枚の導電性高分子膜３，３が所定の間隔に設定できるように保持することができる。所定の間隔とは、腱スペーサ部材６の高さであって、電極２の厚さδ３とその両側にある電解質托体層４，４のそれぞれの厚さδ（図１Ｇでは、電極２の厚さδ３と、４枚の電解質托体層４の厚さδ１と２枚のセパレータ７の厚さδ２との合計厚さ）の合計寸法と概同寸法であることを意味する。
【００６１】
前記した構成のアクチュエータ１では、２枚の導電性高分子膜３，３が収縮することで、両側の間隔維持用部材５，５を互いに接近する方向に引っ張ることになり、アクチュエータ１として動作させることができる。各導電性高分子膜３は電圧印加で伸縮するが、２枚の導電性高分子膜３，３が伸張する際にはアクチュエータ１の外部に仕事をすることはできず、収縮する際に２枚の導電性高分子膜３，３の弾性率に応じて、間隙保持部材５，５を介して駆動力をアクチュエータ１の外部に対して発揮することができる。すなわち、動作時には、２枚の導電性高分子膜３，３には相応のテンションがかかることになる。
【００６２】
前記第１実施形態にかかるアクチュエータ１は、図１Ｉに示すが、柔軟なアクチュエータとして、その安全性に優れたものである。導電性高分子膜３，３の厚さ方向から外力が導電性高分子膜３，３に加わった場合、導電性高分子膜３，３の柔らかさが効力を発揮して、導電性高分子膜３，３が柔軟に変形することにより、外力により発生する応力を吸収することができる。また、電解質托体層４もゲル化しているが、イオン液体として前記外力に対して電解質托体層４も柔軟に変形することが可能である。そして、電解質托体層４の変形後も駆動する際には、間隔維持用部材５により所定の間隔で両端を保持された導電性高分子膜３，３は、テンションによって、再度、図１Ａ及び図１Ｂの元の初期状態に自動的に復帰して、アクチュエータ１として正常に機能することができる。
【００６３】
前記第１実施形態の変形例として、図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、図１Ａ及び図１Ｂのアクチュエータ１のセパレータ７の代わりに、前記導電性高分子膜３と前記電極２、或いは前記セパレータ７との摩擦低減のため、絶縁性の球体、例えば、絶縁性のプラスチック球体２１を電解質托体層４内に多数備えるようにしてもよい。プラスチック球体２１の直径は、電解質托体層４からはみ出ないように、電解質托体層４の厚さ以下とする。このようにプラスチック球体２１を使用した第１実施形態の変形例における平板積層型導電性高分子アクチュエータ１Ａを図１Ｃ及び図１Ｄに示している。図１Ｃ及び図１Ｄ中、プラスチック球体２１は、小さい丸で示している。図１Ａなどのアクチュエータ１のセパレータ７と比べると、アクチュエータ１Ａの絶縁性能は低下するが、導電性高分子膜３，３の伸張時に導電性高分子膜３，３と電極２間の摩擦抵抗を大きく低減できる点が特徴である。プラスチック球体２１には、例えば、ミクロパール（登録商標）（ミクロパールＳＰの直径１４μｍの微粒子）等の製品が使用可能である。電解質托体層４に混ぜて使うだけなので非常に取り扱いが簡単で、また、セパレータ７よりも断面積が小さいものが使用できるメリットも大きく、電解質托体層４の最適厚さδに近い寸法を選択することができる。なお、図１Ｃ及び図１Ｄのアクチュエータ１Ａの場合について、図１Ｈにアクチュエータ１Ａの電解質托体層４などの厚さδの設定状況を図示している。
【００６４】
ここでは、図１Ｃ及び図１Ｄのアクチュエータ１Ａとして、具体的な実施例２として、電解質托体層４の厚さ１５μｍに対して、直径１４μｍの絶縁性プラスチック球体２１を使用している。電解質托体層４がイオン液体時に、プラスチック球体２１を電解質托体層４内に均質に混入させ、その後にイオン液体をゲル化して電解質托体層４を製作した。顕微鏡で観察したが、プラスチック球体２１は電解質托体層４内でも均質に分散して存在していた。この電解質托体層４により、セパレータ７に比して絶縁性能は低下するが、導電性高分子膜３と電極２との摩擦抵抗は顕著に低下し、前述の解析シミュレーションに近い性能が得られた。
【００６５】
なお、第１実施形態の前記変形例における前記アクチュエータ１Ａにおいてプラスチック球体２１を使用する説明をしたが、全く同様に、第１実施形態におけるアクチュエータ１において、セパレータ７はそのままで、各電解質托体層４にさらに絶縁性プラスチック球体２１を混入して使用することによって、さらに摩擦抵抗の低減効果を得ることもできる。
【００６６】
以上のように、第１実施形態のアクチュエータ１，１Ａによれば、間隔維持用部材５，５により２枚の導電性高分子膜３，３間の間隔を、電極２の厚さと２枚の電解質托体層４との厚さとの合計となる寸法に確実に保持することができる。この結果、導電性高分子膜３，３などの積層枚数に対して間隔維持用部材５，５の数も増加せず、外力に対しても破損し難く、かつ、柔軟で、積層枚数に直線比例して応力拡大が可能となる。また、外力に対しても、電解質托体層４内の絶縁体７，２１により、導電性高分子膜３，３と電極２とが短絡して誤動作することがないように、導電性高分子膜３，３と電極２と電解質托体層４，４とを最適な間隔を維持することできる。また、それらの接触防止も適切に維持でき、外力が加わった後も、導電性高分子膜３の弾性力又は電解質托体層４の弾性力により、それぞれ、最適な間隔に自動的に復帰できるので、導電性高分子膜３と電極２、或いは、それらとセパレータ７の相互の接触による抵抗発生が回避できることによる最大の応力拡大が可能である。さらに、セパレータ７の代わりに、或いは、セパレータ７に加えて、電解質托体層４に絶縁性プラスチック球体２１を混入させることで、接触による抵抗発生がより大きく回避できる。従って、間隔維持用部材５，５に保持される導電性高分子膜３，３の枚数が同じ場合にも、より大きな応力を確実に出力することが可能な平板積層型導電性高分子アクチュエータ１，１Ａを得ることができる。
【００６７】
（第２実施形態）
図３Ａ〜図４は、本発明にかかる第２実施形態の平板積層型導電性高分子アクチュエータ１Ｂの断面図を示す。図３Ａはアクチュエータ１Ｂの初期状態、図３Ｂは正の印加電圧が導電性高分子膜３，３に印加されたときの状態、図３Ｃは負の印加電圧が導電性高分子膜３，３に印加されたときの状態をそれぞれ示している。図５には、積層枚数と応力に関する実験結果を示す。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。
【００６８】
図３Ａ〜図３Ｃに示す第２実施形態の平板積層型導電性高分子アクチュエータ１Ｂでは、第１実施形態の平板積層型導電性高分子アクチュエータ１の上側の導電性高分子膜３の上に、さらに、電解質托体層４と、セパレータ７と、電解質托体層４と、電極２とを下から上に順に積層するとともに、下側の導電性高分子膜３の上に、さらに、電解質托体層４と、セパレータ７と、電解質托体層４と、電極２とを上から下に順に積層して構成している。第１実施形態と比して、この第２実施形態のアクチュエータ１Ｂでは、導電性高分子膜３，３の両側（上側の導電性高分子膜３の上側と、下側の導電性高分子膜３の下側と）に電解質托体層４と電極２をそれぞれ有しており、より大きな変位量と応力を生じることが可能である。その理由は、各導電性高分子膜３への陽イオンの出入りが、各導電性高分子膜３の厚さ方向の両側から行われて、陽イオンの出入りの数が増加するためである。
【００６９】
第２実施形態の変形例として、特に、図４のように３枚以上の導電性高分子膜３，３，３が積層されたアクチュエータ１Ｃの場合には、厚さ方向の両端の導電性高分子膜３，３と、それらの間の内側の導電性高分子膜３との伸縮の変位量が等しくすることが可能となり、より、間隔維持用部材５の効果を活かすことが可能となる。図４では、アクチュエータ１Ｃの長手方向の各端部において、腱スペーサ部材６をそれぞれ２個配置している。
【００７０】
ここで、図１Ａ及び図１Ｂの第１実施形態のアクチュエータ１の厚さ方向の両側（図１Ａ又は図１Ｂの上側と下側）に電解質托体層４と電極２をそれぞれ設けているが、図３Ａ〜図３Ｃでも全く同様に、図１Ｃ及び図１Ｄの第１実施形態の変形例のアクチュエータ１Ａの厚さ方向の両側（図１Ｃ又は図１Ｄの上側と下側）に電解質托体層４と電極２とをそれぞれ設けることで、同様な効果が得られる。また、前記両側の電解質托体層４と電極２との間隔も、第１実施形態と同様に寸法δで設計しているが、両端では電極２が固定されていないケースが多く、電極２とセパレータ７と導電性高分子膜３との摩擦抵抗は重大な影響を与えないケースが多いので、前記間隔も寸法δである必要は必ずしもない。
【００７１】
図３Ａには、印加電圧がゼロの時点での、導電性高分子膜３，３と間隔維持用部材５，５を含むアクチュエータ１Ｂの全長（Ｌ）を示している。駆動力を取り出すための２枚の導電性高分子膜３，３としてポリピロールを２枚有し、電極２は３枚ある。３枚の電極２は全てポリピロール膜を使用している。
【００７２】
次に、図３Ｂのように、駆動用の２枚の導電性高分子膜３，３に＋電荷を電源２０から印加し、電極２用の導電性高分子膜には−電荷を電源２０から印加している。陽イオンが駆動用の各導電性高分子膜３から放出され、電極２用の各導電性高分子膜３に陽イオンは吸収される。その結果、駆動用の各導電性高分子膜３はΔＬだけ収縮し、間隔維持用部材５，５を含むアクチュエータ１Ｂの全長も（Ｌ−ΔＬ）の長さとなる。なお、各電極２用の導電性高分子膜は、逆にΔＬ分だけ伸張するが、各電解質托体層４の弾性に吸収されて、アクチュエータ１Ｂの外部への変位量及び応力としては出力していない。
【００７３】
また、図３Ｃに示すように、印加電圧を図３Ｂの場合と逆にした場合、駆動用の各導電性高分子膜３はΔＬだけ伸長すると同時に、各電極２用の導電性高分子膜は収縮している。アクチュエータ１Ｂとしての外部への仕事は、いずれも発生していないが、次に、逆の印加電圧時に２ΔＬ分の仕事が可能である。
【００７４】
図４は、図３Ａなどのアクチュエータ１Ｂよりも、導電性高分子膜３の積層枚数がより増加した場合のアクチュエータ１Ｃを示している。このように多層に積層してアクチュエータを構成するとき、間隔維持用部材５，５による所定の間隔を維持する構成でない場合には、図２に示す接触抵抗発生部分３１がより多くなり、変位量及び応力の損失は大きくなる。これに対して、図４のアクチュエータ１Ｃでは、間隔維持用部材５，５により所定の間隔を対向する２枚の導電性高分子膜３，３のそれぞれで維持することができるため、このような不具合は発生しない。
【００７５】
図５には、平板積層型導電性高分子アクチュエータにおける駆動用の導電性高分子膜３の積層枚数と発生力の実験結果を示している。実験では、幅５ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚さ１５μｍの導電性高分子膜を使用し、厚さ３０μｍの電解質托体層を使用した。今回使用した導電性高分子膜の材料としてのポリピロールの一例では、発生力は、１枚の導電性高分子膜で最大約３３ｇｆまでは可能である。この３３ｇｆ以上では、導電性高分子膜にクリープによる破壊が発生する確率が増加して、アクチュエータとしての伸長と収縮のバランスが崩れるので、使用していない。図５に示すように、間隔維持用部材を使用しつつ駆動用の導電性高分子膜を２枚積層した場合、３枚積層した場合、そして９枚積層した場合においては、菱形の塗りつぶしマークのように直線比例的に発生力を増加できている。一方、前述の図２と同様に、間隔維持用部材を使用せずに駆動用の導電性高分子膜の間隔が狭い場合には、図５の白丸に示すように、導電性高分子膜を２枚、３枚と積層しても、発生力がほとんど増加せず、アクチュエータとしてはほとんど機能しないことがわかる。なお、このサイズの導電性高分子膜の一例では、印加電圧は±１．５Ｖ程度で駆動している。
【００７６】
また、第１実施形態の変形例においてプラスチック球体２１を使用する説明をしているが、第１実施形態と全く同様に、第２実施形態においても、各電解質托体層４にプラスチック球体２１を混入して使用することによって、さらに摩擦抵抗の低減効果が得られる。或いは、第１実施形態の変形例のように、第２実施形態においても、セパレータ７の代わりに、或いは、セパレータ７に加えて、プラスチック球体２１を各電解質托体層４に混入して使用することで、同様な効果が得られる。
【００７７】
また、導電性高分子膜３の特性の差異及び寸法が異なる場合には、発生出力が異なるが、同様な効果を得ることは可能である。
【００７８】
以上のように、第２実施形態によれば、厚さ方向で両端の導電性高分子膜３，３からも同等な変位量を出すことが可能で、間隔維持用部材５．５の効果を向上することが可能な平板積層型導電性高分子アクチュエータ１Ｂ，１Ｃを得ることができる。
【００７９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態にかかる平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法について説明する。第３実施形態として、第１実施形態又は第２実施形態にかかるアクチュエータの構成となるようにアクチュエータを製造するには、以下のような工夫が必要である。つまり、導電性高分子膜３は柔軟な膜であると同時に、引張りによるテンションが掛かった状態でなければ、図１Ａ〜図１Ｄ、及び図３Ａ〜図４に示すような最適な構成には製作が困難である。或いは、例えば図１Ｉに示すような状態で構成してしまうと、駆動時に複数の導電性高分子膜の有効長さが不均質になり、結果として積層したことによる応力の増加が得られないことになる可能性がある。
【００８０】
そこで、前述の図３Ａのアクチュエータ１Ｂを製作する場合を例に、図６Ａ〜図６Ｏに製作時の組み立て方法の一例を示す。間隔維持用部材５，５に類似する間隔維持用部材５Ａ，５Ａと、及び高い導電性を有する腱スペーサ部材６（下側の腱スペーサ部材６Ａ，上側の腱スペーサ部材６Ｂ）とにより導電性高分子膜３，３を固定する直前まで、導電性高分子膜３，３にテンションが掛かった状態と等価な平面状態となるように、導電性高分子膜３，３を下方から支持することが望ましい。そのために、アクチュエータ組立治具として、絶縁性のケーシング４０と、製作用腱部材４１と、平面化治具４２と、高い導電性を有する一対の腱固定ビス４３，４３と、高い導電性を有する一対の対向電極固定ビス４４，４４と、絶縁性のケーシング蓋４５と、高い導電性を有する電極用スペーサ部材４６Ａ，４６Ｂとを使用する。ケーシング４０は、箱体であって、中央部に、アクチュエータ１Ｂの構成部材を順に収納していく収納用凹部４０ａを有し、その収納用凹部４０ａの底面４０ｂは、アクチュエータ１Ｂの構成部材を載置するために平面として構成している。ケーシング４０の長手方向の両端部には、間隔維持用部材５Ａ及び腱スペーサ部材６（６Ａ，６Ｂ）とをはめ込む凹部４０ｃとを有する。なお、この図６Ａでは、一例として、ケーシング４０の長手方向の一方の端部（図６Ａの奥側の端部）の間隔維持用部材５Ａはケーシング４０と一体化して固定側の絶縁性の間隔維持用腱部４０Ａとし、ケーシング４０の長手方向の他方の端部（図６Ａの手前側の端部）の間隔維持用部材５Ａはケーシング４０に対して、ケーシング４０の長手方向に若干移動調整可能としている。さらに、ケーシング４０の長手方向の他方の端部にのみ、製作用腱部材４１を嵌合しかつ他方の端部（図６Ａの手前側の端部）の間隔維持用部材５Ａの長手方向の移動範囲を規制しかつ厚さ方向には移動可能（挿脱可能）に、製作用腱部材４１の両端の傾斜縁部４１ａ，４１ａと係合する係合凹部４０ｄ，４０ｄとを有している。ケーシング４０の幅方向（短方向）の一端部（図６Ａの左側の端部）には、電極用スペーサ部材４６Ａ，４６Ｂを収納するための凹部４０ｅを有している。製作用腱部材４１は、ケーシング４０の収納用凹部４０ａ内でアクチュエータ１Ｂを組み立てするとき、他方の端部（図６Ａの手前側の端部）の間隔維持用部材５Ａがアクチュエータ１Ｂの長手方向に、それ以上、移動しないように規制するためのものである。
【００８１】
平面化治具４２は、アクチュエータ１Ｂの構成部材を押さえつけて平面化するとともに、各層の厚さを調整するための治具であり、構成部材を確実にかつ均等に押さえつけることができる程度の剛性を有するとともに、下面４２ａが平面となっている。
【００８２】
前記のような構成のアクチュエータ組立治具を使用して、以下のような手順でアクチュエータ１Ｂを組み立てる。ケーシング４０の長手方向の他方の端部に形成された凹部４０ｃには、間隔維持用部材５Ａを配置する。この間隔維持用部材５Ａ及びケーシング４０と一体化された間隔維持用腱部４０Ａは、それぞれ、直方体形状の凹部５Ａａ，４０Ａａを有する縦断面Ｌ字形状となっており、上端が開口している。そして、腱スペーサ部材６（６Ａ，６Ｂ），６（６Ａ，６Ｂ）を凹部５Ａａ，４０Ａａ内にはめ込み、下側の導電性高分子膜３の両端部を腱スペーサ部材６（６Ａ，６Ｂ），６（６Ａ，６Ｂ）の下面と間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａの凹部５Ａａ，４０Ａａの底面５Ａｂ，４０Ａｂとで挟それぞれ持可能としている。さらに、腱スペーサ部材６のうちの上側の腱スペーサ部材６Ａと下側の腱スペーサ部材６Ｂとの間でも上側の導電性高分子膜３の両端部をそれぞれ挟持可能としている。
【００８３】
まず、最初は、図６Ｂに示すように、組み立て支持台として機能する絶縁性のケーシング４０の底面４０ｂの上に、下端の電極２を載置したのち、続いて、下端の電極２の上に電解質托体層４を載置する。この電解質托体層４の厚さ方向の中間部にはセパレータ７が埋め込まれている。このとき、電極２及び電解質托体層４の両端部は、間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａには接触しないようにするのが好ましい。また、電極２の幅方向の一端部に突出部（図示せず）を有して、突出部の上に、下側の電極スペーサ部材４６Ａを載置する。電極スペーサ部材４６Ａは、この電極２と後述する下から２層目の電極２との間の間隔を維持するための部材であり、導電性高分子膜３，３に対する間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａと同様な機能を有している。
【００８４】
なお、蓋４５には、駆動用の導電性高分子膜１，２から電圧印加用の配線を取り出すための開口４５ａと、電極から電圧印加用の配線を取り出すための開口４５ｂとを、各々最低限１個ずつ貫通形成している。
【００８５】
次いで、図６Ｃに示すように、電解質托体層４の上に、一枚目（下側の）の導電性高分子膜３を載せて、両端を間隔維持用腱部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａの凹部５Ａａ，４０Ａａ内に挿入して、それぞれの底面５Ａｂ，４０Ａｂ上に導電性高分子膜３の両端を載置する。この状態では、電極２の厚さと電解質托体層４の厚さとの合計厚さよりも、底面５Ａｂ，４０Ａｂの厚さが小さく、電解質托体層４の上に載置された下側の導電性高分子膜３の両端部が、底面５Ａｂ，４０Ａｂに向けて垂れ下がるようになっている。
【００８６】
そこで、次に、図６Ｄに示すように、平面化治具４２を下側の導電性高分子膜３の上に載置するとともに、平面化治具４２の両端部を間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａの凹部５Ａａ，４０Ａａ内に挿入する。そして、下側の導電性高分子膜３と電解質托体層４と電極２とを、ケーシング４０の凹部４０ａ，４０ａの底面４０ｂ，４０ｂに向けて平面化治具４２で押圧して、図６Ｅに示すように、電極２の厚さと電解質托体層４の厚さとの合計厚さと、間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａの凹部５Ａａ，４０Ａａの底面５Ａｂ，４０Ａｂの厚さとを大略同一となるように平面化している。
【００８７】
次いで、図６Ｆに示すように、平面化治具４２をケーシング４０内から取り除いたのち、図６Ｇに示すように、下側の導電性高分子膜３の上に、別の電解質托体層４（下から２層目の電解質托体層４）を載置し、さらに、別の電解質托体層４の上に電極２（下から２層目の電極２）を載置する。このとき、別の電解質托体層４と電極２の両端部は、間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａには接触しないようにするのが好ましい。また、間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａの凹部５Ａａ，４０Ａａ内の導電性高分子膜３の両端部の上には、下側の腱スペーサ部材６Ａ，６Ａを挿入して載置する。また、電極２（下から２層目の電極２）の幅方向の一端部には、最下層の電極２と同様に、突出部を有して、突出部を、電極スペーサ部材４６Ａの上面に載置する。なお、このとき、まだ、後述する図６Ｊでの平面化による厚さ調整はしていないので、電極２（下から２層目の電極２）の突出部が、電極スペーサ部材４６Ａの上面よりも上方に位置して、載置できなくてもよい。図６Ｊでの平面化による厚さ調整が行なわれたとき、電極２（下から２層目の電極２）の突出部が電極スペーサ部材４６Ａの上面に載置されるようになればよい。よって、電極スペーサ部材４６Ａにより、電極２（最下層の電極２）と電極２（下から２層目の電極２）との間の間隔を所定間隔に確実に維持することができる。
【００８８】
次いで、図６Ｈに示すように、電極２（下から２層目の電極２）の上に別の電解質托体層４（下から３層目の電解質托体層４）を載置している。
【００８９】
次いで、図６Ｉに示すように、別の電解質托体層４（下から３層目の電解質托体層４）の上に上側の導電性高分子膜３を載置して、両端を間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａの凹部５Ａａ，４０Ａａ内に挿入して、それぞれの下側の腱スペーサ部材６Ａ，６Ａの上面に導電性高分子膜３の両端を載置する。この状態では、電解質托体層４（下から２層目の電解質托体層４）の厚さと電極２（下から２層目の電極２）の厚さと電解質托体層４（下から３層目の電解質托体層４）の厚さとの合計厚さよりも、下側の腱スペーサ部材６Ａ，６Ａの厚さが小さく、電解質托体層４の上に載置された上側の導電性高分子膜３の両端部が、下側の腱スペーサ部材６Ａ，６Ａの上面に向けて垂れ下がるようになっている。
【００９０】
そこで、次に、図６Ｊに示すように、平面化治具４２を上側の導電性高分子膜３の上に載置するとともに、平面化治具４２の両端部を間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａの凹部５Ａａ，４０Ａａ内に挿入する。そして、上側の導電性高分子膜３と電解質托体層４（下から２層目の電解質托体層４）と電極２（下から２層目の電極２）と電解質托体層４（下から３層目の電解質托体層４）とを、ケーシング４０の凹部４０ａ，４０ａの底面４０ｂ，４０ｂに向けて平面化治具４２で押圧して、図６Ｊに示すように、電解質托体層４（下から２層目の電解質托体層４）の厚さと電極２（下から２層目の電極２）の厚さと電解質托体層４（下から３層目の電解質托体層４）の厚さとの合計厚さと、下側の腱スペーサ部材６Ａ，６Ａの厚さとを大略同一となるように平面化している。
【００９１】
次いで、平面化治具４２をケーシング４０内から取り除いたのち、図６Ｋに示すように、上側の導電性高分子膜３の上に、別の電解質托体層４（下から４層目の電解質托体層４）を載置し、さらに、別の電解質托体層４（下から４層目の電解質托体層４）の上に、アクチュエータ１Ｂの最後の構成部材である電極２（下から３層目の電極２）を載置する。このとき、別の電解質托体層４（下から４層目の電解質托体層４）と電極２（下から３層目の電極２）の両端部は、間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａには接触しないようにするのが好ましい。また、間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａの凹部５Ａａ，４０Ａａ内の上側の導電性高分子膜３の両端部の上には、上側の腱スペーサ部材６Ｂ，６Ｂを挿入して載置する。図６Ｌに示すように、上側の腱スペーサ部材６Ｂ，６Ｂの厚さは、上側の導電性高分子膜３の上面と間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａの凹部５Ａａ，４０Ａａの外縁との寸法にほぼ同じである。
【００９２】
また、図６Ｋで電極２（下から３層目の電極２）を載置する前に、電極２（下から２層目の電極２）の突出部の上に、別の（上側の）電極スペーサ部材４６Ｂを載置する。この別の電極スペーサ部材４６Ｂは、電極２（下から２層目の電極２）と電極２（下から３層目の電極２）との間の間隔を維持するための部材であり、導電性高分子膜３，３に対する間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａと同様な機能を有している。電極２（下から３層目の電極２）の幅方向の一端部には、最下層の電極２と同様に、突出部を有して、突出部を、電極スペーサ部材４６Ｂの上面に載置する。なお、このとき、まだ、後述する図６Ｍでの平面化による厚さ調整はしていないので、電極２（下から３層目の電極２）の突出部が、電極スペーサ部材４６Ｂの上面よりも上方に位置して、載置できなくてもよい。図６Ｍでの平面化による厚さ調整が行なわれたとき、電極２（下から３層目の電極２）の突出部が電極スペーサ部材４６Ｂの上面に載置されるようになればよい。よって、別の電極スペーサ部材４６Ｂにより、電極２（下から２層目の電極２）と電極２（下から３層目の電極２）との間の間隔を所定間隔に確実に維持することができる。
【００９３】
次に、図６Ｍに示すように、平面化治具４２を電極２（下から３層目の電極２）の上に載置するとともに、平面化治具４２の両端部を上側の腱スペーサ部材６Ｂ，６Ｂの上面に載置する。そして、別の電解質托体層４（下から４層目の電解質托体層４）と電極２（下から３層目の電極２）とを、ケーシング４０の凹部４０ａ，４０ａの底面４０ｂ，４０ｂに向けて平面化治具４２で押圧して、図６Ｍに示すように、別の電解質托体層４（下から４層目の電解質托体層４）の厚さと電極２（下から３層目の電極２）の厚さとの合計厚さと、上側の腱スペーサ部材６Ｂ，６Ｂの厚さとを大略同一となるように平面化している。このように平面化した状態で、ケーシング４０の長手方向の各端部で、平面化治具４２の各端部の切欠部４２ｂ（図６Ａ参照）を通して、腱固定ビス４３を、上側の腱スペーサ部材６Ｂと上側の導電性高分子膜３の端部と下側の腱スペーサ部材６Ａと下側の導電性高分子膜３の端部とを通過させて、間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａの凹部５Ａａ，４０Ａａの底面５Ａｂ，４０Ａｂにねじ込み、上側の腱スペーサ部材６Ｂと上側の導電性高分子膜３の端部と下側の腱スペーサ部材６Ｂと下側の導電性高分子膜３の端部とを通過させて、間隔維持用部材５Ａ及び間隔維持用腱部４０Ａとを固定している。よって、腱固定ビス４３及び上側の腱スペーサ部材６Ｂ及び下側の腱スペーサ部材６Ａは導電性であるため、腱固定ビス４３の露出端面に電源２０を接続するだけで、全ての導電性高分子膜３と電源２０とを電気的に接続させることができる。また、平面化治具４２により平面化した状態で、ケーシング４０の幅方向の一方の端部で、平面化治具４２の幅方向の一方の端部の切欠部４２ｃ，４２ｃ（図６Ａ参照）を通して、対向電極固定ビス４４，４４を、電極２（下から３層目の電極２）と上側の電極用スペーサ部材４６Ｂと電極２（下から２層目の電極２）と下側の電極用スペーサ部材４６Ａと電極２（最下層の電極２）とを通過させて、ケーシング４０の凹部４０ｅの底面にねじ込み、電極２（下から３層目の電極２）と上側の電極用スペーサ部材４６Ｂと電極２（下から２層目の電極２）と下側の電極用スペーサ部材４６Ａと電極２（最下層の電極２）とを固定している。よって、対向電極固定ビス４４及び上側の電極用スペーサ部材４６Ｂ及び下側の電極用スペーサ部材４６Ａは導電性であるため、対向電極固定ビス４４の露出端面に電源２０を接続するだけで、全ての電極２と電源２０とを電気的に接続させることができる。
【００９４】
次に、図６Ｎに示すように、平面化治具４２を電極２（下から３層目の電極２）から取り除いたのち、製作用腱部材４１をケーシング４０から取り外して、図６Ｏに示すように、ケーシング蓋４５をケーシング４０の凹部４０ｂの開口を覆い被せるように、電極２（下から３層目の電極２）と上側の腱スペーサ部材６Ｂ，６Ｂとケーシング４０の上面との上に載置する。これにより、ケーシング４０とケーシング蓋４５とで囲まれた空間内に、アクチュエータ１Ｂのすべての構成部材が収納されている。この収納状態では、下側の導電性高分子膜３の両端部と上側の導電性高分子膜３の両端部との間に下側の腱スペーサ部材６Ａ，６Ａが配置され、かつ、上側の導電性高分子膜３の両端部とケーシング蓋４５との間に上側の腱スペーサ部材６Ｂ，６Ｂが配置されて、それぞれの間隔が維持されるようにしている。なお、図３Ａのアクチュエータ１Ｂでは、上側の腱スペーサ部材６Ｂ，６Ｂと間隔維持用部材５Ａと間隔維持用腱部４０Ａとが一体化された状態で図示されており、下側の腱スペーサ部材６Ｂ，６Ｂが腱スペーサ部材６，６として図示されている。
【００９５】
図６Ｏにおいては、アクチュエータ１Ｂとして下側の導電性高分子膜３と上側の導電性高分子膜３とが伸縮するとき、ケーシング４０の一方の端部（図６Ｏの右側の端部）の下側及び上側の導電性高分子膜３，３の端部が間隔維持用腱部４０Ａに固定されているため、ケーシング４０の他方の端部（図６Ｏの左側の端部）の下側及び上側の導電性高分子膜３，３の端部が間隔維持用部材５Ａと一体的に、ケーシング４０及びケーシング蓋４５に対して移動することにより、駆動力を外部に取り出すことができる。
【００９６】
よって、前記組立方法によれば、導電性高分子膜３，３を容易に積層しやすく、積層しても駆動力が低下することなく、外力が加わっても損傷しない、平板積層型導電性高分子アクチュエータ１Ｂを容易にかつ確実に製造することができる。
【００９７】
なお、前述の図４のように導電性高分子膜３，…，３が４枚以上の場合も、全く同様な製作方法で、腱スペーサ部材６の個数を適宜増やすとともにその厚さを適切な厚さのものを準備するだけで、４枚以上の導電性高分子膜３，…，３にテンションが掛かった状態で積層が可能である。
【００９８】
（第４実施形態）
本発明の前記第１〜第２実施形態に係る平板積層型導電性高分子アクチュエータは、収縮方向及び伸長方向の双方向において剛性及び駆動力を有し、積層により変位を拡大、或いは応力を拡大できる。よって、電解質托体層４を介して収縮及び伸長する導電性高分子膜３が面で対向する構成により静音、省スペース、低電圧で駆動が可能な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とともに、そのような人工筋肉アクチュエータを用いて、ロボットのロボットアーム又はロボットハンドの駆動部として構成すれば、好適なものとなる。
【００９９】
そこで、本発明の第４実施形態として、前記第１〜第２実施形態に係る平板積層型導電性高分子アクチュエータをロボットハンドの駆動部として使用する場合について説明する。
【０１００】
図７Ａには、特許第３７２３８１８号における図３Ａを引用したものである。図７Ａには、指部１０を屈伸動作させるための平面型多関節駆動機構１００の関節駆動源となるアクチュエータ１３−１、１３−２、１３−３が図示されている。これらのアクチュエータ１３−１、１３−２、１３−３の構成部品として、それぞれ、本発明の第１又は第２実施形態にかかる平板積層型導電性高分子アクチュエータの一例として、特に前述の図３Ａ又は図４で示すような第２実施形態にかかる構成、特に図４の構成を有するアクチュエータを使用することで、導電性高分子膜３の単膜では実現が困難な、大きな応力を提供することが省スペースで実現可能である。
【０１０１】
具体的には、図７Ｂに示す平面型多関節駆動機構１００のように、アクチュエータ１３−１、１３−２が伸縮することにより、指部１０を曲げたり伸ばしたり可能となる。この構成において、平板積層型導電性高分子アクチュエータとして応力及び変位量の増加が必要であるが、さらにここでは長方形板状の骨材１１−１、１１−２、１１−３と、隣接する骨材同士を連結する長尺な長方形板状の連結部材１２とを有しており、その厚さ方向のトルクにより、指部１０を屈曲させている。骨材１１−１，１１−２，１１−３としては、ポリエチレンあるいはその発砲体などの、剛性は高いが、軽量なプラスチック製の平板を用い、複数の骨材１１−１，１１−２，１１−３は、その長手方向（列方向）沿いに列状に一直線状に配置されるとともに、複数の骨材１１−１，１１−２，１１−３は全体としてほぼ平面的に配置された骨材層部材を成している。連結部材１２としては、リン青銅若しくはステンレスなどの金属、又は、ポリプロピレン若しくはポリエチレンテレフタレートなどのプラスチック製の薄板バネを用い、この連結部材１２の各端部を、隣接する骨材１１−１と１１−２又は隣接する骨材１１−２と１１−３のそれぞれに接着剤でそれぞれ貼り合わせ、それぞれの連結部１２の部分で弾性ヒンジを隣接する２つの骨材間に構成して、各連結部１２の長手方向と直交する方向（図７Ｂの紙面貫通方向）の１軸周りの回転自由度を持たせている。
【０１０２】
より詳細な説明として、図７Ｃに示すように、図７Ｂの平面型多関節駆動機構をモデル化して実寸を記入している。このモデルにおいて、実際の設計数値の一例について説明する。このロボットハンドにより、軽重量物として６０ｇｆの物を把持するとする。６０ｇｆの物とは、例えば、３５０ｍｌの水が入った３５０ｍｌ用のペットボトルである。この際に必要な把持力は、ロボットハンドの把持側の表面素材にも依存するが、把持側の面に摩擦抵抗０．８程度相当の表面素材を使用すると、約５０ｇｆと想定した。その結果、荷重と支点間の距離５０ｍｍに対して、厚さ方向の支点間の距離２．５ｍｍから平面型多関節駆動機構１００における変位拡大率は、２０倍とみなせる。よって、応力は２０分の１になるため、把持力５０ｇｆを出力するには、アクチュエータ１３−２からは、１．０ｋｇｆの応力が必要となる。逆に、把持するための必要変位量を１関節当たり８ｍｍ〜１０ｍｍ程度と仮定し、アクチュエータ１３−２の変位量は２０分の１の０．４ｍｍ〜０．５ｍｍだけでよい。
【０１０３】
一方、平板積層型導電性高分子アクチュエータとしては、導電性高分子膜３の一例として前述したように、発生力は幅５ｍｍにて最大で約３３ｇｆは発生可能であるが、設計余裕を見て、導電性高分子膜３の幅を約２倍の１０ｍｍを適用した上で、発生力を約３３ｇｆとし、１．０ｋｇｆの応力のために、導電性高分子膜３を３０枚積層した。
【０１０４】
さらに、電圧印加時の導電性高分子膜３のポリピロールの発生変位は０．８％〜１．０％であり、図７Ｃの長さ５０ｍｍの場合に、導電性高分子膜３の変位量ΔＬとしては４００μｍ〜５００μｍ、つまりアクチュエータ１３−２として必要な変位量である０．４ｍｍ〜０．５ｍｍが得られた。
【０１０５】
以上の一例において、使用される平板積層型導電性高分子アクチュエータの概寸法は、幅は１０ｍｍ、長手方向は約５０ｍｍ強であるが、厚さ方向は３ｍｍ程度となる。導電性高分子膜３が１５μｍ、電解質托体層４が３０μｍであることから、駆動用の導電性高分子膜３を３０枚積層した場合には、計算上のアクチュエータの厚さは約２．７ｍｍである。人の手のサイズと比し、少し長い指部になるが、太さは等しいサイズで実現できることが分かる。
【０１０６】
次いで、前記第１又は第２実施形態に係る平板積層型導電性高分子アクチュエータをロボットアームの駆動部として使用する場合について、図８Ａに基づいて説明する。
【０１０７】
図８Ａの構成では、各関節部に隣接するアーム部分において、２本１組の高分子アクチュエータ１０１，１０１が配置され、例えば、図３Ａ又は図４の高分子アクチュエータを各高分子アクチュエータ１０１として使用することができる。そして、これらの２本１組の高分子アクチュエータ１０１，１０１の伸縮拮抗動作によって、それぞれの関節軸１０２が正逆回転するようになっている。すなわち、例えば、図８Ａにおいて、上下方向沿いの２本１組の高分子アクチュエータ１０１，１０１のうちの一方の（図８Ａの左側の）高分子アクチュエータ１０１が伸張するとともに他方の（図８Ａの右側の）高分子アクチュエータ１０１が収縮することにより、関節軸１０２を（図８Ａにおいて時計方向に）回転させることができる。逆に、図８Ａにおいて、上下方向沿いの２本１組の高分子アクチュエータ１０１，１０１のうちの一方の（図８Ａの左側の）高分子アクチュエータ１０１が収縮するとともに他方の（図８Ａの右側の）高分子アクチュエータ１０１が伸張することにより、関節軸１０２を（図８Ａにおいて反時計方向に）回転させることができる。ロボットアームの先端にはロボットハンド１０３が取れ付けられている。このロボットハンド１０３は、図７Ａのロボットハンドでもよいし、従来公知の機構的なロボットハンドでもよい。なお、図８Ａの１０４は可逆的に電圧印加可能な電源、１０５は制御装置であり、必要な高分子アクチュエータ１０１，１０１に必要な電圧を可逆的に印加制御可能な構成としてる。図８Ａの右端の横方向沿いの高分子アクチュエータ１０１は、手前側の高分子アクチュエータ１０１のみ図示されているが、奥側にも高分子アクチュエータ１０１が配置されて、手前側と奥側の高分子アクチュエータ１０１，１０１とで伸縮拮抗動作が行えるようにしている。
【０１０８】
将来的には、ロボットハンド又はロボットアームが家庭用品として大きく普及すると予想され、その際にロボットハンド又はロボットアームとしては柔らかい機器であることも重要なファクタである。導電性高分子膜３自身が有する弾性体としての特性により、ロボットハンド又はロボットアームと人との衝突時の衝撃をロボットハンド又はロボットアームで吸収することも大切である。その観点からも、家電機器のアクチュエータとしても、本発明は最適な利用対象である。
【０１０９】
また、本発明の他の実施態様として、特開２００４−１０５２６１号公報に記載された図１のような、人が身体に装着することが可能なパワーアシスト機器の片足側の構成に、前記第１又は第２実施形態に係る平板積層型導電性高分子アクチュエータを適用する場合を示している。図８Ｂ及び図８Ｃは、パワーアシスト機器の片足を正面側から見た説明図で、及び、側面側から見た説明図を示している。この人工脚１０７は、人の脚部に装着する固定部１０８と、人の脚部の動きに合わせて折曲がる折曲がり部１０９と、この折曲がり部１０９に屈伸力を与える駆動部１０６と、人の脚部の動きを検出するセンサー部１１０と、このセンサー部１１０の電気信号より、前記折曲がり部１０９を、人の脚部と同様な動きで屈伸するよう前記駆動部１０７を制御する制御部１１１と、電源部１１２と、人の腰の保持部１１３とを備えている。
【０１１０】
図８Ｂ及び図８Ｃにおいて、駆動部１０６を前記第１又は第２実施形態に係る平板積層型導電性高分子アクチュエータに置き換えて使用することで、より軽量で、質量が小さいことでより加速が可能な、静音な身体装着型パワーアシスト機器が実現できる。駆動部として導電性高分子アクチュエータを採用することにより、モーターや又は空圧コンプレッサよりも軽く静かなものとすることができる。
【０１１１】
なお、前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。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明に係る平板積層型導電性高分子アクチュエータ、ロボットアーム、ロボットハンド、及び、平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法は、収縮方向及び伸長方向の双方向において剛性及び駆動力を有し、積層により変位を拡大、或いは応力を拡大できるもので、電解質托体層を介して収縮及び伸長する導電性高分子膜が面で対向する構成により静音、省スペース、低電圧で駆動が可能な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とともに、それを用いてロボットのロボットアーム又はロボットハンドの駆動部として好適なものである。
【０１１３】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの概半分の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの前記第１実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの斜視図である。
【図１Ｃ】前記第１実施形態の変形例にかかる平板積層型導電性高分子アクチュエータの概半分を示す断面図
【図１Ｄ】前記第１実施形態の前記変形例における平板積層型導電性高分子アクチュエータの斜視図である。
【図１Ｅ】特許文献２の図５であって、導電性高分子膜に対して、電解質托体層（電解質層）の厚さを３つの異なる値（５μｍ、１５μｍ、４５μｍ）に変えた上で、電解質托体層の弾性率を広範囲に変えた場合の発生変位の比率を示すグラフである。
【図１Ｆ】アクチュエータとして伸縮動作に寄与する導電性高分子膜の断面比率と発生変位の低下率と電解質托体層の厚さδとの関係を示すグラフである。
【図１Ｇ】前記第１実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの電解質托体層などの厚さδの設定状況を説明する図である。
【図１Ｈ】前記第１実施形態の前記変形例における平板積層型導電性高分子アクチュエータの電解質托体層などの厚さδの設定状況を説明する図である。
【図１Ｉ】本発明の前記第１実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータに外力がある場合の概半分の断面を示す図である。
【図２】本発明の前記第１実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータとの比較において、比較例として、間隔保持溝が不適切なアクチュエータの概半分の断面を示す図である。
【図３Ａ】本発明の第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの概半分の断面を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータへ電圧を印加した場合の変位を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータに対して、図３Ｂの電圧とは逆方向に電圧を印加した場合の変位を示す図である。
【図４】本発明の前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの概半分の断面を示す図である。
【図５】本発明の前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの積層枚数と変位量の一例を示す図である。
【図６Ａ】本発明の第３実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製造方法において、前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一例を示すため、アクチュエータの一部が挿入されたアクチュエータ組立治具の斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｃ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｄ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｅ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｆ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｇ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｈ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｉ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｊ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｋ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｌ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｍ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｎ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図６Ｏ】図６Ａの前記第２実施形態における平板積層型導電性高分子アクチュエータの製作時の組み立て方法の一工程を示す断面図である。
【図７Ａ】特許第３７２３８１８号における図３Ａを引用した図であって、ロボットハンドに発明の前記実施形態のアクチュエータを適用した場合の例を示す説明図である。
【図７Ｂ】図７Ａの平面型多関節駆動機構のように、アクチュエータが伸縮することにより指部を曲げたり伸ばしたり可能とする状態を説明するための説明図である。
【図７Ｃ】図７Ｂの平面型多関節駆動機構をモデル化したアクチュエータの構成を示す説明図である。
【図８Ａ】本発明の第４実施形態として、前記第１又は第２実施形態に係る平板積層型導電性高分子アクチュエータをロボットアームの駆動部として使用する場合を示す説明図である。
【図８Ｂ】本発明の第４実施形態として、前記第１又は第２実施形態に係る平板積層型導電性高分子アクチュエータを、人が身体に装着することが可能なパワーアシスト機器の片足の構成に適用する場合の説明図である。
【図８Ｃ】本発明の第４実施形態として、前記第１又は第２実施形態に係る平板積層型導電性高分子アクチュエータを、人が身体に装着することが可能なパワーアシスト機器の片足の構成に適用する場合の説明図である。
【図９Ａ】従来の導電性高分子膜を用いたアクチュエータの一例を示す概略断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａの従来の導電性高分子膜を用いたアクチュエータの一例を示す概略断面図である。
【図９Ｃ】図９Ａの従来の導電性高分子膜を用いたアクチュエータの一例を示す概略断面図である。
【図１０Ａ】従来の平板薄型の導電性高分子アクチュエータの断面図である。
【図１０Ｂ】従来の別の平板薄型の導電性高分子アクチュエータの断面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１  平板積層型導電性高分子アクチュエータ
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  平板積層型導電性高分子アクチュエータ
２  電極
３  導電性高分子膜
４  電解質托体層
５  間隔維持用部材
５Ａ  駆動側の間隔維持用部材
５ａ，５Ａａ  凹部
５Ａｂ  底面
６  腱スペーサ部材
６Ａ  下側の腱スペーサ部材
６Ｂ  上側の腱スペーサ部材
７  セパレータ
７ａ  貫通穴
１０  指部
１１−１，１１−２，１１−３  骨材
１２  連結部材
１３−１，１３−２，１３−３  平面型多関節駆動機構の関節駆動源となるアクチュエータ
１９  スイッチ
２０  電源
２１  プラスチック球体
３０  従来の保持部材
３１  接触抵抗発生部
４０  ケーシング
４０Ａ  固定側の間隔維持用腱部
４０Ａａ  凹部
４０Ａｂ  底面
４０ａ  収納用凹部
４０ｂ  底面
４０ｃ  凹部
４０ｄ  係合凹部
４０ｅ  凹部
４１  製作用腱部材
４１ａ  傾斜縁部
４２  平面化治具
４２ａ  下面
４２ｂ  切欠部
４２ｃ  切欠部
４３  腱固定ビス
４４  対向電極固定ビス
４５  ケーシング蓋
４５ａ  開口
４５ｂ  開口
４６Ａ，４６Ｂ  電極用スペーサ部材
１００  平面型多関節駆動機構
１０１  高分子アクチュエータ
１０２  関節軸
１０３  ロボットハンド
１０４  可逆的に電圧印加可能な電源
１０５  制御装置
１０６  駆動部
１０７  人工脚
１０８  固定部
１０９  折曲がり部
１１０  センサー部
１１１  制御部
１１２  電源部
１１３  腰の保持部
【図１Ａ】
2010161894.tif 000003
【図１Ｂ】
2010161894.tif 000004
【図１Ｃ】
2010161894.tif 000005
【図１Ｄ】
2010161894.tif 000006
【図１Ｅ】
2010161894.tif 000007
【図１Ｆ】
2010161894.tif 000008
【図１Ｇ】
2010161894.tif 000009
【図１Ｈ】
2010161894.tif 000010
【図１Ｉ】
2010161894.tif 000011
【図２】
2010161894.tif 000012
【図３Ａ】
2010161894.tif 000013
【図３Ｂ】
2010161894.tif 000014
【図３Ｃ】
2010161894.tif 000015
【図４】
2010161894.tif 000016
【図５】
2010161894.tif 000017
【図６Ａ】
2010161894.tif 000018
【図６Ｂ】
2010161894.tif 000019
【図６Ｃ】
2010161894.tif 000020
【図６Ｄ】
2010161894.tif 000021
【図６Ｅ】
2010161894.tif 000022
【図６Ｆ】
2010161894.tif 000023
【図６Ｇ】
2010161894.tif 000024
【図６Ｈ】
2010161894.tif 000025
【図６Ｉ】
2010161894.tif 000026
【図６Ｊ】
2010161894.tif 000027
【図６Ｋ】
2010161894.tif 000028
【図６Ｌ】
2010161894.tif 000029
【図６Ｍ】
2010161894.tif 000030
【図６Ｎ】
2010161894.tif 000031
【図６Ｏ】
2010161894.tif 000032
【図７Ａ】
2010161894.tif 000033
【図７Ｂ】
2010161894.tif 000034
【図７Ｃ】
2010161894.tif 000035
【図８Ａ】
2010161894.tif 000036
【図８Ｂ】
2010161894.tif 000037
【図８Ｃ】
2010161894.tif 000038
【図９Ａ】
2010161894.tif 000039
【図９Ｂ】
2010161894.tif 000040
【図９Ｃ】
2010161894.tif 000041
【図１０Ａ】
2010161894.tif 000042
【図１０Ｂ】
2010161894.tif 000043