(57)【要約】  導電性高分子で構成されるアクティブ部材層を第１の電極層（１）とし、前記第１の電極層と対向する第２の電極層（２）をさらに有し、第１の電極層と第２の電極層の間に電解質を配置して、前記両電極層間に電圧を印加することにより駆動を行うポリマーアクチュエータであって、前記電解質が、滑り機能を有する第１の電解質層（３）と、絶縁維持機能を有する第２の電解質層（４）で構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性アクティブ部材層の第１の電極層と、
前記第１の電極層と対向する第２の電極層と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置され、第１の電解質層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間での絶縁維持機能を有する第２の電解質層とを有する電解質層部と、
前記第１の電解質層内に複数個配置され、前記第１の電極層と前記第２の電解質層との両方に接触しかつ一部が前記第１の電極層と前記第２の電解質層とのいずれかに対して相対的に移動可能である、粒子状のスペーサとを備え、
前記両電極層間に電圧を印加することにより駆動されるポリマーアクチュエータ。
【請求項２】
前記第１の電解質層は、前記第１の電極層に接する位置に配置されて、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接するとともに前記第２の電極層に接する位置に配置される請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項３】
前記第１の電解質層は、前記第２の電極層に接する位置に配置されて、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接するとともに前記第１の電極層に接する位置に配置される請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項４】
前記第１の電解質層は、前記第１の電極層に接する位置に配置され、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接する位置に配置され、
前記第２の電解質層と前記第２の電極層との間に、前記第２の電極層と前記第２の電解質層との間で相対的に滑り機能を発揮可能な第３の電解質層をさらに有する請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項５】
前記第２の電解質層は、電気的絶縁機能を持つ絶縁保持部材と、前記絶縁保持部材に浸み込む第２の電解質層部材とを有する請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項６】
前記絶縁保持部材はセパレータである請求項５に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項７】
前記第２の電解質層はイオン液体である請求項５に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項８】
前記第２の電解質層は、イオンを含浸したゲルである請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項９】
前記第２の電解質層は、イオン液体とポリフッ化ビニリデンを含むゲルとで構成される請求項８に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１の電解質層はイオン液体を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１１】
前記第１の電解質層はイオン液体を含むゲルである請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１２】
前記第２の電極層の間に配置されて前記第２の電極層の間の距離を一定に保つ電極間保持部材をさらに備える請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１３】
前記第１の電極層の外側に固定された支持部材をさらに備える請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１４】
前記粒子状のスペーサのそれぞれの大きさは、前記導電性アクティブ部材層の厚さの０．１倍以上であり１００倍以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号によって動作を行い、人工筋肉又はマイクロマシンなどに用いることのできるポリマーで構成されるポリマーアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子（ポリマー）を素材としたアクチュエータは、軽量、柔軟性、動作音がしないなどの特徴を有しており、人工筋肉又はマイクロデバイスの動作機構のデバイスとして期待されている。その中で、ポリピロール又はポリアニリンなどの導電性高分子を駆動材料として用いた電気化学的な伸縮によるデバイスは、生体の筋肉よりも発生エネルギーが大きくなる可能性があり、実用的なデバイス動作が可能な高分子アクチュエータデバイスとして提案されている。また、炭素系材料を分散した導電性を有するポリマー材料、例えばカーボンナノチューブを分散した導電性のポリマー材料を駆動材料として用いたデバイスも、大きな発生力を持つアクチュエータとして期待されている。【０００３】
導電性高分子からなるアクチュエータの動作は、導電性高分子層に電圧又は電流を印加することによって、電解質からイオンを導電性高分子層へドーピングしたり又は導電性高分子層からイオンを脱ドーピングしたりして、導電性高分子層を伸縮させてデバイスを駆動して変位を生じさせることにより行われる。【０００４】
なお、電解伸縮メカニズムは、ドーパントとしてのイオンが、導電性高分子層へドーピング及び導電性高分子層から脱ドーピングされた際に電気化学的に酸化反応及び還元反応を生じて伸縮することを利用するものである。この伸縮現象は、電気化学的な反応に伴って、導電性高分子の高分子鎖のコンフォメーションが変化することによる要因、導電性高分子層内へのかさ高いイオンの出入りによって導電性高分子層が膨張及び収縮する要因、又は、高分子鎖に生じる同種電荷によって生じる静電反発による要因などが考えられている。【０００５】
ポリマーアクチュエータの例として、電解液バスの中に導電性高分子膜を配置して駆動を行う構造のアクチュエータが考えられる。また、これと異なる構造のアクチュエータとして、特許文献１に開示されたアクチュエータがある。この構造においては、柔軟な電解質を用いてアクティブ部材層と対向電極とを近接させることによって、駆動に寄与するアクティブ部材層の有効断面積を大きくすることが可能である。ここで、駆動に寄与する部分をアクティブ部材層と定義する。【０００６】
図１７Ａ及び図１７Ｂは、特許文献１に記載されるポリマーアクチュエータの平面図と断面図である。【０００７】
図１７Ａ及び図１７Ｂに示すアクチュエータは、平面薄型でかつ直方体の板形状の導電性のポリマーよりなるアクティブ部材層１０３と、このアクティブ部材層１０３の厚み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１０１ａとにより、第１の電極層１０１を構成している。この第１の電極層１０１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１０２を、第１の電極層１０１の厚み方向の両側にそれぞれ配置し、第２の電極層１０２と導電性のアクティブ部材層１０３とに接するように電解質層１０４ａを構成している。このような構成において、第１の電極層１０１と第２の電極層１０２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１０３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１０４ａは、アクティブ部材層１０３の伸縮動作を阻害することがないように、弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の値を持った電解質としている。【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１０１の矩形板状の延長部として力作用部１０８を設けてあり、この力作用部１０８の端縁とは反対側のパターン形成側には穴が設けられている。この穴に荷重フック１０７のピン１０７ａが挿入され、作用力１０８ａを荷重フック１０７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１０１と第２の電極層１０２との間に電源１２０からスイッチ１２１を介して電圧を印加することにより、アクティブ部材層１０３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）１０６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】
さらに、前記アクティブ部材層１０３と接した電解質層１０４を両電極層１０１，１０２間に封止するために、力作用部１０８の動きを妨げない柔軟な封止部材１０９で力作用部１０８以外の全体を覆っている。封止部材１０９により、電解質層１０４への吸湿の防止又は外力による破損防止などの強度を保つことができる。封止部材１０９としては、例えば縦弾性率が１００ｋＮ／ｍ２程度の柔らかいシリコーン系ゴムを用い、さらにアクティブ部材層１０３の伸縮を妨げない構造となっている。【００１０】
また、大きな歪を発生させて動作させたときに、層間が剥離するのを防止するために以下の構成を持つ。【００１１】
アクティブ部材層１０３と第２の電極層１０２の間に保持部材１０５ａを挿入し、外部から横方向に、第２の電極層１０２と第１の電解質層１０４ａとアクティブ部材層１０３と第１の電解質層１０４ａと第２の電極層１０２とを大略Ｕ字状のクリップ１０５ｂで挟持している。保持部材１０５ａは、アクティブ部材層１０３と第２の電極層１０２の間の厚みを保持する働きを持つ。本アクチュエータは、平面薄型であり、このクリップ１０５ｂとしては例えば絶縁性プラスチック板をクリップ状に形成したもので、本アクチュエータを挟むことにより保持部材１０５ａを押圧する。【００１２】
また、特許文献２には、導電性膜と電解質板との間に潤滑性電解質層が設けられて、潤滑性電解質層の材料自体の有する潤滑性でもって導電性膜と電解質板との間での滑り動作を可能にした構成が開示されている。【００１３】
また、特許文献３には、電解質溶液中にアクチュエータ膜と対向電極とが配置されて、アクチュエータ膜と対向電極との間に電圧を印加してアクチュエータ膜を伸縮させる構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第３９５９１０４号公報
【特許文献２】特開２００６−２４６６５９号公報
【特許文献３】特開２００６−３１１６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献４の従来技術においては、図１７Ｃに示すように膜に垂直な方向から大きな力が加わった場合、又は、図１７Ｄに示すように膜が曲げられた場合に、電解質１０４ａ内で保持部材１０５ａが移動することによって、一部でアクティブ部材層１０３と第２電極層１０２とが接触して、それらの間の絶縁性が損なわれる可能性がある。アクティブ部材層１０３と第２電極層１０２とが接触すると、電解質１０４ａに充分な電圧が作用しなくなり、アクチュエータが正常に動作しなくなる。  【００１６】
なお、上の説明では、保持部材１０５ａが移動することによって、一部でアクティブ部材層１０３と第２電極層１０２とが接触する場合の例について説明したが、図１７Ｅに示すように、過剰な力が作用して保持部材１０５ａがアクティブ部材層１０３若しくは第２電極層１０２にめり込むことにより、アクティブ部材層１０３と第２電極層１０２とが接触する場合もある。【００１７】
なお、特許文献１の図８Ｂに記載されているように、２層の電解質層４ａ，４ｂが開示されているが、２層の電解質層４ａ，４ｂは共に柔らかい材料であるため、このような材料自体で、アクティブ部材層と第２の電極層間の接触を防止することは難しい。【００１８】
また、特許文献３の従来技術においても、同様に、膜に垂直な方向から大きな力が加わった場合、又は、膜が曲げられた場合に、電解質溶液内でアクチュエータ膜が移動することによって、一部でアクチュエータ膜と対向電極とが接触して、それらの間の絶縁性が損なわれる可能性がある。【００１９】
一方、特許文献２の従来技術においては、導電性膜に垂直な方向から大きな力が加わった場合、又は、導電性膜が曲げられた場合に、導電性膜と電解質板との間に配置された潤滑性電解質層内に導電性膜が入り込む場合もあり、そのような場合には、潤滑性電解質層による潤滑性の機能が損なわれて導電性膜と電解質板との間での摩擦が大きくなり、導電性膜が円滑に移動することが困難になるといった問題があった。【００２０】
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、電極層間の電気的絶縁性を向上させつつ円滑な伸縮動作を行うことができるポリマーアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前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。【００２２】
本発明の第１態様によれば、導電性アクティブ部材層の第１の電極層と、
前記第１の電極層と対向する第２の電極層と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置され、第１の電解質層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間での絶縁維持機能を有する第２の電解質層とを有する電解質層部と、
前記第１の電解質層内に複数個配置され、前記第１の電極層と前記第２の電解質層との両方に接触しかつ一部が前記第１の電極層と前記第２の電解質層とのいずれかに対して相対的に移動可能である、粒子状のスペーサとを備え、
前記両電極層間に電圧を印加することにより駆動されるポリマーアクチュエータを提供する。
【発明の効果】
【００２３】
従来のアクチュエータと同様の駆動能力を保ちつつ、従来のアクチュエータに比べて電極間の電気的絶縁性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１実施形態にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す平面図であり、
【図１Ｂ】図１Ｂは、前記第１実施形態にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図１Ｃ】図１Ｃは、前記第１実施形態の別の例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図１Ｄ】図１Ｄは、前記第１実施形態のさらに別の例にかかるアクチュエータの構成の一部を模式的に示す拡大断面図であり、
【図２】図２は、前記第１実施形態にかかるアクチュエータの伸縮動作の様子を説明するための断面図であり、
【図３Ａ】図３Ａは、前記第１実施形態にかかるアクチュエータの第２の電解質層の一例を示す断面図であり、
【図３Ｂ】図３Ｂは、前記第１実施形態にかかるアクチュエータの第２の電解質層の別の例を示す断面図であり、
【図３Ｃ】図３Ｃは、前記第１実施形態にかかるアクチュエータの第２の電解質層のさらに別の例を示す断面図であり、
【図４Ａ】図４Ａは、前記第１実施形態の第１の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図４Ｂ】図４Ｂは、前記第１実施形態の第２の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図４Ｃ】図４Ｃは、前記第１実施形態の第３の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図４Ｄ】図４Ｄは、前記第１実施形態の前記第３の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図４Ｅ】図４Ｅは、前記第１実施形態の第４の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図４Ｆ】図４Ｆは、前記第１実施形態の前記第４の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図４Ｇ】図４Ｇは、前記第１実施形態の第５の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図４Ｈ】図４Ｈは、前記第１実施形態の前記第５の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図５】図５は、前記第１実施形態のさらに別の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の前記第１実施形態の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す平面図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの前記変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の前記第１実施形態の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す平面図であり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの前記変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図８】図８は、本発明の前記第１実施形態の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の前記第１実施形態の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す平面図であり、
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａの前記変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態にかかるアクチュエータを模式的に示す断面図であり、
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第３実施形態にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａの前記アクチュエータの伸縮動作を模式的に説明するための断面図であり、
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の前記第１実施形態のアクチュエータの絶縁性向上の様子を説明するための断面図であり、
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の前記第１実施形態のアクチュエータの絶縁性向上の様子を説明するための断面図であり、
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の前記第１実施形態にかかる第１及び第２アクチュエータの駆動実験を行なったときの構成を示す説明図であり、
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の前記第２実施形態にかかる第３アクチュエータの駆動実験を行なったときの構成を示す説明図であり、
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の前記第１実施形態にかかる第１アクチュエータの駆動実験結果として１００００回駆動における振幅の変化を示すグラフであり、
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、前記第１実施形態にかかる第１アクチュエータの駆動実験結果として１００００回駆動時の電圧と時間との関係を示すグラフであり、
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、前記第１実施形態にかかる第１アクチュエータの駆動実験結果として１００００回駆動時の電流と時間との関係を示すグラフであり、
【図１４Ｄ】図１４Ｄは、前記第１実施形態にかかる第１アクチュエータの駆動実験結果として１００００回駆動時の変位と時間との関係を示すグラフであり、
【図１４Ｅ】図１４Ｅは、前記第１実施形態にかかる第１アクチュエータの駆動実験結果として周波数特性を示すグラフであり、
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の前記第１実施形態にかかる第２アクチュエータの駆動実験結果として８０００回駆動における振幅の変化を示すグラフであり、
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、前記第１実施形態にかかる第２アクチュエータの駆動実験結果として８０００回駆動時の電圧と時間との関係を示すグラフであり、
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、前記第１実施形態にかかる第２アクチュエータの駆動実験結果として８０００回駆動時の電流と時間との関係を示すグラフであり、
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、前記第１実施形態にかかる第２アクチュエータの駆動実験結果として８０００回駆動時の変位と時間との関係を示すグラフであり、
【図１５Ｅ】図１５Ｅは、前記第１実施形態にかかる第２アクチュエータの駆動実験結果として周波数特性を示すグラフであり、
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の前記第２実施形態にかかる第３アクチュエータの駆動実験結果として動作振幅及び仕事量の変化を示すグラフであり、
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、前記第２実施形態にかかる第３アクチュエータの駆動実験結果として膜数と最大仕事量との関係を示すグラフであり、
【図１７Ａ】図１７Ａは、従来技術のアクチュエータの構成を示す平面図であり、
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、従来技術のアクチュエータの構成を示す断面図であり、
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、従来技術のアクチュエータにおいて膜に垂直な方向から大きな力が加わって電極間の絶縁性が損なわれる様子を示す断面図であり、
【図１７Ｄ】図１７Ｄは、従来技術のアクチュエータにおいて膜が曲げられて電極間の絶縁性が損なわれる様子を示す断面図であり、
【図１７Ｅ】図１７Ｅは、従来技術のアクチュエータにおいて電極間の絶縁性が損なわれる様子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を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。
【００２７】
本発明の第１態様によれば、導電性アクティブ部材層の第１の電極層と、
前記第１の電極層と対向する第２の電極層と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置され、第１の電解質層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間での絶縁維持機能を有する第２の電解質層とを有する電解質層部と、
前記第１の電解質層内に複数個配置され、前記第１の電極層と前記第２の電解質層との両方に接触しかつ一部が前記第１の電極層と前記第２の電解質層とのいずれかに対して相対的に移動可能である、粒子状のスペーサとを備え、
前記両電極層間に電圧を印加することにより駆動されるポリマーアクチュエータを提供する。
【００２８】
本発明の第２態様によれば、前記第１の電解質層は、前記第１の電極層に接する位置に配置されて、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接するとともに前記第２の電極層に接する位置に配置されることを特徴とする第１の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００２９】
本発明の第３態様によれば、前記第１の電解質層は、前記第２の電極層に接する位置に配置されて、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接するとともに前記第１の電極層に接する位置に配置されることを特徴とする第１の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３０】
本発明の第４態様によれば、前記第１の電解質層は、前記第１の電極層に接する位置に配置され、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接する位置に配置され、
前記第２の電解質層と前記第２の電極層との間に、前記第２の電極層と前記第２の電解質層との間で相対的に滑り機能を発揮可能な第３の電解質層をさらに有することを特徴とする第１の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３１】
本発明の第５態様によれば、前記第２の電解質層は、電気的絶縁機能を持つ絶縁保持部材と、前記絶縁保持部材に浸み込む第２の電解質層部材とを有することを特徴とする第１〜４のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３２】
本発明の第６態様によれば、前記絶縁保持部材はセパレータであることを特徴とする第１〜５のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３３】
本発明の第７態様によれば、前記第２の電解質層はイオン液体であることを特徴とする第１〜５のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３４】
本発明の第８態様によれば、前記第２の電解質層は、イオンを含浸したゲルであることを特徴とする第１〜６のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３５】
本発明の第９態様によれば、前記第２の電解質層は、イオン液体とポリフッ化ビニリデンを含むゲルとで構成されることを特徴とする第１〜７のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３６】
本発明の第１０態様によれば、前記第１の電解質層はイオン液体を含むことを特徴とする第１〜９のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３７】
本発明の第１１態様によれば、前記第１の電解質層はイオン液体を含むゲルであることを特徴とする第１〜９のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３８】
本発明の第１２態様によれば、前記第２の電極層の間に配置されて前記第２の電極層の間の距離を一定に保つ電極間保持部材をさらに備えることを特徴とする第１〜１１のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３９】
本発明の第１３態様によれば、前記第１の電極層の外側に固定された支持部材をさらに備えることを特徴とする第１〜１２のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００４０】
本発明の第１４態様によれば、前記粒子状のスペーサのそれぞれの大きさは、前記導電性アクティブ部材層の厚さの０．１倍以上であり１００倍以下である第１〜１３のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００４１】
以下、図を用いて説明するが、本発明はこれらの実施様態に限定されるものではない。
【００４２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかるポリマーアクチュエータ及びその制御方法について説明する。
【００４３】
＜全体の構成＞
図１Ａ及び図１Ｂは、本第１実施形態のポリマーアクチュエータの構成を模式的に示す平面図と断面図である。図１Ｃは、前記第１実施形態の別の例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、図１Ｄは、前記第１実施形態のさらに別の例にかかるアクチュエータの構成の一部を模式的に示す拡大断面図である。
【００４４】
図１Ａ及び図１Ｂに示すアクチュエータは、導電性アクティブ部材層を第１の電極層１とし、第１の電極層と対向する第２の電極層２をさらに有し、第１の電極層１と第２の電極層２との間に電解質層部１１を配置して、両電極層１，２間に電圧を印加することにより駆動を行うように構成している。
【００４５】
第１の電極層１は、ポリマーを主成分とする矩形形状の膜で構成されるアクティブ部材層１で構成する。すなわち、アクティブ部材層１は、アクチュエータとしての動作を行う機能と第１の電極層としての機能との両方を持つ。
【００４６】
このアクティブ部材層１に対向して離れるように矩形形状の膜又は板状部材で構成される第２の電極層２を、アクティブ部材層１の厚み方向の両側にそれぞれ配置する。第２の電極層２の幅寸法は、少なくともアクティブ部材層１の幅寸法と同じであることが効率良く動作させる観点で必要であるが、アクティブ部材層１の幅寸法以上であれば、任意の値とすることができる。第２の電極層２の長さ寸法は、アクティブ部材層１の長さ寸法より短いのであれば、任意でよい。
【００４７】
電解質層部１１は、滑り機能を有する第１の電解質層３と、アクティブ部材層１と前記第２の電極層２との間での絶縁維持機能を有する第２の電解質層４とを有して、第１の電解質層３は、電極層１，２と第２の電解質層４との間で相対的に滑り機能を発揮可能に構成されている。電解質層部１１は、第２の電極層２と同じ寸法とするのが、製造上、好ましい。具体的な構成としては、アクティブ部材層１の表裏両面にそれぞれ接する位置に、滑り機能を有する第１の電解質層３がそれぞれ配置されている。また、各第１の電解質層３及び各第２の電極層２とに接する位置に、絶縁維持機能を有してその内部でイオンの移動を行うことができる第２の電解質層４がそれぞれ配置されている。ここで、第１の電解質層３の滑り機能とは、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間で相対的に滑り可能（滑動可能）な機能、言い換えれば、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間の摩擦を低減する機能を意味する。すなわち、例えば、アクティブ部材層１が移動可能であるのに対して第２の電解質層４側が固定される場合、第１の電解質層３により第２の電解質層４がアクティブ部材層１の移動を妨げないようにする機能である。逆に、例えば、アクティブ部材層１が固定されるのに対して第２の電解質層４側が移動可能である場合、第１の電解質層３によりアクティブ部材層１が第２の電解質層４の移動を妨げないようにする機能である。また、第２の電解質層４の絶縁維持機能とは、外力がアクチュエータに加わったとき又はアクチュエータが駆動により変形したときに、第２の電解質層４の弾性及び絶縁性によって、第２の電解質層４の表裏２面の間の距離を一定寸法以上に保つことにより、第２の電解質層４の表裏２面の間（言い換えれば、第２の電解質層４の表面と裏面とに接する部材間）の電気的絶縁性を保つ機能を意味する。ここで、電気的絶縁性とは、電子伝導性を有しない性質を意味する。第２の電解質層４は、その内部でのイオンの移動によって電気を伝導するイオン伝導性は有するが、電子の移動によって電気を伝導する電子伝導性は有しない。図３Ａに示すように、第２の電解質層４は、第１の電解質層３及び第２の電極層２に接するように配置された不織布のような絶縁保持部材４ａと、絶縁保持部材４ａに浸み込んだ形で存在する第２の電解質層部材４ｂとで構成される。絶縁保持部材４ａは、外力がアクチュエータ加わったとき又はアクチュエータが駆動により変形したときにその弾性によって表裏２面の間の距離を一定寸法以上に保ち、電気的絶縁を確保する機能を持つ。また、絶縁保持部材４ａ内に浸み込んだ第２の電解質層部材４ｂは、その内部でイオンの移動を行うことができる。絶縁保持部材４ａと第２の電解質層部材４ｂは、一体となって第２の電解質層４として機能する。アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間には、図１Ｂ〜図１Ｄに示すように、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触しかつ一部がアクティブ部材層１と第２の電解質層４とのいずれかに対して相対的に移動可能である多数の粒子状のスペーサ５が配置されている。すなわち、スペーサ５は、第１の電解質層３内に混在した形で存在し、アクティブ部材層１と第２の電極層２の間の厚みを一定に保持する機能を持つとともに、アクティブ部材層１の伸縮動作を円滑に保つ機能をも持つ。なお、図１Ｃでは、多数の粒子状のスペーサ５が第１の電解質層３内に含有されている状態の概略を示すものであり、図１Ｄでは、多数の粒子状のスペーサ５がすべてアクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触するものではなく、スペーサ５の一部が、アクティブ部材層１と第２の電解質層４とのいずれか一方にのみしか接触しない状態もあることを示す１つの例の図である。この例では、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触するスペーサ５が、アクティブ部材層１と第２の電極層２の間の厚みを一定に保持する機能を持つとともに、アクティブ部材層１の伸縮動作を円滑に保つ機能をも持っている。
【００４８】
なお、アクチュエータの各層の詳細な構成などについては、後述する。
【００４９】
このアクチュエータの長手方向のそれぞれの端部には、アクティブ部材層１の矩形板状の延長部として力作用部６が設けられている。一例として、一方の力作用部６（例えば、図１Ｂの左側の力作用部６）は、緊張状態でかつ力伝達可能な紐状部材２１を介して固定壁２２に固定される一方、他方の力作用部６（例えば、図１Ｂの右側の力作用部６）は、緊張状態かつ力伝達可能な紐状部材２１を介して被駆動部材２３をアクチュエータにより駆動するようにすることができる。各力作用部６は、アクチュエータの外部から力６ａを受けて、この反作用として、外部に対して力（言い換えれば、伸縮することにより外部の被駆動部材２３を引っ張る力）６ｂを紐状部材２１の作用点に及ぼすことになる。また、本アクチュエータは、後述するように、層間が接触した状態を保つ機能を持つ接触維持部を持つこともできる（図１Ａ、図１Ｂでは省略している。詳細については、後述する。）。
【００５０】
なお、図１Ｂにおいて、アクティブ部材層１と第２の電極層２との間に、可変直流電源７ａ及びスイッチ７ｂを配置している。
【００５１】
このような構成において、スイッチ７ｂを閉じてアクティブ部材層１と第２の電極層２との間に可変直流電源７ａから正電圧又は負電圧を印加することにより、アクティブ部材層１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）８の方向に伸縮して、例えば、固定壁２２に対して被駆動部材２３を駆動させるアクチュエータとしての動作をなす。
【００５２】
図２は本アクチュエータの伸縮動作の様子を示す図である。図２の上側の図（ａ）においては、スイッチ７ｂは閉じておりかつ可変直流電源７ａからの電源電圧が０であり、図２の下側の図（ｂ）においては、スイッチ７ｂは閉じておりかつ可変直流電源７ａから、第２の電極層２を基準としたときにアクティブ部材層１に負の電圧が印加されている。この結果、図２の図（ｂ）においては、図２の図（ａ）と比べて、一点鎖線で示したように寸法δだけ、アクティブ部材層１は伸張している。図２では、左端の力作用部６の左端縁を固定し、右端の力作用部６の右端縁の位置を相互に参照して、図２の図（ｂ）が図２の図（ａ）よりも寸法δだけ突出していることを明示している。本アクチュエータにおいては、第１の電解質層３及びスペーサ５によって、第２の電解質層４とアクティブ部材層１との間は摩擦が小さい状態で滑ることができるので、アクティブ部材層１が効率的に伸縮動作を行うことができる。
【００５３】
なお、図２において、配線は点線で示している。また、図２においては、アクティブ部材層１及び第２の電極層２の左側に配線を接続している例を示しているが、接続点は任意であり、アクティブ部材層１及び第２の電極層２のそれぞれの層に対して複数の接続点を設けることもできる。例えば、アクティブ部材層１及び第２の電極層２のそれぞれの両端に配線を接続することも可能である。このように構成する場合には、各層１，２において電気抵抗による電圧降下を小さくすることができるので、その部分のジュール熱によるエネルギー損失を小さくすることができる。
【００５４】
＜アクチュエータの駆動原理＞
アクティブ部材層１の伸縮は、電解質に含有されたイオン種又は電子が、アクティブ部材層１である導電性ポリマー層に出入りすることにより生じる。この伸縮は、アクティブ部材層１の材質により、様々な原因で生ずるが、アクティブ部材層１が導電性高分子である場合には、イオン種がある程度の嵩を持っているため、そのドーピング及び脱ドーピングに伴うイオン種の出入りに応じて導電性高分子の嵩も変化すること、又は、酸化還元作用に伴う導電性高分子の高分子鎖構造のコンフォメーションの変化、さらに電圧印加により注入された同種電荷による静電反発などが、その変形のメカニズムであるとされる。さらに、アクティブ部材層１が、炭素系微粒子を高分子材料に含有させた導電性のポリマーの場合にも、この伸縮には前記酸化還元を伴わないが、イオン種の出入と同種電荷の静電反発とで変形すると考えられ、イオン種又は電子の出入りに伴い、アクティブ部材層１が導電性高分子である場合と同様のメカニズムでアクティブ部材層１が伸縮する。
【００５５】
なお、このアクチュエータを電気化学システムと見たときには、アクティブ部材層１は作用電極として動作し、第２の電極層２は対向電極として動作すると見なすことができる。
【００５６】
＜アクティブ部材層１の詳細な説明＞
アクティブ部材層１としては、導電性高分子、例えばポリアニリン、ポリピロール若しくはポリチオフェインン基体のπ共役ポリマー、又は、その誘導体で構成することができる。さらに、アクティブ部材層１としては、炭素系微粒子、金属系微粒子、金属酸化物微粒子、カーボンナノファイバー、及び、カーボンナノチューブのいずれかから選ばれた材料を少なくとも含む導電性部材とすることができる。これらの材質をアクティブ部材層１とすることで、アクティブ部材層１にアニオン又は／及びカチオン又は／及び電子を出入りさせることにより、アクティブ部材層１を膨張収縮させることができる。導電性微粒子分散型のアクティブ部材層１の剛性は、バインダーとなる高分子、例えばポリフッ化ビニリデンの重合条件を選ぶことにより、調整することができる。アクティブ部材層１として、大きな発生力を得るためには、前述した導電性高分子であるポリピロールの剛性に近い、３ＧＮ／ｍ２程度の弾性率に調整することがより好ましい
【００５７】
特に、アクティブ部材層１の材料としては、以下の導電性高分子膜を用いることができる。導電性高分子膜の例としては、ポリピロール及びポリピロール誘導体、ポリアニリン及びポリアニリン誘導体、ポリチオフェン及びポリチオフェン誘導体、又は、これらから選ばれる１種類若しくは複数種類の材料で構成される（共）重合体が挙げられる。特に、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリＮ−メチルピロール、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−メトキシチオフェン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、又は、これらから選ばれる１種類又は２種類の材料で構成される（共）重合体が好ましい。また、これらの導電性高分子膜は、例えば、六フッ化リン酸イオン（ＰＦ６−）、ｐ−フェノールスルホン酸イオン（ＰＰＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン（ＤＢＳ）、又は、ポリスチレンスルホン酸イオン（ＰＳＳ）などの負イオン（アニオン）をドーピングした状態で使用する。この状態において、前記の導電性高分子膜は、導電性を有してポリマーアクチュエータとしての機能を発生する。これらの膜は、化学重合又は電解重合で合成した後、必要な場合、成型の処理を行うことによって作製可能である。
【００５８】
次に、アクティブ部材層１の厚さについて説明する。アクティブ部材層１が厚い場合、ポリマーアクチュエータの電解伸縮による仕事において、大きな力を得ることが可能である。また、アクティブ部材層１が薄い場合、アクティブ部材層１へのイオンの出入りがすばやく行われるために、アクチュエータの動作を高速にすることが可能である。これらの点を考慮してアクティブ部材層１の厚さを設計することが望ましい。アクティブ部材層１の厚さの望ましい値は、およそ１００ｎｍ〜１ｍｍの範囲であり、１μｍ〜１００μｍが特に望ましい。アクティブ部材層１の厚さが１ｍｍよりも大きくなると、アクティブ部材層１へのイオンの出入りが遅くなり過ぎる一方、アクティブ部材層１の厚さが１００ｎｍよりも小さくなると、ポリマーアクチュエータの電解伸縮による仕事において得られる力が小さ過ぎるためである。アクティブ部材層１の厚さが、１μｍ〜１００μｍが特に望ましい理由は、膜厚が１μｍより小さい場合には製造時の膜のハンドリングが難しい又は膜厚均一性が悪くなる可能性があるため、膜厚１μｍ以上が特に望ましい。また、膜厚が１００μｍを越えるときには、電解重合における製膜時間が非常に長くなる可能性があるため、膜厚が１００μｍ以下であることが特に望ましい。なお、アクティブ部材層１は、溶液若しくは分散液を基板に塗布することによって製膜することも可能である。この場合においても、膜厚が１００μmを越える場合には、膜の乾燥に時間がかかる可能性が生じるために、膜厚は１００μｍ以下であることが特に望ましい。
【００５９】
＜第２の電極層２の詳細な説明＞
第２の電極層２の１つの例としては、導電性高分子膜を使用することができる。導電性高分子膜は、アクティブ部材層１と同様のものを使用することができて、たとえばポリピロールフィルムを使用することができる。第２の電極層２の他の例としては、白金メッシュフィルムを使用することができる。また、第２の電極層２のさらに他の例としては、カーボンナノチューブ又は活性炭などのカーボン材料とポリマーの混合物とで構成されるフィルムを挙げることができる。第２の電極層２として、前記のものを使用すると、柔軟であり、電気伝導度が高く、表面積及び電気容量が大きく、好適である。
【００６０】
＜第１の電解質層３の詳細な説明＞
第１の電解質層３は、液体電解質（電解液）若しくは固体電解質で構成される。ここで、液体電解質は液体状の電解質であり、例えば、イオン性物質を水などの極性溶媒に溶解させて作った電気伝導性を有する溶液、又は、イオンで構成される液体（イオン液体）などが考えられる。電解液の例としては、ＮａＰＦ６、ＴＢＡＰＦ６、ＨＣｌ、若しくは、ＮａＣｌなどの電解質を水若しくはプロピレンカーボネートなどの有機溶媒に溶解させたもの、又は、ＢＭＩＰＦ６若しくはＥＭＩ−ＴＦＳＩなどのイオン液体が利用可能である。固体電解質の例としては、前記電解液をゲル化したものを利用することが可能であり、特に高分子ゲルを例として挙げることができる。高分子ゲルは、高分子が架橋されることで三次元的な網目構造を形成し、その内部に溶媒を吸収して膨潤したゲルである。高分子ゲルは、固体と液体の中間的な性質を併せ持つ。また、架橋方法の違いにより、高分子ゲルは、「物理ゲル」と「化学ゲル」とに分類することが可能である。物理ゲルは、水素結合又はイオン結合、配位結合などによって架橋されたものであり、化学ゲルは、化学反応によって共有結合で架橋されたものである。
【００６１】
化学ゲルの例としては、例えばイオン液体である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）とモノマーであるメチルメタクリレート（ＭＭＡ）との混合溶液を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ものを挙げることができる。この高分子電解質ゲルは、重合後も網目高分子であるＰＭＭＡとイオン液体とが均一に相溶したイオン導電性を持った固体高分子である。また、ＰＭＭＡとイオン液体との配合比を変えることによって、弾性率を調整することが可能である。
【００６２】
物理ゲルの例としては、フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体［Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）］、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥ共重合体、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、及び、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）のうちの少なくとも一種以上を含む有機ポリマーとイオン液体との混合物とで構成される高分子ゲルを考えることができる。
【００６３】
第１の電解質層３は滑り機能を持つ材料であり、液体若しくは柔らかい高分子ゲルが望ましい。第１の電解質層３として、特に、ＥＭＩ−ＴＦＳＩ、ＥＭＩ−ＢＦ４、ＨＥＩ−ＢＦ４、ＥＭＩ−ＰＦ６、ＨＥＩ−ＰＦ６、又は、ＨＥＩ−ＴＦＳＩなどのイオン液体は滑り性能が高く望ましい。また、第１の電解質層３として、前記イオン液体を含む高分子ゲルも滑り性が高く望ましい。物理ゲルである高分子ゲルを第１の電解質層３として用いる場合には、滑り性の観点からイオン液体の混合比は９０％以上であることが望ましい。
【００６４】
また、第１の電解質層３として固体電解質を使用する場合は、滑り機能の観点から柔らかいものが望ましい。
【００６５】
＜第２の電解質層４の詳細な説明＞
前記のように、第２の電解質層４は、絶縁保持部材４ａと第２の電解質層部材４ｂとで構成されるが、ここで、絶縁保持部材４ａと第２の電解質層部材４ｂの詳細な説明を行う。
【００６６】
絶縁保持部材４ａの例としては、キャパシタ用のセパレータが考えられる。キャパシタ用セパレータの例としては、ポリオレフィン微多孔質フィルムを考えることができて、膜厚は例えば４０μｍ〜１１０μｍの範囲のものを使用することができる。これは、微細な孔（サブミクロン）を多数有する空間率の高いフラット状のポリエチレン製フィルムである。また、絶縁保持部材４ａの別の例としては、キャパシタ用セパレータであって、セルロースで構成される紙系セパレータ、又は、ポリプロピレンで構成される不織布系セパレータを考えることができて、膜厚は例えば３０〜３００μｍのものを使用することができる。ここで、セパレータとは、電気的絶縁を保つ機能を有するフィルムであると定義する。
【００６７】
第２の電解質層部材４ｂは、液体電解質（電解液）若しくは固体電解質で構成される。第２の電解質層部材４ｂの例としては、第１の電解質層３と同様のものを使用できる。ただし、本第１実施形態においては、第１の電解質層３は、滑り機能の観点から柔らかいものが好ましいが、第２の電解質層部材４ｂは、滑り機能は特に要求されないため、硬さ若しくは弾性率について、任意の大きさのものを使用することができる。
【００６８】
第２の電解質層４は、外力がアクチュエータに加わったとき又はアクチュエータが駆動により変形したときに、第２の電解質層４の弾性によって、第２の電解質層４の表裏２面の間の距離を一定以上に保ち、表裏２面の間の絶縁性を保つ機能（絶縁維持機能）を持つ。このためには、絶縁保持部材４ａの弾性率は３ｋＮ／ｍ２より大きいことが必要である。前記のように、弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下であるゲル材料では容易にスプーンですくい取ることができるようなゲルとほぼ同等の柔らかさであり、このような材料自体で、アクティブ部材層１と第２の電極層２間の接触を防止することは難しい。
【００６９】
図３Ａは、第２の電解質層４が、絶縁保持部材４ａと、イオン液体の第２の電解質層部材４ｂとで構成される場合の様子を模式的に示す。この例においては、絶縁保持部材４ａは、例えばキャパシタ用のセパレータであり、第２の電解質層部材４ｂはイオン液体である。すなわち、第２の電解質層４は、例えば、イオン液体を含浸したセパレータで構成される。
【００７０】
＜スペーサ５の詳細な説明＞
スペーサ５は、第１の電解質層３内に配置され、かつ、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間の距離を一定以上に保つ機能及びアクティブ部材層１の伸縮動作を円滑に保つ機能の両方を持つ絶縁性又は導電性の微粒子である。スペーサ５は、アクティブ部材層１と第２の電解質層４のいずれか一方に接着固定されていて、他方には接着固定されていない形で、第１の電解質層３内に存在してもよい（後述する図４Ａ〜図Ｆ参照）。また、スペーサ５は、アクティブ部材層１と第２の電解質層４のいずれにも接着固定されていない形で、第１の電解質層３内に存在しても良い（後述する図４Ｇ及び図Ｈ参照）。スペーサ５としては、アクティブ部材層１若しくは第２の電解質層４の表面との摩擦が小さい材料のものを用いれば、アクティブ部材層１の発生変位を阻害することがなく好都合である。この例として、テフロン（登録商標）製のスペーサなどが考えられる。また、スペーサ５の別の例としては、透明真球状のプラスチック微粒子が考えられる。このプラスチック微粒子は、ＬＣＤ用スペーサ、又は、半導体実装又は自動車用部品又は光学部品用などのギャップ材として使用されるものを用いることができる。プラスチック微粒子の直径は例えば１〜１０００μｍの範囲の任意の値を使用することができ、直径の値がほぼ同じ微粒子をほぼ均等に配置するのが好ましい。スペーサ５の形状は任意であるが、例えばスペーサ５が球形であるときには、スペーサ５とアクティブ部材層１との間の接触、若しくはスペーサ５と第２の電解質層４との接触について、接触面積を小さくすることができるので、それらの間の摩擦を低減できて好適である。スペーサ５の材料としては、導電性でも絶縁性でもよい。
【００７１】
スペーサ５の特に好ましい大きさは、アクティブ部材層１の厚さの０．１倍以上で１００倍以下であるの範囲である。スペーサ５の大きさが、アクティブ部材層１の厚さの０．１倍未満であれば、動作時にスペーサ５がアクティブ部材層１に完全にめり込んだ状態となり、滑り機能を十分に発揮できない。また、スペーサ５の大きさが、アクティブ部材層１の厚さの１００倍より大きい場合、電極間の距離が大きくなること及びスペーサ５の体積が大きくなることによって、イオン伝導に伴う電気抵抗が大きくなり、アクチュエータ動作の効率が低下する問題、及び、アクチュエータの大きさが大きくなるために、単位体積当たりの仕事量が低下する問題などが生じるためである。
【００７２】
図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、スペーサ５を半球状のプラスチック微粒子５ａ，５ｂで構成した場合の２つの例を示す。
【００７３】
図４Ａにおいては、スペーサ５の多数の半球状のプラスチック微粒子５ａの平面部がアクティブ部材層１の表面と裏面にそれぞれ接着されており、スペーサ５の多数の半球状のプラスチック微粒子５ａの球面部は第２の電解質層４には接着されていない。この場合には、スペーサ５ａと第２の電解質層４との接触について、接触面積を小さくすることができるので、それらの間の摩擦を低減できるとともに、多数のスペーサ５ａを均等に配置する構成が容易にかつ確実に形成することができる。
【００７４】
図４Ｂにおいては、スペーサ５の多数の半球状のプラスチック微粒子５ａの球面部はアクティブ部材層１には接着されておらず、スペーサ５の多数の半球状のプラスチック微粒子５ｂの平面部が第２の電解質層４に接着されている。この場合には、スペーサ５ｂとアクティブ部材層１との接触について、接触面積を小さくすることができるので、それらの間の摩擦を低減できるとともに、多数のスペーサ５ｂを均等に配置する構成が容易にかつ確実に形成することができる。
【００７５】
さらに、図４Ｃ〜図４Ｈは、それぞれ、第１の電解質層３内のスペーサ５を球状のプラスチック微粒子５ｃで構成した場合の変形例を示す。
【００７６】
図４Ｃ及び図４Ｄは、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間に配置された各粒子状のスペーサ５ｃが、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触しかつ、一部がアクティブ部材層１に固定部７０で固定されかつ、第２の電解質層４に対して相対的に移動可能であるように配置されている。固定部７０での固定の仕方としては接着固定などが例示できる。図４Ｃでは、スペーサ５ｃに対して第２の電解質層４が左方向に移動する状態を示している。逆に、図４Ｄでは、スペーサ５ｃに対して第２の電解質層４が右方向に移動する状態を示している。
【００７７】
また、図４Ｅ及び図４Ｆは、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間に配置された各粒子状のスペーサ５ｃが、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触しかつ、一部が第２の電解質層４に固定部７０で固定されかつ、アクティブ部材層１に対して相対的に移動可能であるように配置されている。固定部７０での固定の仕方としては接着固定などが例示できる。図４Ｅでは、スペーサ５ｃに対してアクティブ部材層１が右方向に移動する状態を示している。逆に、図４Ｆでは、スペーサ５ｃに対してアクティブ部材層１が左方向に移動する状態を示している。
【００７８】
また、図４Ｇ及び図４Ｈは、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間に配置された各粒子状のスペーサ５ｃが、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触しかつ、固定部７０は無く、アクティブ部材層１又は第２の電解質層４に対して相対的に移動可能であるように配置されている。図４Ｇでは、スペーサ５ｃに対してアクティブ部材層１が右方向に移動するとともに第２の電解質層４が左方向に移動する状態を示している。このとき、スペーサ５ｃは右回りに（時計方向に）回転することになる。逆に、図４Ｈでは、スペーサ５ｃに対してアクティブ部材層１が左方向に移動するとともに第２の電解質層４が右方向に移動する状態を示している。このとき、スペーサ５ｃは左回り（反時計方向に）に回転することになる。
【００７９】
なお、場合によっては、スペーサ５ｃが、粒子状であるため、アクティブ部材層１又は第２の電解質層４に対して部分的にかつ相対的に滑ることもありえる。
【００８０】
＜その他の部分の説明＞
アクチュエータの各層間が接触した状態を保つ機能を持つ接触維持部の例としては、アクチュエータの外部からアクチュエータの幅方向に、アクティブ部材層１を中心としてアクティブ部材層１の表裏両側に配置された第１の電解質層３と第２の電解質層４と第２の電極層２とを一体的に大略Ｕ字状のクリップで挟持する方法が考えられる。本アクチュエータは、平面薄型であり、このクリップとしては、例えば絶縁性プラスチック板をクリップ状に形成したもので、本アクチュエータを挟むことにより、各層を押圧する。また、接触維持部の別の例としては、各層を収納するような剛性の高い容器を考えることができる。また、接触維持部の別の例としては、各層を収納するような弾性を持つ袋状の部材を考えることができる。この場合、アクチュエータ全体に対して、柔軟性があり、自由な形に変形可能という特長を持たせることができる。いずれの場合も、クリップ又は容器又は袋状の部材により、少なくとも、アクティブ部材層１の伸縮動作を妨げないようにすることが必要である。
【００８１】
なお、図５に示すように、電解質層部１１を両電極層１，２間に確実に封止するために、アクティブ部材層１及び力作用部６の動きを妨げない柔軟な絶縁性の封止部材１０で、アクティブ部材層１及び力作用部６以外のアクチュエータの全体を覆う構造とすることも可能である。封止部材１０により、電解質層部１１への吸湿の防止又は外力による電解質層部１１などの破損防止などの強度を保つことができる。封止部材１０としては、例えば縦弾性率が１００ｋＮ／ｍ２程度の柔らかいシリコーン系ゴムを用い、さらにアクティブ部材層１の伸縮を妨げない構造とすることができる。また、封止部材１０は、その弾性によって、接触維持部としての機能も併せ持つことが可能である。図５は、接触維持部としての機能を併せ持つ封止部材１０を含む本実施形態のアクチュエータの構成例を示す。
【００８２】
＜変形例＞
前記説明では、アクティブ部材層１と第２の電解質層４の間にスペーサ５を配置する構成について説明したが、図６Ａ及び図６Ｂ１に示すように、スペーサ５が無い構成も考えることができる。この場合、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間の摩擦を減少させるために、第１の電解質層３として、イオン液体若しくはイオン液体を含む高分子ゲルを使用することが望ましい。特に、高分子ゲルの場合、電解質が外部に漏れるのを防止するための封止構造を、省略したり、若しくは、簡単にすることができるため望ましい。また、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、上下２枚の第２の電極層２の間の距離を一定に保つための、例えば四角柱状の電極間保持部材１２０１を使用することも可能である。この場合、電極間保持部材１２０１は、例えば上下２枚の第２の電極層２と接着されているような構成を考えることができる。電極間保持部材１２０１としては、第２の電解質層４と同じ材料が好ましい。電極間保持部材１２０１は、アクティブ部材層１の動きを妨げないために、アクティブ部材層１が配置されている領域以外の領域において、第２の電極層２同士の間隔を保持するように配置する。なお、電極間保持部材１２０１は、第２の電極層２同士の間に配置する以外に、第２の電解質層４同士の間に配置するようにしても、同様な効果を奏することができる。
【００８３】
また、各アクチュエータにおいて、第２の電解質層部材４ｂとして、液体電解質（電解液）若しくは固体電解質に代えて、イオン液体ゲルを使用することが可能である。この場合、第２の電解質層４は、絶縁保持部材４ａとイオン液体ゲルの第２の電解質層部材４ｂとで構成される。
【００８４】
イオン液体ゲルを使用した第２の電解質層４は、例えば、以下の方法で作製できる。まず、金属の型の内部に適当な大きさに切ったキャパシタ用のセパレータ（絶縁保持部材４ａに相当。）を置いて、その上からイオン液体（ＥＭＩ−ＴＦＳＩ）とＰＶＤＦ／ＨＦＰ（カイナーフレックス２５００）（登録商標）の８：２の混合物を加える。その後、１００℃で４５分間、加熱してゲル化した後、枠を外して所定の形状のイオン液体ゲルを作製する。図３Ｂは、第２の電解質層４が、セパレータの絶縁保持部材４ａ及びイオン液体ゲルの第２の電解質層部材４ｃで構成される場合の様子を模式的に示す。この例においては、絶縁保持部材４ａは例えばキャパシタ用のセパレータであり、第２の電解質層部材４ｃはイオン液体ゲルである。
【００８５】
また、図３Ｃに示すように、第２の電解質層４は、イオン液体ゲル４ｄのみによって構成してもよい。イオン液体ゲルは例えば以下の方法で作製できる。まず、金属の型の内部に、イオン液体（ＥＭＩ−ＴＦＳＩ）とＰＶＤＦ／ＨＦＰ（カイナーフレックス２５００）（登録商標）の８：２の混合物を加える。その後、１００℃で４５分間、加熱してゲル化した後、枠を外して所定の形状のイオン液体ゲルを作製する。図３Ｃでは、第２の電解質層４が、絶縁保持部材４ａが無く、イオン液体ゲル４ｄのみで構成される場合の様子を模式的に示す。
【００８６】
また、前記説明では、第１の電解質層３がアクティブ部材層１に接する位置に配置されて、第２の電解質層４が第２の電極層２に接する位置に配置される例について説明したが、これらの位置が逆である例も考えられる。すなわち、図８に示すように、第１の電解質層３が第２の電極層２に接する位置に配置されて、第２の電解質層４がアクティブ部材層１に接する位置に配置されるようにしてもよい。この図８の例においては、第２の電解質層４はアクティブ部材層１と接着されて、第２の電解質層４はアクティブ部材層１と一体的に伸縮する。また、第２の電解質層４と第２の電極層２との間には、滑り機能を有する第１の電解質層３と多数のスペーサ５が配置されている。図８の上側の図（ａ）においては、可変直流電源７ａの電圧が０である。また、図８の下側の図（ｂ）においては、可変直流電源７ａの電圧は図８において可変直流電源７ａの左側がプラスの極性を持ち、第２の電極層２を基準としたときに、アクティブ部材層１には負の電圧が印加されている。この結果、アクティブ部材層１は、図８の（ａ）に比べて、図８の（ｂ）では寸法δだけ伸張しており、これに応じて、第２の電解質層４も伸張している。また、図８の（ａ）と同じ配置構成で、アクティブ部材層１と第２の電解質層４が接着されていない場合も考えられる。絶縁維持機能を有する第２の電解質層４はある程度の固さが必要であるために、アクティブ部材層１と第２の電解質層４とが接着されている場合には、アクティブ部材層１の伸縮が阻害される程度が大きくなる。このため、アクティブ部材層１と第２の電解質層４とが接触する位置に第２の電解質層４が配置される場合には、第２の電解質層４とアクティブ部材層１との間は摩擦が小さく滑る構成であることが望ましい。
【００８７】
上の例では、対向電極（第２の電極層）２と作用電極（アクティブ部材層）１との間に、滑り機能を有する第１の電解質層３と絶縁維持機能を有する第２の電解質層４とをそれぞれ１つずつ配置する構成について説明しているが、滑り機能を有する第１の電解質層３若しくは絶縁維持機能を有する第２の電解質層４を複数配置する構成も考えられる。例えば、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、アクティブ部材層１と第２の電極層２との間に、絶縁維持機能を有する第２の電解質層４を配置して、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間、及び、第２の電極層２と第２の電解質層４との間の両方に、滑り機能を有する第１の電解質層３をそれぞれ配置する構成も考えられる。図９Ａにおいては、スペーサ５が第１の電解質層３に混在している場合の例を示す。また、図９Ｂにおいては、スペーサ５が第１の電解質層３に混在していない場合の例を示す。第１の電解質層３の例としては、イオン液体又はイオン液体ゲルなどが考えられる。このような構成にすれば、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間に配置された内側の第１の電解質層３により両部材間での相対的な滑りを確保するとともに、第２の電極層２と第２の電解質層４との間に配置された外側の第１の電解質層３（例えば、滑り機能を有する第３の電解質層の一例として機能する層とも考えられる。）により両部材間での相対的な滑りを確保することができて、アクチュエータの駆動をより円滑なものとすることができる。
【００８８】
（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態のポリマーアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【００８９】
第２実施形態においては、第２の電極層２と、第２の電解質層４と、第１の電解質層３と、アクティブ部材層１と、第１の電解質層３と、第２の電解質層４と、第２の電極層２とが、第２の電極層２を共通部材として、繰り返し複数積層されている。第２の電極２と、第２の電解質層４と、第１の電解質層３と、アクティブ部材層１とは、第１実施形態と同様の構造を持つ。複数のアクティブ部材層１の両端が、それぞれ、１つの力作用部６で連結されている。
【００９０】
第２実施形態の構成では、アクティブ部材層１が並列に連結されているので、大きな力を発生することができる。
【００９１】
（第３実施形態）
図１１Ａは、本発明の第３実施形態のポリマーアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【００９２】
第３実施形態においては、アクティブ部材層１の外面は支持部材９と接着されている。支持部材９は、例えば有機材料若しくは金属などで構成されるフィルムであり、フィルム面に垂直な方向（厚さ方向）に屈曲することができる。作用電極（アクティブ部材層１）と対向電極（第２の電極層２）との間に電圧を印加する事により、アクティブ部材層１が伸縮するが、アクティブ部材層１の片面は支持部材９と接着されているので、アクティブ部材層１と支持部材９は一体として屈曲動作を行う。
【００９３】
図１１Ｂは屈曲動作の様子を模式的に示す。図１１Ｂの左側の状態（ａ）においては、第２の電極層２を基準としてアクティブ部材層１に正の電圧が可変直流電源７ａから印加されている。この例では、左側の状態（ａ）において、アクティブ部材層１から第１の電解質層３に陽イオンが抜け出し、その結果、アクティブ部材層１が収縮し、アクティブ部材層１及び支持部材９が上側に屈曲している場合の例を示している。また、逆に、図１１Ｂの右側の状態（ｂ）においては、第２の電極層２を基準としてアクティブ部材層１に負の電圧が可変直流電源７ａから印加されている。この例では、右側の状態（ｂ）において、第１の電解質層３からアクティブ部材層１に陽イオンが入り込み、その結果、アクティブ部材層１が伸張し、アクティブ部材層１及び支持部材９が下側に屈曲している場合の例を示している。
【００９４】
本第３実施形態の構成のアクチュエータは屈曲型アクチュエータであり、大きな変位を発生することができる。
【００９５】
上の例では陽イオンの出入りによってアクティブ部材層１が収縮する場合の例について、説明したが、陰イオンの出入りによって、アクティブ部材層１が収縮する場合も考えられる。また、陽イオン及び陰イオンの出入りによって、アクティブ部材層１が収縮する場合も考えられる。
【００９６】
また、第３実施形態では、第１実施形態と同様に、接触維持部又は封止部材１０を設けることが可能である。
【００９７】
＜絶縁性向上の効果＞
図１２Ａ及び図１２Ｂは、第１実施形態のアクチュエータに強い外力を加えた場合、及び、大きく曲げた場合の模式図である。いずれの場合においても、強い外力を加えられた部分、及び、大きく曲げられた部分では、第１の電解質層３は他の部分へ移動したとしても、必ず、第２の電解質層４がアクティブ部材層１と第２の電極層２の間に存在し、第２の電解質層４によってアクティブ部材層１と第２の電極層２の間の絶縁が確実に保たれている。第１実施形態以外の他の実施形態においても同様に、第２の電解質層４によってアクティブ部材層１と第２の電極層２の間の絶縁を保つことが可能である。
【００９８】
＜駆動実験の内容＞
＜実験に使用した材料＞
以下の条件で、電解重合によって製膜したポリピロール膜を使用した。電解液としては、プロピレンカーボネート（Propylene carbonate） (PC)に、０．０６ M pyrrole（ピロール），０．０６ M tetrabutylammonium hexafluorophosphate（テトラブチルアンモニウム  ヘキサフルオロホスファート）  （ＴＢＡ−ＰＦ６），１％／ｖｏｌのＨ２Ｏを溶解した溶液を用いた。ピロール（Pyrrole）は、シグマ・アルドリッチ・ジャパン株式会社（Aldrich）から購入し、蒸留を行った後に使用した。電解重合における作用電極としてはグラッシーカーボン基板（ＧＣ基板）を使用して、第２の電極層２としてはポーラスカーボン基板を使用した。電解重合における参照電極としてはＡｇ／Ａｇ＋を使用した。−２８℃の温度で、北斗電工株式会社のガルバノスタット（ＨＡ−１５１，Hokuto  Denko，  Japan）を使用し、０．０５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で１８時間、下記の非特許文献１と同様の方法で電解重合を行った。その後、ＰＣ中でリンスを行い、ポリピロール膜をＧＣ基板から剥離した状態、若しくは、基板についたままの状態で使用した。ポリピロール膜の膜厚は１０〜１５μｍで導電率は２００〜３００Ｓ／ｃｍの範囲であった。
【００９９】
イオン液体は、東洋合成工業株式会社から購入した１−ethyl−３−methylimidazolium  bis（trifluoromethanesulfonyl）  imide（１−エチル−３−メチルイミダゾリウム  ビス  (トリフルオロメタンスルホニル)  イミド）  （ＥＭＩ−ＴＦＳＩ）を使用した。絶縁用セパレータ紙は、ニッポン高度紙工業株式会社（Nippon  Kodoshi  Corporation）の膜厚４０μｍのセルロース製コンデンサ用セパレータを使用した。マイクロビーズ（スペーサ）は、積水化学工業株式会社のミクロパールＳＰ（１４μｍ〜５０μｍΦ）を使用し、イオン液体ＥＭＩ−ＴＦＳＩにおよそ０．６重量％の濃度で分散させた状態で使用した。
【０１００】
なお、ここで、非特許文献１とは、「Yamaura，  M．；  Hagiwara，  T．；  Iwata，  K．，  ”Enhancement  of  electrical  conductivity  of  polypyrrole  film  by  stretching：  counter  ion  effect”，  Synth．  Met．  （１９８８），  ２６（３），  ２０９−２２４．」を意味する。
【０１０１】
＜駆動実験を行ったアクチュエータの構造＞
前記実施形態にかかる、以下の３つのアクチュエータを作製して実験を行った。
【０１０２】
（第１アクチュエータ）
第１アクチュエータ４１の構造を図１３Ａに示す。
【０１０３】
アクティブ部材層１としてポリピロール膜を使用し、その上下の位置に２枚の第２の電極層を配置した。第２の電極層２は、片面にポリピロール膜を製膜したグラッシーカーボン基板（２５ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍ）を使用し、ポリピロール膜の面をアクティブ部材層１側に対向するように配置した。第２の電極層２とアクティブ部材層１の間には、スペーサ５としての多数のマイクロビーズを含有しかつイオン液体で構成される第１の電解質層３と、イオン液体を含浸したセパレータ紙で構成される第２の電解質層４とを配置して、第１アクチュエータ４１を形成した。図１３Ａにおいては、第１の電解質層及びマイクロビーズは省略している。
【０１０４】
前記第１アクチュエータ４１及び駆動実験装置７９を下記の方法で組み立てた。
【０１０５】
アクティブ部材層１となるポリピロール膜は、６ｍｍ×４２ｍｍに切断したものを用いて、両端約４ｍｍずつの部分を把持部８０ａ，８０ｂで把持して第１アクチュエータ外部の駆動実験装置７９と接続した。一方の把持部８０ａは固定し、もう一方の把持部８０ｂは、スライダ８２を有するリニアガイド８１によって、水平方向に自由に移動できるようにした。後者の把持部８０ｂには糸８３とプーリー８４を介して１０ｇの錘８５を接続した。
【０１０６】
セラミックブロック８６の上に第２の電極層２の基板と第２の電解質層４のセパレータ紙を重ねて、その上に充分な量のビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体を垂らした。
【０１０７】
次に、アクティブ部材層１となるポリピロール膜を、ビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体の上面に接触する位置に移動させた。
【０１０８】
そして、その後、アクティブ部材層１となるポリピロール膜の上面に、充分な量のビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体を垂らした。
【０１０９】
最後に、それらの上に、第２の電解質層４のセパレータ紙と第２の電極層２とセラミックブロック８７及び２０ｇの錘８８を載せることによって第１アクチュエータ４１を押さえ付けた。なお、セラミックブロック８６，８７の表面には、それぞれ、ゴムを貼り付けて、力が均質に伝わるようにした。
【０１１０】
アクティブ部材層１のポリピロール膜の厚さは約１０μｍであったので、１０ｇの錘８５を吊した状態の内部応力は約１．６ＭＰａに相当する。
【０１１１】
（第２アクチュエータ）
第２アクチュエータも第１アクチュエータ４１と同様に図１３Ａの構造である。
【０１１２】
アクティブ部材層１及び第２の電極層２は第１アクチュエータと同様のものを使用した。また、第１アクチュエータ４１と同様に、第２の電極層２基板のポリピロール面をアクティブ部材層１側に対向するように配置した。アクティブ部材層１の両端を第１アクチュエータ４１と同様の方法で把持部８０ａ，８０ｂで把持して、一方の把持部８０ｂに糸８３とプーリー８４を介して１０ｇの錘８５を接続した。第２の電極層２とアクティブ部材層１の間には、スペーサ５としての多数のマイクロビーズを含有しかつイオン液体で構成される第１の電解質層３と、以下の方法で作製したイオン液体ゲルで構成される第２の電解質層４を配置して第２アクチュエータを形成した。
【０１１３】
第２の電解質層４を製造するときは、まず、金属の型の内部にセパレータを置いて、その上からイオン液体（ＥＭＩ−ＴＦＳＩ）とＰＶＤＦ／ＨＦＰ（カイナーフレックス２５００）（登録商標）の８：２の混合物を加える。その後、１００℃で４５分間、加熱してゲル化した後、枠を外して所定の形状のイオン液体ゲルを作製した。
【０１１４】
前記第２アクチュエータ及び駆動実験装置７９を下記方法で組み立てた。
【０１１５】
まず、セラミックブロック８６の上に第２の電極層２の基板と第２の電解質層４のイオン液体ゲルを重ねて、その上に充分な量のビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体を垂らした。
【０１１６】
次に、アクティブ部材層１となるポリピロール膜をビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体の上面に接触する位置に移動させた。
【０１１７】
そして、その後、アクティブ部材層１となるポリピロール膜の上面に、充分な量のビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体を垂らした。
【０１１８】
最後に、それらの上に、第２の電解質層４のイオン液体ゲルと第２の電極層２とセラミックブロック８７及び２０ｇの錘８８を載せることによって押さえ付けた。なお、セラミックブロック８６，８７の表面には、それぞれ、ゴムを貼り付けて、力が均質に伝わるようにした。
【０１１９】
なお、イオン液体ゲルは、イオン液体に浸した状態で１時間以上放置した後、使用した。
【０１２０】
（第３アクチュエータ）
第３アクチュエータ４３は、図１３Ｂに示すように、ポリピロール膜とイオン液体を含浸したセパレータ紙を交互に積層した構造のアクチュエータである。この第３アクチュエータ４３を以下の方法で組み立てた。
【０１２１】
アクティブ部材層１として動作するポリピロール膜を矩形形状に切断して使用した。まず、アクティブ部材層１として動作するポリピロール膜を複数枚積層して、その両端を粘着銅箔テープ（住友スリーエム株式会社のScotch（登録商標）導電性テープ）で接着した後、クランプで挟んで固定した。
【０１２２】
次に、アクティブ部材層１の層間及び上下の位置におよそ２５ｍｍ×１０ｍｍの大きさのポリピロール膜で構成される第２の電極層２を接触させた。
【０１２３】
そして、アクティブ部材層１と第２の電極層２の間に第２の電解質層４の絶縁用セパレータを挿入し、セパレータとアクティブ部材層１の間に充分な量のビーズ（１４μｍΦ）入りの第１の電解質層３のイオン液体を垂らした。
【０１２４】
最後に、最上部にプラスチック板８９を乗せてその重さで押さえた。アクティブ部材層１の積層数は２層、３層、及び９層の３つの場合について試作した。アクティブ部材層１の幅は、２層構造と３層構造の場合は６ｍｍとし、９層構造の場合は３ｍｍとした。第３アクチュエータ４３の端部に接続する錘８５の重さは、５ｇ〜３００ｇの範囲で変化させた。
【０１２５】
なお、前記すべての構造において、アクティブ部材層１及び第２の電極層２の電気コンタクトは、白金箔に接触させた形で取り出した。
【０１２６】
＜駆動方法＞
各駆動実験において、可変直流電源７ａからの±１．５Ｖの矩形波で各アクチュエータの駆動を行った。また、駆動評価に先立ち、適当な回数の伸縮動作を各アクチュエータで行い、各アクチュエータでの動作が安定してから実験を行った。第１アクチュエータ４１と第２アクチュエータにおいては、０．１Ｈｚ，０．５Ｈｚ，１Ｈｚ，５Ｈｚ，１０Ｈｚの各周波数において駆動を行った。第３アクチュエータ４３においては、０．５Ｈｚの周波数で駆動を行った。すべてのアクチュエータの場合において、ポリピロールで構成されるアクティブ部材層１と第２の電極層２との間に可変直流電源７ａから電圧を印加することによって、すべてのアクチュエータの駆動を行った。
【０１２７】
各アクチュエータの変位をレーザー変位計９０で測定した。レーザー変位計９０は株式会社キーエンスのＬＫ−０３０を使用した。LabVIEWプログラムとナショナルインスツルメンツ株式会社のDAQ  boardをポテンショスタットの制御と、変位と、電圧と、電流との記録のために使用した。ポテンショスタットは北斗電工株式会社のガルバノスタット（ＨＡ−１５１）を使用した。すべての実験において、第２の電極層２の長さが２５ｍｍであるので、アクティブ部材層１において、実質的に伸縮動作する部分の長さも２５ｍｍであると考えて、変位の大きさを２５ｍｍで割った値をひずみ率として計算した。すべての駆動実験は室温で行った。
【０１２８】
＜実験結果＞
（第１アクチュエータ４１の駆動実験結果）
１．５Ｖで０．５Ｈｚで１００００回駆動を行い、その後、各周波数での駆動実験を行った。すべての実験は、恒温恒湿槽において２０℃で６５％に保った状態で実験を行った。各実験の間は５分間のインターバルをとった。１００００回駆動における振幅の変化を図１４Ａに示す。図１４Ａでは縦軸が歪み率（％）、横軸が実験の回数（サイクル）である。１００００回駆動時の電圧と電流と変位とのそれぞれに対する時間変化を図１４Ｂ〜図１４Ｄにそれぞれ示す。図１４Ｅは本構成における周波数特性を示す。図１４Ｅでは縦軸が歪み率（％）、横軸が周波数（Ｈｚ）である。
【０１２９】
この駆動実験の結果、０．５Ｈｚで１００００回の駆動において振幅は約０．２５％で安定していた。
【０１３０】
（第２アクチュエータの駆動実験結果）
１．５Ｖで０．５Ｈｚで１００００回駆動を行い、その後、各周波数での駆動実験を行った。ただし、１００００回駆動においては、２０００回駆動を行った後、インターバルをとってから、８０００回駆動を行った。すべての実験は、恒温恒湿槽において２０℃で６５％に保った状態で実験を行った。各周波数での駆動実験の間は５分間のインターバルをとった。８０００回駆動における振幅の変化を図１５Ａに示す。図１５Ａでは縦軸が歪み率（％）、横軸が実験の回数（サイクル）である。８０００回駆動時の電圧と電流と変位とのそれぞれに対する時間変化を図１５Ｂ〜図１５Ｄにそれぞれ示す。図１５Ｅは本構成における周波数特性を示す。図１５Ｅでは縦軸が歪み率（％）、横軸が周波数（Ｈｚ）である。
【０１３１】
この駆動実験の結果、０．５Ｈｚの８０００回の駆動において振幅は約０．４％で安定していた。
【０１３２】
（第３アクチュエータの駆動実験結果）
図１６Ａは、３層構造の１．５Ｖで０．５Ｈｚの駆動実験において、錘８５の重さを変化させたときの、動作振幅及び仕事量の変化を示す図である。ただし、仕事量は、振幅と錘８５の重さの積から求めた。図１６Ａからわかるように、錘８５の重さを大きくするほど、仕事量は大きくなった。錘８５の重さが小さいときには、アクチュエータの長さの微妙な違いからアクチュエータの一部が緩んで伸縮動作の一部が外部に伝わらなかったのに対して、錘８５の重さが大きいときには、アクチュエータが適当な張力をもって張った状態となって、アクチュエータの伸縮動作が効率良く外部に伝わったものと考えられる。ただし、錘８５の重さが１２０ｇのときには、アクチュエータの長さが時間とともに単調に増加する現象（クリープ現象）が顕著に観察された。そこで、アクチュエータを安定して動作させるためには、錘８５の重さの上限は約１００ｇであると考えられる。このときのポリピロールの仕事量は約６９μＪである。同様の実験を９層の積層構造についても行ったところ、クリープが起こらない範囲で、３００ｇの錘８５に対して４０μｍの伸縮動作を行うことができた。このときの仕事量は１２０μＪである。図１６Ｂは、同様の実験を行ったときの、膜数と仕事量との関係を示す図である。図１６Ｂにおいては継続的なクリープが無い範囲での最大の仕事量を示した。また、９層構造においてはポリピロール膜の幅を６ｍｍに換算して示した。図１６Ｂから積層数にほぼ比例して発生仕事量が増加することがわかる。なお、本構成における電解質層のおよその厚さはセパレータの厚さとマイクロビーズの直径の和からおよそ計算することができる。そこで、１層のアクティブ部材層１に接触する電解質層部１１のおよその厚さは上下合わせて１０８μｍである。積層構造のアクチュエータの１層当たりの厚さはアクティブ部材層１と第２の電極層２と電解質層部１１の厚さの和から計算できて、ポリピロール膜の厚さを１０μｍと仮定すると、１２８μｍと求められる。また、アクティブ部材層１の有効な部分の面積は第２の電極層２との接触面積（２５ｍｍ×３ｍｍ）であると考えられる。このため、９層構造におけるアクチュエータの有効な部分の体積はおよそ８６ｍｍ３で与えられる。前記仕事量を有効体積で割ることによって、０．５Ｈｚ駆動における単位体積当たりの仕事量は１４００Ｊ／ｍ３と計算できる。また、ポリピロールとＥＭＩ−ＴＦＳＩの比重をそれぞれ１．４ｇ／ｃｍ３，１．５ｇ／ｃｍ３と仮定すると、単位質量当たりの仕事量は０．９２Ｊ／ｋｇと求められる。
【０１３３】
なお、第１アクチュエータにおいて、セパレータが無い場合の構成が従来例のアクチュエータの一例であるが、この場合の変位の振幅の大きさと前記第１アクチュエータにおける変位の振幅の大きさがほぼ同様であることが確認できた。
【０１３４】
以上のように、前記実施形態及び変形例にかかるアクチュエータは、前記のように、従来のアクチュエータに比べて、電極層１，２間の絶縁性を向上することができて、従来のアクチュエータと同様の大きさの変位振幅を得ることができる。すなわち、円滑な伸縮動作を行うことができつつかつ従来のアクチュエータと同様の駆動能力を保ちつつ、従来のアクチュエータに比べて、電極層１，２間の電気的絶縁性を向上させることができる。
【０１３５】
また、電極層１，２間の距離を小さく保つことができるために、アクチュエータ全体の体積を小さく保つことができて、この結果、軽量な構造で大きな仕事を行うことができる。
【０１３６】
なお、第２アクチュエータにおいては、第１アクチュエータ４１に比べて変位の振幅が大きいが、これは、イオン液体ゲルの表面は摩擦が小さいので、アクティブ部材層１の伸縮を、より効率的に行うことができたことが一つの要因であると推測される。第２アクチュエータの構成においては、イオン液体ゲルに荷重を掛けた場合にゲル内部からしみ出したイオン液体が潤滑性に寄与すると思われる。特にＰＶＤＦなどを用いた物理ゲルの表面は湿潤でスベリが良いためアクチュエータ動作を効率的に行う効果が大きい。一般的に、高分子ゲルは固体でありながら主成分が液体であるため、独特の摩擦機構により著しく低い摩擦係数を示す。第２の電解質層として高分子ゲルを用いた場合には、高分子ゲルによって電極間の絶縁性を向上することができて、さらに、高分子ゲルの摩擦係数が低い性質を利用して効率的なアクチュエータ動作が可能である。
【０１３７】
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例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】
【０１３８】
本発明のポリマーアクチュエータは、介護用あるいは家庭用ロボット又はモバイル機器などを代表例とした各種機器の駆動源として、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟であるアクチュエータとして有用である。【０１３９】
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。そのような変形又は修正は、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１Ａ】
2010100907.tif 000003
【図１Ｂ】
2010100907.tif 000004
【図１Ｃ】
2010100907.tif 000005
【図１Ｄ】
2010100907.tif 000006
【図２】
2010100907.tif 000007
【図３Ａ】
2010100907.tif 000008
【図３Ｂ】
2010100907.tif 000009
【図３Ｃ】
2010100907.tif 000010
【図４Ａ】
2010100907.tif 000011
【図４Ｂ】
2010100907.tif 000012
【図４Ｃ】
2010100907.tif 000013
【図４Ｄ】
2010100907.tif 000014
【図４Ｅ】
2010100907.tif 000015
【図４Ｆ】
2010100907.tif 000016
【図４Ｇ】
2010100907.tif 000017
【図４Ｈ】
2010100907.tif 000018
【図５】
2010100907.tif 000019
【図６Ａ】
2010100907.tif 000020
【図６Ｂ】
2010100907.tif 000021
【図７Ａ】
2010100907.tif 000022
【図７Ｂ】
2010100907.tif 000023
【図８】
2010100907.tif 000024
【図９Ａ】
2010100907.tif 000025
【図９Ｂ】
2010100907.tif 000026
【図１０】
2010100907.tif 000027
【図１１Ａ】
2010100907.tif 000028
【図１１Ｂ】
2010100907.tif 000029
【図１２Ａ】
2010100907.tif 000030
【図１２Ｂ】
2010100907.tif 000031
【図１３Ａ】
2010100907.tif 000032
【図１３Ｂ】
2010100907.tif 000033
【図１４Ａ】
2010100907.tif 000034
【図１４Ｂ】
2010100907.tif 000035
【図１４Ｃ】
2010100907.tif 000036
【図１４Ｄ】
2010100907.tif 000037
【図１４Ｅ】
2010100907.tif 000038
【図１５Ａ】
2010100907.tif 000039
【図１５Ｂ】
2010100907.tif 000040
【図１５Ｃ】
2010100907.tif 000041
【図１５Ｄ】
2010100907.tif 000042
【図１５Ｅ】
2010100907.tif 000043
【図１６Ａ】
2010100907.tif 000044
【図１６Ｂ】
2010100907.tif 000045
【図１７Ａ】
2010100907.tif 000046
【図１７Ｂ】
2010100907.tif 000047
【図１７Ｃ】
2010100907.tif 000048
【図１７Ｄ】
2010100907.tif 000049
【図１７Ｅ】
2010100907.tif 000050
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月1日(2010.7.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号によって動作を行い、人工筋肉又はマイクロマシンなどに用いることのできるポリマーで構成されるポリマーアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子（ポリマー）を素材としたアクチュエータは、軽量、柔軟性、動作音がしないなどの特徴を有しており、人工筋肉又はマイクロデバイスの動作機構のデバイスとして期待されている。その中で、ポリピロール又はポリアニリンなどの導電性高分子を駆動材料として用いた電気化学的な伸縮によるデバイスは、生体の筋肉よりも発生エネルギーが大きくなる可能性があり、実用的なデバイス動作が可能な高分子アクチュエータデバイスとして提案されている。また、炭素系材料を分散した導電性を有するポリマー材料、例えばカーボンナノチューブを分散した導電性のポリマー材料を駆動材料として用いたデバイスも、大きな発生力を持つアクチュエータとして期待されている。
【０００３】
導電性高分子からなるアクチュエータの動作は、導電性高分子層に電圧又は電流を印加することによって、電解質からイオンを導電性高分子層へドーピングしたり又は導電性高分子層からイオンを脱ドーピングしたりして、導電性高分子層を伸縮させてデバイスを駆動して変位を生じさせることにより行われる。
【０００４】
なお、電解伸縮メカニズムは、ドーパントとしてのイオンが、導電性高分子層へドーピング及び導電性高分子層から脱ドーピングされた際に電気化学的に酸化反応及び還元反応を生じて伸縮することを利用するものである。この伸縮現象は、電気化学的な反応に伴って、導電性高分子の高分子鎖のコンフォメーションが変化することによる要因、導電性高分子層内へのかさ高いイオンの出入りによって導電性高分子層が膨張及び収縮する要因、又は、高分子鎖に生じる同種電荷によって生じる静電反発による要因などが考えられている。
【０００５】
ポリマーアクチュエータの例として、電解液バスの中に導電性高分子膜を配置して駆動を行う構造のアクチュエータが考えられる。また、これと異なる構造のアクチュエータとして、特許文献１に開示されたアクチュエータがある。この構造においては、柔軟な電解質を用いてアクティブ部材層と対向電極とを近接させることによって、駆動に寄与するアクティブ部材層の有効断面積を大きくすることが可能である。ここで、駆動に寄与する部分をアクティブ部材層と定義する。
【０００６】
図１７Ａ及び図１７Ｂは、特許文献１に記載されるポリマーアクチュエータの平面図と断面図である。
【０００７】
図１７Ａ及び図１７Ｂに示すアクチュエータは、平面薄型でかつ直方体の板形状の導電性のポリマーよりなるアクティブ部材層１０３と、このアクティブ部材層１０３の厚み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１０１ａとにより、第１の電極層１０１を構成している。この第１の電極層１０１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１０２を、第１の電極層１０１の厚み方向の両側にそれぞれ配置し、第２の電極層１０２と導電性のアクティブ部材層１０３とに接するように電解質層１０４ａを構成している。このような構成において、第１の電極層１０１と第２の電極層１０２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１０３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１０４ａは、アクティブ部材層１０３の伸縮動作を阻害することがないように、弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の値を持った電解質としている。
【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１０１の矩形板状の延長部として力作用部１０８を設けてあり、この力作用部１０８の端縁とは反対側のパターン形成側には穴が設けられている。この穴に荷重フック１０７のピン１０７ａが挿入され、作用力１０８ａを荷重フック１０７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１０１と第２の電極層１０２との間に電源１２０からスイッチ１２１を介して電圧を印加することにより、アクティブ部材層１０３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）１０６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】
さらに、前記アクティブ部材層１０３と接した電解質層１０４を両電極層１０１，１０２間に封止するために、力作用部１０８の動きを妨げない柔軟な封止部材１０９で力作用部１０８以外の全体を覆っている。封止部材１０９により、電解質層１０４への吸湿の防止又は外力による破損防止などの強度を保つことができる。封止部材１０９としては、例えば縦弾性率が１００ｋＮ／ｍ２程度の柔らかいシリコーン系ゴムを用い、さらにアクティブ部材層１０３の伸縮を妨げない構造となっている。
【００１０】
また、大きな歪を発生させて動作させたときに、層間が剥離するのを防止するために以下の構成を持つ。
【００１１】
アクティブ部材層１０３と第２の電極層１０２の間に保持部材１０５ａを挿入し、外部から横方向に、第２の電極層１０２と第１の電解質層１０４ａとアクティブ部材層１０３と第１の電解質層１０４ａと第２の電極層１０２とを大略Ｕ字状のクリップ１０５ｂで挟持している。保持部材１０５ａは、アクティブ部材層１０３と第２の電極層１０２の間の厚みを保持する働きを持つ。本アクチュエータは、平面薄型であり、このクリップ１０５ｂとしては例えば絶縁性プラスチック板をクリップ状に形成したもので、本アクチュエータを挟むことにより保持部材１０５ａを押圧する。
【００１２】
また、特許文献２には、導電性膜と電解質板との間に潤滑性電解質層が設けられて、潤滑性電解質層の材料自体の有する潤滑性でもって導電性膜と電解質板との間での滑り動作を可能にした構成が開示されている。
【００１３】
また、特許文献３には、電解質溶液中にアクチュエータ膜と対向電極とが配置されて、アクチュエータ膜と対向電極との間に電圧を印加してアクチュエータ膜を伸縮させる構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第３９５９１０４号公報
【特許文献２】特開２００６−２４６６５９号公報
【特許文献３】特開２００６−３１１６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献４の従来技術においては、図１７Ｃに示すように膜に垂直な方向から大きな力が加わった場合、又は、図１７Ｄに示すように膜が曲げられた場合に、電解質１０４ａ内で保持部材１０５ａが移動することによって、一部でアクティブ部材層１０３と第２電極層１０２とが接触して、それらの間の絶縁性が損なわれる可能性がある。アクティブ部材層１０３と第２電極層１０２とが接触すると、電解質１０４ａに充分な電圧が作用しなくなり、アクチュエータが正常に動作しなくなる。  
【００１６】
なお、上の説明では、保持部材１０５ａが移動することによって、一部でアクティブ部材層１０３と第２電極層１０２とが接触する場合の例について説明したが、図１７Ｅに示すように、過剰な力が作用して保持部材１０５ａがアクティブ部材層１０３若しくは第２電極層１０２にめり込むことにより、アクティブ部材層１０３と第２電極層１０２とが接触する場合もある。
【００１７】
なお、特許文献１の図８Ｂに記載されているように、２層の電解質層４ａ，４ｂが開示されているが、２層の電解質層４ａ，４ｂは共に柔らかい材料であるため、このような材料自体で、アクティブ部材層と第２の電極層間の接触を防止することは難しい。
【００１８】
また、特許文献３の従来技術においても、同様に、膜に垂直な方向から大きな力が加わった場合、又は、膜が曲げられた場合に、電解質溶液内でアクチュエータ膜が移動することによって、一部でアクチュエータ膜と対向電極とが接触して、それらの間の絶縁性が損なわれる可能性がある。
【００１９】
一方、特許文献２の従来技術においては、導電性膜に垂直な方向から大きな力が加わった場合、又は、導電性膜が曲げられた場合に、導電性膜と電解質板との間に配置された潤滑性電解質層内に導電性膜が入り込む場合もあり、そのような場合には、潤滑性電解質層による潤滑性の機能が損なわれて導電性膜と電解質板との間での摩擦が大きくなり、導電性膜が円滑に移動することが困難になるといった問題があった。
【００２０】
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、電極層間の電気的絶縁性を向上させつつ円滑な伸縮動作を行うことができるポリマーアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前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。
【００２２】
本発明の第１態様によれば、導電性アクティブ部材層の第１の電極層と、
前記第１の電極層と対向する第２の電極層と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置され、第１の電解質層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間での絶縁維持機能を有する第２の電解質層とを有する電解質層部と、
前記第１の電解質層内に複数個配置され、前記第１の電極層と前記第２の電解質層との両方に接触しかつ一部が前記第１の電極層と前記第２の電解質層とのいずれかに対して相対的に移動可能である、粒子状のスペーサとを備え、
前記両電極層間に電圧を印加することにより駆動されるポリマーアクチュエータを提供する。
【発明の効果】
【００２３】
従来のアクチュエータと同様の駆動能力を保ちつつ、従来のアクチュエータに比べて電極間の電気的絶縁性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１実施形態にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、前記第１実施形態にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、前記第１実施形態の別の例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、前記第１実施形態のさらに別の例にかかるアクチュエータの構成の一部を模式的に示す拡大断面図である。
【図２】図２は、前記第１実施形態にかかるアクチュエータの伸縮動作の様子を説明するための断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、前記第１実施形態にかかるアクチュエータの第２の電解質層の一例を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、前記第１実施形態にかかるアクチュエータの第２の電解質層の別の例を示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、前記第１実施形態にかかるアクチュエータの第２の電解質層のさらに別の例を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、前記第１実施形態の第１の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、前記第１実施形態の第２の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、前記第１実施形態の第３の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、前記第１実施形態の前記第３の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、前記第１実施形態の第４の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、前記第１実施形態の前記第４の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図４Ｇ】図４Ｇは、前記第１実施形態の第５の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図４Ｈ】図４Ｈは、前記第１実施形態の前記第５の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、前記第１実施形態のさらに別の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の前記第１実施形態の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの前記変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の前記第１実施形態の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す平面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａの前記変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の前記第１実施形態の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の前記第１実施形態の変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す平面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａの前記変形例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態にかかるアクチュエータを模式的に示す断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第３実施形態にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１１Ａの前記アクチュエータの伸縮動作を模式的に説明するための断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の前記第１実施形態のアクチュエータの絶縁性向上の様子を説明するための断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の前記第１実施形態のアクチュエータの絶縁性向上の様子を説明するための断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の前記第１実施形態にかかる第１及び第２アクチュエータの駆動実験を行なったときの構成を示す説明図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の前記第２実施形態にかかる第３アクチュエータの駆動実験を行なったときの構成を示す説明図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の前記第１実施形態にかかる第１アクチュエータの駆動実験結果として１００００回駆動における振幅の変化を示すグラフである。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、前記第１実施形態にかかる第１アクチュエータの駆動実験結果として１００００回駆動時の電圧と時間との関係を示すグラフである。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、前記第１実施形態にかかる第１アクチュエータの駆動実験結果として１００００回駆動時の電流と時間との関係を示すグラフである。
【図１４Ｄ】図１４Ｄは、前記第１実施形態にかかる第１アクチュエータの駆動実験結果として１００００回駆動時の変位と時間との関係を示すグラフである。
【図１４Ｅ】図１４Ｅは、前記第１実施形態にかかる第１アクチュエータの駆動実験結果として周波数特性を示すグラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の前記第１実施形態にかかる第２アクチュエータの駆動実験結果として８０００回駆動における振幅の変化を示すグラフである。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、前記第１実施形態にかかる第２アクチュエータの駆動実験結果として８０００回駆動時の電圧と時間との関係を示すグラフである。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、前記第１実施形態にかかる第２アクチュエータの駆動実験結果として８０００回駆動時の電流と時間との関係を示すグラフである。
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、前記第１実施形態にかかる第２アクチュエータの駆動実験結果として８０００回駆動時の変位と時間との関係を示すグラフである。
【図１５Ｅ】図１５Ｅは、前記第１実施形態にかかる第２アクチュエータの駆動実験結果として周波数特性を示すグラフである。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の前記第２実施形態にかかる第３アクチュエータの駆動実験結果として動作振幅及び仕事量の変化を示すグラフである。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、前記第２実施形態にかかる第３アクチュエータの駆動実験結果として膜数と最大仕事量との関係を示すグラフである。
【図１７Ａ】図１７Ａは、従来技術のアクチュエータの構成を示す平面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、従来技術のアクチュエータの構成を示す断面図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは、従来技術のアクチュエータにおいて膜に垂直な方向から大きな力が加わって電極間の絶縁性が損なわれる様子を示す断面図である。
【図１７Ｄ】図１７Ｄは、従来技術のアクチュエータにおいて膜が曲げられて電極間の絶縁性が損なわれる様子を示す断面図である。
【図１７Ｅ】図１７Ｅは、従来技術のアクチュエータにおいて電極間の絶縁性が損なわれる様子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を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。
【００２７】
本発明の第１態様によれば、導電性アクティブ部材層の第１の電極層と、
前記第１の電極層と対向する第２の電極層と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置され、第１の電解質層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間での絶縁維持機能を有する第２の電解質層とを有する電解質層部と、
前記第１の電解質層内に複数個配置され、前記第１の電極層と前記第２の電解質層との両方に接触しかつ一部が前記第１の電極層と前記第２の電解質層とのいずれかに対して相対的に移動可能である、粒子状のスペーサとを備え、
前記両電極層間に電圧を印加することにより駆動されるポリマーアクチュエータを提供する。
【００２８】
本発明の第２態様によれば、前記第１の電解質層は、前記第１の電極層に接する位置に配置されて、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接するとともに前記第２の電極層に接する位置に配置されることを特徴とする第１の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００２９】
本発明の第３態様によれば、前記第１の電解質層は、前記第２の電極層に接する位置に配置されて、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接するとともに前記第１の電極層に接する位置に配置されることを特徴とする第１の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３０】
本発明の第４態様によれば、前記第１の電解質層は、前記第１の電極層に接する位置に配置され、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接する位置に配置され、
前記第２の電解質層と前記第２の電極層との間に、前記第２の電極層と前記第２の電解質層との間で相対的に滑り機能を発揮可能な第３の電解質層をさらに有することを特徴とする第１の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３１】
本発明の第５態様によれば、前記第２の電解質層は、電気的絶縁機能を持つ絶縁保持部材と、前記絶縁保持部材に浸み込む第２の電解質層部材とを有することを特徴とする第１〜４のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３２】
本発明の第６態様によれば、前記絶縁保持部材はセパレータであることを特徴とする第１〜５のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３３】
本発明の第７態様によれば、前記第２の電解質層はイオン液体であることを特徴とする第１〜５のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３４】
本発明の第８態様によれば、前記第２の電解質層は、イオンを含浸したゲルであることを特徴とする第１〜６のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３５】
本発明の第９態様によれば、前記第２の電解質層は、イオン液体とポリフッ化ビニリデンを含むゲルとで構成されることを特徴とする第１〜７のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３６】
本発明の第１０態様によれば、前記第１の電解質層はイオン液体を含むことを特徴とする第１〜９のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３７】
本発明の第１１態様によれば、前記第１の電解質層はイオン液体を含むゲルであることを特徴とする第１〜９のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３８】
本発明の第１２態様によれば、前記第２の電極層の間に配置されて前記第２の電極層の間の距離を一定に保つ電極間保持部材をさらに備えることを特徴とする第１〜１１のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３９】
本発明の第１３態様によれば、前記第１の電極層の外側に固定された支持部材をさらに備えることを特徴とする第１〜１２のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００４０】
本発明の第１４態様によれば、前記粒子状のスペーサのそれぞれの大きさは、前記導電性アクティブ部材層の厚さの０．１倍以上であり１００倍以下である第１〜１３のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００４１】
以下、図を用いて説明するが、本発明はこれらの実施様態に限定されるものではない。
【００４２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかるポリマーアクチュエータ及びその制御方法について説明する。
【００４３】
＜全体の構成＞
図１Ａ及び図１Ｂは、本第１実施形態のポリマーアクチュエータの構成を模式的に示す平面図と断面図である。図１Ｃは、前記第１実施形態の別の例にかかるアクチュエータの構成を模式的に示す断面図であり、図１Ｄは、前記第１実施形態のさらに別の例にかかるアクチュエータの構成の一部を模式的に示す拡大断面図である。
【００４４】
図１Ａ及び図１Ｂに示すアクチュエータは、導電性アクティブ部材層を第１の電極層１とし、第１の電極層と対向する第２の電極層２をさらに有し、第１の電極層１と第２の電極層２との間に電解質層部１１を配置して、両電極層１，２間に電圧を印加することにより駆動を行うように構成している。
【００４５】
第１の電極層１は、ポリマーを主成分とする矩形形状の膜で構成されるアクティブ部材層１で構成する。すなわち、アクティブ部材層１は、アクチュエータとしての動作を行う機能と第１の電極層としての機能との両方を持つ。
【００４６】
このアクティブ部材層１に対向して離れるように矩形形状の膜又は板状部材で構成される第２の電極層２を、アクティブ部材層１の厚み方向の両側にそれぞれ配置する。第２の電極層２の幅寸法は、少なくともアクティブ部材層１の幅寸法と同じであることが効率良く動作させる観点で必要であるが、アクティブ部材層１の幅寸法以上であれば、任意の値とすることができる。第２の電極層２の長さ寸法は、アクティブ部材層１の長さ寸法より短いのであれば、任意でよい。
【００４７】
電解質層部１１は、滑り機能を有する第１の電解質層３と、アクティブ部材層１と前記第２の電極層２との間での絶縁維持機能を有する第２の電解質層４とを有して、第１の電解質層３は、電極層１，２と第２の電解質層４との間で相対的に滑り機能を発揮可能に構成されている。電解質層部１１は、第２の電極層２と同じ寸法とするのが、製造上、好ましい。具体的な構成としては、アクティブ部材層１の表裏両面にそれぞれ接する位置に、滑り機能を有する第１の電解質層３がそれぞれ配置されている。また、各第１の電解質層３及び各第２の電極層２とに接する位置に、絶縁維持機能を有してその内部でイオンの移動を行うことができる第２の電解質層４がそれぞれ配置されている。ここで、第１の電解質層３の滑り機能とは、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間で相対的に滑り可能（滑動可能）な機能、言い換えれば、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間の摩擦を低減する機能を意味する。すなわち、例えば、アクティブ部材層１が移動可能であるのに対して第２の電解質層４側が固定される場合、第１の電解質層３により第２の電解質層４がアクティブ部材層１の移動を妨げないようにする機能である。逆に、例えば、アクティブ部材層１が固定されるのに対して第２の電解質層４側が移動可能である場合、第１の電解質層３によりアクティブ部材層１が第２の電解質層４の移動を妨げないようにする機能である。また、第２の電解質層４の絶縁維持機能とは、外力がアクチュエータに加わったとき又はアクチュエータが駆動により変形したときに、第２の電解質層４の弾性及び絶縁性によって、第２の電解質層４の表裏２面の間の距離を一定寸法以上に保つことにより、第２の電解質層４の表裏２面の間（言い換えれば、第２の電解質層４の表面と裏面とに接する部材間）の電気的絶縁性を保つ機能を意味する。ここで、電気的絶縁性とは、電子伝導性を有しない性質を意味する。第２の電解質層４は、その内部でのイオンの移動によって電気を伝導するイオン伝導性は有するが、電子の移動によって電気を伝導する電子伝導性は有しない。図３Ａに示すように、第２の電解質層４は、第１の電解質層３及び第２の電極層２に接するように配置された不織布のような絶縁保持部材４ａと、絶縁保持部材４ａに浸み込んだ形で存在する第２の電解質層部材４ｂとで構成される。絶縁保持部材４ａは、外力がアクチュエータ加わったとき又はアクチュエータが駆動により変形したときにその弾性によって表裏２面の間の距離を一定寸法以上に保ち、電気的絶縁を確保する機能を持つ。また、絶縁保持部材４ａ内に浸み込んだ第２の電解質層部材４ｂは、その内部でイオンの移動を行うことができる。絶縁保持部材４ａと第２の電解質層部材４ｂは、一体となって第２の電解質層４として機能する。アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間には、図１Ｂ〜図１Ｄに示すように、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触しかつ一部がアクティブ部材層１と第２の電解質層４とのいずれかに対して相対的に移動可能である多数の粒子状のスペーサ５が配置されている。すなわち、スペーサ５は、第１の電解質層３内に混在した形で存在し、アクティブ部材層１と第２の電極層２の間の厚みを一定に保持する機能を持つとともに、アクティブ部材層１の伸縮動作を円滑に保つ機能をも持つ。なお、図１Ｃでは、多数の粒子状のスペーサ５が第１の電解質層３内に含有されている状態の概略を示すものであり、図１Ｄでは、多数の粒子状のスペーサ５がすべてアクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触するものではなく、スペーサ５の一部が、アクティブ部材層１と第２の電解質層４とのいずれか一方にのみしか接触しない状態もあることを示す１つの例の図である。この例では、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触するスペーサ５が、アクティブ部材層１と第２の電極層２の間の厚みを一定に保持する機能を持つとともに、アクティブ部材層１の伸縮動作を円滑に保つ機能をも持っている。
【００４８】
なお、アクチュエータの各層の詳細な構成などについては、後述する。
【００４９】
このアクチュエータの長手方向のそれぞれの端部には、アクティブ部材層１の矩形板状の延長部として力作用部６が設けられている。一例として、一方の力作用部６（例えば、図１Ｂの左側の力作用部６）は、緊張状態でかつ力伝達可能な紐状部材２１を介して固定壁２２に固定される一方、他方の力作用部６（例えば、図１Ｂの右側の力作用部６）は、緊張状態かつ力伝達可能な紐状部材２１を介して被駆動部材２３をアクチュエータにより駆動するようにすることができる。各力作用部６は、アクチュエータの外部から力６ａを受けて、この反作用として、外部に対して力（言い換えれば、伸縮することにより外部の被駆動部材２３を引っ張る力）６ｂを紐状部材２１の作用点に及ぼすことになる。また、本アクチュエータは、後述するように、層間が接触した状態を保つ機能を持つ接触維持部を持つこともできる（図１Ａ、図１Ｂでは省略している。詳細については、後述する。）。
【００５０】
なお、図１Ｂにおいて、アクティブ部材層１と第２の電極層２との間に、可変直流電源７ａ及びスイッチ７ｂを配置している。
【００５１】
このような構成において、スイッチ７ｂを閉じてアクティブ部材層１と第２の電極層２との間に可変直流電源７ａから正電圧又は負電圧を印加することにより、アクティブ部材層１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）８の方向に伸縮して、例えば、固定壁２２に対して被駆動部材２３を駆動させるアクチュエータとしての動作をなす。
【００５２】
図２は本アクチュエータの伸縮動作の様子を示す図である。図２の上側の図（ａ）においては、スイッチ７ｂは閉じておりかつ可変直流電源７ａからの電源電圧が０であり、図２の下側の図（ｂ）においては、スイッチ７ｂは閉じておりかつ可変直流電源７ａから、第２の電極層２を基準としたときにアクティブ部材層１に負の電圧が印加されている。この結果、図２の図（ｂ）においては、図２の図（ａ）と比べて、一点鎖線で示したように寸法δだけ、アクティブ部材層１は伸張している。図２では、左端の力作用部６の左端縁を固定し、右端の力作用部６の右端縁の位置を相互に参照して、図２の図（ｂ）が図２の図（ａ）よりも寸法δだけ突出していることを明示している。本アクチュエータにおいては、第１の電解質層３及びスペーサ５によって、第２の電解質層４とアクティブ部材層１との間は摩擦が小さい状態で滑ることができるので、アクティブ部材層１が効率的に伸縮動作を行うことができる。
【００５３】
なお、図２において、配線は点線で示している。また、図２においては、アクティブ部材層１及び第２の電極層２の左側に配線を接続している例を示しているが、接続点は任意であり、アクティブ部材層１及び第２の電極層２のそれぞれの層に対して複数の接続点を設けることもできる。例えば、アクティブ部材層１及び第２の電極層２のそれぞれの両端に配線を接続することも可能である。このように構成する場合には、各層１，２において電気抵抗による電圧降下を小さくすることができるので、その部分のジュール熱によるエネルギー損失を小さくすることができる。
【００５４】
＜アクチュエータの駆動原理＞
アクティブ部材層１の伸縮は、電解質に含有されたイオン種又は電子が、アクティブ部材層１である導電性ポリマー層に出入りすることにより生じる。この伸縮は、アクティブ部材層１の材質により、様々な原因で生ずるが、アクティブ部材層１が導電性高分子である場合には、イオン種がある程度の嵩を持っているため、そのドーピング及び脱ドーピングに伴うイオン種の出入りに応じて導電性高分子の嵩も変化すること、又は、酸化還元作用に伴う導電性高分子の高分子鎖構造のコンフォメーションの変化、さらに電圧印加により注入された同種電荷による静電反発などが、その変形のメカニズムであるとされる。さらに、アクティブ部材層１が、炭素系微粒子を高分子材料に含有させた導電性のポリマーの場合にも、この伸縮には前記酸化還元を伴わないが、イオン種の出入と同種電荷の静電反発とで変形すると考えられ、イオン種又は電子の出入りに伴い、アクティブ部材層１が導電性高分子である場合と同様のメカニズムでアクティブ部材層１が伸縮する。
【００５５】
なお、このアクチュエータを電気化学システムと見たときには、アクティブ部材層１は作用電極として動作し、第２の電極層２は対向電極として動作すると見なすことができる。
【００５６】
＜アクティブ部材層１の詳細な説明＞
アクティブ部材層１としては、導電性高分子、例えばポリアニリン、ポリピロール若しくはポリチオフェインン基体のπ共役ポリマー、又は、その誘導体で構成することができる。さらに、アクティブ部材層１としては、炭素系微粒子、金属系微粒子、金属酸化物微粒子、カーボンナノファイバー、及び、カーボンナノチューブのいずれかから選ばれた材料を少なくとも含む導電性部材とすることができる。これらの材質をアクティブ部材層１とすることで、アクティブ部材層１にアニオン又は／及びカチオン又は／及び電子を出入りさせることにより、アクティブ部材層１を膨張収縮させることができる。導電性微粒子分散型のアクティブ部材層１の剛性は、バインダーとなる高分子、例えばポリフッ化ビニリデンの重合条件を選ぶことにより、調整することができる。アクティブ部材層１として、大きな発生力を得るためには、前述した導電性高分子であるポリピロールの剛性に近い、３ＧＮ／ｍ２程度の弾性率に調整することがより好ましい
【００５７】
特に、アクティブ部材層１の材料としては、以下の導電性高分子膜を用いることができる。導電性高分子膜の例としては、ポリピロール及びポリピロール誘導体、ポリアニリン及びポリアニリン誘導体、ポリチオフェン及びポリチオフェン誘導体、又は、これらから選ばれる１種類若しくは複数種類の材料で構成される（共）重合体が挙げられる。特に、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリＮ−メチルピロール、ポリ３−メチルチオフェン、ポリ３−メトキシチオフェン、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）、又は、これらから選ばれる１種類又は２種類の材料で構成される（共）重合体が好ましい。また、これらの導電性高分子膜は、例えば、六フッ化リン酸イオン（ＰＦ６−）、ｐ−フェノールスルホン酸イオン（ＰＰＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン（ＤＢＳ）、又は、ポリスチレンスルホン酸イオン（ＰＳＳ）などの負イオン（アニオン）をドーピングした状態で使用する。この状態において、前記の導電性高分子膜は、導電性を有してポリマーアクチュエータとしての機能を発生する。これらの膜は、化学重合又は電解重合で合成した後、必要な場合、成型の処理を行うことによって作製可能である。
【００５８】
次に、アクティブ部材層１の厚さについて説明する。アクティブ部材層１が厚い場合、ポリマーアクチュエータの電解伸縮による仕事において、大きな力を得ることが可能である。また、アクティブ部材層１が薄い場合、アクティブ部材層１へのイオンの出入りがすばやく行われるために、アクチュエータの動作を高速にすることが可能である。これらの点を考慮してアクティブ部材層１の厚さを設計することが望ましい。アクティブ部材層１の厚さの望ましい値は、およそ１００ｎｍ〜１ｍｍの範囲であり、１μｍ〜１００μｍが特に望ましい。アクティブ部材層１の厚さが１ｍｍよりも大きくなると、アクティブ部材層１へのイオンの出入りが遅くなり過ぎる一方、アクティブ部材層１の厚さが１００ｎｍよりも小さくなると、ポリマーアクチュエータの電解伸縮による仕事において得られる力が小さ過ぎるためである。アクティブ部材層１の厚さが、１μｍ〜１００μｍが特に望ましい理由は、膜厚が１μｍより小さい場合には製造時の膜のハンドリングが難しい又は膜厚均一性が悪くなる可能性があるため、膜厚１μｍ以上が特に望ましい。また、膜厚が１００μｍを越えるときには、電解重合における製膜時間が非常に長くなる可能性があるため、膜厚が１００μｍ以下であることが特に望ましい。なお、アクティブ部材層１は、溶液若しくは分散液を基板に塗布することによって製膜することも可能である。この場合においても、膜厚が１００μmを越える場合には、膜の乾燥に時間がかかる可能性が生じるために、膜厚は１００μｍ以下であることが特に望ましい。
【００５９】
＜第２の電極層２の詳細な説明＞
第２の電極層２の１つの例としては、導電性高分子膜を使用することができる。導電性高分子膜は、アクティブ部材層１と同様のものを使用することができて、たとえばポリピロールフィルムを使用することができる。第２の電極層２の他の例としては、白金メッシュフィルムを使用することができる。また、第２の電極層２のさらに他の例としては、カーボンナノチューブ又は活性炭などのカーボン材料とポリマーの混合物とで構成されるフィルムを挙げることができる。第２の電極層２として、前記のものを使用すると、柔軟であり、電気伝導度が高く、表面積及び電気容量が大きく、好適である。
【００６０】
＜第１の電解質層３の詳細な説明＞
第１の電解質層３は、液体電解質（電解液）若しくは固体電解質で構成される。ここで、液体電解質は液体状の電解質であり、例えば、イオン性物質を水などの極性溶媒に溶解させて作った電気伝導性を有する溶液、又は、イオンで構成される液体（イオン液体）などが考えられる。電解液の例としては、ＮａＰＦ６、ＴＢＡＰＦ６、ＨＣｌ、若しくは、ＮａＣｌなどの電解質を水若しくはプロピレンカーボネートなどの有機溶媒に溶解させたもの、又は、ＢＭＩＰＦ６若しくはＥＭＩ−ＴＦＳＩなどのイオン液体が利用可能である。固体電解質の例としては、前記電解液をゲル化したものを利用することが可能であり、特に高分子ゲルを例として挙げることができる。高分子ゲルは、高分子が架橋されることで三次元的な網目構造を形成し、その内部に溶媒を吸収して膨潤したゲルである。高分子ゲルは、固体と液体の中間的な性質を併せ持つ。また、架橋方法の違いにより、高分子ゲルは、「物理ゲル」と「化学ゲル」とに分類することが可能である。物理ゲルは、水素結合又はイオン結合、配位結合などによって架橋されたものであり、化学ゲルは、化学反応によって共有結合で架橋されたものである。
【００６１】
化学ゲルの例としては、例えばイオン液体である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）とモノマーであるメチルメタクリレート（ＭＭＡ）との混合溶液を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ものを挙げることができる。この高分子電解質ゲルは、重合後も網目高分子であるＰＭＭＡとイオン液体とが均一に相溶したイオン導電性を持った固体高分子である。また、ＰＭＭＡとイオン液体との配合比を変えることによって、弾性率を調整することが可能である。
【００６２】
物理ゲルの例としては、フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体［Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）］、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥ共重合体、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、及び、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）のうちの少なくとも一種以上を含む有機ポリマーとイオン液体との混合物とで構成される高分子ゲルを考えることができる。
【００６３】
第１の電解質層３は滑り機能を持つ材料であり、液体若しくは柔らかい高分子ゲルが望ましい。第１の電解質層３として、特に、ＥＭＩ−ＴＦＳＩ、ＥＭＩ−ＢＦ４、ＨＥＩ−ＢＦ４、ＥＭＩ−ＰＦ６、ＨＥＩ−ＰＦ６、又は、ＨＥＩ−ＴＦＳＩなどのイオン液体は滑り性能が高く望ましい。また、第１の電解質層３として、前記イオン液体を含む高分子ゲルも滑り性が高く望ましい。物理ゲルである高分子ゲルを第１の電解質層３として用いる場合には、滑り性の観点からイオン液体の混合比は９０％以上であることが望ましい。
【００６４】
また、第１の電解質層３として固体電解質を使用する場合は、滑り機能の観点から柔らかいものが望ましい。
【００６５】
＜第２の電解質層４の詳細な説明＞
前記のように、第２の電解質層４は、絶縁保持部材４ａと第２の電解質層部材４ｂとで構成されるが、ここで、絶縁保持部材４ａと第２の電解質層部材４ｂの詳細な説明を行う。
【００６６】
絶縁保持部材４ａの例としては、キャパシタ用のセパレータが考えられる。キャパシタ用セパレータの例としては、ポリオレフィン微多孔質フィルムを考えることができて、膜厚は例えば４０μｍ〜１１０μｍの範囲のものを使用することができる。これは、微細な孔（サブミクロン）を多数有する空間率の高いフラット状のポリエチレン製フィルムである。また、絶縁保持部材４ａの別の例としては、キャパシタ用セパレータであって、セルロースで構成される紙系セパレータ、又は、ポリプロピレンで構成される不織布系セパレータを考えることができて、膜厚は例えば３０〜３００μｍのものを使用することができる。ここで、セパレータとは、電気的絶縁を保つ機能を有するフィルムであると定義する。
【００６７】
第２の電解質層部材４ｂは、液体電解質（電解液）若しくは固体電解質で構成される。第２の電解質層部材４ｂの例としては、第１の電解質層３と同様のものを使用できる。ただし、本第１実施形態においては、第１の電解質層３は、滑り機能の観点から柔らかいものが好ましいが、第２の電解質層部材４ｂは、滑り機能は特に要求されないため、硬さ若しくは弾性率について、任意の大きさのものを使用することができる。
【００６８】
第２の電解質層４は、外力がアクチュエータに加わったとき又はアクチュエータが駆動により変形したときに、第２の電解質層４の弾性によって、第２の電解質層４の表裏２面の間の距離を一定以上に保ち、表裏２面の間の絶縁性を保つ機能（絶縁維持機能）を持つ。このためには、絶縁保持部材４ａの弾性率は３ｋＮ／ｍ２より大きいことが必要である。前記のように、弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下であるゲル材料では容易にスプーンですくい取ることができるようなゲルとほぼ同等の柔らかさであり、このような材料自体で、アクティブ部材層１と第２の電極層２間の接触を防止することは難しい。
【００６９】
図３Ａは、第２の電解質層４が、絶縁保持部材４ａと、イオン液体の第２の電解質層部材４ｂとで構成される場合の様子を模式的に示す。この例においては、絶縁保持部材４ａは、例えばキャパシタ用のセパレータであり、第２の電解質層部材４ｂはイオン液体である。すなわち、第２の電解質層４は、例えば、イオン液体を含浸したセパレータで構成される。
【００７０】
＜スペーサ５の詳細な説明＞
スペーサ５は、第１の電解質層３内に配置され、かつ、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間の距離を一定以上に保つ機能及びアクティブ部材層１の伸縮動作を円滑に保つ機能の両方を持つ絶縁性又は導電性の微粒子である。スペーサ５は、アクティブ部材層１と第２の電解質層４のいずれか一方に接着固定されていて、他方には接着固定されていない形で、第１の電解質層３内に存在してもよい（後述する図４Ａ〜図Ｆ参照）。また、スペーサ５は、アクティブ部材層１と第２の電解質層４のいずれにも接着固定されていない形で、第１の電解質層３内に存在しても良い（後述する図４Ｇ及び図Ｈ参照）。スペーサ５としては、アクティブ部材層１若しくは第２の電解質層４の表面との摩擦が小さい材料のものを用いれば、アクティブ部材層１の発生変位を阻害することがなく好都合である。この例として、テフロン（登録商標）製のスペーサなどが考えられる。また、スペーサ５の別の例としては、透明真球状のプラスチック微粒子が考えられる。このプラスチック微粒子は、ＬＣＤ用スペーサ、又は、半導体実装又は自動車用部品又は光学部品用などのギャップ材として使用されるものを用いることができる。プラスチック微粒子の直径は例えば１〜１０００μｍの範囲の任意の値を使用することができ、直径の値がほぼ同じ微粒子をほぼ均等に配置するのが好ましい。スペーサ５の形状は任意であるが、例えばスペーサ５が球形であるときには、スペーサ５とアクティブ部材層１との間の接触、若しくはスペーサ５と第２の電解質層４との接触について、接触面積を小さくすることができるので、それらの間の摩擦を低減できて好適である。スペーサ５の材料としては、導電性でも絶縁性でもよい。
【００７１】
スペーサ５の特に好ましい大きさは、アクティブ部材層１の厚さの０．１倍以上で１００倍以下であるの範囲である。スペーサ５の大きさが、アクティブ部材層１の厚さの０．１倍未満であれば、動作時にスペーサ５がアクティブ部材層１に完全にめり込んだ状態となり、滑り機能を十分に発揮できない。また、スペーサ５の大きさが、アクティブ部材層１の厚さの１００倍より大きい場合、電極間の距離が大きくなること及びスペーサ５の体積が大きくなることによって、イオン伝導に伴う電気抵抗が大きくなり、アクチュエータ動作の効率が低下する問題、及び、アクチュエータの大きさが大きくなるために、単位体積当たりの仕事量が低下する問題などが生じるためである。
【００７２】
図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、スペーサ５を半球状のプラスチック微粒子５ａ，５ｂで構成した場合の２つの例を示す。
【００７３】
図４Ａにおいては、スペーサ５の多数の半球状のプラスチック微粒子５ａの平面部がアクティブ部材層１の表面と裏面にそれぞれ接着されており、スペーサ５の多数の半球状のプラスチック微粒子５ａの球面部は第２の電解質層４には接着されていない。この場合には、スペーサ５ａと第２の電解質層４との接触について、接触面積を小さくすることができるので、それらの間の摩擦を低減できるとともに、多数のスペーサ５ａを均等に配置する構成が容易にかつ確実に形成することができる。
【００７４】
図４Ｂにおいては、スペーサ５の多数の半球状のプラスチック微粒子５ａの球面部はアクティブ部材層１には接着されておらず、スペーサ５の多数の半球状のプラスチック微粒子５ｂの平面部が第２の電解質層４に接着されている。この場合には、スペーサ５ｂとアクティブ部材層１との接触について、接触面積を小さくすることができるので、それらの間の摩擦を低減できるとともに、多数のスペーサ５ｂを均等に配置する構成が容易にかつ確実に形成することができる。
【００７５】
さらに、図４Ｃ〜図４Ｈは、それぞれ、第１の電解質層３内のスペーサ５を球状のプラスチック微粒子５ｃで構成した場合の変形例を示す。
【００７６】
図４Ｃ及び図４Ｄは、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間に配置された各粒子状のスペーサ５ｃが、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触しかつ、一部がアクティブ部材層１に固定部７０で固定されかつ、第２の電解質層４に対して相対的に移動可能であるように配置されている。固定部７０での固定の仕方としては接着固定などが例示できる。図４Ｃでは、スペーサ５ｃに対して第２の電解質層４が左方向に移動する状態を示している。逆に、図４Ｄでは、スペーサ５ｃに対して第２の電解質層４が右方向に移動する状態を示している。
【００７７】
また、図４Ｅ及び図４Ｆは、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間に配置された各粒子状のスペーサ５ｃが、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触しかつ、一部が第２の電解質層４に固定部７０で固定されかつ、アクティブ部材層１に対して相対的に移動可能であるように配置されている。固定部７０での固定の仕方としては接着固定などが例示できる。図４Ｅでは、スペーサ５ｃに対してアクティブ部材層１が右方向に移動する状態を示している。逆に、図４Ｆでは、スペーサ５ｃに対してアクティブ部材層１が左方向に移動する状態を示している。
【００７８】
また、図４Ｇ及び図４Ｈは、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間に配置された各粒子状のスペーサ５ｃが、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との両方に接触しかつ、固定部７０は無く、アクティブ部材層１又は第２の電解質層４に対して相対的に移動可能であるように配置されている。図４Ｇでは、スペーサ５ｃに対してアクティブ部材層１が右方向に移動するとともに第２の電解質層４が左方向に移動する状態を示している。このとき、スペーサ５ｃは右回りに（時計方向に）回転することになる。逆に、図４Ｈでは、スペーサ５ｃに対してアクティブ部材層１が左方向に移動するとともに第２の電解質層４が右方向に移動する状態を示している。このとき、スペーサ５ｃは左回り（反時計方向に）に回転することになる。
【００７９】
なお、場合によっては、スペーサ５ｃが、粒子状であるため、アクティブ部材層１又は第２の電解質層４に対して部分的にかつ相対的に滑ることもありえる。
【００８０】
＜その他の部分の説明＞
アクチュエータの各層間が接触した状態を保つ機能を持つ接触維持部の例としては、アクチュエータの外部からアクチュエータの幅方向に、アクティブ部材層１を中心としてアクティブ部材層１の表裏両側に配置された第１の電解質層３と第２の電解質層４と第２の電極層２とを一体的に大略Ｕ字状のクリップで挟持する方法が考えられる。本アクチュエータは、平面薄型であり、このクリップとしては、例えば絶縁性プラスチック板をクリップ状に形成したもので、本アクチュエータを挟むことにより、各層を押圧する。また、接触維持部の別の例としては、各層を収納するような剛性の高い容器を考えることができる。また、接触維持部の別の例としては、各層を収納するような弾性を持つ袋状の部材を考えることができる。この場合、アクチュエータ全体に対して、柔軟性があり、自由な形に変形可能という特長を持たせることができる。いずれの場合も、クリップ又は容器又は袋状の部材により、少なくとも、アクティブ部材層１の伸縮動作を妨げないようにすることが必要である。
【００８１】
なお、図５に示すように、電解質層部１１を両電極層１，２間に確実に封止するために、アクティブ部材層１及び力作用部６の動きを妨げない柔軟な絶縁性の封止部材１０で、アクティブ部材層１及び力作用部６以外のアクチュエータの全体を覆う構造とすることも可能である。封止部材１０により、電解質層部１１への吸湿の防止又は外力による電解質層部１１などの破損防止などの強度を保つことができる。封止部材１０としては、例えば縦弾性率が１００ｋＮ／ｍ２程度の柔らかいシリコーン系ゴムを用い、さらにアクティブ部材層１の伸縮を妨げない構造とすることができる。また、封止部材１０は、その弾性によって、接触維持部としての機能も併せ持つことが可能である。図５は、接触維持部としての機能を併せ持つ封止部材１０を含む本実施形態のアクチュエータの構成例を示す。
【００８２】
＜変形例＞
前記説明では、アクティブ部材層１と第２の電解質層４の間にスペーサ５を配置する構成について説明したが、図６Ａ及び図６Ｂ１に示すように、スペーサ５が無い構成も考えることができる。この場合、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間の摩擦を減少させるために、第１の電解質層３として、イオン液体若しくはイオン液体を含む高分子ゲルを使用することが望ましい。特に、高分子ゲルの場合、電解質が外部に漏れるのを防止するための封止構造を、省略したり、若しくは、簡単にすることができるため望ましい。また、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、上下２枚の第２の電極層２の間の距離を一定に保つための、例えば四角柱状の電極間保持部材１２０１を使用することも可能である。この場合、電極間保持部材１２０１は、例えば上下２枚の第２の電極層２と接着されているような構成を考えることができる。電極間保持部材１２０１としては、第２の電解質層４と同じ材料が好ましい。電極間保持部材１２０１は、アクティブ部材層１の動きを妨げないために、アクティブ部材層１が配置されている領域以外の領域において、第２の電極層２同士の間隔を保持するように配置する。なお、電極間保持部材１２０１は、第２の電極層２同士の間に配置する以外に、第２の電解質層４同士の間に配置するようにしても、同様な効果を奏することができる。
【００８３】
また、各アクチュエータにおいて、第２の電解質層部材４ｂとして、液体電解質（電解液）若しくは固体電解質に代えて、イオン液体ゲルを使用することが可能である。この場合、第２の電解質層４は、絶縁保持部材４ａとイオン液体ゲルの第２の電解質層部材４ｂとで構成される。
【００８４】
イオン液体ゲルを使用した第２の電解質層４は、例えば、以下の方法で作製できる。まず、金属の型の内部に適当な大きさに切ったキャパシタ用のセパレータ（絶縁保持部材４ａに相当。）を置いて、その上からイオン液体（ＥＭＩ−ＴＦＳＩ）とＰＶＤＦ／ＨＦＰ（カイナーフレックス２５００）（登録商標）の８：２の混合物を加える。その後、１００℃で４５分間、加熱してゲル化した後、枠を外して所定の形状のイオン液体ゲルを作製する。図３Ｂは、第２の電解質層４が、セパレータの絶縁保持部材４ａ及びイオン液体ゲルの第２の電解質層部材４ｃで構成される場合の様子を模式的に示す。この例においては、絶縁保持部材４ａは例えばキャパシタ用のセパレータであり、第２の電解質層部材４ｃはイオン液体ゲルである。
【００８５】
また、図３Ｃに示すように、第２の電解質層４は、イオン液体ゲル４ｄのみによって構成してもよい。イオン液体ゲルは例えば以下の方法で作製できる。まず、金属の型の内部に、イオン液体（ＥＭＩ−ＴＦＳＩ）とＰＶＤＦ／ＨＦＰ（カイナーフレックス２５００）（登録商標）の８：２の混合物を加える。その後、１００℃で４５分間、加熱してゲル化した後、枠を外して所定の形状のイオン液体ゲルを作製する。図３Ｃでは、第２の電解質層４が、絶縁保持部材４ａが無く、イオン液体ゲル４ｄのみで構成される場合の様子を模式的に示す。
【００８６】
また、前記説明では、第１の電解質層３がアクティブ部材層１に接する位置に配置されて、第２の電解質層４が第２の電極層２に接する位置に配置される例について説明したが、これらの位置が逆である例も考えられる。すなわち、図８に示すように、第１の電解質層３が第２の電極層２に接する位置に配置されて、第２の電解質層４がアクティブ部材層１に接する位置に配置されるようにしてもよい。この図８の例においては、第２の電解質層４はアクティブ部材層１と接着されて、第２の電解質層４はアクティブ部材層１と一体的に伸縮する。また、第２の電解質層４と第２の電極層２との間には、滑り機能を有する第１の電解質層３と多数のスペーサ５が配置されている。図８の上側の図（ａ）においては、可変直流電源７ａの電圧が０である。また、図８の下側の図（ｂ）においては、可変直流電源７ａの電圧は図８において可変直流電源７ａの左側がプラスの極性を持ち、第２の電極層２を基準としたときに、アクティブ部材層１には負の電圧が印加されている。この結果、アクティブ部材層１は、図８の（ａ）に比べて、図８の（ｂ）では寸法δだけ伸張しており、これに応じて、第２の電解質層４も伸張している。また、図８の（ａ）と同じ配置構成で、アクティブ部材層１と第２の電解質層４が接着されていない場合も考えられる。絶縁維持機能を有する第２の電解質層４はある程度の固さが必要であるために、アクティブ部材層１と第２の電解質層４とが接着されている場合には、アクティブ部材層１の伸縮が阻害される程度が大きくなる。このため、アクティブ部材層１と第２の電解質層４とが接触する位置に第２の電解質層４が配置される場合には、第２の電解質層４とアクティブ部材層１との間は摩擦が小さく滑る構成であることが望ましい。
【００８７】
上の例では、対向電極（第２の電極層）２と作用電極（アクティブ部材層）１との間に、滑り機能を有する第１の電解質層３と絶縁維持機能を有する第２の電解質層４とをそれぞれ１つずつ配置する構成について説明しているが、滑り機能を有する第１の電解質層３若しくは絶縁維持機能を有する第２の電解質層４を複数配置する構成も考えられる。例えば、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、アクティブ部材層１と第２の電極層２との間に、絶縁維持機能を有する第２の電解質層４を配置して、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間、及び、第２の電極層２と第２の電解質層４との間の両方に、滑り機能を有する第１の電解質層３をそれぞれ配置する構成も考えられる。図９Ａにおいては、スペーサ５が第１の電解質層３に混在している場合の例を示す。また、図９Ｂにおいては、スペーサ５が第１の電解質層３に混在していない場合の例を示す。第１の電解質層３の例としては、イオン液体又はイオン液体ゲルなどが考えられる。このような構成にすれば、アクティブ部材層１と第２の電解質層４との間に配置された内側の第１の電解質層３により両部材間での相対的な滑りを確保するとともに、第２の電極層２と第２の電解質層４との間に配置された外側の第１の電解質層３（例えば、滑り機能を有する第３の電解質層の一例として機能する層とも考えられる。）により両部材間での相対的な滑りを確保することができて、アクチュエータの駆動をより円滑なものとすることができる。
【００８８】
（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態のポリマーアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【００８９】
第２実施形態においては、第２の電極層２と、第２の電解質層４と、第１の電解質層３と、アクティブ部材層１と、第１の電解質層３と、第２の電解質層４と、第２の電極層２とが、第２の電極層２を共通部材として、繰り返し複数積層されている。第２の電極２と、第２の電解質層４と、第１の電解質層３と、アクティブ部材層１とは、第１実施形態と同様の構造を持つ。複数のアクティブ部材層１の両端が、それぞれ、１つの力作用部６で連結されている。
【００９０】
第２実施形態の構成では、アクティブ部材層１が並列に連結されているので、大きな力を発生することができる。
【００９１】
（第３実施形態）
図１１Ａは、本発明の第３実施形態のポリマーアクチュエータの構成を模式的に示す断面図である。
【００９２】
第３実施形態においては、アクティブ部材層１の外面は支持部材９と接着されている。支持部材９は、例えば有機材料若しくは金属などで構成されるフィルムであり、フィルム面に垂直な方向（厚さ方向）に屈曲することができる。作用電極（アクティブ部材層１）と対向電極（第２の電極層２）との間に電圧を印加する事により、アクティブ部材層１が伸縮するが、アクティブ部材層１の片面は支持部材９と接着されているので、アクティブ部材層１と支持部材９は一体として屈曲動作を行う。
【００９３】
図１１Ｂは屈曲動作の様子を模式的に示す。図１１Ｂの左側の状態（ａ）においては、第２の電極層２を基準としてアクティブ部材層１に正の電圧が可変直流電源７ａから印加されている。この例では、左側の状態（ａ）において、アクティブ部材層１から第１の電解質層３に陽イオンが抜け出し、その結果、アクティブ部材層１が収縮し、アクティブ部材層１及び支持部材９が上側に屈曲している場合の例を示している。また、逆に、図１１Ｂの右側の状態（ｂ）においては、第２の電極層２を基準としてアクティブ部材層１に負の電圧が可変直流電源７ａから印加されている。この例では、右側の状態（ｂ）において、第１の電解質層３からアクティブ部材層１に陽イオンが入り込み、その結果、アクティブ部材層１が伸張し、アクティブ部材層１及び支持部材９が下側に屈曲している場合の例を示している。
【００９４】
本第３実施形態の構成のアクチュエータは屈曲型アクチュエータであり、大きな変位を発生することができる。
【００９５】
上の例では陽イオンの出入りによってアクティブ部材層１が収縮する場合の例について、説明したが、陰イオンの出入りによって、アクティブ部材層１が収縮する場合も考えられる。また、陽イオン及び陰イオンの出入りによって、アクティブ部材層１が収縮する場合も考えられる。
【００９６】
また、第３実施形態では、第１実施形態と同様に、接触維持部又は封止部材１０を設けることが可能である。
【００９７】
＜絶縁性向上の効果＞
図１２Ａ及び図１２Ｂは、第１実施形態のアクチュエータに強い外力を加えた場合、及び、大きく曲げた場合の模式図である。いずれの場合においても、強い外力を加えられた部分、及び、大きく曲げられた部分では、第１の電解質層３は他の部分へ移動したとしても、必ず、第２の電解質層４がアクティブ部材層１と第２の電極層２の間に存在し、第２の電解質層４によってアクティブ部材層１と第２の電極層２の間の絶縁が確実に保たれている。第１実施形態以外の他の実施形態においても同様に、第２の電解質層４によってアクティブ部材層１と第２の電極層２の間の絶縁を保つことが可能である。
【００９８】
＜駆動実験の内容＞
＜実験に使用した材料＞
以下の条件で、電解重合によって製膜したポリピロール膜を使用した。電解液としては、プロピレンカーボネート（Propylene carbonate） (PC)に、０．０６ M pyrrole（ピロール），０．０６ M tetrabutylammonium hexafluorophosphate（テトラブチルアンモニウム  ヘキサフルオロホスファート）  （ＴＢＡ−ＰＦ６），１％／ｖｏｌのＨ２Ｏを溶解した溶液を用いた。ピロール（Pyrrole）は、シグマ・アルドリッチ・ジャパン株式会社（Aldrich）から購入し、蒸留を行った後に使用した。電解重合における作用電極としてはグラッシーカーボン基板（ＧＣ基板）を使用して、第２の電極層２としてはポーラスカーボン基板を使用した。電解重合における参照電極としてはＡｇ／Ａｇ＋を使用した。−２８℃の温度で、北斗電工株式会社のガルバノスタット（ＨＡ−１５１，Hokuto  Denko，  Japan）を使用し、０．０５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で１８時間、下記の非特許文献１と同様の方法で電解重合を行った。その後、ＰＣ中でリンスを行い、ポリピロール膜をＧＣ基板から剥離した状態、若しくは、基板についたままの状態で使用した。ポリピロール膜の膜厚は１０〜１５μｍで導電率は２００〜３００Ｓ／ｃｍの範囲であった。
【００９９】
イオン液体は、東洋合成工業株式会社から購入した１−ethyl−３−methylimidazolium  bis（trifluoromethanesulfonyl）  imide（１−エチル−３−メチルイミダゾリウム  ビス  (トリフルオロメタンスルホニル)  イミド）  （ＥＭＩ−ＴＦＳＩ）を使用した。絶縁用セパレータ紙は、ニッポン高度紙工業株式会社（Nippon  Kodoshi  Corporation）の膜厚４０μｍのセルロース製コンデンサ用セパレータを使用した。マイクロビーズ（スペーサ）は、積水化学工業株式会社のミクロパールＳＰ（１４μｍ〜５０μｍΦ）を使用し、イオン液体ＥＭＩ−ＴＦＳＩにおよそ０．６重量％の濃度で分散させた状態で使用した。
【０１００】
なお、ここで、非特許文献１とは、「Yamaura，  M．；  Hagiwara，  T．；  Iwata，  K．，  ”Enhancement  of  electrical  conductivity  of  polypyrrole  film  by  stretching：  counter  ion  effect”，  Synth．  Met．  （１９８８），  ２６（３），  ２０９−２２４．」を意味する。
【０１０１】
＜駆動実験を行ったアクチュエータの構造＞
前記実施形態にかかる、以下の３つのアクチュエータを作製して実験を行った。
【０１０２】
（第１アクチュエータ）
第１アクチュエータ４１の構造を図１３Ａに示す。
【０１０３】
アクティブ部材層１としてポリピロール膜を使用し、その上下の位置に２枚の第２の電極層を配置した。第２の電極層２は、片面にポリピロール膜を製膜したグラッシーカーボン基板（２５ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍ）を使用し、ポリピロール膜の面をアクティブ部材層１側に対向するように配置した。第２の電極層２とアクティブ部材層１の間には、スペーサ５としての多数のマイクロビーズを含有しかつイオン液体で構成される第１の電解質層３と、イオン液体を含浸したセパレータ紙で構成される第２の電解質層４とを配置して、第１アクチュエータ４１を形成した。図１３Ａにおいては、第１の電解質層及びマイクロビーズは省略している。
【０１０４】
前記第１アクチュエータ４１及び駆動実験装置７９を下記の方法で組み立てた。
【０１０５】
アクティブ部材層１となるポリピロール膜は、６ｍｍ×４２ｍｍに切断したものを用いて、両端約４ｍｍずつの部分を把持部８０ａ，８０ｂで把持して第１アクチュエータ外部の駆動実験装置７９と接続した。一方の把持部８０ａは固定し、もう一方の把持部８０ｂは、スライダ８２を有するリニアガイド８１によって、水平方向に自由に移動できるようにした。後者の把持部８０ｂには糸８３とプーリー８４を介して１０ｇの錘８５を接続した。
【０１０６】
セラミックブロック８６の上に第２の電極層２の基板と第２の電解質層４のセパレータ紙を重ねて、その上に充分な量のビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体を垂らした。
【０１０７】
次に、アクティブ部材層１となるポリピロール膜を、ビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体の上面に接触する位置に移動させた。
【０１０８】
そして、その後、アクティブ部材層１となるポリピロール膜の上面に、充分な量のビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体を垂らした。
【０１０９】
最後に、それらの上に、第２の電解質層４のセパレータ紙と第２の電極層２とセラミックブロック８７及び２０ｇの錘８８を載せることによって第１アクチュエータ４１を押さえ付けた。なお、セラミックブロック８６，８７の表面には、それぞれ、ゴムを貼り付けて、力が均質に伝わるようにした。
【０１１０】
アクティブ部材層１のポリピロール膜の厚さは約１０μｍであったので、１０ｇの錘８５を吊した状態の内部応力は約１．６ＭＰａに相当する。
【０１１１】
（第２アクチュエータ）
第２アクチュエータも第１アクチュエータ４１と同様に図１３Ａの構造である。
【０１１２】
アクティブ部材層１及び第２の電極層２は第１アクチュエータと同様のものを使用した。また、第１アクチュエータ４１と同様に、第２の電極層２基板のポリピロール面をアクティブ部材層１側に対向するように配置した。アクティブ部材層１の両端を第１アクチュエータ４１と同様の方法で把持部８０ａ，８０ｂで把持して、一方の把持部８０ｂに糸８３とプーリー８４を介して１０ｇの錘８５を接続した。第２の電極層２とアクティブ部材層１の間には、スペーサ５としての多数のマイクロビーズを含有しかつイオン液体で構成される第１の電解質層３と、以下の方法で作製したイオン液体ゲルで構成される第２の電解質層４を配置して第２アクチュエータを形成した。
【０１１３】
第２の電解質層４を製造するときは、まず、金属の型の内部にセパレータを置いて、その上からイオン液体（ＥＭＩ−ＴＦＳＩ）とＰＶＤＦ／ＨＦＰ（カイナーフレックス２５００）（登録商標）の８：２の混合物を加える。その後、１００℃で４５分間、加熱してゲル化した後、枠を外して所定の形状のイオン液体ゲルを作製した。
【０１１４】
前記第２アクチュエータ及び駆動実験装置７９を下記方法で組み立てた。
【０１１５】
まず、セラミックブロック８６の上に第２の電極層２の基板と第２の電解質層４のイオン液体ゲルを重ねて、その上に充分な量のビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体を垂らした。
【０１１６】
次に、アクティブ部材層１となるポリピロール膜をビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体の上面に接触する位置に移動させた。
【０１１７】
そして、その後、アクティブ部材層１となるポリピロール膜の上面に、充分な量のビーズ入りの第１の電解質層３のイオン液体を垂らした。
【０１１８】
最後に、それらの上に、第２の電解質層４のイオン液体ゲルと第２の電極層２とセラミックブロック８７及び２０ｇの錘８８を載せることによって押さえ付けた。なお、セラミックブロック８６，８７の表面には、それぞれ、ゴムを貼り付けて、力が均質に伝わるようにした。
【０１１９】
なお、イオン液体ゲルは、イオン液体に浸した状態で１時間以上放置した後、使用した。
【０１２０】
（第３アクチュエータ）
第３アクチュエータ４３は、図１３Ｂに示すように、ポリピロール膜とイオン液体を含浸したセパレータ紙を交互に積層した構造のアクチュエータである。この第３アクチュエータ４３を以下の方法で組み立てた。
【０１２１】
アクティブ部材層１として動作するポリピロール膜を矩形形状に切断して使用した。まず、アクティブ部材層１として動作するポリピロール膜を複数枚積層して、その両端を粘着銅箔テープ（住友スリーエム株式会社のScotch（登録商標）導電性テープ）で接着した後、クランプで挟んで固定した。
【０１２２】
次に、アクティブ部材層１の層間及び上下の位置におよそ２５ｍｍ×１０ｍｍの大きさのポリピロール膜で構成される第２の電極層２を接触させた。
【０１２３】
そして、アクティブ部材層１と第２の電極層２の間に第２の電解質層４の絶縁用セパレータを挿入し、セパレータとアクティブ部材層１の間に充分な量のビーズ（１４μｍΦ）入りの第１の電解質層３のイオン液体を垂らした。
【０１２４】
最後に、最上部にプラスチック板８９を乗せてその重さで押さえた。アクティブ部材層１の積層数は２層、３層、及び９層の３つの場合について試作した。アクティブ部材層１の幅は、２層構造と３層構造の場合は６ｍｍとし、９層構造の場合は３ｍｍとした。第３アクチュエータ４３の端部に接続する錘８５の重さは、５ｇ〜３００ｇの範囲で変化させた。
【０１２５】
なお、前記すべての構造において、アクティブ部材層１及び第２の電極層２の電気コンタクトは、白金箔に接触させた形で取り出した。
【０１２６】
＜駆動方法＞
各駆動実験において、可変直流電源７ａからの±１．５Ｖの矩形波で各アクチュエータの駆動を行った。また、駆動評価に先立ち、適当な回数の伸縮動作を各アクチュエータで行い、各アクチュエータでの動作が安定してから実験を行った。第１アクチュエータ４１と第２アクチュエータにおいては、０．１Ｈｚ，０．５Ｈｚ，１Ｈｚ，５Ｈｚ，１０Ｈｚの各周波数において駆動を行った。第３アクチュエータ４３においては、０．５Ｈｚの周波数で駆動を行った。すべてのアクチュエータの場合において、ポリピロールで構成されるアクティブ部材層１と第２の電極層２との間に可変直流電源７ａから電圧を印加することによって、すべてのアクチュエータの駆動を行った。
【０１２７】
各アクチュエータの変位をレーザー変位計９０で測定した。レーザー変位計９０は株式会社キーエンスのＬＫ−０３０を使用した。LabVIEWプログラムとナショナルインスツルメンツ株式会社のDAQ  boardをポテンショスタットの制御と、変位と、電圧と、電流との記録のために使用した。ポテンショスタットは北斗電工株式会社のガルバノスタット（ＨＡ−１５１）を使用した。すべての実験において、第２の電極層２の長さが２５ｍｍであるので、アクティブ部材層１において、実質的に伸縮動作する部分の長さも２５ｍｍであると考えて、変位の大きさを２５ｍｍで割った値をひずみ率として計算した。すべての駆動実験は室温で行った。
【０１２８】
＜実験結果＞
（第１アクチュエータ４１の駆動実験結果）
１．５Ｖで０．５Ｈｚで１００００回駆動を行い、その後、各周波数での駆動実験を行った。すべての実験は、恒温恒湿槽において２０℃で６５％に保った状態で実験を行った。各実験の間は５分間のインターバルをとった。１００００回駆動における振幅の変化を図１４Ａに示す。図１４Ａでは縦軸が歪み率（％）、横軸が実験の回数（サイクル）である。１００００回駆動時の電圧と電流と変位とのそれぞれに対する時間変化を図１４Ｂ〜図１４Ｄにそれぞれ示す。図１４Ｅは本構成における周波数特性を示す。図１４Ｅでは縦軸が歪み率（％）、横軸が周波数（Ｈｚ）である。
【０１２９】
この駆動実験の結果、０．５Ｈｚで１００００回の駆動において振幅は約０．２５％で安定していた。
【０１３０】
（第２アクチュエータの駆動実験結果）
１．５Ｖで０．５Ｈｚで１００００回駆動を行い、その後、各周波数での駆動実験を行った。ただし、１００００回駆動においては、２０００回駆動を行った後、インターバルをとってから、８０００回駆動を行った。すべての実験は、恒温恒湿槽において２０℃で６５％に保った状態で実験を行った。各周波数での駆動実験の間は５分間のインターバルをとった。８０００回駆動における振幅の変化を図１５Ａに示す。図１５Ａでは縦軸が歪み率（％）、横軸が実験の回数（サイクル）である。８０００回駆動時の電圧と電流と変位とのそれぞれに対する時間変化を図１５Ｂ〜図１５Ｄにそれぞれ示す。図１５Ｅは本構成における周波数特性を示す。図１５Ｅでは縦軸が歪み率（％）、横軸が周波数（Ｈｚ）である。
【０１３１】
この駆動実験の結果、０．５Ｈｚの８０００回の駆動において振幅は約０．４％で安定していた。
【０１３２】
（第３アクチュエータの駆動実験結果）
図１６Ａは、３層構造の１．５Ｖで０．５Ｈｚの駆動実験において、錘８５の重さを変化させたときの、動作振幅及び仕事量の変化を示す図である。ただし、仕事量は、振幅と錘８５の重さの積から求めた。図１６Ａからわかるように、錘８５の重さを大きくするほど、仕事量は大きくなった。錘８５の重さが小さいときには、アクチュエータの長さの微妙な違いからアクチュエータの一部が緩んで伸縮動作の一部が外部に伝わらなかったのに対して、錘８５の重さが大きいときには、アクチュエータが適当な張力をもって張った状態となって、アクチュエータの伸縮動作が効率良く外部に伝わったものと考えられる。ただし、錘８５の重さが１２０ｇのときには、アクチュエータの長さが時間とともに単調に増加する現象（クリープ現象）が顕著に観察された。そこで、アクチュエータを安定して動作させるためには、錘８５の重さの上限は約１００ｇであると考えられる。このときのポリピロールの仕事量は約６９μＪである。同様の実験を９層の積層構造についても行ったところ、クリープが起こらない範囲で、３００ｇの錘８５に対して４０μｍの伸縮動作を行うことができた。このときの仕事量は１２０μＪである。図１６Ｂは、同様の実験を行ったときの、膜数と仕事量との関係を示す図である。図１６Ｂにおいては継続的なクリープが無い範囲での最大の仕事量を示した。また、９層構造においてはポリピロール膜の幅を６ｍｍに換算して示した。図１６Ｂから積層数にほぼ比例して発生仕事量が増加することがわかる。なお、本構成における電解質層のおよその厚さはセパレータの厚さとマイクロビーズの直径の和からおよそ計算することができる。そこで、１層のアクティブ部材層１に接触する電解質層部１１のおよその厚さは上下合わせて１０８μｍである。積層構造のアクチュエータの１層当たりの厚さはアクティブ部材層１と第２の電極層２と電解質層部１１の厚さの和から計算できて、ポリピロール膜の厚さを１０μｍと仮定すると、１２８μｍと求められる。また、アクティブ部材層１の有効な部分の面積は第２の電極層２との接触面積（２５ｍｍ×３ｍｍ）であると考えられる。このため、９層構造におけるアクチュエータの有効な部分の体積はおよそ８６ｍｍ３で与えられる。前記仕事量を有効体積で割ることによって、０．５Ｈｚ駆動における単位体積当たりの仕事量は１４００Ｊ／ｍ３と計算できる。また、ポリピロールとＥＭＩ−ＴＦＳＩの比重をそれぞれ１．４ｇ／ｃｍ３，１．５ｇ／ｃｍ３と仮定すると、単位質量当たりの仕事量は０．９２Ｊ／ｋｇと求められる。
【０１３３】
なお、第１アクチュエータにおいて、セパレータが無い場合の構成が従来例のアクチュエータの一例であるが、この場合の変位の振幅の大きさと前記第１アクチュエータにおける変位の振幅の大きさがほぼ同様であることが確認できた。
【０１３４】
以上のように、前記実施形態及び変形例にかかるアクチュエータは、前記のように、従来のアクチュエータに比べて、電極層１，２間の絶縁性を向上することができて、従来のアクチュエータと同様の大きさの変位振幅を得ることができる。すなわち、円滑な伸縮動作を行うことができつつかつ従来のアクチュエータと同様の駆動能力を保ちつつ、従来のアクチュエータに比べて、電極層１，２間の電気的絶縁性を向上させることができる。
【０１３５】
また、電極層１，２間の距離を小さく保つことができるために、アクチュエータ全体の体積を小さく保つことができて、この結果、軽量な構造で大きな仕事を行うことができる。
【０１３６】
なお、第２アクチュエータにおいては、第１アクチュエータ４１に比べて変位の振幅が大きいが、これは、イオン液体ゲルの表面は摩擦が小さいので、アクティブ部材層１の伸縮を、より効率的に行うことができたことが一つの要因であると推測される。第２アクチュエータの構成においては、イオン液体ゲルに荷重を掛けた場合にゲル内部からしみ出したイオン液体が潤滑性に寄与すると思われる。特にＰＶＤＦなどを用いた物理ゲルの表面は湿潤でスベリが良いためアクチュエータ動作を効率的に行う効果が大きい。一般的に、高分子ゲルは固体でありながら主成分が液体であるため、独特の摩擦機構により著しく低い摩擦係数を示す。第２の電解質層として高分子ゲルを用いた場合には、高分子ゲルによって電極間の絶縁性を向上することができて、さらに、高分子ゲルの摩擦係数が低い性質を利用して効率的なアクチュエータ動作が可能である。
【０１３７】
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例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】
【０１３８】
本発明のポリマーアクチュエータは、介護用あるいは家庭用ロボット又はモバイル機器などを代表例とした各種機器の駆動源として、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟であるアクチュエータとして有用である。
【０１３９】
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。そのような変形又は修正は、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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性アクティブ部材層の第１の電極層と、
前記第１の電極層と対向する第２の電極層と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置され、第１の電解質層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間での絶縁維持機能を有する第２の電解質層とを有する電解質層部と、
前記第１の電解質層内に複数個配置され、前記第１の電極層と前記第２の電解質層との両方に接触しかつ一部が前記第１の電極層と前記第２の電解質層とのいずれかに対して相対的に移動可能である、粒子状のスペーサとを備え、
前記両電極層間に電圧を印加することにより駆動されるポリマーアクチュエータ。
【請求項２】
前記第１の電解質層は、前記第１の電極層に接する位置に配置されて、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接するとともに前記第２の電極層に接する位置に配置される請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項３】
前記第１の電解質層は、前記第２の電極層に接する位置に配置されて、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接するとともに前記第１の電極層に接する位置に配置される請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項４】
前記第１の電解質層は、前記第１の電極層に接する位置に配置され、前記第２の電解質層は、前記第１の電解質層に接する位置に配置され、
前記第２の電解質層と前記第２の電極層との間に、前記第２の電極層と前記第２の電解質層との間で相対的に滑り機能を発揮可能な第３の電解質層をさらに有する請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項５】
前記第２の電解質層は、電気的絶縁機能を持つ絶縁保持部材と、前記絶縁保持部材に浸み込む第２の電解質層部材とを有する請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項６】
前記絶縁保持部材はセパレータである請求項５に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項７】
前記第２の電解質層はイオン液体である請求項５に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項８】
前記第２の電解質層は、イオンを含浸したゲルである請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項９】
前記第２の電解質層は、イオン液体とポリフッ化ビニリデンを含むゲルとで構成される請求項８に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１の電解質層はイオン液体を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１１】
前記第１の電解質層はイオン液体を含むゲルである請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１２】
前記第２の電極層の間に配置されて前記第２の電極層の間の距離を一定に保つ電極間保持部材をさらに備える請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１３】
前記第１の電極層の外側に固定された支持部材をさらに備える請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１４】
前記粒子状のスペーサのそれぞれの大きさは、前記導電性アクティブ部材層の厚さの０．１倍以上であり１００倍以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2010100907.tif 000051
【図１Ｂ】
2010100907.tif 000052
【図１Ｃ】
2010100907.tif 000053
【図１Ｄ】
2010100907.tif 000054
【図２】
2010100907.tif 000055
【図３Ａ】
2010100907.tif 000056
【図３Ｂ】
2010100907.tif 000057
【図３Ｃ】
2010100907.tif 000058
【図４Ａ】
2010100907.tif 000059
【図４Ｂ】
2010100907.tif 000060
【図４Ｃ】
2010100907.tif 000061
【図４Ｄ】
2010100907.tif 000062
【図４Ｅ】
2010100907.tif 000063
【図４Ｆ】
2010100907.tif 000064
【図４Ｇ】
2010100907.tif 000065
【図４Ｈ】
2010100907.tif 000066
【図５】
2010100907.tif 000067
【図６Ａ】
2010100907.tif 000068
【図６Ｂ】
2010100907.tif 000069
【図７Ａ】
2010100907.tif 000070
【図７Ｂ】
2010100907.tif 000071
【図８】
2010100907.tif 000072
【図９Ａ】
2010100907.tif 000073
【図９Ｂ】
2010100907.tif 000074
【図１０】
2010100907.tif 000075
【図１１Ａ】
2010100907.tif 000076
【図１１Ｂ】
2010100907.tif 000077
【図１２Ａ】
2010100907.tif 000078
【図１２Ｂ】
2010100907.tif 000079
【図１３Ａ】
2010100907.tif 000080
【図１３Ｂ】
2010100907.tif 000081
【図１４Ａ】
2010100907.tif 000082
【図１４Ｂ】
2010100907.tif 000083
【図１４Ｃ】
2010100907.tif 000084
【図１４Ｄ】
2010100907.tif 000085
【図１４Ｅ】
2010100907.tif 000086
【図１５Ａ】
2010100907.tif 000087
【図１５Ｂ】
2010100907.tif 000088
【図１５Ｃ】
2010100907.tif 000089
【図１５Ｄ】
2010100907.tif 000090
【図１５Ｅ】
2010100907.tif 000091
【図１６Ａ】
2010100907.tif 000092
【図１６Ｂ】
2010100907.tif 000093
【図１７Ａ】
2010100907.tif 000094
【図１７Ｂ】
2010100907.tif 000095
【図１７Ｃ】
2010100907.tif 000096
【図１７Ｄ】
2010100907.tif 000097
【図１７Ｅ】
2010100907.tif 000098
【国際調査報告】
2010100907.tif 000099
2010100907.tif 000100
2010100907.tif 000101
2010100907.tif 000102