(57)【要約】  【課題】  アクチュエータの自己の変位状態を検知する内界検知機能を有する高分子アクチュエータデバイスを提供すること。  【解決手段】  導電性高分子層からなる電解変位部１０１と対向制御電極１０４を高分子固体電解質層からなる電解質部１０２を介して対向し、電解変位部１０１に接して内界検知電極１０５を形成することによって、その電解変位部１０１による変位状態の計測を導電率変化として可能にする。この構成によってデバイス全体の変位状態をモニタすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性高分子からなる電解変位部と、
電解質部と、
少なくとも１つの制御電極と、
前記電解変位部に接してなる内界検知電極を備えたことを特徴とする高分子アクチュエータデバイス。
【請求項２】
前記内界検知電極と前記制御電極とが絶縁部を介して配置されてなる請求項１記載の高分子アクチュエータデバイス。
【請求項３】
前記内界検知電極が前記制御電極を兼ねてなる請求項１記載の高分子アクチュエータデバイス。
【請求項４】
電解質部が高分子固体電解質である請求項１から３いずれかに記載の高分子アクチュエータデバイス。
【請求項５】
高分子固体電解質層からなる電解質部を介して
導電性高分子層からなる電解変位部と対向制御電極とが対向してなる高分子アクチュエータデバイスであって、
前記電解変位部に接して形成されてなる内界検知電極と、
前記電解変位部および前記内界検知電極と絶縁部を介して配置した制御電極とを備えてなることを特徴とする高分子アクチュエータデバイス。
【請求項６】
高分子固体電解質層からなる電解質部を介して
導電性高分子層からなる少なくとも一対の電解変位部が対向してなる高分子アクチュエータデバイスであって、
前記電解変位部に接して形成されてなる内界検知電極と、
前記電解変位部および前記内界検知電極と絶縁部を介して配置した制御電極とを備えてなることを特徴とする高分子アクチュエータデバイス。
【請求項７】
導電性高分子からなる電解変位部と、
電解質部と、
少なくとも１つの制御電極と、
前記電解変位部に接してなる内界検知電極を備えた高分子アクチュエータデバイスの制御方法であって、
前記制御電極に駆動電気信号を印加することで前記電解変位部を変形させて駆動するとともに、
前記内界検知電極を用いて前記導電性高分子の電気伝導状態を計測することによって前記電解変位部の変形した変位状態を検知してなることを特徴とする高分子アクチュエータデバイスの制御方法。
【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してなり、人工筋肉やマイクロマシンなどに用いることのできる導電性高分子からなるアクチュエータデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子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、人工筋肉や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、ポリピロールや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。
【０００３】
導電性高分子からなるアクチュエータの動作は、導電性高分子に電圧また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へドーピングしたり脱ドーピングしたりして導電性高分子を伸縮させてデバイスを駆動する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性化合物が導電性高分子へドーピングおよび脱ドーピングされた際に電気化学的に酸化反応およ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や、導電性高分子内へのかさ高いイオンの出入りによって膨張・収縮する要因、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】
このようなメカニズムで動作する導電性高分子からなるアクチュエータの特徴の１つとして、変位のメモリ性がある。すなわち、電圧印加によってイオンが導電性高分子に入り、伸縮による変位を生じた状態が電圧を切っても保持されている。この現象は、電位を印加しなければイオンは動きにくいため、逆バイアスの電位を加えないと導電性高分子内にあるイオンが中から出ないからである。この特徴によって、変位を保持するのにエネルギーが要らなくなり、省エネルギーの動作が可能になる。
【０００６】
上述のような動作を行うための従来のデバイス構成としては、図１１に示すように、伸縮動作する導電性高分子層４０１と、イオンの供給源としての電解質部４０２、電気化学的に導電性高分子へイオンを出し入れするための対向制御電極４０４で構成される。また、必要に応じて導電性高分子層４０１に通電するための制御電極４０３が使われている。さらに、デバイスとしての使いやすさを向上するためのデバイス構成の検討も進められている。材料の構成としては、従来は電解質として電解液が一般的に検討されていたのに対して、固体電解質ポリマを用いた積層体などによって全固体化デバイスの取組みなどが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、電極の形状や配置などの構成としては、アクチュエータの曲げの変位を直線運動に変換するデバイス構成や、伸縮の変位を大きな曲げの変位に変換するデバイス構成などの提案が行われており（例えば、特許文献２または特許文献３参照）、デバイス動作の自由度を向上するための検討が行われている。
【特許文献１】特開平１１−１６９３９４号公報
【特許文献２】特開２０００−１３３８５４号公報
【特許文献３】特開２００３−３４０９８２号公報
【特許文献４】特開２００１−５４８９９号公報（第４−５頁、図４）
【特許文献５】特公平７−３２２５３号公報
【特許文献６】特公平７−６０９０７号公報
【特許文献７】特開平６−２２５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
導電性高分子からなるアクチュエータの使いやすさを向上し、かつ動作の自由度を向上していく上で、その制御の精度を高める必要がある。そのためには、アクチュエータの変位状態や位置情報などを正確に検知することが不可欠になってくる。すなわち、導電性高分子の伸縮状態による変位を検出し、駆動部分の変化量の情報を検知しながら制御する必要がある。
【０００９】
しかしながら、前記従来の構成では、デバイスだけで変位量を検知して変化状態を確認することができず、アクチュエータを駆動するのに供給する電圧などのみによって制御を行うしかないために、制御性が低いという課題を有していた。
【００１０】
また、この課題を解決するためには、デバイスの外部からアクチュエータの駆動部分の位置を計測して制御する方法があり、例えば、特許文献４においてレーザ変位計等によって位置を測定して、その変化を評価する方法が開示されている。しかしながら、デバイスの外部から位置検出する方法ではシステムが大きくなり、複数のアクチュエータを用いる場合には複雑になってしまう。従って、アクチュエータの変位情報をより簡易に、かつ簡便に検知可能な方法が必要であるという課題を有していた。
【００１１】
また、導電性高分子からなるアクチュエータは、制御電極に電圧を印加して上述のように変位を生じたときにメモリ性を有するという特徴がある。しかしながら、導電性高分子内に存在するイオン性化合物は抜けにくいが、若干量は抜けて緩和する傾向がある。このような場合には、駆動する印加電圧のみによって制御していると変位量はその位置情報がずれるために、制御性の精度が低くなってしまうという課題を有していた。
【００１２】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、アクチュエータの自己の変位状態を検知する内界検知機能を有する高分子アクチュエータデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記従来の課題を解決するために、本発明の高分子アクチュエータデバイスは、導電性高分子からなる電解変位部と、電解質部と、少なくとも１つの制御電極と、電解変位部に接してなる内界検知電極を備えて構成する。
【００１４】
また、本発明の高分子アクチュエータデバイスにおいて、内界検知電極と制御電極とが絶縁部を介して配置されて構成することができる。
【００１５】
また、本発明の高分子アクチュエータデバイスにおいて、内界検知電極が制御電極を兼ねて構成することができる。
【００１６】
さらに、本発明の高分子アクチュエータデバイスを構成する電解質部は高分子固体電解質であることが、全固体のデバイスとして用いる際の取り扱い性、信頼性の関連から好ましい。
【００１７】
特に、好ましい構成としては、高分子固体電解質層からなる電解質部を介して導電性高分子層からなる電解変位部と対向制御電極とが対向してなる高分子アクチュエータデバイスにおいて、電解変位部に接して形成されてなる内界検知電極と、その電解変位部および内界検知電極から絶縁部を介して制御電極を配置して構成する。
【００１８】
また、好ましい構成としては、高分子固体電解質層からなる電解質部を介して導電性高分子層からなる少なくとも一対の電解変位部が対向してなる高分子アクチュエータデバイスにおいて、電解変位部に接して形成されてなる内界検知電極と、その電解変位部および内界検知電極から絶縁部を介して制御電極を配置して構成する。
【００１９】
上述の本発明の構成によって、高分子アクチュエータの変位状態を検知することが可能になり、デバイスを動作させるために制御性を向上させることができる。すなわち、導電性高分子からなる電解変位部と、電解質部と、少なくとも１つの制御電極と、電解変位部に接してなる内界検知電極を備えた高分子アクチュエータデバイスの制御方法であって、制御電極に駆動電気信号を印加することで電解変位部を変形させて駆動するとともに、内界検知電極を用いて導電性高分子の電気伝導状態を計測することによって電解変位部の変形した変位状態を検知して制御する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の高分子アクチュエータデバイスによれば、アクチュエータ自身の変位状態を電気信号として内界検知することができるようになり、精度の高い動作制御を行うことができる。さらに、電気的な信号でプロセッサ等へ位置情報をフィードバックできることになり、アクチュエータデバイスを外界センサなどの外部情報と連携して動作させることによって反射反応などの安全動作などを行わせやすくなるという効果も得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明における高分子アクチュエータデバイスは、導電性高分子からなる電解変位部と、電解質部と、少なくとも１つの制御電極とで基本構成として成り、その電解変位部である導電性高分子の変位状態を検知するために内界検知電極を配置したものである。この基本構成は、導電性高分子が電気化学的にイオン性化合物と酸化反応または還元反応することによって、機械的に伸縮するなどの寸法の変化を生じることを用いたるものである。
【００２２】
本発明の構成は、その変位状態を簡便に検出することを目的として検討した結果、得られたものである。すなわち、導電性高分子について電気化学的に機械的な形状変化を行わせた際に、他の物性値の変化が生じるかどうかという検討を行った。導電性高分子は、従来より、電気化学的に酸化反応、または還元反応によってその電子状態が変化して、電子伝導性が変ったり、色が変化したりするという特徴を有することが知られており、その半導体特性を用いた電気デバイスとして提案が行われている（例えば、特許文献５または特許文献６参照）。
【００２３】
しかし、アクチュエータの動作のように機械的な形状の変化を行わせた際にも、併せて電子状態の変化による電導度の変化等を生じるかどうかは十分な知見が得られていなかった。この観点で検討を行った結果、導電性高分子の機械的な変位に応じて、導電性高分子の電導度が変化することが明らかになった。その特徴を用いて内界検知電極を配置する構成によって、導電性高分子の機械的な変位状態を検知することが可能となり、そのために制御性が向上した。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における高分子アクチュエータデバイスの断面模式図である。図１において、導電性高分子層からなる電解変位部１０１と対向制御電極１０４を高分子固体電解質層からなる電解質部１０２を介して対向したデバイス構成であり、電解変位部１０１に接して内界検知電極１０５を形成することによって、その電解変位部１０１による変位状態の計測を可能にしている。
【００２６】
電解変位部１０１と電解質部１０２とからアクチュエータ本体が構成され、後述するように、制御電極１０３に電圧を印加することによってこのアクチュエータ本体を動作させる。各図面から明らかなように、電解変位部１０１と電解質部１０２とは面接触している。すなわち、電解変位部１０１が電解質部１０２上に積層されている。
【００２７】
このような構成によれば、導電性高分子が電気化学的に電解質部１０２から導入されたイオン性化合物と反応して電解変位部１０１の機械的な変化を生じ、アクチュエータデバイスの変位を生じることになる。
【００２８】
この際に、導電性高分子の電気伝導度の変化を、一対の内界検知電極１０５によって計測することで、電気的にアクチュエータデバイス全体の変位状態をモニタすることが可能である。なお、図１において、内界検知電極１０５は２つ設けられているが、これらを厳密に区別する際には、第１内界検知電極、第２内界検知電極と呼ぶことにする。内界検知電極１０５が３つ以上設けられている場合も同様である。
【００２９】
さらに、電解変位部１０１を駆動電気信号によって動作させるために、電解変位部１０１および内界検知電極１０５から絶縁部１０６を介して制御電極１０３を配置して構成することによって、制御電極１０３との導通を避けることができる。
【００３０】
それによって、導電性高分子の電気伝導度の変化を計測する精度を高める効果が得られる。
【００３１】
また、内界検知電極１０５は導電性高分子層に対して、電解質部１０２と対向する側に形成しており、内界検知電極１０５による電解質部１０２のイオン伝導を計測しないように配置している。
【００３２】
なお、図１１に示すような従来の構成では、アクチュエータデバイスの変位状態を電解変位部４０１の物性値変化で検知することができないため、レーザ変位計などの計測システムを使用する必要があったため、応用システムの小型化が困難であり、精密な制御が難しいなどの課題があるが、本発明の構成によって、上述のように制御を可能にすることができる。
【００３３】
次に、本発明の構成からなる高分子アクチュエータデバイスの動作原理について、図１６を用いて以下に説明する。
【００３４】
高分子アクチュエータデバイスは、制御電極１０３に駆動電気信号１２０を印加することによって、電解質部１０２に存在する可動性イオン１５０は、制御電極１２０に印加した駆動電気信号１２０によって、電解変位部１０１の導電性高分子に入って電気化学的に酸化反応することにより電解変位部１０１を伸長させ、これによりアクチュエータを湾曲することができ、この変位によってアクチュエータ動作する。なお、湾曲した後に平面状に戻す、すなわち元に戻す際には、制御電極１０３に駆動電気信号１２０とは逆バイアスとなる信号を印加すればよい。
【００３５】
駆動電気信号の大きさによる変位量の変化を図１６（ｃ）に示す。この際に、導電性高分子層からなる電解変位部１０１は可動性イオン１５０が酸化反応してドーピングされるため、電子伝導性が高くなり、内界導電率検知の電圧１３０を内界検知電極１０５の一端に印加しておくことで、図１６（ｄ）のように、導電性高分子を流れる電流（導電度）はアクチュエータの変位量の変化と共に変化する。この特性によって、アクチュエータ変位状態を内界検知電極１０５によって電気信号としてモニタできるという機能が得られる。
【００３６】
図１３、図１４に、図１の構成からなる高分子アクチュエータデバイスの動作特性を示す。なお、アクチュエータは、電解重合されたポリピロール層（約５μｍ厚さ）からなる電解変位部１０１と、ヘキサフルオロリン酸ナトリウムを１０重量％溶解したポリエチレンオキシドを主成分とした高分子固体電解質層（約１０μｍ厚さ）からなる電解質部１０２、金電極からなる対向制御電極１０４、ポリピロール層に接して形成した一対の金電極からなる内界検知電極１０５、さらにポリアミド層（約１μｍ厚さ）からなる絶縁部１０６を介して形成された金電極からなる制御電極１０３で構成された積層体である。
【００３７】
図１３では制御電極１０３と対向制御電極１０４との間に駆動電気信号として電圧を一定時間加えた場合における信号パターン（ａ）と、アクチュエータ先端部の変位量をレーザ変位計を用いて計測した結果（ｂ）、およびその際の内界検知電極１０５による導電性高分子の導電率変化の計測した結果（ｃ）を表している。なお、（ｃ）の導電率変化は内界検知電極１０５に一定電圧を印加しておいた際にその電極間を流れる電流の変化を測定して得られたものである。
【００３８】
導電性高分子からなるアクチュエータであるので、（ｂ）のように駆動電圧を取り除いても変位量が保持されており、メモリ性があることがわかる。しかし、変位は若干緩和しており、制御する駆動電圧だけでは決定することができないことがわかる。このような変位量の変化に対しても、内界検知の検出信号は変位量の変化に応じて変化し、内界検知が極めて良好にできることがわかる。逆バイアスでの駆動電圧の印加によって変位が元に戻り、内界検知の導電率も初期に戻ることが確認できる。
【００３９】
また、図１４においても、図１３と同様に評価している。ただし、図１４では、駆動電気信号を続けて印加した場合であり、変位量の変化に応じて、内界検知による導電率が変化していることが同じように確認できる。
【００４０】
上述のように、本発明の構成によって、高分子アクチュエータの変位状態を検知することが可能になり、デバイスを動作させるために制御性を向上させることができる。すなわち、導電性高分子からなる電解変位部１０１と、電解質部１０２と、少なくとも１つの制御電極１０３、１０４と、電解変位部１０１に接してなる内界検知電極１０５を備えた高分子アクチュエータデバイスにおいて、制御電極１０３に駆動電気信号１２０を印加することによって電解変位部１０１を変形させて駆動するとともに、内界検知電極１０５を用いて導電性高分子の電気伝導状態を計測することによって電解変位部の変形によって生じたアクチュエータの変位状態を検知して制御することが可能となる。
【００４１】
なお、本実施の形態において、アクチュエータが電解変位を生じて駆動する部分と、その変位状態を内界検知する部分とは必ずしも構造位置が一致している必要はなく、電解質部からイオン性化合物が導電性高分子に移動して変位を生じている状態を相対的に精度よく確認できればよい。例えば、図２、図３、図４、図５に一例を示す。
【００４２】
図２は、絶縁部１０６が内界検知する部分にのみ形成されている構造であり、電解変位する全部分の変化を相対的に検知することができる。
【００４３】
図３は、内界検知部が電解変位する部分と一致している構造であり、この部分を支点としてアクチュエータ動作を生じる。
【００４４】
図４は、図1の構成に対して、内界検知部を支持固定部１１０によって支持固定してこの部分は電解変位しないようにしている構造であり、この部分を支点としてアクチュエータ動作させることができるとともに、内界検知の安定性が向上する。
【００４５】
図５は、内界検知電極１０５の配置において上述の各構造が電解変位する軸に対して平行に配置されていたのに対して、垂直に配置した構造であり、この配置は、内界検知電極間の部分での電解変位の変化量が比較的小さいために電極への接続リードの取り付けや支持固定部の取り付けが簡便になるなどの特徴を有する。なお、内界検知電極の配置に関しては、アクチュエータの変位状態をモニタできればよいため、これらの構造に限られない。また、上述の構成では内界検知電極１０５は一対で説明しているが、複数電極の組み合わせでもよく、複数個所に配置してもよい。
【００４６】
なお、電解質部１０２から導電性高分子からなる電解変位部１０１へのイオン性化合物の導入は、駆動電気信号によってその導入量を制御したときに、電解変位部１０１の厚み方向に濃度勾配が形成されることがある。この現象に関しては、高分子アクチュエータの動作に比較的影響は少ない。このことは、導電性高分子の導電率変化している部分が動作面内では濃度がほぼ均一になっているために、電解変位部を均質な半導体層とみなすことができ、制御性にばらつきが少なくなっていたためと考えている。
【００４７】
さらに、この制御性を高めるために、制御電極１０３へ駆動電気信号を印加する際に、その電圧または電流の印加パターンを工夫することができる。例えば、イオン性化合物を低い電圧で導電性高分子内に導入してできるだけ均一に濃度分布させたのちに、高い電圧によって電気化学反応させて電解変位させる方法などのように電気信号パターンを制御する方法を行うことができる。
【００４８】
また、導電性高分子の導電性変化部分と内界検知電極１０５との電気的な接触を十分にとることを目的として、内界検知電極１０５の周辺部で導電率を十分に変化させるために、内界検知電極１０５に制御信号を印加して電極近傍部の導通をしっかりと取れるようにしておくことができる。この方法では、内界検知電極１０５における制御信号は、制御電極１０３によって電解変位を行わせるための駆動電気信号を印加する際に合わせて印加してもよいし、その前後に導通を十分にとるように印加してもよい。
【００４９】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における高分子アクチュエータデバイスの断面模式図である。
【００５０】
図６は、高分子固体電解質層からなる電解質部２０２を介して、一対の導電性高分子層からなる電解変位部Ａ２０１および電解変位部Ｂ２０１‘が対向してなる高分子アクチュエータデバイスを示している。
【００５１】
電解変位部Ａ２０１および電解変位部Ｂ２０１‘に接してそれぞれ形成されてなる内界検知電極Ａ２０５および内界検知電極Ｂ２０５‘と、その電解変位部Ａ２０１および電解変位部Ｂ２０１‘および内界検知電極Ａ２０５および内界検知電極Ｂ２０５‘から絶縁部Ａ２０６および絶縁部Ｂ２０６’を介して制御電極Ａ２０３および制御電極Ｂ２０３‘をそれぞれ配置して構成することによって、その電解変位部におけるアクチュエータ動作の変位状態の計測を可能にしている。
【００５２】
このような構成によれば、アクチュエータデバイスが大きな変位を生じることができるため、その変位状態を一対のそれぞれの導電性高分子について電気伝導度の変化を測定することによって、内界検知電極を用いて計測し、電気的にアクチュエータデバイス全体の変位状態をモニタすることが可能である。
【００５３】
また、実施の形態１と同様に、このデバイス構成に限られるものではなく、図７に示した支持固定部２１０を設けた構成など、アクチュエータの使用時の必要に応じて各構成の配置を決定すればよく、これらに限られるものではない。
【００５４】
なお、図１２に示すような従来の構成では、アクチュエータデバイスの変位状態を電解変位部５０１の物性値の変化によって検知することができないため、レーザ変位計などの計測システムを使用する必要がある。そのため、それを応用するシステムの小型化が困難であり、精密な制御が難しいなどの課題がある。本発明の構成によって、上述のように制御を可能にすることができる。
【００５５】
図１５に、図２の構成からなる高分子アクチュエータデバイスの動作特性を示す。なお、アクチュエータは、電解重合されたポリピロール層（約５μｍ厚さ）からなる電解変位部Ａ、２０１およびＢ、２０１‘とを、ヘキサフルオロリン酸ナトリウムを１０重量％溶解したポリエチレンオキシドを主成分とした高分子固体電解質層（約１０μｍ厚さ）からなる電解質部２０２の両面に合わせた構造であり、それぞれのポリピロール層２０１、２０１’に接して形成した一対の金電極からなる内界検知電極Ａ２０５および内界検知電極Ｂ２０５‘、さらにそれぞれにおいてポリアミド層（約１μｍ厚さ）からなる絶縁部Ａ２０６および絶縁部Ｂ２０６’を介して形成された金電極からなる制御電極Ａ２０３および制御電極Ｂ２０３‘で構成された積層体である。
【００５６】
図１５では制御電極Ａ２０３と制御電極Ｂ２０３‘の間に駆動電気信号として電圧を一定時間加えた場合における信号パターン（ａ）と、アクチュエータ先端部の変位量をレーザ変位計を用いて計測した結果（ｂ）、およびその際の内界検知電極Ａ２０５と内界検知電極Ｂ２０５’との電流の差分計測によって導電性高分子の導電率変化を検知した結果（ｃ）を表している。なお、（ｃ）の導電率変化はそれぞれの内界検知電極に一定電圧を印加しておいた際に電極間を流れる電流の変化を測定して得られたものである。
【００５７】
導電性高分子からなるアクチュエータであるので、（ｂ）のように駆動電圧を取り除いても変位量が保持されており、メモリ性があることがわかる。しかし、変位は若干緩和しており、制御する駆動電圧だけでは決定することができないことがわかる。このような変位量の変化に対しても、内界検知の検出信号は変位量の変化に応じて変化し、内界検知を極めて良好にできることがわかる。また、逆バイアスでの駆動電圧の印加によって、逆方向の変位を生じているが、内界検知の信号もそれに応じて変化しており、アクチュエータの動作をモニタできることがわかる。
【００５８】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態１および本発明の実施の形態２にて説明した高分子アクチュエータデバイスにおいて、制御電極と、内界検知電極との間に絶縁部を介さないで構成することもできる。
【００５９】
図８に、本発明の実施の形態３における高分子アクチュエータデバイスの断面模式図を示す。
【００６０】
図８に示すように、導電性高分子層からなる電解変位部１０１と電解質部１０２を積層して、制御電極１０３と対向制御電極１０４とを対向して構成してなり、電気化学的に変位を起こさせる制御電極１０３に挟まれる間の部分に存在する導電性高分子層からなる電解変位部１０１における電気特性を測定するように内界検知電極１０５を配置する。
【００６１】
図９に、本発明の実施の形態３における高分子アクチュエータデバイスの他の構成における断面模式図を示す。導電性高分子からなる電解変位部Ａ２０１と電解質部１０２と導電性高分子からなる電解変位部Ｂ２０１‘を積層して、それぞれ設けた制御電極Ａ２０３と制御電極Ｂ２０３’を対向して構成してなり、電気化学的に変位を起こさせる制御電極間の部分に存在する導電性高分子層の電気特性を測定するようにそれぞれ内界検知電極Ａ２０５および内界検知電極Ｂ２０５‘を配置する。
【００６２】
図８および図９に示した構成のように、内界検知電極間が電気化学的に変位する部分と一致するデバイス構成の時には、簡易な構造として適用することができる。
【００６３】
（実施の形態４）
また、本発明の実施の形態として、高分子アクチュエータデバイスにおいて、内界検知電極が制御電極を兼ねて構成することができる。
【００６４】
図１０に、本発明の実施の形態４における高分子アクチュエータデバイスの模式図を示す。導電性高分子層からなる電解変位部３０１と電解質部３０２、および対向制御電極３０４を積層して構成してなり、導電性高分子層の面に制御電極３０３と内界検知電極３０５を櫛歯状に交互に配置してなる。
【００６５】
このような構成によれば、制御電極３０３を電気的に接地しておき、対向制御電極３０４によって電解変位を制御し、内界検知電極３０５と制御電極３０３によって導電性高分子の導電率変化を検知することができる。この制御方法では、制御電極に内界検知電極の機能を兼ねさせることができ、デバイス構成が簡単になる。
【００６６】
また、このような構成によれば、他の制御方法も可能である。制御電極３０３と内界検知電極３０５の両者に駆動電気信号を印加することによって、電解変位を制御した後に、制御電極３０３と内界検知電極３０５とを用いて変位した導電性高分子層の導電率変化を検知することができ、アクチュエ−タの変位状態を知ることが可能になる。この制御方法によって、制御電極に内界検知電極の機能を兼ねさせることができ、デバイス構成が簡単になる。
【００６７】
（実施の形態５）
本発明の高分子アクチュエータデバイスを用いることで、図１７に示すような反射反応を制御できるデバイスが可能になる。
【００６８】
本発明の内界検知機能を有する高分子アクチュエータデバイスと、圧電、静電、導電現象等を用いた接触センサと組み合わせて構成する。制御プロセッサとしては、高分子アクチュエータの動作制御プロセッサと、反射反応制御部からなる。高分子アクチュエータの内界検知電極間の抵抗Ｒｓと、接触センサの出力抵抗Ｒｇ、アクチュータの駆動制御のための制御抵抗Ｒｒ、および標準抵抗Ｒｏによってブリッジ回路を構成する。Ｒｓ・Ｒｒ＝Ｒｇ・Ｒｏとなるようにブリッジ回路の差分出力によって制御を行うことになる。
【００６９】
まず対象物が、接触センサに接した際にＲｇが変化するとブリッジの出力バランスが崩れるので、実施の形態１〜５において説明したように内界検知電極で出力バランスの崩れの有無やその量を検知し、それを平衡となるように高分子アクチュエータの制御電極に駆動電気信号を印加してＲｓを調整する。
【００７０】
この動作によって、接触センサ部は対象物から離れるという反射反応を行わせることができる。この状態から、接触センサが対象物から離れると接触センサの出力が変化してＲｇを元の状態に戻すことになる。これによって、ブリッジの出力バランスが変化し、それに合わせてアクチュエータ駆動を行い、初期状態に戻すことができる。
【００７１】
また、このデバイス構成においては、アクチュエータを通常動作させる際は、制御抵抗Ｒｒを可変することによって、ブリッジ回路の平衡を調整することで、差分出力からなる調整する信号をアクチュエータへ駆動制御信号として送って動作させることができる。
【００７２】
本実施の形態に示したように、本発明の高分子アクチュエータデバイスのように内界検知機能を付与することによって、従来の構成では難しかった反射反応機能のような制御が可能なデバイスを実現することができるという効果が得られる。
【００７３】
以上のように、本発明の構成によって高分子アクチュエータに内界検知機能を付与したデバイスを得ることが可能となる。さらに、本発明の構成によれば高分子アクチュエータに外界検知機能を付与することもできる。導電性高分子からなる電解変位部と、制御電極、内界検知電極、絶縁部からなる部分は、半導体特性を示している導電性高分子による電界効果トランジスタ構造となっている。この部分によって、デバイスの外部環境から接触、光、音などの物理情報や、においなどの化学情報を検知させることが可能である。
【００７４】
例えば、制御電極部に対象物が接触した際には、電極部に誘起される電位が変化したり、応力で絶縁部が変形して幾何容量が変化したりすることで誘導電流が生じるなどの現象によって接触の有無を電気的に検出できる。また、絶縁部に圧電性または焦電性の材料や、光感応材料などを添加しておいても外部からの情報を検知が可能になる。さらに、制御電極上に光起電力特性を有する検知部、化学物質と反応する検知部、圧電性の検知部を設けておくことで外界の情報検知が可能になる。これらを外界検知信号として検知するためには、制御電極の電位をモニタしておいても良いし、内界検知電極を用いて導電性高分子の電気伝導度の変化を電気信号として測定することで可能になる。
【００７５】
上述のように高分子アクチュエータデバイスに外界検知機能を付与することによって、応力によるシステム制御だけでなく、その他の外界信号による制御が可能になるとともに、デバイスを応用するシステムが簡潔になるなどの効果も得られるものである。
【００７６】
以下に本発明における高分子アクチュエータデバイスの各構成部について詳細に説明する。
【００７７】
本発明に係わる電解変位部を構成する導電性高分子としては、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリアセン、ポリフェニレンビニレン、ポリフェニルアセチレンなどの高分子およびこれらの共重合体、誘導体などの高分子が用いられる。これらの高分子材料は、化学重合、または電解重合によって合成されるものである。特に、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンおよびその誘導体などはアクチュエータデバイスとしての変位量および発生応力が大きく、応答速度が速い傾向があるために好ましく用いることができる。
【００７８】
本発明に係わる電解質部と構成する電解質材料としては、アクチュエータ動作を行わせる際の柔軟性が必要であるために、高分子固体電解質またはゲル電解質を好ましく用いることができる。高分子固体電解質は、高分子中に電解質塩であるイオン性化合物を溶解、解離させた高分子であり、従来から知られている材料を用いることができる。例えば、母材の高分子材料としては、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシドなどのポリエーテル類、ポリエチレンサクシネート、ポリ−β−プロピオラクトンなどのポリエステル類、ポリエチレンイミンなどのポリアミン類、ポリアルキレンスルフィドなどのポリスルフィド類、ポリアクリロニトリル、ポリアクリル酸などのポリアクリル類、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系高分子類、ポリフォスファゼン類、ポリシロキサン類、ポリビニルエーテル類などを基本骨格としてなり、それらを組み合わせた混合体、共重合体、架橋体などを用いることができる。また、フッ素基を導入した構造、側鎖へのイオン伝導性基の導入などが行われている。さらに、これらの基本骨格に、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基などのイオン性基が導入された高分子電解質型イオン伝導性ポリマなどを用いることができる。
【００７９】
電解質として用いるイオン性化合物としても従来から知られている材料を用いることができる。母材中でアニオン、カチオンとなるイオン性化合物であれば良く、アニオンとしては、塩素イオン、臭素イオン、ヨウ素イオン、過塩素酸イオン、ＰＦ6イオン、ＡｓＦ6イオン、ＢＦ4イオンや、トリフルオロ酢酸イオンなど各種スルホン酸イオンや、有機酸などを用いることができ、カチオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンなどのアルカリ金属イオン、カルシウムイオン、バリウムイオンなどのアルカリ土類イオンや、テトラブチルアンモニウム塩イオンなどの有機塩基などを用いることができる。これらのイオンに限らず、アニオンとカチオンを組み合わせたイオン性化合物を本発明に適用することが可能である。
【００８０】
また、高分子固体電解質のイオン伝導性を向上するために、各種添加剤を加えることができる。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルアセテート、メチルフォルメートなどの可塑剤や、ジアルキルイミダゾリウム塩、テトラアルキルアンモニウム塩などのイオン性液体化合物などを用いることができる。
【００８１】
また、ゲル電解質は、高分子または高分子架橋体からなる３次元網目骨格中に、上述のイオン性化合物や可塑剤、イオン性液体や、汎用の電解液などが含有されたものであり、フィルム状、シート状などに加工した形状で用いることが可能である。
【００８２】
なお、液体の漏洩などを対策した構成でデバイスを作製して動作できれば、水性または有機溶媒の電解液も本発明の電解質部として適用可能である。
【００８３】
本発明に係わる制御電極、対向制御電極、内界検知電極として用いる電極としては、金、白金、鉄、チタン、ニッケル、アルミニウムなど金属および合金材料、酸化チタン、インジウムスズ酸化物などの無機化合物、電荷移動錯体、導電性高分子などの有機化合物、カーボン材料などの一般的な電気伝導体を用いることができる。形状としては、シート状、フィルム状、ワイヤ状などの柔軟性を付与できる構造で用いることができる。これらの電極の作製方法としては、蒸着、メッキ、電着、貼り合せ、接着、印刷などを用いることができ、デバイス構成、システム用途などに合わせて選べばよい。
【００８４】
また、本発明に係わる絶縁部としては、酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの無機化合物の薄膜、ポリイミド、ポリアミド、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリシロキサンなど汎用の高分子の薄膜などを適用することができる。電解変位する部分に用いる場合には、柔軟性、信頼性などの特性が必要であるが、デバイス用途等によって適宜選択すればよい。これらの絶縁部の作製方法としては、蒸着、メッキ、電着、貼り合せ、接着、塗布、印刷などを用いることができ、デバイス構成、システム用途などに合わせて選べばよい。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明に係わる高分子アクチュエータデバイスは、導電性高分子からなるアクチュエータの動作中の変位状態を検知することができる機能を有し、デバイス動作の精密制御を必要とするマイクロデバイス、電子部品等の駆動機構として有用である。
【００８６】
また、電解質部として高分子固体電解質を用いることによって機械的、構造的な柔らかさを付与することが可能であり、生体の筋肉機構を模倣した人工筋肉等の用途にも応用できる。さらに、センサと組み合わせることでアクチュエータの応答機能の制御を行いやすくなるために、センサ応用機器等にも応用できる。
【００８７】
以下、本発明を総括する。
【００８８】
本発明は、アクチュエータ本体と、制御電極（１０３）とを備え、アクチュエータ本体は電解質部（１０２）およびこの電解質部（１０２）上に積層された導電性高分子からなる電解変位部（１０１）から構成され、制御電極（１０３）にはアクチュエータ本体を駆動させるための電圧が印加され、さらに電解変位部（１０１）に接している内界検知電極（１０５）を備えていることを特徴とする高分子アクチュエータデバイスを提供する（図１など）。電解質部（１０２）を電解変位部（１０１）との間に対向するように挟む対向制御電極（１０４）が設けられることが好ましい。この場合、制御電極（１０３）だけでなく対向制御電極（１０４）にも、アクチュエータ本体を駆動させるための電圧が印加される。
【００８９】
内界検知電極（１０５）と制御電極（１０３）との間には絶縁部（１０６）が挟まれていることが好ましい（図１など）。この絶縁部（１０６）は、内界検知電極（１０５）の周囲にのみ設けられ、電解変位部（１０１）と制御電極（１０３）とが直接接する部分があっても良い（図２）。この絶縁部（１０６）は、内界検知電極（１０５）の周囲にのみ設けられ、電解変位部（１０１）は露出していてもよい（図３）。この場合、露出していない部分を支点としてアクチュエータ動作が行われる。
【００９０】
断面視において制御電極（１０５）を上下から挟む一対の支持固定部（１１０）が設けられていることも好ましい（図４）。この場合、一対の支持固定部（１１０）によって挟まれる部分（これを内界検知部という）を支点としてアクチュエータ動作が行われる。
【００９１】
内界検知電極（１０５）は複数の電極からなり、これらの電極は、断面視においてアクチュエータ動作により変位する軸（図１〜図４の左右方向）に沿って連続して設けられているか、あるいは当該軸（図５（ｂ）の上下方向）に対して垂直な方向（図５（ｂ）の左右方向）に設けられていることが好ましい。
【００９２】
制御電極（１０３）だけでなく内界検知電極（１０５）にもアクチュエータ本体を駆動させるための電圧が印加されてもよい。
【００９３】
電解質部（１０２）は上下一対の電解変位部（２０１）に挟まれ、上下一対の電解変位部（２０１）は上下一対の制御電極（２０３）に挟まれ、上下一対の電解変位部（２０１）にはそれぞれ上下一対の内界検知電極（２０５）が接していてもよい（図６）。
【００９４】
さらに上下一対の内界検知電極（２０５）は、上下一対の支持固定部（２１０）によって固定されていることが好ましい（図７）。
【００９５】
制御電極（１０３）は電解変位部（１０１）に接していても良い（図８）。電解質部（２０２）が上下一対の電解変位部（２０１）に挟まれ、上下一対の電解変位部（２０１）に上下一対の制御電極（２０３）が接していても良い（図９）。この場合、上下一対の電解変位部（２０１）にそれぞれ接する上下一対の内界検知電極（２０５）が設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の実施の形態１における高分子アクチュエータデバイスの一例の断面模式図
【図２】本発明の実施の形態１における高分子アクチュエータデバイスの他の一例の断面模式図
【図３】本発明の実施の形態１における高分子アクチュエータデバイスの他の一例の断面模式図
【図４】本発明の実施の形態１における高分子アクチュエータデバイスの他の一例の断面模式図
【図５】本発明の実施の形態１における高分子アクチュエータデバイスの他の一例の模式図であって、（ａ）上面図（ｂ）側面図
【図６】本発明の実施の形態２における高分子アクチュエータデバイスの一例の断面模式図
【図７】本発明の実施の形態２における高分子アクチュエータデバイスの他の一例の断面模式図
【図８】本発明の実施の形態３における高分子アクチュエータデバイスの一例の断面模式図
【図９】本発明の実施の形態３における高分子アクチュエータデバイスの他の一例の断面模式図
【図１０】本発明の実施の形態４における高分子アクチュエータデバイスの模式図（ａ）上面図（ｂ）（ａ）のＡＡ断面図
【図１１】従来の構成における高分子アクチュエータデバイスの一例の断面模式図
【図１２】従来の構成における高分子アクチュエータデバイスの他の一例の断面模式図
【図１３】本発明の実施の形態１における高分子アクチュエータデバイスの動作およびその内界検知特性を示す図
【図１４】本発明の実施の形態１における高分子アクチュエータデバイスの他の動作およびその内界検知特性を示す図
【図１５】本発明の実施の形態２における高分子アクチュエータデバイスの動作およびその内界検知特性を示す図
【図１６】本発明の高分子アクチュエータデバイスにおける動作原理の説明図
【図１７】本発明の実施の形態５における高分子アクチュエータの制御方法による動作の説明図
【符号の説明】
【００９７】
１０１  導電性高分子からなる電解変位部
１０２  電解質部
１０３  制御電極
１０４  対向制御電極
１０５  内界検知電極
１０６  絶縁部
１１０  支持固定部
１２０  アクチュエータの駆動電気信号
１３０  アクチュエータの内界導電率検知の電圧
１５０  可動性イオン
２０１  導電性高分子からなる電解変位部Ａ
２０１‘  導電性高分子からなる電解変位部Ｂ
２０２  電解質部
２０３  制御電極Ａ
２０３‘  制御電極Ｂ
２０５  内界検知電極Ａ
２０５‘  内界検知電極Ｂ
２０６  絶縁部Ａ
２０６‘  絶縁部Ｂ
２１０  支持固定部
３０１  導電性高分子層からなる電解変位部
３０２  電解質部
３０３  制御電極
３０４  対向制御電極
３０５  内界検知電極
３０６  制御電極の接続電極部
３０７  内界検知電極の接続電極部
４０１  導電性高分子からなる電解変位部
４０２  電解質部
４０３  制御電極
４０４  対向制御電極
５０１  導電性高分子からなる電解変位部Ａ
５０１‘  導電性高分子からなる電解変位部Ｂ
５０２  電解質部
５０３  制御電極Ａ
５０３‘  制御電極Ｂ
【図１】
2006129541.tif 000003
【図２】
2006129541.tif 000004
【図３】
2006129541.tif 000005
【図４】
2006129541.tif 000006
【図５】
2006129541.tif 000007
【図６】
2006129541.tif 000008
【図７】
2006129541.tif 000009
【図８】
2006129541.tif 000010
【図９】
2006129541.tif 000011
【図１０】
2006129541.tif 000012
【図１１】
2006129541.tif 000013
【図１２】
2006129541.tif 000014
【図１３】
2006129541.tif 000015
【図１４】
2006129541.tif 000016
【図１５】
2006129541.tif 000017
【図１６】
2006129541.tif 000018
【図１７】
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