(57)【要約】酸化還元反応により一方が膨張し、他方が収縮する二つの導電性高分子膜（２ａ，３ａ）を、一方の収縮方向変位を他方の膨張方向変位に相互変換するリンク機構（３０）により接続することで、一方の導電性高分子膜の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜の圧縮方向の駆動力によって発生させることができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質托体層を介して接続される第１導電性高分子膜と第２導電性高分子膜と、
上記第１導電性高分子膜に接続された第１変位取出部材と、
上記第２導電性高分子膜に接続された第２変位取出部材とを備え、
上記第１変位取出部材の変位方向と上記第２変位取出部材の変位方向が異なるように配置されるとともに、上記第１及び第２変位取出部材が、一方の膨張方向変位を他方の収縮方向変位に相互変換するように接続されて、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の間に電位差を与えることで、酸化還元反応により上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の一方が膨張し、他方が収縮する導電性高分子アクチュエータ。
【請求項２】
上記第１及び第２変位取出部材の接続が、リンク機構を介した接続である請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項３】
上記第１及び第２変位取出部材の接続が、それぞれの変位方向と異なる角度をなす部位における相互接続である請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項４】
上記第１及び第２変位取出部材の接続が、弾性体を介した接続である請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項５】
上記第１変位取出部材は上記第１導電性高分子膜のそれぞれの端部を保持しかつ電気的接続されるとともに、上記第２変位取出部材は上記第２導電性高分子膜のそれぞれの端部を保持しかつ電気的接続され、
上記リンク機構は、隣接する上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材と同士を同じ長さの連結部材で連結して、上記連結部材により平行リンク機構を構成している請求項２に記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項６】
上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が、厚み方向に交互に配置されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項７】
上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が、平行に配置されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項８】
上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が等間隔に配置されている請求項７に記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項９】
上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材の変位方向が、それぞれ上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の長手方向と等しい請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項１０】
上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材の変位方向が、直交している請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項１１】
上記第１変位取出部材及び上記第２変位取出部材のどちらかもしくは両方が、それぞれの変位取出部材の変位方向にのみ移動可能なガイド機構と接続されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項１２】
ロボットアームと、
請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータを２本１組の拮抗筋構造として構成された、上記ロボットアームの一対の駆動部とを備えるロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、圧縮方向に対する剛性及び伸張方向に対する駆動力を有する導電性高分子アクチュエータ及びそれを用いるロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】  家庭用ロボットなど人間に近い場所において動作する機械に対する要求の高まりに伴い、人間の筋肉のようにしなやかな動作をする人工筋肉アクチュエータへの期待も大きくなっている。人工筋肉アクチュエータの候補として、これまでに様々な方式のアクチュエータが提案されているが、その中の一つとして、導電性高分子を用いたアクチュエータが提案されている。【０００３】  導電性高分子を用いた人工筋肉アクチュエータの一例としては、図１１Ａ，図１１Ｂ，図１１Ｃに示すようなたわみ変形を発生させるアクチュエータが提案されている。このアクチュエータは、導電性高分子膜であるポリアニリン膜体２１ａ、２１ｂで固体電解質成形体２２を挟み込む構造となっている。スイッチ９８をオンすることで、電源９７において設定された電位差がポリアニリン膜体２１ａ、２１ｂ間に与えられ、図１１Ｂに示されるように、一方のポリアニリン膜体２１ｂ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２１ａからは陰イオンが離脱して縮小し、結果としてたわみ変形が発生するようになる（例えば、特許文献１（特開平１１−１６９３９３号公報）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たわみ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、両電極の変形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、変位を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で変位が増加することも示されている（例えば、非特許文献１（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４６９５の８〜１６ページ）参照）。【０００５】  このような導電性高分子アクチュエータは、２〜３Ｖの低電圧で筋肉に匹敵するような歪みを発生することから、人工筋肉としての実用化が期待されている。【０００６】  しかし、導電性高分子を伸縮変形を行うアクチュエータとして用いる場合には、導電性高分子が膜状であることから、そのままでは伸張方向への駆動力や圧縮方向への剛性を持つことはできない。その対策として、バネによる予圧を導電性高分子膜の伸張方向へ加えることで両方向への駆動力や剛性を発生させる方法が非特許文献１（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４６９５の８〜１６ページ）に示されている。また、非特許文献２（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４１，Ｐａｒｔ  １，Ｎｏ．１２の７５３２〜７５３６ページ）には重りによる予圧を加えても同様の効果を得る方法が示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  しかしながら、前述した構成で伸縮変形を行うアクチュエータを構成した場合にも課題がある。バネによる予圧を加えた構成では、十分な剛性や駆動力を得るためには剛性の高いバネが必要となり、この場合には、収縮方向変位は減少することになる。【０００８】  一方、重りによる予圧を加えた構成では、重力方向の影響を受けるとともに、重りの質量が動特性に影響を与えるといった問題点がある。【０００９】  従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、予圧を必要とせずに伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つことができる導電性高分子アクチュエータ及びそれを用いるロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】  上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。【００１１】  本発明の第１態様によれば、電解質托体層を介して接続される第１導電性高分子膜と第２導電性高分子膜と、
上記第１導電性高分子膜に接続された第１変位取出部材と、
上記第２導電性高分子膜に接続された第２変位取出部材とを備え、
上記第１変位取出部材の変位方向と上記第２変位取出部材の変位方向が異なるように配置されるとともに、上記第１及び第２変位取り出し部材が、一方の膨張方向変位を他方の収縮方向変位に相互変換するリンク機構により接続されて、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の間に電位差を与えることで、酸化還元反応により上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の一方が膨張し、他方が収縮する導電性高分子アクチュエータを提供する。
【発明の効果】
【００１２】  よって、本発明によれば、予圧を必要とせずに、伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。すなわち、本発明によれば、酸化還元反応により一方が膨張し、他方が収縮する二つの導電性高分子膜を、一方の収縮方向変位を他方の膨張方向変位に相互変換するリンク機構により接続することで、一方の導電性高分子膜の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜の圧縮方向の駆動力によって発生させることができる。更に、一方の導電性高分子膜の圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子膜の伸張方向の剛性によって受けることできるようになり、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つアクチュエータが得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】  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１］図１は、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す斜視図であり、
［図２Ａ］図２Ａは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図であり、
［図２Ｂ］図２Ｂは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図であり、
［図２Ｃ］図２Ｃは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図であり、
［図３Ａ］図３Ａは、本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図であり、
［図３Ｂ］図３Ｂは、本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図であり、
［図３Ｃ］図３Ｃは、本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図であり、
［図４Ａ］図４Ａは、本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図であり、
［図４Ｂ］図４Ｂは、本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図であり、
［図４Ｃ］図４Ｃは、本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図であり、
［図５］図５は、本発明の第４実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す斜視図であり、
［図６］図６は、本発明の第４実施形態による人工筋肉アクチュエータの別の構成についての概略を示す斜視図であり、
［図７］図７は、本発明の第５実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す斜視図であり、
［図８Ａ］図８Ａは、本発明の第５実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す一部断面上面図であり、
［図８Ｂ］図８Ｂは、本発明の第５実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す一部断面上面図であり、
［図８Ｃ］図８Ｃは、本発明の第５実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す一部断面上面図であり、
［図９］図９は、本発明の第５実施形態における人工筋肉アクチュエータを用いたロボットアームの概略図であり、
［図１０Ａ］図１０Ａは、本発明の第５実施形態における人工筋肉アクチュエータを用いたロボットハンドの一部である指部の概略図であり、
［図１０Ｂ］図１０Ｂは、本発明の第５実施形態における人工筋肉アクチュエータを用いたロボットハンドの一部である指部の概略図であり、
［図１１Ａ］図１１Ａは、従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図であり、
［図１１Ｂ］図１１Ｂは、従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図であり、
［図１１Ｃ］図１１Ｃは、従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図であり、
［図１２Ａ］図１２Ａは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図であり、
［図１２Ｂ］図１２Ｂは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図であり、
［図１２Ｃ］図１２Ｃは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図であり、
［図１２Ｄ］図１２Ｄは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図であり、
［図１２Ｅ］図１２Ｅは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図であり、
［図１２Ｆ］図１２Ｆは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。【００１５】  以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。【００１６】  本発明の第１態様によれば、電解質托体層を介して接続される第１導電性高分子膜と第２導電性高分子膜と、
上記第１導電性高分子膜に接続された第１変位取出部材と、
上記第２導電性高分子膜に接続された第２変位取出部材とを備え、
上記第１変位取出部材の変位方向と上記第２変位取出部材の変位方向が異なるように配置されるとともに、上記第１及び第２変位取出部材が、一方の膨張方向変位を他方の収縮方向変位に相互変換するように接続されて、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の間に電位差を与えることで、酸化還元反応により上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の一方が膨張し、他方が収縮する導電性高分子アクチュエータを提供する。【００１７】  このような構成によれば、一方の導電性高分子膜の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜の圧縮方向の駆動力によって発生させることができる。更に、一方の導電性高分子膜の圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子膜の伸張方向の剛性によって受けることできるようになり、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００１８】  本発明の第２態様によれば、上記第１及び第２変位取出部材の接続が、リンク機構を介した接続である第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。【００１９】  このような構成によれば、変位取出節部材の変位はリンク機構により容易に相互変換されることになり、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００２０】  本発明の第３態様によれば、上記第１及び第２変位取出部材の接続が、それぞれの変位方向と異なる角度をなす部位における相互接続である第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。【００２１】  このような構成によれば、隣り合う二つの変位取出部材における、変位方向と異なる角度をなす部位同士の面方向の相対運動に伴い、変位取出部材の変位が相互変換されるようになるので、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ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４態様によれば、上記第１及び第２変位取出部材の接続が、弾性体を介した接続である第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。【００２３】  このような構成によれば、弾性力のために変位は減少するものの、一方の導電性高分子膜の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜の圧縮方向の駆動力によって発生させることができる。更に、一方の導電性高分子膜の圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子膜の伸張方向の剛性によって受けることできるようになり、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ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５態様によれば、上記第１変位取出部材は上記第１導電性高分子膜のそれぞれの端部を保持しかつ電気的接続されるとともに、上記第２変位取出部材は上記第２導電性高分子膜のそれぞれの端部を保持しかつ電気的接続され、
上記リンク機構は、隣接する上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材と同士を同じ長さの連結部材で連結して、上記連結部材により平行リンク機構を構成している第２の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。【００２５】  本発明の第６態様によれば、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が、厚み方向に交互に配置されている第１〜５のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。【００２６】  このような構成によれば、第１導電性高分子膜の両面は第２導電性高分子膜に対向し、同様に第２導電性高分子膜の両面は第１導電性高分子膜に対向するようになるので、高密度に多層化した導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００２７】  本発明の第７態様によれば、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が、平行に配置されている第１〜６のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。【００２８】  このような構成によれば、隣り合う導電性高分子膜間の距離が一定になるので、導電性高分子膜の同一面における反応のばらつきが減少し、より安定した出力の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８態様によれば、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が等間隔に配置されている第７の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。【００３０】  このような構成によれば、隣り合う導電性高分子膜間の距離を全て最小限にすることができ、より高密度に多層化した導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００３１】  本発明の第９態様によれば、上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材の変位方向が、それぞれ上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の長手方向と等しい第１〜８のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。【００３２】  このような構成によれば、導電性高分子膜の膨張収縮により発生する伸縮が最も大きくなる方向を用いることになるので、アクチュエータ内部における不要な歪みの少ない導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００３３】  本発明の第１０態様によれば、上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材の変位方向が、直交している第１〜９のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。【００３４】  このような構成によれば、荷重方向や変位方向の変換を行う際に無用のモーメントを発生させることが無くなるので、導電性高分子膜の剛性や発生力を無駄なく利用した導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００３５】  本発明の第１１態様によれば、上記第１変位取出部材及び上記第２変位取出部材のどちらかもしくは両方が、それぞれの変位取出部材の変位方向にのみ移動可能なガイド機構と接続されている第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。【００３６】  このような構成によれば、ガイド機構により目的とする方向以外の変位が抑制されるので、駆動力が変位方向のみに対して作用する導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００３７】  本発明の第１２態様によれば、ロボットアームと、
第１〜５態様のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータを２本１組の拮抗筋構造として構成された、上記ロボットアームの一対の駆動部とを備えるロボットを提供する。【００３８】  このような構成によれば、上記した種々の効果を奏することができる導電性高分子アクチュエータを２本１組の拮抗筋構造の駆動部として、上記ロボットアームに適用することができる。この結果、多自由度を生かし、人間の腕のようにしなやかな動きをするロボットアームが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットアームを実現することができる。【００３９】  以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。【００４０】  （第１実施形態）
図１は、本発明にかかる第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１の概略を示した斜視図である。また図２Ａ〜図２Ｃにその上面図を示す。【００４１】  図１において、２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃは酸化還元反応に伴って膨張収縮変形する導電性高分子製の矩形たとえば長方形の伸縮体である膜状の伸縮板である。導電性高分子膜である伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃを構成する導電性高分子としては、ポリピロール、ポリアニリン、又はポリメトキシアニリン等が利用可能だが、ポリピロールは変位が大きい点で望ましい。また、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの厚みはそれぞれ数十μｍ程度であるのが望ましい。それより薄いと強度的に弱く、それより厚いと導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの内部まで十分にイオンが出入りできなくなるので望ましくない。【００４２】  導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃは電解質托体層の一例であるゲル状電解質４ａ〜４ｆを介して交互に積層配置されている。ゲル状電解質４ａ〜４ｆの厚みは数十μｍ〜数ｍｍ程度が望ましく、これより厚いと、導電性高分子の伸縮板を密に配置することができず、アクチュエータの発生力が低下する。一方、薄すぎると、ゲル状電解質中に含まれるイオンが少なくなり、アクチュエータの変位が減少するようになる。導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃはそれぞれ、全く同一形状、厚み、材料で構成されて、平行かつ等間隔で配置されており、位相は９０度異なって長手方向が互いに直交するように配置されている。また、ゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆも、それぞれ、全く同一形状、厚み、材料で構成されて、平行かつ等間隔で配置されている。ゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆの大きさは、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄと伸縮板３ａ〜３ｃとが互いに直交するように配置されたとき伸縮板２ａ〜２ｄと伸縮板３ａ〜３ｃとが重なり合う部分の大きさとほぼ同じにしている。よって、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃ及びゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆは、それぞれの中心軸が大略同一で、かつ、図において、上から下向きに、導電性高分子の伸縮板２ａ、ゲル状電解質の電解質托体層４ａ、導電性高分子の伸縮板３ａ、ゲル状電解質の電解質托体層４ｂ、導電性高分子の伸縮板２ｂ、ゲル状電解質の電解質托体層４ｃ、導電性高分子の伸縮板３ｂ、ゲル状電解質の電解質托体層４ｄ、導電性高分子の伸縮板２ｃ、ゲル状電解質の電解質托体層４ｅ、導電性高分子の伸縮板３ｃ、ゲル状電解質の電解質托体層４ｆ、導電性高分子の伸縮板２ｄの順に配置されている。このように配置することで、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃにおける反応のばらつきが減少するようになる。また、隣り合う導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの間隔が等しいことから、無駄なく積層することが可能になり、高密度に実装することができるようになる。【００４３】  導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄは、その両端をそれぞれ変位取出部材の一例である金属構造体５ａ、５ｂによって保持されかつ電気的に接続されている。同様に、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃは、その両端をそれぞれ変位取出部材の��例である金属構造体５ｃ、５ｄによって保持されかつ電気的に接続されている。金属構造体によって導電性高分子の伸縮板を保持する方法としては、金属構造体５ａ〜５ｄをそれぞれ複数の金属ブロックで構成し、その金属ブロックの間に導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃを挟んだ状態で金属ブロックを一体化して金属構造体とするなどの方法がある。金属ブロック同士を一体化する方法としては、ネジ止め、溶接、圧着、又は接着等が利用できる。金属構造体および金属ブロックの材質としては、白金、チタン、ニッケル、又はステンレス等の金属が利用可能であるが、ステンレスは安価な点で望ましい。【００４４】  金属構造体５ａ、５ｂの変位方向は、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの長手方向と等しく、金属構造体５ｃ、５ｄの変位方向は、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの長手方向と等しくなっており、金属構造体５ａ、５ｂと金属構造体５ｃ、５ｄのそれぞれの変位方向は互いに直交するように配置されている。金属構造体５ａ、５ｂと金属構造体５ｃ、５ｄのそれぞれを変位させることを考えると、金属構造体５ａ、５ｂと金属構造体５ｃ、５ｄのそれぞれの変位方向と異なる方向に対する導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの変形は、不要な歪みの原因となるため望ましくない。そこで、金属構造体５ａ〜５ｄの変位方向が導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの変形が最も大きくなる方向言い換えれば伸縮方向を用いることで、アクチュエータ内部における不要な歪みが少なくなるようにしている。【００４５】  金属構造体５ａ〜５ｄは、それらの上面の中心において、ピン２０により、それぞれ同じ長さの絶縁性の連結部材の一例としての連結棒６ａ〜６ｄで回動自在に接続され、連結棒６ａ〜６ｄは平行四辺形の枠を構成するように組み合わされて４節リンク機構３０が構成されている。金属構造体５ａ〜５ｄの裏面（図の金属構造体５ａ〜５ｄの下面側）にも同様に、それらの下面の中心において、ピン２０により、それぞれ同じ長さの絶縁性の別の連結棒６ａ〜６ｄで別のリンク機構３０が設けられている。このような構成にすることで、荷重方向や変位方向の変換を行う際に無用のモーメントを発生させることが無く、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの剛性や発生力を無駄なく利用することができるようになる。【００４６】  また、金属構造体５ａに接続された配線は、電源７の一方の極に接続されている。電源７の他方の極には、スイッチ８を介して金属構造体５ｃが接続されている。【００４７】  次に、この人工筋肉アクチュエータ１の作用を説明する。【００４８】  導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃが収縮する原因としては、アニオン（陰イオン）の出入り、カチオン（陽イオン）の出入り、高分子構造の変化等があるが、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃによる動作原理の説明では、ポリピロールなどの材料系においてアニオンのドープ、アンドープが主たる変形のメカニズムとされていることから、アニオンの出入りについて述べることにする。【００４９】  図２Ａはスイッチオフの状態で導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃに電圧を印加していない状態を示し、図２Ｂは導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄに正��電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに負の電位を印加した場合を示している。また、図２Ｃは導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄに負の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに正の電位を印加した場合を示している。【００５０】  図２Ａと図２Ｂと図２Ｃのイオンの動き様子を示したものが図１２Ａ〜図１２Ｆである。すなわち、図１２Ａ，図１２Ｂと図１２Ｃ，図１２Ｄと図１２Ｅ，図１２Ｆはそれぞれ図２Ａと図２Ｂと図２Ｃに対応している。それぞれ図１２Ａ，図１２Ｃ，図１２Ｅが導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの長手方向の変位を示した図であり、図１２Ｂ，図１２Ｄ，図１２Ｆが先の図１２Ａ、図１２Ｃ、図１２Ｅとは９０度位相が異なる導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの長手方向の変位を示した図である。これらの図のように、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃのそれぞれは、アニオンが内部に入り込むことで伸張し、アニオンが内部から放出されることで収縮するようになる。具体的には以下のようになる。【００５１】  まず、図２Ａ及び図１２Ａ，図１２Ｂの電圧無印加のスイッチオフの状態から、図２Ｂ及び図１２Ｃ，図１２Ｄに示すように導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃに電位が印加されると、電圧無印加時にゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆにそれぞれ均質に存在したアニオンが、正電極側の導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ側に引き寄せられ、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの内部に入り込むようになる。この酸化過程に伴って導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄが長手方向沿いに一斉に伸長する。一方、負電極側の導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃ側からは、内部に存在したアニオンがゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆに放出される。この還元過程に伴って導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃが長手方向沿いに収縮する。これらの伸長及び収縮の結果、上記リンク機構３０の連結棒６ａ〜６ｄは、電圧無印加時には正方形を呈していたのが、図２Ｂに示されるように縦長の平行四辺形を呈するようになる。【００５２】  導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃは膜状の物質なので、伸張方向に駆動力を発生させることはできないが、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの収縮が、４本の連結棒６ａ〜６ｄによって構成される４節平行リンク機構３０により導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの伸張方向（すなわち、図２Ｂの上下方向）に変換されるために、人工筋肉アクチュエータ１は導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの伸張方向へ変形し、駆動力を発生するようになる。【００５３】  また、図２Ｃ及び図１２Ｅ，図１２Ｆは導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄに負の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに正の電位を印加した場合を示している。図２Ｂの場合とは逆に、電圧無印加時にゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆに均質に存在したアニオンが、正電極側の導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃ側に引き寄せられ、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃ内部に入り込むようになる。この酸化過程に伴って導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃが伸長する。一方、負電極側の導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ側からは、内部に存在したアニオンがゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆに放出される。この還元過程に伴って導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄが収縮する。これらの伸長及び収縮の結果、上記リンク機構３０の連結棒６ａ〜６ｄは、電圧無印加時には正方形を呈していたのが、図２Ｃに示されるように横長の平行四辺形を呈するようになる。【００５４】  導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの収縮は、４本の連結棒６ａ〜６ｄによって構成される４節平行リンク機構３０により導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの伸張方向（すなわち、図２Ｃの左右方向）に変換されるが、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃは伸張しているので、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの収縮を妨げることはなく、人工筋肉アクチュエータ１は導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの収縮方向（すなわち、図２Ｃの左右方向）へ変形し、駆動力を発生するようになる。【００５５】  逆に、アクチュエータ１に対して導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの収縮方向（すなわち、図２Ｃの上下方向）への外力が加わった場合、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄは収縮方向への剛性を持たないものの、その外力は連結棒６ａ〜６ｄによって構成される４節リンク機構３０を介して導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの伸張方向（すなわち、図２Ｃの左右方向）の剛性によって受け止められることになる。また、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの伸張方向への外力については、そのまま導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの剛性によって受け止められることになる。【００５６】  以上のように、第１実施形態によれば、上記第１導電性高分子膜である伸縮体２ａ〜２ｄに接続された上記第１変位取出部材の金属構造体５ａ、５ｂの変位方向と、上記第２導電性高分子膜である伸縮体３ａ〜３ｃに接続された上記第２変位取出部材の金属構造体５ｃ、５ｄの変位方向が異なるように配置されるとともに、上記第１及び第２変位取出部材の金属構造体５ａ、５ｂ及び５ｃ、５ｄが、一方の膨張方向変位を他方の収縮方向変位に相互変換するように連結棒６ａ〜６ｄによって構成される４節リンク機構３０を備えるようにしている。このように構成することで、酸化還元反応により一方が膨張し、他方が収縮する二種類の導電性高分子膜２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｃを、一方の導電性高分子膜の収縮方向変位を他方の導電性高分子膜の膨張方向変位に相互変換するリンク機構３０により接続することができて、一方の導電性高分子膜の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜の圧縮方向の駆動力によって発生させることができる。すなわち、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの収縮方向への変形は４節リンク機構３０により導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの伸張方向への変形に相互変換されるとともに、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの伸張方向への変形も４節リンク機構３０により導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの収縮方向への変形に相互変換されることから、一方の導電性高分子膜である伸縮体２ａ〜２ｄ又は３ａ〜３ｃの伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜である伸縮体３ａ〜３ｃ又は２ａ〜２ｄの圧縮方向の駆動力によって発生させることができるようになる。更に、一方の導電性高分子膜である伸縮体２ａ〜２ｄ又は３ａ〜３ｃの圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子膜である伸縮体３ａ〜３ｃ又は２ａ〜２ｄの伸張方向の剛性によって受けることできるようになるので、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００５７】  なお、第１実施形態では、変位取出部材５ａ、５ｂと５ｃ、５ｄによって導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃをそれぞれ挟み込んで保持する方法について説明したが、保持方法はこれに限定されるものではなく、導電性高分子の伸縮板に設けた穴部に変位取出部材を挿入することで保持を行っても良い。また、導電性高分子の伸縮板を折り返して環状にした部分に変位取出部材を挿入したり、変位取出部材に設けた穴部に導電性高分子の伸縮板を通した後で抜け防止のためのストッパーを装着するなど、変位取出部材の伸張方向への移動もしくは導電性高分子の伸縮板の収縮に対しての保持のみを行っても良い。また、第１実施形態では、両面にリンク機構３０を設けているが、これは必ずしも両面である必要はなく、片面であっても良い。更に、連結棒６ａ〜６ｄも必ずしも絶縁性である必要はなく、電源７の両極が短絡しなければよいので、変位取出部材５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとの連結部に絶縁性を持たせてもよい。変位取出部材についても、必ずしも金属体である必要はなく、電源７と導電性高分子の伸縮板を接続するための配線部を備えていればよい。また、配線を直接導電性高分子の伸縮板に接続して変位取出部材との接続を無くしても良い。これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。【００５８】  （第２実施形態）
図３Ａ〜図３Ｃは、本発明にかかる第２実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１Ｂの概略を示した上面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。【００５９】  第２実施形態では、第１実施形態における連結棒６ａ〜６ｄによって構成された４節リンク機構３０の代わりに、変位取出部材の一例である金属構造体５ａ〜５ｄの端部が互いに接触するように配置されている。各接触面には、絶縁性の板状の摺動部材９ａ〜９ｈが設けられている。すなわち、金属構造体５ａの両側部の接触面にはそれぞれ摺動部材９ａと９ｂが固定され、金属構造体５ｂの両側部の接触面にはそれぞれ摺動部材９ｃと９ｄが固定され、金属構造体５ｃの両側部の接触面にはそれぞれ摺動部材９ｅと９ｆが固定され、金属構造体５ｄの両側部の接触面にはそれぞれ摺動部材９ｇと９ｈが固定されている。よって、金属構造体５ａと金属構造体５ｃとの間では摺動部材９ａと摺動部材９ｅとが摺動可能に対向し、金属構造体５ｃと金属構造体５ｂとの間では摺動部材９ｆと摺動部材９ｃとが摺動可能に対向し、金属構造体５ｂと金属構造体５ｄとの間では摺動部材９ｄと摺動部材９ｇとが摺動可能に対向し、金属構造体５ｄと金属構造体５ａとの間では摺動部材９ｈと摺動部材９ｂとが摺動可能に対向している。摺動部材９ａ〜９ｈのそれぞれとしては、フッ素樹脂などが低摩擦特性、耐薬品性などを備える点で望ましい。接触面の角度は、金属構造体５ａ〜５ｄの変位方向と異なる角度（例えば、変位方向とは４５度傾斜した角度）となっており、人工筋肉アクチュエータ１Ｂに対して導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の収縮方向への外力が加わった場合、導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２に伸張方向の変位が発生するようになっている。これにより、加わった外力は導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の剛性によって受け止められることになる。また、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２に正の電圧が加わって伸張する場合には、同時に導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２には負の電圧が加わって収縮するようになるので、金属構造体５ａ、５ｂは、金属構造体５ｃ、５ｄが導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の収縮方向に変位するのに伴って、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の伸張方向に変位するようになる。導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃについては、第２実施形態では、第１実施形態における導電性高分子２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃをそれぞれ２つに分割した状態となっている、すなわち、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃはそれぞれ二枚の並列配置された伸縮板２ａ−１、２ａ−２、２ｂ−１、２ｂ−２、２ｃ−１、２ｃ−２、２ｄ−１、２ｄ−２、３ａ−１、３ａ−２、３ｂ−１、３ｂ−２、３ｃ−１、３ｃ−２より構成されるようになっているが、このようにすることで、より変位方向と異なる方向に対する膨張を抑制することができるようになる。分割については、２分割に限定されるものではなく、必要に応じて更に細かく分割しても良いし、分割しなくても良い。また、図３Ａ〜図３Ｃでは導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２���間及び伸縮板３ａ−１、３ａ−２の間に隙間をそれぞれ設けているが、この隙間については無くても問題はない。【００６０】  以上のように、第２実施形態によれば、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の収縮方向への変形は導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の伸張方向への変形に相互変換されるとともに、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の伸張方向への変形も導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の収縮方向への変形に相互変換されることから、一方の導電性高分子膜である伸縮板の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜である伸縮板の圧縮方向の駆動力によって発生させることができるようになる。更に、一方の導電性高分子膜である伸縮板の圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子膜である伸縮板の伸張方向の剛性によって受けることできるようになるので、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００６１】  なお、第２実施形態では、変位取出部材である金属構造体５ａ〜５ｄの端部に摺動部材９ａ〜９ｈを設けているが、これは球状、円柱状などの転がり接触を実現する部材であっても良い。また、変位取出部材は必ずしも金属体である必要はなく、電源７と導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃを接続するための配線部を備えていればよい。更に、変位取出部材をフッ素樹脂などとすることで、摺動部材を用いずに直接接触させても良い。【００６２】  また、変位取出部材を相互接続させる方法は、接触に限定されるものではなく、非接触な物理的作用による相互接続であってもよい。このような物理的作用として、磁石の反発力や、静電反発力等が利用可能である。【００６３】  これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。【００６４】  （第３実施形態）
図４Ａ〜図４Ｃは、本発明にかかる第３実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１Ｃの概略を示した上面図である。なお、前述した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。【００６５】  第３実施形態では、第１実施形態における連結棒６ａ〜６ｄによって構成された４節リンク機構３０の代わりに、絶縁性の弾性体の一例としての１つの弾性体リング１０によって金属構造体５ａ〜５ｄが連結されている。具体的には、１つの弾性体リング１０とそれぞれの金属構造体５ａ〜５ｄの上面の例えば中央部とがピン１９により固定されている。人工筋肉アクチュエータ１Ｃに対して導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の収縮方向への外力が加わった場合、弾性体リング１０は外力の方向に縮むと同時に導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の伸張方向に伸びるようになる。これにより、加わった外力は導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の剛性によって受け止められることになる。また、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２に正の電圧が加わって伸張する場合には、同時に導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２には負の電圧が加わって収縮するようになるので、金属構造体５ａ、５ｂは、金属構造体５ｃ、５ｄが導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の収縮方向に変位するのに伴って、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の伸張方向に変位するようになる。【００６６】  以上のように、第３実施形態によれば、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の収縮方向への変形は導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の伸張方向への変形に相互変換されるとともに、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の伸張方向への変形も導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の収縮方向への変形に相互変換されることから、一方の導電性高分子の伸縮板の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子の伸縮板の圧縮方向の駆動力によって発生させることができるようになる。更に、一方の導電性高分子の伸縮板の圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子の伸縮板の伸張方向の剛性によって受けることできるようになるので、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００６７】  なお、第３実施形態において、弾性体リングは必ずしも絶縁性である必要はなく、電源７の両極が短絡しなければよいので、変位取出部材との連結部に絶縁性を持たせても良いし、変位取出部材を絶縁性としても良い。これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。【００６８】  （第４実施形態）
図５は、本発明にかかる第４実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１Ｄの概略を示した斜視図である。なお、前述した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。【００６９】  第４実施形態では、第１実施形態にガイド機構１８を付加した構造となっている。金属構造体５ｂ−１は大略Ｈ形状の金属板体より構成され、上面側及び下面側のそれぞれ突出した凸部には、丸棒状のガイドレール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの各一端がそれぞれ固定されている。金属構造体５ａ−１は、金属構造体５ｂ−１とほぼ同じ大きさの大略Ｈ形状の金属板体より構成され、上面側及び下面側のそれぞれの突出した凸部には、丸棒状のガイドレール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの各他端側がそれぞれ貫通し軸受（図示せず）を介して保持されている。金属構造体５ｃ−１は、金属構造体５ｂ−１，５ａ−１より大きな大略Ｈ形状の金属板体より構成され、上面側及び下面側のそれぞれ突出した凸部には、丸棒状のガイドレール１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈの各一端がそれぞれ固定されている。金属構造体５ｄ−１は、金属構造体５ｂ−１，５ａ−１より大きな大略Ｈ形状の金属板体より構成され、上面側及び下面側のそれぞれ突出した凸部には、丸棒状のガイドレール１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈの各一端がそれぞれ貫通し軸受（図示せず）を介して保持されている。よって、ガイドレール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの外側にこれらと直交するように、ガイドレール１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈが配置されている。それぞれのリンク機構３０は、ガイドレール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの内側に配置され、それぞれのリンク機構３０の連結棒６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの移動動作はそれぞれの凸部に接触せず上記動作が妨げられることがないようにしている。ガイドレール１１ａ〜１１ｄの方向は、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの伸縮方向と等しく、ガイドレール１１ｅ〜１１ｈの方向は、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの伸縮方向と等しくなっている。このようにガイド機構１８を構成することにより、金属構造体５ａ−１、５ｂ−１、５ｃ−１、５ｄ−１が変位する方向が限定されるようになる。すなわち、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃにおける伸縮のばらつきや、各部材における誤差などの要因により、金属構造体５ａ−１、５ｂ−１、５ｃ−１、５ｄ−１に対して所定の変位方向と異なる方向への駆動力が加わっても、金属構造体５ａ−１、５ｂ−１、５ｃ−１、５ｄ−１は導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの伸縮方向にのみ変位するようになる。【００７０】  以上のように、第４実施形態によれば、第１実施形態と同様に予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持ちつつ、変位取出部材の変位方向や駆動力の方向が導電性高分子の発生する変位のばらつきや構造における誤差による影響を受けない導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００７１】  なお、第４実施形態においては、ガイドレール１１ａ〜１１ｄ、１１ｅ〜１１ｈの本数を一方向当たり４本としたが、必ずしも４本である必要はなく、１本以上であればよい。また、ガイドを２方向に設けているが、これは図６に示すように金属構造体５ａ−１、５ｂ−１にのみガイドレール１１ａ〜１１ｄを設けてガイドを１方向だけにしても良い。更に、ガイドは必ずしもガイドレールである必要はなく、各種リニアガイドが利用可能である。これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。【００７２】  （第５実施形態）
図７は、本発明にかかる第５実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１Ｅの概略を示した斜視図である。また図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃにそれぞれその断面図を示す。すなわち、図８Ａはスイッチオフの状態で導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂ、３ａ〜３ｃに電圧を印加していない状態を示し、図８Ｂは導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂに負の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに正の電位を印加した場合を示している。また、図８Ｃは導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂに正の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに負の電位を印加した場合を示している。なお、前述した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。【００７３】  図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃはそれぞれにおいて、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂ、３ａ〜３ｄ、変位取出部材の別の例としての矩形の金属板５ａ〜５ｄは、直方体箱状のケース１２、矩形板状のフタ１３によって囲まれた密閉空間を満たす電解質托体層の別の例である電解液１４の液中の大略中央部に配置されている。電解液１４としては、ＮａＰＦ６、若しくはＴＢＡＰＦ６などの電解質を水、も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や、ＢＭＩＰＦ６などのイオン性液体が利用可能である。アニオンとしてＰＦ６を含む電解質は、導電性高分子であるポリピロールとの組み合わせで大きな変位が得られることから望ましい。４つの変位取出部材５ａ〜５ｄのうちの変位取出部材５ａは、フタ１３と一体となるようにフタ１３の内面に固定されている。【００７４】  変位取出部材５ｂには、ロッド１５が接続されており、ロッド１５は、ケース１２に設けられたシール部材１６ａを貫通して、ケース１２の外部に突出している。変位取出部材５ａに接続された配線は、フタ１３に備えられたシール部材１６ｂを経て電源７の一方の極に接続されている。電源７の他方の極には、スイッチ８を介して変位取出部材５ｃが接続されている。スイッチ８と変位取出部材５ｃを接続する配線は、フタ１３に備えられたシール部材１６ｃを通して、ケース１２、フタ１３によって囲まれた空間の内外を接続している。【００７５】  この結果、図８Ａのスイッチオフの状態から、図８Ｂに示すように、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂに負の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに正の電位を印加した場合には、４節リンク機構３０が上下方向に伸び左右方向に縮んで、変位取出部材５ｂが図８Ａよりも図８Ｂの左方向に移動するため、ロッド１５がケース１２内に入り込む。逆に、図８Ｃに示されるように、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂに正の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに負の電位を印加した場合には、４節リンク機構３０が左右方向に伸び上下方向に縮んで、変位取出部材５ｂが図８Ａよりも図８Ｂの右方向に移動するため、ロッド１５がケース１２内から出る。【００７６】  このように構成することで、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持ちつつ、変位取出部材５ａ〜５ｄの変位方向や駆動力の方向が導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂ、３ａ〜３ｄの発生する変位のばらつきや構造における誤差による影響を���けないという第１実施形態と同様の特徴を持ちつつ、保持が容易なプッシュ・プルタイプの導電性高分子アクチュエータを得ることができる。【００７７】  なお、第５実施形態においては、電解質托体層を電解液１４としたが、前述の実施形態と同様にゲル状電解質４ａ、４ｂなどとしても良い。これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。【００７８】  また、第５実施形態における人工筋肉アクチュエータ１Ｅを複数本用いたロボットアームの構成例を図９に示す。人工筋肉アクチュエータ１ａ〜１ｈを２本１組として拮抗筋構造として各ロボットアームの一対の駆動部を構成する。各ロボットアームの一対の駆動部のうちの一方の駆動部を伸張、他方の駆動部を収縮することで、また、それらとは逆に動作させることで、ロボットアームの一対の駆動部が連結された軸１０１〜１０４に正逆回転運動を発生させることができる。具体的には、図９の構成では、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂの伸張及び収縮動作によって上下軸１０１が正逆回転し、以下同様に、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄの伸張及び収縮動作によって軸１０２が、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆの伸張及び収縮動作によって軸１０３が、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈの伸張及び収縮動作によって軸１０４がそれぞれ正逆回転するようになっている。【００７９】  詳しくは、４自由度のロボットアームは、固定壁３０１に対して、上下方向軸沿いに横方向沿いの平面内で正逆回転する第１関節の上下軸１０１と、上下方向沿いの平面内で正逆回転する第２関節の軸１０２と、第２腕３０８と第１腕３１１との間で相互に正逆回転とする第３関節の軸１０３と、第１腕３１１と手３１３との間で相互に正逆回転とする第４関節の軸１０４とより構成されている。【００８０】  第１関節１０１では、上下端部が軸受け３０４と３０５で回転自在にかつ上下方向沿いに支持された回転軸３０３の上端部の両側に円形支持体３０２，３０２が回転自在に連結され、かつ、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ（ただし、人工筋肉アクチュエータ１ｂは人工筋肉アクチュエータ１ａの背後に配設されるため図示せず。）の各一端部が固定壁３０１に連結されるとともに各他端部が上記各円形支持体３０２の支持軸１０２（第２関節の軸１０２）に連結されている。よって、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂの拮抗駆動により、第１関節の上下軸１０１回りに横方向沿いの平面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転運動させることができる。なお、上側の軸受け３０５は支持棒３０６で固定壁３０１に支持されている。【００８１】  第２関節では、回転軸３０３の両側に固定された２つの円形支持体３０２，３０２に、第２腕用リンク３０８の一端が固定されている。第２腕用リンク３０８の円形支持体３０２，３０２と、回転軸３０３の一端に直交して固定された支持体３０７，３０７との間には、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄの拮抗駆動により、第２関節の支持軸１０２である横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転させる。【００８２】  第３関節では、���２腕３０８沿いでかつ第２腕３０８の先端に第２腕３０８と交差して回転自在に連結されかつ第１腕３１１の基端が固定された支持体３１０と、第２腕３０８の基端に直交して固定された支持体３０９，３０９との間に人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆの拮抗駆動により、第３関節の支持軸１０３である横軸回りに上下方向沿い面内で第１腕３１１と手３１３とを一体的に正逆回転させる。【００８３】  第４関節では、第１腕３１１沿いでかつ第２腕３０８の先端と第１腕３１１の基端との間に第１腕３１１と交差しかつ第１腕３１１の基端に固定された支持体３１０と、第１腕３１１の先端と手３１３の基端との間に第１腕３１１と交差しかつ手３１３の基端に固定された支持体３１２との間に人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈの拮抗駆動により、第３関節の支持軸１０３である横軸回りに上下方向沿い面内で手３１３を正逆回転させる。【００８４】  人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄ、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆ、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈのそれぞれは、制御コンピュータ１００１により、それぞれの電源７の電圧やスイッチ８の状態が適宜制御され、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄ、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆ、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈのそれぞれの収縮・伸張動作が制御される。【００８５】  このような構成とすることで、多自由度を生かし、人間の腕のようにしなやかな動きをするロボットアームが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットアームを実現することができる。【００８６】  また、第５実施形態における人工筋肉アクチュエータ１Ｅを少なくとも１本用いたロボットハンドの一部である指部の構成例を図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。人工筋肉アクチュエータ１Ｅはロボットハンドの甲３１に固定され、電源７、スイッチ８の状態に従って人工筋肉アクチュエータ１Ｅのロッド１５に接続されたワイヤ３４を進退させる。ワイヤ３４は、基端側の指３２ａ、３２ｂを貫通し、先端側の指３２ｃに結合されている。甲３１と指３２ａは回転軸３３ａによって回転可能な状態で連結されている。同様に、指３２ａと指３２ｂは回転軸３３ｂで、指３２ｂと指３２ｃは回転軸３３ｃで回転可能な状態で連結されている。人工筋肉アクチュエータ１Ｅが収縮すると、ワイヤ３４は甲３１の方向に引っ張られることから、ロボットハンドの指部は図１０Ｂのように折れ曲がった状態となるように変形する。逆に人工筋肉アクチュエータ１Ｅが伸張すると、ワイヤ３４は甲３１から引き出されるようになるので、ロボットハンドの指部は図１０Ａのように伸びた状態となるように変形するようになる。【００８７】  人工筋肉アクチュエータ１Ｅは、制御コンピュータ１０００により、電源７の電圧、スイッチ８の状態が適宜制御され、人工筋肉アクチュエータの収縮・伸張動作が制御される。これに伴って、ロボットハンドの指部の屈曲動作が制御される。また、ロボットハンドの複数の指部にそれぞれ人工筋肉アクチュエータ１Ｅを用いることにより、把持動作を制御することができる。【００８８】  このような構成とすることで、人間の指又は手のようにしなやかな動きをするロボットハンドの指部又はロボットハンドが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットハンドの指部又はロボットハンドを実現することができる。【００８９】  なお、上記各実施形態において、導電性高分子の伸縮板２ａ、２ａ−１、２ａ−２、２ｂ、２ｃ、２ｄ、３ａ、３ｂ、３ｃに適切な変位を発生させるため、柔軟電極に印加された電圧は、電解質托体層であるゲル状電解質４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆや電解液１４で電気分解が起こらない程度の電圧とすることが好ましい。【００９０】  なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】  本発明にかかる導電性高分子アクチュエータは、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ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やロボットハンドの駆動部として好適なものである。【００９２】  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や修正は明白である。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１】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年2月8日(2006.2.8)
【手続補正１】
【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】
電解質托体層を介して接続される第１導電性高分子膜と第２導電性高分子膜と、
上記第１導電性高分子膜に接続された第１変位取出部材と、
上記第２導電性高分子膜に接続された第２変位取出部材とを備え、
上記第１変位取出部材の変位方向と上記第２変位取出部材の変位方向が異なるように配置されるとともに、上記第１及び第２変位取出部材が、一方の膨張方向変位を他方の収縮方向変位に相互変換するように接続されて、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の間に電位差を与えることで、酸化還元反応により上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の一方が膨張し、他方が収縮する導電性高分子アクチュエータ。
【請求項２】
上記第１及び第２変位取出部材の接続が、リンク機構を介した接続である請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項３】
上記第１及び第２変位取出部材の接続が、それぞれの変位方向と異なる角度をなす部位における相互接続である請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項４】
上記第１及び第２変位取出部材の接続が、弾性体を介した接続である請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項５】
上記第１変位取出部材は上記第１導電性高分子膜のそれぞれの端部を保持しかつ電気的接続されるとともに、上記第２変位取出部材は上記第２導電性高分子膜のそれぞれの端部を保持しかつ電気的接続され、
上記リンク機構は、隣接する上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材と同士を同じ長さの連結部材で連結して、上記連結部材により平行リンク機構を構成している請求項２に記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項６】
上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が、厚み方向に交互に配置されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項７】
上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が、平行に配置されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項８】
上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が等間隔に配置されている請求項７に記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項９】
上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材の変位方向が、それぞれ上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の長手方向と等しい請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項１０】
上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材の変位方向が、直交している請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項１１】
上記第１変位取出部材及び上記第２変位取出部材のどちらかもしくは両方が、それぞれの変位取出部材の変位方向にのみ移動可能なガイド機構と接続されている請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
【請求項１２】
ロボットアームと、
請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータを２本１組の拮抗筋構造として構成された、上記ロボットアームの一対の駆動部とを備えるロボット。
【手続補正２】
【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、圧縮方向に対する剛性及び伸張方向に対する駆動力を有する導電性高分子アクチュエータ及びそれを用いるロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用ロボットなど人間に近い場所において動作する機械に対する要求の高まりに伴い、人間の筋肉のようにしなやかな動作をする人工筋肉アクチュエータへの期待も大きくなっている。人工筋肉アクチュエータの候補として、これまでに様々な方式のアクチュエータが提案されているが、その中の一つとして、導電性高分子を用いたアクチュエータが提案されている。
【０００３】
導電性高分子を用いた人工筋肉アクチュエータの一例としては、図１１Ａ，図１１Ｂ，図１１Ｃに示すようなたわみ変形を発生させるアクチュエータが提案されている。このアクチュエータは、導電性高分子膜であるポリアニリン膜体２１ａ、２１ｂで固体電解質成形体２２を挟み込む構造となっている。スイッチ９８をオンすることで、電源９７において設定された電位差がポリアニリン膜体２１ａ、２１ｂ間に与えられ、図１１Ｂに示されるように、一方のポリアニリン膜体２１ｂ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２１ａからは陰イオンが離脱して縮小し、結果としてたわみ変形が発生するようになる（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たわみ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、両電極の変形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、変位を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で変位が増加することも示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
このような導電性高分子アクチュエータは、２〜３Ｖの低電圧で筋肉に匹敵するような歪みを発生することから、人工筋肉としての実用化が期待されている。
【０００６】
しかし、導電性高分子を伸縮変形を行うアクチュエータとして用いる場合には、導電性高分子が膜状であることから、そのままでは伸張方向への駆動力や圧縮方向への剛性を持つことはできない。その対策として、バネによる予圧を導電性高分子膜の伸張方向へ加えることで両方向への駆動力や剛性を発生させる方法が非特許文献１に示されている。また、非特許文献２には重りによる予圧を加えても同様の効果を得る方法が示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１６９３９３号公報
【非特許文献１】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４６９５の８〜１６ページ
【非特許文献２】Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４１，Ｐａｒｔ  １，Ｎｏ．１２の７５３２〜７５３６ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前述した構成で伸縮変形を行うアクチュエータを構成した場合にも課題がある。バネによる予圧を加えた構成では、十分な剛性や駆動力を得るためには剛性の高いバネが必要となり、この場合には、収縮方向変位は減少することになる。
【０００９】
一方、重りによる予圧を加えた構成では、重力方向の影響を受けるとともに、重りの質量が動特性に影響を与えるといった問題点がある。
【００１０】
従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、予圧を必要とせずに伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つことができる導電性高分子アクチュエータ及びそれを用いるロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１２】
本発明の第１態様によれば、電解質托体層を介して接続される第１導電性高分子膜と第２導電性高分子膜と、
上記第１導電性高分子膜に接続された第１変位取出部材と、
上記第２導電性高分子膜に接続された第２変位取出部材とを備え、
上記第１変位取出部材の変位方向と上記第２変位取出部材の変位方向が異なるように配置されるとともに、上記第１及び第２変位取り出し部材が、一方の膨張方向変位を他方の収縮方向変位に相互変換するリンク機構により接続されて、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の間に電位差を与えることで、酸化還元反応により上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の一方が膨張し、他方が収縮する導電性高分子アクチュエータを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
よって、本発明によれば、予圧を必要とせずに、伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。すなわち、本発明によれば、酸化還元反応により一方が膨張し、他方が収縮する二つの導電性高分子膜を、一方の収縮方向変位を他方の膨張方向変位に相互変換するリンク機構により接続することで、一方の導電性高分子膜の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜の圧縮方向の駆動力によって発生させることができる。更に、一方の導電性高分子膜の圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子膜の伸張方向の剛性によって受けることできるようになり、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つアクチュエータが得られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
【００１５】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１６】
本発明の第１態様によれば、電解質托体層を介して接続される第１導電性高分子膜と第２導電性高分子膜と、
上記第１導電性高分子膜に接続された第１変位取出部材と、
上記第２導電性高分子膜に接続された第２変位取出部材とを備え、
上記第１変位取出部材の変位方向と上記第２変位取出部材の変位方向が異なるように配置されるとともに、上記第１及び第２変位取出部材が、一方の膨張方向変位を他方の収縮方向変位に相互変換するように接続されて、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の間に電位差を与えることで、酸化還元反応により上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の一方が膨張し、他方が収縮する導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００１７】
このような構成によれば、一方の導電性高分子膜の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜の圧縮方向の駆動力によって発生させることができる。更に、一方の導電性高分子膜の圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子膜の伸張方向の剛性によって受けることできるようになり、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００１８】
本発明の第２態様によれば、上記第１及び第２変位取出部材の接続が、リンク機構を介した接続である第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００１９】
このような構成によれば、変位取出節部材の変位はリンク機構により容易に相互変換されることになり、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２０】
本発明の第３態様によれば、上記第１及び第２変位取出部材の接続が、それぞれの変位方向と異なる角度をなす部位における相互接続である第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００２１】
このような構成によれば、隣り合う二つの変位取出部材における、変位方向と異なる角度をなす部位同士の面方向の相対運動に伴い、変位取出部材の変位が相互変換されるようになるので、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ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４態様によれば、上記第１及び第２変位取出部材の接続が、弾性体を介した接続である第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００２３】
このような構成によれば、弾性力のために変位は減少するものの、一方の導電性高分子膜の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜の圧縮方向の駆動力によって発生させることができる。更に、一方の導電性高分子膜の圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子膜の伸張方向の剛性によって受けることできるようになり、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ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５態様によれば、上記第１変位取出部材は上記第１導電性高分子膜のそれぞれの端部を保持しかつ電気的接続されるとともに、上記第２変位取出部材は上記第２導電性高分子膜のそれぞれの端部を保持しかつ電気的接続され、
上記リンク機構は、隣接する上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材と同士を同じ長さの連結部材で連結して、上記連結部材により平行リンク機構を構成している第２の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００２５】
本発明の第６態様によれば、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が、厚み方向に交互に配置されている第１〜５のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００２６】
このような構成によれば、第１導電性高分子膜の両面は第２導電性高分子膜に対向し、同様に第２導電性高分子膜の両面は第１導電性高分子膜に対向するようになるので、高密度に多層化した導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２７】
本発明の第７態様によれば、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が、平行に配置されている第１〜６のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００２８】
このような構成によれば、隣り合う導電性高分子膜間の距離が一定になるので、導電性高分子膜の同一面における反応のばらつきが減少し、より安定した出力の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８態様によれば、上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜が等間隔に配置されている第７の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００３０】
このような構成によれば、隣り合う導電性高分子膜間の距離を全て最小限にすることができ、より高密度に多層化した導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００３１】
本発明の第９態様によれば、上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材の変位方向が、それぞれ上記第１導電性高分子膜と上記第２導電性高分子膜の長手方向と等しい第１〜８のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００３２】
このような構成によれば、導電性高分子膜の膨張収縮により発生する伸縮が最も大きくなる方向を用いることになるので、アクチュエータ内部における不要な歪みの少ない導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００３３】
本発明の第１０態様によれば、上記第１変位取出部材と上記第２変位取出部材の変位方向が、直交している第１〜９のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００３４】
このような構成によれば、荷重方向や変位方向の変換を行う際に無用のモーメントを発生させることが無くなるので、導電性高分子膜の剛性や発生力を無駄なく利用した導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００３５】
本発明の第１１態様によれば、上記第１変位取出部材及び上記第２変位取出部材のどちらかもしくは両方が、それぞれの変位取出部材の変位方向にのみ移動可能なガイド機構と接続されている第１〜１０のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。
【００３６】
このような構成によれば、ガイド機構により目的とする方向以外の変位が抑制されるので、駆動力が変位方向のみに対して作用する導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００３７】
本発明の第１２態様によれば、ロボットアームと、
第１〜５態様のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータを２本１組の拮抗筋構造として構成された、上記ロボットアームの一対の駆動部とを備えるロボットを提供する。
【００３８】
このような構成によれば、上記した種々の効果を奏することができる導電性高分子アクチュエータを２本１組の拮抗筋構造の駆動部として、上記ロボットアームに適用することができる。この結果、多自由度を生かし、人間の腕のようにしなやかな動きをするロボットアームが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットアームを実現することができる。
【００３９】
以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００４０】
（第１実施形態）
図１は、本発明にかかる第１実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１の概略を示した斜視図である。また図２Ａ〜図２Ｃにその上面図を示す。
【００４１】
図１において、２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃは酸化還元反応に伴って膨張収縮変形する導電性高分子製の矩形たとえば長方形の伸縮体である膜状の伸縮板である。導電性高分子膜である伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃを構成する導電性高分子としては、ポリピロール、ポリアニリン、又はポリメトキシアニリン等が利用可能だが、ポリピロールは変位が大きい点で望ましい。また、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの厚みはそれぞれ数十μｍ程度であるのが望ましい。それより薄いと強度的に弱く、それより厚いと導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの内部まで十分にイオンが出入りできなくなるので望ましくない。
【００４２】
導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃは電解質托体層の一例であるゲル状電解質４ａ〜４ｆを介して交互に積層配置されている。ゲル状電解質４ａ〜４ｆの厚みは数十μｍ〜数ｍｍ程度が望ましく、これより厚いと、導電性高分子の伸縮板を密に配置することができず、アクチュエータの発生力が低下する。一方、薄すぎると、ゲル状電解質中に含まれるイオンが少なくなり、アクチュエータの変位が減少するようになる。導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃはそれぞれ、全く同一形状、厚み、材料で構成されて、平行かつ等間隔で配置されており、位相は９０度異なって長手方向が互いに直交するように配置されている。また、ゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆも、それぞれ、全く同一形状、厚み、材料で構成されて、平行かつ等間隔で配置されている。ゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆの大きさは、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄと伸縮板３ａ〜３ｃとが互いに直交するように配置されたとき伸縮板２ａ〜２ｄと伸縮板３ａ〜３ｃとが重なり合う部分の大きさとほぼ同じにしている。よって、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃ及びゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆは、それぞれの中心軸が大略同一で、かつ、図において、上から下向きに、導電性高分子の伸縮板２ａ、ゲル状電解質の電解質托体層４ａ、導電性高分子の伸縮板３ａ、ゲル状電解質の電解質托体層４ｂ、導電性高分子の伸縮板２ｂ、ゲル状電解質の電解質托体層４ｃ、導電性高分子の伸縮板３ｂ、ゲル状電解質の電解質托体層４ｄ、導電性高分子の伸縮板２ｃ、ゲル状電解質の電解質托体層４ｅ、導電性高分子の伸縮板３ｃ、ゲル状電解質の電解質托体層４ｆ、導電性高分子の伸縮板２ｄの順に配置されている。このように配置することで、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃにおける反応のばらつきが減少するようになる。また、隣り合う導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの間隔が等しいことから、無駄なく積層することが可能になり、高密度に実装することができるようになる。
【００４３】
導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄは、その両端をそれぞれ変位取出部材の一例である金属構造体５ａ、５ｂによって保持されかつ電気的に接続されている。同様に、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃは、その両端をそれぞれ変位取出部材の一例である金属構造体５ｃ、５ｄによって保持されかつ電気的に接続されている。金属構造体によって導電性高分子の伸縮板を保持する方法としては、金属構造体５ａ〜５ｄをそれぞれ複数の金属ブロックで構成し、その金属ブロックの間に導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃを挟んだ状態で金属ブロックを一体化して金属構造体とするなどの方法がある。金属ブロック同士を一体化する方法としては、ネジ止め、溶接、圧着、又は接着等が利用できる。金属構造体および金属ブロックの材質としては、白金、チタン、ニッケル、又はステンレス等の金属が利用可能であるが、ステンレスは安価な点で望ましい。
【００４４】
金属構造体５ａ、５ｂの変位方向は、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの長手方向と等しく、金属構造体５ｃ、５ｄの変位方向は、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの長手方向と等しくなっており、金属構造体５ａ、５ｂと金属構造体５ｃ、５ｄのそれぞれの変位方向は互いに直交するように配置されている。金属構造体５ａ、５ｂと金属構造体５ｃ、５ｄのそれぞれを変位させることを考えると、金属構造体５ａ、５ｂと金属構造体５ｃ、５ｄのそれぞれの変位方向と異なる方向に対する導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの変形は、不要な歪みの原因となるため望ましくない。そこで、金属構造体５ａ〜５ｄの変位方向が導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの変形が最も大きくなる方向言い換えれば伸縮方向を用いることで、アクチュエータ内部における不要な歪みが少なくなるようにしている。
【００４５】
金属構造体５ａ〜５ｄは、それらの上面の中心において、ピン２０により、それぞれ同じ長さの絶縁性の連結部材の一例としての連結棒６ａ〜６ｄで回動自在に接続され、連結棒６ａ〜６ｄは平行四辺形の枠を構成するように組み合わされて４節リンク機構３０が構成されている。金属構造体５ａ〜５ｄの裏面（図の金属構造体５ａ〜５ｄの下面側）にも同様に、それらの下面の中心において、ピン２０により、それぞれ同じ長さの絶縁性の別の連結棒６ａ〜６ｄで別のリンク機構３０が設けられている。このような構成にすることで、荷重方向や変位方向の変換を行う際に無用のモーメントを発生させることが無く、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの剛性や発生力を無駄なく利用することができるようになる。
【００４６】
また、金属構造体５ａに接続された配線は、電源７の一方の極に接続されている。電源７の他方の極には、スイッチ８を介して金属構造体５ｃが接続されている。
【００４７】
次に、この人工筋肉アクチュエータ１の作用を説明する。
【００４８】
導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃが収縮する原因としては、アニオン（陰イオン）の出入り、カチオン（陽イオン）の出入り、高分子構造の変化等があるが、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃによる動作原理の説明では、ポリピロールなどの材料系においてアニオンのドープ、アンドープが主たる変形のメカニズムとされていることから、アニオンの出入りについて述べることにする。
【００４９】
図２Ａはスイッチオフの状態で導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃに電圧を印加していない状態を示し、図２Ｂは導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄに正の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに負の電位を印加した場合を示している。また、図２Ｃは導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄに負の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに正の電位を印加した場合を示している。
【００５０】
図２Ａと図２Ｂと図２Ｃのイオンの動き様子を示したものが図１２Ａ〜図１２Ｆである。すなわち、図１２Ａ，図１２Ｂと図１２Ｃ，図１２Ｄと図１２Ｅ，図１２Ｆはそれぞれ図２Ａと図２Ｂと図２Ｃに対応している。それぞれ図１２Ａ，図１２Ｃ，図１２Ｅが導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの長手方向の変位を示した図であり、図１２Ｂ，図１２Ｄ，図１２Ｆが先の図１２Ａ、図１２Ｃ、図１２Ｅとは９０度位相が異なる導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの長手方向の変位を示した図である。これらの図のように、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃのそれぞれは、アニオンが内部に入り込むことで伸張し、アニオンが内部から放出されることで収縮するようになる。具体的には以下のようになる。
【００５１】
まず、図２Ａ及び図１２Ａ，図１２Ｂの電圧無印加のスイッチオフの状態から、図２Ｂ及び図１２Ｃ，図１２Ｄに示すように導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃに電位が印加されると、電圧無印加時にゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆにそれぞれ均質に存在したアニオンが、正電極側の導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ側に引き寄せられ、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの内部に入り込むようになる。この酸化過程に伴って導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄが長手方向沿いに一斉に伸長する。一方、負電極側の導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃ側からは、内部に存在したアニオンがゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆに放出される。この還元過程に伴って導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃが長手方向沿いに収縮する。これらの伸長及び収縮の結果、上記リンク機構３０の連結棒６ａ〜６ｄは、電圧無印加時には正方形を呈していたのが、図２Ｂに示されるように縦長の平行四辺形を呈するようになる。
【００５２】
導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃは膜状の物質なので、伸張方向に駆動力を発生させることはできないが、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの収縮が、４本の連結棒６ａ〜６ｄによって構成される４節平行リンク機構３０により導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの伸張方向（すなわち、図２Ｂの上下方向）に変換されるために、人工筋肉アクチュエータ１は導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの伸張方向へ変形し、駆動力を発生するようになる。
【００５３】
また、図２Ｃ及び図１２Ｅ，図１２Ｆは導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄに負の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに正の電位を印加した場合を示している。図２Ｂの場合とは逆に、電圧無印加時にゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆに均質に存在したアニオンが、正電極側の導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃ側に引き寄せられ、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃ内部に入り込むようになる。この酸化過程に伴って導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃが伸長する。一方、負電極側の導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ側からは、内部に存在したアニオンがゲル状電解質の電解質托体層４ａ〜４ｆに放出される。この還元過程に伴って導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄが収縮する。これらの伸長及び収縮の結果、上記リンク機構３０の連結棒６ａ〜６ｄは、電圧無印加時には正方形を呈していたのが、図２Ｃに示されるように横長の平行四辺形を呈するようになる。
【００５４】
導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの収縮は、４本の連結棒６ａ〜６ｄによって構成される４節平行リンク機構３０により導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの伸張方向（すなわち、図２Ｃの左右方向）に変換されるが、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃは伸張しているので、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの収縮を妨げることはなく、人工筋肉アクチュエータ１は導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの収縮方向（すなわち、図２Ｃの左右方向）へ変形し、駆動力を発生するようになる。
【００５５】
逆に、アクチュエータ１に対して導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの収縮方向（すなわち、図２Ｃの上下方向）への外力が加わった場合、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄは収縮方向への剛性を持たないものの、その外力は連結棒６ａ〜６ｄによって構成される４節リンク機構３０を介して導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの伸張方向（すなわち、図２Ｃの左右方向）の剛性によって受け止められることになる。また、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの伸張方向への外力については、そのまま導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの剛性によって受け止められることになる。
【００５６】
以上のように、第１実施形態によれば、上記第１導電性高分子膜である伸縮体２ａ〜２ｄに接続された上記第１変位取出部材の金属構造体５ａ、５ｂの変位方向と、上記第２導電性高分子膜である伸縮体３ａ〜３ｃに接続された上記第２変位取出部材の金属構造体５ｃ、５ｄの変位方向が異なるように配置されるとともに、上記第１及び第２変位取出部材の金属構造体５ａ、５ｂ及び５ｃ、５ｄが、一方の膨張方向変位を他方の収縮方向変位に相互変換するように連結棒６ａ〜６ｄによって構成される４節リンク機構３０を備えるようにしている。このように構成することで、酸化還元反応により一方が膨張し、他方が収縮する二種類の導電性高分子膜２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｃを、一方の導電性高分子膜の収縮方向変位を他方の導電性高分子膜の膨張方向変位に相互変換するリンク機構３０により接続することができて、一方の導電性高分子膜の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜の圧縮方向の駆動力によって発生させることができる。すなわち、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの収縮方向への変形は４節リンク機構３０により導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの伸張方向への変形に相互変換されるとともに、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの伸張方向への変形も４節リンク機構３０により導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの収縮方向への変形に相互変換されることから、一方の導電性高分子膜である伸縮体２ａ〜２ｄ又は３ａ〜３ｃの伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜である伸縮体３ａ〜３ｃ又は２ａ〜２ｄの圧縮方向の駆動力によって発生させることができるようになる。更に、一方の導電性高分子膜である伸縮体２ａ〜２ｄ又は３ａ〜３ｃの圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子膜である伸縮体３ａ〜３ｃ又は２ａ〜２ｄの伸張方向の剛性によって受けることできるようになるので、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００５７】
なお、第１実施形態では、変位取出部材５ａ、５ｂと５ｃ、５ｄによって導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃをそれぞれ挟み込んで保持する方法について説明したが、保持方法はこれに限定されるものではなく、導電性高分子の伸縮板に設けた穴部に変位取出部材を挿入することで保持を行っても良い。また、導電性高分子の伸縮板を折り返して環状にした部分に変位取出部材を挿入したり、変位取出部材に設けた穴部に導電性高分子の伸縮板を通した後で抜け防止のためのストッパーを装着するなど、変位取出部材の伸張方向への移動もしくは導電性高分子の伸縮板の収縮に対しての保持のみを行っても良い。また、第１実施形態では、両面にリンク機構３０を設けているが、これは必ずしも両面である必要はなく、片面であっても良い。更に、連結棒６ａ〜６ｄも必ずしも絶縁性である必要はなく、電源７の両極が短絡しなければよいので、変位取出部材５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとの連結部に絶縁性を持たせてもよい。変位取出部材についても、必ずしも金属体である必要はなく、電源７と導電性高分子の伸縮板を接続するための配線部を備えていればよい。また、配線を直接導電性高分子の伸縮板に接続して変位取出部材との接続を無くしても良い。これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。
【００５８】
（第２実施形態）
図３Ａ〜図３Ｃは、本発明にかかる第２実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１Ｂの概略を示した上面図である。なお、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００５９】
第２実施形態では、第１実施形態における連結棒６ａ〜６ｄによって構成された４節リンク機構３０の代わりに、変位取出部材の一例である金属構造体５ａ〜５ｄの端部が互いに接触するように配置されている。各接触面には、絶縁性の板状の摺動部材９ａ〜９ｈが設けられている。すなわち、金属構造体５ａの両側部の接触面にはそれぞれ摺動部材９ａと９ｂが固定され、金属構造体５ｂの両側部の接触面にはそれぞれ摺動部材９ｃと９ｄが固定され、金属構造体５ｃの両側部の接触面にはそれぞれ摺動部材９ｅと９ｆが固定され、金属構造体５ｄの両側部の接触面にはそれぞれ摺動部材９ｇと９ｈが固定されている。よって、金属構造体５ａと金属構造体５ｃとの間では摺動部材９ａと摺動部材９ｅとが摺動可能に対向し、金属構造体５ｃと金属構造体５ｂとの間では摺動部材９ｆと摺動部材９ｃとが摺動可能に対向し、金属構造体５ｂと金属構造体５ｄとの間では摺動部材９ｄと摺動部材９ｇとが摺動可能に対向し、金属構造体５ｄと金属構造体５ａとの間では摺動部材９ｈと摺動部材９ｂとが摺動可能に対向している。摺動部材９ａ〜９ｈのそれぞれとしては、フッ素樹脂などが低摩擦特性、耐薬品性などを備える点で望ましい。接触面の角度は、金属構造体５ａ〜５ｄの変位方向と異なる角度（例えば、変位方向とは４５度傾斜した角度）となっており、人工筋肉アクチュエータ１Ｂに対して導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の収縮方向への外力が加わった場合、導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２に伸張方向の変位が発生するようになっている。これにより、加わった外力は導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の剛性によって受け止められることになる。また、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２に正の電圧が加わって伸張する場合には、同時に導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２には負の電圧が加わって収縮するようになるので、金属構造体５ａ、５ｂは、金属構造体５ｃ、５ｄが導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の収縮方向に変位するのに伴って、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の伸張方向に変位するようになる。導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃについては、第２実施形態では、第１実施形態における導電性高分子２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃをそれぞれ２つに分割した状態となっている、すなわち、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃはそれぞれ二枚の並列配置された伸縮板２ａ−１、２ａ−２、２ｂ−１、２ｂ−２、２ｃ−１、２ｃ−２、２ｄ−１、２ｄ−２、３ａ−１、３ａ−２、３ｂ−１、３ｂ−２、３ｃ−１、３ｃ−２より構成されるようになっているが、このようにすることで、より変位方向と異なる方向に対する膨張を抑制することができるようになる。分割については、２分割に限定されるものではなく、必要に応じて更に細かく分割しても良いし、分割しなくても良い。また、図３Ａ〜図３Ｃでは導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の間及び伸縮板３ａ−１、３ａ−２の間に隙間をそれぞれ設けているが、この隙間については無くても問題はない。
【００６０】
以上のように、第２実施形態によれば、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の収縮方向への変形は導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の伸張方向への変形に相互変換されるとともに、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の伸張方向への変形も導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の収縮方向への変形に相互変換されることから、一方の導電性高分子膜である伸縮板の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子膜である伸縮板の圧縮方向の駆動力によって発生させることができるようになる。更に、一方の導電性高分子膜である伸縮板の圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子膜である伸縮板の伸張方向の剛性によって受けることできるようになるので、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００６１】
なお、第２実施形態では、変位取出部材である金属構造体５ａ〜５ｄの端部に摺動部材９ａ〜９ｈを設けているが、これは球状、円柱状などの転がり接触を実現する部材であっても良い。また、変位取出部材は必ずしも金属体である必要はなく、電源７と導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃを接続するための配線部を備えていればよい。更に、変位取出部材をフッ素樹脂などとすることで、摺動部材を用いずに直接接触させても良い。
【００６２】
また、変位取出部材を相互接続させる方法は、接触に限定されるものではなく、非接触な物理的作用による相互接続であってもよい。このような物理的作用として、磁石の反発力や、静電反発力等が利用可能である。
【００６３】
これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。
【００６４】
（第３実施形態）
図４Ａ〜図４Ｃは、本発明にかかる第３実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１Ｃの概略を示した上面図である。なお、前述した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。
【００６５】
第３実施形態では、第１実施形態における連結棒６ａ〜６ｄによって構成された４節リンク機構３０の代わりに、絶縁性の弾性体の一例としての１つの弾性体リング１０によって金属構造体５ａ〜５ｄが連結されている。具体的には、１つの弾性体リング１０とそれぞれの金属構造体５ａ〜５ｄの上面の例えば中央部とがピン１９により固定されている。人工筋肉アクチュエータ１Ｃに対して導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の収縮方向への外力が加わった場合、弾性体リング１０は外力の方向に縮むと同時に導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の伸張方向に伸びるようになる。これにより、加わった外力は導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の剛性によって受け止められることになる。また、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２に正の電圧が加わって伸張する場合には、同時に導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２には負の電圧が加わって収縮するようになるので、金属構造体５ａ、５ｂは、金属構造体５ｃ、５ｄが導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の収縮方向に変位するのに伴って、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の伸張方向に変位するようになる。
【００６６】
以上のように、第３実施形態によれば、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の収縮方向への変形は導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の伸張方向への変形に相互変換されるとともに、導電性高分子の伸縮板２ａ−１、２ａ−２の伸張方向への変形も導電性高分子の伸縮板３ａ−１、３ａ−２の収縮方向への変形に相互変換されることから、一方の導電性高分子の伸縮板の伸張方向の駆動力を他方の導電性高分子の伸縮板の圧縮方向の駆動力によって発生させることができるようになる。更に、一方の導電性高分子の伸縮板の圧縮方向に外力が加わった場合には、他方の導電性高分子の伸縮板の伸張方向の剛性によって受けることできるようになるので、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００６７】
なお、第３実施形態において、弾性体リングは必ずしも絶縁性である必要はなく、電源７の両極が短絡しなければよいので、変位取出部材との連結部に絶縁性を持たせても良いし、変位取出部材を絶縁性としても良い。これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。
【００６８】
（第４実施形態）
図５は、本発明にかかる第４実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１Ｄの概略を示した斜視図である。なお、前述した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。
【００６９】
第４実施形態では、第１実施形態にガイド機構１８を付加した構造となっている。金属構造体５ｂ−１は大略Ｈ形状の金属板体より構成され、上面側及び下面側のそれぞれ突出した凸部には、丸棒状のガイドレール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの各一端がそれぞれ固定されている。金属構造体５ａ−１は、金属構造体５ｂ−１とほぼ同じ大きさの大略Ｈ形状の金属板体より構成され、上面側及び下面側のそれぞれの突出した凸部には、丸棒状のガイドレール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの各他端側がそれぞれ貫通し軸受（図示せず）を介して保持されている。金属構造体５ｃ−１は、金属構造体５ｂ−１，５ａ−１より大きな大略Ｈ形状の金属板体より構成され、上面側及び下面側のそれぞれ突出した凸部には、丸棒状のガイドレール１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈの各一端がそれぞれ固定されている。金属構造体５ｄ−１は、金属構造体５ｂ−１，５ａ−１より大きな大略Ｈ形状の金属板体より構成され、上面側及び下面側のそれぞれ突出した凸部には、丸棒状のガイドレール１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈの各一端がそれぞれ貫通し軸受（図示せず）を介して保持されている。よって、ガイドレール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの外側にこれらと直交するように、ガイドレール１１ｅ，１１ｆ，１１ｇ，１１ｈが配置されている。それぞれのリンク機構３０は、ガイドレール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの内側に配置され、それぞれのリンク機構３０の連結棒６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの移動動作はそれぞれの凸部に接触せず上記動作が妨げられることがないようにしている。ガイドレール１１ａ〜１１ｄの方向は、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄの伸縮方向と等しく、ガイドレール１１ｅ〜１１ｈの方向は、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃの伸縮方向と等しくなっている。このようにガイド機構１８を構成することにより、金属構造体５ａ−１、５ｂ−１、５ｃ−１、５ｄ−１が変位する方向が限定されるようになる。すなわち、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃにおける伸縮のばらつきや、各部材における誤差などの要因により、金属構造体５ａ−１、５ｂ−１、５ｃ−１、５ｄ−１に対して所定の変位方向と異なる方向への駆動力が加わっても、金属構造体５ａ−１、５ｂ−１、５ｃ−１、５ｄ−１は導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｃの伸縮方向にのみ変位するようになる。
【００７０】
以上のように、第４実施形態によれば、第１実施形態と同様に予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持ちつつ、変位取出部材の変位方向や駆動力の方向が導電性高分子の発生する変位のばらつきや構造における誤差による影響を受けない導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００７１】
なお、第４実施形態においては、ガイドレール１１ａ〜１１ｄ、１１ｅ〜１１ｈの本数を一方向当たり４本としたが、必ずしも４本である必要はなく、１本以上であればよい。また、ガイドを２方向に設けているが、これは図６に示すように金属構造体５ａ−１、５ｂ−１にのみガイドレール１１ａ〜１１ｄを設けてガイドを１方向だけにしても良い。更に、ガイドは必ずしもガイドレールである必要はなく、各種リニアガイドが利用可能である。これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。
【００７２】
（第５実施形態）
図７は、本発明にかかる第５実施形態の導電性高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１Ｅの概略を示した斜視図である。また図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃにそれぞれその断面図を示す。すなわち、図８Ａはスイッチオフの状態で導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂ、３ａ〜３ｃに電圧を印加していない状態を示し、図８Ｂは導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂに負の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに正の電位を印加した場合を示している。また、図８Ｃは導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂに正の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに負の電位を印加した場合を示している。なお、前述した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。
【００７３】
図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃはそれぞれにおいて、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂ、３ａ〜３ｄ、変位取出部材の別の例としての矩形の金属板５ａ〜５ｄは、直方体箱状のケース１２、矩形板状のフタ１３によって囲まれた密閉空間を満たす電解質托体層の別の例である電解液１４の液中の大略中央部に配置されている。電解液１４としては、ＮａＰＦ６、若しくはＴＢＡＰＦ６などの電解質を水、も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や、ＢＭＩＰＦ６などのイオン性液体が利用可能である。アニオンとしてＰＦ６を含む電解質は、導電性高分子であるポリピロールとの組み合わせで大きな変位が得られることから望ましい。４つの変位取出部材５ａ〜５ｄのうちの変位取出部材５ａは、フタ１３と一体となるようにフタ１３の内面に固定されている。
【００７４】
変位取出部材５ｂには、ロッド１５が接続されており、ロッド１５は、ケース１２に設けられたシール部材１６ａを貫通して、ケース１２の外部に突出している。変位取出部材５ａに接続された配線は、フタ１３に備えられたシール部材１６ｂを経て電源７の一方の極に接続されている。電源７の他方の極には、スイッチ８を介して変位取出部材５ｃが接続されている。スイッチ８と変位取出部材５ｃを接続する配線は、フタ１３に備えられたシール部材１６ｃを通して、ケース１２、フタ１３によって囲まれた空間の内外を接続している。
【００７５】
この結果、図８Ａのスイッチオフの状態から、図８Ｂに示すように、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂに負の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに正の電位を印加した場合には、４節リンク機構３０が上下方向に伸び左右方向に縮んで、変位取出部材５ｂが図８Ａよりも図８Ｂの左方向に移動するため、ロッド１５がケース１２内に入り込む。逆に、図８Ｃに示されるように、導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂに正の電位を印加し、導電性高分子の伸縮板３ａ〜３ｃに負の電位を印加した場合には、４節リンク機構３０が左右方向に伸び上下方向に縮んで、変位取出部材５ｂが図８Ａよりも図８Ｂの右方向に移動するため、ロッド１５がケース１２内から出る。
【００７６】
このように構成することで、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持ちつつ、変位取出部材５ａ〜５ｄの変位方向や駆動力の方向が導電性高分子の伸縮板２ａ〜２ｂ、３ａ〜３ｄの発生する変位のばらつきや構造における誤差による影響を受けないという第１実施形態と同様の特徴を持ちつつ、保持が容易なプッシュ・プルタイプの導電性高分子アクチュエータを得ることができる。
【００７７】
なお、第５実施形態においては、電解質托体層を電解液１４としたが、前述の実施形態と同様にゲル状電解質４ａ、４ｂなどとしても良い。これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。
【００７８】
また、第５実施形態における人工筋肉アクチュエータ１Ｅを複数本用いたロボットアームの構成例を図９に示す。人工筋肉アクチュエータ１ａ〜１ｈを２本１組として拮抗筋構造として各ロボットアームの一対の駆動部を構成する。各ロボットアームの一対の駆動部のうちの一方の駆動部を伸張、他方の駆動部を収縮することで、また、それらとは逆に動作させることで、ロボットアームの一対の駆動部が連結された軸１０１〜１０４に正逆回転運動を発生させることができる。具体的には、図９の構成では、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂの伸張及び収縮動作によって上下軸１０１が正逆回転し、以下同様に、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄの伸張及び収縮動作によって軸１０２が、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆの伸張及び収縮動作によって軸１０３が、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈの伸張及び収縮動作によって軸１０４がそれぞれ正逆回転するようになっている。
【００７９】
詳しくは、４自由度のロボットアームは、固定壁３０１に対して、上下方向軸沿いに横方向沿いの平面内で正逆回転する第１関節の上下軸１０１と、上下方向沿いの平面内で正逆回転する第２関節の軸１０２と、第２腕３０８と第１腕３１１との間で相互に正逆回転とする第３関節の軸１０３と、第１腕３１１と手３１３との間で相互に正逆回転とする第４関節の軸１０４とより構成されている。
【００８０】
第１関節１０１では、上下端部が軸受け３０４と３０５で回転自在にかつ上下方向沿いに支持された回転軸３０３の上端部の両側に円形支持体３０２，３０２が回転自在に連結され、かつ、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ（ただし、人工筋肉アクチュエータ１ｂは人工筋肉アクチュエータ１ａの背後に配設されるため図示せず。）の各一端部が固定壁３０１に連結されるとともに各他端部が上記各円形支持体３０２の支持軸１０２（第２関節の軸１０２）に連結されている。よって、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂの拮抗駆動により、第１関節の上下軸１０１回りに横方向沿いの平面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転運動させることができる。なお、上側の軸受け３０５は支持棒３０６で固定壁３０１に支持されている。
【００８１】
第２関節では、回転軸３０３の両側に固定された２つの円形支持体３０２，３０２に、第２腕用リンク３０８の一端が固定されている。第２腕用リンク３０８の円形支持体３０２，３０２と、回転軸３０３の一端に直交して固定された支持体３０７，３０７との間には、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄの拮抗駆動により、第２関節の支持軸１０２である横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転させる。
【００８２】
第３関節では、第２腕３０８沿いでかつ第２腕３０８の先端に第２腕３０８と交差して回転自在に連結されかつ第１腕３１１の基端が固定された支持体３１０と、第２腕３０８の基端に直交して固定された支持体３０９，３０９との間に人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆの拮抗駆動により、第３関節の支持軸１０３である横軸回りに上下方向沿い面内で第１腕３１１と手３１３とを一体的に正逆回転させる。
【００８３】
第４関節では、第１腕３１１沿いでかつ第２腕３０８の先端と第１腕３１１の基端との間に第１腕３１１と交差しかつ第１腕３１１の基端に固定された支持体３１０と、第１腕３１１の先端と手３１３の基端との間に第１腕３１１と交差しかつ手３１３の基端に固定された支持体３１２との間に人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈの拮抗駆動により、第３関節の支持軸１０３である横軸回りに上下方向沿い面内で手３１３を正逆回転させる。
【００８４】
人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄ、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆ、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈのそれぞれは、制御コンピュータ１００１により、それぞれの電源７の電圧やスイッチ８の状態が適宜制御され、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄ、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆ、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈのそれぞれの収縮・伸張動作が制御される。
【００８５】
このような構成とすることで、多自由度を生かし、人間の腕のようにしなやかな動きをするロボットアームが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットアームを実現することができる。
【００８６】
また、第５実施形態における人工筋肉アクチュエータ１Ｅを少なくとも１本用いたロボットハンドの一部である指部の構成例を図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。人工筋肉アクチュエータ１Ｅはロボットハンドの甲３１に固定され、電源７、スイッチ８の状態に従って人工筋肉アクチュエータ１Ｅのロッド１５に接続されたワイヤ３４を進退させる。ワイヤ３４は、基端側の指３２ａ、３２ｂを貫通し、先端側の指３２ｃに結合されている。甲３１と指３２ａは回転軸３３ａによって回転可能な状態で連結されている。同様に、指３２ａと指３２ｂは回転軸３３ｂで、指３２ｂと指３２ｃは回転軸３３ｃで回転可能な状態で連結されている。人工筋肉アクチュエータ１Ｅが収縮すると、ワイヤ３４は甲３１の方向に引っ張られることから、ロボットハンドの指部は図１０Ｂのように折れ曲がった状態となるように変形する。逆に人工筋肉アクチュエータ１Ｅが伸張すると、ワイヤ３４は甲３１から引き出されるようになるので、ロボットハンドの指部は図１０Ａのように伸びた状態となるように変形するようになる。
【００８７】
人工筋肉アクチュエータ１Ｅは、制御コンピュータ１０００により、電源７の電圧、スイッチ８の状態が適宜制御され、人工筋肉アクチュエータの収縮・伸張動作が制御される。これに伴って、ロボットハンドの指部の屈曲動作が制御される。また、ロボットハンドの複数の指部にそれぞれ人工筋肉アクチュエータ１Ｅを用いることにより、把持動作を制御することができる。
【００８８】
このような構成とすることで、人間の指又は手のようにしなやかな動きをするロボットハンドの指部又はロボットハンドが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットハンドの指部又はロボットハンドを実現することができる。
【００８９】
なお、上記各実施形態において、導電性高分子の伸縮板２ａ、２ａ−１、２ａ−２、２ｂ、２ｃ、２ｄ、３ａ、３ｂ、３ｃに適切な変位を発生させるため、柔軟電極に印加された電圧は、電解質托体層であるゲル状電解質４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆや電解液１４で電気分解が起こらない程度の電圧とすることが好ましい。
【００９０】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明にかかる導電性高分子アクチュエータは、予圧を加えなくても伸張方向の駆動力と圧縮方向の剛性を持つ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やロボットハンドの駆動部として好適なものである。
【００９２】
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や修正は明白である。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】
【００９３】
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１】図１は、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す上面図である。
【図５】図５は、本発明の第４実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す斜視図である。
【図６】図６は、本発明の第４実施形態による人工筋肉アクチュエータの別の構成についての概略を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の第５実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す斜視図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第５実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す一部断面上面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の第５実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す一部断面上面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の第５実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す一部断面上面図である。
【図９】図９は、本発明の第５実施形態における人工筋肉アクチュエータを用いたロボットアームの概略図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の第５実施形態における人工筋肉アクチュエータを用いたロボットハンドの一部である指部の概略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の第５実施形態における人工筋肉アクチュエータを用いたロボットハンドの一部である指部の概略図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図である。
【図１２Ｄ】図１２Ｄは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図である。
【図１２Ｅ】図１２Ｅは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図である。
【図１２Ｆ】図１２Ｆは、本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおける、アニオンの移動に伴う導電性高分子の伸縮板の伸縮の様子を示した図である。
【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１】
2005114827.tif 000020
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
2005114827.tif 000037
【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
2005114827.tif 000041
【図１２Ａ】
2005114827.tif 000042
【図１２Ｂ】
2005114827.tif 000043
【図１２Ｃ】
2005114827.tif 000044
【図１２Ｄ】
2005114827.tif 000045
【図１２Ｅ】
2005114827.tif 000046
【図１２Ｆ】
2005114827.tif 000047
【国際調査報告】
2005114827.tif 000048
2005114827.tif 000049