(57)【要約】  導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続される導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体が伸縮する高分子アクチュエータにおいて、前記第２高分子構造体を変位させることにより、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間の電位差を変化させる。
2007148572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第２高分子構造体を変位させることにより、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間の電位差を変化させる高分子アクチュエータ。
【請求項２】
導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第２高分子構造体の変位を検知する変位検知部と、
前記変位検知部により検知された変位をもとに、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる電位差を異なる電位差に切替える電位差切替部とをさらに備える高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記導電性を備えた第１高分子構造体および前記導電性を備えた第２高分子構造体のどちらかもしくは両方が、有機導電性高分子を含む構造体である請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記導電性を備えた第１高分子構造体および前記導電性を備えた第２高分子構造体のどちらかもしくは両方に、導電性を有する炭素素材が含まれる請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記導電性を有する炭素素材が、チューブ状の炭素素材である請求項４に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
前記導電性を有する炭素素材が、粒状の炭素素材である請求項４に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記導電性を備えた第１高分子構造体と前記導電性を備えた第２高分子構造体が、周辺環境に対する特性が同一の高分子を用いた構造体である請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項８】
前記電位差切替え部は、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差を、前記第２高分子構造体が一定寸法以上収縮したときには前記第２高分子構造体が伸長動作する第１電位差に切り替え、逆に前記第２高分子構造体が一定寸法以上伸長したときには前記第２高分子構造体が収縮動作する第２電位差に切り替えるように構成している請求項２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項９】
前記電位差切替え部が、前記第２高分子構造体の伸縮動作によって前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差を、前記第１電位差と前記第２電位差との間で機械的に切り替えるスイッチである請求項８に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差が、常に直流電源によって与えられる請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項１１】
前記第１高分子構造体の出力が、概して伸長もしくは収縮の一方向へのみ出力を伝達する機構を介して外部に伝達されるよう構成されている請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項１２】
前記一方向へのみ出力を伝達する機構が、ラチェット機構を含む機構である請求項１１に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項１３】
前記一方向へのみ出力を伝達する機構が、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差と連動して伝達力を変化させる機構を含む機構である請求項１１に記載の高分子アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、簡単かつ安価な構成で大きな伸縮動作を安定して実現できる高分子アクチュエータに関する。
【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は、導電性高分子を用いたアクチュエータ、カーボン微粒子を含有した高分子を用いたアクチュエータ（例えば、特許文献１参照）、カーボンナノチューブを含む高分子構造体を用いたアクチュエータ（例えば、特許文献２参照）等があり、これらのアクチュエータはイオンの動きに伴って高分子材料を含む構造体が伸縮する現象を利用していることから、イオン性高分子アクチュエータと総称されている。【０００３】
イオン性高分子アクチュエータの一種である導電性高分子を用いた人工筋肉アクチュエータの一例としては、図７Ａ，図７Ｂ，図７Ｃ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、導電性高分子を用いた高分子構造体であるポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂで電解質托体層である固体電解質成形体３２を挟み込む構造となっている。スイッチ３７をオンすることで、電源３６において設定された電位差がポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂ間に与えられ、図７Ｂに示されるように、一方のポリアニリン膜体３５ｂ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３５ａからは陰イオンが離脱して収縮し、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３参照）。【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であるポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂ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、電解質托体層である固体電解質成形体３２を液体もしくはゲル状の物質とすることで、両電極であるポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂの変形がお互いに影響しないようにし、二つのポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂののうちのいずれか片方の導電性高分子膜３５ａ又は３５ｂ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、変位を利用しない方の電極については、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】
イオン性高分子アクチュエータが伸縮する原理には、このようなイオンの挿入による体積変化だけでなく、高分子の構造変化による場合や静電反発などによる場合などもあるが、いずれの場合においても電解質托体層を介して接続された二電極間に電位差を与える構成となっており、それぞれの電極では互いに対応した現象が発生することになる。このようなイオン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ものもあることから、人工筋肉としての実用化が期待されている。【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１７６４１２号公報
【特許文献２】特開２００５−１７６４２８号公報
【特許文献３】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、イオン性高分子アクチュエータは柔軟な高分子構造体の伸縮を利用していることから、アクチュエータに負荷が加わった場合には、伸長状態、収縮状態の形状もそれぞれ変化することになり、アクチュエータとしての伸縮範囲が変化することになる。このため、一般的な位置制御では、無負荷の場合と負荷が加わった場合のいずれにおいても伸縮によって到達可能な範囲に動作範囲を限定させなければならないので、アクチュエータを最大限伸縮させることができないことになる。【０００８】
このような課題に対応するためには、アクチュエータの伸縮状態に応じて動作状態を変化させるようにする必要がある。そのための方法としては、電荷を計測する方法、複数のセンサを用いる方法、一定電圧を印加し続ける方法などが考えられる。【０００９】
前記電荷を計測する方法とは、イオン性高分子アクチュエータの変位が高分子構造体中の電荷もしくはそれに対応したイオンの数に依存することから、高分子構造体に出入りする電荷の数を計測し、それにより伸縮状態を評価する方法である。しかしこの方法では、アクチュエータを動作させるたびに電荷数の加減が行われるため、計測誤差が累積されることになる。そのため、高精度な電荷計測装置などの計測系を用いる必要があり、回路が複雑、高価になるという欠点がある。【００１０】
次に、前記複数のセンサを用いる方法とは、例えば変位センサに加えて力センサを備え、あらかじめ計測しておいた負荷と伸縮範囲の関係を用いて伸縮状態を評価する方法である。しかしこの方法では、余分に力センサが必要となることからコスト増になるという欠点がある。【００１１】
そして、前記一定電圧を印加し続ける方法とは、高分子構造体や電解質托体層が劣化しない程度の電圧で高分子構造体が伸長もしくは収縮する電圧を印加し続ける方法である。このようにすることで、高分子構造体は、時間とともに一定の伸縮状態に近づいていくことになる。しかしこの方法では、印加電圧を変化させるタイミングを決定するのが難しく、高分子構造体の変位が確実に安定するまで時間をかけた場合には、アクチュエータの動作が極めて遅くなり、早めに印加電圧を変化させるように動作させた場合には、高分子構造体の伸縮状態は過渡応答の状態になるので、印加電圧との相関が低くなってしまうという欠点がある。また、伸長側と収縮側の応答速度が異なる場合には、往復動作を意図して電圧を周期的に変化させた場合にも、片側に変位がドリフトしていく現象が発生するという問題も生じる。【００１２】
従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を実現する高分子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】
【００１３】
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。【００１４】
本発明の第１態様によれば、導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第２高分子構造体を変位させることにより、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間の電位差を変化させることを特徴とする高分子アクチュエータを提供する。
【発明の効果】
【００１５】
よって、本発明によれば、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を実現する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、第１高分子構造体と第２高分子構造体との間の前記電位差を、第１高分子構造体と電気的に接続されているが、第１高分子構造体とは機械的に弱い接続となっている第２高分子構造体を変位させることにより、第１高分子構造体に加わる負荷に依存せずに第１高分子構造体の伸縮状態に対応した第２高分子構造体の伸縮状態に応じてアクチュエータを動作させられるようになる。従って、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を実現する高分子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】
【００１６】
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１Ｂ】図１Ｂ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、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図であり、
【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、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図であり、
【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、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図であり、
【図２Ｄ】図２Ｄ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、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図であり、
【図２Ｅ】図２Ｅ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、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図であり、
【図３Ａ】図３Ａは、図２ＡにおけるＡ−Ａ線の断面を示す図であり、
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２ＡにおけるＢ−Ｂ線の断面を示す図であり、
【図４】図４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斜視図であり、
【図５Ａ】図５Ａ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断面図であり、
【図５Ｂ】図５Ｂ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断面図であり、
【図５Ｃ】図５Ｃ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断面図であり、
【図５Ｄ】図５Ｄ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断面図であり、
【図５Ｅ】図５Ｅ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断面図であり、
【図６Ａ】図６Ａは、図５ＡにおけるＡ−Ａ線の断面を示す図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５ＡにおけるＢ−Ｂ線の断面を示す図であり、
【図７Ａ】図７Ａ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７Ｂ】図７Ｂ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７Ｃ】図７Ｃ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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
本発明の第１態様によれば、導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第２高分子構造体を変位させることにより、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間の電位差を変化させることを特徴とする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、第１高分子構造体と第２高分子構造体との間の電位差を、第１高分子構造体と電気的に接続されているが、第１高分子構造体とは機械的に弱い接続となっている第２高分子構造体を変位させるので、第１高分子構造体に加わる負荷に依存せずに第１高分子構造体の伸縮状態に対応した第２高分子構造体の伸縮状態に応じてアクチュエータを動作させられるようになる。従って、簡単かつ安価な構成で大きな伸縮動作を安定して実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。【００２２】
本発明の第２態様によれば、導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第２高分子構造体の変位を検知する変位検知部と、
前記変位検知部により検知された変位をもとに、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる電位差を異なる電位差に切替える電位差切替部とをさらに備えることを特徴とする高分子アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、第１高分子構造体に加わる負荷に依存せずに第１高分子構造体の伸縮状態に対応した第２高分子構造体の伸縮状態に応じてアクチュエータを制御できるようになる。従って、簡単かつ安価な構成で大きな伸縮動作を安定して実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。【００２３】
本発明の第３態様によれば、前記導電性を備えた第１高分子構造体および前記導電性を備えた第２高分子構造体のどちらかもしくは両方が、有機導電性高分子を含む構造体であることを特徴とする第１〜２態様のいずれか１つに記載の高分子アクチュエータを提供する。【００２４】
このような構成によれば、高分子自体が導電性を持つため、他の物質を混ぜる必要が無く、より安定した特性の高分子構造体を有する高分子アクチュエータを得ることができる。【００２５】
本発明の第４態様によれば、前記導電性を備えた第１高分子構造体および前記導電性を備えた第２高分子構造体のどちらかもしくは両方に、導電性を有する炭素素材が含まれることを特徴とする第１〜３態様のいずれか１つに記載の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、高分子自体が導電性を持たない場合でも、伸縮動作が可能な高分子構造体を得ることができるようになるので、より容易に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５態様によれば、前記導電性を有する炭素素材が、チューブ状の炭素素材であることを特徴とする第４態様に記載の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、伸縮動作する際にも、安定して高分子構造体の導電性を確保できる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６態様によれば、前記導電性を有する炭素素材が、粒状の炭素素材であることを特徴とする第４態様に記載の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、高分子構造体内の炭素素材量の調整が容易になり、様々の特性の高分子構造体を有する高分子アクチュエータを容易に得ることができる。【００３１】
本発明の第７態様によれば、前記導電性を備えた第１高分子構造体と前記導電性を備えた第２高分子構造体が、周辺環境に対する特性が同一の高分子を用いた構造体であることを特徴とする第１〜６態様のいずれか１つに記載の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、温度変化等の周辺環境に対する特性、言い換えれば、温度変化等の周辺環境による影響が第１高分子構造体と第２高分子構造体とに同様に現れることになるので、第１高分子構造体と第２高分子構造体の伸縮状態の相関性が高くなり、より伸縮動作を安定して実現できる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８態様によれば、前記電位差切替え部は、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差を、前記第２高分子構造体が一定寸法以上収縮したときには前記第２高分子構造体が伸長動作する第１電位差に切り替え、逆に前記第２高分子構造体が一定寸法以上伸長したときには前記第２高分子構造体が収縮動作する第２電位差に切り替えるように構成していることを特徴とする第１〜７態様のいずれか１つに記載の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、収縮し続けている高分子アクチュエータは一定寸法以上収縮した段階で伸長し続けるようになり、その後、一定寸法以上伸長した段階で再び収縮し続けるようになるので、大きな伸縮動作を連続して行う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９態様によれば、前記電位差切替え部が、前記第２高分子構造体の伸縮動作によって前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差を、前記第１電位差と前記第２電位差との間で機械的に切り替えるスイッチであることを特徴とする第８態様に記載の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、より簡単かつ安価な構成で大きな伸縮動作を安定して実現できる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１０態様によれば、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差が、常に直流電源によって与えられることを特徴とする第１〜９態様のいずれか１つに記載の高分子アクチュエータを提供する。【００３８】
このような構成によれば、より簡単かつ安価な構成で大きな伸縮動作を安定して実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。【００３９】
本発明の第１１態様によれば、前記第１高分子構造体の出力が、概して伸長もしくは収縮の一方向へのみ出力を伝達する機構を介して外部に伝達されるよう構成されていることを特徴とする第１〜１０態様のいずれか１つに記載の高分子アクチュエータを提供する。【００４０】
このような構成によれば、高分子アクチュエータを連続して伸縮させることでより大きな変位を実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。【００４１】
本発明の第１２態様によれば、前記一方向へのみ出力を伝達する機構が、ラチェット機構を含む機構であることを特徴とする第１１態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。【００４２】
このような構成によれば、一方向にのみ第１高分子構造体の出力を伝達することが容易になり、大きな変位を実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。【００４３】
本発明の第１３態様によれば、前記一方向へのみ出力を伝達する機構が、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差と連動して伝達力を変化させる機構を含む機構であることを特徴とする第１１態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。【００４４】
このような構成によれば、摩擦力を調節する機構のために新たな制御装置を設ける必要が無くなり、より簡単かつ安価な構成で大きな変位を実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。【００４５】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。【００４６】
（第１実施形態）
図１Ａは、本発明にかかる第１実施形態の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り、図１Ｂはその内部の様子を示した斜視図である。また図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅには人工筋肉アクチュエータ１の動作の様子を示す図１ＡのＸ−Ｘ線の断面図を示している。さらに、図３Ａ、図３Ｂには、図２ＡにおけるＡ−Ａ線の断面図とＢ−Ｂ線の断面図をそれぞれ示している。【００４７】
図２Ａ〜図２Ｅにおいて、２、３は導電性を備えた高分子構造体の一例である内側および外側の導電性高分子の筒状膜である。内側および外側の導電性高分子の筒状膜２、３を構成する導電性高分子は、酸化還元反応に伴って伸縮する素材であり、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、内側および外側の導電性高分子の筒状膜２、３における導電性高分子膜の厚みは数十μｍ程度であるのが望ましい。それより薄いと強度的に弱く、それより厚いと導電性高分子の筒状膜２、３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。【００４８】
内側および外側の導電性高分子の筒状膜２、３は、絶縁性の外筒１０、絶縁性の内筒１１、絶縁性の上蓋１２、絶縁性の下蓋１３に囲まれた空間を満たす電解質托体層である電解液４を介して電気的に接続されている。電解液４としては、イオン性液体が不揮発性で、かつ電気分解しない電位の範囲である電位窓が広いといった点で望ましい。【００４９】
内側および外側の２つの導電性高分子の筒状膜２、３のうちの内側の導電性高分子の筒状膜２は、４本の導電性の棒状突起２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを備えた断面Ｌ字状の導電性の保持リング７ａと導電性又は絶縁性の押さえリング９ａによって一端をクランプされており、もう一端も４本の導電性又は絶縁性の棒状突起２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈを備えた断面Ｌ字状の導電性又は絶縁性の保持リング７ｂと導電性又は絶縁性の押さえリング９ｂによってクランプされている。図１Ａ〜図２Ｂ中には棒状突起２７ｈが示されていないが、棒状突起２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈは、それぞれ棒状突起２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄに対向する位置に設けられている。導電性の保持リング７ａが、導電性の棒状突起２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを上蓋１２の４個の嵌合穴１２ａにはめ込む形で絶縁性の上蓋１２に固定される（すなわち、内側の導電性高分子の筒状膜２の上端側が上蓋１２に固定される）一方で、保持リング７ｂは、その４本の棒状突起２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈが、下蓋１３の４個の貫通穴１３ｂを貫通し、下蓋１３の４個の貫通穴１３ｂに設けられたシール部材２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄにより半径方向を拘束されているが、軸方向には移動自在に保持されている（すなわち、内側の導電性高分子の筒状膜２の下端側が下蓋１３に対して移動可能となっている）。図１Ａ〜図２Ｂ中にはシール部材２２ｂ、２２ｄが示されていないが、シール部材２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄはそれぞれ棒状突起２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈに対応するように設けられている。また棒状突起２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈには、それぞれラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ（１６ｂ、１６ｄは図示されていない）が設けられており、少なくとも軸方向沿いに４本のラチェットの歯１４ａを外周沿いに９０度間隔で備えた絶縁性又は導電性の棒状の移動体１４とかみ合っている。すなわち、ラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと４本のラチェットの歯１４ａとでラチェット機構を構成するようにしている。これにより、図２Ａにおいて保持リング７ｂが上昇するときその駆動力は爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと移動体１４の歯１４ａとのかみ合いを介して移動体１４に伝達されるが、保持リング７ｂが下降するときにはラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと移動体１４の歯１４ａとはかみ合わないためその駆動力は移動体１４に伝達されないことになる。よって、この第１実施形態では、前記内側の導電性高分子の筒状膜２の出力が、以下に詳述するように、概して収縮の一方向へのみ出力を伝達する機構の一例として機能するラチェット機構を介して、外部に伝達されるよう構成されている。【００５０】
また、移動体１４は、上蓋１２と下蓋１３の近傍の内筒１１内に配置された軸受１５ａ、１５ｂにより、軸方向への移動を妨げないように半径方向に保持されている。【００５１】
外側の導電性高分子の筒状膜３も同様に、４本の導電性の棒状突起２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを備えた断面Ｌ字状の導電性の保持リング６ａと導電性又は絶縁性の押さえリング８ａによって一端をクランプされており、もう一端も４本の絶縁性又は導電性の棒状突起２６ｅ、２６ｆ、２６ｇ、２６ｈを備えた断面Ｌ字状の絶縁性又は導電性の保持リング６ｂと絶縁性又は導電性の押さえリング８ｂによってクランプされている。保持リング６ｂが、棒状突起２６ｅ、２６ｆ、２６ｇ、２６ｈを下蓋１３の４個の嵌合穴１３ａにはめ込む形で、絶縁性の下蓋１３に固定される（すなわち、外側の導電性高分子の筒状膜３の下端側が下蓋１３に固定される）一方で、保持リング６ａの４本の棒状突起２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄは、上蓋１２の４個の貫通穴１２ｂを貫通して外部に突出している（すなわち、外側の導電性高分子の筒状膜３の上端側が上蓋１２に対して移動可能となっている）。外側の導電性高分子の筒状膜３の変位を検知する変位検知部の一例として機能する棒状突起２６ａには、導電性の弾性部材（例えば、バネ鋼製の線状部材）１９を介して永久磁石を内蔵した電気端子１８が電気的に接続されている。この電気端子１８は、内蔵した永久磁石の磁力によって導電性かつ磁性体の上側と下側の電極１７ａ、１７ｂのどちらかと必ず電気的に接続するスイッチのように構成されており、電気端子１８と弾性部材１９と上側と下側の電極１７ａ、１７ｂと直流電源５ａ、５ｂとで制御機構又は電位差切替部１００の一例を構成するものである。電気端子１８の磁力と弾性部材１９の弾性力は、電気端子１８が接触する上側と下側の電極１７ａ、１７ｂが、外側の導電性高分子の筒状膜３が完全に伸長した時点および完全に収縮した時点で反転するように調整されている。すなわち、上側の電極１７ａと電気的に接続していた電気端子１８（図２Ｄ参照）は、外側の導電性高分子の筒状膜３が完全に収縮した時点で下側の電極１７ｂと接触するようになり（図２Ａ参照）、逆に下側の電極１７ｂと電気的に接続していた電気端子１８（図２Ａ参照）は、外側の導電性高分子の筒状膜３が完全に伸長した時点で上側の電極１７ａと接触するようになる（図２Ｄ参照）。また、電極１７ａと電極１７ｂは、上蓋１２に接続された絶縁性の側板２１ａ、２１ｂによって保持されるとともに、直列接続された直流電源５ａ、５ｂを介して電気的に接続されている。また、直流電源５ａ、５ｂの間には、スイッチ２８と棒状突起２７ａを介して、保持リング７ａと導通した配線が電気的に接続されている。よって、スイッチ２８を介して、直流電源５ａ、５ｂにより、異なる電位が保持リング７ａに電気的に接続可能となっている。【００５２】
また、棒状突起２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄには、それぞれストッパー２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが固定されており、ストッパー２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄそれぞれと上蓋１２との間に弾性体の一例であるコイルバネ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを圧縮するように挟み込んでいる。これにより、外側の導電性高分子の筒状膜３には常に伸長方向への力がコイルバネ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄにより加えられることになり、外側の導電性高分子の筒状膜３が伸長する際にも、座屈することなく伸長方向への駆動力を発生するようになっている。【００５３】
一方、内側の導電性高分子の筒状膜２については、図２Ａの上側が鉛直方向上側となるように人工筋肉アクチュエータ１が上下方向沿いに配置された場合には、移動体１４等の自重により伸長方向への力が加えられているが、もちろん、外側の導電性高分子の筒状膜３と同様に、ストッパーとコイルバネを用いて伸長方向への力が加えられるようにしても良い。このように伸長方向への力を加えるようにすることは、重力方向に依存せずに、内側の導電性高分子の筒状膜２に伸長方向への力を加えられるようになるので、望ましい。言い換えれば、人工筋肉アクチュエータ１の配置方向を前記したように上下方向沿いに配置しなくても、横方向など任意の方向に向けて配置することができ、配置の自由度が大きくなるので望ましい。さらに、コイルバネを導電性高分子の筒状膜２、３と一体の構造物として、常に伸長方向への力をコイルバネにより発生させるようにしても良い。このようにすることは、コイルバネを配置するための余分のスペースが不要になる点で望ましい。また、コイルバネの導電率が導電性高分子の筒状膜２、３の導電率を上回る場合には、一体化させることで導電性高分子の筒状膜２、３の導電率を向上させたのと同じ効果を得ることができるようになり、人工筋肉アクチュエータ１の応答性が向上するという効果も得ることができるようになる。【００５４】
さらに、上蓋１２上には、移動体１４の軸方向の移動を規制するための保持機構であるソレノイド２０が備えられ、保持リング６ａ、７ａを介して、導電性高分子の筒状膜２、３の間に印加される電圧と同じ電圧が供給されている。ソレノイド２０は、コイル内に可動鉄心を設けたものであり、入力電圧の向きによって可動鉄心に連結された軸２０ａが前後して移動体１４の外面に対して接離するアクチュエータである。ソレノイド２０は、直流電源５ａの電圧が印加されたときに軸２０ａを収納して、軸２０ａが移動体１４の外面から離れて、移動体１４の軸方向移動を自由にし（開放状態）、直流電源５ｂの電圧が印加されたときに軸２０ａを突出させて移動体１４の外面に接触して摩擦力により移動体１４の軸方向移動を拘束するようになっている（保持状態）。なお、軸２０ａは、移動体１４の滑らかな外径部分に選択的に接触するような形状となっている。これは、外力により移動体１４との間に滑りが発生するような事態が生じた場合にも、軸２０ａが破損しにくい点で望ましい。一方で、軸２０ａを移動体１４の歯１４ａとかみ合うような形状としても良い。このような形状は、より大きな保持力が得られるという点で望ましい。【００５５】
次に、この人工筋肉アクチュエータ１の作用を説明する。【００５６】
導電性高分子の筒状膜２、３が伸長、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、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅ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は、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。また、人工筋肉アクチュエータ１は、スイッチ２８をオンにすることで、移動体１４の位置を除いて繰り返し動作をするようになるので、以降ではその１サイクルについて説明する。【００５７】
図２Ａは、繰り返し動作中の１つの状態として、内側の導電性高分子の筒状膜２が伸長し、外側の導電性高分子の筒状膜３が収縮した状態を示している。この状態では、内側の導電性高分子の筒状膜２には多数のアニオンが挿入されている一方で、外側の導電性高分子の筒状膜３に挿入されているアニオンは少数になっている。外側の導電性高分子の筒状膜３が収縮しているので、電気端子１８は、下側電極１７ｂに磁力によって押しつけられている状態となり、その結果、保持リング６ａと保持リング７ａとの間には、直流電源５ａが発生する電圧が印加されることになる。正の電位が与えられた保持リング６ａと電気的に接続された外側の導電性高分子の筒状膜３には、アニオンが挿入されて外側の導電性高分子の筒状膜３が伸長していく一方で、負の電位が与えられた保持リング７ａと電気的に接続された内側の導電性高分子の筒状膜２からはアニオンが離脱して内側の導電性高分子の筒状膜２が収縮していくようになる。すなわち、図２Ａ中に矢印で示す方向にアニオンが移動することになる。この状態が続くことで、図２Ｂの状態となる。【００５８】
図２Ｂは、内側の導電性高分子の筒状膜２が、内側の導電性高分子の筒状膜２が繰り返し動作中に発生させる最大変位ｄの半分だけ、すなわち変位（ｄ／２）だけ、図２Ａより収縮した状態を示している。図２Ａと比べて内側の導電性高分子の筒状膜２が変位（ｄ／２）だけ収縮したので、内側の導電性高分子の筒状膜２と電気的に接続された保持リング７ｂと棒状突起２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄとラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、その収縮につれて外筒１０に対して上昇し、同時に移動体１４も外筒１０に対して上昇することになる。図２Ｂ中の下端に２点鎖線で示しているのが、図２Ａにおける移動体１４の下端位置である。また、直流電源５ａの電圧が印加されているソレノイド２０は、軸２０ａを収納する開放状態となっており、移動体１４の移動を妨げないようになっている。一方、外側の導電性高分子の筒状膜３は伸長しているので、保持リング６ａは外側の導電性高分子の筒状膜３と共に上昇し、弾性部材１９を介して保持リング６ａと電気的に接続された電気端子１８にも弾性部材１９の弾性力による力が上方向に加わることになる。しかし、この状態では弾性部材１９の弾性力よりも電気端子１８の磁力が上回っているので、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３に印加される電圧は変化せず、引き続き、外側の導電性高分子の筒状膜３にはアニオンが挿入されて伸長し、内側の導電性高分子の筒状膜２からはアニオンが離脱し収縮していき、図２Ｃの状態となる。【００５９】
図２Ｃは、図２Ｂの状態よりさらに、内側の導電性高分子の筒状膜２が収縮し（言い換えれば、図２Ａの状態から変位ｄだけ収縮し）、外側の導電性高分子の筒状膜３が伸長して、弾性部材１９の弾性力が電気端子１８の磁力を上回った時点における状態を示している。この状態に至るまでは、内側の導電性高分子の筒状膜２は収縮し、それにつれて移動体１４は上昇し続けている。一方、外側の導電性高分子の筒状膜３の伸長につれて保持リング６ａが上昇し続け、弾性部材１９の弾性力が電気端子１８の磁力を上回るようになった時点で、電気端子１８が接触するのが、下側電極１７ｂから上側電極１７ａに変化し、保持リング６ａと保持リング７ａとの間には直流電源５ｂが発生する電圧が印加されるようになっている。このため、反応の方向（アニオンの出入りの方向）はこれ以降反転し、内側の導電性高分子の筒状膜２にアニオンが挿入され、外側の導電性高分子の筒状膜３からアニオンが離脱するようになり、今までとは逆に、内側の導電性高分子の筒状膜２が伸長、外側の導電性高分子の筒状膜３が収縮し出すようになる。一方で、直流電源５ｂの電圧が印加されるようになったソレノイド２０は、軸２０ａを移動体１４に向けて突出させた保持状態となり、軸２０ａが移動体１４の外面に接触して移動体１４の移動を妨げるようになる。この状態が進展することで、図２Ｄの状態となる。【００６０】
図２Ｄは、内側の導電性高分子の筒状膜２が、内側の導電性高分子の筒状膜２が繰り返し動作中に発生させる最大変位ｄの半分だけ、すなわち変位（ｄ／2）だけ、図２Ｃより伸長した状態を示している。図２Ｃの状態から内側の導電性高分子の筒状膜２が伸長したので、保持リング７ｂと棒状突起２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄとラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは下降しているが、ラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄが移動体１４の歯１４ａにかみ合っていないため、ソレノイド２０により保持された移動体１４は、その位置を保ち続けている（言い換えれば、移動体１４の下端位置は、図２Ｃと同様に、２点鎖線で示された図２Ａにおける移動体１４の下端位置よりも変位ｄだけ上昇した位置のままである。）。一方、外側の導電性高分子の筒状膜３は収縮しているので、保持リング６ａは外側の導電性高分子の筒状膜３と共に外筒１０に対して下降し、電気端子１８は弾性部材１９の弾性力による力が下方向に加わることになる。しかし、この状態では弾性部材１９の弾性力よりも電気端子１８の磁力が上回っているので、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３に印加される電圧は変化せず、引き続き、内側の導電性高分子の筒状膜２にはアニオンが挿入されて伸長し、外側の導電性高分子の筒状膜３からはアニオンが離脱し収縮していき、図２Ｅの状態となる。【００６１】
図２Ｅは、図２Ｄの状態よりさらに、内側の導電性高分子の筒状膜２が伸長し、外側の導電性高分子の筒状膜３が収縮して、弾性部材１９の弾性力が電気端子１８の磁力を上回った時点における状態を示している。この状態は移動体１４がｄだけ変位したのを除けば、図２Ａと同じ状態である。この状態では、弾性部材１９の弾性力が電気端子１８の磁力を上回ったため、電気端子１８が接触するのが上側電極１７ａから下側電極１７ｂに再び変化し、保持リング６ａと保持リング７ａとの間には、直流電源５ａが発生する電圧が再び印加されるようになる。それにつれて、ソレノイド２０も軸２０ａが収納されて開放状態に変化している。直流電源５ａが発生する電圧により、正の電位が与えられた保持リング６ａと電気的に接続された外側の導電性高分子の筒状膜３には、アニオンが挿入されて伸長していく一方で、負の電位が与えられた保持リング７ａと電気的に接続された内側の導電性高分子の筒状膜２からは、アニオンが離脱し収縮していくようになる。この一連のサイクルが繰り返されることで、移動体１４には、内側の導電性高分子の筒状膜２の発生する最大変位ｄ以上の変位が発生することになる。言い換えれば、１回のサイクルでは最大変位ｄであっても、例えば、前記サイクルが２回繰り返されると、前記最大変位ｄの２倍の変位２ｄが発生することになり、１回のサイクルで内側の導電性高分子の筒状膜２で発生する最大変位ｄ以上の変位を発生させることができる。これは、１回のサイクルで内側の導電性高分子の筒状膜２で発生した最大変位ｄだけ移動した移動体１４の位置をソレノイド２０で保持した状態で、次のサイクルで内側の導電性高分子の筒状膜２で発生する最大変位ｄを移動体１４に加えることができるためである。【００６２】
以上のサイクルにおいて、内側の導電性高分子の筒状膜２の長さは移動体１４に加わる負荷により変動するが、内側の導電性高分子の筒状膜２がどの程度伸長もしくは収縮しているかの状態については、内側の導電性高分子の筒状膜２に挿入されたアニオンの量によって決定される。すなわち、アニオンが十分に挿入された状態が伸長状態であり、アニオンが十分に離脱した状態が収縮状態となる。一方で、内側の導電性高分子の筒状膜２は電解液４を介して外側の導電性高分子の筒状膜３と電気的に接続されることで、直流電源５ａもしくは５ｂを含めた電気回路の一部を形成しており、内側の導電性高分子の筒状膜２のアニオンの挿入及び離脱に対応して外側の導電性高分子の筒状膜３にもアニオンの離脱及び挿入が行われることになる。さらに、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３は電解液４を介した接触のために機械的な相互作用はないので、既知の負荷の下で動作する外側の導電性高分子の筒状膜３の変位によって内側の導電性高分子の筒状膜２がどの程度伸長もしくは収縮しているかが見積もれることになる。このとき、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３は周辺環境に対する特性が同一の素材（例えば高分子）により構成されることが望ましい。これは、気温等の周辺環境に対する特性（外部要因における影響）も同等に受けることで、伸縮動作における相関性がより高まるからである。さらに、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３の電気的容量については、外側の導電性高分子の筒状膜３の容量が内側の導電性高分子の筒状膜２の容量を上回るのが望ましい。これは、外側の導電性高分子の筒状膜３の容量が内側の導電性高分子の筒状膜２の容量を下回っていると、外側の導電性高分子の筒状膜３が伸長や収縮した段階で内側の導電性高分子の筒状膜２の収縮や伸長が制限されてしまい、内側の導電性高分子の筒状膜２の能力を完全には生かせなくなってしまうからである。本実施形態では、内側の導電性高分子の筒状膜２の伸長状態や収縮状態に対応して外側の導電性高分子の筒状膜３を変位させることにより、電気端子１８が電極１７ａ、１７ｂのどちらに電気的に接続するかが切り替わることで、移動体１４に加わる負荷に関係なく、内側の導電性高分子の筒状膜２を伸長状態と収縮状態との間での最大振幅（但し、振幅幅は最大変位ｄである。）で往復動作をさせることができるようになっている。このときに利用されるのは、交流電源に比べて安価な直流電源５ａ、５ｂであり、外側の導電性高分子の筒状膜３、電気端子１８および電極１７ａ、１７ｂ等より構成される簡易な電位差切替え部である。特に、外側の導電性高分子の筒状膜３に連結される棒状突起２６ａを変位検知部として機能させることは、外側の導電性高分子の筒状膜３が内側の導電性高分子の筒状膜２を動作させるために元々必要な対極であることを考えると、外部センサにより導電性高分子膜の変位や負荷を計測して伸縮状態を判断する場合に比べて、非常に簡単かつ安価な構成であると言える。さらに、爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、移動体１４、ソレノイド２０等の簡単な機構を組み合わせることで、内側の導電性高分子の筒状膜２の発生する以上の変位をさらに実現することもできる。【００６３】
以上のように、第１実施形態によれば、第１高分子構造体の一例である内側の導電性高分子の筒状膜２と第２高分子構造体の一例である外側の導電性高分子の筒状膜３との間の電位差を、内側の導電性高分子の筒状膜２と電気的に接続されているが、内側の導電性高分子の筒状膜２とは機械的に弱い接続となっている外側の導電性高分子の筒状膜３の変位に応じて変化させるので、内側の導電性高分子の筒状膜２に加わる負荷に依存せずに内側の導電性高分子の筒状膜２の伸縮状態に対応した外側の導電性高分子の筒状膜３の伸縮状態に応じてアクチュエータを動作させられるようになるので、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を第１高分子構造体に発生させられるようになっている。さらに、爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと移動体１４の歯１４ａとのかみ合いにより駆動力が伝達されているので、内側と外側の導電性高分子膜の筒状膜２，３の伸縮により発生する変位以上の変位を実現する高分子アクチュエータが得られている。【００６４】
なお、移動体１４に一方向への駆動力を伝達する機構については、本実施形態のように駆動用にラチェット機構を用い、保持にソレノイド２０を用いる機構に限定されるものではなく、同様の作用を実現するものであれば、あらゆる公知技術の組み合わせが利用可能である。また、ソレノイド２０を動作させるのに内側と外側の導電性高分子膜の筒状膜２，３との間に印加される電位差を利用する場合についても、その電位差で直接動作させずに、その電位差を指令電圧として利用するようにしても良い。【００６５】
（第２実施形態）
図４は、本発明にかかる第２実施形態の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１Ａの概略を示した斜視図である。また図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図５Ｅには人工筋肉アクチュエータ１Ａの動作の様子を示すＸ−Ｘ断面図を示している。さらに、図６Ａ、図６Ｂには、図５ＡにおけるＡ−Ａ線の断面図とＢ−Ｂ線の断面図をそれぞれ示している。なお、前述した第１実施形態と同様の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。【００６６】
この第２実施形態では、前記内側の導電性高分子の筒状膜２の出力が、直接、外部に往復動作として伝達されるよう構成されているものである。この往復動作は、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子膜の筒状膜３との間に与えられる前記電位差と連動して変位方向を変化させて行わせるようにしている。【００６７】
具体的には、第２実施形態では、第１実施形態における移動体１４に相当するものはなく、アクチュエータ１Ａの出力は、保持リング７ｂに設けられかつ下蓋１３の中心の貫通穴１３ｃを移動自在に貫通した出力軸２５によって外部に取り出されるようになっている。出力軸２５には、ストッパー２３ｅが固定されており、ストッパー２３ｅと下蓋１３との間に弾性体の一例であるコイルバネ２４ｅを圧縮するように挟み込んでいる。この圧縮されたコイルバネ２４ｅにより、内側の導電性高分子の筒状膜２には常に伸長方向への力が加えられることになり、内側の導電性高分子の筒状膜２が伸長する際にも座屈することなく伸長方向への駆動力を発生するようになっている。また、出力軸２５は、下蓋１３の貫通穴１３ｃ内のシール部材２２によって、半径方向に拘束しつつ、軸方向には移動自由に保持されている。【００６８】
一方で、導電性の保持リング７ａには導電性の棒状突起２７が１本だけ設けられ、これが絶縁性の上蓋１２の嵌合穴１２ｃにはめ込まれることで、保持リング７ａを上蓋１２に固定している。さらに、保持リング７ａには、内側の導電性高分子の筒状膜２の内部側の空間と外部側の空間とを常時連通させる断面Ｔ字状の貫通穴３８が設けられ、内側の導電性高分子の筒状膜２の伸縮に伴って筒状膜２の内外にある電解液４が貫通穴３８を通じて相互に自在に移動できるようになっており、内側の導電性高分子の筒状膜２に内外の電解液４による圧力差が加わることを防止している。また、スイッチ２８からの配線は、導電性の棒状突起２７を介して保持リング７ａに電気的に接続されている。【００６９】
次に、この人工筋肉アクチュエータ１Ａの作用を説明する。【００７０】
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図５Ｅにおける導電性高分子の筒状膜２、３や電気端子１８の状態などは、それぞれ図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅと同じであり、第２実施形態においても、スイッチ２８をオンにすることで、前記した第１実施形態と同様な一連のサイクルを繰り返すこととになる。ただし、第１実施形態と異なる点は、内側の導電性高分子の筒状膜２が発生する変位がそのまま出力軸２５によって取り出されることから、アクチュエータ１Ａにより発生させる変位動作は、振幅がｄの往復動作ということになる。【００７１】
このような一連のサイクルにおいて、内側の導電性高分子の筒状膜２の長さは出力軸２５に加わる負荷により変動するが、内側の導電性高分子の筒状膜２がどの程度伸長もしくは収縮しているかの状態については、内側の導電性高分子の筒状膜２に挿入されたアニオンの量によって決定される。すなわち、内側の導電性高分子の筒状膜２にアニオンが十分に挿入された状態が、内側の導電性高分子の筒状膜２の伸長状態であり、内側の導電性高分子の筒状膜２からアニオンが十分に離脱した状態が、内側の導電性高分子の筒状膜２の収縮状態となる。一方で、内側の導電性高分子の筒状膜２は電解液４を介して外側の導電性高分子の筒状膜３と電気的に接続されることで、直流電源５ａもしくは５ｂを含めた電気回路の一部を形成しており、内側の導電性高分子の筒状膜２のアニオンの挿入及び離脱に対応して外側の導電性高分子の筒状膜３にもアニオンの離脱及び挿入が行われることになる。【００７２】
さらに、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３は電解液４を介した接触のために機械的な相互作用はないので、既知の負荷の下で動作する外側の導電性高分子の筒状膜３の変位によって、内側の導電性高分子の筒状膜２がどの程度伸長もしくは収縮しているかが見積もれることになるので、外側の導電性高分子の筒状膜３を変位させることにより、電気端子１８が電極１７ａ、１７ｂのどちらに電気的に接続するかが切り替わることで、出力軸２５に加わる負荷に関係なく、内側の導電性高分子の筒状膜２を伸長状態と収縮状態との間での最大振幅ｄで往復動作をさせることができるようになっている。【００７３】
以上のように、第２実施形態によれば、第１高分子構造体の一例である内側の導電性高分子の筒状膜２と第２高分子構造体の一例である外側の導電性高分子の筒状膜３との間の電位差を、内側の導電性高分子の筒状膜２と電気的に接続されているが、内側の導電性高分子の筒状膜２とは機械的に弱い接続となっている外側の導電性高分子の筒状膜３の変位に応じて変化させるので、内側の導電性高分子の筒状膜２に加わる負荷に依存せずに内側の導電性高分子の筒状膜２の伸縮状態に対応した外側の導電性高分子の筒状膜３の伸縮状態に応じてアクチュエータ１Ａを動作させられるようになるので、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を実現できる高分子アクチュエータ１Ａを得ることができる。【００７４】
なお、前記様々な実施形態では、アニオン動作の場合について説明したが、カチオンの出入りにより動作するカチオン駆動においても同様に実施可能である。【００７５】
また、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３とで出入りするイオンが異なる場合についても同様に実施可能である。【００７６】
また、本実施形態では、導電性を有する高分子構造体として、高分子自体が導電性を持つ有機導電性高分子を用いた場合について説明を行ったが、導電性を有する高分子構造体はこれに限定されるわけではなく、高分子構造体に導電体を複合させたような構造体でも同様の機能効果を得ることができる。例えばフッ素系の高分子にカーボンの微粒子などの粒状の炭素素材を含有させた構造体は、カーボン微粒子の含有量により高分子構造体の特性を調整できるので望ましい。また、カーボン微粒子の代わりにカーボンナノチューブ等のチューブ状の炭素素材を用いた構造体は高分子構造体が伸長、収縮する際にも安定した導電性を得ることができるので望ましい。また、高分子構造体に含める導電体はカーボンに限定されるわけではなく、金属系の導電体であってもよい。【００７７】
さらに、伸長、収縮の原理も酸化還元反応に限定されるわけではなく、高分子の構造変化や静電反発によるものであっても良い。いずれの場合についても、第１高分子構造体と第２高分子構造体の変位には相関があるので、同様に実施可能である。【００７８】
また、前記様々な実施形態では、導電性を備えた高分子構造体に伸長方向への駆動力を与えるためにコイルバネを用いているが、伸長方向への駆動力を与える方法はこれに限るわけではなく、重りにより外部から高分子構造体に引っ張り力を与える構造としても良いし、伸長時に座屈しないだけの強度を有する高分子を用いた高分子構造体とすることで、付加的な弾性要素の無い単体で動作させても良い。【００７９】
さらに、電解質托体層も液体に限定する必要はなく、ゲル構造などによる固体電解質でも、高分子構造体の筒状膜２、３が互いの弾性変形の影響を機械的に受けない程度の界面における滑りもしくは固体電解質の柔軟性がある場合には利用可能である。【００８０】
また、第１高分子構造体と第２高分子構造体との間に印加する電位差は２種類に限定する必要はなく、必要に応じて種類を増やしてもかまわない。【００８１】
さらに、第２高分子構造体の変位に応じて電位差を変化させる電位差切替部１００も、前記した実施形態における磁力を利用した方式に限定されるものではなく、変位に応じてスイッチングを行うあらゆる公知技術が利用可能である。【００８２】
また、電源についても安価な直流電源であることが望ましいが、これに限定されるわけではなく、交流電源や任意波形の電圧を出力する電源等を利用しても良い。【００８３】
これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。【００８４】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明にかかる高分子アクチュエータは、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を実現する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。人工筋肉アクチュエータのより具体的な例としては、腕の腱として本発明は利用可能である。また、前記第１実施形態の移動体を固定レールとすると、固定レールに対してアクチュエータ自身が進退移動する、自走式ロボットのアクチュエータとしても本発明は利用可能である。【００８６】
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１Ａ】
2007148572.tif 000003
【図１Ｂ】
2007148572.tif 000004
【図２Ａ】
2007148572.tif 000005
【図２Ｂ】
2007148572.tif 000006
【図２Ｃ】
2007148572.tif 000007
【図２Ｄ】
2007148572.tif 000008
【図２Ｅ】
2007148572.tif 000009
【図３Ａ】
2007148572.tif 000010
【図３Ｂ】
2007148572.tif 000011
【図４】
2007148572.tif 000012
【図５Ａ】
2007148572.tif 000013
【図５Ｂ】
2007148572.tif 000014
【図５Ｃ】
2007148572.tif 000015
【図５Ｄ】
2007148572.tif 000016
【図５Ｅ】
2007148572.tif 000017
【図６Ａ】
2007148572.tif 000018
【図６Ｂ】
2007148572.tif 000019
【図７Ａ】
2007148572.tif 000020
【図７Ｂ】
2007148572.tif 000021
【図７Ｃ】
2007148572.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成20年9月10日(2008.9.10)
【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】
導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮しかつ、前記第１高分子構造体に作用する外力とは独立に前記第２高分子構造体が伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第１高分子構造体に対して外力が作用する場合において、前記第２高分子構造体を変位させることにより、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間の電位差を変化させる高分子アクチュエータ。
【請求項２】
導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮しかつ、前記第１高分子構造体に作用する外力とは独立に前記第２高分子構造体が伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第１高分子構造体に対して外力が作用する場合における前記第２高分子構造体の変位を検知する変位検知部と、
前記変位検知部により検知された変位をもとに、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる電位差を異なる電位差に切替える電位差切替部とをさらに備える高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記導電性を備えた第１高分子構造体および前記導電性を備えた第２高分子構造体のどちらかもしくは両方が、有機導電性高分子を含む構造体である請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記導電性を備えた第１高分子構造体および前記導電性を備えた第２高分子構造体のどちらかもしくは両方に、導電性を有する炭素素材が含まれる請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記導電性を有する炭素素材が、チューブ状の炭素素材である請求項４に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
前記導電性を有する炭素素材が、粒状の炭素素材である請求項４に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記導電性を備えた第１高分子構造体と前記導電性を備えた第２高分子構造体が、周辺環境に対する特性が同一の高分子を用いた構造体である請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項８】
導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第２高分子構造体の変位を検知する変位検知部と、
前記変位検知部により検知された変位をもとに、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる電位差を異なる電位差に切替える電位差切替部とをさらに備え、
前記電位差切替え部は、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差を、前記第２高分子構造体が一定寸法以上収縮したときには前記第２高分子構造体が伸長動作する第１電位差に切り替え、逆に前記第２高分子構造体が一定寸法以上伸長したときには前記第２高分子構造体が収縮動作する第２電位差に切り替えるように構成している高分子アクチュエータ。
【請求項９】
前記電位差切替え部が、前記第２高分子構造体の伸縮動作によって前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差を、前記第１電位差と前記第２電位差との間で機械的に切り替えるスイッチである請求項８に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差が、常に直流電源によって与えられる請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項１１】
一端が固定された前記第１高分子構造体には、他端に前記第１高分子構造体の伸縮に伴って前記第１高分子構造体の伸縮方向に移動するラチェットの爪が設けられ、前記ラチェットの爪とかみ合うラチェットの歯を備えた棒状の移動体が、前記第１高分子構造体の伸縮方向と略同方向に移動可能に設けられ、前記ラチェットの爪と前記ラチェットの歯とでラチェット機構を構成して、前記第１高分子構造体が収縮するとき、前記ラチェットの爪と前記移動体の前記ラチェットの歯とがかみ合うことにより、前記ラチェットの爪と前記移動体とが前記第１高分子構造体の収縮方向に移動する一方、前記第１高分子構造体が伸張するとき、前記ラチェットの爪が前記移動体の前記ラチェットの歯から外れて、前記移動体に対して、前記ラチェットの爪が前記収縮方向とは逆方向に移動することにより、前記第１高分子構造体の出力が、一方向へのみ外部に伝達されるよう構成されている請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月27日(2008.10.27)
【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】
導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮しかつ、前記第１高分子構造体に作用する外力とは独立に前記第２高分子構造体が伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第１高分子構造体に対して外力が作用する場合において、前記第２高分子構造体を変位させることにより、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間の電位差を変化させる高分子アクチュエータ。
【請求項２】
導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮しかつ、前記第１高分子構造体に作用する外力とは独立に前記第２高分子構造体が伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第１高分子構造体に対して外力が作用する場合における前記第２高分子構造体の変位を検知する変位検知部と、
前記変位検知部により検知された変位をもとに、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる電位差を異なる電位差に切替える電位差切替部とをさらに備える高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記導電性を備えた第１高分子構造体および前記導電性を備えた第２高分子構造体のどちらかもしくは両方が、有機導電性高分子を含む構造体である請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記導電性を備えた第１高分子構造体および前記導電性を備えた第２高分子構造体のどちらかもしくは両方に、導電性を有する炭素素材が含まれる請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記導電性を有する炭素素材が、チューブ状の炭素素材である請求項４に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
前記導電性を有する炭素素材が、粒状の炭素素材である請求項４に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記導電性を備えた第１高分子構造体と前記導電性を備えた第２高分子構造体が、周辺環境に対する特性が同一の高分子を用いた構造体である請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項８】
導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第２高分子構造体の変位を検知する変位検知部と、
前記変位検知部により検知された変位をもとに、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる電位差を異なる電位差に切替える電位差切替部とをさらに備え、
前記電位差切替え部は、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差を、前記第２高分子構造体が一定寸法以上収縮したときには前記第２高分子構造体が伸長動作する第１電位差に切り替え、逆に前記第２高分子構造体が一定寸法以上伸長したときには前記第２高分子構造体が収縮動作する第２電位差に切り替えるように構成している高分子アクチュエータ。
【請求項９】
前記電位差切替え部が、前記第２高分子構造体の伸縮動作によって前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差を、前記第１電位差と前記第２電位差との間で機械的に切り替えるスイッチである請求項８に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項１０】
前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差が、常に直流電源によって与えられる請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項１１】
一端が固定された前記第１高分子構造体には、他端に前記第１高分子構造体の伸縮に伴って前記第１高分子構造体の伸縮方向に移動するラチェットの爪が設けられ、前記ラチェットの爪とかみ合うラチェットの歯を備えた棒状の移動体が、前記第１高分子構造体の伸縮方向と略同方向に移動可能に設けられ、前記ラチェットの爪と前記ラチェットの歯とでラチェット機構を構成して、前記第１高分子構造体が収縮するとき、前記ラチェットの爪と前記移動体の前記ラチェットの歯とがかみ合うことにより、前記ラチェットの爪と前記移動体とが前記第１高分子構造体の収縮方向に移動する一方、前記第１高分子構造体が伸張するとき、前記ラチェットの爪が前記移動体の前記ラチェットの歯から外れて、前記移動体に対して、前記ラチェットの爪が前記収縮方向とは逆方向に移動することにより、前記第１高分子構造体の出力が、一方向へのみ外部に伝達されるよう構成されている請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【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、簡単かつ安価な構成で大きな伸縮動作を安定して実現できる高分子アクチュエータに関する。
【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は、導電性高分子を用いたアクチュエータ、カーボン微粒子を含有した高分子を用いたアクチュエータ（例えば、特許文献１参照）、カーボンナノチューブを含む高分子構造体を用いたアクチュエータ（例えば、特許文献２参照）等があり、これらのアクチュエータはイオンの動きに伴って高分子材料を含む構造体が伸縮する現象を利用していることから、イオン性高分子アクチュエータと総称されている。
【０００３】
イオン性高分子アクチュエータの一種である導電性高分子を用いた人工筋肉アクチュエータの一例としては、図７Ａ，図７Ｂ，図７Ｃ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、導電性高分子を用いた高分子構造体であるポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂで電解質托体層である固体電解質成形体３２を挟み込む構造となっている。スイッチ３７をオンすることで、電源３６において設定された電位差がポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂ間に与えられ、図７Ｂに示されるように、一方のポリアニリン膜体３５ｂ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３５ａからは陰イオンが離脱して収縮し、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３参照）。
【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であるポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂ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、電解質托体層である固体電解質成形体３２を液体もしくはゲル状の物質とすることで、両電極であるポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂの変形がお互いに影響しないようにし、二つのポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂののうちのいずれか片方の導電性高分子膜３５ａ又は３５ｂ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、変位を利用しない方の電極については、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】
イオン性高分子アクチュエータが伸縮する原理には、このようなイオンの挿入による体積変化だけでなく、高分子の構造変化による場合や静電反発などによる場合などもあるが、いずれの場合においても電解質托体層を介して接続された二電極間に電位差を与える構成となっており、それぞれの電極では互いに対応した現象が発生することになる。このようなイオン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ものもあることから、人工筋肉としての実用化が期待されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１７６４１２号公報
【特許文献２】特開２００５−１７６４２８号公報
【特許文献３】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、イオン性高分子アクチュエータは柔軟な高分子構造体の伸縮を利用していることから、アクチュエータに負荷が加わった場合には、伸長状態、収縮状態の形状もそれぞれ変化することになり、アクチュエータとしての伸縮範囲が変化することになる。このため、一般的な位置制御では、無負荷の場合と負荷が加わった場合のいずれにおいても伸縮によって到達可能な範囲に動作範囲を限定させなければならないので、アクチュエータを最大限伸縮させることができないことになる。
【０００８】
このような課題に対応するためには、アクチュエータの伸縮状態に応じて動作状態を変化させるようにする必要がある。そのための方法としては、電荷を計測する方法、複数のセンサを用いる方法、一定電圧を印加し続ける方法などが考えられる。
【０００９】
前記電荷を計測する方法とは、イオン性高分子アクチュエータの変位が高分子構造体中の電荷もしくはそれに対応したイオンの数に依存することから、高分子構造体に出入りする電荷の数を計測し、それにより伸縮状態を評価する方法である。しかしこの方法では、アクチュエータを動作させるたびに電荷数の加減が行われるため、計測誤差が累積されることになる。そのため、高精度な電荷計測装置などの計測系を用いる必要があり、回路が複雑、高価になるという欠点がある。
【００１０】
次に、前記複数のセンサを用いる方法とは、例えば変位センサに加えて力センサを備え、あらかじめ計測しておいた負荷と伸縮範囲の関係を用いて伸縮状態を評価する方法である。しかしこの方法では、余分に力センサが必要となることからコスト増になるという欠点がある。
【００１１】
そして、前記一定電圧を印加し続ける方法とは、高分子構造体や電解質托体層が劣化しない程度の電圧で高分子構造体が伸長もしくは収縮する電圧を印加し続ける方法である。このようにすることで、高分子構造体は、時間とともに一定の伸縮状態に近づいていくことになる。しかしこの方法では、印加電圧を変化させるタイミングを決定するのが難しく、高分子構造体の変位が確実に安定するまで時間をかけた場合には、アクチュエータの動作が極めて遅くなり、早めに印加電圧を変化させるように動作させた場合には、高分子構造体の伸縮状態は過渡応答の状態になるので、印加電圧との相関が低くなってしまうという欠点がある。また、伸長側と収縮側の応答速度が異なる場合には、往復動作を意図して電圧を周期的に変化させた場合にも、片側に変位がドリフトしていく現象が発生するという問題も生じる。
【００１２】
従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を実現する高分子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】
【００１３】
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。
【００１４】
本発明の第１態様によれば、導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第２高分子構造体を変位させることにより、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間の電位差を変化させることを特徴とする高分子アクチュエータを提供する。
【発明の効果】
【００１５】
よって、本発明によれば、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を実現する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、第１高分子構造体と第２高分子構造体との間の前記電位差を、第１高分子構造体と電気的に接続されているが、第１高分子構造体とは機械的に弱い接続となっている第２高分子構造体を変位させることにより、第１高分子構造体に加わる負荷に依存せずに第１高分子構造体の伸縮状態に対応した第２高分子構造体の伸縮状態に応じてアクチュエータを動作させられるようになる。従って、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を実現する高分子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】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
本発明の第１態様によれば、導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第２高分子構造体を変位させることにより、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間の電位差を変化させることを特徴とする高分子アクチュエータを提供する。
【００２０】
このような構成によれば、第１高分子構造体と第２高分子構造体との間の電位差を、第１高分子構造体と電気的に接続されているが、第１高分子構造体とは機械的に弱い接続となっている第２高分子構造体を変位させるので、第１高分子構造体に加わる負荷に依存せずに第１高分子構造体の伸縮状態に対応した第２高分子構造体の伸縮状態に応じてアクチュエータを動作させられるようになる。従って、簡単かつ安価な構成で大きな伸縮動作を安定して実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２１】
本発明の第２態様によれば、導電性を備えた第１高分子構造体と、前記第１高分子構造体と電気的に接続された電解質托体層と、前記第１高分子構造体と前記電解質托体層を介して電気的に接続されかつ導電性を備えた第２高分子構造体とを備えて、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に電位差を与えることで前記第１高分子構造体および前記第２高分子構造体がそれぞれ伸縮する高分子アクチュエータにおいて、
前記第２高分子構造体の変位を検知する変位検知部と、
前記変位検知部により検知された変位をもとに、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる電位差を異なる電位差に切替える電位差切替部とをさらに備えることを特徴とする高分子アクチュエータを提供する。
このような構成によれば、第１高分子構造体に加わる負荷に依存せずに第１高分子構造体の伸縮状態に対応した第２高分子構造体の伸縮状態に応じてアクチュエータを制御できるようになる。従って、簡単かつ安価な構成で大きな伸縮動作を安定して実現できる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３態様によれば、前記導電性を備えた第１高分子構造体および前記導電性を備えた第２高分子構造体のどちらかもしくは両方が、有機導電性高分子を含む構造体であることを特徴とする第１〜２態様のいずれか１つに記載の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、高分子自体が導電性を持つため、他の物質を混ぜる必要が無く、より安定した特性の高分子構造体を有する高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２４】
本発明の第４態様によれば、前記導電性を備えた第１高分子構造体および前記導電性を備えた第２高分子構造体のどちらかもしくは両方に、導電性を有する炭素素材が含まれることを特徴とする第１〜３態様のいずれか１つに記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００２５】
このような構成によれば、高分子自体が導電性を持たない場合でも、伸縮動作が可能な高分子構造体を得ることができるようになるので、より容易に高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２６】
本発明の第５態様によれば、前記導電性を有する炭素素材が、チューブ状の炭素素材であることを特徴とする第４態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００２７】
このような構成によれば、伸縮動作する際にも、安定して高分子構造体の導電性を確保できる高分子アクチュエータを得ることができる。
【００２８】
本発明の第６態様によれば、前記導電性を有する炭素素材が、粒状の炭素素材であることを特徴とする第４態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００２９】
このような構成によれば、高分子構造体内の炭素素材量の調整が容易になり、様々の特性の高分子構造体を有する高分子アクチュエータを容易に得ることができる。
【００３０】
本発明の第７態様によれば、前記導電性を備えた第１高分子構造体と前記導電性を備えた第２高分子構造体が、周辺環境に対する特性が同一の高分子を用いた構造体であることを特徴とする第１〜６態様のいずれか１つに記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００３１】
このような構成によれば、温度変化等の周辺環境に対する特性、言い換えれば、温度変化等の周辺環境による影響が第１高分子構造体と第２高分子構造体とに同様に現れることになるので、第１高分子構造体と第２高分子構造体の伸縮状態の相関性が高くなり、より伸縮動作を安定して実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。
【００３２】
本発明の第８態様によれば、前記電位差切替え部は、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差を、前記第２高分子構造体が一定寸法以上収縮したときには前記第２高分子構造体が伸長動作する第１電位差に切り替え、逆に前記第２高分子構造体が一定寸法以上伸長したときには前記第２高分子構造体が収縮動作する第２電位差に切り替えるように構成していることを特徴とする第１〜７態様のいずれか１つに記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００３３】
このような構成によれば、収縮し続けている高分子アクチュエータは一定寸法以上収縮した段階で伸長し続けるようになり、その後、一定寸法以上伸長した段階で再び収縮し続けるようになるので、大きな伸縮動作を連続して行う高分子アクチュエータを得ることができる。
【００３４】
本発明の第９態様によれば、前記電位差切替え部が、前記第２高分子構造体の伸縮動作によって前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差を、前記第１電位差と前記第２電位差との間で機械的に切り替えるスイッチであることを特徴とする第８態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００３５】
このような構成によれば、より簡単かつ安価な構成で大きな伸縮動作を安定して実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。
【００３６】
本発明の第１０態様によれば、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差が、常に直流電源によって与えられることを特徴とする第１〜９態様のいずれか１つに記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００３７】
このような構成によれば、より簡単かつ安価な構成で大きな伸縮動作を安定して実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。
【００３８】
本発明の第１１態様によれば、前記第１高分子構造体の出力が、概して伸長もしくは収縮の一方向へのみ出力を伝達する機構を介して外部に伝達されるよう構成されていることを特徴とする第１〜１０態様のいずれか１つに記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００３９】
このような構成によれば、高分子アクチュエータを連続して伸縮させることでより大きな変位を実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。
【００４０】
本発明の第１２態様によれば、前記一方向へのみ出力を伝達する機構が、ラチェット機構を含む機構であることを特徴とする第１１態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００４１】
このような構成によれば、一方向にのみ第１高分子構造体の出力を伝達することが容易になり、大きな変位を実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。
【００４２】
本発明の第１３態様によれば、前記一方向へのみ出力を伝達する機構が、前記第１高分子構造体と前記第２高分子構造体との間に与えられる前記電位差と連動して伝達力を変化させる機構を含む機構であることを特徴とする第１１態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００４３】
このような構成によれば、摩擦力を調節する機構のために新たな制御装置を設ける必要が無くなり、より簡単かつ安価な構成で大きな変位を実現できる高分子アクチュエータを得ることができる。
【００４４】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００４５】
（第１実施形態）
図１Ａは、本発明にかかる第１実施形態の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り、図１Ｂはその内部の様子を示した斜視図である。また図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅには人工筋肉アクチュエータ１の動作の様子を示す図１ＡのＸ−Ｘ線の断面図を示している。さらに、図３Ａ、図３Ｂには、図２ＡにおけるＡ−Ａ線の断面図とＢ−Ｂ線の断面図をそれぞれ示している。
【００４６】
図２Ａ〜図２Ｅにおいて、２、３は導電性を備えた高分子構造体の一例である内側および外側の導電性高分子の筒状膜である。内側および外側の導電性高分子の筒状膜２、３を構成する導電性高分子は、酸化還元反応に伴って伸縮する素材であり、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、内側および外側の導電性高分子の筒状膜２、３における導電性高分子膜の厚みは数十μｍ程度であるのが望ましい。それより薄いと強度的に弱く、それより厚いと導電性高分子の筒状膜２、３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。
【００４７】
内側および外側の導電性高分子の筒状膜２、３は、絶縁性の外筒１０、絶縁性の内筒１１、絶縁性の上蓋１２、絶縁性の下蓋１３に囲まれた空間を満たす電解質托体層である電解液４を介して電気的に接続されている。電解液４としては、イオン性液体が不揮発性で、かつ電気分解しない電位の範囲である電位窓が広いといった点で望ましい。
【００４８】
内側および外側の２つの導電性高分子の筒状膜２、３のうちの内側の導電性高分子の筒状膜２は、４本の導電性の棒状突起２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを備えた断面Ｌ字状の導電性の保持リング７ａと導電性又は絶縁性の押さえリング９ａによって一端をクランプされており、もう一端も４本の導電性又は絶縁性の棒状突起２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈを備えた断面Ｌ字状の導電性又は絶縁性の保持リング７ｂと導電性又は絶縁性の押さえリング９ｂによってクランプされている。図１Ａ〜図２Ｂ中には棒状突起２７ｈが示されていないが、棒状突起２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈは、それぞれ棒状突起２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄに対向する位置に設けられている。導電性の保持リング７ａが、導電性の棒状突起２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを上蓋１２の４個の嵌合穴１２ａにはめ込む形で絶縁性の上蓋１２に固定される（すなわち、内側の導電性高分子の筒状膜２の上端側が上蓋１２に固定される）一方で、保持リング７ｂは、その４本の棒状突起２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈが、下蓋１３の４個の貫通穴１３ｂを貫通し、下蓋１３の４個の貫通穴１３ｂに設けられたシール部材２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄにより半径方向を拘束されているが、軸方向には移動自在に保持されている（すなわち、内側の導電性高分子の筒状膜２の下端側が下蓋１３に対して移動可能となっている）。図１Ａ〜図２Ｂ中にはシール部材２２ｂ、２２ｄが示されていないが、シール部材２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄはそれぞれ棒状突起２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈに対応するように設けられている。また棒状突起２７ｅ、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈには、それぞれラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ（１６ｂ、１６ｄは図示されていない）が設けられており、少なくとも軸方向沿いに４本のラチェットの歯１４ａを外周沿いに９０度間隔で備えた絶縁性又は導電性の棒状の移動体１４とかみ合っている。すなわち、ラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと４本のラチェットの歯１４ａとでラチェット機構を構成するようにしている。これにより、図２Ａにおいて保持リング７ｂが上昇するときその駆動力は爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと移動体１４の歯１４ａとのかみ合いを介して移動体１４に伝達されるが、保持リング７ｂが下降するときにはラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと移動体１４の歯１４ａとはかみ合わないためその駆動力は移動体１４に伝達されないことになる。よって、この第１実施形態では、前記内側の導電性高分子の筒状膜２の出力が、以下に詳述するように、概して収縮の一方向へのみ出力を伝達する機構の一例として機能するラチェット機構を介して、外部に伝達されるよう構成されている。
【００４９】
また、移動体１４は、上蓋１２と下蓋１３の近傍の内筒１１内に配置された軸受１５ａ、１５ｂにより、軸方向への移動を妨げないように半径方向に保持されている。
【００５０】
外側の導電性高分子の筒状膜３も同様に、４本の導電性の棒状突起２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄを備えた断面Ｌ字状の導電性の保持リング６ａと導電性又は絶縁性の押さえリング８ａによって一端をクランプされており、もう一端も４本の絶縁性又は導電性の棒状突起２６ｅ、２６ｆ、２６ｇ、２６ｈを備えた断面Ｌ字状の絶縁性又は導電性の保持リング６ｂと絶縁性又は導電性の押さえリング８ｂによってクランプされている。保持リング６ｂが、棒状突起２６ｅ、２６ｆ、２６ｇ、２６ｈを下蓋１３の４個の嵌合穴１３ａにはめ込む形で、絶縁性の下蓋１３に固定される（すなわち、外側の導電性高分子の筒状膜３の下端側が下蓋１３に固定される）一方で、保持リング６ａの４本の棒状突起２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄは、上蓋１２の４個の貫通穴１２ｂを貫通して外部に突出している（すなわち、外側の導電性高分子の筒状膜３の上端側が上蓋１２に対して移動可能となっている）。外側の導電性高分子の筒状膜３の変位を検知する変位検知部の一例として機能する棒状突起２６ａには、導電性の弾性部材（例えば、バネ鋼製の線状部材）１９を介して永久磁石を内蔵した電気端子１８が電気的に接続されている。この電気端子１８は、内蔵した永久磁石の磁力によって導電性かつ磁性体の上側と下側の電極１７ａ、１７ｂのどちらかと必ず電気的に接続するスイッチのように構成されており、電気端子１８と弾性部材１９と上側と下側の電極１７ａ、１７ｂと直流電源５ａ、５ｂとで制御機構又は電位差切替部１００の一例を構成するものである。電気端子１８の磁力と弾性部材１９の弾性力は、電気端子１８が接触する上側と下側の電極１７ａ、１７ｂが、外側の導電性高分子の筒状膜３が完全に伸長した時点および完全に収縮した時点で反転するように調整されている。すなわち、上側の電極１７ａと電気的に接続していた電気端子１８（図２Ｄ参照）は、外側の導電性高分子の筒状膜３が完全に収縮した時点で下側の電極１７ｂと接触するようになり（図２Ａ参照）、逆に下側の電極１７ｂと電気的に接続していた電気端子１８（図２Ａ参照）は、外側の導電性高分子の筒状膜３が完全に伸長した時点で上側の電極１７ａと接触するようになる（図２Ｄ参照）。また、電極１７ａと電極１７ｂは、上蓋１２に接続された絶縁性の側板２１ａ、２１ｂによって保持されるとともに、直列接続された直流電源５ａ、５ｂを介して電気的に接続されている。また、直流電源５ａ、５ｂの間には、スイッチ２８と棒状突起２７ａを介して、保持リング７ａと導通した配線が電気的に接続されている。よって、スイッチ２８を介して、直流電源５ａ、５ｂにより、異なる電位が保持リング７ａに電気的に接続可能となっている。
【００５１】
また、棒状突起２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄには、それぞれストッパー２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが固定されており、ストッパー２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄそれぞれと上蓋１２との間に弾性体の一例であるコイルバネ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを圧縮するように挟み込んでいる。これにより、外側の導電性高分子の筒状膜３には常に伸長方向への力がコイルバネ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄにより加えられることになり、外側の導電性高分子の筒状膜３が伸長する際にも、座屈することなく伸長方向への駆動力を発生するようになっている。
【００５２】
一方、内側の導電性高分子の筒状膜２については、図２Ａの上側が鉛直方向上側となるように人工筋肉アクチュエータ１が上下方向沿いに配置された場合には、移動体１４等の自重により伸長方向への力が加えられているが、もちろん、外側の導電性高分子の筒状膜３と同様に、ストッパーとコイルバネを用いて伸長方向への力が加えられるようにしても良い。このように伸長方向への力を加えるようにすることは、重力方向に依存せずに、内側の導電性高分子の筒状膜２に伸長方向への力を加えられるようになるので、望ましい。言い換えれば、人工筋肉アクチュエータ１の配置方向を前記したように上下方向沿いに配置しなくても、横方向など任意の方向に向けて配置することができ、配置の自由度が大きくなるので望ましい。さらに、コイルバネを導電性高分子の筒状膜２、３と一体の構造物として、常に伸長方向への力をコイルバネにより発生させるようにしても良い。このようにすることは、コイルバネを配置するための余分のスペースが不要になる点で望ましい。また、コイルバネの導電率が導電性高分子の筒状膜２、３の導電率を上回る場合には、一体化させることで導電性高分子の筒状膜２、３の導電率を向上させたのと同じ効果を得ることができるようになり、人工筋肉アクチュエータ１の応答性が向上するという効果も得ることができるようになる。
【００５３】
さらに、上蓋１２上には、移動体１４の軸方向の移動を規制するための保持機構であるソレノイド２０が備えられ、保持リング６ａ、７ａを介して、導電性高分子の筒状膜２、３の間に印加される電圧と同じ電圧が供給されている。ソレノイド２０は、コイル内に可動鉄心を設けたものであり、入力電圧の向きによって可動鉄心に連結された軸２０ａが前後して移動体１４の外面に対して接離するアクチュエータである。ソレノイド２０は、直流電源５ａの電圧が印加されたときに軸２０ａを収納して、軸２０ａが移動体１４の外面から離れて、移動体１４の軸方向移動を自由にし（開放状態）、直流電源５ｂの電圧が印加されたときに軸２０ａを突出させて移動体１４の外面に接触して摩擦力により移動体１４の軸方向移動を拘束するようになっている（保持状態）。なお、軸２０ａは、移動体１４の滑らかな外径部分に選択的に接触するような形状となっている。これは、外力により移動体１４との間に滑りが発生するような事態が生じた場合にも、軸２０ａが破損しにくい点で望ましい。一方で、軸２０ａを移動体１４の歯１４ａとかみ合うような形状としても良い。このような形状は、より大きな保持力が得られるという点で望ましい。
【００５４】
次に、この人工筋肉アクチュエータ１の作用を説明する。
【００５５】
導電性高分子の筒状膜２、３が伸長、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、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅ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は、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。また、人工筋肉アクチュエータ１は、スイッチ２８をオンにすることで、移動体１４の位置を除いて繰り返し動作をするようになるので、以降ではその１サイクルについて説明する。
【００５６】
図２Ａは、繰り返し動作中の１つの状態として、内側の導電性高分子の筒状膜２が伸長し、外側の導電性高分子の筒状膜３が収縮した状態を示している。この状態では、内側の導電性高分子の筒状膜２には多数のアニオンが挿入されている一方で、外側の導電性高分子の筒状膜３に挿入されているアニオンは少数になっている。外側の導電性高分子の筒状膜３が収縮しているので、電気端子１８は、下側電極１７ｂに磁力によって押しつけられている状態となり、その結果、保持リング６ａと保持リング７ａとの間には、直流電源５ａが発生する電圧が印加されることになる。正の電位が与えられた保持リング６ａと電気的に接続された外側の導電性高分子の筒状膜３には、アニオンが挿入されて外側の導電性高分子の筒状膜３が伸長していく一方で、負の電位が与えられた保持リング７ａと電気的に接続された内側の導電性高分子の筒状膜２からはアニオンが離脱して内側の導電性高分子の筒状膜２が収縮していくようになる。すなわち、図２Ａ中に矢印で示す方向にアニオンが移動することになる。この状態が続くことで、図２Ｂの状態となる。
【００５７】
図２Ｂは、内側の導電性高分子の筒状膜２が、内側の導電性高分子の筒状膜２が繰り返し動作中に発生させる最大変位ｄの半分だけ、すなわち変位（ｄ／２）だけ、図２Ａより収縮した状態を示している。図２Ａと比べて内側の導電性高分子の筒状膜２が変位（ｄ／２）だけ収縮したので、内側の導電性高分子の筒状膜２と電気的に接続された保持リング７ｂと棒状突起２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄとラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、その収縮につれて外筒１０に対して上昇し、同時に移動体１４も外筒１０に対して上昇することになる。図２Ｂ中の下端に２点鎖線で示しているのが、図２Ａにおける移動体１４の下端位置である。また、直流電源５ａの電圧が印加されているソレノイド２０は、軸２０ａを収納する開放状態となっており、移動体１４の移動を妨げないようになっている。一方、外側の導電性高分子の筒状膜３は伸長しているので、保持リング６ａは外側の導電性高分子の筒状膜３と共に上昇し、弾性部材１９を介して保持リング６ａと電気的に接続された電気端子１８にも弾性部材１９の弾性力による力が上方向に加わることになる。しかし、この状態では弾性部材１９の弾性力よりも電気端子１８の磁力が上回っているので、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３に印加される電圧は変化せず、引き続き、外側の導電性高分子の筒状膜３にはアニオンが挿入されて伸長し、内側の導電性高分子の筒状膜２からはアニオンが離脱し収縮していき、図２Ｃの状態となる。
【００５８】
図２Ｃは、図２Ｂの状態よりさらに、内側の導電性高分子の筒状膜２が収縮し（言い換えれば、図２Ａの状態から変位ｄだけ収縮し）、外側の導電性高分子の筒状膜３が伸長して、弾性部材１９の弾性力が電気端子１８の磁力を上回った時点における状態を示している。この状態に至るまでは、内側の導電性高分子の筒状膜２は収縮し、それにつれて移動体１４は上昇し続けている。一方、外側の導電性高分子の筒状膜３の伸長につれて保持リング６ａが上昇し続け、弾性部材１９の弾性力が電気端子１８の磁力を上回るようになった時点で、電気端子１８が接触するのが、下側電極１７ｂから上側電極１７ａに変化し、保持リング６ａと保持リング７ａとの間には直流電源５ｂが発生する電圧が印加されるようになっている。このため、反応の方向（アニオンの出入りの方向）はこれ以降反転し、内側の導電性高分子の筒状膜２にアニオンが挿入され、外側の導電性高分子の筒状膜３からアニオンが離脱するようになり、今までとは逆に、内側の導電性高分子の筒状膜２が伸長、外側の導電性高分子の筒状膜３が収縮し出すようになる。一方で、直流電源５ｂの電圧が印加されるようになったソレノイド２０は、軸２０ａを移動体１４に向けて突出させた保持状態となり、軸２０ａが移動体１４の外面に接触して移動体１４の移動を妨げるようになる。この状態が進展することで、図２Ｄの状態となる。
【００５９】
図２Ｄは、内側の導電性高分子の筒状膜２が、内側の導電性高分子の筒状膜２が繰り返し動作中に発生させる最大変位ｄの半分だけ、すなわち変位（ｄ／2）だけ、図２Ｃより伸長した状態を示している。図２Ｃの状態から内側の導電性高分子の筒状膜２が伸長したので、保持リング７ｂと棒状突起２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄとラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは下降しているが、ラチェットの爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄが移動体１４の歯１４ａにかみ合っていないため、ソレノイド２０により保持された移動体１４は、その位置を保ち続けている（言い換えれば、移動体１４の下端位置は、図２Ｃと同様に、２点鎖線で示された図２Ａにおける移動体１４の下端位置よりも変位ｄだけ上昇した位置のままである。）。一方、外側の導電性高分子の筒状膜３は収縮しているので、保持リング６ａは外側の導電性高分子の筒状膜３と共に外筒１０に対して下降し、電気端子１８は弾性部材１９の弾性力による力が下方向に加わることになる。しかし、この状態では弾性部材１９の弾性力よりも電気端子１８の磁力が上回っているので、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３に印加される電圧は変化せず、引き続き、内側の導電性高分子の筒状膜２にはアニオンが挿入されて伸長し、外側の導電性高分子の筒状膜３からはアニオンが離脱し収縮していき、図２Ｅの状態となる。
【００６０】
図２Ｅは、図２Ｄの状態よりさらに、内側の導電性高分子の筒状膜２が伸長し、外側の導電性高分子の筒状膜３が収縮して、弾性部材１９の弾性力が電気端子１８の磁力を上回った時点における状態を示している。この状態は移動体１４がｄだけ変位したのを除けば、図２Ａと同じ状態である。この状態では、弾性部材１９の弾性力が電気端子１８の磁力を上回ったため、電気端子１８が接触するのが上側電極１７ａから下側電極１７ｂに再び変化し、保持リング６ａと保持リング７ａとの間には、直流電源５ａが発生する電圧が再び印加されるようになる。それにつれて、ソレノイド２０も軸２０ａが収納されて開放状態に変化している。直流電源５ａが発生する電圧により、正の電位が与えられた保持リング６ａと電気的に接続された外側の導電性高分子の筒状膜３には、アニオンが挿入されて伸長していく一方で、負の電位が与えられた保持リング７ａと電気的に接続された内側の導電性高分子の筒状膜２からは、アニオンが離脱し収縮していくようになる。この一連のサイクルが繰り返されることで、移動体１４には、内側の導電性高分子の筒状膜２の発生する最大変位ｄ以上の変位が発生することになる。言い換えれば、１回のサイクルでは最大変位ｄであっても、例えば、前記サイクルが２回繰り返されると、前記最大変位ｄの２倍の変位２ｄが発生することになり、１回のサイクルで内側の導電性高分子の筒状膜２で発生する最大変位ｄ以上の変位を発生させることができる。これは、１回のサイクルで内側の導電性高分子の筒状膜２で発生した最大変位ｄだけ移動した移動体１４の位置をソレノイド２０で保持した状態で、次のサイクルで内側の導電性高分子の筒状膜２で発生する最大変位ｄを移動体１４に加えることができるためである。
【００６１】
以上のサイクルにおいて、内側の導電性高分子の筒状膜２の長さは移動体１４に加わる負荷により変動するが、内側の導電性高分子の筒状膜２がどの程度伸長もしくは収縮しているかの状態については、内側の導電性高分子の筒状膜２に挿入されたアニオンの量によって決定される。すなわち、アニオンが十分に挿入された状態が伸長状態であり、アニオンが十分に離脱した状態が収縮状態となる。一方で、内側の導電性高分子の筒状膜２は電解液４を介して外側の導電性高分子の筒状膜３と電気的に接続されることで、直流電源５ａもしくは５ｂを含めた電気回路の一部を形成しており、内側の導電性高分子の筒状膜２のアニオンの挿入及び離脱に対応して外側の導電性高分子の筒状膜３にもアニオンの離脱及び挿入が行われることになる。さらに、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３は電解液４を介した接触のために機械的な相互作用はないので、既知の負荷の下で動作する外側の導電性高分子の筒状膜３の変位によって内側の導電性高分子の筒状膜２がどの程度伸長もしくは収縮しているかが見積もれることになる。このとき、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３は周辺環境に対する特性が同一の素材（例えば高分子）により構成されることが望ましい。これは、気温等の周辺環境に対する特性（外部要因における影響）も同等に受けることで、伸縮動作における相関性がより高まるからである。さらに、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３の電気的容量については、外側の導電性高分子の筒状膜３の容量が内側の導電性高分子の筒状膜２の容量を上回るのが望ましい。これは、外側の導電性高分子の筒状膜３の容量が内側の導電性高分子の筒状膜２の容量を下回っていると、外側の導電性高分子の筒状膜３が伸長や収縮した段階で内側の導電性高分子の筒状膜２の収縮や伸長が制限されてしまい、内側の導電性高分子の筒状膜２の能力を完全には生かせなくなってしまうからである。本実施形態では、内側の導電性高分子の筒状膜２の伸長状態や収縮状態に対応して外側の導電性高分子の筒状膜３を変位させることにより、電気端子１８が電極１７ａ、１７ｂのどちらに電気的に接続するかが切り替わることで、移動体１４に加わる負荷に関係なく、内側の導電性高分子の筒状膜２を伸長状態と収縮状態との間での最大振幅（但し、振幅幅は最大変位ｄである。）で往復動作をさせることができるようになっている。このときに利用されるのは、交流電源に比べて安価な直流電源５ａ、５ｂであり、外側の導電性高分子の筒状膜３、電気端子１８および電極１７ａ、１７ｂ等より構成される簡易な電位差切替え部である。特に、外側の導電性高分子の筒状膜３に連結される棒状突起２６ａを変位検知部として機能させることは、外側の導電性高分子の筒状膜３が内側の導電性高分子の筒状膜２を動作させるために元々必要な対極であることを考えると、外部センサにより導電性高分子膜の変位や負荷を計測して伸縮状態を判断する場合に比べて、非常に簡単かつ安価な構成であると言える。さらに、爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、移動体１４、ソレノイド２０等の簡単な機構を組み合わせることで、内側の導電性高分子の筒状膜２の発生する以上の変位をさらに実現することもできる。
【００６２】
以上のように、第１実施形態によれば、第１高分子構造体の一例である内側の導電性高分子の筒状膜２と第２高分子構造体の一例である外側の導電性高分子の筒状膜３との間の電位差を、内側の導電性高分子の筒状膜２と電気的に接続されているが、内側の導電性高分子の筒状膜２とは機械的に弱い接続となっている外側の導電性高分子の筒状膜３の変位に応じて変化させるので、内側の導電性高分子の筒状膜２に加わる負荷に依存せずに内側の導電性高分子の筒状膜２の伸縮状態に対応した外側の導電性高分子の筒状膜３の伸縮状態に応じてアクチュエータを動作させられるようになるので、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を第１高分子構造体に発生させられるようになっている。さらに、爪１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと移動体１４の歯１４ａとのかみ合いにより駆動力が伝達されているので、内側と外側の導電性高分子膜の筒状膜２，３の伸縮により発生する変位以上の変位を実現する高分子アクチュエータが得られている。
【００６３】
なお、移動体１４に一方向への駆動力を伝達する機構については、本実施形態のように駆動用にラチェット機構を用い、保持にソレノイド２０を用いる機構に限定されるものではなく、同様の作用を実現するものであれば、あらゆる公知技術の組み合わせが利用可能である。また、ソレノイド２０を動作させるのに内側と外側の導電性高分子膜の筒状膜２，３との間に印加される電位差を利用する場合についても、その電位差で直接動作させずに、その電位差を指令電圧として利用するようにしても良い。
【００６４】
（第２実施形態）
図４は、本発明にかかる第２実施形態の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１Ａの概略を示した斜視図である。また図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図５Ｅには人工筋肉アクチュエータ１Ａの動作の様子を示すＸ−Ｘ断面図を示している。さらに、図６Ａ、図６Ｂには、図５ＡにおけるＡ−Ａ線の断面図とＢ−Ｂ線の断面図をそれぞれ示している。なお、前述した第１実施形態と同様の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】
この第２実施形態では、前記内側の導電性高分子の筒状膜２の出力が、直接、外部に往復動作として伝達されるよう構成されているものである。この往復動作は、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子膜の筒状膜３との間に与えられる前記電位差と連動して変位方向を変化させて行わせるようにしている。
【００６６】
具体的には、第２実施形態では、第１実施形態における移動体１４に相当するものはなく、アクチュエータ１Ａの出力は、保持リング７ｂに設けられかつ下蓋１３の中心の貫通穴１３ｃを移動自在に貫通した出力軸２５によって外部に取り出されるようになっている。出力軸２５には、ストッパー２３ｅが固定されており、ストッパー２３ｅと下蓋１３との間に弾性体の一例であるコイルバネ２４ｅを圧縮するように挟み込んでいる。この圧縮されたコイルバネ２４ｅにより、内側の導電性高分子の筒状膜２には常に伸長方向への力が加えられることになり、内側の導電性高分子の筒状膜２が伸長する際にも座屈することなく伸長方向への駆動力を発生するようになっている。また、出力軸２５は、下蓋１３の貫通穴１３ｃ内のシール部材２２によって、半径方向に拘束しつつ、軸方向には移動自由に保持されている。
【００６７】
一方で、導電性の保持リング７ａには導電性の棒状突起２７が１本だけ設けられ、これが絶縁性の上蓋１２の嵌合穴１２ｃにはめ込まれることで、保持リング７ａを上蓋１２に固定している。さらに、保持リング７ａには、内側の導電性高分子の筒状膜２の内部側の空間と外部側の空間とを常時連通させる断面Ｔ字状の貫通穴３８が設けられ、内側の導電性高分子の筒状膜２の伸縮に伴って筒状膜２の内外にある電解液４が貫通穴３８を通じて相互に自在に移動できるようになっており、内側の導電性高分子の筒状膜２に内外の電解液４による圧力差が加わることを防止している。また、スイッチ２８からの配線は、導電性の棒状突起２７を介して保持リング７ａに電気的に接続されている。
【００６８】
次に、この人工筋肉アクチュエータ１Ａの作用を説明する。
【００６９】
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄ、図５Ｅにおける導電性高分子の筒状膜２、３や電気端子１８の状態などは、それぞれ図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、図２Ｅと同じであり、第２実施形態においても、スイッチ２８をオンにすることで、前記した第１実施形態と同様な一連のサイクルを繰り返すこととになる。ただし、第１実施形態と異なる点は、内側の導電性高分子の筒状膜２が発生する変位がそのまま出力軸２５によって取り出されることから、アクチュエータ１Ａにより発生させる変位動作は、振幅がｄの往復動作ということになる。
【００７０】
このような一連のサイクルにおいて、内側の導電性高分子の筒状膜２の長さは出力軸２５に加わる負荷により変動するが、内側の導電性高分子の筒状膜２がどの程度伸長もしくは収縮しているかの状態については、内側の導電性高分子の筒状膜２に挿入されたアニオンの量によって決定される。すなわち、内側の導電性高分子の筒状膜２にアニオンが十分に挿入された状態が、内側の導電性高分子の筒状膜２の伸長状態であり、内側の導電性高分子の筒状膜２からアニオンが十分に離脱した状態が、内側の導電性高分子の筒状膜２の収縮状態となる。一方で、内側の導電性高分子の筒状膜２は電解液４を介して外側の導電性高分子の筒状膜３と電気的に接続されることで、直流電源５ａもしくは５ｂを含めた電気回路の一部を形成しており、内側の導電性高分子の筒状膜２のアニオンの挿入及び離脱に対応して外側の導電性高分子の筒状膜３にもアニオンの離脱及び挿入が行われることになる。
【００７１】
さらに、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３は電解液４を介した接触のために機械的な相互作用はないので、既知の負荷の下で動作する外側の導電性高分子の筒状膜３の変位によって、内側の導電性高分子の筒状膜２がどの程度伸長もしくは収縮しているかが見積もれることになるので、外側の導電性高分子の筒状膜３を変位させることにより、電気端子１８が電極１７ａ、１７ｂのどちらに電気的に接続するかが切り替わることで、出力軸２５に加わる負荷に関係なく、内側の導電性高分子の筒状膜２を伸長状態と収縮状態との間での最大振幅ｄで往復動作をさせることができるようになっている。
【００７２】
以上のように、第２実施形態によれば、第１高分子構造体の一例である内側の導電性高分子の筒状膜２と第２高分子構造体の一例である外側の導電性高分子の筒状膜３との間の電位差を、内側の導電性高分子の筒状膜２と電気的に接続されているが、内側の導電性高分子の筒状膜２とは機械的に弱い接続となっている外側の導電性高分子の筒状膜３の変位に応じて変化させるので、内側の導電性高分子の筒状膜２に加わる負荷に依存せずに内側の導電性高分子の筒状膜２の伸縮状態に対応した外側の導電性高分子の筒状膜３の伸縮状態に応じてアクチュエータ１Ａを動作させられるようになるので、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を実現できる高分子アクチュエータ１Ａを得ることができる。
【００７３】
なお、前記様々な実施形態では、アニオン動作の場合について説明したが、カチオンの出入りにより動作するカチオン駆動においても同様に実施可能である。
【００７４】
また、内側の導電性高分子の筒状膜２と外側の導電性高分子の筒状膜３とで出入りするイオンが異なる場合についても同様に実施可能である。
【００７５】
また、本実施形態では、導電性を有する高分子構造体として、高分子自体が導電性を持つ有機導電性高分子を用いた場合について説明を行ったが、導電性を有する高分子構造体はこれに限定されるわけではなく、高分子構造体に導電体を複合させたような構造体でも同様の機能効果を得ることができる。例えばフッ素系の高分子にカーボンの微粒子などの粒状の炭素素材を含有させた構造体は、カーボン微粒子の含有量により高分子構造体の特性を調整できるので望ましい。また、カーボン微粒子の代わりにカーボンナノチューブ等のチューブ状の炭素素材を用いた構造体は高分子構造体が伸長、収縮する際にも安定した導電性を得ることができるので望ましい。また、高分子構造体に含める導電体はカーボンに限定されるわけではなく、金属系の導電体であってもよい。
【００７６】
さらに、伸長、収縮の原理も酸化還元反応に限定されるわけではなく、高分子の構造変化や静電反発によるものであっても良い。いずれの場合についても、第１高分子構造体と第２高分子構造体の変位には相関があるので、同様に実施可能である。
【００７７】
また、前記様々な実施形態では、導電性を備えた高分子構造体に伸長方向への駆動力を与えるためにコイルバネを用いているが、伸長方向への駆動力を与える方法はこれに限るわけではなく、重りにより外部から高分子構造体に引っ張り力を与える構造としても良いし、伸長時に座屈しないだけの強度を有する高分子を用いた高分子構造体とすることで、付加的な弾性要素の無い単体で動作させても良い。
【００７８】
さらに、電解質托体層も液体に限定する必要はなく、ゲル構造などによる固体電解質でも、高分子構造体の筒状膜２、３が互いの弾性変形の影響を機械的に受けない程度の界面における滑りもしくは固体電解質の柔軟性がある場合には利用可能である。
【００７９】
また、第１高分子構造体と第２高分子構造体との間に印加する電位差は２種類に限定する必要はなく、必要に応じて種類を増やしてもかまわない。
【００８０】
さらに、第２高分子構造体の変位に応じて電位差を変化させる電位差切替部１００も、前記した実施形態における磁力を利用した方式に限定されるものではなく、変位に応じてスイッチングを行うあらゆる公知技術が利用可能である。
【００８１】
また、電源についても安価な直流電源であることが望ましいが、これに限定されるわけではなく、交流電源や任意波形の電圧を出力する電源等を利用しても良い。
【００８２】
これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。
【００８３】
なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明にかかる高分子アクチュエータは、電荷計測装置や力センサなどの余分なシステムを追加することなく、負荷によらない最大限の伸縮動作を実現する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。人工筋肉アクチュエータのより具体的な例としては、腕の腱として本発明は利用可能である。また、前記第１実施形態の移動体を固定レールとすると、固定レールに対してアクチュエータ自身が進退移動する、自走式ロボットのアクチュエータとしても本発明は利用可能である。
【００８５】
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】
【００８６】
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１Ｂ】図１Ｂ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、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図である。
【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、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図である。
【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、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄ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、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅ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、図１ＡのＸ−Ｘ線断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２ＡにおけるＡ−Ａ線の断面を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２ＡにおけるＢ−Ｂ線の断面を示す図である。
【図４】図４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斜視図である。
【図５Ａ】図５Ａ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断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂ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断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃ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断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄ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断面図である。
【図５Ｅ】図５Ｅ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断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図５ＡにおけるＡ−Ａ線の断面を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５ＡにおけるＢ−Ｂ線の断面を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａ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７Ｂ】図７Ｂ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７Ｃ】図７Ｃ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。
【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】
2007148572.tif 000023
【図１Ｂ】
2007148572.tif 000024
【図２Ａ】
2007148572.tif 000025
【図２Ｂ】
2007148572.tif 000026
【図２Ｃ】
2007148572.tif 000027
【図２Ｄ】
2007148572.tif 000028
【図２Ｅ】
2007148572.tif 000029
【図３Ａ】
2007148572.tif 000030
【図３Ｂ】
2007148572.tif 000031
【図４】
2007148572.tif 000032
【図５Ａ】
2007148572.tif 000033
【図５Ｂ】
2007148572.tif 000034
【図５Ｃ】
2007148572.tif 000035
【図５Ｄ】
2007148572.tif 000036
【図５Ｅ】
2007148572.tif 000037
【図６Ａ】
2007148572.tif 000038
【図６Ｂ】
2007148572.tif 000039
【図７Ａ】
2007148572.tif 000040
【図７Ｂ】
2007148572.tif 000041
【図７Ｃ】
2007148572.tif 000042
【国際調査報告】
2007148572.tif 000043
2007148572.tif 000044
2007148572.tif 000045