(57)【要約】導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とし、第２の電極層をさらに有し、少なくとも前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層を両電極層間に封止し、前記両電極層間に電界を印加することにより前記アクティブ部材層を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、前記第１の電解質層が特定の弾性率を有する固体電解質、又は液体の電解質であり、かつ前記アクティブ部材層と前記第２の電極層の間の厚みを保持する保持部材を設ける。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を兼ねる又は電極を別に備える導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とし、前記第１の電極層と対向する第２の電極層をさらに有し、少なくとも前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層を両電極層間に封止し、前記両電極層間に電界を印加することにより前記電解質層から前記アクティブ部材層にアニオン及びカチオンの少なくとも１つを出入りさせることにより前記アクティブ部材層を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、
前記第１の電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質、又は液体の電解質であり、かつ前記アクティブ部材層と前記第２の電極層の間の厚みを保持する保持部材を設けたポリマーアクチュエータ。
【請求項２】
前記両電極層間に有する電解質層が前記第１の電解質層のみよりなり、前記厚みを保持する保持部材で、前記アクティブ部材層と前記第２の電極とが連結されている請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項３】
前記両電極層間に有する電解質層が、前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層と、前記第１の電解質層と接する第２の固体電解質層とよりなり、前記厚みを保持する保持部材で、前記アクティブ部材層と前記第２の固体電解質層とが連結されている請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項４】
前記第２の固体電解質層と前記保持部材が、固体電解質として一体化されている請求項３に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項５】
前記第２の電極層と前記第２の固体電解質が、前記アクチュエータの駆動方向沿いに複数に分割された請求項３又は４に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項６】
前記第１の電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質であって、アニオン及びカチオンよりなるイオン性液体をゲル化した材料であり、その剛性を前記第２の固体電解質の剛性より小さくした請求項３又は４に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項７】
前記第１の電解質層が、液体の電解質であって、アニオン及びカチオンよりなるイオン性液体である請求項１又は４に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項８】
前記保持部材が、イオン性液体を固体化した保持部材である請求項２〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項９】
前記アクティブ部材層、前記電解質層、前記電極層を交互に積層してなる請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１０】
前記アクティブ部材層の、前記アクチュエータの駆動方向沿いの一端部に、前記アクチュエータの力作用部を連結した請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１１】
前記力作用部の動きを妨げない柔軟な封止部材で、前記力作用部以外の前記アクチュエータの全体を覆った請求項１０に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１２】
前記アクティブ部材層が、有機導電性ポリマー層又は、炭素系微粒子、金属系微粒子、金属酸化物微粒子、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブいずれかから選ばれた材料を少なくとも含む導電性部材である請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１３】
前記保持部材は、その長手方向を前記アクティブ部材層の伸縮方向と直交する方向に沿うように配置する請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１４】
前記保持部材は、前記第２の電極層側の断面積が反対側の断面積よりも大きい、台形状の断面形状あるいは錐状の断面形状である請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、家庭用ロボット等に適用することができる、電気刺激により変形する、柔軟で軽量なポリマーアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来の産業用ロボットの関節駆動機構の駆動源としては、電磁モータ、油圧アクチュエータ、空圧アクチュエータなどが用いられている。これらの駆動源を用いた関節駆動機構は、金属主体で構成された電磁モータと減速機構を用いたもの、金属製の油空圧シリンダーを用いたものなど、それ自体硬く重い材質でできており、工場内の特定の場所で管理されて用いられる。【０００３】  これに対して、家庭やオフィス、病院などで家事支援や仕事支援、高齢者や障害者の介護支援などで人の間近で活躍することが期待されるロボットなどの機器の駆動源は、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であることが求められる。このようなアクチュエータとして、前記空圧式アクチュエータの中でも柔軟性に富んだラバー製の空圧式アクチュエータがあるが、駆動のためにはコンプレッサや制御弁などの補機類が必要でシステム全体の軽量化に限りがある。これに対して、軽量で柔軟性に富んだ各種のポリマー材料を用いた人工筋肉アクチュエータが提案され、その実用化が切望されている。【０００４】  電気的刺激により動作するポリマーアクチュエータについては、非特許文献１にキーノート講演として解説されている。高分子ゲル、メタルコンポジットイオンポリマー、有機導電性ポリマー、炭素系材料分散型の導電性を有するポリマー、カーボンナノチューブ、誘電性エラストマーなどにおいて、電気的刺激により駆動するポリマーアクチュエータの研究がなされている。このうち、有機導電性ポリマーは、比較的低電圧で駆動でき、その発生応力が生体の筋肉を上回る能力を持ち、軽量で柔軟である性質を持つアクチュエータとして期待されている。【０００５】  さらに、炭素系材料を分散した導電性を有するポリマー材料、例えばカーボンナノチューブを分散した導電性のポリマー材料も、大きな発生力をもつアクチュエータとして期待されている。【０００６】  これまで、これらのポリマーアクチュエータは、電解液中で動作させるものが多かった。空気中動作可能なアクチュエータの例として、特許文献１に電極とアクティブ部材層を兼ねた有機導電性ポリマーの２つの膜の間に、固体電解質を挟んだ屈曲型のアクチュエータが開示されている。さらに、同じく空気中動作可能なアクチュエータの例として、特許文献２には、アクティブ部材層となる導電性のポリマー層と対向電極の間に電解質層を挟んだ直動型のアクチュエータが開示されている。【０００７】
【特許文献１】特開平１１−１６９３９４号公報
【特許文献２】特開２００５−５１９４９号公報
【非特許文献１】ＳＧ．Ｗａｘ，Ｒ．Ｒ．Ｓａｎｄｓ，Ｓｍａｒｔ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  Ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １９９９：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．３６６９，ｐｐ．２−１０，１９９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  しかし、特許文献１の屈曲型のアクチュエータの構成では、アクチュエータの動きがたわみに制約され、比較的大きな変位が得られるものの、たわみ剛性が低いため大きな力を引き出すことができない欠点がある。【０００９】  また、特許文献２には、空気中動作可能なアクチュエータとして、たわみ変形でなく、導電性ポリマーを長手方向に伸縮変形させるアクチュエータであって、電極とアクティブ部材層を兼ねた紐状の有機導電性ポリマーを円柱状の固体電解質の中心に設け、円柱状の固体電解質の外周に対向する電極を設けた例などが開示されているが、アクチュエータとして伸縮する導電性ポリマー部は円筒状であり、束ねた場合に駆動に寄与するアクティブ部材層の有効断面積が小さい課題がある。【００１０】  これに対して特許文献２には、アクティブ部材層の有効断面積を高めることが可能で、かつ大きな力を発生することのできる、層状に積層した直動型のアクチュエータが開示されている。しかしながら、このようなアクチュエータでは、アクティブ部材層の伸縮を阻害しないように電解質層を軟らかくした場合、アクティブ部材層に大きな歪を発生させて繰り返し動作させると、層間が剥離する恐れがあった。【００１１】  そこで、家庭やオフィス、病院などで家事支援や仕事支援、高齢者や障害者の介護支援などで人の間近で活躍することが期待されるロボットなどの機器の駆動源として、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるアクチュエータを実現することが求められている。【００１２】  従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、このように駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるアクチュエータとして、大きな力を発生することができるとともに、高速に動作し、製造が容易であって、特に変形に強い、ポリマー素材を用いたポリマーアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【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、電極を兼ねる又は電極を別に備える導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とし、前記第１の電極層と対向する第２の電極層をさらに有し、少なくとも前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層を両電極層間に封止し、前記両電極層間に電界を印加することにより前記電解質層から前記アクティブ部材層にアニオン及びカチオンの少なくとも１つを出入りさせることにより前記アクティブ部材層を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、
前記第１の電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質、又は液体の電解質であり、かつ前記アクティブ部材層と前記第２の電極層の間の厚みを保持する保持部材を設けたポリマーアクチュエータを提供する。
【発明の効果】
【００１５】  本発明によれば、電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体の電解質、又は液体の電解質であるようにして、アクティブ部材層の伸縮動作を阻害することがないようにしつつ、電解質層はそれ自体では強度が持たないため、アクティブ部材層と第２の電極層の間の厚みを保持部材で保持するようにして、層間の剥離を防止することができるようにしている。【００１６】  このように構成することにより、本発明にかかるポリマーアクチュエータは、家庭やオフィス、病院などで家事支援や仕事支援、高齢者や障害者の介護支援などで人の間近で活躍することが期待されるロボットなどの機器の駆動源として、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるアクチュエータとして使用することができる。このような駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で安全であるアクチュエータとして、本発明にかかるポリマーアクチュエータは、大きな力を発生することができるとともに、高速に動作しかつ製造が容易であって特に変形に強いポリマー素材を用いているため、空気中で動作可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】  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実施形態における１つの形態のアクチュエータの平面図であり、
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１実施形態における１つの形態のアクチュエータの断面図であり、
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する断面図であり、
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する断面図であり、
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する断面図であり、
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する断面図であり、
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の比較例として記載したアクチュエータであって、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの保持部材を持たないアクチュエータの平面図であり、
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の比較例として記載したアクチュエータであって、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの保持部材を持たないアクチュエータの断面図であり、
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータのアクティブ部材層の収縮変形を解析シミュレーションした結果を表す変形図であり、
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータのアクティブ部材層の収縮変形を解析シミュレーションした結果を表す変形図であり、
【図５】図５は、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータに関わるアクティブ部材層の発生変位と電解質層の弾性率との関係を解析シミュレーションした結果を表すグラフであり、
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータであって厚みを保持する保持部材を持たないアクチュエータに外力が作用した場合の解析シミュレーション結果を表す変形図であり、
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータであって厚みを保持する保持部材を持ったアクチュエータに外力が作用した場合の解析シミュレーション結果を表す変形図であり、
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第２実施形態における１つの形態のアクチュエータの平面図であり、
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第２実施形態における１つの形態のアクチュエータの断面図であり、
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第２実施形態における別の形態のアクチュエータの平面図であり、
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の第２実施形態における別の形態のアクチュエータの断面図であり、
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第２実施形態におけるさらに別の形態のアクチュエータの平面図であり、
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の第２実施形態におけるさらに別の形態のアクチュエータの断面図であり、
【図１０Ａ】図１０Ａは、第２の電極と第２の固体電解質を分割しないで、４カ所にて平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形の保持部材で連結した場合において図９Ａ及び図９Ｂに示す構成の前記アクチュエータの変形を有限要素法による解析シミュレーションにより行なった結果を示す図であり、
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、第２の電極と第２の固体電解質を４分割し、４カ所にて、同様に平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形の保持部材で連結した場合において図９Ａ及び図９Ｂに示す構成の前記アクチュエータの変形を有限要素法による解析シミュレーションにより行なった結果を示す図であり、
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第３実施形態における１つの形態のアクチュエータの平面図であり、
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の第３実施形態における１つの形態のアクチュエータの断面図であり、
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の第３実施形態における別の形態のアクチュエータの平面図であり、
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の第３実施形態における別の形態のアクチュエータの断面図であり、
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の第４実施形態における１つの形態のアクチュエータの平面図であり、
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の第４実施形態における１つの形態のアクチュエータの断面図であり、
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の平面形状の一例を示す図であり、
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の平面形状の一例を示す図であり、
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の平面形状の一例を示す図であり、
【図１４Ｄ】図１４Ｄは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の断面形状の一例を示す図であり、
【図１４Ｅ】図１４Ｅは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の断面形状の一例を示す図であり、
【図１４Ｆ】図１４Ｆは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の断面形状の一例を示す図であり、
【図１４Ｇ】図１４Ｇは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の配置の一例を示す図であり、
【図１４Ｈ】図１４Ｈは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の配置の一例を示す図であり、
【図１４Ｉ】図１４Ｉは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の配置の一例を示す図であり、
【図１５】図１５は、本発明の第４実施形態におけるアクチュエータの基本単位を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  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。【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】  以下に、本発明にかかる実施の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。【００２１】  本発明の第１態様によれば、電極を兼ねる又は電極を別に備える導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とし、前記第１の電極層と対向する第２の電極層をさらに有し、少なくとも前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層を両電極層間に封止し、前記両電極層間に電界を印加することにより前記電解質層から前記アクティブ部材層にアニオン及びカチオンの少なくとも１つを出入りさせることにより前記アクティブ部材層を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、
前記第１の電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質、又は液体の電解質であり、かつ前記アクティブ部材層と前記第２の電極層の間の厚みを保持する保持部材を設けたポリマーアクチュエータを提供する。【００２２】  本発明の第２態様によれば、前記両電極層間に有する電解質層が前記第１の電解質層のみよりなり、前記厚みを保持する保持部材で、前記アクティブ部材層と前記第２の電極とが連結されている第１の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００２３】  本発明の第３態様によれば、前記両電極層間に有する電解質層が、前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層と、前記第１の電解質層と接する第２の固体電解質層とよりなり、前記厚みを保持する保持部材で、前記アクティブ部材層と前記第２の固体電解質層とが連結されている第１の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００２４】  本発明の第４態様によれば、前記第２の固体電解質層と前記保持部材が、固体電解質として一体化されている第３の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００２５】  本発明の第５態様によれば、前記第２の電極層と前記第２の固体電解質が、前記アクチュエータの駆動方向沿いに複数に分割された第３〜４のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００２６】  本発明の第６態様によれば、前記第１の電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質であって、アニオン及びカチオンよりなるイオン性液体をゲル化した材料であり、その剛性を前記第２の固体電解質の剛性より小さくした第３〜５のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００２７】  本発明の第７態様によれば、前記第１の電解質層が、液体の電解質であって、アニオン及びカチオンよりなるイオン性液体である第１〜６のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００２８】  本発明の第８態様によれば、前記保持部材が、イオン性液体を固体化した保持部材である第２〜７のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００２９】  本発明の第９態様によれば、前記アクティブ部材層、前記電解質層、前記電極層を交互に積層してなる第１〜８のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００３０】  本発明の第１０態様によれば、前記アクティブ部材層の、前記アクチュエータの駆動方向沿いの一端部に、前記アクチュエータの力作用部を連結した第１〜９のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００３１】  本発明の第１１態様によれば、前記力作用部の動きを妨げない柔軟な封止部材で、前記力作用部以外の前記アクチュエータの全体を覆った第１０の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００３２】  本発明の第１２態様によれば、前記アクティブ部材層が、有機導電性ポリマー層又は、炭素系微粒子、金属系微粒子、金属酸化物微粒子、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブいずれかから選ばれた材料を少なくとも含む導電性部材である第１〜１１のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００３３】  本発明の第１３態様によれば、前記保持部材は、その長手方向を前記アクティブ部材層の伸縮方向と直交する方向に沿うように配置する第１〜１２のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００３４】  本発明の第１４態様によれば、前記保持部材は、前記第２の電極層側の断面積が反対側の断面積よりも大きい、台形状の断面形状あるいは錐状の断面形状である第１〜１３のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。【００３５】  以下に、本発明のかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。【００３６】  （第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１実施形態における１つの形態を示す平板薄型のポリマーアクチュエータの平面図と断面図である。【００３７】  図１Ａ及び図１Ｂに示すアクチュエータは、平面薄型でかつ直方体の板形状の導電性のポリマーよりなるアクティブ部材層３と、このアクティブ部材層３の厚み方向の大略中間部分に埋め込まれるように設けられたステンレス鋼などの金属の柔軟電極１ａとにより、第１の電極層１を構成している。この第１の電極層１に対向して離れるようにアルミ箔などの金属の矩形板状の第２の電極層２を、第１の電極層１の厚み方向の両側にそれぞれ配置し、第２の電極層２と導電性のアクティブ部材層３とに接するように電解質層４（この第１実施形態では、電解質層４は第１の電解質層４ａのみから構成する例としている。）を構成している。このような構成において、第１の電極層１と第２の電極層２との間に電圧を印加することにより、導電性のアクティブ部材層３が伸縮しアクチュエータとしての動作をなす。ここで、特に電解質層４は、アクティブ部材層３の伸縮動作を阻害することがないように、後述する特定の低い弾性率を持った電解質層４ａとしているため、大きな歪を発生させて繰り返し動作させると、層間が剥離するおそれがあった。これを防ぐために、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間を、保持部材（言い換えれば、間隔（又は厚み）保持部材）５ａで連結している。【００３８】  このアクチュエータの長手方向のそれぞれの端部には、第１の電極層１の矩形板状の延長部として力作用部８を設けてあり、この力作用部８の端縁とは反対側のパターン形成側には穴８ｈが設けられている。この穴８ｈに荷重フック７のピン７ａが挿入され、作用力８ａを荷重フック７に確実に作用させることができるようにしている。第１の電極層１と第２の電極層２との間に電源２０からスイッチ２１を介して電圧を印加することにより、アクティブ部材層３がその長手方向言い換えれば伸縮方向（すなわち、アクチュエータの駆動力の出力方向）６の方向に伸縮して、アクチュエータとしての動作をなす。【００３９】  この伸縮は、電解質層４に含有されたイオン種又は電子がアクティブ部材層３である導電性ポリマー層に出入りすることにより生じる。この伸縮は、アクティブ部材層３の材質により、様々な原因で生ずるが、アクティブ部材層３が有機導電性ポリマーである場合には、イオン種がある程度の嵩を持っているため、そのドーピング及び脱ドーピングに伴うイオン種の出入りに応じて有機導電性ポリマー層の嵩も変化することや、酸化還元作用に伴う有機導電性ポリマーの高分子鎖構造のコンフォメーションの変化、さらに電圧印加により注入された同種電荷による静電反発などがその変形のメカニズムであるとされる。さらに、アクティブ部材層３が炭素系微粒子を高分子材料に含有させた導電性のポリマーの場合にも、この伸縮には前記酸化還元を伴わないが、イオン種の出入と同種電荷の静電反発で変形すると考えられ、イオン種や電子の出入りに伴いアクティブ部材層３が、アクティブ部材層３が有機導電性ポリマーである場合と同様のメカニズムで伸縮する。【００４０】  図２Ａ，図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄには、動作原理の理解を分かりや���くするため、これらの変形のメカニズムの内、アニオン（陰イオン）がアクティブ部材層３として有機導電性ポリマーの場合にドーピング又はアンドープされることに伴う膨脹収縮変形の様子を、図１Ｂのアクチュエータの下半分の概略的な断面図にて図示している。例えば、有機導電性ポリマーとしてポリフェノールスルホン酸（ＰＰＳ）水溶液中で電解重合したポリピロールを用い、これを六フッ化リン酸ナトリウムＮａＰＦ６）の水溶液中で動作させる場合などの、ある種の材料系では、このアニオンのドープ、脱ドープが主たる変形のメカニズムとされる。また、例えば、有機導電性ポリマーとして六フッ化リン酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡ・ＰＦ６）のプロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液中で電解重合したポリピロールを用い、これをイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）中で動作させる場合などの、別の材料系ではカチオンのドープ、脱ドープが主たる変形のメカニズムの場合もある。図２Ａはスイッチオフの状態で電極に電圧を印加していない状態を示す。図２Ｂはアクティブ部材層３側に正電圧を印加した状態を示す。電圧無印加時に電解質層４に均質に存在したアニオンが正電極側のアクティブ部材層３側に引き寄せられ（図２Ａ及び図２Ｂのアニオンの矢印参照。）、電解質層４からアクティブ部材層３内にまで入り込み、この酸化過程に伴いアクティブ部材層３の体積が膨脹し、アクティブ部材層３の積層面内に沿った伸縮方向６の方向にアクティブ部材層３が伸びる。なお、図２Ｂでは、アクチュエータの伸縮方向６の左端が固定され、右端が、スイッチオフの状態の右端の基準位置Ｒより伸びる状態を示している。図２Ｃは、スイッチオフの状態で電極に電圧を印加していない状態を示すとともに、図２Ｄは、図２Ｂとは逆にアクティブ部材層３に負電圧を印加した状態を示す。アクティブ部材層３に存在したアニオンは対向電極２の方に引き寄せられ（図２Ｃ及び図２Ｄのアニオンの矢印参照。）、アクティブ部材層３から電解質層４内に離脱し、この還元過程に伴いアクティブ部材層３の体積が収縮し、アクティブ部材層３の積層面内に沿った伸縮方向６の方向にアクティブ部材層３が縮む。なお、図２Ｄでは、アクチュエータの伸縮方向６の左端が固定され、右端が、スイッチオフの状態の右端の基準位置Ｒより縮む状態を示している。他の材料系では、カチオン（陽イオン）の有機導電性ポリマー層のアクティブ部材層３への出入り、もしくはアニオンとカチオンの相互の出入りで伸縮する場合もあるが、ここではアニオンの出入りのみの場合に単純化して図示し、伸縮のメカニズムを説明した。【００４１】  ここで、柔軟電極１ａの形状を、その伸縮方向６に発生するアクティブ部材層３の伸縮を阻害しないようジグザグ形状としており（アクティブ部材層３の伸縮方向（図１Ａではアクチュエータの長手方向）６に低剛性となるようパターニング（パターン形成）されており）、かつアクティブ部材層３の全体をカバーするように密に配置しているため、柔軟電極１ａを設けない場合に比べて、印加電圧を瞬時にアクティブ部材層３に均質にかけることができる。このため、前記イオン種の出入りが高速��生じ、アクティブ部材層３を高速に伸縮させることが可能となる。図１Ａ〜図１Ｂの柔軟電極１ａのパターニングされたパターン形状は、前記長手方向６と略直交する幅方向（アクチュエータの幅方向）沿いに延在するように、かつ前記長手方向６に等間隔に多数の細長い矩形の幅方向短冊状パターン１ａ−１を配置し、長手方向沿いに延在する矩形の短い短冊状でかつ隣接する幅方向短冊状パターン（帯状部の一例。）１ａ−１同士をそれぞれの対向する幅方向の端部で連結部１ａ−２で連結して、アクチュエータの幅方向のそれぞれの端部で屈曲するような形状としている。このように隣接する幅方向短冊状パターン１ａ−１の端部同士を連結部１ａ−２で連結するとき、連結部１ａ−２が長手方向沿いに互い違いに配置されるようにして、大略ジグザグ状の形状を柔軟電極１ａが構成するようにしている。ここでいう、大略ジグザグ状の形状とは、少なくとも幅方向に切欠又は空間を１つ有しかつ長手方向６に連続するような細長い形状を意味する。前記大略ジグザグ状の形状が均一なパターンならば、アクチュエータとして動作制御しやすい。前記隣接する幅方向短冊状パターン１ａ−１と連結部１ａ−２とで形成される空間内には、アクティブ部材層３の一部が入り込んで、図１Ａでは、アクティブ部材層３の厚み方向の大略中間部分に柔軟電極１ａが配置されてるようにしている。【００４２】  柔軟電極１ａを、前記したように、アクティブ部材層３の伸縮方向である長手方向６に低剛性に、長手方向６と略直交する幅方向に高剛性となるようパターニングすることにより、アクティブ部材層３の伸縮を阻害することなく大きな発生歪を生じさせることができる。この大きな発生歪みを生じさせる機能は、単に伸縮を阻害しないという消極的な意味での機能だけでなく、パターニングされた柔軟電極１ａによる剛性の異方性付与により、発生歪みを積極的に増大させる効果があることを発明者らは見出している。【００４３】  さらに、柔軟電極１ａを、支持体としての機能をも兼ね備えた平板状電極とすることにより、アクティブ部材層３の薄片単独では扱いにくいものを、取り扱い容易なものとすることができる。ここで支持体としての機能とは、これを備えた平板状電極の少なくとも一部の剛性が、アクティブ部材層３の剛性より大きく、アクティブ部材層３を託持し支持する機能を持つことを指している。さらに、柔軟電極１ａが平板状であるため、アクチュエータとしての各構成要素も平面的構造となり、容易に積層できる構造とすることができる。積層したアクチュエータの伸縮に関わるアクティブ部材層３の断面比率は、このような平面積層構造をとることができるため、パッキング密度を高め易い利点がある。【００４４】  柔軟電極１ａを、伸縮方向である長手方向に低剛性となるようパターニングする具体的な構成としては、前記したように長手方向６と略直交する幅方向に、多数の細長いパターン１ａ−１を配置し、これらを連結部１ａ−２でジグザグ形状の屈曲状に連結する構成とするとよい。平板の面内剛性は極めて高いが、このようなパターニングとすることにより、長手方向６の低剛性化が容易に実現できる。このような構成では同時に長手方向６と略直交する幅方向には高い剛性とな��、長手方向とこれと略直交する方向とで剛性の異方性が付与される。【００４５】  一般にアクチュエータの変位を大きく稼ぐためには、アクチュエータの伸縮方向６をアクチュエータの長手方向とすることにより、伸縮部の長さを大きく取ると良いが、これに限られずに、伸縮方向６と直交する幅方向を長手方向とすることもできる（図示せず）。すなわち、本発明はアクチュエータの伸縮方向６をアクチュエータの長手方向に限定するものではない。【００４６】  第１実施形態では、電解質層４は、アクティブ部材層３の伸縮動作を阻害することがないように、後述する特定の低い弾性率を持った電解質層４ａとしている。この電解質層４はそれ自体では強度が持たないため、層間の剥離を防ぐために、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間を特に保持部材５ａを介して連結している。このような層間の厚みを保持する保持部材５ａを持たない場合と比較するため、有限要素法による解析シミュレーションを行ない、その効果を比較検討した結果について次に述べる。【００４７】  図３Ａ及び図３Ｂは、保持部材５ａの無い比較例のアクチュエータの平面図と断面図である。図４Ａ及び図４Ｂは、このような図３Ａ及び図３Ｂに示す構造のアクチュエータについて、解析計算した結果を表す変形図である。図４Ａは、比較のために、柔軟電極１ａが埋め込まれたアクティブ部材層３のみの計算結果を示す。これは、いわば、このような（保持部材５ａの無い）アクチュエータを、電解液中で対向電極との間に電圧を印加することにより伸縮動作させる場合に相当し、アクティブ部材層３以外の構成要素がアクティブ部材層３の伸縮を阻害することがないケースである。これに対して、図４Ｂは、これらに加えて、電解質層４と第２の電極層２を含めた計算モデルの場合である。【００４８】  計算モデルのアクティブ部材層の寸法は、幅６ｍｍ、長さ２４ｍｍ、厚み２０μｍ、材質は、ポリピロールを想定して、縦弾性率（ヤング率）０．００３×１０１２Ｎ／ｍ２、ポアソン比０．３とした。柔軟電極として、厚み１０μｍ、線幅１００μｍ、１ｍｍピッチの図１Ａのようなジグザグ形状の電極をこのアクティブ部材層に埋め込み、電極の材質は、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４として、縦弾性率０．１７８×１０１２Ｎ／ｍ２、ポアソン比０．３とした。このような有限要素計算モデルにおいて、アクティブ部材層が、その面内方向に等方的に収縮するものとして計算解析した。図４Ｂの場合には、前記に加えて、アクティブ部材層の両側に厚み１５μｍの電解質層と、さらに厚み１５μｍの電極層を加え、電解質層の材質として、高分子電解質ゲルとし、縦弾性率を０．３ＭＮ／ｍ２、ポアソン比０．４９、電極の材質としてアルミ箔、縦弾性率０．０６７×１０１２Ｎ／ｍ２、ポアソン比０．３とした。前記の高分子電解質ゲルとしては、例えばイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）とモノマーであるメチルメタクリレート（ＭＭＡ）とのモル比１：１溶液を架橋剤エチレングリコール・ジメタクリレート（ＥＤＧＭＡ）を添加して加熱重合したものを挙げることができる。この高分子電解質ゲルは、重合後も網目高分子であるＰＭＭＡとイオン性液��が均一に相溶したイオン導電性を持った固体高分子である。前記の縦弾性率は、この高分子電解質ゲルの実測値である。【００４９】  前記の電解質層として用いた電解質ゲルは、イオン性液体をゲル化したシートの実測値であり、アクティブ部材層（ポリピロール）の縦弾性率３ＧＮ／ｍ２、に比べて１万分の１という低剛性であるにも関わらず、計算結果は、これらの層が無い場合の発生変位（δ＝１）に比べて、その発生変位は８．７％（δ＝０．０８７）と小さく、これらの層がアクティブ部材層の伸縮を大きく阻害することが分った。【００５０】  なお、本発明の構成要素の寸法の一例として、導電性ポリマー層の厚みとしては８０μｍ以下、電極の厚みとしては５〜５０μｍとして平板薄型のアクチュエータを構成するのが好ましい。電極の厚みは５μｍ未満では、その支持体としての機能を発揮することが困難であり、５０μｍを越えると、剛性が大きくなりすぎて、変位しにくいものとなるため好ましくない。また、導電性ポリマー層の厚みは８０μｍを超えると、導電性ポリマー層の表裏から出入りするイオン種が膜の中央まで行き渡ることが難しくなり、発生変位が小さくなるとともに動作速度が低下するため好ましくない。さらに、より好ましい例としては、導電性ポリマー層の厚みを３０μｍ以下、電極の厚みを５〜１０μｍとして平板薄型のアクチュエータを構成するのがよい。【００５１】  図５は、前記アクチュエータの寸法及び材料構成に対して、電解質層の厚みを３つの異なる値（５μｍ、１５μｍ、４５μｍ）に変えた上で、電解質層の弾性率を広範囲に変えた場合の発生変位の比率を示すグラフである。図５においては、限界値である３ｋＮ／ｍ２を点線で明示しているとともに、パラメータを、電解質層の厚みと有効断面積比の両方で記載している。ここで、図５の縦軸の発生変位の比率は、電解質層がなく、アクティブ部材層の伸縮を阻害する要因がない場合の発生変位を１００％として、電解質層がアクティブ部材層に隣接して存在するために、アクティブ部材層の伸縮が阻害されて発生変位が小さくなる比率を示している。解析シミュレーション結果は、電解質層の剛性がある臨界値（３ｋＮ／ｍ２）以下になると、劇的に発生変位の阻害が小さくなることを示している。【００５２】  図５中、電解質層の厚みを５μｍとしたものが三角印で表されるグラフ（最も下側の小さい点線のグラフ１）、１５μｍとしたものが黒丸印で表されるグラフ（中間の実線のグラフ２）、４５μｍとしたものが白丸印で表されるグラフ（最も上側の大きな点線のグラフ３）である。【００５３】  電解質層の厚みが大きい程、発生変位の比率は大きくなっているが、アクチュエータとして伸縮動作に寄与するのはアクティブ部材層であって、電解質層は伸縮動作に寄与しないため、電解質層の厚みが大きくなることは、この観点からは逆に好ましくない。【００５４】  図１５にアクチュエータとして伸縮動作に寄与するアクティブ部材層の有効断面積比を説明するための断面図を示す。図１５は、後述する図１３Ｂに示す積層型のアクチュエータにおいて、その繰り返しの基本単位部分を抜き出したものである。ここで、第２の電極層（対向電極）２は隣接する層の電極も兼ねているから、この基本単位に��１層のみが含まれる。【００５５】  アクティブ部材層３の有効断面積比は次のように定義される。
（有効断面積比）＝ａ／（ａ＋２ｂ＋ｃ）
ここで、ａはアクティブ部材層３の厚み、ｂは電解質層４の厚み、ｃは第２の電極層（対向電極）２の厚みである。一例として、ここでは、アクティブ部材層３の厚みを２０μｍ、第２の電極層（対向電極）２の厚みを１５μｍとしているので、電解質層４の厚みを５μｍとした場合（グラフ１の場合）の有効断面積比は０．４４である。これに対して、電解質層４の厚みが１５μｍの場合（グラフ２の場合）の有効断面積比は０．３１であり、電解質層４の厚みが４５μｍの場合（グラフ３の場合）の有効断面積比は０．１６である。【００５６】  アクティブ部材層３として、上述した導電性ポリマーのポリピロールの膜厚は５μｍ以上が機械強度の点で最小限であるのに対して、電解質層の厚みが５μｍの場合は、この厚みに対して同等であるので、アクティブ部材層に十分なイオン種を供給する供給源の電解質層の厚みとしては、最小限の厚みと考えられる。このような条件下でも、発生変位の阻害を２０％以下に抑えるには、電解質層の弾性率を３ｋＮ／ｍ２以下にする必要があることが分かった。このような電解質層の条件下では、電解質層の厚みが１５μｍの場合には、その発生変位の阻害を１０％以下に抑えることができるのでさらに好ましい。【００５７】  さらに、電解質層の厚みが４５μｍの場合には、その発生変位の阻害を３％以下にまで抑えることができるなど、より大きい厚みの電解質層が、この観点では望ましいが、反面アクチュエータとして伸縮動作に関わるアクティブ部材層の断面比率を下げることになるので限度がある。【００５８】  従って、前記したアクチュエータの寸法及び材料構成における電解質層の厚みとしては、例えば、少なくとも５μｍ〜４５μｍの範囲とし、かつ、電解質層４の弾性率を３ｋＮ／ｍ２以下にすることにより、アクティブ部材層３の伸縮動作の阻害を２０％以下に抑えることができることが分かった。このような構成にすることにより、アクティブ部材層の伸縮を阻害せずにアクティブ部材層の有効断面積を高めることができる。【００５９】  以上の解析シミュレーションは、特定の幅および長さのアクチュエータモデルについてのものであるが、アクティブ部材層の伸縮が阻害されて発生変位が小さくなる比率は、これらの寸法に対してほとんど影響を受けないノーマライズされた値と考えられる。念のため、幅を２倍に変えたモデル、及び長さを２倍に変えたモデルでも、誤差の範囲内で、図５に示すグラフは有効であることが確認された。従って、アクチュエータの寸法因子で重要なのは、電解質層の厚みである。前述した解析シミュレーションでは、アクティブ部材層の厚みを代表値として２０μｍとしたが、発生変位の比率の臨界値付近の図５のＡ点に相当するものについて、このアクティブ部材層の厚みの値を１０μｍとしたところ、アクティブ部材層の厚みが２０μｍの場合の発生変位の比率が９２％であるのに対し、アクティブ部材層の厚みが１０μｍの場合には発生変位の比率は４３％であった。従って、アクティブ部材層をより薄くする場合に発生歪の比率を阻害させないためには、電解質層の弾性率をより小さくする必要があり、弾性率３ｋＮ／ｍ２以下の条件は必要条件であることがわかる。アクティブ部材層の現実的な厚み範囲において、アク���ィブ部材層に隣接する電解質層の弾性率の影響がクリティカルであることがわかった。【００６０】  上に見出した電解質層の条件は、上述した具体例の材料以外でも、たとえばゲル化する際のモノマーとイオン性液体の混合比率を変えることで、その剛性を調整することができるので、他の材料でも適用することができる。【００６１】  ここで、電解質層４の縦弾性率が３ｋＮ／ｍ２であるということは、アクティブ部材層（ポリピロール）３の縦弾性率の１００万分の１という極めて低い剛性である。このような縦弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下である材料としては、電解質ではないが、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）系のゲル材料などが挙げられる。ゲル化する際に用いる溶媒の量を調整することで、このような低い縦弾性率の高分子ゲルを得ることができる。応力が１ｋＮ／ｍ２程度までの小さな力を加える範囲で、縦弾性率の実測値が０．９ｋＮ／ｍ２であったＰＶＣゲル材料の塊は、それ自体、糊のような強度しかなく、容易にスプーンですくい取ることができた。従って、このような材料自体でアクチュエータの強度を保つことは難しい。【００６２】  図６Ａ及び図６Ｂは、電解質層４の弾性率として０．３ｋＮ／ｍ２を仮定した場合、第１実施形態の保持部材５ａの有無により、アクチュエータの長手方向及び幅方向とそれぞれ直交する方向沿いに引剥し力２２が働いた場合のアクチュエータの変形を比較したものである。保持部材５ａとして、前述したイオン性液体であるＥＭＩ・ＴＦＳＩとＭＭＡにより重合した高分子電解質ゲルとし、縦弾性率を０．３ＭＮ／ｍ２とし、保持部材５ａは、その平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形とした。計算結果は、１Ｎの引剥し力２２に対して保持部材５ａが無い場合の変形が０．１８ｍｍであるのに対し、保持部材５ａがある場合には４μｍの変形に収まっており、縦弾性率がアクティブ部材層（ポリピロール）３の縦弾性率３ＧＮ／ｍ２に比べて、１万分の１という低剛性の保持部材５ａであっても、補強効果があることを示している。【００６３】  次に、保持部材５ａは、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の厚みを保持して、アクチュエータの強度を保つために設けられるものであって、保持部材５ａは、例えば、その位置さえ固定されるならば、アクティブ部材層３と第２の電極層２とはそれぞれ単に当接するだけでもよい。実際には、保持部材５ａは、第２の電極層２に固定され、アクティブ部材層３とは単に当接するだけであるのが、製造上、簡単なものとなり、好ましい。図１Ａでは、保持部材５ａは、平面長方形の直方体の柱状の絶縁性の部材であって、柔軟電極１ａの幅方向短冊状パターン１ａ−１と連結部１ａ−２との隙間の中央部分に対応する位置に、柔軟電極１ａの長手方向沿いに大略均等（ほぼ等間隔）に、かつ、アクチュエータの中央部に対して対称に一列に、かつ、厚み方向には同じ位置に配置されている。【００６４】  図１４Ａ〜図１４Ｉに、保持部材５ａの様々な平面形状、断面形状及びその配置を示す。ここで示す保持部材５ａの様々な平面形状、断面形状及びその配置は、この第１実施形態に限定されるものではなく、本発明の全ての実施形態に適用可能なものである。保持部材５ａをディスペンサーにより塗布す��場合には、図１４Ａのドット状の保持部材５ａ−１又は図１４Ｂの楕円状の保持部材５ａ−２に形成することができる。図１４Ｂのように、細長い楕円状のパターンの保持部材５ａ−２に形成する場合には、アクティブ部材層３の伸縮方向６への伸び縮みを阻害しないように、その長手方向を伸縮方向６と直交する方向に沿うように配置することが望ましい。上述した図１Ａの長方形のパターンの保持部材５ａ−３に形成する場合も、その長辺を伸縮方向６と直交する方向に沿うように配置することが望ましい。保持部材５ａ−４の断面形状は、図１４Ｄのような柱状に形成する以外に、図１４Ｅに示すように、前記第２の電極層側の断面積が反対側の断面積よりも大きい、台形状の断面形状あるいは錐状の断面形状の保持部材５ａ−５とすることにより、イオン種が出入りするアクティブ部材層３との接触面積を小さくしたり、台形底面側での第２の電極層２に対する付着強度を高めることができ、好ましい。さらに、図１４Ｆのように、球状のビーズを保持部材５ａ−６とすることもできる。【００６５】  さらに、図１４Ｇ〜図１４Ｉは保持部材５ａの一例を示したもので、図１４Ｇは、上述の配置のようにアクティブ部材層３の中央部に一列にほぼ等間隔に配置したものである。図１４Ｈは、保持部材５ａをジグザグ配置したもので、短冊形状のアクチュエータの周辺部を補強できる。図１４Ｉの配置は、例えば、保持部材５ａとしてスペーサとなるビーズを分散することにより形成する場合などに当たり、ランダムに配置した例である。なお、補強効果としては、図１４Ｈと図１４Ｉは、厚み方向には、同じ位置に配置されているのが最も好ましい。【００６６】  さらに、前記アクティブ部材層３と接した電解質層４を両電極層１，２間に封止するために、力作用部８の動きを妨げない柔軟な封止部材９で力作用部８以外の全体を覆うことが好ましい。封止部材９により、電解質層４への吸湿の防止や外力による破損防止などの強度を保つことができる。封止部材９としては、例えば縦弾性率が１００ｋＮ／ｍ２程度の柔らかいシリコーン系ゴムを用い、さらにアクティブ部材層３の伸縮を妨げないようにすることが望ましい。【００６７】  尚、前記第１実施形態では、柔軟電極１ａを別に備える導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とする場合について述べたが、本発明のアクティブ部材層はそれ自体導電性であるからこの電極１ａを別に設けないで、電極を兼ねる導電性のアクティブ部材層自体を第１の電極層とする場合についても本発明のポリマーアクチュエータはアクチュエータとしての動作は同様に可能であり、本発明の構成要件を妨げるものではない。高い導電率を持った導電性のアクティブ部材層の場合には、柔軟電極１ａが無くとも前記説明中の柔軟電極固有の効果以外の同様の効果を発現する。導電率が必ずしも高くない導電性のアクティブ部材層の場合には、本第１実施形態のように電極１ａを別に備えることが望ましく、その場合、前記のように柔軟電極１ａを設けない場合に比べて、印加電圧を瞬時にアクティブ部材層に均質にかけることができ、イオン種の出入りが高速に生じ、アクティブ部材層を高速に伸縮させることが可能となる等の格別の効果を奏し、さらに好ましい。【００６��】  前記第１実施形態によれば、柔軟電極１ａを埋没させた導電性のアクティブ部材層３を第１の電極層１とし、第１の電極層１のアクティブ部材層３と離れて対向して配置された第２の電極層２をさらに有し、少なくとも前記アクティブ部材層３と接した電解質層４を両電極層１，２間に封止し、前記両電極層１，２間に電界を印加することにより、前記電解質層４から前記アクティブ部材層３にアニオン又は／及びカチオンを出入りさせることにより前記アクティブ部材層３を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、前記電解質層４が弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体の電解質であり、かつ前記アクティブ部材層３と前記第２の電極層２の間の厚みを保持する保持部材５ａを設けるように構成している。【００６９】  このような構成によれば、電解質層４が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体の電解質であるようにして、アクティブ部材層３の伸縮動作を阻害することがないようにしつつ、電解質層４はそれ自体では強度が持たないため、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の間隔（厚み）を、電解質層４内の保持部材５ａで保持するようにして、層間の剥離を防止することができるようにしている。【００７０】  このように構成することにより、前記第１実施形態にかかるポリマーアクチュエータは、家庭やオフィス、病院などで家事支援や仕事支援、高齢者や障害者の介護支援などで人の間近で活躍することが期待されるロボットなどの機器の駆動源として、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で安全であるアクチュエータとして使用することができる。このような駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で安全であるアクチュエータとして、前記第１実施形態にかかるポリマーアクチュエータは、大きな力を発生することができるとともに、高速に動作しかつ製造が容易であって特に変形に強いポリマー素材を用いているため、空気中で動作可能とすることができる。【００７１】  （第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかるポリマーアクチュエータとして、電解質層４を２つの電解質層４ａ，４ｂより構成する形態について述べる。【００７２】  図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の第２実施形態の１つの形態を示すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは、電解質層４が、アクティブ部材層３に接触する第１の電解質層４ａと、第１の電解質層４ａと第２の電極２とに接触する第２の固体電解質層４ｂとより構成される場合である。その他の構成要素は図１Ａ及び図１Ｂで述べた通りであり、アクチュエータの動作も同様である。アクティブ部材層３と第２の電極２間の厚みを保持する保持部材５ａとして、この第２実施形態では、アクティブ部材層３と第２の固体電界質４ｂとを、第１の電解質層４ａ内に配置した保持部材５ａで連結している。前述した解析シミュレーションによると第１の電解質層４ａの剛性は極めて低いことが求められ、いわば液体に近いものとなる。アクティブ部材層３の伸縮を阻害しない観点では、この第１の電解質層４ａは液体の電解質であることがさらに望ましい。この場合、例えばその厚みが数μｍ以内で、表面張力でそれ自体が保持できる、できるだけ薄い潤滑層であることが望ましい。しかるに、アクティブ部材層３を伸縮させるためには、必要量のイオン種を要するので、電解質層４の層厚を低減するのにも限度がある。例えば電気２重層キャパシタでは、充電に要するイオン種の量を確保するために、電解質層４の厚さは少なくとも数１０μｍ確保している。従って、第２実施形態のように電解質層４を２つの電解質層４ａ，４ｂより構成することが好ましい。このことによって、アクティブ部材層３の伸縮の阻害を最小限に抑えることができるとともに、アクティブ部材層３への電解質層４ａ，４ｂからのイオン種の供給を確保することにより、アクティブ部材層３の十分に大きな伸縮駆動を可能とすることができる。【００７３】  前記の第１の電解質層４ａとしては、例えばイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）を用いることができる。また、第２の固体電解質層４ｂとしては、同じイオン性液体である（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）とモノマーであるメチルメタクリレート（ＭＭＡ）とのモル比１：１溶液を架橋剤エチレングリコール・ジメタクリレート（ＥＤＧＭＡ）を添加して加熱重合した高分子電解質ゲルを用いることができる。後者の高分子電解質ゲルは、前述の第１実施形態の図３Ａ及び図３Ｂで述べたものと同様である。【００７４】  次に、図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第２実施形態の別の形態を示すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは、電解質層４が、アクティブ部材層３に接触する第１の電解質層４ａと、第１の電解質層４ａと第２の電極２とに接触する第２の固体電解質層４ｂより構成され、さらに、第２の固体電解質層４ｂと保持部材５ａが固体電解質として一体化されている場合である。この形態では、保持部材５ａは第２の固体電解質層４ｂに設けられた突起４ｃに相当するので、このように突起として保持部材５ａを第２の固体電解質層４ｂに一体化させる部材は、モールド法により容易に形成できる。前述のイオン性液体Ｅ��Ｉ・ＴＦＳＩをＭＭＡでシート状にゲル化するプロセスは、通常モールド法で行われる。即ち、例えば２枚のガラス板又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製のシートなどの挟持板の間に、作製したいシートの厚みに相当する例えばテフロン（登録商標）製のスペーサを挟んで、その隙間にＥＭＩ・ＴＦＳＩとＭＭＡ及び架橋剤の混合溶液を流し込み、これを加熱することにより重合し高分子化する。その後、剥離することにより高分子電解質ゲルシートを得ることができる。このプロセスで使用するガラス板又はＰＥＴシートなどの挟持板に、予めエッチング加工やプレス加工によりくぼみを設けておけば、この部分が保持部材５ａに相当する突起として自動的に形成される。このようにすれば、製造が容易であり、かつ保持部材５ａそのものが電解質であるから、アクティブ部材層３の保持部材５ａにより連結された部分からもイオン種の出入りが可能であるという格別の効果がある。さらに、保持部材５ａの位置は、予め形成された挟持板に形成されたくぼみの位置に形成されるので、その位置精度、製作の再現性にも優れる。【００７５】  上述したモールド法による製作プロセスは、高分子電解質ゲルシート単体を製作する場合について述べたが、例えば第２の電極（対向電極）２として、第１の電極層１に別に設けたジグザグ状の柔軟電極１ａと同じものを使用する場合、次のように、直接対向電極２上に高分子電解質ゲルシートを形成することができる。即ち、挟持板の一方にこの対向電極２を当接させた状態でテフロン（登録商標）のスペーサを介してもう一方のくぼみを設けた挟持板を対向させて挟持し、その隙間にＥＭＩ・ＴＦＳＩとＭＭＡ及び架橋剤の混合溶液を流し込み、これを加熱することにより重合し高分子化する。その後、剥離することにより対向電極２上に保持部材５ａ付きの高分子電解質ゲルシートが形成された部材を得ることができる。【００７６】  一方、ジグザグ状の柔軟電極１ａ付きのアクティブ部材層３は、次のようにして製作することができる。即ち、白金板、若しくはグラッシーカーボン板などの、べた形状の電極板上にステンレス製のジグザグ状の柔軟電極１ａを当接させた状態で、例えば六フッ化リン酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡ・ＰＦ６）のプロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液中にポロールモノマーを加えた電解液中で電解重合し、前記柔軟電極上にポリピロールを電解析出させる。これを前記べた形状の電極から剥離することにより、ジグザグ状の柔軟電極１ａ付きのアクティブ部材層３を得ることができる。【００７７】  前記２つの複合部材を組み合わせ、第１の電解質層４ａとしてイオン性液体であるＥＭＩ・ＴＦＳＩを注入することにより、図８Ｂの断面図に示す構造のアクチュエータを製作することができる。【００７８】  次に、図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の第２実施形態のさらに別の形態を示すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは電解質層４が、アクティブ部材層３にほぼ全面的に接触するとともに最外層の封止部材９に部分的に接触する第１の低せん断力電解質層４ａと、第１の電解質層４ａと第２の電極２とに接触する第２の固体電解質層４ｂより構成され、さらに第２の電極２と第２の固体電解質層４ｂがアクチュエータの駆動方向６に複数に分割されている場合（図９Ｂでは一例として４つに分割されている場合）である。この形態の効果を検討するため、図９Ａ及び図９Ｂに示す構成のアクチュエータの変形を有限要素法による解析シミュレーションにより行なった。結果を、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。図１０Ａは、第２の電極２と第２の固体電解質４ｂを分割しないで４カ所にて平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形の保持部材５ａで連結した場合を示す。これに対して、図１０Ｂは、第２の電極２と第２の固体電解質４ｂを４分割し、４カ所にて、同様に平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形の保持部材５ａで連結した場合を示す。計算前提値の材料定数は、図４の解析シミュレーションと同様とした。図１０Ａの電極分割の無い場合、その発生変位は拘束の無い場合に比べて５９．６％と計算され、複数の保持部材５ａ自体がアクティブ部材層３の伸縮を阻害することがわかる。これに対して、図１０Ｂの電極を分割した場合、その発生変位は拘束の無い場合に比べて９９．８％と計算され、複数の保持部材５ａによる連結を行なっても、ほとんどアクティブ部材層３の伸縮を阻害することがないことがわかる。前記の分割は分割数４、連結カ所４、保持部材５ａの平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形の場合について述べたが、アクティブ部材層３の伸縮に対して局部的な拘束を生じさせないために、このような比較的均等な分割が望ましい。【００７９】  解析シミュレーションでは、第２の電極２として厚み１５μｍの、べた形状のアルミ箔を想定したため、図１０Ａに示した保持部材による大きな拘束効果が生じたが、アクティブ部材層３に埋め込んだジグザグ状の柔軟電極１ａと同様の柔軟な電極を第２の電極として用いる場合にはこのような拘束効果を避けることができる。しかしながらこのような柔軟電極は対向する面積が小さく、第２の電極として、べた形状の電極を使用できることがさらに好ましい。キャパシタや電池の集電電極としてアルミ箔を用い、この表面に活性炭などの炭素系粉末を形成することにより、電極の表面積を稼ぐことが行なわれており、本第２実施形態により、このような電極を第２の電極２とすることができる。【００８０】  前述した及び後述する本発明の各実施形態において、第１の電解質層４ａとして、アニオン及びカチオンよりなるイオン性液体をゲル化した材料を用い、その剛性を第２の固体電解質４ｂの剛性より小さくすることにより、空気中動作可能な全固体化アクチュエータを提供することができるとともに、アクティブ部材層３の発生変位を拘束する効果を低減することができ、好ましい。【００８１】  さらに、第１の電解質層４ａとしてアニオン及びカチオンよりなるイオン性液体を用いることにより、空気中動作可能な準固体化アクチュエータを提供することができるとともに、アクティブ部材層３の発生変位を拘束する効果をさらに低減することができる。イオン性液体は常温溶融塩とも呼ばれ、良く知られた塩（ＮａＣｌ）がＮａ＋イオンとＣｌ−イオンよりなるイオン結合性の固体であるのに対して、常温で液体であるイオン結合性の塩である。このイオン性液体は、結合がイオン結合であることに由来して不揮発性であ���という優れた性質がある。従って、イオン性液体は液体状であっても水溶液系電解質や有機溶媒系電解質に見られるような蒸発に伴う寿命の問題がなく、本発明の前記及び後述する実施形態によれば空気中動作可能なアクチュエータを提供することができる。【００８２】  また、保持部材５ａを、イオン性液体を固体化したものとすることにより、アクティブ部材層３の連結部からもイオン種の出入りが可能となり、アクティブ部材層３を有効に伸縮させることができ好ましい。【００８３】  さらに、アクティブ部材層３のアクチュエータ駆動方向沿いの両端部にアクチュエータの力作用部８をそれぞれ連結した構成を取ることにより、アクティブ部材層３の伸縮変位及び発生力の取り出しを効率良く行なうことができる。【００８４】  さらに、この力作用部８の動きを妨げない柔軟な封止部材９で、力作用部８以外の部分の上下左右のそれぞれの面の全体を覆うことにより前記アクティブ部材層３と接した電解質層４を両電極層１，２間に封止したので、電解質層４への吸湿の防止や外力による破損防止などの強度を保つことができ、好ましい。封止部材９としては、例えば縦弾性率が１００ｋＮ／ｍ２程度の柔らかいシリコーン系ゴムを用い、さらにアクティブ部材層３の伸縮を妨げないように、前述及び後述する実施形態にかかる積層型のアクチュエータに適用することが望ましい。【００８５】  また、アクティブ部材層３としては、有機導電性ポリマー、例えばポリアニリン、ポリピロール又はポリチオフェインン基体のπ共役ポリマー、又はその誘導体とすることができる。さらに、アクティブ部材層３としては、炭素系微粒子、金属系微粒子、金属酸化物微粒子、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブいずれかから選ばれた材料を少なくとも含む導電性部材とすることができる。これらの材質をアクティブ部材層３とすることで、アクティブ部材層３にアニオン又は／及びカチオン又は／及び電子を出入りさせることにより、アクティブ部材層３を膨張収縮させることができる。このような導電性微粒子分散型のアクティブ部材層の剛性は、バインダーとなる高分子、例えばポリフッ化ビニリデンの重合条件を選ぶことにより調整することができる。大きな発生力を得るためには、前述した有機導電性ポリマーであるポリピロールの剛性に近い、３ＧＮ／ｍ２程度の弾性率に調整することがより好ましい。この場合、前述した図５における、電解質層の剛性がある臨界値以下で、発生変位の阻害が小さくなることは同様である。【００８６】  前記第２実施形態の構成によれば、電解質層４が、液体の第１の電解質層４ａと、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の第２の固体電界質４ｂとで構成されるようにしているため、アクティブ部材層３の伸縮の阻害を最小限に抑えることができるとともに、アクティブ部材層３への電解質層４ａ，４ｂからのイオン種の供給を確保することにより、アクティブ部材層３の十分に大きな伸縮駆動を可能とすることができつつ、電解質層４はそれ自体では強度が持たないため、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の間隔（厚み）を、第１の電解質層４ａ内の保持部材５ａで保持するようにして、層間の剥離を防止することができるようにしている。【００８７】  ��第３実施形態）
本発明の第３実施形態にかかるポリマーアクチュエータとして、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の厚みを保持する保持部材５ａとして、上述した以外の形態の場合について述べる。【００８８】  図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明の第３実施形態の１つの形態を表すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の厚みを保持する保持部材５ａ−７として、アクティブ部材層３の両側に配置した２つの第２の電極層２の間を、アクティブ部材層３及び柔軟電極１ａの隙間部分を貫通して保持部材５ａ−７で連結したものである。保持部材５ａ−７として、例えば絶縁性のプラスチック製のかしめピンを各層間に貫通させて固定することにより、容易に電極層１，２間の厚みを保持することができる。さらには、第１の電解質層４ａなどの中に配置するスペーサ、あるいはセパレータと併用することが望ましい。【００８９】  この保持部材５ａ−７で連結する方法は、本発明の第１実施形態で述べた保持部材５ａがアクティブ部材層３と第２の電極層２とを連結するためにその界面で接着する必要があるのに対してその必要がなく、簡易な方法で容易に保持部材で連結できる特徴がある。【００９０】  次に、図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の第３実施形態の別の形態を表すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の厚みを保持する保持部材５ａとして、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間に保持部材５ａを挿入し、外部から横方向に、第２の電極層２と第１の電解質層４ａとアクティブ部材層３と第１の電解質層４ａと第２の電極層２とを大略Ｕ字状のクリップ５ｂで挟持したものである。本アクチュエータは、平面薄型であるから、このクリップ５ｂとしては例えば絶縁性プラスチック板をクリップ状に形成したもので、本アクチュエータを挟むことにより、容易に保持部材５ａを押圧することができる。保持部材５ａは、それ自体で接着性を有する必要はなく、スペーサ、あるいはセパレータであってよい。例えばテフロン（登録商標）製のスペーサなどの電極素材界面との摩擦が小さい場合には、アクティブ部材層３の発生変位を阻害することがなく好都合である。【００９１】  この保持部材５ａとプリップ５ｂとで連結する方法も、本発明の第１実施形態で述べた保持部材５ａがアクティブ部材層３と第２の電極層２とを連結するためにその界面で接着する必要があるのに対してその必要がなく、簡易な方法で容易に保持部材で連結できる特徴がある。さらに前記の図１１Ａおよび図１１Ｂで説明した連結方法では、保持部材がアクティブ部材層と第２の電極層を貫通する必要があるのに対して貫通させる必要がなく、貫通に伴う局部強度の低下がなくさらに好都合である。【００９２】  （第４実施形態）
本発明の第４実施形態として、多層に積層したポリマーアクチュエータについて述べる。【００９３】  図１３Ａ及び図１３Ｂは、本発明の第４実施形態を表すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは、アクティブ部材層３、電解質層４、電極層２を交互に積層したものである。すなわち、例えば、図１３Ｂでは、１枚の最上層の積層型のアクチュエータを、第２の電極層２と第１の電解質層４ａとアクティブ部材層３と第１の電解質層４ａと第２の電極層２とで構成する。そして、最上層（第１層目）の積層型のアクチュエータの下端の第２の電極層２を、最上層（第１層目）の積層型のアクチュエータの下方に位置する中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの上端の第２の電極層２として兼用している。そして、この第２の電極層２に続けて、中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの第１の電解質層４ａとアクティブ部材層３と第１の電解質層４ａと第２の電極層２とを配置している。さらに、中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの下端の第２の電極層２を、中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの下方に位置する最下層（第３層目）の積層型のアクチュエータの上端の第２の電極層２として兼用している。そして、この第２の電極層２に続けて、最下層（第３層目）の積層型のアクチュエータの第１の電解質層４ａとアクティブ部材層３と第１の電解質層４ａと第２の電極層２とを配置している。【００９４】  この第４実施形態における積層型のアクチュエータでは、アクチュエータの構成部材が平面薄型であるため、容易に積層できる構造とすることができる。積層したアクチュエータの伸縮に関わるアクティブ部材層３の断面比率は、このような平面積層構造を採ることができるため、パッキング密度を高めやすい利点がある。この結果、単層ではその断面積に限りがある導電性ポリマー層のアクティブ部材層３の断面積を増大させることができ、ロボット等に応用するのに際して必要となる大きな発生力を持ったアクチュエータを実現するのに好都合である。なお、アクティブ部材層３へのイオン種の出入りは拡散プロセスであり、拡散に要する時間を短縮するにはアクティブ部材層３は薄いほうがよいというトレードオフがある。したがって、多数の薄いアクティブ部材層３を重ねて断面積を稼ぐことが望ましい。【００９５】  上述したように、本発明によれば、大きな力を発生することができるとともに、高速に動作し、製造が容易であって、特に変形に強い、空気中動作可能なドライ化されたポリマーアクチュエータを提供することができる。【００９６】  尚、前記、様々な実施形態の内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】
【００９７】  本発明のポリマーアクチュエータは、電極を兼ねる又は電極を別に設けた導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とし、第２の電極層をさらに有し、少なくともアクティブ部材層と接した第１の電解質層を両電極層間に封止し、両電極層間に電界を印加することによりアクティブ部材層を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、前記第１の電解質層が弾性率３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質、又は液体の電解質であり、かつアクティブ部材層と前記第２の電極層の間の厚みを保持する保持部材を設ける構成であることとし、介護用あるいは家庭用ロボットなどの機器を代表例とした各種機器の駆動源として、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるアクチュエータとして有用である。【００９８】  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】
2007018141.tif 000002
【図１Ｂ】
2007018141.tif 000003
【図２Ａ】
2007018141.tif 000004
【図２Ｂ】
2007018141.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2007018141.tif 000007
【図３Ａ】
2007018141.tif 000008
【図３Ｂ】
2007018141.tif 000009
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2007018141.tif 000011
【図５】
2007018141.tif 000012
【図６Ａ】
2007018141.tif 000013
【図６Ｂ】
2007018141.tif 000014
【図７Ａ】
2007018141.tif 000015
【図７Ｂ】
2007018141.tif 000016
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
2007018141.tif 000019
【図９Ｂ】
2007018141.tif 000020
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
2007018141.tif 000023
【図１１Ｂ】
2007018141.tif 000024
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
2007018141.tif 000026
【図１３Ａ】
2007018141.tif 000027
【図１３Ｂ】
2007018141.tif 000028
【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
2007018141.tif 000030
【図１４Ｃ】
2007018141.tif 000031
【図１４Ｄ】
2007018141.tif 000032
【図１４Ｅ】
2007018141.tif 000033
【図１４Ｆ】
2007018141.tif 000034
【図１４Ｇ】
2007018141.tif 000035
【図１４Ｈ】
2007018141.tif 000036
【図１４Ｉ】
2007018141.tif 000037
【図１５】
2007018141.tif 000038
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月9日(2007.2.9)
【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】
電極を兼ねる又は電極を別に備える導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とし、前記第１の電極層と対向する第２の電極層をさらに有し、少なくとも前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層を両電極層間に封止し、前記両電極層間に電界を印加することにより前記電解質層から前記アクティブ部材層にアニオン及びカチオンの少なくとも１つを出入りさせることにより前記アクティブ部材層を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、
前記第１の電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質、又は液体の電解質であり、かつ前記アクティブ部材層と前記第２の電極層の間の厚みを保持する保持部材を設けたポリマーアクチュエータ。
【請求項２】
前記両電極層間に有する電解質層が前記第１の電解質層のみよりなり、前記厚みを保持する保持部材で、前記アクティブ部材層と前記第２の電極とが連結されている請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項３】
前記両電極層間に有する電解質層が、前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層と、前記第１の電解質層と接する第２の固体電解質層とよりなり、前記厚みを保持する保持部材で、前記アクティブ部材層と前記第２の固体電解質層とが連結されている請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項４】
前記第２の固体電解質層と前記保持部材が、固体電解質として一体化されている請求項３に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項５】
前記第２の電極層と前記第２の固体電解質が、前記アクチュエータの駆動方向沿いに複数に分割された請求項３又は４に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項６】
前記第１の電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質であって、アニオン及びカチオンよりなるイオン性液体をゲル化した材料であり、その剛性を前記第２の固体電解質の剛性より小さくした請求項３又は４に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項７】
前記第１の電解質層が、液体の電解質であって、アニオン及びカチオンよりなるイオン性液体である請求項１又は４に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項８】
前記保持部材が、イオン性液体を固体化した保持部材である請求項２〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項９】
前記アクティブ部材層、前記電解質層、前記電極層を交互に積層してなる請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１０】
前記アクティブ部材層の、前記アクチュエータの駆動方向沿いの一端部に、前記アクチュエータの力作用部を連結した請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１１】
前記力作用部の動きを妨げない柔軟な封止部材で、前記力作用部以外の前記アクチュエータの全体を覆った請求項１０に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１２】
前記アクティブ部材層が、有機導電性ポリマー層又は、炭素系微粒子、金属系微粒子、金属酸化物微粒子、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブいずれかから選ばれた材料を少なくとも含む導電性部材である請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１３】
前記保持部材は、その長手方向を前記アクティブ部材層の伸縮方向と直交する方向に沿うように配置する請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項１４】
前記保持部材は、前記第２の電極層側の断面積が反対側の断面積よりも大きい、台形状の断面形状あるいは錐状の断面形状である請求項１〜４のいずれか１つに記載のポリマーアクチュエータ。
【手続補正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、家庭用ロボット等に適用することができる、電気刺激により変形する、柔軟で軽量なポリマーアクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の産業用ロボットの関節駆動機構の駆動源としては、電磁モータ、油圧アクチュエータ、空圧アクチュエータなどが用いられている。これらの駆動源を用いた関節駆動機構は、金属主体で構成された電磁モータと減速機構を用いたもの、金属製の油空圧シリンダーを用いたものなど、それ自体硬く重い材質でできており、工場内の特定の場所で管理されて用いられる。
【０００３】
これに対して、家庭やオフィス、病院などで家事支援や仕事支援、高齢者や障害者の介護支援などで人の間近で活躍することが期待されるロボットなどの機器の駆動源は、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であることが求められる。このようなアクチュエータとして、前記空圧式アクチュエータの中でも柔軟性に富んだラバー製の空圧式アクチュエータがあるが、駆動のためにはコンプレッサや制御弁などの補機類が必要でシステム全体の軽量化に限りがある。これに対して、軽量で柔軟性に富んだ各種のポリマー材料を用いた人工筋肉アクチュエータが提案され、その実用化が切望されている。
【０００４】
電気的刺激により動作するポリマーアクチュエータについては、非特許文献１にキーノート講演として解説されている。高分子ゲル、メタルコンポジットイオンポリマー、有機導電性ポリマー、炭素系材料分散型の導電性を有するポリマー、カーボンナノチューブ、誘電性エラストマーなどにおいて、電気的刺激により駆動するポリマーアクチュエータの研究がなされている。このうち、有機導電性ポリマーは、比較的低電圧で駆動でき、その発生応力が生体の筋肉を上回る能力を持ち、軽量で柔軟である性質を持つアクチュエータとして期待されている。
【０００５】
さらに、炭素系材料を分散した導電性を有するポリマー材料、例えばカーボンナノチューブを分散した導電性のポリマー材料も、大きな発生力をもつアクチュエータとして期待されている。
【０００６】
これまで、これらのポリマーアクチュエータは、電解液中で動作させるものが多かった。空気中動作可能なアクチュエータの例として、特許文献１に電極とアクティブ部材層を兼ねた有機導電性ポリマーの２つの膜の間に、固体電解質を挟んだ屈曲型のアクチュエータが開示されている。さらに、同じく空気中動作可能なアクチュエータの例として、特許文献２には、アクティブ部材層となる導電性のポリマー層と対向電極の間に電解質層を挟んだ直動型のアクチュエータが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１―１６９３９４号公報
【特許文献２】特開２００５−５１９４９号公報
【非特許文献１】SG．Wax，R．R．Sands，Smart Structures And Materials １９９９：Electroactive Polymer Actuators and Devices，Proc．SPIE，Vol.３６６９，pp．２−１０，１９９９．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１の屈曲型のアクチュエータの構成では、アクチュエータの動きがたわみに制約され、比較的大きな変位が得られるものの、たわみ剛性が低いため大きな力を引き出すことができない欠点がある。
【０００９】
また、特許文献２には、空気中動作可能なアクチュエータとして、たわみ変形でなく、導電性ポリマーを長手方向に伸縮変形させるアクチュエータであって、電極とアクティブ部材層を兼ねた紐状の有機導電性ポリマーを円柱状の固体電解質の中心に設け、円柱状の固体電解質の外周に対向する電極を設けた例などが開示されているが、アクチュエータとして伸縮する導電性ポリマー部は円筒状であり、束ねた場合に駆動に寄与するアクティブ部材層の有効断面積が小さい課題がある。
【００１０】
これに対して特許文献２には、アクティブ部材層の有効断面積を高めることが可能で、かつ大きな力を発生することのできる、層状に積層した直動型のアクチュエータが開示されている。しかしながら、このようなアクチュエータでは、アクティブ部材層の伸縮を阻害しないように電解質層を軟らかくした場合、アクティブ部材層に大きな歪を発生させて繰り返し動作させると、層間が剥離する恐れがあった。
【００１１】
そこで、家庭やオフィス、病院などで家事支援や仕事支援、高齢者や障害者の介護支援などで人の間近で活躍することが期待されるロボットなどの機器の駆動源として、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるアクチュエータを実現することが求められている。
【００１２】
従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、このように駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるアクチュエータとして、大きな力を発生することができるとともに、高速に動作し、製造が容易であって、特に変形に強い、ポリマー素材を用いたポリマーアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【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、電極を兼ねる又は電極を別に備える導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とし、前記第１の電極層と対向する第２の電極層をさらに有し、少なくとも前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層を両電極層間に封止し、前記両電極層間に電界を印加することにより前記電解質層から前記アクティブ部材層にアニオン及びカチオンの少なくとも１つを出入りさせることにより前記アクティブ部材層を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、
前記第１の電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質、又は液体の電解質であり、かつ前記アクティブ部材層と前記第２の電極層の間の厚みを保持する保持部材を設けたポリマーアクチュエータを提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体の電解質、又は液体の電解質であるようにして、アクティブ部材層の伸縮動作を阻害することがないようにしつつ、電解質層はそれ自体では強度が持たないため、アクティブ部材層と第２の電極層の間の厚みを保持部材で保持するようにして、層間の剥離を防止することができるようにしている。
【００１６】
このように構成することにより、本発明にかかるポリマーアクチュエータは、家庭やオフィス、病院などで家事支援や仕事支援、高齢者や障害者の介護支援などで人の間近で活躍することが期待されるロボットなどの機器の駆動源として、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるアクチュエータとして使用することができる。このような駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で安全であるアクチュエータとして、本発明にかかるポリマーアクチュエータは、大きな力を発生することができるとともに、高速に動作しかつ製造が容易であって特に変形に強いポリマー素材を用いているため、空気中で動作可能とすることができる。
【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】
以下に、本発明にかかる実施の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。
【００２０】
本発明の第１態様によれば、電極を兼ねる又は電極を別に備える導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とし、前記第１の電極層と対向する第２の電極層をさらに有し、少なくとも前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層を両電極層間に封止し、前記両電極層間に電界を印加することにより前記電解質層から前記アクティブ部材層にアニオン及びカチオンの少なくとも１つを出入りさせることにより前記アクティブ部材層を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、
前記第１の電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質、又は液体の電解質であり、かつ前記アクティブ部材層と前記第２の電極層の間の厚みを保持する保持部材を設けたポリマーアクチュエータを提供する。
【００２１】
本発明の第２態様によれば、前記両電極層間に有する電解質層が前記第１の電解質層のみよりなり、前記厚みを保持する保持部材で、前記アクティブ部材層と前記第２の電極とが連結されている第１の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００２２】
本発明の第３態様によれば、前記両電極層間に有する電解質層が、前記アクティブ部材層と接した第１の電解質層と、前記第１の電解質層と接する第２の固体電解質層とよりなり、前記厚みを保持する保持部材で、前記アクティブ部材層と前記第２の固体電解質層とが連結されている第１の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００２３】
本発明の第４態様によれば、前記第２の固体電解質層と前記保持部材が、固体電解質として一体化されている第３の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００２４】
本発明の第５態様によれば、前記第２の電極層と前記第２の固体電解質が、前記アクチュエータの駆動方向沿いに複数に分割された第３〜４のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００２５】
本発明の第６態様によれば、前記第１の電解質層が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質であって、アニオン及びカチオンよりなるイオン性液体をゲル化した材料であり、その剛性を前記第２の固体電解質の剛性より小さくした第３〜５のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００２６】
本発明の第７態様によれば、前記第１の電解質層が、液体の電解質であって、アニオン及びカチオンよりなるイオン性液体である第１〜６のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００２７】
本発明の第８態様によれば、前記保持部材が、イオン性液体を固体化した保持部材である第２〜７のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００２８】
本発明の第９態様によれば、前記アクティブ部材層、前記電解質層、前記電極層を交互に積層してなる第１〜８のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００２９】
本発明の第１０態様によれば、前記アクティブ部材層の、前記アクチュエータの駆動方向沿いの一端部に、前記アクチュエータの力作用部を連結した第１〜９のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３０】
本発明の第１１態様によれば、前記力作用部の動きを妨げない柔軟な封止部材で、前記力作用部以外の前記アクチュエータの全体を覆った第１０の態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３１】
本発明の第１２態様によれば、前記アクティブ部材層が、有機導電性ポリマー層又は、炭素系微粒子、金属系微粒子、金属酸化物微粒子、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブいずれかから選ばれた材料を少なくとも含む導電性部材である第１〜１１のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３２】
本発明の第１３態様によれば、前記保持部材は、その長手方向を前記アクティブ部材層の伸縮方向と直交する方向に沿うように配置する第１〜１２のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３３】
本発明の第１４態様によれば、前記保持部材は、前記第２の電極層側の断面積が反対側の断面積よりも大きい、台形状の断面形状あるいは錐状の断面形状である第１〜１３のいずれか１つの態様に記載のポリマーアクチュエータを提供する。
【００３４】
以下に、本発明のかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１実施形態における１つの形態を示す平板薄型のポリマーアクチュエータの平面図と断面図である。
【００３６】
図１Ａ及び図１Ｂに示すアクチュエータは、平面薄型でかつ直方体の板形状の導電性のポリマーよりなるアクティブ部材層３と、このアクティブ部材層３の厚み方向の大略中間部分に埋め込まれるように設けられたステンレス鋼などの金属の柔軟電極１ａとにより、第１の電極層１を構成している。この第１の電極層１に対向して離れるようにアルミ箔などの金属の矩形板状の第２の電極層２を、第１の電極層１の厚み方向の両側にそれぞれ配置し、第２の電極層２と導電性のアクティブ部材層３とに接するように電解質層４（この第１実施形態では、電解質層４は第１の電解質層４ａのみから構成する例としている。）を構成している。このような構成において、第１の電極層１と第２の電極層２との間に電圧を印加することにより、導電性のアクティブ部材層３が伸縮しアクチュエータとしての動作をなす。ここで、特に電解質層４は、アクティブ部材層３の伸縮動作を阻害することがないように、後述する特定の低い弾性率を持った電解質層４ａとしているため、大きな歪を発生させて繰り返し動作させると、層間が剥離するおそれがあった。これを防ぐために、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間を、保持部材（言い換えれば、間隔（又は厚み）保持部材）５ａで連結している。
【００３７】
このアクチュエータの長手方向のそれぞれの端部には、第１の電極層１の矩形板状の延長部として力作用部８を設けてあり、この力作用部８の端縁とは反対側のパターン形成側には穴８ｈが設けられている。この穴８ｈに荷重フック７のピン７ａが挿入され、作用力８ａを荷重フック７に確実に作用させることができるようにしている。第１の電極層１と第２の電極層２との間に電源２０からスイッチ２１を介して電圧を印加することにより、アクティブ部材層３がその長手方向言い換えれば伸縮方向（すなわち、アクチュエータの駆動力の出力方向）６の方向に伸縮して、アクチュエータとしての動作をなす。
【００３８】
この伸縮は、電解質層４に含有されたイオン種又は電子がアクティブ部材層３である導電性ポリマー層に出入りすることにより生じる。この伸縮は、アクティブ部材層３の材質により、様々な原因で生ずるが、アクティブ部材層３が有機導電性ポリマーである場合には、イオン種がある程度の嵩を持っているため、そのドーピング及び脱ドーピングに伴うイオン種の出入りに応じて有機導電性ポリマー層の嵩も変化することや、酸化還元作用に伴う有機導電性ポリマーの高分子鎖構造のコンフォメーションの変化、さらに電圧印加により注入された同種電荷による静電反発などがその変形のメカニズムであるとされる。さらに、アクティブ部材層３が炭素系微粒子を高分子材料に含有させた導電性のポリマーの場合にも、この伸縮には前記酸化還元を伴わないが、イオン種の出入と同種電荷の静電反発で変形すると考えられ、イオン種や電子の出入りに伴いアクティブ部材層３が、アクティブ部材層３が有機導電性ポリマーである場合と同様のメカニズムで伸縮する。
【００３９】
図２Ａ，図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄには、動作原理の理解を分かりやすくするため、これらの変形のメカニズムの内、アニオン（陰イオン）がアクティブ部材層３として有機導電性ポリマーの場合にドーピング又はアンドープされることに伴う膨脹収縮変形の様子を、図１Ｂのアクチュエータの下半分の概略的な断面図にて図示している。例えば、有機導電性ポリマーとしてポリフェノールスルホン酸（ＰＰＳ）水溶液中で電解重合したポリピロールを用い、これを六フッ化リン酸ナトリウムＮａＰＦ６）の水溶液中で動作させる場合などの、ある種の材料系では、このアニオンのドープ、脱ドープが主たる変形のメカニズムとされる。また、例えば、有機導電性ポリマーとして六フッ化リン酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡ・ＰＦ６）のプロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液中で電解重合したポリピロールを用い、これをイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）中で動作させる場合などの、別の材料系ではカチオンのドープ、脱ドープが主たる変形のメカニズムの場合もある。図２Ａはスイッチオフの状態で電極に電圧を印加していない状態を示す。図２Ｂはアクティブ部材層３側に正電圧を印加した状態を示す。電圧無印加時に電解質層４に均質に存在したアニオンが正電極側のアクティブ部材層３側に引き寄せられ（図２Ａ及び図２Ｂのアニオンの矢印参照。）、電解質層４からアクティブ部材層３内にまで入り込み、この酸化過程に伴いアクティブ部材層３の体積が膨脹し、アクティブ部材層３の積層面内に沿った伸縮方向６の方向にアクティブ部材層３が伸びる。なお、図２Ｂでは、アクチュエータの伸縮方向６の左端が固定され、右端が、スイッチオフの状態の右端の基準位置Ｒより伸びる状態を示している。図２Ｃは、スイッチオフの状態で電極に電圧を印加していない状態を示すとともに、図２Ｄは、図２Ｂとは逆にアクティブ部材層３に負電圧を印加した状態を示す。アクティブ部材層３に存在したアニオンは対向電極２の方に引き寄せられ（図２Ｃ及び図２Ｄのアニオンの矢印参照。）、アクティブ部材層３から電解質層４内に離脱し、この還元過程に伴いアクティブ部材層３の体積が収縮し、アクティブ部材層３の積層面内に沿った伸縮方向６の方向にアクティブ部材層３が縮む。なお、図２Ｄでは、アクチュエータの伸縮方向６の左端が固定され、右端が、スイッチオフの状態の右端の基準位置Ｒより縮む状態を示している。他の材料系では、カチオン（陽イオン）の有機導電性ポリマー層のアクティブ部材層３への出入り、もしくはアニオンとカチオンの相互の出入りで伸縮する場合もあるが、ここではアニオンの出入りのみの場合に単純化して図示し、伸縮のメカニズムを説明した。
【００４０】
ここで、柔軟電極１ａの形状を、その伸縮方向６に発生するアクティブ部材層３の伸縮を阻害しないようジグザグ形状としており（アクティブ部材層３の伸縮方向（図１Ａではアクチュエータの長手方向）６に低剛性となるようパターニング（パターン形成）されており）、かつアクティブ部材層３の全体をカバーするように密に配置しているため、柔軟電極１ａを設けない場合に比べて、印加電圧を瞬時にアクティブ部材層３に均質にかけることができる。このため、前記イオン種の出入りが高速に生じ、アクティブ部材層３を高速に伸縮させることが可能となる。図１Ａ〜図１Ｂの柔軟電極１ａのパターニングされたパターン形状は、前記長手方向６と略直交する幅方向（アクチュエータの幅方向）沿いに延在するように、かつ前記長手方向６に等間隔に多数の細長い矩形の幅方向短冊状パターン１ａ−１を配置し、長手方向沿いに延在する矩形の短い短冊状でかつ隣接する幅方向短冊状パターン（帯状部の一例。）１ａ−１同士をそれぞれの対向する幅方向の端部で連結部１ａ−２で連結して、アクチュエータの幅方向のそれぞれの端部で屈曲するような形状としている。このように隣接する幅方向短冊状パターン１ａ−１の端部同士を連結部１ａ−２で連結するとき、連結部１ａ−２が長手方向沿いに互い違いに配置されるようにして、大略ジグザグ状の形状を柔軟電極１ａが構成するようにしている。ここでいう、大略ジグザグ状の形状とは、少なくとも幅方向に切欠又は空間を１つ有しかつ長手方向６に連続するような細長い形状を意味する。前記大略ジグザグ状の形状が均一なパターンならば、アクチュエータとして動作制御しやすい。前記隣接する幅方向短冊状パターン１ａ−１と連結部１ａ−２とで形成される空間内には、アクティブ部材層３の一部が入り込んで、図１Ａでは、アクティブ部材層３の厚み方向の大略中間部分に柔軟電極１ａが配置されてるようにしている。
【００４１】
柔軟電極１ａを、前記したように、アクティブ部材層３の伸縮方向である長手方向６に低剛性に、長手方向６と略直交する幅方向に高剛性となるようパターニングすることにより、アクティブ部材層３の伸縮を阻害することなく大きな発生歪を生じさせることができる。この大きな発生歪みを生じさせる機能は、単に伸縮を阻害しないという消極的な意味での機能だけでなく、パターニングされた柔軟電極１ａによる剛性の異方性付与により、発生歪みを積極的に増大させる効果があることを発明者らは見出している。
【００４２】
さらに、柔軟電極１ａを、支持体としての機能をも兼ね備えた平板状電極とすることにより、アクティブ部材層３の薄片単独では扱いにくいものを、取り扱い容易なものとすることができる。ここで支持体としての機能とは、これを備えた平板状電極の少なくとも一部の剛性が、アクティブ部材層３の剛性より大きく、アクティブ部材層３を託持し支持する機能を持つことを指している。さらに、柔軟電極１ａが平板状であるため、アクチュエータとしての各構成要素も平面的構造となり、容易に積層できる構造とすることができる。積層したアクチュエータの伸縮に関わるアクティブ部材層３の断面比率は、このような平面積層構造をとることができるため、パッキング密度を高め易い利点がある。
【００４３】
柔軟電極１ａを、伸縮方向である長手方向に低剛性となるようパターニングする具体的な構成としては、前記したように長手方向６と略直交する幅方向に、多数の細長いパターン１ａ−１を配置し、これらを連結部１ａ−２でジグザグ形状の屈曲状に連結する構成とするとよい。平板の面内剛性は極めて高いが、このようなパターニングとすることにより、長手方向６の低剛性化が容易に実現できる。このような構成では同時に長手方向６と略直交する幅方向には高い剛性となり、長手方向とこれと略直交する方向とで剛性の異方性が付与される。
【００４４】
一般にアクチュエータの変位を大きく稼ぐためには、アクチュエータの伸縮方向６をアクチュエータの長手方向とすることにより、伸縮部の長さを大きく取ると良いが、これに限られずに、伸縮方向６と直交する幅方向を長手方向とすることもできる（図示せず）。すなわち、本発明はアクチュエータの伸縮方向６をアクチュエータの長手方向に限定するものではない。
【００４５】
第１実施形態では、電解質層４は、アクティブ部材層３の伸縮動作を阻害することがないように、後述する特定の低い弾性率を持った電解質層４ａとしている。この電解質層４はそれ自体では強度が持たないため、層間の剥離を防ぐために、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間を特に保持部材５ａを介して連結している。このような層間の厚みを保持する保持部材５ａを持たない場合と比較するため、有限要素法による解析シミュレーションを行ない、その効果を比較検討した結果について次に述べる。
【００４６】
図３Ａ及び図３Ｂは、保持部材５ａの無い比較例のアクチュエータの平面図と断面図である。図４Ａ及び図４Ｂは、このような図３Ａ及び図３Ｂに示す構造のアクチュエータについて、解析計算した結果を表す変形図である。図４Ａは、比較のために、柔軟電極１ａが埋め込まれたアクティブ部材層３のみの計算結果を示す。これは、いわば、このような（保持部材５ａの無い）アクチュエータを、電解液中で対向電極との間に電圧を印加することにより伸縮動作させる場合に相当し、アクティブ部材層３以外の構成要素がアクティブ部材層３の伸縮を阻害することがないケースである。これに対して、図４Ｂは、これらに加えて、電解質層４と第２の電極層２を含めた計算モデルの場合である。
【００４７】
計算モデルのアクティブ部材層の寸法は、幅６ｍｍ、長さ２４ｍｍ、厚み２０μｍ、材質は、ポリピロールを想定して、縦弾性率（ヤング率）０．００３×１０１２Ｎ／ｍ２、ポアソン比０．３とした。柔軟電極として、厚み１０μｍ、線幅１００μｍ、１ｍｍピッチの図１Ａのようなジグザグ形状の電極をこのアクティブ部材層に埋め込み、電極の材質は、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４として、縦弾性率０．１７８×１０１２Ｎ／ｍ２、ポアソン比０．３とした。このような有限要素計算モデルにおいて、アクティブ部材層が、その面内方向に等方的に収縮するものとして計算解析した。図４Ｂの場合には、前記に加えて、アクティブ部材層の両側に厚み１５μｍの電解質層と、さらに厚み１５μｍの電極層を加え、電解質層の材質として、高分子電解質ゲルとし、縦弾性率を０．３ＭＮ／ｍ２、ポアソン比０．４９、電極の材質としてアルミ箔、縦弾性率０．０６７×１０１２Ｎ／ｍ２、ポアソン比０．３とした。前記の高分子電解質ゲルとしては、例えばイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）とモノマーであるメチルメタクリレート（ＭＭＡ）とのモル比１：１溶液を架橋剤エチレングリコール・ジメタクリレート（ＥＤＧＭＡ）を添加して加熱重合したものを挙げることができる。この高分子電解質ゲルは、重合後も網目高分子であるＰＭＭＡとイオン性液体が均一に相溶したイオン導電性を持った固体高分子である。前記の縦弾性率は、この高分子電解質ゲルの実測値である。
【００４８】
前記の電解質層として用いた電解質ゲルは、イオン性液体をゲル化したシートの実測値であり、アクティブ部材層（ポリピロール）の縦弾性率３ＧＮ／ｍ２、に比べて１万分の１という低剛性であるにも関わらず、計算結果は、これらの層が無い場合の発生変位（δ＝１）に比べて、その発生変位は８．７％（δ＝０．０８７）と小さく、これらの層がアクティブ部材層の伸縮を大きく阻害することが分った。
【００４９】
なお、本発明の構成要素の寸法の一例として、導電性ポリマー層の厚みとしては８０μｍ以下、電極の厚みとしては５〜５０μｍとして平板薄型のアクチュエータを構成するのが好ましい。電極の厚みは５μｍ未満では、その支持体としての機能を発揮することが困難であり、５０μｍを越えると、剛性が大きくなりすぎて、変位しにくいものとなるため好ましくない。また、導電性ポリマー層の厚みは８０μｍを超えると、導電性ポリマー層の表裏から出入りするイオン種が膜の中央まで行き渡ることが難しくなり、発生変位が小さくなるとともに動作速度が低下するため好ましくない。さらに、より好ましい例としては、導電性ポリマー層の厚みを３０μｍ以下、電極の厚みを５〜１０μｍとして平板薄型のアクチュエータを構成するのがよい。
【００５０】
図５は、前記アクチュエータの寸法及び材料構成に対して、電解質層の厚みを３つの異なる値（５μｍ、１５μｍ、４５μｍ）に変えた上で、電解質層の弾性率を広範囲に変えた場合の発生変位の比率を示すグラフである。図５においては、限界値である３ｋＮ／ｍ２を点線で明示しているとともに、パラメータを、電解質層の厚みと有効断面積比の両方で記載している。ここで、図５の縦軸の発生変位の比率は、電解質層がなく、アクティブ部材層の伸縮を阻害する要因がない場合の発生変位を１００％として、電解質層がアクティブ部材層に隣接して存在するために、アクティブ部材層の伸縮が阻害されて発生変位が小さくなる比率を示している。解析シミュレーション結果は、電解質層の剛性がある臨界値（３ｋＮ／ｍ２）以下になると、劇的に発生変位の阻害が小さくなることを示している。
【００５１】
図５中、電解質層の厚みを５μｍとしたものが三角印で表されるグラフ（最も下側の小さい点線のグラフ１）、１５μｍとしたものが黒丸印で表されるグラフ（中間の実線のグラフ２）、４５μｍとしたものが白丸印で表されるグラフ（最も上側の大きな点線のグラフ３）である。
【００５２】
電解質層の厚みが大きい程、発生変位の比率は大きくなっているが、アクチュエータとして伸縮動作に寄与するのはアクティブ部材層であって、電解質層は伸縮動作に寄与しないため、電解質層の厚みが大きくなることは、この観点からは逆に好ましくない。
【００５３】
図１５にアクチュエータとして伸縮動作に寄与するアクティブ部材層の有効断面積比を説明するための断面図を示す。図１５は、後述する図１３Ｂに示す積層型のアクチュエータにおいて、その繰り返しの基本単位部分を抜き出したものである。ここで、第２の電極層（対向電極）２は隣接する層の電極も兼ねているから、この基本単位には１層のみが含まれる。
【００５４】
アクティブ部材層３の有効断面積比は次のように定義される。
（有効断面積比）= ａ／（ａ＋２ｂ＋ｃ）
ここで、ａはアクティブ部材層３の厚み、ｂは電解質層４の厚み、ｃは第２の電極層（対向電極）２の厚みである。一例として、ここでは、アクティブ部材層３の厚みを２０μｍ、第２の電極層（対向電極）２の厚みを１５μｍとしているので、電解質層４の厚みを５μｍとした場合（グラフ１の場合）の有効断面積比は０．４４である。これに対して、電解質層４の厚みが１５μｍの場合（グラフ２の場合）の有効断面積比は０．３１であり、電解質層４の厚みが４５μｍの場合（グラフ３の場合）の有効断面積比は０．１６である。
【００５５】
アクティブ部材層３として、上述した導電性ポリマーのポリピロールの膜厚は５μｍ以上が機械強度の点で最小限であるのに対して、電解質層の厚みが５μｍの場合は、この厚みに対して同等であるので、アクティブ部材層に十分なイオン種を供給する供給源の電解質層の厚みとしては、最小限の厚みと考えられる。このような条件下でも、発生変位の阻害を２０％以下に抑えるには、電解質層の弾性率を３ｋＮ／ｍ２以下にする必要があることが分かった。このような電解質層の条件下では、電解質層の厚みが１５μｍの場合には、その発生変位の阻害を１０％以下に抑えることができるのでさらに好ましい。
【００５６】
さらに、電解質層の厚みが４５μｍの場合には、その発生変位の阻害を３％以下にまで抑えることができるなど、より大きい厚みの電解質層が、この観点では望ましいが、反面アクチュエータとして伸縮動作に関わるアクティブ部材層の断面比率を下げることになるので限度がある。
【００５７】
従って、前記したアクチュエータの寸法及び材料構成における電解質層の厚みとしては、例えば、少なくとも５μｍ〜４５μｍの範囲とし、かつ、電解質層４の弾性率を３ｋＮ／ｍ２以下にすることにより、アクティブ部材層３の伸縮動作の阻害を２０％以下に抑えることができることが分かった。このような構成にすることにより、アクティブ部材層の伸縮を阻害せずにアクティブ部材層の有効断面積を高めることができる。
【００５８】
以上の解析シミュレーションは、特定の幅および長さのアクチュエータモデルについてのものであるが、アクティブ部材層の伸縮が阻害されて発生変位が小さくなる比率は、これらの寸法に対してほとんど影響を受けないノーマライズされた値と考えられる。念のため、幅を２倍に変えたモデル、及び長さを２倍に変えたモデルでも、誤差の範囲内で、図５に示すグラフは有効であることが確認された。従って、アクチュエータの寸法因子で重要なのは、電解質層の厚みである。前述した解析シミュレーションでは、アクティブ部材層の厚みを代表値として２０μｍとしたが、発生変位の比率の臨界値付近の図５のＡ点に相当するものについて、このアクティブ部材層の厚みの値を１０μｍとしたところ、アクティブ部材層の厚みが２０μｍの場合の発生変位の比率が９２％であるのに対し、アクティブ部材層の厚みが１０μｍの場合には発生変位の比率は４３％であった。従って、アクティブ部材層をより薄くする場合に発生歪の比率を阻害させないためには、電解質層の弾性率をより小さくする必要があり、弾性率３ｋＮ／ｍ２以下の条件は必要条件であることがわかる。アクティブ部材層の現実的な厚み範囲において、アクティブ部材層に隣接する電解質層の弾性率の影響がクリティカルであることがわかった。
【００５９】
上に見出した電解質層の条件は、上述した具体例の材料以外でも、たとえばゲル化する際のモノマーとイオン性液体の混合比率を変えることで、その剛性を調整することができるので、他の材料でも適用することができる。
【００６０】
ここで、電解質層４の縦弾性率が３ｋＮ／ｍ２であるということは、アクティブ部材層（ポリピロール）３の縦弾性率の１００万分の１という極めて低い剛性である。このような縦弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下である材料としては、電解質ではないが、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）系のゲル材料などが挙げられる。ゲル化する際に用いる溶媒の量を調整することで、このような低い縦弾性率の高分子ゲルを得ることができる。応力が１ｋＮ／ｍ２程度までの小さな力を加える範囲で、縦弾性率の実測値が０．９ｋＮ／ｍ２であったＰＶＣゲル材料の塊は、それ自体、糊のような強度しかなく、容易にスプーンですくい取ることができた。従って、このような材料自体でアクチュエータの強度を保つことは難しい。
【００６１】
図６Ａ及び図６Ｂは、電解質層４の弾性率として０．３ｋＮ／ｍ２を仮定した場合、第１実施形態の保持部材５ａの有無により、アクチュエータの長手方向及び幅方向とそれぞれ直交する方向沿いに引剥し力２２が働いた場合のアクチュエータの変形を比較したものである。保持部材５ａとして、前述したイオン性液体であるＥＭＩ・ＴＦＳＩとＭＭＡにより重合した高分子電解質ゲルとし、縦弾性率を０．３ＭＮ／ｍ２とし、保持部材５ａは、その平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形とした。計算結果は、１Ｎの引剥し力２２に対して保持部材５ａが無い場合の変形が０．１８ｍｍであるのに対し、保持部材５ａがある場合には４μｍの変形に収まっており、縦弾性率がアクティブ部材層（ポリピロール）３の縦弾性率３ＧＮ／ｍ２に比べて、１万分の１という低剛性の保持部材５ａであっても、補強効果があることを示している。
【００６２】
次に、保持部材５ａは、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の厚みを保持して、アクチュエータの強度を保つために設けられるものであって、保持部材５ａは、例えば、その位置さえ固定されるならば、アクティブ部材層３と第２の電極層２とはそれぞれ単に当接するだけでもよい。実際には、保持部材５ａは、第２の電極層２に固定され、アクティブ部材層３とは単に当接するだけであるのが、製造上、簡単なものとなり、好ましい。図１Ａでは、保持部材５ａは、平面長方形の直方体の柱状の絶縁性の部材であって、柔軟電極１ａの幅方向短冊状パターン１ａ−１と連結部１ａ−２との隙間の中央部分に対応する位置に、柔軟電極１ａの長手方向沿いに大略均等（ほぼ等間隔）に、かつ、アクチュエータの中央部に対して対称に一列に、かつ、厚み方向には同じ位置に配置されている。
【００６３】
図１４Ａ〜図１４Ｉに、保持部材５ａの様々な平面形状、断面形状及びその配置を示す。ここで示す保持部材５ａの様々な平面形状、断面形状及びその配置は、この第１実施形態に限定されるものではなく、本発明の全ての実施形態に適用可能なものである。保持部材５ａをディスペンサーにより塗布する場合には、図１４Ａのドット状の保持部材５ａ−１又は図１４Ｂの楕円状の保持部材５ａ−２に形成することができる。図１４Ｂのように、細長い楕円状のパターンの保持部材５ａ−２に形成する場合には、アクティブ部材層３の伸縮方向６への伸び縮みを阻害しないように、その長手方向を伸縮方向６と直交する方向に沿うように配置することが望ましい。上述した図１Ａの長方形のパターンの保持部材５ａ−３に形成する場合も、その長辺を伸縮方向６と直交する方向に沿うように配置することが望ましい。保持部材５ａ−４の断面形状は、図１４Ｄのような柱状に形成する以外に、図１４Ｅに示すように、前記第２の電極層側の断面積が反対側の断面積よりも大きい、台形状の断面形状あるいは錐状の断面形状の保持部材５ａ−５とすることにより、イオン種が出入りするアクティブ部材層３との接触面積を小さくしたり、台形底面側での第２の電極層２に対する付着強度を高めることができ、好ましい。さらに、図１４Ｆのように、球状のビーズを保持部材５ａ−６とすることもできる。
【００６４】
さらに、図１４Ｇ〜図１４Ｉは保持部材５ａの一例を示したもので、図１４Ｇは、上述の配置のようにアクティブ部材層３の中央部に一列にほぼ等間隔に配置したものである。図１４Ｈは、保持部材５ａをジグザグ配置したもので、短冊形状のアクチュエータの周辺部を補強できる。図１４Ｉの配置は、例えば、保持部材５ａとしてスペーサとなるビーズを分散することにより形成する場合などに当たり、ランダムに配置した例である。なお、補強効果としては、図１４Ｈと図１４Ｉは、厚み方向には、同じ位置に配置されているのが最も好ましい。
【００６５】
さらに、前記アクティブ部材層３と接した電解質層４を両電極層１，２間に封止するために、力作用部８の動きを妨げない柔軟な封止部材９で力作用部８以外の全体を覆うことが好ましい。封止部材９により、電解質層４への吸湿の防止や外力による破損防止などの強度を保つことができる。封止部材９としては、例えば縦弾性率が１００ｋＮ／ｍ２程度の柔らかいシリコーン系ゴムを用い、さらにアクティブ部材層３の伸縮を妨げないようにすることが望ましい。
【００６６】
尚、前記第１実施形態では、柔軟電極１ａを別に備える導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とする場合について述べたが、本発明のアクティブ部材層はそれ自体導電性であるからこの電極１ａを別に設けないで、電極を兼ねる導電性のアクティブ部材層自体を第１の電極層とする場合についても本発明のポリマーアクチュエータはアクチュエータとしての動作は同様に可能であり、本発明の構成要件を妨げるものではない。高い導電率を持った導電性のアクティブ部材層の場合には、柔軟電極１ａが無くとも前記説明中の柔軟電極固有の効果以外の同様の効果を発現する。導電率が必ずしも高くない導電性のアクティブ部材層の場合には、本第１実施形態のように電極１ａを別に備えることが望ましく、その場合、前記のように柔軟電極１ａを設けない場合に比べて、印加電圧を瞬時にアクティブ部材層に均質にかけることができ、イオン種の出入りが高速に生じ、アクティブ部材層を高速に伸縮させることが可能となる等の格別の効果を奏し、さらに好ましい。
【００６７】
前記第１実施形態によれば、柔軟電極１ａを埋没させた導電性のアクティブ部材層３を第１の電極層１とし、第１の電極層１のアクティブ部材層３と離れて対向して配置された第２の電極層２をさらに有し、少なくとも前記アクティブ部材層３と接した電解質層４を両電極層１，２間に封止し、前記両電極層１，２間に電界を印加することにより、前記電解質層４から前記アクティブ部材層３にアニオン又は／及びカチオンを出入りさせることにより前記アクティブ部材層３を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、前記電解質層４が弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体の電解質であり、かつ前記アクティブ部材層３と前記第２の電極層２の間の厚みを保持する保持部材５ａを設けるように構成している。
【００６８】
このような構成によれば、電解質層４が、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の固体の電解質であるようにして、アクティブ部材層３の伸縮動作を阻害することがないようにしつつ、電解質層４はそれ自体では強度が持たないため、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の間隔（厚み）を、電解質層４内の保持部材５ａで保持するようにして、層間の剥離を防止することができるようにしている。
【００６９】
このように構成することにより、前記第１実施形態にかかるポリマーアクチュエータは、家庭やオフィス、病院などで家事支援や仕事支援、高齢者や障害者の介護支援などで人の間近で活躍することが期待されるロボットなどの機器の駆動源として、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で安全であるアクチュエータとして使用することができる。このような駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で安全であるアクチュエータとして、前記第１実施形態にかかるポリマーアクチュエータは、大きな力を発生することができるとともに、高速に動作しかつ製造が容易であって特に変形に強いポリマー素材を用いているため、空気中で動作可能とすることができる。
【００７０】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかるポリマーアクチュエータとして、電解質層４を２つの電解質層４ａ，４ｂより構成する形態について述べる。
【００７１】
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の第２実施形態の１つの形態を示すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは、電解質層４が、アクティブ部材層３に接触する第１の電解質層４ａと、第１の電解質層４ａと第２の電極２とに接触する第２の固体電解質層４ｂとより構成される場合である。その他の構成要素は図１Ａ及び図１Ｂで述べた通りであり、アクチュエータの動作も同様である。アクティブ部材層３と第２の電極２間の厚みを保持する保持部材５ａとして、この第２実施形態では、アクティブ部材層３と第２の固体電界質４ｂとを、第１の電解質層４ａ内に配置した保持部材５ａで連結している。前述した解析シミュレーションによると第１の電解質層４ａの剛性は極めて低いことが求められ、いわば液体に近いものとなる。アクティブ部材層３の伸縮を阻害しない観点では、この第１の電解質層４ａは液体の電解質であることがさらに望ましい。この場合、例えばその厚みが数μｍ以内で、表面張力でそれ自体が保持できる、できるだけ薄い潤滑層であることが望ましい。しかるに、アクティブ部材層３を伸縮させるためには、必要量のイオン種を要するので、電解質層４の層厚を低減するのにも限度がある。例えば電気２重層キャパシタでは、充電に要するイオン種の量を確保するために、電解質層４の厚さは少なくとも数１０μｍ確保している。従って、第２実施形態のように電解質層４を２つの電解質層４ａ，４ｂより構成することが好ましい。このことによって、アクティブ部材層３の伸縮の阻害を最小限に抑えることができるとともに、アクティブ部材層３への電解質層４ａ，４ｂからのイオン種の供給を確保することにより、アクティブ部材層３の十分に大きな伸縮駆動を可能とすることができる。
【００７２】
前記の第１の電解質層４ａとしては、例えばイオン性液体であるエチルメチルイミダゾリウム・トリフロロメタンスルフォニルイミド（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）を用いることができる。また、第２の固体電解質層４ｂとしては、同じイオン性液体である（ＥＭＩ・ＴＦＳＩ）とモノマーであるメチルメタクリレート（ＭＭＡ）とのモル比１：１溶液を架橋剤エチレングリコール・ジメタクリレート（ＥＤＧＭＡ）を添加して加熱重合した高分子電解質ゲルを用いることができる。後者の高分子電解質ゲルは、前述の第１実施形態の図３Ａ及び図３Ｂで述べたものと同様である。
【００７３】
次に、図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の第２実施形態の別の形態を示すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは、電解質層４が、アクティブ部材層３に接触する第１の電解質層４ａと、第１の電解質層４ａと第２の電極２とに接触する第２の固体電解質層４ｂより構成され、さらに、第２の固体電解質層４ｂと保持部材５ａが固体電解質として一体化されている場合である。この形態では、保持部材５ａは第２の固体電解質層４ｂに設けられた突起４ｃに相当するので、このように突起として保持部材５ａを第２の固体電解質層４ｂに一体化させる部材は、モールド法により容易に形成できる。前述のイオン性液体ＥＭＩ・ＴＦＳＩをＭＭＡでシート状にゲル化するプロセスは、通常モールド法で行われる。即ち、例えば２枚のガラス板又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製のシートなどの挟持板の間に、作製したいシートの厚みに相当する例えばテフロン（登録商標）製のスペーサを挟んで、その隙間にＥＭＩ・ＴＦＳＩとＭＭＡ及び架橋剤の混合溶液を流し込み、これを加熱することにより重合し高分子化する。その後、剥離することにより高分子電解質ゲルシートを得ることができる。このプロセスで使用するガラス板又はＰＥＴシートなどの挟持板に、予めエッチング加工やプレス加工によりくぼみを設けておけば、この部分が保持部材５ａに相当する突起として自動的に形成される。このようにすれば、製造が容易であり、かつ保持部材５ａそのものが電解質であるから、アクティブ部材層３の保持部材５ａにより連結された部分からもイオン種の出入りが可能であるという格別の効果がある。さらに、保持部材５ａの位置は、予め形成された挟持板に形成されたくぼみの位置に形成されるので、その位置精度、製作の再現性にも優れる。
【００７４】
上述したモールド法による製作プロセスは、高分子電解質ゲルシート単体を製作する場合について述べたが、例えば第２の電極（対向電極）２として、第１の電極層１に別に設けたジグザグ状の柔軟電極１ａと同じものを使用する場合、次のように、直接対向電極２上に高分子電解質ゲルシートを形成することができる。即ち、挟持板の一方にこの対向電極２を当接させた状態でテフロン（登録商標）のスペーサを介してもう一方のくぼみを設けた挟持板を対向させて挟持し、その隙間にＥＭＩ・ＴＦＳＩとＭＭＡ及び架橋剤の混合溶液を流し込み、これを加熱することにより重合し高分子化する。その後、剥離することにより対向電極２上に保持部材５ａ付きの高分子電解質ゲルシートが形成された部材を得ることができる。
【００７５】
一方、ジグザグ状の柔軟電極１ａ付きのアクティブ部材層３は、次のようにして製作することができる。即ち、白金板、若しくはグラッシーカーボン板などの、べた形状の電極板上にステンレス製のジグザグ状の柔軟電極１ａを当接させた状態で、例えば六フッ化リン酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡ・ＰＦ６）のプロピレンカーボネート（ＰＣ）溶液中にポロールモノマーを加えた電解液中で電解重合し、前記柔軟電極上にポリピロールを電解析出させる。これを前記べた形状の電極から剥離することにより、ジグザグ状の柔軟電極１ａ付きのアクティブ部材層３を得ることができる。
【００７６】
前記２つの複合部材を組み合わせ、第１の電解質層４ａとしてイオン性液体であるＥＭＩ・ＴＦＳＩを注入することにより、図８Ｂの断面図に示す構造のアクチュエータを製作することができる。
【００７７】
次に、図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の第２実施形態のさらに別の形態を示すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは電解質層４が、アクティブ部材層３にほぼ全面的に接触するとともに最外層の封止部材９に部分的に接触する第１の低せん断力電解質層４ａと、第１の電解質層４ａと第２の電極２とに接触する第２の固体電解質層４ｂより構成され、さらに第２の電極２と第２の固体電解質層４ｂがアクチュエータの駆動方向６に複数に分割されている場合（図９Ｂでは一例として４つに分割されている場合）である。この形態の効果を検討するため、図９Ａ及び図９Ｂに示す構成のアクチュエータの変形を有限要素法による解析シミュレーションにより行なった。結果を、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。図１０Ａは、第２の電極２と第２の固体電解質４ｂを分割しないで４カ所にて平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形の保持部材５ａで連結した場合を示す。これに対して、図１０Ｂは、第２の電極２と第２の固体電解質４ｂを４分割し、４カ所にて、同様に平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形の保持部材５ａで連結した場合を示す。計算前提値の材料定数は、図４の解析シミュレーションと同様とした。図１０Ａの電極分割の無い場合、その発生変位は拘束の無い場合に比べて５９．６％と計算され、複数の保持部材５ａ自体がアクティブ部材層３の伸縮を阻害することがわかる。これに対して、図１０Ｂの電極を分割した場合、その発生変位は拘束の無い場合に比べて９９．８％と計算され、複数の保持部材５ａによる連結を行なっても、ほとんどアクティブ部材層３の伸縮を阻害することがないことがわかる。前記の分割は分割数４、連結カ所４、保持部材５ａの平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形の場合について述べたが、アクティブ部材層３の伸縮に対して局部的な拘束を生じさせないために、このような比較的均等な分割が望ましい。
【００７８】
解析シミュレーションでは、第２の電極２として厚み１５μｍの、べた形状のアルミ箔を想定したため、図１０Ａに示した保持部材による大きな拘束効果が生じたが、アクティブ部材層３に埋め込んだジグザグ状の柔軟電極１ａと同様の柔軟な電極を第２の電極として用いる場合にはこのような拘束効果を避けることができる。しかしながらこのような柔軟電極は対向する面積が小さく、第２の電極として、べた形状の電極を使用できることがさらに好ましい。キャパシタや電池の集電電極としてアルミ箔を用い、この表面に活性炭などの炭素系粉末を形成することにより、電極の表面積を稼ぐことが行なわれており、本第２実施形態により、このような電極を第２の電極２とすることができる。
【００７９】
前述した及び後述する本発明の各実施形態において、第１の電解質層４ａとして、アニオン及びカチオンよりなるイオン性液体をゲル化した材料を用い、その剛性を第２の固体電解質４ｂの剛性より小さくすることにより、空気中動作可能な全固体化アクチュエータを提供することができるとともに、アクティブ部材層３の発生変位を拘束する効果を低減することができ、好ましい。
【００８０】
さらに、第１の電解質層４ａとしてアニオン及びカチオンよりなるイオン性液体を用いることにより、空気中動作可能な準固体化アクチュエータを提供することができるとともに、アクティブ部材層３の発生変位を拘束する効果をさらに低減することができる。イオン性液体は常温溶融塩とも呼ばれ、良く知られた塩（ＮａＣｌ）がＮａ＋イオンとＣｌ―イオンよりなるイオン結合性の固体であるのに対して、常温で液体であるイオン結合性の塩である。このイオン性液体は、結合がイオン結合であることに由来して不揮発性であるという優れた性質がある。従って、イオン性液体は液体状であっても水溶液系電解質や有機溶媒系電解質に見られるような蒸発に伴う寿命の問題がなく、本発明の前記及び後述する実施形態によれば空気中動作可能なアクチュエータを提供することができる。
【００８１】
また、保持部材５ａを、イオン性液体を固体化したものとすることにより、アクティブ部材層３の連結部からもイオン種の出入りが可能となり、アクティブ部材層３を有効に伸縮させることができ好ましい。
【００８２】
さらに、アクティブ部材層３のアクチュエータ駆動方向沿いの両端部にアクチュエータの力作用部８をそれぞれ連結した構成を取ることにより、アクティブ部材層３の伸縮変位及び発生力の取り出しを効率良く行なうことができる。
【００８３】
さらに、この力作用部８の動きを妨げない柔軟な封止部材９で、力作用部８以外の部分の上下左右のそれぞれの面の全体を覆うことにより前記アクティブ部材層３と接した電解質層４を両電極層１，２間に封止したので、電解質層４への吸湿の防止や外力による破損防止などの強度を保つことができ、好ましい。封止部材９としては、例えば縦弾性率が１００ｋＮ／ｍ２程度の柔らかいシリコーン系ゴムを用い、さらにアクティブ部材層３の伸縮を妨げないように、前述及び後述する実施形態にかかる積層型のアクチュエータに適用することが望ましい。
【００８４】
また、アクティブ部材層３としては、有機導電性ポリマー、例えばポリアニリン、ポリピロール又はポリチオフェインン基体のπ共役ポリマー、又はその誘導体とすることができる。さらに、アクティブ部材層３としては、炭素系微粒子、金属系微粒子、金属酸化物微粒子、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブいずれかから選ばれた材料を少なくとも含む導電性部材とすることができる。これらの材質をアクティブ部材層３とすることで、アクティブ部材層３にアニオン又は／及びカチオン又は／及び電子を出入りさせることにより、アクティブ部材層３を膨張収縮させることができる。このような導電性微粒子分散型のアクティブ部材層の剛性は、バインダーとなる高分子、例えばポリフッ化ビニリデンの重合条件を選ぶことにより調整することができる。大きな発生力を得るためには、前述した有機導電性ポリマーであるポリピロールの剛性に近い、３ＧＮ／ｍ２程度の弾性率に調整することがより好ましい。この場合、前述した図５における、電解質層の剛性がある臨界値以下で、発生変位の阻害が小さくなることは同様である。
【００８５】
前記第２実施形態の構成によれば、電解質層４が、液体の第１の電解質層４ａと、その弾性率が３ｋＮ／ｍ２以下の第２の固体電界質４ｂとで構成されるようにしているため、アクティブ部材層３の伸縮の阻害を最小限に抑えることができるとともに、アクティブ部材層３への電解質層４ａ，４ｂからのイオン種の供給を確保することにより、アクティブ部材層３の十分に大きな伸縮駆動を可能とすることができつつ、電解質層４はそれ自体では強度が持たないため、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の間隔（厚み）を、第１の電解質層４ａ内の保持部材５ａで保持するようにして、層間の剥離を防止することができるようにしている。
【００８６】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態にかかるポリマーアクチュエータとして、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の厚みを保持する保持部材５ａとして、上述した以外の形態の場合について述べる。
【００８７】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明の第３実施形態の１つの形態を表すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の厚みを保持する保持部材５ａ−７として、アクティブ部材層３の両側に配置した２つの第２の電極層２の間を、アクティブ部材層３及び柔軟電極１ａの隙間部分を貫通して保持部材５ａ−７で連結したものである。保持部材５ａ−７として、例えば絶縁性のプラスチック製のかしめピンを各層間に貫通させて固定することにより、容易に電極層１，２間の厚みを保持することができる。さらには、第１の電解質層４ａなどの中に配置するスペーサ、あるいはセパレータと併用することが望ましい。
【００８８】
この保持部材５ａ−７で連結する方法は、本発明の第１実施形態で述べた保持部材５ａがアクティブ部材層３と第２の電極層２とを連結するためにその界面で接着する必要があるのに対してその必要がなく、簡易な方法で容易に保持部材で連結できる特徴がある。
【００８９】
次に、図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の第３実施形態の別の形態を表すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間の厚みを保持する保持部材５ａとして、アクティブ部材層３と第２の電極層２の間に保持部材５ａを挿入し、外部から横方向に、第２の電極層２と第１の電解質層４ａとアクティブ部材層３と第１の電解質層４ａと第２の電極層２とを大略Ｕ字状のクリップ５ｂで挟持したものである。本アクチュエータは、平面薄型であるから、このクリップ５ｂとしては例えば絶縁性プラスチック板をクリップ状に形成したもので、本アクチュエータを挟むことにより、容易に保持部材５ａを押圧することができる。保持部材５ａは、それ自体で接着性を有する必要はなく、スペーサ、あるいはセパレータであってよい。例えばテフロン（登録商標）製のスペーサなどの電極素材界面との摩擦が小さい場合には、アクティブ部材層３の発生変位を阻害することがなく好都合である。
【００９０】
この保持部材５ａとプリップ５ｂとで連結する方法も、本発明の第１実施形態で述べた保持部材５ａがアクティブ部材層３と第２の電極層２とを連結するためにその界面で接着する必要があるのに対してその必要がなく、簡易な方法で容易に保持部材で連結できる特徴がある。さらに前記の図１１Ａおよび図１１Ｂで説明した連結方法では、保持部材がアクティブ部材層と第２の電極層を貫通する必要があるのに対して貫通させる必要がなく、貫通に伴う局部強度の低下がなくさらに好都合である。
【００９１】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態として、多層に積層したポリマーアクチュエータについて述べる。
【００９２】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、本発明の第４実施形態を表すアクチュエータの平面図と断面図である。このアクチュエータは、アクティブ部材層３、電解質層４、電極層２を交互に積層したものである。すなわち、例えば、図１３Ｂでは、１枚の最上層の積層型のアクチュエータを、第２の電極層２と第１の電解質層４ａとアクティブ部材層３と第１の電解質層４ａと第２の電極層２とで構成する。そして、最上層（第１層目）の積層型のアクチュエータの下端の第２の電極層２を、最上層（第１層目）の積層型のアクチュエータの下方に位置する中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの上端の第２の電極層２として兼用している。そして、この第２の電極層２に続けて、中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの第１の電解質層４ａとアクティブ部材層３と第１の電解質層４ａと第２の電極層２とを配置している。さらに、中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの下端の第２の電極層２を、中間層（第２層目）の積層型のアクチュエータの下方に位置する最下層（第３層目）の積層型のアクチュエータの上端の第２の電極層２として兼用している。そして、この第２の電極層２に続けて、最下層（第３層目）の積層型のアクチュエータの第１の電解質層４ａとアクティブ部材層３と第１の電解質層４ａと第２の電極層２とを配置している。
【００９３】
この第４実施形態における積層型のアクチュエータでは、アクチュエータの構成部材が平面薄型であるため、容易に積層できる構造とすることができる。積層したアクチュエータの伸縮に関わるアクティブ部材層３の断面比率は、このような平面積層構造を採ることができるため、パッキング密度を高めやすい利点がある。この結果、単層ではその断面積に限りがある導電性ポリマー層のアクティブ部材層３の断面積を増大させることができ、ロボット等に応用するのに際して必要となる大きな発生力を持ったアクチュエータを実現するのに好都合である。なお、アクティブ部材層３へのイオン種の出入りは拡散プロセスであり、拡散に要する時間を短縮するにはアクティブ部材層３は薄いほうがよいというトレードオフがある。したがって、多数の薄いアクティブ部材層３を重ねて断面積を稼ぐことが望ましい。
【００９４】
上述したように、本発明によれば、大きな力を発生することができるとともに、高速に動作し、製造が容易であって、特に変形に強い、空気中動作可能なドライ化されたポリマーアクチュエータを提供することができる。
【００９５】
尚、前記、様々な実施形態の内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】
【００９６】
本発明のポリマーアクチュエータは、電極を兼ねる又は電極を別に設けた導電性のアクティブ部材層を第１の電極層とし、第２の電極層をさらに有し、少なくともアクティブ部材層と接した第１の電解質層を両電極層間に封止し、両電極層間に電界を印加することによりアクティブ部材層を膨張収縮させる平面薄型のポリマーアクチュエータであって、前記第１の電解質層が弾性率３ｋＮ／ｍ２以下の固体電解質、又は液体の電解質であり、かつアクティブ部材層と前記第２の電極層の間の厚みを保持する保持部材を設ける構成であることとし、介護用あるいは家庭用ロボットなどの機器を代表例とした各種機器の駆動源として、駆動源自体が小型軽量かつ柔軟で、安全であるアクチュエータとして有用である。
【００９７】
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】
【００９８】
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実施形態における１つの形態のアクチュエータの平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１実施形態における１つの形態のアクチュエータの断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の比較例として記載したアクチュエータであって、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの保持部材を持たないアクチュエータの平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の比較例として記載したアクチュエータであって、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータの保持部材を持たないアクチュエータの断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータのアクティブ部材層の収縮変形を解析シミュレーションした結果を表す変形図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータのアクティブ部材層の収縮変形を解析シミュレーションした結果を表す変形図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータに関わるアクティブ部材層の発生変位と電解質層の弾性率との関係を解析シミュレーションした結果を表すグラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータであって厚みを保持する保持部材を持たないアクチュエータに外力が作用した場合の解析シミュレーション結果を表す変形図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の第１実施形態におけるアクチュエータであって厚みを保持する保持部材を持ったアクチュエータに外力が作用した場合の解析シミュレーション結果を表す変形図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の第２実施形態における１つの形態のアクチュエータの平面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の第２実施形態における１つの形態のアクチュエータの断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の第２実施形態における別の形態のアクチュエータの平面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の第２実施形態における別の形態のアクチュエータの断面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の第２実施形態におけるさらに別の形態のアクチュエータの平面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の第２実施形態におけるさらに別の形態のアクチュエータの断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第２の電極と第２の固体電解質を分割しないで、４カ所にて平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形の保持部材で連結した場合において図９Ａ及び図９Ｂに示す構成の前記アクチュエータの変形を有限要素法による解析シミュレーションにより行なった結果を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、第２の電極と第２の固体電解質を４分割し、４カ所にて、同様に平面形状が縦１ｍｍ×横０．２５ｍｍの長方形の保持部材で連結した場合において図９Ａ及び図９Ｂに示す構成の前記アクチュエータの変形を有限要素法による解析シミュレーションにより行なった結果を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第３実施形態における１つの形態のアクチュエータの平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の第３実施形態における１つの形態のアクチュエータの断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の第３実施形態における別の形態のアクチュエータの平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の第３実施形態における別の形態のアクチュエータの断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の第４実施形態における１つの形態のアクチュエータの平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の第４実施形態における１つの形態のアクチュエータの断面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の平面形状の一例を示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の平面形状の一例を示す図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の平面形状の一例を示す図である。
【図１４Ｄ】図１４Ｄは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の断面形状の一例を示す図である。
【図１４Ｅ】図１４Ｅは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の断面形状の一例を示す図である。
【図１４Ｆ】図１４Ｆは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の断面形状の一例を示す図である。
【図１４Ｇ】図１４Ｇは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の配置の一例を示す図である。
【図１４Ｈ】図１４Ｈは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の配置の一例を示す図である。
【図１４Ｉ】図１４Ｉは、本発明の前記実施形態における前記保持部材の配置の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第４実施形態におけるアクチュエータの基本単位を示す断面図である。
【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】
2007018141.tif 000039
【図１Ｂ】
2007018141.tif 000040
【図２Ａ】
2007018141.tif 000041
【図２Ｂ】
2007018141.tif 000042
【図２Ｃ】
2007018141.tif 000043
【図２Ｄ】
2007018141.tif 000044
【図３Ａ】
2007018141.tif 000045
【図３Ｂ】
2007018141.tif 000046
【図４Ａ】
2007018141.tif 000047
【図４Ｂ】
2007018141.tif 000048
【図５】
2007018141.tif 000049
【図６Ａ】
2007018141.tif 000050
【図６Ｂ】
2007018141.tif 000051
【図７Ａ】
2007018141.tif 000052
【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
2007018141.tif 000054
【図８Ｂ】
2007018141.tif 000055
【図９Ａ】
2007018141.tif 000056
【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
2007018141.tif 000058
【図１０Ｂ】
2007018141.tif 000059
【図１１Ａ】
2007018141.tif 000060
【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
2007018141.tif 000064
【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
2007018141.tif 000068
【図１４Ｄ】
2007018141.tif 000069
【図１４Ｅ】
2007018141.tif 000070
【図１４Ｆ】
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【図１４Ｇ】
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【図１４Ｈ】
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【図１４Ｉ】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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