(57)【要約】【課題】薄型化が可能で、大きな変位を得ることができる高分子アクチュエータ、前記高分子アクチュエータにより駆動されるロボットアーム、前記ロボットアームを有するロボットを提供することを目的とする。【解決手段】板状の基盤部材と、導電性高分子を含む伸縮部材と、前記基盤部材と角度変化が可能である可動部材と、前記伸縮部材との間に電圧印加するための電極と、前記伸縮部材と前記電極の間に挟まれた電解質托体層とを備え、前記基盤部材と前記伸縮部材と前記可動部材は、それぞれを一辺とする三角形を形成するように配置され、かつ前記伸縮部材の伸縮により前記可動部材の角度が変化する高分子アクチュエータを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の基盤部材と、導電性高分子を含む伸縮部材と、可動部材と、電極と、前記伸縮部材と前記電極の間に挟まれた電解質托体層とを備え、前記基盤部材と前記伸縮部材と前記可動部材は、それぞれを一辺とする三角形を形成し、前記基盤部材と前記可動部材とのなす角度の変化が可能であるように配置され、かつ前記伸縮部材と前記電極との間に電圧を印加することで生じる前記伸縮部材の伸縮により前記基盤部材と前記可動部材の角度が変化する高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記導電性高分子の伸縮方向への力に対して、前記基盤部材と前記可動部材とがなす角度を所定の角度に戻すような復元力を与える復元手段を有する請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記復元手段が、弾性ヒンジである請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記基盤部材と前記可動部材の両方又は一方が、導電体である請求項１から３のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記基盤部材と前記可動部材が一体成形である請求項１から４のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
前記導電性高分子を含む伸縮部材が、前記基盤部材と前記可動部材を接続する環状構造である請求項１から５のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記基盤部材と前記可動部材の両方又は一方の側端部に折り曲げ部が有る請求項１から６のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ。  
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータを変位方向に複数連結した高分子アクチュエータ連結体。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータを変位方向と直角な方向に複数連結した高分子アクチュエータ連結体。
【請求項１０】
単一の導電性高分子を含む伸縮部材が高分子アクチュエータ連結体を構成する高分子アクチュエータのうちの複数の前記高分子アクチュエータにまたがるように構成された請求項８又は９に記載の高分子アクチュエータ連結体。
【請求項１１】
請求項１から７のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ、又は請求項８から１０のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ連結体により駆動されるロボットアーム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のロボットアームを有するロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄型で大きな変位が得られる高分子アクチュエータ、その高分子アクチュエータにより駆動されるロボットアーム、及びロボットアームを有するロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用ロボットなど人間に近い場所において動作する機械に対する要求の高まりに伴い、人間の筋肉のようにしなやかな動作をする人工筋肉アクチュエータへの期待も大きくなっている。人工筋肉アクチュエータの候補として、これまでに様々な方式のアクチュエータが提案されているが、それらの中の一つとして、導電性高分子を用いたアクチュエータが提案されている。
【０００３】
導電性高分子を用いた人工筋肉アクチュエータの一例としては、図１９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すようなたわみ変形を発生させるアクチュエータが提案されている。このアクチュエータは、導電性高分子膜であるポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂで固体電解質成形体３２を挟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間に与えられる。その結果、図１９（Ｂ）に示されるように、固体電解質成形体３２から一方のポリアニリン膜体３５ｂに陰イオンが移動して伸長し、他方のポリアニリン膜体３５ａから固体電解質成形体３２へ陰イオンが移動して縮小し、結果としてたわみ変形が発生するようになる（特許文献１参照）。
【０００４】
この構成では、電極として作用する二つの導電性高分子膜３５ａ、３５ｂの変位量の差によりたわみ変形を発生させている。また、電解質托体層を液体もしくはゲル状の物質とすることで、両電極の変形がお互いに影響しないようにし、片方の導電性高分子膜３５ａ、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、変位を利用しない電極は導電性高分子である必要はなく、主に金属が用いられている。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（非特許文献１参照）。上記のような導電性高分子アクチュエータは、２〜３Ｖの低電圧で数％の歪みを発生することから、人工筋肉としての実用化が期待されている。
【０００５】
しかし、人工筋肉、ロボットアーム、義手、ベッドの背もたれの調節、ベッドの高さ調節等を駆動するためのアクチュエータとして用いるためには、より多くの変位を発生することが必要である。
【０００６】
このような課題に対しては、導電性高分子アクチュエータが発生する変位が導電性高分子膜の長さに依存するので、導電性高分子膜を折り返し構造とすることで、変位を増加させることが考えられる。
【０００７】
しかし、折り返し部分における抵抗などにより、実用的には導電性高分子膜を折り返すことができる回数には限界があり、必要とする変位が得られない場合がある。したがって、大きな変位を得るために、下記の２点の機構が提案されている。
【０００８】
図２０に示すように、たわんだ導電性高分子膜５０２が収縮して平面状になることを利用して、押圧部５０１を変位させる機構により、導電性高分子の伸縮より大きな変位が得られる。また、前記機構を積層することにより、さらに大きな変位を得ることができる（特許文献２参照）。
【０００９】
図２１に示すように、導電性高分子チューブ６０２の変位から、ピストンシリンダ機構により、大きな変位が得られる（特許文献３参照）などが提案されている。
【特許文献１】特開平１１−１６９３９３号公報
【特許文献２】特開２００５−３９９９６号公報
【特許文献３】特開２００５−８６９８２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】
【００１０】
しかし、上記の大きな変位が得られる機構を備えた導電性高分子アクチュエータでは、アクチュエータの薄型化が困難であるといった課題がある。
【００１１】
すなわち、図２０に示す特許文献２に記載のアクチュエータでは、導電性高分子膜の伸長時に押圧部５０１を内部に備えることを可能とする空間を有した部材５０３を有する。
【００１２】
したがって、アクチュエータは図２０に示す押圧部５０１の変位方向である厚み方向に前記部材のサイズ以下には薄くすることができない。また、図２１に示す特許文献３に記載のアクチュエータではピストンシリンダ機構を有する。したがって、アクチュエータは図２１に示す、ピストン６０１の変位方向である厚み方向に前記機構のサイズ以下には薄くすることができない。
【００１３】
以上のことから、特許文献２、３に記載のアクチュエータの厚み方向には、変位拡大機構を得るために構成された前記部材、前記機構の厚みにより、アクチュエータ全体の薄型化が困難となる。
【００１４】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、薄型化が可能な構成でありながら、大きな変位を得られる機構を備えた高分子アクチュエータ、前記高分子アクチュエータにより駆動されるロボットアーム、前記ロボットアームを有するロボットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１６】
本発明の第１態様によれば、板状の基盤部材と、導電性高分子を含む伸縮部材と、可動部材と、電極と、前記伸縮部材と前記電極の間に挟まれた電解質托体層とを備え、前記基盤部材と前記伸縮部材と前記可動部材は、それぞれを一辺とする三角形を形成し、前記基盤部材と前記可動部材とのなす角度の変化が可能であるように配置され、かつ前記伸縮部材と前記電極との間に電圧を印加することで生じる前記伸縮部材の伸縮により前記基盤部材と前記可動部材の角度が変化する高分子アクチュエータを提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、薄型化が可能な構成でありながら、大きな変位が得られる高分子アクチュエータが提供できる。すなわち、上記のような構成により、導電性高分子を含む伸縮部材の伸縮によって、基盤部材と可動部材の角度が変化することで変位が得られる。そして、本発明の構成はアクチュエータの厚み方向に図２０、２１に示す従来の変位拡大機構を備えた高分子アクチュエータと比較して、変位方向の厚みを薄くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【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前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１９】
本発明の第１態様によれば、板状の基盤部材と、導電性高分子を含む伸縮部材と、電極と、前記伸縮部材と前記電極の間に挟まれた電解質托体層とを備え、前記基盤部材と前記伸縮部材と前記可動部材は、それぞれを一辺とする三角形を形成し、前記基盤部材と前記可動部材とのなす角度の変化が可能であるように配置され、かつ前記伸縮部材と前記電極との間に電圧を印加することで生じる前記伸縮部材の伸縮により前記基盤部材と前記可動部材の角度が変化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、前記導電性高分子を含む伸縮部材と前記電極との間への電圧印加による前記導電性高分子の伸縮により、前記基盤部材と前記伸縮部材の角度が変化することで変位が得られる。
【００２１】
本発明の第２態様によれば、前記基盤部材と前記可動部材の両方又は一方が、導電体であることを特徴とする第１態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。
【００２２】
このような構成によれば、導電性高分子を含む伸縮部材に対する通電を容易にすることができ、配線のためのスペースを削減することが可能になるので、より薄型化を実現しやすい高分子アクチュエータが得られるようになる。
【００２３】
本発明の第３態様によれば、前記基盤部材と前記可動部材が一体成形されていることを特徴とする第１又は２態様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、基盤部材と可動部材を接続するための部品を付加する必要が無くなるので、より薄型化を実現しやすい高分子アクチュエータが得られるようになる。
【００２５】
本発明の第４態様によれば、前記導電性高分子を含む伸縮部材が、前記基盤部材と前記可動部材を接続する環状構造であることを特徴とする第１から３態様のいずれか一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、基盤部材と可動部材に棒状の保持部分を設けるだけで容易に導電性高分子を含む伸縮部材を保持することが可能になり、保持に用いる部品を付加する必要がなくなるので、より薄型化を実現しやすい高分子アクチュエータが得られるようになる。
【００２７】
本発明の第５態様によれば、前記基盤部材と前記可動部材の両方又は一方の側端部に図７の５ａ、１６ａに示すように、折り曲げ部が有ることを特徴とする第１から４態様のいずれか一つ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、基盤部材や可動部材をより薄い部材で作成しても曲げたことにより、強度が保てるようになるので、より薄型の高分子アクチュエータが得られるようになる。
【００２９】
本発明の第６態様によれば、第１から５態様のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータを変位方向に複数連結したことを特徴とする高分子アクチュエータ連結体を提供する。
【００３０】
このような構成によれば、それぞれの高分子アクチュエータの変位を積算した、より変位の大きな高分子アクチュエータが得られるようになる。
【００３１】
本発明の第７態様によれば、第１から５態様のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータを変位方向と直角な方向に複数連結したことを特徴とする高分子アクチュエータ連結体を提供する。
【００３２】
このような構成によれば、それぞれの高分子アクチュエータの発生力を積算した、より駆動力の大きな高分子アクチュエータが得られるようになる。また、変位方向と直角な方向に高分子アクチュエータが複数になることから、アクチュエータの変位方向への積層をより容易に実現することもできるようになる。
【００３３】
本発明の第８態様によれば、第６又は７態様に記載の高分子アクチュエータ連結体において、単一の導電性高分子を含む伸縮部材が高分子アクチュエータ連結体を構成する高分子アクチュエータのうちの複数の前記高分子アクチュエータにまたがるように構成された高分子アクチュエータ連結体を提供する。
【００３４】
このような構成によれば、単一の導電性高分子を含む伸縮部材により、複数の可動部材を同時に動作させることが可能になるので、高分子アクチュエータの駆動が容易になるとともに、アクチュエータ連結体全体における導電性高分子を含む伸縮部材の保持部分が少なくなるので、より薄型化を実現しやすい高分子アクチュエータ連結体が得られるようになる。
【００３５】
本発明の第９態様によれば、第１から５態様のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ、又は第６から８態様のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ連結体により駆動されるロボットアームを提供する。
【００３６】
このような構成によれば、第１から５態様のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ、又は第６から８態様のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ連結体により駆動されるロボットアームを構成することができて、前記高分子アクチュエータ又は高分子アクチュエータ連結体の作用効果を奏することができるロボットアームを得ることができる。
【００３７】
本発明の第１０態様によれば、第９態様に記載のロボットアームを有するロボットを提供する。
【００３８】
このような構成によれば、前記第９態様に記載の高分子アクチュエータ又は高分子アクチュエータ連結体により駆動されるロボットアームを有するロボットを構成することができて、前記高分子アクチュエータ又は高分子アクチュエータ連結体の作用効果を奏することができるロボットを得ることができる。
【００３９】
以下、本発明の種々の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００４０】
（第１実施形態）
図１は、本発明にかかる第１実施形態の高分子アクチュエータの一例としての人工筋肉アクチュエータ１の概略を示した斜視図である。図１において、電極の一例である金属膜４は、電解質托体層の一例であるゲル状電解質３を介して導電性高分子を含む伸縮部材の一例である有機導電性高分子である伸縮板２と接続されている。有機導電性高分子である伸縮板２は、矩形たとえば長方形の伸縮体である膜状の伸縮板であり、金属膜４との間に電位差を与えることで、酸化還元反応に伴う伸長収縮変形するようになる。有機導電性高分子である伸縮板２を構成する有機導電性高分子としては、ポリピロール、ポリアニリン、又はポリメトキシアニリン等が利用可能だが、ポリピロールは変位が大きい点で望ましい。また、有機導電性高分子の伸縮板２における導電性高分子の厚みは、数十μｍ程度であるのが望ましい。数十μｍより薄いと強度的に弱く、数十μｍより厚いとゲル状電解質３から有機導電性高分子の伸縮板２の内部まで十分にイオンが移動できなくなるので望ましくない。ゲル状電解質３については、水溶液系、有機溶媒系、若しくはイオン性液体系などの様々な電解液を含有したゲルが使用可能であるが、イオン性液体系が不揮発性の特徴を持つ面で望ましい。また、有機導電性高分子である伸縮板２との間に電位差が与えられる金属膜４については、白金、ステンレス、チタン、ニッケルなどの様々な金属が利用可能であるが、電極としての安定性の面で白金が、価格の面でステンレスが望ましい。なお、電極については金属に限る物ではなく、導電性高分子や炭素、及びそれらと金属の複合物なども利用可能である。
【００４１】
有機導電性高分子である伸縮板２の一端は、第１クランプ部材９ａにより板状の可動部材ベース１６に固定され、有機導電性高分子である伸縮板２の他端は、第２クランプ部材９ｂにより板状の基盤部材５に固定されている。可動部材ベース１６と基盤部材５は、弾性ヒンジを備え、導電性を有する金属により一体成形されている。可動部材ベース１６は、無負荷状態において基盤部材５と所定の角度を有するように構成され、角度の変化に対して、所定の角度に戻すような復元力が発生するようになっている。そして、有機導電性高分子である伸縮板２は、伸長状態においても弾性ヒンジの復元力が、常に有機導電性高分子である伸縮板２の伸長方向へ加わるような長さでクランプ部材９ａ、９ｂにより可動部材ベース１６と基盤部材５にクランプされている。
【００４２】
さらに、電源６とスイッチ７からの配線の一端は基盤部材５を介して有機導電性高分子である伸縮板２に接続され、配線の他端は金属膜４に接続されており、電源６で与えられる電位差が、有機導電性高分子である伸縮板２と金属膜４との間に印加され、有機導電性高分子である伸縮板２が伸縮するようになっている。
【００４３】
次に、この人工筋肉アクチュエータ１の作用を説明する。
【００４４】
有機導電性高分子の伸縮板２が収縮する原因としては、アニオン（陰イオン）の移動、カチオン（陽イオン）の移動、高分子構造の変化等があるが、図３（Ａ）、図３（Ｂ）による動作原理の説明では、ポリピロールなどの材料系においてアニオンのドープ、アンドープが主たる変形のメカニズムとされていることから、アニオンの移動について述べる。図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）に有機導電性高分子の伸縮板２が収縮するときの人工筋肉アクチュエータ１の状態変化を表す正面図を示し、図３（Ａ）に図２（Ａ）において丸で囲んだ部分の拡大図を示す。
【００４５】
図２（Ｃ）は有機導電性高分子の伸縮板２に電位を印加していない状態を示している。図２（Ａ）、図３（Ａ）は有機導電性高分子の伸縮板２に正の電位を印加し、金属膜４に負の電位を印加した場合を示している。また、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）は有機導電性高分子の伸縮板２に負の電位を印加し、金属膜４に正の電位を印加した場合を示している。
【００４６】
図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、有機導電性高分子の伸縮板２は、アニオンがゲル状電解質３から内部に移動することで伸長し、アニオンが内部からゲル状電解質３に移動することで収縮するようになる。ちなみにスイッチオフの状態では、有機導電性高分子の伸縮板２と金属膜４との電位差が変化しない。したがって、ゲル状電解質３と有機導電性高分子の伸縮板２の間のアニオンの移動は起こらなくなり、スイッチオフとなる前の状態が保持されることになる。すなわち、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示される状態でスイッチオフした場合には、それぞれの状態が保持され、図３（Ａ）から図３（Ｂ）に変化する過程もしくはその逆の過程においてスイッチオフした場合には、図３（Ａ）と図３（Ｂ）の中間的な状態となる。
【００４７】
有機導電性高分子の伸縮板２が伸長する場合には、弾性ヒンジの復元力により基盤部材５と可動部材８のなす角度が、有機導電性高分子の伸縮板２が張った状態になるまで増加し、図２（Ａ）に示すように、人工筋肉アクチュエータ１としての変位である伸縮板２と可動部材８の接合部分の高さが高くなる。逆に、有機導電性高分子の伸縮板２が収縮する場合には、有機導電性高分子の伸縮板２により可動部材ベース１６とクランプ部材９ａからなる可動部材８が引っ張られ、基盤部材５と可動部材８のなす角度が減少し、図２（Ｂ）に示すように、伸縮板２と可動部材８接合部分の高さが低くなる。
【００４８】
このときの変位拡大効果について簡単に説明する。図２（Ａ）、図２（Ｂ）から、この人工筋肉アクチュエータ１の動作は、図４に示す基盤部材５を底辺とする基盤部材５と可動部材８と伸縮板２とが、それぞれ一辺として形成される三角形の前記伸縮板２の伸縮による高さの変化としてモデル化することができる。
【００４９】
ここで、ａは可動部材８に相当する辺の長さ、ｄは基盤部材５に相当する辺の長さ、ｂは有機導電性高分子の伸縮板２に相当する辺の長さ、θは可動部材８に相当する辺ａと基盤部材５に相当する辺のなす角度とする。
【００５０】
辺の長さｂは、ｂ＝ｓｑｒｔ（（ｄ−ａ＊ｃｏｓθ）２＋（ａ＊ｓｉｎθ）２）で表され、三角形の高さはｈ＝ａ＊ｓｉｎθで表されることになる。基盤部材５を底辺とする前記三角形の高さ変化は人工筋肉アクチュエータ１の変位に相当する。
【００５１】
有機導電性高分子の伸縮板２の変位に対する人工筋肉アクチュエータ１の変位の比率を示す変位倍率はｄｈ／ｄｂ＝ａ２ｂ＋ｂｄ２−ｂ３／[ｄ｛ｓｑｒｔ（２ａ２ｂ２＋２ａ２ｄ２＋２ｂ２ｄ２−ａ４−ｂ４−ｄ４）｝]で表される。ここで、Ｄ＝ｄ／ａ、Ｂ＝ｂ／ａとおくと、ｄｈ／ｄｂ＝Ｂ／（Ｄ＊ｔａｎθ）と表される。
【００５２】
この関係を基に計算した角度θにおける変位倍率を図５に示す。この図より、θが小さくなるほど、またｄ／ａが大きくなるほど変位倍率が大きくなる傾向にあることがわかる。
【００５３】
目的とする変位倍率に応じてｄ／ａとθの組み合わせが選択されるので、使用する有機導電性高分子の伸縮板２のサイズｂに応じて、ｄとａのサイズが決定されることになる。
【００５４】
また、このときの力の倍率についても考える。前記三角形の頂点における力の釣り合いから、長さｂの辺に沿った収縮力に対する前記三角形の頂点における垂直下方への力の比は、ｓｉｎφ＋ｃｏｓφ＊ｔａｎθで求められる。ここでφは、有機導電性高分子の伸縮板２に相当する辺と基盤部材５に相当する辺のなす角度である。
【００５５】
ｓｉｎφ＋ｃｏｓφ＊ｔａｎθにおける、ｓｉｎφは有機導電性高分子の収縮に対するｂに沿った力に基づく前記三角形の頂点における垂直下方への寄与分であり、ｃｏｓφ＊ｔａｎθはｂに沿った力の水平成分と可動部材８に沿った力に基づく前記三角形の頂点における垂直下方への寄与分を表している。ここで、ｓｉｎφ＋ｃｏｓφ＊ｔａｎθはＤ＝ｄ／ａ、Ｂ＝ｂ／ａとおくと、（Ｄ＊ｔａｎθ）／Ｂと表される。
【００５６】
この関係を基に計算した角度θにおける力倍率を図６に示す。この図より、変位倍率とは逆に、θが小さくなるほど、またｄ／ａが大きくなるほど力倍率が小さくなる傾向にあることがわかる。
【００５７】
また、変位倍率と力倍率の積はちょうど１となり、行われる仕事に変化がないことがわかる。ただし、人工筋肉アクチュエータ１が発生する力は、この有機導電性高分子の伸縮板２の収縮力に弾性ヒンジによる伸縮板の伸長方向への復元力が加わることになる。弾性ヒンジの剛性が高いほど復元力、すなわち人工筋肉アクチュエータ１が伸長する力は大きくなるが、有機導電性高分子の伸縮板２により人工筋肉アクチュエータ１を収縮させるのが困難になる。よって、変位拡大効果を発揮するためには、弾性ヒンジの剛性は有機導電性高分子の伸縮板２の収縮力により変形可能な程度まで小さいことが望ましい。
【００５８】
なお、第１実施形態では、可動部材８と基盤部材５として平らな部材を用いていたが、図７の５ａ、１６ａで示すように側端部に曲げ部を設けても良い。このようにすることで、基盤部材の曲げ強度を上げることができるので、より薄い部材を用いることも可能になる。また、有機導電性高分子の伸縮板２をクランプする部分が、可動部材８の先端近くである必要もなく、図８に示すようにクランプした部分より先に可動部材８を延長することで、さらに変位拡大効果を顕著にしても良い。
【００５９】
また、第１実施形態では、可動部材１６と基盤部材５とが一体成形されており、弾性ヒンジにより復元力が発生する構成としていたが、可動部材８と基盤部材５とは完全に別な部品であってもよく、また復元力発生手段も弾性ヒンジに限るものではなく、板バネやねじりバネを基盤部材５と可動部材８との間に配置することで、弾性力より復元力を発生させるようにしても良い。さらに、復元力の発生手段は弾性力に限るものでもなく、基盤部材５と可動部材８に同極の磁石を配置することにより、磁石の反発を利用するなどしても良い。また、復元力を発生する手段を有していなくても、伸縮板２が常に前記三角形の状態を維持できる程度の剛性を有していれば、アクチュエータとしての変位を得ることができる。いずれの場合についても本発明に含まれる。
【００６０】
（第２実施形態）
図９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１Ｂの概略を示した斜視図である。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。
【００６１】
第２実施形態では、第１実施形態におけるクランプ部材９ａ、９ｂを用いた固定の代わりに、環状の有機導電性高分子の伸縮板２ａを導電性の軸１０ａ、１０ｂに架けるように配置している。また、人工筋肉アクチュエータ１Ｂは電解液容器１１（図９では省略、図１１に例を図示）で覆われ、その内部に電解質托体層の一例である液体電解質２３が満たされている。電極の一例である金属板２４ａは、液体電解質２３を介して有機導電性高分子である伸縮板２ａと接続されるとともに、絶縁板１２を介して基盤部材５と接続されている。次に、この人工筋肉アクチュエータ１Ｂの作用を説明する。図１０（Ａ）は有機導電性高分子の伸縮板２ａに正の電位を印加し、金属板２４ａに負の電位を印加した場合を示している。また、図１０（Ｂ）は有機導電性高分子の伸縮板２ａに負の電位を印加し、金属板２４ａに正の電位を印加した場合を示している。第１実施形態のときと同様に、有機導電性高分子の伸縮板２ａは、図１０（Ａ）においてアニオン（図示せず）が液体電解質２３から内部に移動することにより伸張し、図１０（Ｂ）においてアニオンが内部から液体電解質２３に移動することにより収縮するようになる。この有機導電性高分子の伸縮板２ａの伸縮に伴い、基盤部材５と可動部材８のなす角度は変化し、人工筋肉アクチュエータ１Ｂの変位が発生することになる。
【００６２】
この人工筋肉アクチュエータ１Ｂを大気中において利用するように構成した場合の断面図を図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示す。人工筋肉アクチュエータ１Ｃは、人工筋肉アクチュエータ１Ｂをフタ２１、ケース２２、リンク２５、カバー２６からなる電解液容器１１で覆ったものである。また、変位出力を取り出すための変位取り出し部材１４が、液体電解質２３が漏れないようにフタ２１と一体化した状態で電解液容器１１を貫通している。変位取り出し部材１４とフタ２１を一体化する方法としては、しまりばめ、接着、シールしてのネジ止め等が利用可能である。また、電源６、スイッチ７に至る配線も、それぞれシール部材１３ａ、１３ｂによりシールされた状態で電解液容器１１を貫通している。シール部材としては、フッ素樹脂などが低摩擦特性、耐薬品性などを備える点で望ましい。変位取り出し部材１４は軸１０ａとリンク１５により連結されており、基盤部材５と可動部材８との角度の変化に伴う軸１０ａの横方向の変位が変位取り出し部材１４に影響しないようにしている。フタ２１とケース２２はリンク２５により構造的に連結されており、フタ２１がケース２２に対して相対的な上下動が可能なようになっている。また、フタ２１とケース２２はカバー２６によっても連結されている。カバー２６は電解液によって侵されない材質からなる柔軟な膜であり、電解液が電解液容器１１の外部に漏れないようにシールするとともに、フタ２１が上下動する際に電解液容器１１の内部容積を確保し、液体電解質２３によりフタ２１の上下動が阻害されるのを防ぐ構造となっている。カバー２６の材質としては、ブチルゴム、プロピレンゴム、シリコーンゴムなどが利用可能である。このような構成により、有機導電性高分子の伸縮板２ａが伸長する場合には図１１（Ａ）のように変位取り出し部材１４は上昇し、有機導電性高分子の伸縮板２ａが縮小する場合には図１１（Ｂ）のように変位取り出し部材１４は下降するようになる。
【００６３】
第２実施形態における人工筋肉アクチュエータ１Ｂを複数用いた人工筋肉アクチュエータ１Ｄの構成例を図１２に示す。この構成では、金属板２４ａを４個の人工筋肉アクチュエータで共有している。並列に２個の人工筋肉アクチュエータを並べることで、発生力が２倍になり、直列に２個並べることで変位が２倍となる。このように、複数のアクチュエータで構成部品を共有して連結することで、発生力の増加または変位の増大といった性能の向上が実現でき、さらに、板状の部材を共有することにより、共有しない場合と比較してアクチュエータ全体の占有スペースの削減、配線の簡略化が可能となる。なお、図１２において示した構成では、金属板２４ａのみを共有して電極側の配線のみを削減していたが、基盤部材５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅが電気的に導通するようにして、作用電極側の配線も削減するようにすれば、配線簡略化の面でなお望ましい。
【００６４】
また、第２実施形態における人工筋肉アクチュエータ１Ｂを複数用いた別の構成例である人工筋肉アクチュエータ１Ｅの斜視図を図１３に示し、正面断面図を図１４に示す。この構成では、金属板２４ａ、２４ｂ、２４ｃを共有するだけでなく、可動部材８ａと８ｃで軸１０ｃ、可動部材８ｂと８ｄで軸１０ｄ、可動部材８ｅと８ｇで軸１０ｉ、可動部材８ｆと８ｈで軸１０ｊを共有し、互いに導通するようにしている。また、有機導電性高分子の伸縮板２ａは１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆを繋ぐように、２ｂは１０ｇ，１０ｈ，１０ｉ，１０ｊ，１０ｋ，１０ｌを繋ぐように、単一の有機導電性高分子の伸縮板２が複数の人工筋肉アクチュエータＢにまたがって構成されている。このようにすることで、さらに単一の伸縮板２ａにより複数の可動部材８を動作させることができるために、伸縮板の占有スペースが削減できるとともに、有機導電性高分子の伸縮板の数が削減できるので、製作が容易になり、制御も簡単になる。また、人工筋肉アクチュエータ１Ｅの上下端である金属板２４ａ、２４ｃは平板であり、上下動のみを行うことから、図１１（ａ）、図１１（ｂ）の場合のようにリンク機構を使わなくても直線状の変位を取り出すことが可能になる。
【００６５】
さらに、第２実施形態における人工筋肉アクチュエータ１を複数本用いたロボットアームの構成例を図１５に示す。人工筋肉アクチュエータ１とそれぞれ同様な構造の人工筋肉アクチュエータ１ａ〜１ｈに固定壁３０１、支持体３０２，３０７，３０９，３１０，３１２と接続するための機構を備えたものを２本１組として拮抗筋構造として、各ロボットアームの一対の駆動部を構成する。各ロボットアームの一対の駆動部のうちの一方の駆動部を伸張、他方の駆動部を収縮することで、また、それらとは逆に動作させることで、ロボットアームの一対の駆動部が連結された軸１０１〜１０４に正逆回転運動を発生させることができる。具体的には、図１０の構成では、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂの伸張及び収縮動作によって上下軸１０１が正逆回転し、以下同様に、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄの伸張及び収縮動作によって軸１０２が、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆの伸張及び収縮動作によって軸１０３が、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈの伸張及び収縮動作によって軸１０４がそれぞれ正逆回転するようになっている。
【００６６】
詳しくは、４自由度のロボットアームは、固定壁３０１に対して、上下方向軸沿いに横方向沿いの平面内で正逆回転する第１関節の上下軸１０１と、上下方向沿いの平面内で正逆回転する第２関節の軸１０２と、第２腕３０８と第１腕３１１との間で相互に正逆回転とする第３関節の軸１０３と、第１腕３１１と手３１３との間で相互に正逆回転とする第４関節の軸１０４とより構成されている。
【００６７】
第１関節１０１では、上下端部が軸受け３０４と３０５で回転自在にかつ上下方向沿いに支持された回転軸３０３の上端部の両側に円形支持体３０２，３０２が回転自在に連結され、かつ、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ（ただし、人工筋肉アクチュエータ１ｂは人工筋肉アクチュエータ１ａの背後に配設されるため図示せず。）の各一端部が固定壁３０１に連結されるとともに各他端部が上記各円形支持体３０２の支持軸１０２（第２関節の軸１０２）に連結されている。よって、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂの拮抗駆動により、第１関節の上下軸１０１回りに横方向沿いの平面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転運動させることができる。なお、上側の軸受け３０５は支持棒３０６で固定壁３０１に支持されている。
【００６８】
第２関節では、回転軸３０３の両側に固定された２つの円形支持体３０２，３０２に、第２腕用リンク３０８の一端が固定されている。第２腕用リンク３０８の円形支持体３０２，３０２と、回転軸３０３の一端に直交して固定された支持体３０７，３０７との間には、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄの拮抗駆動により、第２関節の支持軸１０２である横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転させる。
【００６９】
第３関節では、第２腕３０８沿いでかつ第２腕３０８の先端に第２腕３０８と交差して回転自在に連結されかつ第１腕３１１の基端が固定された支持体３１０と、第２腕３０８の基端に直交して固定された支持体３０９，３０９との間に人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆの拮抗駆動により、第３関節の支持軸１０３である横軸回りに上下方向沿い面内で第１腕３１１と手３１３とを一体的に正逆回転させる。
【００７０】
第４関節では、第１腕３１１沿いでかつ第２腕３０８の先端と第１腕３１１の基端との間に第１腕３１１と交差しかつ第１腕３１１の基端に固定された支持体３１０と、第１腕３１１の先端と手３１３の基端との間に第１腕３１１と交差しかつ手３１３の基端に固定された支持体３１２との間に人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈが連結されて、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈの拮抗駆動により、第３関節の支持軸１０３である横軸回りに上下方向沿い面内で手３１３を正逆回転させる。
【００７１】
人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄ、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆ、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈのそれぞれは、制御装置の一例としての制御コンピュータにより、それぞれの移動体４と第２終端部材５ｂとの距離に応じて電源６の電圧やスイッチ７の状態が適宜制御され、人工筋肉アクチュエータ１ａ、１ｂ、人工筋肉アクチュエータ１ｃ、１ｄ、人工筋肉アクチュエータ１ｅ、１ｆ、人工筋肉アクチュエータ１ｇ、１ｈのそれぞれの収縮・伸張動作が制御される。
【００７２】
このような構成とすることで、多自由度を生かし、人間の腕のようにしなやかな動きをするロボットアームが得られる。これにより、特に家庭用途に適したロボットアームを実現することができる。
【００７３】
（第３実施形態）
図１６は、本発明にかかる第３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１Ｆの概略を示した斜視図である。なお、前述した第２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。
【００７４】
第３実施形態では、第２実施形態では基盤部材５より短かった可動部材８が、前記基盤部材５より長くなるとともに、可動部材８にも絶縁板１２ｂを介して金属板２４ｂが接続されている。可動部材８、絶縁板１２ｂには、基盤部材５、絶縁板１２ａと同様に金属板２４ｂに至る貫通穴が設けられている。このような構成とすることで、有機導電性高分子の伸縮板２ａに対応する電極の面積が増大するとともに、有機導電性高分子の伸縮板２ａの各部から電極までの距離を短くすることができる。
【００７５】
この構成における変位拡大効果について簡単に説明する。この人工筋肉アクチュエータ１の動作は、第１実施形態の場合と同様にａ＞ｄの場合として、図４に示す基盤部材５を底辺として、基盤部材５と可動部材８と有機導電性高分子の伸縮板２とが、それぞれを一辺として形成される三角形の伸縮板２の伸縮による高さの変化としてモデル化することができる。変位倍率、力倍率の式は、第１実施形態と同様に表される。変位倍率と力倍率を計算した結果をそれぞれ図１７、図１８に示す。図１７より、θが小さくなるほど、またｄ／ａが小さくなるほど変位倍率が大きくなる傾向にあることがわかる。しかし、図１８で示す力倍率は変位倍率の増加に対応して減少しているので、駆動力が必要な場合には、ｄ／ａは小さくしないのが望ましいことがわかる。
【００７６】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明にかかる高分子アクチュエータは、薄型化が可能な構成でありながら、大きな変位を得られる機構を備えた高分子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。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】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
【図２】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動作を示す正面図
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの動作を示す拡大断面図
【図４】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動作モデルを示す図
【図５】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変位倍率を示すグラフ
【図６】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力倍率を示すグラフ
【図７】図１とは異なる本発明の第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
【図８】図１、図７とは異なる本発明の第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
【図９】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
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータの動作を示す正面図
【図１１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ図１０とは異なる本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータの動作を示す正面断面図
【図１２】本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータを複数組み合わせた構成形態の概略を示す斜視図
【図１３】本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータを複数組み合わせた図１２とは異なる構成例の概略を示す斜視図
【図１４】本発明の第２実施形態による人工筋肉アクチュエータを複数組み合わせた図１２とは異なる構成例の概略を示す正面図
【図１５】本発明の第２実施形態における人工筋肉アクチュエータを用いたロボットアームの概略図
【図１６】本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す斜視図
【図１７】本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの変位倍率を示すグラフ
【図１８】本発明の第３実施形態による人工筋肉アクチュエータの力倍率を示すグラフ
【図１９】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図
【図２０】特許文献２に記載の従来技術のアクチュエータの断面図
【図２１】特許文献３に記載の従来技術の車高調整用アクチュエータの縦断面図
【符号の説明】
【００７９】
１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ    人工筋肉アクチュエータ
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ    有機導電性高分子である伸縮板
３    ゲル状電解質
４    金属膜
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ，５ｉ    基盤部材
６    電源
７    スイッチ
８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ，８ｈ    可動部材
９ａ，９ｂ    クランプ部材
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈ，１０ｉ，１０ｊ，１０ｋ，１０ｌ    軸
１１    電解液容器
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ    絶縁板
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ    シール部材
１４    変位取り出し部材
１５    リンク
１６，１６ａ    可動部材ベース
２１    フタ
２２    ケース
２３    液体電解質
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ    金属板
２５    リンク
２６    カバー
３２    固体電解質成形体
３５ａ，３５ｂ    ポリアニリン膜体
３６    電源
３７    スイッチ
１０１，１０２，１０３，１０４    回転軸
３０１    固定壁
３０２    円形支持体
３０３    回転軸
３０４，３０５    軸受け
３０６    支持棒
３０７    支持体
３０８    第２腕
３０９，３１０    支持体
３１１    第１腕
３１２    支持体
３１３    手
５０１    押圧部
５０２    導電性高分子膜
５０３    押圧部５０１を内部に備えることを可能とする空間を有した部材
６０１    ピストン
６０２    導電性高分子チューブ
【図１】
2007159222.tif 000003
【図２】
2007159222.tif 000004
【図３】
2007159222.tif 000005
【図４】
2007159222.tif 000006
【図５】
2007159222.tif 000007
【図６】
2007159222.tif 000008
【図７】
2007159222.tif 000009
【図８】
2007159222.tif 000010
【図９】
2007159222.tif 000011
【図１０】
2007159222.tif 000012
【図１１】
2007159222.tif 000013
【図１２】
2007159222.tif 000014
【図１３】
2007159222.tif 000015
【図１４】
2007159222.tif 000016
【図１５】
2007159222.tif 000017
【図１６】
2007159222.tif 000018
【図１７】
2007159222.tif 000019
【図１８】
2007159222.tif 000020
【図１９】
2007159222.tif 000021
【図２０】
2007159222.tif 000022
【図２１】
2007159222.tif 000023