(57)【要約】【課題】カーボンブラックの添加量を厚み方向で変えた柔軟電極であっても、依然、カーボンブラックを多く含む高導電層においては柔軟性が悪く、カーボンブラックをあまり含まない柔軟層においては導電性エラストマーの変形時に導電性が悪化し、抵抗が上昇するという課題があった。【解決手段】導電性高分子と、導電体と、エラストマーと、を含む導電性マテリアルであって、自然長での抵抗率が３．５オームセンチメートルより小さいか等しく、前記導電性マテリアルを５０％伸ばした場合の抵抗率が自然長での抵抗率に対して１．５倍より小さいか等しい導電性マテリアル。【選択図】図３
2017036425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性高分子と、
導電体と、
エラストマーと、
を含む導電性マテリアルであって、
自然長での抵抗率が３．５オームセンチメートルより小さいか等しく、前記導電性マテリアルを５０％伸ばした場合の抵抗率が自然長での抵抗率に対して１．５倍より小さいか等しい導電性マテリアル。
【請求項２】
π共役ポリマーおよびドーパントの少なくともいずれか一方に、フリーの酸基およびフリーの塩基の何れか一方を含む導電性高分子と、
フリーの酸基およびフリーの塩基の何れか一方を含むエラストマーと、
導電体と、
を含む導電性マテリアル。
【請求項３】
酸基を含む界面活性剤と、
を更に含む請求項２に記載の導電性マテリアル。
【請求項４】
前記導電体は、前記エラストマー１００重量部に対して０より多く、１５重量部より少ないか等しい範囲で含む請求項１から３の何れか１項に記載の導電性マテリアル。
【請求項５】
前記導電体は、カーボンおよび金属の少なくともいずれか一つを含む請求項１から４の何れか１項に記載の導電性マテリアル。
【請求項６】
請求項１から５の何れか１項に記載の導電性マテリアルからなる誘電エラストマー用電極。
【請求項７】
請求項６に記載の誘電エラストマー用電極を含む、誘電エラストマーアクチュエータ。
【請求項８】
身体の動作を補助する補助用具であって、
身体に取り付ける装着部と、
請求項７に記載の誘電エラストマーアクチュエータと、
前記誘電エラストマーアクチュエータが前記装着部に取り付けられる取付け部と、
を備える補助用具。
【請求項９】
π共役ポリマーおよびドーパントの少なくともいずれか一方に、フリーの酸基およびフリーの塩基の何れか一方を含む導電性高分子と、
導電体と、
フリーの酸基およびフリーの塩基の何れか一方を含むエラストマーと、
有機溶媒と、
を含む混合物を作成する工程と、
前記混合物を撹拌する工程と、
を含む導電性マテリアルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性マテリアル、誘電エラストマー用電極、誘電エラストマーアクチュエータ、導電性マテリアルの製造方法、および補助用具に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンブラックの添加量をエラストマーの厚み方向で変えることによって、延伸時における抵抗率の上昇を抑え、かつ、柔軟性を維持させる柔軟電極が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  特開２００９−５９８５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、カーボンブラックの添加量を厚み方向で変えた柔軟電極であっても、依然、カーボンブラックを多く含む高導電層においては柔軟性が悪く、カーボンブラックをあまり含まない柔軟層においては導電性エラストマーの変形時に導電性が悪化し、抵抗が上昇するという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様における導電性マテリアルは、導電性高分子と、導電体と、エラストマーとを含む導電性マテリアルであって、自然長での抵抗率が３．５オームセンチメートルより小さいか等しく、導電性マテリアルを５０％伸ばした場合の抵抗率が自然長での抵抗率に対して１．５倍より小さいか等しい。
【０００５】
本発明の第２の態様における導電性マテリアルは、π共役ポリマーおよびドーパントの少なくともいずれか一方に、フリーの酸基およびフリーの塩基の何れか一方を含む導電性高分子と、フリーの酸基およびフリーの塩基の何れか一方を含むエラストマーと、導電体とを含む。
【０００６】
本発明の第３の態様における導電性マテリアルの製造方法は、π共役ポリマーおよびドーパントの少なくともいずれか一方に、フリーの酸基およびフリーの塩基の何れか一方を含む導電性高分子と、導電体と、フリーの酸基およびフリーの塩基の何れか一方を含むエラストマーと、有機溶媒とを含む混合物を作成する工程と、混合物を撹拌する工程とを含む。
【０００７】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】アクチュエータの概略断面図である。
【図２】アクチュエータの概略断面図である。
【図３】エラストマーとＰＥＤＯＴ／ＰＳＳとが相互作用している状態を示す概念図である。
【図４】補助用具１０を装着したユーザの正面図である。
【図５】補助用具１０を装着したユーザの背面図である。
【図６】補助用具１０の制御系を説明するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
電気的にコントロール可能な誘電エラストマーアクチュエータは、エラストマーの弾性を利用したソフトアクチュエータとして、人工筋肉への応用が期待されている。図１は、アクチュエータ１１０の概略断面図である。図１は、アクチュエータ１１０に電圧が印加されていない状態を示す。アクチュエータ１１０は、誘電エラストマーアクチュエータの一例である。
【００１１】
アクチュエータ１１０は、電源１２０と、スイッチ１３０と、電源１２０の正極および負極にそれぞれ接続された一対の電極１２２および電極１２４と、当該一対の電極１２２および電極１２４に挟まれた高分子材料１２６と、を有する。スイッチ１３０は、制御部１４０からの制御信号により開閉する。電源１２０の電圧も制御部１４０からの制御信号により可変である。図１において、電極１２２、電極１２４、および高分子材料１２６は、自然長の状態である。
【００１２】
図２は、アクチュエータ１１０の概略断面図である。図２は、当該アクチュエータ１１０に電圧が印加された状態を示す。
【００１３】
図２に示すように、制御部１４０からの制御信号に基づいて、スイッチ１３０が閉じられるとともに一対の電極１２２および電極１２４間に電圧が印加されると、高分子材料１２６は電極間が近づく方向に短縮するとともに、その体積分が、電圧印加方向に直交する方向、すなわち図中の水平方向に伸長する。ここで、電源１２０の印加電圧が大きいほど水平方向の伸長量は大きい。
【００１４】
高分子材料１２６に同じ大きさの電圧を印加したとすると、高分子材料１２６の比誘電率が高いほど水平方向の伸長量は大きく、さらに、高分子材料１２６の弾性率が低いほど水平方向に対する伸長量は大きい。したがって、アクチュエータ１１０に用いられる高分子材料１２６は、高い比誘電率を有することが好ましく、また、低い弾性率を有することが好ましい。
【００１５】
一方、電極１２２および電極１２４は、電極１２２および電極１２４からの電圧の印加とともに変形する高分子材料１２６に追従して変形できることが好ましい。したがって、電極１２２および電極１２４は、柔軟性を有することが好ましい。また、電極１２２および電極１２４が変形したとしても、電極１２２および電極１２４の電気抵抗が大きくならないことが好ましい。電気抵抗が大きくなると、電極１２２および電極１２４で電力を消耗し、これにより誘電アクチュエータのエネルギー効率は低下する。
【００１６】
電極１２２および電極１２４の一例は、π共役ポリマーおよびドーパントの少なくともいずれか一方にフリーの酸基を含む導電性高分子と、フリーの酸基を含むエラストマーと、導電体と、を含む導電性マテリアルである。なお、π共役ポリマーおよびドーパントの少なくともいずれか一方にフリーの塩基を含む導電性高分子と、フリーの塩基を含むエラストマーと、導電体と、を含む導電性マテリアルであってもよい。ここで、ドーパントとは、π共役ポリマーにおいて正孔等のキャリアを提供するために導入される化合物である。π共役ポリマーとしては、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリ（ｐ―フェニレン）、ポリフルオレン、ポリ（Ｐ―フェニレンビニレン）、ポリエチレンビニレンが挙げられるが、ポリエチレンジオキシチオフェン（以後、ＰＥＤＯＴという場合がある。）を用いることが好ましい。また、π共役ポリマーとしてＰＥＤＯＴを用いた場合のドーパントとしては、ＰＥＤＯＴと相互作用していないフリーの酸基を含む高分子ドーパントが好ましく、ポリスチレンスルホン酸（以後、ＰＳＳという場合がある。）、ポリビニルスルホン酸が挙げられる。そのなかでも、ＰＥＤＯＴとの組み合わせにおいて、安定性、高い導電性、ホール注入性、およびドーピング特性に優れることから、ＰＳＳを用いることが好ましい。また、π共役ポリマーおよびドーパントの少なくとも一方にフリーの塩基を含む導電性高分子と、フリーの塩基を含むエラストマーとを含む場合における、フリーの塩基としては、アリルアニオン、ベンジルアニオン、シクロペンタジエニルアニオン、グリニャール試薬およびアルキルリチウム化合物が挙げられる。
【００１７】
フリーの酸基を含むエラストマーとしては、一部にフリーの酸基を含むエラストマーが挙げられるが、フリーの酸基である無水マレイン酸で酸変性されたスチレンとブタジエンからなるブロック共重合体を用いることが好ましい。また、導電体としては、繊維状に加工できる導電材料であるカーボンおよび金属の少なくともいずれか一方を用いることが好ましい。導電体として、金属を用いる場合において、金属は、単金属であってもよく、合金であってもよい。さらに、金属は、遷移金属、およびアルミニウムの少なくともいずれか一方を含むことが好ましい。また、金属として遷移金属を用いる場合においては、金、銀、銅、白金、パラジウム、およびニッケルの少なくともいずれか一つを含むことが好ましい。
【００１８】
導電性マテリアルにおいて、導電体は、エラストマー１００重量部に対して０より多く、１５重量部より少ないか等しい範囲で含まれることが好ましい。導電性マテリアルにおいて、導電体の含有量を０とすると、導電性マテリアルの導電性が悪化し、導電性マテリアルの抵抗率が上昇する。一方、導電体の含有量をエラストマー１００重量部に対して１５重量部より多くすると、導電性マテリアルの柔軟性が悪化して、導電性マテリアルを延伸させた場合に破断する。
【００１９】
導電性マテリアルにおいて、導電性高分子は、エラストマー１００重量部に対して０より多く、１５重量部より少ないか等しい範囲で含まれることが好ましい。導電性マテリアルにおいて、導電性高分子の含有量を０とすると、導電性マテリアルの導電性が悪化し、導電性マテリアルの抵抗率が上昇する。一方、導電性高分子の含有量をエラストマー１００重量部に対して１５重量部より多くすると、導電性マテリアルの柔軟性が悪化して、導電性マテリアルを延伸させた場合に破断する。
【００２０】
また、導電性マテリアルは、酸基を含む界面活性剤を更に含んでもよい。酸基を含む界面活性剤は、製造時には分散剤としての機能を果たし、導電性高分子を溶媒中に分散させるとともに、その後においては、フリーの酸基としての機能を果たす。
【００２１】
電極１２２および電極１２４の他の例は、導電性高分子と、導電体と、エラストマーと、を含み、自然長での抵抗率が３．５オームセンチメートルより小さいか等しく、前記導電性マテリアルを５０％伸ばした場合の抵抗率が自然長での抵抗率に対して１．５倍より小さいか等しい導電性マテリアルである。
【００２２】
図３は、エラストマーとＰＥＤＯＴ／ＰＳＳとが相互作用している状態を示す概念図である。図３に示したＰＳＳに含まれるスルホン酸基のうち、ＰＥＤＯＴと相互作用しているスルホン酸基（図中破線で表示）以外のスルホン酸基がフリーの酸基として機能する。このフリーの酸基であるスルホン酸基と、エラストマーとして用いた酸変性された合成ゴム系エラストマー（例えば、旭化成ケミカルズ製タフテック（登録商標））に含まれる無水マレイン酸とが、相互作用して互いに引き寄せられる。これにより、ＰＳＳは酸変性された合成ゴム系エラストマーに分散される。また、ＰＳＳは、部分的にＰＥＤＯＴと相互作用しているので、ＰＥＤＯＴとＰＳＳとは、互いに引き寄せられている。このような相互作用により、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳから構成される導電性高分子は、酸変性された合成ゴム系エラストマーに分散され、導電性マテリアルは、高い導電性を示す。これにより、自然長における導電性マテリアルの抵抗率は低くなる。また、導電性高分子を酸変性された合成ゴム系エラストマーに分散させることによって、導電性マテリアルの変形時においても高い導電性は維持され、変形時における抵抗率の上昇は、抑制される。なお、スルホン酸と無水マレイン酸との相互作用は、水素結合と推測している。
【００２３】
次に多孔質について説明する。本実施形態に係る導電性マテリアルフィルムは、多孔質であってよい。表１は、水／トルエン比率と多孔質形成との関係を示す表である。
【００２４】
表１から、導電性マテリアルフィルムに多孔質を形成させるためには、溶媒である水／トルエン比を水１００重量部に対してトルエン３０重量部より多く、若しくは等しい量を添加することが好ましく、さらに、水１００重量部に対してトルエン５０重量部より多くか、若しくは等しい量を添加することがより好ましい。
【表１】
2017036425.tif 000003
【００２５】
また、溶媒のトルエン比率を増やすことで、導電性マテリアルフィルムに多孔質を形成させることができ、これにより、導電性マテリアルフィルムの柔軟性を高めることができる。
【００２６】
次に多孔質の径について説明する。溶媒を水１００重量部に対してトルエンを３０重量部より多く、若しくは等しく添加することで、本実施形態に係る導電性マテリアルフィルムは、多孔質を有する。表２は、界面活性剤であるドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムと電性マテリアルフィルムの形成される多孔質径との関係を示す表である。
【表２】
2017036425.tif 000004
【００２７】
表２から、導電性マテリアルフィルムに形成される多孔質径を１０から２０μｍとするためには、導電性マテリアル固形分１５重量部に対して、界面活性剤であるドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを０．５重量部より多く、もしくは等しく添加することが好ましく、さらに、導電性マテリアル固形分１５重量部に対して、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを１．０重量部より多く、もしくは等しく添加することがより好ましい。多孔質径を１０から２０μｍとすることによって、導電性マテリアルフィルムの抵抗率は低下する。
【００２８】
導電性マテリアルに形成された孔は、電気的に絶縁された領域となるので、孔径を小さくすることによって、絶縁領域を小さくできる。絶縁領域を小さくすることによって、導電性マテリアル全体で導電性が維持され、これにより、導電性マテリアルフィルムの抵抗率が低下したものと考えられる。このように、導電性マテリアル固形分１５重量部に対して、界面活性剤であるドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを０．５重量部より多くもしくは等しく添加することによって、導電性マテリアルフィルムに形成される多孔質径を小径にでき、これにより、導電性マテリアルフィルムの抵抗率を下げることができる。
【実施例】
【００２９】
まず、本実施形態に係る導電性マテリアルの製造方法について説明する。導電性高分子として、Ｈｅｒａｅｕｓ社製ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ分散液（ＰＨ１０００）３ｇと、界面活性剤として、ナカライテスク製ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム０．００５ｇを混合した混合溶液を作成し、室温下で撹拌して溶解させる。次に、この混合溶液に、導電体として、昭和電工製カーボンナノファイバー（ＶＧＣＦ−Ｈ）を０．００６ｇ加え、室温下で超音波処理を５分間行い、その後、撹拌を１０分間行う。さらに、室温下で超音波処理を５分間行い、その後、撹拌を１０分間行うことで、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳにカーボンナノファイバーを分散させる。
【００３０】
この混合溶液に、フリーの酸基を有するエラストマーとして、第１の合成ゴム系エラストマー（ここでは一例として旭化成ケミカルズ製タフテック（Ｍ１９４３）を用いた。）のトルエン溶液（２０ｗｔ％）２ｇと、トルエン０．４ｇを加えて、超音波処理を１０分間行い、その後、さらに撹拌を１０分間行う。さらに超音波処理を１０分間行い、その後、撹拌を１０分行うことで、第１の合成ゴム系エラストマーにＰＥＤＯＴ／ＰＳＳと、カーボンナノファイバーと、を分散させる。この工程で、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳに含まれるスルホン酸基と、第１の合成ゴム系エラストマーに含まる無水マレイン酸とが相互作用して、第１の合成ゴム系エラストマー中にＰＥＤＯＴ／ＰＳＳが高分散される。この混合溶液（黒灰色ペースト）をガラス板上に展開し、９０℃下で１時間乾燥させた後、１３０℃下で３０分間乾燥させることによって固化させる。これにより、黒色の多孔質膜である導電性マテリアルフィルムが得られる。
【００３１】
表３は、各導電性マテリアルの変形時における抵抗率の変化を示す表である。表３には、参考例１、実施例１から３、比較例１から６の導電性マテリアルと、比較例７の市販導電性ゴムの自然長および延伸時の抵抗率と、弾性率と、破断伸びの長さの値が示されている。導電性マテリアルの抵抗率の測定は、長さ３０ｍｍ、幅１０ｍｍの導電性マテリアルフィルムを用いて行った。導電性マテリアルの抵抗率は、無負荷である自然長の状態と、２６％延伸された状態と、５２％延伸された状態においてそれぞれ測定した。
【表３】
2017036425.tif 000005
【００３２】
導電性マテリアルの抵抗率は、抵抗率計（三菱化学製ロレスタＭＰ  ＭＣＰ−Ｔ３５０、ＰＳＰ４１２０２６Ｂ（丸ピン４端子／幅１０ｍｍ））を用いて測定した。このとき、抵抗率計の電極は、導電性マテリアルの中央部に、かつ、電極の４端子が導電性マテリアルの伸展方向と水平になるよう配置した。また、導電性マテリアルの弾性率等に関連する物性は、フィルムの上端７．５ｍｍおよび下端７．５ｍｍをチャックし、チャック間距離１５ｍｍ、引張速度５ｍｍ／ｍｉｎの条件で、ミネベア製ＬＴＳ１ｋＮＢ―Ｓ５０の引張試験機を用いて測定した。
【００３３】
実施例１に示す導電性マテリアルは、上記に示した製造方法で、第１の合成ゴム系エラストマーを１００重量部含むとした場合において、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを１５重量部、カーボンナノファイバーを７．５重量部の割合で含んで合成された導電性マテリアルである。また、実施例２および３も同様に、表３に示した割合で第１の合成ゴム系エラストマーと、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳと、カーボンナノファイバーとを含んで合成された導電性マテリアルである。参考例１に示した導電性マテリアルは、同じく上記に示した製造方法で、第１の合成ゴム系エラストマーを１００重量部含むとした場合において、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを１５重量部の割合で含んで合成された導電性マテリアルである。
【００３４】
比較例１に示す導電性マテリアルは、上記に示した製造方法で、第１の合成ゴム系エラストマーを５０重量部含むとした場合において、酸変性されていない第２合成ゴム系エラストマー（ここでは一例として旭化成ケミカルズ製タフテック（Ｌ５２１）を用いた。）を５０重量部、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを１５重量部、カーボンナノファイバーを７．５重量部の割合で含んで合成された導電性マテリアルである。比較例２および３も同様に、表３に示した割合で第１の合成ゴム系エラストマーと、酸変性されていない第２の合成ゴム系エラストマーと、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳと、カーボンナノファイバーとを含んで合成された導電性マテリアルである。
【００３５】
比較例４に示す導電性マテリアルは、上記に示した製造方法で、第１の合成ゴム系エラストマーを１００重量部含むとした場合において、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを１５重量部、粒状カーボンを１．５重量部の割合で含んで合成された導電性マテリアルである。比較例５および６も同様に、表３に示した割合で第１の合成ゴム系エラストマーと、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳと、粒状カーボンとを含んで合成された導電性マテリアルである。
【００３６】
まず、第１の合成ゴム系エラストマーと、第２の合成ゴム系エラストマーとの差について説明する。比較例１から、第１の合成ゴム系エラストマーの半分が第２の合成ゴム系エラストマーに代わると、自然長における抵抗率は２２オームセンチメートルとなり、実施例１の抵抗率に対して２３倍となった。また、２６％延伸時における抵抗率は３０オームセンチメートルとなり、実施例１の抵抗率に対して２６倍となった。さらに、５２％延伸時における抵抗率は、５９オームセンチメートルとなり、実施例１の抵抗率に対して４３倍となった。比較例２および比較例３の結果から、第２の合成ゴム系エラストマーの含有量をさらに増やすと、測定器で抵抗率が測定不能となるまで抵抗率は上昇した。
【００３７】
第１の合成ゴム系エラストマーは、酸変性タイプであり、無水マレイン酸を含む。一方、第２の合成ゴム系エラストマーは、酸変性タイプではなく、無水マレイン酸を含まない。第１の合成ゴム系エラストマーは、導電性高分子におけるフリーの酸基と相互作用して、導電性高分子を第１の合成ゴム系エラストマー内に分散させる。導電性高分子が第１の合成ゴム系エラストマー内に分散されることによって、導電性マテリアルフィルムの高い導電性が維持されるとともに、導電性マテリアルフィルムが延伸されても、高い導電性は維持される。一方、第２の合成ゴム系エラストマーは、導電性高分子におけるフリーの酸基と相互作用しないので、導電性高分子を第２の合成ゴム系エラストマー内に分散させない。導電性高分子が分散されないと、導電性高分子によるフィルム内の導電性を維持できず、導電性マテリアルフィルムの抵抗率が上昇した。このことから、導電性マテリアルを構成するエラストマーと導電性高分子との間で相互作用するフリーの酸基を有することによって、エラストマー内に導電性高分子が分散されて高い導電性が得られる。
【００３８】
次に、導電体であるカーボンナノチューブと、粒状カーボンとの差について説明する。比較例４から、カーボンナノファイバーに代えて粒状カーボンを用いると、自然長における抵抗率は０．４５オームセンチメートルとなり、実施例１の抵抗率に対して０．５倍となった。しかしながら、導電性フィルムの柔軟性は大きく悪化し、２６％延伸時において、導電性マテリアルフィルムが破損して、抵抗率が測定できなかった。比較例５および比較例６の結果から、粒状カーボンの量をさらに増やしても、自然長時における抵抗率は変化しない一方で柔軟性はさらに低下した。そのため、比較例５および比較例６においても、同様に、２６％延伸時において、導電性マテリアルフィルムは破損した。このように、粒状カーボンは、カーボンナノファイバーよりも少ない量で高い導電性が得られるが、導電性マテリアルの柔軟性を大きく悪化させることが分かる。
【００３９】
次に、比較例７として、一般的に市販されている市販導電ゴムとの差について説明する。比較例７に係る市販導電ゴムは、導電粒子をエラストマーに混合することによって、導電性を付与している。このため、市販導電ゴムは硬く、柔軟性に乏しい。さらに、自然長での抵抗率も７オームセンチメートルとなり、２６％延伸時においては１１．１オームセンチメートルとなり、５２％延伸時においては１１．５オームセンチメートルとなる。このように、市販導電性ゴムは、変形時の抵抗率の上昇は抑制できているものの、自然長での抵抗率が３．５オームセンチメートルを超えている。したがって、市販導電ゴムは、柔軟性と低抵抗率を両立できる導電性マテリアルとはならない。
【００４０】
実施例１に示した導電性マテリアルは、自然長での抵抗率は０．９７オームセンチメートルであった。また、２６％延伸時における抵抗率は１．１７オームセンチメートルとなり、５２％延伸時における抵抗率は、１．３５オームセンチメートルとなった。このように、実施例１に係る導電性マテリアルは、第１の合成ゴム系エラストマーの無水マレイン酸とＰＥＤＯＴ／ＰＳＳにおけるフリーのスルホン酸基とが相互作用して、第１の合成ゴム系エラストマー内にＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを分散させる。これにより、自然長でのフィルム内のＰＥＤＯＴ／ＰＳＳによる高い導電性が維持されるとともに、導電性マテリアルフィルムが延伸されても、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳによる高い導電性は維持される。したがって、実施例１に係る導電性マテリアルは、柔軟性を有し、且つ、変形時においても低抵抗率を維持できる導電性マテリアルとなる。
【００４１】
また、導電体であるカーボンナノチューブの添加量を減じて合成した実施例２に示した導電性マテリアルフィルムにおいても、自然長での抵抗率は１．２１オームセンチメートルであり、２６％延伸時における抵抗率は１．３９オームセンチメートルとなり、５２％延伸時における抵抗率は、１．９１オームセンチメートルとなった。また、導電体であるカーボンナノチューブの添加量を増やして合成した実施例３に示した導電性マテリアルフィルムにおいては、自然長での抵抗率は０．６５オームセンチメートルであり、２６％延伸時における抵抗率は０．７７オームセンチメートルであり、５２％延伸時における抵抗率は０．８８オームセンチメートルであり、最も良好な値を示した。なお、導電体であるカーボンナノチューブを１５重量部よりも多く添加すると、導電性マテリアルの柔軟性は悪化した。
【００４２】
参考例１に係る導電性マテリアルは、導電体であるカーボンナノファイバーを含有しない。したがって、自然長での抵抗率は１．２３オームセンチメートルと実施例１に係る導電性マテリアルよりも高い。また、２６％延伸時における抵抗率は１．８５オームセンチメートルとなり、５２％延伸時における抵抗率は、３．５０オームセンチメートルとなっており、いずれの場合においても、実施例１に係る導電性マテリアルよりも抵抗率が高い。参考例１に係る導電性マテリアルおよび実施例１に係る導電性マテリアルとの比較から、導電体であるカーボンナノファイバーを僅かでも含むことによって、参考例１の各抵抗率の値が改善することは明らかである。したがって、導電体であるカーボンナノファイバーを僅かに含むことによって、柔軟性を有し、且つ、変形時においても低抵抗率を維持できる導電性マテリアルとなる。
【００４３】
本実施形態において説明した誘電エラストマーアクチュエータは、身体の動作を補助する補助用具に用いることができる。補助用具は、例えば、アクチュエータが衣服等に取り付けられたアシストスーツであってよい。そのような補助用具についてここで説明する。
【００４４】
図４は、補助用具１０を装着したユーザの正面図である。図５は、補助用具１０を装着したユーザの背面図である。図４に矢印で示す上下左右を補助用具１０の上下左右方向とする。また、ユーザから見て前後を、補助用具１０の前後方向とする。
【００４５】
ユーザは、上半身にシャツ８０を着るとともに、下半身にズボン８２を履いているとする。また、ズボン８２の胴体の腰部分には、ベルト８４が巻かれている。ベルト８４は、胴体の前面に配されるバックル８６を有する。シャツ８０の上部は、肩からずれないように形成されている。ズボン８２の裾は、足首からずれないように絞られている。尚、シャツ８０及びズボン８２の内面が、ユーザの体と密着するダイビングスーツのような構成であってもよい。シャツ８０、ズボン８２、及び、ベルト８４は、身体に取り付ける装着部の一例である。更に、ベルト８４は、身体に固定されている装着部の部分の一例である。
【００４６】
補助用具１０は、ユーザの身体の動作を補助する。図４及び図５に示すように、補助用具１０は、前右人工筋肉部１２と、前左人工筋肉部１４と、後右人工筋肉部１６と、後左人工筋肉部１８と、電源部２０と、検出部の一例である右検出部２２及び左検出部２４と、装着検出部２６と、制御部２８とを備える。
【００４７】
前右人工筋肉部１２は、前右アクチュエータ３０と、一対の前右取付部３２と、電力配線３４とを備える。
【００４８】
前右アクチュエータ３０は、上下方向に延びるように形成されている。前右アクチュエータ３０の上下方向、即ち、長手方向の一端は、右足の上方であって、ベルト８４及びユーザの腰の上方のシャツ８０の前面に配置されている。前右アクチュエータ３０の長手方向の他端は、右足の膝の下方のズボン８２の前面に配置されている。前右アクチュエータ３０は、ユーザの胴体の腰及び膝の関節を跨ぐように設けられている。
【００４９】
前右アクチュエータ３０は、電圧が印加されると延伸する、図１及び図２で説明したアクチュエータ１１０により実現されてよい。前右アクチュエータ３０は、電圧が印加されると、上下方向、即ち、長手方向に延伸する。これにより、前右アクチュエータ３０は、収縮することにより、歩くとき等のユーザの右足の上昇を補助する。
【００５０】
一対の前右取付部３２は、前右アクチュエータ３０の伸縮方向の両端を服に取り付ける。一方の前右取付部３２は、前右アクチュエータ３０の上端部に設けられ、シャツ８０の前面に取り付けられている。尚、前右アクチュエータ３０の上端部は、一方の前右取付部３２を介して、伸縮力により動きにくいベルト８４に取り付けられていてもよい。このように、身体に固定されたベルト８４に取り付けることにより、前右取付部３２は、伸縮時の支点となる前右アクチュエータ３０の上端部を確実に支持できる。他方の前右取付部３２は、前右アクチュエータ３０の下端部に設けられ、ズボン８２の前面に取り付けられている。前右取付部３２は、ボタン、ファスナー、面ファスナー等によってシャツ８０またはズボン８２に、前右アクチュエータ３０とともに取り外し可能に取り付けられている。一対の前右取付部３２の一部は、ゴム等の弾性部材で構成することが好ましい。
【００５１】
電力配線３４の一端は、上側の前右取付部３２を介して、前右アクチュエータ３０と電気的に接続されている。電力配線３４の他端は、電源部２０に接続されている。これにより、電力配線３４は、前右アクチュエータ３０と電源部２０とを電気的に接続する。
【００５２】
前左人工筋肉部１４、後右人工筋肉部１６及び後左人工筋肉部１８は、前右人工筋肉部１２と同様の構成を有するので、異なる点以外は説明を省略する。
【００５３】
前左人工筋肉部１４は、前左アクチュエータ３６と、一対の前左取付部３８と、電力配線４０とを備える。前左アクチュエータ３６は、一対の前左取付部３８によって、腰の上方のシャツ８０の前面から左足の膝の下方にわたってズボン８２の前面に取り付けられている。尚、前左アクチュエータ３６の一端は、伸縮力により動きにくいベルト８４に取り付けてもよい。前左アクチュエータ３６は、収縮することにより、歩くとき等のユーザの左足の上昇を補助する。電力配線４０は、前左アクチュエータ３６と電源部２０とを電気的に接続する。
【００５４】
後右人工筋肉部１６は、後右アクチュエータ４２と、一対の後右取付部４４と、電力配線４６とを備える。後右アクチュエータ４２は、一対の後右取付部４４によって、右足の付け根のズボン８２の後面から右足の膝の下方の足首近傍にわたってズボン８２の後面に取り付けられている。後右アクチュエータ４２は、ベルト８４及びシャツ８０等に取り付けてもよい。また、後右アクチュエータ４２は、膝下までの長さであってもよい。後右アクチュエータ４２は、ズボン８２のポケット８８の内部に配置されている。ポケット８８は、後右アクチュエータ４２の伸縮とともに、伸縮できる材料が好ましい。これにより、ポケット８８が後右アクチュエータ４２の伸縮の妨げとなることを防ぐことができる。また、ポケット８８が伸縮方向と交差する方向の後右アクチュエータ４２の変形を防ぐことができる。後右アクチュエータ４２は、収縮することにより、ボールを蹴るとき等のユーザの右足の上昇を補助する。電力配線４６は、ベルト８４の裏に配置された配線を介して、後右アクチュエータ４２と電源部２０とを電気的に接続する。
【００５５】
後左人工筋肉部１８は、後左アクチュエータ４８と、一対の後左取付部５０と、電力配線５２とを備える。後左アクチュエータ４８は、一対の後左取付部５０によって、左足の付け根のズボン８２の後面から左足の膝の下方の足首近傍にわたってズボン８２の後面に取り付けられている。後左アクチュエータ４８は、ベルト８４及びシャツ８０等に取り付けてもよい。また、後左アクチュエータ４８は、膝下までの長さであってもよい。ポケット８８は、後左アクチュエータ４８の伸縮とともに、伸縮できる材料が好ましい。後左アクチュエータ４８は、ズボン８２のポケット８８の内部に配置されている。後左アクチュエータ４８は、収縮することにより、ボールを蹴るとき等のユーザの左足の上昇を補助する。電力配線５２は、ベルト８４の裏に配置された配線を介して、後左アクチュエータ４８と電源部２０とを電気的に接続する。
【００５６】
電源部２０は、ベルト８４のバックル８６に設けられている。電源部２０は、前右アクチュエータ３０、前左アクチュエータ３６、後右アクチュエータ４２及び後左アクチュエータ４８と電力を供給可能に電気的に接続されている。電源部２０は、図１及び図２の電源１２０に対応するものであってよい。
【００５７】
右検出部２２は、ユーザの右足の膝の近傍に設けられている。右検出部２２は、ユーザの右足の動きに対応する加速度を検出する。右検出部２２の一例は、３軸加速度センサである。右検出部２２は、配線５４を介して、制御部２８と電気的に接続されている。右検出部２２は、ユーザの右足の動き及び加速度に対応する右加速度信号を制御部２８へと出力する。右加速度信号は、検出信号の一例である。
【００５８】
左検出部２４は、ユーザの左足の膝の近傍に設けられている。左検出部２４は、３軸加速度センサであって、ユーザの左足の動きに対応する加速度を検出する。左検出部２４は、ユーザの左足の動き及び加速度に対応する左加速度信号を、配線５６を介して制御部２８へと出力する。左加速度信号は、検出信号の一例である。
【００５９】
装着検出部２６は、ベルト８４のバックル８６に設けられている。装着検出部２６の一例は、圧力センサである。装着検出部２６は、ベルト８４の装着を判定する圧力を検出する。装着検出部２６は、制御部２８と電気的に接続されている。装着検出部２６は、ベルト８４がユーザに装着されて、ベルト８４に圧力が作用すると、当該圧力に対応する圧力信号を制御部２８に出力する。
【００６０】
制御部２８は、補助用具１０の制御全般を司る。制御部２８の一例は、コンピュータである。制御部２８は、図１および図２におけるスイッチ１３０および制御部１４０に対応するものであってよい。
【００６１】
図６は、補助用具１０の制御系を説明するブロック図である。図６に示すように、制御部２８は、処理部６０と、格納部６２とを備える。処理部６０は、格納部６２に格納された補助用具制御プログラムを読み込むことにより、取得部６４、判定部６６、及び、電源制御部６８として機能する。
【００６２】
取得部６４は、右検出部２２及び左検出部２４から右加速度信号及び左加速度信号を取得する。取得部６４は、装着検出部２６から圧力信号を取得する。取得部６４は、取得した加速度信号及び圧力信号を判定部６６へと出力する。
【００６３】
判定部６６は、取得部６４から右加速度信号及び左加速度信号を取得する。判定部６６は、右加速度信号に基づいて右足の速度である右速度を算出する。判定部６６は、算出した右速度の正負から右足の移動方向、速さ及び停止を判定する。判定部６６は、算出した右速度を積算することにより、右足が最も上昇した位置である右最上位置を検出する。判定部６６は、左加速度信号から左足の速度である左速度を算出する。判定部６６は、左速度から左足の移動方向、速さ、及び、停止を判定する。判定部６６は、算出した左速度を積算することによって、左足が最も上昇した位置である左最上位置を検出する。判定部６６は、検出した右最上位置及び左最上位置を格納部６２に格納する。
【００６４】
判定部６６は、取得部６４から圧力信号を取得する。判定部６６は、圧力信号からベルト８４に作用している圧力を検出して、ベルト８４がユーザに装着されているか、または、装着されていないかを判定する。判定部６６は、ベルト８４が装着されていると判定すると、右加速度信号及び左加速度信号に基づいて検出した右足及び左足の上昇、下降、停止を示す右移動信号及び左移動信号を電源制御部６８へと出力する。右移動信号及び左移動信号に上昇、下降の速さを含めてもよい。
【００６５】
電源制御部６８は、ベルト８４が装着された場合、判定部６６が右加速度信号及び左加速度信号に基づいて検出した右移動信号及び左移動信号によって、電源部２０を制御する。これにより、電源部２０は、ベルト８４が装着された場合に、前右アクチュエータ３０、前左アクチュエータ３６、後右アクチュエータ４２及び後左アクチュエータ４８のいずれかに電力を供給、または、電力の供給を停止する。
【００６６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００６７】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００６８】
１０  補助用具、１２  前右人工筋肉部、１４  前左人工筋肉部、１６  後右人工筋肉部、１８  後左人工筋肉部、２０  電源部、２２  右検出部、２４  左検出部、２６  装着検出部、２８  制御部、３０  前右アクチュエータ、３２  前右取付部、３４  電力配線、３６  前左アクチュエータ、３８  前左取付部、４０  電力配線、４２  後右アクチュエータ、４４  後右取付部、４６  電力配線、４８  後左アクチュエータ、５０  後左取付部、５２  電力配線、５４  配線、５６  配線、６０  処理部、６２  格納部、６４  取得部、６６  判定部、６８  電源制御部、８０  シャツ、８２  ズボン、８４  ベルト、８６  バックル、８８  ポケット、１１０  アクチュエータ、１２０  電源、１２２、１２４  電極、１２６  高分子材料、１３０  スイッチ、１４０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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