JP3939337B2

JP3939337B2 - 高分子アクチュエータ

Info

Publication number: JP3939337B2
Application number: JP2006546440A
Authority: JP
Inventors: 勝彦浅井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2026-07-19
Also published as: CN101053146B; US20080169729A1; US7514850B2; WO2007023625A1; CN101053146A; JPWO2007023625A1

Description

本発明は、外部より強制変位が加えられる場合でも劣化を抑制できる高分子アクチュエータ、該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、該ロボットアームを有するロボットに関する。

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、それらの中には、導電性高分子を用いたアクチュエータ、誘電体高分子を用いたアクチュエータ等が提案されている。

導電性高分子を用いた人工筋肉アクチュエータの一例としては、図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃ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を挟み込む構造となっている。スイッチ３７をオンすることで、電源３６において設定された電位差がポリアニリン膜体３５ａ、３５ｂ間に与えられ、図５Ｂに示されるように、一方のポリアニリン膜体３５ｂには陰イオンが挿入されて伸長し、他方のポリアニリン膜体３５ａからは陰イオンが離脱して縮小し、結果としてたわみ変形が発生するようになる（例えば、特許文献１参照）。

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が、一方で、電解質托体層を液体もしくはゲル状の物質とすることで、両電極の変形がお互いに影響しないようにし、片方の導電性高分子膜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については導電性高分子である必要はなく、主に金属電極が用いられているが、金属電極上に導電性高分子を設けることで変位が増加することも示されている（例えば、非特許文献１参照）。

このような導電性高分子アクチュエータは、２〜３Ｖの低電圧で筋肉に匹敵するような歪みを発生することから、人工筋肉としての実用化が期待されている。

また、誘電体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６Ａ，図６Ｂに示すような高分子の弾性変形を利用した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、平板状の誘電体高分子４２と、その両面に設けられたグラファイト、カーボンブラック等のカーボン粒子もしくは金属からなる薄膜状の柔軟電極４１，４３と、両電極４１，４３間に接続された電源４６と、スイッチ４７から構成されている。スイッチ４７をオンし両電極４１，４３間に電源４６で設定した電位差を与えることで、図６Ｂに示すように誘電体高分子部材４２が圧縮され、横方向に膨張するようになる。スイッチ４７をオフすることで、誘電体高分子４２は図６Ａの状態に復元されるようになる。

このようなアクチュエータは誘電体高分子４２としてシリコンゴムやアクリルを使用することで、１００％以上のひずみを発生させることができることから、人工筋肉としての実用化が期待されている（例えば、非特許文献２参照）。

しかし、これらの高分子の伸縮変形を利用したアクチュエータの場合は、高分子が膜状であることから、そのままでは伸張方向への駆動力を発生することができないので、例えば図７に示す構成のように、高分子膜５２の両端に備えた終端部材５５ａ、５５ｂ間を伸長方向への弾性力を発生させる弾性体５９ａ、５９ｂにより接続し、伸長方向への予圧を加えた状態で利用することになる。

特開平１１−１６９３９３号公報ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４６９５の８〜１６ページＳＣＩＥＮＣＥ，Ｖｏｌ．２８７，Ｎｏ．５４５４の８３６〜８３９ページ

一方で、前述したような構成のアクチュエータでは、外部から強制変位が与えられたときに性能劣化が起こるといった課題がある。例えば、図８Ａに示すような一枚の高分子膜５２で構成されるアクチュエータに収縮方向の強制変位が与えられた場合、膜状の高分子ではそれを受け止めることができず、図８Ｂの様に高分子膜５２に折れが発生するようになる。図８Ａ，図８Ｂにおける参照符号は図７の参照符号と同じ部材を示している。高分子膜５２の折れは、終端部材５５ａ、５５ｂとの接続部や、高分子膜５２の中間部分に特に発生しやすい。このようなことが繰り返されると、折れが発生した部位で高分子膜５２の強度が低下する等の影響が現れ、アクチュエータの性能劣化が引き起こされることになる。また、積層化した高分子アクチュエータの場合も、電極や電解質托体層が高分子膜から剥離する方向に荷重がかかるようになるため、各層間の結合が弱まり、アクチュエーション効率の低下が発生するようになる。

逆に、アクチュエータに伸長方向の強制変位が与えられた場合、高分子膜に不可逆な変形が発生するようになる。高分子膜自体は、ある程度の弾性を持っているが、高分子膜が一定以上の荷重で引っ張られた場合、伸びたまま戻らなくなる不可逆な変形をするようになり、最悪の場合破断するようになる。不可逆な変形が発生すると、その分だけ高分子アクチュエータの可動範囲がオフセットすることになり、不可逆な変形が発生する前と同じ動作ができないようになる。

このような状況に対応するには、劣化を前提に性能に余裕を持たせたり、アクチュエータと直列に弾性要素を配置したり、アクチュエータ変位に対するストッパーを設けたりする等の方法が考えられる。しかし、劣化を前提に性能に余裕を持たせるのは効率の面から望ましくない。また、アクチュエータと直列に弾性要素を配置する場合、強制変位によりアクチュエータに加わる力を抑制するためには柔軟な弾性要素を用いる必要がある。しかしこの場合、アクチュエータの発生する出力も外部に伝わらなくなるため望ましくない。更に、アクチュエータ変位に対するストッパーを用いる場合についても、高分子が粘弾性的な挙動を示すことから、自らのアクチュエーションなどによる低速な伸縮と、外力による高速な強制変位とでは、許容できる変形量は異なり、両者が複合して現れるアクチュエータの変位に対して、ストッパーを単純に設けるだけでは、高分子の保護とアクチュエータの性能を両立させることはできない。

従って、本発明の目的は、かかる点に鑑み、アクチュエータの性能を抑制することなく、アクチュエータに外部からの強制変位が加えられた場合の性能劣化を抑制できる高分子アクチュエータ、該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、該ロボットアームを有するロボットを提供することにある。

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。

本発明の第１態様によれば、電気刺激による高分子の伸縮により駆動する高分子アクチュエータにおいて、
前記高分子より構成される高分子膜部材と、
前記高分子膜部材の一端に接続された第１終端部材と、
前記高分子膜部材の他端に接続された第２終端部材と、
前記第２終端部材に第１弾性体を介して接続されかつ前記第１終端部材側に押圧可能な移動体とを備えて、
前記高分子膜部材の伸縮により発生する変位を、前記高分子膜部材の前記他端に接続された前記第２終端部材と前記第１弾性体を介して接続され、前記第１弾性体の弾性力により前記高分子膜部材の前記一端に接続された前記第１終端部材に押圧される前記移動体を介して取り出す高分子アクチュエータを提供する。

本発明の第１７態様によれば、第１態様に記載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を提供する。

本発明の第１８態様によれば、第１７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。

よって、本発明によれば、アクチュエータの性能を抑制することなく、アクチュエータに外部からの強制変位が加えられた場合の性能劣化を抑制できる高分子アクチュエータが得られるようになる。すなわち、高分子の一端に接続された固定側の第２終端部材と弾性体を介して接続され、その弾性体の弾性力により高分子の他端に接続された可動側の第１終端部材に押圧される移動体を介してアクチュエータの変位を取り出すことにより、アクチュエータに第１終端部材から第２終端部材に向かう方向の外力、すなわちアクチュエータを収縮方向へ変位させようとする外力が加わらない限り、移動体は第１終端部材と連動して同じだけ動くようになる。よって、アクチュエータの出力は第１終端部材から直接取り出す場合と同等になる。さらに、アクチュエータの収縮方向への強制変位が与えられた場合には、移動体は第１終端部材とは独立に第２終端部材の方向に移動することができるので、高分子に折れが発生することがなくなり、アクチュエータの性能劣化を抑制できるようになる。

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。

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。

このような構成によれば、アクチュエータに第１終端部材から第２終端部材に向かう方向の外力、すなわちアクチュエータを収縮方向へ変位させようとする外力が加わらない限り、移動体は第１終端部材と連動して同じだけ動くようになる。よって、アクチュエータの出力は第１終端部材から直接取り出す場合と同等になる。さらに、アクチュエータの収縮方向への強制変位が与えられた場合には、移動体は第１終端部材とは独立に第２終端部材の方向に移動することができるので、高分子に折れが発生することがなくなり、アクチュエータの性能劣化を抑制できるようになる。よって、アクチュエータの性能を抑制することなく、アクチュエータに外部からの強制変位が加えられた場合の性能劣化を抑制できる高分子アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第２態様によれば、前記高分子アクチュエータが、二つの電極とその間に配置された誘電体高分子の前記高分子膜部材とを含み、前記電極間に電位差を与えることで、前記誘電体高分子に発生する伸縮により駆動する第１態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、誘電体高分子の前記高分子膜部材の両側に設けた電極に加えた電気刺激により引き起こされる誘電体高分子の伸縮により駆動する高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第３態様によれば、前記高分子アクチュエータが、導電性を備えた高分子の前記高分子膜部材と、前記導電性を備えた高分子と電解質托体層を介して接続される電極とを含み、前記導電性を備えた高分子と前記電極との間に電位差を与えることで、前記導電性を備えた高分子に発生する伸縮により駆動する第１〜２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。

このような構成によれば、導電性を備えた高分子の前記高分子膜部材とそれと電解質托体層を介して接続される電極との間に加えた電気刺激により引き起こされる導電性を備えた高分子の前記高分子膜部材の伸縮により駆動する高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第４態様によれば、前記移動体が、前記導電性を備えた高分子の前記高分子膜部材と前記電解質托体層を介して接続される前記電極を含む第３態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、移動体の構造材としてアクチュエータに元々含まれる電極を利用できることから、移動体のためだけに用いる空間を減らすことができ、アクチュエータ全体としての体積利用効率を向上した高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第５態様によれば、前記導電性を備えた高分子が、有機導電性高分子を含む高分子である第３〜４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。

このような構成によれば、有機導電性高分子とそれと電解質托体層を介して接続される電極との間に加えた電気刺激により引き起こされる酸化還元に伴う有機導電性高分子の伸縮により駆動する高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第６態様によれば、前記導電性を備えた高分子に、導電性を有する炭素素材が含まれる第３〜５態様のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、導電性を有する炭素素材を含む高分子構造体とそれと電解質托体層を介して接続される電極との間に加えた電気刺激により引き起こされる高分子構造体の伸縮により駆動する高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第７態様によれば、前記電解質托体層がゲル状の物質である第３〜６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。

このような構成によれば、電解質托体層が液体の場合に比べて、シール構造等が不要となり、より体積利用効率を向上した高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第８態様によれば、前記第１終端部材と前記移動体の接触が、第２弾性体を介して行われる第１〜７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。

このような構成によれば、アクチュエータの伸長方向への強制変位に対して、第１終端部材は第２弾性体を介してその影響を受けるようになるので、伸長方向の強制変位に伴って高分子に加わる外力を低減できるようになる。よって、伸長方向の強制変位に対して、アクチュエータに外部からの強制変位が加えられた場合の性能劣化を抑制できる高分子アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第９態様によれば、前記第１終端部材と前記移動体間に位置する前記第２弾性体が、前記移動体と自由に分離可能である第８態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、アクチュエータに収縮方向の強制変位が加えられたときに移動体と第１終端部材側の第２弾性体とは分離することになるので、アクチュエータの伸長方向と収縮方向のどちらに強制変位が加えられた場合でも、性能劣化を抑制できる高分子アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第１０態様によれば、前記第２終端部材と前記移動体を接続する前記第１弾性体の剛性が、前記第１終端部材と前記移動体との間に配置された第２弾性体の剛性より小さい第８又は９態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、第２終端部材と移動体を接続する第１弾性体の、最低限の予圧を高分子の伸長方向に加えるという役目と、第１終端部材と移動体との間に配置される第２弾性体の、変位の規制が可能となる最低限の変位をするという役目がより明確になり、作用効果をより顕著に奏することができる高分子アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第１１態様によれば、前記第１終端部材と前記第２終端部材が前記移動体を介して接続されるとともに、前記第１終端部材と前記第２終端部材が第３弾性体を介して直接接続されている第１〜１０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。

このような構成によれば、アクチュエータに収縮方向の強制変位が加えられ、移動体と第１終端部材が分離した場合でも、第１終端部材が保持されるようになり、第１終端部材の自重等により高分子に折れ等が発生するおそれが無くなる。よって、より性能劣化が抑制できる高分子アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第１２態様によれば、前記第１終端部材と前記移動体間に作用する力が、一定値以下となるように規制する保護機構を備える第１〜１１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。

このような構成によれば、第１終端部材と移動体間の弾性によらず、アクチュエータに伸長方向の強制変位が加わったときに高分子加わる外力を規制できるようになるので、アクチュエータの性能を抑制することなく、アクチュエータに外部からの強制変位が加えられた場合の性能劣化を抑制できる高分子アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第１３態様によれば、前記第１終端部材と前記移動体間に作用する力が、一定値以下となるように規制する保護機構を備え、前記保護機構が、前記第１終端部材と前記移動体との間に配置された前記第２弾性体の変形量が一定値以下となるように規制する機構である第８〜１２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。

このような構成によれば、アクチュエータに伸長方向の強制変位が加わったときに高分子加わる外力の規制を変位を制限することで実現できるようになり、より容易にアクチュエータに外部からの強制変位が加えられた場合の性能劣化を抑制できる高分子アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第１４態様によれば、前記第１終端部材と前記移動体を接続するリンク機構をさらに備え、前記保護機構が、前記第１終端部材と前記移動体を接続する前記リンク機構の変形を規制する機構である第１３態様に記載の高分子アクチュエータを提供する。

このような構成によれば、アクチュエータに伸長方向の強制変位が加わったときに高分子加わる外力を容易に規制できるようになり、簡易な構造でアクチュエータに外部からの強制変位が加えられた場合の性能劣化を抑制できる高分子アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第１５態様によれば、前記保護機構により許容される前記第１終端部材と前記移動体間に作用する力が、前記移動体と前記第２終端部材の距離に応じて変化する第１２〜１４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。

このような構成によれば、高分子アクチュエータの伸縮量に応じて許容する外力を変化させることができるようになり、性能劣化を抑制しつつ、より性能に対する制限を減らした高分子アクチュエータが得られるようになる。

本発明の第１６態様によれば、前記移動体と前記第２終端部材との距離に応じて前記アクチュエータに加える電気刺激を制御する制御装置をさらに備える第１〜１５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。

このような構成によれば、制御装置により高分子アクチュエータの変位量を正確に調整できるようになるので、位置決め精度に優れた高分子アクチュエータを得ることができる。

本発明の第１７態様によれば、第１〜１６態様のいずれか一つに記載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を提供する。

このような構成によれば、前記第１〜１６のいずれか一つの態様に記載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を構成することができて、前記高分子アクチュエータ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。

このような構成によれば、前記第１７態様に記載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。

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。

（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂ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。また図１Ｂ及び図２Ａ〜図２Ｃに封止部材１１ａ、１１ｂの全部又は一部を外した状態の斜視図を示す。

図１Ａ及び図１Ｂにおいて、４は電極を含む側面Ｔ字形状の筒状の移動体であり、この移動体４は、電解質托体層の一例である液体電解質３を介して導電性を備えた高分子膜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、移動体４内を貫通して配置され、かつ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、移動体４に含まれる電極との間に電位差を与えることで、酸化還元反応に伴う膨張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の厚みは、それぞれ数十μｍ程度であるのが望ましい。それより薄いと強度的に弱く、それより厚いと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出入りできなくなるので望ましくない。液体電解質３についても、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質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電極は必ずしも移動体４に含まれる必要がないが、両者を一体とすることで、移動体４が占める空間とは別に電極のための空間を用意する必要が無くなる点で望ましい。特に、図９に示すように複数の有機導電性高分子である伸縮板２ａ〜２ｃと複数の電極１３ａ〜１３ｄで人工筋肉アクチュエータ１が構成されるような場合、移動体４が電極１３ａ〜１３ｄを含んだ構造体となることによる空間利用効率向上の効果は高くなる。ただし、図９では、説明に不要な構成要素については省略している。

有機導電性高分子である伸縮板２の両端には、有機導電性高分子である伸縮板２と一体に動作するよう固定された直方体形状の第１及び第２終端部材（可動側終端部材及び固定側終端部材）５ａ、５ｂがそれぞれ接続されている。そして、第２終端部材５ｂと移動体４とは、第１弾性体の一例であるスプリング内蔵ピストン９ａ、９ｂで接続されている。すなわち、第２終端部材５ｂの両端部近傍に立設したスプリング内蔵ピストン９ａ、９ｂのピストンロッド９ａ−１、９ｂ−１の上端が、移動体４の上部の張り出し部４ａにそれぞれ連結されている。このスプリング内蔵ピストン９ａ、９ｂは、ピストンに内蔵したバネによりピストンロッド９ａ−１、９ｂ−１の伸長方向への駆動力を発生しており、移動体４を、第２弾性体の一例である円柱状のゴム部材１０ａ、１０ｂに対して押圧している。ゴム部材１０ａ、１０ｂは、移動体４の上部の張り出し部４ａと第１終端部材５ａの両端部近傍との間に、好ましくは、スプリング内蔵ピストン９ａ、９ｂのピストンロッド９ａ−１、９ｂ−１と同軸上に、配置されている。スプリング内蔵ピストン９ａ、９ｂの無負荷状態における自然長は、常に移動体４がゴム部材１０ａ、１０ｂに押圧されるほど長くなっている。ゴム部材１０ａ、１０ｂは、第１終端部材５ａに対して固定されているが、移動体４には固定されず、移動体４がゴム部材１０ａ、１０ｂと逆方向に移動しようとする場合には、自由に分離することができるようになっている。

なお、第２終端部材５ｂと移動体４を接続する第１弾性体については、スプリング内蔵ピストン９ａ、９ｂに限るものではなく、コイルバネ等の柔軟構造体単体や、それらを組み合わせたもの等、同様の機能を発揮するものであれば、いずれも使用可能である。同様に、第１終端部材５ａと移動体４の間に位置する第２弾性体についても、ゴム部材１０ａ、１０ｂに限るものではなく、同様の機能を発揮するものであれば、いずれも使用可能である。また、第２終端部材５ｂと移動体４を接続する第１弾性体の剛性は、アクチュエータが伸長するときに必要となる最小限の駆動力を発揮できる程度で良く、一方で、第１終端部材５ａと移動体４の間に位置する第２弾性体の剛性は、後述する引っ張り方向への外力が規制できる程度の変位ができる剛性以下にする必要はないので、第２終端部材５ｂと移動体４を接続する第１弾性体の剛性は、第１終端部材５ａと移動体４の間に位置する第２弾性体の剛性より低いことが望ましい。

また、移動体４と第１及び第２終端部材５ａ、５ｂは、それぞれ液体電解質３がこぼれないようにするための筒状の封止部材１１ａ、１１ｂで接続されている。封止部材１１ａ、１１ｂについては、液体電解質３の電解液に侵されず、移動体４の移動を妨げない柔軟な素材が望ましく、例えば、ポリエチレン、若しくはフッ素樹脂等の樹脂材料が使用可能である。

更に、第１終端部材５ａの両端部の前後面と移動体４の上部の張り出し部４ａの前後面は、それぞれ、２枚のリンク板を互いに揺動可能に「Ｖ」字状に連結したリンク機構８ａ〜８ｄで連結されており、リンク機構８ａ〜８ｄは、第１終端部材５ａと移動体４との間隔に応じて一斉に変形するようになっている。そして、リンク機構８ａ〜８ｄの外側には、リンク機構８ａ〜８ｄの変形を制限するための、保護機構の一例として機能する、大略Ｕ字状のストッパー部材１２（図１Ａ及び図１Ｂでは省略、図４Ａ〜図４Ｃに図示）が設けられている。

さらに、電源６とスイッチ７からの配線が、その一方は、第１終端部材５ａを介して有機導電性高分子である伸縮板２に接続され、そのもう一方が、移動体４に含まれる電極に接続されており、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と移動体４に含まれる電極との間に印加されて、電気刺激により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。

次に、この人工筋肉アクチュエータ１の作用を説明する。

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）の出入り、カチオン（陽イオン）の出入り、高分子構造の変化等があるが、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃによる動作原理の説明では、ポリピロールなどの材料系においてアニオンのドープ、アンドープが主たる変形のメカニズムとされていることから、アニオンの出入りについて述べることにする。図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに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３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃ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の状態変化を表す側面から見た断面図を示す。それぞれの断面図は、人工筋肉アクチュエータ１の正面図における中央で切断したものであり、例えば、図３Ａは図２ＡのＩＩＩ−ＩＩＩ線での切断断面図である。

図２Ａ、図３Ａはスイッチオフの状態で導電性高分子の伸縮板２と移動体４に含まれる電極間に電位差を発生させていない状態を示し、図２Ｂ、図３Ｂは導電性高分子の伸縮板２に正の電位を印加し、移動体４に含まれる電極に負の電位を印加した場合を示している。また、図２Ｃ、図３Ｃは導電性高分子の伸縮板２に負の電位を印加し、移動体４に含まれる電極に正の電位を印加した場合を示している。図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、導電性高分子の伸縮板２は、アニオンが内部に入り込むことで伸張し、アニオンが内部から放出されることで収縮するようになる。

導電性高分子の伸縮板２が伸縮するとき、第１終端部材５ａ及びゴム部材１０ａ、１０ｂが連動して動き、それに伴い、スプリング内蔵ピストン９ａ、９ｂによりゴム部材１０ａ、１０ｂに押圧されている移動体４も連動して動くようになる。この際、ゴム部材１０ａ、１０ｂの剛性はスプリング内蔵ピストン９ａ、９ｂの剛性より高く、第１終端部材５ａと移動体４の間隔がほとんど変わらないまま移動することになる。同時に、リンク機構８ａ〜８ｄもほとんど変形しないままである。

次に、人工筋肉アクチュエータ１の外部から強制変位が与えられたとき場合について、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを用いて説明する。図４Ａが、外部からの強制変位が与えられていない状態であり、図４Ｂが、矢印で示すように収縮方向への強制変位が与えられた場合、そして図４Ｃが、矢印で示すように伸長方向への強制変位が与えられた場合である。図４Ｂの場合、移動体４は強制変位に従って収縮方向に移動する。その際、移動体４がゴム部材１０ａ、１０ｂに押圧されなくなり、第１終端部材５ａと移動体４はリンク機構８ａ〜８ｄを介してのみ接続されるようになる。リンク機構８ａ〜８ｄは変形自由なので、移動体４が強制変位により移動しても、第１終端部材５ａには外力が伝わらないことになる。そのため、導電性高分子の伸縮板２にも強制変位による影響はなく、折れ等も発生しないことになる。しかしこの場合でも、移動体４がゴム部材１０ａ、１０ｂと接触していないため、重力の向きによっては第１終端部材５ａの自重等により導電性高分子の伸縮板２に若干の折れが発生する可能性があるので、図１１に示すように、第１及び第２終端部材５a、５ｂを、第３弾性体の一例であるスプリング内蔵ピストン９ｃ、９ｄを用いて直接連結しておくことが、なお望ましい。このようにすることで、導電性高分子の伸縮板２は常に伸びた状態となり、折れが発生することが無くなる。なお、第３弾性体については、スプリング内蔵ピストン９ｃ、９ｄに限るものではなく、コイルバネ等の柔軟構造体単体や、それらを組み合わせたもの等、同様の機能を発揮するものであれば、いずれも使用可能である。

また、図４Ｃの場合、移動体４は強制変位に従って伸長方向に移動する。その際、移動体４はゴム部材１０ａ、１０ｂに押圧され、外力に応じた分だけゴム部材１０ａ、１０ｂが圧縮される。それに伴い、第１終端部材５ａと移動体４間の距離が近くなり、リンク機構８ａ〜８ｄが変形するようになる。外力に対応したゴム部材１０ａ、１０ｂの圧縮量が一定値に達したとき、リンク機構８ａ〜８ｄのそれぞれのリンクの屈曲部分がストッパー部材１２に接触するようになるため、それ以上の外力が第１終端部材５ａに伝わることが無くなる（言い換えれば、前記第１終端部材５ａと前記移動体４間に作用する力が、一定値以下となるように規制することができる）。すなわち、前記第１終端部材５ａと前記移動体４との間に配置された前記第２弾性体の一例であるゴム部材１０ａ、１０ｂの変形量が一定値以下となるように規制することができる。そのため、移動体４に強制変位が与えられた場合でも、導電性高分子の伸縮板２に加わる外力は一定値以下に限定されるので、強制変位による導電性高分子の伸縮板２の不可逆な変形を防ぐことができるようになる。なお、ストッパー部材１２により規制されるリンク機構８ａ〜８ｄの変形量は全て一定である必要はなく、導電性高分子の伸縮板２の長さによって変化しても良い。例えば、導電性高分子の伸縮板２が伸長状態にあればあるほど、許容する変形量を減らす等の調整が考えられるが、このような調整は、ストッパー部材１２のリンク機構８ａ〜８ｄが接触する面間の距離を図４Ａ〜図４Ｃのいずれかの図において左側から右側に行くほど徐々に狭くするように構成することで、容易に実現できる。

なお、第１実施形態では、電解質托体層の一例として液体電解質３を用いているが、この電解質托体層は必ずしも液体である必要はなく、ゲル状の電解質であっても良い。ゲル状の電解質は、カバー１１ａ、１１ｂの様な封止するための構成が必要で無くなるので望ましい。また、導電性を備えた高分子も、必ずしも有機導電性高分子である必要はなく、カーボンナノチューブ、若しくはカーボンナノパーティクル等の炭素素材や金属粒子等の導電性を備えた物質を含むゲル状又は固体状の高分子体であっても良い。このような構成であっても同様な効果を得ることができる。さらにこのような素材は、導電性と構造体としての特性を独立に調整しやすい点で望ましい。

加えて、導電性を備えた高分子の代わりに、両面に電極を備えた誘電体高分子を用いても良い。この場合には、電源６とスイッチ７を誘電体高分子の両面に備えた電極間に接続するようにすれば、同様の効果を得ることができる。ただし、図２Ｂ、図４Ｂがスイッチオフの状態に対応し、図２Ｃ、図４Ｃがスイッチオンの状態に対応することになり、電源の極性による影響はなくなる。これらいずれの場合についても、本発明に含まれる。

また、第１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１０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。

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。

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前記各円形支持体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。

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。

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。

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。

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１００１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。

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。

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる高分子アクチュエータは、アクチュエータの性能を抑制することなく、アクチュエータに外部からの強制変位が加えられた場合の性能劣化を抑制できる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。よって、前記高分子アクチュエータを駆動装置として使用するロボットアーム、該ロボットアームを有するロボットも有用なものとなる。

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。

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は本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す斜視図である。図１Ｂは本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの概略を示す斜視図である。図２Ａは本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの動作を示す正面図である。図２Ｂは本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの動作を示す正面図である。図２Ｃは本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの動作を示す正面図である。図３Ａは本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの動作を示す側面図である。図３Ｂは本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの動作を示す側面図である。図３Ｃは本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータの動作を示す側面図である。図４Ａは本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータに外部から強制変位が加わったときの動作を示す正面図である。図４Ｂは本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータに外部から強制変位が加わったときの動作を示す正面図である。図４Ｃは本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータに外部から強制変位が加わったときの動作を示す正面図である。図５Ａは従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図である。図５Ｂは従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図である。図５Ｃは従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図である。図６Ａは図５Ａとは異なる従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図である。図６Ｂは図５Ａとは異なる従来構成の人工筋肉アクチュエータの概略を示す図である。図７は従来構成の人工筋肉アクチュエータの構成を示す斜視図である。図８Ａは従来構成の人工筋肉アクチュエータに対する課題を示す側面図である。図８Ｂは従来構成の人工筋肉アクチュエータに対する課題を示す側面図である。図９は本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおいて複数の高分子膜部材を用いた場合の概略を示す斜視図である。図１０は本発明の第１実施例における人工筋肉アクチュエータを用いたロボットアームの概略図である。図１１は本発明の第１実施形態による人工筋肉アクチュエータにおいて第３弾性体を追加した場合の正面図である。

Claims

電気刺激による高分子の伸縮により駆動する高分子アクチュエータにおいて、
前記高分子より構成される高分子膜部材と、
前記高分子膜部材の一端に接続された第１終端部材と、
前記高分子膜部材の他端に接続された第２終端部材と、
前記第２終端部材に第１弾性体を介して接続されかつ前記第１終端部材側に押圧可能な移動体とを備えて、
前記高分子膜部材の伸縮により発生する変位を、前記高分子膜部材の前記他端に接続された前記第２終端部材と前記第１弾性体を介して接続され、前記第１弾性体の弾性力により前記高分子膜部材の前記一端に接続された前記第１終端部材に押圧される前記移動体を介して取り出す高分子アクチュエータ。
前記高分子アクチュエータが、二つの電極とその間に配置された誘電体高分子の前記高分子膜部材とを含み、前記電極間に電位差を与えることで、前記誘電体高分子に発生する伸縮により駆動する請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
前記高分子アクチュエータが、導電性を備えた高分子の前記高分子膜部材と、前記導電性を備えた高分子と電解質托体層を介して接続される電極とを含み、前記導電性を備えた高分子と前記電極との間に電位差を与えることで、前記導電性を備えた高分子に発生する伸縮により駆動する請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
前記移動体が、前記導電性を備えた高分子の前記高分子膜部材と前記電解質托体層を介して接続される前記電極を含む請求項３に記載の高分子アクチュエータ。
前記導電性を備えた高分子が、有機導電性高分子を含む高分子である請求項３に記載の高分子アクチュエータ。
前記導電性を備えた高分子に、導電性を有する炭素素材が含まれる請求項３に記載の高分子アクチュエータ。
前記電解質托体層がゲル状の物質である請求項３に記載の高分子アクチュエータ。
前記第１終端部材と前記移動体の接触が、第２弾性体を介して行われる請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
前記第１終端部材と前記移動体間に位置する前記第２弾性体が、前記移動体と自由に分離可能である請求項８に記載の高分子アクチュエータ。
前記第２終端部材と前記移動体を接続する前記第１弾性体の剛性が、前記第１終端部材と前記移動体との間に配置された前記第２弾性体の剛性より小さい請求項８又は９のいずれか一つに記載の高分子アクチュエータ。
前記第１終端部材と前記第２終端部材が前記移動体を介して接続されるとともに、前記第１終端部材と前記第２終端部材が第３弾性体を介して直接接続されている請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
前記第１終端部材と前記移動体間に作用する力が、一定値以下となるように規制する保護機構を備える請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
前記第１終端部材と前記移動体間に作用する力が、一定値以下となるように規制する保護機構を備え、前記保護機構が、前記第１終端部材と前記移動体との間に配置された前記第２弾性体の変形量が一定値以下となるように規制する機構である請求項８又は９に記載の高分子アクチュエータ。
前記第１終端部材と前記移動体を接続するリンク機構をさらに備え、前記保護機構が、前記第１終端部材と前記移動体を接続する前記リンク機構の変形を規制する機構である請求項１３に記載の高分子アクチュエータ。
前記保護機構により許容される前記第１終端部材と前記移動体間に作用する力が、前記移動体と前記第２終端部材の距離に応じて変化する請求項１２に記載の高分子アクチュエータ。
前記移動体と前記第２終端部材との距離に応じて前記アクチュエータに加える電気刺激を制御する制御装置をさらに備える請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
請求項１又は２に記載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。
請求項１７に記載のロボットアームを有するロボット。