[发明专利]聚合物致动器

说明书

技术领域

本发明涉及通过电气信号进行动作并能用于人工肌肉或微型机械等的由聚合物形成的聚合物致动器。

背景技术

以高分子(聚合物)为原材料的致动器，具有轻量、柔软性、不发出动作音等特征，期待作为人工肌肉或微器件的动作机构的器件。其中，使用了聚吡咯或聚苯胺等导电性高分子作为驱动材料的基于电化学伸缩的器件，产生的能量有可能大于生物体的肌肉，提出了作为可以进行具有实用性的器件动作的高分子致动器器件。另外，使用了分散有碳系材料的具有导电性的聚合物材料、例如分散有碳纳米管的导电性聚合物材料作为驱动材料的器件，也被期待作为具有较大发生力的致动器。

由导电性高分子构成的致动器的动作，通过向导电性高分子层施加电压或电流，离子从电解质向导电性高分子层掺杂，或从导电性高分子层将离子脱掺杂，使导电性高分子层进行伸缩来驱动器件，使其发生位移由此来进行。

需要说明的是，电解伸缩的机制在于，作为掺杂剂的离子掺杂在导电性高分子层中及从导电性高分子层脱掺杂时发生电化学性的氧化反应及还原反应而进行伸缩。该伸缩现象考虑是随着电化学反应，导电性高分子的高分子链的构象发生变化所致的要因、体积大的离子出入导电性高分子层内而使导电性高分子层发生膨胀及收缩的要因、或由于高分子链产生的同种电荷发生的静电斥力的要因等。

作为聚合物致动器的例子，考虑在电解液浴(bath)中配置导电性高分子膜而进行驱动的结构的致动器。另外，作为与其不同的结构的致动器，有专利文献1公开的致动器。在该结构中，使用柔软的电解质使有源构件层和对置电极接近，由此可以增大有助于驱动的有源构件层的有效截面积。在这里，将有助于驱动的部分定义为有源构件层。

图17A及图17B是专利文献1中记载的聚合物致动器的俯视图和截面图。

图17A及图17B所示的致动器，由平面薄型且长方体板形的由导电性聚合物构成的有源构件层103、和按照埋入该有源构件层103的厚度方向的大致中间部分的方式设置的不锈钢等金属的柔软电极101a，构成第一电极层101。按照与该第一电极层101对置并离开的方式，将铝箔等金属的矩形板状的第二电极层102分别配置在第一电极层101的厚度方向的两侧，按照与第二电极层102和导电性的有源构件层103相接的方式构成电解质层104a。在这样的构成中，通过向第一电极层101和第二电极层102之间施加电压，导电性的有源构件层103发生伸缩而实现作为致动器的动作。在这里，特别是电解质层104a，按照不会妨碍有源构件层103的伸缩动作的方式，成为弹性模量为3kN/m²以下的值的电解质。

在该致动器的长度方向的各端部，设置力作用部108作为第一电极层101的矩形板状的延长部，在该力作用部108的与端缘相反侧的图案形成侧设置有孔。在该孔中插入载荷钩107的销107a，可以使作用力108a确实可靠地作用于载荷钩107。借助开关121从电源120向第一电极层101和第二电极层102之间施加电压，由此有源构件层103在其长度方向、换言之伸缩方向(即致动器的驱动力的输出方向)106的方向上伸缩，实现作为致动器的动作。

进而，为了将与上述有源构件层103相接的电解质层104密封在两电极层101、102之间，以不妨碍力作用部108活动的柔软的密封构件109覆盖力作用部108以外的整体。可以通过密封构件109防止向电解质层104吸湿或防止外力所致的破损等而保持强度。作为密封构件109，例如纵向弹性模量为100kN/m²左右的柔软有机硅系橡胶，进而成为不妨碍有源构件层103的伸缩的结构。

另外，在使其发生大的形变而进行动作时，为了防止层间剥离，具有以下的构成。

向有源构件层103和第二电极层102之间插入保持构件105a，从外部沿横向用大致U字形的夹子105b夹着第二电极层102、第一电解质层104a、有源构件层103、第一电解质层104a和第二电极层102。保持构件105a具有保持有源构件层103和第二电极层102之间的厚度的功能。本致动器为平面薄型，作为该夹子105b，例如是将绝缘性塑料板形成为夹子状而得到的夹子，通过夹着本致动器对保持构件105a进行按压。

另外，专利文献2中公开了在导电性膜和电解质板之间设置润滑性电解质层，用润滑性电解质层的材料自身具有的润滑性使导电性膜和电解质板之间的滑动动作成为可能的构成。

另外，专利文献3中公开了在电解质溶液中配置致动器膜和对置电极并向致动器膜和对置电极之间施加电压，而使致动器膜伸缩的结构。

以往技术文献