专利名称：聚合物驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够适用家用机器人、且通过电激励发生变形的柔软轻量的聚合物驱动器(polymer actuator)。
背景技术：
作为以往的工业用机器人的关节驱动机构的驱动源，使用电磁电动机、油压驱动器、气动驱动器等。使用这些驱动源的关节驱动机构使用由金属主体构成的电磁电动机和减速机构、或者使用金属制的油压或气动气缸等，其自身由硬且重的材料制成，并在工厂的特定地点被管理使用。
与此相对，对于被期望在家庭、办公室或医院内帮助家务、帮助工作或帮助照顾老年人和残疾人等而在人类周围活跃的机器人等机器的驱动源，需要驱动源自身小型轻量且柔软，还需要安全。作为此种驱动器，虽然在所述的气动式驱动器中具有富于柔软性的橡胶制的气动式驱动器，但是需要用于驱动的压缩机或控制阀等辅机类，因此系统整体的轻量化受到限制。与此相应，提议有使用了轻量且富于柔软性的各种聚合物材料的人造肌肉驱动器，且迫切期望其实用化。
对于通过电激励动作的聚合物驱动器，被记载在非专利文献1中并作为其主旨内容。在高分子凝胶、合金离子聚合物、有机导电聚合物、具有碳系材料分散型的导电性的聚合物、碳纳米管、介电性弹性材料等中进行通过电激励进行驱动的聚合物驱动器的研究。其中，有机导电聚合物能够在较低的电压下驱动，其产生的应力具有超过活体肌肉的能力，从而作为具有轻量且柔软性质的驱动器对其有所期待。
此外，作为具有大的发生力的驱动器，对于诸如分散碳纳米管的导电聚合物材料的具有分散碳系材料的导电性的聚合物材料也有所期待。
到此，这些聚合物驱动器中的多数在电解液中动作。作为可在空气中动作的驱动器的一例，在专利文献1中公开有下述弯曲型驱动器，其在兼具电极与有源部件层的有机导电聚合物的两层膜间夹有固体电解质。此外，同样作为可在空气中动作的驱动器的另外一例公开于专利文献2中，其为作为有源部件层的导电聚合物层与对置电极之间夹有电解质层的直动式驱动器。
专利文献1日本专利文献特开平11-169394号公报；专利文献2日本专利文献特开2005-51949号公报。
非专利文件1SG.Wax，R.R.Sands，Smart Structures And Materials 1999Electroactive Polymer Actuators and Devices，Proc.SPIE，Vol.3669，pp.2-10，1999.
发明内容
但是，在专利文献1的弯曲型的驱动器的结构中存在下述问题驱动器的动作受到挠度的制约，虽然能够得到比较大的位移，但是由于挠度刚性低，因此不能发挥出大的力。
此外，作为在专利文献2中公开的可在空气中动作的驱动器不是利用挠度变形，而是使导电聚合物在长度方向上伸缩变形的驱动器，其公开了将兼具电极与有源部件层的带状的有机导电聚合物设置在圆柱状的固体电解质的中心，且设置了与圆柱状的固体电解质的外周对置的电极的示例。但是作为驱动器而进行伸缩的导电聚合物部为圆筒状，在捆住情况下，存在用于驱动的有源部件层的有效截面积小的问题。
针对与此，在专利文献2中公开了可以提高有源部件层的有效截面积，且能够产生大的力的叠层为层状的直动式驱动器。但是，在此种驱动器中，为不阻碍有源部件层的伸缩在将电解质层软化的情况下，如果在有源部件层内产生大的歪曲地反复地动作，则层间可能会发生剥离。
因此，作为被期望在家庭、办公室或医院中帮助家务、帮助工作或帮助照顾老年人和残疾人等而在人类周围活跃的机器人等机器的驱动源，需要实现驱动源自身小型轻量而且柔软，还需安全的驱动器。
从而，本发明的目的在于提供一种解决上述问题的使用了聚合物材料的聚合物驱动器，作为驱动源自身小型轻量且柔软安全的聚合物驱动器，其能够产生大的力，并且高速动作，容易制造，特别是变形好。
为达到上述目的，本发明如下构成。
根据本发明的第一方式，提供一种平面薄型的聚合物驱动器，其中，将兼作电极或另外设置电极的导电有源部件层作为第一电极层，还具有与所述第一电极层对置的第二电极层，将至少与有源部件层相接的第一电解质层密封在两电极层间，通过在两电极层间施加电场使阴离子及阳离子的至少一种由所述电解质层进出所述有源部件层，从而使所述有源部件层膨胀收缩，其中，所述第一电解质层为弹性模量在3kN/m2以下的固体电解质或液体电解质，且设有保持所述有源部件层与所述第二电极层间厚度的保持部件。
根据本发明，使电解质层为其弹性模量在3kN/m2以下的固体电解质或液体电解质，使得不阻碍有源部件层的伸缩动作，同时，因为电解质层其自身不具有强度，因此，用保持部件保持有源部件层与第二电极层之间的间隔(厚度)，从而能够防止层间的剥离。
根据上述结构，本发明所述的聚合物驱动器能够作为被期望在家庭、办公室或医院内帮助家务、帮助工作或帮助照顾老年人和残疾人等而在人类周围活跃的机器人等机器的驱动源，而且能够作为自身小型轻量而且柔软安全的驱动器使用。作为此种驱动源自身小型轻量且柔软安全的驱动器，本发明所述的驱动器能够在产生大的力的同时，能够高速动作且制造容易，特别是因为使用了变形强的聚合物材料，从而可以在空气中动作。
本发明的以上和其它的目的及特征由与附图的优选实施方式相关的如下记述阐明。图中，图1A是本发明第一实施方式中的一种方式的驱动器的俯视图；图1B是本发明第一实施方式中的一种方式的驱动器的剖面图；图2A是说明本发明第一实施方式中的驱动器的动作原理的剖面图；图2B是说明本发明第一实施方式中的驱动器的动作原理的剖面图；图2C是说明本发明第一实施方式中的驱动器的动作原理的剖面图；图2D是说明本发明第一实施方式中的驱动器的动作原理的剖面图；
图3A是作为本发明的比较例而记载的驱动器，是不具备本发明第一实施方式中的驱动器的保持部件的驱动器的俯视图；图3B是作为本发明的比较例而记载的驱动器，是不具备本发明第一实施方式中的驱动器的保持部件的驱动器的剖面图；图4A是表示对本发明第一实施方式中的驱动器的有源部件层的收缩变形进行解析仿真后的结果的变形图；图4B是表示对本发明第一实施方式中的驱动器的有源部件层的收缩变形进行解析仿真后的结果的变形图；图5是表示对本发明第一实施方式中的与驱动器相关的有源部件层的产生位移和电解质层的弹性模量关系进行解析仿真后的结果的曲线图；图6A为本发明第一实施方式中的驱动器，是对不具备保持厚度的保持部件的驱动器作用外力后的情况的解析仿真结果的变形图；图6B为本发明第一实施方式中的驱动器，是对具备保持厚度的保持部件的驱动器作用外力后的情况的表示解析仿真结果的变形图；图7A是本发明第二实施方式中的一种方式的驱动器的俯视图；图7B是本发明第二实施方式中的一种方式的驱动器的剖面图；图8A是本发明第二实施方式中的另一种方式的驱动器的俯视图；图8B是本发明第二实施方式中的另一种方式的驱动器的剖面图；图9A是本发明第二实施方式中的又一方式的驱动器的俯视图；图9B是本发明第二实施方式中的又一方式的驱动器的剖面图；图10A表示在未分割第二电极和第二固体电解质，且在四个部位由平面形状为长1mm×宽0.25mm的长方形保持部件连接的情况下，将图9A及图9B所示结构的所述驱动器的变形通过有限元法进行解析仿真后的结果的图；图10B表示在将第二电极和第二固体电解质分割为四个部分，且在四个部位由同样的平面形状为长1mm×宽0.25mm的长方形保持部件连接的情况下，将图9A及图9B所示结构的所述驱动器的变形通过有限元法进行解析仿真后的结果的图；图11A是本发明第三实施方式中的一种方式的驱动器的俯视图；图11B是本发明第三实施方式中的一种方式的驱动器的剖面图；
图12A是本发明第三实施方式中的另一方式的驱动器的俯视图；图12B是本发明第三实施方式中的另一方式的驱动器的剖面图；图13A是本发明第四实施方式中的一种方式的驱动器的俯视图；图13B是本发明第四实施方式中的一种方式的驱动器的剖面图；图14A是本发明所述实施方式中的所述保持部件的平面形状的一例的示意图；图14B是本发明所述实施方式中的所述保持部件的平面形状的一例的示意图；图14C是本发明所述实施方式中的所述保持部件的平面形状的一例的示意图；图14D是本发明所述实施方式中的所述保持部件的剖面形状的一例的示意图；图14E是本发明所述实施方式中的所述保持部件的剖面形状的一例的示意图；图14F是本发明所述实施方式中的所述保持部件的剖面形状的一例的示意图；图14G是本发明所述实施方式中的所述保持部件的配置的一例的示意图；图14H是本发明所述实施方式中的所述保持部件的配置的一例的示意图；图14I是本发明所述实施方式中的所述保持部件的配置的一例的示意图；图15是示出本发明第四实施方式中的驱动器的基本单位的剖面图。
具体实施例方式
在继续本发明的记述前，对附图中的同一部件标注同一标号。
以下，基于附图对本发明所述的实施方式进行详细的说明。
以下在详细说明本发明所述的实施方式之前，对本发明的各种方式进行说明。
根据本发明的第一方式，提供一种平面薄型的聚合物驱动器，其将兼作电极或另外设置电极的导电有源部件层作为第一电极层，还具有与所述第一电极层对置的第二电极层，将至少与所述有源部件层相接的第一电解质层密封在两电极层间，通过在所述两电极层间施加电场使阴离子及阳离子的至少一种由所述电解质层进出所述有源部件层，从而使所述有源部件层膨胀收缩，其中，所述第一电解质层为弹性模量在3kN/m2以下的固体电解质或液体电解质，且设有保持所述有源部件层与所述第二电极层间厚度的保持部件。
根据本发明的第二方式，提供一种第一方式记载的聚合物驱动器，其中，所述两电极层间具有的电解质层仅由所述第一电解质层构成，利用所述保持厚度的保持部件连接所述有源部件层与所述第二电极。
根据本发明的第三方式，提供一种第一方式记载的聚合物驱动器，其中，所述两电极层间具有的电解质层由与所述有源部件层相接的第一电解质层和与所述第一电解质层相接的第二固体电解质层构成，通过所述保持厚度的保持部件连接所述有源部件层与所述第二固体电解质层。
根据本发明的第四方式，提供一种第三方式记载的聚合物驱动器，其中，所述第二固体电解质层与所述保持部件作为固体电解质一体化形成。
根据本发明的第五方式，提供一种第三～四方式中任一方式记载的聚合物驱动器，其中，沿所述驱动器的驱动方向将所述第二电极层和所述第二固体电解质层分割成多个。
根据本发明的第六方式，提供一种第三～五方式中任一方式记载的聚合物驱动器，其中，所述第一电解质层是固体电解质，其弹性模量在3kN/m2以下，其材料为由阴离子或阳离子构成的离子性液体凝胶化的材料，其刚性小于所述第二固体电解质层的刚性。
根据本发明的第七方式，提供一种第一～六方式中任一方式记载的聚合物驱动器，其中，所述第一电解质层是液体电解质，且为由阴离子或阳离子构成的离子性液体。
根据本发明的第八方式，提供一种第二～七方式中任一方式记载的聚合物驱动器，其中，所述保持部件是将离子性液体固体化后的保持部件。
根据本发明的第九方式，提供一种第一～八方式中任一方式记载的聚合物驱动器，由所述有源部件层、所述电解质层、所述电极层交替叠加而成。
根据本发明的第十方式，提供一种第一～九方式中任一方式记载的聚合物驱动器，其中，所述驱动器的力作用部连接在所述有源部件层的沿所述驱动器的驱动方向的一端部。
根据本发明的第十一方式，提供一种第十方式记载的聚合物驱动器，其中，由不妨碍所述力作用部的动作的柔软密封部件覆盖除所述力作用部以外的整个所述驱动器。
根据本发明的第十二方式，提供一种第一～十一方式中任一方式记载的聚合物驱动器，所述有源部件层是有机导电性聚合物层，或者是至少含有从碳系微粒、金属系微粒、金属氧化微粒、碳纳米纤维、碳纳米管中选择的任一材料的导电性部件。
根据本发明的第十三方式，提供一种第一～十二方式中任一方式记载的聚合物驱动器，其中，所述保持部件沿与所述有源部件层的伸缩方向正交的方向设置其长度方向。
根据本发明的第十四方式，提供一种第一～十三方式中任一方式记载的聚合物驱动器，其中，所述保持部件的截面形状是所述第二电极层一侧的截面积大于相反侧的截面积的梯形或锥形。
以下，基于附图对本发明所述实施方式进行详细说明。
(第一实施方式)图1A及图1B是示出本发明第一实施方式中的一种方式的平板薄型的聚合物驱动器的俯视图和剖面图。
图1A及图1B所示的驱动器为平面薄型，且由长方体的板形导电聚合物形成的有源部件层3和以埋置在该有源部件层3的厚度方向的大致中间部的方式而设置的不锈钢等金属的柔软电极1a来构成第一电极层1。以与该第一电极层1对置且远离的方式在第一电极层1的厚度方向的两侧分别设置铝箔等金属的矩形板状的第二电极层2，且构成电解质层4(在该第一实施方式中，以电解质层4仅由第一电解质层4a构成为例)以使第二电极层2和导电的有源部件层3相接。在此种构成中，通过在第一电极层1与第二电极层2之间施加电压，导电的有源部件层3发生伸缩，从而作为驱动器而进行动作。此处，特别是电解质层4为不阻碍有源部件层3的伸缩动作，采用后述的具有特定低弹性模量的电解质层4a，因此，如果产生大的歪曲地反复动作，层间可能会发生剥离。为防止此情况，将有源部件层3与第二电极层2之间利用保持部件(换言之，间隔(或者厚度)保持部件)5a连接。
在该驱动器的长度方向的各个端部设有作为第一电极层1的矩形板状的延长部的力作用部8，且在与该力作用部8的端部边缘相反侧的图案形成侧上设有孔8h。负载钩7的销7a插入该孔8h中，使作用力8a能够可靠地作用于负载钩7。通过在第一电极层1与第二电极层2之间施加由电源20经由开关21的电压，有源部件层3在其长度方向、换言之伸缩方向(即，驱动器的驱动力输出方向)6的方向上伸缩，从而作为驱动器进行动作。
该伸缩通过电解质层4中含有的离子种或电子进出有源部件层3而产生。该伸缩根据有源部件层3的材质而由各种原因生成，但在有源部件层3为有机导电聚合物的情况下，其变形的机理为如下所述因为离子种具有某种程度的体积，所以与伴随其掺杂及脱杂的离子种的进出相应地有机导电聚合物层的体积也发生变化，或伴随氧化还原作用的有机导电聚合物的高分子锁构造的构象(conformation)的变化、进而由于通过施加电压而注入的同种电荷产生的静电排斥等成为变形的机理。此外，在有源部件层3为在高分子材料中含有碳系微粒的导电聚合物的情况下，认为该伸缩不伴随所述氧化还原，而是由于离子种的进出及同种电荷的静电排斥产生的变形，有源部件层3伴随离子种或电子的进出，通过与有源部件层3为有机导电聚合物时相同的机理进行伸缩。
为易于理解图2A、图2B、图2C及图2D中的动作原理，在这些变形机理内，利用图1B的驱动器的下半部分的简要剖面图来对将阴离子在有机导电聚合物作为有源部件层3的情况下，伴随掺杂或未掺杂的膨胀收缩变形的情况进行图示。例如在某种材料系中，诸如将在多酚磺酸(PPS)水溶液中电解聚合的多吡咯(polypyrrol)用作有机导电聚合物，并将其在六氟化磷酸钠(NaPF6)的水溶液中动作等时的该阴离子的掺杂、脱杂为主要的变形机理。此外，也有在其他的材料系中，例如将在六氟化磷酸四丁基铵(TBA·PF6)的碳酸丙烯酯(PC)溶液中电解聚合的多吡咯用作有机导电聚合物，并使其在离子性液体甲基乙基咪唑鎓·三氟甲烷磺酰亚胺(EMI·TFSI)中动作等时阳离子的掺杂、脱杂为主要的变形机理的情况。图2A表示在开关关断的状态下没有对电极施加电压的状态。图2B表示在有源部件层3一侧施加正电压的状态。没有施加电压时，在电解质层4中均匀存在的阴离子被吸到正电极侧的有源部件层3一侧(参照图2A及图2B的阴离子的箭头)，由电解质层4进入有源部件层3内，伴随该氧化过程，有源部件层3的体积膨胀，从而有源部件层3在沿有源部件层3的叠层面内的伸缩方向6的方向上延伸。在图2B中示出了驱动器在伸缩方向6的左端被固定，右端伸出于开关关断状态下的右端基准位置R的状态。图2C表示开关关断状态下电极上没有施加电压的状态，图2D与图2B相反，表示了在有源部件层3上施加了负电压的状态。在有源部件层3中存在的阴离子被吸引向对置电极2一方(参照图2C及图2D的阴离子的箭头)，由有源部件层3中向电解质层4内脱离，伴随该还原过程，有源部件层3的体积收缩，在沿有源部件层3的叠层面内的伸缩方向6的方向上收缩。并且，在图2D中表示了驱动器在伸缩方向6的左端被固定，右端回缩至越过开关关断状态下的右端基准位置R的位置处的状态。在其他的材料系中，也有通过阳离子(cation)向有机导电聚合物层的有源部件层3的进出，或阴离子和阳离子的相互进出而产生伸缩的情况，但此处仅就阴离子进出的情况进行简单化图示，以说明伸缩的机理。
此处，将柔软电极1a的形状形成为不妨碍在伸缩方向6上产生的有源部件层3的伸缩的“之”字形(在有源部件层3的伸缩方向(图1A的驱动器的长度方向)6上被图案化(形成图案)以形成低刚性)，并且因为紧密地配置以覆盖有源部件层3的整体，所以与没有设置柔软电极1a的情况比较，能够瞬时均质地向有源部件层3施加电压。因此，可高速产生所述离子种的进出，从而可以使有源部件层3高速伸缩。图1A～图1B的柔软电极1a的被图案化的图案形状被如下形成在所述长度方向6上等间隔地设置多个细长矩形的且在宽度方向上为薄长方形的图案1a-1，使之沿与所述长度方向6大致正交的宽度方向(驱动器的宽度方向)延伸，将沿长度方向延伸的矩形的短薄长方形且邻接的在宽度方向上为薄长方形的图案(带状部的一例)1a-1彼此之间由连接部1a-2在各自对置的宽度方向的端部进行连接，并在驱动器的宽度方向的各个端部处形成弯曲的形状。当将如此邻接的在宽度方向上为薄长方形的图案1a-1的端部之间由连接部1a-2连接时，连接部1a-2以沿长度方向相互错开的方式设置，从而将柔软电极1a构成大致“之”字状的形状。此处所述的大致“之”字状的形状表示至少在宽度方向上有一个凹口或空间并且在长度方向6上连续的细长形状。所述的大致“之”字状的形状如果为均一的图案，则作为驱动器容易控制动作。有源部件层3的一部分进入由所述邻接的在宽度方向上为薄长方形的图案1a-1与连接部1a-2形成的空间内，在图1A中，柔软电极1a被设置在有源部件层3的厚度方向的大致中间部分。
通过将柔软电极1a如上所述地在作为有源部件层3的伸缩方向的长度方向6上低刚性地，在与长度方向6大致正交的宽度方向上高刚性地图案化，可以使之在不妨碍有源部件层3的伸缩的情况下产生大的应变。产生该大的应变的功能不仅是简单的不妨碍伸缩这样的具有消极意味的功能，而且发明者们发现，通过图案化后的柔软电极1a所赋予的刚性的各向异性，具有积极增大应变的效果。
此外，通过将柔软电极1a形成为兼具有支撑体功能的平板状电极，能够将有源部件层3的薄片难以单独使用变为容易使用。此处作为支撑体的功能是指具备该功能的平板状电极的至少一部份的刚性大于有源部件层3的刚性，从而支撑有源部件层3的支撑功能。此外，因为柔软电极1a为平板状，作为驱动器的各构成要素也为平面结构，从而易于形成叠层的结构。由于与叠层后的驱动器的伸缩有关的有源部件层3的截面比率能够取得这样的平面叠层结构，因此，具有易于提高填充(packing)密度的优点。
作为将柔软电极1a在作为伸缩方向的长度方向上形成为低刚性的图案化的具体构成，可以如上所述，在与长度方向6大致正交的宽度方向上设置多个细长的图案1a-1，通过连接部1a-2将这些连接成“之”字形状的弯曲状。平板的面内刚性极高，但是通过此种图案化，能够容易实现长度方向6的低刚性化。由此种构成，同时在与长度方向6大致正交的宽度方向上形成高刚性，在长度方向和与长度方向大致正交的方向上赋予各向异性的刚性。
通常，为了取得大的驱动器的位移，通过将驱动器的伸缩方向6设为驱动器的长度方向，可以增大伸缩部的长度，但是不限于此，也能够将与伸缩方向6正交的宽度方向作为长度方向(未图示)。既，本发明并未将驱动器的伸缩方向6限定于驱动器的长度方向。
在第一实施方式中，电解质层4为不妨碍有源部件层3的伸缩动作，使用后述的具有特定的低弹性模量的电解层4a。该电解质层4因为其自身不具备强度，为防止层间的剥离，特别地经由保持部件5a来连接有源部件层3与第二电极层2之间。为了与不具备此种保持层间厚度的保持部件5a的情况进行比较，通过有限元法进行解析仿真，接下来叙述比较分析其效果后的结果。
图3A及图3B是没有保持部件5a的比较例的驱动器的俯视图及剖面图。图4A及图4B是对所述图3A及图3B所示结构的驱动器进行解析计算后的结果的变形图。为进行比较，图4A仅示出埋入了柔软电极1a的有源部件层3的计算结果。其相当于使所述(没有保持部件5a)驱动器在电解液中通过在与对置电极之间施加电压产生收缩动作的情况，是有源部件层3以外的构成要素不妨碍有源部件层3的伸缩的事例。与此相对，图4B为除此之外还包含了电解质层4与第二电极层2的计算模型的情况。
计算模型的有源部件层的尺寸设定为宽6mm、长24mm、厚度20μm，材质设定为多吡咯，拉伸弹性模量(杨氏模量)设为0.003×1012N/m2，泊松比设为0.3。作为柔软电极，将厚度10μm、线宽100μm、1mm间距的如图1A的“之”字形的电极埋入该有源部件层，电极的材质为不锈钢SUS304，拉伸弹性模量为0.178×1012N/m2，泊松比为0.3。在如上的有限元计算模型中，将有源部件层作为在其面内方向各向同性地收缩的情况进行了计算解析。在图4B的情况下，除了所述的，在有源部件层的两侧加有厚度为15μm的电解质层以及厚度为15μm的电极层，作为电解质层的材质，使用高分子电解质凝胶，拉伸弹性模量为0.3MN/m2，泊松比为0.49，作为电极材质，使用铝箔，拉伸弹性模量为0.067×1012N/m2，泊松比为0.3。作为所述的高分子电解质凝胶，例如可以举出将作为离子性液体的甲基乙基咪唑鎓·三氟甲烷磺酰亚胺(EMI·TFSI)与作为单体的甲基丙烯酸甲酯(MMA)的摩尔比为1∶1的溶液中添加交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDGMA)并进行加热聚合后的物质。该高分子电解质凝胶为具有聚合后也为网状高分子的PMMA与离子性液体均匀相溶的离子导电性的固体高分子。所述的拉伸弹性模量为该高分子电解质凝胶的实测值。
作为所述电解质层使用的电解质凝胶，作为将离子性液体凝胶化后的薄板的实测值，与有源部件层(多吡咯)的拉伸弹性模量为3GN/m2相比，仅为万分之一的低刚性，但是计算结果显示与没有这些层的情况下产生的位移(δ＝1)相比，其产生的位移减小到8.7％(δ＝0.087)，因此这些层很大地阻碍了有源部件层的伸缩。
并且，作为本发明的构成要素的尺寸的一例，优选导电性聚合物层的厚度为80μm以下，电极的厚度为5～50μm的平板薄型驱动器。电极的厚度未到5μm时，难以发挥其作为支撑体的功能，如果超过50μm，则刚性过大，难以产生位移，因此不优选。此外，如果导电性聚合物层的厚度超过80μm，则在导电性聚合物层的表里进出的离子种难以遍及到膜的中央，产生的位移小且动作速度低，因此不优选。此外，作为更优选的例子，可以构成导电性聚合物层的厚度在30μm以下，电极的厚度为5～10μm的平板薄型驱动器。
图5是示出相对于所述驱动器的尺寸及材料构成，将电解质层的厚度在三个不同值(5μm、15μm、45μm)上改变后，在大范围内改变电解质层的弹性模量时的产生位移的比率的图。在图5中，用点划线表示作为临界值的3kN/m2，并用电解质层的厚度与有效截面积比二者来记载参数。这里，图5纵轴的产生位移的比率表示下述比率，将没有电解质层，且不存在阻碍有源部件层伸缩的因素的情况下产生位移设为100％，因为电解质与有源部件层邻接存在，所以有源部件层的伸缩受到阻碍，产生位移变小的比率。解析仿真的结果表示电解质层的刚性如果在某临界值(3kN/m2)以下，则产生位移的阻碍急剧变小。
图5中，用三角标记表示电解质层的厚度为5μm(最下侧的小点划线曲线1)，用黑圈表示电解质层的厚度为15μm(中间的实曲线2)，用白圈表示电解质层的厚度为45μm(最上侧的大点划线曲线3)。
电解质层的厚度越大，产生位移的比率越大，但是作为驱动器有助于伸缩动作的为有源部件层，电解质层无助于伸缩动作，因此，由此观点出发，电解质层变厚反而不适合。
图15示出用于说明作为驱动器有助于伸缩动作的有源部件层的有效截面积比的剖面图。图15为在后述图13B中所示的叠层型的驱动器中，去掉其重复的基本单位部分后的驱动器。此处，由于第二电极层(对置电极)2也兼具邻接的层的电极，因此在该基本单位中仅含有一层。
有源部件层3的有效截面积比如下定义(有效截面积比)＝a/(a+2b+c)此处，a为有源部件层3的厚度，b为电解质层4的厚度，c为第二电极层(对置电极)2的厚度。作为一例，此处由于将有源部件层3的厚度设为20μm，将第二电极层(对置电极)2的厚度设为15μm，因此，电解质层4的厚度为5μm时(曲线1的情况)的有效截面积比为0.44。与此相对，电解质层4的厚度为15μm时(曲线2的情况)的有效截面积比为0.31，电解质层4的厚度为45μm时(曲线3的情况)的有效截面积比为0.16。
作为有源部件层3，上述的导电聚合物的多吡咯的膜厚在5μm以上为机械强度方面的最低极限，与之相对，当电解质层的厚度为5μm时，因为与该厚度相等，所以作为向有源部件层充分供给离子种的供给源的电解质层的厚度被认为是最低极限厚度。并了解到，即使在此种条件下，为将产生位移的阻碍限制在20％以下，需要将电解质层的弹性模量设在3kN/m2以下。在此种电解质层的条件下，当电解质层的厚度设在15μm时，能够将该产生位移的阻碍限制在10％以下，因此更为优选。
还有，当电解质层的厚度为45μm时，能够将其产生位移的阻碍限制在3％以下，从此观点出发，需要更厚的电解质层，但在另一方面，因为降低了与作为驱动器伸缩动作相关的有源部件层的截面比率，所以有一定的极限。
从而了解到，作为所述的驱动器的尺寸及材料构成中的电解质层的厚度，例如通过至少设在5μm～45μm的范围，且将电解质层4的弹性模量设在3kN/m2以下，能够将有源部件层3的伸缩动作的阻碍限制在20％以下。利用此种构成，能够不阻碍有源部件层的伸缩地提高有源部件层的有效截面积。
以上的解析仿真针对于特定宽度及长度的驱动器模型，但是有源部件层的伸缩不被阻碍、且产生位移变小的比率被认为是几乎不受这些尺寸的影响的标准值。慎重起见，即使在将宽度变为两倍的模型，及长度变为两倍的模型中，在误差的范围内，确认图5所示的曲线仍然有效。因而，在驱动器的尺寸因素中重要的为电解质层的厚度。在所述的解析仿真中，将有源部件层的厚度作为代表值设为20μm，但是对于相当于产生位移的比率的临界值附近的图5的A点的厚度，如果将该有源部件层的厚度值设为10μm，则相对于有源部件层的厚度为20μm时的产生位移的比率92％，有源部件层的厚度为10μm时产生位移的比率为43％。因而了解到，在有源部件层更薄的情况下，为不阻碍产生应变的比率，需要将电解质层的弹性模量降得更小，弹性模量为3kN/m2以下为必要条件。也了解到在有源部件层的实际厚度范围中，与有源部件层邻接的电解质层的弹性模量的影响很关键。
由上所得的电解质层的条件除上述的具体例子的材料以外，由于例如通过改变凝胶化时的单体与离子液体的混合比率能够调整其刚性，因此对其他的材料也能适用。
此处，电解质层4的拉伸弹性模量为3kN/m2，其为有源部件层(多吡咯)3的拉伸弹性模量的百万分之一的极低的刚性。作为该拉伸弹性模量在3kN/m2以下的材料虽然不是电解质，但可以举出聚氯乙烯(PVC)系的凝胶材料等。通过调整凝胶化时使用的溶剂的量，能够获得上述低拉伸弹性模量的高分子凝胶。在施加最高应力为1kN/m2左右的小力的范围内，拉伸弹性模量的实测值为0.9kN/m2的PVC凝胶材料的块本身仅有像浆料一样的强度，能够轻易的用匙子取出。因而难以依靠此种材料自身来保持驱动器的强度。
在图6A及图6B中，在假定电解质层4的弹性模量为0.3kN/m2的情况下，根据第一实施方式的保持部件5a的有无，比较沿与驱动器的长度方向及宽度方向分别正交的方向作用剥离力22时的驱动器的变形。作为保持部件5a，使用通过所述的作为离子性液体的EMI·TFSI与MMA聚合的高分子电解质凝胶，拉伸弹性模量为0.3MN/m2，保持部件5a的平面形状为长1mm×宽0.25mm的长方形。计算结果表示如下相对于1N的剥离力22，在没有保持部件5的情况下的变形为0.18mm，有保持部件5a的情况下仅有4μm的变形，与有源部件层(多吡咯)3的拉伸弹性模量3GN/m2相比，即使是只有万分之一的低刚性的保持部件5a也有加强效果。
保持部件5是为保持有源部件层3与第二电极层2之间的厚度，从而保持驱动器的强度而设置的部件，保持部件5a例如只要被固定在其位置上，即可简单地分别与有源部件层3和第二电极层2抵接。实际上，保持部件5优选被固定在第二电极层2上，仅与有源部件层3简单地抵接，其在制造上简单。图1A中，保持部件5a为平面长方形的长方体柱状的绝缘性部件，设置在与柔软电极1a的在宽度方向上为薄长方形的图案1a-1与连接部1a-2的间隙的中央部分对应的位置，并沿与柔软电极1a的长度方向大致均等(大致等间隔)、且相对驱动器的中央部对称地排成一列地配置在同一厚度方向的位置上。
图14A～图14I中示出保持部件5a的各种平面形状、剖面形状及其配置。此处示出的保持部件5a的各种平面形状、剖面形状及其配置不仅限于该第一实施方式，而是可以使用于本发明的所有实施方式。在将保持部件5a通过分配器进行涂敷的情况下，能够形成图14A的点状保持部件5a-1或者图14B的椭圆状的保持部件5a-2。如图14B所示，当形成细长椭圆状的图案的保持部件5a-2时，为不阻碍有源部件层3在伸缩方向6上的伸缩，优选将其长度方向沿与伸缩方向6正交的方向设置。形成上述的图1A的长方形的图案的保持部件5a-3时，也优选将其长边沿与伸缩方向6正交的方向设置。保持部件5a-4的剖面形状除了形成如图14D所示的柱状以外，优选如图14E所示，通过形成所述第二电极层侧的截面积大于相反侧的截面积的截面形状为梯形或锥状的保持部件5a-5，能够减小与离子种进出的有源部件层3的接触面积，或提高对梯形底面侧的第二电极层2的附着强度。此外，如图14F所示，也能够将球状的珠串作为保持部件5a-6。
此外，图14G～图14I示出保持部件5a的一个示例，图14G为如上述设置地在有源部件层3的中央部大致等间隔地配置成一列的保持部件15a。图14H示出将保持部件5a配置成“之”字状情况，能够加强薄长方形状的驱动器的周边部。图14I示出例如通过分散成为衬垫的珠串而形成保持部件5a时进行随意配置的例子。此外，作为加强效果，图14H和图14I优选在厚度方向上配置在同样的位置上。
此外，为了将与所述有源部件层3连接的电解质层4密封在两电极层1、2之间，优选由不妨碍力作用部8的动作的柔软的密封部件9将力作用部8以外的整体覆盖。通过密封部件9，能够防止向电解质层4的吸湿或保持防止由外力产生破损的强度。作为密封部件9，优选使用例如拉伸弹性模量为100kN/m2左右的柔软的硅酮系橡胶，并且不妨碍有源部件层3的伸缩。
并且，在所述第一实施方式中，叙述了将另具备柔软电极1a的导电有源部件层作为第一电极层的情况，但是本发明的有源部件层因为自身具有导电性，所以即使在不另设该电极1a，而是将兼具电极的导电有源部件层自身作为第一电极层的情况下，本发明的聚合物驱动器也可以进行作为驱动器的相同的动作，且不妨碍本发明的构成要件。在具有高导电率的导电有源部件层中，即使没有柔软电极1a，也表现出所述说明中的柔软电极固有的效果以外的同样的效果。在导电率不一定高的导电有源部件层中，优选如本第一实施方式这样另外设置电极1a，该情况与所述的未设置柔软电极1a的情况相比，能够瞬时地将施加电压均匀地施加于有源部件层，从而达到高速产生离子种的进出，使有源部件层高速伸缩等突出的效果，从而更优选。
根据所述第一实施方式，在下述平面薄型的聚合物驱动器中，所述电解质层4是弹性模量在3kN/m2以下的固体电解质，且设有保持所述有源部件层3与所述第二电极层2之间的厚度的保持部件5a。在所述平面薄型的聚合物驱动器中，将埋有柔软电极1a的导电有源部件层3作为第一电极层1，还具有与第一电极层1的有源部件层3远离而相对配置的第二电极层2，至少将与所述有源部件层3相接的电解质层4密封在两电极层1、2之间，利用在所述两电极层1、2之间施加电场，通过使阴离子或/及阳离子从所述电解质层4进出所述有源部件层3，从而使所述有源部件层3膨胀收缩。
根据上述结构，电解质层4的弹性模量为在3kN/m2以下的固体电解质，其不阻碍有源部件层3的伸缩动作，同时，因为电解质层4其自身不具有强度，因此以用电解质层4内的保持部件5a来保持有源部件层3与第二电极层2之间的间隔(厚度)方式而能够防止层间的剥离。
通过上述结构，所述第一实施方式中所述的聚合物驱动器可以作为被期望在家庭、办公室或医院内帮助家务、帮助工作或帮助照顾老年人和残疾人等而在人类周围活跃的机器人等机器的驱动源，而被用作驱动源自身小型轻量而且柔软、安全的驱动器。作为此种驱动源自身小型轻量而且柔软、安全的驱动器，所述第一实施方式中所述的聚合物驱动器在能够产生大的力的同时，能够高速地动作且容易制造，特别是因为使用了变形能力强的聚合物材料，因此能够在空气中动作。
(第二实施方式)作为本发明的第二实施方式所述的聚合物驱动器，对用两个电解质层4a、4b构成电解质层4的方式进行叙述。
图7A及图7B是示出本发明的第二实施方式的一种方式的驱动器的俯视图和剖面图。该驱动器为电解质层4由与有源部件层3接触的第一电解质层4a及与第一电解质层4a和第二电极2接触的第二固体电解质层4b构成的情况。其他的构成要素如图1A及图1B所述，驱动器的动作也相同。作为保持有源部件层3与第二电极层2之间厚度的保持部件5a，在该第二实施方式中，通过设置在第一电解质层4a内的保持部件5a来连接有源部件层3与第二固体电解质4b。根据所述的解析仿真，需要第一电解质层4a的刚性极低，可以说接近液体。从不阻碍有源部件层3的伸缩的观点来看，更优选该第一电解质层4a为液体电解质。此情况下，优选例如其厚度在几个μm以内，能够依靠表面张力保持其自身，且尽可能薄的润滑层。然而，为使有源部件层3伸缩，需要有必要数量的离子种，因此，降低电解质层4的厚度也是有限度的。例如在双电荷层电容器中，为确保充电所需的离子种的量，电解质层4的厚度至少确保几十个μm。因而，优选如第二实施方式，由两个电解质层4a、4b构成电解质层4。由此，能够将对有源部件层3的伸缩阻碍抑制到最小限度，并且，通过确保由电解质层4a、4b向有源部件层3的离子种的供给，可以得到有源部件层3的足够大的伸缩驱动。
作为所述第一电解质层4a，例如能够使用作为离子性液体的甲基乙基咪唑鎓·三氟甲烷磺酰亚胺(EMI·TFSI)。此外，作为第二固体电解质层4b，能够使用在同样作为离子性液体的甲基乙基咪唑鎓·三氟甲烷磺酰亚胺(EMI·TFSI)与作为单体的甲基丙烯酸甲酯(MMA)的摩尔比为1∶1的溶液中添加交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDGMA)并进行加热聚合后高分子电解质凝胶。后者的高分子电解质凝胶与所述第一实施方式的图3A及图3B所述的相同。
接下来，图8A及图8B是示出本发明第二实施方式的另一方式的驱动器的俯视图和剖面图。该驱动器为电解质层4由与有源部件层3接触的第一电解质层4a及与第一电解质层4a和第二电极2接触的第二固体电解质层4b构成，且第二固体电解质层4b与保持部件5a作为固体电解质一体化形成的情况。在该方式中，保持部件5a相当于第二固体电解质层4b上设有的突起4c，因此，使作为该突起的保持部件5a与第二固体电解质层4b一体化的部件能够容易地通过压模法形成。将所述的离子性液体EMI·TFSI通过MMA凝胶化成片状的工序通常由压模法进行。即，例如在两块玻璃板或者聚对苯二甲酸乙酯(PET)制的板材等夹持板之间夹持与欲制板的厚度相当的例如特氟隆(テフロン，注册商标)制的衬垫，将EMI·TFSI和MMA及交联剂的混合溶液流入其间隙，通过对之加热聚合而高分子化。之后，通过剥离而获得高分子电解质凝胶片材。在该工序中使用的玻璃板或者PET板等的夹持板上，如果预先通过蚀刻加工或冲压加工设置凹部，则该部分自动地形成与保持部件5a相当的突起。这样使制造变容易，且保持部件5a本身是电解质，所以具有离子种也可以从有源部件层3的被保持部件5a连接的部分进出的特别的效果。此外，由于保持部件5a的位置在形成于预先形成的夹持板上的凹部的位置处形成，所以其位置精度、制作的再现性优良。
上述的基于压模法的制作工序叙述了制作高分子电解质凝胶片单体的情况，但是例如当将与第一电极层1上另外设置的“之”字状的柔软电极1a相同的电极用作第二电极(对置电极)2时，如下所述，能够直接在对置电极2上形成高分子电解质凝胶片。即，在使该对置电极2与夹持板中的一个抵接的状态下，隔着特氟隆(テフロン，注册商标)的衬垫，使另一个设有凹部的夹持板对置地夹持，将EMI·TFSI和MMA及交联剂的混合溶液流入其间隙，并通过将其加热从而聚合高分子化。然后，通过剥离，能够得到形成了在对置电极2上设有保持部件5a的高分子电解质凝胶片的部件。
另一方面，具有“之”字状的柔软电极1a的有源部件层3能够如下所述地制作。即，在使不锈钢制的“之”字状的柔软电极1a抵接在白金板或珐琅碳精板等β(ベた)形状的电极板上的状态下，例如在六氟化磷酸四丁基铵(TBA·PF6)的碳酸丙烯酯(PC)溶液中添加了珀洛尔单体(ポロ一ルモノマ一)的电解液中进行电解聚合，从而在所述柔软电极上电解析出多吡咯。通过将其从所述β(ベた)形状的电极板上剥离，能够获得具有“之”字形状的柔软电极1a的有源部件层。
将所述两个复合部件组合，通过注入作为第一电解质层4a的离子性液体EMI·TFSI，能够制得图8B的剖面图所示结构的驱动器。
接下来，图9A及图9B是示出本发明第二实施方式的又一方式的驱动器的俯视图和剖面图。在该驱动器中，电解质层4由与有源部件层3几乎全面接触且与最外层的密封部件9部分接触的第一低剪切力电解质层4a，及与第一电解质层4a和第二电极2接触的第二固体电解质层4b构成，而且，第二电极2与第二固体电解质层4b在驱动器的驱动方向6上被分成多个(在图9B中，作为一例，被分为四个)。为探讨该方式的效果，将图9A及图9B所示结构的驱动器的变形通过有限元法进行解析仿真。结果如图10A及图10B所示。图10A示出未将第二电极2和第二固体电解质4b分割且在四个部位利用平面形状为长1mm×宽0.25mm的长方形保持部件5a连接的情况。与此相对，图10B示出将第二电极2和第二固体电解质4b分割为四处、并在四个部位同样由平面形状为长1mm×宽0.25mm的长方形保持部件5a连接的情况。计算前提供的材料常数与图4的解析仿真相同。在图10A所示的无电极分割的情况下，计算其产生位移是无约束的情况的59.6％，可知多个保持部件5a自身阻碍有源部件层3的伸缩。与此相对，在图10B所示的电极分割的情况下，计算其产生位移是无约束情况时的99.8％，可知即使由多个保持部件5a进行连接，也几乎没有阻碍有源部件层3的伸缩。所述的分割对分割数为四，连接部位为四，保持部件5a的平面形状为长1mm×宽0.25mm的长方形的情况进行了阐述，但为了不对有源部件层3的伸缩产生局部约束，优选该比较均等的分割。
在解析仿真中，因为假设第二电极2是厚度为15μm的β(ベた)形状的铝箔，所以，虽然由图10A所示的保持部件产生了大的约束效果，但在将与埋入有源部件层3的“之”字状的柔软电极1a同样的柔软电极用作第二电极的情况下，能够避开这种约束效果。但是，此种柔软电极对置的面积小，作为第二电极，更优选使用β(ベた)形状的电极。作为电容器或电池的集电电极使用铝箔，通过在其表面上形成活性碳等碳系粉末而获得电极的表面积，通过本第二实施方式能够将此种电极用于第二电极2。
在所述及后述的本发明的各实施方式中，作为第一电解质层4a，优选使用将阴离子及阳离子形成的离子性液体凝胶化的材料，通过将其刚性设为小于第二固体电解质4b的刚性，能够提供可在空气中动作的全固体化驱动器，并且，能够降低约束有源部件层3的产生位移的效果。
另外，通过使用由阴离子及阳离子形成的离子性液体来作为第一电解质层4a，能够提供可在空气中动作的准固体化驱动器，并且，能够进一步降低约束有源部件层3的产生位移的效果。离子性液体也被称作常温溶融盐，相对于众所周知的盐(NaCl)为Na+离子与Cl-离子构成的离子结合性固体，其在常温下为液体的离子结合性的盐。由于该离子性液体的结合为离子结合，所以具有不挥发的良好性质。因而，虽然离子性液体为液体状，但没有水溶液电解质或有机溶剂电解质中见到的伴随蒸发产生的寿命问题，根据本发明的所述及后述的实施方式，能够提供可在空气中动作的驱动器。
此外，优选将保持部件5a采用对离子性液体进行固化的物质，由此离子种可以从有源部件层3的连接部进出，从而使有源部件层3有效地伸缩。
并且，通过将驱动器的力作用部8分别连接在有源部件层3的沿驱动器驱动方向的两端，能够有效地进行有源部件层3的伸缩位移及产生力。
并且，优选由不妨碍该力作用部8的运动的柔软密封部件9覆盖除力作用部8以外的部分的上下左右的各个面的整体，由此将与所述有源部件层3相接的电解质层4密封在两电极层1、2之间，从而能够防止向电解质层4的吸湿或保持防止由于外力造成破损等的强度。作为密封部件9，优选例如使用拉伸弹性模量为100kN/m2左右的柔软硅酮系橡胶，另外，为了不阻碍有源部件层3的伸缩，优选应用于所述及后述的实施方式中所述的叠层型驱动器。
此外，作为有源部件层3，能够使用例如聚苯胺(polyaniline)、多吡咯或聚噻吩(polythiophene)基体的共轭聚合物的有机导电聚合物、或者其衍生物。并且，作为有源部件层3，能够使用至少含有从碳系微粒、金属系微粒、金属氧化微粒、碳纳米纤维、碳纳米管中选择的任一种材料的导电性部件。由于将这些材质作为有源部件层3，通过使阴离子或/及阳离子或/及电子进出有源部件层3，能够使有源部件层3膨胀伸缩。这种导电性微粒分散型的有源部件层的刚性能够通过选择成为粘合剂的例如聚氟聚偏氯乙烯(polyfluorovinylidene)的高分子的聚合条件来进行调整。为了得到大的产生力，更优选调整到与作为所述有机导电聚合物的多吡咯的刚性相近的3GN/m2左右的弹性模量。此时，与在所述的图5中的电解质层的刚性在某临界值以下、产生变位的阻碍变小的情况相同。
根据所述第二实施方式的构成，因为电解质层4由液体的第一电解质层4a与弹性模量在3kN/m2以下的第二固体电解质层4b构成，所以能够将有源部件层3的伸缩的阻碍抑制到最小限度，并且，通过确保向有源部件层3供给来自电解质层4a、4b的离子种，有源部件层3可以获得足够大的伸缩驱动，同时，由于电解质层4其自身不具备强度，因此，通过由第一电解质层4a内的保持部件5a来保持有源部件层3与第二电极层2之间的间隔(厚度)，能够防止层间的剥离。
(第三实施方式)在本发明的第三实施方式中所述的聚合物驱动器中，作为保持有源部件层3与第二电极层2间的厚度的保持部件5a，叙述上述以外的方式的情况。
图11A及图11B是表示本发明第三实施方式的一种方式的驱动器的俯视图和剖面图。在该驱动器中，作为保持有源部件层3与第二电极层2之间的厚度的保持部件5a-7，通过贯通有源部件层3与柔软电极1a的间隙部分而连接配置在有源部件层3两侧的两个第二电极层2之间。作为保持部件5a-7，例如通过将绝缘的塑料制的铆钉贯通于各层进行固定，从而能够容易地保持电极层1、2之间的厚度。并且，优选与第一电解质层4a等中设置的衬垫或隔离物同时使用。
由该保持部件5a-7进行连接的方法的特征在于，没有必要像本发明第一实施方式中所述的保持部件5a为了连接有源部件层3与第二电极层2而需要在其界面上进行粘接，而是能够用简单的方法容易地利用保持部件来进行连接。
接下来，图12A及图12B表示本发明第三实施方式的另一方式的驱动器的俯视图及剖面图。在该驱动器中，作为保持有源部件层3与第二电极层2之间的厚度的保持部件5a，将其插入有源部件层3与第二电极层2之间，用大致U字形的钳夹5b从外部在横向上夹持第二电极层2、第一电解质层4a、有源部件层3、第一电解质层4a、以及第二电极层2。由于本驱动器为平面薄型，因此，作为该钳夹5b，例如由绝缘塑料板形成钳夹状，并通过夹持本驱动器而能够容易地按压保持部件5a。保持部件5a自身不需要有粘接性，可以是衬垫或隔离物。例如，当特氟隆(テフロン，注册商标)制的衬垫等与电极材料界面的摩擦小时，不会妨碍有源部件层3的产生位移。
该保持部件5a与钳夹5b的连接方法也没有必要如本发明第一实施方式中叙述的保持部件5a为了连接有源部件层3与第二电极层2需要在其界面上进行粘接，具有能够利用简单的方法容易地利用保持部件进行连接的特征。并且，在所述的图11A及图11B所述的连接方法中，保持部件需要贯通有源部件层与第二电极层，与此相对，本方式的连接方法不需要贯通，因此没有伴随贯通的局部强度的降低。
(第四实施方式)作为本发明的第四实施方式，对多层叠加的聚合物驱动器进行阐述。
图13A及图13B表示本发明第四实施方式的驱动器的俯视图和剖面图。该驱动器为交替叠加有源部件层3、电解质层4、电极层2而成。即，例如在图13B中，由第二电极层2、第一电解质层4a、有源部件层3、第一电解质层4a、以及第二电极层2构成一个最上层的叠层型的驱动器。并且，将最上层(第一层)的叠层型的驱动器的下端的第二电极层2兼用为位于最上层(第一层)的叠层型驱动器的下方的中间层(第二层)的叠层型驱动器的上端的第二电极层2。并且，与该第二电极层2连续地设置中间层(第二层)的叠层型驱动器的第一电解质层4a、有源部件层3、第一电解质层4a、以及第二电极层2。将中间层(第二层)的叠层型驱动器的下端的第二电极层2兼用作位于中间层(第二层)的叠层型驱动器的下方的最下层(第三层)的叠层型驱动器的上端的第二电极层2。并且，与该第二电极层2连续地设置最下层(第三层)的叠层型驱动器的第一电解质层4a、有源部件层3、第一电解质层4a、以及第二电极层2。
在该第四实施方式的叠层型驱动器中，由于驱动器的构成部件为平面薄型，因此能够容易地形成叠层构造。由于能够采用这种平面叠层构造，因此，与叠层后的驱动器的伸缩相关的有源部件层3的截面比率具有易于提高填充(packing)密度的优点。其结果是，能够增大在单层下截面积受到限制的导电聚合物层的有源部件层3的截面积，从而利于实现在应用于机器人等时具有所需的大产生力的驱动器。并且，向有源部件层3的离子种的进出为扩散过程，其具有有源部件层3薄有利于缩短扩散所需时间的反常关系(trade-of)。因而，优选重叠多个薄有源部件层3以获得截面积。
如上所述，根据本发明，能够提供在可产生大的力的同时，高速动作、制造容易、特别是易于变形、并可在空气中动作的被干化的聚合物驱动器。
并且，通过将所述各种实施方式内的任意的实施方式进行适宜的组合，能够达到各自具有的效果。
工业实用性本发明的聚合物驱动器是平面薄型的聚合物驱动器，其中，将兼作电极或另外设置电极的导电有源部件层作为第一电极层，还具有第二电极层，将至少与有源部件层相接的第一电解质层密封在两电极层间，通过在两电极层间施加电场使有源部件层膨胀收缩，所述第一电解质层为弹性模量在3kN/m2以下的固体电解质或液体电解质，并且该驱动器设有保持有源部件层与所述第二电极层间厚度的保持部件的结构，作为以护理用或家庭用机器人等的机器为代表例的各种机器的驱动源，其作为驱动源自身小型轻量且柔软安全的驱动器使用。
本发明参照附图对最佳实施方式进行充分的记载。但是对该技术熟练的人明白各种变形或修正。其变形或修正只要没有脱离基于权利要求范的本发明的范围，则应理解为被包含其中。
权利要求
1.一种平面薄型的聚合物驱动器，其中，将兼作电极或另外设置电极的导电性有源部件层作为第一电极层，还具有与所述第一电极层对置的第二电极层，将至少与所述有源部件层相接的第一电解质层密封在两电极层间，通过在所述两电极层间施加电场使阴离子及阳离子的至少一种由所述电解质层进出所述有源部件层，由此使所述有源部件层膨胀收缩，在所述聚合物驱动器中，所述第一电解质层为其弹性模量在3kN/m2以下的固体电解质或液体电解质，且设有保持所述有源部件层与所述第二电极层间厚度的保持部件。
2.如权利要求1所述的聚合物驱动器，其中，所述两电极层间具有的电解质层仅由所述第一电解质层构成，通过所述保持厚度的保持部件连接所述有源部件层与所述第二电极。
3.如权利要求1所述的聚合物驱动器，其中，所述两电极层间具有的电解质层由与所述有源部件层相接的第一电解质层和与所述第一电解质层相接的第二固体电解质层构成，通过所述保持厚度的保持部件连接所述有源部件层与所述第二固体电解质层。
4.如权利要求3所述的聚合物驱动器，其中，所述第二固体电解质层与所述保持部件作为固体电解质被一体化。
5.如权利要求3或4所述的聚合物驱动器，其中，沿所述驱动器的驱动方向将所述第二电极层和所述第二固体电解质层分割成多个。
6.如权利要求3或4所述的聚合物驱动器，其中，所述第一电解质层是其弹性模量在3kN/m2以下的固体电解质，其材料是使由阴离子及阳离子构成的离子性液体凝胶化后的材料，其刚性小于所述第二固体电解质层的刚性。
7.如权利要求1或4所述的聚合物驱动器，其中，所述第一电解质层是液体电解质，且为由阴离子及阳离子构成的离子性液体。
8.如权利要求2～4中任一项所述的聚合物驱动器，其中，所述保持部件是将离子性液体固体化后的保持部件。
9.如权利要求1～4中任一项所述的聚合物驱动器，由所述有源部件层、所述电解质层、所述电极层交替叠加而成。
10.如权利要求1～4中任一项所述的聚合物驱动器，其中，所述驱动器的力作用部连接在所述有源部件层的沿所述驱动器的驱动方向的一端部。
11.如权利要求10所述的聚合物驱动器，其中，由不妨碍所述力作用部的动作的柔软密封部件覆盖除所述力作用部之外的整个所述驱动器。
12.如权利要求1～4中任一项所述的聚合物驱动器，其中，所述有源部件层是有机导电性聚合物层，或者是至少含有从碳系微粒、金属系微粒、金属氧化微粒、碳纳米纤维、碳纳米管中选择的任一材料的导电性部件。
13.如权利要求1～4中任一项所述的聚合物驱动器，其中，所述保持部件沿与所述有源部件层的伸缩方向正交的方向设置其长度方向。
14.如权利要求1～4中任一项所述的聚合物驱动器，其中，所述保持部件的截面形状是所述第二电极层一侧的截面积大于相反侧的截面积的梯形或锥形。
全文摘要
本发明提供一种平面薄型的聚合物驱动器，其中，将导电有源部件层作为第一电极层，还具有第二电极层，将至少与所述有源部件层相接的第一电解质层密封在两电极层间，通过在所述两电极层间施加电场使所述有源部件层膨胀收缩，所述第一电解质层为具有特定弹性模量的固体电解质或液体电解质，且设有保持所述有源部件层与所述第二电极层间厚度的保持部件。
文档编号B25J19/00GK101053147SQ200680001150
公开日2007年10月10日 申请日期2006年8月4日 优先权日2005年8月5日
发明者横山和夫, 浅井胜彦, 工藤祐治, 山本正树 申请人:松下电器产业株式会社