专利名称：导电性高分子驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有相对于压缩方向的刚性及相对于拉伸方向的驱动力的导电性高分子驱动器及使用它的机器人。
背景技术：
随着对家庭用机器人等在靠近人类的场所工作的机械的要求的提高，对像人类肌肉那样进行柔和动作的人工肌肉驱动器的期待也增大。作为人工肌肉驱动器的候补，在此之前提出了各种方式的驱动器，而作为其中之一，提出了采用导电性高分子的驱动器。
作为采用导电性高分子的人工肌肉驱动器的一例，提出了如图11A、图11B、图11C所示的发生挠性变形的驱动器。该驱动器，形成在作为导电性高分子膜的聚苯胺膜体21a、21b中夹入固体电解质成形体22的结构。接通开关98，则在电源97中设定的电位差被施加给聚苯胺膜体21a、21b间，如图11B所示，一方的聚苯胺膜体21b中插入阴离子而伸长，从另一方的聚苯胺膜体脱离阴离子而缩小，结果是发生挠性变形(例如，参照专利文献1(特开平11-169393号公报))。
该构成中，基于作为电极作用的2个导电性高分子膜的变位量的差而使挠性变形发生，不过，另方面，还已知一种驱动器的构成是使电解质托体层为流体或凝胶状物质，因而可使两电极的变形不会相互影响，只抽取单方的导电性高分子的变位并进行伸缩变形。此时，关于不利用变位的电极，不须为导电性高分子，主要采用金属电极，不过，也显示出在金属电极上设置导电性高分子而增加变位的情形(例如，参照非专利文献1(Proceedings of SPIE，Vol.4695的8～16页)。
这种导电性高分子驱动器，以2～3V的低电压可发生与肌肉匹配这样的应变，因而被期待着作为人工肌肉实用化。
可是，在采用导电性高分子作为进行伸缩变形的驱动器时，由于导电性高分子为膜状，因而，那种状态不能具有向拉伸方向的驱动力和向压缩方向的刚性等。作为其措施，非专利文献1(Proceedings of SPIE，Vol.4695的8～16页)示出了一种将由弹簧产生的预压向导电性高分子膜的拉伸方向施加而发生向两方向的驱动力和刚性等的方法。另外，非专利文献2(Japanese Journal of Applied Physics，Vol.41，Part 1，No.12的7532～7536页)示出了一种即使施加由重锤产生的预压也获得同样效果的方法。
不过，由上述构成构成进行伸缩变形的驱动器时也存在课题。在施加由弹簧产生的预压的构成中，要想获得足够的刚性和驱动力而必需刚性高的弹簧，这种情况下，收缩方向变位减少。
另一方面，在施加由重锤产生的预压的构成中，存在受到重力方向的影响、同时重锤质量对动特性造成影响的问题点。
发明内容
为此，本发明的目的在于，鉴于有关问题点，提供不需预压而能够具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的导电性高分子驱动器及使用它的机器人。
为了实施上述目的，本发明如以下构成。
根据本发明的第1方式，提供一种高分子驱动器，具备经由电解质托体层连接的第1导电性高分子膜和第2导电性高分子膜、与上述第1导电性高分子膜连接的第1变位抽取构件、与上述第2导电性高分子膜连接的第2变位抽取构件，并且，上述第1变位抽取构件的变位方向与上述第2变位抽取构件的变位方向配置成不同，同时，上述第1及第2变位抽取构件进行连接以使一方的膨胀方向变位与另一方的收缩方向变位相互交换，在上述第1导电性高分子膜和上述第2导电性高分子膜之间施予电位差，而通过氧化还原反应而使上述第1导电性高分子膜和上述第2导电性高分子膜的一方膨胀、另一方收缩。
发明的效果从而，根据本发明，能够无需预压而获得具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的导电性高分子驱动器。即，根据本发明，利用使一方的膨胀方向变位与另一方的收缩方向变位相互交换的连杆机构将通过氧化还原反应而使一方膨胀、另一方收缩的2个导电性高分子膜进行连接，而能够使一方的导电性高分子膜的拉伸方向的驱动力基于另一方的导电性高分子膜的压缩方向的驱动力而发生。再有，在一方的导电性分子膜的压缩方向施加外力时，基于另一方的导电性高分子膜的拉伸方向的刚性从而另一方也能受到，能够获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的驱动器。
本发明的这些及其他目的和特征，通过下面的关于附图的最佳实施方式的记述将变得清楚。这些图中，图1是表示本发明的第1实施方式的人工肌肉驱动器的概略的斜视图。
图2A是表示本发明的第1实施方式的人工肌肉驱动器的概略的俯视图。
图2B是表示本发明的第1实施方式的人工肌肉驱动器的概略的俯视图。
图2C是表示本发明的第1实施方式的人工肌肉驱动器的概略的俯视图。
图3A是表示本发明的第2实施方式的人工肌肉驱动器的概略的俯视图。
图3B是表示本发明的第2实施方式的人工肌肉驱动器的概略的俯视图。
图3C是表示本发明的第2实施方式的人工肌肉驱动器的概略的俯视图。
图4A是表示本发明的第3实施方式的人工肌肉驱动器的概略的俯视图。
图4B是表示本发明的第3实施方式的人工肌肉驱动器的概略的俯视图。
图4C是表示本发明的第3实施方式的人工肌肉驱动器的概略的俯视图。
图5是表示本发明的第4实施方式的人工肌肉驱动器的概略的斜视图。
图6是表示本发明的第4实施方式的人工肌肉驱动器其他构成的概略的斜视图。
图7是表示本发明的第5实施方式的人工肌肉驱动器的概略的斜视图。
图8A是表示本发明的第5实施方式的人工肌肉驱动器的概略的局部剖开俯视图。
图8B是表示本发明的第5实施方式的人工肌肉驱动器的概略的局部剖开俯视图。
图8C是表示本发明的第5实施方式的人工肌肉驱动器的概略的局部剖开俯视图。
图9是采用本发明的第5实施方式的人工肌肉驱动器的机器臂的概略图。
图10A是采用本发明的第5实施方式的人工肌肉驱动器的机器手的其局部指部的概略图。
图10B是采用本发明的第5实施方式的人工肌肉驱动器的机器手的其局部指部的概略图。
图11A是表示现有构成的人工肌肉驱动器的概略的图。
图11B是表示现有构成的人工肌肉驱动器的概略的图。
图11C是表示现有构成的人工肌肉驱动器的概略的图。
图12A是表示本发明的第1实施方式的人工肌肉驱动器中的导电性高分子伸缩板随着阴离子移动而伸缩的状态的图。
图12B是表示本发明的第1实施方式的人工肌肉驱动器中的导电性高分子伸缩板随着阴离子移动而伸缩的状态的图。
图12C是表示本发明的第1实施方式的人工肌肉驱动器中的导电性高分子伸缩板随着阴离子移动而伸缩的状态的图。
图12D是表示本发明的第1实施方式的人工肌肉驱动器中的导电性高分子伸缩板随着阴离子移动而伸缩的状态的图。
图12E是表示本发明的第1实施方式的人工肌肉驱动器中的导电性高分子伸缩板随着阴离子移动而伸缩的状态的图。
图12F是表示本发明的第1实施方式的人工肌肉驱动器中的导电性高分子伸缩板随着阴离子移动而伸缩的状态的图。
具体实施例方式
在继续本发明的记述之前，在附图中关于相同部件附以相同参照符号。
以下，在根据附图对本发明的实施方式进行详细说明之前，关于本发明的各种形态进行说明。
根据本发明的第1形态，提供一种高分子驱动器，具备经由电解质托体层连接的第1导电性高分子膜和第2导电性高分子膜、与上述第1导电性高分子膜连接的第1变位抽取构件、与上述第2导电性高分子膜连接的第2变位抽取构件，并且，上述第1变位抽取构件的变位方向与上述第2变位抽取构件的变位方向配置成不同，同时，上述第1及第2变位抽取构件进行连接以使一方的膨胀方向变位与另一方的收缩方向变位相互交换，在上述第1导电性高分子膜和上述第2导电性高分子膜之间施予电位差，而通过氧化还原反应而使上述第1导电性高分子膜和上述第2导电性高分子膜的一方膨胀、另一方收缩。
根据这种构成，能够使一方的导电性高分子膜的拉伸方向的驱动力基于另一方的导电性高分子膜的压缩方向的驱动力发生。再有，在一方的导电性分子膜的压缩方向施加外力时，基于另一方的导电性高分子膜的拉伸方向的刚性从而另一方也能受到，能够获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的导电性高分子驱动器。
根据本发明的第2实施形态，提供第1形态所述的导电性高分子驱动器，上述第1及第2变位抽取构件经由连杆机构连接。
根据这种构成，变位抽取构件的变位通过连结机构而容易相互变位，能够获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的导电性高分子驱动器。
根据本发明的第3形态，提供第1形态所述的导电性高分子驱动器，上述第1及第2变位抽取构件的连接为在与各自变位方向形成不同角度的部位的相互连接。
根据这种构成，随着相邻的2个变位抽取构件的与变位方向形成不同角度部位彼此的面方向的相对运动，变位抽取构件的变位相互变换，因此，能够获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的导电性高分子驱动器。
根据本发明的第4形态，提供第1形态所述的导电性高分子驱动器，上述第1及第2变位抽取构件的连接为经由弹性体的连接。
根据这种构成，由于弹性力而使变位减少，不过，能够使一方的导电性高分子膜的拉伸方向的驱动力基于另一方的导电性高分子膜的压缩方向的驱动力而发生。再有，在一方的导电性分子膜的压缩方向施加外力时，基于另一方的导电性高分子膜的拉伸方向的刚性从而另一方也能受到，能够获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的导电性高分子驱动器。
根据本发明的第5形态，提供第2形态的导电性高分子驱动器，上述第1变位抽取构件电连接地保持着上述第1导电性高分子膜的各个端部，同时上述第2变位抽取构件电连接地保持着上述第2导电性高分子膜的各个端部，上述连杆机构，由相同长度的连结构件连结相邻的第1变位抽取构件与上述第2变位抽取构件彼此，由上述连结构件构成平行连杆机构。
根据本发明的第6形态，提供第1～5任意一个形态所述的导电性高分子驱动器，上述第1导电性高分子膜与上述第2导电性高分子在膜厚度方向交错配置。
根据这种构成，第1导电性高分子膜的两面与第2导电性高分子膜对置，同样地，第2导电性高分子膜的两面与第1导电性高分子膜对置，因此，能够获得高密度地多层化的导电性高分子驱动器。
根据本发明的第7形态，提供第1～6任意一个形态所述的导电性高分子驱动器，上述第1导电性高分子膜与上述第2导电性高分子平行配置。
根据这种构成，相邻的导电性高分子膜间的距离为一定，因此，能够减少导电性高分子膜的同一面上的反应的不均，获得更稳定输出的导电性高分子驱动器。
根据本发明的第8形态，提供第7形态所述的导电性高分子驱动器，上述第1导电性高分子膜与上述第2导电性高分子等间隔配置。
根据这种构成，能够使相邻的导电性高分子膜间的距离全部为最小限，能够获得更高密度地多层化的导电性高分子驱动器。
根据本发明的第9形态，提供第1～8任意一个形态所述的导电性高分子驱动器，上述第1变位抽取构件与上述第2变位抽取构件的变位方向分别等同于上述第1导电性高分子膜与上述第2导电性高分子膜的长度方向。
根据这种构成，采用的是由于导电性高分子膜的膨胀收缩而发生的伸缩最大的方向，因此，能够获得驱动器内部的不必要的应变少的导电性高分子驱动器。
根据本发明的第10形态，提供第1～9任意一个形态所述的导电性高分子驱动器，上述第1变位抽取构件与上述第2变位抽取构件的变位方向正交。
根据这种构成，不存在进行负载方向和变位方向的变换时无用的力矩，因此，能够获得有效利用导电性高分子膜的刚性的导电性高分子驱动器。
根据本发明的第11形态，提供第1～10任意一个形态所述的导电性高分子驱动器，上述第1变位抽取构件与上述第2变位抽取构件的任意一个或双方与只在各自的变位抽取构件的变位方向能够移动的导向机构连接。
根据这种构成，基于导向机构抑制作为目的的方向以外的变位，因此，获得驱动力只相对于变位方向作用的导电性高分子驱动器。
根据本发明的第12形态，提供一种机器人，具备机器臂和将第1～5形态的任意一个所述的导电性高分子驱动器作为2个一组的对抗肌结构而构成的上述机器臂的一对驱动部。
根据这种构成，将能够实现上述各种效果的导电性高分子驱动器作为2个1组的对抗肌结构的驱动部，适用于上述机器臂。其结果是获得发挥多自由度、像人类的臂那样柔和动作的机器臂。从而，能够实现特别适用于家庭用途的机器臂。
以下，根据附图对本发明的各种实施方式进行详细说明。
(第1实施方式)图1是表示作为本发明的第1实施方式的导电性高分子驱动器一例的人工肌肉驱动器1的概略的斜视图。另外，图2A～图2C表示其俯视图。
图1中，2a～2d、3a～3c是伴随着氧化还原反应进行膨胀收缩变形的导电性高分子制的矩形例如长方形的作为伸缩体的膜状伸缩板。作为构成导电性高分子膜的伸缩板2a～2d、3a～3c的导电性高分子，可以利用聚吡咯、聚苯胺、聚甲氧基苯胺等，聚吡咯在变位大这点上作为优选。另外，导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c的厚度优选是分别为几十μm左右。若比那薄则强度上弱，若比那厚则离子不能充分进出导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c内部，因此不作为优选。
导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c经由作为电解质托体层一例的凝胶状电解质4a～4f而交错层叠配置。凝胶状电解质4a～4f的厚度优选为几十μm～几mm左右，若比这厚则不能密密地配置导电性高分子伸缩板，驱动器的发生力降低。另方面，若过薄，则凝胶状电解质中所含有的离子变少，驱动器的变位减少。导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c分别由完全相同形状、厚度、材料构成，平行且等间隔配置，相位相差90度且长度方向相互正交配置。另外，凝胶状电解质的电解质托体层4a～4f也分别由完全相同形状、厚度、材料构成，平行且等间隔配置。凝胶状电解质的电解质托体层4a～4f的大小，与导电性高分子伸缩板2a～2d和伸缩板3a～3c相互正交配置时伸缩板2a～2d和伸缩板3a～3c重叠部分的大小几乎相同。从而，导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c及电解质托体层4a～4f，各自的中心轴大致相同，且图中，从上向下，按照导电性高分子伸缩板2a、凝胶状电解质的电解质托体层4a、导电性高分子伸缩板3a、凝胶状电解质的电解质托体层4b、导电性高分子伸缩板2b、凝胶状电解质的电解质托体层4c、导电性高分子伸缩板3b、凝胶状电解质的电解质托体层4d、导电性高分子伸缩板2c、凝胶状电解质的电解质托体层4e、导电性高分子伸缩板3c、凝胶状电解质的电解质托体层4f、导电性高分子伸缩板2d的顺序配置。像这样配置，则可使导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c上的反应的不均减小。另外，相邻的导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c的间隔相等，因此，可以高效地层叠，能够高密度地安装。
导电性高分子伸缩板2a～2d其两端分别由作为变位抽取构件一例的金属结构体5a、5b保持且被电连接。同样，导电性高分子伸缩板3a～3c其两端分别由作为变位抽取构件一例的金属结构体5c、5d保持且被电连接。作为由金属结构体保持导电性高分子伸缩板的方法，有分别由金属结构体5a～5d构成多个金属块、在将导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c夹入在其金属块之间的状态使金属块一体化而形成金属结构体等的方法。作为一体化金属块彼此的方法，能够利用螺丝紧固、焊接、压接或粘接等。金属结构体及金属块的材质，可以利用铂金、钛、镍或不锈钢等，不过，不锈钢在价廉这点上为优选。
金属结构体5a、5b的变位方向等同于导电性高分子伸缩板2a～2d的长度方向，金属结构体5c、5d的变位方向等同于导电性高分子伸缩板3a～3c的长度方向，金属结构体5a、5b和金属结构体5c、5d各自的变位方向相互正交配置。若考虑到使金属结构体5a、5b和金属结构体5c、5d各个变位，则导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c相对于与金属结构体5a、5b和金属结构体5c、5d各自变位方向不同方向的变形，由于不必要的应变的原因而不作为优选。为此，金属结构体5a～5d的变位方向采用导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c变形最大的方向、换言之伸缩方向，因而可减少驱动器内部的不必要的应变。
金属结构体5a～5d，在它们上面的中心，利用销20分别由相同长度的绝缘性的作为连结构件一例的连结棒6a～6d转动自由地连接，连结棒6a～6d组合构成平行四边形框、构成4节连杆机构30。金属结构体5a～5d的里面(图中金属结构体5a～5d的下面侧)，也同样在它们上面的中心，利用销20分别由相同长度的绝缘性的其他的连结棒6a～6d设置其他的连杆机构30。形成这种构成，则在进行负载方向和变位方向等的变换时不会发生无用的力矩，能够高效地利用导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c的刚性和发生力等。
另外，与金属结构体5a连接的配线，与电源7的一个极连接。电源7的另一个极上经由开关8连接金属结构体5c。
接下来，对该人工肌肉驱动器1的作用进行说明。
作为导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c收缩的原因，有阴离子的进出、阳离子的进出、高分子结构的变化等，不过，在根据图2A、图2B及图2C进行的动作原理说明中，聚吡咯等材料系统中阴离子的掺杂、不掺杂作为主要的变形机理，因而关于阴离子的进出进行叙述。
图2A表示在断开开关的状态没有对导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c外加电压状态，图2B表示对导电性高分子伸缩板2a～2d外加正电位而对导电性高分子伸缩板3a～3c外加负电位的情况。另外，图2C表示对导电性高分子伸缩板2a～2d外加负电位而对导电性高分子伸缩板3a～3c外加正电位的情况。
图12A～12F表示图2A、图2B和图2C的离子活动状态。即，图12A、图12B和图12C、图12D和图12E、图12F分别与图2A、图2B和图2C对应。分别是图12A、图12C、图12E是表示导电性高分子伸缩板2a～2d的长度方向变位的图，图12B、图12D、图12F是表示与图12A、图12C、图12E相差90度相位的导电性高分子伸缩板3a～3c的长度方向变位的图。如这些图所示，导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c各自由于阴离子进入内部而拉伸，由于阴离子从内部释放而收缩。具体如以下。
首先，若从图2A及图12A、图12B的无外加电压的开关断开状态，如图2B及图12C、图12D所示对导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c外加电位，则无外加电压时分别均匀地存在于凝胶状电解质的电解质托体层4a～4f上的阴离子被吸引到正电极侧的导电性高分子伸缩板2a～2d侧，进入导电性高分子伸缩板2a～2d内部。伴随着该氧化还原过程，导电性高分子伸缩板2a～2d沿长度方向一齐伸长。另方面，从负电极侧的导电性高分子伸缩板3a～3c侧向凝胶状电解质的电解质托体层4a～4f释放出存在于内部的阴离子。伴随着该氧化还原过程，导电性高分子伸缩板3a～3c沿长度方向一齐收缩。这些伸长及收缩的结果是，上述连杆机构30的连结棒6a～6d在无外加电压时呈正方形，而如图2B所示呈纵向长的平行四边形。
导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c为膜状物质，因此，不能在拉伸方向发生驱动力，而导电性高分子伸缩板3a～3c的收缩通过由4根连结棒6a～6d构成的4节平行连杆机构30变换到导电性高分子伸缩板2a～2d的拉伸方向(即，图2B的上下方向)，从而，人工肌肉驱动器1向导电性高分子伸缩板2a～2d的拉伸方向变形，发生驱动力。
另外，图2C及图12E、图12F表示对导电性高分子伸缩板2a～2d外加负电位而对导电性高分子伸缩板3a～3c外加正电位的情况。与图2B的情况相反，无外加电压时均匀地存在于凝胶状电解质的电解质托体层4a～4f上的阴离子被吸引到正电极侧的导电性高分子伸缩板3a～3c侧，进入导电性高分子伸缩板3a～3c内部。伴随着该氧化还原过程，导电性高分子伸缩板3a～3c伸长。另方面，从负电极侧的导电性高分子伸缩板2a～2d侧向凝胶状电解质的电解质托体层4a～4f释放出存在于内部的阴离子。伴随着该氧化还原过程，导电性高分子伸缩板2a～2d收缩。这些伸长及收缩的结果是，上述连杆机构30的连结棒6a～6d在无外加电压时呈正方形，而如图2C所示呈横向长的平行四边形。
导电性高分子伸缩板2a～2d的收缩通过由4根连结棒6a～6d构成的4节平行连杆机构30变换到导电性高分子伸缩板3a～3c的拉伸方向(即，图2C的左右方向)，而导电性高分子伸缩板3a～3c拉伸，因此，不会妨碍导电性高分子伸缩板2a～2d的收缩，人工肌肉驱动器1向导电性高分子伸缩板2a～2d的收缩方向(即，图2C的左右方向)变形，发生驱动力。
反之，相对于驱动器1施加朝向导电性高分子伸缩板2a～2d收缩方向(即，图2C的上下方向)的外力时，导电性高分子伸缩板2a～2d不具有向收缩方向的刚性，不过，其外力，经由由连结棒6a～6d构成的4节连杆机构30、由于导电性高分子伸缩板3a～3c的拉伸方向(即，图2C的左右方向)的刚性而受阻。另外，关于朝向导电性高分子伸缩板2a～2d拉伸方向的外力，也照旧由于导电性高分子伸缩板2a～2d的刚性而受阻。
如上所述，根据第1实施方式，其配置是使与上述作为第1导电性高分子膜的伸缩体2a～2d连接的上述第1变位抽取构件的金属结构体5a、5b的变位方向、和与上述作为第2导电性高分子膜的伸缩体3a～3c连接的上述第2变位抽取构件的金属结构体5c、5d的变位方向不同，同时，上述第1及第2变位抽取构件的金属结构体5a、5b及5c、5d，具备由连结棒6a～6d构成的4节连杆机构30以使一方的膨胀方向变位与另一方的收缩方向变位相互变换。像这样构成，则能够利用使一方的导电性高分子膜的收缩方向变位与另一方的导电性高分子膜的膨胀方向变位相互变换的连杆机构30，将通过氧化还原反应而使一方膨胀、另一方收缩的2种导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c进行连接，能够使一方的导电性高分子膜的拉伸方向的驱动力基于另一方的导电性高分子膜的压缩方向的驱动力而发生。即，向导电性高分子伸缩板2a～2d收缩方向的变形经由4节连杆机构30而相互变换成向导电性高分子伸缩板3a～3c拉伸方向的变形，同时，向导电性高分子伸缩板2a～2d拉伸方向的变形也经由4节连杆机构30而相互变换成向导电性高分子伸缩板3a～3c压缩方向的变形，因而，能够使一方的作为导电性高分子膜的伸缩体2a～2d或3a～3c的拉伸方向的驱动力基于另一方的作为导电性高分子膜的伸缩体3a～3c或2a～2d而发生。再有，在对一方的作为导电性高分子膜的伸缩体2a～2d或3a～3c的压缩方向施加外力的情况下，能够基于另一方的作为导电性高分子膜的伸缩体3a～3c或2a～2d而使另一方也受到，因此，能够获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的导电性高分子驱动器。
还有，第1实施方式中，关于由变位抽取构件5a、5b和5c、5d分别夹入并保持导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c的方法进行了说明，而保持方法并不限定于此，也可以在设置于导电性高分子伸缩板的孔部中插入变位抽取构件而进行保持。另外，还可以在将导电性高分子伸缩板折叠形成环状的部分中插入变位抽取构件，或在设置于变位抽取构件的孔部中安装用以防止在通过导电性高分子伸缩板后脱离的限位板等、只进行变位抽取构件向拉伸方向移动或只相对于导电性高分子伸缩板的收缩进行保持。另外，第1实施方式中，是在两面设置连杆机构30，而这也不一定为两面，可以是单面。再有，连结棒6a～6d也不一定为绝缘性的，只要不短路电源7两极即可，因此，可以使与变位抽取构件5a、5b、5c、5d的连结部具有绝缘性。关于变位抽取构件也不一定为金属体，只要具备用以连接电源7与导电性高分子伸缩板的配线部即可。另外，可以将配线直接与导电性高分子伸缩板连接、而不与变位抽取构件连接。关于这些任意情况，都含在本发明中。
(第2实施方式)图3A～图3C是表示作为本发明的第2实施方式的导电性高分子驱动器一例的人工肌肉驱动器1B的概略的俯视图。还有，对实现与上述第1实施方式同样功能的部分，附以同一符号而省略重复说明。
第2实施方式中，取代第1实施方式中的由连结棒6a～6d构成的4节连杆机构30，而是使作为变位抽取构件一例的金属结构体5a～5d端部相互接触而配置。在各接触面上设置绝缘性的板状滑动构件9a～9h。即，在金属结构体5a的两侧部的接触面上分别固定有滑动构件9a和9b，在金属结构体5b的两侧部的接触面上分别固定有滑动构件9c和9d，在金属结构体5c的两侧部的接触面上分别固定有滑动构件9e和9f，在金属结构体5d的两侧部的接触面上分别固定有滑动构件9g和9h。从而，在金属结构体5a和金属结构体5c之间滑动构件9a与滑动构件9e能够滑动地对置，在金属结构体5c和金属结构体5b之间，滑动构件9f与滑动构件9c能够滑动地对置，在金属结构体5b和金属结构体5d之间，滑动构件9d与滑动构件9g能够滑动地对置，在金属结构体5d和金属结构体5a之间，滑动构件9h与滑动构件9b能够滑动地对置。作为滑动构件9a～9h的材料，由于氟树脂等在具有低摩擦特性、耐药品性等方面作为优选。接触面的角度，为与金属结构体5a～5d的变位方向不同的角度(例如，与变位方向倾斜了45度的角度)，相对于人工肌肉驱动器1B施加朝向导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2的收缩方向的外力时，在导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2上发生拉伸方向的变位。从而，施加的外力由于导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2的刚性而受阻。另外，在对导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2施加正电压而拉伸时，同时对导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2施加负电压而使其收缩，因此，金属结构体5a、5b随着金属结构体5c、5d向导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2收缩方向变位，而向导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2拉伸方向变位。关于导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c，在第2实施方式中，成为将第1实施方式中的导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c分别分割成2半的状态，即，导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c分别由2块并列配置的伸缩板2a-1、2a-2、2b-1、2b-2、2c-1、2c-2、2d-、2d-2、3a-1、3a-2、3b-1、3b-2、3c-1、3c-2构成，而这样一来，则更能够抑制相对于与变位方向不同方向的膨胀。关于分割，并不限定地分成2半，可以根据必要分割得更细，也可以不分割。另外，图3A～图3C中，在导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2间及伸缩板3a-1、3a-2间，分别设置间隙，而关于该间隙不设置也没问题。
如上所述，根据第2实施方式，导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2向收缩方向的变形与导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2向拉伸方向的变形可以相互变换，同时导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2向拉伸方向的变形与导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2向收缩方向的变形可以相互变换，因而，能够使一方的作为导电性高分子膜的伸缩板的拉伸方向的驱动力基于另一方的作为导电性高分子膜的伸缩板的压缩方向的驱动力而发生。再有，在向一方的作为导电性高分子膜的伸缩板的压缩方向施加外力时，能够基于另一方的作为导电性高分子膜的伸缩板的拉伸方向的刚性而使另一方也受到，因此，能够获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的导电性高分子驱动器。
还有，第2实施方式中，在作为变位抽取构件的金属结构体5a～5d的端部设有滑动构件9a～9h，不过它也可以是球状、圆柱状等实现滚动接触的构件。另外，关于变位抽取构件不一定为金属体，只要具备用以连接电源7与导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c的配线部即可。再有，变位抽取构件为氟树脂等形成，因而可以不采用滑动构件而直接接触。
另外，使变位抽取构件相互连接的方法，并不限定于接触，可以是利用非接触性的物理作用产生的相互连接。作为这种作用可以利用磁石的排斥力和静电排斥力等。
关于这些任意情况，都含在本发明中。
(第3实施方式)图4A～图4C是表示作为本发明的第3实施方式的导电性高分子驱动器一例的人工肌肉驱动器1C的概略的俯视图。还有，对实现与上述第1实施方式同样功能的部分，附以同一符号而省略重复说明。
第3实施方式中，取代第1实施方式中的由连结棒6a～6d构成的4节连杆30，而是利用作为绝缘性弹性体一例的弹性体环10连结金属结构体5a～5d。具体地说，1个弹性体环10和各个金属结构体5a～5d上面的例如中央部由销19固定。相对于人工肌肉驱动器1C施加朝向导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2的收缩方向的外力时，弹性体环10向外力方向压缩的同时、还向导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2拉伸方向伸长。从而，施加的外力由于导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2的刚性而受阻。另外，在对导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2施加正电压而拉伸时，同时对导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2施加负电压而使其收缩，因此，金属结构体5a、5b随着金属结构体5c、5d向导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2收缩方向变位，而向导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2拉伸方向变位。
如上所述，根据第3实施方式，导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2向收缩方向的变形与导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2向拉伸方向的变形可以相互变换，同时导电性高分子伸缩板2a-1、2a-2向拉伸方向的变形与导电性高分子伸缩板3a-1、3a-2向收缩方向的变形可以相互变换，因而，能够使一方的导电性高分子伸缩板的拉伸方向的驱动力基于另一方的导电性高分子伸缩板的压缩方向的驱动力而发生。再有，在向一方的导电性高分子伸缩板的压缩方向施加外力时，能够基于另一方的导电性高分子伸缩板的拉伸方向的刚性而使另一方也受到，因此，能够获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的导电性高分子驱动器。
还有，第3实施方式中，弹性体环不一定为绝缘性，只要不短路电源7两极即可，因此，可以使与变位抽取构件的连结部具有绝缘性，且可以使变位抽取构件为绝缘性。关于这些任意情况，都含在本发明中。
(第4实施方式)图5是表示作为本发明的第4实施方式的导电性高分子驱动器一例的人工肌肉驱动器1D的概略的斜视图。还有，对实现与上述实施方式同样功能的部分，附以同一符号而省略重复说明。
第4实施方式中，成为在第1实施方式上附加导向机构18的结构。金属结构体5b-1由大致H形状的金属板体构成，在上面侧及下面侧分别突出的凸部，分别固定圆棒状导轨11a、11b、11c、11d的各一端。金属结构体5a-1由与金属结构体5b-1几乎相同大小的大致H形状的金属板体构成，在上面侧及下面侧分别突出的凸部，分别经由贯通轴承(没有图示)保持圆棒状导轨11a、11b、11c、11d的各另一端。金属结构体5c-1由比金属结构体5b-1、5a-1大的大致H形状的金属板体构成，在上面侧及下面侧分别突出的凸部，分别固定圆棒状导轨11e、11f、11g、11h的各一端。金属结构体5d-1由比金属结构体5b-1、5a-1大的大致H形状的金属板体构成，在上面侧及下面侧分别突出的凸部，分别经由贯通轴承(没有图示)保持圆棒状导轨11e、11f、11g、11h的各一端。从而，在导轨11a、11b、11c、11d外侧与它们正交配置导轨11e、11f 11g、11h。各个连杆机构30配置在导轨11a、11b、11c、11d内侧，各个连杆机构30的连结棒6a、6b、6c、6d的移动动作与各个凸部不接触，以使不妨碍上述动作。导轨11a～11d的方向等同于导电性高分子伸缩板2a～2d的伸缩方向，导轨11e～11h的方向等同于导电性高分子伸缩板3a～3c的伸缩方向。如此构成导向机构18，从而使金属结构体5a-1、5b-1、5c-1、5d-1变位的方向被限定。即，即使由于导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c上的伸缩的不均和各构件上的衰减等要因，而相对于金属结构体5a-1、5b-1、5c-1、5d-1施加朝向与规定变位方向不同方向的驱动力，金属结构体5a-1、5b-1、5c-1、5d-1也只向导电性高分子伸缩板2a～2d、3a～3c的伸缩方向变位。
如上所述，根据第4实施方式，能够与第1实施方式同样获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性、且变位抽取构件的变位方向和驱动力的方向不受由于导电性高分子发生的变位不均和结构上的误差等造成的影响的导电性高分子驱动器。
还有，第4实施方式中，导轨11a～11d、11e～11h的根数在每一个方向上设置4根，不过，不一定为4根，只要是1根以上即可。另外，在2个方向上设置导轨，不过，这也可以如图5所示，只在金属结构体5a-1、5b-1上设置导轨11a～11d而使导轨只为1个方向。再有，导向不一定为导轨，可以利用各种直线导轨。关于这些任意情况，都含在本发明中。
(第5实施例)图7是表示作为本发明的第5实施方式的导电性高分子驱动器一例的人工肌肉驱动器1E的概略的斜视图。另外，图8A、图8B、图8C分别表示其剖视图。即，图8A表示在断开开关的状态没有对导电性高分子伸缩板2a～2b、3a～3c外加电压状态，图8B表示对导电性高分子伸缩板2a～2b外加负电位而对导电性高分子伸缩板3a～3c外加正电位的情况。另外，图8C表示对导电性高分子伸缩板2a～2b外加正电位而对导电性高分子伸缩板3a～3c外加负电位的情况。还有，对实现与上述实施方式同样功能的部分，附以同一符号而省略重复说明。
图8A、图8B、图8C各图中，导电性高分子伸缩板2a～2b、3a～3c、作为变位抽取构件其他例的矩形金属板5a～5d，配置在充满由正方体箱状外壳12、矩形板状盖13围起的密闭空间的作为电解质托体层其他例的电解液14的液体中的大致中央部。作为电解液14，可以利用将NaPF6或TBAPF6等电解质熔解在水或碳酸丙烯酯等有机溶剂中得到的液体、和BMIPF6等离子性液体。作为阴离子含有PF6的电解质，与导电性高分子聚吡咯的组合由于可获得大的变位而作为优选。4个变位抽取构件5a～5d中的变位抽取构件5a固定在盖13内面以使与盖13为一体。
变位抽取构件5b上连接有杆15，杆15贯通外壳12上设置的密封构件16a，突出到外壳12外部。与变位抽取构件5a连接的配线，经过盖13具备的密封构件16b，与电源7的一极连接。电源7的另一极上经由开关8连接有变位抽取构件5c。连接开关8与变位抽取构件5c的配线，通过盖13具备的密封构件16c，连接由外壳12、盖13围起的空间内外。
其结果是，从图8A的开关断开的状态如图8B所示，对导电性高分子伸缩板2a～2b外加负电位而对导电性高分子伸缩板3a～3c外加正电位时，4节连杆机构30上下方向伸长、左右方向压缩，变位抽取构件5b比图8A向图8B的左方向移动，从而，杆15进入外壳12内。反之，如图8C所示，对导电性高分子伸缩板2a～2b外加正电位而对导电性高分子伸缩板3a～3c外加负电位时，4节连杆机构30左右方向伸长、上下方向压缩，变位抽取构件5b比图8A向图8B的右方向移动，从而，杆15从外壳12内出来。
根据这种构成，能够获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性、且变位抽取构件5a～5d的变位方向和驱动力的方向不受由于导电性高分子伸缩板2a～2b、3a～3c发生的变位不均和结构上的误差等造成的影响这样的具有与实施方式同样特征且容易保持的推挽型导电性高分子驱动器。
还有，第5实施方式中，电解质托体层为电解液14，而也可以与上述实施方式同样采用凝胶状电解质4a、4b等。关于这些任意情况，都含在本发明中。
另外，图9表示采用多只第5实施方式的人工肌肉驱动器1E的机器臂的构成例。将人工肌肉驱动器1a～1h以2个1组作为对抗肌结构、构成各机器臂的一对驱动部。使各机器臂的一对驱动部中的一方驱动部拉伸、另一方面驱动部收缩，另外，再使它们进行相反动作，而能够使连结机器臂的一对驱动部的轴101～104发生正反旋转运动。具体地说，图9的构成中，利用人工肌肉驱动器1a、1b的拉伸及收缩动作而使上下轴101正反旋转，以下同样，分别利用人工肌肉驱动器1c、1d的拉伸及收缩动作而使轴102正反旋转，利用人工肌肉驱动器1e、1f的拉伸及收缩动作而使轴103正反旋转，利用人工肌肉驱动器1g、1h的拉伸及收缩动作而使轴104分别正反旋转。
详细地说，4自由度的机器臂，由相对于固定壁301沿上下方向轴在沿横向的平面内正反旋转的第1关节上下轴101、在沿上下方向的平面内正反旋转的第2关节轴102、在第2臂308和第1臂311间相互正反旋转的第3关节轴103和在第1臂311和手313间相互正反旋转的第4关节轴104构成。
第1关节101，在上下端部由轴承304和305旋转自由且沿上下方向支撑的旋转轴303上端部的两侧，旋转自由地连结圆形支撑体302、302，且人工肌肉驱动器1a、1b(其中人工肌肉驱动器1b配置在人工肌肉驱动器1a背后而没有图示。)的各一端部与固定壁301连结，同时各另一端部与上述各圆形支撑体302的支撑轴102(第2关节轴102)连结。从而，利用人工肌肉驱动器1a、1b的对抗驱动，能够环绕第1关节上下轴101在沿横向的平面内使第2臂308和手313一体地正反旋转运动。还有，上侧的轴承305由支撑棒306支撑在固定壁301上。
第2关节，在固定于旋转轴303两侧的2个支撑体302、302上固定第2臂用连杆308一端。在第2臂用连杆308的圆形支撑体302、302和垂直于旋转轴303一端固定的支撑体307、307之间，连结有人工肌肉驱动器1c、1d，利用人工肌肉驱动器1c、1d的对抗驱动，能够环绕作为第2关节的支撑轴102的横轴在沿上下方向的面内使机器臂的第1臂311、第2臂308和手313一体地正反旋转。
第3关节，在沿第2臂308、且与第2臂308交叉并旋转自由地与第2臂308前端连结、且固定第1臂311基端的支撑体310，和垂直于第2臂308固定的支撑体309、309间连结有人工肌肉驱动器1e、1f，利用人工肌肉驱动器1e、1f的对抗驱动，能够环绕作为第3关节的支撑轴103的横轴在沿上下方向的面内使机器臂的第1臂311和手313一体地正反旋转。
第4关节，在沿第1臂311、且在第2臂308前端与第1臂311基端间与第1臂311交叉、且固定在第1臂311基端的支撑体310，和在第1臂311前端与手313基端间与第1臂311交叉、且固定在手313基端的支撑体312间，连结有人工肌肉驱动器1g、1h，利用人工肌肉驱动器1g、1h的对抗驱动，能够环绕作为第3关节的支撑轴103的横轴在沿上下方向的平面内使手313正反旋转。
人工肌肉驱动器1a、1b、人工肌肉驱动器1c、1d、人工肌肉驱动器1e、1f、人工肌肉驱动器1g、1h分别由控制计算机1001适宜控制各自的电源7的电压和开关8的状态等，而控制人工肌肉驱动器1a、1b、人工肌肉驱动器1c、1d、人工肌肉驱动器1e、1f、人工肌肉驱动器1g、1h的各自的收缩·拉伸动作。
另外，图10A及图10B表示采用至少1只第5实施方式的人工肌肉驱动器1E的机器手局部的指部的构成例。人工肌肉驱动器1E固定在机器手的甲壳31上，随着电源7、开关8的状态，而使与人工肌肉驱动器1E的杆15连接的金属丝34进退。金属丝34贯通基端侧的指32a、32b，与前端侧的指32c结合。甲壳31和指32a经由旋转轴33a在能够旋转的状态下连结。若人工肌肉驱动器1E收缩，则金属丝34被拉向甲壳31的方向，因而，机器手的指部如图10B所示变形以使成为弯曲的状态。反之，若人工肌肉驱动器1E拉伸，则金属丝34从甲壳31拉出，因而，机器手的指部如图10A所示变形以使成为伸长的状态。
人工肌肉驱动器1E，是通过控制计算机1000适宜控制电源7的电压和开关8的状态等，控制人工肌肉驱动器的收缩·拉伸动作。与此相伴，控制机器手的指部的弯曲动作。另外，机器手的多个指部分别采用人工肌肉驱动器1E，从而，能够控制把持动作。
形成这种构成，则能够获得像人类的手指或手那样进行柔和动作的机器手的指部或机器手。从而，能够实现特别适于家庭用途的机器手的指部或机器手。
还有，上述各实施方式，是使导电性高分子伸缩板2a、2a-1、2a-2、2b、2c、2d、3a、3b、3c发生适当的变位，因而，外加在柔软电极上的电压优选是设定为不会在作为电解质托体层的凝胶状电解质4a、4b、4c、4d、4e、4f和电解液14中发生电解那种程度的电压。
还有，能够通过对上述各种实施方式中的任意实施方式进行适宜组合从而实现各自独特的效果。
产业上的可利用性本发明的导电性高分子驱动器，能够获得即使不施加预压也具有拉伸方向的驱动力和压缩方向的刚性的驱动器，作为人工肌肉驱动器等有用，同时，利用它适于作为机器人的机器臂和机器手的驱动部。
本发明，参照附图关于最佳实施方式进行叙述，不过，对于很熟悉该技术的人们来说可联想到各种变形和修正等。本发明应该理解为像那样的变形和修正等只要不脱离由附加的权利要求范围限定的本发明的范围都包含在其中。
权利要求
1.一种导电性高分子驱动器，具备经由电解质托体层连接的第1导电性高分子膜和第2导电性高分子膜、与上述第1导电性高分子膜连接的第1变位抽取构件、与上述第2导电性高分子膜连接的第2变位抽取构件，并且，上述第1变位抽取构件的变位方向与上述第2变位抽取构件的变位方向配置成不同，同时，上述第1及第2变位抽取构件进行连接以使一方的膨胀方向变位与另一方的收缩方向变位相互交换，在上述第1导电性高分子膜和上述第2导电性高分子膜之间施予电位差，而通过氧化还原反应而使上述第1导电性高分子膜和上述第2导电性高分子膜的一方膨胀、另一方收缩。
2.根据权利要求1所述的导电性高分子驱动器，上述第1及第2变位抽取构件经由连杆机构连接。
3.根据权利要求1所述的导电性高分子驱动器，上述第1及第2变位抽取构件在与各自变位方向呈不同角度的部位相互连接。
4.根据权利要求1所述的导电性高分子驱动器，上述第1及第2变位抽取构件经由弹性体连接。
5.根据权利要求2所述的导电性高分子驱动器，上述第1变位抽取构件电连接地保持上述第1导电性高分子膜的各个端部，同时上述第2变位抽取构件电连接地保持上述第2导电性高分子膜的各个端部，上述连杆机构，由相同长度的连结构件将相邻的第1变位抽取构件与上述第2变位抽取构件彼此连结，由上述连结构件构成平行连杆机构。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的导电性高分子驱动器，上述第1导电性高分子膜与上述第2导电性高分子在膜厚度方向上交错配置
7.根据权利要求1～5任意一项所述的导电性高分子驱动器，上述第1导电性高分子膜与上述第2导电性高分子平行配置
8.根据权利要求7所述的导电性高分子驱动器，上述第1导电性高分子膜与上述第2导电性高分子等间隔配置。
9.根据权利要求1～5任意一项所述的导电性高分子驱动器，上述第1变位抽取构件与上述第2变位抽取构件的变位方向分别与上述第1导电性高分子膜与上述第2导电性高分子膜的长度方向相同。
10.根据权利要求1～5任意一项所述的导电性高分子驱动器，上述第1变位抽取构件与上述第2变位抽取构件的变位方向正交。
11.根据权利要求1～5任意一项所述的导电性高分子驱动器，上述第1变位抽取构件及上述第2变位抽取构件中任意一个或双方与只在各自的变位抽取构件的变位方向上能够移动的导向机构连接。
12.一种机器人，具备机器臂、和将权利要求1～5任意一项所述的导电性高分子驱动器作为2个一组的对抗肌结构而构成的上述机器臂的一对驱动部。
全文摘要
一种导电性高分子驱动器，利用使一方的收缩方向变位与另一方的膨胀方向变位相互变换的连杆机构(30)将通过氧化还原反应而使一方膨胀、另一方收缩的2个导电性高分子膜(2a、3a)进行连接，而能够使一方的导电性高分子膜的拉伸方向的驱动力基于另一方的导电性高分子膜的压缩方向的驱动力而发生。
文档编号H02N11/00GK1771657SQ20058000027
公开日2006年5月10日 申请日期2005年5月6日 优先权日2004年5月24日
发明者浅井胜彦, 横山和夫 申请人:松下电器产业株式会社