[发明专利]导电性高分子致动器、其制造方法及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及能够适用于家庭用机器人等的导电性高分子致动器、其制造方法及其驱动方法。特别是涉及利用电化学反应的致动器及其制造方法。 

背景技术

近年来，在医疗和家庭用的机器人领域中，小型且轻量、富有柔软性的致动器的必要性逐渐增高。其原因在于，希望在家庭或办公室、医院等中帮助家务或帮助工作、以及帮助护理老年人或残障人士等人的机器人活跃在人的周围，用于使该机器人动作的致动器要求具有人的肌肉那样的性质(例如，即使接触也不会受伤的安全性和即使碰撞也不会觉得疼痛的柔软性等)。 

作为小型且轻量的致动器，静电引力型、压电型、超声波式和形状记忆合金式等已经被实用化，然而，若使用无机材料，根据其动作原理不可能获得富有柔软性的致动器。因此，近年来，在各方面广泛地进行通过使用高分子等的有机材料实现轻量且富有柔软性的致动器的尝试。 

例如，有利用电场使凝胶弯曲的致动器(专利文献1)、在介电性弹性体薄膜间施加强电场而使其变形的致动器(非专利文献1)、通过氧化还原反应使导电性高分子伸缩的致动器(专利文献2)等。 

对利用电场使凝胶弯曲的方式的致动器而言，其产生应力小，若不连续施加电场则不能保持弯曲性，因而存在消耗电力增多的问题。另外，对使用介电性弹性体薄膜的致动器而言，变形需要施加数百～数千伏的高电压，在用于家庭用机器人的情况下，存在因电压过高而有触电等危险性的问题。另一方面，利用伴随导电性高分子的氧化还原而产生的伸缩的导电性高分子致动器，具有以下的特征：具有比较简单的结构，容易实现小型化和轻量化，富有柔软性，能够在数伏的 低电压下驱动，产生应力也足够大。 

利用导电性高分子的伸缩的弯曲型致动器，如图2所示，为在固体电解质膜的至少一个面上叠层导电性高分子膜的结构。在图2中，201为致动器元件，202a、202b为导电性高分子膜，203为固体电解质膜，204a、204b为电极。在仅在固体电解质膜的一个面上叠层导电性高分子膜的情况下，为了施加电压，在固体电解质膜的另一个面上形成金属电极薄膜(对电极)。为了施加电压，有时也在导电性高分子膜上形成金属电极薄膜。并且，通过在导电性高分子膜与对电极之间、或在导电性高分子膜间施加规定的电压，使叠层膜弯曲。可以认为其弯曲的动作原理如下所述。即，通过施加电压，导电性高分子发生氧化还原，伴随该反应，离子进入导电性高分子膜中或从其中取出。由于该离子的出入，导致导电性高分子膜的体积发生变化，使其与不发生体积变化的固体电解质膜叠层，所以致动器发生弯曲。在例如图2的结构中，在离子进入上侧的导电性高分子膜中、或离子从下侧的导电性高分子膜中取出的情况下，致动器向下方弯曲；反之，在离子从上侧的导电性高分子膜中取出、或离子进入下侧的导电性高分子膜中的情况下，致动器向上方弯曲。 

作为致动器所使用的导电性高分子，有聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其衍生物(专利文献2)。 

对导电性高分子致动器而言，作为其动作原理，利用离子伴随着导电性高分子的电的氧化还原而在导电性高分子膜中的出入，因此，为了驱动该动作，需要电解质作为离子供给源，而且，为了使其在空气中动作，需要在室温附近的温度下具有足够的离子导电性的固体电解质，近年研究制造出被命名为离子凝胶的材料。这种材料是使在离子液体中分散的聚合物或单体的至少任意一种凝胶化、并在凝胶的三维网状结构中保持离子液体的材料，其具有柔软性，并且在室温下达到10^-2S/cm，为现有的聚醚系高分子固体电解质的100倍以上的值(非专利文献2)。 

此外，作为与本发明关联的文献，可以列举专利文献3和专利文献4。 

在专利文献3中，公开了一种高分子致动器设备。而且，在其图9 及其说明中，公开了一种包括控制电极A(参考标记：203)、由导电性高分子构成的电解位移部A(参考标记201)、电解质部(参考标记：202)、由导电性高分子构成的电解位移部B(参考标记：201′)和控制电极B(参考标记：203′)构成的高分子致动器装置。 

并且，在专利文献3的0077段中，记载了作为导电性高分子优选聚噻吩的技术方案。在专利文献3的0078段中，公开了作为高分子固体电解质使用聚偏氟乙烯等氟系高分子或其共聚物的技术方案。并且，公开了可以在其基本骨架中导入磺酸。