專(zhuān)利名稱(chēng)：聚合物驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠適用家用機(jī)器人、且通過(guò)電激勵(lì)發(fā)生變形的柔軟輕量的聚合物驅(qū)動(dòng)器(polymer actuator)。
背景技術(shù)：
作為以往的工業(yè)用機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)源，使用電磁電動(dòng)機(jī)、油壓驅(qū)動(dòng)器、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器等。使用這些驅(qū)動(dòng)源的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用由金屬主體構(gòu)成的電磁電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)、或者使用金屬制的油壓或氣動(dòng)氣缸等，其自身由硬且重的材料制成，并在工廠的特定地點(diǎn)被管理使用。
與此相對(duì)，對(duì)于被期望在家庭、辦公室或醫(yī)院內(nèi)幫助家務(wù)、幫助工作或幫助照顧老年人和殘疾人等而在人類(lèi)周?chē)钴S的機(jī)器人等機(jī)器的驅(qū)動(dòng)源，需要驅(qū)動(dòng)源自身小型輕量且柔軟，還需要安全。作為此種驅(qū)動(dòng)器，雖然在所述的氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器中具有富于柔軟性的橡膠制的氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器，但是需要用于驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)或控制閥等輔機(jī)類(lèi)，因此系統(tǒng)整體的輕量化受到限制。與此相應(yīng)，提議有使用了輕量且富于柔軟性的各種聚合物材料的人造肌肉驅(qū)動(dòng)器，且迫切期望其實(shí)用化。
對(duì)于通過(guò)電激勵(lì)動(dòng)作的聚合物驅(qū)動(dòng)器，被記載在非專(zhuān)利文獻(xiàn)1中并作為其主旨內(nèi)容。在高分子凝膠、合金離子聚合物、有機(jī)導(dǎo)電聚合物、具有碳系材料分散型的導(dǎo)電性的聚合物、碳納米管、介電性彈性材料等中進(jìn)行通過(guò)電激勵(lì)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的聚合物驅(qū)動(dòng)器的研究。其中，有機(jī)導(dǎo)電聚合物能夠在較低的電壓下驅(qū)動(dòng)，其產(chǎn)生的應(yīng)力具有超過(guò)活體肌肉的能力，從而作為具有輕量且柔軟性質(zhì)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)其有所期待。
此外，作為具有大的發(fā)生力的驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于諸如分散碳納米管的導(dǎo)電聚合物材料的具有分散碳系材料的導(dǎo)電性的聚合物材料也有所期待。
到此，這些聚合物驅(qū)動(dòng)器中的多數(shù)在電解液中動(dòng)作。作為可在空氣中動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)器的一例，在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中公開(kāi)有下述彎曲型驅(qū)動(dòng)器，其在兼具電極與有源部件層的有機(jī)導(dǎo)電聚合物的兩層膜間夾有固體電解質(zhì)。此外，同樣作為可在空氣中動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)器的另外一例公開(kāi)于專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，其為作為有源部件層的導(dǎo)電聚合物層與對(duì)置電極之間夾有電解質(zhì)層的直動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器。
專(zhuān)利文獻(xiàn)1日本專(zhuān)利文獻(xiàn)特開(kāi)平11-169394號(hào)公報(bào)；專(zhuān)利文獻(xiàn)2日本專(zhuān)利文獻(xiàn)特開(kāi)2005-51949號(hào)公報(bào)。
非專(zhuān)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.

發(fā)明內(nèi)容
但是，在專(zhuān)利文獻(xiàn)1的彎曲型的驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)中存在下述問(wèn)題驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作受到撓度的制約，雖然能夠得到比較大的位移，但是由于撓度剛性低，因此不能發(fā)揮出大的力。
此外，作為在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中公開(kāi)的可在空氣中動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)器不是利用撓度變形，而是使導(dǎo)電聚合物在長(zhǎng)度方向上伸縮變形的驅(qū)動(dòng)器，其公開(kāi)了將兼具電極與有源部件層的帶狀的有機(jī)導(dǎo)電聚合物設(shè)置在圓柱狀的固體電解質(zhì)的中心，且設(shè)置了與圓柱狀的固體電解質(zhì)的外周對(duì)置的電極的示例。但是作為驅(qū)動(dòng)器而進(jìn)行伸縮的導(dǎo)電聚合物部為圓筒狀，在捆住情況下，存在用于驅(qū)動(dòng)的有源部件層的有效截面積小的問(wèn)題。
針對(duì)與此，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了可以提高有源部件層的有效截面積，且能夠產(chǎn)生大的力的疊層為層狀的直動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器。但是，在此種驅(qū)動(dòng)器中，為不阻礙有源部件層的伸縮在將電解質(zhì)層軟化的情況下，如果在有源部件層內(nèi)產(chǎn)生大的歪曲地反復(fù)地動(dòng)作，則層間可能會(huì)發(fā)生剝離。
因此，作為被期望在家庭、辦公室或醫(yī)院中幫助家務(wù)、幫助工作或幫助照顧老年人和殘疾人等而在人類(lèi)周?chē)钴S的機(jī)器人等機(jī)器的驅(qū)動(dòng)源，需要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)源自身小型輕量而且柔軟，還需安全的驅(qū)動(dòng)器。
從而，本發(fā)明的目的在于提供一種解決上述問(wèn)題的使用了聚合物材料的聚合物驅(qū)動(dòng)器，作為驅(qū)動(dòng)源自身小型輕量且柔軟安全的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其能夠產(chǎn)生大的力，并且高速動(dòng)作，容易制造，特別是變形好。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明如下構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第一方式，提供一種平面薄型的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，將兼作電極或另外設(shè)置電極的導(dǎo)電有源部件層作為第一電極層，還具有與所述第一電極層對(duì)置的第二電極層，將至少與有源部件層相接的第一電解質(zhì)層密封在兩電極層間，通過(guò)在兩電極層間施加電場(chǎng)使陰離子及陽(yáng)離子的至少一種由所述電解質(zhì)層進(jìn)出所述有源部件層，從而使所述有源部件層膨脹收縮，其中，所述第一電解質(zhì)層為彈性模量在3kN/m2以下的固體電解質(zhì)或液體電解質(zhì)，且設(shè)有保持所述有源部件層與所述第二電極層間厚度的保持部件。
根據(jù)本發(fā)明，使電解質(zhì)層為其彈性模量在3kN/m2以下的固體電解質(zhì)或液體電解質(zhì)，使得不阻礙有源部件層的伸縮動(dòng)作，同時(shí)，因?yàn)殡娊赓|(zhì)層其自身不具有強(qiáng)度，因此，用保持部件保持有源部件層與第二電極層之間的間隔(厚度)，從而能夠防止層間的剝離。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器能夠作為被期望在家庭、辦公室或醫(yī)院內(nèi)幫助家務(wù)、幫助工作或幫助照顧老年人和殘疾人等而在人類(lèi)周?chē)钴S的機(jī)器人等機(jī)器的驅(qū)動(dòng)源，而且能夠作為自身小型輕量而且柔軟安全的驅(qū)動(dòng)器使用。作為此種驅(qū)動(dòng)源自身小型輕量且柔軟安全的驅(qū)動(dòng)器，本發(fā)明所述的驅(qū)動(dòng)器能夠在產(chǎn)生大的力的同時(shí)，能夠高速動(dòng)作且制造容易，特別是因?yàn)槭褂昧俗冃螐?qiáng)的聚合物材料，從而可以在空氣中動(dòng)作。


本發(fā)明的以上和其它的目的及特征由與附圖的優(yōu)選實(shí)施方式相關(guān)的如下記述闡明。圖中，圖1A是本發(fā)明第一實(shí)施方式中的一種方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖；圖1B是本發(fā)明第一實(shí)施方式中的一種方式的驅(qū)動(dòng)器的剖面圖；圖2A是說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作原理的剖面圖；圖2B是說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作原理的剖面圖；圖2C是說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作原理的剖面圖；圖2D是說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作原理的剖面圖；
圖3A是作為本發(fā)明的比較例而記載的驅(qū)動(dòng)器，是不具備本發(fā)明第一實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器的保持部件的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖；圖3B是作為本發(fā)明的比較例而記載的驅(qū)動(dòng)器，是不具備本發(fā)明第一實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器的保持部件的驅(qū)動(dòng)器的剖面圖；圖4A是表示對(duì)本發(fā)明第一實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器的有源部件層的收縮變形進(jìn)行解析仿真后的結(jié)果的變形圖；圖4B是表示對(duì)本發(fā)明第一實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器的有源部件層的收縮變形進(jìn)行解析仿真后的結(jié)果的變形圖；圖5是表示對(duì)本發(fā)明第一實(shí)施方式中的與驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的有源部件層的產(chǎn)生位移和電解質(zhì)層的彈性模量關(guān)系進(jìn)行解析仿真后的結(jié)果的曲線(xiàn)圖；圖6A為本發(fā)明第一實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器，是對(duì)不具備保持厚度的保持部件的驅(qū)動(dòng)器作用外力后的情況的解析仿真結(jié)果的變形圖；圖6B為本發(fā)明第一實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器，是對(duì)具備保持厚度的保持部件的驅(qū)動(dòng)器作用外力后的情況的表示解析仿真結(jié)果的變形圖；圖7A是本發(fā)明第二實(shí)施方式中的一種方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖；圖7B是本發(fā)明第二實(shí)施方式中的一種方式的驅(qū)動(dòng)器的剖面圖；圖8A是本發(fā)明第二實(shí)施方式中的另一種方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖；圖8B是本發(fā)明第二實(shí)施方式中的另一種方式的驅(qū)動(dòng)器的剖面圖；圖9A是本發(fā)明第二實(shí)施方式中的又一方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖；圖9B是本發(fā)明第二實(shí)施方式中的又一方式的驅(qū)動(dòng)器的剖面圖；圖10A表示在未分割第二電極和第二固體電解質(zhì)，且在四個(gè)部位由平面形狀為長(zhǎng)1mm×寬0.25mm的長(zhǎng)方形保持部件連接的情況下，將圖9A及圖9B所示結(jié)構(gòu)的所述驅(qū)動(dòng)器的變形通過(guò)有限元法進(jìn)行解析仿真后的結(jié)果的圖；圖10B表示在將第二電極和第二固體電解質(zhì)分割為四個(gè)部分，且在四個(gè)部位由同樣的平面形狀為長(zhǎng)1mm×寬0.25mm的長(zhǎng)方形保持部件連接的情況下，將圖9A及圖9B所示結(jié)構(gòu)的所述驅(qū)動(dòng)器的變形通過(guò)有限元法進(jìn)行解析仿真后的結(jié)果的圖；圖11A是本發(fā)明第三實(shí)施方式中的一種方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖；圖11B是本發(fā)明第三實(shí)施方式中的一種方式的驅(qū)動(dòng)器的剖面圖；
圖12A是本發(fā)明第三實(shí)施方式中的另一方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖；圖12B是本發(fā)明第三實(shí)施方式中的另一方式的驅(qū)動(dòng)器的剖面圖；圖13A是本發(fā)明第四實(shí)施方式中的一種方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖；圖13B是本發(fā)明第四實(shí)施方式中的一種方式的驅(qū)動(dòng)器的剖面圖；圖14A是本發(fā)明所述實(shí)施方式中的所述保持部件的平面形狀的一例的示意圖；圖14B是本發(fā)明所述實(shí)施方式中的所述保持部件的平面形狀的一例的示意圖；圖14C是本發(fā)明所述實(shí)施方式中的所述保持部件的平面形狀的一例的示意圖；圖14D是本發(fā)明所述實(shí)施方式中的所述保持部件的剖面形狀的一例的示意圖；圖14E是本發(fā)明所述實(shí)施方式中的所述保持部件的剖面形狀的一例的示意圖；圖14F是本發(fā)明所述實(shí)施方式中的所述保持部件的剖面形狀的一例的示意圖；圖14G是本發(fā)明所述實(shí)施方式中的所述保持部件的配置的一例的示意圖；圖14H是本發(fā)明所述實(shí)施方式中的所述保持部件的配置的一例的示意圖；圖14I是本發(fā)明所述實(shí)施方式中的所述保持部件的配置的一例的示意圖；圖15是示出本發(fā)明第四實(shí)施方式中的驅(qū)動(dòng)器的基本單位的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
在繼續(xù)本發(fā)明的記述前，對(duì)附圖中的同一部件標(biāo)注同一標(biāo)號(hào)。
以下，基于附圖對(duì)本發(fā)明所述的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
以下在詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明所述的實(shí)施方式之前，對(duì)本發(fā)明的各種方式進(jìn)行說(shuō)明。
根據(jù)本發(fā)明的第一方式，提供一種平面薄型的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其將兼作電極或另外設(shè)置電極的導(dǎo)電有源部件層作為第一電極層，還具有與所述第一電極層對(duì)置的第二電極層，將至少與所述有源部件層相接的第一電解質(zhì)層密封在兩電極層間，通過(guò)在所述兩電極層間施加電場(chǎng)使陰離子及陽(yáng)離子的至少一種由所述電解質(zhì)層進(jìn)出所述有源部件層，從而使所述有源部件層膨脹收縮，其中，所述第一電解質(zhì)層為彈性模量在3kN/m2以下的固體電解質(zhì)或液體電解質(zhì)，且設(shè)有保持所述有源部件層與所述第二電極層間厚度的保持部件。
根據(jù)本發(fā)明的第二方式，提供一種第一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述兩電極層間具有的電解質(zhì)層僅由所述第一電解質(zhì)層構(gòu)成，利用所述保持厚度的保持部件連接所述有源部件層與所述第二電極。
根據(jù)本發(fā)明的第三方式，提供一種第一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述兩電極層間具有的電解質(zhì)層由與所述有源部件層相接的第一電解質(zhì)層和與所述第一電解質(zhì)層相接的第二固體電解質(zhì)層構(gòu)成，通過(guò)所述保持厚度的保持部件連接所述有源部件層與所述第二固體電解質(zhì)層。
根據(jù)本發(fā)明的第四方式，提供一種第三方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述第二固體電解質(zhì)層與所述保持部件作為固體電解質(zhì)一體化形成。
根據(jù)本發(fā)明的第五方式，提供一種第三～四方式中任一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，沿所述驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向?qū)⑺龅诙姌O層和所述第二固體電解質(zhì)層分割成多個(gè)。
根據(jù)本發(fā)明的第六方式，提供一種第三～五方式中任一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述第一電解質(zhì)層是固體電解質(zhì)，其彈性模量在3kN/m2以下，其材料為由陰離子或陽(yáng)離子構(gòu)成的離子性液體凝膠化的材料，其剛性小于所述第二固體電解質(zhì)層的剛性。
根據(jù)本發(fā)明的第七方式，提供一種第一～六方式中任一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述第一電解質(zhì)層是液體電解質(zhì)，且為由陰離子或陽(yáng)離子構(gòu)成的離子性液體。
根據(jù)本發(fā)明的第八方式，提供一種第二～七方式中任一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述保持部件是將離子性液體固體化后的保持部件。
根據(jù)本發(fā)明的第九方式，提供一種第一～八方式中任一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，由所述有源部件層、所述電解質(zhì)層、所述電極層交替疊加而成。
根據(jù)本發(fā)明的第十方式，提供一種第一～九方式中任一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述驅(qū)動(dòng)器的力作用部連接在所述有源部件層的沿所述驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向的一端部。
根據(jù)本發(fā)明的第十一方式，提供一種第十方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，由不妨礙所述力作用部的動(dòng)作的柔軟密封部件覆蓋除所述力作用部以外的整個(gè)所述驅(qū)動(dòng)器。
根據(jù)本發(fā)明的第十二方式，提供一種第一～十一方式中任一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，所述有源部件層是有機(jī)導(dǎo)電性聚合物層，或者是至少含有從碳系微粒、金屬系微粒、金屬氧化微粒、碳納米纖維、碳納米管中選擇的任一材料的導(dǎo)電性部件。
根據(jù)本發(fā)明的第十三方式，提供一種第一～十二方式中任一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述保持部件沿與所述有源部件層的伸縮方向正交的方向設(shè)置其長(zhǎng)度方向。
根據(jù)本發(fā)明的第十四方式，提供一種第一～十三方式中任一方式記載的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述保持部件的截面形狀是所述第二電極層一側(cè)的截面積大于相反側(cè)的截面積的梯形或錐形。
以下，基于附圖對(duì)本發(fā)明所述實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
(第一實(shí)施方式)圖1A及圖1B是示出本發(fā)明第一實(shí)施方式中的一種方式的平板薄型的聚合物驅(qū)動(dòng)器的俯視圖和剖面圖。
圖1A及圖1B所示的驅(qū)動(dòng)器為平面薄型，且由長(zhǎng)方體的板形導(dǎo)電聚合物形成的有源部件層3和以埋置在該有源部件層3的厚度方向的大致中間部的方式而設(shè)置的不銹鋼等金屬的柔軟電極1a來(lái)構(gòu)成第一電極層1。以與該第一電極層1對(duì)置且遠(yuǎn)離的方式在第一電極層1的厚度方向的兩側(cè)分別設(shè)置鋁箔等金屬的矩形板狀的第二電極層2，且構(gòu)成電解質(zhì)層4(在該第一實(shí)施方式中，以電解質(zhì)層4僅由第一電解質(zhì)層4a構(gòu)成為例)以使第二電極層2和導(dǎo)電的有源部件層3相接。在此種構(gòu)成中，通過(guò)在第一電極層1與第二電極層2之間施加電壓，導(dǎo)電的有源部件層3發(fā)生伸縮，從而作為驅(qū)動(dòng)器而進(jìn)行動(dòng)作。此處，特別是電解質(zhì)層4為不阻礙有源部件層3的伸縮動(dòng)作，采用后述的具有特定低彈性模量的電解質(zhì)層4a，因此，如果產(chǎn)生大的歪曲地反復(fù)動(dòng)作，層間可能會(huì)發(fā)生剝離。為防止此情況，將有源部件層3與第二電極層2之間利用保持部件(換言之，間隔(或者厚度)保持部件)5a連接。
在該驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度方向的各個(gè)端部設(shè)有作為第一電極層1的矩形板狀的延長(zhǎng)部的力作用部8，且在與該力作用部8的端部邊緣相反側(cè)的圖案形成側(cè)上設(shè)有孔8h。負(fù)載鉤7的銷(xiāo)7a插入該孔8h中，使作用力8a能夠可靠地作用于負(fù)載鉤7。通過(guò)在第一電極層1與第二電極層2之間施加由電源20經(jīng)由開(kāi)關(guān)21的電壓，有源部件層3在其長(zhǎng)度方向、換言之伸縮方向(即，驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力輸出方向)6的方向上伸縮，從而作為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行動(dòng)作。
該伸縮通過(guò)電解質(zhì)層4中含有的離子種或電子進(jìn)出有源部件層3而產(chǎn)生。該伸縮根據(jù)有源部件層3的材質(zhì)而由各種原因生成，但在有源部件層3為有機(jī)導(dǎo)電聚合物的情況下，其變形的機(jī)理為如下所述因?yàn)殡x子種具有某種程度的體積，所以與伴隨其摻雜及脫雜的離子種的進(jìn)出相應(yīng)地有機(jī)導(dǎo)電聚合物層的體積也發(fā)生變化，或伴隨氧化還原作用的有機(jī)導(dǎo)電聚合物的高分子鎖構(gòu)造的構(gòu)象(conformation)的變化、進(jìn)而由于通過(guò)施加電壓而注入的同種電荷產(chǎn)生的靜電排斥等成為變形的機(jī)理。此外，在有源部件層3為在高分子材料中含有碳系微粒的導(dǎo)電聚合物的情況下，認(rèn)為該伸縮不伴隨所述氧化還原，而是由于離子種的進(jìn)出及同種電荷的靜電排斥產(chǎn)生的變形，有源部件層3伴隨離子種或電子的進(jìn)出，通過(guò)與有源部件層3為有機(jī)導(dǎo)電聚合物時(shí)相同的機(jī)理進(jìn)行伸縮。
為易于理解圖2A、圖2B、圖2C及圖2D中的動(dòng)作原理，在這些變形機(jī)理內(nèi)，利用圖1B的驅(qū)動(dòng)器的下半部分的簡(jiǎn)要剖面圖來(lái)對(duì)將陰離子在有機(jī)導(dǎo)電聚合物作為有源部件層3的情況下，伴隨摻雜或未摻雜的膨脹收縮變形的情況進(jìn)行圖示。例如在某種材料系中，諸如將在多酚磺酸(PPS)水溶液中電解聚合的多吡咯(polypyrrol)用作有機(jī)導(dǎo)電聚合物，并將其在六氟化磷酸鈉(NaPF6)的水溶液中動(dòng)作等時(shí)的該陰離子的摻雜、脫雜為主要的變形機(jī)理。此外，也有在其他的材料系中，例如將在六氟化磷酸四丁基銨(TBA·PF6)的碳酸丙烯酯(PC)溶液中電解聚合的多吡咯用作有機(jī)導(dǎo)電聚合物，并使其在離子性液體甲基乙基咪唑鎓·三氟甲烷磺酰亞胺(EMI·TFSI)中動(dòng)作等時(shí)陽(yáng)離子的摻雜、脫雜為主要的變形機(jī)理的情況。圖2A表示在開(kāi)關(guān)關(guān)斷的狀態(tài)下沒(méi)有對(duì)電極施加電壓的狀態(tài)。圖2B表示在有源部件層3一側(cè)施加正電壓的狀態(tài)。沒(méi)有施加電壓時(shí)，在電解質(zhì)層4中均勻存在的陰離子被吸到正電極側(cè)的有源部件層3一側(cè)(參照?qǐng)D2A及圖2B的陰離子的箭頭)，由電解質(zhì)層4進(jìn)入有源部件層3內(nèi)，伴隨該氧化過(guò)程，有源部件層3的體積膨脹，從而有源部件層3在沿有源部件層3的疊層面內(nèi)的伸縮方向6的方向上延伸。在圖2B中示出了驅(qū)動(dòng)器在伸縮方向6的左端被固定，右端伸出于開(kāi)關(guān)關(guān)斷狀態(tài)下的右端基準(zhǔn)位置R的狀態(tài)。圖2C表示開(kāi)關(guān)關(guān)斷狀態(tài)下電極上沒(méi)有施加電壓的狀態(tài)，圖2D與圖2B相反，表示了在有源部件層3上施加了負(fù)電壓的狀態(tài)。在有源部件層3中存在的陰離子被吸引向?qū)χ秒姌O2一方(參照?qǐng)D2C及圖2D的陰離子的箭頭)，由有源部件層3中向電解質(zhì)層4內(nèi)脫離，伴隨該還原過(guò)程，有源部件層3的體積收縮，在沿有源部件層3的疊層面內(nèi)的伸縮方向6的方向上收縮。并且，在圖2D中表示了驅(qū)動(dòng)器在伸縮方向6的左端被固定，右端回縮至越過(guò)開(kāi)關(guān)關(guān)斷狀態(tài)下的右端基準(zhǔn)位置R的位置處的狀態(tài)。在其他的材料系中，也有通過(guò)陽(yáng)離子(cation)向有機(jī)導(dǎo)電聚合物層的有源部件層3的進(jìn)出，或陰離子和陽(yáng)離子的相互進(jìn)出而產(chǎn)生伸縮的情況，但此處僅就陰離子進(jìn)出的情況進(jìn)行簡(jiǎn)單化圖示，以說(shuō)明伸縮的機(jī)理。
此處，將柔軟電極1a的形狀形成為不妨礙在伸縮方向6上產(chǎn)生的有源部件層3的伸縮的“之”字形(在有源部件層3的伸縮方向(圖1A的驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度方向)6上被圖案化(形成圖案)以形成低剛性)，并且因?yàn)榫o密地配置以覆蓋有源部件層3的整體，所以與沒(méi)有設(shè)置柔軟電極1a的情況比較，能夠瞬時(shí)均質(zhì)地向有源部件層3施加電壓。因此，可高速產(chǎn)生所述離子種的進(jìn)出，從而可以使有源部件層3高速伸縮。圖1A～圖1B的柔軟電極1a的被圖案化的圖案形狀被如下形成在所述長(zhǎng)度方向6上等間隔地設(shè)置多個(gè)細(xì)長(zhǎng)矩形的且在寬度方向上為薄長(zhǎng)方形的圖案1a-1，使之沿與所述長(zhǎng)度方向6大致正交的寬度方向(驅(qū)動(dòng)器的寬度方向)延伸，將沿長(zhǎng)度方向延伸的矩形的短薄長(zhǎng)方形且鄰接的在寬度方向上為薄長(zhǎng)方形的圖案(帶狀部的一例)1a-1彼此之間由連接部1a-2在各自對(duì)置的寬度方向的端部進(jìn)行連接，并在驅(qū)動(dòng)器的寬度方向的各個(gè)端部處形成彎曲的形狀。當(dāng)將如此鄰接的在寬度方向上為薄長(zhǎng)方形的圖案1a-1的端部之間由連接部1a-2連接時(shí)，連接部1a-2以沿長(zhǎng)度方向相互錯(cuò)開(kāi)的方式設(shè)置，從而將柔軟電極1a構(gòu)成大致“之”字狀的形狀。此處所述的大致“之”字狀的形狀表示至少在寬度方向上有一個(gè)凹口或空間并且在長(zhǎng)度方向6上連續(xù)的細(xì)長(zhǎng)形狀。所述的大致“之”字狀的形狀如果為均一的圖案，則作為驅(qū)動(dòng)器容易控制動(dòng)作。有源部件層3的一部分進(jìn)入由所述鄰接的在寬度方向上為薄長(zhǎng)方形的圖案1a-1與連接部1a-2形成的空間內(nèi)，在圖1A中，柔軟電極1a被設(shè)置在有源部件層3的厚度方向的大致中間部分。
通過(guò)將柔軟電極1a如上所述地在作為有源部件層3的伸縮方向的長(zhǎng)度方向6上低剛性地，在與長(zhǎng)度方向6大致正交的寬度方向上高剛性地圖案化，可以使之在不妨礙有源部件層3的伸縮的情況下產(chǎn)生大的應(yīng)變。產(chǎn)生該大的應(yīng)變的功能不僅是簡(jiǎn)單的不妨礙伸縮這樣的具有消極意味的功能，而且發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)圖案化后的柔軟電極1a所賦予的剛性的各向異性，具有積極增大應(yīng)變的效果。
此外，通過(guò)將柔軟電極1a形成為兼具有支撐體功能的平板狀電極，能夠?qū)⒂性床考?的薄片難以單獨(dú)使用變?yōu)槿菀资褂谩４颂幾鳛橹误w的功能是指具備該功能的平板狀電極的至少一部份的剛性大于有源部件層3的剛性，從而支撐有源部件層3的支撐功能。此外，因?yàn)槿彳涬姌O1a為平板狀，作為驅(qū)動(dòng)器的各構(gòu)成要素也為平面結(jié)構(gòu)，從而易于形成疊層的結(jié)構(gòu)。由于與疊層后的驅(qū)動(dòng)器的伸縮有關(guān)的有源部件層3的截面比率能夠取得這樣的平面疊層結(jié)構(gòu)，因此，具有易于提高填充(packing)密度的優(yōu)點(diǎn)。
作為將柔軟電極1a在作為伸縮方向的長(zhǎng)度方向上形成為低剛性的圖案化的具體構(gòu)成，可以如上所述，在與長(zhǎng)度方向6大致正交的寬度方向上設(shè)置多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的圖案1a-1，通過(guò)連接部1a-2將這些連接成“之”字形狀的彎曲狀。平板的面內(nèi)剛性極高，但是通過(guò)此種圖案化，能夠容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度方向6的低剛性化。由此種構(gòu)成，同時(shí)在與長(zhǎng)度方向6大致正交的寬度方向上形成高剛性，在長(zhǎng)度方向和與長(zhǎng)度方向大致正交的方向上賦予各向異性的剛性。
通常，為了取得大的驅(qū)動(dòng)器的位移，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)器的伸縮方向6設(shè)為驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度方向，可以增大伸縮部的長(zhǎng)度，但是不限于此，也能夠?qū)⑴c伸縮方向6正交的寬度方向作為長(zhǎng)度方向(未圖示)。既，本發(fā)明并未將驅(qū)動(dòng)器的伸縮方向6限定于驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度方向。
在第一實(shí)施方式中，電解質(zhì)層4為不妨礙有源部件層3的伸縮動(dòng)作，使用后述的具有特定的低彈性模量的電解層4a。該電解質(zhì)層4因?yàn)槠渥陨聿痪邆鋸?qiáng)度，為防止層間的剝離，特別地經(jīng)由保持部件5a來(lái)連接有源部件層3與第二電極層2之間。為了與不具備此種保持層間厚度的保持部件5a的情況進(jìn)行比較，通過(guò)有限元法進(jìn)行解析仿真，接下來(lái)敘述比較分析其效果后的結(jié)果。
圖3A及圖3B是沒(méi)有保持部件5a的比較例的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖及剖面圖。圖4A及圖4B是對(duì)所述圖3A及圖3B所示結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行解析計(jì)算后的結(jié)果的變形圖。為進(jìn)行比較，圖4A僅示出埋入了柔軟電極1a的有源部件層3的計(jì)算結(jié)果。其相當(dāng)于使所述(沒(méi)有保持部件5a)驅(qū)動(dòng)器在電解液中通過(guò)在與對(duì)置電極之間施加電壓產(chǎn)生收縮動(dòng)作的情況，是有源部件層3以外的構(gòu)成要素不妨礙有源部件層3的伸縮的事例。與此相對(duì)，圖4B為除此之外還包含了電解質(zhì)層4與第二電極層2的計(jì)算模型的情況。
計(jì)算模型的有源部件層的尺寸設(shè)定為寬6mm、長(zhǎng)24mm、厚度20μm，材質(zhì)設(shè)定為多吡咯，拉伸彈性模量(楊氏模量)設(shè)為0.003×1012N/m2，泊松比設(shè)為0.3。作為柔軟電極，將厚度10μm、線(xiàn)寬100μm、1mm間距的如圖1A的“之”字形的電極埋入該有源部件層，電極的材質(zhì)為不銹鋼SUS304，拉伸彈性模量為0.178×1012N/m2，泊松比為0.3。在如上的有限元計(jì)算模型中，將有源部件層作為在其面內(nèi)方向各向同性地收縮的情況進(jìn)行了計(jì)算解析。在圖4B的情況下，除了所述的，在有源部件層的兩側(cè)加有厚度為15μm的電解質(zhì)層以及厚度為15μm的電極層，作為電解質(zhì)層的材質(zhì)，使用高分子電解質(zhì)凝膠，拉伸彈性模量為0.3MN/m2，泊松比為0.49，作為電極材質(zhì)，使用鋁箔，拉伸彈性模量為0.067×1012N/m2，泊松比為0.3。作為所述的高分子電解質(zhì)凝膠，例如可以舉出將作為離子性液體的甲基乙基咪唑鎓·三氟甲烷磺酰亞胺(EMI·TFSI)與作為單體的甲基丙烯酸甲酯(MMA)的摩爾比為1∶1的溶液中添加交聯(lián)劑乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDGMA)并進(jìn)行加熱聚合后的物質(zhì)。該高分子電解質(zhì)凝膠為具有聚合后也為網(wǎng)狀高分子的PMMA與離子性液體均勻相溶的離子導(dǎo)電性的固體高分子。所述的拉伸彈性模量為該高分子電解質(zhì)凝膠的實(shí)測(cè)值。
作為所述電解質(zhì)層使用的電解質(zhì)凝膠，作為將離子性液體凝膠化后的薄板的實(shí)測(cè)值，與有源部件層(多吡咯)的拉伸彈性模量為3GN/m2相比，僅為萬(wàn)分之一的低剛性，但是計(jì)算結(jié)果顯示與沒(méi)有這些層的情況下產(chǎn)生的位移(δ＝1)相比，其產(chǎn)生的位移減小到8.7％(δ＝0.087)，因此這些層很大地阻礙了有源部件層的伸縮。
并且，作為本發(fā)明的構(gòu)成要素的尺寸的一例，優(yōu)選導(dǎo)電性聚合物層的厚度為80μm以下，電極的厚度為5～50μm的平板薄型驅(qū)動(dòng)器。電極的厚度未到5μm時(shí)，難以發(fā)揮其作為支撐體的功能，如果超過(guò)50μm，則剛性過(guò)大，難以產(chǎn)生位移，因此不優(yōu)選。此外，如果導(dǎo)電性聚合物層的厚度超過(guò)80μm，則在導(dǎo)電性聚合物層的表里進(jìn)出的離子種難以遍及到膜的中央，產(chǎn)生的位移小且動(dòng)作速度低，因此不優(yōu)選。此外，作為更優(yōu)選的例子，可以構(gòu)成導(dǎo)電性聚合物層的厚度在30μm以下，電極的厚度為5～10μm的平板薄型驅(qū)動(dòng)器。
圖5是示出相對(duì)于所述驅(qū)動(dòng)器的尺寸及材料構(gòu)成，將電解質(zhì)層的厚度在三個(gè)不同值(5μm、15μm、45μm)上改變后，在大范圍內(nèi)改變電解質(zhì)層的彈性模量時(shí)的產(chǎn)生位移的比率的圖。在圖5中，用點(diǎn)劃線(xiàn)表示作為臨界值的3kN/m2，并用電解質(zhì)層的厚度與有效截面積比二者來(lái)記載參數(shù)。這里，圖5縱軸的產(chǎn)生位移的比率表示下述比率，將沒(méi)有電解質(zhì)層，且不存在阻礙有源部件層伸縮的因素的情況下產(chǎn)生位移設(shè)為100％，因?yàn)殡娊赓|(zhì)與有源部件層鄰接存在，所以有源部件層的伸縮受到阻礙，產(chǎn)生位移變小的比率。解析仿真的結(jié)果表示電解質(zhì)層的剛性如果在某臨界值(3kN/m2)以下，則產(chǎn)生位移的阻礙急劇變小。
圖5中，用三角標(biāo)記表示電解質(zhì)層的厚度為5μm(最下側(cè)的小點(diǎn)劃線(xiàn)曲線(xiàn)1)，用黑圈表示電解質(zhì)層的厚度為15μm(中間的實(shí)曲線(xiàn)2)，用白圈表示電解質(zhì)層的厚度為45μm(最上側(cè)的大點(diǎn)劃線(xiàn)曲線(xiàn)3)。
電解質(zhì)層的厚度越大，產(chǎn)生位移的比率越大，但是作為驅(qū)動(dòng)器有助于伸縮動(dòng)作的為有源部件層，電解質(zhì)層無(wú)助于伸縮動(dòng)作，因此，由此觀點(diǎn)出發(fā)，電解質(zhì)層變厚反而不適合。
圖15示出用于說(shuō)明作為驅(qū)動(dòng)器有助于伸縮動(dòng)作的有源部件層的有效截面積比的剖面圖。圖15為在后述圖13B中所示的疊層型的驅(qū)動(dòng)器中，去掉其重復(fù)的基本單位部分后的驅(qū)動(dòng)器。此處，由于第二電極層(對(duì)置電極)2也兼具鄰接的層的電極，因此在該基本單位中僅含有一層。
有源部件層3的有效截面積比如下定義(有效截面積比)＝a/(a+2b+c)此處，a為有源部件層3的厚度，b為電解質(zhì)層4的厚度，c為第二電極層(對(duì)置電極)2的厚度。作為一例，此處由于將有源部件層3的厚度設(shè)為20μm，將第二電極層(對(duì)置電極)2的厚度設(shè)為15μm，因此，電解質(zhì)層4的厚度為5μm時(shí)(曲線(xiàn)1的情況)的有效截面積比為0.44。與此相對(duì)，電解質(zhì)層4的厚度為15μm時(shí)(曲線(xiàn)2的情況)的有效截面積比為0.31，電解質(zhì)層4的厚度為45μm時(shí)(曲線(xiàn)3的情況)的有效截面積比為0.16。
作為有源部件層3，上述的導(dǎo)電聚合物的多吡咯的膜厚在5μm以上為機(jī)械強(qiáng)度方面的最低極限，與之相對(duì)，當(dāng)電解質(zhì)層的厚度為5μm時(shí)，因?yàn)榕c該厚度相等，所以作為向有源部件層充分供給離子種的供給源的電解質(zhì)層的厚度被認(rèn)為是最低極限厚度。并了解到，即使在此種條件下，為將產(chǎn)生位移的阻礙限制在20％以下，需要將電解質(zhì)層的彈性模量設(shè)在3kN/m2以下。在此種電解質(zhì)層的條件下，當(dāng)電解質(zhì)層的厚度設(shè)在15μm時(shí)，能夠?qū)⒃摦a(chǎn)生位移的阻礙限制在10％以下，因此更為優(yōu)選。
還有，當(dāng)電解質(zhì)層的厚度為45μm時(shí)，能夠?qū)⑵洚a(chǎn)生位移的阻礙限制在3％以下，從此觀點(diǎn)出發(fā)，需要更厚的電解質(zhì)層，但在另一方面，因?yàn)榻档土伺c作為驅(qū)動(dòng)器伸縮動(dòng)作相關(guān)的有源部件層的截面比率，所以有一定的極限。
從而了解到，作為所述的驅(qū)動(dòng)器的尺寸及材料構(gòu)成中的電解質(zhì)層的厚度，例如通過(guò)至少設(shè)在5μm～45μm的范圍，且將電解質(zhì)層4的彈性模量設(shè)在3kN/m2以下，能夠?qū)⒂性床考?的伸縮動(dòng)作的阻礙限制在20％以下。利用此種構(gòu)成，能夠不阻礙有源部件層的伸縮地提高有源部件層的有效截面積。
以上的解析仿真針對(duì)于特定寬度及長(zhǎng)度的驅(qū)動(dòng)器模型，但是有源部件層的伸縮不被阻礙、且產(chǎn)生位移變小的比率被認(rèn)為是幾乎不受這些尺寸的影響的標(biāo)準(zhǔn)值。慎重起見(jiàn)，即使在將寬度變?yōu)閮杀兜哪Ｐ?，及長(zhǎng)度變?yōu)閮杀兜哪Ｐ椭?，在誤差的范圍內(nèi)，確認(rèn)圖5所示的曲線(xiàn)仍然有效。因而，在驅(qū)動(dòng)器的尺寸因素中重要的為電解質(zhì)層的厚度。在所述的解析仿真中，將有源部件層的厚度作為代表值設(shè)為20μm，但是對(duì)于相當(dāng)于產(chǎn)生位移的比率的臨界值附近的圖5的A點(diǎn)的厚度，如果將該有源部件層的厚度值設(shè)為10μm，則相對(duì)于有源部件層的厚度為20μm時(shí)的產(chǎn)生位移的比率92％，有源部件層的厚度為10μm時(shí)產(chǎn)生位移的比率為43％。因而了解到，在有源部件層更薄的情況下，為不阻礙產(chǎn)生應(yīng)變的比率，需要將電解質(zhì)層的彈性模量降得更小，彈性模量為3kN/m2以下為必要條件。也了解到在有源部件層的實(shí)際厚度范圍中，與有源部件層鄰接的電解質(zhì)層的彈性模量的影響很關(guān)鍵。
由上所得的電解質(zhì)層的條件除上述的具體例子的材料以外，由于例如通過(guò)改變凝膠化時(shí)的單體與離子液體的混合比率能夠調(diào)整其剛性，因此對(duì)其他的材料也能適用。
此處，電解質(zhì)層4的拉伸彈性模量為3kN/m2，其為有源部件層(多吡咯)3的拉伸彈性模量的百萬(wàn)分之一的極低的剛性。作為該拉伸彈性模量在3kN/m2以下的材料雖然不是電解質(zhì)，但可以舉出聚氯乙烯(PVC)系的凝膠材料等。通過(guò)調(diào)整凝膠化時(shí)使用的溶劑的量，能夠獲得上述低拉伸彈性模量的高分子凝膠。在施加最高應(yīng)力為1kN/m2左右的小力的范圍內(nèi)，拉伸彈性模量的實(shí)測(cè)值為0.9kN/m2的PVC凝膠材料的塊本身僅有像漿料一樣的強(qiáng)度，能夠輕易的用匙子取出。因而難以依靠此種材料自身來(lái)保持驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度。
在圖6A及圖6B中，在假定電解質(zhì)層4的彈性模量為0.3kN/m2的情況下，根據(jù)第一實(shí)施方式的保持部件5a的有無(wú)，比較沿與驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度方向及寬度方向分別正交的方向作用剝離力22時(shí)的驅(qū)動(dòng)器的變形。作為保持部件5a，使用通過(guò)所述的作為離子性液體的EMI·TFSI與MMA聚合的高分子電解質(zhì)凝膠，拉伸彈性模量為0.3MN/m2，保持部件5a的平面形狀為長(zhǎng)1mm×寬0.25mm的長(zhǎng)方形。計(jì)算結(jié)果表示如下相對(duì)于1N的剝離力22，在沒(méi)有保持部件5的情況下的變形為0.18mm，有保持部件5a的情況下僅有4μm的變形，與有源部件層(多吡咯)3的拉伸彈性模量3GN/m2相比，即使是只有萬(wàn)分之一的低剛性的保持部件5a也有加強(qiáng)效果。
保持部件5是為保持有源部件層3與第二電極層2之間的厚度，從而保持驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度而設(shè)置的部件，保持部件5a例如只要被固定在其位置上，即可簡(jiǎn)單地分別與有源部件層3和第二電極層2抵接。實(shí)際上，保持部件5優(yōu)選被固定在第二電極層2上，僅與有源部件層3簡(jiǎn)單地抵接，其在制造上簡(jiǎn)單。圖1A中，保持部件5a為平面長(zhǎng)方形的長(zhǎng)方體柱狀的絕緣性部件，設(shè)置在與柔軟電極1a的在寬度方向上為薄長(zhǎng)方形的圖案1a-1與連接部1a-2的間隙的中央部分對(duì)應(yīng)的位置，并沿與柔軟電極1a的長(zhǎng)度方向大致均等(大致等間隔)、且相對(duì)驅(qū)動(dòng)器的中央部對(duì)稱(chēng)地排成一列地配置在同一厚度方向的位置上。
圖14A～圖14I中示出保持部件5a的各種平面形狀、剖面形狀及其配置。此處示出的保持部件5a的各種平面形狀、剖面形狀及其配置不僅限于該第一實(shí)施方式，而是可以使用于本發(fā)明的所有實(shí)施方式。在將保持部件5a通過(guò)分配器進(jìn)行涂敷的情況下，能夠形成圖14A的點(diǎn)狀保持部件5a-1或者圖14B的橢圓狀的保持部件5a-2。如圖14B所示，當(dāng)形成細(xì)長(zhǎng)橢圓狀的圖案的保持部件5a-2時(shí)，為不阻礙有源部件層3在伸縮方向6上的伸縮，優(yōu)選將其長(zhǎng)度方向沿與伸縮方向6正交的方向設(shè)置。形成上述的圖1A的長(zhǎng)方形的圖案的保持部件5a-3時(shí)，也優(yōu)選將其長(zhǎng)邊沿與伸縮方向6正交的方向設(shè)置。保持部件5a-4的剖面形狀除了形成如圖14D所示的柱狀以外，優(yōu)選如圖14E所示，通過(guò)形成所述第二電極層側(cè)的截面積大于相反側(cè)的截面積的截面形狀為梯形或錐狀的保持部件5a-5，能夠減小與離子種進(jìn)出的有源部件層3的接觸面積，或提高對(duì)梯形底面?zhèn)鹊牡诙姌O層2的附著強(qiáng)度。此外，如圖14F所示，也能夠?qū)⑶驙畹闹榇鳛楸３植考?a-6。
此外，圖14G～圖14I示出保持部件5a的一個(gè)示例，圖14G為如上述設(shè)置地在有源部件層3的中央部大致等間隔地配置成一列的保持部件15a。圖14H示出將保持部件5a配置成“之”字狀情況，能夠加強(qiáng)薄長(zhǎng)方形狀的驅(qū)動(dòng)器的周邊部。圖14I示出例如通過(guò)分散成為襯墊的珠串而形成保持部件5a時(shí)進(jìn)行隨意配置的例子。此外，作為加強(qiáng)效果，圖14H和圖14I優(yōu)選在厚度方向上配置在同樣的位置上。
此外，為了將與所述有源部件層3連接的電解質(zhì)層4密封在兩電極層1、2之間，優(yōu)選由不妨礙力作用部8的動(dòng)作的柔軟的密封部件9將力作用部8以外的整體覆蓋。通過(guò)密封部件9，能夠防止向電解質(zhì)層4的吸濕或保持防止由外力產(chǎn)生破損的強(qiáng)度。作為密封部件9，優(yōu)選使用例如拉伸彈性模量為100kN/m2左右的柔軟的硅酮系橡膠，并且不妨礙有源部件層3的伸縮。
并且，在所述第一實(shí)施方式中，敘述了將另具備柔軟電極1a的導(dǎo)電有源部件層作為第一電極層的情況，但是本發(fā)明的有源部件層因?yàn)樽陨砭哂袑?dǎo)電性，所以即使在不另設(shè)該電極1a，而是將兼具電極的導(dǎo)電有源部件層自身作為第一電極層的情況下，本發(fā)明的聚合物驅(qū)動(dòng)器也可以進(jìn)行作為驅(qū)動(dòng)器的相同的動(dòng)作，且不妨礙本發(fā)明的構(gòu)成要件。在具有高導(dǎo)電率的導(dǎo)電有源部件層中，即使沒(méi)有柔軟電極1a，也表現(xiàn)出所述說(shuō)明中的柔軟電極固有的效果以外的同樣的效果。在導(dǎo)電率不一定高的導(dǎo)電有源部件層中，優(yōu)選如本第一實(shí)施方式這樣另外設(shè)置電極1a，該情況與所述的未設(shè)置柔軟電極1a的情況相比，能夠瞬時(shí)地將施加電壓均勻地施加于有源部件層，從而達(dá)到高速產(chǎn)生離子種的進(jìn)出，使有源部件層高速伸縮等突出的效果，從而更優(yōu)選。
根據(jù)所述第一實(shí)施方式，在下述平面薄型的聚合物驅(qū)動(dòng)器中，所述電解質(zhì)層4是彈性模量在3kN/m2以下的固體電解質(zhì)，且設(shè)有保持所述有源部件層3與所述第二電極層2之間的厚度的保持部件5a。在所述平面薄型的聚合物驅(qū)動(dòng)器中，將埋有柔軟電極1a的導(dǎo)電有源部件層3作為第一電極層1，還具有與第一電極層1的有源部件層3遠(yuǎn)離而相對(duì)配置的第二電極層2，至少將與所述有源部件層3相接的電解質(zhì)層4密封在兩電極層1、2之間，利用在所述兩電極層1、2之間施加電場(chǎng)，通過(guò)使陰離子或/及陽(yáng)離子從所述電解質(zhì)層4進(jìn)出所述有源部件層3，從而使所述有源部件層3膨脹收縮。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，電解質(zhì)層4的彈性模量為在3kN/m2以下的固體電解質(zhì)，其不阻礙有源部件層3的伸縮動(dòng)作，同時(shí)，因?yàn)殡娊赓|(zhì)層4其自身不具有強(qiáng)度，因此以用電解質(zhì)層4內(nèi)的保持部件5a來(lái)保持有源部件層3與第二電極層2之間的間隔(厚度)方式而能夠防止層間的剝離。
通過(guò)上述結(jié)構(gòu)，所述第一實(shí)施方式中所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器可以作為被期望在家庭、辦公室或醫(yī)院內(nèi)幫助家務(wù)、幫助工作或幫助照顧老年人和殘疾人等而在人類(lèi)周?chē)钴S的機(jī)器人等機(jī)器的驅(qū)動(dòng)源，而被用作驅(qū)動(dòng)源自身小型輕量而且柔軟、安全的驅(qū)動(dòng)器。作為此種驅(qū)動(dòng)源自身小型輕量而且柔軟、安全的驅(qū)動(dòng)器，所述第一實(shí)施方式中所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器在能夠產(chǎn)生大的力的同時(shí)，能夠高速地動(dòng)作且容易制造，特別是因?yàn)槭褂昧俗冃文芰?qiáng)的聚合物材料，因此能夠在空氣中動(dòng)作。
(第二實(shí)施方式)作為本發(fā)明的第二實(shí)施方式所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，對(duì)用兩個(gè)電解質(zhì)層4a、4b構(gòu)成電解質(zhì)層4的方式進(jìn)行敘述。
圖7A及圖7B是示出本發(fā)明的第二實(shí)施方式的一種方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖和剖面圖。該驅(qū)動(dòng)器為電解質(zhì)層4由與有源部件層3接觸的第一電解質(zhì)層4a及與第一電解質(zhì)層4a和第二電極2接觸的第二固體電解質(zhì)層4b構(gòu)成的情況。其他的構(gòu)成要素如圖1A及圖1B所述，驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作也相同。作為保持有源部件層3與第二電極層2之間厚度的保持部件5a，在該第二實(shí)施方式中，通過(guò)設(shè)置在第一電解質(zhì)層4a內(nèi)的保持部件5a來(lái)連接有源部件層3與第二固體電解質(zhì)4b。根據(jù)所述的解析仿真，需要第一電解質(zhì)層4a的剛性極低，可以說(shuō)接近液體。從不阻礙有源部件層3的伸縮的觀點(diǎn)來(lái)看，更優(yōu)選該第一電解質(zhì)層4a為液體電解質(zhì)。此情況下，優(yōu)選例如其厚度在幾個(gè)μm以?xún)?nèi)，能夠依靠表面張力保持其自身，且盡可能薄的潤(rùn)滑層。然而，為使有源部件層3伸縮，需要有必要數(shù)量的離子種，因此，降低電解質(zhì)層4的厚度也是有限度的。例如在雙電荷層電容器中，為確保充電所需的離子種的量，電解質(zhì)層4的厚度至少確保幾十個(gè)μm。因而，優(yōu)選如第二實(shí)施方式，由兩個(gè)電解質(zhì)層4a、4b構(gòu)成電解質(zhì)層4。由此，能夠?qū)?duì)有源部件層3的伸縮阻礙抑制到最小限度，并且，通過(guò)確保由電解質(zhì)層4a、4b向有源部件層3的離子種的供給，可以得到有源部件層3的足夠大的伸縮驅(qū)動(dòng)。
作為所述第一電解質(zhì)層4a，例如能夠使用作為離子性液體的甲基乙基咪唑鎓·三氟甲烷磺酰亞胺(EMI·TFSI)。此外，作為第二固體電解質(zhì)層4b，能夠使用在同樣作為離子性液體的甲基乙基咪唑鎓·三氟甲烷磺酰亞胺(EMI·TFSI)與作為單體的甲基丙烯酸甲酯(MMA)的摩爾比為1∶1的溶液中添加交聯(lián)劑乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDGMA)并進(jìn)行加熱聚合后高分子電解質(zhì)凝膠。后者的高分子電解質(zhì)凝膠與所述第一實(shí)施方式的圖3A及圖3B所述的相同。
接下來(lái)，圖8A及圖8B是示出本發(fā)明第二實(shí)施方式的另一方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖和剖面圖。該驅(qū)動(dòng)器為電解質(zhì)層4由與有源部件層3接觸的第一電解質(zhì)層4a及與第一電解質(zhì)層4a和第二電極2接觸的第二固體電解質(zhì)層4b構(gòu)成，且第二固體電解質(zhì)層4b與保持部件5a作為固體電解質(zhì)一體化形成的情況。在該方式中，保持部件5a相當(dāng)于第二固體電解質(zhì)層4b上設(shè)有的突起4c，因此，使作為該突起的保持部件5a與第二固體電解質(zhì)層4b一體化的部件能夠容易地通過(guò)壓模法形成。將所述的離子性液體EMI·TFSI通過(guò)MMA凝膠化成片狀的工序通常由壓模法進(jìn)行。即，例如在兩塊玻璃板或者聚對(duì)苯二甲酸乙酯(PET)制的板材等夾持板之間夾持與欲制板的厚度相當(dāng)?shù)睦缣胤?テフロン，注冊(cè)商標(biāo))制的襯墊，將EMI·TFSI和MMA及交聯(lián)劑的混合溶液流入其間隙，通過(guò)對(duì)之加熱聚合而高分子化。之后，通過(guò)剝離而獲得高分子電解質(zhì)凝膠片材。在該工序中使用的玻璃板或者PET板等的夾持板上，如果預(yù)先通過(guò)蝕刻加工或沖壓加工設(shè)置凹部，則該部分自動(dòng)地形成與保持部件5a相當(dāng)?shù)耐黄?。這樣使制造變?nèi)菀祝冶３植考?a本身是電解質(zhì)，所以具有離子種也可以從有源部件層3的被保持部件5a連接的部分進(jìn)出的特別的效果。此外，由于保持部件5a的位置在形成于預(yù)先形成的夾持板上的凹部的位置處形成，所以其位置精度、制作的再現(xiàn)性?xún)?yōu)良。
上述的基于壓模法的制作工序敘述了制作高分子電解質(zhì)凝膠片單體的情況，但是例如當(dāng)將與第一電極層1上另外設(shè)置的“之”字狀的柔軟電極1a相同的電極用作第二電極(對(duì)置電極)2時(shí)，如下所述，能夠直接在對(duì)置電極2上形成高分子電解質(zhì)凝膠片。即，在使該對(duì)置電極2與夾持板中的一個(gè)抵接的狀態(tài)下，隔著特氟隆(テフロン，注冊(cè)商標(biāo))的襯墊，使另一個(gè)設(shè)有凹部的夾持板對(duì)置地夾持，將EMI·TFSI和MMA及交聯(lián)劑的混合溶液流入其間隙，并通過(guò)將其加熱從而聚合高分子化。然后，通過(guò)剝離，能夠得到形成了在對(duì)置電極2上設(shè)有保持部件5a的高分子電解質(zhì)凝膠片的部件。
另一方面，具有“之”字狀的柔軟電極1a的有源部件層3能夠如下所述地制作。即，在使不銹鋼制的“之”字狀的柔軟電極1a抵接在白金板或琺瑯碳精板等β(ベた)形狀的電極板上的狀態(tài)下，例如在六氟化磷酸四丁基銨(TBA·PF6)的碳酸丙烯酯(PC)溶液中添加了珀洛爾單體(ポロ一ルモノマ一)的電解液中進(jìn)行電解聚合，從而在所述柔軟電極上電解析出多吡咯。通過(guò)將其從所述β(ベた)形狀的電極板上剝離，能夠獲得具有“之”字形狀的柔軟電極1a的有源部件層。
將所述兩個(gè)復(fù)合部件組合，通過(guò)注入作為第一電解質(zhì)層4a的離子性液體EMI·TFSI，能夠制得圖8B的剖面圖所示結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器。
接下來(lái)，圖9A及圖9B是示出本發(fā)明第二實(shí)施方式的又一方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖和剖面圖。在該驅(qū)動(dòng)器中，電解質(zhì)層4由與有源部件層3幾乎全面接觸且與最外層的密封部件9部分接觸的第一低剪切力電解質(zhì)層4a，及與第一電解質(zhì)層4a和第二電極2接觸的第二固體電解質(zhì)層4b構(gòu)成，而且，第二電極2與第二固體電解質(zhì)層4b在驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向6上被分成多個(gè)(在圖9B中，作為一例，被分為四個(gè))。為探討該方式的效果，將圖9A及圖9B所示結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器的變形通過(guò)有限元法進(jìn)行解析仿真。結(jié)果如圖10A及圖10B所示。圖10A示出未將第二電極2和第二固體電解質(zhì)4b分割且在四個(gè)部位利用平面形狀為長(zhǎng)1mm×寬0.25mm的長(zhǎng)方形保持部件5a連接的情況。與此相對(duì)，圖10B示出將第二電極2和第二固體電解質(zhì)4b分割為四處、并在四個(gè)部位同樣由平面形狀為長(zhǎng)1mm×寬0.25mm的長(zhǎng)方形保持部件5a連接的情況。計(jì)算前提供的材料常數(shù)與圖4的解析仿真相同。在圖10A所示的無(wú)電極分割的情況下，計(jì)算其產(chǎn)生位移是無(wú)約束的情況的59.6％，可知多個(gè)保持部件5a自身阻礙有源部件層3的伸縮。與此相對(duì)，在圖10B所示的電極分割的情況下，計(jì)算其產(chǎn)生位移是無(wú)約束情況時(shí)的99.8％，可知即使由多個(gè)保持部件5a進(jìn)行連接，也幾乎沒(méi)有阻礙有源部件層3的伸縮。所述的分割對(duì)分割數(shù)為四，連接部位為四，保持部件5a的平面形狀為長(zhǎng)1mm×寬0.25mm的長(zhǎng)方形的情況進(jìn)行了闡述，但為了不對(duì)有源部件層3的伸縮產(chǎn)生局部約束，優(yōu)選該比較均等的分割。
在解析仿真中，因?yàn)榧僭O(shè)第二電極2是厚度為15μm的β(ベた)形狀的鋁箔，所以，雖然由圖10A所示的保持部件產(chǎn)生了大的約束效果，但在將與埋入有源部件層3的“之”字狀的柔軟電極1a同樣的柔軟電極用作第二電極的情況下，能夠避開(kāi)這種約束效果。但是，此種柔軟電極對(duì)置的面積小，作為第二電極，更優(yōu)選使用β(ベた)形狀的電極。作為電容器或電池的集電電極使用鋁箔，通過(guò)在其表面上形成活性碳等碳系粉末而獲得電極的表面積，通過(guò)本第二實(shí)施方式能夠?qū)⒋朔N電極用于第二電極2。
在所述及后述的本發(fā)明的各實(shí)施方式中，作為第一電解質(zhì)層4a，優(yōu)選使用將陰離子及陽(yáng)離子形成的離子性液體凝膠化的材料，通過(guò)將其剛性設(shè)為小于第二固體電解質(zhì)4b的剛性，能夠提供可在空氣中動(dòng)作的全固體化驅(qū)動(dòng)器，并且，能夠降低約束有源部件層3的產(chǎn)生位移的效果。
另外，通過(guò)使用由陰離子及陽(yáng)離子形成的離子性液體來(lái)作為第一電解質(zhì)層4a，能夠提供可在空氣中動(dòng)作的準(zhǔn)固體化驅(qū)動(dòng)器，并且，能夠進(jìn)一步降低約束有源部件層3的產(chǎn)生位移的效果。離子性液體也被稱(chēng)作常溫溶融鹽，相對(duì)于眾所周知的鹽(NaCl)為Na+離子與Cl-離子構(gòu)成的離子結(jié)合性固體，其在常溫下為液體的離子結(jié)合性的鹽。由于該離子性液體的結(jié)合為離子結(jié)合，所以具有不揮發(fā)的良好性質(zhì)。因而，雖然離子性液體為液體狀，但沒(méi)有水溶液電解質(zhì)或有機(jī)溶劑電解質(zhì)中見(jiàn)到的伴隨蒸發(fā)產(chǎn)生的壽命問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的所述及后述的實(shí)施方式，能夠提供可在空氣中動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)器。
此外，優(yōu)選將保持部件5a采用對(duì)離子性液體進(jìn)行固化的物質(zhì)，由此離子種可以從有源部件層3的連接部進(jìn)出，從而使有源部件層3有效地伸縮。
并且，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)器的力作用部8分別連接在有源部件層3的沿驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方向的兩端，能夠有效地進(jìn)行有源部件層3的伸縮位移及產(chǎn)生力。
并且，優(yōu)選由不妨礙該力作用部8的運(yùn)動(dòng)的柔軟密封部件9覆蓋除力作用部8以外的部分的上下左右的各個(gè)面的整體，由此將與所述有源部件層3相接的電解質(zhì)層4密封在兩電極層1、2之間，從而能夠防止向電解質(zhì)層4的吸濕或保持防止由于外力造成破損等的強(qiáng)度。作為密封部件9，優(yōu)選例如使用拉伸彈性模量為100kN/m2左右的柔軟硅酮系橡膠，另外，為了不阻礙有源部件層3的伸縮，優(yōu)選應(yīng)用于所述及后述的實(shí)施方式中所述的疊層型驅(qū)動(dòng)器。
此外，作為有源部件層3，能夠使用例如聚苯胺(polyaniline)、多吡咯或聚噻吩(polythiophene)基體的共軛聚合物的有機(jī)導(dǎo)電聚合物、或者其衍生物。并且，作為有源部件層3，能夠使用至少含有從碳系微粒、金屬系微粒、金屬氧化微粒、碳納米纖維、碳納米管中選擇的任一種材料的導(dǎo)電性部件。由于將這些材質(zhì)作為有源部件層3，通過(guò)使陰離子或/及陽(yáng)離子或/及電子進(jìn)出有源部件層3，能夠使有源部件層3膨脹伸縮。這種導(dǎo)電性微粒分散型的有源部件層的剛性能夠通過(guò)選擇成為粘合劑的例如聚氟聚偏氯乙烯(polyfluorovinylidene)的高分子的聚合條件來(lái)進(jìn)行調(diào)整。為了得到大的產(chǎn)生力，更優(yōu)選調(diào)整到與作為所述有機(jī)導(dǎo)電聚合物的多吡咯的剛性相近的3GN/m2左右的彈性模量。此時(shí)，與在所述的圖5中的電解質(zhì)層的剛性在某臨界值以下、產(chǎn)生變位的阻礙變小的情況相同。
根據(jù)所述第二實(shí)施方式的構(gòu)成，因?yàn)殡娊赓|(zhì)層4由液體的第一電解質(zhì)層4a與彈性模量在3kN/m2以下的第二固體電解質(zhì)層4b構(gòu)成，所以能夠?qū)⒂性床考?的伸縮的阻礙抑制到最小限度，并且，通過(guò)確保向有源部件層3供給來(lái)自電解質(zhì)層4a、4b的離子種，有源部件層3可以獲得足夠大的伸縮驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，由于電解質(zhì)層4其自身不具備強(qiáng)度，因此，通過(guò)由第一電解質(zhì)層4a內(nèi)的保持部件5a來(lái)保持有源部件層3與第二電極層2之間的間隔(厚度)，能夠防止層間的剝離。
(第三實(shí)施方式)在本發(fā)明的第三實(shí)施方式中所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器中，作為保持有源部件層3與第二電極層2間的厚度的保持部件5a，敘述上述以外的方式的情況。
圖11A及圖11B是表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的一種方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖和剖面圖。在該驅(qū)動(dòng)器中，作為保持有源部件層3與第二電極層2之間的厚度的保持部件5a-7，通過(guò)貫通有源部件層3與柔軟電極1a的間隙部分而連接配置在有源部件層3兩側(cè)的兩個(gè)第二電極層2之間。作為保持部件5a-7，例如通過(guò)將絕緣的塑料制的鉚釘貫通于各層進(jìn)行固定，從而能夠容易地保持電極層1、2之間的厚度。并且，優(yōu)選與第一電解質(zhì)層4a等中設(shè)置的襯墊或隔離物同時(shí)使用。
由該保持部件5a-7進(jìn)行連接的方法的特征在于，沒(méi)有必要像本發(fā)明第一實(shí)施方式中所述的保持部件5a為了連接有源部件層3與第二電極層2而需要在其界面上進(jìn)行粘接，而是能夠用簡(jiǎn)單的方法容易地利用保持部件來(lái)進(jìn)行連接。
接下來(lái)，圖12A及圖12B表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的另一方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖及剖面圖。在該驅(qū)動(dòng)器中，作為保持有源部件層3與第二電極層2之間的厚度的保持部件5a，將其插入有源部件層3與第二電極層2之間，用大致U字形的鉗夾5b從外部在橫向上夾持第二電極層2、第一電解質(zhì)層4a、有源部件層3、第一電解質(zhì)層4a、以及第二電極層2。由于本驅(qū)動(dòng)器為平面薄型，因此，作為該鉗夾5b，例如由絕緣塑料板形成鉗夾狀，并通過(guò)夾持本驅(qū)動(dòng)器而能夠容易地按壓保持部件5a。保持部件5a自身不需要有粘接性，可以是襯墊或隔離物。例如，當(dāng)特氟隆(テフロン，注冊(cè)商標(biāo))制的襯墊等與電極材料界面的摩擦小時(shí)，不會(huì)妨礙有源部件層3的產(chǎn)生位移。
該保持部件5a與鉗夾5b的連接方法也沒(méi)有必要如本發(fā)明第一實(shí)施方式中敘述的保持部件5a為了連接有源部件層3與第二電極層2需要在其界面上進(jìn)行粘接，具有能夠利用簡(jiǎn)單的方法容易地利用保持部件進(jìn)行連接的特征。并且，在所述的圖11A及圖11B所述的連接方法中，保持部件需要貫通有源部件層與第二電極層，與此相對(duì)，本方式的連接方法不需要貫通，因此沒(méi)有伴隨貫通的局部強(qiáng)度的降低。
(第四實(shí)施方式)作為本發(fā)明的第四實(shí)施方式，對(duì)多層疊加的聚合物驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行闡述。
圖13A及圖13B表示本發(fā)明第四實(shí)施方式的驅(qū)動(dòng)器的俯視圖和剖面圖。該驅(qū)動(dòng)器為交替疊加有源部件層3、電解質(zhì)層4、電極層2而成。即，例如在圖13B中，由第二電極層2、第一電解質(zhì)層4a、有源部件層3、第一電解質(zhì)層4a、以及第二電極層2構(gòu)成一個(gè)最上層的疊層型的驅(qū)動(dòng)器。并且，將最上層(第一層)的疊層型的驅(qū)動(dòng)器的下端的第二電極層2兼用為位于最上層(第一層)的疊層型驅(qū)動(dòng)器的下方的中間層(第二層)的疊層型驅(qū)動(dòng)器的上端的第二電極層2。并且，與該第二電極層2連續(xù)地設(shè)置中間層(第二層)的疊層型驅(qū)動(dòng)器的第一電解質(zhì)層4a、有源部件層3、第一電解質(zhì)層4a、以及第二電極層2。將中間層(第二層)的疊層型驅(qū)動(dòng)器的下端的第二電極層2兼用作位于中間層(第二層)的疊層型驅(qū)動(dòng)器的下方的最下層(第三層)的疊層型驅(qū)動(dòng)器的上端的第二電極層2。并且，與該第二電極層2連續(xù)地設(shè)置最下層(第三層)的疊層型驅(qū)動(dòng)器的第一電解質(zhì)層4a、有源部件層3、第一電解質(zhì)層4a、以及第二電極層2。
在該第四實(shí)施方式的疊層型驅(qū)動(dòng)器中，由于驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)成部件為平面薄型，因此能夠容易地形成疊層構(gòu)造。由于能夠采用這種平面疊層構(gòu)造，因此，與疊層后的驅(qū)動(dòng)器的伸縮相關(guān)的有源部件層3的截面比率具有易于提高填充(packing)密度的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)果是，能夠增大在單層下截面積受到限制的導(dǎo)電聚合物層的有源部件層3的截面積，從而利于實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用于機(jī)器人等時(shí)具有所需的大產(chǎn)生力的驅(qū)動(dòng)器。并且，向有源部件層3的離子種的進(jìn)出為擴(kuò)散過(guò)程，其具有有源部件層3薄有利于縮短擴(kuò)散所需時(shí)間的反常關(guān)系(trade-of)。因而，優(yōu)選重疊多個(gè)薄有源部件層3以獲得截面積。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能夠提供在可產(chǎn)生大的力的同時(shí)，高速動(dòng)作、制造容易、特別是易于變形、并可在空氣中動(dòng)作的被干化的聚合物驅(qū)動(dòng)器。
并且，通過(guò)將所述各種實(shí)施方式內(nèi)的任意的實(shí)施方式進(jìn)行適宜的組合，能夠達(dá)到各自具有的效果。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的聚合物驅(qū)動(dòng)器是平面薄型的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，將兼作電極或另外設(shè)置電極的導(dǎo)電有源部件層作為第一電極層，還具有第二電極層，將至少與有源部件層相接的第一電解質(zhì)層密封在兩電極層間，通過(guò)在兩電極層間施加電場(chǎng)使有源部件層膨脹收縮，所述第一電解質(zhì)層為彈性模量在3kN/m2以下的固體電解質(zhì)或液體電解質(zhì)，并且該驅(qū)動(dòng)器設(shè)有保持有源部件層與所述第二電極層間厚度的保持部件的結(jié)構(gòu)，作為以護(hù)理用或家庭用機(jī)器人等的機(jī)器為代表例的各種機(jī)器的驅(qū)動(dòng)源，其作為驅(qū)動(dòng)源自身小型輕量且柔軟安全的驅(qū)動(dòng)器使用。
本發(fā)明參照附圖對(duì)最佳實(shí)施方式進(jìn)行充分的記載。但是對(duì)該技術(shù)熟練的人明白各種變形或修正。其變形或修正只要沒(méi)有脫離基于權(quán)利要求范的本發(fā)明的范圍，則應(yīng)理解為被包含其中。
權(quán)利要求
1.一種平面薄型的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，將兼作電極或另外設(shè)置電極的導(dǎo)電性有源部件層作為第一電極層，還具有與所述第一電極層對(duì)置的第二電極層，將至少與所述有源部件層相接的第一電解質(zhì)層密封在兩電極層間，通過(guò)在所述兩電極層間施加電場(chǎng)使陰離子及陽(yáng)離子的至少一種由所述電解質(zhì)層進(jìn)出所述有源部件層，由此使所述有源部件層膨脹收縮，在所述聚合物驅(qū)動(dòng)器中，所述第一電解質(zhì)層為其彈性模量在3kN/m2以下的固體電解質(zhì)或液體電解質(zhì)，且設(shè)有保持所述有源部件層與所述第二電極層間厚度的保持部件。
2.如權(quán)利要求1所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述兩電極層間具有的電解質(zhì)層僅由所述第一電解質(zhì)層構(gòu)成，通過(guò)所述保持厚度的保持部件連接所述有源部件層與所述第二電極。
3.如權(quán)利要求1所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述兩電極層間具有的電解質(zhì)層由與所述有源部件層相接的第一電解質(zhì)層和與所述第一電解質(zhì)層相接的第二固體電解質(zhì)層構(gòu)成，通過(guò)所述保持厚度的保持部件連接所述有源部件層與所述第二固體電解質(zhì)層。
4.如權(quán)利要求3所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述第二固體電解質(zhì)層與所述保持部件作為固體電解質(zhì)被一體化。
5.如權(quán)利要求3或4所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，沿所述驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向?qū)⑺龅诙姌O層和所述第二固體電解質(zhì)層分割成多個(gè)。
6.如權(quán)利要求3或4所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述第一電解質(zhì)層是其彈性模量在3kN/m2以下的固體電解質(zhì)，其材料是使由陰離子及陽(yáng)離子構(gòu)成的離子性液體凝膠化后的材料，其剛性小于所述第二固體電解質(zhì)層的剛性。
7.如權(quán)利要求1或4所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述第一電解質(zhì)層是液體電解質(zhì)，且為由陰離子及陽(yáng)離子構(gòu)成的離子性液體。
8.如權(quán)利要求2～4中任一項(xiàng)所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述保持部件是將離子性液體固體化后的保持部件。
9.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，由所述有源部件層、所述電解質(zhì)層、所述電極層交替疊加而成。
10.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述驅(qū)動(dòng)器的力作用部連接在所述有源部件層的沿所述驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向的一端部。
11.如權(quán)利要求10所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，由不妨礙所述力作用部的動(dòng)作的柔軟密封部件覆蓋除所述力作用部之外的整個(gè)所述驅(qū)動(dòng)器。
12.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述有源部件層是有機(jī)導(dǎo)電性聚合物層，或者是至少含有從碳系微粒、金屬系微粒、金屬氧化微粒、碳納米纖維、碳納米管中選擇的任一材料的導(dǎo)電性部件。
13.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述保持部件沿與所述有源部件層的伸縮方向正交的方向設(shè)置其長(zhǎng)度方向。
14.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，所述保持部件的截面形狀是所述第二電極層一側(cè)的截面積大于相反側(cè)的截面積的梯形或錐形。
全文摘要
本發(fā)明提供一種平面薄型的聚合物驅(qū)動(dòng)器，其中，將導(dǎo)電有源部件層作為第一電極層，還具有第二電極層，將至少與所述有源部件層相接的第一電解質(zhì)層密封在兩電極層間，通過(guò)在所述兩電極層間施加電場(chǎng)使所述有源部件層膨脹收縮，所述第一電解質(zhì)層為具有特定彈性模量的固體電解質(zhì)或液體電解質(zhì)，且設(shè)有保持所述有源部件層與所述第二電極層間厚度的保持部件。
文檔編號(hào)B25J19/00GK101053147SQ200680001150
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2006年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者橫山和夫, 淺井勝?gòu)? 工藤祐治, 山本正樹(shù) 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社