センサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ
【課題】低電圧で駆動でき、外部から電解質を補充することなく空気中および真空中で安定して作動でき、製造が極めて容易であり、外部からの入力信号に対する応答性が高く、かつその変位を検出することができるセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータを提供する。
【解決手段】イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び絶縁性のあるイオン伝導層４と、イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある電極層３とからなるアクチュエータ部１２とセンサ部１４とを備える。アクチュエータ部１２は、２枚の電極層３間にイオン伝導層４を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成され、センサ部１４は、２枚の電極層３間にイオン伝導層４を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されている。
【解決手段】イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び絶縁性のあるイオン伝導層４と、イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある電極層３とからなるアクチュエータ部１２とセンサ部１４とを備える。アクチュエータ部１２は、２枚の電極層３間にイオン伝導層４を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成され、センサ部１４は、２枚の電極層３間にイオン伝導層４を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの入力信号に応答して変位し、かつその変位を検出するセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療、福祉、ロボット、エンターテイメント産業などの様々な分野で、生物的な柔らかい動きができる高分子アクチュエータが着目されている。高分子アクチュエータとは、高分子材料を主体とし、高分子材料自体が何らかの刺激に対して応答して変形することを利用するアクチュエータをいう。かかる高分子アクチュエータは、例えば、非特許文献１に開示されている。
【０００３】
現在、実用化に近いところまで開発が進んでいる高分子アクチュエータ材料のひとつとして、図１３に示すイオン導電性高分子膜（Ｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ ｇｅｌ Ｆｉｌｍ：ＩＣＰＦ）が知られている。この高分子膜は、イオン導電性高分子膜５１の両面に電極５２ａ，５２ｂを備えたものであり、イオン導電性高分子金属複合体（Ｉｏｎｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：ＩＰＭＣ）とも呼ばれる。以下これをＩＰＭＣ膜（又はＩＣＰＦ）と呼ぶ。
【０００４】
ＩＰＭＣ膜は、電極間に電圧を加えたときに、高分子膜内のイオンが膜厚方向に移動し、これに伴い樹脂内の溶媒が膜厚方向に移動し、その結果、膜の一方の面が伸び他方の面が縮むことにより、屈曲する特性を有する。この屈曲運動の応答特性は、低電圧駆動（３Ｖ以下）において応答速度が比較的速く（例えば１０ｍｓ）、変形も大きい。また、機械的、熱的、化学的耐久性にも優れていることが知られている。
【０００５】
しかし、ＩＰＭＣ膜を用いた高分子アクチュエータは、電場応答性高分子膜の膨潤収縮現象を利用するため、電場応答性高分子膜を常に水溶液中又は湿潤した状態に保持する必要がある。
そこで、この問題を解決するために、例えば、非特許文献２及び特許文献１が提案されている。
【０００６】
非特許文献２は、図１４に示すアクチュエータ素子を開示している。このアクチュエータ素子は、イオン液体をベースポリマーでゲル化して得られる電解質フィルム６１の両面に、電極６３を積層した３層からなり、電極６３間に電位差を与えることにより湾曲させるものである。また電極６３は、単層カーボンナノチューブ６２をイオン液体内に分散したゲル状物質（「バッキーゲル」と呼ぶ）をベースポリマーで成形したものである。
なお、単層カーボンナノチューブ６２は、グラファイトの一枚面を巻いてできる筒状物質であり、直径およそ１ｎｍ、長さ数μｍである。
【０００７】
特許文献１の「アクチュエータ素子」は、図１５に示すように、イオン液体とポリマーとのゲル状組成物からなるイオン伝導層７１の表面に、カーボンナノチューブとイオン液体とポリマーとのゲル状組成物からなる電極層７２が相互に絶縁状態で少なくとも２個形成されたものであり、電極７２間に電位差を与えることにより湾曲および変形を生じさせ得るものである。
【０００８】
【非特許文献１】安積欣志、「高分子アクチュエータ」、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２１ Ｎｏ．７，ｐｐ．７０８〜７１２，２００３
【非特許文献２】安積欣志、福島孝典、相田卓三「プリンタブル高分子アクチュエータ材料の開発」、未来材料、第５巻、第１０号
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１７６４２８号公報、「アクチュエータ素子」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したＩＰＭＣ膜は、フッ素系イオン交換樹脂に貴金属をメッキしたイオン導電性高分子／金属接合体である。この材料は電圧印加により変形するアクチュエータとして用いることが可能であるが、イオン交換樹脂が駆動するために水分が必要である。そのため、水中動作や水分が蒸発しないようにコーティングする必要があった。
また、貴金属のメッキのため、無電解メッキ法という煩雑な手段を用いる必要があった。
【００１１】
一方、非特許文献２及び特許文献１で使用しているイオン液体は、常温溶融塩ともいい、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈し、かつ蒸気圧が無視できるほど低いため、揮発による溶媒の乾燥を防ぐことができる特徴がある。
そのため、非特許文献２及び特許文献１に開示されたアクチュエータ（以下、「バッキーゲルアクチュエータ」と呼ぶ）は、ナノチューブに注入された電荷を打ち消すための電解質（イオン液体）が予めフィルムに内包されており、外部から電解質を補充する必要がないため、空中作動が可能である。
従って、バッキーゲルアクチュエータは、（１）不揮発性電解質と電極の一体化による空中作動性、（２）プリント法が適用可能な優れた成形性、および、（３）大きくしなやかに変形する応答性、等の優れた特性を有している。
【００１２】
しかし、バッキーゲルアクチュエータは、低電圧で駆動できるが、その変位（例えば曲げ角度）を検出できない問題点があった。
【００１３】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、低電圧で駆動でき、外部から電解質を補充することなく空気中および真空中で安定して作動でき、製造が極めて容易であり、外部からの入力信号に対する応答性が高く、かつその変位を検出することができるセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、特許文献１に開示したアクチュエータ素子が、変形させると電圧が生じる逆の作動特性を有し、変位センサとしても使用可能なことを発見したことに基づくものである。
この発見に基づき、アクチュエータと変位センサを一体化したセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータの実現が可能になり、生体適合性のあるソフトなデバイスの制御が可能となった。
【００１５】
すなわち、本発明によれば、イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び絶縁性のあるイオン伝導層と、
前記イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある電極層とからなるアクチュエータ部とセンサ部とを備え、
アクチュエータ部は、２枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成され、
センサ部は、２枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されている、ことを特徴とするセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータが提供される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記アクチュエータ部を構成する２枚の電極層と、前記センサ部を構成する２枚の電極層は、互いに間隔を隔てた４枚の電極層であり、同一のイオン伝導層の異なる部分を挟持する並列配置である。
【００１７】
また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記アクチュエータ部を構成する２枚の電極層と、前記センサ部を構成する２枚の電極層は、２枚のイオン伝導層の間に挟持された１枚を共有する計３枚の電極層であり、２枚のイオン伝導層の同一位置を挟持する積層配置である。
【００１８】
前記イオン伝導層は、イオン液体とポリマーからなるゲル状組成物であり、
前記電極層は、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーからなるゲル状組成物である。
【発明の効果】
【００１９】
上述した本発明の構成によれば、アクチュエータ部が、不揮発性の電極層間に不揮発性のイオン伝導層を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成されるので、外部から電解質を補充することなく空気中および真空中で安定して作動できる。
【００２０】
また、イオン伝導層と電極層がイオン液体を含みかつ可撓性があるので、低電圧で駆動でき、かつ外部からの入力信号に対する応答性を高くできる。
【００２１】
また、アクチュエータ部とセンサ部を備え、センサ部も、２枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されているので、アクチュエータ部によるイオン伝導層の変位をセンサ部で直接検出することができる。
【００２２】
さらに、電極層形成工程と伝導層形成工程を同時又は順次行うことで、アクチュエータ部とセンサ部を形成することができ、この両方の工程を、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができるので、製造が極めて容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータの第１実施形態図である。この図において、本発明のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ１０（以下、単に「ソフトアクチュエータ」と呼ぶ）は、アクチュエータ部１２とセンサ部１４とを備える。
【００２４】
アクチュエータ部１２は、２枚の電極層３と１枚のイオン伝導層４からなり、２枚の電極層３の間にイオン伝導層４を挟持する。また、２枚の電極層３にはそれぞれ信号入力線１３が取り付けられ、その間に外部から電圧信号を入力するように構成されている。
【００２５】
センサ部１４も、２枚の電極層３と１枚のイオン伝導層４からなり、２枚の電極層３の間にイオン伝導層４を挟持する。また、２枚の電極層３にはそれぞれ信号出力線１５が取り付けられ、その間から電圧信号を外部に出力するように構成されている。
【００２６】
イオン伝導層４は、イオン液体とポリマーからなるゲル状組成物であり、イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び絶縁性のある薄膜層である。
【００２７】
電極層３は、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーからなるゲル状組成物であり、前記イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある薄膜層である。
【００２８】
図１は、本発明のソフトアクチュエータ１０の並列配置例を示している。
この図において、アクチュエータ部１２を構成する２枚の電極層３と、センサ部１４を構成する２枚の電極層３は、互いに間隔を隔てた４枚の電極層３であり、同一のイオン伝導層４の異なる部分を挟持している。
なお、並列配置はこの例に限定されず、アクチュエータ部１２、センサ部１４のいずれか一方、又は両方を複数対の電極層３で構成してもよい。
【００２９】
図２は、本発明のソフトアクチュエータ１０の第２実施形態図である。この図は、本発明のソフトアクチュエータの積層配置例を示している。
この図において、アクチュエータ部１２を構成する２枚の電極層３と、センサ部１４を構成する２枚の電極層３は、２枚のイオン伝導層４の間に挟持された１枚を共有する計３枚の電極層であり、２枚のイオン伝導層４の同一位置を挟持している。
【００３０】
この例で、中間の電極層３に取り付けられた信号線１６は、この例では接地され、信号入力線１３と信号出力線１５の両方に対し２端子対の役割を果たすように構成されているが、信号線１６を信号入力線１３と信号出力線１５の２本で置き換えてもよい。
なお、積層配置はこの例に限定されず、３枚以上のイオン伝導層４と４枚以上の電極層３を交互に積層し、アクチュエータ部１２とセンサ部１４を複数対の電極層３で構成してもよい。
【００３１】
また、本発明は、並列配置又は積層配置に限定されず、両者を組み合わせた構造でもよい。また、アクチュエータ部１２とセンサ部１４の形状、大きさ、向きはこの例では同一であるが、相違してもよい。
【００３２】
図３は、本発明のソフトアクチュエータの製造方法を示すフロー図である。
この図に示すように、本発明のソフトアクチュエータの製造方法は、電極層前駆体液調製工程Ｓ１、伝導層前駆体液調製工程Ｓ２、電極層形成工程Ｓ３、および伝導層形成工程Ｓ４の各工程からなる。
【００３３】
電極層前駆体液調製工程Ｓ１では、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む電極層前駆体液１を調製する。単層カーボンナノチューブをイオン液体と混合すると、ナノチューブが分散するとともに液体がゲル化してゲル状物質となる。従って、これにポリマーを加えることにより、任意の形状に成形することができる。
また、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を加え、ゲル化のプロセスなしに電極層前駆体液１を調製後、任意の形状に成形することもできる。
伝導層前駆体液調製工程Ｓ２では、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む伝導層前駆体液２を調製する。イオン液体にポリマーを加えることにより、任意の形状に成形することができる。
【００３４】
イオン液体は、後述する実施例では、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ４）又はブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＢＭＩＢＦ４）である。イオン液体は、イオン伝導層４と電極層３の両方で共通であるのがよい。
ポリマーは、後述する実施例では、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶＤＦ（ＨＦＰ））（ＩＩＩ）である。ポリマーもイオン伝導層４と電極層３の両方で共通であるのがよい。
カーボンナノチューブは、後述する実施例では、高純度単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）である。
溶媒は、後述する実施例では、４−メチルペンタンー２−オン（ＭＰ）とプロピレンカーボネイト（ＰＣ）である。
【００３５】
電極層形成工程Ｓ３では、電極層前駆体液１を薄膜状に形成しかつ溶媒を除去して薄膜状の電極層３を形成する。この工程Ｓ３は、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができる。
伝導層形成工程Ｓ４では、伝導層前駆体液２を薄膜状に形成しかつ溶媒を除去して薄膜状のイオン伝導層４を形成する。この工程Ｓ４も、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができる。
【００３６】
電極層形成工程Ｓ３と伝導層形成工程Ｓ４は同時に又は順次行い、電極層３の間にイオン伝導層４を挟持したアクチュエータ部１２とセンサ部１４を形成する。
アクチュエータ部１２は、２枚の電極層３間にイオン伝導層４を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成する。２枚の電極層３にはそれぞれ信号入力線１３を取り付ける。
センサ部１４は、２枚の電極層３の間にイオン伝導層４を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成する。２枚の電極層３にはそれぞれ信号出力線１５を取り付ける。
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００３７】
本発明のソフトアクチュエータのセンサ部１４に相当するセンサフィルムを以下の方法で作製した。
使用した薬品、材料は、以下の通り。
１ イオン液体（ＩＬ）
Ａ．エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ４）
Ｂ．ブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＢＭＩＢＦ４）
２ カーボンナノチューブ
高純度単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）
商品名：ＨｉＰｃｏ（カーボンナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製）
３ ポリマー
ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶＤＦ（ＨＦＰ））
４ 溶媒
Ａ：４−メチルペンタンー２−オン（ＭＰ）
Ｂ：プロピレンカーボネイト（ＰＣ）
【００３８】
（作製方法）
１ 電極層前駆体液（電極キャスト液）の作製
上述した材料をＳＷＮＴ／ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）／ＩＬ／ＰＣ／ＭＰ＝３／８／１２／２４／３００（重量比）の割合で混ぜ、超音波洗浄機中で１時間以上、分散させて、分散液を作製した。その後、液温を８０℃に上げ、３０分間以上攪拌した。
イオン液体（ＩＬ）には、Ａ（ＥＭＩＢＦ４）とＢ（ＢＭＩＢＦ４）の両方をそれぞれ用いた。
２ 伝導層前駆体液（電解質キャスト液）の作製
上述した材料をＩＬ／ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）／ＰＣ／ＭＰ＝１２／２０／２４／３００（重量比）の割合で混ぜ、液温を８０℃に上げ、３０分間以上攪拌した。
３ センサフィルムの作製
電極キャスト液、電解質キャスト液、電極キャスト液の順に、キャストを行い、溶媒を十分乾燥して、３層形態の２種のセンサフィルムを作製した。
【００３９】
以下、イオン液体（ＩＬ）にＡ（ＥＭＩＢＦ４）を用いたものを「センサフィルムＡ」、イオン液体（ＩＬ）にＢ（ＢＭＩＢＦ４）を用いたものを「センサフィルムＢ」と呼ぶ。
【実施例２】
【００４０】
実施例１で得られたセンサフィルムＡとセンサフィルムＢのセンサ機能について以下の検証試験を行った。試験したセンサフィルムＡ，Ｂの寸法は、長さ２０ｍｍ×幅２．５ｍｍ×厚さ１３０μｍであった。
【００４１】
図４は、使用した試験装置の構成図である。この図において、２０はセンサフィルム（Ａ又はＢ）、２２はレーザー変位計、２４は電圧増幅アンプを内蔵した電圧計である。
この試験では、センサフィルム２０の曲げ変形による横方向の変位とフィルム両面の電極間に発生する電圧を測定した。
センサフィルム２０は、両面が鉛直に位置し、長さ方向を水平に位置決めし、一端部を固定して保持した。センサフィルム２０の変形は先端部を手動で水平方向に移動し、固定部分から約１２ｍｍの位置の横方向変位をレーザー変位計２２を用いて測定した。
またセンサフィルム２０の電極層３の間に発生する電圧を電圧増幅アンプで約５００倍に増幅し、一次のローパスフィルタを通して測定した。
【００４２】
図５、図６は、センサフィルムＡの試験結果であり、図５は比較的遅い変形（約１秒と約５秒の周期）の場合、図６は変位を加えて離したときの減衰自由振動の場合である。また各図において横軸は時間、縦軸は（Ａ）は電圧変化、（Ｂ）は変位を示している。
図５（Ａ）（Ｂ）から、約１秒の周期では電圧変化は変位と良く一致しているが、約５秒の周期では電圧変化と変位のずれが大きいことがわかる。
また図６（Ａ）（Ｂ）から、減衰自由振動において、電圧変化と変位は良く一致している。
【００４３】
図７、図８は、センサフィルムＢの試験結果であり、図７は比較的遅い変形（約１秒と約５秒の周期）の場合、図８は変位を加えて離したときの減衰自由振動の場合である。また各図において横軸は時間、縦軸は（Ａ）は電圧変化、（Ｂ）は変位を示している。
図７（Ａ）（Ｂ）から、約１秒、約５秒の両方の周期で電圧変化は変位と良く一致している。
また図８（Ａ）（Ｂ）から、減衰自由振動においても、電圧変化と変位は良く一致している。
【００４４】
ＢＭＩＢＦ４使用のセンサフィルムＢは、ＥＭＩＢＦ４使用のセンサフィルムＡよりもプラスイオンがやや大きいフィルムである。
図５、図６と図７、図８を比較すると、プラスイオンがやや大きいセンサフィルムＢの方が、発生する電圧が大きくなっていることが確認できる。
すなわちＩＰＭＣでのＮａ＋とＴＥＡ＋のときと同様に、イオンの違いによってセンサ特性も大きく変化することがわかる。
【００４５】
また実施例２の試験結果から、
１ センサフィルムＡおよびセンサフィルムＢは、変形に対してほぼ比例した電位を発生するが、発生する電圧は０．０１〜０．１ｍＶ程度であり、ＩＰＭＣに比べると低い、
２ 膜内のイオンによってセンサ特性が変化する、
ことがわかり、センサ機能を有することが確認された。
【実施例３】
【００４６】
実施例１で得られたセンサフィルムＢのセンサ機能について、実施例１と同一の装置を用いて再度検証試験を行った。試験したセンサフィルムＢの寸法は、長さ２０ｍｍ×幅２．５ｍｍ×厚さ１３０μｍであった。
図９、図１０、図１１は、この試験結果である。各図において横軸は時間、縦軸は（Ａ）は電圧変化、（Ｂ）は変位を示している。
【００４７】
図９、図１０は、周期１秒から５秒の比較的速い動作に対する応答結果である。これらの図から、周期１秒から５秒の比較的速い変形に対しては、ほぼ変位に比例した電位が発生していることが確認できる。
図１１は一定位置に止めた場合の応答結果であり、出力電圧がゆっくりと減衰していく挙動が確認できる。
実施例２との比較により、高分子内のイオン種によっても、挙動は異なり、ＥＭＩＢＦ４を用いたセンサフィルムＡ（小さいプラスイオンの場合）では減衰する挙動がＢＭＩＢＦ４を用いたセンサフィルムＢに比べて速いことがわかる。
【実施例４】
【００４８】
図１２は、実施例３と同じ設定で数日の間隔をおいて行った再現性／定量性の試験結果である。
図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）にそれぞれ別の日に行った試験結果を示す。この図では横軸が変形量、縦軸が出力電圧となっており、４０秒間に、比較的速い変形を加えたときの試験結果である。速い動作においては、減衰する遅いダイナミクスの影響が少なく、変位と電位応答にほぼ比例関係があることがわかる。
また図１２から、それぞれ別の日に行った試験で同様の結果が得られ、再現性があることが確認できた。
【００４９】
上述したように本発明の装置および方法によれば、アクチュエータ部１２が、不揮発性の電極層３の間に不揮発性のイオン伝導層４を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成されるので、外部から電解質を補充することなく空気中および真空中で安定して作動できる。
【００５０】
また、イオン伝導層４と電極層３がイオン液体を含みかつ可撓性があるので、低電圧で駆動でき、かつ外部からの入力信号に対する応答性を高くできる。
【００５１】
また、アクチュエータ部１２とセンサ部１４を備え、センサ部１４も、２枚の電極層３の間にイオン伝導層４を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されているので、アクチュエータ部によるイオン伝導層の変位をセンサ部で検出することができる。
【００５２】
さらに、電極層形成工程Ｓ３と伝導層形成工程Ｓ４を同時又は順次行うことで、アクチュエータ部１２とセンサ部１４を形成することができ、この両方の工程を、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができるので、製造が極めて容易である。
【００５３】
また、本発明のソフトアクチュエータ１０を用いることにより空中での動作が可能で、センサ部１４によるフィードバック機能を用いることにより、空間的に部分的に剛性を変えることが可能となり、さらに多様な触覚を与えるデバイスを作成可能である。
また、同様の機構をセンサとして使用することにより、皮膚（産毛）のように面で接触を検知できるセンサを構成可能であり、介護などを行う人と接するロボットなどの人工皮膚としての利用が期待できる。また、低電圧で駆動できるという長所を利用し、小型化した鞭毛推進機構を構成することで、血管など人体内を移動するデバイスの開発も期待できる。
【００５４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータの第１実施形態図である。
【図２】本発明のソフトアクチュエータの第２実施形態図である。
【図３】本発明のソフトアクチュエータの製造方法を示すフロー図である。
【図４】使用した試験装置の構成図である。
【図５】センサフィルムＡの試験結果である。
【図６】センサフィルムＡの別の試験結果である。
【図７】センサフィルムＢの試験結果である。
【図８】センサフィルムＢの別の試験結果である。
【図９】センサフィルムＢの比較的速い動作に対する応答結果である。
【図１０】センサフィルムＢの比較的速い動作に対する別の応答結果である。
【図１１】センサフィルムＢの一定位置に止めた場合の応答結果である。
【図１２】再現性／定量性の試験結果である。
【図１３】非特許文献１のＩＰＭＣ膜の模式図である。
【図１４】非特許文献２のアクチュエータ素子の模式図である。
【図１５】特許文献１の「アクチュエータ素子」の構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 電極層前駆体液、２ 伝導層前駆体液、
３ 電極層、４ イオン伝導層、
１０ センサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ（ソフトアクチュエータ）、
１２ アクチュエータ部、１３ 信号入力線、
１４ センサ部、１５ 信号出力線、１６ 信号線、
２０ センサフィルム（Ａ又はＢ）、
２２ レーザー変位計、
２４ 電圧増幅アンプを内蔵した電圧計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの入力信号に応答して変位し、かつその変位を検出するセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療、福祉、ロボット、エンターテイメント産業などの様々な分野で、生物的な柔らかい動きができる高分子アクチュエータが着目されている。高分子アクチュエータとは、高分子材料を主体とし、高分子材料自体が何らかの刺激に対して応答して変形することを利用するアクチュエータをいう。かかる高分子アクチュエータは、例えば、非特許文献１に開示されている。
【０００３】
現在、実用化に近いところまで開発が進んでいる高分子アクチュエータ材料のひとつとして、図１３に示すイオン導電性高分子膜（Ｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ ｇｅｌ Ｆｉｌｍ：ＩＣＰＦ）が知られている。この高分子膜は、イオン導電性高分子膜５１の両面に電極５２ａ，５２ｂを備えたものであり、イオン導電性高分子金属複合体（Ｉｏｎｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：ＩＰＭＣ）とも呼ばれる。以下これをＩＰＭＣ膜（又はＩＣＰＦ）と呼ぶ。
【０００４】
ＩＰＭＣ膜は、電極間に電圧を加えたときに、高分子膜内のイオンが膜厚方向に移動し、これに伴い樹脂内の溶媒が膜厚方向に移動し、その結果、膜の一方の面が伸び他方の面が縮むことにより、屈曲する特性を有する。この屈曲運動の応答特性は、低電圧駆動（３Ｖ以下）において応答速度が比較的速く（例えば１０ｍｓ）、変形も大きい。また、機械的、熱的、化学的耐久性にも優れていることが知られている。
【０００５】
しかし、ＩＰＭＣ膜を用いた高分子アクチュエータは、電場応答性高分子膜の膨潤収縮現象を利用するため、電場応答性高分子膜を常に水溶液中又は湿潤した状態に保持する必要がある。
そこで、この問題を解決するために、例えば、非特許文献２及び特許文献１が提案されている。
【０００６】
非特許文献２は、図１４に示すアクチュエータ素子を開示している。このアクチュエータ素子は、イオン液体をベースポリマーでゲル化して得られる電解質フィルム６１の両面に、電極６３を積層した３層からなり、電極６３間に電位差を与えることにより湾曲させるものである。また電極６３は、単層カーボンナノチューブ６２をイオン液体内に分散したゲル状物質（「バッキーゲル」と呼ぶ）をベースポリマーで成形したものである。
なお、単層カーボンナノチューブ６２は、グラファイトの一枚面を巻いてできる筒状物質であり、直径およそ１ｎｍ、長さ数μｍである。
【０００７】
特許文献１の「アクチュエータ素子」は、図１５に示すように、イオン液体とポリマーとのゲル状組成物からなるイオン伝導層７１の表面に、カーボンナノチューブとイオン液体とポリマーとのゲル状組成物からなる電極層７２が相互に絶縁状態で少なくとも２個形成されたものであり、電極７２間に電位差を与えることにより湾曲および変形を生じさせ得るものである。
【０００８】
【非特許文献１】安積欣志、「高分子アクチュエータ」、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２１ Ｎｏ．７，ｐｐ．７０８〜７１２，２００３
【非特許文献２】安積欣志、福島孝典、相田卓三「プリンタブル高分子アクチュエータ材料の開発」、未来材料、第５巻、第１０号
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１７６４２８号公報、「アクチュエータ素子」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したＩＰＭＣ膜は、フッ素系イオン交換樹脂に貴金属をメッキしたイオン導電性高分子／金属接合体である。この材料は電圧印加により変形するアクチュエータとして用いることが可能であるが、イオン交換樹脂が駆動するために水分が必要である。そのため、水中動作や水分が蒸発しないようにコーティングする必要があった。
また、貴金属のメッキのため、無電解メッキ法という煩雑な手段を用いる必要があった。
【００１１】
一方、非特許文献２及び特許文献１で使用しているイオン液体は、常温溶融塩ともいい、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈し、かつ蒸気圧が無視できるほど低いため、揮発による溶媒の乾燥を防ぐことができる特徴がある。
そのため、非特許文献２及び特許文献１に開示されたアクチュエータ（以下、「バッキーゲルアクチュエータ」と呼ぶ）は、ナノチューブに注入された電荷を打ち消すための電解質（イオン液体）が予めフィルムに内包されており、外部から電解質を補充する必要がないため、空中作動が可能である。
従って、バッキーゲルアクチュエータは、（１）不揮発性電解質と電極の一体化による空中作動性、（２）プリント法が適用可能な優れた成形性、および、（３）大きくしなやかに変形する応答性、等の優れた特性を有している。
【００１２】
しかし、バッキーゲルアクチュエータは、低電圧で駆動できるが、その変位（例えば曲げ角度）を検出できない問題点があった。
【００１３】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、低電圧で駆動でき、外部から電解質を補充することなく空気中および真空中で安定して作動でき、製造が極めて容易であり、外部からの入力信号に対する応答性が高く、かつその変位を検出することができるセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、特許文献１に開示したアクチュエータ素子が、変形させると電圧が生じる逆の作動特性を有し、変位センサとしても使用可能なことを発見したことに基づくものである。
この発見に基づき、アクチュエータと変位センサを一体化したセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータの実現が可能になり、生体適合性のあるソフトなデバイスの制御が可能となった。
【００１５】
すなわち、本発明によれば、イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び絶縁性のあるイオン伝導層と、
前記イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある電極層とからなるアクチュエータ部とセンサ部とを備え、
アクチュエータ部は、２枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成され、
センサ部は、２枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されている、ことを特徴とするセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータが提供される。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記アクチュエータ部を構成する２枚の電極層と、前記センサ部を構成する２枚の電極層は、互いに間隔を隔てた４枚の電極層であり、同一のイオン伝導層の異なる部分を挟持する並列配置である。
【００１７】
また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記アクチュエータ部を構成する２枚の電極層と、前記センサ部を構成する２枚の電極層は、２枚のイオン伝導層の間に挟持された１枚を共有する計３枚の電極層であり、２枚のイオン伝導層の同一位置を挟持する積層配置である。
【００１８】
前記イオン伝導層は、イオン液体とポリマーからなるゲル状組成物であり、
前記電極層は、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーからなるゲル状組成物である。
【発明の効果】
【００１９】
上述した本発明の構成によれば、アクチュエータ部が、不揮発性の電極層間に不揮発性のイオン伝導層を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成されるので、外部から電解質を補充することなく空気中および真空中で安定して作動できる。
【００２０】
また、イオン伝導層と電極層がイオン液体を含みかつ可撓性があるので、低電圧で駆動でき、かつ外部からの入力信号に対する応答性を高くできる。
【００２１】
また、アクチュエータ部とセンサ部を備え、センサ部も、２枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されているので、アクチュエータ部によるイオン伝導層の変位をセンサ部で直接検出することができる。
【００２２】
さらに、電極層形成工程と伝導層形成工程を同時又は順次行うことで、アクチュエータ部とセンサ部を形成することができ、この両方の工程を、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができるので、製造が極めて容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータの第１実施形態図である。この図において、本発明のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ１０（以下、単に「ソフトアクチュエータ」と呼ぶ）は、アクチュエータ部１２とセンサ部１４とを備える。
【００２４】
アクチュエータ部１２は、２枚の電極層３と１枚のイオン伝導層４からなり、２枚の電極層３の間にイオン伝導層４を挟持する。また、２枚の電極層３にはそれぞれ信号入力線１３が取り付けられ、その間に外部から電圧信号を入力するように構成されている。
【００２５】
センサ部１４も、２枚の電極層３と１枚のイオン伝導層４からなり、２枚の電極層３の間にイオン伝導層４を挟持する。また、２枚の電極層３にはそれぞれ信号出力線１５が取り付けられ、その間から電圧信号を外部に出力するように構成されている。
【００２６】
イオン伝導層４は、イオン液体とポリマーからなるゲル状組成物であり、イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び絶縁性のある薄膜層である。
【００２７】
電極層３は、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーからなるゲル状組成物であり、前記イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある薄膜層である。
【００２８】
図１は、本発明のソフトアクチュエータ１０の並列配置例を示している。
この図において、アクチュエータ部１２を構成する２枚の電極層３と、センサ部１４を構成する２枚の電極層３は、互いに間隔を隔てた４枚の電極層３であり、同一のイオン伝導層４の異なる部分を挟持している。
なお、並列配置はこの例に限定されず、アクチュエータ部１２、センサ部１４のいずれか一方、又は両方を複数対の電極層３で構成してもよい。
【００２９】
図２は、本発明のソフトアクチュエータ１０の第２実施形態図である。この図は、本発明のソフトアクチュエータの積層配置例を示している。
この図において、アクチュエータ部１２を構成する２枚の電極層３と、センサ部１４を構成する２枚の電極層３は、２枚のイオン伝導層４の間に挟持された１枚を共有する計３枚の電極層であり、２枚のイオン伝導層４の同一位置を挟持している。
【００３０】
この例で、中間の電極層３に取り付けられた信号線１６は、この例では接地され、信号入力線１３と信号出力線１５の両方に対し２端子対の役割を果たすように構成されているが、信号線１６を信号入力線１３と信号出力線１５の２本で置き換えてもよい。
なお、積層配置はこの例に限定されず、３枚以上のイオン伝導層４と４枚以上の電極層３を交互に積層し、アクチュエータ部１２とセンサ部１４を複数対の電極層３で構成してもよい。
【００３１】
また、本発明は、並列配置又は積層配置に限定されず、両者を組み合わせた構造でもよい。また、アクチュエータ部１２とセンサ部１４の形状、大きさ、向きはこの例では同一であるが、相違してもよい。
【００３２】
図３は、本発明のソフトアクチュエータの製造方法を示すフロー図である。
この図に示すように、本発明のソフトアクチュエータの製造方法は、電極層前駆体液調製工程Ｓ１、伝導層前駆体液調製工程Ｓ２、電極層形成工程Ｓ３、および伝導層形成工程Ｓ４の各工程からなる。
【００３３】
電極層前駆体液調製工程Ｓ１では、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む電極層前駆体液１を調製する。単層カーボンナノチューブをイオン液体と混合すると、ナノチューブが分散するとともに液体がゲル化してゲル状物質となる。従って、これにポリマーを加えることにより、任意の形状に成形することができる。
また、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を加え、ゲル化のプロセスなしに電極層前駆体液１を調製後、任意の形状に成形することもできる。
伝導層前駆体液調製工程Ｓ２では、イオン液体、ポリマーおよび溶媒を含む伝導層前駆体液２を調製する。イオン液体にポリマーを加えることにより、任意の形状に成形することができる。
【００３４】
イオン液体は、後述する実施例では、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ４）又はブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＢＭＩＢＦ４）である。イオン液体は、イオン伝導層４と電極層３の両方で共通であるのがよい。
ポリマーは、後述する実施例では、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶＤＦ（ＨＦＰ））（ＩＩＩ）である。ポリマーもイオン伝導層４と電極層３の両方で共通であるのがよい。
カーボンナノチューブは、後述する実施例では、高純度単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）である。
溶媒は、後述する実施例では、４−メチルペンタンー２−オン（ＭＰ）とプロピレンカーボネイト（ＰＣ）である。
【００３５】
電極層形成工程Ｓ３では、電極層前駆体液１を薄膜状に形成しかつ溶媒を除去して薄膜状の電極層３を形成する。この工程Ｓ３は、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができる。
伝導層形成工程Ｓ４では、伝導層前駆体液２を薄膜状に形成しかつ溶媒を除去して薄膜状のイオン伝導層４を形成する。この工程Ｓ４も、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができる。
【００３６】
電極層形成工程Ｓ３と伝導層形成工程Ｓ４は同時に又は順次行い、電極層３の間にイオン伝導層４を挟持したアクチュエータ部１２とセンサ部１４を形成する。
アクチュエータ部１２は、２枚の電極層３間にイオン伝導層４を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成する。２枚の電極層３にはそれぞれ信号入力線１３を取り付ける。
センサ部１４は、２枚の電極層３の間にイオン伝導層４を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成する。２枚の電極層３にはそれぞれ信号出力線１５を取り付ける。
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００３７】
本発明のソフトアクチュエータのセンサ部１４に相当するセンサフィルムを以下の方法で作製した。
使用した薬品、材料は、以下の通り。
１ イオン液体（ＩＬ）
Ａ．エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ４）
Ｂ．ブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＢＭＩＢＦ４）
２ カーボンナノチューブ
高純度単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）
商品名：ＨｉＰｃｏ（カーボンナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製）
３ ポリマー
ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶＤＦ（ＨＦＰ））
４ 溶媒
Ａ：４−メチルペンタンー２−オン（ＭＰ）
Ｂ：プロピレンカーボネイト（ＰＣ）
【００３８】
（作製方法）
１ 電極層前駆体液（電極キャスト液）の作製
上述した材料をＳＷＮＴ／ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）／ＩＬ／ＰＣ／ＭＰ＝３／８／１２／２４／３００（重量比）の割合で混ぜ、超音波洗浄機中で１時間以上、分散させて、分散液を作製した。その後、液温を８０℃に上げ、３０分間以上攪拌した。
イオン液体（ＩＬ）には、Ａ（ＥＭＩＢＦ４）とＢ（ＢＭＩＢＦ４）の両方をそれぞれ用いた。
２ 伝導層前駆体液（電解質キャスト液）の作製
上述した材料をＩＬ／ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）／ＰＣ／ＭＰ＝１２／２０／２４／３００（重量比）の割合で混ぜ、液温を８０℃に上げ、３０分間以上攪拌した。
３ センサフィルムの作製
電極キャスト液、電解質キャスト液、電極キャスト液の順に、キャストを行い、溶媒を十分乾燥して、３層形態の２種のセンサフィルムを作製した。
【００３９】
以下、イオン液体（ＩＬ）にＡ（ＥＭＩＢＦ４）を用いたものを「センサフィルムＡ」、イオン液体（ＩＬ）にＢ（ＢＭＩＢＦ４）を用いたものを「センサフィルムＢ」と呼ぶ。
【実施例２】
【００４０】
実施例１で得られたセンサフィルムＡとセンサフィルムＢのセンサ機能について以下の検証試験を行った。試験したセンサフィルムＡ，Ｂの寸法は、長さ２０ｍｍ×幅２．５ｍｍ×厚さ１３０μｍであった。
【００４１】
図４は、使用した試験装置の構成図である。この図において、２０はセンサフィルム（Ａ又はＢ）、２２はレーザー変位計、２４は電圧増幅アンプを内蔵した電圧計である。
この試験では、センサフィルム２０の曲げ変形による横方向の変位とフィルム両面の電極間に発生する電圧を測定した。
センサフィルム２０は、両面が鉛直に位置し、長さ方向を水平に位置決めし、一端部を固定して保持した。センサフィルム２０の変形は先端部を手動で水平方向に移動し、固定部分から約１２ｍｍの位置の横方向変位をレーザー変位計２２を用いて測定した。
またセンサフィルム２０の電極層３の間に発生する電圧を電圧増幅アンプで約５００倍に増幅し、一次のローパスフィルタを通して測定した。
【００４２】
図５、図６は、センサフィルムＡの試験結果であり、図５は比較的遅い変形（約１秒と約５秒の周期）の場合、図６は変位を加えて離したときの減衰自由振動の場合である。また各図において横軸は時間、縦軸は（Ａ）は電圧変化、（Ｂ）は変位を示している。
図５（Ａ）（Ｂ）から、約１秒の周期では電圧変化は変位と良く一致しているが、約５秒の周期では電圧変化と変位のずれが大きいことがわかる。
また図６（Ａ）（Ｂ）から、減衰自由振動において、電圧変化と変位は良く一致している。
【００４３】
図７、図８は、センサフィルムＢの試験結果であり、図７は比較的遅い変形（約１秒と約５秒の周期）の場合、図８は変位を加えて離したときの減衰自由振動の場合である。また各図において横軸は時間、縦軸は（Ａ）は電圧変化、（Ｂ）は変位を示している。
図７（Ａ）（Ｂ）から、約１秒、約５秒の両方の周期で電圧変化は変位と良く一致している。
また図８（Ａ）（Ｂ）から、減衰自由振動においても、電圧変化と変位は良く一致している。
【００４４】
ＢＭＩＢＦ４使用のセンサフィルムＢは、ＥＭＩＢＦ４使用のセンサフィルムＡよりもプラスイオンがやや大きいフィルムである。
図５、図６と図７、図８を比較すると、プラスイオンがやや大きいセンサフィルムＢの方が、発生する電圧が大きくなっていることが確認できる。
すなわちＩＰＭＣでのＮａ＋とＴＥＡ＋のときと同様に、イオンの違いによってセンサ特性も大きく変化することがわかる。
【００４５】
また実施例２の試験結果から、
１ センサフィルムＡおよびセンサフィルムＢは、変形に対してほぼ比例した電位を発生するが、発生する電圧は０．０１〜０．１ｍＶ程度であり、ＩＰＭＣに比べると低い、
２ 膜内のイオンによってセンサ特性が変化する、
ことがわかり、センサ機能を有することが確認された。
【実施例３】
【００４６】
実施例１で得られたセンサフィルムＢのセンサ機能について、実施例１と同一の装置を用いて再度検証試験を行った。試験したセンサフィルムＢの寸法は、長さ２０ｍｍ×幅２．５ｍｍ×厚さ１３０μｍであった。
図９、図１０、図１１は、この試験結果である。各図において横軸は時間、縦軸は（Ａ）は電圧変化、（Ｂ）は変位を示している。
【００４７】
図９、図１０は、周期１秒から５秒の比較的速い動作に対する応答結果である。これらの図から、周期１秒から５秒の比較的速い変形に対しては、ほぼ変位に比例した電位が発生していることが確認できる。
図１１は一定位置に止めた場合の応答結果であり、出力電圧がゆっくりと減衰していく挙動が確認できる。
実施例２との比較により、高分子内のイオン種によっても、挙動は異なり、ＥＭＩＢＦ４を用いたセンサフィルムＡ（小さいプラスイオンの場合）では減衰する挙動がＢＭＩＢＦ４を用いたセンサフィルムＢに比べて速いことがわかる。
【実施例４】
【００４８】
図１２は、実施例３と同じ設定で数日の間隔をおいて行った再現性／定量性の試験結果である。
図１２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）にそれぞれ別の日に行った試験結果を示す。この図では横軸が変形量、縦軸が出力電圧となっており、４０秒間に、比較的速い変形を加えたときの試験結果である。速い動作においては、減衰する遅いダイナミクスの影響が少なく、変位と電位応答にほぼ比例関係があることがわかる。
また図１２から、それぞれ別の日に行った試験で同様の結果が得られ、再現性があることが確認できた。
【００４９】
上述したように本発明の装置および方法によれば、アクチュエータ部１２が、不揮発性の電極層３の間に不揮発性のイオン伝導層４を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成されるので、外部から電解質を補充することなく空気中および真空中で安定して作動できる。
【００５０】
また、イオン伝導層４と電極層３がイオン液体を含みかつ可撓性があるので、低電圧で駆動でき、かつ外部からの入力信号に対する応答性を高くできる。
【００５１】
また、アクチュエータ部１２とセンサ部１４を備え、センサ部１４も、２枚の電極層３の間にイオン伝導層４を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されているので、アクチュエータ部によるイオン伝導層の変位をセンサ部で検出することができる。
【００５２】
さらに、電極層形成工程Ｓ３と伝導層形成工程Ｓ４を同時又は順次行うことで、アクチュエータ部１２とセンサ部１４を形成することができ、この両方の工程を、塗布、印刷、押出し、キャスト又は射出により行うことができるので、製造が極めて容易である。
【００５３】
また、本発明のソフトアクチュエータ１０を用いることにより空中での動作が可能で、センサ部１４によるフィードバック機能を用いることにより、空間的に部分的に剛性を変えることが可能となり、さらに多様な触覚を与えるデバイスを作成可能である。
また、同様の機構をセンサとして使用することにより、皮膚（産毛）のように面で接触を検知できるセンサを構成可能であり、介護などを行う人と接するロボットなどの人工皮膚としての利用が期待できる。また、低電圧で駆動できるという長所を利用し、小型化した鞭毛推進機構を構成することで、血管など人体内を移動するデバイスの開発も期待できる。
【００５４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータの第１実施形態図である。
【図２】本発明のソフトアクチュエータの第２実施形態図である。
【図３】本発明のソフトアクチュエータの製造方法を示すフロー図である。
【図４】使用した試験装置の構成図である。
【図５】センサフィルムＡの試験結果である。
【図６】センサフィルムＡの別の試験結果である。
【図７】センサフィルムＢの試験結果である。
【図８】センサフィルムＢの別の試験結果である。
【図９】センサフィルムＢの比較的速い動作に対する応答結果である。
【図１０】センサフィルムＢの比較的速い動作に対する別の応答結果である。
【図１１】センサフィルムＢの一定位置に止めた場合の応答結果である。
【図１２】再現性／定量性の試験結果である。
【図１３】非特許文献１のＩＰＭＣ膜の模式図である。
【図１４】非特許文献２のアクチュエータ素子の模式図である。
【図１５】特許文献１の「アクチュエータ素子」の構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 電極層前駆体液、２ 伝導層前駆体液、
３ 電極層、４ イオン伝導層、
１０ センサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ（ソフトアクチュエータ）、
１２ アクチュエータ部、１３ 信号入力線、
１４ センサ部、１５ 信号出力線、１６ 信号線、
２０ センサフィルム（Ａ又はＢ）、
２２ レーザー変位計、
２４ 電圧増幅アンプを内蔵した電圧計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び絶縁性のあるイオン伝導層と、
前記イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある電極層とからなるアクチュエータ部とセンサ部とを備え、
アクチュエータ部は、２枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成され、
センサ部は、２枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されている、ことを特徴とするセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ。
【請求項２】
前記アクチュエータ部を構成する２枚の電極層と、前記センサ部を構成する２枚の電極層は、互いに間隔を隔てた４枚の電極層であり、同一のイオン伝導層の異なる部分を挟持する並列配置である、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ。
【請求項３】
前記アクチュエータ部を構成する２枚の電極層と、前記センサ部を構成する２枚の電極層は、２枚のイオン伝導層の間に挟持された１枚を共有する計３枚の電極層であり、２枚のイオン伝導層の同一位置を挟持する積層配置である、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ。
【請求項４】
前記イオン伝導層は、イオン液体とポリマーからなるゲル状組成物であり、
前記電極層は、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーからなるゲル状組成物である、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ。
【請求項１】
イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び絶縁性のあるイオン伝導層と、
前記イオン液体を含み不揮発性、可撓性及び導電性のある電極層とからなるアクチュエータ部とセンサ部とを備え、
アクチュエータ部は、２枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間に電圧信号を入力するように構成され、
センサ部は、２枚の電極層間にイオン伝導層を挟持してその間から電圧信号を出力するように構成されている、ことを特徴とするセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ。
【請求項２】
前記アクチュエータ部を構成する２枚の電極層と、前記センサ部を構成する２枚の電極層は、互いに間隔を隔てた４枚の電極層であり、同一のイオン伝導層の異なる部分を挟持する並列配置である、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ。
【請求項３】
前記アクチュエータ部を構成する２枚の電極層と、前記センサ部を構成する２枚の電極層は、２枚のイオン伝導層の間に挟持された１枚を共有する計３枚の電極層であり、２枚のイオン伝導層の同一位置を挟持する積層配置である、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ。
【請求項４】
前記イオン伝導層は、イオン液体とポリマーからなるゲル状組成物であり、
前記電極層は、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーからなるゲル状組成物である、ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ機能付き統合型ソフトアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−３１８９６０（Ｐ２００７−３１８９６０Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４８１５２（Ｐ２００６−１４８１５２）
【出願日】平成１８年５月２９日（２００６．５．２９）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２９日（２００６．５．２９）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
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