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技術 人工筋肉

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 杉浦愛子
出願日 2007年2月13日 (15年0ヶ月経過) 出願番号 2007-032150
公開日 2008年8月28日 (13年5ヶ月経過) 公開番号 2008-199784
状態 未査定
技術分野 特殊な電動機、発電機
主要キーワード ファインセラミック 人工筋肉アクチュエータ リハビリ機器 介護機器 伸縮材 ミクロブラウン運動 振動型駆動装置 アクチュエータ装置
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2008年8月28日)のものです。
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図面 (2)

課題

指、腕及び脚部など、所望の用途及び部位に応じた適切な発生力及び変位量を有する電歪ポリマーに基づく柔軟な人工筋肉を提供する。

解決手段

電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、前記電歪ポリマーの側鎖に導入する置換基やその長さを選択したこと、電歪ポリマーを架橋構造としたこと、電歪ポリマーに高誘電率微粒子を添加したこと、及び/又は電歪ポリマーの配向性を向上させたことを特徴とする、人工筋肉が提供される。

概要

背景

ロボット介護機器リハビリ機器等への応用が期待される材料として人工筋肉がある。人工筋肉の材料としては、高分子材料形状記憶材料を用いたもの、静電力空気圧を利用したものなどが挙げられ、研究開発が盛んである。しかしながら、導電性ポリマーなどの高分子材料を用いた人工筋肉では、ドライ環境下において作動できず、形状記憶合金を用いたものでは、応答性が低いなどの問題がある。また、金属でできた構造のものも使用されているが、金属を用いた人工筋肉の場合、大きさや重量、暴走した際の衝突による破損や動作音など様々な問題がある。

このため、人工筋肉に用いる材料として、高い応答性を有し、低コスト、ドライ環境下でも動作可能な電歪ポリマーが注目されている。電歪ポリマーは、上記の利点以外にも、小型かつ軽量で、さらには柔軟で人体にもフィットし、動作音もなく、また、暴走しても障害に至らないという利点を有する。電歪ポリマーを利用した人工筋肉は、図1に示すように、ポリマーからなる伸縮性薄膜電極で挟み込んだ構造を一般的に有し、これらの電極間電場をかけることで生じるクーロン力により中間層のポリマーを変形させるというものである。しかしながら、このような電歪ポリマーに基づく人工筋肉は、得られる発生力変位量が十分なものではなく、現実への適用が困難な状況にある。

特許文献1では、印加される電圧電流の変動により自体の形状を調整可能とした適合電極間のエラストマー誘電体に基づく電歪伸縮材を、バルブ装置ポンプ装置アクチュエータ装置センサー装置発電装置振動型駆動装置等の駆動装置における作動部材として利用することが記載され、さらに、このような電歪伸縮材として、高い誘電率及び比較的低い弾性率を有する電歪伸縮ポリマーが理想的であると記載している。

特許文献2では、浮力発生機構を有する移動ロボットにおいて、導電性高分子による人工筋肉アクチュエータを用いて運動機構を駆動することが記載されている。

非特許文献1では、高周波用成形材料の開発において、スチレン系樹脂酸化チタン複合化した混合系材料比誘電率が増加することが記載されている。
特開2001−286162号公報
特開2005−349517号公報
誘電特性に優れた高周波用成形材料」、電工技法、Feb.2004(78−81)

概要

指、腕及び脚部など、所望の用途及び部位に応じた適切な発生力及び変位量を有する電歪ポリマーに基づく柔軟な人工筋肉を提供する。電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、前記電歪ポリマーの側鎖に導入する置換基やその長さを選択したこと、電歪ポリマーを架橋構造としたこと、電歪ポリマーに高誘電率微粒子を添加したこと、及び/又は電歪ポリマーの配向性を向上させたことを特徴とする、人工筋肉が提供される。

目的

本発明の目的は、指、腕及び脚部など、所望の用途及び部位に応じた適切な発生力及び変位量を有する電歪ポリマーに基づく柔軟な人工筋肉を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、前記電歪ポリマーが側鎖に弾性率を制御するための置換基を有することを特徴とする、人工筋肉

請求項2

電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、前記電歪ポリマーが弾性率を制御するための架橋構造を有することを特徴とする、人工筋肉。

請求項3

電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、前記電歪ポリマーに高誘電率微粒子を添加したことを特徴とする、人工筋肉。

請求項4

電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、前記電歪ポリマーが側鎖に誘電率を制御するための極性基を有することを特徴とする、人工筋肉。

技術分野

0001

本発明は、電歪ポリマーを利用した人工筋肉に関する。

背景技術

0002

ロボット介護機器リハビリ機器等への応用が期待される材料として人工筋肉がある。人工筋肉の材料としては、高分子材料形状記憶材料を用いたもの、静電力空気圧を利用したものなどが挙げられ、研究開発が盛んである。しかしながら、導電性ポリマーなどの高分子材料を用いた人工筋肉では、ドライ環境下において作動できず、形状記憶合金を用いたものでは、応答性が低いなどの問題がある。また、金属でできた構造のものも使用されているが、金属を用いた人工筋肉の場合、大きさや重量、暴走した際の衝突による破損や動作音など様々な問題がある。

0003

このため、人工筋肉に用いる材料として、高い応答性を有し、低コスト、ドライ環境下でも動作可能な電歪ポリマーが注目されている。電歪ポリマーは、上記の利点以外にも、小型かつ軽量で、さらには柔軟で人体にもフィットし、動作音もなく、また、暴走しても障害に至らないという利点を有する。電歪ポリマーを利用した人工筋肉は、図1に示すように、ポリマーからなる伸縮性薄膜電極で挟み込んだ構造を一般的に有し、これらの電極間電場をかけることで生じるクーロン力により中間層のポリマーを変形させるというものである。しかしながら、このような電歪ポリマーに基づく人工筋肉は、得られる発生力変位量が十分なものではなく、現実への適用が困難な状況にある。

0004

特許文献1では、印加される電圧電流の変動により自体の形状を調整可能とした適合電極間のエラストマー誘電体に基づく電歪伸縮材を、バルブ装置ポンプ装置アクチュエータ装置センサー装置発電装置振動型駆動装置等の駆動装置における作動部材として利用することが記載され、さらに、このような電歪伸縮材として、高い誘電率及び比較的低い弾性率を有する電歪伸縮ポリマーが理想的であると記載している。

0005

特許文献2では、浮力発生機構を有する移動ロボットにおいて、導電性高分子による人工筋肉アクチュエータを用いて運動機構を駆動することが記載されている。

0006

非特許文献1では、高周波用成形材料の開発において、スチレン系樹脂酸化チタン複合化した混合系材料比誘電率が増加することが記載されている。
特開2001−286162号公報
特開2005−349517号公報
誘電特性に優れた高周波用成形材料」、電工技法、Feb.2004(78−81)

発明が解決しようとする課題

0007

特許文献1及び2は、電歪ポリマーを利用した人工筋肉を駆動装置やロボットに適用することを記載しており、さらに特許文献1では、電歪ポリマーとして、高い誘電率及び比較的低い弾性率を有するものが理想的であると記載している。しかしながら、これらの文献では、上記のような用途に適した具体的な電歪ポリマーについては何ら示されておらず、また、特許文献1においても、高誘電率及び低弾性率を有する電歪ポリマーについて具体的には示されていない。さらに、非特許文献1は、酸化チタンとの複合化により比誘電率を増加させた材料を記載しているが、このような材料を人工筋肉において利用することについては何ら記載されていない。

0008

本発明の目的は、指、腕及び脚部など、所望の用途及び部位に応じた適切な発生力及び変位量を有する電歪ポリマーに基づく柔軟な人工筋肉を提供することである。

課題を解決するための手段

0009

上記課題を解決する本発明は下記にある。
(1)電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、前記電歪ポリマーが側鎖に弾性率を制御するための置換基を有することを特徴とする、人工筋肉。
(2)電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、前記電歪ポリマーが弾性率を制御するための架橋構造を有することを特徴とする、人工筋肉。
(3)電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、前記電歪ポリマーに高誘電率の微粒子を添加したことを特徴とする、人工筋肉。
(4)電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、前記電歪ポリマーが側鎖に誘電率を制御するための極性基を有することを特徴とする、人工筋肉。

発明の効果

0010

本発明によれば、指、腕及び脚部など、所望の用途及び部位に応じた適切な発生力及び変位量を有する電歪ポリマーに基づく柔軟な人工筋肉を得ることができる。

発明を実施するための最良の形態

0011

本発明の人工筋肉は、電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と、該伸縮性薄膜の両面に接合した伸縮性電極とを含み、適用される用途及び部位に応じた適切な発生力及び変位量を有することを特徴としている。

0012

本発明において用いられる「電歪ポリマー」という語は、印加する電圧や電流の変動で生じるクーロン力によってその形状が変形する任意のポリマーを包含することを意図するものである。

0013

図1に示すような電歪ポリマー膜を利用した人工筋肉1においては、図1(a)の電圧が印加されていない状態から、電圧が印加されると、電歪ポリマー膜2が伸縮性電極3間の静電引力により膜厚方向圧縮され、平面方向に伸長する(図1(b))。このとき、膜において生じる膜厚方向の発生力及び平面方向の変位量は、一般的に以下の式で表される。
F=ε0εr×n×A×(V/d)2 (式1)
s=ε0εr×L×(V/d)2/Y (式2)
式中、Fは発生力、sは変位量、ε0は真空の誘電率、εrは膜の比誘電率、nは積層数、Aは膜の断面積、Vは電圧、dは膜厚さ、Lは膜長さ、Yは膜の弾性率である。

0014

従来の電歪ポリマー膜を利用した人工筋肉においては、上記の発生力Fを大きくするために、膜の断面積Aを大きくしたり、膜の厚さdを小さくするなどしていた。しかしながら、このようにして得られる発生力Fには限界があり、また、その大きさについても決して十分なものではなかった。本発明は、上記式1及び式2における弾性率Y及び比誘電率εrに着目して、電歪ポリマー膜の発生力F及び変位量sを改善しようとするものである。

0015

具体的には、上記式1及び2から明らかなように、電歪ポリマー膜の膜厚方向の発生力Fと平面方向の変位量sが弾性率Yと比誘電率εrに依存しているため、それらを変化させることにより発生力Fと変位量sを制御することができる。すなわち、弾性率Yを小さくすることで、変位量sを大きくすることが可能であり、比誘電率εrを大きくすることで、発生力Fと変位量sを大きくすることが可能である。したがって、例えば、指など、発生力や変位量の比較的小さな部位において使用する人工筋肉の場合には、弾性率Yが大きく、比誘電率εrの小さな電歪ポリマー膜を選択することができ、対照的に、腕や足など、発生力や変位量の比較的大きな部位において使用する人工筋肉の場合には、弾性率Yが小さく、比誘電率εrの大きな電歪ポリマー膜を選択することができる。このように、電歪ポリマー膜の弾性率Yと比誘電率εrを制御することで、所望の用途及び部位に応じた適切な発生力Fと変位量sを有する電歪ポリマー膜を得ることができる。

0016

本発明によれば、電歪ポリマーとしては、当業者に公知の任意の材料を使用することができる。一般的な電歪ポリマーとしては、シリコーンゴムアクリル樹脂ポリウレタンなどが挙げられる。

0017

本発明によれば、電歪ポリマーの側鎖を適切に選択することで、所望の用途及び部位に応じた電歪ポリマーの弾性特性を得ることができる。具体的には、電歪ポリマーの弾性率Yを制御するために、電歪ポリマーの側鎖に置換基を導入することができる。置換基として自由度の高い炭素鎖を導入した場合には、電歪ポリマーの弾性率Yを小さく、すなわち、ポリマーを柔らかくすることができるので、変位量sを大きくすることが可能である。また、側鎖に長鎖の置換基を導入した場合には、この側鎖置換基が立体障害となって電歪ポリマーのミクロブラウン運動が制限されるので、ポリマーを硬くすることができ、したがって、変位量sを小さくすることが可能である。さらには、置換基として自由度の低い芳香族基などを導入した場合には、電歪ポリマーの弾性率Yを大きく、すなわち、ポリマーを硬くすることができるので、変位量sを小さくすることが可能である。

0018

本発明によれば、電歪ポリマーの弾性率Yを制御するために、電歪ポリマーを架橋構造にすることができる。電歪ポリマーの主鎖と側鎖を架橋することで、電歪ポリマーの弾性率Yを大きく、すなわち、ポリマーを硬くすることができるので、変位量sを小さくすることが可能である。本発明において使用することができる架橋剤の例としては、ジビニルベンゼンエチレングリコールジメタクリレートなどが挙げられる。

0019

さらには、分子間で水素結合による架橋構造を形成するポリマーを選択することによっても電歪ポリマーの弾性率Yを大きくすることができる。

0020

本発明によれば、電歪ポリマーの弾性率Yを制御するために、電歪ポリマーに造核剤を添加することができる。造核剤を添加することにより、電歪ポリマーの結晶粒の数が増えて結晶粒が微細化するため、電歪ポリマーの弾性率Yを大きく、すなわち、ポリマーを硬くすることが可能である。本発明において使用することができる造核剤の例としては、リン酸金属塩系及び安息香酸系のものなどが挙げられる。

0021

本発明によれば、電歪ポリマーの比誘電率εrを適切に選択することで、所望の用途に応じた電歪ポリマーの発生力及び変位量を得ることができる。具体的には、電歪ポリマーの比誘電率εrを大きくするために、電歪ポリマーに高誘電率の微粒子を添加することができる。本発明において使用することができる添加剤の例としては、ファインセラミック粉末、例えば、酸化チタンなどが挙げられる。

0022

さらには、電歪ポリマー膜の配向性を制御することによっても、電歪ポリマー膜の比誘電率εrを大きくすることができる。具体的には、電歪ポリマー膜の配向性を揃えるために、電歪ポリマーの側鎖に極性基を導入することができる。極性の高いシアノ(CN)基やフルオロ(F)基を電歪ポリマーの一方向に揃うよう置換することで、電歪ポリマー膜の配向性が向上し、比誘電率εrを大きくすることができる。また、電歪ポリマー膜の配向性を向上させるために、アゾベンゼンなどの置換基をポリマーの側鎖に導入してもよい。アゾベンゼンは、直線偏光照射すると、その遷移モーメント偏光方向と直交(又は光軸と平行)するよう再配置するという特性を有する。したがって、このような光制御型置換基を導入して光を照射し、偏光を揃えた後、電位をかけることで、電歪ポリマー膜の配向性が向上するので、比誘電率εrを大きくすることが可能である。

0023

本発明によれば、電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜の両面に接合される伸縮性電極としては、電歪ポリマー膜の変形に対応して伸縮及び変形することができる導電性でかつ柔軟な任意の好適な材料を選択することができる。本発明の人工筋肉においては、例えば、グラファイトパウダー等からなる電極を使用することが好ましい。

0024

上記のとおり、本発明によれば、電歪ポリマーの側鎖に導入する置換基やその長さを選択すること、電歪ポリマーを架橋構造とすること、電歪ポリマーに高誘電率の微粒子を添加すること、電歪ポリマーの配向性を向上させることなど、又はそれらを組み合わせることにより、電歪ポリマーの弾性率や比誘電率を制御することができるので、所望の発生力及び変位量を有する電歪ポリマーに基づく人工筋肉を得ることができる。したがって、本発明の人工筋肉は、指、腕及び脚部など、所望の用途及び部位において適用することが可能である。

図面の簡単な説明

0025

本発明による電歪ポリマー膜を利用した人工筋肉の模式図であり、(a)は電圧を印加していない状態、(b)は電圧を印加した状態を示す。

符号の説明

0026

1人工筋肉
2電歪ポリマー膜
3 伸縮性電極

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