JP3776571B2 - Functional element - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は共役性高分子を用いたリチウムイオン二次電池などのポリマー電池、太陽電池、ディスプレイ、光変調素子、メモリー媒体などに用いられるエレクトロクロミック素子、有機トランジスタ、センサーなどに用いられる機能素子、および医療機器、各種ロボット、介護介助機器、力学的なフィードバックが可能なデータグローブなどに用いられるアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
共役性高分子などの半導体性または導電性の高分子は成形性に優れており、容易に薄膜にできる。このため、半導体性または導電性の高分子薄膜とポリマー電解質などイオン伝導性の高分子薄膜とを組み合わせて、エレクトロクロミック素子など種々の機能素子への応用が期待されている。たとえばエレクトロクロミック素子はイオン伝導性の高分子薄膜から半導体性または導電性の高分子薄膜へのキャリアーの注入による色変化を利用する。また、固体電解質を通してイオンが注入されたときに電気化学的な反応によって分子容が変化する高分子薄膜を用いてアクチュエータとして用いることもできる。
【０００３】
このような機能素子は、半導体性または導電性の高分子薄膜とイオン伝導性の高分子薄膜との界面をキャリアーが通過することによって機能を発現するので、両者の界面は大面積で密着していることが重要である。
【０００４】
しかし、２種の高分子薄膜を積層した構造では界面の面積を大きくすることは難しく、応答速度や出力を向上させることが困難である。しかも多くの場合、界面には大きな電界や応力がかかるため、劣化や剥離が起こりやすく、耐久性が低下する原因となっている。
【０００５】
また、上述したような共役性高分子薄膜や高分子ゲルなどを利用したアクチュエータは、柔らかく軽量で柔軟な作動が可能である。そのため義肢に用いる人工筋肉、または医用機器や介護用ロボットに用いられるアクチュエータとしての応用が期待されている。ただし、高分子薄膜を用いたアクチュエータは伸縮率および作動量が小さい。たとえば共役性高分子であるポリアニリンを電解質溶液中で駆動させるアクチュエータは、生体の筋肉と比較して１桁程度大きい駆動力が得られるが、伸縮率は３〜４％程度であり生体の筋肉が示す３０％程度の伸縮率に対し１桁程度小さい。このため、さらに伸縮率および作動量を拡大することが要求され、代表的にはバイモルフ構造が採用されている。
【０００６】
しかし、バイモルフ構造のアクチュエータは屈曲動作するため使用形態が限定される。また、アクチュエータを構成する薄膜に曲げトルクがかかるため、実効的な出力を向上させることが困難である。なお、作動量を大きくするために単純に複数のアクチュエータを伸縮方向に沿って直列に連結したり積層しても、伸縮率を増大することはできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、界面面積が充分大きく、界面の耐久性が高い素子構造を有し、エレクトロクロミック素子やアクチュエータとして良好に用いることができる機能素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、柔軟でしなやかに作動し、しかも作動量および伸縮率を増大できるアクチュエータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の機能素子は、半導体性または導電性の第１の有機高分子鎖が凝集して形成される第１相とイオン伝導性の第２の有機高分子鎖が凝集して形成される第２相とが三次元共連続ミクロ相分離構造を形成し、前記第１相および第２相が界面において化学的に結合した高分子成形体と、前記高分子成形体を構成する第１相および第２相にそれぞれ電気的に接続された電極を有し、一方の電極は第１相もしくは第２相に対して親和性が高い材料からなり、他方の電極はその表面に第２相もしくは第１相と同じ高分子鎖からなるホモポリマーが成膜されていることを特徴とする。
【０００９】
この機能素子は、三次元共連続ミクロ相分離構造をなす多成分多相系の高分子成形体の各相に電力を供給し、第１の有機高分子鎖にキャリアーを注入して動作させる。具体的には、たとえば第１の有機高分子鎖の色変化を利用してエレクトロクロミック素子として用いることができる。
【００１０】
本発明のアクチュエータは、電気化学的な反応によって分子容が変化する有機高分子鎖からなる第１相と固体電解質からなる第２相とが共連続構造を形成した高分子成形体と、前記高分子成形体の各相に電力を供給する手段とを具備したことを特徴とする。
【００１１】
このアクチュエータは、固体電解質を通してイオンが注入されたときに電気化学的な反応（酸化および／または還元）によって高分子薄膜の分子容が変化することを利用する。
【００１２】
本発明の他のアクチュエータは、間隔を隔てて同軸的に配置された径の異なる筒状部材と、内側の前記筒状部材の外壁と外側の前記筒状部材の内壁とを互いに連結する伸縮可能なアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部に駆動エネルギーを供給する手段とを具備したことを特徴とする。
【００１３】
このアクチュエータは、内側の筒状部材、外側の筒状部材およびこれらを連結するアクチュエータ部を単位アクチュエータとして、複数の単位アクチュエータを同軸的に配置することが好ましい。
【００１４】
このアクチュエータは、アクチュエータ部の伸縮方向に沿って動作するので、アクチュエータ部の配置によって様々な形態で使用することができる。また、複数の単位アクチュエータを同軸的に配置した場合には、作動量を大きくすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１６】
本発明の機能素子は、半導体性または導電性の第１の有機高分子鎖とイオン伝導性の第２の有機高分子鎖を含有する。
【００１７】
半導体性または導電性の有機高分子としては、電気的に不活性な高分子鎖の主鎖中にまたは側鎖としてペンダント状に、光電荷発生性またはキャリアー輸送性の分子構造が結合したものが挙げられる。電気的に不活性な高分子鎖は、ポリエチレン鎖、ポリエーテル鎖、ポリエステル鎖、ポリアミド鎖、ポリイミド鎖などである。光電荷発生性またはキャリアー輸送性の分子構造としては、以下に示すようなものが挙げられる。たとえば、フタロシアニン系誘導体、ナフタロシアニン系誘導体、アゾ化合物系誘導体、ペリレン系誘導体、インジゴ系誘導体、キナクリドン系誘導体、多環キノン系誘導体（アントラキノンなど）、シアニン系誘導体、フラーレン類誘導体、含窒素環式化合物誘導体（インドール、カルバゾール、オキサゾール、インドオキサゾール、チアゾール、イミダゾール、ピラゾール、オキサジアゾール、ピラゾリン、チアジアゾール、トリアゾールなど）、ヒドラゾン誘導体、トリフェニルアミン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、スチルベン誘導体、キノン化合物誘導体（アントラキノン、ジフェノキノンなど）、多環芳香族化合物誘導体（アントラセン、ビレン、フェナントレン、コロネンなど）である。
【００１８】
また、共役性高分子を用いてもよい。共役性高分子としては、芳香族系共役性高分子（ポリパラフェニレンなど）、脂肪族系共役性高分子（ポリアセチレンなど）、複素環式共役性高分子（ポリピロール、ポリチオフェンなど）、含ヘテロ原子共役性高分子（ポリアニリン、ポリフェニレンサルファイドなど）が挙げられる。また、これらの共役性高分子の構成単位が交互に結合した構造を有する複合型共役性高分子、具体的にはポリ（フェニレンビニレン）、ポリ（アリーレンビニレン）などを用いてもよい。さらに、ポリシラン、ジシラニレンなどのオリゴシランと電子系構造とが交互に連鎖したポリマー（ジシラニレンアリレンポリマー、（ジシラニレン）エテニレンポリマー、（ジシラニレン）エチニレンポリマーなど）、リン系または窒素系の無機高分子、高分子鎖に芳香族系配位子が配位して積層したポリマー（フタロシアナートポリシロキサンなど）を用いてもよい。
【００１９】
イオン伝導性の有機高分子としては、ポリエーテル（ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）など）、ポリエステル、ポリアミン、ポリイミン、ポリスルフィド、側鎖にオリゴエーテル鎖を有するくし型ポリエーテル誘導体、高分子電解質型イオン伝導体が挙げられる。
【００２０】
本発明の機能素子においては、半導体性または導電性の第１の有機高分子鎖 （有機高分子鎖Ａという）が凝集して形成される第１相（Ａ相という）と、イオン伝導性の第２の有機高分子鎖（有機高分子鎖Ｂという）が凝集して形成される第２相（Ｂ相という）とが、三次元共連続ミクロ相分離構造を形成し、両相が界面において化学的に結合した多成分多相系の高分子成形体を用いる。Ｂ相にはリチウム塩やアンモニウム塩などの有機塩や無機塩、またはイオン交換樹脂などの高分子塩が混合されている。
【００２１】
良好な三次元共連続ミクロ相分離構造を形成するためには、高分子鎖Ａ（またはモノマー、オリゴマーなどの前駆体）と高分子鎖Ｂ（またはモノマー、オリゴマーなどの前駆体）とが互いに非相溶であることが好ましい。また、Ａ相とＢ相との界面における化学的な結合は、共有結合であることが好ましい。したがって、２種の高分子鎖Ａおよび高分子鎖ＢからなるＡ−Ｂ型ジブロック共重合体またはＡ−Ｂ−Ａ型もしくはＢ−Ａ−Ｂ型トリブロック共重合体を用いることが好ましい。ブロック共重合体を構成する各ブロックの分子量は１万以上であることが好ましい。なお、場合によっては、スター型の共重合体やグラフト型の共重合体を用いてもよい。
【００２２】
上記のようなブロック共重合体を合成するには、予め高分子Ａおよび高分子Ｂを合成した後、末端の官能基どうしを反応させてもよいし、末端に官能基を導入した高分子Ｂの存在下で高分子Ａのモノマーをリビング重合など適当な方法で重合させてもよい。たとえば、末端にアミノフェニルオキシ基を有するポリエチレンオキシドの存在下でアニリンを酸化重合させることにより、トリブロック共重合体またはジブロック共重合体を合成することができる。また、たとえば相互に非相溶な一方の高分子と他方の高分子の前駆体オリゴマーとを混合して相分離構造を形成した後、加熱、光照射または触媒添加により反応させて最終的なブロック共重合体を合成してもよい。この際、合成されるブロック共重合体のガラス転移温度以下の温度で反応させるなど、反応条件を適当に選択することにより、相分離構造を破壊することなくブロック共重合体を合成することができる。
【００２３】
上記のようなブロック共重合体を適当な溶媒に溶解して塗布溶液を調製し、適当な基板上に塗布して乾燥することにより、三次元共連続ミクロ相分離構造の高分子成形体（薄膜）を作製することができる。また、ブロック共重合体を溶融し、これを適当な基板に塗布して成形した後に冷却して成形体を作製してもよい。
【００２４】
上記のようなブロック共重合体を用いて形成される相分離構造は、単なる混合物からの相分離構造とは異なり、多くの場合数ｎｍ〜数十ｎｍオーダーの単位胞を有する非常に規則的な微細構造を示す。たとえば、ＯＢＤＤ構造と称される、結晶構造に似た非常に規則的な三次元共連続ミクロ相分離構造が形成される。ＯＢＤＤ構造のほかにも、ラメラカテノイド構造、Ｔ−サーフェス構造、ディスオーダード構造などの種々の構造が形成される。三次元網目状の相分離構造が形成されると、各相の開口部の平均径は一般に１０〜１００ｎｍ程度の範囲となる。開口部の平均径はブロック共重合体の分子量や高分子鎖の組み合わせによって変化する。開口部の平均径は、１００ｎｍ以下、さらに５０ｎｍ以下、さらに２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
三次元共連続ミクロ相分離構造においては、Ａ相およびＢ相がそれぞれ三次元網目構造を形成し、これらの三次元網目構造が相互に絡み合っている。しかも、各相はそれぞれ連続しているため、各々の相分離ドメインはすべて接続されていると考えることができる。このような相分離構造では、Ａ相とＢ相との界面の面積（各相の単位体積当たりの界面面積）が数ｍ2 ／ｇ、場合によっては１０００ｍ2 ／ｇ程度と非常に大きくなる。なお、界面の面積は１０ｍ2 ／ｇ以上であることが好ましい。単なる混合物からの相分離構造では、このような大きな界面面積を得ることは困難である。このように本発明の機能素子を構成する高分子成形体では、界面の面積が非常に大きいＡ相とＢ相との間でキャリアー（電子、ホールまたはイオン）の交換が非常にスムーズに進行するため、応答速度や出力を向上させるのに有利になる。
【００２６】
また、上記の相分離構造では、それぞれの高分子鎖がＡ相とＢ相の界面を貫通した状態で凝集し、Ａ相とＢ相とは化学的結合によって完全に接合されているので、高分子鎖が断裂しない限り界面の剥離は起こらない。したがって、界面に大きな電界や応力がかかっても、耐久性の低下を抑制できる。
【００２７】
相分離構造を安定化するために、高分子材料に架橋剤を添加したり、高分子鎖に架橋性基を導入し、相分離構造形成後に高分子材料を相互に三次元的に架橋してもよい。このように架橋させることにより、高分子成形体の熱的または機械的な強度をさらに向上できる。
【００２８】
本発明の機能素子において、高分子成形体の各相に電力を供給する手段としては、Ａ相およびＢ相のそれぞれに接続された電極を用いる。電極材料としては、無機または有機の導体または半導体を用いることができる。電極の形状は特には限定されず、平板状、薄膜状、多孔質膜状、棒状、繊維状、網目状、点状のいずれでもよい。この場合、Ａ相およびＢ相に対する電極材料の親和性の差を利用することによって、いずれか一方の相のみに電極のコンタクトをとることができる。たとえば電極材料がＡ相とは親和性が高いがＢ相とは親和性が低い場合、電極上にブロック共重合体を塗布するか溶融させた後に相分離させる過程で、電極表面にＡ相が選択的に凝集するので、Ａ相のみと接続した電極を形成することができる。また、電極にＡ相またはＢ相のいずれかに対する親和性を持たせるためには、電極表面にその相と同じ高分子鎖からなるホモポリマーを成膜すればよい。また、現実的な素子構造では、電極とＡ相の間に他の半導体性または導電性の層が形成されていてもよいし、電極とＢ相との間に他のイオン導電性の層が挿入されていてもよい。
【００２９】
このように電極がＡ相およびＢ相のそれぞれに接続され、しかも上述したように相分離構造の内部ではＡ相およびＢ相がそれぞれ三次元網目構造を形成し、各相はそれぞれ連続している。このため、本発明の機能素子の電気的な接続状態は、高分子薄膜Ａと高分子薄膜Ｂとの積層構造を有する従来の素子と等価である。
【００３０】
本発明の機能素子は、たとえばエレクトロクロミック素子として用いることができる。具体的には、ポリアニリンやポリピロールなどの導電性高分子鎖Ａとポリエチレングリコールなどのイオン伝導性高分子鎖Ｂとからなるブロック共重合体を用いて三次元共連続ミクロ相分離構造を有する高分子薄膜を形成し、Ａ相およびＢ相のそれぞれに接続する電極を形成したエレクトロクロミック素子を作製することができる。このようなエレクトロクロミック素子では、電極から電力を供給し、イオン伝導性のＢ相を通してＡ相にキャリアーを注入することにより、導電性のＡ相に色変化を生じさせることができる。このエレクトロクロミック素子は、応答速度が速く、高分子薄膜の膜厚を厚くすれば充分な光学密度を得ることもできる。
【００３１】
図１に本発明に係るエレクトロクロミック素子の一例を示す。図１において、ガラス基板１０１に形成された透明電極１０２上にブロック共重合体の溶液を塗布し、乾燥することにより相分離膜１０３が形成されている。この相分離膜１０３上に電解質層１０４を介して対極１０５が形成されている。電解質層１０４は電解質溶液を含浸させた固体電解質でもよいし、電解質溶液を充填してもよい。
【００３２】
ここで、対極１０５側に別種のポリマー種から構成された相分離膜を設け、対極１０５側においてもエレクトロクロミック現象を同時に起こさせてもよい。
【００３３】
なお、機能素子の性能を向上させるために、Ａ相またはＢ相のいずれかにドーパントなどの添加剤を偏在させるようにしてもよい。このような素子を作製するには、ブロック共重合体の塗布溶液にＡ相またはＢ相のいずれか一方に特異的に親和性の良好なドーパントを混合し、相分離過程で一方の相のみにドーパントを偏在させることもできる。また、ドーパントをブロック共重合体を構成する一方の高分子鎖に化学的に結合させてもよい。
【００３４】
また、三次元共連続ミクロ相分離構造においては、Ａ相とＢ相との界面において高分子鎖Ａと高分子鎖Ｂとの結合点がシート状に配列して形成される。したがって、両高分子鎖の結合点に機能性分子を導入すると、Ａ相とＢ相との界面に機能性分子からなる分子レベルの超薄膜を形成することができる。たとえば機能性分子としてエレクトロクロミック性を示す分子を用いれば、非常に高効率で高速応答性のエレクトロクロミック素子を形成することができる。
【００３５】
同様にして、Ａ相とＢ相との界面に非常に薄い絶縁層を形成することもできる。たとえばオリゴ（ジ−ｔ−ブトキシシロキサン）をＡ相とＢ相との界面にシート状に凝集させ、好ましくは酸触媒を作用させながら加熱すると、ｔ−ブトキシ基の脱離および生成したシラノール基の脱水縮合反応が起こり、シリコン酸化膜が生成する。こうして界面に形成される絶縁層は非常に薄くすることができ、しかも原理的に欠陥が生じない。したがって、電解コンデンサーなどを形成する場合に非常に有用である。
【００３６】
次に、本発明のアクチュエータは、電気化学的な反応によって分子容が変化する有機高分子鎖からなる相と固体電解質からなる相とが共連続構造を形成した高分子成形体を用いる。
【００３７】
電気化学的な反応によって分子容が変化する有機高分子としては、ポリアニリンやポリピロールなどの共役性高分子からなる導電性の高分子が挙げられる。
【００３８】
固体電解質としては、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）などのイオン伝導性の高分子や、電解質溶液を含浸したポリマーゲルが挙げられる。
【００３９】
このアクチュエータを構成する高分子成形体としては、上述した機能素子と同様にブロック共重合体を用いた三次元共連続ミクロ相分離構造を有するものを用いてもよい。ただし、アクチュエータに用いられる高分子成形体に関しては、必ずしも２種の高分子相の界面が化学的結合によって接合されている必要はない。たとえば、ポリアニリンやポリピロールの三次元綱目状の成形体を形成し、その開口部に固体電解質や電解質溶液を含浸したポリマーゲルを充填したものでもよい。具体的には、アクリロニトリル多孔質ゲルに電解質塩のプロピレンカーボネート溶液を含浸したものを用いることができる。
【００４０】
アクチュエータを構成する高分子成形体の各相に電力を供給する手段としては、上述した機能素子と同様に、導電性高分子相および固体電解質相のそれぞれに接続された電極を用いる。
【００４１】
導電性高分子相に接続される電極としては、電気化学的に安定な材質からなるものを用いる。具体的には、貴金属（白金、金）やカーボンを用いることが好ましい。カーボン電極の形態は、フィルム、繊維、クロスのいずれでもよい。なお、導電性高分子が高い導電性を示す場合には、特に電極を設けなくてもよい。
【００４２】
固体電解質相に接続される電極は、電解質との界面における接触面積が大きいものが好ましい。たとえば、白金黒や多孔質カーボン電極が挙げられる。多孔質カーボン電極としては、表面積が１０００〜２０００ｃｍ2 ／ｇ程度のものを用いることが好ましい。
【００４３】
このアクチュエータにおいても、高分子成形体の導電性高分子相と固体電解質相との界面の面積が非常に大きいため、固体電解質相と導電性高分子相との間で電解質の交換が非常にスムーズに進行するため、応答速度を向上させるのに有利になる。
【００４４】
このアクチュエータの構造は、単独の高分子成形体を有するものでもよいし、いわゆるバイモルフ構造を有するものでもよい。本発明に係るアクチュエータの例を図２および図３に示す。
【００４５】
図２のアクチュエータは、相分離膜２０１の一端部において、片面に白金電極２０２を接続し、他方の面に固体電解質膜２０４が表面に形成されたカーボン電極２０３を接続したものである。図３のアクチュエータは、電解質層２０５を２枚の相分離膜２０１で挟み、２枚の相分離膜２０１にそれぞれ白金電極２０２を接続した、いわゆるバイモルフ型のものである。図２および図３のいずれのアクチュエータも、封止フィルムで封止してもよい。
【００４６】
次に、本発明に係る新規な構造を有するアクチュエータについて説明する。このアクチュエータは、間隔を隔てて同軸的に配置された径の異なる筒状部材と、内側の筒状部材の外壁と外側の筒状部材の内壁とを互いに連結する伸縮可能なアクチュエータ部とを有する。
【００４７】
図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に、このアクチュエータの基本的な構造を示す。（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）を破断した図、（Ｃ）は端面から見た図である。図４に示すように、径の異なる１対の筒状部材１ａ、１ｂを間隔を隔てて同軸的に配置し、両者の間隙に内側の筒状部材１ａの一端側（図では右側）外壁と外側の筒状部材１ｂの他端側（図では左側）内壁とを連結するように伸縮可能なアクチュエータ部２を設けている。
【００４８】
このアクチュエータは、たとえば電解質溶液中に浸漬して使用される。アクチュエータ部は共役性高分子などの導電性高分子からなり、電気化学的な反応に伴う電解質イオンの侵入による膨潤によって動作する。この場合、アクチュエータ部２へ駆動エネルギーを供給するには、アクチュエータ部２へ通電できるようにした状態でアクチュエータ全体を電解質溶液に浸漬するとともに、対極を電解質溶液に浸漬して、電源から電力を供給する。アクチュエータ部２への通電は、たとえばアクチュエータ部２を導電性接着層で筒状部材に接着し、電源からのリード線を導電性接着層に接続することにより可能である。そして、アクチュエータ部２、２の伸縮に応じて、外側の筒状部材１ｂは内側の筒状部材１ａに対して図の右側または左側へスライドする。
【００４９】
なお、図４においては、筒状部材は円筒状のものを２個用い、アクチュエータ部は線状で対称的な位置に２個配置しているが、これらの形状、個数、配置は所望の使用形態に応じて自由に選択できる。
【００５０】
本発明のアクチュエータにおいて作動量および伸縮率を増大するには、図４に示すような内側の筒状部材、外側の筒状部材およびこれらを連結するアクチュエータ部を単位アクチュエータとして、複数の単位アクチュエータを同軸的に配置することが好ましい。
【００５１】
図５（Ａ）および（Ｂ）に、このようなアクチュエータの例を示す。図５に示すように、長さがβで径の異なる筒状部材１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを間隔を隔てて同軸的に配置し、内側の筒状部材の一端側（図では右側）外壁と外側の筒状部材の他端側（図では左側）内壁とを連結するように伸縮可能なアクチュエータ部２を設けている。それぞれのアクチュエータ部がαだけ収縮したとすると、筒状部材１ｂは筒状部材１ａと相対的にαだけスライドし、筒状部材１ｃは筒状部材１ｂと相対的にαだけスライドし、筒状部材１ｄは筒状部材１ｃと相対的にαだけスライドする。このように複数の単位アクチュエータが協奏的に作動する結果、全体の作動量は積算されて３αとなる。しかも、伸縮率は筒状部材の長さβに対する作動量の割合であるので、作動量の増大とともに伸縮率も増大する。このような効果は、単にアクチュエータを直列に連結した場合には得られない。すなわち、直列に連結したものでは作動量を大きくすることは可能だが、初期状態の長さも長くなっているため、伸縮率を増大させることはできない。本発明のアクチュエータにおいて、伸縮率を効果的に増大させるためには、単位アクチュエータの数が多いほど好ましい。
【００５２】
なお、上記においてはアクチュエータ部が収縮する場合の動作について説明したが、アクチュエータ部が伸張する場合には作動方向が逆方向になるだけで、上記と同様に作動量および伸縮率を増大させる効果が得られる。また、本発明のアクチュエータは以下に示すように種々の変形例が考えられる。
【００５３】
図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すアクチュエータは、内側の筒状部材１ａと外側の筒状部材１ｂとを連結するために、２種のアクチュエータ部２、３を用いている。アクチュエータ部２は内側の筒状部材１ａの右側外壁と外側の筒状部材１ｂの左側内壁とを連結している。アクチュエータ部３は内側の筒状部材１ａの左側外壁と外側の筒状部材１ｂの右側内壁とを連結している。そして、これらのアクチュエータ部２、３を、一方が収縮し他方が伸長するように作動させる。たとえば、アクチュエータ部２を収縮させ、アクチュエータ部３を伸長させると、図６（Ｂ）に示すように外側の筒状部材１ｂは内側の筒状部材１ａに対して相対的に右側へスライドする（順作動）。また、アクチュエータ部２を伸長させ、アクチュエータ部３を収縮させると、図６（Ｃ）に示すように外側の筒状部材１ｂは内側の筒状部材１ａはに対して相対的に左側へスライドする（逆作動）。
【００５４】
このアクチュエータでは、順作動時および逆作動時の作動量および出力を同等にすることができる。ここで、図５のアクチュエータでは、アクチュエータ部が収縮するときよりも、アクチュエータ部が伸長するときに得られる作動量および出力が小さくなる可能性がある。これは、アクチュエータ部は可撓性を有するため、伸長時に負荷がかかった場合に座屈する可能性があるからである。これに対して、図６のアクチュエータでは、順作動時でも逆作動時でも、収縮したアクチュエータ部が負荷の一部を負担するため座屈が起こりにくい。
【００５５】
図７（Ａ）、（Ｂ）に示すアクチュエータは、アクチュエータ部と同様に伸縮可能な材料で形成した、径の異なる筒状部材４ａ、４ｂを間隔を隔てて同軸的に配置し、内側の筒状部材４ａの一端側外壁と外側の筒状部材４ｂの他端側内壁とを連結するように伸縮可能なアクチュエータ部２、２を設けている。そして、アクチュエータ部２が収縮したときに、アクチュエータ部を兼ねる筒状部材４ａ、４ｂが伸長するように作動させる。このアクチュエータは、筒状部材が伸長しないものと比較して、作動量および伸縮率を増大させることができる。
【００５６】
図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すアクチュエータは、アクチュエータ部２を筒状部材１ａ、１ｂの中心軸に対して角度をつけて配置したものである。（Ａ）は全体の斜視図、（Ｂ）は内側の筒状部材１ａに対するアクチュエータ部２の配置を示す図である。このアクチュエータでは、（Ｃ）に示すように、アクチュエータ部２の伸縮に伴い、筒状部材が軸方向にスライドするとともに軸を中心として回転運動する（捩れる）。
【００５７】
図９に示すアクチュエータは、アクチュエータ部２を筒状部材１ａ、１ｂ、１ｃの周方向に沿って配置したものである。このアクチュエータでは、たとえばアクチュエータ部２が収縮すると、筒状部材が軸を中心として矢印方向に回転運動する。
【００５８】
次に、本発明のアクチュエータを構成する筒状部材およびアクチュエータ部の材質および形状、ならびにその他に電解質溶液などについて説明する。
【００５９】
筒状部材の材質は、可撓性を有するが縦方向の剛性が充分大きく、特に圧縮応力が加わったときに座屈変形しないものが好ましい。具体的には、ポリイミド、ポリアミド（たとえば各種ナイロン、アラミド樹脂）、ポリエーテル（たとえばポリオキシメチレン）、ポリエステル（たとえばポリエチレンフタレート）、ビニル樹脂（たとえばポリ塩化ビニル）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂（たとえばＰＴＦＥ）、イオン交換樹脂などが好ましい。また、筒状部材はアクチュエータ部および他方の筒状部材と擦れ合うため、表面の摩擦抵抗が小さいものが好ましい。この観点から、筒状部材の材質としては、ナイロン、フッ素樹脂のように自己潤滑性のあるものが好ましい。固体潤滑剤（たとえば二硫化タングステン、二硫化モリブデン）を混合した樹脂や、表面にフッ素樹脂や各種の潤滑剤をコーティングした樹脂を用いてもよい。筒状部材はこれらの樹脂を単独で用いて形成してもよいし、複数の樹脂を混合したりアロイ化して形成してもよい。一般に筒状部材にはこれらの樹脂からなるパイプが用いられるが、いくつかの樹脂フィルムを積層し、筒状に成形したものを用いてもよい。樹脂とガラス繊維やカーボン繊維との複合体でもよい。上述したような樹脂の繊維で編んだ織物や不織布を用いてもよい。
【００６０】
筒状部材の形状は、図４〜図９に示したように、一般に円筒に近い形状が用いられるが特に限定されない。ただし、アクチュエータの円滑な作動を確保するために、断面形状が一定であるのが望ましい。また、最も内側に位置する筒状部材は必ずしも中空の筒である必要はなく、中実の棒状でもよい。
【００６１】
筒状部材は、縦応力に対する剛性を高めて座屈を防ぐために、一般的には周面に切れ目のない完全な筒状であることが好ましい。ただし、たとえば図１０の各種の例に示すように、完全に閉じていない断面形状を有するものでもよい。
【００６２】
また、アクチュエータ部や他の筒状部材との接触による摩擦抵抗を軽減するために、筒状部材の表面にグルーブやエンボス（微小突起群）を形成して接触面積が小さくなるようにしてもよい。特に筒状部材の長軸方向に沿ってグルーブを形成すると、筒状部材が座屈しにくくなるため好ましい。アクチュエータ部を電解液に浸漬するタイプのアクチュエータでは、グルーブやエンボスを形成した筒状部材を用いると、アクチュエータ部周辺の電解液の液回りが改善される点でも有利になる。電解質の液回りを改善するためには、筒状部材に多数のスリットを形成したり、多孔質の筒状部材を用いてもよい。
【００６３】
また、図１１に示すように、筒状部材１ａにリブ６を設け、隣接する２つのリブ６、６の間にアクチュエータ部２を設置することによって、アクチュエータ部２と筒状部材１ａ、１ｂとの摺動抵抗を軽減することができる。図１１に示すような筒状部材はたとえば光造形法によって製造することができる。また、特開平７−６０８４３に開示されている複合光造形法により、所定の樹脂を用いて筒状部材を光造形法によって形成すると同時に、アクチュエータ部も光造形法によって併せて形成することもできる。
【００６４】
アクチュエータ部の材料としては、形状記憶樹脂、ケモメカニカルゲル、または共役性高分子（たとえばポリアニリン）を用いることができる。
【００６５】
形状記憶樹脂を用いたアクチュエータ部では、形状記憶樹脂の成形体に、超弾性金属材料や電熱素子たとえばカーボンからなる加熱用ヒーターもしくは冷却用ペルチェ素子を設置して駆動エネルギーを供給する。電熱素子は、アクチュエータ部として機能する成形体の変形を妨げず、かつ成形体に良好に熱伝導するように設置することが好ましい。
【００６６】
ケモメカニカルゲルとしては、電気応答型ケモメカニカルゲル、たとえばポリビニルアルコールとポリアクリル酸ナトリウムの共重合体ゲル、ポリ−２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸ゲル、アクリロニトルゲル、アクリルアミドゲル、またはイオン交換樹脂（パーフルオロスルホン酸、ポリエチレンスルホン酸など）が挙げられる。これらの電気応答型ケモメカニカルゲルの成形体の表面または表層部に、ゲルの変形を妨げにくいように白金薄膜、金薄膜または導電性ポリマー薄膜からなる駆動用電極を設置して駆動エネルギーを供給する。また、ケモメカニカルゲルとして、熱応答性ケモメカニカルゲル、たとえばポリ−Ｎ−イソプロピルアクリルアミドとポリアクリルアミドのＩＰＮ型ゲルや、ポリビニルメチルエーテルゲルを用いることもできる。熱応答性ケモメカニカルゲルに対しては、超弾性金属材料や電熱素子たとえばカーボンからなる加熱用ヒーターもしくは冷却用ペルチェ素子を設置して駆動エネルギーを供給する。その他、ｐＨの変化によって変形するゲル、たとえばポリサイラミンゲルも用いることができる。
【００６７】
共役性高分子としては、ドープされたポリピロールやポリチオフェンなどの複素環式共役性高分子、ポリアニリンなどの含ヘテロ原子共役性高分子が挙げられる。共役性高分子を用いたアクチュエータ部では共役性高分子の成形体に好ましくは導電性材料を設置して電解質溶液中に浸漬するとともに、対極を電解質溶液に浸漬し、電源から電力を供給する。アクチュエータ部を構成する共役性高分子が電気化学的に酸化されると内部にホールが生成する。この結果、電気的中性を補償するため、電解質溶液から陰イオンがアクチュエータ部へ侵入する。そして、陰イオンの侵入による膨潤が主たる原因となってアクチュエータ部の体積が膨張する。こうした共役性高分子からなるアクチュエータ部は、他のケモメカニカルゲルなどを用いたものと比較して作動速度が速い点で好ましい。
【００６８】
電解質溶液は水溶液でも有機溶媒の溶液でもよい。有機溶媒としては、たとえばメタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、テトラヒドロフラン、１、４−ジオキサン、モノグリム、アセトン、４−メチル−２−ペンタノン、アセチルアセトン、アセトニリル、プロピオニトル、ジメチルスルホキシド、スルホラン、ニトロメタン、ジクロロメタン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、酢酸、１、２−ジクロロエタン、ベンゾニトリルなどが挙げられる。
【００６９】
アクチュエータ部としてポリアニリンを用いる場合、電解質溶液として一般的にＨＣｌ，ＨＢｒ，ＨＣｌＯ4 ，Ｈ2 ＳＯ4 ，ＨＢＦ4 ，ベンゼンスルホン酸などの酸の水溶液を用いる。
【００７０】
電解質溶液に界面活性剤を添加すると、アクチュエータ部への電解質溶液の浸透性や液回りが改善される。界面活性剤を添加した電解質溶液は、アクチュエータの摺動部に浸透し、潤滑剤として摺動抵抗を軽減する作用も示す。界面活性剤としては電解質や電解反応によって変質せず、共役性高分子の電解反応を阻害しないものがよく、たとえばフッ素系の界面活性剤などが用いられる。また、アクチュエータを構成する筒状部材などの表面も電解質溶液との親和性が高いことが好ましい。たとえば、電解質溶液として水溶液を用いる場合、筒状部材を構成する樹脂の表面をプラズマ放電処理、グロー放電処理、オゾン酸化処理などによって親水化することが好ましい。また、筒状部材の表面にポリビニルアルコールなどの親水性物質を塗布したり、化学的に結合させてもよい。
【００７１】
電解質溶液の代わりに、多孔質高分子に電解質溶液を含浸させてゲル状にしたものを用いてもよい。多孔質高分子としては、たとえばポリアクリトニトリル、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが用いられる。電解質溶液の代わりに、固体電解質を用いてもよい。固体電解質を用いれば、全固体のアクチュエータとすることができる。このようなアクチュエータでは、固体電解質がアクチュエータ部と密着して設置されるため、固体電解質は可撓性および伸縮性を有するものであることが好ましい。こうした固体電解質としては、ポリエーテル骨格を有する化合物（ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシドなど）、ポリエステル骨格を有する化合物（ポリエチレンサクシネート、ポリ−β−プロピオラクトンなど）、ポリアミン骨格を有する化合物（ポリエチレンイミンなど）、ポリスルフィド骨格を有する化合物（ポリアルキレンスルフィドなど）が挙げられる。
【００７２】
共役性高分子の成形体は多くの場合充分な導電性を有するため、こうした成形体からなるアクチュエータ部の一部に電力供給用のリード線などを設置するだけで駆動用電源から駆動電流を供給することができる。ただし、より確実に導電性を与えるためには、アクチュエータ部の表面または内部に、金属（金、白金など）、カーボン、導電性ポリマーなどを、アクチュエータ部の変形を妨げないように薄膜、繊維、メッシュなどの形態で設置することが好ましい。また、アクチュエータ部を構成する成形体中に金属やカーボンからなる導電性微粒子を分散させてもよい。また、アクチュエータ部の配線を簡便にするために、筒状部材を導電性にするとともに筒状部材とアクチュエータ部との接着部を導電性にして、それぞれのアクチュエータ部を直列に接続することが好ましい。
【００７３】
アクチュエータ部の形状は、線状（繊維状）、フィルム状（短冊状）、筒状のいずれでもよい。筒状のアクチュエータ部はフィルムを筒状に巻いたものでもよいし、繊維を編んだものでもよい。
【００７４】
本発明に係るアクチュエータを作製するには、たとえば内側の筒状部材の一端部に接着剤（好ましくは導電性接着剤）を用いて短冊状または繊維状のアクチュエータ部の一端部を接着し、これを外側の筒状部材の内部に挿入し、外側の筒状部材の他端部に接着剤（好ましくは導電性接着剤）を用いて短冊状または繊維状のアクチュエータ部の他端部を接着する方法を用いることができる。
【００７５】
本発明に係るアクチュエータは、たとえば図１２に示す装置を用い、図１３に示すようにして作製することもできる。図１２に示す装置は、アクチュエータを構成する最も内側の筒状部材１ａを回転可能に保持する芯棒５１と、スライド可能に保持され筒状部材１ａに各種の塗布液を吹き付けるノズル５２とを有する。
【００７６】
塗布液としては、それぞれ筒状部材およびアクチュエータ部を構成する樹脂を溶液、融液、分散液または微粉末などの塗布可能な状態にしたものを用意する。また、接着剤の塗布液と、後に除去される犠牲層の塗布液を用意する。まず、筒状部材１ａを回転させながら、接着剤１１の塗布液および犠牲層１５の塗布液を塗布した後、加熱乾燥、加熱融着などの後処理を行う。次に、アクチュエータ部２の塗布液を塗布した後、後処理を行う。同様に、接着剤１１の塗布液および犠牲層１５の塗布液の塗布および後処理、ならびに筒状部材１ｂの塗布液の塗布および後処理を行う。これらの工程を所望の回数だけ繰り返す。この状態を図１３（Ａ）の断面図および図１３（Ａ）の端面図に示す。次いで、湿式または乾式のエッチングによって犠牲層１５の部分を除去する。この状態を図１３（Ｃ）の断面図および図１３（Ｄ）の端面図に示す。その後、リード線の接続などを行い、アクチュエータを完成させる。ただし、筒状部材とアクチュエータ部とが剥離しやすい場合には、必ずしも犠牲層を設ける必要はない。
【００７７】
なお、塗布液を塗布するには、上記のようにノズルから吹き付ける方法に限らず、ディップコーティング法、刷毛塗り法、ドクターブレード法を用いてもよい。特に、ディップコーティング法では使用できる筒状部材の形状の自由度が大きく、径の小さいアクチュエータを作製するのにも有利である。また、中空の筒状部材の内部空間にさらにアクチュエータ部および筒状部材を形成することもできる。
【００７８】
本発明のアクチュエータは、歪みセンサーなどの各種センサーを取り付けることによって位置制御することができる。たとえば、内側および外側の筒状部材の一部を導電性にしてキャパシタを形成し、これらの筒状部材が相対的にスライドする際に生ずる静電容量の変化をモニターしてもよい。また、たとえばアクチュエータ部がポリアニリンなどの電解伸縮を利用するものである場合、外部応力が作用するとアクチュエータ部に誘起電流が流れるので、この誘起電流をモニターすることにより外部応力を測定できる。
【００７９】
【実施例】
以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００８０】
実施例１
両末端にアミノフェニルオキシ基を有する重量平均分子量約１００００のポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）の存在下で、アニリンを酸化重合することにより、ポリアニリン（塩基性エメラルディン）−ＰＥＯ−ポリアニリン（塩基性エメラルディン）トリブロック共重合体を得た。このトリブロック共重合体の重量平均分子量は約１８０００であった。
【００８１】
また、片末端にアミノフェニルオキシ基を有する重量平均分子量約１００００のポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）の存在下で、アニリンを酸化重合することにより、ポリアニリン（塩基性エメラルディン）−ＰＥＯのジブロック共重合体を得た。このジブロック共重合体の重量平均分子量は約２２０００であった。
【００８２】
比較のために、ポリアニリン（塩基性エメラルディン）単独重合体を用意した。
【００８３】
上記のトリブロック共重合体をトルエンに溶解し、基板上に塗布して乾燥した後、基板から剥離して膜厚３０μｍの膜を得た。ＴＥＭ観察したところ、この膜はＯＢＤＤ型の共連続相分離構造を形成していた。電極として、白金電極、および表面積１３００ｍ2 ／ｇのカーボン電極の表面をＰＥＯで被覆したものを用意した。図２に示すように、相分離膜２０１の一端部において、片面に白金電極２０２を取り付け、他方の面にＰＥＯ膜２０４側を接触させてカーボン電極２０３を取り付けた。相分離膜２０１を１Ｍ／ＬのＨＢＦ4 水溶液中に１時間浸漬した後、一晩室温で風乾してアクチュエータを作製した。
【００８４】
また、トリブロック共重合体の代わりにジブロック共重合体を用い、上記と同様にしてアクチュエータを作製した。
【００８５】
比較のために、トリブロック共重合体の代わりにポリアニリン単独重合体を用い、上記と同様にしてアクチュエータを作製した。
【００８６】
それぞれのアクチュエータを１．５Ｖの直流電圧で駆動し、最大伸縮に要する時間を測定した。その結果、トリブロック共重合体およびジブロック共重合体の相分離膜を用いたアクチュエータでは約０．１秒で最大伸縮に達した。一方、ポリアニリン単独重合体の膜を用いたアクチュエータは最大伸縮に要する時間が約３秒で非常に駆動が遅く、繰り返し特性も劣っていた。
【００８７】
実施例２
実施例１で用いたのと同じ膜厚３０μｍのトリブロック共重合体の相分離膜を２枚用意した。また、膜厚５０μｍの架橋ポリビニルアルコール膜を用意し、これを１Ｍ／Ｌの塩酸水溶液を含浸した。図３に示すように、架橋ポリビニルアルコール膜からなる電解質層２０５を２枚の相分離膜２０１で挟み、２枚の相分離膜２０１にそれぞれ白金電極２０２を取り付けてバイモルフ型アクチュエータを作製した。
【００８８】
また、トリブロック共重合体の代わりにジブロック共重合体を用い、上記と同様にしてバイモルフ型アクチュエータを作製した。
【００８９】
比較のために、トリブロック共重合体の代わりにポリアニリン単独重合体を用い、上記と同様にしてバイモルフ型アクチュエータを作製した。
【００９０】
それぞれのアクチュエータを１．５Ｖの直流電圧で駆動し、最大伸縮に要する時間を測定した。その結果、トリブロック共重合体の相分離膜を用いたアクチュエータでは約０．２秒、ジブロック共重合体の相分離膜を用いたアクチュエータでは約０．１秒でそれぞれ最大伸縮に達した。一方、ポリアニリン単独重合体の膜を用いたアクチュエータは最大伸縮に要する時間が約３秒で非常に駆動が遅く、繰り返し特性も劣っていた。
【００９１】
実施例３
重量平均分子量約１０万のポリアニリン（塩基性エメラルディン）とポリメチルメタクリレートのＮ−メチルピロリジノン（ＮＭＰ）混合溶液を基板に塗布して乾燥した後、剥離してキャストフィルムを得た。このフィルムをトルエンで洗浄してポリメチルメタクリレートを溶出させ、多孔質ポリアニリンフィルムを得た。ＴＥＭ観察から細孔の平均径は約０．２μｍで大部分の細孔が連続細孔であった。このキャストフィルムをポリビニルアルコールの塩酸溶液に浸漬した後、風燥して膜厚３０μｍのポリアニリン−ポリビニルアルコール複合膜を作製した。
【００９２】
この複合膜を用いて図３と同様な構造を有するバイモルフ型アクチュエータを作製した。このアクチュエータを１．５Ｖの直流電圧で駆動したところ、最大伸縮に要する時間は約０．５秒であった。
【００９３】
実施例４
以下のようにして図１に示すエレクトロクロミック素子を作製した。ＩＴＯからなる透明電極１０２が形成されたガラス基板１０１上に、実施例１で用いたのと同じトリブロック共重合体のトルエン溶液をスピンコーティングして、膜厚１μｍの相分離膜１０３を形成した。この相分離膜１０３上に、厚さ５０μｍのスペーサーを介してカーボン電極１０５を設置した。そして、相分離膜１０３とカーボン電極１０５との間隙に１Ｍ／Ｌの塩酸水溶液を充填して電解質層１０４とした。
【００９４】
また、トリブロック共重合体の代わりにジブロック共重合体を用い、上記と同様にしてエレクトロクロミック素子を作製した。
【００９５】
比較のために、トリブロック共重合体の代わりにポリアニリン単独重合体を用い、上記と同様にしてエレクトロクロミック素子を作製した。
【００９６】
これらのエレクトロクロミック素子の応答速度を測定した。その結果、ポリアニリン単独重合体を用いた素子の応答速度と比較して、トリブロック共重合体を用いた素子では約１２倍、ジブロック共重合体を用いた素子では約９倍の応答速度が得られた。
【００９７】
次に、電解質層１０４として塩酸水溶液の代わりに塩酸含浸ポリビニルアルコールを充填した以外は上記と同様にして３種のエレクトロクロミック素子を作製した。
【００９８】
これらのエレクトロクロミック素子の応答速度を測定した。その結果、ポリアニリン単独重合体を用いた素子の応答速度と比較して、トリブロック共重合体を用いた素子では約８倍、ジブロック共重合体を用いた素子では約１１倍の応答速度が得られた。
【００９９】
実施例５
１３．３ｍＬのアリニンと１．３３ｍｏｌ／ｍＬの塩酸１５０ｍＬとの混合溶液を−５℃に保ち、この溶液に過硫酸アンモニウム１５．３３ｇを溶解した水溶液２６．７ｍＬを１時間かけて滴下し、一晩撹拌した。沈殿をろ別し、１Ｍの塩酸水溶液でろ液が無色になるまで洗浄し、さらに純水で充分洗浄した。得られた固体を１Ｍのアンモニア水に投入してよく撹拌した。再び沈殿をろ別し、アンモニア水で数回洗浄し、さらに水洗した。真空乾燥して４．５ｇの塩基性エメラルディンの粉末を得た。
【０１００】
乳鉢にＮＭＰを入れ、塩基性エメラルディンの粉末を少しずつ加えながらよく撹拌して８ｗｔ％の割合に溶かした。この溶液を水平に置いたスライドガラス板上に均一な厚さに塗布し、５０℃で乾燥して厚さ約３５μｍの薄膜を得た。この薄膜を１３０℃に加熱しながら一軸延伸して約３倍に引き伸ばした。得られたエメラルディン薄膜を長さ６ｃｍ、幅３ｍｍの短冊状に切り出しアクチュエータ部２として用いた。一方、径の異なるナイロンパイプからなる筒状部材１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを用意した。
【０１０１】
これらを用いて以下のようにしてアクチュエータを作製した。図１４（Ａ）に示すように、内側の筒状部材の上端部外壁に導電性接着層１１を塗布し、その４個所に短冊状のアクチュエータ部２の上端部を接着した。これを外側の筒状部材に挿入し、外側の筒状部材の下端部内壁に導電性接着層１１を塗布し、その４個所で短冊状のアクチュエータ部２の下端部を接着した。これらの作業を繰り返して、図１４（Ｂ）および（Ｃ）に示すようなアクチュエータを作製した。
【０１０２】
次に、図１４（Ｄ）に示すように、得られたアクチュエータ１０の導電性接着層にリード線を接続し、１ＭのＨＢＦ4 水溶液からなる電解質溶液３１にアクチュエータを直立するように浸漬した。また、この電解質溶液３１にＰｔからなる対極２１を浸漬した。そして、アクチュエータ部２および対極２１をリード線を介して直流電源に接続した。
【０１０３】
このアクチュエータのアクチュエータ部に電圧を印加して収縮させたところ、作動量は最大で５．２ｍｍ、伸縮率は８．７％であった。比較のために、長さ６ｃｍ、幅３ｍｍの短冊形エメラルディンフィルムからなるアクチュエータ部単体を同様の条件で作動させたところ、作動量は最大で１．７ｍｍ、伸縮率は２．８％であった。このように本発明のアクチュエータでは、アクチュエータ部単体と比較して、作動量および伸縮率ともに約３倍に増大した。
【０１０４】
また、図１４のアクチュエータを半径５ｃｍの円周上に沿わしてしならせた状態で上記と同一条件で作動させたところ、伸縮率は７．８％となった。
【０１０５】
次に、図１４のアクチュエータを厚さ１０μｍのラバーバッグ（図示せず）で包み、その内部に上記と同一の電解質溶液を充填した。このアクチュエータを上記と同一条件で作動させたところ、伸縮率は８．５％であった。
【０１０６】
なお、電解質溶液にフッ素系界面活性剤（３Ｍ社製、Ｆｌｕｏｒａｄ ＦＣ−４３０）を０．１％添加してアクチュエータを作動させたところ、伸縮速度が１．５倍に増大した。しかも、伸長動作および収縮動作を繰り返した際のヒステリシスが小さくなった。これは、界面活性剤を加えたことにより、筒状部材どうしおよび筒状部材とアクチュエータ部との摺動抵抗が低減したためであると思われる。フッ素系界面活性剤 としてＦｌｕｏｒａｄ ＦＣ−９５， Ｆｌｕｏｒａｄ ＦＣ−９８，Ｆｌｕｏｒａｄ ＦＣ−１３４，Ｆｌｕｏｒａｄ ＦＣ−１７０Ｃ（いずれも３Ｍ社製）を用いた場合にも上記と同様の結果が得られた。
【０１０７】
また、電解質溶液をそれぞれＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＣｌＯ4 、Ｈ2 ＳＯ4 、ベンゼンスルホン酸の水溶液に変更しても、上記と同様の作動量および伸縮率の増大効果が得られた。
【０１０８】
実施例６
実施例５で作製したエメラルディン薄膜を長さ６ｃｍ、幅１．５ｍｍの短冊状に切り出したものをアクチュエータ部として用い、実施例５と同様な方法で図１５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すアクチュエータを作製した。本実施例では、内側の筒状部材の上端外壁と外側の筒状部材の下端内壁とを連結するアクチュエータ部２と、内側の筒状部材の下端外壁と外側の筒状部材の上端内壁とを連結するアクチュエータ部３とを周方向に沿って交互に配置している。そして、これらのアクチュエータ部２、３を、一方が収縮し他方が伸長するように作動させる。
【０１０９】
実施例５（図１４（Ｄ））と同様に、得られたアクチュエータを直立させた状態で電解質溶液中に浸漬し、対極を浸漬して直流電源に接続した。
【０１１０】
このアクチュエータをアクチュエータ部２が収縮し、アクチュエータ部３が伸長するように作動させたところ、作動量は最大で５．３ｍｍ、伸縮率は８．８％となり、アクチュエータ部単体と比較して作動量および伸縮率ともに約３倍に増大した。一方、このアクチュエータをアクチュエータ部２が伸長し、アクチュエータ部３が収縮するように作動させたところ、作動方向が上記と逆になっただけで上記と同様な作動量および伸縮率が得られた。なお、実施例５のアクチュエータでは、アクチュエータ部が伸長するように作動させたときの作動量は、アクチュエータ部が収縮するように作動させたときの作動量の約６５％であった。以上のことから、本実施例のアクチュエータは作動方向が正逆いずれの場合でのほぼ同一の作動量および伸縮率が得られる点で好ましいことがわかる。
【０１１１】
また、図１５のアクチュエータを半径５ｃｍの円周上に沿わしてしならせた状態で上記と同一条件で作動させたところ、伸縮率は７．８％となった。
【０１１２】
次に、図１５のアクチュエータを厚さ１０μｍのラバーバッグで包み、その内部に電解質溶液を充填した。このアクチュエータを上記と同一条件で作動させたところ、伸縮率は７．９％となった。
【０１１３】
なお、電解質溶液にフッ素系界面活性剤（３Ｍ社製、Ｆｌｕｏｒａｄ ＦＣ−４３０）を０．５％添加してアクチュエータを作動させたところ、伸縮速度が１．６倍に増大した。しかも、伸長動作および収縮動作を繰り返した際のヒステリシスが小さくなった。
【０１１４】
実施例７
実施例５で作製したエメラルディン薄膜を長さ６ｃｍの筒状に巻いたものをアクチュエータ部２として用い、実施例５と同様な方法で図１６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すアクチュエータを作製した。実施例５（図１４（Ｄ））と同様に、得られたアクチュエータを直立させた状態で電解質溶液中に浸漬し、対極を浸漬して直流電源に接続した。
【０１１５】
このアクチュエータをアクチュエータ部が収縮するように作動させたところ、伸縮率は９．１％となり、アクチュエータ部単体と比較して約３倍に増大した。
【０１１６】
また、図１６のアクチュエータを半径５ｃｍの円周上に沿わしてしならせた状態で同様に駆動させたところ、伸長率は８．５％となった。
【０１１７】
次に、図１６のアクチュエータを厚さ１０μｍのラバーバッグで包み、その内部に電解質溶液を充填した。このアクチュエータを上記と同一条件で作動させたところ、伸縮率は８．１％となった。
【０１１８】
さらに、１０個の筒状部材を用い、これらを上記と同様な筒状のアクチュエータ部で連結したアクチュエータ（単位アクチュエータの個数＝９個）を作製した。このアクチュエータを直立させた状態で電解質溶液中に浸漬し、対極を浸漬して直流電源に接続し、アクチュエータ部が収縮するように作動させたところ、作動量および伸縮率ともにアクチュエータ部単体と比較して約９倍に増大した。また、このアクチュエータを厚さ１０μｍのラバーバッグで包み、その内部に電解質溶液を充填して上記と同一条件で作動させたところ、作動量および伸縮率ともにアクチュエータ部単体と比較して約８倍に増大した。
【０１１９】
実施例８
実施例７で用いた円筒状のアクチュエータ部の代わりに、図１７（Ａ）〜（Ｄ）に示す形状のアクチュエータ部２を用いてアクチュエータを作製した。
【０１２０】
図１７（Ａ）のアクチュエータ部は、エメラルディン薄膜を長さ６ｃｍの筒状に巻いて切り込みを入れたものである。
【０１２１】
図１７（Ｂ）のアクチュエータ部は、エメラルディン薄膜を幅１ｍｍに切り出したものを目の粗いメッシュの筒状に編み上げたものである。
【０１２２】
図１７（Ｃ）のアクチュエータ部は、エメラルディン薄膜を長さ６ｃｍ、幅０．２ｍｍの繊維とし、複数の繊維を上下に延ばして筒状にまとめ、端部を導電性ペースト１１で固めたものである。
【０１２３】
図１７（Ｄ）のアクチュエータ部は、エメラルディン薄膜を幅０．２ｍｍの繊維として編んだクロスを筒状に巻いて、端部を導電性ペースト１１で固めたものである。
【０１２４】
実施例５（図１４（Ｄ））と同様に、得られたそれぞれのアクチュエータを直立させた状態で電解質溶液中に浸漬し、対極を浸漬して直流電源に接続した。これらのアクチュエータをアクチュエータ部が収縮するように作動させたところ、アクチュエータ部単体と比較して作動量および伸縮率ともに約３倍に増大した。
【０１２５】
また、図１７（Ａ）のアクチュエータ部を用いたアクチュエータでは、伸縮率は９．３％となり実施例７よりも若干改善された。しかも、実施例７と比較して伸縮速度が速くなった。これは筒状のアクチュエータ部に切り込みを入れたことにより、円周方向の収縮が逃げてアクチュエータ部による内接する筒状部材の締め付けが緩和されアクチュエータ部と筒状部材の摺動抵抗が軽減されたことと、電解質溶液のしみ込みが改善されたことによると思われる。図１７（Ｂ）〜（Ｄ）のアクチュエータ部を用いたアクチュエータでも、アクチュエータ部の可撓性の向上と電解質溶液のしみ込みの改善により同様の効果が得られた。たとえばず１７（Ｃ）のアクチュエータでは、伸長速度は実施例７のものと比較して１．２倍となった。
【０１２６】
また、いずれのアクチュエータでも、半径５ｃｍの円周上に沿わしてしならせた状態での作動、および厚さ１０μｍのラバーフィルムで包み内部に電解質溶液を充填した状態での作動で、アクチュエータ部単体よりもの約３倍の伸縮率を示した。
【０１２７】
実施例９
本実施例では、導電性の高いアクチュエータ部を用いてアクチュエータを作製した。
【０１２８】
実施例５で合成したポリアニリンの溶液をカーボンメッシュに含浸した後、５０℃で乾燥し、１３０℃で加熱しながら一軸延伸して約３倍に引き伸ばした。これをアクチュエータ部として用い、実施例５と同様にアクチュエータを作製して作動させたところ、同様の作動量を得るのに要する駆動電圧が１０％減少した。これは、カーボンメッシュによってポリアニリンフィルムの導電性が向上し、抵抗による電圧降下が緩和されたためと思われる。また、カーボンメッシュはカーボン繊維を斜め格子状に組んだものであるため、ポリアニリンの伸縮を妨げることがなかった。なお、カーボン繊維をコイル状に組んだものを用いた場合にも同様の効果が得られた。
【０１２９】
次に、実施例５で合成したポリアニリンの溶液を用いて厚さ２０μｍのフィルムを作製し、図１８に示すように厚さ１５ｎｍの金を蒸着してジグザグ状の導電パターン１２を形成した後、さらにポリアニリン溶液を塗布し、厚さ４０μｍのフィルムとした。このフィルムを１３０℃で加熱しながら一軸延伸し、約３倍に引き伸ばした。これをアクチュエータ部２として実施例１と同様にしてアクチュエータを作製して作動させたところ、同様の作動量を得るのに要する駆動電圧が１０％減少した。金の導体パターン１２によってポリアニリンフィルムの導電性が向上し、抵抗による電圧降下が緩和されたためと思われる。また金電極をジグザグ型に蒸着したため、ポリアニリンフィルムの伸縮を妨げることがなかった。
【０１３０】
実施例１で作製したポリアニリン薄膜を筒状に巻いて成形した。図１９（Ａ）または（Ｂ）に示すように、筒状のポリアニリン薄膜の表面に、酸水溶液を含浸させた架橋ポリエチレンオキサイドからなる固体電解質膜１３を螺旋状またはジグザグ状に形成した。さらに、固体電解質膜１３上に金を蒸着して導体パターン１２を形成してアクチュエータ部２とした。これらのアクチュエータ部を用いてそれぞれアクチュエータを作製して作動させたところ良好に作動した。固体電解質膜１３および金の導体パターン１２を上述したような螺旋状またはジグザグ状に形成したため、ポリアニリンフィルムの伸縮を妨げることがなかった。
【０１３１】
実施例１０
実施例５で作製したエメラルディン薄膜を幅３ｍｍ、長さ１ｃｍの短冊状に切り出し、アクチュエータ部２として用いた。図９に示すように、アクチュエータ部２を筒状部材１ａ、１ｂ、１ｃの周方向に沿って配置してアクチュエータを作製した。
【０１３２】
このアクチュエータを作動させたところ、外側の筒状部材１ｃは内側の筒状部材に対して１２．５度回転した。この回転角は、筒状部材１ａ、１ｂとこれらを連結するアクチュエータ部２からなる単位アクチュエータの回転角の約２倍であった。
【０１３３】
電解質溶液にフッ素系界面活性剤（３Ｍ社製、Ｆｌｕｏｒａｄ ＦＣ−４３０）を０．１％添加してアクチュエータを作動させたところ、伸縮速度が１．５倍に増大し、伸長動作および収縮動作を繰り返した際のヒステリシスが小さくなった。
【０１３４】
実施例１１
ピロールおよびドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムの混合水溶液を用いて電解重合し、電極上にポリピロール膜を形成した。電極から膜厚３０μｍのポリピロール膜を剥離した。このポリピロール膜をアクチュエータ部として用い、実施例５と同様にしてアクチュエータを作製した。このアクチュエータを、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムの電解質溶液中で作動させたところ、アクチュエータ部単体と比較して約３倍の伸縮率が得られた。
【０１３５】
電解質溶液にフッ素系界面活性剤（３Ｍ社製、Ｆｌｕｏｒａｄ ＦＣ−４３０）を０．１％添加してアクチュエータを作動させたところ、伸縮速度が１．５倍に増大し、伸長動作および収縮動作を繰り返した際のヒステリシスが小さくなった。
【０１３６】
実施例１２
ポリピロールを１０％含有したポリアニリン薄膜をアクチュエータ部として用い、実施例５と同様にしてアクチュエータを作製して作動させたところ、伸縮スピードが１０％増大した。
【０１３７】
実施例１３
２−ヒドロキシエチルメタクリレート９７重量部、エチレングリコールジメタクリレート２重量部、２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキサイド０．５重量部をよく混合し、脱気して窒素置換した後、１５ｃｍの距離を隔てて８０Ｗ／ｃｍの高圧水銀ランプから３分３０秒間紫外線を照射して硬化させることにより、親水性ポリマーである架橋ポリ（２−ヒドロキシエチルメタクリレート）を合成した。この架橋ポリ（２−ヒドロキシエチルメタクリレート）を筒状に成形して筒状部材として用い、実施例５と同様にしてアクチュエータを作製した。このアクチュエータを作動させたところ、筒状部材の電解質溶液に対する濡れ性が優れているため、作動が滑らかであった。
【０１３８】
実施例１４
図１２に示した装置を用いた回転塗布法により、図１３に示すようにしてアクチュエータを作製した。アクチュエータの各部を形成する塗布液として以下に示す溶液を調製した。
【０１３９】
筒状部材：ポリ塩化ビニルのテトラヒドロフラン溶液
アクチュエータ部：塩基性エメラルディンのＮ−メチルピロリドン溶液
犠牲層：ポリビニルピロリドン水溶液
接着層：エポキシ系接着剤
図１２の芯棒５１として塩化ビニル樹脂製の円筒中実ロッドを用いた。芯棒を回転させながら、順次溶液を塗布した。塗布中に赤外線ランプを用いて加熱し、塗布液の乾燥を促進した。６０℃で加熱乾燥し、接着剤を完全に硬化させた。４０℃の温水槽に浸漬し、必要に応じて超音波洗浄を用いて犠牲層を除去した。アクチュエータ部に駆動用のリード線を接続してアクチュエータを作製した。
【０１４０】
得られたアクチュエータを界面活性剤（３Ｍ社製、商品名Ｆｌｕｏｒａｄ ＦＣ−４３０）を０．１％加えた１ＭのＨＣｌＯ4 水溶液に浸漬して駆動したところ、良好に伸縮作動した。
【０１４１】
実施例１５
ディップコーティング法によりアクチュエータを作製した。なお、用いた塗布液は実施例１４と同じであり、塗布液を塗布した状態は図１３とほぼ同様である。まず、アクチュエータの各部を形成する塗布液を用意した。
【０１４２】
筒状部材：ポリ塩化ビニルのテトラヒドロフラン溶液（ａ液）
アクチュエータ部：塩基性エメラルディンのＮ−メチルピロリドン溶液（ｂ液）
犠牲層：ポリビニルピロリドン水溶液（ｃ液）
接着層：エポキシ系接着剤（ｄ液）
最も内側の筒状部材として塩化ビニル樹脂製の円筒中実ロッドを用いた。塩化樹脂ロッドの一端を支持し、接着層を形成する部分のみｄ液に浸漬した後、引き上げて乾燥し、接着層を形成した。塩化樹脂ロッドの他端を支持し、犠牲層を形成する部分のみｃ液に浸漬した後、引き上げて乾燥し、犠牲層を形成した。塩化樹脂ロッドをｂ液に浸漬した後、引き上げて乾燥し、アクチュエータ部を形成した。塩化樹脂ロッドの他端を支持し、接着層を形成する部分のみｄ液に浸漬した後、引き上げて乾燥し、接着層を形成した。塩化樹脂ロッドの一端を支持し、犠牲層を形成する部分のみｃ液に浸漬した後、引き上げて乾燥し、犠牲層を形成した。塩化樹脂ロッドをａ液に浸漬した後、引き上げて乾燥し、外側の筒状部材を形成した。このようにして、１対の筒状部材とこれらを連結するアクチュエータ部とを有する単位アクチュエータを形成した。
【０１４３】
さらに、上記の操作を３回繰り返した。端面に付着した余分な塗布液を除去した。６０℃で加熱乾燥し、接着剤を完全に硬化させた。４０℃の温水槽に浸漬し、必要に応じて超音波洗浄を用いて犠牲層を除去した。アクチュエータ部に駆動用のリード線を接続してアクチュエータを作製した。作製したアクチュエータを界面活性剤（商品名Ｆｌｕｏｒａｄ ＦＣ−４３０：３Ｍ社製）を０．１％加えた１ＭのＨＣｌＯ4 水溶液に浸漬し駆動したところ、良好に伸縮作動した。
【０１４４】
この方法では、最も内側の筒状部材として細い樹脂フィラメントを用い、直径２〜３ｍｍの細いアクチュエータを形成するのに非常に有効である。
【０１４５】
なお、上記のようにディップコーティングした後、１３０℃に加熱して軸方向に約３倍に延伸してアクチュエータを作製し、このアクチュエータを作動させたところ、伸縮率が１．５倍になった。
【０１４６】
次に、筒状部材を形成するためのａ液として、エポキシシラン、メタクリロキシシラン、アルコキシチタン、メタクリレートモノマーおよび過酸化物重合触媒を混合して反応させた粘性溶液（Ｊ．Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌ．Ｓｏｌｉｄｓ，６３（１９８４）２８３−２９３参照）を用い、ａ液塗布後、１２０℃で加熱して塗布液を硬化させた以外は上記と同様にしてアクチュエータを作製した。作製したアクチュエータは筒状部材の親水性が高く、電解質溶液との濡れ性に優れていた。
【０１４７】
また、筒状部材を形成するためのａ液および接着層を形成するためのｄ液にカーボンブラックを混合した以外は上記と同様にしてアクチュエータを作製した。得られたアクチュエータでは、筒状部材および接着層が導電性のカーボンブラックを含有しているため、すべての筒状部材およびアクチュエータ部が電気的に直列に接続されている。したがって、筒状部材またはアクチュエータ部いずれかの１個所に駆動電力供給用のリード線を接続するだけの簡単な配線で作動させることができた。
【０１４８】
実施例１６
塗布液が塗布される最初の筒状部材として、塩化ビニル製の円筒中空ロッドを用いた以外は実施例１５と同様にディップコーティング法によりアクチュエータを作製した。図２０に示すように、このアクチュエータは、最初の筒状部材１ｘの外面に筒状部材１ａ、１ｂ、１ｃとこれらを連結するアクチュエータ部２が形成され、内面にも同様に筒状部材１ａ’、１ｂ’、１ｃ’とこれらを連結するアクチュエータ部２が形成されている。このように、円筒中空ロッドを用いてディップコーティング法によりアクチュエータを作製すれば、単位アクチュエータを容易に積層することができる。
【０１４９】
実施例１７
実施例１５および１６のようにディップコーティング法を採用した場合には、塗布液が塗布される最初の筒状部材として各種の形状のものを用いてアクチュエータを作製することができる。
【０１５０】
たとえば、最も内側の筒状部材１ａとして図２１に示すような各種の形状を有する塩化ビニル製の中実ロッドを用い、実施例１５と同様にしてアクチュエータを作製して作動させたところ良好に作動した。また、これらのアクチュエータは圧縮応力に対する強度が向上した。
【０１５１】
同様に、最初の筒状部材１ｘとして図２２に示すような各種の形状を有する塩化ビニル製の中空ロッドを用い、実施例１６と同様にしてアクチュエータを作製して作動させたところ良好に作動した。これらのアクチュエータも圧縮応力に対する強度が向上した。
【０１５２】
また、ディップコーティング法を採用した場合、複数の筒状部材を枠体に固定して同時にディップコーティングすることもできる。そして、枠から切り離した後に、犠牲層の除去、配線の形成を行い、アクチュエータを作製することができる。
【０１５３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、界面面積が充分大きく、界面の耐久性が高い素子構造を有し、エレクトロクロミック素子やアクチュエータとして良好に用いることができる機能素子を提供することができる。また、柔軟でしなやかに作動し、しかも作動量および伸縮率を増大できるアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエレクトロクロミック素子を示す断面図。
【図２】本発明に係るアクチュエータを示す断面図。
【図３】本発明に係る他のアクチュエータを示す断面図。
【図４】本発明に係るアクチュエータを示す斜視図、破断図および端面図。
【図５】本発明に係るアクチュエータの動作説明図。
【図６】本発明に係るアクチュエータの動作説明図。
【図７】本発明に係るアクチュエータの動作説明図。
【図８】本発明に係るアクチュエータを示す全体斜視図、内側筒状部材の斜視図、および動作説明図。
【図９】本発明に係るアクチュエータの端面図。
【図１０】本発明に係るアクチュエータを構成する筒状部材の断面の例を示す図。
【図１１】本発明に係るアクチュエータの端面図。
【図１２】本発明に係るアクチュエータの作製装置を示す斜視図。
【図１３】図１２の装置を用いた本発明に係るアクチュエータの製造方法を示す断面図および端面図。
【図１４】実施例５におけるアクチュエータの一部斜視図、断面図、端面図および使用状態を示す説明図。
【図１５】実施例６におけるアクチュエータの端面図および断面図。
【図１６】実施例７におけるアクチュエータの一部斜視図、断面図および端面図。
【図１７】実施例８において用いられたアクチュエータ部の斜視図。
【図１８】実施例９において用いられたアクチュエータ部の平面図。
【図１９】実施例９において用いられたアクチュエータ部の斜視図。
【図２０】実施例１６におけるアクチュエータの断面図。
【図２１】実施例１７において用いられた筒状部材の端面図。
【図２２】実施例１７において用いられた筒状部材の端面図。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｘ、４ａ、４ｂ…筒状部材
２、３…アクチュエータ部
６…リブ
１０…アクチュエータ
１１…接着層
１２…導体パターン
１３…固体電解質
２１…対極
３１…電解質溶液
５１…芯棒
５２…ノズル
１０１…ガラス基板
１０２…透明電極
１０３…相分離膜
１０４…電解質層
１０５…対極
２０１…相分離膜
２０２…白金電極
２０３…カーボン電極
２０４…固体電解質膜
２０５…電解質層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer battery such as a lithium ion secondary battery using a conjugated polymer, a solar battery, a display, a light modulation element, an electrochromic element used for a memory medium, an organic transistor, a functional element used for a sensor, The present invention also relates to actuators used in medical devices, various robots, nursing care devices, data gloves capable of dynamic feedback, and the like.
[0002]
[Prior art]
A semiconducting or conductive polymer such as a conjugated polymer is excellent in moldability and can be easily formed into a thin film. For this reason, application to various functional elements such as electrochromic elements is expected by combining a semiconducting or conductive polymer thin film with an ion conductive polymer thin film such as a polymer electrolyte. For example, an electrochromic device utilizes a color change caused by carrier injection from an ion conductive polymer thin film to a semiconductor or conductive polymer thin film. Also, it can be used as an actuator using a polymer thin film whose molecular volume is changed by an electrochemical reaction when ions are implanted through a solid electrolyte.
[0003]
Such a functional element exhibits a function when a carrier passes through an interface between a semiconducting or conductive polymer thin film and an ion conductive polymer thin film, so that the interface between the two is adhered in a large area. It is important that
[0004]
However, in the structure in which two types of polymer thin films are laminated, it is difficult to increase the area of the interface, and it is difficult to improve the response speed and output. Moreover, in many cases, a large electric field or stress is applied to the interface, so that deterioration or peeling is likely to occur, causing a decrease in durability.
[0005]
In addition, an actuator using a conjugated polymer thin film or a polymer gel as described above can be operated softly, lightly and flexibly. Therefore, application as an artificial muscle used for a prosthetic limb or an actuator used for a medical device or a nursing robot is expected. However, an actuator using a polymer thin film has a small expansion / contraction rate and operation amount. For example, an actuator that drives polyaniline, which is a conjugated polymer, in an electrolyte solution can obtain a driving force that is about an order of magnitude higher than that of living muscles, but has an expansion / contraction ratio of about 3 to 4%. It is about an order of magnitude smaller than the expansion rate of about 30%. For this reason, it is requested | required that expansion rate and an operating quantity are expanded further, and the bimorph structure is employ | adopted typically.
[0006]
However, since the bimorph structured actuator bends, its usage is limited. Further, since a bending torque is applied to the thin film constituting the actuator, it is difficult to improve the effective output. Note that the expansion / contraction ratio cannot be increased by simply connecting or stacking a plurality of actuators in series along the expansion / contraction direction in order to increase the operation amount.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a functional element that has an element structure having a sufficiently large interface area and high interface durability and can be used favorably as an electrochromic element or an actuator. Another object of the present invention is to provide an actuator that can be operated flexibly and flexibly and that can increase the operation amount and the expansion / contraction rate.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The functional element of the present invention includes a first phase formed by agglomeration of semiconductive or conductive first organic polymer chains and a second phase formed by agglomeration of ion conductive second organic polymer chains. A polymer molded body in which two phases form a three-dimensional co-continuous microphase separation structure, and the first phase and the second phase are chemically bonded at the interface; and a first phase constituting the polymer molded body and Each
[0009]
This functional element is operated by supplying electric power to each phase of a multi-component multi-phase polymer molded body having a three-dimensional co-continuous micro phase separation structure and injecting carriers into the first organic polymer chain. Specifically, for example, it can be used as an electrochromic device by utilizing the color change of the first organic polymer chain.
[0010]
The actuator according to the present invention includes a polymer molded body in which a first phase composed of an organic polymer chain whose molecular volume is changed by an electrochemical reaction and a second phase composed of a solid electrolyte form a co-continuous structure; And means for supplying electric power to each phase of the molecular compact.
[0011]
This actuator utilizes the fact that the molecular volume of a polymer thin film is changed by an electrochemical reaction (oxidation and / or reduction) when ions are implanted through a solid electrolyte.
[0012]
Other actuators of the present invention can extend and contract to connect the cylindrical members of different diameters arranged coaxially at intervals, and the outer wall of the inner cylindrical member and the inner wall of the outer cylindrical member. And a means for supplying driving energy to the actuator unit.
[0013]
In this actuator, it is preferable that a plurality of unit actuators are coaxially arranged with the inner cylindrical member, the outer cylindrical member, and an actuator portion connecting them as unit actuators.
[0014]
Since this actuator operates along the direction of expansion and contraction of the actuator part, it can be used in various forms depending on the arrangement of the actuator part. Further, when a plurality of unit actuators are arranged coaxially, the operation amount can be increased.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[0016]
The functional element of the present invention contains a semiconductor or conductive first organic polymer chain and an ion conductive second organic polymer chain.
[0017]
Semiconductive or conductive organic polymers are those in which a molecular structure of photocharge generation or carrier transport is bonded in the main chain of an electrically inactive polymer chain or in a pendant form as a side chain. Can be mentioned. The electrically inactive polymer chain is a polyethylene chain, a polyether chain, a polyester chain, a polyamide chain, a polyimide chain, or the like. Examples of the photocharge-generating or carrier-transporting molecular structure include the following. For example, phthalocyanine derivative, naphthalocyanine derivative, azo compound derivative, perylene derivative, indigo derivative, quinacridone derivative, polycyclic quinone derivative (such as anthraquinone), cyanine derivative, fullerene derivative, nitrogen-containing cyclic Compound derivatives (indole, carbazole, oxazole, indoxazole, thiazole, imidazole, pyrazole, oxadiazole, pyrazoline, thiadiazole, triazole, etc.), hydrazone derivatives, triphenylamine derivatives, triphenylmethane derivatives, stilbene derivatives, quinone compound derivatives ( Anthraquinone, diphenoquinone, etc.) and polycyclic aromatic compound derivatives (anthracene, bilene, phenanthrene, coronene, etc.).
[0018]
Further, a conjugated polymer may be used. Conjugated polymers include aromatic conjugated polymers (such as polyparaphenylene), aliphatic conjugated polymers (such as polyacetylene), heterocyclic conjugated polymers (such as polypyrrole and polythiophene), and heteroatoms containing heteroatoms. Examples include conjugated polymers (polyaniline, polyphenylene sulfide, etc.). Alternatively, a composite conjugated polymer having a structure in which structural units of these conjugated polymers are alternately bonded, specifically, poly (phenylene vinylene), poly (arylene vinylene), or the like may be used. In addition, oligosilanes such as polysilane and disilanylene, and polymers with alternating electronic structures (disilanylene allylene polymer, (disilanylene) ethenylene polymer, (disilanylene) ethynylene polymer, etc.), phosphorus-based or nitrogen-based inorganic A polymer (polymer such as phthalocyanate polysiloxane) in which an aromatic ligand is coordinated to a polymer chain may be used.
[0019]
Examples of ion-conductive organic polymers include polyethers (polyethylene oxide (PEO), etc.), polyesters, polyamines, polyimines, polysulfides, comb-type polyether derivatives having an oligoether chain in the side chain, and polyelectrolyte-type ion conductors. Is mentioned.
[0020]
In the functional device of the present invention, a first phase (referred to as A phase) formed by aggregation of semiconducting or conductive first organic polymer chains (referred to as organic polymer chain A), and ion conductive The second phase (referred to as B phase) formed by aggregation of the second organic polymer chain (referred to as organic polymer chain B) forms a three-dimensional co-continuous microphase separation structure, and both phases are at the interface. A chemically bonded multi-component multi-phase polymer molding is used. In the B phase, an organic salt such as a lithium salt or an ammonium salt, an inorganic salt, or a polymer salt such as an ion exchange resin is mixed.
[0021]
In order to form a good three-dimensional co-continuous microphase separation structure, the polymer chain A (or a precursor such as a monomer or oligomer) and the polymer chain B (or a precursor such as a monomer or oligomer) are not It is preferable that they are compatible. The chemical bond at the interface between the A phase and the B phase is preferably a covalent bond. Therefore, it is preferable to use an AB type diblock copolymer comprising two kinds of polymer chains A and polymer chains B, or an ABA type or a BAB type triblock copolymer. The molecular weight of each block constituting the block copolymer is preferably 10,000 or more. In some cases, a star-type copolymer or a graft-type copolymer may be used.
[0022]
In order to synthesize the block copolymer as described above, after synthesizing the polymer A and the polymer B in advance, the terminal functional groups may be reacted with each other, or the polymer B having a functional group introduced at the terminal may be reacted. In the presence of the polymer, the monomer of the polymer A may be polymerized by an appropriate method such as living polymerization. For example, a triblock copolymer or a diblock copolymer can be synthesized by oxidative polymerization of aniline in the presence of polyethylene oxide having an aminophenyloxy group at the terminal. Also, for example, one polymer incompatible with the other and a precursor oligomer of the other polymer are mixed to form a phase separation structure, and then reacted by heating, light irradiation, or addition of a catalyst to form a final block. A copolymer may be synthesized. At this time, the block copolymer can be synthesized without destroying the phase-separated structure by appropriately selecting the reaction conditions such as reaction at a temperature lower than the glass transition temperature of the block copolymer to be synthesized. .
[0023]
The above block copolymer is dissolved in a suitable solvent to prepare a coating solution, and coated on a suitable substrate and dried to form a polymer molded body (thin film) having a three-dimensional co-continuous microphase separation structure. ) Can be produced. Alternatively, the block copolymer may be melted, applied to a suitable substrate, molded, and then cooled to produce a molded body.
[0024]
The phase separation structure formed using the block copolymer as described above is different from a simple phase separation structure from a mixture, and is often very regular having unit cells on the order of several nm to several tens of nm. The microstructure is shown. For example, a very regular three-dimensional co-continuous microphase separation structure similar to the crystal structure, called the OBDD structure, is formed. In addition to the OBDD structure, various structures such as a lamellar catenoid structure, a T-surface structure, and a disordered structure are formed. When a three-dimensional network-like phase separation structure is formed, the average diameter of the openings of each phase is generally in the range of about 10 to 100 nm. The average diameter of the opening varies depending on the molecular weight of the block copolymer and the combination of polymer chains. The average diameter of the openings is preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less, and further preferably 20 nm or less.
[0025]
In the three-dimensional bicontinuous microphase separation structure, the A phase and the B phase each form a three-dimensional network structure, and these three-dimensional network structures are intertwined with each other. Moreover, since each phase is continuous, it can be considered that all the phase separation domains are connected. In such a phase separation structure, the area of the interface between the A phase and the B phase (interface area per unit volume of each phase) is several m. 2 / G, 1000m in some cases 2 / G and very large. The interface area is 10m. 2 / G or more is preferable. It is difficult to obtain such a large interfacial area with a phase separation structure from a simple mixture. Thus, in the polymer molded body constituting the functional element of the present invention, the exchange of carriers (electrons, holes or ions) proceeds very smoothly between the A phase and the B phase having a very large interface area. Therefore, it is advantageous for improving response speed and output.
[0026]
In the above phase separation structure, each polymer chain aggregates in a state of penetrating the interface between the A phase and the B phase, and the A phase and the B phase are completely joined by chemical bonding. Separation of the interface does not occur unless the molecular chain is broken. Therefore, even if a large electric field or stress is applied to the interface, a decrease in durability can be suppressed.
[0027]
In order to stabilize the phase separation structure, a cross-linking agent is added to the polymer material or a crosslinkable group is introduced into the polymer chain, and the polymer material is cross-linked three-dimensionally after the phase separation structure is formed. Also good. By crosslinking in this way, the thermal or mechanical strength of the polymer molded body can be further improved.
[0028]
In the functional element of the present invention, as means for supplying electric power to each phase of the polymer molded body, electrodes connected to the A phase and the B phase are used. As the electrode material, an inorganic or organic conductor or semiconductor can be used. The shape of the electrode is not particularly limited, and may be any of a plate shape, a thin film shape, a porous film shape, a rod shape, a fiber shape, a mesh shape, and a dot shape. In this case, by utilizing the difference in the affinity of the electrode material with respect to the A phase and the B phase, the electrode can be contacted with only one of the phases. For example, if the electrode material has a high affinity with the A phase but a low affinity with the B phase, the phase A is formed on the electrode surface in the process of phase separation after coating or melting the block copolymer on the electrode. Since it selectively aggregates, an electrode connected only to the A phase can be formed. Further, in order to give the electrode an affinity for either the A phase or the B phase, a homopolymer composed of the same polymer chain as that phase may be formed on the electrode surface. In a practical element structure, another semiconductor or conductive layer may be formed between the electrode and the A phase, or another ion conductive layer may be formed between the electrode and the B phase. It may be inserted.
[0029]
Thus, the electrodes are connected to the A phase and the B phase, respectively, and as described above, the A phase and the B phase each form a three-dimensional network structure inside the phase separation structure, and each phase is continuous. . For this reason, the electrical connection state of the functional element of the present invention is equivalent to a conventional element having a laminated structure of the polymer thin film A and the polymer thin film B.
[0030]
The functional element of the present invention can be used as, for example, an electrochromic element. Specifically, a polymer having a three-dimensional co-continuous microphase separation structure using a block copolymer comprising a conductive polymer chain A such as polyaniline or polypyrrole and an ion conductive polymer chain B such as polyethylene glycol. An electrochromic element in which a thin film is formed and an electrode connected to each of the A phase and the B phase can be manufactured. In such an electrochromic device, power can be supplied from an electrode, and carriers can be injected into the A phase through the ion conductive B phase, thereby causing a color change in the conductive A phase. This electrochromic element has a high response speed, and a sufficient optical density can be obtained by increasing the thickness of the polymer thin film.
[0031]
FIG. 1 shows an example of an electrochromic device according to the present invention. In FIG. 1, a
[0032]
Here, a phase separation film composed of another kind of polymer may be provided on the
[0033]
Note that an additive such as a dopant may be unevenly distributed in either the A phase or the B phase in order to improve the performance of the functional element. In order to produce such an element, a block copolymer coating solution is mixed with a dopant having good affinity specifically for either the A phase or the B phase, and only one of the phases is separated during the phase separation process. The dopant can be unevenly distributed. Further, the dopant may be chemically bonded to one polymer chain constituting the block copolymer.
[0034]
In the three-dimensional co-continuous microphase separation structure, the bonding points between the polymer chain A and the polymer chain B are formed in a sheet shape at the interface between the A phase and the B phase. Therefore, when a functional molecule is introduced at the bonding point of both polymer chains, an ultrathin film at the molecular level composed of the functional molecule can be formed at the interface between the A phase and the B phase. For example, if a molecule exhibiting electrochromic properties is used as the functional molecule, an electrochromic device with very high efficiency and high-speed response can be formed.
[0035]
Similarly, a very thin insulating layer can be formed at the interface between the A phase and the B phase. For example, when oligo (di-t-butoxysiloxane) is aggregated in the form of a sheet at the interface between the A phase and the B phase, and preferably heated while acting an acid catalyst, the elimination of the t-butoxy group and the generated silanol group A dehydration condensation reaction occurs and a silicon oxide film is generated. Thus, the insulating layer formed at the interface can be made very thin and, in principle, no defect occurs. Therefore, it is very useful when forming an electrolytic capacitor or the like.
[0036]
Next, the actuator of the present invention uses a polymer molded body in which a phase composed of an organic polymer chain whose molecular volume is changed by an electrochemical reaction and a phase composed of a solid electrolyte form a co-continuous structure.
[0037]
Examples of the organic polymer whose molecular volume is changed by an electrochemical reaction include a conductive polymer made of a conjugated polymer such as polyaniline or polypyrrole.
[0038]
Examples of the solid electrolyte include an ion conductive polymer such as polyethylene oxide (PEO) and a polymer gel impregnated with an electrolyte solution.
[0039]
As the polymer molded body constituting this actuator, one having a three-dimensional co-continuous microphase separation structure using a block copolymer may be used in the same manner as the functional element described above. However, regarding the polymer molded body used in the actuator, the interface between the two polymer phases does not necessarily have to be joined by chemical bonding. For example, a three-dimensionally shaped molded body of polyaniline or polypyrrole may be formed, and the opening may be filled with a polymer gel impregnated with a solid electrolyte or an electrolyte solution. Specifically, an acrylonitrile porous gel impregnated with a propylene carbonate solution of an electrolyte salt can be used.
[0040]
As means for supplying electric power to each phase of the polymer molded body constituting the actuator, electrodes connected to each of the conductive polymer phase and the solid electrolyte phase are used as in the above-described functional element.
[0041]
As an electrode connected to the conductive polymer phase, an electrode made of an electrochemically stable material is used. Specifically, it is preferable to use noble metals (platinum, gold) or carbon. The form of the carbon electrode may be any of film, fiber, and cloth. Note that the electrode is not necessarily provided when the conductive polymer exhibits high conductivity.
[0042]
The electrode connected to the solid electrolyte phase preferably has a large contact area at the interface with the electrolyte. For example, platinum black and a porous carbon electrode are mentioned. The porous carbon electrode has a surface area of 1000 to 2000 cm. 2 It is preferable to use the one of about / g.
[0043]
Even in this actuator, the area of the interface between the conductive polymer phase and the solid electrolyte phase of the polymer molded body is very large, so that the electrolyte exchange between the solid electrolyte phase and the conductive polymer phase is very smooth. Therefore, it is advantageous for improving the response speed.
[0044]
The actuator structure may have a single polymer molded body or a so-called bimorph structure. Examples of the actuator according to the present invention are shown in FIGS.
[0045]
The actuator shown in FIG. 2 is obtained by connecting a
[0046]
Next, an actuator having a novel structure according to the present invention will be described. This actuator has a cylindrical member having a different diameter and is coaxially arranged at an interval, and an extendable actuator portion that connects the outer wall of the inner cylindrical member and the inner wall of the outer cylindrical member to each other. .
[0047]
4A, 4B, and 4C show the basic structure of this actuator. (A) is a perspective view, (B) is a diagram in which (A) is broken, and (C) is a diagram seen from an end surface. As shown in FIG. 4, a pair of cylindrical members 1a and 1b having different diameters are arranged coaxially with a gap therebetween, and an outer wall on one end side (right side in the drawing) of the inner cylindrical member 1a is disposed in the gap therebetween. An
[0048]
This actuator is used, for example, immersed in an electrolyte solution. The actuator portion is made of a conductive polymer such as a conjugated polymer, and operates by swelling due to intrusion of electrolyte ions accompanying an electrochemical reaction. In this case, in order to supply drive energy to the
[0049]
In FIG. 4, two cylindrical members are used and two actuator parts are arranged in linear and symmetrical positions. However, these shapes, numbers and arrangements are used as desired. It can be freely selected according to the form.
[0050]
In order to increase the operation amount and the expansion / contraction rate in the actuator of the present invention, a plurality of unit actuators are used by using the inner cylindrical member, the outer cylindrical member and the actuator unit connecting them as a unit actuator as shown in FIG. It is preferable to arrange them coaxially.
[0051]
5A and 5B show examples of such actuators. As shown in FIG. 5, cylindrical members 1a, 1b, 1c, and 1d having a length of β and different diameters are coaxially arranged at intervals, and one end side (right side in the figure) outer wall of the inner cylindrical member The
[0052]
In the above description, the operation when the actuator portion contracts has been described. However, when the actuator portion extends, only the operation direction is reversed, and the effect of increasing the operation amount and the expansion / contraction rate is the same as described above. can get. Various modifications of the actuator of the present invention can be considered as described below.
[0053]
The actuator shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C uses two types of
[0054]
With this actuator, the operation amount and output during forward operation and reverse operation can be made equal. Here, in the actuator of FIG. 5, there is a possibility that the operation amount and the output obtained when the actuator unit extends are smaller than when the actuator unit contracts. This is because the actuator portion has flexibility and may buckle when a load is applied during expansion. On the other hand, in the actuator of FIG. 6, buckling is unlikely to occur because the contracted actuator portion bears a part of the load during forward operation or reverse operation.
[0055]
In the actuator shown in FIGS. 7A and 7B,
[0056]
The actuator shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C is obtained by arranging the
[0057]
In the actuator shown in FIG. 9, the
[0058]
Next, the material and shape of the cylindrical member and actuator part constituting the actuator of the present invention, and the electrolyte solution and the like will be described.
[0059]
The cylindrical member is preferably made of a material that has flexibility but has a sufficiently large longitudinal rigidity, and that does not buckle and deform when a compressive stress is applied. Specifically, polyimide, polyamide (for example, various nylons and aramid resins), polyether (for example, polyoxymethylene), polyester (for example, polyethylene phthalate), vinyl resin (for example, polyvinyl chloride), epoxy resin, phenol resin, fluorine resin (For example, PTFE) and ion exchange resins are preferred. Further, since the cylindrical member rubs against the actuator portion and the other cylindrical member, it is preferable that the surface has a small frictional resistance. From this viewpoint, the material of the cylindrical member is preferably a self-lubricating material such as nylon or fluororesin. A resin mixed with a solid lubricant (for example, tungsten disulfide or molybdenum disulfide) or a resin whose surface is coated with a fluororesin or various lubricants may be used. The cylindrical member may be formed using these resins alone, or may be formed by mixing or alloying a plurality of resins. Generally, pipes made of these resins are used for the cylindrical member, but it is also possible to use a laminate of several resin films and molded into a cylindrical shape. A composite of resin and glass fiber or carbon fiber may be used. A woven fabric or a nonwoven fabric knitted with resin fibers as described above may be used.
[0060]
As shown in FIGS. 4 to 9, the shape of the cylindrical member is not particularly limited, although a shape close to a cylinder is generally used. However, it is desirable that the cross-sectional shape is constant in order to ensure smooth operation of the actuator. Further, the cylindrical member located on the innermost side is not necessarily a hollow cylinder, and may be a solid rod.
[0061]
In order to increase the rigidity with respect to longitudinal stress and prevent buckling, the cylindrical member is generally preferably a complete cylindrical shape having no cut on the peripheral surface. However, for example, as shown in various examples in FIG. 10, it may have a cross-sectional shape that is not completely closed.
[0062]
Further, in order to reduce frictional resistance due to contact with the actuator part or other cylindrical member, a contact area may be reduced by forming a groove or an emboss (microprojection group) on the surface of the cylindrical member. . In particular, it is preferable to form the groove along the long axis direction of the cylindrical member because the cylindrical member is less likely to buckle. In the type of actuator in which the actuator part is immersed in the electrolytic solution, the use of a cylindrical member in which grooves or embosses are formed is advantageous in that the circumference of the electrolytic solution around the actuator part is improved. In order to improve the electrolyte periphery, a large number of slits may be formed in the cylindrical member, or a porous cylindrical member may be used.
[0063]
Moreover, as shown in FIG. 11, by providing the cylindrical member 1a with the rib 6 and installing the
[0064]
As a material for the actuator portion, a shape memory resin, a chemomechanical gel, or a conjugated polymer (for example, polyaniline) can be used.
[0065]
In an actuator portion using a shape memory resin, a heating energy or a cooling Peltier element made of a superelastic metal material or an electric heating element such as carbon is installed in a shape memory resin molded body to supply driving energy. The electrothermal element is preferably installed so as not to hinder the deformation of the molded body functioning as the actuator portion and to conduct heat to the molded body satisfactorily.
[0066]
As the chemomechanical gel, an electrically responsive chemomechanical gel, for example, a copolymer gel of polyvinyl alcohol and sodium polyacrylate, poly-2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid gel, acrylonitrile gel, acrylamide gel, or Examples thereof include ion exchange resins (perfluorosulfonic acid, polyethylene sulfonic acid, etc.). A driving electrode made of a platinum thin film, a gold thin film, or a conductive polymer thin film is provided on the surface or surface layer of the electrically responsive chemomechanical gel molded body so as not to hinder the deformation of the gel to supply driving energy. . Further, as the chemomechanical gel, a thermoresponsive chemomechanical gel, for example, an IPN gel of poly-N-isopropylacrylamide and polyacrylamide, or a polyvinyl methyl ether gel can be used. For the thermoresponsive chemomechanical gel, a driving energy is supplied by installing a heating heater or a cooling Peltier element made of a superelastic metal material or an electrothermal element such as carbon. In addition, a gel that is deformed by a change in pH, such as a polysilamine gel, can also be used.
[0067]
Examples of the conjugated polymer include heterocyclic conjugated polymers such as doped polypyrrole and polythiophene, and heteroatom-containing conjugated polymers such as polyaniline. In the actuator unit using the conjugated polymer, a conductive material is preferably placed on the compact of the conjugated polymer and immersed in the electrolyte solution, and the counter electrode is immersed in the electrolyte solution, and power is supplied from the power source. When the conjugated polymer constituting the actuator portion is electrochemically oxidized, holes are generated inside. As a result, in order to compensate for electrical neutrality, anions enter the actuator portion from the electrolyte solution. And the swelling by the penetration | invasion of an anion becomes the main cause, and the volume of an actuator part expand | swells. The actuator portion made of such a conjugated polymer is preferable in that the operating speed is faster than that using another chemomechanical gel.
[0068]
The electrolyte solution may be an aqueous solution or an organic solvent solution. Examples of the organic solvent include methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, monoglyme, acetone, 4-methyl-2-pentanone, acetylacetone, acetonilyl, propionitol, dimethyl sulfoxide, sulfolane, nitromethane. , Dichloromethane, propylene carbonate, ethylene carbonate, acetic acid, 1,2-dichloroethane, benzonitrile and the like.
[0069]
When polyaniline is used as the actuator part, the electrolyte solution is generally HCl, HBr, HClO. Four , H 2 SO Four , HBF Four Use an aqueous solution of acid such as benzenesulfonic acid.
[0070]
When a surfactant is added to the electrolyte solution, the permeability of the electrolyte solution to the actuator part and the liquid periphery are improved. The electrolyte solution to which the surfactant is added penetrates into the sliding portion of the actuator, and also exhibits an action of reducing sliding resistance as a lubricant. As the surfactant, a surfactant that does not change due to the electrolyte or electrolytic reaction and does not inhibit the electrolytic reaction of the conjugated polymer is preferable. For example, a fluorine-based surfactant is used. Moreover, it is preferable that the surface of the cylindrical member constituting the actuator also has high affinity with the electrolyte solution. For example, when an aqueous solution is used as the electrolyte solution, it is preferable to hydrophilize the surface of the resin constituting the cylindrical member by plasma discharge treatment, glow discharge treatment, ozone oxidation treatment, or the like. Further, a hydrophilic substance such as polyvinyl alcohol may be applied to the surface of the cylindrical member or chemically bonded.
[0071]
Instead of the electrolyte solution, a porous polymer impregnated with the electrolyte solution to form a gel may be used. As the porous polymer, for example, polyacrylonitrile, polyethylene, polypropylene or the like is used. A solid electrolyte may be used instead of the electrolyte solution. If a solid electrolyte is used, an all-solid actuator can be obtained. In such an actuator, since the solid electrolyte is installed in close contact with the actuator portion, the solid electrolyte is preferably flexible and stretchable. Such solid electrolytes include compounds having a polyether skeleton (polyethylene oxide, polypropylene oxide, etc.), compounds having a polyester skeleton (polyethylene succinate, poly-β-propiolactone, etc.), compounds having a polyamine skeleton (polyethyleneimine, etc.) ) And compounds having a polysulfide skeleton (polyalkylene sulfide and the like).
[0072]
Conjugated polymer moldings often have sufficient electrical conductivity, so drive current can be supplied from a drive power source simply by installing power supply leads, etc., in a part of the actuator part. can do. However, in order to give conductivity more reliably, metal (gold, platinum, etc.), carbon, conductive polymer, etc. on the surface or inside of the actuator part, thin film, fiber, It is preferable to install in the form of a mesh or the like. Further, conductive fine particles made of metal or carbon may be dispersed in the molded body constituting the actuator portion. Further, in order to simplify the wiring of the actuator part, it is preferable to make the cylindrical member conductive and to make the adhesive part of the cylindrical member and the actuator part conductive and to connect the actuator parts in series. .
[0073]
The shape of the actuator portion may be any of a linear shape (fiber shape), a film shape (strip shape), and a cylindrical shape. The cylindrical actuator portion may be a film wound in a cylindrical shape, or may be a knitted fiber.
[0074]
In order to fabricate the actuator according to the present invention, for example, one end of a strip-like or fibrous actuator is bonded to one end of an inner cylindrical member using an adhesive (preferably a conductive adhesive). Is inserted into the outer cylindrical member, and the other end of the strip-like or fibrous actuator is bonded to the other end of the outer cylindrical member using an adhesive (preferably a conductive adhesive). The method can be used.
[0075]
The actuator according to the present invention can be manufactured as shown in FIG. 13 using the apparatus shown in FIG. The apparatus shown in FIG. 12 has a
[0076]
As the coating solution, a resin in which the resin constituting the cylindrical member and the actuator unit can be applied such as solution, melt, dispersion, or fine powder is prepared. Also, an adhesive coating solution and a sacrificial layer coating solution to be removed later are prepared. First, while rotating the cylindrical member 1a, after applying the coating solution of the adhesive 11 and the coating solution of the
[0077]
In addition, in order to apply | coat a coating liquid, you may use not only the method of spraying from a nozzle as mentioned above but the dip coating method, the brush coating method, and the doctor blade method. In particular, the dip coating method has a large degree of freedom in the shape of the cylindrical member that can be used, and is advantageous for producing an actuator having a small diameter. Moreover, an actuator part and a cylindrical member can also be formed in the internal space of a hollow cylindrical member.
[0078]
The position of the actuator of the present invention can be controlled by attaching various sensors such as a strain sensor. For example, a part of the inner and outer cylindrical members may be made conductive to form a capacitor, and a change in capacitance that occurs when these cylindrical members slide relatively may be monitored. For example, when the actuator portion uses electrolytic expansion / contraction such as polyaniline, an induced current flows through the actuator portion when an external stress is applied. Therefore, the external stress can be measured by monitoring the induced current.
[0079]
【Example】
The present invention will be specifically described below based on examples.
[0080]
Example 1
Polyaniline (basic emeraldine) -PEO-polyaniline (basic emeraldine) by oxidative polymerization of aniline in the presence of polyethylene oxide (PEO) having aminophenyloxy groups at both ends and a weight average molecular weight of about 10,000. A triblock copolymer was obtained. The weight average molecular weight of this triblock copolymer was about 18,000.
[0081]
Also, polyaniline (basic emeraldine) -PEO diblock copolymer is obtained by oxidative polymerization of aniline in the presence of polyethylene oxide (PEO) having an aminophenyloxy group at one end and a weight average molecular weight of about 10,000. Got. The diblock copolymer had a weight average molecular weight of about 22,000.
[0082]
For comparison, a polyaniline (basic emeraldine) homopolymer was prepared.
[0083]
The above triblock copolymer was dissolved in toluene, applied onto a substrate and dried, and then peeled from the substrate to obtain a film having a thickness of 30 μm. As a result of TEM observation, this film formed an OBDD type co-continuous phase separation structure. As an electrode, a platinum electrode and a surface area of 1300 m 2 A carbon electrode surface coated with PEO was prepared. As shown in FIG. 2, at one end of the
[0084]
Further, an actuator was produced in the same manner as described above using a diblock copolymer instead of the triblock copolymer.
[0085]
For comparison, an actuator was prepared in the same manner as described above using a polyaniline homopolymer instead of the triblock copolymer.
[0086]
Each actuator was driven with a DC voltage of 1.5 V, and the time required for maximum expansion and contraction was measured. As a result, the actuator using the phase separation membrane of the triblock copolymer and the diblock copolymer reached the maximum expansion and contraction in about 0.1 seconds. On the other hand, an actuator using a polyaniline homopolymer film had a very slow driving time of about 3 seconds and required a maximum expansion and contraction, and had poor repeatability.
[0087]
Example 2
Two phase-separation membranes of a triblock copolymer having the same thickness of 30 μm as those used in Example 1 were prepared. A crosslinked polyvinyl alcohol film having a thickness of 50 μm was prepared and impregnated with a 1 M / L hydrochloric acid aqueous solution. As shown in FIG. 3, an
[0088]
A bimorph actuator was prepared in the same manner as described above using a diblock copolymer instead of the triblock copolymer.
[0089]
For comparison, a polymorphic homopolymer was used instead of the triblock copolymer, and a bimorph actuator was produced in the same manner as described above.
[0090]
Each actuator was driven with a DC voltage of 1.5 V, and the time required for maximum expansion and contraction was measured. As a result, the actuators using the triblock copolymer phase separation membrane reached the maximum expansion and contraction in about 0.2 seconds, and the actuators using the diblock copolymer phase separation membrane in about 0.1 seconds. On the other hand, an actuator using a polyaniline homopolymer film had a very slow driving time of about 3 seconds and required a maximum expansion and contraction, and had poor repeatability.
[0091]
Example 3
A mixed solution of polyaniline (basic emeraldine) having a weight average molecular weight of about 100,000 and N-methylpyrrolidinone (NMP) of polymethyl methacrylate was applied to the substrate, dried, and then peeled to obtain a cast film. This film was washed with toluene to elute polymethyl methacrylate to obtain a porous polyaniline film. From the TEM observation, the average pore diameter was about 0.2 μm, and most of the pores were continuous pores. This cast film was immersed in a hydrochloric acid solution of polyvinyl alcohol and then dried to prepare a polyaniline-polyvinyl alcohol composite film having a thickness of 30 μm.
[0092]
Using this composite film, a bimorph actuator having the same structure as that shown in FIG. 3 was produced. When this actuator was driven with a DC voltage of 1.5 V, the time required for maximum expansion and contraction was about 0.5 seconds.
[0093]
Example 4
The electrochromic device shown in FIG. 1 was produced as follows. A toluene solution of the same triblock copolymer used in Example 1 was spin-coated on a
[0094]
Further, an electrochromic device was produced in the same manner as described above using a diblock copolymer instead of the triblock copolymer.
[0095]
For comparison, an electrochromic device was prepared in the same manner as described above using a polyaniline homopolymer instead of a triblock copolymer.
[0096]
The response speed of these electrochromic devices was measured. As a result, compared with the response speed of the device using the polyaniline homopolymer, the response speed of the device using the triblock copolymer is about 12 times, and the response speed of the device using the diblock copolymer is about 9 times. Obtained.
[0097]
Next, three types of electrochromic elements were produced in the same manner as described above except that the
[0098]
The response speed of these electrochromic devices was measured. As a result, the response speed of the device using the triblock copolymer is about 8 times that of the device using the polyaniline homopolymer, and about 11 times that of the device using the diblock copolymer. Obtained.
[0099]
Example 5
A mixed solution of 13.3 mL of alinine and 150 mL of 1.33 mol / mL hydrochloric acid was kept at −5 ° C., and 26.7 mL of an aqueous solution in which 15.33 g of ammonium persulfate was dissolved was dropped into this solution over 1 hour. Stir. The precipitate was filtered off, washed with 1M aqueous hydrochloric acid until the filtrate became colorless, and further washed thoroughly with pure water. The obtained solid was put into 1M aqueous ammonia and stirred well. The precipitate was again filtered off, washed several times with aqueous ammonia, and further washed with water. Vacuum drying gave 4.5 g of basic emeraldine powder.
[0100]
NMP was put into a mortar, and the basic emeraldine powder was added little by little and stirred well to dissolve in a proportion of 8 wt%. This solution was applied in a uniform thickness on a horizontally placed slide glass plate and dried at 50 ° C. to obtain a thin film having a thickness of about 35 μm. This thin film was uniaxially stretched while being heated to 130 ° C. and stretched about 3 times. The obtained emeraldine thin film was cut into a strip shape having a length of 6 cm and a width of 3 mm and used as the
[0101]
Using these, an actuator was manufactured as follows. As shown in FIG. 14 (A), the conductive adhesive layer 11 was applied to the outer wall of the upper end portion of the inner cylindrical member, and the upper end portion of the strip-
[0102]
Next, as shown in FIG. 14D, a lead wire is connected to the conductive adhesive layer of the obtained
[0103]
When a voltage was applied to the actuator portion of the actuator to cause contraction, the maximum operation amount was 5.2 mm, and the expansion / contraction rate was 8.7%. For comparison, when a single actuator unit consisting of a strip-shaped emeraldine film with a length of 6 cm and a width of 3 mm was operated under the same conditions, the maximum operation amount was 1.7 mm and the expansion / contraction rate was 2.8%. It was. As described above, in the actuator of the present invention, both the operation amount and the expansion / contraction rate increased about three times as compared with the actuator unit alone.
[0104]
Further, when the actuator of FIG. 14 was operated under the same conditions as described above while being compliant along a circumference having a radius of 5 cm, the expansion / contraction ratio was 7.8%.
[0105]
Next, the actuator of FIG. 14 was wrapped in a rubber bag (not shown) having a thickness of 10 μm, and the inside thereof was filled with the same electrolyte solution. When this actuator was operated under the same conditions as described above, the expansion / contraction rate was 8.5%.
[0106]
In addition, when 0.1% of fluorine-based surfactant (manufactured by 3M, Fluorad FC-430) was added to the electrolyte solution and the actuator was operated, the expansion / contraction speed increased 1.5 times. In addition, the hysteresis is reduced when the extension operation and the contraction operation are repeated. This is presumably because the sliding resistance between the tubular members and between the tubular member and the actuator portion was reduced by adding the surfactant. Similar results were obtained when Fluorad FC-95, Fluorad FC-98, Fluorad FC-134, and Fluorad FC-170C (all manufactured by 3M) were used as the fluorosurfactant.
[0107]
In addition, the electrolyte solution was HCl, HBr, HClO, respectively. Four , H 2 SO Four Even when the solution was changed to an aqueous solution of benzenesulfonic acid, the same effect of increasing the operation amount and the expansion / contraction rate as above was obtained.
[0108]
Example 6
15A, 15B, and 15B, which are obtained by cutting the emeraldine thin film prepared in Example 5 into a strip shape having a length of 6 cm and a width of 1.5 mm as an actuator portion. The actuator shown in C) was produced. In this embodiment, the
[0109]
Similarly to Example 5 (FIG. 14D), the obtained actuator was immersed in an electrolyte solution in an upright state, and the counter electrode was immersed and connected to a DC power source.
[0110]
When this actuator was operated so that the
[0111]
Further, when the actuator shown in FIG. 15 was operated under the same condition as described above along the circumference of 5 cm radius, the expansion / contraction ratio was 7.8%.
[0112]
Next, the actuator of FIG. 15 was wrapped in a rubber bag having a thickness of 10 μm, and the inside thereof was filled with an electrolyte solution. When this actuator was operated under the same conditions as described above, the expansion / contraction ratio was 7.9%.
[0113]
When the actuator was operated by adding 0.5% of a fluorosurfactant (manufactured by 3M, Fluorad FC-430) to the electrolyte solution, the expansion / contraction speed increased 1.6 times. In addition, the hysteresis is reduced when the extension operation and the contraction operation are repeated.
[0114]
Example 7
16A, 16B, and 16C are used in the same manner as in Example 5 by using the emeraldine thin film produced in Example 5 wound in a cylindrical shape of 6 cm in length as the
[0115]
When this actuator was operated so that the actuator part contracted, the expansion / contraction rate was 9.1%, which was about three times that of the actuator part alone.
[0116]
Further, when the actuator shown in FIG. 16 was driven in the same manner along the circumference with a radius of 5 cm, the elongation was 8.5%.
[0117]
Next, the actuator of FIG. 16 was wrapped with a rubber bag having a thickness of 10 μm, and the inside thereof was filled with an electrolyte solution. When this actuator was operated under the same conditions as described above, the expansion / contraction rate was 8.1%.
[0118]
Further, ten cylindrical members were used, and actuators (the number of unit actuators = 9) were produced by connecting them with a cylindrical actuator portion similar to the above. When this actuator was immersed in an electrolyte solution in an upright state, the counter electrode was immersed and connected to a DC power supply, and the actuator was operated so that it contracted. About 9 times. In addition, when this actuator is wrapped in a rubber bag with a thickness of 10 μm and filled with an electrolyte solution and operated under the same conditions as described above, both the operation amount and the expansion / contraction rate are about 8 times that of the actuator unit alone. Increased.
[0119]
Example 8
Instead of the cylindrical actuator portion used in Example 7, an actuator was manufactured using the
[0120]
The actuator portion of FIG. 17A is obtained by winding an emeraldine thin film into a cylindrical shape having a length of 6 cm.
[0121]
The actuator portion shown in FIG. 17B is obtained by knitting an emeraldine thin film with a width of 1 mm and knitting it into a cylindrical shape with a coarse mesh.
[0122]
The actuator part of FIG. 17 (C) is an emeraldine thin film made of fibers having a length of 6 cm and a width of 0.2 mm, a plurality of fibers extending up and down to be combined into a cylindrical shape, and ends thereof being hardened with a conductive paste 11 It is.
[0123]
The actuator portion shown in FIG. 17D is obtained by winding a cloth knitted with an emeraldine thin film as a fiber having a width of 0.2 mm into a cylindrical shape and hardening the end portion with a conductive paste 11.
[0124]
In the same manner as in Example 5 (FIG. 14D), each of the obtained actuators was immersed in an electrolyte solution in an upright state, and the counter electrode was immersed and connected to a DC power source. When these actuators were operated so that the actuator portion contracted, both the operation amount and the expansion / contraction rate increased about three times as compared with the actuator portion alone.
[0125]
Further, in the actuator using the actuator portion of FIG. 17A, the expansion / contraction rate was 9.3%, which was slightly improved from Example 7. Moreover, the expansion / contraction speed was faster than that of Example 7. This is because by cutting the cylindrical actuator part, the contraction in the circumferential direction escapes, tightening of the cylindrical member inscribed by the actuator part is relaxed, and the sliding resistance between the actuator part and the cylindrical member is reduced. This is probably due to the improved penetration of the electrolyte solution. In the actuator using the actuator part of FIGS. 17B to 17D, the same effect was obtained by improving the flexibility of the actuator part and improving the penetration of the electrolyte solution. For example, with the actuator of 17 (C), the extension speed was 1.2 times that of Example 7.
[0126]
Also, in any actuator, the actuator part is operated in a state where it is bent along the circumference of a radius of 5 cm, and the actuator part is encased in a rubber film having a thickness of 10 μm and filled with an electrolyte solution. The expansion ratio was about 3 times that of the single substance.
[0127]
Example 9
In this example, an actuator was manufactured using a highly conductive actuator part.
[0128]
The carbon mesh solution impregnated with the polyaniline solution synthesized in Example 5 was impregnated, dried at 50 ° C., uniaxially stretched while being heated at 130 ° C., and stretched about 3 times. When this was used as an actuator portion and an actuator was manufactured and operated in the same manner as in Example 5, the drive voltage required to obtain the same operation amount was reduced by 10%. This is presumably because the electrical conductivity of the polyaniline film was improved by the carbon mesh, and the voltage drop due to resistance was alleviated. Further, since the carbon mesh is a structure in which carbon fibers are assembled in an oblique lattice shape, the expansion and contraction of polyaniline was not hindered. The same effect was obtained when a carbon fiber assembled in a coil shape was used.
[0129]
Next, a 20 μm thick film was prepared using the polyaniline solution synthesized in Example 5, and after depositing 15 nm thick gold to form a zigzag
[0130]
The polyaniline thin film produced in Example 1 was formed into a cylindrical shape by winding it. As shown in FIG. 19 (A) or (B), a
[0131]
Example 10
The emeraldine thin film produced in Example 5 was cut into a strip shape having a width of 3 mm and a length of 1 cm, and used as the
[0132]
When this actuator was operated, the outer cylindrical member 1c was rotated 12.5 degrees with respect to the inner cylindrical member. This rotation angle was about twice the rotation angle of the unit actuator composed of the cylindrical members 1a and 1b and the
[0133]
When 0.1% of fluorinated surfactant (Fluorad FC-430, manufactured by 3M) was added to the electrolyte solution and the actuator was operated, the expansion / contraction speed increased 1.5 times, and the expansion and contraction operations were performed. Hysteresis when repeated was reduced.
[0134]
Example 11
Electropolymerization was performed using a mixed aqueous solution of pyrrole and sodium dodecylbenzenesulfonate to form a polypyrrole film on the electrode. A 30 μm thick polypyrrole film was peeled from the electrode. Using this polypyrrole film as an actuator part, an actuator was produced in the same manner as in Example 5. When this actuator was operated in an electrolyte solution of sodium dodecylbenzenesulfonate, an expansion / contraction ratio about three times that of the actuator unit alone was obtained.
[0135]
When 0.1% of fluorinated surfactant (Fluorad FC-430, manufactured by 3M) was added to the electrolyte solution and the actuator was operated, the expansion / contraction speed increased 1.5 times, and the expansion and contraction operations were performed. Hysteresis when repeated was reduced.
[0136]
Example 12
When a polyaniline thin film containing 10% polypyrrole was used as an actuator part and an actuator was manufactured and operated in the same manner as in Example 5, the expansion / contraction speed increased by 10%.
[0137]
Example 13
After mixing 97 parts by weight of 2-hydroxyethyl methacrylate, 2 parts by weight of ethylene glycol dimethacrylate and 0.5 parts by weight of 2,4,6-trimethylbenzoyldiphenylphosphine oxide, degassing and purging with nitrogen, a distance of 15 cm A crosslinked poly (2-hydroxyethyl methacrylate), which is a hydrophilic polymer, was synthesized by irradiating with an ultraviolet ray from an 80 W / cm high-pressure mercury lamp for 3 minutes and 30 seconds to cure. This crosslinked poly (2-hydroxyethyl methacrylate) was molded into a cylindrical shape and used as a cylindrical member, and an actuator was produced in the same manner as in Example 5. When this actuator was operated, the operation was smooth because the wettability of the cylindrical member to the electrolyte solution was excellent.
[0138]
Example 14
An actuator was manufactured by a spin coating method using the apparatus shown in FIG. 12 as shown in FIG. The following solutions were prepared as coating solutions for forming each part of the actuator.
[0139]
Cylindrical member: Polyvinyl chloride in tetrahydrofuran solution
Actuator part: N-methylpyrrolidone solution of basic emeraldine
Sacrificial layer: Polyvinylpyrrolidone aqueous solution
Adhesive layer: Epoxy adhesive
A cylindrical solid rod made of vinyl chloride resin was used as the
[0140]
1M HClO to which 0.1% of a surfactant (trade name: Fluorad FC-430, manufactured by 3M) was added to the obtained actuator Four When dipped in an aqueous solution and driven, it stretched well.
[0141]
Example 15
An actuator was produced by dip coating. Note that the coating liquid used is the same as that in Example 14, and the state in which the coating liquid is applied is substantially the same as in FIG. First, a coating solution for forming each part of the actuator was prepared.
[0142]
Cylindrical member: Polyvinyl chloride in tetrahydrofuran solution (liquid a)
Actuator part: N-methylpyrrolidone solution of basic emeraldine (liquid b)
Sacrificial layer: Polyvinylpyrrolidone aqueous solution (liquid c)
Adhesive layer: Epoxy adhesive (d liquid)
A cylindrical solid rod made of vinyl chloride resin was used as the innermost cylindrical member. One end of the chlorinated resin rod was supported, and only the portion where the adhesive layer was formed was immersed in d solution, and then pulled up and dried to form the adhesive layer. The other end of the chlorinated resin rod was supported, and only the portion for forming the sacrificial layer was immersed in the liquid c, and then pulled up and dried to form a sacrificial layer. After the chlorinated resin rod was immersed in the liquid b, it was pulled up and dried to form an actuator part. The other end of the chlorinated resin rod was supported, and only the portion where the adhesive layer was formed was immersed in d solution, and then pulled up and dried to form the adhesive layer. One end of the chlorinated resin rod was supported, and only the portion for forming the sacrificial layer was immersed in the liquid c, and then pulled up and dried to form a sacrificial layer. After immersing the chlorinated resin rod in the liquid a, it was pulled up and dried to form an outer cylindrical member. In this way, a unit actuator having a pair of cylindrical members and an actuator portion for connecting them was formed.
[0143]
Further, the above operation was repeated three times. Excess coating solution adhering to the end face was removed. The adhesive was completely cured by heating and drying at 60 ° C. It was immersed in a 40 degreeC warm water tank, and the sacrificial layer was removed using ultrasonic cleaning as needed. An actuator was manufactured by connecting a drive lead wire to the actuator portion. 1M HClO to which 0.1% of surfactant (trade name Fluorad FC-430: manufactured by 3M) was added to the prepared actuator Four When dipped in an aqueous solution and driven, it stretched well.
[0144]
This method is very effective for forming a thin actuator having a diameter of 2 to 3 mm using a thin resin filament as the innermost cylindrical member.
[0145]
After the dip coating as described above, the actuator was manufactured by heating to 130 ° C. and extending about 3 times in the axial direction. When this actuator was operated, the expansion / contraction ratio was 1.5 times. .
[0146]
Next, as a liquid for forming a cylindrical member, a viscous solution (J. Non-Crystal. Solids) in which epoxy silane, methacryloxy silane, alkoxy titanium, a methacrylate monomer and a peroxide polymerization catalyst are mixed and reacted. 63 (1984) 283-293), an actuator was prepared in the same manner as above except that the coating solution was cured by heating at 120 ° C. after coating the solution a. The manufactured actuator had high hydrophilicity of the cylindrical member, and was excellent in wettability with the electrolyte solution.
[0147]
Further, an actuator was manufactured in the same manner as described above except that carbon black was mixed with the liquid a for forming the cylindrical member and the liquid d for forming the adhesive layer. In the obtained actuator, since the cylindrical member and the adhesive layer contain conductive carbon black, all the cylindrical members and the actuator portions are electrically connected in series. Therefore, it was possible to operate with a simple wiring by simply connecting a lead wire for supplying driving power to one portion of either the cylindrical member or the actuator portion.
[0148]
Example 16
An actuator was manufactured by the dip coating method in the same manner as in Example 15 except that a cylindrical hollow rod made of vinyl chloride was used as the first cylindrical member to which the coating solution was applied. As shown in FIG. 20, in this actuator, tubular members 1a, 1b, 1c and an
[0149]
Example 17
When the dip coating method is employed as in Examples 15 and 16, actuators can be manufactured using various cylindrical shapes as the first cylindrical member to which the coating liquid is applied.
[0150]
For example, when a solid rod made of vinyl chloride having various shapes as shown in FIG. 21 is used as the innermost cylindrical member 1a and an actuator is manufactured and operated in the same manner as in Example 15, it operates satisfactorily. did. In addition, these actuators have improved strength against compressive stress.
[0151]
Similarly, when a hollow rod made of vinyl chloride having various shapes as shown in FIG. 22 was used as the first
[0152]
Further, when the dip coating method is adopted, a plurality of cylindrical members can be fixed to the frame and simultaneously dip coated. Then, after separating from the frame, the sacrificial layer is removed and the wiring is formed, whereby the actuator can be manufactured.
[0153]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a functional element that has an element structure having a sufficiently large interface area and high interface durability, and can be favorably used as an electrochromic element or an actuator. . In addition, it is possible to provide an actuator that is flexible and operates flexibly, and that can increase the operation amount and the expansion / contraction rate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electrochromic device according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an actuator according to the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing another actuator according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view, a cutaway view, and an end view showing an actuator according to the present invention.
FIG. 5 is an operation explanatory view of an actuator according to the present invention.
FIG. 6 is an operation explanatory view of an actuator according to the present invention.
FIG. 7 is an operation explanatory view of an actuator according to the present invention.
FIG. 8 is an overall perspective view showing an actuator according to the present invention, a perspective view of an inner cylindrical member, and an operation explanatory view.
FIG. 9 is an end view of the actuator according to the present invention.
FIG. 10 is a view showing an example of a cross section of a cylindrical member constituting the actuator according to the present invention.
FIG. 11 is an end view of an actuator according to the present invention.
FIG. 12 is a perspective view showing an actuator manufacturing apparatus according to the present invention.
13 is a cross-sectional view and an end view showing a method for manufacturing an actuator according to the present invention using the apparatus of FIG.
14 is a partial perspective view, a cross-sectional view, an end view, and an explanatory view showing a use state of an actuator in Embodiment 5. FIG.
15 is an end view and cross-sectional view of an actuator in Example 6. FIG.
16 is a partial perspective view, a sectional view, and an end view of an actuator in Embodiment 7. FIG.
17 is a perspective view of an actuator unit used in Example 8. FIG.
18 is a plan view of an actuator unit used in Example 9. FIG.
19 is a perspective view of an actuator unit used in Example 9. FIG.
20 is a cross-sectional view of an actuator in Example 16. FIG.
21 is an end view of a cylindrical member used in Example 17. FIG.
22 is an end view of a cylindrical member used in Example 17. FIG.
[Explanation of symbols]
1a, 1b, 1c, 1d, 1x, 4a, 4b ... cylindrical member
2, 3 ... Actuator
6 ... Ribs
10 ... Actuator
11 ... Adhesive layer
12 ... Conductor pattern
13 ... Solid electrolyte
21 ... Counter electrode
31 ... Electrolyte solution
51 ... Core
52 ... Nozzle
101 ... Glass substrate
102 ... Transparent electrode
103 ... Phase separation membrane
104 ... electrolyte layer
105 ... Counter electrode
201 ... Phase separation membrane
202 ... Platinum electrode
203 ... carbon electrode
204 ... Solid electrolyte membrane
205 ... Electrolyte layer
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