JP4714700B2

JP4714700B2 - 高分子電解質膜アクチュエータの作製方法及び高分子電解質膜アクチュエータ

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Publication number: JP4714700B2
Application number: JP2007046312A
Authority: JP
Inventors: 賢大西
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: JP2008211915A

Description

本発明は、電圧を印加することにより駆動する（湾曲又は変形する）高分子電解質膜アクチュエータの作製方法及び高分子電解質膜アクチュエータに関する。

携帯電話機、デジタルカメラ、カーナビゲーションシステムのディスプレイ等の小型電子機器にはユーザからの入力デバイスとして、タッチパネル式ディスプレイが用いられている。タッチパネル式ディスプレイは、指等により所定の部分を押圧することにより、機器に信号を入力することのできる入力デバイスを備えたディスプレイである。しかしながら、このタッチパネル式ディスプレイでは、操作者は、入力されたことの確認を入力と同時に発する音や表示画面中の色の変化により知る方法しかない。

近年、視覚障害者を含む操作者が、アナログスイッチを押したときのように反力の感触を受けるあるいは到達度（達成感）を受けるために、種々のデバイスが提案されている。
このようなデバイスの１つとして、下記特許文献１に記載される高分子アクチュエータが提案されている。高分子アクチュエータは、イオン交換樹脂成形品とこのイオン交換樹脂成形品の表面に絶縁状態で金属電極を備えた構成であり、含水状態において、金属電極間に電位差をかけることで、イオン交換樹脂成形品に湾曲及び変形を生じさせるものである。
この高分子アクチュエータでは、イオン交換樹脂成形品に、金属錯体水溶液中で吸着させ、吸着した金属錯体を還元することにより金属を析出させて、イオン交換樹脂成形品内部まで樹枝状の金属電極を形成することによって、金属電極を備えたイオン交換樹脂成形品を構成することができる。金属電極は、樹枝状の電極であるため電極面積が大きくなり、実用的な変位と応力を得ることができると、されている。

特許第２９６１１２５号公報

ところが、高分子アクチュエータのイオン交換樹脂成形品に設けられる樹枝状の電極は、金属錯体を含む水溶液に浸漬することによって金属錯体を吸着させ、この後、還元剤を用いて金属を樹枝状に析出させるので（メッキ処理をするので）、金属錯体の濃度や温度等の条件を制御して金属電極層を一定の厚さにコントロールして形成することは難しい。金属電極層の厚さが不均一である場合、樹枝状の電極間の距離の短い部分に電界が集中してショートし、又、イオン交換樹脂成形品の曲げ変形により対向する樹枝状の電極同士が接触してショートし、さらには過熱し、これらによる発火の危険が生じ、安全性が損なわれる、といった問題があった。このような問題は、金属電極層を大面積にするほど顕著となっている。

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、電圧を印加することにより駆動する高分子電解質膜アクチュエータにおいて、電極を形成するためのメッキ処理の調整が従来に比べて必要でなく、かつ金属電極の厚さの不均一性が改善され、かつショート及び過熱による発火の危険が生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータ及びそのアクチュエータの作製方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、電圧を印加することにより駆動する高分子電解質膜アクチュエータの作製方法であって、一対の第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が低い層を含むと共に多孔質膜を層として含んだ膜材を、前記一対の第１の高分子電解質膜で挟んで接合し、本体部を作製する接合工程と、前記本体部に金属イオンを吸着させる吸着工程と、前記本体部に吸着した前記金属イオンを還元する還元工程と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータの作製方法を提供する。
ここで、イオン交換能は、例えばイオン交換容量（ｍｅｑ／ｇ）をいう。

その際、前記多孔質膜は、前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能の低いものであることが好ましい。
あるいは、前記多孔質膜は、前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が同等または高いものであり、前記膜材は、前記多孔質膜を被覆し且つ前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が低い第２の高分子電解質膜を含んでいることも、同様に好ましい。

さらに、本発明は、電圧を印加することにより駆動するアクチュエータであって、電解質溶液を含浸した一対の第１の高分子電解質膜を備えて形成されたアクチュエータ層と、前記アクチュエータ層の中に、前記アクチュエータ層の両側の異なる面に沿って互いに対向するように設けられ、電圧が印加される一対の電極と、を有し、前記一対の第１の高分子電解質膜の各々に前記一対の電極の１つが設けられ、前前記アクチュエータ層は、前記一対の電極が対向するように前記アクチュエータ層の外側の面に前記一対の第１の高分子電解質膜を設けて構成された外側層と、前記外側層に挟まれるように設けられ、前記一対の第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能の低い層を含むと共に多孔質膜を層として含む膜材からなる内側層と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータを提供する。

その際、前記多孔質膜は、前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が低いものであることが好ましい。
あるいは、前記多孔質膜は、前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が同等または高いものであり、前記膜材は、前記多孔質膜を被覆し且つ前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が低い第２の高分子電解質膜を含んでいることも、同様に好ましい。

本発明の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法では、一対の第１の高分子電解質膜で膜材を挟んで接合した後、吸着工程及び還元工程の処理、すなわちメッキ処理を行うが、このとき、第１の高分子電解質膜で挟まれた内側層となる膜材は、一対の第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能の低い層を含むと共に多孔質膜を層として含んでいる。このため、メッキ処理を長時間行っても、この層に実質的に金属が析出されず、電極は形成されない。したがって、メッキ処理を長時間行うことができるので、従来に比べてメッキ処理の調整の必要性が小さい。
又、外側層の一対の第１の高分子電解質膜に十分な金属を析出させることができ、第１の高分子電解質膜の厚さ分の金属の層を均一に形成することができる。
さらに、作製された高分子電解質アクチュエータの内側層は、実質的に金属が析出されず、両側の電極を一定の距離離間させるので、電界が集中してショートしない。このため、高分子電解質膜アクチュエータは滑らかに作動する。又、アクチュエータ層の曲げ変形により対向する樹枝状の電極同士が接触してショートしない。このため、ショートによって発火の危険が生じ、安全性が損なわれる、といった従来の問題は解消される。
又、一対の第１の高分子電解質膜に挟まれる膜材に含まれる多孔質膜として、軟化温度の低い、例えば軟化温度１００℃程度のものを用いる場合、例えば１００℃程度の過熱により多孔質膜自体が溶けるので、電流の流れを自ら遮断する。これにより、ショート等による過熱によって発火の危険が生じ、安全性が損なわれる、といった従来の問題は解消される。

図１（ａ）は、本発明の高分子電解質膜アクチュエータ（以降、アクチュエータという）の一実施形態を示す模式図である。
図１（ａ）に示すアクチュエータ１０は、高分子電解質膜で形成されるアクチュエータ層１２と、アクチュエータ層１２の中に、お互いに対向するようにアクチュエータ層１２の両側の面に沿って設けられ、アクチュエータ層１２の両側から電圧を印加する電極１５，１７と、電極１５，１７に電圧を印加する電源２０と、電圧の印加を制御するコントローラ２２とを主に有して構成される。

アクチュエータ層１２は、アクチュエータ層１２の両側の異なる面に設けられ、同じ高分子電解質膜が対向するように構成された外側層１４，１６と、この外側層１４，１６の高分子電解質膜に対してイオン交換能の低い層を含み、外側層１４，１６により挟まれるように設けられた内側層１８とを有する。

外側層１４，１６は、イオン導電性の材料であれば特に限定されないが、特にイオン伝導率の点及び耐久性の点からイオン交換樹脂膜を好適に用いることができる。イオン交換樹脂膜は、特に限定されないが、例えば、陽イオン交換樹脂膜、陰イオン交換樹脂膜あるいは両イオン交換樹脂膜が用いられる。この中で、アクチュエータとしての動作の点から、陽イオン交換樹脂膜が好ましい。陽イオン交換樹脂膜の場合、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、フッ素系樹脂等にスルホン酸基、カルボキシル基等の置換基を導入したものが用いられる。例えば、陽イオン交換樹脂膜として「ナフィオン」（登録商標、Du Pont社製商品名）や「フレミオン」（登録商標、旭硝子社製商品）が用いられる。又、ベンズイミダゾール骨格を有するイオン交換樹脂膜、あるいはスルホン化ポリエーテルスルホン系イオン交換樹脂膜、ポリアリールエーテル系イオン交換樹脂膜又はスルホン化ポリエーテルエーテルケトン系イオン交換樹脂膜、さらには、ポリイミド系イオン交換樹脂膜等も例示される。なお、外側層１４，１６に用いる高分子電解質膜は、カチオン及び電解質溶液の溶媒分子の移動を確保しつつ、アニオンの移動を抑制するもの（アニオン捕獲能を有するもの）が特に好適に用いられる。

内側層１８は、イオン導電性の材料であり、外側層１４，１６のイオン交換能に比べてイオン交換能の低い層を含んだ膜材であればよい。内側層１８の層構成として以下の形態が挙げられる。
（Ｉ）高分子電解質膜で構成される形態
（ＩＩ）多孔質膜（又はメンブレン膜）で構成される形態
（ＩＩＩ）多孔質膜（又はメンブレン膜）を高分子電解質膜で被覆して構成される形態

（Ｉ）高分子電解質膜で構成される形態
内側層１８が、高分子電解質膜で構成される場合、内側層１８として、外側層１４，１６と膜材の組成が異なりイオン交換容量が外側層１４，１６に比べて低いもの、あるいは、同じ組成の膜材であってもイオン交換容量が外側層１４，１６に比べて低いものを用いればよい。例えば、イオン交換能の異なる「ナフィオン」（登録商標）と「フレミオン」（登録商標）を組として用いることができ、あるいは、同じ「ナフィオン」（登録商標）又は「フレミオン」（登録商標）であっても、イオン交換容量（ｍｅｑ／ｇ）の異なるものを用いることもできる。さらには、高分子電解質膜を多孔質構造としたときの平均空孔のサイズが異なるものを用いることもできる。
例えば、内側層１８に、上記「ナフィオン」（登録商標）と「フレミオン」（登録商標）を組として用い、かつ、電極１５，１７を金メッキ処理により形成する場合、−ＳＯ₃ ^-の交換基を有する「ナフィオン」（登録商標）を内側層１８に、−ＣＯＯ^-の交換基を有する「フレミオン」（登録商標）を外側層１４，１６に用いることが好ましい。電極１５，１７を金メッキ処理により形成する場合、金イオン（Ａｕ³⁺）との親和性は「フレミオン」（登録商標）の方が高く、イオン交換能が高いからである。

本発明では、内側層１８には、外側層１４，１６の高分子電解質膜に比べてイオン交換容量の低い高分子電解質膜を用いる。これは、後述するメッキ処理により電極を作製するときに、内側層１８に樹枝状の金属の析出を抑制するためである。このとき、内側層１８には、後述する電解質溶液のイオン、例えばリチウムイオンの移動能が高く、電極１５，１７を形成する金属イオンの移動能の低いものが好適に用いられる。
あるいは、高分子電解質膜を多孔質構造と考えたときの平均空孔のサイズが、外側層１４，１６に比べて内側層１８の方が小さいことが好ましい。これは、後述するメッキ処理による電極の作製のときに、内側層１８において、外側層１４，１６に比べて金属イオンの移動能及び金属を析出させるときの還元剤の移動能を抑制させるためである。内側層１８に用いる高分子電解質膜は、カチオン及び電解質溶液の溶媒分子の移動を確保しつつ、アニオンの移動を抑制するもの（アニオン捕獲能を有するもの）が特に好適に用いられる。又、内側層１８の厚さは、１〜２００μｍである。

（ＩＩ）多孔質膜（又はメンブレン膜）で構成される形態
内側層１８を多孔質膜（又はメンブレン膜）で構成する場合、多孔質膜（又はメンブレン膜）一層で構成してもよいし、複数層の多孔質膜（又はメンブレン膜）を積層して構成してもよい。
複数層の多孔質膜（又はメンブレン膜）を積層して構成する場合、多層の多孔質膜を積層して異なる特性を持たせるようにしてもよい。例えば、機械的強度の高い多孔質膜の両側あるいは片側に柔軟性を有する多孔質膜を構成することで、電極１５，１７との分離とアクチュエータとしてのイオンの導電性を確保しつつ、機械的強度も確保することができる。

さらに、アクチュエータ１０が電極１５，１７のショート等により異常発熱し又高温状態となった場合、電極１５，１７間の導通を遮断するような機能を膜材に持たせることができる。例えば、所定の温度、例えば１００℃に達した時、素材が溶融する又は軟化する多孔質膜を用いることにより、所定の温度で多孔質膜が塞がり電極１５，１７の導通を止めることができ、過熱状態による発火の危険を抑制し安全性を確保することができる。
このような内側層１８は、アクチュエータ１０の耐久性向上の点から、高分子電解質膜の外側層１４，１６との接合面の密着性が良好であることが必要である。

なお、多孔質膜（又はメンブレン膜）として、電気化学的に安定し、かつ電位窓の大きな材料が好適に用いられる。例えば、有機材料であれば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂フィルム、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等のフッ素系樹脂フィルム等が挙げられ、無機材料であればガラス、酸化アルミニウム等が挙げられる。さらに、内側層１８の表面を親水処理又は疎水処理を施してもよい。多孔質膜の孔の形状は特に限定されないが、カチオンの導電性の点から、空孔率は高いことが好ましい。多孔質膜は、多数の穴があいた膜でもよいし、不織布、織布の構造の膜でもよい。膜材は、アクチュエータ層１２の曲げや変形を制限しないように柔軟性を有することが好ましい。なお、多孔質膜（又はメンブレン膜）は一層だけでなく、２層以上で構成してもよい。

（ＩＩＩ）多孔質膜（又はメンブレン膜）を高分子電解質膜で被覆して構成される形態
多孔質膜（又はメンブレン膜）を高分子電解質膜で被覆して構成する場合、図２に示すように、多孔質膜（又はメンブレン膜）１８ａの両側に、高分子電解質膜１８ｂ,１８ｃを被覆した多層構造のものが挙げられる。
なお、外側層１４，１６の高分子電解質膜に比べてイオン交換能が低い、又は実質的にイオン交換能がないものを多孔質膜（又はメンブレン膜）に用いる場合、被覆に用いる高分子電解質膜はイオン交換能に制限はなく、例えば、外側層１４，１６の高分子電解質膜と同じイオン交換能を有するものを用いてもよい。一方、外側層１４，１６の高分子電解質膜に比べてイオン交換能が同等又はそれより高い多孔質膜（又はメンブレン膜）を用いる場合、外側層１４，１６に比べてイオン交換能の低い高分子電解質膜を多孔質膜の被覆に用いるとよい。本発明では、少なくとも、外側層１４，１６の高分子電解質膜に比べてイオン交換能が低いものを内側層１８に用いればよい。
図２に示す多層構造の膜材において、多孔質膜１８ａにイオン交換能が実質的にない多孔質膜を用いるとき、高分子電解質膜１８ｂ，１８ｃは、外側層１４，１６の高分子電解質膜に比べてイオン交換能の低いもの、たとえば同じ種類でイオン交換容量の低い膜材を用いることができる。この場合、外側層１４，１６から内側層１８に向かってイオン交換能が段々に低くなる膜材の層構造となっている。あるいは、アクチュエータ層１２の外側層１４，１６の側から内側層１８の中心に向かってイオン交換能が徐々に低下する傾斜材で内側層１８を構成することもできる。
一方、多孔質膜１８ａに、イオン交換能が実質的にない多孔質膜を用いるとき、外側層１４，１６の高分子電解質膜と同じ種類の膜材で、同じイオン交換能、例えば同じイオン交換容量を有するものを、高分子電解質膜１８ｂ,１８ｃに用いることもできる。

内側層１８が、図２に示す多層構造の場合、高分子電解質膜の材料成分を有するスラリー溶液を接着剤として用いて、多孔質膜１８ａと高分子電解質膜１８ｂ,１８ｃを接着してもよい。また、多孔質膜１８ａに、高分子電解質膜の材料成分を有するスラリー溶液を用いてキャスト法により、高分子電解質膜１８ｂ,１８ｃを形成してもよい。この場合、高分子電解質膜１８ｂ,１８ｃは、外側層１４，１６と同じ材料の高分子電解質膜が密着性の点から好適に用いられる。この形態の内側層１８は、上記多孔質膜（又はメンブレン膜）の一層で構成された形態に比べてアクチュエータ層１２における密着性を向上させることができる。さらに、多孔質膜１８ａに、外側層１４，１６の高分子電解質膜と同じ材料の高分子電解質膜で被覆した場合、多孔質膜の孔の内部に高分子電解質膜の材料の一部が侵入するので、多孔質膜１８ａの孔を塞ぎ、メッキ処理により析出した金属の粉が多孔質膜１８ａ中に入り込むのを防ぐ。したがって、アクチュエータ層１２の曲げ変形しても、金属の粉によってショートすることはなく、電極１５，１７間の分離を確実にできる。このため、アクチュエータ１０の安全性を確保できる。一方、多孔質膜１８ａの孔を塞ぐ高分子電解質膜は、電解質溶液中のカチオン、アニオンを透過するので、多孔質膜１８ａの孔の内部に高分子電解質膜の材料が侵入してもアクチュエータの動作に不都合はない。

電極（陰極、陽極）１５，１７は、アクチュエータ層１２の外側層１４，１６中に、アクチュエータ層１２の両側の異なる面から内側に向かって樹枝状に設けられた金属と、アクチュエータ層１２の表面に形成されたメッキ膜１９とからなる電極であり、アクチュエータ層１２の両側の面に沿って略一様の厚さで設けられている。アクチュエータ層１２内に設けられる電極１５，１７の部分は、後述するいわゆる無電界メッキ処理により、アクチュエータ層１２の両側の面から樹枝状に広がる金属によって、図１中の外側層１４，１６の領域内に形成される。電極１５，１７は、外側層１４，１６の高分子電解質膜によるイオン吸着を利用して金属イオンを吸着させた後、金属イオンを還元させて金属を析出させることで形成される。このため、電極１５，１７は、外側層１４，１６中に広い電極面積を有する。一方、内側層１８はイオン交換能の低い膜材が用いられるので、電極作製のためのメッキ処理のとき、内側層１８中に電極となる金属が実質上析出されない。電極１５，１７は、例えば金、白金又はパラジウムで構成される。特に、柔軟性の点から、金を用いることが好ましい。電極１５，１７は、いわゆる無電界メッキ処理により行われ、後述する５工程を３〜５回繰り返し行って作製される。なお、電極１５，１７の間には、金属の設けられていない内側層１８があり、電極１５，１７同士を一定の距離、離間させている。電極１５，１７の作製方法は後述する。

上述した内側層１８は、外側層１４，１６の電極１５，１７を両側（図１（ａ）中、上側、下側）に分離するもので、アクチュエータ層１２の両側の面に沿って、すなわち略平行にアクチュエータ層１２の内部に設けられる。アクチュエータ１０は、アクチュエータ層１２に含浸した電解質溶液中のカチオンが負極側に向かって移動し、この移動に伴って溶媒分子が移動することにより、負極の電極の側に溶媒が偏在化する。この偏在化した溶媒により、図１（ｂ）に示すようなアクチュエータ層１２の曲げや変形が生じる。このようなアクチュエータ１０の動作速度を速くするために、内側層１８は、高分子電解質で活性化した状態でのカチオンの導電性を抑制しないものが好ましい。また、アクチュエータ１０全体の厚さは、曲げ及び変形を効率よく行うために、薄いことが好ましく、したがって、内側層１８も薄いことが好ましい。

電源２０は、電極１５，１７に所定の電位差を与えるために電圧を印加するもので、ＤＣ電源が用いられ、例えばコントローラ２２を介して−２〜＋２Ｖの電圧が電極１５，１７間に印加される。
コントローラ２２は、図示されない外部装置からの制御信号に応じて電圧の印加を調整する部分である。

このようなアクチュエータ１０では、アクチュエータ層１２に電解質溶液を含浸させて膨潤させることで、アクチュエータとして活性化される。電解質溶液は、電解塩が溶解して導電性を有するものであればよい。例えば、カチオンとしてリチウムイオンを好適に用いることができる。この他、カチオンとして、ジアルキルイミダゾリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオン、ピペリジニウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリウムイオン、ピロリジニウムイオンからなる群から選択されるものも用いることができる。又、アニオンとして、ＡlＣｌ₄ ⁻、ＢＦ₄ ⁻、ＣｌＯ₄ ⁻、ＰＦ₆ ⁻、ＳｂＦ₆ ⁻、Ｃｌ⁻、スルホニウムイミドアニオン、（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｎ⁻、（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂Ｎ⁻からなる群から選択されるものを用いることができる。溶媒として、水や、低揮発性の非水系溶媒、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチレングリコール、グリセリン、スルホラン、ブチロラクトン等の有機溶剤を用いることができる。特に、低揮発性の有機溶剤は、気中動作及び長期的な使用の点から好適である。電解質溶液として、室温でも液体として存在する塩であるイオン性液体、ゲル電解質を使用することもできる。
アクチュエータ１０には、溶媒の揮発を防止するために、カバー層（図示されない）を設けることが好ましい。

次に、電極１５，１７の作製について説明する。
アクチュエータ層１２に形成される樹枝状の電極１５，１７は、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜に対して、金属イオンの吸着処理及び還元処理を行うことにより作製される。すなわち無電界メッキ処理が行われる。具体的には、（ａ）〜（ｅ）の５工程を１回以上、例えば３〜５回繰り返すことにより、作製される。
（ａ）洗浄工程
（ｂ）膨潤工程
（ｃ）金属イオンの吸着工程
（ｄ）金属イオンの還元工程
（ｅ）洗浄工程

各工程の一例を挙げると、（ａ）洗浄工程では、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜を沸騰純水中で１時間加熱して洗浄する。（ｂ）膨潤工程では、メタノール中に１時間浸漬することにより、高分子電解質膜を膨潤させる。（ｃ）金属イオンの吸着工程では、メッキ液として金フェナントロリン錯体溶液に１２時間浸漬することより金イオンを高分子電解質膜に吸着させる。（ｄ）金属イオンの還元工程では、亜硫酸ナトリウム水溶液を金イオンの吸着した高分子電解質膜に浸透させて金イオンを還元させて金を析出させる。（ｅ）洗浄工程では、７０℃の純水中に３０分浸漬して洗浄する。

このような構成のアクチュエータ１０は、電解質溶液を含浸し膨潤させて活性化した状態で電極１５，１７間に電位差を与えると、イオン交換により電解質溶液中に含まれる多数のプロトンが溶媒分子とともに陰極側に移動することで大きな体積変化を起こす。これにより、図１（ｂ）に示すように曲げ変形が生じる。このとき、電極１５，１７は、樹枝状の金属を形成しない内側層１８で分離されるので、曲げ変形が生じても、従来のように、樹枝状の電極が接触することはなく、又、電極１５，１７の厚さの不均一によるショート及び過熱による発火の危険が生じない。

次に、アクチュエータ１０の作製方法について説明する。
アクチュエータ１０の作製方法は、アクチュエータ層１２の外側層１４，１６と内側層１８とを一体化した後、電極１５，１７を設ける（メッキ処理をする）方法である。

まず、図３に示すように、電極の設けられていない外側層１４，１６となる高分子電解質膜１４’，１６’及び内側層１８となるイオン交換能が低い膜材１８’が用意される。この膜材１８’は、高分子電解質膜１４’，１６’に挟まれるように接合され、一体化したアクチュエータ層１２が作製される。膜材１８’は、図２に示すようなイオン交換能が低い層を含んで構成されてもよい。
接合方法は、例えば接着やホットプレスが例示される。接着の場合、高分子電解質膜１４’、１６’又は膜材１８’の材料成分を有するスラリー溶液を高分子電解質膜１４’、１６’及び膜材１８’に塗布して乾燥させることにより行われる。

次に、一体化したアクチュエータ層１２は、上述した無電界メッキ処理により電極１５，１７が設けられる。上述の（ａ）〜（ｅ）の５工程を３〜５回繰り返し行って電極１５，１７が作製される。このとき、内側層１８は、外側層１４，１６に比べてイオン交換能の低い膜材を用いるので、内側層１８には、メッキ処理により電極となる金属が実質上形成されない。したがって、従来のようなメッキ処理の条件を正確に調整する必要は無くなる。

このように、内側層１８の膜材に、外側層１４，１６の高分子電解質膜のイオン交換能に比べて低い高分子電解質膜を用いて、外側層１４，１６と接合されて一体化された後、無電界メッキ処理を行うので、このメッキ処理中、内側層１８の部分では、イオン吸着が抑制される。このため、還元工程において、電極１５，１７の金属が内側層１８に実質的に析出されず、内側層１８には電極が形成されない。つまり、電極１５，１７は外側層１４，１６に形成されるので、内側層１８は電極１５，１７を分離する機能を有することになる。したがって、従来問題となっていたような、電界が集中してショートし、又、アクチュエータの曲げ変形により対向する樹枝状の電極同士が接触し、さらには過熱による発火の危険が生じ、安全性が損なわれる、といった問題は解消する。

〔実施例〕
以下、アクチュエータ１０を上記種々の方法を用いて作製して、アクチュエータとして機能するか否かを確認した。
アクチュエータ１０の作製方法は下記表１に示す。
表１中の「ナフィオン」（登録商標、はDu Pont社製商品名）は、フッ素系陽イオン交換樹脂膜であり、パーフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥコポリマーの膜である。
又、表１中のＰＶＤＦはポリフッ化ビニリデン、ＰＥはポリエチレンを意味する。
さらに、表１中の「ナフィオン」（登録商標）をキャストとは、「ナフィオン」（登録商標）の２０％エタノール溶液をスラリーとして、キャスト法を用いて膜を形成したことを意味する。表１中の「ナフィオン」（登録商標）のエタノール溶液による接着とは、「ナフィオン」（登録商標）のエタノール溶液を接着剤として用いたことを意味する。表１中の「ホットプレス」は、１５０℃、２５０ＭＰａの条件による接合である。

なお、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３（実施例）では、内側層１８の膜材として、イオン交換能が実質的にない多孔質膜を用いた。Ｎｏ．４（実施例）は、内側層１８の膜材として、外側層１４，１６の高分子電解質膜に比べてイオン交換容量が低い高分子電解質膜を用いた。Ｎｏ．５は、従来のアクチュエータ、すなわち、アクチュエータ層が一層の構成であり、従来例である。

Ｎｏ．１は、「ナフィオン」（登録商標）／ＰＶＤＦ／「ナフィオン」（登録商標）の構成であり、Ｎｏ．２は、ナフィオン」（登録商標）／ＰＥ／「ナフィオン」（登録商標）の構成であり、Ｎｏ．３は、「ナフィオン」（登録商標）／「ナフィオン」（登録商標）／ＰＶＤＦ／「ナフィオン」（登録商標）／「ナフィオン」（登録商標）の構成である。Ｎｏ．４は、「ナフィオン」（登録商標）／「ナフィオン」（登録商標）／「ナフィオン」（登録商標）の構成である。

Ｎｏ．１〜５のアクチュエータのメッキ処理は、上述の（ａ）洗浄工程〜（ｅ）洗浄工程を５回繰り返して、電極を形成した。このとき、（ａ）洗浄工程では、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜を沸騰純水中で１時間加熱して洗浄した。（ｂ）膨潤工程では、メタノール中で１時間浸漬することにより、高分子電解質膜を膨潤させた。（ｃ）金属イオンの吸着工程では、メッキ液として金フェナントロリン錯体溶液に１２時間浸漬することより金イオンを高分子電解質膜に吸着させた。（ｄ）金属イオンの還元工程では、亜硫酸ナトリウム水溶液を金イオンの吸着した高分子電解質膜に浸透させて金イオンを還元させて金を析出させた。（ｅ）洗浄工程では、７０℃の純水中に３０分浸漬して洗浄した。
こうして作製されたアクチュエータのアクチュエータ層に過塩素酸リチウム溶液を浸透させイオン交換を行わせてアクチュエータを活性化させた。電極に−２〜＋２Ｖの電位を与えて掃引することにより、アクチュエータを動作させた。

Ｎｏ．１,４のアクチュエータ（実施例）は、ＮＯ．５のアクチュエータ（従来例）と比較して、アクチュエータがショートすることなく、滑らかに作動することが確認できた。これより、メッキ処理の条件を厳密にコントロールしなくてもショートすることの無い、したがって、ショートによる発火の危険のない安全なアクチュエータを作製できることが確認された。
Ｎｏ．２のアクチュエータ（実施例）の内側層１８はＰＥ製多孔質膜であり、軟化温度が１００℃以下であることから、１００℃の温度雰囲気で５分間放置させたところ、アクチュエータの電極間の抵抗は無限大となり、電極間が遮断されていることが確認された。これより、Ｎｏ．２のアクチュエータは、異常な高温状態となったとき、電極間が遮断されることがわかった。さらに、ＮＯ．５に比べて、アクチュエータがショートすることなく、滑らかに作動することが確認できた。
Ｎｏ．３のアクチュエータ（実施例）は、ＮＯ．１のアクチュエータと比較して、繰り返し動作が大幅に向上し耐久性が高いことが確認された。これは、内側層１８の多孔質膜を被覆する高分子電解質膜は、外側層１４，１６と同じ材料の高分子電解質膜を用いることから接合面の密着性が向上したことによると考えられる。

以上、本発明の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法及び高分子電解質膜アクチュエータについて詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

（ａ）は、本発明の高分子電解質膜アクチュエータの一実施形態を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すアクチュエータの動作を説明する図である。本発明のアクチュエータのアクチュエータ層に設けられる内側層の構成の例を説明する図である。本発明の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法の一実施形態を説明する図である。

符号の説明

１０高分子電解質膜アクチュエータ
１２アクチュエータ層
１４，１６外側層
１５，１７電極
１８内側層
２０電源
２２コントローラ

Claims

電圧を印加することにより駆動する高分子電解質膜アクチュエータの作製方法であって、
一対の第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が低い層を含むと共に多孔質膜を層として含んだ膜材を、前記一対の第１の高分子電解質膜で挟んで接合し、本体部を作製する接合工程と、
前記本体部に金属イオンを吸着させる吸着工程と、
前記本体部に吸着した前記金属イオンを還元する還元工程と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。
前記多孔質膜は、前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能の低いものである請求項１に記載の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。
前記多孔質膜は、前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が同等または高いものであり、
前記膜材は、前記多孔質膜を被覆し且つ前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が低い第２の高分子電解質膜を含んでいる請求項１に記載の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。
電圧を印加することにより駆動するアクチュエータであって、
電解質溶液を含浸した一対の第１の高分子電解質膜を備えて形成されたアクチュエータ層と、
前記アクチュエータ層の中に、前記アクチュエータ層の両側の異なる面に沿って互いに対向するように設けられ、電圧が印加される一対の電極と、を有し、
前記一対の第１の高分子電解質膜の各々に前記一対の電極の１つが設けられ、
前記アクチュエータ層は、前記一対の電極が対向するように前記アクチュエータ層の外側の面に前記一対の第１の高分子電解質膜を設けて構成された外側層と、前記外側層に挟まれるように設けられ、前記一対の第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能の低い層を含むと共に多孔質膜を層として含む膜材からなる内側層と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータ。
前記多孔質膜は、前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能の低いものである請求項４に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。
前記多孔質膜は、前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が同等または高いものであり、
前記膜材は、前記多孔質膜を被覆し且つ前記第１の高分子電解質膜に対してイオン交換能が低い第２の高分子電解質膜を含んでいる請求項４に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。