JP4802680B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、イオン導電性高分子膜を湾曲または変形させることによりアクチュエータとして機能する高分子アクチュエータ関するものである。

医療機器や産業用ロボット、マイクロマシン等の分野において、小型、軽量で柔軟性に富むアクチュエータが求められており、それに対応すべくそのアクチュエータの作動原理として静電引力型、圧電型、超音波型、形状記憶合金式、高分子伸縮式等が提案されている。

このうち、高分子伸縮式としてイオン導電性高分子を用いた高分子アクチュエータは軽量で発生力が大きいこと等から、新しいアクチュエータとして検討されてきている。この高分子アクチュエータは、イオン導電性高分子膜（イオン交換樹脂膜）とその表面に相互に絶縁状態で接合した金属電極とからなり、該イオン導電性高分子膜を含水状態として金属電極間に電圧を印加することによりイオン導電性高分子膜に湾曲または変形を生じさせることを特徴とするものである。このような方式のアクチュエータの場合、電極の材料やその構造によって変形量や発生力等の特性が大きく変化する。

これについて、特許文献１，２では、金や白金などの錯体をイオン導電性高分子膜に吸着させ、それを還元剤で還元して金や白金を析出させるめっき方法によりイオン導電性高分子との界面で比表面積が大きな電極を形成し、変形量や発生力を増大することのできるアクチュエータが提案されている。

特許第２９６１１２５号公報 特開平１１−２０６１６２号公報

しかしながら、このようなめっき方法によって貴金属の電極を作製する場合には、成膜速度が遅い、成膜のバラツキが大きい、特殊な薬品を使用するため専用の設備が必要などの問題があり、安定した性能を有する安価なアクチュエータを大量に作製することは難しかった。

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、高い変形性能を簡便に信頼性高く制御できるとともに、簡便な方法で安価な電極を形成することのできる高分子アクチュエータを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために提供する本発明は、陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両面それぞれに設けられる電極膜とを備え、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲または変形する高分子アクチュエータにおいて、前記電極膜は、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなり、前記カーボン粉末同士がイオン導電性樹脂を介して結合していることを特徴とする高分子アクチュエータである。

ここで、前記カーボン粉末の比表面積、前記カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比、前記電極膜の厚さの少なくともいずれか一により、当該高分子アクチュエータの変形性能が調整されていることが好ましい。

また、前記電極膜は、イオン導電性樹脂成分とカーボン粉末を含む塗料が前記イオン導電性高分子膜に塗布されてなること、あるいは、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなる導電膜が前記イオン導電性高分子膜に圧着されてなることが好ましい。

また、前記電極膜上に金属導電膜を備えることが好ましく、該金属導電膜は、金または白金からなることが好適である。

また、前記陽イオン物質は、水及び金属イオン、水及び有機イオン、イオン液体のいずれかであることが好ましい。

本発明によれば、電極膜がカーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなることにより、安価な高分子アクチュエータとすることができ、該電極膜を前記カーボン粉末同士がイオン導電性樹脂を介して結合している構造とすることにより目標性能を再現性よく実現することができる。また、簡便に調整可能な前記カーボン粉末の比表面積、前記カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比、前記電極膜の厚さにより、当該高分子アクチュエータの変形性能を調整できることから、目標性能を確実に実現することができる。また、電極膜を塗布あるいは圧着により形成することができることから、生産性よく高分子アクチュエータを得ることができる。さらに、電極膜上に金属導電膜を備えることにより、優れた変形性能を信頼性高く得ることができる。また、イオン導電性高分子膜にイオン液体を含浸させることにより、揮発する心配なく高温あるいは真空中でも使用することができる。

以下に、本発明に係る高分子アクチュエータの構成について説明する。
図１は、本発明に係る高分子アクチュエータの第１の実施の形態における構成を示す断面図である。
図１に示すように、高分子アクチュエータ１０は、陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜（イオン導電性高分子フィルム）１と、該イオン導電性高分子膜１の両面それぞれに設けられる電極膜２と、該電極膜２それぞれに電気的に接続されたリード線４とを備え、１対のリード線４より電極膜２間に電圧が印加されることによりイオン導電性高分子膜１が湾曲または変形するものである。

イオン導電性高分子膜１は、フッ素樹脂、炭化水素系などを骨格としたイオン交換樹脂からなり、表裏２つの主面をもつ形状を呈している。例えば、短冊形状、円盤形状、円柱形状、円筒形状などが挙げられる。また、イオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換樹脂、両イオン交換樹脂いずれでもよいが、このうち陽イオン交換樹脂が好適である。

陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入されたものが挙げられ、とくにフッ素樹脂にスルホン酸基、カルボキシル基などの官能基が導入された陽イオン交換樹脂が好ましい。

電極膜２は、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなり、前記カーボン粉末同士がイオン導電性樹脂を介して結合していることを特徴とする。カーボン粉末は、導電性をもつカーボンブラックの微細粉末であり、比表面積が大きなものほど電極膜２としてイオン導電性高分子膜１と接する表面積が大きくなりより大きな変形量を得ることができる。例えばケッチェンブラックが好ましい。また、イオン導電性樹脂は、イオン導電性高分子膜１を構成する材料と同じものでよい。

また、電極膜２は、イオン導電性樹脂成分とカーボン粉末を含む塗料がイオン導電性高分子膜１に塗布されてなるものである。あるいは、電極膜２は、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなる導電膜がイオン導電性高分子膜１に圧着されてなるものである。
いずれの方法によっても、簡便に短時間で電極膜２を形成することができる。

なお、少なくともイオン導電性高分子膜１に陽イオン物質が含浸されているが、該陽イオン物質とは、水及び金属イオン、水及び有機イオン、イオン液体のいずれかであることが好ましい。ここで、金属イオンとは例えば、ナトリウムイオン、カリウムイオン、リチウムイオン、マグネシウムイオン等が挙げられる。また、有機イオンとは例えば、アルキルアンモニウムイオン等が挙げられる。これらのイオンはイオン導電性高分子膜１中において水和物として存在している。イオン導電性高分子膜１が水及び金属イオン、または水及び有機イオンを含み、含水状態となっている場合には、高分子アクチュエータ１０は中からこの水が揮発しないように封止されていることが好ましい。

また、イオン液体とは、常温溶融塩とも言われる不燃性、不揮発性のイオンのみからなる溶媒であり、例えばイミダゾリウム環系化合物、ピリジニウム環系化合物、脂肪族系化合物のものを使用することができる。イオン導電性高分子膜１にイオン液体を含浸させている場合には、揮発する心配なく高温あるいは真空中でも高分子アクチュエータ１０を使用することができようになる。

図２に、本発明の高分子アクチュエータ１０の動作原理を示す。ここでは、イオン導電性高分子膜１中にナトリウムイオンが含浸されているものとして説明する。
図２（ａ）では、電源Ｅよりリード線４を通じて、図中左側の高分子アクチュエータ１０の電極膜２にプラスの電位、図中右側の電極膜２にマイナスの電位を印加している。この電位差により、高分子アクチュエータ１０のイオン導電性高分子膜１中では、マイナスの電位が印加された側（図中右側）の電極膜２にナトリウムイオン水和物が引き寄せられて移動し、当該電極膜２の近傍に集中しこの領域は体積膨張するようになる。一方、プラスの電位が印加された側（図中左側）の電極膜２近傍におけるナトリウム水和物濃度は減少し、この領域は体積収縮するようになる。その結果、イオン導電性高分子膜１の２つの電極膜２近傍領域の間に体積差が生じることとなり、イオン導電性高分子膜１は図中左側に湾曲するようになる。

図２（ｂ）では、電源Ｅからの電圧印加はなく、２つの電極膜２に電位差がないことから、イオン導電性高分子膜１の２つの電極膜２近傍領域の間に体積差はなく、イオン導電性高分子膜１は湾曲することなく真っ直ぐな状態となる。

図２（ｃ）では、電源Ｅよりリード線４を通じて、図中左側の高分子アクチュエータ１０の電極膜２にマイナスの電位、図中右側の電極膜２にプラスの電位を印加しており、電圧印加方法が図２（ａ）の場合とは逆である。この電位差により、高分子アクチュエータ１０のイオン導電性高分子膜１中では、マイナスの電位が印加された側（図中左側）の電極膜２の近傍領域は体積膨張するようになり、プラスの電位が印加された側（図中右側）の電極膜２近傍領域は体積収縮するようになる。その結果、イオン導電性高分子膜１は図中右側に湾曲するようになる。

この高分子アクチュエータ１０の変形性能（変形量および／または変形速度）については、カーボン粉末の比表面積、カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比、電極膜２の厚さの少なくともいずれか一を調整することにより、制御することが可能である。
また、電極膜２の厚さとイオン導電性高分子膜１の厚さとの比を調整することによっても、高分子アクチュエータ１０の変形性能（変形量および／または変形速度）を制御することが可能である。

以上の高分子アクチュエータ１０は次の手順で作製することができる。
（Ｓ１１）イオン導電性高分子膜１を用意する。
（Ｓ１２）有機溶媒にイオン導電性樹脂を溶解したものに、所定の比表面積のカーボン粉末を目標のカーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比となるように混ぜ合わせ、分散させて塗料を得る。
（Ｓ１３）ステップＳ１２の塗料中にイオン導電性高分子膜１をディッピング塗布し、その塗膜を大気中で乾燥させる。当該処理（ディッピング塗布−乾燥）を繰り返し、所望の厚さの電極膜２を形成する。
（Ｓ１４）イオン導電性高分子膜１に陽イオン物質を含浸させる処理を行う。具体的には、イオン導電性高分子膜１に電極膜２を形成したものを金属イオン、有機イオンいずれかを含む塩化物溶液または水酸化物溶液、あるいはイオン液体に浸漬することにより、これらの金属イオン、有機イオン、イオン液体がイオン導電性高分子膜１及び電極膜２中に含浸させるようになる。
（Ｓ１５）ステップＳ１４後の積層フィルムの端部を切り落とした後、所定形状に切り出す。
（Ｓ１６）１対の電極膜２それぞれにリード線４を接続して、高分子アクチュエータ１０を完成する。

つぎに、本発明に係る高分子アクチュエータの第２の実施の形態について説明する。
図２は、本発明の高分子アクチュエータの第２の実施の形態における構成を示す断面図である。
図２に示すように、高分子アクチュエータ２０は、上述した高分子アクチュエータ１０の１対の電極膜２それぞれの上に金または白金からなる金属導電膜３を備え、該金属導電膜３にリード線４を電気的に接続した構成となっている。ここで、イオン導電性高分子膜１、電極膜２、イオン導電性高分子膜１に含浸させる陽イオン物質は、第１の実施の形態で示したものと同じである。

ここで、金属導電膜３は、１対の電極膜２それぞれの上に湿式めっき法、蒸着法、スパッタ法などの従来公知の成膜手法により、金または白金の薄膜が形成されてなるものである。この金属導電膜３の厚さにはとくに制限はないが、リード線４からの電位が電極膜２に均等に印加されるように連続した膜となる程度の厚さであることが好ましい。

以上の構成とすることにより、より優れた変形性能を信頼性高く得ることができる。

以下、本発明の高分子アクチュエータの実施例を説明する。
［実施例１］
以下の手順で本発明の高分子アクチュエータ１０を作製した。
（Ｓ２１）イオン導電性高分子膜１として、厚さ１２７μｍのフッ素樹脂系イオン導電性高分子膜（デュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ（Ｎ−１１７））を用意する。
（Ｓ２２）有機溶媒（純水５０％、エタノール５０％）にイオン導電性樹脂として前記Ｎａｆｉｏｎを溶解したもの（５ｗｔ％Ｎａｆｉｏｎ溶液）に、カーボン粉末としてＢＥＴ比表面積を１３〜８００ｍ^２／ｇに変化させたものをそれぞれ、カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比（Ｃ／Ｂ比）が０．５となるように混ぜ合わせ、分散させて塗料を得る。
（Ｓ２３）ステップＳ２２の塗料中にイオン導電性高分子膜１をディッピング塗布し、その塗膜を大気中で乾燥させる。当該処理（ディッピング塗布−乾燥）を繰り返し、厚さ３０μｍの電極膜２を形成する。その後、液温７０℃の３ｗｔ％過酸化水素水中に１時間、液温７０℃の純水中に１時間、液温７０℃の１Ｍ硫酸中に１時間、液温７０℃の純水中に１時間、順番に浸漬処理することで洗浄を行う。
（Ｓ２４）イオン導電性高分子膜１に電極膜２を形成したものを０．１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液に２時間浸漬処理し、ナトリウムイオンをイオン導電性高分子膜１及び電極膜２中に含浸させる。ついで、純水洗浄を行い本工程を終了する。
（Ｓ２５）ステップＳ２４後の積層フィルムの端部を切り落とした後、幅２ｍｍの短冊形状に切り出す。
（Ｓ２６）１対の電極膜２それぞれにリード線４を接続して、高分子アクチュエータ１０を完成する。

得られたサンプルについて一端を固定し、＋１Ｖの電圧を印加したところ、固定したところを根元としてプラス電位とした電極膜２側に折れ曲がるように湾曲した。更に−１Ｖに電圧を切り換えたところ、反対側の電極膜２側に折れ曲がるように湾曲した。＋１Ｖと−１Ｖのときの固定した根元から１５ｍｍ離れた位置の変形量の差をレーザー変位計で測定した。
その結果を図４に示す。カーボン粉末のＢＥＴ比表面積にほぼ比例して変形量が増加する傾向が見られた。

［実施例２］
（実施例２−１）
実施例１において、ステップＳ２２の塗料についてカーボン粉末のＢＥＴ比表面積を８００ｍ^２／ｇとし、カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比（Ｃ／Ｂ比）を０．２５〜２に変化させ、それ以外は実施例１と同じ条件として高分子アクチュエータ１０のサンプル（金属導電膜なし）を作製した。

（実施例２−２）
実施例１において、ステップＳ２２の塗料についてカーボン粉末のＢＥＴ比表面積を８００ｍ^２／ｇとし、カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比（Ｃ／Ｂ比）を０．２５〜２に変化させた。また、ステップＳ２５の後に金属導電膜３として１対の電極膜２それぞれの上にスパッタ法により金薄膜を形成し、ついで該金薄膜上にリード線４を接続して、それ以外は実施例１と同じ条件として高分子アクチュエータ１０のサンプル（金属導電膜あり）を作製した。

得られた実施例２−１，２−２それぞれのサンプルについて、一端を固定し、±１Ｖの電圧を印加し、固定した根元から１５ｍｍ離れた位置の変形量をレーザー変位計で測定した。
その結果を図５に示す。

［実施例３］
実施例１において、ステップＳ２２の塗料についてカーボン粉末のＢＥＴ比表面積を８００ｍ^２／ｇとし、ステップＳ２３の電極膜２の厚さを１．７〜５４μｍに変化させ、それ以外は実施例１と同じ条件として高分子アクチュエータ１０のサンプルを作製した。

得られたサンプルについて一端を固定し、一対の電極膜２それぞれに印加するプラス、マイナス電位を０．１Ｈｚの周期で切換えながら１Ｖの電圧を印加し、固定した根元から１５ｍｍ離れた位置の変形量をレーザー変位計で測定した。また、一対の電極膜２それぞれへのプラス、マイナス電位の印加切換えを１Ｈｚとして、同様に変形量を測定した。
その結果を図６に示す。

［実施例４］
実施例１において、ステップＳ２２の塗料についてカーボン粉末のＢＥＴ比表面積を８００ｍ^２／ｇとし、それ以外は実施例１と同じ条件として高分子アクチュエータ１０のサンプル（金属導電膜なし）を作製した。また、実施例１において、ステップＳ２２の塗料についてカーボン粉末のＢＥＴ比表面積を８００ｍ^２／ｇとし、ステップＳ２５の後に金属導電膜３として１対の電極膜２それぞれの上にスパッタ法により金薄膜を形成し、ついで該金薄膜上にリード線４を接続して、それ以外は実施例１と同じ条件として高分子アクチュエータ１０のサンプル（金属導電膜あり）を作製した。

得られたサンプルについて一端を固定し、一対の電極膜２それぞれに印加するプラス、マイナス電位を０．１Ｈｚの周期で切換えながら２Ｖの電圧を印加し、固定した根元から１５ｍｍ離れた位置の変形量をレーザー変位計で測定した。また、一対の電極膜２それぞれへのプラス、マイナス電位の印加切換えを１Ｈｚとして、同様に変形量を測定した。
その結果を図７に示す。

本発明に係る高分子アクチュエータの第１の実施の形態における構成を示す断面図である。 本発明の高分子アクチュエータの動作原理を説明する図である。 本発明に係る高分子アクチュエータの第２の実施の形態における構成を示す断面図である。 実施例１の結果を示す図である。 実施例２の結果を示す図である。 実施例３の結果を示す図である。 実施例４の結果を示す図である。

符号の説明

１…イオン導電性高分子膜、２…電極膜、３…金属導電膜、４…リード線、１０，２０…高分子アクチュエータ

Claims (7)

1. 陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両面それぞれに設けられる電極膜とを備え、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲または変形する高分子アクチュエータにおいて、
   前記電極膜は、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなり、前記カーボン粉末同士がイオン導電性樹脂を介して結合していることを特徴とする高分子アクチュエータ。
2. 前記カーボン粉末の比表面積、前記カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比、前記電極膜の厚さの少なくともいずれか一により、当該高分子アクチュエータの変形性能が調整されていることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
3. 前記電極膜は、イオン導電性樹脂成分とカーボン粉末を含む塗料が前記イオン導電性高分子膜に塗布されてなることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
4. 前記電極膜は、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなる導電膜が前記イオン導電性高分子膜に圧着されてなることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
5. 前記電極膜上に金属導電膜を備えることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
6. 前記金属導電膜は、金または白金からなることを特徴とする請求項５に記載の高分子アクチュエータ。
7. 前記陽イオン物質は、水及び金属イオン、水及び有機イオン、イオン液体のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。

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