(57)【要約】  【課題】低い電圧でも効率よく駆動することができる発生力、変位量、動作速度等の性能に優れる高分子アクチュエータとして、あるいはセンサ信号出力、シグナル／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）に優れ、しかも可撓性に富み耐衝撃性に優れる変形センサとして使用することができる、軽量かつ柔軟で、水が存在しない状態においても安定して機能することができる高分子トランスデューサを提供すること。  【解決手段】一対の電極と、当該一対の電極の間に配設され、アニオンに対してカチオンを優先的に伝導するか、またはカチオンに対してアニオンを優先的に伝導する高分子固体電解質とを有する高分子トランスデューサであって、当該電極の少なくとも一方が導電性物質、高分子およびイオン液体を含み、当該イオン液体の含有量が当該高分子１００質量部に対して５０質量部以上である高分子トランスデューサ。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、当該一対の電極の間に配設され、アニオンに対してカチオンを優先的に伝導する高分子固体電解質とを有する高分子トランスデューサであって、当該電極の少なくとも一方が導電性物質、高分子およびイオン液体を含み、当該イオン液体の含有量が当該高分子１００質量部に対して５０質量部以上である高分子トランスデューサ。
【請求項２】
前記高分子固体電解質がカチオン交換樹脂を含む請求項１に記載の高分子トランスデューサ。
【請求項３】
一対の電極と、当該一対の電極の間に配設され、カチオンに対してアニオンを優先的に伝導する高分子固体電解質とを有する高分子トランスデューサであって、当該電極の少なくとも一方が導電性物質、高分子およびイオン液体を含み、当該イオン液体の含有量が当該高分子１００質量部に対して５０質量部以上である高分子トランスデューサ。
【請求項４】
前記高分子固体電解質がアニオン交換樹脂を含む請求項３に記載の高分子トランスデューサ。
【請求項５】
前記少なくとも一方の電極におけるイオン液体の含有量が前記高分子１００質量部に対して５０〜１０００質量部である請求項１〜４のいずれか１項に記載の高分子トランスデューサ。
【請求項６】
前記導電性物質がカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノシート、ポリアセン、炭素繊維、カーボンブラック、黒鉛および活性炭からなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発生力、変位量、動作速度等の性能に優れる高分子アクチュエータや、センサ信号出力、シグナル／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）等に優れる変形センサなどの高分子トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療機器やマイクロマシンなどの分野においては小型かつ軽量なアクチュエータやセンサといった、ある種類のエネルギーを別の種類のエネルギーに変換するトランスデューサの必要性が高まっている。また産業用として、あるいはパーソナルロボットなどの分野において、軽量で柔軟性に富むトランスデューサの必要性が高まっている。
【０００３】
こういった観点から、軽量、柔軟なアクチュエータとして高分子アクチュエータに注目が集まっている。高分子アクチュエータとしては種々の方式のものがこれまでに提案されている。例えば、含水高分子ゲルに対して、温度変化、ｐＨ変化、電場印加等の刺激を与え、これらの刺激に基づく形態変化を利用した高分子アクチュエータ（例えば、特許文献１参照）、含水状態のイオン交換樹脂膜とその両面に接合した電極とからなり、両面の電極間に電位差を与えることにより湾曲および変形を生じさせる高分子アクチュエータ（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。特に後者においては、電圧印加後、瞬時に湾曲および変形が起こり、アクチュエータとしての優れた応答性を示す。しかしながら、当該高分子アクチュエータは含水状態でしか動作しないため、それが使用される環境等に制限があり、応用範囲が限定されてしまうという問題がある。
【０００４】
上記の課題を克服するものとして、軟質な高分子誘電体と柔軟な電極とからなる高分子アクチュエータが知られている（例えば、特許文献３参照）。この方式の高分子アクチュエータは、動作に水を必要とせず、またアクチュエータの動作がイオンなどの物質移動現象ではなく、より高速なプロセスである電子移動現象によるものであることから応答性に非常に優れるものである。しかしながらその一方では、動作には数１０００Ｖ程度の非常に高い電圧が必要であり、安全性の観点から応用範囲が限定されるという問題がある。
【０００５】
この課題を克服するものとして、イオン液体およびフッ素系高分子からなる非水系高分子固体電解質の両面に、イオン液体、フッ素系高分子および単層カーボンナノチューブからなる電極を貼り合わせた高分子アクチュエータ（例えば、非特許文献１参照）や、イオン液体およびブロック共重合体からなる非水系高分子固体電解質の両面に、活性炭を含む電極を貼り合わせた高分子アクチュエータ（例えば、特許文献４および５参照）が知られている。これらの高分子アクチュエータは、水の無い状態においても数Ｖ程度の低い電圧で駆動する特徴を有する。しかしながら、アクチュエータの発生できる力や動作速度などの点でさらなる改良の余地があった。
【０００６】
一方、高分子トランスデューサはセンサとして使用することもできる。従来機械エネルギーを電気エネルギーに変換するセンサとしては、圧電セラミックス等を用いた圧電素子が広く用いられている。チタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などに代表される圧電セラミックスは、該セラミックスが応力を受けることで電荷を発生する圧電効果により、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【０００７】
しかしながら、これらの圧電セラミックスを用いたセンサは、高密度の無機材料を用いるために、低重量であることが求められる用途では使用できないことが多い。また、耐衝撃性に劣るために、外部からの衝撃が加わった場合に圧電セラミックスが破壊されてセンサ機能が低下しやすい。また可撓性に劣るために、球面や凹凸を有する複雑な形状の構造物に設置することが求められる用途では使用することが難しく、大きな変形や小さな応力を検出することが難しいという問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−３０９２５２号公報
【特許文献２】特開平４−２７５０７８号公報
【特許文献３】特表２００３−５０５８６５号公報
【特許文献４】国際公開第２００８／０４４５４６号
【特許文献５】国際公開第２００８／１２３０６４号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】未来材料、２００５年、第５巻、第１０号、ｐ．１４〜１９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、低い電圧でも効率よく駆動することができる発生力、変位量、動作速度等の性能に優れる高分子アクチュエータとして、あるいはセンサ信号出力、シグナル／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）に優れ、しかも可撓性に富み耐衝撃性に優れる変形センサとして使用することができる、軽量かつ柔軟で、水が存在しない状態においても安定して機能することができる高分子トランスデューサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討した結果、アニオンまたはカチオンを優先的に伝導する高分子固体電解質を有する高分子トランスデューサにおいて、当該高分子トランスデューサを構成する電極が含むイオン液体および高分子の各含有量の割合を特定の範囲とすることにより上記目的が達成されることを見出し、当該知見に基づいてさらに検討を重ねて本発明を完成させた。
【００１２】
すなわち、本発明は、
［１］一対の電極と、当該一対の電極の間に配設され、アニオンに対してカチオンを優先的に伝導する高分子固体電解質とを有する高分子トランスデューサであって、当該電極の少なくとも一方が導電性物質、高分子およびイオン液体を含み、当該イオン液体の含有量が当該高分子１００質量部に対して５０質量部以上である高分子トランスデューサ、
［２］前記高分子固体電解質がカチオン交換樹脂を含む上記［１］の高分子トランスデューサ、
［３］一対の電極と、当該一対の電極の間に配設され、カチオンに対してアニオンを優先的に伝導する高分子固体電解質とを有する高分子トランスデューサであって、当該電極の少なくとも一方が導電性物質、高分子およびイオン液体を含み、当該イオン液体の含有量が当該高分子１００質量部に対して５０質量部以上である高分子トランスデューサ、
［４］前記高分子固体電解質がアニオン交換樹脂を含む上記［３］の高分子トランスデューサ、
［５］前記少なくとも一方の電極におけるイオン液体の含有量が前記高分子１００質量部に対して５０〜１０００質量部である上記［１］〜［４］のいずれか１つの高分子トランスデューサ、
［６］前記導電性物質がカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノシート、ポリアセン、炭素繊維、カーボンブラック、黒鉛および活性炭からなる群から選ばれる少なくとも１種である上記［１］〜［５］のいずれか１つの高分子トランスデューサ、
に関する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の高分子トランスデューサは、軽量かつ柔軟で、水が存在しない状態においても安定して機能することができる。そして本発明の高分子トランスデューサを高分子アクチュエータとして使用した場合には、低い電圧でも効率よく駆動することができ、発生力、変位量、動作速度等の性能に優れたものとなる。また、本発明の高分子トランスデューサを変形センサとして用いた場合には、センサ信号出力、シグナル／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）に優れ、しかも可撓性に富み耐衝撃性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】高分子トランスデューサの高分子アクチュエータとしての性能（変位量）の評価方法を示す概略図である。
【図２】高分子トランスデューサの高分子アクチュエータとしての性能（発生力）の評価方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の高分子トランスデューサは、一対の電極と、当該一対の電極の間に配設される高分子固体電解質とを有する。ここで上記高分子固体電解質はアニオンに対してカチオンを優先的に伝導するか、またはカチオンに対してアニオンを優先的に伝導する。また、上記電極の少なくとも一方は、導電性物質、高分子およびイオン液体を含み、且つ当該イオン液体の含有量は当該高分子１００質量部に対して５０質量部以上である。
【００１６】
本発明の高分子トランスデューサが有する一対の電極のうちの少なくとも一方、好ましくは両方ともが、導電性物質、高分子およびイオン液体を含み、且つ当該電極における当該イオン液体の含有量は当該高分子１００質量部に対して５０質量部以上である。電極においてイオン液体の含有量が当該範囲にあることにより、カチオン、アニオンともにその移動性が向上し、動作速度に優れた高分子トランスデューサが得られる。電極における上記イオン液体の含有量は、あまりに多すぎると電極の力学強度を維持することが困難になることがあり、また高分子アクチュエータとして使用する際の発生力向上の観点から、当該電極が含む高分子１００質量部に対して５０〜１０００質量部の範囲内であることが好ましく、５５〜４５０質量部の範囲内であることがより好ましく、６０〜１５０質量部の範囲内であることがさらに好ましく、６５〜９０質量部の範囲内であることが特に好ましい。
【００１７】
なお、本発明を何ら限定するものではないが、電極に電位を与えた場合に、活物質として機能する導電性物質の表面近傍にカチオンおよび／またはアニオンが移動することにより充電が進行し、高分子アクチュエータとして機能することができると考えられるが、イオン液体の含有量を上記の範囲とすることにより、カチオン、アニオンともに移動性が向上し、高分子アクチュエータとしての動作速度等が向上すると考えられる。
【００１８】
本発明の高分子トランスデューサが有する電極に用いることのできる導電性物質としては、例えば、カーボンナノチューブ（単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ等）、カーボンナノホーン、カーボンナノシート（グラフェンシート）、ポリアセン、炭素繊維（ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維等）、カーボンブラック（アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、高比表面積カーボンブラック（ケッチェンブラック、バルカン等）等）、黒鉛、活性炭等のカーボン材料；金、白金、銀、パラジウム、銅、ニッケル、アルミニウム、チタン、亜鉛、ジルコニウム、鉄、コバルト、錫、鉛、インジウム、クロム、モリブデン、マンガン等の金属材料；インジウム−錫複合酸化物（ＩＴＯ）、アンチモン−錫複合酸化物（ＡＴＯ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化錫（ＳｎＯ２）等の金属酸化物；硫化亜鉛（ＺｎＳ）、硫化銅（ＣｕＳ）等の金属硫化物；ポリ（エチレン−３，４−ジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、ポリアニリン誘導体、ポリピロール誘導体等の導電性高分子などを挙げることができる。これらの導電性物質は電極においていわゆる活物質として機能し得る。
【００１９】
これらのうちでも、電気化学的安定性や耐酸化還元安定性の観点から、カーボン材料が好ましく、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノシート、ポリアセン、炭素繊維、カーボンブラック、黒鉛および活性炭からなる群から選ばれる少なくとも１種がより好ましく、工業的経済性の観点から高比表面積カーボンブラック、カーボンナノホーンおよび黒鉛からなる群から選ばれる少なくとも１種がさらに好ましく、高分子アクチュエータとしての性能の観点から高比表面積カーボンブラックおよび／またはカーボンナノホーンが特に好ましい。
【００２０】
電極は上記の導電性物質のうちの１種を単独で含んでいても、２種以上を含んでいてもよい。電極が２種以上の導電性物質を含む場合には、製造工程の煩雑化を避ける面から、その種数は２〜５程度であることが好ましい。電極が２種以上の導電性物質を含む場合には、そのうちの少なくとも１種を上記活物質として機能させ、残りを電極の抵抗を低減させるための導電材として機能させることができる。
電極における導電性物質の含有率は、イオンの吸着量と電極の製膜性、可撓性の観点から、０．５〜５０質量％の範囲内であることが好ましく、５〜４０質量％の範囲内であることがより好ましく、１０〜３０質量％の範囲内であることがさらに好ましい。
【００２１】
本発明の高分子トランスデューサが有する電極が含む上記高分子は、好ましくは上記導電性物質のバインダーとして機能する。当該高分子としては、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を用いることができ、具体的には、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリスチレン、ポリα−メチルスチレン等のポリスチレン系樹脂；ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル等のポリ（メタ）アクリル酸系樹脂；ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンランダム共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン等のハロゲン化ビニル系樹脂；ポリエチレングリコールテレフタレート、ポリエチレングリコールナフタレート、ポリブチレングリコールテレフタレート等のポリエステル系樹脂；ナイロン−６、ナイロン−６，６、ナイロン−９Ｔ、ナイロン−１１、ナイロン−１２、ナイロン−６，１２等のポリアミド系樹脂；熱可塑性ポリウレタン系樹脂；ポリカーボネート系樹脂；不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、フェノール樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂；天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム（スチレンブタジエンランダム共重合体）、アクリルゴム、ニトリルゴム、ノルボルネンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム（軟質熱硬化型ポリウレタンを含む）等のゴム類あるいはこれらの架橋体；オレフィン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＯ）、スチレン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＳ）、架橋性オレフィン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＶ）、アクリル系熱可塑性エラストマー（例えば、ポリメタクリル酸メチルとポリアクリル酸ブチルとのブロック共重合体等）、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＵ）、ポリエステル系熱可塑性エラストマー（ＴＰＥＥ）、ポリアミド系熱可塑性エラストマー（ＴＰＡＥ）等の熱可塑性エラストマー類などを挙げることができる。
また上記高分子としては、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の酸基や当該酸基が金属カチオンまたは有機カチオンにより中和された基が共有結合により上記したような熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂の高分子鎖に結合しているカチオン交換樹脂（例えば、「ナフィオン」（デュポン社製）等）、または、アミノ基、ピリジル基、イミダゾール基等のオニウム塩形成性基が共有結合により上記したような熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂の高分子鎖に結合している重合体から得られるアニオン交換樹脂を用いることもできる。
【００２２】
これらのうちでも、電極を膜状にして使用する場合における造膜性の観点からは、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、熱可塑性ポリウレタン系樹脂、スチレン−ブタジエンゴム（スチレンブタジエンランダム共重合体）、スチレン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＳ）、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＵ）、カチオン交換樹脂、アニオン交換樹脂が好ましく、電極と高分子固体電解質との接着性の観点からは、高分子固体電解質が含む後述の高分子と同種の高分子であることが好ましい。また電極中に含有されるイオン液体と混合可能な高分子種であることが好ましい。
上記高分子の含有量に特に制限はないが、電極の抵抗とイオンの拡散の起こりやすさの観点から、使用される導電性物質の質量に対して、０．０１〜１００質量倍の範囲内であることが好ましく、０．１〜１０質量倍の範囲内であることがより好ましく、０．５〜５質量倍の範囲内であることがさらに好ましい。
【００２３】
本発明の高分子トランスデューサが有する電極が含む上記イオン液体は、通常１００℃以下（好ましくは２５℃以下）に融点を有する塩である。本発明において使用される当該イオン液体の種類に特に制限は無いが、例えば、有機カチオンと有機系または無機系のアニオンとから構成されるものを使用することができる。当該有機カチオンとしては、例えば、下記一般式（Ｉ）〜（Ｖ）のいずれかに示されるものを挙げることができる。
【００２４】
【化１】
2010280759.tif 000002
【００２５】
上記一般式（Ｉ）中、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はそれぞれ独立に水素原子、炭素数１〜１０の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基、炭素数２〜１０の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基、炭素数６〜１５のアリール基、炭素数７〜２０のアラルキル基および炭素数２〜３０のオリゴアルケニレンオキシド基からなる群から選ばれる基を表す。
【００２６】
【化２】
2010280759.tif 000003
【００２７】
上記一般式（II）中、Ｒ４は水素原子、炭素数１〜１０の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基、炭素数２〜１０の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基、炭素数６〜１５のアリール基、炭素数７〜２０のアラルキル基および炭素数２〜３０のオリゴアルケニレンオキシド基からなる群から選ばれる基を表し、Ｒ’は炭素数１〜６の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基を表し、ｎは０以上５以下の整数を表す。
【００２８】
【化３】
2010280759.tif 000004
【００２９】
上記一般式（III）中、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８はそれぞれ独立に水素原子、炭素数１〜１０の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基、炭素数２〜１０の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基、炭素数６〜１５のアリール基、炭素数７〜２０のアラルキル基および炭素数２〜３０のオリゴアルケニレンオキシド基からなる群から選ばれる基を表し、Ｒ５〜Ｒ８のうち、２つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
【００３０】
【化４】
2010280759.tif 000005
【００３１】
上記一般式（IV）中、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２はそれぞれ独立に水素原子、炭素数１〜１０の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基、炭素数２〜１０の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基、炭素数６〜１５のアリール基、炭素数７〜２０のアラルキル基および炭素数２〜３０のオリゴアルケニレンオキシド基からなる群から選ばれる基を表し、Ｒ９〜Ｒ１２のうち、２つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
【００３２】
【化５】
2010280759.tif 000006
【００３３】
上記一般式（Ｖ）中、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５はそれぞれ独立に水素原子、炭素数１〜１０の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基、炭素数２〜１０の直鎖状または分岐鎖状のアルケニル基、炭素数６〜１５のアリール基、炭素数７〜２０のアラルキル基および炭素数２〜３０のオリゴアルケニレンオキシド基からなる群から選ばれる基を表し、Ｒ１３〜Ｒ１５のうち、２つの基が共同して環構造を形成していてもよい。
【００３４】
これらのうちでも、イオン液体のイオン伝導性、入手容易性の観点から、一般式（Ｉ）で示される有機カチオン（イミダゾリウムカチオン）が好ましく、イオン液体の融点、粘度の観点から一般式（Ｉ）におけるＲ１、Ｒ２が炭素数１〜６の直鎖状または分岐鎖状のアルキル基であるものがより好ましく、一般式（Ｉ）におけるＲ１とＲ２が互いに異なる基であるものがさらに好ましい。このような有機カチオンの具体例としては、例えば、エチルメチルイミダゾリウムカチオン（ＥＭＩ＋；一般式（Ｉ）においてＲ１およびＲ２のうちの一方がメチル基で他方がエチル基であるもの）、ブチルメチルイミダゾリウムカチオン（ＢＭＩ＋；一般式（Ｉ）においてＲ１およびＲ２のうちの一方がメチル基で他方がブチル基であるもの）などが挙げられる。
【００３５】
また、イオン液体を構成する上記アニオンとしては、例えば、含ハロゲンアニオン、鉱酸アニオン、有機酸アニオン等を挙げることができる。含ハロゲンアニオンおよび鉱酸アニオンの具体例としては、ＰＦ６−、ＣｌＯ４−、ＣＦ３ＳＯ３−、Ｃ４Ｆ９ＳＯ３−、ＢＦ４−、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ−、（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ−、ＡｓＦ６−、ＳＯ４２−、（ＣＮ）２Ｎ−、ＮＯ３−等を挙げることができる。また有機酸アニオンの具体例としては、ＲＳＯ３−、ＲＣＯ２−（Ｒはアルキル基、アリール基、アルケニル基、アラルキル基、アラルケニル基、アルコキシアルキル基、アシルオキシアルキル基、スルホアルキル基または芳香族複素環残基であり、複数の環状構造または分岐構造を含んでいてもよい）等を挙げることができる。
これらのうちでも、イオン液体のイオン伝導率、入手容易性の観点から、ＰＦ６−、ＣｌＯ４−、ＣＦ３ＳＯ３−、Ｃ４Ｆ９ＳＯ３−、ＢＦ４−、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ−、（ＣＮ）２Ｎ−が好ましく、特にＢＦ４−、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ−がより好ましい。
【００３６】
本発明において使用されるイオン液体としては、上記した有機カチオンとアニオンとの組み合わせからなるものを使用することができ、これらは１種を単独で使用しても、２種以上を併用してもよい。本発明において使用されるイオン液体としては、イオン伝導性に優れることから、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ４）、エチルメチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＥＭＩＴＦＳＩ）、ブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＢＭＩＢＦ４）、ブチルメチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＢＭＩＴＦＳＩ）が好ましい。
【００３７】
本発明において使用される電極の製造方法としては、特に制限はないが、例えば、上記した導電性物質、高分子、イオン液体等の電極を構成する成分を乳鉢等を用いて混合または混練した後に、熱プレス成形してシート状の電極を得る方法；上記電極を構成する成分を溶媒または分散媒に溶解または分散させた後に膜状に成形し、次いで溶媒または分散媒を除去してシート状の電極を得る方法などにより製造することができる。
【００３８】
本発明の高分子トランスデューサは、上記一対の電極の間に配設される高分子固体電解質を有する。そして当該高分子固体電解質は、アニオンに対してカチオンを優先的に伝導するか、または、カチオンに対してアニオンを優先的に伝導する。
アニオンに対してカチオンを優先的に伝導する高分子固体電解質は、それが含む高分子として、アニオンに対してカチオンを優先的に伝導し得る材料を用いることにより得ることができる。同様に、カチオンに対してアニオンを優先的に伝導する高分子固体電解質は、それが含む高分子として、カチオンに対してアニオンを優先的に伝導し得る材料を用いることにより得ることができる。
【００３９】
上記したアニオンに対してカチオンを優先的に伝導し得る材料を高分子アクチュエータの高分子固体電解質を構成する高分子として使用した場合、カソードでは電極内にカチオンがアニオンに対して優先的に流入し、またアノードでは電極内からカチオンがアニオンに対して優先的に流出することから、カソードはより効率的に膨張し、アノードはより効率的に収縮することになり、高分子アクチュエータをアノード側に大きく屈曲させることができるようになる。これによって、より大きな発生力や変位量を示す高分子アクチュエータが得られる。また、アニオンに対してカチオンを優先的に伝導し得る材料を変形センサの高分子固体電解質を構成する高分子として使用した場合、外部から与えられた変位等の変形によって生じた圧力勾配で、当該高分子固体電解質中をカチオンがアニオンに対して優先的に移動するために、より大きな電荷の偏りが生じ、その結果、より大きなセンサ信号を得ることができる。
同様のことは、カチオンに対してアニオンを優先的に伝導し得る材料を高分子アクチュエータまたは変形センサの高分子固体電解質を構成する高分子として使用した場合にも起き、高分子アクチュエータをカソード側に大きく屈曲させることができるようになって、より大きな発生力や変位量を示す高分子アクチュエータが得られるようになり、また、変形センサにおいて、より大きなセンサ信号を得ることができるようになる。
【００４０】
上記したアニオンに対してカチオンを優先的に伝導し得る材料としては、カチオン交換樹脂を使用することができ、具体的には、スルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の酸基が共有結合により高分子の分子鎖中に結合されている高分子材料などが挙げられる。より具体的には、ビニルスルホン酸、イソプロペニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、α−メチルスチレンスルホン酸、アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸等のオレフィン性重合性基を有するスルホン酸誘導体の重合物；アクリル酸、メタクリル酸、ビニル安息香酸、イソプロペニル安息香酸等のオレフィン性重合性基を有するカルボン酸誘導体の重合物；ビニルホスホン酸、イソプロペニルホスホン酸、スチレンホスホン酸、ホスホン酸オキシエチルメタクリレート、ホスホン酸ポリオキシエチレングリコールモノメタクリレート、ホスホン酸ポリオキシプロピレングリコールモノメタクリレート、３−クロロ−２−ホスホン酸プロピル−１−メタクリレート等のリン酸誘導体の重合物などが挙げられる。これらの重合物は単独重合体であってもよいし、上記したモノマー同士の共重合体、あるいは他の周知のオレフィン性モノマーとの共重合体であってもよい。
【００４１】
またカチオン交換樹脂の他の例としては、エンジニアリングプラスチックにスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基等の酸基を導入した樹脂が挙げられる。当該エンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリエーテル、ポリスルフィド、ポリアミン、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリフェニレン（ポリ−ｐ−フェニレン等）、ポリケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリスルホン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンズイミダゾールなどを挙げることができる。エンジニアリングプラスチックが芳香族成分を含んでいる場合には、公知の方法により容易にスルホン酸基等の酸基を導入することができるので好ましい。
またこれら以外にも、「ナフィオン」（デュポン社製）、「フレミオン」（旭硝子株式会社製）、「アシプレックス」（旭化成ケミカルズ株式会社製）など、スルホン酸基等の酸基を側鎖に有するフッ素系ポリマーを用いることもできる。
上記したカチオン交換樹脂の中でも、より大きな発生力や変位量を示す高分子アクチュエータや、より大きなセンサ信号が得られる変形センサとして機能する高分子トランスデューサが得られることから、スルホン酸基を有する重合体が好ましい。
【００４２】
一方、上記したカチオンに対してアニオンを優先的に伝導し得る材料としては、アニオン交換樹脂を使用することができ、具体的には、アミノ基、ピリジル基、イミダゾール基等のオニウム塩形成性基を有するポリマー、例えば、ビニルアミン、アリルアミン、４−ビニルベンジルアミン、２−アミノエチル（メタ）アクリレート、３−アミノプロピル（メタ）アクリレート、２−ビニルピリジン、４−ビニルピリジン、ビニルイミダゾール、アリルイミダゾール、１−（２−（メタ）アクリロイルオキシエチル）イミダゾール、１−（３−（メタ）アクリロイルオキシプロピル）イミダゾール、１−（４−（メタ）アクリロイルオキシブチル）イミダゾール、１−（６−（メタ）アクリロイルオキシヘキシル）イミダゾール等のモノマー成分を重合して得られるポリマーをオニウム塩化して得られる重合体などが挙げられる。当該重合体は上記したモノマー成分の単独重合体に由来するものであってもよいし、２種類以上のモノマー成分の共重合体に由来するものであってもよい。また周知のオレフィン性モノマーとの共重合体に由来するものであってもよい。
【００４３】
高分子固体電解質を構成する上記高分子は、当該高分子固体電解質がアニオンに対してカチオンを優先的に伝導するものとなるか、または、カチオンに対してアニオンを優先的に伝導するものとなる限り、上記したカチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂以外の他の高分子を含んでいてもよい。このようなカチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂以外の他の高分子の具体例としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリスチレン、ポリα−メチルスチレン等のポリスチレン系樹脂；ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル等のポリ（メタ）アクリル酸系樹脂；ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンランダム共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン等のハロゲン化ビニル系樹脂；ポリエチレングリコールテレフタレート、ポリエチレングリコールナフタレート、ポリブチレングリコールテレフタレート等のポリエステル系樹脂；ナイロン−６、ナイロン−６，６、ナイロン−９Ｔ、ナイロン−１１、ナイロン−１２、ナイロン−６，１２等のポリアミド系樹脂；熱可塑性ポリウレタン系樹脂；ポリカーボネート系樹脂；不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、フェノール樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂等の熱硬化性樹脂；天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム（スチレンブタジエンランダム共重合体）、アクリルゴム、ニトリルゴム、ノルボルネンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム（軟質熱硬化型ポリウレタンを含む）等のゴム類あるいはこれらの架橋体；オレフィン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＯ）、スチレン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＳ）、架橋性オレフィン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＶ）、アクリル系熱可塑性エラストマー（例えば、ポリメタクリル酸メチルとポリアクリル酸ブチルとのブロック共重合体等）、ポリスチレンとポリ（メタ）アクリル酸エステルとのブロック共重合体、ポリスチレンと非晶性ポリエステルとのブロック共重合体、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＵ）、ポリエステル系熱可塑性エラストマー（ＴＰＥＥ）、ポリアミド系熱可塑性エラストマー（ＴＰＡＥ）等の熱可塑性エラストマー類などを挙げることができる。
【００４４】
また高分子固体電解質が含む高分子は、上記した高分子に相当する重合体ブロックが２つ以上結合したブロック共重合体であってもよいし、グラフト共重合体であってもよい。また、高分子固体電解質が後述のイオン液体を含む場合には、高分子固体電解質のイオン伝導性および力学的強度を向上させることができることから、上記高分子としては、使用されるイオン液体と非相溶性の重合体ブロックを有するブロック共重合体であることが好ましく、使用されるイオン液体と相溶性の重合体ブロックと該イオン液体と非相溶性の重合体ブロックの両方を有するブロック共重合体であることがより好ましい。
上記のイオン液体と非相溶性の重合体ブロックの具体例としては、使用されるイオン液体の種類などにもよるが、ポリエチレンブロック、ポリプロピレンブロック等のポリオレフィンブロック；ポリスチレンブロック等の芳香族ビニル系重合体ブロック；ポリメタクリル酸イソボルニルブロック等の脂環式アルコールの（メタ）アクリル酸エステルから構成される重合体ブロックなどが挙げられる。一方、上記のイオン液体と相溶性の重合体ブロックの具体例としては、使用されるイオン液体の種類などにもよるが、ポリメタクリル酸メチルブロック、ポリアクリル酸メチルブロック、ポリアクリル酸エチルブロック、ポリアクリル酸メトキシメチルブロック等の（メタ）アクリル酸エステル系重合体ブロック；ポリエチレングリコールブロック等のポリオキシアルキレンブロック；ポリε−カプロラクトン等のポリエステルブロックなどが挙げられる。
高分子固体電解質が含む高分子は１種類であっても、２種類以上であってもよいが、２種類以上とする場合には、製造工程の煩雑化を避けるため、通常２〜５種類程度であることが好ましい。
【００４５】
カチオンまたはアニオンを優先的に伝導する高分子固体電解質は、それを構成する高分子自体がイオン伝導性を示すことにより電解質としての機能を発現するものであってもよいが、高分子以外にさらにイオン液体を含むことでイオン伝導性を持たせたものであってもよい。
高分子固体電解質が含むイオン液体としては、電極が含むイオン液体として上述したものを同じく好適に使用することができる。高分子固体電解質が含むイオン液体は、電極が含むイオン液体と同じ種類のイオン液体であることが好ましい。
【００４６】
高分子固体電解質が含む上記イオン液体と高分子の質量比に特に制限は無いが、イオン伝導性および力学的強度の観点から、高分子１００質量部に対し、イオン液体が１〜１０００質量部の範囲内であることが好ましく、１０〜７００質量部の範囲内であることがより好ましく、２０〜５００質量部の範囲内であることがさらに好ましい。
【００４７】
高分子固体電解質は高分子のみからなっていても、あるいは高分子およびイオン液体のみからなっていてもよいが、これらの成分以外の他の成分を含んでいてもよい。高分子固体電解質の全体の質量に対する高分子およびイオン液体の合計の占める割合としては、６０〜１００質量％の範囲内であることが好ましく、７０〜１００質量％の範囲内であることがより好ましく、８０〜１００質量％の範囲内であることがさらに好ましい。
【００４８】
本発明の高分子トランスデューサには、酸化防止剤、ＵＶ吸収剤、滑剤、分散剤、界面活性剤、増量剤、補強材、可塑剤等の他の成分を添加してもよい。これらの他の成分は、上記電極に添加されていてもよいし、上記高分子固体電解質に添加されていてもよい。これらの他の成分の添加量は、高分子トランスデューサを構成する各電極または高分子固体電解質１００質量部に対して４０質量部以下であることが好ましく、３０質量部以下であることがより好ましく、２０質量部以下であることがさらに好ましい。
【００４９】
本発明の高分子トランスデューサの形状には特に制限は無いが、膜状、フィルム状、シート状、板状、繊維状、円柱状、柱状、球状など種々の形が可能である。このうち、膜状、フィルム状、シート状、板状の高分子トランスデューサを製造する場合には、例えば、膜状に成形した高分子固体電解質上に、別途、膜状に成形した電極を貼り合わせる方法；膜状に成形した高分子固体電解質上に電極を構成する成分を含む溶液または分散液を塗工する方法；電極を構成する成分を含む溶液または分散液をキャストし、次いで高分子固体電解質を構成する成分を含む溶液または分散液をキャストし、さらに電極を構成する成分を含む溶液または分散液をキャストする方法などを挙げることができる。繊維状、円柱状、柱状、球状などの場合においても、同様の方法を採用することができる。
【００５０】
また高分子トランスデューサの厚さに特に制限はないが、例えば形状が膜状である場合には、高分子トランスデューサの可撓性の観点から、厚みが１×１０−６〜１×１０−１ｍの範囲内にあることが好ましく、１×１０−４〜２×１０−３ｍの範囲内にあることがより好ましく、１×１０−４〜１×１０−３ｍの範囲内にあることがさらに好ましい。高分子固体電解質の厚さといずれか一方の電極の厚さとの比率については特に制限はないが、本発明の効果がより顕著に奏されることから、高分子固体電解質の厚さ：いずれか一方の電極の厚さ＝０．０５：１〜１０：１程度であることが好ましく、０．１：１〜５：１程度であることがより好ましく、０．２：１〜３：１程度であることがさらに好ましい。
【００５１】
本発明の高分子トランスデューサには、その長手方向の抵抗を低減することを目的として集電体を設けてもよい。集電体としては、例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム、ニッケル等の金属箔や金属薄膜；金、銀、ニッケル等の金属粉またはカーボンパウダー、カーボンナノチューブ、炭素繊維等の炭素微粉とバインダー樹脂とからなる膜状成形体；織物、紙、不織布等の布帛や高分子フィルムなどにスパッタやメッキなどの方法により金属薄膜を形成したものなどを挙げることができる。これらのうちでも可撓性の観点からは金属粉とバインダー樹脂とからなる膜状成形体、または布帛や高分子フィルムなどに金属薄膜を形成したものであることが好ましい。集電体を電極と外部回路との間に設けることにより、電極の帯電を外部回路に効率的に通電することができる。集電体は電極の導電性よりも１００倍以上高い導電性を有することが好ましい。
【００５２】
本発明の高分子トランスデューサは、空気中、水中、真空中、有機溶媒中で動作することができる。また使用環境に応じて、適宜封止を施してもよい。封止材料の例としては、特に制限はなく、各種樹脂などを挙げることができる。
【００５３】
本発明の高分子トランスデューサを高分子アクチュエータ（高分子アクチュエータ素子）として使用する場合は、相互に絶縁した電極間に電位差を与えることにより駆動させることができ、電気エネルギーを力、変動、変位等の機械的エネルギーに変換することができる。一方で、本発明の高分子トランスデューサに外部より変位、圧力等の機械的エネルギーを加えると、相互に絶縁した電極間に電気エネルギーとして電位差（電圧）を発生させることができることから、変動、変位、圧力等を検知する変形センサ（変形センサ素子）として使用することもできる。
【実施例】
【００５４】
以下に本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
なお、以下の実施例および比較例において採用された、高分子アクチュエータの変位量および発生力の各測定方法を以下に示す。
【００５５】
（１）高分子アクチュエータの変位量の測定
以下の実施例または比較例で得られた高分子アクチュエータから１５ｍｍ×５ｍｍの矩形状の試験用アクチュエータを切り出し、これを用いて変位量の測定を行った。すなわち、図１に示すとおり、試験用アクチュエータ１０の長さ方向に１０ｍｍの部分を金製電極１１と金製電極１２で挟み、残りの５ｍｍ分を空気中に出して測定セル１３とした。金製電極１１と１２に、関数発生器１４（北斗電工株式会社製「ファンクションゼネレータＨＢ−２１１」）を接続したポテンショスタット１５（北斗電工株式会社製「ＨＡＢ−１５１」）を接続した。金製電極１１は作用電極、金製電極１２は対向電極すなわち参照電極である。試験用アクチュエータ１０の空気中に出した部分の先端から１ｍｍの位置Ｐの動作を計測できるようにレーザー変位計１６（株式会社キーエンス製「ＬＫ−Ｇ１５５」）を配置した。この状態で１．０Ｖの一定電圧をポテンショスタット１５から印加し、印加開始後３秒後および１０秒後の動作をレーザー変位計１６により計測して変位量を求めた。
【００５６】
（２）高分子アクチュエータの発生力の測定
（１）の変位量の測定で用いたものと同様にして得られた試験用アクチュエータを用いて、図２に示すとおり、試験用アクチュエータ２０の長さ方向に１０ｍｍの部分を金製電極２１と金製電極２２で挟み、残りの５ｍｍ分を空気中に出して測定セル２３とした。金製電極２１と２２に、関数発生器２４（北斗電工株式会社製「ファンクションゼネレータＨＢ−２１１」）を接続したポテンショスタット２５（北斗電工株式会社製「ＨＡＢ−１５１」）を接続した。金製電極２１は作用電極、金製電極２２は対向電極すなわち参照電極である。また、試験用アクチュエータ２０の空気中に出した端（金製電極２１側）にはロードセル２７（ミネベア株式会社製「ＵＬ−１０ＧＲ」）の短冊状の検出部を配置した。この状態で１．０Ｖの一定電圧をポテンショスタット２５から印加し、印加開始後３秒後および１０秒後の発生力をロードセル２７を用いて計測して発生力を求めた。
【００５７】
以下の実施例および比較例において使用された材料を以下に記す。
（１）ケッチェンブラック
ライオン株式会社製「ケッチェンブラック  ＥＣ」を購入しそのまま用いた。
（２）エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ４）
日本合成化学工業株式会社より購入してそのまま用いた。
（３）「ナフィオン」分散溶液
和光純薬工業株式会社より購入した「５％ナフィオン分散溶液  ＤＥ５２０  ＣＳタイプ」をそのまま用いた。
（４）「ナフィオン」膜
デュポン社より購入した「ナフィオン２１２」膜をそのまま用いた。
その他の材料、試薬類は市販品を購入し、必要に応じて定法に従い精製を行ったものを用いた。
【００５８】
実施例１、２および比較例１
めのう乳鉢にケッチェンブラックを量り取り、ここにＥＭＩＢＦ４と「ナフィオン」分散溶液との混合物を電極成分が表１に示す割合となるように添加して６０℃で加熱しながら混錬することで溶媒を留去した。得られた粉末を８０℃で２時間真空乾燥した後に、１０分間、１５０℃で熱プレスを行い、厚さが約１５０μｍの電極膜を得た。この電極膜２枚でカチオン交換樹脂膜である「ナフィオン」膜を挟み込み、この状態で１０分間、１５０℃で熱プレスを行って接着させ、高分子アクチュエータ（高分子トランスデューサ）とした。得られた高分子アクチュエータを用いて上記した方法により高分子アクチュエータの変位量および発生力を測定した。結果を表１に示した。
【００５９】
【表１】
2010280759.tif 000007
【００６０】
以上の結果から、実施例１および２の高分子アクチュエータのいずれにおいても変位量（印加開始後３秒後および１０秒後の変位量）が大きくて動作速度に優れるとともに、発生力（印加開始後３秒後および１０秒後の発生力）にも優れることが分かる。一方、本発明の規定を満たさない比較例１の高分子アクチュエータは変位量、発生力および動作速度のいずれにおいても劣っていた。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の高分子トランスデューサは、低い電圧でも効率よく駆動することができる発生力、変位量、動作速度等の性能に優れる高分子アクチュエータとして、あるいはセンサ信号出力、シグナル／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）に優れ、しかも可撓性に富み耐衝撃性に優れる変形センサとして使用することができ、軽量かつ柔軟で、水が存在しない状態においても安定して使用することが可能であり、小型アクチュエータ、柔軟センサ、人工筋肉などの用途に好ましく用いることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０、２０  試験用アクチュエータ
１１、１２、２１、２２  金製電極
１３、２３  測定セル
１４、２４  関数発生器
１５、２５  ポテンショスタット
１６  レーザー変位計
２７  ロードセル
【図１】
2010280759.tif 000008
【図２】
2010280759.tif 000009