(57)【要約】【課題】  電極層の間に電解質層が挟まれたイオン導電型アクチュエータを、容易に製造でき、且つ電解質層も均一に薄く形成できる製造方法を提供する。【解決手段】  ポリフッ化ビリニデンなどのベースポリマーとイオン液体を含んだ液状組成物を、製造用基板１０の表面１０ａに塗布して電解質半層２ａを形成し、その上にベースポリマーとイオン液体とカーボンナノチューブを含む第１の電極層３を形成する。電解質半層２ａと第１の電極層３の積層体１１を製造用基板１０から剥がす。同様にして電解質半層と第２の電極層の積層体を形成し、電解質半層どうしが対面するように積層体を重ね、熱プレスして一体化する。電解質半層２ａは製造用基板１０から容易に剥がれ、電解質半層２ａが薄くても薄利工程で破損しにくい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）製造用基板の平坦な表面に、イオンとベースポリマーを含む組成物で電解質層を形成する工程と、
（２）前記電解質層の表面に、導電フィラーとベースポリマーを含む組成物で電極層を形成する工程と、
（３）前記（２）の工程で形成された電解質層と電極層との積層体を、前記製造用基板から剥離する工程と、
（４）前記（３）の工程で前記製造用基板から剥離された積層体を、前記電解質層どうしを対面させて接合して、前記電極層／前記電解質層／前記電極層の順に積層する、ことを特徴とするイオン導電型アクチュエータの製造方法。
【請求項２】
前記電極層はイオンを含んでいる請求項１記載のイオン導電型アクチュエータの製造方法。
【請求項３】
前記電解質層は、ポリフッ化ビニリデンをベースポリマーとして、イオン液体を含んだものであり、
前記電極層は、ポリフッ化ビニリデンをベースポリマーとして、イオン液体と導電フィラーを含んだものである請求項２記載のイオン導電型アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記導電フィラーは、カーボンナノチューブである請求項１ないし３のいずれかに記載のイオン導電型アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記（１）の工程で、イオンとベースポリマーを含む組成物をスピンコート法またはスリットコート法で形成する請求項１ないし４のいずれかに記載のイオン導電型アクチュエータの製造方法。
【請求項６】
前記（４）の工程において、前記製造用基板から剥離された１枚の積層体を、前記電解質どうしが対面するよう折り曲げて、前記電解質どうしを接合する請求項１ないし５のいずれかに記載のイオン導電型アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記（４）の工程において、前記製造用基板から剥離された積層体の前記電解質層どうしを対面させる際に、２つの前記電解質層の間に他の電解質膜を挟んで接合する請求項１ないし６のいずれかに記載のイオン導電型アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
前記電解質膜が、前記電解質層と同じ組成で形成されている請求項７記載のイオン導電型アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質層内でイオンが偏移したときの体積膨張を利用して曲げを生じさせるイオン導電型アクチュエータに係り、特に、電解質層を薄型で安定して形成することが可能なイオン導電型アクチュエータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下の特許文献１と特許文献２にイオン導電型アクチュエータが開示されている。このイオン導電型アクチュエータは、イオン液体とベースポリマーを含むゲル状組成物で形成されたイオン伝導層の両側に、カーボンナノチューブとイオン液体とベースポリマーとを含むゲル状組成物の電極層が接合されている。
【０００３】
電極層と電極層の間に電界が与えられると、イオン伝導層内およびそれぞれの電極層内に含まれる陽イオンが陰極の電極層側へ偏移する。その結果、陰極の電極層側において膨張応力が発生し、アクチュエータ全体に曲げ応力が作用して湾曲変形する。
【０００４】
このイオン導電型アクチュエータは、イオン液体を含むゲル状組成物を主体として構成されているため、空気中または真空中で使用できる利点がある。
【０００５】
以下の特許文献１に記載されているイオン導電型アクチュエータの製造方法は、カーボンナノチューブとイオン液体とベースポリマーを加熱混合したゲル状組成物を基板の表面に流し込み乾燥させて一方の電極層を形成し、その上に、イオン液体とベースポリマーを加熱混合したゲル状組成物を流し込んで乾燥させイオン伝導層を形成する。さらに、イオン伝導層の上に、カーボンナノチューブとイオン液体とベースポリマーを加熱混合したゲル状組成物を流し込み乾燥させて他方の電極層を形成し、これにより電極層／イオン伝導層／電極層の順に積層されたイオン導電型アクチュエータを完成させるというものである。
【０００６】
以下の特許文献２に記載されているイオン導電型アクチュエータの製造方法は、イオン液体とベースポリマーとから成る組成物を溶媒に溶解し、押し出し法やキャスト法でゲル状組成物をフィルム状としたイオン伝導層を形成する。同様に、カーボンナノチューブとイオン液体とベースポリマーとから成るゲル状組成物をフィルム状とした２枚の電極層を形成する。そして、電極層／イオン伝導層／電極層の順にゲル状組成物を重ね合わせ、熱プレス工程で各層を接合してイオン導電型アクチュエータを得るというものである。
【特許文献１】特開２００５−１７６４２８号公報
【特許文献２】特開２００８−３４２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されているように、基板上に、電極層／イオン伝導層／電極層の順に積層する製造方法では、基板上に形成する最下部の電極層がカーボンナノチューブを含みその表面が平滑ではないために、この電極層の上に形成するイオン伝導層を薄く構成することが難しく、安定したイオン伝導層を得るためには、イオン導電層を厚めに形成せざるを得ない。また、電極層はカーボンナノチューブを含んでいるために、３層の積層が完了した後に、最下部の電極層を基板の表面から剥がすのが難しく、最下部の電極層を破損するおそれがある。
【０００８】
特許文献２に記載されているように、イオン伝導層と２つの電極層とをそれぞれ別体に形成して接合する方法では、イオン導電層を薄くするのに限界がある。イオン伝導層をキャスト法で基板の上に薄く形成すると、イオン伝導層を基板表面から剥がすときに損傷するおそれがある。そのため、イオン導電層を厚く形成せざるを得ない。また、電極層は基板から剥がすのが難しく、剥離の際に損傷を与えやすい。
【０００９】
以上のように、特許文献１と特許文献２に記載された製造方法で製造したイオン導電型アクチュエータは、イオン伝導層が厚くなるために、電極層間に電界を与えたときに、イオン伝導層内の陽イオンが陰極の電極側へ偏移する効率が低下し、変形力が小さくなり、また変形の際の応答速度も低下しやすくなる。
【００１０】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、電解質層を薄く形成でき、しかも各層の欠陥が少なく、製造の歩留りを向上できるイオン導電型アクチュエータの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の、イオン導電型アクチュエータの製造方法は、
（１）製造用基板の平坦な表面に、イオンとベースポリマーを含む組成物で電解質層を形成する工程と、
（２）前記電解質層の表面に、導電フィラーとベースポリマーを含む組成物で電極層を形成する工程と、
（３）前記（２）の工程で形成された電解質層と電極層との積層体を、前記製造用基板から剥離する工程と、
（４）前記（３）の工程で前記製造用基板から剥離された積層体を、前記電解質層どうしを対面させて接合して、前記電極層／前記電解質層／前記電極層の順に積層する、ことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明のイオン導電型アクチュエータの製造方法は、製造用基板の平坦な表面に電解質層を形成しその上に電極層を形成するために、電解質層を薄く均一な厚さで形成できる。しかも電解質層と電極層との積層体を製造用基板から剥離するため、剥離する際に電解質層が損傷しにくく、歩留まりを高くできる。しかも、内部に導電フィラーを含む電極層を製造用基板の表面から剥がす必要はないため、積層体を製造用基板の表面から分離しやすく、また剥離工程によって電極層を損傷することもない。
【００１３】
完成後のイオン導電型アクチュエータは、電解質層を薄く均一な厚みで形成できるため、内部での陽イオンの移動効率が良くなり、発生する変形力を大きくでき、また変形時の応答性も良好になる。
【００１４】
例えば、本発明は、前記電極層はイオンを含んでいるものである。
本発明は、前記電解質層は、ポリフッ化ビニリデンをベースポリマーとして、イオン液体を含んだものであり、前記電極層は、ポリフッ化ビニリデンをベースポリマーとして、イオン液体と導電フィラーを含んだものである。
【００１５】
また、前記導電フィラーは、カーボンナノチューブである。
本発明は、前記（１）の工程で、イオンとベースポリマーを含む組成物をスピンコート法またはスリットコート法で形成することも可能である。
【００１６】
スピンコート法またはスリットコート法を使用することで、電解質層を従来では得られないほどに薄く形成できる。しかも、スピンコート法やスリットコート法で薄く形成した電解質層は、電極層と一緒に製造用基板から剥がすので、損傷が生じにくくなる。
【００１７】
また、本発明は、前記（４）の工程において、前記製造用基板から剥離された１枚の積層体を、前記電解質どうしが対面するよう折り曲げて、前記電解質どうしを接合することも可能である。
【００１８】
１枚の積層体を折り曲げて製造すると、上下の電極層の厚み寸法が均一になり、電極層間に与えられる電界をそれぞれの箇所で安定させることができる。
【００１９】
さらに、本発明は、前記（４）の工程において、前記製造用基板から剥離された積層体の前記電解質層どうしを対面させる際に、２つの前記電解質層の間に他の電解質膜を挟んで接合するものである。
【００２０】
この場合に、前記電解質膜が、前記電解質層と全く同じ組成で形成されていることが好ましい。ただし、前記電解質膜と前記電解質層とでイオン液体の含有量などの組成が相違していてもよい。
【００２１】
上記のように、電解質層を対面して積層する際に、別に作成した電解質膜を２つの電解質膜を挟むことにより、完成後のアクチュエータの電解質層の厚みを自在に調整できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のイオン導電型アクチュエータの製造方法は、各層の損傷が少なく、製造時の歩留まりを向上でき、製造されたイオン導電型アクチュエータの品質も安定する。
【００２３】
また全体を薄く構成できるようになり、特に電解質層を薄くできるため、アクチュエータの変形力を強くでき、また迅速に応答するアクチュエータを構成しやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１（Ａ）は、本発明の製造方法によって製造されるイオン導電型アクチュエータを示す部分断面図、図１（Ｂ）は前記イオン導電型アクチュエータの電極に電界が与えられた状態を示す部分断面図である。
【００２５】
図１（Ａ）（Ｂ）に示すイオン導電型アクチュエータ１は、電解質層２と、この電解質層２の一方の面に設けられた第１の電極層３と、電解質層２の他方の面に設けられた第２の電極層４とが重ねられて構成されている。
【００２６】
電解質層２は、イオン交換が可能な層であり、ベースポリマーとイオン性液体で構成されたゲル状の組成物である。第１の電極層３と第２の電極層４は、ベースポリマーおよびイオン性液体にさらに導電フィラーとしてカーボンナノチューブが混入されたゲル状の組成物である。
【００２７】
図１（Ｂ）に示すように、第１の電極層３が陽極側となり、第２の電極層４が陰極側となるように、第１の電極層３と第２の電極層４との間に電界（電圧）が与えられると、電解質層２内とそれぞれの電極層３，４内の陽イオンが陰極側である第２の電極層４へ偏移する。イオン性液体内に含まれる陽イオンは陰イオンよりもイオン半径が大きいために、陽イオンが第２の電極層４に偏移すると、第２の電極層４側のカーボンナノチューブが伸び、第２の電極層４側に膨張応力が発生する。第１の電極層３と第２の電極層４の応力差により、図１（Ｂ）に示すように、イオン導電型アクチュエータ１に曲げが発生する。
【００２８】
図１（Ｂ）に示すように変形するイオン導電型アクチュエータ１の曲げ力を利用することで、各種小型機器の操作部や表示部を変形させたり、各種部品を駆動することなどが可能になる。
【００２９】
図２（Ａ）（Ｂ）と図３（Ａ）（Ｂ）は、イオン導電型アクチュエータ１の製造方法の第１の実施の形態を工程別に示す断面図である。
【００３０】
図２（Ａ）に示す製造用基板１０は各層を成膜するための治具であり、表面１０ａが平滑な石英プレート、シリコンプレートなどで形成されている。
【００３１】
図２（Ａ）の工程では、製造用基板１０の表面１０ａに、前記電解質層２の半分の厚さに相当する電解質半層２ａを形成する。この電解質半層２ａは、ベースポリマーとイオン液体と溶媒とを混合した液状組成物を、スピンコート法やスリットコート法で製造用基板１０の表面１０ａに薄く塗布し、自然乾燥または真空乾燥してゲル状組成物とする。液状組成物をスピンコート法やスリットコート法で塗布することで、電解質半層２ａをきわめて薄く形成することができる。
【００３２】
ベースポリマーは、ポリフッ化ビニリデン、またはポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのように、ポリフッ化ビニリデンを含むポリマーが使用される。イオン性液体は、常温で液体として存在する塩であり、アルキルイミダゾリウム塩などが使用される。ベースポリマーとイオン液体と溶媒とを８０℃程度の温度で加熱混合して、液状組成物を調製し、製造用基板１０の表面１０ａに塗工して乾燥させることで、ゲル状組成物である電解質半層２ａが得られる。電解質半層２ａは、イオン液体の含有量が、３０〜７０重量％程度である。
【００３３】
次に、ゲル状の電解質半層２ａの上に第１の電極層３を形成する。この工程では、ベースポリマーとイオン液体とカーボンナノチューブおよび溶媒を８０℃程度の温度で加熱混合した液状組成物を調製する。そして、電解質半層２ａが形成された製造用基板１０をキャスティング用治具に保持させる。キャスティング用治具は、製造用基板１０を囲み且つ電解質半層２ａの周囲から電解質半層２ａの上に所定高さの壁面を形成するものである。前記液状組成物を電解質半層２ａの上に流し込むことで前記液状組成物を一定の厚さとすることができる。液状組成物を電解質半層２ａの上に流し込んだ後に、常温または真空で乾燥することでゲル状組成物の第１の電極層３が得られる。
【００３４】
第１の電極層３に含まれるベースポリマーおよびイオン液体は、電解質半層２ａと同じものを使用できる。カーボンナノチューブは、単層ナノチューブまたは多層ナノチューブのいずれかが使用される。あるいは単層ナノチューブと多層ナノチューブを混合したものが使用される。第１の電極層３でのベースポリマーとイオン液体の重量比は、電界質半層２ａと同じであるが、第１の電極層３には、カーボンナノチューブが２０重量％程度含まれる。
【００３５】
図２（Ａ）に示すように、製造用基板１０の表面１０ａに、電解質半層２ａと第１の電極層３との積層体１１が形成された後に、図２（Ｂ）に示すように、この積層体１１を製造用基板１０から剥離する。このとき、電解質半層２ａと第１の電極層３とが積層された積層体１１を製造用基板１０から剥がすため、電解質半層２ａが薄くても、電解質半層２ａを破損することなく製造用基板１０から剥がすことができる。また、電解質半層２ａと製造用基板１０との剥離面にカーボンナノチューブが存在していないため、電解質半層２ａを製造用基板１０の表面１０ａから剥がしやすい。
【００３６】
上記と同様の工程で、製造用基板１０の表面１０ａに電解質半層２ｂを形成し、その上に第２の電極層４を積層した積層体１２を形成する。電解質半層２ｂは電解質半層２ａと同じ構成で同じ工程で形成され、第２の電極層４は第１の電極層３と同じ構成で同じ工程で形成される。
【００３７】
図３（Ａ）の工程では、製造用基板１０から剥離した積層体１１と、製造用基板１０から剥離した積層体１２を、電解質半層２ａと電解質半層２ｂとが対面するように互いに位置決めして重ね合わせる。そして、５０〜１００℃程度に加熱して加圧することで、電解質半層２ａと電解質半層２ｂとを接合して一体化させ、図３（Ｂ）に示すように、第１の電極層３と第２の電極層４との間に電解質層２が挟まれたイオン導電型アクチュエータ１が完成する。
【００３８】
図３（Ｂ）に示すイオン導電型アクチュエータ１は、電解質層２を薄く構成できるため、第１の電極層３と第２の電極層４との間に電界（電圧）を与えたときの、陽イオンの移動効率が良く、大きな曲げ応力を発生させることができ、また電界を与えたときに変形する応答速度も速くなる。
【００３９】
図４（Ａ）（Ｂ）は、イオン導電型アクチュエータを製造する製造方法の第２の実施の形態を示す断面図である。
【００４０】
まず図２（Ａ）（Ｂ）と同じ工程で、電解質半層２ａと第１の電極層３とが積層された積層体１１を製造する。図４（Ａ）に示すように、前記積層体１１を、電解質半層２ａどうしが対面するように２枚重ねに折り、図３の工程と同様に、熱プレスで電解質半層２ａと電解質半層２ｂとを接合する。そして、折り畳み境界部を切断線Ｌで切断して除去し、図４（Ｂ）に示すように、第１の電極層３／電解質層２／第２の電解質層（第１の電極層３から分離されたもの）が積層されたイオン導電型アクチュエータ１Ａが完成する。
【００４１】
図４（Ｂ）に示すイオン導電型アクチュエータ１Ａは、第１の電極層３と第２の電極層４とが同じ構成で同じ厚さ寸法で形成することができ、全体としてバランスのとれた構造にできる。
【００４２】
図５は本発明のイオン導電型アクチュエータの製造方法の第３の実施の形態を示している。
【００４３】
図５に示すイオン導電型アクチュエータ１０１の製造方法は、まず、図２（Ａ）（Ｂ）と同じ工程で、図３（Ａ）に示すのと同じ積層体１１と積層体１２を形成する。また、前記積層体１１，１２とは別に、単独の電解質膜５を形成する。この電解質膜５は、図２（Ａ）に示した工程と同様に、製造用基板１０の表面１０ａに、ベースポリマーとイオン液体と溶媒とを混合した液状組成物を、スピンコート法やスリットコート法で薄く塗布して自然乾燥または真空乾燥し、その後に製造用基板１０から剥離することで形成する。
【００４４】
図５に示すように、積層体１１の電解質半層２ａと積層体１２の電解質半層２ｂとの間に電解質膜５を挟み、全層を熱プレスしてイオン導電型アクチュエータ１０１を完成する。
【００４５】
図５に示すイオン導電型アクチュエータ１０１は、電解質半層２ａと電解質半層２ｂおよび電解質膜５が、いずれも製造用基板１０の表面に成膜してから剥がすことで形成されるため、製造工程が容易であり、また電解質半層２ａ，２ｂと電解質膜５を膜厚にむらのないように形成できる。そのため、完成後の電解質層１０２も厚さを均一にできる。また電解質膜５の厚さを調整することで、駆動条件に応じた膜厚の電解質１０２を形成できる。
【００４６】
なお、電解質膜５の組成、例えば、イオン液体の濃度などは、電解質半層２ａ，２ｂと同一であることが好ましいが、例えば、電解質膜５のイオン液体の濃度を電解質半層２ａ，２ｂよりも多く設定するなど、目的とするアクチュエータの駆動条件に応じて、電解質膜５と電解質半層２ａ，２ｂの組成を変えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】（Ａ）はイオン導電型アクチュエータの構造を示す部分断面図、（Ｂ）は前記イオン導電型アクチュエータに電界が印加されて曲げ応力が発生した状態を示す部分断面図、
【図２】（Ａ）（Ｂ）は、イオン導電型アクチュエータの製造方法の第１の実施の形態の工程を示す断面図、
【図３】（Ａ）（Ｂ）は、イオン導電型アクチュエータの製造方法の第１の実施の形態の工程を示す断面図、
【図４】（Ａ）（Ｂ）は、イオン導電型アクチュエータの製造方法の第２の実施の形態の工程を示す断面図、
【図５】イオン導電型アクチュエータの製造方法の第３の実施の形態の工程を示す断面図、
【符号の説明】
【００４８】
１，１Ａ，１０１  イオン導電型アクチュエータ
２  電解質層
２ａ，２ｂ  電解質半層
２ｃ  電解質層
３  第１の電極層
４  第２の電極層
５  電解質膜
１０  製造用基板
１１，１２  積層体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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