(57)【要約】      （修正有）【課題】大幅な変位量の低下を招くことなく、発生力を効果的に向上できるアクチュエータを提供する。【解決手段】導電材料を有する複数の導電層を有する、多層電極２０および多層電極２１と、前記多層電極２０と前記多層電極２１とに挟まれて存在する、イオン導電物質を有するイオン伝導層とからなるアクチュエータであって、前記多層電極２０の有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合わない少なくとも１つの導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向でかつ一軸方向に配向し、前記多層電極２０の有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合う導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向以外の方向に配向しているアクチュエータ。【選択図】図１
2010158103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電材料を有する複数の導電層を有する、多層電極Ａおよび多層電極Ｂと、前記多層電極Ａと前記多層電極Ｂとに挟まれて存在する、イオン導電物質を有するイオン伝導層とからなるアクチュエータであって、前記多層電極Ａの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合わない少なくとも１つの導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向でかつ一軸方向に配向し、前記多層電極Ａの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合う導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向以外の方向に配向していることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記多層電極Ｂの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合う導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向以外の方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記多層電極Ｂの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合わない少なくとも１つの導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向でかつ一軸方向に配向していることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記多層電極Ａおよび前記多層電極Ｂの最外層を構成する２つの導電層のうち、少なくとも一方が膜厚方向に対して垂直な方向かつ一軸方向に配向していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記多層電極Ａおよび前記多層電極Ｂの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合う導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して平行な方向に配向していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記導電材料が、炭素ナノ粒子、ナノ炭素繊維、カーボンナノチューブのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記イオン導電物質がイオン液体を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項８】
導電材料を有する複数の導電層を有する、多層電極Ａおよび多層電極Ｂと、前記多層電極Ａと前記多層電極Ｂとに挟まれて存在する、イオン導電物質を有するイオン伝導層とからなるアクチュエータであって、前記多層電極Ａ及び前記多層電極Ｂの有する複数の導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して平行な方向に配向していることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項９】
導電材料を有する複数の導電層を有する、一対の多層電極と、前記一対の多層電極に挟まれて存在する、イオン導電物質を有するイオン伝導層とからなるアクチュエータであって、前記一対の多層電極の有する複数の導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して平行な方向に配向していることを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導性材料を用いたアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機材料やカーボン材料を利用したアクチュエータは、比較的軽量で、柔軟性が高いなどの特徴を有し、特にソフトアクチュエータと呼ばれることもある。ソフトアクチュエータの代表的なものとしては、パーフルオロスルホン酸系樹脂などのイオン交換膜（イオン伝導層）と接合金属電極からなる、イオン伝導性高分子アクチュエータ（以下、ＩＣＰＦ（Ｉｏｎｉｃ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｆｉｌｍ）アクチュエータと略することがある）が報告されている（例えば非特許文献１）。
【０００３】
また最近では、カーボン系の導電材料と高分子材料（高分子バインダ）との複合により形成される伸縮性のある導電層で、イオン伝導性電解質膜（イオン伝導層）を挟んだ構造にしたアクチュエータが開発されている。例えば、カーボンナノチューブ（ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ、以下、ＣＮＴと略すことがある）ゲルと高分子バインダからなる導電層で、イオン伝導層を挟んだ構造にしたＣＮＴゲルアクチュエータが提案されている（特許文献１を参照）。なおＣＮＴゲルとは、ＣＮＴとイオン伝導性の液体であるイオン液体とから自己組織化的に形成されるゲルのことである。
【０００４】
これらのソフトアクチュエータの多くの部分は有機材料（高分子材料）で構成されるが、有機材料は一般にヤング率が低いため、その変位量は大きいが発生力は小さく、応用・利用が進んでいない。また、これらソフトアクチュエータは、発生力を大きくしようと電圧を大きくすれば高分子膜などが電気分解してしまう。
【０００５】
その解決手段として特許文献２では、ＣＮＴゲルアクチュエータにおいて、導電層中の導電材料であるＣＮＴをランダムに分散させた場合には、発生する力の方向が互いに打ち消し合っているが、配向化したＣＮＴを用いると、発生力の方向が揃った効率のよいアクチュエータが得られることが開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１７６４２８号公報
【特許文献２】特開２００８−２６６５３２号公報
【非特許文献１】「ソフトアクチュエータ開発の最前線」、エヌ・ティー・エス出版（２００４年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＩＣＰＦアクチュエータやＣＮＴゲルアクチュエータなどのアクチュエータの駆動は、電圧印加に基づくアクチュエータ内でのイオンの移動に基づいている。そのため、効果的にアクチュエータの発生力を向上させるためには、電極中の導電材料の配向化により発生力の方向を揃えるだけでなく、イオン伝導層から導電層へのイオンの移動量（イオンの移動速度）の向上を両立させる必要がある。また、イオンの移動量の向上は変位量の向上にも繋がる。
【０００７】
つまり、アクチュエータにおける導電層中の導電材料に、導電層の厚さ方向（膜厚方向）に対して垂直な方向（膜面方向）で、かつその向きが一軸方向であるように配向を持たせた場合には、ランダム配向や膜厚方向への配向を持たせた場合に比べて、発生力を屈曲変形方向へ効果的に揃えることができるが、イオン伝導層から導電層へのイオンの移動量が低下する。そのため、アクチュエータを駆動するために必要な、イオン伝導層から導電層へのイオンの移動の量が小さくなり、アクチュエータの変位量は低下してしまう。一方、導電層における導電材料に、膜厚方向への配向を持たせた場合には、ランダム配向や膜面方向への配向を持たせた場合に比べて、電圧印加に伴うイオンの移動量は向上し、アクチュエータの変位量は大きくなるが、発生力を効果的に屈曲変形方向へ揃えることができず、発生力を向上させることができない。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、大幅な変位量の低下を招くことなく、発生力を効果的に向上することができるアクチュエータ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】
【０００９】
第一の本発明は、導電材料を有する複数の導電層を有する、多層電極Ａおよび多層電極Ｂと、前記多層電極Ａと前記多層電極Ｂとに挟まれて存在する、イオン導電物質を有するイオン伝導層とからなるアクチュエータであって、前記多層電極Ａの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合わない少なくとも１つの導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向でかつ一軸方向に配向し、前記多層電極Ａの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合う導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向以外の方向に配向していることを特徴とするアクチュエータである。
【００１０】
第二の本発明は、導電材料を有する複数の導電層を有する、多層電極Ａおよび多層電極Ｂと、前記多層電極Ａと前記多層電極Ｂとに挟まれて存在する、イオン導電物質を有するイオン伝導層とからなるアクチュエータであって、前記多層電極Ａ及び前記多層電極Ｂの有する複数の導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して平行な方向に配向していることを特徴とするアクチュエータである。
【００１１】
第三の本発明は、導電材料を有する複数の導電層を有する、一対の多層電極と、前記一対の多層電極に挟まれて存在する、イオン導電物質を有するイオン伝導層とからなるアクチュエータであって、前記一対の多層電極の有する複数の導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して平行な方向に配向していることを特徴とするアクチュエータである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、大幅な変位量の低下を招くことなく、発生力を効果的に向上することができるアクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係るアクチュエータは、導電材料を有する複数の導電層を有する、多層電極Ａおよび多層電極Ｂと、前記多層電極Ａと前記多層電極Ｂとに挟まれて存在する、イオン導電物質を有するイオン伝導層とからなるアクチュエータであって、前記多層電極Ａの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合わない少なくとも１つの導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向でかつ一軸方向に配向し、前記多層電極Ａの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合う導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向以外の方向に配向していることを特徴とするアクチュエータである。その結果、大幅な変位量の低下を招くことなく、効果的に発生力を向上することができるアクチュエータの作製が可能となる。
【００１４】
ここで、一軸方向に配向し、とは、導電材料が膜厚方向に対して垂直な平面に対して平行に配向していて、かつ、特定の一方向に配向していることを意味する。したがって、一軸方向に配向している導電材料同士は、互いに平行な位置関係にある。
【００１５】
また、導電材料が膜厚方向に対して垂直な方向以外の方向に配向しているとは、膜厚方向に対して垂直な方向以外の方向に配向していればよく、膜厚に対して平行な方向に配向している場合、ランダムに配向している場合などが考えられる。
【００１６】
このようなアクチュエータを用いてアクチュエータの素子を構成することでアクチュエータ中でのイオンの移動量の大幅な低下を抑制することができる。
またこのようにして作製されるアクチュエータは、常に大きな荷重が作用する、荷重に抗して動作させる必要がある、といった、より高い発生力が要求される可動要素にも利用でき、その適用範囲の拡大化を図ることが可能である。
【００１７】
また、本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記多層電極Ｂの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合う導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向以外の方向に配向していることが好ましい。このような構成をとることで、電圧印加に伴いイオン伝導層から電極表面へイオンが効果的に導電層内で移動するためイオンの移動量を高くすることができ、アクチュエータの大幅な変位量の低下を招くことなくアクチュエータの発生力を向上させ得ることが可能となる。
【００１８】
また、本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記多層電極Ｂの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合わない少なくとも１つの導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向でかつ一軸方向に配向していることが好ましい。このような構成をとることで、アクチュエータの発生力をさらに大きくすることができる。
【００１９】
また、本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記多層電極Ａおよび前記多層電極Ｂの最外層を構成する２つの導電層のうち少なくとも一方が膜厚方向に対して垂直な方向かつ一軸方向に配向が好ましい。このような構成をとることで、アクチュエータの発生力をさらに大きくすることができる。
【００２０】
また、本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記多層電極Ａおよび前記多層電極Ｂの有する複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合う導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して平行な方向に配向していることが好ましい。このような構成をとることで、イオンの移動量をより向上させることができ、アクチュエータの変位量の大幅な低下を招くことなく、さらに効果的に発生力を向上することができるアクチュエータの作製が可能となる。
【００２１】
また、本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記導電材料が、炭素ナノ粒子、ナノ炭素繊維、カーボンナノチューブのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。導電材料としてこのような材料を選択することで、導電材料の比表面積（単位質量当たりの表面積）を高くする、イオンをより貯めやすくなる、などにより、高い発生力を得ることができるアクチュエータの作製が可能となる。
【００２２】
また、本発明にかかるアクチュエータにおいて、前記イオン導電物質がイオン液体を含むことが好ましい。イオン導電物質がイオン液体を含む場合には、空気中でアクチュエータ駆動を行うことができるようになるため、応用が広がる。加えて、イオン液体中でのイオンの伝導は、単純な拡散だけではなくホッピング機構によっても効果的に進むため、イオン伝導効率は高く、さらにイオン液体は引火性・可燃性がなくまた熱安定性が高い、電位窓が広いという利点も有していることからも、イオン伝導層にイオン液体を含むことが好ましい。
【００２３】
また、本発明に係るアクチュエータは、導電材料を有する複数の導電層を有する、多層電極Ａおよび多層電極Ｂと、前記多層電極Ａと前記多層電極Ｂとに挟まれて存在する、イオン導電物質を有するイオン伝導層とからなるアクチュエータであって、前記多層電極Ａ及び前記多層電極Ｂの有する複数の導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して平行な方向に配向しているものであってもよい。
【００２４】
また、本発明に係るアクチュエータは、導電材料を有する複数の導電層を有する、一対の多層電極と、前記一対の多層電極に挟まれて存在する、イオン導電物質を有するイオン伝導層とからなるアクチュエータであって、前記一対の多層電極の有する複数の導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して平行な方向に配向しているものであってもよい。
【００２５】
なお、上記本発明に係るアクチュエータにおいて、導電材料を配向させる方向は、アクチュエータの屈曲変形方向（アクチュエータの寸法、材料構成、導電層の配置など）を考慮して、その屈曲変形の運動を妨げないように、適切な配向を選択することができる。
【００２６】
次に、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
（アクチュエータの構成）
図１は本発明に係る多層電極２０、２１を有するアクチュエータの一実施態様を示す概略断面図である。アクチュエータとしてイオン伝導型アクチュエータの例を示す。このアクチュエータ１は、複数（図１では片電極につき２個の場合を示しているが、２個以上であればよい）の導電層２０１、２０２、２１１、２１２がイオン伝導物質を有するイオン伝導層３０を介して積層して構成される。またここでは前記複数の導電層のうち、前記イオン伝導層３０と隣り合わない少なくとも１つの導電層（図１では、２０２、２１２のうち少なくとも１つ）の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向でかつ一軸方向に配向している。かつ、前記複数の導電層のうち、前記イオン伝導層と隣り合う導電層の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向以外の方向に配向したものを用いてアクチュエータの素子を構成する。
【００２７】
例えば、導電層２０２の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向でかつ一軸方向に配向してい、かつ、導電層２０１の有する導電材料が、膜厚方向に対して垂直な方向以外の方向に配向したものを用いてアクチュエータの素子を構成することができる。
【００２８】
（アクチュエータの駆動）
ここで、従来式のイオン伝導型アクチュエータは、図８に示すように、細長い矩形平板状に構成されたイオン交換樹脂成形板（イオン伝導層）３００と、該イオン伝導層の表裏両面に相互に電気絶縁状態に接合し形成された電極２０００、２００１とを備え、電極には一対のリード線５００の一端部がそれぞれ接続されている。各リード線の他端部間には電源４００が接続されており、前記電極に電圧を印加して両電極間に電位差をかけることにより、イオン伝導層３００の有するイオンを電極に移動させ、湾曲及び変形をさせることができる。
【００２９】
一方、本発明における多層電極を有するアクチュエータも、電圧印加によるイオンの移動を誘起することで屈曲運動を起こすことができる。つまり、上記のごとき構成の複数個の導電層からなる多層電極２０、２１を、イオン伝導物質を有するイオン伝導層３０を介して積層してなるアクチュエータ１において、多層電極２０、２１にリード線５０を介して電源４０から電圧を印加することで、湾曲、変形動作を起こすことができる。具体的には、電圧を印加すると、イオン伝導物質の有するカチオンはカソード電極へ、アニオンはアノード電極へと移動し、各々の電極は膨張する。ここで、カチオンとアニオンとで分子サイズが異なると、電極の膨張の度合いが各々異なるため、屈曲変形する。
【００３０】
本発明に係るアクチュエータは、上記電極間に０．１から１０Ｖ程度の低い電圧を印加すると、屈曲変形する。イオン液体の電位窓の点から、印加電圧は４Ｖ以下であることがさらに好ましい。なお、駆動方式は所望する駆動によって、直流および交流を用いることができる。具体的に、直流は時間によって大きさが変化しても流れる方向（正負）が変化しない電流のことで、交流は周期的に方向（正負）が変化する電流のことである。交流の場合、周期的な屈曲運動をさせることができる。屈曲変形の方向、変位量、変位速度等は、導電層・イオン伝導層の種類、電極の組成・構成、移動するイオン種等により変動する。また、通常、電位の極性を反転させると膜は反対方向に屈曲変形する。
【００３１】
（アクチュエータの構成材料）
次に、図１で示すアクチュエータ１を構成する部材について説明する。本発明に係るこの多層電極を有するアクチュエータ１を構成するイオン伝導層および導電層について代表的な材料を述べる。
【００３２】
＜イオン伝導層＞
イオン伝導層３０としては、イオン伝導物質を含む柔軟材料であり、イオン伝導物質を含む非イオン性高分子化合物であってもよいし、イオン性高分子化合物であってもよい。なお、イオン性高分子化合物とは、該化合物を電場下におき、電荷が移動して電流が流れるときに、電荷の担い手がイオンである高分子化合物をいう。
【００３３】
上記非イオン性高分子化合物としては、例えば、テトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素系ポリマー；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー；ポリブダジエン系化合物；エラストマーやゲルなどのポリウレタン系化合物；シリコーン系化合物；熱可塑性のポリスチレン；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタレート等を挙げることができる。なおこれらは、イオン伝導物質を含む限りにおいて、単独あるいは複数を組み合わせて用いてもよく、また官能基化してもよいし、他のポリマーとの共重合体としてもよい。これにより、電圧を印加することにより、上記非イオン性高分子化合物からなるアクチュエータの屈曲変形が可能となる。
【００３４】
上記イオン伝導物質としては、例えば、フッ化リチウム、臭化リチウム、臭化ナトリウム、塩化マグネシウム、硫酸銅、酢酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム、酢酸ナトリウム等を挙げることができる。また、イオン伝導物質の代わりにイオン液体を用いてもよい。イオン液体を用いる場合には、後述の高分子バインダとして、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ  ｆｌｕｏｒｉｄｅ−ｃｏ−ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｅｎｅ）、ＰＶＤＦ（ＨＦＰ））、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ  ｆｌｕｏｒｉｄｅ）、ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ、ナフィオン）、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（２−ｈｙｄｒｏｘｙ  ｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ、ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ  ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ−ｏｘｉｄｅ）、ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ、ＰＡＮ）などが特に好適に使用できる。
【００３５】
本発明で用いられるイオン液体とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩であり、例えば０℃、好ましくは−２０℃、さらに好ましくは−４０℃で溶融状態を呈する塩である。また、本発明で使用するイオン液体はイオン伝導性が高いものが好ましい。また、本発明におけるイオン液体の有するカチオン種とアニオン種とで分子サイズが異なる必要がある。なお、一般的なイオン液体を下記に示してあるが、イオン液体の有するカチオン種とアニオン種の分子サイズはカチオン種の方が大きい傾向にある。
【００３６】
本発明においては、各種のイオン液体を使用することができ、特に限定されるものではないが、常温（室温）または常温に近い温度において液体状態を呈する安定なものが好ましい。本発明において用いられる好適なイオン液体としては、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、アンモニウム塩、ホスホニウム塩などが挙げられる。なお、上記イオン液体は、２以上のイオン液体を組み合わせて用いてもよい。
【００３７】
上記イオン液体としては、より具体的には、下記の一般式（Ｉ）から（ＩＶ）で表わされるカチオン（好ましくは、イミダゾリウムイオン）と、アニオン（Ｘ−）より成るものを例示することができる。
【００３８】
【化１】
2010158103.tif 000003
【００３９】
上記の一般式（Ｉ）から（ＩＶ）において、Ｒは炭素数１から１２のアルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３から１２のアルキル基を示す。一般式（Ｉ）において、Ｒ１は炭素数１から４のアルキル基または水素原子を示す。また、一般式（ＩＩＩ）および（ＩＶ）において、Ｘは１から４の整数である。Ｎは窒素原子、Ｐはリン原子である。
【００４０】
アニオン（Ｘ−）としては、テトラフルオロホウ酸アニオン、ヘキサフルオロリン酸アニオン、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド酸アニオン、過塩素酸アニオン、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）炭素酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、ジシアンアミドアニオン、トリフルオロ酢酸アニオン、有機カルボン酸アニオンおよびハロゲンイオンより選ばれる少なくとも１種が好ましい。
【００４１】
本発明で用いるイオン伝導層におけるイオン伝導物質もしくはイオン液体と、非イオン性高分子化合物成分との質量比率は特に制限されないが、イオン伝導層のイオン伝導率及び機械的強度の観点から、イオン伝導物質に対してイオン液体が、３０重量％以上８０重量％以下であるのが好ましい。イオン液体の含有量が３０重量％以上の場合、電圧印加した際、電極層にイオン伝導物質を十分に供給でき、また、イオン液体の含有量が８０重量％より小さい場合、電解質層として十分な機械的強度を有し、アクチュエータとして屈曲・変形した際、作用力を十分に得ることができる。
【００４２】
上記イオン性高分子化合物としては、ポリカチオンを用いてもよいし、ポリアニオンを用いてもよい。ポリアニオンの例としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアリーレン類（芳香族系ポリマー）等の基本骨格を持った公知のポリマーにアニオン性官能基として、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、リン酸基等を導入したもの；含フッ素系のポリマーの骨格にスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基などのアニオン性官能基を導入したパーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマー、パーフルオロリン酸ポリマー等を挙げることができる。中でも、上記ポリアニオンとしては、パーフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）共重合体をより好適に用いることができる。ここで、パーフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥ共重合体としては、市販されているものでもよく、例えば、フレミオンＴＭ（旭硝子）、ナフィオンＴＭ（デュポン社製）等を好適に用いることができる。また、ポリカチオンの例としても、特に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアリーレン類（芳香族系ポリマー）等の公知のポリマーにカチオン性官能基として、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したものを挙げることができる。
【００４３】
なお、上記イオン性高分子化合物は、電圧を印加して屈曲変形させる時点で、含水状態である必要がある。イオン伝導性高分子化合物に水を含ませる方法としては、例えば、上記イオン伝導性高分子化合物を水、好ましくはイオン交換水に含浸させればよい。また、上記イオン性高分子化合物は、水に加えて、あるいは、水に代えてイオン液体を含んでいてもよい。また、上記イオン性高分子化合物が、ポリアニオンである場合は、アニオン性官能基のカウンターカチオンを、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、アルキルアンモニウムイオン等に交換したものを用いることが好ましい。また、上記イオン性高分子化合物が、ポリカチオンである場合は、カチオン性官能基のカウンターアニオンを、Ｆ−、Ｃｌ−、Ｂｒ−、芳香族または脂肪族のスルホン酸類、芳香族または脂肪族のカルボン酸類、芳香族または脂肪族のリン酸類等に交換したものを用いることが好ましい。これにより、高分子アクチュエータの屈曲度、屈曲速度を向上させることができる。なお、上記イオン伝導性高分子化合物のカウンターイオンを交換する方法としては、例えば、上記イオン伝導性高分子化合物を、交換するイオンを含む塩の溶液中に含浸させればよい。ここで、溶液は、水溶液でもよいし、有機溶媒でもよいし、これらの混合溶媒でもよい。
【００４４】
上記イオン伝導層の厚みは、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、更には１０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。膜厚が５００μｍ以下である場合、膜の弾性率が大きくなりすぎず、アクチュエータの屈曲運動が抑制されづらくなる。また１０μｍ以上では、屈曲運動が十分に得られる程度のイオン伝導物質を保持することができるので好ましい。
【００４５】
また、上記イオン伝導層の形状としては、例えば、図１に示すように矩形平板状を挙げることができるが、これに限定されるものではなく、円形、三角形、楕円形、棒状等の平板状であってもよいし、膜状であってもよいし、円筒状、螺旋状、コイル状等であってもよい。また、本発明のアクチュエータは、さらに、前記電極間に印加する電圧を制御する制御装置などを備えていてもよい。
【００４６】
なお駆動メカニズムは基本的に電圧印加によるイオン伝導層からのイオンの移動に由来するが、イオン伝導層がイオン伝導物質を含む非イオン性高分子化合物の場合と、イオン性高分子化合物の場合とでは若干異なり、大まかに以下のように考えられる。
【００４７】
つまり、例えばイオン性高分子化合物である場合には、高分子アクチュエータの駆動メカニズムは、例えば、イオン性高分子化合物がポリマーにアニオン性官能基が導入されたポリアニオンである場合を例に挙げて説明すると以下のように考えられる。電圧の印加により、アクチュエータ内で自由に移動できるカチオンがカソード側に移動し、このカチオンに伴われて、アクチュエータ内に含まれる水分子もカソード側に移動するため、カソード側の浸透圧が上昇し、膜が膨張する。これに対し、イオン伝導性高分子化合物に固定されているアニオンは、対極のアノード側に引き寄せられにくいため、アノード側のカチオンの濃度が下がり、浸透圧が低下して膜が収縮する。カソード側の膨張と、アノード側の収縮により、結果としてアクチュエータ内が屈曲変形する。なお、イオン性高分子化合物が、後述するイオン液体を含有している場合は、移動種がイオン液体を構成するイオンとなる。この場合、浸透圧の効果については不明であるが、イオン伝導層が高分子化合物からなるアクチュエータ内は屈曲変形する。
【００４８】
また、非イオン性高分子化合物を用いる場合は、その駆動メカニズムは不明であるが、酢酸ナトリウム等のイオン導電物質を加えた非イオン性高分子化合物からなる高分子膜に電圧を印加することにより、高分子膜を屈曲変形させる方法が知られている。また、非イオン性高分子化合物が、後述するイオン液体を含有している場合は、電圧を印加すると、イオン液体を構成するアニオンはアノードに、カチオンはカソードに引き寄せられる。イオン液体を構成するアニオンとカチオンとはイオンの大きさが異なるので、イオンのサイズの違いからフィルムの極率に差が生じ、フィルムが屈曲変形すると主に考えられる。
【００４９】
＜導電層＞
本発明にかかるアクチュエータにおいては、多層電極は導電材料と高分子材料（高分子バインダ）の複合体からなる柔軟電極であっても良いし、例えばＣＮＴを押し固めた自立性フィルムのように高分子材料を含まない柔軟電極であっても良い。
【００５０】
導電層が有する導電材料としては、アクチュエータ性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば何でも良い。通常、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウイスカー（気相成長炭素）、炭素（ナノ）繊維、活性炭素繊維、ナノ炭素粒子や金属（例えば白金、パラジウム、ルテニウム、銀、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、インジウム、イリジウム、チタン、アルミニウム等が挙げられるが特にこれに限定したものではない）粉（微粒子）、金属化合物（酸化すず、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化第二すず、ＩＴＯ等が挙げられるが特にこれに限定したものではない）、金属繊維、導電性セラミックス材料等の導電性材料を１種またはそれらの混合物として含ませることができる。これらの中で、導電性及び比表面積の観点より、ナノ炭素材料が好ましく、特に好ましくは、炭素ナノ粒子、ナノ炭素繊維、カーボンナノチューブである。また、カーボンナノチューブとイオン液体とのＣＮＴゲルはＣＮＴのバンドルがイオン液体との自己組織化により解けてＣＮＴが効果的に分散しているなどの利点があり、電極材料として極めて好適である。
【００５１】
ここで、カーボンナノチューブとは、グラファイトのシートが円筒状に丸まって構成されたものであり、その円筒径が１から１０ｎｍのものである。本発明に用いられるカーボンナノチューブは、グラフェンシートが筒形に巻いた形状から成る炭素系材料であり、その周壁の構成数から単層ナノチューブ（ＳＷＣＮＴ（ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ））と多層ナノチューブ（ＭＷＣＮＴ（ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ））とに大別され、様々のものが知られている。本発明には、このような所謂カーボンナノチューブと称されるものであれば、いずれのタイプのカーボンナノチューブも用いることができる。またさらに、ＳＷＣＮＴは炭素原子の並び方によって、金属的な性質のものと半導体的な性質のものが存在するが、電気泳動法などによって分離した金属型ＳＷＣＮＴだけを使用することもできる。
【００５２】
本発明で用いられるナノ炭素粒子とは、カーボンナノチューブ以外の、カーボンナノホーン、アモルファス状炭素、フラーレン等の炭素を主成分とするナノスケール（１０−６から１０−９ｍ）の粒子を言う。またカーボンナノホーンとは、グラファイトシートを円錐状に丸めた形状を持ち、先端が円錐状に閉じているカーボンナノ粒子をいう。
【００５３】
本発明で用いられるナノ炭素繊維とは、グラファイトのシートが円筒状に丸まって構成されたものであり、その円筒径が１０から１０００ｎｍのものであり、カーボンナノファイバとも呼ばれる。カーボンナノファイバとは、繊維径が７５ｎｍ以上で中空構造を有し、分岐構造の多い炭素系繊維である。市販品では、昭和電工（株）のＶＧＣＦ、ＶＧＮＦ等が挙げられる。
【００５４】
上記導電材料の添加量は、本発明に用いられる多層電極における前記導電材料の添加量は電極の重量に対して１重量％以上が好ましい。電極の重量に対して１重量％以上であると、アクチュエータの電極として機能しうる電気伝導性を付与することができるため好ましい。
【００５５】
導電層が、高分子バインダと、その中に分散されている上記導電材料とを含んでいる場合には、上記導電材料は均一に分散されていることがより好ましい。これにより、電位が均一にかかるためより好ましい。そのため、ボールミリング（ボールミル、振動ボールミル、遊星ボールミル等）、サンドミリング、コロイドミリング、ジェットミリング、ローラーミリング、Ｖ型混合機、Ｓ型混合機、擂かい機、あるいは攪拌器、ホモジナイザー、コロイドミル、フロージェットミキサー、ディゾルバー、超音波装置によって処理することによっても分散することができる。また、縦型あるいは横型のアジテーターミル、アトライター、コロイドミル、ボールミル、３本ロールミル、パールミル、スーパーミル、インペラー、デスパーサー、ＫＤミル、ダイナトロン、加圧ニーダー等の分散機を用いることも出来る。
【００５６】
導電層の厚みは、上記アクチュエータの屈曲変形を阻害しない限り特に限定されるものではないが、それぞれの導電層は、１μｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上２ｍｍ以下であることがより好ましく、１０μｍ以上５００μｍ以下であることがさらに好ましい。各導電層の厚みが、１μｍ以上であれば、アクチュエータの電極として電気電導性が十分に得られ好ましい。また、導電層の厚みが、５ｍｍ以下であれば、導電層が導電材料を含むことにより固くなったり、割れづらくなり、また屈曲変形をスムーズに行うことができ、好ましい。
【００５７】
導電層を構成する上記高分子バインダは、上記アクチュエータの屈曲変形に伴って変形可能な柔軟性を有する高分子バインダであれば特に限定されるものではないが、加水分解性が少なく、大気中で安定であることが好ましい。かかる高分子バインダとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー；ポリスチレン；ポリイミド；ポリパラフェニレンオキサイド、ポリ（２、６−ジメチルフェニレンオキサイド）、ポリパラフェニレンスルフィド等のポリアリーレン類（芳香族系ポリマー）；ポリオレフィン系ポリマー、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアリーレン類（芳香族系ポリマー）等に、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したもの；ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系のポリマー；含フッ素系のポリマーの骨格にスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したパーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカルボン酸ポリマー、パーフルオロリン酸ポリマー等；ポリブダジエン系化合物；エラストマーやゲルなどのポリウレタン系化合物；シリコーン系化合物；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタレート；ナイロン；ポリアリレート等を挙げることができる。また、導電性を有する高分子を用いることもでき、かかる高分子としては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン等を挙げることができる。なおこれらは単独あるいは複数を組み合わせて用いてもよく、また官能基化してもよいし、他のポリマーとの共重合体としてもよい。
【００５８】
これらの高分子バインダの中でも、特に好ましいポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ、ナフィオン）、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などが挙げられる。また、上記高分子バインダは、イオン伝導層と相溶性の高いポリマーであることが好ましい。これにより、イオン伝導層との、相溶性および接合性がより高いため、より強固な電極を構成することが可能となる。このためには、上記高分子バインダは、上記イオン伝導層を構成する高分子化合物と、同種、類似または同一のポリマー構造を有するポリマー、または、同種、類似または同一の官能基を有するポリマーであることが好ましい。
【００５９】
さらに、上記高分子バインダとしては、ゾル・ゲル法などで得られる高分子構造をもつ金属酸化物も用いることができる。かかる金属酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば、マンガン、ニッケル、コバルト、五酸化バナジウム系の金属酸化物を用いることができる。
【００６０】
本発明にかかるアクチュエータの多層電極は、上述したように、高分子バインダと、その中に分散されている上記導電材料とを含むことにより導電性が付与される。また用いられる電極の電気抵抗値は、１０００Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、１００Ω・ｃｍ以下であることがより好ましい。上記電極の電気抵抗値が１０００Ω・ｃｍ以下であることにより、電極に低い電圧を印加したときに、本発明のアクチュエータを屈曲させることができる。また、上記電極は、ソフトアクチュエータの機能に好ましくない影響を与えるものでない限り、高分子バインダおよび上記導電材料の他の成分を含有していてもよい。
【００６１】
（導電層における導電材料の配向方法）
導電層における導電材料の配向方法に関しては、特に限定されるものではなく、公知の技術を適宜、また場合によっては組み合わせて用いることができる。
【００６２】
例えば、本発明における導電性材料において、導電性材料を分散させた導電層の両端を固定し、機械的に延伸することによって配向させる方法がある。特に、ＣＮＴを高分子中に分散して延伸する方法としては、フラーレンナノチューブネットワーク・ニュースレター１９９９）ｐｐ．４１から４３に記載されている手法などを適宜利用できる。延伸倍率は特に制限されないが、通常、２から５０倍程度、さらには３から３０倍にするのが好ましい。また電場や磁場などの外場を用いて導電層における導電材料を配向させることもできる。特に、ＣＮＴ類の電場あるいは磁場を用いた配向は、膜の膜厚方向や膜面方向への配向を電場や磁場の印加方向を変えるだけで簡便に行えることが出来るなどの利点から幅広く検討されており、例えば、ＣＮＴゲルの電場配向手法は、特開２００４−３２３３４２号公報に開示されている方法が挙げられる。
【００６３】
またこれら電場・磁場配向方法は、延伸方法と組み合わせることができる。また、ラングミュア・ブロジェット（ＬＢ）法や、押出し成形技術や射出成形技術などによるせん断・流動配向法も好適に用いることもできる。さらに、せん断・流動配向手法の一つとして、マイクロ流路（数〜数百μｍの微細流路）内を流すことでも導電材料に配向性をもたせることができる。なお、これらの配向手法は配向の度合いを上げるために、適宜組み合わせて用いても良い。
【００６４】
（配向性および配向度について）
導電材料の配向性は、Ｘ線散乱測定や偏光分光測定により評価することができる。
Ｘ線散乱測定による配向評価は、導電層の導電材料に由来する散乱Ｘ線の散乱方位角分布の異方性によって判定できる。導電材料が繊維軸方向に高度に配向している場合は、導電材料に由来する散乱Ｘ線は繊維赤道方向に集中したストリーク状の散乱パターンとなる。一方、導電材料の配向が低い場合には、導電材料の散乱パターンの赤道方向異方性は小さくなり、無配向においては完全に等方的な散乱パターンを画く。このように、Ｘ線散乱パターンの方位角異方性から、導電材料の配向を評価することができる。
【００６５】
偏光分光測定とは偏光吸収スペクトルや偏光ラマンスペクトルなどから配向性および配向度を評価する手法のことである。例えば、偏光ラマンスペクトル測定でのＣＮＴの配向度（配向の度合い）測定を例にして説明する。
【００６６】
つまり偏光ラマン分光測定とは、入射レーザーを導電層における導電材料を配向させたい方向（膜厚方向に対して垂直な方向でかつ屈曲方向への配向もしくは膜厚方向への配向方向）、Ａ軸とそれとは直交する方向、Ｂ軸から照射したときのＣＮＴ由来のラマンスペクトルにおいて、下記式（１）
【００６７】
【数１】
2010158103.tif 000004
【００６８】
（Ｐは配向度、Ｘはレーザー偏光面をＡ軸と平行に配置した場合のＧバンド強度、Ｙはレーザー偏光面をそれとは直交する方向（Ｂ軸）配置した場合のＧバンド強度を示す。）
で表される配向度Ｐにて配向性を評価する方法である。
【００６９】
本発明では配向度Ｐが０以上０．６以下を満たすことが好ましい。なお、配向度Ｐはナノチューブを配向させたい方向にすべて並ばせられた場合にはＰ＝０に漸近し、ランダムな配向ではＰ＝１となる。Ｐの値の上限としてより好ましくは０．２、さらに好ましくは０．１であり、０に近いほど好ましい。Ｐの値が０．６を超えると配向が不十分であるため好ましくない。
【００７０】
（アクチュエータの作製方法）
本発明で用いるイオン伝導層の作製方法については特に制限はない。イオン伝導層が、非イオン性高分子化合物とイオン液体から構成される場合を例にとって示せば、例えば加熱下においてイオン液体と高分子成分を機械的に混練し、ついで成形する方法；イオン液体及び高分子成分を適当な溶媒に溶解させた後に溶媒を除去し、ついで成形する方法；高分子成分にイオン液体を含浸させ、ついで成形する方法；イオン液体中で高分子成分の製造に用いるモノマーを重合開始剤の存在下に反応させ、ついで成形する方法等が挙げられる。これらは目的に応じ、適宜選択することができる。上記で、イオン液体及び高分子成分を適当な溶媒に溶解させた後に溶媒を除去する方法における溶媒としては、例えばテトラヒドロフラン（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｒａｎ、ＴＨＦ）、メチルエチルケトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルアセトアミド（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｃｅｔａｍｉｄｅ、ＤＭＡｃ）等を用いることができる。
【００７１】
本発明で用いる導電層の作製方法についても特に制限はなく、例えば、イオン伝導層を作製する場合と同様の手法などで対応するフィルムやペーストを作製し、それを上述した配向手法により適宜、配向させることで行うことができる。
【００７２】
本発明にかかるアクチュエータの作製方法は、上記アクチュエータを作製することができる方法であればどのような方法であってもよいが、上記で得られた導電層を複数重ね、さらに上記イオン伝導層を挟んで加熱プレス（ホットプレス、熱圧着）する方法を好適に用いることができる。なお、ここで、「加熱プレスする」とは、加熱しながらプレスすること、及び、プレスした状態で昇温することの両方法を含む。
【００７３】
加熱プレスの温度やプレス圧、時間は、上記高分子バインダの分解温度以下であれば特に限定されるものではなく、用いる高分子バインダ、アクチュエータを構成する高分子化合物、移動するイオン種等に応じて適宜選択すればよい。例えば、加熱プレスの温度は、３０から１５０℃であることが好ましい。また、プレス圧は１から１００ｋｇ／ｃｍ２であることが好ましく、１０から５０ｋｇ／ｃｍ２であることがより好ましい。
【００７４】
アクチュエータ膜に、水、上記イオン導電物質、上記イオン液体、またはこれらの混合物をアクチュエータ素子作製後に含ませる場合には、これらの溶液にアクチュエータ膜を含浸させればよい。ここで、含浸させる溶液の濃度、含浸させる時間は、特に限定されるものではなく、従来公知の方法を用いればよい。
【００７５】
なお、イオン伝導層表面への導電層の形成は少なくとも２層必要であるが、平面状のイオン伝導層の表面に多数の導電層を配置することにより、複雑な動きをさせることも可能である。このような素子により、蠕動運動による運搬や、マイクロマニピュレータなどを実現可能である。また、本発明のアクチュエータの形状は、平面状とは限らず、任意の形状の素子が容易に製造可能である。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。
（アクチュエータの変位量・発生力の測定）
図２に示すように、アクチュエータを幅１ｍｍ（Ｗ）×長さ１５ｍｍ（Ｌ）×所定の膜厚（Ｄ）の短冊状に切断し、端３ｍｍの部分を、固定器具６の白金電極付きホルダーでつかんで、空気中で（空気中駆動）、電圧を印加する。アクチュエータの駆動に関しては、レーザー変位計を用いて固定端から１０ｍｍの位置（ＭＰ）の変位を測定する（Ｌ１が１０ｍｍ）。発生力の測定は、前記アクチュエータの先端部の動作を、ロードセルで計測することで行う。
【００７７】
実施例１
＜図１における導電層２０１、２１１がランダム配向、導電層２０２、２１２が膜面方向に配向＞
イオン伝導層は、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ＰＶＤＦ−ＨＦＰ（１００ｍｇ、高分子バインダ）を、テトラヒドロフラン（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ、ＴＨＦ）／アセトニトリル（５／１）および１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、ＢＭＩＢＦ４（１００ｍｇ、イオン液体）と８０℃で加熱混合した後キャストし、続いて乾燥することで成膜する。
【００７８】
導電層２０１、２１１は、まず直径約１ｎｍ、長さ１μｍのＳＷＣＮＴ（５０ｍｇ、導電材料、Ｕｎｉｄｙｍ社製「ＨｉＰｃｏ」）とＢＭＩＢＦ４（１００ｍｇ）と、ジメチルアセトアミド（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｃｅｔａｍｉｄｅ、ＤＭＡｃ）１ｍＬとをボールミル処理を３０分間行い、ＰＶＤＦ−ＨＦＰ  ８０ｍｇを添加後さらに３０分間ボールミル処理することでＣＮＴゲルの黒色のペーストを得る。この黒色ペーストをテフロン（登録商標）シートの上にキャスト続いて乾燥して導電層を得る。対応する導電層を半分に切断することで導電層２０１、２１１を用意する。
【００７９】
導電層２０２、２１２は同様に、上記黒色ペーストを作製した後、このペーストを図３に示すようなガラス製治具９の凹部８に一様に塗布し、次に電場印加用電極を、ＣＮＴゲルペーストの膜面方向の両端に配置した状態で１０Ｖ／ｃｍの直流電場を１０秒から３００秒間印加することで、膜面方向への配向異方性を付与する（図４参照）。この時、ペーストはバインダーポリマーのガラス転移点以上に暖めてから電圧を印加する。
【００８０】
ＣＮＴの配向変化は、電気抵抗値の変化としてモニターすることができる。つまり、４端子法により電気抵抗値を測定するために、ガラス基板上に、金を蒸着により、電極の幅１ｍｍ、電極間の間隔幅２ｍｍ、中央の間隔幅は１ｍｍとなるように４本の線状の電極を形成した。これら４本の電極全てをまたがるように上記黒色ペーストを塗布する。その結果を図６に示すが、上記黒色ペーストの両端から電場を印加するにつれて電気抵抗値が大きく低下することが確認され、電場印加時にはＣＮＴゲルペースト中のＣＮＴが電場印加方向と同じ方向に配向することが確認される。電圧印加後は０℃に急冷しながら、素早く溶媒を乾燥し、その後、電場印加方向が長尺方向となるように膜を裁断することで、膜面方向でかつ屈曲方向にＣＮＴの配向異方性を持たせた導電層２０２、２１２を得ることができる。なお、上記電場配向した層の偏光ラマンスペクトル測定での膜面方向でかつ屈曲方向へのＣＮＴの配向度Ｐは０．３である。
【００８１】
上記で得られた導電層２０１、２１１でイオン伝導層を挟み、また最外層にさらに導電層２０２、２１２を積層させた後、この積層物を４０℃に加熱した加熱プレスを用いて、加圧力０．４ＭＰａで１分間熱圧着させ、さらに得られたアクチュエータを真空乾燥することで図１に示すような多層電極アクチュエータを作製することができる。なお、厚みは１１５μｍ（イオン伝導層の厚みは１５μｍでそれぞれの導電層の厚みは２５μｍ）である。
【００８２】
比較例１
＜図８における電極（導電層）２つが膜面でかつ屈曲方向に配向＞
イオン伝導層は、実施例１と同様に作製する。また導電層は、実施例１において導電層２０２、２１２を作製した手法と同様に作製する。ただし、膜厚は二倍になるように調整する。この場合においても、電場印加により膜面方向で実施例１の導電層２０２、２１２と同様の抵抗の低下が観察でき、導電層２０２、２１２と同様に導電材料を膜面方向に異方配向性させた電極を作製することができる。なお、上記電場配向した層の偏光ラマンスペクトル測定での膜面方向でかつ屈曲方向へのＣＮＴの配向度Ｐは０．３である。
【００８３】
上記で得られた導電層のフィルムを半分に切断した後、イオン伝導層の上下に一層ずつ配置し、この積層物を９０℃に加熱したホットプレスを用いて、加圧力０．４ＭＰａで１分間熱圧着させ、さらに真空乾燥することで対応するアクチュエータが得られる。なお、厚みは１１５μｍ（イオン伝導層と導電層の厚みはそれぞれ１５μｍ、１００μｍ）になるように作製する。
【００８４】
（実施例１および比較例１のアクチュエータ性能比較）
実施例１および比較例１のアクチュエータの両側電極間に±３．０Ｖ、０．１Ｈｚの交流電位を印加し、上記したような測定方法及び測定装置を用いてそれぞれについての性能を測定すると、次の表１に示すような結果が得られる。
【００８５】
【表１】
2010158103.tif 000005
【００８６】
表１から、電極が多層構造にしていない電極層で構成され、またその導電層が膜面でかつ屈曲方向に配向させて作製した比較例１のアクチュエータに比べ、電極を多層構造にし、図１における導電層２０１、２１１がランダム配向、導電層２０２、２１２（最外層）が膜面でかつ屈曲方向に配向させて作製した実施例１のアクチュエータは、比較例１に比べはるかに大きな発生力が得られ、また、変位量に関しても、比較例１よりも低下することはないことが確認される。
【００８７】
実施例２
＜図１における導電層２０１、２１１が膜厚方向に配向、導電層２０２、２１２が膜面でかつ屈曲方向に配向＞
実施例１と同様にして、対応するイオン伝導層および膜面でかつ屈曲方向に配向異方性を有する導電層２０２、２１２を得る。
【００８８】
また、膜厚方向への配向異方性の付与した導電層の作製には、実施例１と同様の電場印加手法を用いるが、次に図５に示す、電場印加方向を電気抵抗値測定方法と直交方向に印加して行う以外は同じ方法で行う。
【００８９】
電界印加前後でのＣＮＴゲルの電気抵抗値を測定すると、図７に示す通り電気抵抗値が電界印加前より大きく上がることから、電気抵抗値の測定方向と直交した方向にＣＮＴの配向異方性が行えることが確認され、膜厚方向に配向異方性を有する導電層２０１、２１１が得られる。なお、上記電場配向した層の偏光ラマンスペクトル測定での膜厚方向へのＣＮＴの配向度Ｐは、０．４である。
【００９０】
上記で得られた導電層２０１、２１１でイオン伝導層を挟み、またその導電層２０１、２１１の最外層にさらに導電層２０２、２１２を積層させた後、この積層物を４０℃に加熱したホットプレスを用いて、加圧力０．２ＭＰａで２分間熱圧着させ、さらに得られたアクチュエータを真空乾燥することで図１に示すような多層電極アクチュエータを作製することができる。なお、厚みは１１５μｍ（イオン伝導層の厚みは１５μｍでそれぞれの導電層の厚みは２５μｍ）になるように作製する。
【００９１】
比較例２
＜図８における電極（導電層）２つがランダム配向＞
イオン伝導層は、実施例１と同様に作製する。また導電層に関しても、実施例１において導電層２０１、２１１を作製した手法と同様に作製する。ただし、膜厚は二倍になるように調整する。なお、上記電場配向した層の偏光ラマンスペクトル測定でのＣＮＴの配向度Ｐは１である。
【００９２】
（実施例２および比較例２のアクチュエータ性能比較）
実施例２および比較例２の供試サンプルに、アクチュエータの両側電極間に±３．０Ｖ、０．１Ｈｚの交流電位を印加し、上記したような測定方法及び測定装置を用いてそれぞれについての性能を測定すると、次の表２に示すような結果が得られる。
【００９３】
【表２】
2010158103.tif 000006
【００９４】
表２から、電極が多層構造にしていない電極層で構成され、またその導電層がランダム方向に配向させて作製した比較例２のアクチュエータに比べ、電極を多層構造にし、図１における導電層２０１、２１１が膜厚方向に配向、導電層２０２、２１２が膜面でかつ屈曲方向に配向させて作製した実施例２のアクチュエータは、比較例２に比べはるかに大きな発生力が得られ、また、変位量に関しても、いずれの比較例よりも低下することはないことが確認される。
【００９５】
またさらに、表１に示す実施例１で作製したアクチュエータと実施例２のアクチュエータの性能を比較すると、実施例２のアクチュエータの方が大きな発生力が得られ、また、変位量に関しても、比較例１，２よりも低下することはないことから、イオン伝導層の隣に配置させた導電層２０２、２１２がランダムではなく、膜面でかつ屈曲方向に配向させた構成にすることで、その性能が向上することが確認される。なお、比較例２と比較例１の結果から、導電層の配向をランダム（ＲＵＮ３）ではなく、膜面でかつ屈曲方向に配向させた場合（ＲＵＮ４）には、発生力は若干向上するが、実施例１、２のようにアクチュエータを構成した場合に比べるとその効果は低く、また、変位量の大きな低下を伴うことが確認できる。
【００９６】
実施例３
＜図１における導電層２０１、２１１、２０２、２１２がランダム配向、さらに導電層２０２、２１２の外側に膜面でかつ屈曲方向に配向した導電層２Ｃ、２ｃを配置＞
イオン伝導層として陽イオン交換樹脂を用いた。膜状フッ素樹脂系イオン交換樹脂（パーフルオロスルホン酸樹脂、イオン交換容量１．４ｍｅｑ／ｇ）を、この陽イオン交換樹脂を良溶媒であるメタノール中に２０℃で１時間以上浸漬し、その後、酢酸ナトリウム溶液および純水で洗浄を行った。
【００９７】
導電層として、導電性高分子ポリアニリン（パニポール製）のトルエン溶液１００ｍＬにＶＧＣＦ（昭和電工製）と活性炭（クラレケミカル製）、第四級アンモニウムヘキサフルオロホスフェート塩（東洋合成製）および白金ナノ粒子（平均粒度分布５ｎｍ／動的光散乱法）をそれぞれの配合割合が１０：５：３：３：０．３になるように加え、超音波攪拌を３０分行う。その後、得られたペーストの一部をキャストし乾燥することで、ランダム配向の導電層２０１、２１１および導電層２０２、２１２を得る。また残りのペーストを、射出成形機を用いて射出し、得られた成形物を真空乾燥した後に、小型延伸機を用いて８０℃で一軸延伸した。その結果、延伸前の２．５倍に引き伸ばされた導電層２Ｃ、２ｃ（膜面方向でかつ屈曲方向への配向度Ｐは０．５）が得られる。
【００９８】
得られたイオン伝導層と導電層２０１、２１１、２０２、２１２を実施例１のように積層した後、さらに導電層２０２、２１２の外側に膜面でかつ屈曲方向に配向した導電層２Ｃ、２ｃを積層し、この積層物を３０℃に加熱したホットプレスを用いて、熱圧着させ、さらに真空乾燥し、その後純水を浸すことで片側３層の導電層で電極を形成した多層電極アクチュエータを作製することができる。なお、厚みは１２０μｍ（イオン伝導層の厚みは２０μｍで導電層の厚みは導電層２０１、２１１、２０２、２１２がそれぞれの１５μｍ、導電層２Ｃ、２ｃが２０μｍ）になるように作製する。
【００９９】
比較例３
＜図１における導電層２０１、２１１がランダム配向、導電層２０２、２１２が膜面でかつ屈曲方向に配向、さらに導電層２０２、２１２の外側にランダム配向した導電層２Ｃ、２ｃを配置＞
実施例３と同様にイオン伝導層および導電層を作製する。ただし、導電層に関しては、実施例３における導電層２０１、２１１と同様に作製したランダム配向した導電層２０１、２１１を比較例３においても図１におけるイオン伝導層の隣に配置した。また実施例３における導電層２０２、２１２と同様に作製したランダム配向した導電層２Ｃ、２ｃは比較例３においては、最外の導電層とした。さらに実施例３における導電層２Ｃ、２ｃと同様に作製したランダム配向した導電層２０２、２１２は比較例３においては、導電層２０１、２１１と導電層２Ｃ、２ｃの間に配置させて対応するアクチュエータを作製する。なお、厚みは１２０μｍ（イオン伝導層の厚みは２０μｍで導電層の厚みは導電層２０１、２１１、２Ｃ、２ｃがそれぞれの１５μｍ、導電層２０２、２１２が２０μｍ）になるように作製する。
【０１００】
（実施例３および比較例３のアクチュエータ性能比較）
実施例３および比較例３の供試サンプルに、アクチュエータの両側電極間に±３．０Ｖ、０．１Ｈｚの交流電位を印加し、上記したような測定方法及び測定装置を用いてそれぞれについての性能を測定した。変位量増加割合および発生力増加割合を、それぞれ、変位量増加割合＝実施例の測定値（ｍｍ）÷比較例の測定値（ｍｍ）および、発生力増加割合＝実施例の測定値（Ｎ）÷比較例の測定値（Ｎ）で算出する。その結果表３に示す結果が得られる。
【０１０１】
【表３】
2010158103.tif 000007
【０１０２】
表３から、図１における導電層２０１、２１１、２０２、２１２がランダム配向、さらに導電層２０２、２１２の外側に膜面でかつ屈曲方向に配向した導電層２Ｃ、２ｃを配置作製した実施例３の、片側３層の導電層で電極を形成した多層電極アクチュエータ（最外層に膜面でかつ屈曲方向に配向した導電層）の性能は、図１における導電層２０１、２１１がランダム配向、導電層２０２、２１２が膜面でかつ屈曲方向に配向、さらに導電層２０２、２１２の外側にランダム配向した導電層２Ｃ、２ｃを配置させた比較例（３層導電層のうちの中間層に膜面でかつ屈曲方向に配向した導電層）のアクチュエータに比べ大きな発生力が得られ、また、変位量に関しても、比較例よりも向上することが確認される。つまり、膜面でかつ屈曲方向に配向した導電層は最外層に配置させるのが効果的であることが確認される。
【０１０３】
実施例４
＜図１における導電層２０１、２１１、２１２がランダム配向、導電層２０２が膜面でかつ屈曲方向に配向＞
導電層２０１、２１１を、ＳＷＣＮＴの活性剤水溶液を吸引ろ過しながら押し固めた自立フィルムに１−エチル−３−メチルイミダゾリウム・テトラフルオロボレートを含浸させることでランダム配向の導電層を作成した。一方、導電層２０２として、ケブラー（ハミロン製）にケッチェンブラック（ケッチェン・ブラック・インターナショナル製）およびＭＷＣＮＴと第四級アンモニウムヘキサフルオロホスフェート塩（東洋合成製）をそれぞれの配合割合が１０：３：３：９になるように加え、ボールミリング攪拌を９０分行う。そのペーストの一部をキャスト成型し、ランダム配向の導電層２１２を得る。また残りのペーストを、市販のテフロン（登録商標）チューブ（口径１００μの流路）中で８時間循環させて得られたペーストを素早く押出し成形機を用いて押出し、得られた成形物を真空乾燥した。その結果、導電層２０２（膜面方向でかつ屈曲方向への配向度Ｐは０．３）が得られる。
【０１０４】
得られたイオン伝導層と導電層を実施例１のように積層し、この積層物を４０℃に加熱したホットプレスを用いて、熱圧着させ、さらに得られたアクチュエータを真空乾燥することで図１に示すような多層電極アクチュエータを作製することができる。なお、厚みは１００μｍ（イオン伝導層の厚みは２０μｍで導電層の厚みは導電層２０１、２１１がそれぞれの２５μｍ、導電層２０２、２１２が１５μｍ）になるように作製する。
【０１０５】
比較例４
＜図１における導電層２０１、２１１、２０２、２１２がランダム配向＞
実施例４において導電層２０１、２１１、２１２を作製した手法と同様に４層の導電層（２０１、２１１、２０２、２１２）を作製する以外は実施例４と同様に行い、対応するアクチュエータを作製する。なお、導電層の厚みは導電層２０１、２１１がそれぞれの２５μｍ、導電層２０２、２１２が１５μｍになるように作製する。
【０１０６】
（実施例４および比較例４のアクチュエータ性能比較）
実施例４および比較例４の供試サンプルに、アクチュエータの両側電極間に±３．０Ｖ、０．１Ｈｚの交流電位を印加し、上記したような測定方法及び測定装置を用いてそれぞれについての性能を測定した。変位量増加割合および発生力増加割合を、それぞれ、変位量増加割合＝実施例の測定値（ｍｍ）÷比較例の測定値（ｍｍ）および、発生力増加割合＝実施例の測定値（Ｎ）÷比較例の測定値（Ｎ）で算出する。その結果表４に示す結果が得られる。
【０１０７】
【表４】
2010158103.tif 000008
【０１０８】
表４から、比較例４のアクチュエータに対し、実施例４のアクチュエータは、比較例４に比べはるかに大きな発生力が得られ、また、変位量に関しても、比較例４よりも低下することはない。つまり、図１における導電層２０１、２１１、２１２がランダム配向、導電層２０２が膜面でかつ屈曲方向に配向させ、片側の電極の最外導電層に膜面でかつ屈曲方向に配向させた導電層を配置させることでも効果が得られることが確認できる。
【０１０９】
以上に示した表１から表４の結果より、本発明は、大幅な変位量の低下を招くことなく、発生力を効果的に向上することができるアクチュエータを提供することができ、これらアクチュエータは有用に利用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明のアクチュエータは、変位量の低下を伴うことなく、ソフトアクチュエータに大きな発生力を付与することができるため、柔軟性や安全性が必要な人と接するロボットのアクチュエータ（例えば、ホームロボット、ペットロボット、アミューズメントロボットなどのパーソナルロボットのアクチュエータ）、や各種機械類の駆動源、さらには、手術デバイスやマッスルスーツなどの医療、福祉用ロボット、さらにはマイクロマシーンなどのためのアクチュエータとして最適である。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明に係るアクチュエータの一実施態様を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係るアクチュエータの実施例及び比較例それぞれに関して行った各供試サンプルの性能測定装置を説明する概略斜視図である。
【図３】実施例１のＣＮＴ（カーボンナノチューブ）を配向させるガラス製治具を説明する図である。
【図４】実施例１のＣＮＴの電圧印加方向への配向（膜面方向）を説明する図である。
【図５】実施例２のＣＮＴの電圧印加方向への配向（膜厚方向）を説明する図である。
【図６】実施例１のＣＮＴの電圧印加方向への配向（膜面方向）させるように電場を印加した場合の結果を表すグラフである。
【図７】実施例２のＣＮＴの電圧印加方向への配向（膜厚方向）させるように電場を印加した場合の結果を表すグラフである。
【図８】従来のイオン伝導型ソフトアクチュエータの断面図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１  多層電極ソフトアクチュエータ
２０、２１  多層電極
２０００、２００１  電極
２０１、２０２、２１１、２１２  導電層
３０、３００  イオン伝導層
４０、４００  電源
５０、５００  リード線
６  固定器具
７  直流電源付金属電極
８  凹部
９  ガラス製治具
１０  電界印加に伴って揃っているカーボンナノチューブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010158103.tif 000011
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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