(57)【要約】  空気中などの気体中（乾式）で、素早く、繰り返し伸張、収縮、変形することができる高分子フィルム又は繊維であって、その変形率が４％以上の高分子フィルム又は繊維を提供する。  外部刺激により伸縮する高分子フィルムを用いた高分子アクチュエータにおいて、前記高分子フィルムは湿度および／又は温度が調節された環境下に設ける。前記高分子フィルムは、外部刺激による水分子の吸脱着で伸縮し、相対湿度が８０％から１００％の範囲内で調節されていることが好ましい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部刺激により伸縮する高分子フィルムを用いた高分子アクチュエータにおいて、
前記高分子フィルムは湿度および／又は温度が調節された環境下に設けられていることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記高分子フィルムは、外部刺激による水分子の吸脱着で伸縮す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。
【請求項３】
相対湿度が８０％から１００％の範囲内で調節されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記温度が室温から５０℃の範囲内で調節されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記外部刺激が電圧であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
印加する電圧が、１Ｖから１８Ｖの範囲内であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記高分子フィルムは、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項８】
前記（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）には、エチレングリコールが１％から１０％の範囲内で添加されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の高分子アクチュエータを備えた点字ディスプレイ、又は現金自動支払機。
【請求項１０】
外部刺激による水分子の吸脱着で伸縮する高分子フィルムにおいて、
前記高分子フィルムは湿度および／又は温度の調節された環境下に設けられ、前記外部刺激により前記高分子フィルムの弾性率を変化せしめることを特徴とする高分子フィルムの弾性率の制御方法。
【請求項１１】
前記外部刺激が電圧であることを特徴とする請求項１０に記載の高分子フィルムの弾性率の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子フィルム又は繊維に外部刺激を与え、これにより分子の吸脱着を発生させ高分子フィルム又は繊維を変形せしめる方法及びこの方法を利用した高分子アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子フィルム又は繊維の外部刺激による変形方法は、本発明の発明者である奥崎秀典氏等により、下記の特許文献として開示されている。下記の特許文献においては、高分子フィルム又は繊維を用い、電気刺激による分子の吸脱着によって、気体中でピロール系高分子フィルム又は繊維を伸縮または屈曲せしめる方法が開示されている。【０００３】
下記の特許で開示されている高分子フィルム又は繊維の伸縮率は、特許文献１（特許第３１３１１８０号公報）の図３又は図４、あるいは特許文献２（特許第３１０２７７３号公報）の図４、図５から、概ね１．５％〜２％程度である。即ち、下記の特許により提供される高分子フィルム又は繊維の変形率は、最大でも２％程度である。一方、特許文献４に開示される高分子フィルムは最大で４０％もの伸縮率を示すが、４０％の伸縮率を実現するためには、高分子フィルムを紙バネ形状、板バネ形状等に変形させる必要がある。また、４０％の伸縮率を使って、例えば点字ピンのような負荷を動かす力はなく、あくまでもその形状が変化することにより伸縮するのみであり、これをアクチュエータとして利用することは難しいという問題がある。【０００４】
【特許文献１】特許第３１３１１８０号公報
【特許文献２】特許第３１０２７７３号公報
【特許文献３】特許第３０３９９９４号公報
【特許文献４】国際公開第２００６−０２５３９９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、２％程度の変形率では、高分子フィルムを点字装置等のアクチュエータとして利用することは難しい。これは、その程度の伸縮では視覚障害者がその変化を指触で十分に認識できないためである。また、開閉装置への応用の場合にあっては、十分な開閉度が確保できないという問題がある。即ち、特許文献１〜特許文献４で開示された技術を実際の製品に適用するには、開示されている技術では、必ずしも十分な伸縮率が確保できないという問題がある。【０００６】
そこで、本発明は、従来技術の問題点である２％以下の変形率しか実現できないといった課題を解決する目的でなされたものである。即ち、本発明の目的は、従来の外部刺激により空気中などの気体中（乾式）で、素早く、繰り返し伸張、収縮、変形することができる高分子フィルム又は繊維であって４％以上の変形率を実現することのできる高分子フィルム又は繊維の変形方法、及びそれを用いた高分子アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、外部刺激により伸縮する高分子フィルムを用いた高分子アクチュエータにおいて、前記高分子フィルムは湿度および／又は温度が調節された環境下に設けられていることを特徴とする。ここで、前記高分子フィルムは、外部刺激による水分子の吸脱着で伸縮することを特徴とする。このため、相対湿度が８０％から１００％の範囲内で調節されていることは好ましい。また、前記温度が室温から５０℃の範囲内で調節されていることは好ましい。５０℃前後であれば高分子フィルムが焼損することもなく、また温度の制御が比較的容易なためである。【０００８】
前記外部刺激が電圧であることは好適である。また、印加する電圧が、１Ｖから１８Ｖの範囲内であることは好ましい。電圧は簡便に制御可能な外部刺激だからである。【０００９】
前記高分子フィルムは、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）であることは好ましい。また、前記（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）には、エチレングリコールが１％から１０％の範囲内で添加されていることは好ましい。エチレングリコールの添加により導電性が向上し、これが高分子フィルムの伸縮率の向上に貢献するためである。【００１０】
本発明は、前記高分子アクチュエータを備えた点字ディスプレイ、又は現金自動支払機であることを特徴とする。【００１１】
本発明は、外部刺激による水分子の吸脱着で伸縮する高分子フィルムにおいて、前記高分子フィルムは湿度および／又は温度の調節された環境下に設けられ、前記外部刺激により前記高分子フィルムの弾性率を変化せしめることを特徴とする。また、前記外部刺激が電圧であることは好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、従来の外部刺激による分子の吸脱着によって高分子フィルム又は繊維を４％以上変形させることができる。この結果、高分子フィルム又は繊維を使った変位の大きなアクチュエータを作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）の構造式
【図２】種々の相対湿度（３０，５０，７０，９０％ＲＨ）におけるＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの電気収縮挙動を示したグラフ。
【図３】各相対湿度おけるＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの電気収縮長と応答速度を示したグラフ。
【図４】ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの吸着等温線（２５℃）を示したグラフ。
【図５】ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの湿度応答特性を示したグラフ。
【図６】電圧印加によるヤング率の湿度による効果を示したグラフ。
【図７】種々の温度（５，２５，４５℃）におけるＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの電気収縮挙動を示したグラフ。
【図８】各温度におけるＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの電気収縮挙動と応答速度を示したグラフ。
【図９】４５℃，９０％ＲＨにおけるＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの電気収縮挙動を示したグラフ。
【図１０】ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの電気収縮挙動における温湿度の相乗効果を示したグラフ。
【図１１】ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの応答速度における温湿度の相乗効果を示したグラフ。
【図１２】ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの電気収縮挙動における繰り返し性と耐久性を示したグラフ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、最も原理的に表現すれば、高分子フィルム又は繊維を設置する環境を制御することにより、高分子フィルム又は繊維の伸縮を増大させるものである。特に、高分子フィルム又は繊維が設けられている環境の相対湿度を制御することで大きな伸縮を実現することを見いだしたものである。また、高分子フィルム又は繊維の設けられている環境温度を湿度との関係で制御することで、伸縮速度の高速化を可能とすることを見いだしたものである。【００１５】
ここで高分子フィルムおよび繊維とは、中性高分子、高分子電解質、導電性高分子をいう。中性高分子としては、セルロース、セロファン、ナイロン、ポリビニルアルコール、ビニロン、ポリオキシメチレン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルフェノール、ポリ２-ヒドロキシエチルメタクリレートおよびこれらの誘導体から選択される少なくとも１つが挙げられる。【００１６】
高分子電解質としては、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸などのポリカルボン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ２-アクリルアミド-２-メチルプロパンスルホン酸、ナフィオンなどのポリスルホン酸、ポリアリルアミン、ポリジメチルプロピルアクリルアミドなどポリアミンとその四級化塩およびこれらの誘導体から選択される少なくとも１つが挙げられる。【００１７】
導電性高分子としては、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリフェニレン、ポリフラン、ポリセレノフェン、ポリテルロフェン、ポリイソチアナフテン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリナフタレン、ポリアントラセン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリフルオレン、ポリピリジン、ポリキノリン、ポリキノキサリン、ポリエチレンジオキシチオフェンおよびこれらの誘導体から選択された少なくとも１つが挙げられる。【００１８】
これらの高分子フィルムおよび繊維は、キャスト法、バーコーティング法、スピンコーティング法、スプレー法、電解重合法、化学的酸化重合法、溶融紡糸法、湿式紡糸法、固相押出法、エレクトロスピニング法から選択された少なくとも１つの手法を用いて作製することができる。【００１９】
これら高分子の吸湿性や電導度を上げるために、ドーパントをドープすることは好適である。ドーパントとしては、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、ヨウ素、臭素、フッ化ヒ素、過塩素酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、アルキルベンゼンスルホン酸、アルキルスルホン酸、パーフルオロスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸イミド、シュウ酸、酢酸、マレイン酸、フタル酸、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸及びこれらの誘導体、カーボンブラック、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン等の炭素系添加物、鉄、銅、金、銀等の金属から選択された少なくとも１つが挙げられる。中でも、高い電導度と安定性、再現性に優れている、ポリ（４−スチレンスルホン酸）をドープしたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）のキャストフィルムが好適である。【００２０】
外部刺激による高分子フィルム又は繊維の分子吸脱着法としては、ニクロム線やトーチ、バーナー、赤外線照射やレーザー照射、マイクロ波照射による加熱、真空ポンプやアスピレーターによる減圧、直流波や交流波、三角波、矩形波およびパルス波などの電圧印加によるジュール加熱から選択される少なくとも１つが挙げられる。中でも、簡便であり制御性に優れた直流電圧が好ましい。以下、実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
高分子フィルムの材料として、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）（以下、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）を用いた。その構造式を図１に示す。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ水溶液（Ｂａｙｔｒｏｎ  Ｐ  ＡＧ，Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ）に対してドデシルベンゼンスルホン酸（ソフト型）（東京化成工業）を０．０１ｗｔ％ビーカーに秤量し、それにエチレングリコール（東京化成工業）を３ｗｔ％加え、マグネティックスターラーでよく撹拌した。これにＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ水溶液を加えて、マグネティックスターラーで約１０分間均一に混ざるまで撹拌した。混合溶液をピペットで取り、気泡を生じさせないように静かにテフロン（登録商標）シャーレ（直径φ１０５）にＰＥＤＯＴ／ＰＳＳが９．００ｇになるように計り取った。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ水溶液の溶媒である水と、加えたＥＧを蒸発させるため、乾燥と熱処理を行った。乾燥オーブン（ＮＤＯ−４００Ｗ，ＥＹＥＬＡ）で６０℃、６時間乾燥させ、真空オーブン（ＡＤＰ２００，ヤマト科学工業）で１６０℃、１時間熱処理し、キャストフィルムを作製した。【００２２】
［電導度の測定］
作製したキャストフィルムの電導度測定を次のようにして測定した。プローブ間隔１．５ｍｍの四探針プローブ（ＭＣＰ−ＴＰ０６Ｐ，三菱化学）をスタンドにクランプで固定し、デジタルマルチメータ（Ｍｏｄｅｌ  Ｎｏ．２０００，ＫＥＩＴＨＬＥＹ）に接続させた。ラボジャッキを用いて作製したＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムを持ち上げ、四探針プローブに直接押し当て、そのときの抵抗を四探針法にて測定した。このとき、測定するフィルムは十分大きな面積のものを用いた。四探針法で得られた抵抗値を用い、数１に示す近似式によって電導度σ（Ｓ／ｃｍ）を算出したところ、１７５Ｓ／ｃｍであった。【００２３】
【数１】
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σ：電導度（Ｓ／ｃｍ）
Ｒ：抵抗値（Ω）
ｄ：試料の膜厚（ｃｍ）【００２４】
［引張試験］
次に、引張試験を次のようにして行った。引張試験機ＥＺ−ＴＥＳＴ（島津製作所）及び解析ソフトＴｒａｐｅｚｉｕｍ２（島津製作所）を使用し、作製したＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの引張試験を行った。カッターナイフの刃を直接押し当てハンマーを用いて打ち抜くことで、フィルムを幅２ｍｍに切り出した。切り出したフィルムをチャック間２０ｍｍにあわせた台紙に張り付け、両側をセロファンテープで固定させて測定サンプルを作製した。台紙に貼付けたフィルムの膜厚をマイクロメータ（ＩＰ５６，ミツトヨ）で測定し、フィルム幅をカセットメータ（ＴＭ−５００，ミツトヨ）で正確に測定した。キャリブレーションをかけた引張試験機のチャックに測定サンプルを取付け、台紙の真中をはさみで切った。試験条件を解析ソフトに入力してロードセルの位置を調節し、フィルムが引っ張られた状態でゼロ点合わせをして、試料幅２ｍｍ、チャック間隔２０ｍｍ、歪み速度１０％／ｍｉｎ、サンプリングタイム０．０５ｓｅｃの条件で引張試験を行った。測定は３０℃，５０％ＲＨの雰囲気下で行った。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムのヤング率は２ＧＰａ、切断強度は５７ＭＰａ、切断伸度は６％であった。【００２５】
［相対湿度の効果］
次に、相対湿度の効果をみるため、次のようにして伸縮率の測定を行った。作製したキャストフィルム（膜厚１０μｍ）を長さ５０ｍｍ、幅２ｍｍに切り出した。切り出したＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムを、伸縮率を測定する測定装置の金メッキを施したチャックにはさみ、チャック間が５０ｍｍになるように固定した。直流安定化電源（ＭＳＡＺ３６，日本スタビライザー工業）を用いてチャック間に直流電圧を印加し、恒温恒湿槽（ＫＣＬ−２０００Ｗ，ＥＹＥＬＡ）を用いて周囲湿度を変化させ、フィルムの伸縮挙動を測定した。伸縮挙動は変位センサー（ＥＸ−４１６Ｖ，ＫＥＹＥＮＣＥ）で測定し、データ収集システム（ＮＲ−５００，ＫＥＹＥＮＣＥ）を用いてコンピュータ上で解析した。【００２６】
図２は、ＯＦＦ（０〜６０ｓ），ＯＮ（６０〜３６０ｓ），ＯＦＦ（３６０〜５００ｓ）のサイクルで直流電圧（２〜１８Ｖ）をそれぞれ印加し、温度は２５℃に固定して、湿度を４段階（３０，５０，７０，９０％ＲＨ）に変え、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの電気収縮挙動を測定した結果である。電圧を印加するとフィルムは収縮して平衡値に達し、電圧を切るとフィルムは伸長して元の長さまで回復した。いずれの湿度においても、フィルムの収縮長は印加電圧とともに増加するが、ある電圧以上では逆に低下した。これは、水分子の脱着による収縮に対してジュール熱による熱膨張がより顕著に現れたためと考えられる。【００２７】
図３（ａ）に、各湿度における収縮長の電圧依存性を示す。いずれの湿度においても、最大の収縮長は印加電圧１０Ｖの時に得られることがわかった。９０％ＲＨでは、最大２．２５ｍｍの変位量（収縮率４．５％）に達することが明らかになった。【００２８】
次に、伸縮速度について次のようにして測定を行った。電圧ＯＮ時、電圧ＯＦＦ時のＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルム伸縮挙動より、最大の収縮速度ｖＯＮ（ｍｍ／ｓ）と伸長速度ｖＯＦＦ（ｍｍ／ｓ）を算出した。収縮速度は印加電圧の増加とともに速くなり、湿度にはほとんど依存しないことがわかった（図３（ｂ））。これは、電圧印加により強制的に水分子が脱着されるためと考えられ、電圧印加がフィルムの脱水・収縮に極めて有効であることが明らかになった。一方、伸長速度は湿度とともに増加した（図３（ｄ））。高湿度側ではより多くの水分子が空気中に存在し、吸着・拡散量が増大するため伸長速度が速くなると考えられる。１０Ｖ以上の高電圧側では伸長速度が低下してくるが、これは熱膨張の影響と考えられる。【００２９】
電気収縮長が最大となる印加電圧約１０Ｖについて、電気収縮挙動の湿度依存性を図３（ｃ）に示す。収縮長は湿度とともに増加して９０％ＲＨで２．２５ｍｍ（収縮率４．５％）に達し、５０％ＲＨから約２倍近く向上した。さらに９８％ＲＨにおいては、最大で２．４ｍｍ（収縮率４．８％）の収縮長を確認した。これは、低湿度では含水量が少なくフィルムの収縮長も小さいが、高湿度では含水量も増し、より大きく収縮できるためと考
えられる。【００３０】
また、速度解析の結果から、収縮速度は湿度にあまり依存しないが、伸長速度は湿度の増加に伴って速くなり、５０％ＲＨで０．０８９ｍｍ／ｓであったが９０％ＲＨでは０．２５１ｍｍ／ｓと３倍近く向上することがわかった。これは、高湿度側で水分子の吸着・拡散量が増大したためと考えられる。以上の結果より、フィルムのアクチュエータ特性が周囲の湿度環境に大きく依存し、高湿度条件下で伸縮率、伸長速度ともに向上することが明らかになった。【００３１】
［含水量］  
次に、含水量について測定を行った。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの吸着等温線を高精度ガス／蒸気吸着装置（ＢＥＬＳＯＲＰ−ａｑｕａ３，日本ベル）を用いて測定した。まず、フィルムをハサミで細かく切り刻む。あらかじめ専用のサンプル管とゴム栓の重量を精密天秤で計っておき、サンプル管に刻んだフィルムを約７０ｍｇ入れる。フィルムを入れたサンプル管を前処理装置（Ｂｅｌｐｒｅｐ  ｆｌｏｗ，日本ベル）に入れ、窒素を５０ｍＬ／ｍｉｎでフローさせながら１６０℃で６時間前処理を行うことで、元々フィルム内部に吸着している水を完全に取り除く。前処理後、サンプル管中のフィルムの重量を精密天秤で正確に計り、サンプル管中にガラス棒を挿入後、飛散防止フィルターをつけた。さらに、サンプル管固定用ナット、スリーブ、Ｏリングを用いて、吸着装置の各ポートに取り付けた。ここで、フィルムの重量、空気恒温槽温度８０℃、吸着温度２５℃、水分子の相対圧０〜０．９９９を測定用ソフトに入力し測定を行った。測定終了後、解析ソフト（ＢＥＬ  Ｍａｓｔｅｒ，日本ベル）を用い吸着等温線を作成した。【００３２】
ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの２５℃における吸着等温線を図４に示す。相対水蒸気圧が高くなるにつれて含水量も増大し、相対水蒸気圧０．９において最大６００ｍｇ／ｇ（含水率約３８％）程度吸着することがわかった。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムはＩＵＰＡＣでII型の吸着等温線に分類され、無孔性で水分子との相互作用は比較的強いことがわかる。また、高い相対水蒸気圧側では曲線が急激に上昇していることから、水分子の凝集が起こっていると考えられる。【００３３】
［湿度応答性］
２台の恒温槽（Ｃ２５Ｐ，ＨＡＡＫＥＹ）及び調湿ジャケットを取り付けた熱応力歪測定装置（ＴＭＡ）（６０００  ＴＭＡ／ＳＳ，エスアイアイ・ナノテクノロジー）を使用した。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳキャストフィルムを幅２ｍｍ、 長さ２０ｍｍに切り出しチャック間にはさんだ。ただし、チャックの掴みしろを考慮して４ｍｍ程度長めに切り出した。切り出す際、フィルムの切り口にクラックが生じないようにカッターナイフの刃を直接切り口に押し当て、上からハンマーで叩き一気に切断した。１台の恒温槽でプローブ周辺を３０℃に保ち、もう１台の恒温槽で相対湿度を２０％ＲＨ〜９０％ＲＨに変化させた。初期湿度を２０％ＲＨに設定し、このときのフィルム長を基準とした。キャリブレーション後に試料を取り付け、サンプル測長を行なった。サンプル長、測定条件を専用ソフトに入力して測定を開始した。同時に恒温槽の調湿プログラム、温湿度読込みプログラムをスタートさせた。なお、湿度は２０〜９０％ＲＨ，９０〜２０％ＲＨを１６０分間で１サイクルとして設定し、荷重４９ｍＮ、サンプリングタイム５ｓｅｃ、温度３０℃、湿度２０〜９０％ＲＨ、サイクル数６回の条件で６サイクル繰り返し測定を行った。【００３４】
図５にＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの湿度応答特性を示す。フィルムは周囲の相対湿度に対して敏感に伸縮応答し、２０％ＲＨ〜９０％ＲＨに変化させることで、長さが４％程度可逆的に伸縮することがわかった。これは、フィルムが周囲の水分子を吸着することで膨張し、一方脱着することで収縮したためである。また、１回目の湿度上昇では大きく伸長するが、２回目以降の湿度変化サイクルでほぼ安定化した。【００３５】
［弾性率変化］
次に、電圧印加による弾性率変化について測定を行った。湿度３０，５０，７０％ＲＨの条件下で、それぞれＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムに印加電圧を０〜６Ｖと変化させて引張試験を行った。作製したキャストフィルム（膜厚１７μｍ）を長さ５０ｍｍ、幅２ｍｍに切り出した。切り出したＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムを測定セルの金メッキを施したチャックにはさみ、チャック間が５０ｍｍになるように固定した。直流安定化電源（ＭＳＡＺ３６，日本スタビライザー工業）を用いてチャック間に直流電圧を印加し、恒温恒湿槽（ＫＣＬ−２０００Ｗ，ＥＹＥＬＡ）を用いて湿度を３０，５０，７０％ＲＨと変化させ、フィルムのヤング率変化を引張試験により求めた。引張試験は、測定セルに固定したＸステージ（ＰＲ４０Ｂ−２０Ｘ，ＣＯＭＳ）を用い、フィルム長に対して１０％／ｍｉｎの速度で行なった。また、応力はストレインゲージ（ＬＴＳ−５００ＧＡ，ＫＹＯＷＡ）で測定し、データ収集システム（ＮＲ−５００，ＫＥＹＥＮＣＥ）を用いてコンピュータ上で解析を行った。【００３６】
いずれの湿度においても、フィルムのヤング率は印加電圧とともに増大し、湿度３０％ＲＨにおいて６Ｖ印加すると最大２．５ＧＰａに達した（図６）。これは、可塑剤として働いていたフィルム内部の水分子が電圧印加により脱着されることで、高分子鎖が凝集しより硬くなるためと考えられる。また、フィルムのヤング率は相対湿度に大きく依存することがわかった。すなわち、より高湿度側ではフィルムに多くの水分子が吸着しているのでヤング率は小さくなり、湿度が下がると逆に吸着量が下がることでヤング率が大きくなりフィルムが硬くなると考えられる。【００３７】
［温度の効果］
次に、温度の効果について測定を行った。作製したキャストフィルム（膜厚１０μｍ）を長さ５０ｍｍ、幅２ｍｍに切り出した。ただし、チャックの掴みしろを考慮して４ｍｍ程度長めに切り出した。切り出す際、フィルムの切り口にクラックが生じないようにカッターナイフの刃を直接切り口に押し当て、上からハンマーで叩き一気に切断した。切り出したＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムを測定装置の金メッキを施したチャックにはさみ、チャック間が５０ｍｍになるように固定した。直流安定化電源（ＭＳＡＺ３６，日本スタビライザー工業）を用いてチャック間に直流電圧を印加し、恒温恒湿槽（ＫＣＬ−２０００Ｗ，ＥＹＥＬＡ）を用いて周囲温度を変化させ、フィルムの伸縮挙動を測定した。伸縮挙動は変位センサー（ＥＸ−４１６Ｖ，ＫＥＹＥＮＣＥ）で測定し、データ収集システム（ＮＲ−５００，ＫＥＹＥＮＣＥ）を用いてコンピュータ上で解析した。【００３８】
ＯＦＦ（０〜６０ｓ），ＯＮ（６０〜３６０ｓ），ＯＦＦ (３６０〜５００ｓ)のサイクルで直流電圧（２〜１８Ｖ）をそれぞれ印加し、湿度は５０％ＲＨに固定して、温度を３段階（５，２５，４５℃）に変えたときのＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの電気収縮挙動を図７に示す。電圧を印加するとフィルムは収縮して平衡値に達し、電圧を切るとフィルムは伸長して元の長さまで回復した。いずれの温度においても、フィルムの収縮長は印加電圧とともに増加するが、ある電圧以上では逆に低下した。【００３９】
図８（ａ）に、各温度における収縮長の電圧依存性を示す。いずれの温度においても、最大の収縮長は印加電圧１０Ｖの時に得られることがわかった。また、電圧ＯＮ時、電圧ＯＦＦ時のＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルム伸縮挙動より、最大の収縮速度ｖＯＮ（ｍｍ／ｓ）と伸長速度ｖＯＦＦ（ｍｍ／ｓ）を算出した。収縮速度は印加電圧の増加とともに速くなり、温度にはほとんど依存しないことがわかった（図８（ｂ））。これは、電圧印加により強制的に水分子が脱着されるためと考えられる。一方、伸長速度は温度とともに増加した（図８（ｄ））。これは、フィルムの伸長が水分子の拡散に起因し、高温側では高分子鎖の運動性が高まることで水分子の拡散速度が増加するためと考えられる。【００４０】
電気収縮長が最大となる印加電圧１０Ｖについて、電気収縮挙動の温度依存性を図８（ｃ）に示す。収縮長は温度の上昇に伴い、平衡かやや減少する傾向にあることがわかった。速度解析の結果から、収縮速度は温度にあまり依存しないが、伸長速度は温度の増加に伴って速くなり、２５℃で０．０８９ｍｍ／ｓであったが、４５℃では０．１５０ｍｍ／ｓと２倍近く向上することがわかった。これは、高温側では高分子鎖の運動性が高まることで水分子の拡散速度が増加するためと考えられる。以上の結果より、フィルムのアクチュエータ特性が周囲の温度環境に大きく依存するとともに、高温度条件下で伸長速度は向上することが明らかになった。【００４１】
［温度と湿度の相乗効果］
次に、温度と湿度の相乗効果について次のようにして測定を行った。作製したキャストフィルム（膜厚１０μｍ）を長さ５０ｍｍ、幅２ｍｍに切り出した。ただし、チャックの掴みしろを考慮して４ｍｍ程度長めに切り出した。切り出す際、フィルムの切り口にクラックが生じないようにカッターナイフの刃を直接切り口に押し当て、上からハンマーで叩き一気に切断した。切り出したＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムを測定セルの金メッキを施したチャックにはさみ、チャック間が５０ｍｍになるように固定した。直流安定化電源（ＭＳＡＺ３６，日本スタビライザー工業）を用いてチャック間に直流電圧を印加し、恒温恒湿槽（ＫＣＬ−２０００Ｗ，ＥＹＥＬＡ）を用いて周囲温度を４５℃、相対湿度を９０％ＲＨに保ちフィルムの伸縮挙動を測定した。伸縮挙動は変位センサー（ＥＸ−４１６Ｖ，ＫＥＹＥＮＣＥ）で測定し、データ収集システム（ＮＲ−５００，ＫＥＹＥＮＣＥ）を用いてコンピュータ上で解析した。【００４２】
ＯＦＦ（０〜６０ｓ），ＯＮ（６０〜３６０ｓ），ＯＦＦ (３６０〜５００ｓ)のサイクルで直流電圧（２〜１８Ｖ）をそれぞれ印加し、温度４５℃、湿度９０％ＲＨの条件下でＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムの電気収縮挙動を測定した（図９）。電圧を印加するとフィルムは収縮して平衡値に達し、電圧を切るとフィルムは伸長して元の長さまで回復した。フィルムの収縮長は印加電圧とともに増加するが、ある電圧以上では逆に低下した。【００４３】
次に、温度２５℃、湿度５０％ＲＨの条件下と温度４５℃、湿度９０％ＲＨの条件下で、収縮長の電圧依存性と最大の収縮速度ｖＯＮ（ｍｍ／ｓ）、伸長速度ｖＯＦＦ（ｍｍ／ｓ）の比較を行った。最大の収縮長は、２５℃，５０％ＲＨのとき１．２ｍｍ（収縮率２．４％）であったのに対し、４５℃，９０％ＲＨでは１．８ｍｍ（収縮率３．６％）と１．５倍向上した（図１０（ａ））。また、フィルムの形状や電導度によって最大収縮長を示す電圧は異なるが、電力密度０．１〜２ｋＷ／ｃｍ３の間で最大収縮長を示すことがわかる（図１０（ｂ））。好ましくは、０．２〜１ｋＷ／ｃｍ３である。これは、フィルムの収縮がジュール加熱による水分子の脱着に基づくためである。一方、ある電力密度以上で収縮が低下するのは、フィルムの熱膨張が顕著に現れるためと考えられる。【００４４】
次に、収縮速度は印加電圧の増加とともに速くなり、周囲環境にはほとんど依存しないことがわかった（図１１（ａ））。これは、電圧印加により強制的に水分子が脱着されるためと考えられる。一方、伸長速度は温度、湿度の上昇とともに増加して、２５℃，５０％ＲＨのとき０．０８９ｍｍ／ｓであったのに対し、４５℃，９０％ＲＨでは０．５７４ｍｍ／ｓと約６倍向上した（図１１（ｂ））。これは、高分子鎖の運動性が高まることで水分子の拡散速度が増加すると考えられる高温側の要因と、より多くの水分子が空気中に存在し、吸着・拡散量が増大すると考えられる高湿度側の要因が相乗効果を成すためと考えられる。以上の結果より、高温と高湿度を組み合わせることで伸長速度は相乗的に向上することが明らかになった。【００４５】
［耐久性］
最後に、耐久性評価を次のようにしておこなった。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルム（長さ１０ｍｍ、幅２ｍｍ、膜厚１５μｍ）について、恒温恒湿槽（ＫＣＬ−２０００Ｗ，ＥＹＥＬＡ）を用い、温度２５℃、湿度５０％の測定条件のもとフィルムの電気収縮挙動の耐久性を調べた。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳフィルムを測定装置の金メッキを施したチャックにはさみ固定し、ファンクションジェネレータ（ＤＦ１９０５，エヌエフ回路設計ブロック）、ポテンショスタット（ＨＡ−３０１，北斗電工）を用いて、１．５Ｖの電圧を５秒間ＯＮ、１５秒間ＯＦＦを１サイクルとし繰り返し印加した。伸縮挙動は変位センサー（ＥＸ−４１６Ｖ，ＫＥＹＥＮＣＥ）で測定し、データ収集システム（ＮＲ−５００，ＫＥＹＥＮＣＥ）を用いてコンピュータ上で解析を行った。【００４６】
始め、１０３回あたりまでフィルムは伸び、それに伴い流れる電流が若干低下することで変位は下がるが、やがて定常状態に達した（図１２）。約８万回でフィルムは破断したが、フィルムの変位および電流値が安定していることから、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳは劣化していないことが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明によれば、高分子フィルム又は繊維の伸縮を利用した高分子アクチュエータを作製することができ、かかるアクチュエータは点字ディスプレイ、人工弁、ケミカルバルブ、スイッチ等の電子工学素子として応用することができる。【００４８】
本明細書は、２００７年３月２０日出願の特願２００７−０７２３４８に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年7月9日(2009.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部刺激による大気中の水分子の吸脱着により伸縮する高分子フィルムを用いた乾式の高分子アクチュエータにおいて、
少なくとも、前記高分子フィルムの変位量、伸張速度、収縮速度のいずれか又は全てが所望の値の範囲となるよう、前記高分子フィルムの設置されている環境の湿度および／又は温度を制御する環境制御手段を備えたことを特徴とする乾式の高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記外部刺激が電圧印加であって、前記所望の値の範囲となるように印加電圧を制御可能な電圧印加手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の乾式の高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、電力密度を０．１ｋＷ／ｃｍ３から２．０ｋＷ／ｃｍ３の範囲で制御可能であることを特徴とする請求項２に記載の乾式の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
相対湿度が８０％から１００％の範囲内で調節されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の乾式の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記温度が室温から５０℃の範囲内で調節されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の乾式の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
印加する電圧が、１Ｖから１８Ｖの範囲内であることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の乾式の高分子アクチュエータ。
【請求項７】
前記高分子フィルムは、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の乾式の高分子アクチュエータ。
【請求項８】
前記ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）／ポリ（４−スチレンスルホン酸）には、エチレングリコールが１％から１０％の範囲内で添加されていることを特徴とする請求項７に記載の乾式の高分子アクチュエータ。
【請求項９】
請求項２から８のいずれかに記載の乾式の高分子アクチュエータを備えた点字ディスプレイ、又は現金自動支払機。
【請求項１０】
外部刺激による大気中の水分子の吸脱着で伸縮する高分子フィルムの弾性率の制御方法において、
前記高分子フィルムは湿度および／又は温度の調節された環境下に設けられ、前記外部刺激により前記高分子フィルムの弾性率を変化せしめることを特徴とする高分子フィルムの弾性率の制御方法。
【請求項１１】
前記外部刺激が電圧印加による前記高分子フィルムの加熱であることを特徴とする請求項１０に記載の高分子フィルムの弾性率の制御方法。
【請求項１２】
前記電圧印加による電力密度が０．１ｋＷ／ｃｍ３から２．０ｋＷ／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１１に記載の高分子フィルムの弾性率の制御方法。
【国際調査報告】
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