(57)【要約】  電極層表面からイオンが染み出した場合でも高分子アクチュエータの電極層と端子部間の導通性を良好にできる高分子アクチュエータ装置を提供することを目的としている。  電解質層１１及び電解質層１１の厚さ方向の両面に設けられた一対の電極層１２，１３を有し、前記一対の電極層間に電圧を付与すると湾曲する高分子アクチュエータ１０と、前記高分子アクチュエータ１０に電圧を付与するための端子部１６，１７と、を有する高分子アクチュエータ装置において、前記高分子アクチュエータ１０は、変形部１８と支持部１４とを備え、前記高分子アクチュエータ１０の前記支持部１４の負極側である第１電極層１２と、端子部１６との間に、導電性多孔質材２０が介在している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層及び前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた一対の電極層を有し、前記一対の電極層間に電圧を付与すると湾曲する高分子アクチュエータと、前記高分子アクチュエータに電圧を付与するための端子部と、を有する高分子アクチュエータ装置において、
前記高分子アクチュエータは、変形部と支持部とを備え、
前記高分子アクチュエータの前記支持部の少なくとも一方の電極層と、前記端子部との間に、導電性多孔質材が介在していることを特徴とする高分子アクチュエータ装置。
【請求項２】
負極側の前記端子部と前記電極層との間に、前記導電性多孔質材が介在している請求項１記載の高分子アクチュエータ装置。
【請求項３】
前記一対の電極層間に電圧を印加して前記高分子アクチュエータが湾曲した際に、外側を向く電極層と前記端子部間に、前記導電性多孔質材が介在している請求項１記載の高分子アクチュエータ装置。
【請求項４】
両方の前記電極層と前記端子部間に、前記導電性多孔質材が介在している請求項１記載の高分子アクチュエータ装置。
【請求項５】
前記導電性多孔質材は、前記支持部から前記変形部にかけての電極層表面に設けられている請求項１記載の高分子アクチュエータ装置。
【請求項６】
前記変形部に設けられた前記導電性多孔質材は、前記支持部に設けられた前記導電性多孔質材よりも外力によって変形しやすいものとされた請求項５記載の高分子アクチュエータ装置。
【請求項７】
前記変形部に設けられた前記導電性多孔質材の厚さが、前記支持部に設けられた前記導電性多孔質材の厚さよりも薄い請求項６記載の高分子アクチュエータ装置。
【請求項８】
前記変形部に設けられた前記導電性多孔質材の空隙率が、前記支持部に設けられた前記導電性多孔質材の空隙率よりも大きい請求項６記載の高分子アクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質層と、電解質層の両面に設けられた一対の電極層を有し、一対の電極層間に電圧を付与すると湾曲する高分子アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献には、高分子アクチュエータに関する発明が開示されている。高分子アクチュエータは電解質層と、電解質層の両面に設けられた一対の電極層を有して構成されている。【０００３】
そして一対の電極層間に電圧を付与すると、高分子アクチュエータを湾曲させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４８４５２号公報
【特許文献２】特開２００８−２１１９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＤＣ駆動や非常に周期の長い電圧波形で高分子アクチュエータを駆動させると、電解質層と電極層との間で移動するイオンの動きに伴ってイオン液体が電極層表面から染み出すことがあるとわかった。【０００６】
このように電極層表面からイオン液体が染み出した場合、高分子アクチュエータに電圧を付与する端子部と電極層間の導通性が悪化し、高分子アクチュエータの動作が低下したり、最悪の場合、高分子アクチュエータが動作しなくなるといった問題があった。【０００７】
また、電極層表面からのイオンの染み出しにより、高分子アクチュエータの周辺部への腐食や酸化、絶縁破壊等の悪影響が生じることがあった。【０００８】
またイオンの染み出し現象は、高分子アクチュエータを一方向に湾曲させたとき、特に、一方の電極層表面のみから生じ、他方の電極層表面からほとんど生じないことがわかった。【０００９】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、特に、電極層表面からイオンが染み出した場合でも高分子アクチュエータの電極層と端子部間の導通性を良好にできる高分子アクチュエータ装置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】
【００１０】
本発明は、電解質層及び前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた一対の電極層を有し、前記一対の電極層間に電圧を付与すると湾曲する高分子アクチュエータと、前記高分子アクチュエータに電圧を付与するための端子部と、を有する高分子アクチュエータ装置において、
前記高分子アクチュエータは、変形部と支持部とを備え、
前記高分子アクチュエータの前記支持部の少なくとも一方の電極層と、前記端子部との間に、導電性多孔質材が介在していることを特徴とするものである。【００１１】
これにより、電極層表面から染み出したイオンを導電性多孔質材で吸収でき、高分子アクチュエータの電極層と端子部間の導通性を良好にできる。また端子部や、端子部周辺に対する腐食等の悪影響を抑制できる。【００１２】
本発明では、負極側の前記端子部と前記電極層との間に、前記導電性多孔質材が介在していることが好ましい。【００１３】
また本発明では、前記一対の電極層間に電圧を印加して前記高分子アクチュエータが湾曲した際に、外側を向く電極層と前記端子部間に、前記導電性多孔質材が介在していることが好ましい。【００１４】
電圧印加により陽イオンが移動する負極側や、湾曲したときに膨潤が大きい外側の電極層では、イオンの染み出し現象が生じやすい。そのため、負極側の電極層側や湾曲時の外側を向く電極層側に導電性多孔質材を設けることでより効果的に、高分子アクチュエータの電極層と端子部間の導通性を良好にできる。【００１５】
また本発明では、両方の前記電極層と前記端子部間に、前記導電性多孔質材が介在していることが好ましい。これにより、各電極層表面から染み出したイオンを導電性多孔質材で適切に吸収でき、高分子アクチュエータの電極層と端子部間の導通性を良好にできる。このように両方向に導電性多孔質材を設ける形態は、例えば両方向にＤＣ駆動させることがある場合や低周波数でＡＣ駆動させる場合、あるいはイオンの染み出す電極層側が不明である場合に効果的である。【００１６】
また本発明では、前記導電性多孔質材は、前記支持部から前記変形部にかけての電極層表面に設けられていることが好ましい。これにより変形部の電極層表面から染み出したイオンを導電性多孔質材で吸収でき、高分子アクチュエータの周辺部に対する腐食等の悪影響をより効果的に抑制できる。また、高分子アクチュエータの動作状態から非動作状態に戻すときに、例えば、電極層間に逆電位を与えれば、導電性多孔質材に吸収されたイオンを再び、高分子アクチュエータ内部へある程度戻すことができるので、繰り返しの使用によっても高分子アクチュエータの特性劣化を抑制することができる。【００１７】
また本発明では、前記変形部に設けられた前記導電性多孔質材は、前記支持部に設けられた前記導電性多孔質材よりも外力によって変形しやすく構成されていることが好ましい。例えば、前記変形部に設けられた前記導電性多孔質材の厚さが、前記支持部に設けられた前記導電性多孔質材の厚さよりも薄いことが好適である。あるいは、前記変形部に設けられた前記導電性多孔質材の空隙率が、前記支持部に設けられた前記導電性多孔質材の空隙率よりも大きいことが好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の高分子アクチュエータによれば、高分子アクチュエータの電極層と端子部間の導通性を良好にできる。また端子部や、端子部周辺に対する腐食等の悪影響を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態における高分子アクチュエータ装置を厚さ方向から切断した縦断面図、
【図２】第２実施形態における高分子アクチュエータ装置を厚さ方向から切断した縦断面図、
【図３】第３実施形態における高分子アクチュエータ装置を厚さ方向から切断した縦断面図、
【図４】高分子アクチュエータに対する支持部の位置を図１ないし図３とは代えた実施形態における高分子アクチュエータ装置の縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は第１実施形態における高分子アクチュエータ装置を厚さ方向から切断した縦断面図、図２は、第２実施形態における高分子アクチュエータ装置を厚さ方向から切断した縦断面図、図３は、第３実施形態における高分子アクチュエータ装置を厚さ方向から切断した縦断面図、である。
【００２１】
本実施形態における高分子アクチュエータ１０は、電解質層１１と、電解質層１１の厚さ方向（Ｚ方向）の両側表面に形成される電極層１２、１３を備えて構成される。
【００２２】
本実施形態では、イオン液体とベースポリマーを有する電解質層１１と、カーボンナノチューブ等の導電性フィラー、イオン液体及びベースポリマーとを有する電極層１２，１３から成る高分子アクチュエータ１０を提示できる。ベースポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）や、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等を提示できる。
【００２３】
図１に示すように電解質層１１と、その両表面に電極層１２，１３を有する断面構造で形成された高分子アクチュエータ１０は、長さ方向（Ｙ方向）への寸法が幅方向（Ｘ方向）への寸法及び厚さ方向（Ｚ方向）への寸法に比べて長い長方形状である。
【００２４】
図１に示すように例えば高分子アクチュエータ１０のＹ方向における一端部が支持部１４であり、固定部１５に固定支持されている。そして、固定部１５の表面に設けられた端子部１６，１７と、高分子アクチュエータ１０の支持部１４の電極層１２、１３とが電気的に接続されている。なお、図１では、固定部１５にて高分子アクチュエータ１０を固定支持し、端子部１６，１７を固定部１５表面に塗膜やメッキ等で形成したものであるが、例えば端子部１６，１７を金属板で形成し、端子部１６，１７にて高分子アクチュエータ１０を固定支持する形態としてもよい。他の実施形態においても同様である。
【００２５】
高分子アクチュエータ１０を構成する電極層１２，１３間に電圧を印加すると、第１電極層１２側と第２電極層１３側で、膨潤差が生じ、曲げ応力が発生して、固定部１５からＹ方向に長く突き出た変形部１８が例えば上方向に湾曲する。
【００２６】
図１に示す実施形態では、端子部１６が負極で端子部１７が正極である。このため、電解質層１１内の陽イオンは電圧印加により、第１電極層１２側に移動する。このとき陽イオンが陰イオンより大きいと仮定すると、第１電極層１２側に偏った位置で体積が膨張しようとする。つまり、第１電極層１２側において膨張応力が発生しこれに基づいて膨張歪みが発生するために、高分子アクチュエータ１０に曲げ応力が発生して、図１に示すように、高分子アクチュエータ１０が上方に向けて湾曲する。
【００２７】
湾曲時、図１に示すように、負極側である第１電極層１２側は外側となる。この湾曲状態を長時間保った場合に、イオン液体が外側に押し出されて第１電極層１２の表面から染み出すことがある。
【００２８】
本実施形態では図１に示すように、高分子アクチュエータ１０の支持部１４の第１電極層１２と端子部１６との間に導電性多孔質材２０を介在させている。これにより、たとえ第１電極層１２の表面からイオン液体が染み出しても導電性多孔質材２０にて吸収でき、第１電極層１２と端子部１６間の導電性を良好に保つことが出来る。またイオン液体が端子部１６まで染み出すのを抑制できるから、端子部１６や端子部周辺の腐食、酸化、絶縁破壊等の悪影響を抑制することが可能である。
【００２９】
導電性多孔質材２０は、シート状で形成されたり、あるいは、塗布等により端子部１６の表面や第１電極層１２の表面に直接形成することもできる。また、導電性多孔質材２０は、接着性の有無を問わない。導電性多孔質材２０に接着能力がない場合、導電性接着剤を導電性多孔質材２０と端子部１６間や導電性多孔質材２０と第１電極層１２間に塗布してもよいし、導電性多孔質材２０を介在させた状態で、第１電極層１２と端子部１６との間に多少圧力をかけて保持する形態でもよい。また、導電性多孔質材２０としてシート状に形成されたものを用いる場合は、各方向に１０％程度引っ張った状態で貼り付けることにより、導電性を大きく損なわずに孔が広がって多孔質性を有効に用いることができる。
【００３０】
導電性多孔質材２０には、アクリル系導電接着シート（例えば、ソニーケミカル＆インフォメーションデバイス（株）の型番Ｔ４４２０Ｗ）、導電シリコーンゴム（例えば信越化学工業（株）のＥＣシリーズ）、導電性エポキシ樹脂、導電シリコーン（例えばＧＥ東芝シリコーン（株）のＫＥ１６−５０８）にシリコーン発泡剤を添加したもの、多孔質樹脂（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ））あるいは多孔質セルロースにケッチェンブラック（例えばケッチェン・ブラック・インターナショナル（株）製）を溶剤・バインダー樹脂と共に塗布したもの、あるいは、多孔質導電性高分子等を例示できる。
【００３１】
図２に示す実施形態では、変形部１８の第１電極層１２の表面まで導電性多孔質材２０ａを延出して設けている。これにより、変形部１８の第１電極層１２表面から染み出したイオン液体を導電性多孔質材２０ａにより吸収でき、高分子アクチュエータ１０の周辺部に対する腐食等の悪影響を効果的に抑制できる。また、高分子アクチュエータ１０の動作状態（図１に示す点線の湾曲した状態を参照）から非動作状態に戻すときに、例えば、電極層１２，１３間に逆電位を与えれば、導電性多孔質材２０に吸収されたイオン液体を再び、電解質層１１内部へある程度戻すことができるので、繰り返しの使用によっても高分子アクチュエータ１０の特性劣化を抑制することができる。
【００３２】
また図２に示すように、変形部１８に設けられた導電性多孔質材２０ａの厚さＨ１を、支持部１４に設けられた導電性多孔質材２０ｂの厚さＨ２よりも薄く形成することが好ましい。これにより、導電性多孔質材２０ａが変形部１８の動作を阻害しにくくなり、変形部１８を適切に湾曲させることが可能になる。導電性多孔質材２０ａの厚さＨ１は、５〜２０μｍ程度で、導電性多孔質材２０ｂの厚さＨ２は、５０〜２００μｍ程度である。
【００３３】
また、変形部１８に設けられた導電性多孔質材２０ａの空隙率を、支持部１４に設けられた導電性多孔質材２０ｂの空隙率より大きくすることで、導電性多孔質材２０ａを低剛性化でき、よって導電性多孔質材２０ａが変形部１８の動作を阻害しにくくなり、変形部１８を適切に湾曲させることが可能になる。このとき、変形部１８に設けられた導電性多孔質材２０ａと、支持部１４に設けられた導電性多孔質材２０ｂとの膜厚を同程度とすることが出来る。空隙率の調整は、穴数や穴径を調整することで行うことができる。
【００３４】
次に図３に示す実施形態では、高分子アクチュエータ１０の支持部１７の第１電極層１２と端子部１６間のみならず、第２電極層１３と端子部１７間にも導電性多孔質材２０が介在している。
【００３５】
これにより、第１電極層１２表面のみならず第２電極層１３表面からもイオン液体が染み出すような場合、あるいは、第１電極層１２、第２電極層１３のどちら側からイオン液体が染み出すのか不明であるような場合、各電極層１２，１３と端子部１６，１７間の導電性を良好に保つことができる。
【００３６】
上記のように、変形部１８が湾曲したときに外側となる負極側の第１電極層１２からイオン液体が染み出すことがある。このとき、正極側である第２電極層１３からイオン液体は染み出さない（あるいは、染み出す量が極めて少ない）。よって、ＤＣ駆動であるような場合、図１や図２に示すように負極となる第１電極層１２と端子部１６間にのみ導電性多孔質材２０を介在させれば足りるが、図３に示すようにＡＣ駆動させて、電極層の極性を入れ替え、高分子アクチュエータ１０の変形部１８を図示上側と図示下側とに交互に湾曲変形させるような場合は、第１電極層１２の表面及び第２電極層１３の表面の双方からイオン液体が染み出すことがある。よって、図３に示すように、第１電極層１２と端子部１６間のみならず、第２電極層１３と端子部１７間にも導電性多孔質材２０を介在させることで、たとえ、各電極層１２，１３の表面からイオン液体が染み出すことがあっても、両方の電極層１２，１３と端子部１６，１７間の導電性を良好に保つことができる。
【００３７】
また上記のようにＡＣ駆動させる場合、第１電極層１２が負極であるとき染み出したイオン液体は端子部１６との間に位置する導電性多孔質材２０に吸収されるが、その吸収されたイオン液体は、第１電極層１２が正極に変わると高分子アクチュエータ１０内にある程度引き戻されることになる。そして図２のように変形部１８にまで導電性多孔質材２０を設けることで、すなわち図３では、変形部１８の上下に（第１電極層１２と第２電極層１３の表面に夫々）導電性多孔質材２０を設けることで、ＡＣ駆動の繰り返しによっても高分子アクチュエータ１０の特性劣化を抑制することができる。
【００３８】
図３の構成は、例えば両方向にＤＣ駆動させることがある場合や低周波数でＡＣ駆動させる場合、イオン液体の染み出す電極層側が不明であるとき効果的である。
【００３９】
図１ないし図３に示す実施形態では、いずれも、高分子アクチュエータ１０の一方の端部を支持部１４として固定支持した形態であるが、例えば、図４のように、高分子アクチュエータ１０の略中間位置に表面に端子部１６，１７を備える固定部１５が設けられ、その両側が変形部１８，１８となる形態（バタフライ型）であってもよい。
【００４０】
また上記に代えて、電解質層１１は、イオン交換樹脂と、塩を含有する分極性有機溶媒又はイオン液体である液状有機化合物とが含まれたものであってもよい。例えばイオン交換樹脂は陽イオン交換樹脂である。これにより陰イオンが固定され、陽イオンが自由に移動可能となる。陽イオン交換樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂等の樹脂に、スルホン酸基、カルボキシル基等の官能基が導入されたものを好ましく使用できる。
【００４１】
また電極層１２，１３は、電解質層１１と同じ樹脂構成に導電性フィラーを混合させた構成にできる。導電性フィラーとしては、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバー等を提示できる。例えば、電解質シートと、導電フィラーが入った電極層シートとを重ね合わせることで３層構造フィルムの高分子アクチュエータ１０を形成できる。
【００４２】
また上記した構成では、負極である第１電極層１２が変形部１８の湾曲時に外側に位置したが、そのような形態にのみ限定されるものでない。
【符号の説明】
【００４３】
１０  高分子アクチュエータ
１１  電解質層
１２  第１電極層
１３  第２電極層
１４  支持部
１５  固定部
１６、１７  端子部
１８  変形部
２０、２０ａ、２０ｂ  導電性多孔質材
【図１】
2010137604.tif 000003
【図２】
2010137604.tif 000004
【図３】
2010137604.tif 000005
【図４】
2010137604.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月15日(2011.8.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４８４５２号公報
【特許文献２】特開２００８−２１１９１６号公報
【国際調査報告】
2010137604.tif 000007
2010137604.tif 000008