(57)【要約】【課題】  イオン導電性高分子を使用したアクチュエータの構成部材を改善して安価に製造することができるアクチュエータと、電極構造を改善して集電効率を改善したアクチュエータを提供すること。【解決手段】  イオン導電性高分子層３と、前記イオン導電性高分子層３の両表面に夫々形成された陽極１及び陰極２の一対の電極とからなり、前記電極１，２間に電位差をかけて、前記イオン導電性高分子層３に湾曲または変形を生じさせるアクチュエータ１０において、前記電極１，２は、予め炭素繊維の不織布、織布、及びカーボン布の内の少なくとも一種からなる電極基材を形成し、導電パスを形成させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン導電性高分子層と、前記イオン導電性高分子層の両表面に形成された電極とからなり、前記電極間に電位差をかけて、前記イオン導電性高分子層に湾曲または変形を生じさせるアクチュエータにおいて、前記電極は電極基材より形成され、前記電極基材は炭素材料を含むことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
請求項1に記載のアクチュエータにおいて、前記電極基材は、炭素繊維の不織布、織布、及びカーボン布の内の少なくとも一種からなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
イオン導電性高分子層と、前記イオン導電性高分子層の両表面に形成された電極とからなり、前記電極間に電位差をかけて、前記イオン導電性高分子層に湾曲または変形を生じさせるアクチュエータにおいて、前記電極基材は、樹脂に炭素粒子を混合した柔軟性を備えた厚膜からなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１乃至３の内のいずれか一つに記載のアクチュエータにおいて、前記電極は更にイオン導電性高分子を含むことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１乃至４の内のいずれか一つに記載のアクチュエータにおいて、前記電極はさらに、導電性粒子を含む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、アクチュエータとその製造方法に関し、詳しくは、イオン導電性高分子膜型アクチュエータの集電構造とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のアクチュエータとしては、特許文献１に開示されたものがある。
【０００３】
図２は特許文献１に開示された高分子アクチュエータと呼ばれるイオン導電性高分子を用いたアクチュエータの構造を示す断面図である。図２を参照すると、アクチュエータ２０は、イオン導電性高分子膜１３と、このイオン導電性高分子膜１３の両面に接合した一対の電極である陽極１１及び陰極１２とからなる。このイオン導電性高分子膜１３の含水状態において、このイオン導電性高分子膜１３に電位差をかけてこのイオン導電性高分子膜１３に湾曲及び変形を生じせしめる構成である。具体的に、イオン導電性高分子膜１３の表裏に電位差がかかると、イオン導電性高分子膜１３中の陽イオンが陰極１２側に移動し、このイオンに伴われて、水分子がイオン導電性高分子膜１３内で移動するため、陽極１１側と陰極１２側で水分量に差ができるため動作すると推定されている。
【０００４】
したがって、含水率が高まれば、膨潤し、含水率が低下すれば、収縮するので、イオン導電性高分子膜１３の表裏で水分量に差が付けば、イオン導電性高分子膜１３は湾曲すると考えられる。
【０００５】
特許文献１に示すようなイオン導電性高分子膜タイプのアクチュエータに示されるように、イオン導電性高分子膜（イオン交換樹脂）の両側に電極を配置した構造になっている。このアクチュエータを実用的な変位量にするため、電極をめっきにより形成する手法が特許文献２に提案されている。
【０００６】
特許文献２に示された高分子アクチュエータの電極を製造する方法は、次の（ｉ）から(iii)の工程を備えている。
【０００７】
（ｉ）イオン交換樹脂成形品に、金属錯体を水溶液中で吸着させる工程（吸着工程）、（ii）イオン交換樹脂成形品に吸着した金属錯体を、還元剤により還元して、前記イオン交換樹脂成形品表面に金属を析出させる工程（析出工程）、(iii)  金属が析出したイオン交換樹脂成形品を洗浄する工程（洗浄工程）を繰り返し実施することによりイオン交換樹脂成形品表面またはイオン交換樹脂成形品内部まで金属電極を形成する方法である。
【０００８】
この方法を使用すると、アクチュエータ表面から内部に向かってめっきが成長し、樹枝状電極が得られる。このことにより、電極表面積の増大による実用的な変位及び効率的な集電効果を得ることができる。
【０００９】
しかしながら、電極はイオン導電性高分子電解質に曝されているために、電極に耐腐食性を持たせる必要があるために、貴金属を用いる必要があり、材料費が高くなる欠点がある。そこで、比較的安価な電極材料として炭素材料を使用する手法が特許文献３に提案されている。炭素材料をイオン導電性高分子電解質に分散させると集電効率が悪いという問題がある。そこで、金属配線を電極に取り付け集電効率を改善させる手法が提案されているが、構造が複雑になる欠点がある。
【００１０】
【特許文献１】特許第１９６６６４５号公報
【特許文献２】特許第２９６１１２５号公報
【特許文献３】特開２００５−１７６４１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明の一技術的課題は、イオン導電性高分子を使用したアクチュエータの電極部材を改善して安価に製造することができるアクチュエータを提供することにある。
【００１２】
また、本発明のもう一つの技術的課題は、イオン導電性高分子を使用したアクチュエータの電極の集電構造を改善して湾曲動作の性能を改善した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】
【００１３】
本発明によれば、イオン導電性高分子層と、前記イオン導電性高分子層の両表面に形成された電極とからなり、前記電極間に電位差をかけて、前記イオン導電性高分子層に湾曲または変形を生じさせるアクチュエータにおいて、前記電極は電極基材より形成され、前記電極基材は炭素材料を含むことを特徴とするアクチュエータが得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記アクチュエータにおいて、前記電極基材は、炭素繊維の不織布、織布、及びカーボン布の内の少なくとも一種からなることを特徴とするアクチュエータが得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、イオン導電性高分子層と、前記イオン導電性高分子層の両表面に形成された電極とからなり、前記電極間に電位差をかけて、前記イオン導電性高分子層に湾曲または変形を生じさせるアクチュエータにおいて、前記電極基材は、樹脂に炭素粒子を混合した柔軟性を備えた厚膜からなることを特徴とするアクチュエータが得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記いずれか一つのアクチュエータにおいて、前記電極は更にイオン導電性高分子を含むことを特徴とするアクチュエータが得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記アクチュエータにおいて、前記電極はさらに、導電性粒子を含むことを特徴とするアクチュエータが得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、予め導電性の高い柔軟性を有する電極基材を用意し、その電極基材にイオン導電性高分子を充填し、電極を形成することにより解決する。この手法では、電極を形成する際に、予め導電パスが形成されているため効率良く集電できる電極を備えたアクチュエータを提供することができる。
【００１９】
また、本発明によれば、繊維状カーボンを電極の構造体である電極基材として使用することにより、導電パスを維持することができ、かつアクチュエータの動きに追随することができる電極を備えたアクチュエータを提供することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、繊維状カーボンにアクチュエータとして活性な物質を組み合わせることにより効率を上げることができる電極を備えたアクチュエータを提供することができる。
【００２１】
また、本発明によれば、電極が炭素繊維を含む構造であるため、湾曲性及び引っ張り強度の両方を両立させることが可能となる。また、本発明によれば、カーボンを主体とすることによって、低コスト化が図れる。
【００２２】
本発明によれば、イオン導電性高分子膜を利用したアクチュエータにおいて、カーボンを主成分とする導電体を樹脂を用いて結着させた厚膜状の基材を形成する。このように形成した電極基材は、柔軟でかつ多孔質である状態で、カーボンが導電層を形成している。この電極基材にイオン導電性高分子を流し込み電極を構成することで、導電パスを確保した上で、電極を形成するため、電極の集電効率を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明について、さらに詳しく説明する。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は本発明のアクチュエータの一例を示す断面図である。図１を参照すると、本発明のアクチュエータ１０は、イオン導電性高分子層３と、前記イオン導電性高分子層３の両表面に形成された電極１，２とからなる。このアクチュエータ１０は、前記電極１，２に電位差をかけて、前記イオン導電性高分子層３に矢印ｂ及び矢印ｃに示すように、湾曲または変形を生じさせる。
【００２５】
まず、本発明の第１の実施の形態によるアクチュエータは、一対の電極を構成する陽極１及び陰極２が、前記イオン導電性高分子層３を形成するイオン導電性高分子と同種のイオン導電性高分子を含浸させた炭素（カーボン）繊維の不織布、織布、及びカーボン布の内の少なくとも一種からなる構成である。
【００２６】
ここで、アクチュエータの動作のためには、陽極１及び陰極２等の電極の柔軟性もしくは伸縮性があることが望ましく、本発明の第１の実施の形態では、炭素繊維を用い、不織布、織布、カーボン布のような柔軟且つ伸縮が可能な材料を電極基材に用いることにより実現したものである。即ち、予め導電性の高い柔軟性を有する炭素繊維の不織布、織布、及びカーボン布等の電極基材を用意し、その電極基材にイオン導電性高分子を充填することにより電極を形成したものである。
【００２７】
本発明の電極基材に用いる炭素繊維としては、特に布形状であれば、伸縮性と引っ張り強度の両方を同時に満たすことが可能になる利点があり、アクチュエータ用電極としては理想的である。この電極基材の形状は、炭素繊維より作製した繊維を布状にした不織布でもかまわないし、繊維状の織ったもので構わない。
【００２８】
また、メッシュ状にしたものを使用することができる。これらのものは、既知の手法によって作製したものを用いることができる。
【００２９】
また、電極である陽極１及び陰極２を構成する基材としての炭素繊維は、編み方によりアクチュエータの変位を自在にコントロールすることが可能であるという利点を備えている。炭素繊維は、導電性が良い物ほど集電効果が良く望ましい。また、電極の表面積が大きければ、アクチュエータとしての動作を大きくすることは可能であるが、導電性の大きな炭素繊維の周りに、表面積の大きな材料を担持すれば良いため、電極の厚み、用途に応じて調整すればよい。
【００３０】
また、本発明の電極基材に用いる炭素繊維は、単層でなくとも良く、複数の層が存在してもかまわない。また、電極の炭素繊維密度を電極内部で変えてもいいし、複数の種類の炭素繊維を使用しても構わない。
【００３１】
この炭素繊維には、種々作製法があるが、特に限定されるわけではなく、導電材料のスラリーから形成した炭素繊維でもかまわない。
【００３２】
上記の手法により形成した電極を、導電性向上のためにメッキを行ってもかまわない。電解めっき、無電解めっき等の手法は問わない。
【００３３】
この炭素繊維の周りに、表面積の大きな材料、イオン、もしくは溶液を出し入れできるような材料を把持させることにより更にアクチュエータの特性を向上させることができる。
【００３４】
また、電極として、電極基材／イオン導電性高分子の作製手法は、既知の手法を用いることができる。例えば、イオン導電性高分子溶液を流し込んでイオン導電性高分子／電極成形体を形成しても構わない。ここで、イオン導電性高分子溶液に電解塩や更に導電性を上げるために金属粉、カーボン粉、カーボンナノチューブを添加しても構わない。
【００３５】
さらに、カーボン材料が主成分であれば、前記炭素繊維の他に、電極成分とすることが望ましく、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボン粉、黒鉛、カーボンナノチューブなどを用いることが出来る。これら単体でもかまわないし、必要に応じて複数のものを用いてもかまわない。また、導電性を上げるために、金属粉、金属ナノ粒子、金属繊維のようなものを使用してもかまわない。
【００３６】
本発明において用いることができるイオン導電性高分子は、一般にイオン交換樹脂（膜）といわれている物質を使用することができ、パーフルオロスルホン酸コポリマー、パーフルオロカルボン酸コポリマー、ポリフルオロカルボン酸コポリマー、ポリスチレンスルホン酸コポリマー、ポリスチレンカルボン酸コポリマーが挙げられる。特に、パーフルオロスルホン酸コポリマーであるデュポンのナフィオン（登録商標）が良く知られている。
【００３７】
また、イオン導電性高分子層３を形成するとともに電極作製に用いるイオン導電性高分子に添加する電解質（電解塩）は、電極作成時に添加を行ってもかまわないし、電極作成後添加もしくは吸着を行ってもかまわない。
【００３８】
電解塩が一般的であるが、溶融塩（イオン性液体）、固体電解質も使用してもかまわない。さらに、カチオン種は限定されるものではない。
【００３９】
電解質溶液は、電解塩が溶解し導電性を示す溶媒であればよく、水が一般的であるが、有機溶剤も使用することが出来る。空中動作を考え合わせると低揮発性有機溶剤例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等も使用することも出来る。また空中動作を考えると、ゲル電解質、溶融塩（イオン性液体）、固体電解質であったほうが望ましい。
【００４０】
上記したように、本発明の第１の実施の形態では、電極を形成する際、予め導電パスが形成されているため効率良く集電できる。
【００４１】
また、導電性が金属より劣る炭素材料を用いて電極を形成しても、電極の抵抗が上がらなくて済み、大面積にわたってアクチュエータを動作させることが出来る。
【００４２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態によるアクチュエータは、基本構造は、図１で示される第１の実施の形態によるアクチュエータと同様である。
【００４３】
即ち、アクチュエータの動作のためには、柔軟性、伸縮性が重要であり、本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、予め導電性の高い柔軟性を有する電極基材を用意し、その電極基材にイオン導電性高分子を充填することにより電極を形成する構成である。
【００４４】
しかし、本発明の第２の実施の形態においては、一対の電極である陽極１及び陰極２の電極基材が、樹脂に炭素を主成分とする粒子を混合した厚膜からなる構成である点で第１の実施の形態によるものとは異なっている。
【００４５】
具体的に、本発明の第２の実施の形態による電極基材は、炭素材料を樹脂を用いて結着させた上で、電極構造体を形成する。
【００４６】
更に、陽極１及び陰極２の各電極基材をなす構造体の表面にアクチュエータとして活性のある物質を担持させると更に良い。このような活性物質は、低導電性であったり、イオンもしくは溶媒の出入りによって導電性が大きく変化する物質が多く、単体では高導電率の電極を作製することが困難であるが、以下に説明する本発明の第２の実施の形態による電極の作製法を用いると容易に高効率化を図ることができる。
【００４７】
即ち、本発明の第２の実施の形態による電極は、炭素材料を樹脂を用いて結着させ、柔軟かつ多孔質の電極基材（結着体）を作製し、この結着体にイオン導電性高分子を含浸させて形成する。
【００４８】
電極は、後に説明するイオン導電性高分子膜の電解質材料に対して耐腐食性のある材料であれば用いることが出来る。例えば、カーボン材料を主成分とすることが望ましく、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボン粉、活性炭、黒鉛、ナノチューブなどを用いることが出来る。
【００４９】
また、電極を構成する炭素材料と樹脂とによる結着体は、プレス、ホットプレス等既知の手法を用いて作製することが出来る。
【００５０】
ここで、樹脂として、少なくともイオン導電性高分子以外の樹脂が望ましく、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥをはじめとしたフッ素系材料、ＮＢＲ、ＳＢＲ、ブチルゴムなどのゴム系の材料、ＰＶＣなどが柔軟性かつ電気化学的にも優れており、より望ましい。
【００５１】
また、これらの樹脂を溶剤に分散または溶解させ、後に説明するイオン導電性高分子、電解塩を添加し電極構造体を形成してもかまわない。
【００５２】
また、電極の形状は、特に限定されるものではないが、柔軟性が維持できればよく、スポンジ状でもかまわない。
【００５３】
さらに、電極には、導電率を優先し、電極表面によりアクチュエータとして動作を速める物質を付着させても良い。例えば、活性炭のような表面積の大きなものやナノチューブの様にイオンの出し入れが可能な物が挙げられる。
【００５４】
また、電極の構造体内のカーボン濃度を変えても良い。例えばアクチュエータ外側のカーボン電極密度を上げることにより効率よく集電可能となる。
【００５５】
また、本発明の第２の実施の形態において、イオン導電性高分子は、一般にイオン交換樹脂（膜）といわれている物質を使用することができ、パーフルオロスルホン酸コポリマー、パーフルオロカルボン酸コポリマー、ポリフルオロカルボン酸コポリマー、ポリスチレンスルホン酸コポリマー、ポリスチレンカルボン酸コポリマーが挙げられる。このなかで、パーフルオロスルホン酸コポリマーであるデュポンのナフィオン（登録商標）は、良く知られている。また、アトムスのネオセプタ（登録商標）、旭硝子のフレミオン（登録商標）、旭化成のアシベックス（登録商標）も挙げることができる。
【００５６】
また、本発明に用いられる電解質（いわゆる電解塩と呼ばれる物質）は、電極作製時に添加を行っても良いし、電極作製後、添加を行っても良い。電解塩が一般的であるが、溶融塩（イオン性液体）、ゲル電解質、固体電解質も使用しても良い。カチオン種には、特に限定されるものではない。
【００５７】
また、電解質溶液は、電解塩が溶解しイオン導電性を示せばよく、水が一般的であるが、有機溶剤も使用することが出来る。空中動作を考え合わせると低揮発性有機溶剤例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等も使用することも出来る。また空中動作を考えると、ゲル電解質、固体電解質であったほうが望ましい。
【００５８】
以上述べたように、本発明の第２の実施の形態では、電極を形成する際、予め導電パスが形成されているため効率良く集電できる。導電性が金属より落ちる炭素材料を用いて電極を形成しても、電極の抵抗が上がらなくて済み、大面積にわたってアクチュエータを動作させることが出来る。
【実施例】
【００５９】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではないことは勿論である。
【００６０】
（実施例１）
カーボン繊維により作製した不織布を電極基材として用いた。イオン導電性高分子としてナフィオン（登録商標）を使用した。不織布にナフィオン溶液を流し込み電極とした。
【００６１】
（実施例２）
カーボン繊維表面に金めっきを施し、更に、集電体の導電性を向上させた。めっき液を十分に除去後、ナフィオン溶液を流し込み電極とした。なお、特許文献２と比較して、メッキ量を少なくすることができた。
【００６２】
（実施例３）
実施例２と同様に、金めっきを施し、粒径５０ｎｍ程度の炭素粒子を２０％添加したナフィオン溶液を流し込み電極とした。特許文献２と比較して、めっき量を少なくすることができた。
【００６３】
（実施例４）
不織布に粒径５０ｎｍ程度の炭素粒子を２０％添加したナフィオン溶液を流し込み電極とした。
【００６４】
（実施例５）
不織布に粒径５０ｎｍ程度の炭素粒子を１８％及び２％の多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）を添加したナフィオン溶液を流し込み電極とした。
【００６５】
（比較例１）
比較例１として、粒径５０ｎｍ程度の炭素粒子を２０％添加したナフィオン溶液によって電極を作製した。
【００６６】
上記実施例１乃至５及び比較例１の全ての試料ともに厚みは同程度にした。作製した電極シートをナフィオン膜の両側に貼り付けアクチュエータを作製した。
【００６７】
各条件での電解質溶液中での動作範囲を下記表１に示した。動作範囲は電極の支持部から可動する距離、即ち、支持部から弧に沿った可動限界部分までの長さである。基準として幅５ｍｍの短冊を作製し、印加電圧を１Ｖに固定したときの可動限界部分までの長さを、比較例１を「１」として、その相対値である倍率で示した。
【表１】
2008148452.tif 000003
【００６８】
上記表１に示すように、電極の集電効率が良くなる構成に従って動作範囲が大きくなった。また、電極基材に更に炭素材料を担持させた方が、より広範囲で動作可能となり集電効果が高くなることを確認した。
【００６９】
また、空気中動作に関しては、作製したアクチュエータを電解質溶液に浸け十分に電解質を浸透させた。さらに、アクチュエータ表面をコートし、溶液が漏れないようにした。大気中でも動作することを確認した。
【００７０】
（実施例６〜１０、比較例２）
次に実施例６乃至１０と、比較例２について説明する。
【００７１】
前述した実施例１乃至５の不織布の代わりにメッシュ状の織布を用いて、前記と同様の実験を行った。その結果を表２に示す。表２においては、比較例２を「１」とした。
【表２】
2008148452.tif 000004
【００７２】
前記表２に示すように、電極基材にメッシュ状の織布を用いた実施例６乃至１０に係る試料は、実施例１乃至５の電極基材に不織布を用いた試料と同様な結果が得られた。
【００７３】
（実施例１１）
炭素粒子として約５０ｎｍの炭素微粒子、樹脂としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶液を混合し、ホットプレスすることにより多数の空孔持つ電極基材を得た。この電極基材にナフィオン（登録商標）のエタノール溶液をキャストし、電極シートを得た。
【００７４】
（比較例３）
比較例３としてナフィオン溶液と炭素粒子を単純に分散した試料について実験を行った。ナフィオン溶液に炭素粒子を３０％添加し、超音波で撹拌することにより分散溶液を得、この溶液をキャスト法により電極を得た。
【００７５】
（実施例１２）
実施例１１と同様に作製を行った炭素粒子に多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を１０％添加した。
【００７６】
（実施例１３）
実施例１１と同様に作製し多数の空孔を持つ電極基材を作製した。この電極基材にナフィオンに２０％炭素材料を添加した溶液をキャストし、電極を作製した。
【００７７】
本発明の実施例１１乃至１３、及び比較例３ともに、厚みは同程度にした。作製した電極をナフィオン膜の両側に貼り付けアクチュエータを作製した。
【００７８】
各条件での電解質溶液中での動作範囲を表３に示した。前記と同様の実験を行った。下記表３においては、比較例３を「１」とした。
【表３】
2008148452.tif 000005
【００７９】
上記表３に示すように、電極の集電効率が良くなる構成に従って動作範囲が大きくなった。電極基材に更に炭素材料を担持させた方が、より広範囲で動作可能となり集電効果が高くなることを確認した。
【００８０】
また、空中動作について、作製したアクチュエータを電解質溶液に浸け十分に電解質を浸透させた。さらに、アクチュエータ表面をコートし、溶液が漏れないようにした。大気中でも動作することを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上の説明の通り、本発明に係るアクチュエータは医療機器や産業用ロボット、マイクロマシン、電気・電子部品等の分野におけるアクチュエータに適用される。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明のアクチュエータの基本構成を示す断面図である。
【図２】従来技術によるアクチュエータの基本構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１，２  電極
３  イオン導電性高分子膜
１０    アクチュエータ
１１，１２  電極
１３    イオン導電性高分子膜
１４    カチオン
２０    アクチュエータ
【図１】
2008148452.tif 000006
【図２】
2008148452.tif 000007