(57)【要約】【課題】電圧を印加することにより力学的に駆動する高分子電解質膜アクチュエータにおいて、金属電極の厚さの不均一性を改善し、ショート及び過熱による発火の危険が生じにくいように安全性を向上する。【解決手段】高分子電解質膜アクチュエータ１０は、電解質溶液が含浸した高分子電解質膜で形成されるアクチュエータ層１２と、アクチュエータ層１２の中に、アクチュエータ層１２の両側の面に沿って対向するように設けられ、電圧が印加される電極１５，１７と、電極１５，１７間を、電極１５，１７に沿って両側に分離するセパレート層１８と、を有する。電極１５，１７は、アクチュエータ層１２にメッキ処理を施して形成される。アクチュエータ層１２はセパレート層１８の接合前にメッキ処理が施される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を印加することにより駆動するアクチュエータであって、
電解質溶液を含浸した高分子電解質膜により形成されるアクチュエータ層と、
前記アクチュエータ層の中に、前記アクチュエータ層の異なる面に沿って対向するように設けられ、電圧が印加される一対の電極と、
前記一対の電極間に設けられ、前記アクチュエータ層の領域を２領域に分割することで前記一対の電極を分離したセパレート層と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項２】
前記セパレート層は、少なくとも多孔質膜を層として含む請求項１に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項３】
前記セパレート層は、前記多孔質膜に高分子電解質膜を被覆した構成である請求項２に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項４】
前記セパレート層は、高分子電解質膜を層として含む請求項１又は２に記載の高分子電解質膜アクチュエータ。
【請求項５】
電圧を印加することにより駆動する高分子電解質膜アクチュエータの作製方法であって、
高分子電解質膜に金属イオンを吸着させる吸着工程と、
吸着した前記金属イオンを還元する還元工程と、
前記吸着工程及び前記還元工程により、金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜を作製し、この一対の高分子電解質膜の間に、この一対の高分子電解質膜を分離するために多孔質膜又は高分子電解質膜を含む膜材を挟んで接合する接合工程と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。
【請求項６】
前記吸着工程の前に、前記高分子電解質膜の片側の面に、前記吸着工程及び前記還元工程に用いる処理液の浸透を遮断する保護膜を設ける工程を有し、かつ、前記還元工程と前記接合工程の間に、前記高分子電解質膜から前記保護膜を除去する除去工程を有し、
前記接合工程では、前記保護膜を除去した前記一対の高分子電解質膜の面のそれぞれを接合面として、前記膜材を挟んで接合する請求項５に記載の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。
【請求項７】
前記吸着工程の前に、前記高分子電解質膜の片側の面に、前記吸着工程及び前記還元工程に用いる処理液の浸透を遮断する保護膜を設ける工程を有し、かつ、前記還元工程と前記接合工程の間に、前記高分子電解質膜から前記保護膜を除去する除去工程を有し、
前記吸着工程及び前記還元工程により作製される金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜は、一対の高分子電解質膜により保護膜を両側から挟んで予め一体化したものを、前記吸着工程及び前記還元工程により処理し、この後、前記除去工程により金属イオンの還元した一体化した一対の高分子電解質膜から前記保護膜を分離することにより得られたものであり、
前記接合工程では、前記保護膜を除去した前記高分子電解質膜の面のそれぞれを接合面として、前記膜材を挟んで接合する請求項５に記載の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。
【請求項８】
前記金属イオンの還元した前記一対の高分子電解質膜は、それぞれの高分子電解質膜の両側の面を前記吸着工程及び前記還元工程の処理面として処理されたものである請求項５に記載の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。
【請求項９】
前記吸着工程及び前記還元工程では、１つの高分子電解質膜に対して処理を行い、
前記接合工程で用いる前記金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜は、前記吸着工程及び前記還元工程で処理された前記１つの高分子電解質膜を厚さ方向で２分割に切断することにより作製されたものである請求項５に記載の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。
【請求項１０】
前記膜材は、前記金属イオンの還元した前記一対の高分子電解質膜と同じ種類の高分子電界質膜で多孔質膜を被覆したものである請求項５〜９のいずれか１項に記載の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加することにより駆動する（湾曲又は変形する）高分子電解質膜アクチュエータ及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機、デジタルカメラ、カーナビゲーションシステムのディスプレイ等の小型電子機器にはユーザからの入力デバイスとして、タッチパネル式ディスプレイが用いられている。タッチパネル式ディスプレイは、指等により所定の部分を押圧することにより、機器に信号を入力することのできる入力デバイスを備えたディスプレイである。しかしながら、このタッチパネル式ディスプレイでは、操作者は、入力されたことの確認を入力と同時に発する音や表示画面中の色の変化により知る方法しかない。
【０００３】
近年、運転中タッチパネル式ディスプレイを視認するすることのできないドライバや視覚障害者を含む操作者が、ディスプレイを視認することができなくても、アナログスイッチを押したときのように反力の感触を受けるあるいは到達度（達成感）を受けるために、種々のデバイスが提案されている。
このようなデバイスの１つとして利用可能なアクチュエータが提案されている（特許文献１）。特許文献１に記載される高分子アクチュエータは、イオン交換樹脂成形品とこのイオン交換樹脂成形品の表面に絶縁状態で金属電極を備えた構成であり、含水状態において、金属電極間に電位差をかけることで、イオン交換樹脂成形品に湾曲及び変形を生じさせるものである。
この高分子アクチュエータは、イオン交換樹脂成形品に、金属錯体水溶液中で吸着させ、吸着した金属錯体を還元することにより金属を析出させて、イオン交換樹脂成形品内部まで樹枝状の金属電極を形成することによって、金属電極を備えたイオン交換樹脂成形品を構成することができる。金属電極は、樹枝状の電極であるため電極面積が大きくなり、実用的な変位と応力を得ることができると、されている。
【０００４】
【特許文献１】特許第２９６１１２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記高分子アクチュエータのイオン交換樹脂成形品に設けられる樹枝状の電極は、金属錯体を含む水溶液に浸漬することによって金属錯体を吸着させ、この後、還元剤を用いて金属を樹枝状に析出させて（メッキ処理をして）作製されるので、金属錯体の濃度やメッキ液の温度等の各種条件を制御して金属電極層を一定の厚さに形成することは難しい。金属電極層の厚さが不均一である場合、樹枝状の電極間の距離の短い部分に電界が集中して、又、イオン交換樹脂成形品の曲げ変形により対向する樹枝状の電極同士が接触してショートし、さらには過熱し、これらによる発火の危険が生じ、安全性が損なわれる、といった問題があった。このような問題は、樹枝状の電極を高密度にして金属電極層を大面積にするほど顕著となっている。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、電圧を印加することにより駆動する高分子電解質膜アクチュエータにおいて、ショート及び過熱による発火の危険が生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータを提供するとともに、電極を形成するためのメッキ処理の調整が従来に比べて必要でないアクチュエータの作製方法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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、電圧を印加することにより駆動するアクチュエータであって、電解質溶液を含浸した高分子電解質膜により形成されるアクチュエータ層と、前記アクチュエータ層の中に、前記アクチュエータ層の異なる面に沿って対向するように設けられ、電圧が印加される一対の電極と、前記一対の電極間に設けられ、前記アクチュエータ層の領域を２領域に分割することで前記一対の電極を分離したセパレート層と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータを提供する。
【０００８】
その際、前記セパレート層は、少なくとも多孔質膜を層として含むことが好ましい。さらに、前記セパレート層は、前記多孔質膜に高分子電解質膜を被覆した構成であることがより好ましい。又、前記多孔質膜は、軟化点が１００℃以下の材料で構成されていることが好ましい。
前記セパレート層は、高分子電解質膜を層として含むことが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明は、電圧を印加することにより駆動する高分子電解質膜アクチュエータの作製方法であって、高分子電解質膜に金属イオンを吸着させる吸着工程と、吸着した前記金属イオンを還元する還元工程と、前記吸着工程及び前記還元工程により、金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜を作製し、この一対の高分子電解質膜の間に、この一対の高分子電解質膜を分離するために多孔質膜又は高分子電解質膜を含む膜材を挟んで接合する接合工程と、を有することを特徴とする高分子電解質膜アクチュエータの作製方法を提供する。
【００１０】
その際、前記吸着工程の前に、前記高分子電解質膜の片側の面に、前記吸着工程及び前記還元工程に用いる処理液の浸透を遮断する保護膜を設ける工程を有し、かつ、前記還元工程と前記接合工程の間に、前記高分子電解質膜から前記保護膜を除去する除去工程を有し、前記接合工程では、前記保護膜を除去した前記一対の高分子電解質膜の面のそれぞれを接合面として、前記膜材を挟んで接合することが好ましい。
あるいは、前記吸着工程の前に、前記高分子電解質膜の片側の面に、前記吸着工程及び前記還元工程に用いる処理液の浸透を遮断する保護膜を設ける工程を有し、かつ、前記還元工程と前記接合工程の間に、前記高分子電解質膜から前記保護膜を除去する除去工程を有し、前記吸着工程及び前記還元工程により作製される金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜は、一対の高分子電解質膜により保護膜を両側から挟んで予め一体化したものを、前記吸着工程及び前記還元工程により処理し、この後、前記除去工程により金属イオンの還元した一体化した一対の高分子電解質膜から前記保護膜を分離することにより得られたものであり、前記接合工程では、前記保護膜を除去した前記高分子電解質膜の面のそれぞれを接合面として、前記膜材を挟んで接合することが好ましい。
又、前記金属イオンの還元した前記一対の高分子電解質膜は、それぞれの高分子電解質膜の両側の面を前記吸着工程及び前記還元工程の処理面として処理されたものであるのも同様に好ましい。
あるいは、前記吸着工程及び前記還元工程では、１つの高分子電解質膜に対して処理を行い、前記接合工程で用いる前記金属イオンの還元した一対の高分子電解質膜は、前記吸着工程及び前記還元工程で処理された前記１つの高分子電解質膜を厚さ方向で２分割に切断することにより作製さるのも同様に好ましい。
【００１１】
前記膜材は、前記金属イオンの還元した前記一対の高分子電解質膜と同じ種類の高分子電界質膜で多孔質膜を被覆したものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の高分子電解質膜アクチュエータは、アクチュエータ層の中に、アクチュエータ層の両側の異なる面に沿って設けられる一対の電極の間にセパレート層が設けられ、この一対の電極を分離するので、電極間の距離が一定に確保される。このため、電極間の距離の短い部分に電界が集中することがなく、アクチュエータ層が変形しても対向する電極同士が接触してショートし、このショートにより過熱することがない。これより、ショート及び電界の集中による過熱によって発火する危険の生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータが実現できる。
さらに、セパレート層の多孔質膜に、軟化点が１００℃以下の材料を用いる場合、多孔質膜は、１００℃を超えたとき溶け多孔質膜の孔を塞ぐので、イオンの移動を遮断して、アクチュエータとしての機能を停止する。このため、アクチュエータは１００℃の高温状態に加熱されることはなく、過熱により発火する危険の生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータが実現できる。
【００１３】
さらに、本発明の作製方法では、アクチュエータ層に電極を設けるとき、一対の高分子電解質膜に電極を設けた後、この一対の高分子電解質膜をセパレート層となる膜材に挟んで接合する。このため、１つの高分子電解質膜の両側からメッキ処理により電極を設ける従来の場合に比べて、電極間の距離が必要以上に接近し、かつ両側の電極同士が接続されて形成されることを懸念する必要が無くなる。したがって、従来に比べて、電極として高分子電解質膜中に形成される金属の析出の程度をコントロールする必要が小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１（ａ）は、本発明の高分子電解質膜アクチュエータ（以降、アクチュエータという）の一実施形態を示す模式断面図である。
図１（ａ）に示すアクチュエータ１０は、高分子電解質膜で形成されるアクチュエータ層１２と、アクチュエータ層１２の両側の異なる面に沿って設けられ、アクチュエータ層１２の両側から電圧を印加する電極１５，１７と、アクチュエータ層１２の領域を、電極１５，１７に沿って両側（図１（ａ）中の上側と下側）の２領域に分割するセパレート層１８と、電極１５，１７に電圧を印加する電源２０と、電圧の印加を制御するコントローラ２２とを、有して構成される。
【００１５】
アクチュエータ層１２は、セパレート層１８を挟むようにセパレート層１８の両側の面に接合して設けられた高分子電解質膜１４，１６で構成されている。高分子電解質膜１４，１６は、イオン導電性の材料であれば限定されないが、特にイオン伝導率の点及び耐久性の点からイオン交換樹脂膜を好適に用いることができる。イオン交換樹脂膜は、特に限定されないが、例えば、陽イオン交換樹脂膜、陰イオン交換樹脂膜あるいは両イオン交換樹脂膜が用いられる。この中で、アクチュエータとしての動作の点から、陽イオン交換樹脂膜が好適に用いられる。陽イオン交換樹脂膜の場合、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、フッ素系樹脂等にスルホン酸基、カルボキシル基等の置換基を導入したものが用いられる。陽イオン交換樹脂膜として「ナフィオン」（登録商標、Du Pont社製商品名）や「フレミオン」（登録商標、旭硝子社製商品）が用いられる。又、ベンズイミダゾール骨格を有するイオン交換樹脂膜、あるいはスルホン化ポリエーテルスルホン系イオン交換樹脂膜、ポリアリールエーテル系イオン交換樹脂膜又はスルホン化ポリエーテルエーテルケトン系イオン交換樹脂膜、さらには、ポリイミド系イオン交換樹脂膜等も例示される。
【００１６】
電極１５，１７は、アクチュエータ層１２の異なる面に沿って対向するように設けられ、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜中に、アクチュエータ層１２の両側の面から内側に向かって樹枝状に設けられた金属とアクチュエータ層１２の表面に形成されたメッキ膜１９とからなる電極である。樹枝状の金属は、アクチュエータ層１２の両側の面に沿って略一様の厚さで設けられている（図１（ａ）中のドット領域）。このため、電極１５，１７は、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜中に広い電極面積を有する。電極１５,１７は、イオン吸着を利用して金属イオンを吸着させた後、金属イオンを還元させて金属を析出させる、いわゆるメッキ処理により得られる。電極１５，１７は、例えば金、白金又はパラジウムで構成される。特に、柔軟性の点から、金を用いることが好ましい。電極１５，１７の作製方法は後述する。
【００１７】
セパレート層１８は、電極１５，１７間に設けられ、アクチュエータ層１２の領域を２領域に分割することで電極１５，１７を物理的に分離する層である。厚さは、１〜５０μｍである。アクチュエータ１０は、アクチュエータ層１２に含浸した電解質溶液中のカチオンが高分子電解質膜１７の陰極に向かって移動し、この移動に伴って溶媒分子が移動することにより、陰極の側に溶媒が偏在化する。この偏在化した溶媒により、アクチュエータ層１２に図１（ｃ）に示すように曲げや変形が生じる。このような作用をさせるために、セパレート層１８は、カチオン及び溶媒のみが移動可能であり、アニオンの移動を制限することが好ましい。又、アクチュエータ層１２の曲げ変形に追従する柔軟性や屈曲性を有することも必要である。このとき、アクチュエータ１０の動作速度を速くするために、セパレート層１８は、高分子電解質で活性化した状態のカチオンの導電性を抑制しないものが好ましい。また、アクチュエータ１０全体の厚さは、曲げ変形を効率よく行うために、薄いことが好ましく、したがって、セパレート層１８も薄いことが好ましい。
【００１８】
このようなセパレート層１８は、下記３つの形態が挙げられる。
（Ｉ）多孔質膜（又はメンブレン膜）で構成した形態、
（ＩＩ）多孔質膜（又はメンブレン膜）１８ａの両側に、高分子電解質膜１８ｂ,１８ｃを被覆した形態（図１（ｂ）参照）、
（ＩＩＩ）高分子電解質膜で構成した形態。
【００１９】
（Ｉ）多孔質膜（又はメンブレン膜）で構成した形態
この形態の多孔質膜（又はメンブレン膜）には、電気化学的に安定し、かつ電位窓の大きな材料が好適に用いられる。多孔質膜として、例えば、有機材料であれば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂フィルム、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等のフッ素系樹脂フィルム等が挙げられ、さらには無機材料であれば、ガラス、酸化アルミニウム等が挙げられる。さらに、セパレート層１８の表面は親水処理又は疎水処理を施してもよい。多孔質膜の場合、孔の形状は特に限定されないが、カチオンの導電性の点から、空孔率は高いことが好ましい。多孔質膜の形態は、多数の穴があいた膜でもよいし、不織布、織布の構造の膜でもよい。膜材は、アクチュエータ層１２の曲げ変形を制限しないように柔軟性を有することが好ましい。
【００２０】
多孔質膜（又はメンブレン膜）は、一層で構成される他、多層の多孔質膜（又はメンブレン膜）で構成して異なる特性を持たせるようにしてもよい。例えば、機械的強度の高い多孔質膜の両側あるいは片側に柔軟性を有する多孔質膜を積層することで、電極１５，１７との分離とアクチュエータとしてのイオンの導電性を確保しつつ、機械的強度も確保することができる。
さらに、多孔質膜（又はメンブレン膜）に、アクチュエータ１０がショート等により異常発熱し又高温状態となった場合、電極１５，１７間の導通を遮断するような機能を持たせることができる。例えば、所定の温度、例えば１００℃に達した時、素材が溶融する又は軟化する多孔質膜を用いることにより、所定の温度で多孔質膜の孔が塞がり電極１５，１７間の導通を遮断することができ、異常発熱又は高温状態となったときの安全性を確保することができる。例えば、ポリエチレン等の軟化点が１００度以下のものが好適に用いられる。
このようなセパレート層１８は、高分子電解質膜１４，１６との接合面の密着性が良好に接合される。
【００２１】
（ＩＩ）多孔質膜（又はメンブレン膜）１８ａの両側に、高分子電解質膜１８ｂ,１８ｃを被覆した形態（図１（ｂ）参照）
この形態のセパレート層１８の場合、図１（ｂ）に示す高分子電解質膜１８ｂ,１８ｃは、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜１４，１６と同じ材料の高分子電解質膜が密着性の点から好適に用いられる。この形態のセパレート層１８は、上記多孔質膜（又はメンブレン膜）で構成された形態のセパレート層１８に比べてアクチュエータ層１２との密着性を向上させることができ、曲げ変形を繰り返し行うアクチュエータの耐久性が向上する。
さらに、多孔質膜に高分子電解質膜と同じ材料の高分子電解質膜を被覆した場合、多孔質膜の孔の内部に高分子電解質膜の材料の一部が侵入するので、多孔質膜１８ａの孔を塞ぎ、メッキ処理により析出した金属の粉が多孔質膜１８ａ中に入り込むのを防ぐ。したがって、アクチュエータ層１２の曲げ変形しても、金属の粉によってショートすることはなく、電極１５，１７間の分離を確実にできる。このため、アクチュエータ１０の安全性を確保できる。一方、多孔質膜１８ａの孔を塞ぐ高分子電解質膜１８ｂ、１８ｃは、電解質溶液中のカチオン、アニオンを透過するので、多孔質膜１８ａの孔の内部に高分子電解質膜１８ｂ、１８ｃの材料が侵入してもアクチュエータの動作に不都合はない。
【００２２】
（ＩＩＩ）高分子電解質膜で構成した形態
この形態の高分子電解質膜は、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜１４，１６と同じ材料を用いる。この場合、セパレート層１８に用いる高分子電解質膜に電極が形成されないように、後述するように、先にアクチュエータ層１２の高分子電界質膜１４，１６にメッキ処理により電極１５，１７を設け、この後セパレート層１８を挟んで接合する方法で作製される。この形態では、一層の構成のみならず、多層の高分子電解質膜を積層した構成であってもよい。
【００２３】
電源２０は、電極１５，１７間に所定の電位差を与えるために電圧を印加するもので、ＤＣ電源が用いられ、例えばコントローラ２２を介して−２〜＋２Ｖの電圧が電極１５，１７間に印加される。
コントローラ２２は、図示されない外部装置からの制御信号に応じて電圧の印加を調整する部分である。
【００２４】
このようなアクチュエータ１０では、アクチュエータ層１２に電解質溶液を含浸させて膨潤させることで、アクチュエータとして活性化される。電解質溶液は、電解塩が溶解して導電性を有するものであればよい。例えば、カチオンとしてリチウムイオンを好適に用いることができる。この他、カチオンとして、ジアルキルイミダゾリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオン、ピペリジニウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリウムイオン、ピロリジニウムイオンからなる群から選択されるものも用いることができる。又、アニオンとして、ＡlＣｌ4−、ＢＦ4−、ＣｌＯ4−、ＰＦ6−、ＳｂＦ6−、Ｃｌ−、スルホニウムイミドアニオン、（ＣＦ3ＳＯ2）2Ｎ−、（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2Ｎ−からなる群から選択されるものを用いることができる。溶媒として、水や、低揮発性の非水系溶媒、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチレングリコール、グリセリン、スルホラン、ブチロラクトン等の有機溶剤を用いることができる。特に、低揮発性の有機溶剤は、気中動作及び長期的な使用の点から好適である。電解質溶液として、室温でも液体として存在する塩であるイオン性液体、ゲル電解質を使用することもできる。
アクチュエータ１０には、溶媒の揮発を防止するために、カバー層（図示されない）を設けることが好ましい。
【００２５】
次に、電極１５，１７の作製について説明する。
アクチュエータ層１２に形成される樹枝状の金属からなる電極１５，１７は、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜に対して、金属イオンの吸着処理及び還元処理を行うことにより作製される。すなわち、メッキ処理が行われる。具体的には、（ａ）〜（ｅ）の５工程を１回以上、例えば３〜５回繰り返すことにより作製される。
（ａ）洗浄工程
（ｂ）膨潤工程
（ｃ）金属イオンの吸着工程
（ｄ）金属イオンの還元工程
（ｅ）洗浄工程
各工程の一例を挙げると、（ａ）洗浄工程では、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜を沸騰純水中で１時間加熱して洗浄する。（ｂ）膨潤工程では、メタノール中で１時間浸漬することにより、高分子電解質膜を膨潤させる。（ｃ）金属イオンの吸着工程では、メッキ液として金フェナントロリン錯体溶液に１２時間浸漬することより金イオンを高分子電解質膜に吸着させる。（ｄ）金属イオンの還元工程では、亜硫酸ナトリウム水溶液を金イオンの吸着した高分子電解質膜に浸透させて金イオンを還元させて金を析出させる。（ｅ）洗浄工程では、７０℃の純水中に３０分浸漬して洗浄する。
【００２６】
このような構成のアクチュエータ１０は、電解質溶液を含浸し膨潤させて活性化した状態で電極１５，１７間に電位差を与えると、イオン交換により電解質溶液中に含まれる多数のプロトンが溶媒分子とともに陰極側に移動することで大きな体積変化を起こす。これにより、図１（ｃ）に示すように曲げ変形が生じる。このとき、電極１５，１７は、セパレート層１８で物理的に分離されるので、曲げ変形が生じても、従来のように樹枝状の電極が接触することはなく、又、電極間の距離も一定以下に接近しないので、電極１５，１７の厚さの不均一によるショート及びショートによる過熱によって発火する危険が生じない。したがって、電極の厚さを均一にするために、従来のようなメッキ処理の条件を正確にコントロールする必要は無くなる。
【００２７】
次に、アクチュエータ１０の作製方法について説明する。
アクチュエータ１０の本発明に係る作製方法は、アクチュエータ層１２のそれぞれの高分子電解質膜に電極１５，１７を設けた（メッキ処理をした）後、セパレート層１８と一体化する方法である。なお、アクチュエータ１０は、この他、セパレート層１８をアクチュエータ層１２で挟んで一体化した後、メッキ処理にて電極１５，１７を設ける方法により作製することもできる。以下、アクチュエータ層１２のそれぞれの高分子電解質膜に電極１５，１７を設けた（メッキ処理をした）後、セパレート層１８と一体化する方法を説明する。
【００２８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、アクチュエータ１０の作製方法を説明する図であり、３つの方法、すなわち方法１、方法２、方法３が挙げられている。いずれの方法についても、アクチュエータ層のメッキ処理後、セパレート層を接合する（一体化する）方法である。
方法１では、図２（ａ）に示されるように、電極の設けられていない高分子電解質膜１４’,１６’が用意される。この一対の高分子電解質膜１４’,１６’は、それぞれ上述した電極の作製方法（メッキ処理）で電極１５，１７が設けられる。
この後、セパレート層１８となる膜材の両側から電極１５，１７の設けられた高分子電解質膜１４，１６がホットプレス又は接着等により接合されて高分子電解質膜１４、セパレート層１８となる膜材及び高分子電解質膜１６が一体化される。
【００２９】
メッキ処理では、高分子電解質膜１４’,１６’の両側の面からメッキ処理を行う方法の他、図３に示すように、高分子電解質膜１４’,１６’の片側の面にメッキ液の浸透を遮断する保護膜３０を設けた状態で片側の面からメッキ処理を行う、すなわち、片側メッキ処理を行うことができる。保護膜３０は、メッキ処理後、剥離された後、剥離された面はセパレート層１８との接合面としてセパレート層１８となる膜材と接合され一体化される。保護膜３０は、特に限定されないが、メッキ液や還元剤や膨潤工程で用いる液に対して耐性を有することが好ましく、又高分子電解質膜１４，１６から容易に剥離できることが好ましい。保護膜３０として、例えばテフロン（登録商標）フィルムが好適に用いられる。保護膜３０を用いてメッキ処理を行うことで、保護膜３０を設けていない片側の面からメッキ処理が進行するので、この片側から樹枝状の金属の密度が他方の面に向かってなだらかに減少する電極を形成することができる。このため、高分子電解質膜１４’,１６’の両側の面に金属が偏在した電極の形成を防止することができる。
【００３０】
一方、保護膜３０を用いることなく高分子電解質膜１４’,１６’の両側からメッキ処理をする場合、すなわち、両側メッキ処理の場合、メッキ処理後にセパレート層１８となる膜材を接合するので、従来のようにメッキ速度等をコントロールする必要が小さく、メッキ処理を十分に行えばよく、作製が容易である。又、高分子電解質膜１４’,１６’の両側の面からメッキ処理を行うので、セパレート層１８となる膜材と接合した側（電極下部側）まで、高密度にかつ広い面積で電極を形成することができる。これにより、アクチュエータの高速の応答と大変形が可能となる。従来の方法では、高分子電解質膜を両側からメッキ処理し、しかも、セパレート層のない構成であるので、電極間のショートを防止する点から、電極下部側、すなわち、高分子電解質膜の内部まで高密度に電極を形成することはできない。このため、広い電極面積を設けることができない。
【００３１】
方法２では、図２（ｂ）に示されるように、高分子電解質膜１４，１６の合計の厚さを有する高分子電解質膜に対して両側メッキ処理を十分に行い、この後、厚さが半分になるように厚さ方向で２分割に切断することで、一対の高分子電解質膜１４，１６が作製される。この後、セパレート層１８となる膜材の両側から電極１５，１７の設けられた高分子電解質膜１４，１６がホットプレス又は接着等により接合されて高分子電解質膜１４、セパレート層１８となる膜材及び高分子電解質膜１６が一体化される。メッキ処理では、高分子電解質膜の内部の中心部まで緻密にメッキすることにより、高分子電解質膜を２分割したときの片側の電極の下側まで、高密度の樹枝状の電極を得ることができる。高分子電解質膜１４，１６の内部に薄い金属層が部分的に形成されることがないので、通電時の抵抗が高くなることがない。このため、アクチュエータの印加電圧の上昇を抑えることができる。
【００３２】
方法３では、図２（ｃ）に示されるように、剥離可能な保護膜２２を高分子電解質膜１４’，１６’で挟んで貼着して一体化し、この後、一体化された高分子電解質膜１４’，１６’の外側の面から片側メッキ処理により電極１５，１７が設けられる。保護膜２２は剥離されて一対の高分子電解質膜１４，１６が得られる。この後、電極１５，１７の設けられた高分子電解質膜１４，１６が、保護膜３０の剥離された面を接合面として、セパレート層１８となる膜材の両側を挟むようにホットプレス又は接着等により接合されて一体化される。この片側メッキ処理では、同時に一対の電極の設けられた高分子電解質膜を作製することができるので、生産効率の点で有効である。
【００３３】
このように、方法１〜３のいずれの場合についてもアクチュエータ層のメッキ処理後、セパレート層を接合する（一体化する）ので、メッキ処理のコントロールの必要性が低下する。したがって、大面積の電極を設けたアクチュエータを容易に作製することができる。また、電極間の距離をセパレート層で一定に保つので、電界の集中が無くなり、大面積のアクチュエータを作製した際に、動作ばらつきが小さくなる。
【００３４】
〔実施例〕
以下、アクチュエータ１０を上記種々の方法を用いて作製して、アクチュエータとして機能するか否かを確認した。
アクチュエータ１０の作製方法は下記表１に示す。
表１中の「ナフィオン」（登録商標）はDu Pont社製商品名、フッ素系陽イオン交換樹脂膜であり、パーフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥコポリマーの膜である。
又、表１中のＰＶＤＦはポリフッ化ビニリデン、ＰＥはポリエチレンを意味する。
さらに、表１中の「ナフィオン」（登録商標）をキャストとは、「ナフィオン」（登録商標）の２０％エタノール溶液をスラリーとして、キャスト法を用いて膜を形成したことを意味する。表１中の「ナフィオン」（登録商標）のエタノール溶液による接着とは、「ナフィオン」（登録商標）のエタノール溶液を接着剤として用いたことを意味する。表１中の「ホットプレス」は、１５０℃、２５０ＭＰａの条件による接合である。
【００３５】
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７は上述した方法、すなわち、アクチュエータ層１２のそれぞれの高分子電解質膜に電極１５，１７を設けた後、セパレート層１８と一体化する方法でアクチュエータ１０を作製した実施例である。Ｎｏ．８は、従来のアクチュエータ、すなわち、セパレート層１８の無い構成で作製された従来例である。
【００３６】
Ｎｏ．１〜４は、「ナフィオン」（登録商標）／「ナフィオン」（登録商標）／ＰＶＤＦ／「ナフィオン」（登録商標）／「ナフィオン」（登録商標）の構成であり、このうち、セパレート層１８は「ナフィオン」（登録商標）／ＰＶＤＦ／「ナフィオン」（登録商標）の層構成である。Ｎｏ．５は、「ナフィオン」（登録商標）／ＰＶＤＦ／「ナフィオン」（登録商標）の構成であり、Ｎｏ．６は、「ナフィオン」（登録商標）／ＰＥ／「ナフィオン」（登録商標）の構成である。Ｎｏ．７は、「ナフィオン」（登録商標）／「ナフィオン」（登録商標）／「ナフィオン」（登録商標）の構成である。
Ｎｏ．２では、両側メッキ処理を行ったが、このときの電極の形成を確認するために、断面を顕微鏡観察したところ、両側から成長した樹枝状の金属が延びて繋がっていることが確認された。このとき、１ｃｍ×１ｃｍの正方形の膜の両側間の抵抗は、約１オームであった。
【００３７】
Ｎｏ．１〜８のアクチュエータのメッキ処理は、上述の（ａ）洗浄工程〜（ｅ）洗浄工程を５回繰り返して、電極を形成した。このとき、（ａ）洗浄工程では、アクチュエータ層１２の高分子電解質膜を沸騰純水中で１時間加熱して洗浄した。（ｂ）膨潤工程では、メタノール中で１時間浸漬することにより、高分子電解質膜を膨潤させた。（ｃ）金属イオンの吸着工程では、メッキ液として金フェナントロリン錯体溶液に１２時間浸漬することより金イオンを高分子電解質膜に吸着させた。（ｄ）金属イオンの還元工程では、亜硫酸ナトリウム水溶液を金イオンの吸着した高分子電解質膜に浸透させて金イオンを還元させて金を析出させた。（ｅ）洗浄工程では、７０℃の純水中に３０分浸漬して洗浄した。
こうして作製されたアクチュエータのアクチュエータ層に過塩素酸リチウム溶液を浸透させイオン交換を行わせてアクチュエータを活性化させた。電極に−２〜＋２Ｖの電位を与えて掃引することにより、アクチュエータを動作させた。
【００３８】
2008211916.tif 000003
【００３９】
Ｎｏ．１のアクチュエータ（実施例）は、Ｎｏ．８のアクチュエータ（従来例）と比較して、アクチュエータがショートせず、円滑にかつ安定して作動することが確認できた。
Ｎｏ．２のアクチュエータ（実施例）は、ショートせず、円滑にかつ安定して作動し、しかも、Ｎｏ．１のアクチュエータと比較して、大きな変形、曲げが生じることが確認できた。
Ｎｏ．３のアクチュエータ（実施例）は、ショートせず、円滑にかつ安定して作動し、しかも、Ｎｏ．２のアクチュエータと比較して、さらにより大きな変形、曲げが生じることが確認できた。
Ｎｏ．４のアクチュエータ（実施例）は、Ｎｏ．１のアクチュエータと同等にショートせず円滑に作動することが確認できた。
Ｎｏ．５のアクチュエータ（実施例）も、Ｎｏ．１のアクチュエータと同等にショートせず円滑に作動することが確認できた。
Ｎｏ．６のアクチュエータ（実施例）のセパレート層１８はＰＥからなる多孔質膜であり、軟化温度が１００℃以下であることから、１００℃の温度雰囲気で５分間放置させたところ、アクチュエータの電極間の抵抗は無限大となり、電極間が遮断されることが確認できた。さらに、Ｎｏ．１のアクチュエータと同等にショートせず円滑に作動することが確認できた。
Ｎｏ．７のアクチュエータ（実施例）は、Ｎｏ．１のアクチュエータと同等にショートせず円滑に作動することが確認できた。
以上より、Ｎｏ．１〜７は、いずれもショートせず滑らかな動作をするので、ショートによる発火の危険及びショートにより生ずる過熱による発火の危険が生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータが実現できることがわかった。
又、Ｎｏ．６では、１００℃の温度雰囲気で、アクチュエータの電極間が遮断されるので、過熱による発火の危険が生じにくい、安全性の高い高分子電解質膜アクチュエータが実現できることがわかった。
【００４０】
以上、本発明の高分子電解質膜アクチュエータ及びその作製方法について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）は、本発明の高分子電解質膜アクチュエータの一実施形態を示す模式断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すアクチュエータのセパレート層に用いる膜材の一形態を示す図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すアクチュエータの動作の一例を説明する図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法における各方法を説明する図である。
【図３】本発明の高分子電解質膜アクチュエータの作製方法で用いる保護膜を説明する図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  高分子電解質膜アクチュエータ
１２  アクチュエータ層
１４，１６  高分子電解質膜
１５，１７  電極
１８  セパレート層
１８ａ  多孔質膜
１８ｂ，１８ｃ  高分子電解質膜
１９  メッキ膜
２０  電源
２２  コントローラ
３０  保護膜
【図１】
2008211916.tif 000004
【図２】
2008211916.tif 000005
【図３】
2008211916.tif 000006