(57)【要約】【課題】    誘電体ポリマー層を介して複数の電極間に電圧を印加させて動作するアクチュエータにおいて、低電圧で駆動でき、かつ大きな変位量を得ることが可能なアクチュエータを提供。 【解決手段】    誘電体ポリマー層３を介して、正極１及び負極２間に電圧を印加させて動作するアクチュエータにおいて、該誘電体ポリマー層が、誘電体ポリマー（例えば、ポリエステル、ポリアクリル、ポリビニルアルコール、ポリハロゲン化ビニルまたはポリハロゲン化ビニリデンに可塑剤を添加させたポリマー等）に、電子受容性を有する電荷捕捉剤（例えば、テトラシアノキノジメタン、ジクロロジシアノキノン、あるいはＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ等を中心金属とする金属錯体類）を含有させてなるアクチュエータである。また、電荷捕捉剤は、電極と接する該ポリマー層表面や、アクチュエータの伸長部に多く含有させる。【選択図】    図２      
2005323482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体ポリマー層を介して複数の電極間に電圧を印加させて動作するアクチュエータにおいて、該誘電体ポリマー層が、誘電体ポリマーに電子受容性を有する電荷捕捉剤を含有させてなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
電荷捕捉剤が、テトラシアノキノジメタン及びその類縁体、キノン化合物、ポリニトロ芳香族化合物、フルオレン類、ポリシアノ類及びその類縁体、ポルフィリン類、フタロシアニン類からなる群から選ばれる少なくとも１種であ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】
電荷捕捉剤が、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、ＩｒまたはＰｔを中心金属とする金属錯体類からなる群から選ばれる少なくとも１種であ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４】
誘電体ポリマーが、絶縁性かつエラストマー性を有するポリウレタン、ポリエステル、ポリアクリル、ポリアクリロニトリル及びポリアミドからなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
誘電体ポリマーが、ポリビニルアルコール、ポリハロゲン化ビニルまたはポリハロゲン化ビニリデンに可塑剤を添加させてなるポリマー群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
誘電体ポリマー層が、誘電体ポリマーに電荷捕捉剤を含有させてなり、かつ、該ポリマー層内部に比して、電極と接する該ポリマー層表面に電荷捕捉剤を多く含有させて構成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
誘電体ポリマー層が、誘電体ポリマーに電荷捕捉剤を含有させてなり、かつ、該ポリマー層内部に比して、アクチュエータの伸長部に電荷捕捉剤を多く含有させて構成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体ポリマー層を介して複数の電極間に電圧を印加することにより形状を変化させて動作するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータは、電気、熱あるいは光などのエネルギーを動力に変換する機能を有し、例えば、磁気モーター、電圧素子、油圧シリンダ、空圧シリンダ等に応用されている。
【０００３】
近年、有機高分子材料を用いたアクチュエータが提案され、該アクチュエータは、軽量で、柔軟性が高く、作動電圧が低いなどの特徴を有し、例えば、医療用器具、人工筋肉などの分野への適用が検討されている。
【０００４】
上記有機高分子材料としては、例えば高分子電解質ゲルや導電性高分子、イオン交換膜をあげることができ、これらの材料を用いたアクチュエータは、ポリマー中の溶媒含有量変化、すなわち膨潤・脱膨潤による体積変化を利用した駆動機構を有し、一般的には溶媒中での使用に限定され、空気中での使用が不可能であり、また、これらの材料は導電性が比較的高いため、大きな電流が流れ、ジュール熱によるエネルギー損失が大きいという欠点があった。
【０００５】
他の有機高分子材料としては、非イオン性高分子ゲルおよび絶縁性エラストマーなどの誘電体ポリマーがあげられ、これらの材料を用いたアクチュエータは、誘電した高分子鎖、もしくは可塑剤などのセグメント移動による圧力分布の変化及び電荷密度の局所的な増加による同符号電荷間のクーロン反発を利用した駆動機構を有し、一般的には空気中での使用が可能であり、絶縁性が高くジュール熱によるエネルギー損失が小さいという利点がある。
【０００６】
上記アクチュエータとしては、例えば特許文献１に、酢酸ナトリウムに例示されるイオン性物質を含有する非導電性高分子を用いた高分子アクチュエータが提案されている。
【０００７】
上記公報には、イオン性物質を含有する非導電性高分子材料に電圧を印加すると、電極から高分子材料へ電荷（ホール又は電子）が注入され、このような注入された電荷同士のクーロン反発力、すなわち正極側と負極側とで発生する歪みの大きさの差を利用して、高分子材料を伸長させる旨が記載されている。しかしながら、該アクチュエータは、電圧印加により、正負両極において帯電が生じ、クーロン反発力が互いに打ち消し合う方向に働くため、アクチュエータとしての駆動力は弱く、大きな変位量を得ることが難しく、また、４００Ｖ以上の高い電圧を印加させなければ駆動できないという解決すべき課題が残されていた。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２５８２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、誘電体ポリマー層を介して複数の電極間に電圧を印加させて動作するアクチュエータにおいて、低電圧で駆動でき、かつ大きな変位量を得ること可能な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】
【００１０】
本発明者らは、誘電体ポリマーに電子受容性を有する電荷捕捉剤を含有させてなる有機高分子材料を用いたアクチュエータが、低電圧で駆動でき、かつ大きな変位量を得ることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、誘電体ポリマー層を介して複数の電極間に電圧を印加させて動作するアクチュエータにおいて、該誘電体ポリマー層が、誘電体ポリマーに電子受容性を有する電荷捕捉剤を含有させてなることを特徴とするアクチュエータである。
【００１２】
また、本発明は、電荷捕捉剤が、テトラシアノキノジメタン及びその類縁体、キノン化合物、ポリニトロ芳香族化合物、フルオレン類、ポリシアノ類及びその類縁体、ポルフィリン類、フタロシアニン類からなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とするアクチュエータである。
【００１３】
また、本発明は、電荷捕捉剤が、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、ＩｒまたはＰｔを中心金属とする金属錯体類からなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とするアクチュエータである。
【００１４】
また、本発明は、誘電体ポリマーが、絶縁性かつエラストマー性を有するポリウレタン、ポリエステル、ポリアクリル、ポリアクリロニトリル及びポリアミドからなる群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とするアクチュエータである。
【００１５】
また、本発明は、誘電体ポリマーが、ポリビニルアルコール、ポリハロゲン化ビニルまたはポリハロゲン化ビニリデンに可塑剤を添加させてなるポリマー群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とするアクチュエータである。
【００１６】
また、本発明は、誘電体ポリマー層が、誘電体ポリマーに電荷捕捉剤を含有させてなり、かつ、該ポリマー層内部に比して、電極と接する該ポリマー層表面に電荷捕捉剤を多く含有させて構成されることを特徴とするアクチュエータである。
【００１７】
また、本発明は、誘電体ポリマー層が、誘電体ポリマーに電荷捕捉剤を含有させてなり、かつ、該ポリマー層内部に比して、アクチュエータの伸長部に電荷捕捉剤を多く含有させて構成されることを特徴とするアクチュエータである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、誘電体ポリマーに電子受容性を有する電荷捕捉剤を含有させることにより、電圧を印加した際に、誘電体ポリマーの電場によるセグメント移動作用を促進することができるとともに、伸長部表面に電荷をより多く蓄えることができ、電荷密度が上がることにより強いクーロン反発力が働き、低電圧で駆動でき、かつ大きな変位量を得ることができる。
【００１９】
さらに、本発明は、誘電体ポリマーの所望の部位に、電荷捕捉剤を多く含有させることにより、該部位を優先的に伸長させることが可能であり、アクチュエータの動作に、より自由度を付加することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明のアクチュエータの一実施態様を示す概略図であり、また、図２は、図１に示すアクチュエータの駆動時の状態を示す概略図であるが、本発明のアクチュエータは、正極１及び負極２の間に、電子受容性を有する電荷捕捉剤を含有させてなる誘電体ポリマー層３を狭持させて構成され、給電用端子４に外部電源５から電圧を印加することにより、負極２から、電子が誘電体ポリマー層中の電荷捕捉剤へ注入され、陰極表面に生じるクーロン反発力により、該表面に伸長力が働き、アクチュエータとして駆動する。
【００２２】
本発明に用いられる誘電体ポリマーとしては、弾性率が小さく、誘電性を有するエラストマー、例えば、ポリウレタン、ポリエステル、ポリアクリル、ポリアクリロニトリル、ポリアミドや、ポリマー自体の誘電率は小さいが、誘電性を有する可塑剤を添加させた非イオン性高分子ゲル、具体的には、ポリビニルアルコール、ポリハロゲン化ビニル、ポリハロゲン化ビニリデンなどの非イオン性高分子に、可塑剤を添加させて用いることができる。
【００２３】
上記の可塑剤としては、誘電率が大きいフタル酸エステル類や、アジピン酸エステルをはじめとする脂肪族二塩基酸エステル、リン酸エステル類、エポキシ類などを単独または複数を混合して用いることができ、通常、非イオン性高分子に可塑剤を５０〜９８質量％含有させて用いられる。
【００２４】
本発明に用いられる電荷捕捉剤としては、電子受容性を有する有機化合物や金属錯体類をあげることができ、本発明のアクチュエータは、電荷捕捉剤に注入された電子のクーロン反発力を利用して駆動させるため、大きい変位量を得るには、好ましい電荷捕捉剤を選択する必要がある。
【００２５】
上記有機化合物からなる電荷捕捉剤としては、例えば、テトラシアノキノジメタン及びその類縁体、キノン化合物、ポリニトロ芳香族化合物、フルオレン類、ポリシアノ類及びその類縁体、ポルフィリン類、フタロシアニン類からなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることができる。
【００２６】
上記テトラシアノキノジメタン類縁体は、例えば、下記一般式〔１〕で表される化合物があげられる。
【００２７】
【化１】
2005323482.tif 000003
（式中、置換基Ｘは、互いに同一であっても異なっていてもよい、Ｈ、アルキル基、フッ化アルキル基及びハロゲン基からなる群から選ばれる少なくとも１種を表す。）
【００２８】
一般式〔１〕中、置換基Ｘとしては、特に限定されないが、好ましくは、Ｈ、アルキル基、フッ化アルキル基及びハロゲン基からなる群から選ばれる少なくとも１種があげられ、特に、ＣＨ３、ＣＦ３、Ｆ及びＣｌは、電荷捕捉能が高く好ましい。
【００２９】
また、ポリシアノ類縁体としては、例えば、下記一般式〔２〕で表される化合物があげられる。
【００３０】
【化２】
2005323482.tif 000004
（式中、ｘ及びｙは、１〜７の正整数を表す。）
【００３１】
一般式〔２〕中、ｘ及びｙは、特に限定されないが、電荷捕捉能の点から、１〜７の正整数が好ましく、例えば、テトラシアノエチレンやジシアノアセチレン、ヘキサシアノベンゼンがあげられる。
【００３２】
金属錯体類からなる電荷捕捉剤としては、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｒｅ、Ｏｓ、ＩｒまたはＰｔを中心金属とする金属錯体類からなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることができ、単核であっても、複核であってもよい。また、金属錯体類の配位子としては、特に限定されないが、安定した帯電性を示す化合物が好ましい。具体的には、ジチオラート類やオキサラート類、ポルフィリン類、フタロシアニン類、あるいは、ピリジン誘導体、キノリン及びキノン誘導体などの芳香族性化合物やアミン類などの金属配位能を有する化合物があげられる。
【００３３】
誘電体ポリマー層中の電荷捕捉剤は、該層中に均一に含有させてもよいし、または、特定部位に多く含有させてもよく、前者の場合、電荷捕捉剤を含有させない場合に比して該ポリマー内でのセグメント移動が促進され、また、伸長部表面に電荷をより多く蓄えることができ、電荷密度が上がることにより強いクーロン反発力が働き、低電圧で駆動でき、かつ大きな変位量を得ることができる。また、後者の場合、電荷捕捉剤を多く含有させた部位に、より多くの電荷が帯電し、部分的に強いクーロン反発力が働き、特定部位で大きな変位量を得ることができる。
【００３４】
図３は、本発明のアクチュエータの他の実施態様を示す概略図であり、特定部位に多く電荷捕捉剤を含有させた例を示したものであり、誘電体ポリマー層内部に比して、負極２と接する該ポリマー層表面に電荷捕捉剤を多く含有させた層６を設けることにより、電荷捕捉剤に陰極から電子が注入されやすくなると同時に、陰極表面の帯電量を多くすることができ、陰極表面に強いクーロン反発力が働き、低電圧で駆動でき、かつ大きな変位量を得ることができる。
【００３５】
また、別の形態としては、例えば図４をあげることができ、誘電体ポリマー層内部に比して、アクチュエータの伸長部に電荷捕捉剤を多く含有させた層６を設けることにより、上記理由と同様、電荷捕捉剤を多く含有させた部位に強いクーロン反発力が働き、選択的に該部位を伸長させることができる。このような手段により、誘電体ポリマーの所望の部位に、電荷捕捉剤を多く含有させることにより、該部位を優先的に伸長させることが可能であり、アクチュエータの動作に、より自由度を付加することができる。
【００３６】
誘電体ポリマー層中に、電荷捕捉剤を均一に含有させる方法としては、誘電体ポリマー原料に、電荷捕捉剤を均一に混練させた後、成形する手段があげられる。また、電荷捕捉剤を特定部位に多く含有させた誘電体ポリマー層を作製する方法としては、誘電体ポリマーに電荷捕捉剤を多く配合させたフィルムを作製し、前記均一に含有させた成形体に貼り合わせる手段や、電荷捕捉剤を多く配合させた誘電体ポリマーを該成形体に部分的に溶着させる手段、あるいは、電荷捕捉剤を含む溶媒を該成形体に部分的に塗布・含浸させた後、溶媒を蒸発させる手段などがあげられる。
【００３７】
本発明に用いられる電極は、誘電体ポリマーへの給電用として、該ポリマーに狭持させて具備され、誘電体ポリマーの伸縮に適した電極材料が好ましく、例えば、金属、酸化チタンや二酸化マンガン、ＩＴＯ等の金属酸化物類、カーボンブラックやケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどの無機導電性物質、ポリピロール・ポリアニリン、ポリチオフェン等の導電性高分子、また、ＴＴＦやＴＣＮＱ錯体などの導電性有機化合物があげられる。
【００３８】
以上のようにして作製した本発明のアクチュエータは、電圧を印加した際に、誘電体ポリマーの電場によるセグメント移動作用を促進することができるとともに、伸長部表面に電荷をより多く蓄えることができ、電荷密度の向上により強いクーロン反発力が働くため、低電圧で駆動でき、かつ大きな変位量を得ることができる。
【００３９】
さらに、本発明は、誘電体ポリマーの所望の部位に、電荷捕捉剤を多く含有させることにより、該部位を優先的に伸長させることが可能であり、アクチュエータの動作に、より自由度を付加することができる。
【実施例】
【００４０】
実施例
塩化ビニル粉末０．３ｇを可塑剤であるフタル酸ジオクチル３．０ｇに加熱溶解させた後、電荷捕捉剤として所定量のテトラシアノキノジメタン（以下、「ＴＣＮＱ」と略記する。）を添加・混合させてから、ポリテトラフルオロエチレン樹脂及びガラスにて作製した１０×２０×０．５ｍｍの鋳型に流し込み、冷却・ゲル化して、ＴＣＮＱを含有させた誘電体ポリマーを作製した。ＴＣＮＱ添加量としては、１６ｍｇ、３２ｍｇ、１２８ｍｇとし、電荷捕捉剤の含有量が異なる３種類のポリマーを作製した。
【００４１】
上記ポリマーを、過硫酸アンモニウムとｐ‐トルエンスルホン酸を含む重合溶液に３０秒間浸漬させ、続いて、飽和ピロール蒸気中で１０分間保持する工程を３回繰り返して、ポリマー表面にポリピロールを重合させ、ついで、純水中に浸漬・洗浄して、ポリピロール膜からなる電極を形成させた。
【００４２】
つぎに、上記ポリマーを５×１５×０．５ｍｍに切り出し、目的とするアクチュエータ素子を完成させた。
【００４３】
上記アクチュエータ素子の上部１０ｍｍをステンレス製給電用端子で挟み込み、図１に示すように外部電源を接続して、アクチュエータ装置を組み立て、アクチュエータの作動評価を行った。なお、アクチュエータの変位量は、アクチュエータ下端から５ｍｍ上方の変位量を直線距離で測定した。印加電圧を０Ｖから５０Ｖずつ上昇させた時の、アクチュエータの変位量測定結果を表１に示すが、表中、「＊」は、変位角度９０°以上の大きな変位を示す。
【００４４】
比較例１
実施例において、電荷捕捉剤を添加せず、それ以外は実施例と同様にして、電荷捕捉剤を含有しないアクチュエータ素子を得、実施例と同様にしてアクチュエータの作動評価を行った。結果を、表１に示す。
【００４５】
比較例２
実施例において、電荷捕捉剤のＴＣＮＱに代えて、イオン性物質である酢酸ナトリウム１１ｍｇを添加させた以外は、実施例と同様にして、アクチュエータ素子を得、実施例と同様にしてアクチュエータの作動評価を行った。結果を、表１に示す。
【００４６】
【表１】
2005323482.tif 000005
【００４７】
表１からわかるように、電荷捕捉剤を含有しない比較例１のアクチュエータは、２００Ｖ以上の印加で湾曲し始めるが、その変位量は０．２ｍｍと、極めて小さい。これに対し、本発明の電荷捕捉剤を含有させたアクチュエータは、１００Ｖの低印加電圧で駆動し始めると同時に、変位量が大きく、また、電荷捕捉剤の添加量が大きいアクチュエータほど、変位量が大きくなる傾向を示した。
【００４８】
また、イオン導電性物質を含有する比較例２のアクチュエータは、高電圧を印加させないと、大きな変位量が得られない結果となった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明のアクチュエータの一実施態様を示す概略図である。
【図２】図１に示すアクチュエータの駆動時の状態を示す概略図である。
【図３】本発明のアクチュエータの他の実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明のアクチュエータの他の実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    正極
２    負極
３    誘電体ポリマー層
４    給電用端子
５    外部電源
６    誘電体ポリマー中に電荷捕捉剤を多く含有させた層
【図１】
2005323482.tif 000006
【図２】
2005323482.tif 000007
【図３】
2005323482.tif 000008
【図４】
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