(57)【要約】【課題】大きな変形が得られるカーボンナノファイバーを用いる高分子アクチュエータおよびこのアクチュエータに用いて好適な電極材料を提供する。【解決手段】柔軟性を有する高分子材料からなるシート体の両面に、カーボンナノファイバーを主体とする電極が形成されていることを特徴とする。カーボンナノファイバー同士が接触しているだけの柔らかく、かつカーボンナノファイバー同士の接触が維持されつつシート体の変形に追従する電極を設けたので、もともと大きな変形可能性のあった材料の変形を最大限取りだし可能となった。【選択図】図１
2005223025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柔軟性を有する高分子材料からなるシート体の両面に、カーボンナノファイバーを主体とする電極が形成されていることを特徴とするカーボンナノファイバーを用いる高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記シート体内に、前記電極を構成するカーボンナノファイバーの一端側が埋没していることを特徴とする請求項１記載のカーボンナノファイバーを用いる高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記高分子材料がポリウレタン樹脂であることを特徴とする請求項１または２記載のカーボンナノファイバーを用いる高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記高分子材料がシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１または２記載のカーボンナノファイバーを用いる高分子アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載のカーボンナノファイバーを用いる高分子アクチュエータにおける前記電極用の、カーボンナノファイバーからなるアクチュエータ用電極材料。                                         
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電場を印加することによって、高分子材料を大きく変形させることができるカーボンナノファイバーを用いる高分子アクチュエータおよびこのアクチュエータ用電極材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子材料からなるシート体の両面に電極を形成し、電圧を印加することによってシート体を変形させるアクチュエータが開発されている。
例えば、特開２０００−４９３９７には、両面に電極を有する一層のポリウレタン膜からなり、電場の印加により変形（曲げ電歪）を起すアクチュエータが示されている。
このアクチュエータ１０では、図１７に示すように、電極１１は、ポリウレタン膜１２の両面に金を蒸着して形成される。
【特許文献１】特開２０００−４９３９７（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のように、ポリウレタン膜の両面に金を蒸着して電極１１を形成した場合には次のような課題を有していることが判明した。
すなわち、金を蒸着すると、金の微粒子がポリウレタン膜１２の表面に付着する状況となる。
このアクチュエータ１０に図１８に示すように電場を印加すると、アクチュエータ１０は湾曲する。この湾曲を利用して各種アクチュエータとして利用できる。
しかしながら、上記変形は僅かであって、同公報に記載されているように、曲率１／Ｒ=３６ｍ-1程度でしかなく、アクチュエータとして使用できたとしてもその利用範囲は極めて限定されたものとなってしまう。
【０００４】
発明者が検討したところ、上記のように僅かしか変形させられない理由は電極１１の構成にあることがわかった。
すなわち、金を蒸着して得られる電極１１は、金の微粒子が接触しながら付着している状況となっている。このような電極１１が形成されているアクチュエータ１０が大きく変形（湾曲）しようとすると、電極１１にヒビ割れが生じ、電気的導通が遮断されてしまう。したがって、大きな変形が得られないのである。電極１１を厚付けすればよいが、そうするとポリウレタン膜１２の柔軟性が阻害され、そもそも変形が生じなくなってしまう。
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、
大きな変形が得られるカーボンナノファイバーを用いる高分子アクチュエータおよびこのアクチュエータに用いて好適な電極材料を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るカーボンナノファイバーを用いる高分子アクチュエータ（以下単にアクチュエータという）は、柔軟性を有する高分子材料からなるシート体の両面に、カーボンナノファイバーを主体とする電極が形成されていることを特徴とする。
また、前記シート体内に、前記電極を構成するカーボンナノファイバーの一端側が埋没していることを特徴とする。
また、前記高分子材料がポリウレタン樹脂であることを特徴とする。
前記高分子材料にシリコーン樹脂を用いることもできる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、カーボンナノファイバー同士が接触しているだけの柔らかく、かつカーボンナノファイバー同士の接触が維持されつつシート体の変形に追従する電極を設けたので、もともと大きな変形可能性のあった材料の変形を最大限取りだし可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明に係るアクチュエータ２０の説明図である。
２２は、柔軟性を有する高分子材料からなるシート体であり、このシート体２２の両面に、カーボンナノファイバーを主体とする電極２４が形成されている。
電極２４は、シート体２２の両面全体に、あるいは所要パターンで形成される。
電極２４を、シート体２２の両面全体に均一に形成して、シート体２４の一端側の両電極部に電場を印加することにより、シート体２２は他端側が円弧状に大きく湾曲する。電極２４をシート体２２の両面にパターン化して形成するようにすれば、この電極パターンに応じてシート体２２が種々の形状に変形することになる。
【０００８】
シート体２２の高分子材料は特に限定されるものではない。
例えば、上記特開２０００−４９３９７に示されるポリウレタン、特にソフトセグメントが、ポリエステルを有するポリウレタンを主体とするポリウレタンを好適に用いることができる。
あるいは高分子材料にシリコーンゲルを用いることもできる。
その他、高分子材料として、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＥＴなどの汎用樹脂材料も用いることができる。
【０００９】
従来、電場を印加することによって変形する、この種アクチュエータに用いられる高分子材料としては、ポリカーボネート系ポリオールを有するポリウレタン・エラストマーなどのように、直流電場が印加されることによって電場方向に配向するものが必要とされた（例えば、特開平７−２４０５４４）。
しかしながら、本発明においては、後記するように、電極２４の構造を改良することによって、大変形を与えることが可能であるばかりか、上記のような配向性を有する結晶性のポリマーでなくとも使用可能である。
【００１０】
なお、これら高分子材料に柔軟性を付与するために、適宜可塑剤を添加したものを用いる。
また、これら高分子材料に、若干の電解質（例えば食塩）をドーピングして、電場を印加した際に、ｎＡレベルの電流が流れるように、すなわち半導体レベルの若干の導電性が生じるようにするとよい。この電解質のドーピングにより、シリコーンゲルなど、そのままでは完全な絶縁性を有するものであっても、電場を印加した際、比較的大きく変形させることができるようになった。
【００１１】
電極２４の材料は、カーボンナノファイバーを用いる。カーボンナノファイバーは、例えば気相成長法によって得られるカーボンナノチューブ等を好適に用いることができる。この気相成長法によるカーボンナノファイバーは、直径が数十ｎｍ〜百数十ｎｍ程度で、長さが数μｍ〜十数μｍ程度の極細の繊維状をなすものである。
【００１２】
電極材料としては、カーボンナノファイバーのみを用いるのが好適であるが、カーボンナノファイバーにグラファイトやカーボンなどの炭素成分を混入したものであってもよい。
この電極材料を用いて、柔軟性を有する高分子材料からなるシート体２２の両面に電極２４を形成する。
【００１３】
電極２４の形成方法の一例を説明する。
まず第1の方法としては、カーボンナノファイバーをエタノール等の溶媒中に分散してペースト状にし、このペーストをシート体２２の両面に塗布し、次いで乾燥させて電極２４とする。なお、乾燥させて後、表面をローラ等で押圧することによって、カーボンナノファイバーをシート体２２表面に完全に付着させるようにするとよい。またこのように、押圧することによって、カーボンナノファイバーの一端側がシート体２２の表面に食い込む（埋没）ようになる。
なお、カーボンナノファイバーの脱落防止のため、適宜な導電性樹脂による塗膜をカーボンナノファイバー上に形成するようにするとよい。
【００１４】
カーボンナノファイバーは、前記のように、極細の繊維状をなすことから、この繊維状をなすカーボンナノファイバーが多数集合している電極２４は、従来の金の微粒子が付着し合っている電極と相違し、シート体２２が大きく変形しても、屈曲性に優れたカーボンナノファイバーはシートに追随して変形するので、繊維間が分離することなく、接触を保ったまま、シート体２２の変形に追随するのである。
このように、シート体２２が大きく変形しても、電極２４がヒビ割れ等によって破壊されず、電極の機能が保たれるから、シート体２２が大きく変形可能なのである。
すなわち、高分子材料からなるシート体２２はもともとは大きな変形可能性を有していたものであった。
本発明では、カーボンナノファイバー同士が接触しているだけの柔らかく、かつカーボンナノファイバー同士の接触が維持されつつシート体２２の変形に追従する電極２４を設けたので、もともと大きな変形可能性のあった材料の変形を最大限取りだし可能としたものである。
【００１５】
また、上記のように、カーボンナノファイバーをローラ等で押圧することによって、カーボンナノファイバーの一端側をシート体２２の表面に食い込ませるようにすることができる。
このシート体２２内に食い込んだカーボンナノファイバーの一端が、電極２４に電場を印加した際の電子の放出端となると考えられる。
【００１６】
気相成長法による炭素繊維は、電解電子エミッタ用の炭素繊維として用いられ、高電界を印加することによって、鋭いエッジ端から電子が空気中に放出されることが知られている。
本発明において、発明者は、電極２４に電場を印加することによって、シート体２２内に食い込んだカーボンナノファイバーの一端側からシート体２２内に向けて、すなわち、固体あるいはゲル内部に向けても電子が集中して放出され、これが、シート体２２を効果的に大きく変形（湾曲）させ得る一因であることに想到した。
【００１７】
すなわち、この種高分子材料が変形するメカニズムは、シート体２２の両縁部において、電荷が非対称に偏在することによって、一方の縁部では収縮が生じ、他方の縁部では伸長が生じることによると考えられる。
上記のように、カーボンナノファイバーの一端側がシート体２２に食い込み、この鋭い一端側から電子がシート体２２内部に向けて放出されることは、シート体２２内への電荷のチャージが効率良くなされ、電化の非対称性を助長することから、応答性よく、シート体２２を変形させることができると考えられる。
【００１８】
電極２４の形成は、ペースト状にして塗布するのでなく、粉末状の電極材料をシート体２２の表面に均一に散布し、これをローラ等で押圧することによっても行える。シリコーンゲルなどは、その表面が粘着性を有しているので、表面上に電極材料を散布することのみによっても、電極材料がシート体２２表面に付着し、電極とすることができる。ローラ等で押圧すれば、カーボンナノファイバーの一端側をシート体２２の表面に食い込ませることができるので好適である。
【００１９】
電極２４の形成は次に述べる方法によってもよい。
すなわち、粉末状の電極材料を平坦な鉄板上に均一に散布しておき、この鉄板に電場を印加する。すると、カーボンナノファイバーからなる繊維状の電極材料は鉄板上で起立する状態となる。この状態の鉄板上にゲル状のシリコーンを流し込み、固化することによって、一方の表面上に、カーボンナノファイバーの一端側がシート体内に食い込んだ電極部を形成したシート体を得ることができる。このシート体を２枚、電極部が形成されていない側を対向させて貼り合わせることによって、両面側に電極を形成したアクチュエータ２０を得ることができる。
上記いずれの電極形成方法も、金を蒸着して形成するよりは処理が各段に簡易となる。
【００２０】
電極２４の厚さは特に限定されるものではない。前記のように、カーボンナノファイバーが互いに接触して集合しているので、シート体２２が変形してもカーボンナノファイバー同士の接触が維持される。電極２４の厚さは、このカーボンナノファイバー同士の接触が維持される限りにおいて薄い方がシート体２２の柔軟性がより良好に維持されるので好適である。またコスト的にも有利となる。
また、電極２４の厚さが薄いと透明性が生じ、各種光学機器でのアクチュエータとして使用が可能となる。
【実施例１】
【００２１】
図２〜図１１は、ポリウレタンシート（幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍ、酢酸ナトリウムをドーピング）の両面に、上記のようにしてカーボンナノチューブを用いて電極を形成したアクチュエータの変形特性をビデオ映像から取り出した説明図である。印加電圧は、１００〜９００Ｖ（０．５〜４．５ＭＶ／ｍ）。
アクチュエータの端部を端子部で加えて電場を印加すると直ちに若干変形する（Ｏｎ）。印加電圧が高くなるにつれ、変形速度が早くなり（図上、例えば１５Ｓとは、印加後１５秒の意味である）、最大変形量が大きくなることがわかる。
図２〜図１１からわかるように、シート体の両面に均一に電極を形成した場合、シート体の変形は円弧状となる。
図１１の９００Ｖを印加した場合にあっては、最大に変形した場合の曲率１／Ｒは、約１００ｍ-1（曲率半径約１０ｍｍ）と大きなものであり、大きな変形が得られた。
【実施例２】
【００２２】
図１２は、ポリウレタンシート（幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍ、酢酸ナトリウムをドーピング）の両面に、上記のようにしてカーボンナノチューブを用いて電極を形成したアクチュエータの変形特性をビデオ映像から取り出した説明図である（印加初期の状態と数秒後のものをオーバーラップして表示。図１３〜図１６も同じ）。図１３は、ポリウレタンシート（幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍ、酢酸ナトリウムをドーピング）の両面に、ポリピロールにより電極を形成したアクチュエータ（比較例）の変形特性をビデオ映像から取り出した説明図である。印加電圧は、共に８００Ｖ（４ＭＶ／ｍ）。
カーボンナノチューブで電極を形成した方が、ポリピロールにより電極を形成した場合に比して変形量が各段に大きいことがわかる。
【実施例３】
【００２３】
図１４は、ポリウレタンシート（幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍ、電解質によるドーピング無し）の両面に、上記のようにしてカーボンナノチューブを用いて電極を形成したアクチュエータの変形特性をビデオ映像から取り出した説明図である。図１５は、ポリウレタンシート（幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍ、電解質によるドーピング無し）の両面に、ポリピロールにより電極を形成したアクチュエータ（比較例）の変形特性をビデオ映像から取り出した説明図である。印加電圧は、共に８００Ｖ（４ＭＶ／ｍ）。
カーボンナノチューブで電極を形成した方が、ポリピロールにより電極を形成した場合に比して変形量が大きい。しかし、電解質をドーピングした図１２、図１３に示すアクチュエータの方が変形が大きい。
【実施例４】
【００２４】
図１６は、シリコーンシート（幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ０．２０ｍｍ、酢酸ナトリウムをドーピング）の両面に、上記のようにしてカーボンナノチューブを用いて電極を形成したアクチュエータの変形特性をビデオ映像から取り出した説明図である。印加電圧は、８００Ｖ（４ＭＶ／ｍ）。
従来シリコーンシートを用いた場合には、目に見える変形は生じなかったが、酢酸ナトリウムをドーピングし、さらに上記のようにカーボンナノチューブを用いた電極を作成したことにより、変形量は多くはないが、明らかに目に見える変形が生じた。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明に係るアクチュエータは、柔軟性を有するシート体の変形を利用するものであるため、大きな力を要する分野でのアクチュエータとしては用いることはできないが、小さな力で駆動できる、微小電気部品におけるスイッチ駆動部、反射ミラーなどの角度切換駆動体などとして使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】アクチュエータの電極構造を模式的に示した説明図である。
【図２】ポリウレタンを用いたアクチュエータの１００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図３】ポリウレタンを用いたアクチュエータの１５０Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図４】ポリウレタンを用いたアクチュエータの２００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図５】ポリウレタンを用いたアクチュエータの３００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図６】ポリウレタンを用いたアクチュエータの４００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図７】ポリウレタンを用いたアクチュエータの５００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図８】ポリウレタンを用いたアクチュエータの６００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図９】ポリウレタンを用いたアクチュエータの７００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図１０】ポリウレタンを用いたアクチュエータの８００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図１１】ポリウレタンを用いたアクチュエータの９００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図１２】電解質をドーピングしたポリウレタンを用い、カーボンナノチューブで電極を形成したアクチュエータの８００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図１３】電解質をドーピングしたポリウレタンを用い、ポリピロールで電極を形成したアクチュエータの８００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図１４】電解質をドーピングしないポリウレタンを用い、カーボンナノチューブで電極を形成したアクチュエータの８００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図１５】電解質をドーピングしないポリウレタンを用い、ポリピロールで電極を形成したアクチュエータの８００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図１６】シリコーンフイルムを用いたアクチュエータの８００Ｖ印加時の変形状態をビデオ映像から取り出した説明図である。
【図１７】従来のアクチュエータの構造を示す説明図である。
【図１８】従来のアクチュエータの変形状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
２０  アクチュエータ
２２  シート体
２４  電極                                   
【図１】
2005223025.tif 000003
【図１７】
2005223025.tif 000004
【図１８】
2005223025.tif 000005
【図２】
2005223025.tif 000006
【図３】
2005223025.tif 000007
【図４】
2005223025.tif 000008
【図５】
2005223025.tif 000009
【図６】
2005223025.tif 000010
【図７】
2005223025.tif 000011
【図８】
2005223025.tif 000012
【図９】
2005223025.tif 000013
【図１０】
2005223025.tif 000014
【図１１】
2005223025.tif 000015
【図１２】
2005223025.tif 000016
【図１３】
2005223025.tif 000017
【図１４】
2005223025.tif 000018
【図１５】
2005223025.tif 000019
【図１６】
2005223025.tif 000020