(57)【要約】【課題】  特に、良好な電極特性を備えるとともに、従来に比べて応答性を向上でき、また、簡単に電極層を基板から剥離できる高分子アクチュエータ及びその製造方法を提供することを目的としている。【解決手段】  電解質層１１と、前記電解質層１１の厚さ方向の両面に設けられた、導電フィラーを含んでなる一対の電極層１２，１３を有し、前記一対の電極層１２，１３間に電圧を付与すると変形する高分子アクチュエータにおいて、電極層１２，１３は導電フィラーの密度が低い低密度導電層２０，２２と導電フィラーの密度が高い高密度導電層２１，２３との積層構造であり、高密度導電層２１，２３と電解質層１１との間に低密度導電層２０，２２が介在する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた、導電フィラーを含んでなる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変形する高分子アクチュエータにおいて、
前記一対の電極層のうちの少なくとも一方に含まれる導電フィラーの密度は、前記電解質層との界面側で低く、前記界面と反対側の外面側で高くなっていることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記界面側にアスペクト比が小さい前記導電フィラーが添加され、前記外面側に前記アスペクト比が大きい前記導電フィラーが添加される請求項１記載の高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記導電フィラーの単位体積あたりの含有量は、前記界面側で少なく、前記外面側で多くなっている請求項１又は２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記導電フィラーの密度は、前記界面側から前記外面側に向けて連続的にあるいは段階的に高くなっている請求項１ないし３のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記電極層は、前記導電フィラーの密度が異なる複数の導電層を積層した構成である請求項１ないし４のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
前記導電フィラーは、カーボンナノチューブである請求項１ないし５のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
【請求項７】
電解質層と、前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた第１電極層及び第２電極層を有し、前記第１電極層及び前記第２電極層間に電圧を付与すると変形する高分子アクチュエータの製造方法において、
少なくとも基板上に前記第１電極層を形成するとき、前記第１電極層に含まれる導電フィラーの密度が、前記基板との界面側で低く、前記界面と反対側の外面側で高くなるように前記第１電極層を形成する工程、
前記第１電極層を前記基板から剥離する工程、
前記第１電極層の前記導電フィラーの密度が低い前記界面側を前記電解質層と対向させて、前記電解質層の両面を前記第１電極層と前記第２電極層とで挟んで積層する工程、
を有することを特徴とする高分子アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
アスペクト比が小さい前記導電フィラーを前記界面側に、アスペクト比が大きい前記導電フィラーを前記外面側に添加する請求項７記載の高分子アクチュエータの製造方法。
【請求項９】
前記導電フィラーの単位体積あたりの含有量を、前記界面側で少なく、前記外面側で多くする請求項７又は８に記載の高分子アクチュエータの製造方法。
【請求項１０】
前記基板上に前記導電フィラーの密度が異なる複数の導電層を積層して前記電極層を形成し、このとき前記界面側よりも前記外面側に近い前記導電層ほど前記導電フィラーの密度を高くする請求項７ないし９のいずれかに記載の高分子アクチュエータの製造方法。
【請求項１１】
前記導電フィラーは、カーボンナノチューブである請求項７ないし１０のいずれかに記載の高分子アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極層間に電位差を与えると変形を生じるアクチュエータに係り、特に、電極層の構成を改良した高分子アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に示すように、イオン液体を含む電解質層と、電解質層の両面に電極層とを有して構成された高分子アクチュエータが知られている。
【０００３】
電極層は、カーボンナノチューブ及びイオン液体を含有したゲル状で構成される。
電極層間に電位差が生じると、イオンが移動し、電極層が伸縮して、高分子アクチュエータが変形する。
【０００４】
ところで、電極層は、電極層間に電位差を与えたときに、イオンを電極層側に多く且つ強く引き付けることが出来る電極特性を備えることが、アクチュエータ特性を向上させる上で重要と考えられた。
【０００５】
そして、電極層に含まれるカーボンナノチューブの密度を高くすることで、上記した電極特性を向上できると期待されたが、電極層に引き付けられたイオンが電極層と電解質層との界面から外面方向に向けて電極層の内部にスムーズに移動できなくなり、その結果、応答性（応答速度）が低下する問題があった。
【０００６】
また、電極層を基板上に形成し、この電極層を基板から剥離するとき、カーボンナノチューブの密度が高いと、電極層と基板間の密着性が良くなった。また、カーボンナノチューブの密度が高い電極層は剛性が高く脆いため、上記した密着性と合わせて、簡単且つ適切に電極層を基板から剥離できなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１７６４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、良好な電極特性を備えるとともに、従来に比べて応答性を向上でき、また、簡単に電極層を基板から剥離できる高分子アクチュエータ及びその製造方法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】
【０００９】
本発明は、電解質層と、前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた、導電フィラーを含んでなる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変形する高分子アクチュエータにおいて、
前記一対の電極層のうちの少なくとも一方に含まれる導電フィラーの密度は、前記電解質層との界面側で低く、前記界面と反対側の外面側で高くなっていることを特徴とするものである。
【００１０】
これにより、電極層間に電圧を付与したときに、イオンを、電極層と電解質層との界面から外面方向に向けて電極層内部でスムーズに移動させることができ、良好な電極特性を備えるとともに、応答性（応答速度）を向上させることができる。
【００１１】
本発明では、例えば、前記界面側にアスペクト比が小さい前記導電フィラーが添加され、前記外面側に前記アスペクト比が大きい前記導電フィラーが添加される。あるいは、前記導電フィラーの単位体積あたりの含有量は、前記界面側で少なく、前記外面側で多くなっている。これにより、適切且つ簡単に、導電フィラーの密度を、電解質層との界面側で低く、外面側で高くできる。
【００１２】
本発明では、前記導電フィラーの密度は、前記界面側から前記外面側に向けて連続的にあるいは段階的に高くなっていることが好ましい。
【００１３】
また本発明では、例えば、前記電極層は、前記導電フィラーの密度が異なる複数の導電層を積層した構成である。
【００１４】
また本発明では、前記導電フィラーは、カーボンナノチューブであることが好ましい。
本発明は、電解質層と、前記電解質層の厚さ方向の両面に設けられた第１電極層及び第２電極層を有し、前記第１電極層及び前記第２電極層間に電圧を付与すると変形する高分子アクチュエータの製造方法において、
少なくとも基板上に前記第１電極層を形成するとき、前記第１電極層に含まれる導電フィラーの密度が、前記基板との界面側で低く、前記界面と反対側の外面側で高くなるように前記第１電極層を形成する工程、
前記第１電極層を前記基板から剥離する工程、
前記第１電極層の前記導電フィラーの密度が低い前記界面側を前記電解質層と対向させて、前記電解質層の両面を前記第１電極層と前記第２電極層とで挟んで積層する工程、
を有することを特徴とするものである。このように本発明では。第１電極層に含まれる導電フィラーの密度を、基板との界面側で低く、外面側で高くしているので、第１電極層と基板間の密着性を低下させることができ、第１電極層を基板から容易且つ適切に剥離できる。
【００１５】
本発明では、アスペクト比が小さい前記導電フィラーを前記界面側に、アスペクト比が大きい前記導電フィラーを前記外面側に添加したり、あるいは、前記導電フィラーの単位体積あたりの含有量を、前記界面側で少なく、前記外面側で多くする。これにより、適切且つ簡単に、導電フィラーの密度を、電解質層との界面側で低く、外面側で高くできる。
【００１６】
本発明では、前記基板上に前記導電フィラーの密度が異なる複数の導電層を積層し、このとき前記界面側よりも前記外面側に近い前記導電層ほど前記導電フィラーの密度が高くなるように形成することが好ましい。
また本発明では、前記導電フィラーは、カーボンナノチューブであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、良好な電極特性を備えるとともに、従来に比べて応答性を向上でき、また、簡単に電極層を基板から剥離できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態における高分子アクチュエータを厚さ方向から切断した断面図、
【図２】図１に示す高分子アクチュエータの一端を固定支持した断面図、
【図３】本実施形態における高分子アクチュエータの内部構成を拡大して示した断面図、
【図４】他の実施形態における高分子アクチュエータの内部構成を拡大して示した断面図、
【図５】他の実施形態における高分子アクチュエータの内部構成を拡大して示した断面図、
【図６】他の実施形態における高分子アクチュエータの内部構成を拡大して示した断面図、
【図７】本実施形態における高分子アクチュエータの製造方法を示す工程図（断面図）、
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は本実施形態における高分子アクチュエータを厚さ方向から切断した断面図、図２は図１に示す高分子アクチュエータの一端を固定支持した断面図、図３〜図６は、本実施形態における高分子アクチュエータの内部構成を拡大して示した断面図である。
【００２０】
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第１電極層１２と第２電極層１３を備えて構成される。
【００２１】
電解質層１１は、例えば、イオン液体と、樹脂材料（ポリマー）を有して構成される。
また電極層１２，１３は、導電フィラー、イオン液体及び樹脂材料（ポリマー）とを有して構成される。
【００２２】
樹脂材料としては、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】
また、導電フィラーとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、金粒子、白金粒子、ニッケル粒子等を提示できる。
【００２４】
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、例えば、長さ方向（Ｙ方向）への寸法が幅方向（Ｘ方向）への寸法や厚さ方向（Ｚ方向）への寸法に比べて長い長方形状である。
【００２５】
図２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１４が支持体１５に固定支持されている。支持体１５は例えばベース基板であり、ベース基板の導電性の接続部と高分子アクチュエータ１０の電極層１２、１３とが接触している。
【００２６】
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、電解質層１１内のイオン移動などによって電解質層１１の上下にて膨潤差が生じ、曲げ応力が発生して、例えば図２の点線で示すように変形部１６が上方向に湾曲する。イオン移動で電極間に膨潤の差が生じる原理は一般に一義的ではないとされているが、代表的な原理要因の１つに、陽イオンと陰イオンのイオン半径の差で膨潤に差が生じることが知られている。
【００２７】
以下、本実施形態における高分子アクチュエータ１０の特徴的構成について説明する。
図３の構成では、電解質層１１の厚さ方向（図示Ｚ方向）の両面に形成された第１電極層１２と第２電極層１３とが、夫々、導電フィラーの密度が低い低密度導電層２０，２２と、導電フィラーの密度が低密度導電層２０，２２に比べて高い高密度導電層２１，２３との積層構造で形成されている。低密度導電層２０，２２は、電解質層１１と高密度導電層２１，２３の間に形成される。
【００２８】
図３の構成により、各電極層１２，１３に含まれる導電フィラーの密度は、電解質層１１との界面２４側で低く、界面２４と反対側の外面２５側で高くなっている。
【００２９】
図３の実施形態では、低密度導電層２０，２２と高密度導電層２１，２３との界面２６付近で最も導電フィラーの密度変化が大きくなり、各導電層２０〜２３内での導電フィラーの密度はほぼ一定か、あるいは、密度変化は、各導電層２０〜２３間の界面２６付近に比べて小さい。このように、図３の実施形態では、第１電極層１２及び第２電極層１３の導電フィラーの密度が界面２４側から外面２５側に向けて段階的に変化する。
【００３０】
図３の実施形態では、第１電極層１２及び第２電極層１３が２層構造であったが３層以上であってもよい。界面２４側から見て、１層目の導電層、２層目の導電層、３層目の導電層・・・の順に導電フィラーの密度を高く設定する。
【００３１】
図４の実施形態では、図３と違って、第１電極層１２内及び第２電極層１３内には、導電フィラーの密度が急激に変化する界面２６が存在せず、図４の右図（グラフ）に示すように、電極層１２，１３内の導電フィラーの密度は、電解質層１１との界面２４側から外面２５側にかけてほぼ連続的に高くなっている。例えば図４の実施形態では電極層１２、１３は単一の層で構成される。なお図４では密度変化を直線で示したが、湾曲変化等であってもよく、密度変化曲線を限定する意図ではない。
【００３２】
図５の実施形態は、図３の実施形態と図４の実施形態とを組み合わせたものである。すなわち図５の実施形態では、電解質層１１との界面２４側に図４のように導電フィラーの密度が連続的に変化する連続変化導電層３０が設けられ、連続変化導電層３０，３１の外面に中間密度導電層３２，３３及び高密度導電層３４，３５が形成される。この形態における中間密度導電層３２，３３の導電フィラーの密度は、連続変化導電層３０，３１の導電フィラーの最大密度以上に規定される。
【００３３】
図５では、連続変化導電層３０を電解質層１１との界面２４側に設けたが、電極層１２，１３の外面２５側に設けてもよいし、電極層１２，１３が３層以上の積層構造である場合に、その中間層に連続変化導電層３０を設けてもよい。
【００３４】
図６の実施形態では、第１電極層１２は、図３と同じように導電層２０，２１の積層構造で形成され、導電フィラーの密度が電解質層１１との界面２４側で低く、外面２５側で高くなっている。一方、第２電極層１３は低密度導電層２２の単層構造で形成されており、導電フィラーの密度を、電解質層１１との界面２４側と外面２５側とで変化させていない。
【００３５】
図６の形態は、例えば、電極の極性を変えず、高分子アクチュエータ１０を一方向にのみ変形させるような使用形態に好ましく適用できる。例えば上記した、イオン移動で電極間に膨潤の差が生じる原理を利用して、高分子アクチュエータ１０を変形させる場合、電位差が生じたときに、引き寄せられるイオンの半径が大きく、伸びる電極層（第１電極層１２）側に導電フィラーの密度変化を持たせることが必要である。もう一方の電極層（第２電極層１３）側は、変形動作の妨げにならないように、低密度導電層２２で形成することが好適である。
【００３６】
なお、図６の実施形態において、第１電極層１２を図４や図５の構成で形成することも出来る。
【００３７】
上記のように電極層１２，１３の導電フィラーの密度を変化させるには、例えば、導電フィラーのアスペクト比を変えることで調整できる。すなわち、界面２４側にアスペクト比が小さい導電フィラーが添加され、外面２５側にアスペクト比が大きい導電フィラーが添加されている。アスペクト比が大きいほど、断面積が一定であるとして、その断面に直交する長さ寸法が長く形成される。よって、アスペクト比が大きい導電フィラーを添加すれば、アスペクト比が小さい導電フィラーを添加するのに比べて導電フィラーの密度を高くできる。したがって、例えば、図３の実施形態では、高密度導電層２１，２３に含まれる導電フィラーのアスペクト比は、低密度導電層２０，２２に含まれる導電フィラーのアスペクト比に比べて大きくされる。例えば、高密度導電層２１，２３に含まれる導電フィラーのアスペクト比は１０００で、低密度導電層２０，２２に含まれる導電フィラーのアスペクト比は２０００００である。
【００３８】
あるいは、導電フィラーの単位体積当たりの含有量（含有数）を、電極層１２，１３の界面２４側で少なく、外面２５側で多くして、導電フィラーの密度に変化を与えてもよい。例えば、同じ導電フィラーを用い、図３の形態において、低密度導電層２０，２２に含まれる導電フィラーの単位体積当たりの含有量（含有数）を少なく、高密度導電層２１，２３に含まれる導電フィラーの単位体積当たりの含有量（含有数）を多くする。これによって、電極層１２，１３の導電フィラーの密度を、界面２４側で低く、外面２５側で高くすることができる。
【００３９】
なお、電極層１２，１３の導電フィラーの密度を、界面２４側で低く、外面２５側で高くする方法は上記以外であってもよい。
【００４０】
導電フィラーには、カーボンナノチューブを用いることが好適である。カーボンナノチューブは、高分子アクチュエータ１０の電極層１２，１３の電極特性を向上させるに適している。また、上記したように、導電フィラーのアスペクト比を変える場合に、例えば低密度導電層２０，２１には、ＨｉＰＣＯ法によるカーボンナノチューブを用い、高密度導電層２１，２３には、微量の水分存在下でのＣＶＤ法によるカーボンナノチューブを用いれば、容易に導電フィラーのアスペクト比に差を設けることが可能である。
【００４１】
以上のように本実施形態では、電極層１２，１３に含まれる導電フィラーの密度は、電解質層１１との界面２４側で低く、外面２５側で高くなっている。このように本実施形態では、電極層１２、１３に導電フィラーの密度が高い領域を設けるとともに、界面２４側での導電フィラーの密度を低くしたため、電極層１２、１３間に電位差を与えたときに、イオンを、界面２４から外面２５方向に向けて電極層１２，１３の内部にスムーズに移動させることができ、良好な電極特性を備えるとともに、応答性（応答速度）を向上させることができる。
【００４２】
図７を用いて、本実施形態の高分子アクチュエータ１０の製造方法を説明する。各図は、高分子アクチュエータ１０の製造工程中における断面図である。
【００４３】
図７（ａ）の工程では、石英等で形成された基板４０上に、導電フィラーを含む低密度導電層４１を形成する。例えば、低密度導電層４１をキャスト法にて形成する。まず、イオン液体、導電フィラー、及び樹脂材料（ポリマー）を溶媒に溶かしてしてャスト液を作製する。
【００４４】
続いて、上記キャスト液を基板４０上にキャストし、真空乾燥して溶媒を蒸発させ、低密度導電層４１を得る。
【００４５】
次に、図７（ｂ）に示す工程では、低密度導電層４１上に導電フィラーを含む高密度導電層４２を形成する。このとき、高密度導電層４２の導電フィラーの密度を、低密度導電層４１の導電フィラーの密度よりも高くなるように調製する。
【００４６】
例えば、既に述べたように、導電フィラーのアスペクト比や単位体積あたりの含有量（含有数）を変えることで、導電層４１，４２の導電フィラーの密度を変えることが出来る。
【００４７】
この高密度導電層４２も、低密度導電層４１と同じようにキャスト法で形成できる。
なお低密度導電層４１や高密度導電層４２をスクリーン印刷法等、キャスト法以外で形成することも可能である。
【００４８】
また、導電層４１，４２に含まれる導電フィラーにはカーボンナノチューブを用いることが好適である。例えば、低密度導電層４１には、ＨｉＰＣＯ法によるカーボンナノチューブを用い、高密度導電層４２には、ＣＶＤ法によるカーボンナノチューブを用いる。ＣＶＤ法によるカーボンナノチューブのアスペクト比は、ＨｉＰＣＯ法によるカーボンナノチューブのアスペクト比より大きい。よって、上記により、容易に、導電層４１，４２の導電フィラーの密度を異ならせることが出来る。
【００４９】
以上により、低密度導電層４１と高密度導電層４２から成る第１電極層１２を形成する。
【００５０】
次に図７（ｃ）の工程では、第１電極層１２を基板４０から剥離する。
なお第２電極層１３も上記と同じ工程にて、低密度導電層４１と高密度導電層４２から成る２層構造で形成する。
【００５１】
次に図７（ｄ）の工程では、電解質層１１の厚さ方向の上下面に、第１電極層１２及び第２電極層１３の低密度導電層４１側を対向させる。電解質層１１はイオン液体と樹脂材料（ポリマー）を含み、電極層１２，１３と同様にキャスト法にて形成できる。
【００５２】
そして図７（ｅ）の工程では、電解質層１１と第１電極層１２間、電解質層１１と第２電極層１３間を加熱圧着することで、電解質層１１の上下面を電極層１２，１３で挟んだ積層構造からなる高分子アクチュエータ１０を得ることが出来る。
【００５３】
上記した実施形態では、基板４０上にまず低密度導電層４１を形成し、続いて高密度導電層４２を形成する。基板４０上に直接形成するのは低密度導電層４１であるため、高密度導電層４２を基板４０上に直接、形成する場合に比べて、基板４０との密着性を低下できる。また高剛性で脆い高密度導電層４２と基板４０との間に高密度導電層４２よりも軟質な低密度導電層４１を設けている。
【００５４】
以上により本実施形態では、容易に低密度導電層４１と高密度導電層４２から成る電極層１２，１３を基板４０から剥離できる。よって、良好な電極特性を備えるとともに、応答性（応答速度）に優れた高分子アクチュエータを簡単且つ適切に製造することが可能である。
【００５５】
図４のように、電極層１２，１３に含まれる導電フィラーの密度が界面２４側から外面２５側に向けて連続的に変化するようにするには、例えば、基板４０上に複数の導電層を重ね塗りし、このとき、基板４０から離れる導電層ほど導電フィラーの密度を高くし、成膜後、全導電層に対して乾燥工程や加熱工程を施す。
【符号の説明】
【００５６】
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
２０，２２，４１  低密度導電層
２１，２３，３４，３５，４２  高密度導電層
２４，２６  界面
２５  外面
３０，３１  連続変化導電層
３２，３３  中間密度導電層
４０  基板
【図１】
2012080595.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2012080595.tif 000007
【図６】
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【図７】
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