(57)【要約】【課題】電解液中に浸漬された導電性高分子の膜に、電圧を印加してカチオン駆動させることにより膜を伸縮させるアクチュエータにおいて、引張荷重に対する伸びが極力抑制された膜を有するアクチュエータを提供する。【解決手段】アクチュエータは、アルキル鎖を含まないドーパントを分子内に有する導電性高分子よりなる膜１０と、膜１０が浸漬されるが膜１０を構成する導電性高分子が溶けない有機電解液２０と、を備え、有機電解液２０中にて膜１０に電圧印加してカチオン駆動させることによって、膜１０を伸縮させるものである。【選択図】図３
2013251934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルキル鎖を含まないドーパントを分子内に有する導電性高分子よりなる膜（１０）と、
前記膜が浸漬されるが前記膜を構成する前記導電性高分子が溶けない有機電解液（２０）と、を備え、
前記有機電解液中にて前記膜に電圧印加してカチオン駆動させることによって、前記膜を伸縮させることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記導電性高分子は、スルホン酸基をドーパントとするもの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】
前記導電性高分子は、スルホン化ポリアニリンであり、
前記有機電解液は、トリオクチルメチルアンモニウムチオサリチレートであることを特徴とする請求項２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、電解液中に浸漬された導電性高分子の膜に、電圧を印加してカチオン駆動させることにより膜を伸縮させるアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種のアクチュエータとしては、導電性高分子よりなる膜と、当該膜が浸漬される電解液と、を備え、電解液中にて膜に電圧印加することによって、膜を伸縮させるようにしたものが提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、アクチュエータの駆動方法としては、プラス電圧を印加したときに導電性高分子にアニオンがドープされるアニオン駆動と、プラス電圧を印加したときに導電性高分子にカチオンがドープされるカチオン駆動とがある。
【０００４】
ここで、上記非特許文献１にも記載されているように、アニオン駆動は、膜の伸縮率が大きいが、耐久性が低く、一方、カチオン駆動は、膜の伸縮率は小さいが、耐久性が高いという特徴がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】金藤敬一、「人工筋肉の実現を目指したソフトアクチュエータ開発の最前線」、応用物理、２００７年、第７６巻、第１２号、ｐ１３５６−１３６１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、高耐久のアクチュエータの開発を進めており、カチオン駆動させるアクチュエータについて検討した。本発明者の検討によれば、従来のアクチュエータでは、膜が重量物を保持する場合、つまり、膜に引張荷重が加わった場合、その引張荷重の印加時間に比例して膜が伸びて長くなってしまうことがわかった。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電解液中に浸漬された導電性高分子の膜に、電圧を印加してカチオン駆動させることにより膜を伸縮させるアクチュエータにおいて、引張荷重に対する伸びが極力抑制された膜を有するアクチュエータ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】
【０００８】
上記目的を達成するため、鋭意検討を行った。従来のカチオン駆動されるアクチュエータにおいては、膜は、芳香族系ポリマーよりなる剛直なホストと、長鎖アルキル基を持つ強酸としてのドーパントとがイオン結合によって一体となった材料よりなる。
【０００９】
ここで、カチオン駆動時には、ドーパントの長いアルキル鎖がホストに絡まり合って膜内に留まることでカチオンを引き寄せる。しかし、膜全体としてみれば、この長いアルキル鎖が軟らかい部位つまり柔軟部位であるため、膜全体が見かけ上、軟らかいものとなり、上記のように引張荷重に対して伸びが顕著となってしまうと考えられる。
【００１０】
このことから、単純には、ドーパントのアルキル鎖を短くしてやることが考えられるが、その場合、膜からドーパントが脱離しやすくなり、カチオン駆動状態を確保しにくくなる。そこで、本発明者は、ドーパントを、アルキル鎖を含まないものとして、膜から脱離しないようにすればよいと考えた。
【００１１】
つまり、ドーパントを導電性高分子の官能基の一部として分子内に設けてやればよいことに着目した。ただし、このように分子内にドーパントを有する高分子は、水等に溶けやすいので、膜が浸漬される溶媒としては、膜が溶けないものとする必要がある。
【００１２】
本発明は、上記着目点に鑑みて創出されたものであり、請求項１に記載の発明では、アルキル鎖を含まないドーパントを分子内に有する導電性高分子よりなる膜（１０）と、膜が浸漬されるが膜を構成する導電性高分子が溶けない有機電解液（２０）と、を備え、有機電解液中にて膜に電圧印加してカチオン駆動させることによって、膜を伸縮させることを特徴とするアクチュエータが提供される。
【００１３】
それによれば、膜を構成する導電性高分子は、分子内にドーパントを持つものであるから、電圧印加時に当該ドーパントは膜から脱離せずにカチオン駆動が実現する。また、分子内のドーパントはアルキル鎖のような柔軟部位を持たないので膜の剛直性が確保できる。よって、本発明によれば、引張荷重に対する伸びが極力抑制された膜を有するアクチュエータを提供できる。
【００１４】
ここで、導電性高分子は、スルホン酸基をドーパントとするものであるものにできる。具体的には、導電性高分子は、スルホン化ポリアニリンであり、有機電解液は、ＴＯＭＡＴＳ（トリオクチルメチルアンモニウムチオサリチレート）とすることが好ましい。
【００１５】
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態にかかるアクチュエータおよびその伸縮率の測定方法を模式的に示す図である。
【図２】上記実施形態にかかる導電性高分子の一例であるスルホン化ポリアニリンの分子構造を示す図である。
【図３】上記実施形態にかかる有機電解液の一例であるＴＯＭＡＴＳの分子構造を示す図である。
【図４】比較例としての導電性高分子におけるホストとしてのポリアニリンの分子構造を示す図である。
【図５】比較例としての導電性高分子におけるドーパントとしてのドデシルベンゼンスルホン酸の分子構造を示す図である。
【図６】本発明の実施例におけるアクチュエータの伸縮率の時間変化を示すグラフである。
【図７】上記比較例のアクチュエータの伸縮率の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。
【００１８】
図１に示されるように、本実施形態のアクチュエータは、導電性高分子よりなる膜１０と、膜１０が浸漬される有機電解液２０と、を備え、有機電解液２０中にて膜１０に電圧印加してカチオン駆動させることによって、当該膜１０を伸縮させるようにしたものである。
【００１９】
ここで、膜１０は一般的なキャスト法等により成膜されるもので、たとえば膜厚は５μｍ〜１００μｍ程度のものである。そして、この膜１０を構成する導電性高分子は、アルキル鎖を含まないドーパントを分子内に有するものであれば、特に限定されないが、この分子内ドーパントとしては、ドープされやすくするために酸解離定数が１以上の強酸であることが望ましい。
【００２０】
そのようなものとして、たとえば導電性高分子は、スルホン酸基をドーパントとするものにできる。より具体的には、当該導電性高分子としては、スルホン化ポリアニリン（図２参照）を採用できる。
【００２１】
有機電解液２０は、容器３０に蓄えられている。そして、この有機電解液２０に膜１０が浸漬されている。この有機電解液２０は、膜１０が浸漬されるが膜１０を構成する導電性高分子が溶けないものである必要があり、たとえば親油性かつ疎水性イオン性液体などが採用できる。
【００２２】
より具体的に、有機電解液２０としては、ＴＯＭＡＴＳ（トリオクチルメチルアンモニウムチオサリチレートの略称）（図３参照）を採用できる。
【００２３】
また、図１に示されるアクチュエータにおいては、膜１０は有機電解液２０中にて、膜１０の長手方向（図１中の上下方向）に図示しない錘等によって引張荷重を受けた状態で浸漬されている。また、有機電解液２０の外には、電圧印加手段４０が設けられ、この電圧印加手段４０と膜１０とは、ＰｔやＡｕ等の金属電極５０を介して電気的に接続されている。
【００２４】
また、有機電解液２０中には、膜１０に対向する位置に、Ｐｔ等よりなる対向電極６０が設けられ、この対向電極６０は、電圧印加手段４０における膜１０とは反対側の極に電気的に接続されている。
【００２５】
このようなアクチュエータにおいて、電圧印加手段４０によって膜１０と対向電極６０との間に電圧を印加すると、カチオン駆動により、膜１０が長手方向（図中の上下方向）に伸縮する。
【００２６】
このアクチュエータの製造方法は次の通りである。まず、キャスト法等により膜１０を作製し、膜１０に金属電極５０を接続する。そして、有機電解液２０中に、膜１０と対向電極６０とを浸漬することで、本アクチュエータができあがる。
【００２７】
ところで、本実施形態のアクチュエータによれば、膜１０を構成する導電性高分子は、分子内にドーパントを持つものであるから、電圧印加時に当該ドーパントは膜１０から脱離せずにカチオン駆動が実現する。また、分子内のドーパントはアルキル鎖のような柔軟部位を持たないので膜１０の剛直性が確保できる。よって、本実施形態によれば、引張荷重に対する伸びが極力抑制された膜１０を有するアクチュエータを提供できる。
【００２８】
このことについて、次に、実施例および比較例を参照して、より具体的に述べる。
【実施例】
【００２９】
膜１０を構成する導電性高分子として実施例では、スルホン化ポリアニリンは以下の方法で作製した。ｍ‐アミノベンゼンスルホン酸（東京化成工業製）１７．３ｇ（０．１ｍｏｌ）を２００ｍｌのイオン交換水に溶解させ、２０℃として、イオン交換水７５ｍｌにペルオキソ二硫酸アンモニウム（和光純薬工業製）３４．２ｇ（０．１５ｍｏｌ）を溶解させたものを２時間かけて徐々に加え、１２時間攪拌を続けた。反応生成物を濾別洗浄し、乾燥させることでスルホン化ポリアニリン８．５ｇを得た。このスルホン化ポリアニリンを純水に溶解し、キャスト法により厚さ２０μｍの膜１０を作製した。
【００３０】
この膜１０を１０ｍｍ×２ｍｍにカットして、これにＰｔよりなる金属電極５０を接続した。そして、この膜１０とＰｔよりなる対向電極６０とを、有機電解液２０中に浸漬し、上記図１の状態とした。そして、電圧印加手段４０により±２Ｖの定電圧を印加してすることで、膜１０を長手方向（図１中の上下方向）に伸縮させた。この膜１０の変位量は、レーザ変位計により計測した。
【００３１】
また、比較例として、従来の一般的なカチオン駆動のアクチュエータに用いられる膜を有するものを作製した。この比較例の膜を構成する導電性高分子は、剛直なホストとしてのポリアニリン（図４参照）と、長鎖アルキル基を持つ強酸であるドーパントとしてのドデシルベンゼンスルホン酸（図５参照）とが、イオン結合によって一体となった材料よりなる。
【００３２】
この比較例の膜は、市販のポリアニリン（Ａｌｄｒｉｃｈ製）とドデシルベンゼンスルホン酸（東京化成工業製）とを、Ｎ−メチルピロリドン（東京化成工業製）に溶解し、キャスト法により厚さ２０μｍの膜とした。
【００３３】
そして、この比較例においても、膜を任意の大きさにカットして、これにＰｔよりなる金属電極５０を接続し、この膜とＰｔよりなる対向電極６０とを、有機電解液２０中に浸漬し、上記図１と同様の状態とした。
【００３４】
そして、上記同様電圧印加手段４０により±１Ｖの定電圧を印加してすることで、当該膜を長手方向（図１中の上下方向）に伸縮させ、この膜の変位量を、レーザ変位計により計測した。そして、実施例および比較例について、上記変位量の時間経過を測定した。
【００３５】
この測定について、実施例の結果は図６に示され、比較例の結果は図７に示されるが、引張荷重に対する膜の伸びは、これら図６、図７中にて基準位置の変移ｘとして示されている。この基準位置の変移ｘは、初期の伸縮変位の基準位置と、伸縮を１００００秒続けた後の伸縮変位の基準位置とのずれを示している。
【００３６】
図６、図７に示されるように、この基準位置の変移ｘは、比較例では１．７％あるのに対し、実施例では０．２％である。このように、本実施形態では、膜１０を、アルキル鎖を含まないドーパントを分子内に有する導電性高分子よりなるものとし、有機電解液２０を、膜１０が浸漬されるが膜１０を構成する導電性高分子が溶けないものとすることで、引張荷重に対する伸びが極力抑制された膜１０を有するアクチュエータを実現することができる。
【００３７】
なお、膜１０、有機電解液２０は、上記した材料以外にも、本実施形態のアクチュエータに適した材料であるならば、採用してもよいことはもちろんである。
【符号の説明】
【００３８】
１０  膜
２０  有機電解液
【図１】
2013251934.tif 000003
【図２】
2013251934.tif 000004
【図３】
2013251934.tif 000005
【図４】
2013251934.tif 000006
【図５】
2013251934.tif 000007
【図６】
2013251934.tif 000008
【図７】
2013251934.tif 000009