(57)【要約】【課題】電極とアクチュエータ素子との接続信頼性を高めることができるアクチュエータ装置を提供する。【解決手段】イオン伝導層４と電極層５Ａ、５Ｂとを有するアクチュエータ素子１と、アクチュエータ素子１の電極層５Ａ、５Ｂにそれぞれ電気的に接続された一対の電極２Ａ、２Ｂと、を備えたアクチュエータ装置１０。電極２Ａ、２Ｂによって電位差が与えられることにより電極層５Ａ、５Ｂが伸長または収縮することによって、アクチュエータ素子１が厚さ方向に曲げ変形可能である。電極２Ａ、２Ｂは、アクチュエータ素子１に、導電性ペーストからなる導電接合部６を介して固定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導層とその両面にそれぞれ形成された一対の電極層とを有するアクチュエータ素子と、
前記アクチュエータ素子の電極層にそれぞれ電気的に接続された一対の電極と、を備え、
前記電極によって電位差が与えられることにより前記電極層が伸長または収縮することによって、前記アクチュエータ素子が厚さ方向に曲げ変形可能であり、
前記電極は、前記アクチュエータ素子に、導電性ペーストからなる導電接合部を介して固定されていることを特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
前記イオン伝導層は、イオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
前記電極層は、カーボンナノチューブとイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなることを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
前記電極はフレキシブルプリント基板であり、前記アクチュエータ素子の外面に対面させて設けられていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
前記電極は、前記電極層の外面に前記導電接合部を介して固定されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
前記電極層の外面に導電層が形成され、
前記電極は、前記導電層の外面に前記導電接合部を介して固定されていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載のアクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学反応により作動するアクチュエータ素子を有するアクチュエータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気中や真空中で作動可能なアクチュエータ素子として、伸縮性のある電極層を有するアクチュエータ素子が提案されている（例えば特許文献１、２を参照）。
図５は、このアクチュエータ素子を用いたアクチュエータ装置の例を示すもので、ここに示すアクチュエータ装置４０は、アクチュエータ素子１と、アクチュエータ素子１に接続された電極２Ａ、２Ｂと、電極２Ａ、２Ｂに接続された電源３とを備えている。
アクチュエータ素子１は、イオン伝導層４の一方および他方の面に、それぞれ伸縮性のある電極層５Ａ、５Ｂを備えている。
電極２Ａ、２Ｂは、先端２Ａａ、２Ｂａが電極層５Ａ、５Ｂの外面５Ａａ、５Ｂａに当接することにより電極層５Ａ、５Ｂに電気的に接続されている。
電極２Ａ、２Ｂと電極層５Ａ、５Ｂとの接続には半田付けが用いられていないため、半田付け時の高温により電極層５Ａ、５Ｂが破損することはない。
アクチュエータ装置４０は、電源３により電極２Ａ、２Ｂ間に電位差がかかると、図５に２点鎖線で示すように、電極層５Ａ、５Ｂが伸縮することによりアクチュエータ素子１に曲げ変形が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６０９５２号公報
【特許文献２】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】
【０００４】
しかしながら、アクチュエータ装置４０では、アクチュエータ素子１の変位や振動などによって、電極２Ａ、２Ｂと電極層５Ａ、５Ｂとの接触が不十分となり、電極２Ａ、２Ｂとアクチュエータ素子１との間の接続信頼性が低下するおそれがあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電極とアクチュエータ素子との接続信頼性を高めることができるアクチュエータ装置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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を提供する。
本発明は、イオン伝導層とその両面にそれぞれ形成された一対の電極層とを有するアクチュエータ素子と、前記アクチュエータ素子の電極層にそれぞれ電気的に接続された一対の電極と、を備え、前記電極によって電位差が与えられることにより前記電極層が伸長または収縮することによって、前記アクチュエータ素子が厚さ方向に曲げ変形可能であり、前記電極は、前記アクチュエータ素子に、導電性ペーストからなる導電接合部を介して固定されているアクチュエータ装置を提供する。
前記イオン伝導層は、イオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなることが好ましい。
前記電極層は、カーボンナノチューブとイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなることが好ましい。
本発明のアクチュエータ装置は、前記電極がフレキシブルプリント基板であり、前記アクチュエータ素子の外面に対面させて設けられている構成とすることができる。
本発明のアクチュエータ装置は、前記電極が、前記電極層の外面に前記導電接合部を介して固定されている構成としてよい。
本発明のアクチュエータ装置は、前記電極層の外面に導電層が形成され、前記電極が、前記導電層の外面に前記導電接合部を介して固定されている構成としてよい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、電極が、導電性ペーストからなる導電接合部を介してアクチュエータ素子に固定されているため、アクチュエータ素子が変位したり、振動が加えられた場合においても、電極とアクチュエータ素子との電気的接続を確保できる。
従って、電極とアクチュエータ素子との間の接続信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明のアクチュエータ装置の第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】図１のアクチュエータ装置のアクチュエータ素子の動作を示す模式図であり、（ａ）は未変形状態であり、（ｂ）は曲げ変形した状態である。
【図３】本発明のアクチュエータ装置の第２の実施形態を示す模式図である。
【図４】本発明のアクチュエータ装置の第３の実施形態を示す模式図である。
【図５】従来のアクチュエータ装置の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第一の実施形態）
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明のアクチュエータ装置の第１の実施形態であるアクチュエータ装置１０を示すもので、ここに示すアクチュエータ装置１０は、アクチュエータ素子１と、アクチュエータ素子１に接続された一対の電極２Ａ、２Ｂと、電極２Ａ、２Ｂに接続された電源３とを備えている。
アクチュエータ素子１は、イオン伝導層４と、その一方および他方の面にそれぞれ形成された伸縮性のある電極層５Ａ、５Ｂとを有する。
【０００９】
イオン伝導層４は、例えばイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなる。
イオン性液体は、例えば常温溶融塩であり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態となる。イオン性液体の導電率は０．１Ｓｍ−１以上が好ましい。
イオン性液体としては、下記の一般式（Ｉ）〜（ＩＶ）で表わされるカチオン（好ましくは、イミダゾリウムイオン）と、アニオン（Ｘ−）からなるものを例示することができる。
【００１０】
【化１】
2013034313.tif 000003
【００１１】
【化２】
2013034313.tif 000004
【００１２】
［ＮＲｘＨ４−ｘ］＋  （ＩＩＩ）
［ＰＲｘＨ４−ｘ］＋  （ＩＶ）
上記の式（Ｉ）〜（ＩＶ）において、Ｒは炭素数１〜１２のアルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３〜１２のアルキル基を示し、式（Ｉ）においてＲ１は炭素数１〜４のアルキル基または水素原子を示す。式（Ｉ）において、ＲとＲ１は同一ではないことが好ましい。式（ＩＩＩ）および（ＩＶ）において、ｘはそれぞれ１〜４の整数である。
【００１３】
アニオン（Ｘ−）としては、テトラフルオロホウ酸アニオン、ヘキサフルオロリン酸アニオン、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド酸アニオン、過塩素酸アニオン、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）炭素酸アニオン、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン、ジシアンアミドアニオン、トリフルオロ酢酸アニオン、有機カルボン酸アニオンおよびハロゲンイオンより選ばれる少なくとも１種が好ましい。
【００１４】
イオン伝導層４を構成するゲル状組成物に使用できるポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ，ナフィオン）、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などが挙げられる。
イオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物におけるイオン性液体とポリマーの配合比（質量比）は、イオン性液体：ポリマー＝１：２〜４：１が好ましく、イオン性液体：ポリマー＝１：１〜２：１がより好ましい。
前記ポリマーは、電極層５Ａ、５Ｂにも使用できる。
【００１５】
電極層５Ａ、５Ｂは、例えばカーボンナノチューブとイオン性液体とポリマーとを含むゲル状組成物からなり、導電性があり電気応答伸縮活性を有する。
カーボンナノチューブは、グラフェンシートを筒形とした炭素系材料であり、その周壁の構成数から単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）と多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）とがある。また、グラフェンシートの構造の違いからカイラル（らせん）型、ジグザグ型、およびアームチェア型などがある。
カーボンナノチューブは、アスペクト比が大きいとゲルが形成し易くなる傾向があるため、単層ナノチューブが好ましい。
【００１６】
カーボンナノチューブとイオン性液体とからなるゲル（カーボンナノチューブゲル）におけるカーボンナノチューブの配合割合は、カーボンナノチューブ／ゲル＝１〜４０質量％が好ましく、カーボンナノチューブ／ゲル＝５〜２０質量％がより好ましい。
カーボンナノチューブゲルに対するポリマーの配合比は、ゲル：ポリマー＝１：２〜４：１が好ましく、ゲル：ポリマー＝１：１〜２：１がより好ましい。
電極層５Ａ、５Ｂは、相互に絶縁状態となるように形成されている。
イオン伝導層４および電極層５Ａ、５Ｂの厚さは、１０〜５００μｍ（好ましくは５０〜２００μｍ）が好適である。
【００１７】
電極２Ａ、２Ｂは、金属などの導電性材料からなり、先端２Ａａ、２Ｂａに向かって厚さ寸法（または径）が小さくなる形状であり、図示例では、先端２Ａａ、２Ｂａが電極層５Ａ、５Ｂの上部の外面５Ａａ、５Ｂａ（アクチュエータ素子１の外面）に当接または近接している。
【００１８】
電極２Ａ、２Ｂの先端２Ａａ、２Ｂａを含む部分は、導電性ペーストからなる導電接合部６により外面５Ａａ、５Ｂａに固定されている。電極２Ａ、２Ｂの先端２Ａａ、２Ｂａを含む部分は、導電接合部６に埋め込まれた状態となっており、これによって、電極２Ａ、２Ｂは、導電接合部６を介して電極層５Ａ、５Ｂに電気的に接続されている。
【００１９】
導電性ペーストは、導電粒子とバインダ樹脂とを含むものが用いられる。導電粒子は金属（銀、銅、ニッケル、金、錫など）やカーボンなどの導電性物質からなる粒子または粉体である。
バインダ樹脂としては、飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などが使用できる。
導電粒子は、バインダ樹脂１００質量部に対して好ましくは２３０〜１９００質量部、より好ましくは４００〜９００質量部添加することができる。
【００２０】
導電接合部６は、導電性ペーストを印刷などにより塗布することによって形成することができる。導電性ペーストは、導電粒子およびバインダ樹脂のほか、溶剤を含んでいてもよい。溶剤としては、エタノール、プロパノールなどがある。
導電性ペーストは、例えば１２０℃〜１８０℃で乾燥されることによって溶剤が除去され、固化するとともに、導電粒子どうしが互いに接触することにより高い導電性が得られる。
【００２１】
図１に示すように、アクチュエータ装置１０は、電源３により電極２Ａ、２Ｂ間に電位差がかかると、導電接合部６を介して電極層５Ａ、５Ｂに電位差がかかる。電極２Ａ、２Ｂには、例えば０．５〜３Ｖの直流電圧をかけることができる。
電極層５Ａ、５Ｂに電位差がかかると、２点鎖線で示すように、電極層５Ａ、５Ｂが伸長または収縮することによりアクチュエータ素子１には曲げ変形が生じる。
【００２２】
図２は、アクチュエータ素子１の動作を説明する図である。
電極層５Ａ、５Ｂに電位差が加えられると、電極層５Ａ、５Ｂのカーボンナノチューブ相とイオン性液体相の界面に電気二重層が形成され、それによる界面応力によって電極層５Ａ、５Ｂが伸長または収縮する。
これによって、アクチュエータ素子１は、図２（ａ）に示す未変形状態から、図２（ｂ）に示すように、厚さ方向に曲げ変形した状態となる。
【００２３】
アクチュエータ素子１は、陽極側（図２の左方）に曲げが生じやすい。陽極側に曲げが生じやすいのは、量子化学的効果によりカーボンナノチューブが陰極側で大きく伸びること、およびイオン性液体ではアニオンに比べてカチオンのイオン半径が大きいためその立体効果により陰極側がより大きく伸びること、などによると考えられる。
アクチュエータ素子１の先端１ａの変位量（例えば図２（ｂ）に示すＬ１）は、例えばアクチュエータ素子１の長さの０．５〜１倍であってよい。
アクチュエータ素子１は、空気中や真空中でも作動する。
【００２４】
アクチュエータ装置１０は、電極２Ａ、２Ｂが導電接合部６を介して電極層５Ａ、５Ｂに固定されているため、アクチュエータ素子１が変位したり（図２（ｂ）参照）、振動が加えられた場合においても、電極２Ａ、２Ｂと電極層５Ａ、５Ｂとの間の電気的接続を確保できる。
従って、電極２Ａ、２Ｂとアクチュエータ素子１との間の接続信頼性を高めることができる。
また、電極２Ａ、２Ｂは導電性ペーストからなる導電接合部６によりアクチュエータ素子１に接続されるため、電極が素子に半田付けされる場合とは異なり、高熱によるアクチュエータ素子１の損傷を防止できる。
【００２５】
（第二の実施形態）
図３は、本発明のアクチュエータ装置の第２の実施形態であるアクチュエータ装置２０を示すもので、ここに示すアクチュエータ装置２０は、電極１２Ａ、１２Ｂ以外は図１に示すアクチュエータ装置１０と同様の構成である。
電極１２Ａ、１２Ｂは、フレキシブルプリント基板であり、外面５Ａａ、５Ｂａから間隔をおいて、外面５Ａａ、５Ｂａに対面して設置されている。
図示例では、電極１２Ａ、１２Ｂは、内面１２Ａａ、１２Ｂａ下部が電極層５Ａ、５Ｂの外面５Ａａ、５Ｂ上部に一定の間隔をおいて対面している。
【００２６】
電極１２Ａ、１２Ｂは、可撓性を有するフィルム状の基材１３の少なくとも内面（内面１２Ａａ、１２Ｂａ）に配線層（導電層）（図示略）が形成されている。基材１３は厚さ方向に曲げ変形可能である。
基材１３には、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステルなどの絶縁性の樹脂材料を使用できる。配線層は、金属（銅、アルミニウム等）などからなり、メッキなどにより基材１３表面に形成できる。
【００２７】
電極１２Ａ、１２Ｂの内面１２Ａａ、１２Ｂａは、導電性ペーストからなる導電接合部１６を介して外面５Ａａ、５Ｂａに固定されている。
導電接合部１６は、内面１２Ａａ、１２Ｂａの一部（外面５Ａａ、５Ｂａに対する対面領域の一部）と外面５Ａａ、５Ｂａとの間に設けられ、電極１２Ａ、１２Ｂの配線層と電極層５Ａ、５Ｂとを電気的に接続する。
【００２８】
アクチュエータ装置２０は、電極１２Ａ、１２Ｂが導電接合部１６を介して電極層５Ａ、５Ｂに固定されているため、アクチュエータ素子１が変位したり（図３の２点鎖線を参照）、振動が加えられた場合においても、電極１２Ａ、１２Ｂと電極層５Ａ、５Ｂとの間の電気的接続は確保される。
また、電極１２Ａ、１２Ｂはフレキシブルプリント基板であるため、アクチュエータ素子１の変位に追従して容易に変形できることから、確実に電気的接続を確保できる。
従って、電極１２Ａ、１２Ｂとアクチュエータ素子１との間の接続信頼性を高めることができる。
【００２９】
（第三の実施形態）
図４は、本発明のアクチュエータ装置の第３の実施形態であるアクチュエータ装置３０を示すもので、ここに示すアクチュエータ装置３０は、アクチュエータ素子１の電極層５Ａ、５Ｂの外面５Ａａ、５Ｂａに、それぞれ導電層７Ａ、７Ｂが形成されていること以外は図１に示すアクチュエータ装置１０と同様の構成である。
【００３０】
導電層７Ａ、７Ｂは、金属（金、銀など）、カーボンナノチューブなどの導電性材料からなる。導電層７Ａ、７Ｂの厚さは例えば１０〜５０ｎｍである。導電層７Ａ、７Ｂの形成によって、アクチュエータ素子１の表面導電性が高められる。
電極２Ａ、２Ｂの先端２Ａａ、２Ｂａを含む部分は、導電性ペーストからなる導電接合部６により導電層７Ａ、７Ｂの外面７Ａａ、７Ｂａに固定されている。これによって、電極２Ａ、２Ｂは、導電接合部６および導電層７Ａ、７Ｂを介して電極層５Ａ、５Ｂに電気的に接続されている。
【００３１】
アクチュエータ装置３０は、電極２Ａ、２Ｂが導電接合部６を介して導電層７Ａ、７Ｂに固定されているため、電極２Ａ、２Ｂとアクチュエータ素子１との間の接続信頼性を高めることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１・・・アクチュエータ素子、２Ａ、２Ｂ・・・電極、３・・・電源、４・・・イオン伝導層、５Ａ、５Ｂ・・・電極層、６、１６・・・導電接合部、７Ａ、７Ｂ・・・導電層。
【図１】
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【図２】
2013034313.tif 000006
【図３】
2013034313.tif 000007
【図４】
2013034313.tif 000008
【図５】
2013034313.tif 000009