(57)【要約】【課題】イオン液体がより動き易く、大きな発生力を得ることができる構成の高分子アクチュエータを提供する。【解決手段】第１電極層１１および第２電極層１２を構成するための金属微粒子１１ａ、１２ａを樹脂層１１ｂ、１２ｂによってコーティングする。これにより、金属微粒子１１ａ、１２ａが凝集しにくくなるようにでき、金属微粒子１１ａ、１２ａの間に混合体１４を形成できるので、イオン液体１４ｂの陽イオンが入り込み易くなるようにできる。したがって、イオン液体１４ｂがより動き易くなって、第１電極層１１や第２電極層１２のヤング率を高くしなくても、高分子アクチュエータ１０の発生力を大きくすることが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン液体（１４ｂ）とポリマー（１４ａ）との混合体（１４）と、前記イオン液体における陰イオンをトラップする絶縁材（１３ａ）と、を含み、前記混合体に前記絶縁材が混合された電解質層（１３）と、
前記電解質層における一面側に配置され、前記混合体に樹脂層（１１ｂ）によってコーティングされた金属微粒子（１１ａ）を含有させた第１電極層（１１）と、
前記電解質層における前記一面の反対側となる他面側に配置され、前記混合体に樹脂層（１２ｂ）によってコーティングされた金属微粒子（１２ａ）を含有させた第２電極層（１２）と、を有することを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
イオン液体（１４ｂ）とポリマー（１４ａ）との混合体（１４）と、前記イオン液体における陰イオンをトラップする絶縁材（１３ａ）と、を含み、前記混合体に前記絶縁材が混合された電解質層（１３）と、
前記電解質層における一面側に配置され、前記混合体に金属微粒子（１１ａ）を含有させた第１電極層（１１）と、
前記電解質層における前記一面の反対側となる他面側に配置され、前記混合体に金属微粒子（１２ａ）を含有させた第２電極層（１２）と、を有し、
前記絶縁材はシリカであり、前記電解質層中に含有される前記シリカの重量比が０．０３〜０．２であることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項３】
イオン液体（１４ｂ）とポリマー（１４ａ）との混合体（１４）と、前記イオン液体における陰イオンをトラップする絶縁材（１３ａ）と、を含み、前記混合体に前記絶縁材が混合された電解質層（１３）と、
前記電解質層における一面側に配置され、前記混合体に金属微粒子（１１ａ）を含有させた第１電極層（１１）と、
前記電解質層における前記一面の反対側となる他面側に配置され、前記混合体に金属微粒子（１２ａ）を含有させた第２電極層（１２）と、を有し、
前記第１電極層中における前記金属微粒子の重量比および前記第２電極中における前記金属微粒子の重量比が０．５より大きく、かつ、０．８以下であることを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項４】
前記絶縁材はシリカであり、前記電解質層中に含有される前記シリカの重量比が０．０３〜０．２であることを特徴とする請求項１または３に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１電極層中における前記金属微粒子の重量比および前記第２電極中における前記金属微粒子の重量比が０．５より大きく、かつ、０．８以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項６】
前記イオン液体の粘度が０．００１〜０．１Ｐａ・ｓｅｃであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の高分子アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１電極層と電解質および第２電極層の三層構造からなる高分子アクチュエータであって、イオン液体が第１電極層と第２電極層との間を移動することで屈曲動作を行う高分子アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１において、バッキーゲルタイプの有機アクチュエータが提案されている。この有機アクチュエータは、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴという）とイオン液体を混合させるとゲル状になって薄膜を形成できることを利用したものであり、電極と電解質の三層を構成することで有機アクチュエータを構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１１８３４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、上記のようにＣＮＴとイオン液体とを混合させた有機アクチュエータは、多くのイオン液体がＣＮＴに拘束されることとなり、イオン液体が移動し難い。このため、電極のヤング率を大きくすることで発生力を確保する必要があった。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、イオン液体がより動き易く、大きな発生力が得られる構成の高分子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】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、イオン液体（１４ｂ）とポリマー（１４ａ）との混合体（１４）と、イオン液体における陰イオンをトラップする絶縁材（１３ａ）と、を含み、混合体に絶縁材が混合された電解質層（１３）と、電解質層における一面側に配置され、混合体に樹脂層（１１ｂ）によってコーティングされた金属微粒子（１１ａ）を含有させた第１電極層（１１）と、電解質層における一面の反対側となる他面側に配置され、混合体に樹脂層（１２ｂ）によってコーティングされた金属微粒子（１２ａ）を含有させた第２電極層（１２）と、を有することを特徴としている。
【０００７】
このように、第１電極層および第２電極層を構成するための金属微粒子は樹脂層によってコーティングされている。このため、金属微粒子が凝集しにくくなるので、第１および第２の電極層内には金属微粒子間に陽イオンが入り込める混合体（１４）も作り込むことができる。よって、電極層内における陽イオンの反発力を大きくできるので、第１電極層や第２電極層のヤング率を高くしなくても、高分子アクチュエータの発生力を大きくすることが可能となる。ヤング率を変更しなくてもよいので、高分子アクチュエータの変位を維持したまま、発生力を大きくできる。
【０００８】
なお、上記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の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる高分子アクチュエータの断面図である。
【図２】図１中の領域Ｒの拡大断面模式図である。
【図３】電解質層の拡大図である。
【図４】高分子アクチュエータの作動を示す説明図である。
【図５】電解質層中におけるシリカの重量比と高分子アクチュエータを屈曲させる発生力との関係を示す図である。
【図６】第１電極層および第２電極層中における金属微粒子の重量比と高分子アクチュエータを屈曲させる発生力との関係を示す図である。
【図７】イオン液体の粘度と高分子アクチュエータを屈曲させる発生力との関係を示す図である。
【図８】イオン液体の体積占有率と変位量、発生力との関係を示す図である。
【図９】高分子アクチュエータに流れる電流と変位量との関係を示す図である。
【図１０】高分子アクチュエータに流れる電流と変位量との関係を示す図である。
【図１１】測定装置の平面図である。
【図１２】図１１のXII−XII断面図である。
【図１３】電解質層の厚みと変位量、発生力との関係を示す図である。
【図１４】電極層のヤング率と変位量、発生力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる高分子アクチュエータについて、図１〜図４を参照して説明する。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態にかかる高分子アクチュエータ１０は、第１電極層１１と第２電極層１２および電解質層１３とを有した構成とされている。高分子アクチュエータ１０は、例えば一面およびその反対面となる他面を有する板状もしくは短冊状で構成されており、一面側に第１電極層１１が構成され、他面側に第２電極層が構成されている。そして、第１電極層１１と第２電極層１２との間に所望の電位差を発生させることで使用される。
【００１３】
図２に示すように、第１電極層１１および第２電極層１２は、金属微粒子１１ａ、１２ａが集まって構成されたものである。具体的には、後述するポリマー１４ａとイオン液体１４ｂの混合体１４中に金属微粒子１１ａ、１２ａを混合することで構成されている。第１電極層１１および第２電極層１２中における金属微粒子１１ａ、１２ａの含有量を０．５重量比より大きく、かつ、０．８重量比以下としている。
【００１４】
金属微粒子１１ａ、１２ａは、周囲が樹脂層１１ｂ、１２ｂによってコーティングされている。例えば、金属微粒子１１ａ、１２ａについては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ルビジウム（Ｒｂ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、バリウム（Ｂａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、ネオジム（Ｎｄ）などの金属やこれらの金属の合金で構成しており、樹脂層１１ｂ、１２ｂについてはポリビニルピロリドンなどの樹脂材料で構成している。樹脂層１１ｂ、１２ｂの厚さは、電極の構成材料としても機能を維持するために、金属微粒子１１ａ、１２ａの径よりも小さくする必要がある。金属微粒子１１ａ、１２ａは、導電性があれば、金属酸化物や金属窒化物、金属硫化物、金属ホウ化物、金属炭化物、金属ヨウ化物、金属弗化物などの金属化合物であってもよいし、樹脂に上記の金属やその合金、導電性のある金属化合物をコーティングした粒子であってもよい。
【００１５】
このように、金属微粒子１１ａ、１２ａを樹脂層１１ｂ、１２ｂでコーティングしてあるため、金属微粒子１１ａ、１２ａは、凝集することなく、単に互いに近接して集まった構造となる。また、第１電極層１１および第２電極層１２には、金属微粒子１１ａ、１２ａに加えて、添加剤としてモンモリロナイト（以下、ＭＭＴという）１１ｃ、１２ｃが添加されている。このＭＭＴ１１ｃ、１２ｃを添加することにより、高分子アクチュエータ１０の発生力を変えることなく、第１電極層１１および第２電極層１２のヤング率を高めることが可能となる。こうすることで、高分子アクチュエータ１０に電圧が印加されていないときの剛性を高めることができる。
【００１６】
このように構成される第１電極層１１および第２電極層１２は、金属微粒子１１ａ、１２ａが互いに単に近接した状態となって配置された構造とされている。このため、金属微粒子１１ａ、１２ａの間の隙間に、混合体１４が形成され、この混合体１４中に後述するイオン液体１４ｂが入り込める状態、より詳しくはイオン液体１４ｂ中のイオンが入り込める状態となっている。
【００１７】
なお、金属微粒子１１ａ、１２ａの粒径については任意であるが、高分子アクチュエータ１０の変位量や発生力をより大きくするためには、イオン液体１４ｂをより多く呼び込めるように、１μｍ以下であると好ましい。また、効果的に第１電極層１１および第２電極層１２が構成する電極の厚みを厚くできるように、金属微粒子１１ａ、１２ａの粒径を２０ｎｍ以上にすると好ましい。一方で、より面積の大きい高分子アクチュエータ１０を利用するためには、金属微粒子１１ａ、１２ａの粒径を０．１〜１００μｍにして、第１電極層１１および第２電極層１２の抵抗値を小さくするとともに、ヤング率を大きくすることが好ましい。金属微粒子１１ａ、１２ａの粒径が１００μｍよりも大きくなると、第１電極層１１、第２電極層１２の膜厚と同程度になり、１層の金属微粒子層で電極を形成することになるため、繰返し動作時の信頼性が低下してしまう。
【００１８】
電解質層１３は、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４中に絶縁材１３ａを混合したものである。ポリマー１４ａは、例えばポリテトラフルオロエチレンパーフルオロスルホン酸（ナフィオン（登録商標））、ポリビリニデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリマーで構成され、イオン液体１４ｂの移動を可能とする媒体である。
【００１９】
イオン液体１４ｂは、高分子アクチュエータ１０の駆動に用いられる物質であり、第１電極層１１と第２電極層１２との間に電位差を発生させたときにポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間の隙間を移動する移動媒体である。例えば、イオン液体１４ｂとしては、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアン酸を用いることができる。このようなイオン液体１４ｂは、混合体１４中においてイオン分解された状態で存在し、化学式１で示されるような１−エチル−３−メチルイミダゾリウムにて構成される陽イオンと、化学式２で示されるようなチオシアン酸にて構成される陰イオンとなっている。イオン液体１４ｂは、粘度が０．００１〜０．１Ｐａ・ｓｅｃとされている。本実施形態では、イオン液体として１−エチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアン酸を挙げたが、揮発することがない液体としての性質を満たし、その液体の粘度が０．００１〜０．１Ｐａ・ｓｅｃであれば材質は問わない。
【００２０】
【化１】
2017034978.tif 000003
【００２１】
【化２】
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【００２２】
絶縁材１３ａは、シリカなどによって構成されており、第１電極層１１と第２電極層１２との間の絶縁を保つ役割を果たすと共に、イオン液体１４ｂにおける陰イオンをトラップする役割を果たす。本実施形態の場合、絶縁材１３ａをシリカによって構成しつつ、電解質層１３中におけるシリカの含有量を０．０３〜０．２重量比としている。
【００２３】
このように構成される電解質層１３は、図３に示すように、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４中に絶縁材１３ａが含まれた構造となる。ポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間に隙間が存在している。このため、イオン状態で存在しているイオン液体１４ｂ中の陽イオンは、ポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間の隙間を移動経路として、例えば図中破線矢印で示したように移動することが可能となっている。
【００２４】
このような構造によって、本実施形態にかかる高分子アクチュエータ１０が構成されている。このように構成される高分子アクチュエータ１０は、例えば次のようにして製造される。
【００２５】
まず、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４に金属微粒子１１ａを混合した液体を平坦面の上にキャストし、平坦な膜状となるようにする。そして、例えば６０℃程度の温度で溶媒を揮発させる。これにより第１電極層１１が形成される。
【００２６】
次に、第１電極層１１の上に、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４中に絶縁材１３ａを混合した液体をキャストし、平坦な膜状となるようにする。そして、例えば６０℃程度の温度で、第１電極層１１の上にキャストされた液体の溶媒を揮発させる。これにより、第１電極層１１と電解質層１３が積層された構造が形成される。
【００２７】
さらに、電解質層１３の上に、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４に金属微粒子１２ａを混合した液体をキャストし、平坦な膜状となるようにする。そして、例えば６０℃程度の温度で、電解質層１３の上にキャストされた液体の溶媒を揮発させる。これにより、第１電極層１１と電解質層１３の上に第２電極層１２が積層された構造が形成される。このようにして、本実施形態にかかる高分子アクチュエータ１０が製造される。
【００２８】
続いて、本実施形態の高分子アクチュエータ１０の作動について説明する。
【００２９】
図４に示すように、第１電極層１１および第２電極層１２に対して電圧を印加していない状態においては、高分子アクチュエータ１０は変形することなく平坦な状態となる。
【００３０】
そして、第１電極層１１に対して正電圧を印加すると共に第２電極層１２を接地電位にすると、ポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間の隙間を移動経路としてイオン液体１４ｂの陽イオンがマイナス側、すなわち第２電極層１２側に移動させられる。そして、金属微粒子１２ａの間に混合体１４が形成され、その中に陽イオンが入り込む。これにより、陽イオンが入り込んだ分、金属微粒子１２ａの間が広がって第２電極層１２が膨張する。一方、イオン液体１４ｂの陰イオンについては、絶縁材１３ａにトラップされた状態となり、正電圧が印加されている第１電極層１１側への移動が抑制される。
【００３１】
したがって、第１電極層１１と比較して第２電極層１２側が膨張した状態となり、第２電極１２側が凸形状、第１電極１１側が凹形状となるように高分子アクチュエータ１０が変形する。
【００３２】
このとき、金属微粒子１２ａを樹脂層１２ｂによって覆っていて、金属微粒子１２ａが凝集しない状態となっていることから、金属微粒子１２ａの間に容易にイオン液体１４ｂの陽イオンが入り込める。このため、イオン液体１４ｂがより動き易くなって、第１電極層１１や第２電極層１２のヤング率を高くしなくても、高分子アクチュエータ１０の発生力を大きくすることが可能となる。
【００３３】
同様に、第２電極層１２に対して正電圧を印加すると共に第１電極層１１を接地電位にすると、ポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間の隙間を移動経路としてイオン液体１４ｂの陽イオンがマイナス側、すなわち第１電極層１１側に移動させられる。そして、金属微粒子１１ａの間に陽イオンが入り込む。これにより、陽イオンが入り込んだ分、金属微粒子１１ａの間が広がって第１電極層１１が膨張する。一方、イオン液体１４ｂの陰イオンについては、絶縁材１３ａにトラップされた状態となり、正電圧が印加されている第２電極層１２側への移動が抑制される。
【００３４】
したがって、第２電極層１２と比較して第１電極層１１側が膨張した状態となり、第１電極１１側が凸形状、第２電極１２側が凹形状となるように高分子アクチュエータ１０が変形する。
【００３５】
このとき、金属微粒子１１ａを樹脂層１１ｂによって覆っていて、金属微粒子１１ａが凝集しない状態となっていることから、金属微粒子１１ａの間に容易にイオン液体１４ｂの陽イオンが入り込める。このため、イオン液体１４ｂがより動き易くなって、第１電極層１１や第２電極層１２のヤング率を高くしなくても、高分子アクチュエータ１０の発生力を大きくすることが可能となる。
【００３６】
さらに、このような動作を行うに際して、ポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間に形成される隙間によってイオン液体１４ｂの移動経路が構成されるようにしていることから、さらにイオン液体１４ｂの移動が容易に行われる。したがって、より上記効果を得ることが可能となる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態では、第１電極層１１および第２電極層１２を構成するための金属微粒子１１ａ、１２ａを樹脂層１１ｂ、１２ｂによってコーティングしている。このため、金属微粒子１１ａ、１２ａが凝集しにくくなるようにでき、金属微粒子１１ａ、１２ａの間に混合体１４を形成できるので、イオン液体１４ｂの陽イオンが入り込み易くなるようにできる。したがって、イオン液体１４ｂがより動き易くなって、第１電極層１１や第２電極層１２のヤング率を高くしなくても、高分子アクチュエータ１０の発生力を大きくすることが可能となる。
【００３８】
また、電解質層１３中において、絶縁材１３ａを構成するシリカの重量比を０．０３〜０．２としている。このため、絶縁材１３ａによってイオン液体１４ｂにおける陰イオンを効果的にトラップすることが可能となり、陽イオンが集まる側の電極層が凸形状、その反対側の電極層が凹形状とする力、つまり高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆを大きくすることができる。したがって、これによっても、高分子アクチュエータ１０の発生力を大きくすることが可能となる。
【００３９】
ただし、絶縁材１３ａの重量比を小さくしすぎると、陰イオンを効果的にトラップすることができず、電極層に集まる陽イオンと陰イオンの差が小さくなって高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆが低下し得る。逆に、絶縁材１３ａの重量比を大きくし過ぎると、電解質層１３中における絶縁材１３ａの分量が多くなり過ぎて、電解質層１３中において陽イオンが移動し難くなり、高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆが小さくなる。
【００４０】
このため、例えば絶縁材１３ａをシリカによって構成する場合について、電解質層１３中におけるシリカの重量比と高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆとの関係を調べたところ、図５に示す結果となった。この結果より、シリカの重量比を少なくとも０．０３〜０．２にすると、発生力Ｆが５以上にすることができ、所望の発生力Ｆを得ることが可能になる。
【００４１】
なお、ここでいう発生力Ｆとは、第１電極層１１、第２電極層１２の厚みをｈ１、電解質層１３の厚みをｈ２、これらの幅をＷ、長さをＬとして、次式で表される。αは、イオン液体１４ｂの移動し易さを表す係数であり、Ｅは、第１電極層１１や第２電極層１２のヤング率である。この式から分かるように、発生力Ｆは、ヤング率Ｅや各厚みｈ１、ｈ２、幅Ｗが大きくなるほど、長さＬが小さくなるほど大きくなる。
【００４２】
【数１】
2017034978.tif 000005
【００４３】
また、本実施形態では、第１電極層１１および第２電極層１２中における金属微粒子１１ａ、１２ａの含有量を０．５重量比より大きく、かつ、０．８重量比以下としている。金属微粒子１１ａ、１２ａの含有量をある程度多くしないと、第１電極層１１および第２電極層１２の抵抗値を小さくすることができない反面、多くし過ぎるとイオン液体１４ｂを取り込むことができなくなる。
【００４４】
第１電極層１１および第２電極層１２中における金属微粒子１１ａ、１２ａの重量比と高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆとの関係を調べたところ、図６に示す結果となった。この結果より、金属微粒子１１ａ、１２ａの重量比を０．５より大きく、かつ、０．８以下にすると、発生力Ｆが５以上にすることができ、所望の発生力Ｆを得ることが可能になる。
【００４５】
さらに、本実施形態では、イオン液体１４ｂの粘度を０．００１〜０．１Ｐａ・ｓｅｃとしている。イオン液体１４ｂの粘度が大きすぎると高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆが小さくなり、粘度が小さ過ぎると電解質層１３の形状を保持することが難しくなる。
【００４６】
イオン液体１４ｂの粘度と高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆとの関係を調べたところ、図７に示す結果となった。この結果より、イオン液体１４ｂの粘度を０．１Ｐａ・ｓｅｃ以下にすると、発生力Ｆを大きくすることができ、所望の発生力Ｆを得ることが可能になる。一方、実験によれば、少なくとも粘度が０．００１Ｐａ・ｓｅｃまでは電解質層１３の形状を維持できることが確認できた。したがって、イオン液体１４ｂの粘度を０．００１〜０．１Ｐａ・ｓｅｃとすることで、所望の発生力Ｆを得つつ、電解質層１３の形状を維持することが可能となる。
【００４７】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態では、陽イオンがマイナス側の電極層に移動し、陰イオンがプラス側の電極層に移動する電気泳動を利用したが、本実施形態では、陽イオンと陰イオンが共にマイナス側の電極層に移動する電気浸透流を利用して高分子アクチュエータ１０を変形させる。
【００４８】
本実施形態の高分子アクチュエータ１０は、電気浸透流が発生するための条件を満たす構成とされている。具体的には、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率が４０％以上７０％以下とされている。このような電解質層１３は、混合体１４中のイオン液体１４ｂの量を調整して、混合体１４を第１電極層１１の上にキャストすることによって製造することができる。なお、本実施形態では、ポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間にイオン液体１４ｂの移動経路を形成するために、第１電極層１１の上にキャストされた液体を攪拌する。このとき、超音波分散機を用いた攪拌や、長時間の攪拌を行わず、例えば回転式の攪拌機を用いた５分程度の攪拌にとどめ、絶縁材１３ａとイオン液体１４ｂとが、例えば顕微鏡観察で識別できる程度に分けられた状態を保つ。
【００４９】
また、本実施形態では、ポリマー１４ａの表面が負に帯電している。例えば、ナフィオンはＳＯ３−を含むので、ポリマー１４ａをナフィオンで構成することにより、ポリマー１４ａの表面を負に帯電させることができる。また、ポリマー１４ａをＰＶＤＦ、ＰＭＭＡで構成した場合にも、ナフィオンのＳＯ３−に相当する構成をポリマー１４ａに加えることにより、ポリマー１４ａの表面を負に帯電させることができる。
【００５０】
なお、例えばホットプレスを用いて２つの電極層と電解質層１３とを圧着すると、熱によりポリマー１４ａが劣化し、負の帯電量が小さくなる。これに対し、第１実施形態と同様に、混合体１４等のキャストと、６０℃程度での溶媒の揮発とを繰り返し、第１電極層１１、電解質層１３、第２電極層１２を順に積層することで、ホットプレスを用いる場合よりも低温で高分子アクチュエータ１０を製造することができる。これにより、熱によるポリマー１４ａの劣化を抑制し、ポリマー１４ａの表面が負に帯電した状態を保つことができる。
【００５１】
また、本実施形態の絶縁材１３ａは、等電点が７以下の絶縁物とされており、シリカで構成されている。シリカの等電点は４程度であり、イオン液体１４ｂはｐＨが７程度であるため、絶縁材１３ａは、電解質層１３において負に帯電している。また、絶縁材１３ａは、直径が１μｍ以上かつ電解質層１３の厚み以下とされている。
【００５２】
本実施形態の絶縁材１３ａは、第１電極層１１と第２電極層１２との間の絶縁を保つ役割を果たすとともに、イオン液体１４ｂが移動する経路壁面の負の帯電量を増加させて、電気浸透流を促進する役割を果たす。なお、絶縁材１３ａを、等電点がイオン液体１４ｂのｐＨ以下の他の絶縁物で構成してもよい。
【００５３】
電気浸透流を発生させるための条件について説明する。電気浸透流を発生させるためには、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率が十分高い必要がある。イオン液体１４ｂの体積占有率と、高分子アクチュエータ１０の変位量および発生力との関係について調べたところ、図８に示す結果となった。
【００５４】
図８のグラフからわかるように、イオン液体１４ｂの体積占有率が約４０％のとき、イオン液体１４ｂの体積占有率の増加に伴い、高分子アクチュエータ１０の変位量および発生力が大きく増加する。後述するように、電気浸透流では電気泳動に比べて変位量が大きくなることから、イオン液体１４ｂの体積占有率が４０％以上のときに電気浸透流が発生していると考えられる。したがって、イオン液体１４ｂの体積占有率を４０％以上とすることが好ましい。
【００５５】
なお、電解質層１３の形状は、ポリマー１４ａの分子が絡み合って膜状に保たれているが、イオン液体１４ｂの体積占有率が９０％よりも大きくなると、ポリマー１４ａの分子が絡み合わず、電解質層１３の形状を膜状に保つことができない。したがって、ポリマー１４ａの分子が絡み合って電解質層１３の膜の形状を維持するためには、イオン液体１４ｂの体積占有率を９０％以下とすることが好ましい。
【００５６】
また、電気浸透流は直径１μｍ以下の経路で発生する。したがって、イオン液体１４ｂの体積占有率は、ポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間に形成された経路の直径の最大値が約１μｍとなるときの体積占有率以下であることが好ましい。
【００５７】
イオン液体１４ｂの体積占有率が４０％のときに電解質層１３に含まれる経路を調べたところ、経路の直径は最大で約５００ｎｍであった。
【００５８】
イオン液体１４ｂの体積占有率が４０％であり、電解質層１３に含まれる経路の直径が最大で約５００ｎｍであるときのポリマー１４ａ、イオン液体１４ｂの体積をそれぞれＶ１、Ｖ２とする。また、経路の形状を円柱状とし、イオン液体１４ｂの体積占有率の変化により、経路の長さは変化せず直径が変化するものとすると、ポリマー１４ａの体積がＶ１、経路の直径の最大値が約１μｍとなるときのイオン液体１４ｂの体積は、４Ｖ２となる。
【００５９】
ポリマー１４ａの体積がＶ１、イオン液体１４ｂの体積が４Ｖ２のとき、イオン液体１４ｂの体積占有率は、｛４Ｖ２／（Ｖ１＋４Ｖ２）｝×１００［％］となる。Ｖ１：Ｖ２＝６０：４０より、経路の直径の最大値が約１μｍとなるときのイオン液体１４ｂの体積占有率は、約７３％となる。よって、イオン液体１４ｂの体積占有率を７０％以下とすることで、経路の直径を１μｍ以下にすることができると考えられる。
【００６０】
以上より、電気浸透流を発生させ、高分子アクチュエータ１０の特性を良好にするためには、イオン液体１４ｂの体積占有率を４０％以上９０％以下とすることが好ましく、４０％以上７０％以下とすることがさらに好ましい。
【００６１】
また、電気浸透流を発生させるためには、ポリマー１４ａの表面が負に帯電していることが必要である。ポリマー１４ａの表面を負に帯電させることにより、イオン液体１４ｂの陽イオンが経路の側壁に偏在するようになり、陽イオン同士の剥離が発生して、陽イオンと陰イオンが共にマイナス側の電極層に移動する。
【００６２】
本実施形態の高分子アクチュエータ１０は、これらの条件を満たす構成とされているので、第１電極層１１と第２電極層１２との間に電圧が印加されると、電気浸透流が発生する。電気浸透流では、陽イオンおよび陰イオンが共にマイナス側の電極層に向かって移動し、マイナス側の電極層は、マイナス側の電極層に入り込んだイオン液体１４ｂの量に応じて膨張するので、電気泳動の場合に比べて高分子アクチュエータ１０の変形量が大きくなる。
【００６３】
また、電気泳動では、陽イオンがマイナス側の電極層に移動し、陰イオンがプラス側の電極層に移動するので、イオン移動による電流が発生する。したがって、図９に示すように、電気泳動による変位量が大きくなるにつれて電流値も大きくなるので、変位量を大きくするためには高分子アクチュエータ１０の消費電力を大きくする必要がある。
【００６４】
これに対し電気浸透流では、イオンの流れは電界によって生じるので、電流はほとんど発生しない。電気浸透流と共に電気泳動や経路側面の電荷の移動が発生する場合には、電流が発生し、変位量が低下している。その結果、図１０に示すように、変位量が大きくなるにつれて電流値が小さくなる。したがって、高分子アクチュエータ１０の製造プロセスを調整することにより、変位量を大きくするとともに消費電力を少なくすることが可能となり、高分子アクチュエータ１０のアプリケーション適用上の利点が増す。
【００６５】
なお、図９、図１０は、製造プロセスの詳細な条件を様々に変化させて複数の高分子アクチュエータ１０を製造し、製造した各高分子アクチュエータ１０について、図１１、図１２に示す装置を用いて調べた電流値と変位量との関係を示すグラフである。
【００６６】
図１１、図１２に示す装置では、高分子アクチュエータ１０の長手方向の両端部のうち、一方の端部が厚み方向の両側から２つの押さえ板２０で挟まれ、固定されている。そして、この押さえ板２０を介して第１電極層１１と第２電極層１２との間に直流電圧が印加されるようになっている。また、高分子アクチュエータ１０のうち、押さえ板２０で挟まれていない部分は、厚み方向に変位可能とされている。高分子アクチュエータ１０のうち押さえ板２０とは反対側にある先端部の厚み方向の変位量をδとする。
【００６７】
高分子アクチュエータ１０のうち、押さえ板２０に挟まれた部分の長さは５ｍｍとされており、長さＬは１０ｍｍとされている。なお、本実施形態では、高分子アクチュエータ１０のうち厚み方向に変位可能とされた部分の長さをＬとする。また、高分子アクチュエータ１０の幅Ｗは２ｍｍとされている。
【００６８】
図９、図１０のグラフの横軸は、第１電極層１１と第２電極層１２との間に３Ｖの直流電圧を印加したときの電圧印加直後に２つの電極層の間に流れた電流の大きさであり、縦軸は、高分子アクチュエータ１０の先端部の変位量δである。
【００６９】
また、高分子アクチュエータ１０を電気泳動で動作させる場合、電解質層１３の厚みを薄くすると、高分子アクチュエータ１０の剛性が低くなるため、変位量は大きくなるが、発生力は小さくなる。
【００７０】
高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させる場合、電解質層１３の厚みを薄くすると、電気泳動の場合と同様に高分子アクチュエータ１０の剛性が低くなり、発生力が小さくなるとともに変位量が大きくなる効果が働く。一方、電解質層１３の厚みを薄くすると、第１電極層１１と第２電極層１２との間の電界強度が大きくなるため、電気浸透流が大きくなり、各電極層の膨張圧も大きくなる。これにより、変位量と発生力が共に大きくなる効果が働く。
【００７１】
高分子アクチュエータ１０の剛性の低下による発生力の減少量と、電気浸透流の増加による発生力の増加量は、ほぼ同等である。そのため、高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させる場合、図１３に示すように、電解質層１３の厚みを薄くすると、変位量は大きくなり、発生力はほとんど変化しない。なお、図１３は、第１電極層１１、第２電極層１２の厚みｈ１を２００μｍとして、電解質層１３の厚みｈ２を変化させたときの変位量特性および発生力特性を示すグラフである。
【００７２】
このように、高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させる場合には、電解質層１３の厚みを調整することにより、変位量および発生力のうち変位量だけを変更することができるので、所望の変位量および発生力の特性を得ることが容易である。したがって、高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させる場合には、アプリケーションへ適用する際の設計範囲が広がり、高分子アクチュエータ１０が使いやすくなる。
【００７３】
また、電気泳動による屈曲では、第１電極層１１と第２電極層１２との間の電界により、陽イオン、陰イオンがそれぞれマイナス側、プラス側の電極層に集まるので、動作によるヤング率Ｅの変動が大きくなる。
【００７４】
これに対し、高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させ、制御する場合には、電解質層１３に添加された絶縁材１３ａ、ポリマー１４ａ等の材料を電気的に刺激してイオン液体１４ｂを動かしている。そのため、電気泳動の場合と比べて、イオンの動きが力学的特性に従いやすくなり、図１４に示すように、変位量δと発生力Ｆとの関係が、数式１、および、下記の数式２に示す力学的な理論式に近いものとなる。すなわち、ヤング率Ｅの増加に伴い、変位量δが減少し、発生力Ｆが増加する。したがって、電気浸透流を利用する場合、高分子アクチュエータ１０の設計が容易になる。
【００７５】
【数２】
2017034978.tif 000006
【００７６】
なお、数式２は、δ＜Ｌのときの理論式である。βは、イオン液体１４ｂの移動し易さを表す係数である。また、図１４は、ｈ１＝ｈ２＝２００μｍ、Ｌ＝１０ｍｍ、Ｗ＝２ｍｍとし、第１電極層１１と第２電極層１２との間に２Ｖの直流電圧を印加したときの測定結果を示すグラフである。
【００７７】
このように、本実施形態では、電気浸透流を発生させることにより高分子アクチュエータ１０の特性を向上させることができる。また、高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させる本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率を大きくすることにより、電気浸透流によって流れるイオン液体１４ｂの量が大きくなり、高分子アクチュエータ１０の変形量を大きくすることができる。
【００７８】
また、電解質層１３において絶縁材１３ａを負に帯電させることにより、イオン液体１４ｂの移動する経路壁面の負の帯電量を増加させ、電気浸透流を促進して、高分子アクチュエータ１０の特性をさらに向上させることができる。
【００７９】
また、絶縁材１３ａによる電気浸透流の促進の効果は、絶縁材１３ａがポリマー１４ａに付着しているときに高くなる。そして、絶縁材１３ａの直径があまりに小さいと、絶縁材１３ａがポリマー１４ａに付着せず、ポリマー１４ａの間に形成された経路の内部にのみ存在して、電気浸透流の促進の効果が低くなる可能性がある。
【００８０】
前述したように、本実施形態では、電気浸透流を発生させるために、イオン液体１４ｂの量を調整して経路の直径を１μｍ以下としている。そのため、絶縁材１３ａの直径が１μｍ未満の場合、絶縁材１３ａがポリマー１４ａに付着せず、経路の内部にのみ存在する可能性がある。
【００８１】
これについて、本実施形態では、絶縁材１３ａの直径が１μｍ以上とされているため、絶縁材１３ａをポリマー１４ａに付着させ、絶縁材１３ａによる電気浸透流の促進の効果を高くして、高分子アクチュエータ１０の特性をさらに向上させることができる。なお、絶縁材１３ａが電解質層１３に含まれていることから、絶縁材１３ａの直径は電解質層１３の膜厚以下となる。
【００８２】
また、本実施形態では、電解質層１３を形成する工程において、混合体１４中に絶縁材１３ａを混合した液体の攪拌を、絶縁材１３ａとイオン液体１４ｂとが顕微鏡観察で識別できる程度に分けられた状態が保たれる程度にとどめている。これにより、イオン液体１４ｂに含まれる陰イオンが絶縁材１３ａにトラップされ、電気浸透流が促進されるため、高分子アクチュエータ１０の特性をさらに向上させることができる。
【００８３】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００８４】
例えば、高分子アクチュエータ１０の形状については短冊状であることは必須ではなく、他の形状、例えば正方形などの四角形状としても良い。また、平面状の部材に対して複数の高分子アクチュエータ１０を貼り合せることで、１つの部材を構成していても良い。例えば、平面状のミラーに対して複数の高分子アクチュエータ１０を貼り合せれば、ミラーの曲率を可変できる可変曲率ミラーとすることもできる。
【符号の説明】
【００８５】
１０            高分子アクチュエータ
１１、１２      第１、第２電極層
１１ａ、１２ａ  金属微粒子
１１ｂ、１２ｂ  樹脂層
１３            電解質層
１３ａ          絶縁材
１４            混合体
１４ａ          ポリマー
１４ｂ          イオン液体
【図１】
2017034978.tif 000007
【図２】
2017034978.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017034978.tif 000012
【図７】
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【図８】
2017034978.tif 000014
【図９】
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【図１０】
2017034978.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
2017034978.tif 000018
【図１３】
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【図１４】
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