JP2001258275A - Polymer actuator - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の属する技術分野】この発明は、高分子材料を用
いたアクチュエータに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator using a polymer material.
【従来の技術】従来より、ある種の高分子材料は電圧を
印加したり電流を流すと変形するので高分子アクチュエ
ータとして利用できることが報告されている。例えば、
高分子電解質ゲルや導電性高分子、イオン交換膜を挙げ
る事ができる（参考文献：アクチュエータ研究会編、ミ
クロをめざすニューアクチュエータ（工業調査会））。
しかし、これらの材料は基本的には水溶液中でしか駆動
する事ができず、空気中で使用できないという問題があ
る。また、これらの材料はいずれも電気伝導性が高く、
駆動中に大きな電流が流れるためジュール熱によるエネ
ルギー損失が大きいという問題もある。その他の高分子
アクチュエータの例として、ポリフッ化ビニリデンなど
の圧電性高分子を挙げる事ができる。この種の材料は空
気中で使用でき、また絶縁性が高いので前述のようなジ
ュール熱によるエネルギー損失はない。しかし、屈曲変
形するタイプのアクチュエータ、すなわちバイモルフ型
またはユニモルフ型アクチュエータとして利用する際に
は、圧電性高分子膜にもう１〜２枚の高分子膜を貼り合
わせる必要があり、使用中にその貼り合わせ部分がずれ
たり剥がれたりするなど、耐久性に問題がある。上述の
ように従来は 空気中で駆動できないという問題、
ジュール熱によるエネルギー損失が大きいという問
題、 貼り合わせ部分があるために耐久性が悪いとい
う問題のうち、少なくとも１つ以上の問題を有してい
る。2. Description of the Related Art Hitherto, it has been reported that certain polymer materials can be used as a polymer actuator because they are deformed when a voltage is applied or a current is applied. For example,
Examples include a polymer electrolyte gel, a conductive polymer, and an ion-exchange membrane (reference: edited by Actuator Study Group, New Actuator Aiming for Micro (Industrial Research Group)).
However, these materials can be driven only in an aqueous solution and cannot be used in air. In addition, all of these materials have high electrical conductivity,
Since a large current flows during driving, there is also a problem that energy loss due to Joule heat is large. Examples of other polymer actuators include piezoelectric polymers such as polyvinylidene fluoride. This type of material can be used in air and has high insulation properties, so that there is no energy loss due to Joule heat as described above. However, when used as an actuator of a type that bends and deforms, that is, a bimorph-type or unimorph-type actuator, it is necessary to attach another one or two polymer films to the piezoelectric polymer film. There is a problem in durability, for example, the mating part is shifted or peeled off. As mentioned above, the conventional problem that it cannot be driven in air,
It has at least one of the following problems: large energy loss due to Joule heat; and poor durability due to the bonded portion.
【発明が解決しようとする課題】そこでこの発明は、上
記３つの問題点を解決できるような新しい駆動原理に基
づく高分子アクチュエータを提供しようとするものであ
る。Accordingly, an object of the present invention is to provide a polymer actuator based on a new driving principle capable of solving the above three problems.
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
この発明では次のような技術的手段を講じている。この
発明の高分子アクチュエータは、イオン性物質を含有す
る非導電性高分子に電圧を印加すると変形が生じること
を駆動原理とすることを特徴とする。この高分子アクチ
ュエータは例えば、非導電性高分子を電解質溶液に浸漬
して膨潤させてイオン性物質を含有せしめた後に乾燥さ
せることにより製造することができる。本発明者らはイ
オン性物質を含有する非導電性高分子材料に電圧を印加
すると、電極から高分子材料へ電荷（ホール又は電子）
が注入されるという現象を発見した。この現象は、電圧
を印加した状態の高分子材料を紫外可視吸収スペクトル
で調べる事により確認された。そして本発明者らは、こ
のような注入された電荷同士の静電反発を利用して高分
子材料を伸長させるという新しい新規な駆動原理、すな
わち電荷注入を駆動原理とする高分子アクチュエータを
着想するに至った。この発明では非導電性高分子を用い
ているため注入された電荷の拡散は遅く、その結果、材
料中に不均一または非対称に電荷が分布すると考えられ
る。そのため、正極側と負極側とで発生する歪の大きさ
が異なり、その高分子材料は単なる伸長だけではなく屈
曲変形を示す。このような屈曲変形の特徴は、バイモル
フ型アクチュエータでは２枚の高分子膜を貼り合わせて
初めて屈曲変形するのに対し、１枚の高分子膜で屈曲す
るという点である。したがって、貼り合わせ部分の耐久
性が悪いという従来の問題点の１つを本質的に解決して
いる。ところで、導電性高分子を用いたアクチュエータ
の駆動原理の一つに、導電性高分子の電気化学的酸化に
よって生成した正電荷の静電反発によるものがある（金
藤敬一ほか、応用物理、６５巻、ｐ．８０３、１９９６
年）。このような電気化学的酸化も、見方を変えれば
「正電荷の注入」と言えなくもないが、この発明の駆動
原理は「非導電性高分子」への電荷注入であり「導電性
高分子」の場合とは全く異なるものである。この発明で
は非導電性高分子を用いるので、電圧印加時に流れる電
流は導電性高分子の場合に比べてずっと小さく、ジュー
ル熱によるエネルギー損失が少ないという利点がある。
この発明で用いられる高分子材料は、非導電性であれば
よい。その例としてはポリオキシメチレン、ポリイソブ
レン、ポリオキシエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ
アクリル酸メチル、ポリビニルピロリドン、ポリ（Ｎ−
イソプロピルアクリルアミド）、ポリ酢酸ビニル、ナイ
ロン６、ナイロン６６、ポリメタクリル酸メチル、ポリ
ウレタン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニ
ル、ポリウレア、ポリビニルピリジン、ポリビニルアル
コール、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、セルロ
ーストリアセテート、ポリメタクリル酸エチル、ポリカ
ーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンイミ
ン、などを挙げることができる。非導電性高分子とし
て、極性基を有する高分子を用いることができる。すな
わち、前記の高分子材料の中でも特に極性基を有する高
分子は、注入電荷を安定化する効果があるので好まし
い。極性基を有する高分子として、窒素原子を有する高
分子を用いることができる。すなわち、極性基を有する
高分子の一つの例として窒素原子を有する高分子を挙げ
ることができるが、この場合には電気化学的に酸化され
るという形での電荷注入が起こると考えられる。電荷注
入の具体的な例としては例えば窒素原子の場合は窒素原
子の一電子酸化によるラジカルカチオンの生成、カルボ
ニル基の場合は一電子還元によるラジカルアニオン（ケ
チル）の生成などの形が考えられる。さらにπ電子を持
つものは、おそらく高電圧下では電気化学的酸化または
還元を受け得るので、電荷注入が起こると考えられる。
したがってポリスチレンのような非極性高分子もこの発
明の適用範囲内にある。また、通常は導電性高分子とい
われているものでも、その状態によっては非導電性高分
子とみなせる場合もあり、その場合にはこの発明に用い
る事ができる。例えば、ポリアニリンは通常、導電性高
分子であると言われることが多いが、正確には、ポリア
ニリンが導電性を有するのはそれがエメラルディン塩の
形をとっているときであり、ルコエメラルディン塩の形
をとっている場合には電導度は小さく、非導電性高分子
とみなせるのでこの発明に用いることができる。さら
に、高分子鎖上にイオン性置換基を多く有するものは通
常、比較的導電性が高いが、イオン性置換基が少ない場
合には非導電性高分子とみなせるので、その場合にはこ
の発明に用いる事ができる。その例としては、イオノマ
ーなどを挙げることができる。この発明に用いられる高
分子材料は、上記のような非導電性高分子材料を単独で
用いてもよいし、複数の種類を混合して用いてもよい。
さらに、この発明で用いられる高分子材料は、非導電性
の固体状であればよく、プラスチック状のものやゴム状
のもの、ゲル状のものでもよく、また結晶性、非晶性、
液晶性の部分を含んでいてもよい。また、この発明に用
いられる高分子材料には、各種添加剤を加えて用いるこ
とができる。そのような添加剤の例としては、可塑剤、
難燃剤、酸化防止剤などが挙げられるが、導電性があま
り大きくならない程度の量であれば、各種の無機塩類、
有機塩類なども加える事ができる。この発明で用いられ
るアクチュエータは電極を必要とするが、高分子材料の
変形をなるべく妨げないようなものが好ましい。そのよ
うな例としては、蒸着やスパッタリングによって形成さ
せた金やアルミニウムなどの金属薄膜、銀や炭素などを
用いた導電性塗料、ポリピロールなどの導電性高分子膜
などを挙げることができる。この発明で用いられるアク
チュエータの形状は、その用途に合わせて種々のものを
用いる事ができる。その例としては、膜状、ロッド状、
パイプ状、コイル状、円盤状、紐または糸状、あるいは
織物状などの形状を挙げる事ができる。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention employs the following technical means. The polymer actuator of the present invention is characterized in that the driving principle is that deformation is caused when a voltage is applied to a non-conductive polymer containing an ionic substance. This polymer actuator can be manufactured, for example, by immersing a non-conductive polymer in an electrolyte solution to swell to contain an ionic substance, and then drying. The present inventors apply a voltage to a non-conductive polymer material containing an ionic substance, and charge (hole or electron) from the electrode to the polymer material.
Was found to be injected. This phenomenon was confirmed by examining the polymer material to which a voltage was applied with an ultraviolet-visible absorption spectrum. The present inventors have conceived a new driving principle of extending a polymer material by utilizing such electrostatic repulsion between injected charges, that is, a polymer actuator using a charge injection as a driving principle. Reached. In the present invention, since the non-conductive polymer is used, diffusion of the injected charge is slow, and as a result, it is considered that the charge is unevenly or asymmetrically distributed in the material. Therefore, the magnitude of the strain generated between the positive electrode side and the negative electrode side is different, and the polymer material shows not only elongation but also bending deformation. The characteristic of such bending deformation is that a bimorph actuator bends and deforms only when two polymer films are bonded to each other, whereas it is bent by one polymer film. Therefore, one of the conventional problems that the durability of the bonded portion is poor is essentially solved. Incidentally, one of the driving principles of an actuator using a conductive polymer is based on electrostatic repulsion of a positive charge generated by electrochemical oxidation of the conductive polymer (Keiichi Kanto et al., Applied Physics, Vol. 65 , P.803, 1996.
Year). From the viewpoint of such electrochemical oxidation, from a different point of view, it cannot be said that it is “injection of positive charge”. However, the driving principle of the present invention is to inject electric charge into “non-conductive polymer” and “conductive polymer”. Is completely different from the case. Since a non-conductive polymer is used in the present invention, the current flowing when a voltage is applied is much smaller than that of a conductive polymer, and there is an advantage that energy loss due to Joule heat is small.
The polymer material used in the present invention may be non-conductive. Examples include polyoxymethylene, polyisobrene, polyoxyethylene, polyvinylidene chloride, polymethyl acrylate, polyvinylpyrrolidone, poly (N-
Isopropylacrylamide), polyvinyl acetate, nylon 6, nylon 66, polymethyl methacrylate, polyurethane, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polyurea, polyvinyl pyridine, polyvinyl alcohol, polystyrene, polyacrylonitrile, cellulose triacetate, polyethyl methacrylate, polycarbonate , Polyethersulfone, polyethyleneimine, and the like. As the non-conductive polymer, a polymer having a polar group can be used. That is, among the above-mentioned polymer materials, a polymer having a polar group is particularly preferable because it has an effect of stabilizing the injected charge. As the polymer having a polar group, a polymer having a nitrogen atom can be used. That is, a polymer having a nitrogen atom can be given as an example of a polymer having a polar group. In this case, it is considered that charge injection occurs in a form of electrochemical oxidation. As a specific example of charge injection, for example, in the case of a nitrogen atom, a radical cation is generated by one-electron oxidation of a nitrogen atom, and in the case of a carbonyl group, a radical anion (ketyl) is generated by one-electron reduction. Those with additional π electrons are likely to undergo electrochemical oxidation or reduction under high voltage, so charge injection would occur.
Therefore, non-polar polymers such as polystyrene are also within the scope of the present invention. Further, what is usually referred to as a conductive polymer may be regarded as a non-conductive polymer depending on the state, and in such a case, it can be used in the present invention. For example, polyaniline is often said to be a conductive polymer, but more precisely, polyaniline has conductivity when it is in the form of an emeraldine salt, When it is in the form of a salt, the conductivity is small, and it can be regarded as a non-conductive polymer, so that it can be used in the present invention. Further, those having many ionic substituents on the polymer chain usually have relatively high conductivity, but when the number of ionic substituents is small, they can be regarded as non-conductive polymers. Can be used for Examples thereof include ionomers. As the polymer material used in the present invention, the above-described non-conductive polymer material may be used alone, or a plurality of types may be mixed and used.
Further, the polymer material used in the present invention may be any non-conductive solid, such as plastic, rubber, or gel, and may be crystalline, amorphous,
A liquid crystal part may be included. Further, various additives can be added to the polymer material used in the present invention. Examples of such additives include plasticizers,
Flame retardants, antioxidants and the like, but as long as the conductivity is not so large, various inorganic salts,
Organic salts can also be added. Although the actuator used in the present invention requires an electrode, it is preferable that the actuator does not hinder the deformation of the polymer material as much as possible. Examples of such a material include a metal thin film such as gold or aluminum formed by vapor deposition or sputtering, a conductive paint using silver or carbon, or a conductive polymer film such as polypyrrole. Various shapes can be used for the shape of the actuator used in the present invention according to the application. Examples are membrane, rod,
Examples of the shape include a pipe shape, a coil shape, a disk shape, a string or a thread shape, and a woven shape.
【発明の実施の形態】イオン性物質を含有する非導電性
高分子への電荷注入を駆動原理とする高分子アクチュエ
ータの具体例として、ポリウレタン膜等を用いたものに
ついて説明する。このイオン性物質を含有するポリウレ
タン膜には、電極として金を蒸着した。金の薄膜は紫外
可視領域の光をある程度透過するので、金電極を有する
ポリウレタンの紫外吸収スペクトルを透過法で測定でき
る。このポリウレタン膜に電圧を印加すると、電極から
高分子材料へ電荷（ホール又は電子）が可逆的に、か
つ、高速で注入される。その結果、電圧の印加／除去に
従って増加／減少する吸収が観察された。この吸収は、
アセトニトリル中での低分子量ウレタン化合物の酸化の
際にみられる吸収とほぼ一致するので、ポリウレタンに
正電荷が注入されたことを意味する。次に、上記の金電
極を有するポリウレタン膜を短冊状に切り電圧を印加し
たところ、電圧の印加／除去に伴う屈曲変形が観察され
た。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A specific example of a polymer actuator whose driving principle is charge injection into a non-conductive polymer containing an ionic substance will be described using a polyurethane film or the like. Gold was deposited as an electrode on the polyurethane film containing the ionic substance. Since a gold thin film transmits light in the ultraviolet and visible regions to some extent, the ultraviolet absorption spectrum of polyurethane having a gold electrode can be measured by a transmission method. When a voltage is applied to the polyurethane film, charges (holes or electrons) are reversibly and rapidly injected from the electrode into the polymer material. As a result, absorption that increased / decreased as voltage was applied / removed was observed. This absorption is
The absorption almost coincides with the absorption observed during oxidation of the low-molecular-weight urethane compound in acetonitrile, which means that a positive charge was injected into the polyurethane. Next, when the polyurethane film having the gold electrode was cut into a strip shape and a voltage was applied, bending deformation accompanying application / removal of the voltage was observed.
【実施例】以下、実施例によりこの発明をさらに具体的
に説明する。 （実施例１）ポリウレタンの原料としてポリエステルジ
オール（株式会社クラレ製、クラポールＰ−３０１０）
／４，４’−メチレンビス（フェニルイソシアナート）
（日本ポリウレタン工業株式会社製）／１，４−ブタン
ジオール（関東化学株式会社製）／トリメチロールプロ
パン（関東化学株式会社製）をモル比１／２／０．４／
０．３３３で用い、プレポリマー法によりポリウレタン
膜を作製した。この膜の厚さは０．２ｍｍである。次
に、このポリウレタン膜を０．１重量モル濃度で酢酸ナ
トリウムを含むメタノール／アセトン＝４０／６０混合
溶媒に１５時間浸したのち、乾燥させた。このような処
理を行った膜の両面にイオンスパッタリングによって金
の薄膜を形成させ、紫外可視吸収スペクトル測定用の試
料とした。紫外可視吸収スペクトルの測定は、株式会社
日立製作所製Ｕ−３２１０分光光度計を用いた。まず、
初めに試料に電圧を印加する前のスペクトルを測定し、
次に４００Ｖの電圧を印加しながら測定した。図１に
は、電圧印加中に得られたスペクトルから電圧印加前の
スペクトルを差し引いたものを示した。このような吸収
は、電圧の印加／除去に伴って出現／消滅を繰り返し
た。その様子は、図２に示したように波長５００ｎｍで
の吸光度の経時変化を測定することにより確認できた。
前記と同じ組成のポリウレタン膜を、同様に０．１重量
モル濃度で酢酸ナトリウムを含むメタノール／アセトン
＝４０／６０混合溶媒に１５時間浸漬したのち、乾燥さ
せた。このような処理を行った膜の両面にイオンスパッ
タリングによって金の薄膜を形成させたのち、幅０．５
ｃｍ、長さ３．０ｃｍの短冊状に切断し試料とした。こ
の試料の上端を固定し、電圧印加によって引き起こされ
る屈曲変形によって、試料下端が移動する距離（変位
量）をレーザー式変位センサー（株式会社キーエンス
製）で測定した。試料に４００Ｖの電圧を印加すると、
図３に示したように電圧の印加／除去に伴って変化する
変位が観測された。このように本発明アクチュエータ
は、従来の高分子電解質ゲルやイオン交換膜を用いたア
クチュエータ（アクチュエータ研究会編、ミクロをめざ
すニューアクチュエータ（工業調査会））と異なり、空
気中で屈曲変形する点が実用上の利点である。また本発
明のアクチュエータは、このように一層の高分子膜であ
りながらバイモルフのように屈曲変形できるので、従来
の圧電高分子を用いたバイモルフ型アクチュエータで問
題となっているような複数の高分子膜の貼り合わせ部分
での耐久性の問題が本質的に回避できている。 （実施例２）ポリウレタンウレアの原料としてポリエス
テルジオール（株式会社クラレ製、クラポールＰ−３０
１０）／４，４’−メチレンビス（フェニルイソシアナ
ート）（日本ポリウレタン工業株式会社製）／３，３’
−ジクロロ−４，４’−ジアミノジフェニルメタン／ト
リメチロールプロパン（関東化学株式会社製）をモル比
１／２／０．４／０．３３３で用い、プレポリマー法に
よりポリウレタンウレア膜を作製した。この膜の厚さは
０．２ｍｍである。次に、このポリウレタンウレア膜を
０．１重量モル濃度で酢酸ナトリウムを含むメタノール
／アセトン＝４０／６０混合溶媒に１５時間浸漬したの
ち、乾燥させた。このような処理を行った膜の両面にイ
オンスパッタリングによって金の薄膜を形成させたの
ち、幅０．５ｃｍ、長さ３．０ｃｍの短冊状に切断し試
料とした。この試料の上端を固定し、電圧印加によって
引き起こされる屈曲変形によって、試料下端が移動する
距離（変位量）をレーザー式変位センサー（株式会社キ
ーエンス製）で測定した。試料に４００Ｖの電圧を印加
すると、図４に示すように電圧の印加／除去に伴って変
化する変位が観測された。 （実施例３）ジイソシアナートとして４，４’−メチレ
ンビス（フェニルイソシアナート）を用いる代わりにパ
ラフェニレンジイソシアナート（デュポン社製）を用い
る以外は実施例１と同様な方法でポリウレタン膜を合成
した。この膜を、塩を含む溶液に浸漬せずにそのままの
形で実施例１と同様に両面に金薄膜を形成させた。この
試料を用いて実施例２と同様な方法で電場による膜の屈
曲変形を測定した。その結果を図５に示す。図示される
ように、塩を含む溶液に浸漬するという処理を施さない
ものでも、電場印加によって屈曲変形する。一方、上記
の合成した膜をアセトン中に浸漬した状態で、ガラス板
上に蒸着した金薄膜を電極として５００ボルトの電圧条
件下で電気透析によるクリーニングを行った。これによ
って膜中に不純物として含まれるイオン性物質を減じる
ことができるが、このような処理を行った膜の場合、電
場印加による屈曲変形は小さくなった。したがって、屈
曲変形を生じさせるには不純物として内包されるイオン
性不純物も重要な役割を果たすことが分かる。 （対照試験）イオンスパッタリングによって金の薄膜を
形成させたガラス板２枚を、間隙が０．２ｍｍになるよ
うに重ね合わせ、その間隙に次の試料（Ａ）（Ｂ）（両
者とも液体）を挟んだ。 （Ａ）ポリエステルジオール（株式会社クラレ製、クラ
ポールＰ−３０１０）に酢酸ナトリウムを濃度が０．１
重量モル濃度になるように加えたもの。（Ｂ）ポリエス
テルジオール（株式会社クラレ製、クラポールＰ−３０
１０）／低分子量ウレタン化合物ＣＨ3 −Ｐｈ−ＮＨＣ
ＯＯＣＨ3 ＝４／１（モル比）の混合物に、酢酸ナトリ
ウムを濃度が０．１重量モル濃度になるように加えたも
の。次にこれらの試料に４００Ｖの電圧を印加しつつ紫
外吸収スペクトルを測定した。図６には試料（Ａ）の場
合について、図７には試料（Ｂ）の場合について、実施
例１と同様に差スペクトル（電圧印加中に得られたスペ
クトルから電圧印加前のスペクトルを差し引いたもの）
を示した。図６と図７を比較すると分かるように、電圧
印加によって生じる紫外可視吸収スペクトルの変化は、
上記の低分子量ウレタン化合物がある場合に見られる。
したがって、ウレタン基のような窒素原子を有する置換
基が電荷の注入されるサイトとして働いていると考えら
れる。したがって、本発明のアクチュエータとして、例
えば窒素原子を有する高分子を用いることができる。The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. (Example 1) Polyester diol (Kuraray Co., Ltd., Kurapole P-3010) as a raw material of polyurethane
/ 4,4'-methylenebis (phenyl isocyanate)
(Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd.) / 1,4-butanediol (Kanto Chemical Co., Ltd.) / Trimethylolpropane (Kanto Chemical Co., Ltd.) molar ratio 1/2 / 0.4 /
Using 0.333, a polyurethane film was produced by a prepolymer method. The thickness of this film is 0.2 mm. Next, the polyurethane film was immersed in a mixed solvent of methanol / acetone = 40/60 containing 0.1% by weight of sodium acetate for 15 hours and dried. A gold thin film was formed on both surfaces of the film subjected to such a treatment by ion sputtering to obtain a sample for measuring an ultraviolet-visible absorption spectrum. The UV-visible absorption spectrum was measured using a U-3210 spectrophotometer manufactured by Hitachi, Ltd. First,
First measure the spectrum before applying voltage to the sample,
Next, measurement was performed while applying a voltage of 400V. FIG. 1 shows a spectrum obtained by subtracting a spectrum before voltage application from a spectrum obtained during voltage application. Such absorption repeatedly appeared and disappeared with the application / removal of the voltage. This was confirmed by measuring the change over time in the absorbance at a wavelength of 500 nm as shown in FIG.
The polyurethane film having the same composition as that described above was similarly immersed in a methanol / acetone = 40/60 mixed solvent containing 0.1% by weight of sodium acetate for 15 hours, and then dried. After forming a gold thin film on both surfaces of the film subjected to such a treatment by ion sputtering, a width of 0.5
The sample was cut into a strip having a length of 3.0 cm and a length of 3.0 cm. The upper end of the sample was fixed, and the distance (displacement) by which the lower end of the sample moved due to bending deformation caused by voltage application was measured by a laser displacement sensor (manufactured by Keyence Corporation). When a voltage of 400 V is applied to the sample,
As shown in FIG. 3, a displacement that changes with the application / removal of the voltage was observed. As described above, the actuator of the present invention is different from the conventional actuator using a polymer electrolyte gel or an ion exchange membrane (edited by the Actuator Study Group, a new actuator aiming at micro (Industrial Research Institute)) in that it bends and deforms in the air. This is a practical advantage. Further, since the actuator of the present invention can be bent and deformed like a bimorph even though it is a one-layer polymer film, a plurality of polymers which are problematic in a conventional bimorph type actuator using a piezoelectric polymer are used. The problem of durability at the part where the films are bonded is essentially avoided. (Example 2) Polyester diol (Kuraray Co., Ltd., Kurapol P-30) as a raw material of polyurethane urea
10) / 4,4'-methylenebis (phenyl isocyanate) (manufactured by Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd.) / 3,3 '
A polyurethane urea film was prepared by a prepolymer method using -dichloro-4,4'-diaminodiphenylmethane / trimethylolpropane (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) at a molar ratio of 1/2 / 0.4 / 0.333. The thickness of this film is 0.2 mm. Next, the polyurethane urea film was immersed in a methanol / acetone = 40/60 mixed solvent containing 0.1% by weight of sodium acetate for 15 hours, and then dried. After forming a gold thin film on both sides of the film subjected to such treatment by ion sputtering, the film was cut into a strip having a width of 0.5 cm and a length of 3.0 cm to obtain a sample. The upper end of the sample was fixed, and the distance (displacement) by which the lower end of the sample moved due to bending deformation caused by voltage application was measured by a laser displacement sensor (manufactured by Keyence Corporation). When a voltage of 400 V was applied to the sample, a displacement that changed with the application / removal of the voltage was observed as shown in FIG. (Example 3) A polyurethane film was synthesized in the same manner as in Example 1 except that paraphenylene diisocyanate (manufactured by DuPont) was used instead of 4,4'-methylenebis (phenyl isocyanate) as the diisocyanate. did. This film was formed on both surfaces in the same manner as in Example 1 without immersing the film in a solution containing a salt. Using this sample, the bending deformation of the film due to the electric field was measured in the same manner as in Example 2. The result is shown in FIG. As shown in the figure, even those not subjected to the treatment of immersion in a solution containing a salt are bent and deformed by applying an electric field. On the other hand, in a state where the synthesized film was immersed in acetone, cleaning was performed by electrodialysis under a voltage condition of 500 volts using a gold thin film deposited on a glass plate as an electrode. This makes it possible to reduce the amount of ionic substances contained as impurities in the film. However, in the case of a film subjected to such a treatment, the bending deformation due to the application of an electric field is reduced. Therefore, it is understood that ionic impurities included as impurities play an important role in causing bending deformation. (Control test) Two glass plates on which a gold thin film was formed by ion sputtering were overlapped so that the gap was 0.2 mm, and the next samples (A) and (B) (both liquids) were placed in the gap. Sandwiched. (A) Polyester diol (Kuraray Co., Ltd., Kurapol P-3010) containing sodium acetate at a concentration of 0.1
What was added so that it might become a molar concentration. (B) Polyester diol (Kuraray Co., Ltd., Kurapol P-30)
10) / Low molecular weight urethane compound CH 3 -Ph-NHC
A mixture obtained by adding sodium acetate to a mixture of OOCH 3 = 4/1 (molar ratio) to a concentration of 0.1 mol. Next, an ultraviolet absorption spectrum was measured while applying a voltage of 400 V to these samples. FIG. 6 shows the difference spectrum for the sample (A), and FIG. 7 shows the difference spectrum (the spectrum before the voltage was applied was subtracted from the spectrum obtained during the voltage application) as in Example 1 for the sample (B). thing)
showed that. As can be seen by comparing FIGS. 6 and 7, the change in the ultraviolet-visible absorption spectrum caused by the application of the voltage is as follows.
It is found when there is a low molecular weight urethane compound described above.
Therefore, it is considered that a substituent having a nitrogen atom such as a urethane group functions as a site into which charges are injected. Therefore, for example, a polymer having a nitrogen atom can be used as the actuator of the present invention.
【発明の効果】この発明は上述のような構成であり、次
の効果を有する。非導電性高分子への電荷注入を駆動原
理とする高分子アクチュエータを提供することができ
る。このアクチュエータは空気中で駆動でき、ジュール
熱によるエネルギー損失が小さく、また、一枚の高分子
膜からなるので貼り合わせ部分に起因する耐久性の問題
を本質的に回避することができる。The present invention is configured as described above and has the following effects. A polymer actuator having a driving principle based on charge injection into a non-conductive polymer can be provided. This actuator can be driven in air, has a small energy loss due to Joule heat, and since it is made of a single polymer film, the problem of durability due to the bonded portion can be essentially avoided.
【図１】電圧印加状態におけるポリウレタン膜の紫外可
視吸収差スペクトルを示すグラフ。FIG. 1 is a graph showing an ultraviolet-visible absorption difference spectrum of a polyurethane film under a voltage applied state.
【図２】５００ｎｍにおける吸光度の経時変化を示すグ
ラフ。FIG. 2 is a graph showing changes with time in absorbance at 500 nm.
【図３】電圧印加によるポリウレタン膜の屈曲変形を示
すグラフ。FIG. 3 is a graph showing bending deformation of a polyurethane film due to voltage application.
【図４】電圧印加によるポリウレタンウレア膜の屈曲変
形を示すグラフ。FIG. 4 is a graph showing bending deformation of a polyurethane urea film due to voltage application.
【図５】電圧印加によるポリウレタン膜の屈曲変形を示
すグラフ。FIG. 5 is a graph showing bending deformation of a polyurethane film due to voltage application.
【図６】試料（Ａ）の電場下紫外可視吸収スペクトルを
示すグラフ。FIG. 6 is a graph showing an ultraviolet-visible absorption spectrum of a sample (A) under an electric field.
【図７】試料（Ｂ）の電場下紫外可視吸収スペクトルを
示すグラフ。FIG. 7 is a graph showing an ultraviolet-visible absorption spectrum of a sample (B) under an electric field.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平子 慶之 奈良県奈良市左京６−５−６ ニッタ株式 会社ならやま研究所内 (72)発明者 鈴木 信 奈良県奈良市左京６−５−６ ニッタ株式 会社ならやま研究所内 (72)発明者 平井 利博 長野県上田市諏訪形940番地の13 (72)発明者 渡辺 真志 長野県上田市常入１丁目15番64号 (72)発明者 鈴木 道斎 長野県上田市常田３丁目15番１号 信州大 学繊維学部内 Ｆターム(参考） 4F073 AA04 BA03 BA10 BA13 BA14 BA17 BA18 BA19 BA21 BA24 BA26 BA27 BA28 BA29 BA34 BB01 BB02 BB03 EA03 EA13 EA21 EA23 EA60 EA74 GA07 HA12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Yoshiyuki Hirako 6-5-6 Sakyo, Nara, Nara Pref. Nitayama Research Laboratories (72) Inventor Shin Shin 6-6-5-6, Sakyo, Nara, Nara Pref. (72) Inventor Toshihiro Hirai, 940-13, Suwagata, Ueda-shi, Nagano Prefecture (72) Inventor Masashi Watanabe 1-15-64, Tsuneiri, Ueda-shi, Nagano Prefecture (72) Inventor Suzuki Dosai Nagano 3-15-1, Tsuneda, Ueda-shi, Fukushima Shinshu University Faculty of Textile Sciences F-term (reference)
Claims (4)
に電圧を印加すると変形が生じることを駆動原理とする
ことを特徴とする高分子アクチュエータ。1. A polymer actuator characterized in that the driving principle is that deformation occurs when a voltage is applied to a non-conductive polymer containing an ionic substance.
して膨潤させてイオン性物質を含有せしめた後に乾燥さ
せることにより製造する請求項１記載の高分子アクチュ
エータ。2. The polymer actuator according to claim 1, wherein the polymer is manufactured by immersing the non-conductive polymer in an electrolyte solution to swell to contain an ionic substance, and then drying the ionic substance.
る高分子を用いる請求項１又は２記載の高分子アクチュ
エータ。3. The polymer actuator according to claim 1, wherein a polymer having a polar group is used as the non-conductive polymer.
子を有する高分子を用いる請求項３記載の高分子アクチ
ュエータ。4. The polymer actuator according to claim 3, wherein a polymer having a nitrogen atom is used as the polymer having a polar group.
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| JP (1) | JP2001258275A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003230288A (en) * | 2002-01-31 | 2003-08-15 | Matsushita Electric Works Ltd | Electrostrictive actuator |
| JP2008210724A (en) * | 2007-02-27 | 2008-09-11 | Japan Aviation Electronics Industry Ltd | Contact component and connector equipped with the same |
| EP2098748A2 (en) | 2008-03-07 | 2009-09-09 | Kayaba Industry Co., Ltd. | Fluid shock absorber |
| JP2013102422A (en) * | 2011-10-11 | 2013-05-23 | Tokai Rubber Ind Ltd | Transducer |
| WO2023195763A1 (en) * | 2022-04-06 | 2023-10-12 | 서울대학교 산학협력단 | Polymer-based turgor pressure actuator, and driving method and use thereof |
-
2000
- 2000-03-08 JP JP2000063694A patent/JP2001258275A/en active Pending
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