JP2006241422A - 導電性高分子アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 素子が屈曲や湾曲することなく作動する導電性高分子アクチュエータを提供すること。
【解決手段】 陽分極により伸長し陰分極により収縮する第１導電性高分子電極と、陽分極により収縮し陰分極により伸長する第２導電性高分子電極とを、イオン伝導性物質を介して両極に使用し、両極間に電圧印加することによって作動する導電性高分子アクチュエータ。イオン伝導性物質は両電極間に狭持されていても良い。また、第１導電性高分子電極と第２導電性高分子電極とをイオン伝導性物質を介して交互に複数回積層した後、第１導電性高分子電極同士及び第２導電性高分子電極同士を電気的に接続し、該電極間に電圧を印加することによって、両電極が伸縮され、作動されることを特徴とする導電性高分子アクチュエータ。
【選択図】 なし

Description

本発明は、導電性高分子を用いたアクチュエータに関し、より詳しくは、導電性高分子からなる一対の電極間に電圧を印加することによって作動される導電性高分子アクチュエータに関する。

アクチュエータとは、電気や熱、光等の種々のエネルギーを動力に変換する装置のことで、例えば、磁気モーター、圧電素子、油圧シリンダ、空圧シリンダ等がある。近年、有機高分子材料を用い、アクチュエータに応用する検討が行われている。有機高分子材料を用いたアクチュエータは、比較的軽量である、柔軟性が高いなどの特徴を持ち、例えば、医療用器具・人工筋肉などへの応用が期待されている。アクチュエータとして検討されている有機高分子材料には、イオン伝導性高分子、圧電性高分子、絶縁性高分子ゲル、導電性高分子などがある。

導電性高分子は、例えばピロールやチオフェン、アニリンおよびそれらの誘導体の重合物など共役π電子系を持つ高分子が挙げられ、通常、前記高分子鎖とドーパントイオンから成る。

前記導電性高分子は、比較的低電圧で分極することによってドーパントイオンのドープ・脱ドープ、あるいは高分子鎖における同種電荷間の静電反発などによる体積変化が生じるため、伸縮させることが可能であり、アクチュエータに応用することが検討されている。この伸縮率は一般的に数％から十数％と報告されている。

導電性高分子を用いたアクチュエータについては、バイモルフ構造のアクチュエータが良く知られ、例えば、特許文献１または特許文献２などが開示されている。

特許文献１のアクチュエータにおいては、固体電解質と、該固体電解質の表面に相互に形成されたポリアニリン膜から構成され、両膜間に電圧印加することによって、一方の膜を伸長し、他方の膜を収縮させることによって、素子全体を湾曲させるものである。

また、特許文献２のアクチュエータにおいては、２種の導電性高分子膜を備えたアクチュエータであって、一方はアニオンの出入りによって伸縮可能な層、他方はカチオンの出入りによって伸縮可能な層を用いた構成にすることによって、素子の湾曲が増大するよう工夫されたものである。

上記文献に挙げたように、導電性高分子膜を用いたアクチュエータについては、一方の膜と他方の膜の伸縮挙動の違いによって発生する、素子の湾曲する動きを利用したものが多い。

屈曲型あるいは、湾曲型のアクチュエータ素子においては、素子自体が屈曲や湾曲することによって、構成材料である導電性高分子膜の塑性変形応力下における劣化や塑性ひずみの発生、また、アクチュエータを構成する他の部材層の剥離という問題がつきまとう。

特開平１１−１６９３９３号公報 特開２００３−３４０９８２号公報

本発明の目的は、上記課題を解決するため、導電性高分子膜を用いたアクチュエータにおいて、素子が屈曲や湾曲することなく作動する導電性高分子アクチュエータを提供することである。

本発明者らは、鋭意検討した結果、使用する導電性高分子膜を、陽分極により伸長し陰分極により収縮する第１導電性高分子電極と、陽分極により収縮し陰分極により伸長する第２導電性高分子電極とを、イオン伝導性物質を介して両極に使用し、両極間に電圧印加することで、両電極が同一の伸縮挙動を示し、素子が湾曲することなく作動する導電性高分子アクチュエータとなることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、導電性高分子膜が、陽分極により伸長し陰分極により収縮する第１導電性高分子膜と、陽分極により収縮し陰分極により伸長する第２導電性高分子膜とからなり、両膜間にイオン伝導性物質が介在されたことを特徴とする導電性高分子アクチュエータである。

本発明によれば、上記課題が解決したことに加え、両極が同一の伸縮挙動で作動する導電性高分子アクチュエータとなるため、両膜の伸縮力を合わせた力が利用可能であり、発生力の大きいアクチュエータが作製可能である。

以下、本発明を、図面を参照して、詳細に説明する。図１は、本発明の導電性高分子アクチュエータの一例を示す概略断面図である。

図１に示すように、本発明の導電性高分子アクチュエータは、導電性高分子電極が、陽分極により伸長し陰分極により収縮する第１導電性高分子電極１と、陽分極により収縮し陰分極により伸長する第２導電性高分子電極２、およびイオン伝導性物質３からなる。図１中においては、第１及び第２導電性高分子電極間に、イオン伝導性物質を狭持させた構造になっているが、本発明はこれに限らず、イオン伝導性物質は両電極を介するよう設置されていれば良い。すなわち、第１および第２導電性高分子電極を、シリコーン樹脂などの絶縁性かつ、可撓性の材料によって接着し、その周囲にイオン伝導性物質を配置させた構造であっても良い。

導電性高分子の伸縮は、主にドープ・脱ドープに伴う、高分子鎖間へのドーパントイオンの出入りによって起こる。

導電性高分子のドープ・脱ドープは、（１）アニオンが高分子鎖間に出入りすることによって行われる場合、および、（２）カチオンが高分子鎖間に出入りすることによって行われる場合の二通りがある。

高い電気伝導性を示すドープ状態では、高分子鎖に正電荷が発生し、ドーパントとしてアニオンが入り込んでいる。これを脱ドープする場合のイオンの動きとしては、（１）高分子鎖が電気的に中性になり、ドーパントであるアニオンが高分子鎖外に出て、脱ドープ状態になる場合、および、（２）高分子鎖が電気的に中性になり、カチオンが高分子鎖間に入り込み、脱ドープ状態になる場合、の二通りがある。

（１）アニオンが高分子鎖間に出入りすることで、ドープ・脱ドープが起こる場合では、陽分極することにより、アニオンが高分子鎖間に侵入しドープが起こり、その結果、導電性高分子の体積は膨張し、膜が伸長する。陰分極により、アニオンが高分子骨格から出ることで、脱ドープが起こり、導電性高分子が収縮する。この場合、陽分極により伸長し陰分極により収縮する第１導電性高分子膜１となる。

（２）カチオンが高分子鎖間に出入りすることで、ドープ・脱ドープが起こる場合では、陰分極することによっても、アニオンが高分子鎖中から抜けない場合に見られ、カチオンが高分子骨格に侵入し脱ドープが起こり、その結果導電性高分子は伸長する。陽分極により、カチオンが高分子鎖間からでて、ドープが起こり、導電性高分子が収縮する。この場合、陽分極により収縮し陰分極により伸長する第２導電性高分子膜２となる。

図２及び図３に本発明の導電性高分子アクチュエータの作動状態の一例を示す断面模式図を挙げ説明する。第１導電性高分子電極１を陽極、第２導電性高分子電極２を陰極とし電圧を印加した場合、第１導電性高分子電極にはアニオン、第２導電性高分子電極にはカチオンが侵入し、図２中二重矢印に示した方向に、素子が伸長する。極性を反転した場合、逆に第１導電性高分子電極からアニオン、第２導電性高分子電極からカチオンが出て、図３に示したように伸縮する。

また本発明は、図１に示した一対の電極を複数積層したものである。図４に、本発明の導電性高分子アクチュエータの他の実施形態を示す断面模式図である。この図４の通り、順次、第１導電性高分子電極、イオン伝導性物質、第２導電性高分子電極、イオン導電性物質、という順に複数積層した後、第１導電性高分子電極同士、及び第２導電性高分子電極同士を電気的に接続する。両電極に電圧を印加することによって、各導電性高分子電極の厚さ方向の伸縮が増大し、積層方向に実用的な変位量を持つ導電性高分子アクチュエータが得られる。

前記積層型導電性高分子アクチュエータの積層数は、用途によって異なり、一対の電極を少なくとも２以上積層したものであれば特に限定されない。使用する導電性高分子電極の膜厚が薄いものを使用すれば応答速度の速いアクチュエータが得られ、また、膜厚の厚い導電性高分子電極を用いれば、発生力の大きなアクチュエータを得ることができる。

本発明で使用する、導電性高分子膜としては、公知の導電性高分子を用いることができるが、特に、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、およびこれらの誘導体が好適である。

導電性高分子膜の作成方法としては、化学重合法および電解重合法が挙げられる。化学重合法とは、ピロール、アニリン、チオフェン、およびこれらのアルキル置換体などのモノマーを、酸化剤と反応させることにより導電性高分子を酸化重合する方法であり、電解重合法とは、モノマーとドーパントとなる支持電解質とを溶解させた溶液中に、一対の電極をいれ、電解することで、導電性高分子を重合する方法である。

陽分極により伸長し陰分極により収縮する第１導電性高分子電極１としては、比較的嵩の小さなドーパントアニオンが出入りするような導電性高分子膜を好ましく用いることができ、そのようなドーパントアニオンとしては、例えば、ＰＦ_６ ⁻、ＢＦ_４ ⁻、ＣｌＯ_４ ⁻、ＳｂＦ_６ ⁻、ＳＯ_４ ^２−などの無機陰イオンを例示することができる。また、陽分極により収縮し陰分極により伸長する第２導電性高分子電極２としては、比較的嵩が大きく、導電性高分子鎖中から、陰分極によっても容易に抜け出すことのないドーパントアニオンを持つ導電性高分子膜を好ましく用いることができる。そのようなドーパントアニオンとしては、ドデシルベンゼンスルホン酸などの長鎖をもつ有機スルホン酸イオン、アルキルベンゼンスルホン酸、アルキルナフタレンスルホン酸などの芳香族スルホン酸イオン、またはポリスチレンスルホン酸、ポリエステルスルホン酸などの重合体アニオンなどを例示することができる。

本発明で使用する、イオン伝導性物質としては、電解質塩を水や有機溶媒など各種溶媒に溶解してなる電解液や、また、イオン性液体と呼ばれる常温溶融塩を用いることができる。これら電解質塩については、特に限定せずに用いることができる。電解液または、常温溶融塩については、セパレータ紙やプラスチック、またはセラミックスの多孔体等に含浸させたものを用いることもでき、また、電解質塩を含有した公知のゲル状電解質等、固体電解質を用いることも可能である。

これらの導電性高分子とイオン伝導性物質を上記説明したように組み合わせ、構成することによって、本発明の導電性高分子アクチュエータを完成する。

以下、本発明を、実施例に基づき、より詳細に説明する。なお、本発明は実施例によって何ら限定されるものでない。

実施例１
ピロール６ｇおよびテトラエチルアンモニウムテトラフロロボレート２０ｇを水に溶解し、５００ｍｌにメスアップすることで、電解重合液１とした。

極間を３ｃｍに保った２枚のステンレス板（有効面積５０ｃｍ^２）を、上記電解重合液１に浸漬し、一方を陽極、他方を陰極とし、電流密度１ｍＡ／ｃｍ^２で、４時間電解重合し、ポリピロール膜１を作製した。なお、ポリピロール膜１の厚さは約２０μｍであった。

ポリピロール膜１をステンレス板から剥離し、乾燥後、１０ｍｍ×２０ｍｍの短冊状に裁断した。

次に、テトラフルオロホウ酸ナトリウムの１０質量％水溶液中で、上記裁断したポリピロール膜１のうち下端１０ｍｍ×１０ｍｍの部分を浸漬し、ポリピロール膜１を陰極として２Ｖ、１０分間印加し、脱ドープしたポリピロール膜１を得た。

次に、ピロール１４ｇと３０質量％ポリスチレンスルホン酸ナトリウム水溶液４０ｇに水を加え、溶解させ、５００ｍｌにメスアップすることで、電解重合液２を用意した。

電解重合液２を用いること以外、ポリピロール膜１と同様な条件で電解重合した後、同様な大きさに裁断し、ポリピロール膜２を得た。なお、ポリピロール膜２の厚さはポリピロール膜１の厚さとほぼ同様であった。

ポリピロール膜１及びポリピロール膜２の下端部に、シリコーン樹脂系を薄く塗布し、膜が対向するように接着し、アクチュエータ素子を作製した。

上記、アクチュエータ素子を、１０質量％テトラフルオロホウ酸ナトリウム水溶液中に浸漬し、ポリピロール膜１を陽極、ポリピロール膜２を陰極として電圧３Ｖを印加した。
その後、極性を反転させ、同様に両膜間に電圧３Ｖを印加した。

電圧印加時のアクチュエータ素子の挙動を確認したところ、ポリピロール膜１を陽極、ポリピロール膜２を陰極とした際に、電解液に浸漬している部分において、両膜が上下方向に伸長し、極性を反転させた場合においては伸縮する様子が確認された。

実施例２
実施例１と同様にポリピロール膜１およびポリピロール膜２を得た。２５枚ずつの両ポリピロール膜を得るため、各４バッチ作製した。

次いで、テトラフルオロホウ酸ナトリウム１０ｇを水９０ｇに溶解させ、寒天２．７ｇ入れ加熱、溶解させた。この溶液を１０ｍｍ×１０ｍｍのセパレータ紙に含浸し、イオン伝導性物質とした。

ポリピロール膜１、イオン伝導性物質、ポリピロール膜２、イオン伝導性物質の順に積層し、ポリピロール膜１が２５枚、ポリピロール膜２が２５枚から成る積層化アクチュエータ素子を得た。

ポリピロール膜１の２５層を金ワイヤーによって集電電極に接続し、ポリピロール膜２の２５層を同様に接続した後、直流電源に接続し、ポリピロール膜１を陰極、ポリピロール膜２を陽極として、３０秒間３Ｖ印加した後、積層方向の素子厚をレーザー変位計によって測定し、次いでポリピロール膜１を陽極、ポリピロール膜２を陰極として、３０秒間３Ｖ印加後、同様に積層方向の素子厚を測定した。このときの素子厚の差分を変位量とした。正負極性を反転し電圧印加する操作を１サイクルとし、１０サイクルまで繰り返した。１サイクル目・３サイクル目・１０サイクル目の変位量測定結果を表１に示す。

比較例２
ポリピロール膜２に変え、ポリピロール膜１を使用すること以外、実施例２と同様にアクチュエータを作製し、変位量を測定した結果を、表１に示す。

実施例２においては、電圧の印加により素子が湾曲することなく、積層方向に変位が確認されたのに対し、比較例２においては、変位が少なかった。また、比較例２の素子においては素子が湾曲する様子が確認された。

本発明の導電性高分子アクチュエータの一例を示す概略断面図 本発明の導電性高分子アクチュエータの作動状態の一例を示す断面図 本発明の導電性高分子アクチュエータの作動状態の一例を示す断面図 本発明の導電性高分子アクチュエータの他の実施形態を示す概略断面図

符号の説明

１ 第１導電性高分子電極
２ 第２導電性高分子電極
３ イオン伝導性物質

Claims (5)

1. 導電性高分子からなる一対の電極間に電圧を印加することによって作動される導電性高分子アクチュエータにおいて、一対の電極が、陽分極により伸長し陰分極により収縮する第１導電性高分子電極と、陽分極により収縮し陰分極により伸長する第２導電性高分子電極とからなり、両電極間に電圧を印加することによって、両電極が同一の伸縮挙動を示し、作動されることを特徴とする導電性高分子アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータにおいて、一対の電極間にイオン伝導性物質が挟持されてなることを特徴とする導電性高分子アクチュエータ。
3. 導電性高分子からなる一対の電極間に電圧を印加することによって作動される導電性高分子アクチュエータにおいて、陽分極により伸長し陰分極により収縮する第１導電性高分子電極と陽分極により収縮し陰分極により伸長する第２導電性高分子電極とが、イオン伝導性物質を介して交互に複数回積層され、かつ、第１導電性高分子電極同士及び第２導電性高分子電極同士が電気的に接続されてなり、該電極間に電圧を印加することによって、両電極が伸縮され、作動されることを特徴とする導電性高分子アクチュエータ。
4. 請求項３に記載の導電性高分子アクチュエータにおいて、イオン伝導性物質を介して交互に積層された第１導電性高分子電極及び第２導電性高分子電極が、積層方向に伸縮され、作動されることを特徴とする導電性高分子アクチュエータ。
5. 導電性高分子電極が、ピロール、チオフェン、アニリン及びそれらの誘導体の重合物であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の導電性高分子アクチュエータ。
   

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