JP2011072174A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】水の流入等を抑制し、繰り返し駆動しても亀裂や剥離が生じにくいアクチュエータを提供する。
【解決手段】導電層とイオン伝導層を有するアクチュエータにおいて、前記アクチュエータに接して設けられた水の透過を抑制する高分子からなる第１の層と、前記第１の層に接して設けられた、前記第１の層より引張弾性率が小さい、前記第１の層を保護する高分子からなる第２の層を有するアクチュエータ。前記第１の層と前記第２の層が前記アクチュエータ全体を被覆していることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

高分子アクチュエータは、従来の無機材料からなるアクチュエータよりも柔軟であり、低電力で動作する特徴をもつことから注目されている。高分子アクチュエータの中で、イオン交換樹脂を２つの電極で挟んだ構造のものが代表的である。この高分子アクチュエータは電極間に電圧を印加してイオン交換膜中のイオンを移動させることで、アクチュエータを湾曲、変形させる。ここで、イオン交換膜中のイオンを安定的に保持するために、通常、アクチュエータを水の透過を抑制する材料の層（以下、水不透過性層と略すことがある）で被覆している。

例えば、特許文献１では、電極とイオン導電性高分子層（陽イオン交換樹脂層）とからなる構造体の表面を高分子からなる水不透過性層で覆うことで、イオン導電性高分子層からのイオンの流出、及び水の流入を抑制したアクチュエータが開示されている。さらに特許文献１では、その水不透過性層の表面に金属層を形成することで、水の流入等を抑制する性能を高めるだけでなく、水不透過性層を保護する機能も有したアクチュエータが開示されている。

特開２００８−０３５６８２号公報

しかし、特許文献１に開示されているアクチュエータを繰り返し駆動すると、水不透過性層としての高分子層と金属層との間で亀裂や剥離が生じるという課題がある。また、高分子層の表面に、高分子層に比べて一般的に引張弾性率の高い金属層を形成した場合、アクチュエータの動きが妨げられるという課題がある。

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、水の流入等を抑制し、繰り返し駆動しても亀裂や剥離が生じにくく、動きが妨げられにくいアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明は、導電層とイオン伝導層を有するアクチュエータにおいて、前記アクチュエータに接して設けられた水の透過を抑制する高分子からなる第１の層と、前記第１の層に接して設けられた、前記第１の層より引張弾性率が小さい、前記第１の層を保護する高分子からなる第２の層を有することを特徴とする。

本発明によれば、水の流入等を抑制し、繰り返し駆動しても亀裂や剥離が生じにくく、動きが妨げられにくいアクチュエータを提供することができる。

本発明の実施形態に係るアクチュエータの構成の概略を示す断面図である。 運動するアクチュエータの運動方向を、表面に投影した方向を示す図である。 ２つの導電層でイオン伝導層を挟持したアクチュエータの駆動原理を示す図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態に係るアクチュエータは導電層とイオン伝導層を有する。そして、前記アクチュエータに接して設けられた水の透過を抑制する高分子からなる第１の層と、前記第１の層に接して設けられた前記第１の層より引張弾性率が小さい前記第１の層を保護する高分子からなる第２の層を有する。

本実施形態に係るアクチュエータは、水の透過を抑制する高分子の第１の層を設けることにより、水の流入等を抑制する。また、前記第１の層に高分子の第２の層を接して設けることで、水の透過を抑制する第１の層を保護すると共に、繰り返し駆動しても亀裂や剥離が生じにくい。さらに、第１の層に比べて第２の層の引張弾性率が小さいので、アクチュエータの動きが妨げられにくくなる。ここで、水の透過を抑制する高分子からなる第１の層とは、水分遮断層である、高分子からなる第１の層である。

本実施形態において、前記アクチュエータが平板状である場合、前記第２の層は、前記アクチュエータの両主面を覆うように設けられていることが好ましく、後述する図１のように、第２の層が主面と側面とを覆うように設けられていることがさらに好ましい。そして、前記第１の層と前記第２の層が前記アクチュエータ全体を被覆していることが好ましい。

図１は、本実施形態に係るアクチュエータの概略を示す断面図である。図１において、導電層１および導電層２がイオン伝導層３を挟持しており、導電層１および導電層２にリード線６が接続されている。さらに、アクチュエータの全体は、アクチュエータに接して設けられた水の透過を抑制する高分子からなる第１の層４で被覆されており、さらに前記第１の層４の上に設けられた前記第１の層より引張弾性率が小さい第２の層５で被覆されている。図２には、第２の層５が表面全体を被覆しているアクチュエータが示されている。

本実施形態に係るアクチュエータは、水の透過を抑制する高分子からなる第１の層を有する。
一般に導電層あるいはイオン伝導層が表面にある構成からなる高分子アクチュエータを水中や空気中で用いると、周りに存在する水分子は高分子アクチュエータ表面に吸着し、溶解、内部へ浸透する。イオン導電性高分子アクチュエータが内部に電解質水溶液を有する場合、水分量が変化するとアクチュエータの駆動時にイオンの移動に伴って移動する水の量も影響を受け、その結果、安定した駆動が得られない。なお、イオン導電性高分子アクチュエータとは、導電層とイオン伝導層からなる構成からなるアクチュエータである。

本実施形態に係るアクチュエータは、水の透過を抑制する高分子を第１の層として用いるので、含水状態で駆動するイオン導電性アクチュエータにおいて、水は第１の層を浸透することができず、アクチュエータの外部から内部への水の透過が抑制される。さらに、アクチュエータの内部から外部への水の蒸発や透過を抑制することができる。含水状態で駆動するイオン導電性アクチュエータにおいては、内部のイオンの移動に伴い水が移動し、その体積が膨張することによって駆動する。よって内部の水の蒸発や外部への透過を抑制することによって、含水量を一定に保つことができ、長期間、安定して駆動可能となり、耐久性の向上したアクチュエータを得ることができる。

また、本実施形態において、アクチュエータはイオン液体を含有していることが好ましい。イオン液体は、水存在下で長時間使用すると分解・劣化したり、あるいはアニオンとしてＢＦ_４ ⁻やＰＦ_６ ⁻等を用いた場合、加水分解平衡反応が生じＨ^＋が発生し、アクチュエータ自体を劣化させることがある。そのために、外部の水がアクチュエータ内に透過し、アクチュエータが水を含んだ状態で長時間使用すると安定した駆動が得られない場合がある。本実施形態においては、水の透過を抑制する高分子の膜を第１の層として用いるために、水は第１の層を浸透することができず、アクチュエータの外部から内部への水の透過が抑制される。その結果、イオン液体の分解・劣化や加水分解平衡反応によるＨ^＋の発生が抑制され、水中や空気中において長期間、安定した駆動が可能となり、耐久性の向上したアクチュエータを得ることができる。

また、本実施形態に係るアクチュエータは、内部に存在するイオン液体の外部への透過を抑制し、一定量に維持することができる。イオン液体を用いるアクチュエータの駆動原理は、電極間への電荷印加に伴いイオン液体のカチオン・アニオンがそれぞれ電極に移動することによる。そのために、イオン液体の量が変化すると安定した駆動がえられなくなる場合がある。本実施形態における水の透過を抑制する高分子の第１の層は、イオン液体の透過も抑制することから、含有するイオン液体の量を一定に保つことができ、長期間、安定して駆動可能となり、耐久性の向上したアクチュエータを得ることができる。

また、一般に、高分子の膜に対して、水分子は高分子鎖が配向・結晶化した部位を透過することが困難であることから、配向・結晶化の割合が大きい程高分子の膜に対する水の透過性は抑制される。延伸した高分子膜や高分子鎖の配向・結晶化処理した高分子膜は、無処理のものに比べ、より水の透過性は抑制され、その結果、耐久性の向上したアクチュエータが得られる。

水の透過を抑制する第１の層は、屈曲・伸縮性のある高分子からなる。アルミ等の金属層も水の透過を抑制することは可能であるが、屈曲・伸縮等の運動により、剥離しやすい。第１の層に柔軟な高分子を用いることにより、アクチュエータが屈曲・伸縮等の運動を繰り返しても、第１の層が剥離するのを抑制することができる。

本実施形態に係るアクチュエータに用いられる高分子からなる水の透過を抑制する第１の層は、水やイオン液体などの液体の透過を抑制するものであればよく、特に限定されない。例えば低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン等のポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン−ポリプロピレン共重合体等これらを含むポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデンとポリ塩化ビニルあるいはメタクリル酸等との共重合体、ポリアクリロニトリル、フッ素樹脂等が挙げられ、またそれぞれの共重合体あるいは、各高分子をアロイ、ブレンドしたもの等が挙げられる。更に、水の透過をより抑制するために、各高分子鎖を延伸、配向、結晶化したものも用いることができる。例えば、延伸ポリエチレン、延伸ポリプロピレン、延伸ナイロン（延伸ポリアミド）、延伸ポリエステル等が挙げられるがこれらに限定されない。延伸は例えば一軸延伸でもよいし、二軸延伸でもよい。

高分子鎖を延伸、配向、結晶化する方法は、高分子鎖が延伸、配向、結晶化されていれば特に限定されない。例えば、高分子を融点以下、一般にはガラス転移以上の温度で延伸機等によって一軸あるいは二軸に引き延ばす方法や、テンター法、ロール法やチューブラー同時二軸延伸法やそれらを組み合わせた方法が挙げられる。二軸の場合は、同時に２方向に配向させてもよいし、逐次に配向させてもよい。また、２段以上の多段で延伸し配向させてもよい。

高分子からなる第１の層の引張弾性率は、０．０１ＧＰａ以上１０ＧＰａ以下、好まし
くは０．０５ＧＰａ以上８ＧＰａ以下が望ましい。
本実施形態に係るアクチュエータにおける第１の層の厚さは、特に限定されないが、０．００１μｍ以上５００μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以上２００μｍ以下が望ましい。０．１μｍ未満では水の透過を十分に抑制できない場合があり、５００μｍより厚いとアクチュエータの駆動時に、その運動を妨げる場合がある。

本実施形態に係るアクチュエータに用いられる第２の層は、前記第１の層の高分子より引張弾性率が小さい高分子からなることが好ましい。第２の層は、前記第１の層の上に積層されている。

本実施形態に係るアクチュエータに用いられる高分子の第１の層は、上述したように、水に対して不透過性を有している。一般に水は、高分子鎖の配向・結晶部位を透過することは困難であり、高分子の水不透過材料においても配向・結晶部位を有することによって、水の透過性を抑制することができる。しかし、高分子の配向・結晶部位は、アクチュエータの駆動による伸縮、屈曲等の力が負荷すると、配向方向に対して垂直方向に対して裂け易く、ピンホール等の劣化も生じやすい。さらに配向・結晶部位は固いため、高分子膜が変形する際、より力が局在的に負荷され、その結果、裂け易く、ピンホール等の劣化も生じやすい。

本実施形態においては、第１の層より引張弾性率が小さい第２の層が第１の層の上に積層されているため、アクチュエータの屈曲・伸縮等の運動により生じる第１の層への力が分散され、局所的に負荷されにくくなる。そのために、高分子の配向・結晶部位における高分子鎖間の亀裂・ピンホールを抑制できる。

さらに、本実施形態に係るアクチュエータは、駆動系デバイスに用いるため、デバイスの他部位と接触することが多い。例えば、高分子の第１の層が、アクチュエータの最表面に存在する場合には、上述したように摩擦等により高分子鎖間に亀裂・ピンホールが発生しやすい。本実施形態においては、第１の層より引張弾性率が小さい第２の層が表面にあることにより、第１の層に直接、外部から摩擦が生じることがない。

本実施形態に係るアクチュエータにおける第２の層は、第１の層の高分子より引張弾性率が小さい高分子からなることが好ましい。第２の層の引張弾性率は、特に限定されないが、好ましくは５ＧＰａ以下、さらに好ましくは０．０１ＧＰａ以上３ＧＰａ以下である。第２の層の引張弾性率が５ＧＰａより大きい場合、アクチュエータの運動を抑制し、十分な変形や力を得ることができない。

引張弾性率は、例えば、引張試験機などを用いて測定した場合の応力（δ）−ひずみ（ε）曲線から、傾きδ／εの値（ヤング率）をもって算出される。
また、上記第２の層は、高分子の第１の層に対して接着性があることが好ましい。本実施形態において、第２の層は、高分子の第１の層に対して接着性があることによって、長期間の駆動に対しても、剥離することなく、第１の層を保護し、水の透過を抑制することができる。接着性とは、第１の層と第２の層を積層した後、屈曲・伸縮等の運動を繰り返し行った際、層間で剥離が生じないことである。

上記第２の層は、前記第１の層より引張弾性率が小さく、好ましくは第１の層に対して接着性を有すればよく、特に限定されない。例えば、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン６１０、共重合ナイロン等のポリアミド、ポリウレタン、ポリビニルアルコールやその共重合体、シリコンゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合体、ポリブタジエン等のエラストマー等の高分子、あるいは、それぞれの共重合体、各高分子をアロイ、ブレンドしたもの等が挙げられる。

上記第２の層の厚さは、特に限定されないが、０．００１μｍ以上５００μｍ以下、好ましくは０．０１μｍ以上２００μｍ以下が望ましい。０．００１μｍ未満では、アクチュエータの運動に対し亀裂等が生じて第１の層を十分に保護できない場合があり、５００μｍより厚いとアクチュエータの運動を妨げる場合がある。

本実施形態において前記第１の層と前記第２の層が前記アクチュエータ全体を被覆していることが好ましい。ここでアクチュエータ全体を被覆するとは、導電層やイオン伝導層からなる積層体のすべての面を前記第１の層と前記第２の層で被覆することである。図１に示すような、アクチュエータの場合、導電層やイオン伝導層の各層が積層して形成されている積層面の上下では、イオン伝導層が表層側にでているため、より水が透過しやすい。第１の層と第２の層で積層面を含め全体を被覆することで、アクチュエータへの水の出入り可能な部位を遮断することができ、安定した駆動が可能で、耐久性の向上したアクチュエータを得ることができる。

また、前記第１の層の高分子が配向しており、前記高分子の配向方向がアクチュエータの運動方向を第１の層の表面に投影した方向と同じであることが好ましい。図２（ａ）は、屈曲運動するアクチュエータにおいて、運動方向を表面に投影した方向を示す図である。図２（ｂ）は、伸縮運動するアクチュエータにおいて、運動方向を表面に投影した方向を示す図である。

ここで、前記アクチュエータの運動方向を第１の層の表面に投影した方向とは、例えば、図２（ａ）に示すように、方向２０３である。図２（ａ）のアクチュエータ２０１は、図１で示すように２つの導電層によってイオン伝導層を挟持している。２つの導電層間に電圧を印加すると以下で述べるように破線２０２のように屈曲運動をする。よってアクチュエータの運動方向２０４を第１層に投影した方向とは、方向２０３であり、第１の層の高分子も方向２０３に配向している。また、第１の層の高分子の配向方向の少なくとも一方向がアクチュエータの運動方向を第１の層の表面に投影した方向と同じであればよく、例えば二軸配向している場合、どちらか一方向がアクチュエータの運動方向を第１の層の表面に投影した方向と同じである。

前記第１の層の高分子の配向方向が、前記アクチュエータの運動方向を第１の層の表面に投影した方向と同じであることによって、高分子の配向方向と垂直方向で膜が裂けることを抑制することができる。例えば図２（ａ）において、アクチュエータが方向２０４に屈曲運動する際、第１の層は運動方向を第１の層の表面に投影した方向２０３に伸長される。高分子の配向方向は破壊強度が他方向より高いことから、方向２０３と同じにすることによって、配向している高分子鎖間に亀裂が生じにくくなる。

図２（ａ）では屈曲運動に対して示したが、運動方向は特に限定されるものではなく、例えば図２（ｂ）に示すように伸縮運動するアクチュエータ２１０においても同様である。すなわち、アクチュエータが方向２１１に伸長運動する際、第１の層は運動方向２１３を第１の層の表面に投影した方向２１２に伸縮される。高分子の配向方向は破壊強度が他方向より高いことから、方向２１２と同じにすることによって、配向している高分子鎖間に亀裂が生じにくくなる。

また、本実施形態においては、前記第１の層が少なくとも２層以上からなり、前記２層以上の第１の層の高分子のそれぞれの配向方向が異なるように積層されていることが好ましい。先に述べた通り、一般に、高分子鎖が配向・結晶化している領域を水は透過することは困難である。一方、機械的強度は配向方向に強いが、配向方向に垂直な方向には裂けやすいため、亀裂・ピンホールが生じ易い。本実施系形態において、前記２層以上の第１
の層の高分子の配向方向がそれぞれ異なるように積層されていることにより、機械的強度が強い方向がそれぞれ一定方向ではなく複数方向になる。そのため、運動によってかかる様々な方向の力に対して耐久性が向上するアクチュエータを提供することができる。また、少なくとも２層以上の高分子の配向方向がなす角度が大きいほど運動によってかかる様々な方向の力に対して耐久性が向上する。

少なくとも２層の第１の層の高分子の配向方向はそれぞれ異なるように積層されていれば特に限定されないが、少なくとも２層の各々の高分子の配向方向がなす角度が、１度以上、更には５度以上が好ましい。１度未満だと運動によってかかる様々な方向の力に対して耐久性が十分に向上しない場合がある。

本実施系形態において、導電層とイオン伝導層を有するアクチュエータの駆動原理は明確にはなっていないが、現在推測されている原理について、本実施形態において好ましく用いられる２つの導電層でイオン伝導層を挟持している例を図３を用いて説明する。図３（ａ）のように、２つの導電層３０１、３０２はイオン伝導層３０３の表面に相互に絶縁状態で形成されている。この導電層３０１，３０２間に電位差がかかると、図３（ｂ）に示すように、イオン性物質３０６のカチオン３０４とアニオン３０５は、カソードの導電層３０７にカチオン３０４が移動・浸透し、アノードの導電層３０８にはアニオン３０５が移動、浸透する。そして導電層３０７、３０８内の導電材層とイオン性物質相の界面に電気二重層が形成される。好ましく用いられるイオン液体は、カチオン３０４のイオン半径がアニオン３０５より大きい。その結果、導電層内に存在するイオンの立体効果が、電気二重層に伴う静電反発などと共同的に働きにより、導電層３０７が導電層３０８に比べ、より膨張し、カソードがアノードに比べより伸びる方向へアクチュエータが屈曲すると考えられる。屈曲変形の方向、変位量、変位速度等は、導電層・イオン伝導層の種類、電極の組成・構成、移動するイオン種等により変動する。また、通常、電位の極性を反転させると膜は反対方向に屈曲変形する。

本実施形態に係るアクチュエータは、図１で示す通り、水の透過を抑制する高分子の第１の層と、前記第１の層より引張弾性率が小さい第２の層を有しているが、駆動原理は上述の例と同じである。第１の層および第２の層で駆動運動を妨げることはなく、十分な変位や力を得ることができる。

本実施形態において、前記アクチュエータがイオン性物質を有することが好ましい。用いられるイオン性物質としは、例えば、フッ化リチウム、臭化リチウム、臭化ナトリウム、塩化マグネシウム、硫酸銅、酢酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウム、酢酸ナトリウム等を挙げることができるが、更に好ましくはイオン液体である。

本実施系形態に係るアクチュエータに用いられるイオン液体（ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄ）とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩である。イオン液体は常温で不揮発性を示すことから、本発明のイオン伝導物質としてイオン液体を用いた場合、湿度が高くない空気中および真空中での駆動が可能となる。

本実施形態においては、従来より知られた各種のイオン液体を使用することができるが、常温（室温）または可及的に常温に近い温度において液体状態を呈し安定なものが好ましい。本発明においては、常温溶融塩であって、導電率が０．１Ｓｍ^−１以上のものが好ましい。

本実施形態において用いられる好適なイオン液体としては、下記の一般式（１）から（４）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⁻）
より成るものを例示することができる。

上記の式（１）から（４）において、Ｒは炭素数１から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から１２のアルキル基を示し、式（１）においてＲ１は炭素数１から４のアルキル基または水素原子を示す。式（１）において、ＲとＲ１は同一ではないことが好ましい。式（３）および（４）において、ｘはそれぞれ１から４の整数である。

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。

本実施系形態に係るアクチュエータに用いられる導電層において、２つの導電層間に電圧を印加した際イオンが導電層内に浸透・移動するように、導電材は導電性を示すものであればよく、炭素材料、導電性高分子、金属、金属化合物があげられる。またこれらの導電材を１種類のみ用いてもよいし、２種類上組み合わせて用いてもよい。

特に、イオン性物質との相互作用の点から、前記導電材が炭素材料あるいは導電性高分子であることが好ましい。相互作用が高いと導電材が導電層に良好に均一分散することができ、また得られる導電層の機械的強度も増加する。

上記導電層は炭素材料を含有することが好ましく、炭素材料としては、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、フラーレン、黒鉛、炭素繊維などがあげられるが、これらに限定されるものではなく、これらのうち１種または２種以上を用いてもよい。なお、以下ではカーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）をＣＮＴと略すことがある。

また本実施系形態に係るアクチュエータの導電材としては、導電性と伸縮性を有する層が得られるという点から、ＣＮＴが好ましい。ＣＮＴはイオン液体とともにせん断をかけ分散させることにより、伸縮性のある導電性ゲルが得られる。ＣＮＴは、グラフェンシートが筒形に巻いた形状から成る炭素系材料であり、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）とに大別される。また、ＣＮＴとしては、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に分けられるなど、各種のものが知られている。本実施形態には、このような所謂ＣＮＴと称されるものであれば、いずれのタイプのＣＮＴも用いることができる。一般的には、アスペクト比が大きい、すなわち、細くて長い単層ナノチューブがゲルを形成し易い。従って、本実施形態においては、ＳＷＮＴからゲル状組成物を得るのが好ましい。実用に供されるＣＮＴの好適な例として、一酸化炭素を原料として比較的量産が可能なＨｉＰｃｏ（カーボン・ナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製）が挙げられるが、勿論、これに限定されるものではない。

また上記導電材として、導電性を有する導電性高分子を用いることができ、導電性高分子は特に限定されない。例えばポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアズレン等のπ共役系導電性高分子、及びこれらのπ共役系導電性高分子の誘導体などが挙げられる。またこれらのうち１種または２種以上を用いてもよい。

上記導電層は、導電材とイオン液体を含むものが好ましい。また導電層の機械的強度を保つためにＣＮＴとイオン液体に加え高分子を含有してもよい。
上記導電層における前記導電材の導電層に対する重量割合が１重量％以上が好ましい。含有量が１重量％未満だと、導電層の導電性が十分に得られない場合がある。

上記導電層における導電性高分子の含有量は９９重量％以下であるのが好ましい。含有量が９９重量％より大きいと、導電層の導電性が十分に得られない場合がある。
上記導電層におけるイオン液体の含有量は８０重量％以下であるのが好ましい。含有量が８０重量％より大きいと、導電層として機械的強度が弱くなる場合がある。

本実施形態に係るアクチュエータにおいて、導電層を得るために用いることのできる高分子バインダとしては、前記アクチュエータの屈曲変形に伴って変形可能な柔軟性を有する高分子バインダであれば特に限定されるものではない。本実施形態に係る高分子バインダとしては、加水分解性が少なく、大気中で安定であることが好ましい。かかる高分子バインダとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー；ポリスチレン；ポリイミド；ポリパラフェニレンオキサイド、ポリ（２，６−ジメチルフェニレンオキサイド）、ポリパラフェニレンスルフィド等のポリアリーレン類（芳香族系ポリマー）；ポリオレフィン系ポリマー、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアリーレン類（芳香族系ポリマー）等に、スルホン酸基（−ＳＯ_３Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したもの；ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系のポリマー；含フッ素系のポリマーの骨格にスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、スルホニウム基、アンモニウム基、ピリジニウム基等を導入したパーフルオロスルホン酸ポリマー、パーフルオロカル
ボン酸ポリマー、パーフルオロリン酸ポリマー等；ポリブダジエン系化合物；エラストマーやゲルなどのポリウレタン系化合物；シリコーン系化合物；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタレート；ナイロン；ポリアリレート等を挙げることができる。また、導電性を有する高分子バインダを用いることもでき、かかる高分子バインダとしては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン等を挙げることができる。なおこれらは単独あるいは複数を組み合わせて用いてもよく、また官能基化してもよいし、他の高分子との共重合体としてもよい。

これらの高分子バインダの中でも、特に好ましい高分子バインダとしては、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。また、上記高分子バインダは、イオン伝導層と相溶性の高い高分子であることが好ましい。これにより、イオン伝導層との、相溶性および接合性がより高いため、より強固な電極を構成することが可能となる。このためには、上記高分子バインダは、上記イオン伝導層を構成する高分子化合物と、同種、類似または同一の高分子構造を有する高分子、または、同種、類似または同一の官能基を有する高分子バインダであることが好ましい。

さらに、上記高分子バインダとしては、ゾル・ゲル法などで得られる高分子構造をもつ金属酸化物も用いることができる。かかる金属酸化物としては、特に限定されるものではないが、例えば、マンガン、ニッケル、コバルト、五酸化バナジウム系の金属酸化物を用いることができる。

本実施系形態に係るアクチュエータの前記導電層の電気抵抗値は、１０００Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、１００Ω・ｃｍ以下であることがより好ましい。上記電極の電気抵抗値が１０００Ω・ｃｍ以下であることにより、電極に低い電圧を印加したときに、本発明のアクチュエータを屈曲させることができる。また、上記電極は、ソフトアクチュエータの機能に好ましくない影響を与えるものでない限り、高分子バインダおよび上記導電材料の他の成分を含有していてもよい。

本実施形態に係るアクチュエータにおける導電層はポリマー繊維と多孔質部材の少なくとも一方を有することが好ましい。
本実施形態の導電層が有するポリマー繊維および多孔質部材は、前記高分子バインダを有する。

導電層がポリマー繊維を有する場合、導電層には空隙が多く、その結果イオン液体は容易に導電層へ入り込むことができるし、あるいは容易に出て行くことができる。そのため、導電層間に電圧を印加した際、イオン液体を導電層の奥まであるいは大量に含むことが可能であり、より大きな変位量で変形する。更には、電極層の導電性を高めることから導電材を有することが好ましい。本実施形態のアクチュエータは、前記第１の層がアクチュエータに接して設けられていることから、透過が容易である導電層からイオン液体が外部へ出て行くことを抑制することができる。また、外部から導電層へと水などが入ることを抑制できる。更に前記第２の層が前記第１の層の上に設けられていることから繰り返し駆動しても亀裂や剥離が生じにくい。よって、アクチュエータ内部のイオン液体の量を一定に保つことでき、長時間、安定して駆動可能なアクチュエータを得ることができる。
前記ポリマー繊維は繊維径に対して長さが十分長いものである。ここで繊維径は０．０５μｍ以上５０μｍ以下であり、長さは繊維径の１０倍以上である。

本実施形態に係るポリマー繊維は導電層内においてランダム状態であっても良いし、一定方向に揃って配置されていても良い。例えばアクチュエータの形状が長尺状であり且つリード線がその長手方向端部に設けられている場合、ポリマー繊維は長手方向に沿って設けられていることが好ましい。これは、リード線と接する部分の電圧とリード線が設けられていない他方の長手方向端部との電位の差が小さくなるからである。
あるいはポリマー繊維は長手方向とは交差する方向に揃って配置されていても良い。その場合アクチュエータは変形しやすい。

本実施形態に係る多孔質部材の孔とは、孔が独立して存在している独泡のものと、孔が連なっている連通孔のものの何れも含まれる。カチオンやアニオンの移動・拡散のし易さの点から、連通孔がより好ましい。また、連通孔と独泡が共存していてもよい。

多孔質部材の空隙率は５体積％以上９０体積％以下であることが好ましい。空隙率が５体積％未満だと、イオン液体の移動が抑制される場合があり、９０体積％より大きいと導電層の機械的強度が十分でなく、変形時に亀裂等が生じてしまうことがある。ここで空隙率は、水銀圧入法、ガス吸着法、アルキメデス法などで測定することができる。

孔の大きさは、０．００５μｍ以上３ｍｍ以下であるのが好ましい。孔の大きさが０．００５μｍ未満だとイオン液体の移動が抑制される場合があり、３ｍｍより大きいとアクチュエータが屈曲時に大きい孔に内部応力がよりかかり、亀裂等が生じてしまうことがある。また、孔の大きさは、水銀圧入法、ガス吸着法、走査型電子顕微鏡による直接観察等によって測定することができる。

また、前記導電層はポリマー繊維および、多孔質部材のいずれか一方を有していても良いし、両方を有していても良い。
本実施系形態に係るアクチュエータのイオン伝導層はイオン液体を含有しており、イオン液体の保持および機械的強度、柔軟性の確保の点で高分子を含有するものが好ましい。

イオン液体の含有量がイオン伝導層に対して３０重量％以上８０重量％以下であるのが好ましい。イオン液体／イオン性物質の含有量が３０重量％未満だと、電圧印加した際、導電層に十分イオン性物質を供給できないおそれがある。また、イオン液体／イオン性物質の含有量が８０重量％より大きいと、イオン伝導層としての機械的強度が弱くなり、アクチュエータとして屈曲・変形した際、作用力が十分に得られないおそれがある。

本実施形態において、イオン伝導層を得るのに用いることのできる高分子としては、例えば、テトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素系高分子；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系ポリマー；ポリブダジエン系化合物；エラストマーやゲルなどのポリウレタン系化合物；シリコーン系化合物；熱可塑性のポリスチレン；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタレート等を挙げることができる。なおこれらは単独あるいは複数を組み合わせて用いてもよく、また官能基化してもよいし、他の高分子との共重合体としてもよい。上記高分子は、イオン性物質を含んでいる必要がある。これにより、電圧を印加により、上記非イオン性高分子化合物からなるアクチュエータの屈曲変形が可能となる。

本実施形態において、イオン性物質がイオン液体の場合、高分子として、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）などが挙げられるが、特に限定されない。これらの高分子のうち１つを用いてもよいし、２つ以上組み合わせ用
いてもよい。また、導電層に用いる高分子とイオン伝導層に用いる高分子が同じでもよいし、異なっていてもよい。

本実施系形態に係るアクチュエータの前記イオン伝導層はポリマー繊維と多孔質部材の少なくとも一方を有することが好ましい。
本実施形態のイオン伝導層を構成するポリマー繊維は、前記高分子バインダを有する。イオン伝導層はポリマー繊維が集合した構成であるため空隙が多く、その結果イオン液体は容易にイオン伝導層内を移動できる。そのため、導電層間に電圧を印加した際、イオン液体は容易にイオン伝導層を通過し導電層へ移動し、浸透することが可能であり、素早く駆動することができる。本実施形態のアクチュエータは、前記第１の層がアクチュエータ全体を被覆していることから、電極層あるいは透過が容易であるイオン伝導層からイオン液体が外部へ出て行くことを抑制することができる。更に前記第２の層が前記第１の層の上全体を被覆していることから繰り返し駆動しても亀裂や剥離が生じにくい。よって、アクチュエータ内部のイオン液体の量を一定に保つことでき、長時間、安定して駆動可能なアクチュエータを得ることができる。前記ポリマー繊維は繊維径に対して長さが十分長いものである。ここで繊維径は０．０５μｍ以上５０μｍ以下であり、長さは繊維径の１０倍以上ある。

本実施形態に係るポリマー繊維はイオン伝導層内においてランダム状態であっても良いし、一定方向に揃って配置されていても良い。例えばアクチュエータの面形状が長方形であり且つリード線が長手方向端部に設けられている場合、例えばアクチュエータの図２（ａ）に示すようなポリマーの変形に対して耐久性が良いという意味で好ましい。

あるいはポリマー繊維が長手方向とは交差する方向に揃って配置されていても良い。その場合アクチュエータは変形しやすい。
また、本実施形態のイオン伝導層が有する多孔質部材は、前記高分子バインダを有する。イオン伝導層は多孔質部材であることから空隙が多く、その結果イオン液体は容易にイオン伝導層内を移動できる。そのため、導電層間に電圧を印加した際、イオン液体は容易にイオン伝導層を通過し導電層へ移動し、浸透することが可能であり、素早く駆動することができる。本実施形態のアクチュエータは、本実施形態のアクチュエータは、前記第１の層がアクチュエータ全体を被覆していることから、電極層あるいは透過が容易であるイオン伝導層からイオン液体が外部へ出て行くことを抑制することができる。更に前記第２の層が前記第１の層の上全体を被覆していることから繰り返し駆動しても亀裂や剥離が生じにくい。よって、アクチュエータ内部のイオン液体の量を一定に保つことでき、長時間、安定して駆動可能なアクチュエータを得ることができる。

また、多孔質部材の孔とは孔が独立して存在している独泡のものと、孔が連なっている連通孔のものの何れも含まれる。カチオンやアニオンの移動・拡散のし易さの点から、連通孔がより好ましい。また、連通孔と独泡が共存していてもよい。

多孔質部材の空隙率は５体積％以上９０体積％以下であることが好ましい。空隙率が５体積％未満だと、イオン液体の移動が抑制される場合があり、９０体積％より大きいとイオン伝導層の機械的強度が十分でなく、変形時に亀裂等が生じてしまうことがある。ここで空隙率は、水銀圧入法、ガス吸着法、アルキメデス法などで測定することができる。

孔の大きさは、０．００５ｍμ以上３ｍｍ以下であるのが好ましい。孔の大きさが０．００５μｍ未満だとイオン液体の移動が抑制される場合があり、３ｍｍより大きいとアクチュエータが屈曲時に大きい孔に内部応力がよりかかり、亀裂等が生じてしまうことがある。また、孔の大きさは、水銀圧入法、ガス吸着法、走査型電子顕微鏡による直接観察等によって測定することができる。
また、本実施系形態に係るアクチュエータの前記イオン伝導層はポリマー繊維および、多孔質部材のいずれか一方を有していても良いし、同時に有していても良い。

上記導電層は、イオン液体と導電材を含むものが好ましい。また導電層の機械的強度を保つために炭素材料とイオン液体に加え高分子を含有してもよい。
上記導電層の製造方法は、導電材が導電層に分散・保持されていればよく特に限定されないが、イオン液体あるいは必要に応じて高分子の存在下で、せん断を加えながら導電材を細分化し、導電材分散体を得て、それを膜化・積層化する方法が挙げられる。

この細分化工程において、せん断力を付与する手段は特に限定されるものではなく、例えば、実験室におけるような小規模の製造の場合は手動または自動の乳鉢ですり潰すことによってもよい。また、多量の製造を目的とする場合には、ボールミル、ローラーミル、振動ミルなどの高せん断力を付与することができる湿式粉砕装置を使用することができる。さらに、ニーダータイプの混練機も使用可能である。また分散体の粘度を考慮し溶媒を加え粘度を適度に調整してせん断を与えることも可能である。細分化に要する時間も特に限定されるものではなく、用途に応じて必要な細分化に応じて適宜変更できるが、一般的には５分間から１時間程度である。以上のような工程により、導電材分散体が得られる。

導電材分散体を用いて膜化し導電層を得る方法としては特に限定されないが、キャスト法、スピンコート法、印刷法、スプレー法等によって製膜し、溶媒を蒸発、乾燥させればよい。また押出し法、射出法等も用いることができる。

本実施形態で好ましく用いられるＣＮＴとイオン液体とから成るゲル状組成物の生成メカニズムや構造については未だ不明の点もあるが、各種の分析結果から大略が次のように理解される。
（１）せん断力下における細分化処理は、ＣＮＴの化学的変性を引き起こすことはなく、ＣＮＴの相互のからみ合いを減少させて、その束を細くする物理的形状変化をもたらす。（２）ゲルの形成は、ＣＮＴのからみ合いに因るものではないと考えられる。ゲルの形成は、からみ合いの減少したＣＮＴの表面に「カチオン−π」相互作用により結合したイオン液体の分子がイオン結合を介してＣＮＴの束どうしを結びつけることにより、形成される架橋構造に起因するものと推測される。ここで、架橋構造とは３次元の網目構造のことである。

上記導電層の厚さは、１μｍ以上５ｍｍ以下、好ましくは５μｍ以上２ｍｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以上５００μｍ以下である。膜厚が５ｍｍより大きいと膜の弾性率が大きくなりアクチュエータの屈曲運動を抑制する場合がある。また１μｍ未満だと導電層へ移動・浸透するイオン液体の量が少なく、屈曲運動が十分に得られない場合がある。

上記イオン伝導層は、好ましくはイオン液体を有しており、イオン液体の保持および導電層の機械的強度を保つために高分子を含有することが好ましい。
上記イオン伝導層の製造方法としては、イオン液体がイオン伝導層内に保持されていればよく特に限定されない。例えばイオン液体および高分子を溶媒に溶解・分散させイオン性組成物を得た後、得られた組成物をキャスト法、スピンコート法、印刷法、スプレー法等によって製膜し、溶媒を蒸発、乾燥する方法を用いることができる。あるいは、高分子を加熱溶融しイオン性物質と混練した後製膜する方法や、押出し法、射出法等も用いることができる。

上記イオン伝導層の厚さは、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、更には１０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。膜厚が５００μｍ以上だと膜の弾性率が大きくなりアクチュエータの屈曲運動を抑制する場合がある。また１０μｍ未満だ
と保持できるイオン液体の質量が少なく導電層への供給量が少なくなってしまうため、駆動運動が十分に得られない場合がある。

本実施形態において、第１の層と第２の層を有し、かつ前記第２の層を前記第１の層の上に積層する方法としては、特に限定されない。例えば、導電層とイオン伝導層からなり電圧を印加すると駆動する積層体をまず作製し、ついで第１の層および第２の層を順次積層してもよい。または、導電層、イオン伝導層、第１の層および第２の層を別に作製した後、積層したい順に重ね、ホットプレス等により加圧加熱融着し積層する方法が挙げられる。あるいは、積層したい順番に、前記方法によって得られた導電材分散体およびイオン性組成物を順次、塗布・製膜・乾燥し繰り返す方法が挙げられる。

更に本実施形態において、前記第１の層と前記第２の層が前記アクチュエータ全体を被覆していることが好ましく、その作製方法としては、前記第１の層と前記第２の層が前記アクチュエータ全体を被覆していれば特に限定されない。例えば、導電層とイオン伝導層からなり電圧を印加すると駆動する積層体をまず作製し、次いで第１の層に用いられる高分子の溶液にディッピングし乾燥させ、次いで第２の層に用いられる高分子の溶液にディッピングし乾燥させる方法が挙げられる。ここで高分子の溶液は高分子を水や溶媒に溶解あるいは分散したものでもよいし、熱により溶融したものでもよい。熱で溶融したものの場合はディッピングの後に室温に戻すことによって第１あるいは第２の層が得られる。また、ディッピングの替わりに第１あるいは第２の層で積層体をはさみ、加圧加熱し溶融させることによって融着することによっても作製することができる。

また、本実施形態において前記第１の層の高分子の配向が、前記アクチュエータの運動方向を第１の層の表面に投影した方向と同じであるアクチュエータの作製方法としては、特に限定されない。例えば、導電層とイオン伝導層からなり電圧を印加すると駆動する積層体をまず作製する。次いで別途作製した第１の層の延伸フィルムの延伸・配向方向をアクチュエータの運動方向を表面に投影した方向と同じになるように、前記積層体を挟むように重ねる。更に、第２の層ではさんだ後、加圧加熱することにより積層させる方法が挙げられる。また、第２の層で挟む替わりに、延伸フィルムで挟み積層させた後、第２の層に用いられる高分子の溶液にディッピングし乾燥させる方法が挙げられる。

また、本実施形態において、少なくとも２層以上の前記第１の層の高分子の配向方向がそれぞれ異なるように積層されているアクチュエータの作製方法としては、特に限定されない。例えば、導電層とイオン伝導層からなり電圧を印加すると駆動する積層体をまず作製する。次いで別途作製した第１の層の延伸フィルムを少なくとも２層以上、延伸・配向方向が異なるように前記積層体を挟むように重ね、更に第２の層で挟んだ後、加圧加熱することにより積層させる方法が挙げられる。また、第２の層で挟む替わりに、延伸フィルムで挟み積層させた後、第２の層に用いられる高分子の溶液にディッピングし乾燥させる方法が挙げられる。

導電層やイオン伝導層および、それらを積層したアクチュエータの作製時に用いられる溶媒としては、導電材やイオン性物質を良好に分散できればよく、特に限定されない。例えば、４−メチル−２−ペンタノン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルフォルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフラン等が挙げられる。また、高分子の第１の層、第２の層および、それらを積層したアクチュエータの作製時に用いられる溶媒としては、高分子を良好に分散できればよい。例えば、上述の溶媒や、水、アルコール、トルエン、キシレン等も用いることもできるが、特に限定されない。また、これらの溶媒のうち１つを用いてもよいし、２つ以上組み合わせ用いてもよい。

本実施形態において、両導電層間にかける電圧は、１０Ｖ以下が好ましく、電圧印加時
にイオン液体が分解しない範囲（電位窓）で用いることが好ましく、さらには４Ｖ以下が好ましい。

以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。

第１の層が高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、第２の層がポリアミド（ＰＡ）であり、第２の層が表面側に存在し、第１の層と第２の層で全体を被覆しているアクチュエータ１を以下の通りに作製する。

まず、２つの導電層がイオン伝導層を挟持している積層体１を以下のとおり作製する。
イオン伝導層を作製するために、イオン液体と高分子を含むイオン性組成物を次のように作製する。以下の化学式で表される１００ｍｇの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））と、１００ｍｇの１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート（ＢＭＩＢＦ４、関東化学株式会社製）および１ｍＬのＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ、キシダ化学株式会社製）を８０℃にて加熱混合することによって、無色透明なイオン液体と高分子を含むイオン性組成物１を得る。

また、導電層を作製するために、導電材が均一に分散している導電材分散体を次のように作製する。導電材として１０ｍｇの単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ、カーボン・ナノテクノロジー・インコーポレッド社製「ＨｉＰｃｏ」）およびイオン液体として１００ｍｇのＢＭＩＢＦ４に、有機溶剤のＤＭＡｃを１ｍＬ加える。そして、ジルコニアボール（粒径２ｍｍ）を用いて２００ｒｐｍで３０分間、ボールミル（フリッチェ社製遊星型微粒粉砕機）により分散を行う。次いで８０ｍｇのＰＶｄＦ（ＨＦＰ）を２ｍＬのＤＭＡｃに溶かした溶液を、ボールミルによって得られた組成物に加え、更に５００ｒｐｍで３０分間、ボールミルにて分散する。その結果、高粘度であり、導電材が均一に分散している導電材分散体１が得られる。

次に、２つの導電層がイオン伝導層を挟持している積層体を以下の通りに作製する。まず上記の導電材分散体１を厚さ８０μｍのスペーサーを有する基板に流し込み、スペーサーをガイドとして平坦にならし、室温にて乾燥することによって第１の導電層を得る。次に得られた導電層にもう一枚厚さ６０ミクロンのスペーサーを重ね、上記で得られたＰＶｄＦ（ＨＦＰ）／ＢＭＩＢＦ４／ＤＭＡｃからなるイオン性組成物１を流し込み、スペーサーをガイドに平坦にならした後、室温にて乾燥することによってイオン伝導層得る。さらにもう一枚厚さ８０ミクロンのスペーサーを重ね、上記で作製した導電材分散体１を流し込み、スペーサーをガイドとして平坦にならし、室温にて乾燥下の後、一晩真空乾燥し、積層体１が得られる。

また、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ、東京ポリエチレン社製ＨＦ３１３）を押出機に供給し、溶融し、フィルムダイを通して押し出し、成形機で冷却することにより厚み２０μｍのＨＤＰＥフィルムを得る。得られた厚み２０μｍのＨＤＰＥフィルムを、幅４ｍｍ（Ｗ）×長さ２０ｍｍ（Ｌ）に切り取る。上記の積層体１を幅１ｍｍ（Ｗ）×長さ１２ｍｍ（Ｌ）の大きさで切り取り、その両面をＨＤＰＥフィルムで挟み、ホットプレス（テスター産業社製）を用いて１３０℃、０．５ｋＮで加圧加熱融着する。その後、積層体１よりはみ出したＨＤＰＥフィルムを１ｍｍの幅で切り取り、積層体１の積層面４面を１４０℃に過熱したホットプレートに押し当てることによって、厚み方向のＨＤＰＥフィルムの融着を促成させる。次に、端２ｍｍの部分の表面から、リード線が通る穴を導電層表面まであけ、リード線を導電性接着材によって導電層に接着する。その後、リード線の周りを１４０℃で加熱しＨＤＰＥの一部を溶融させＨＤＰＥの穴を塞ぐことで第１の層をコートする。次に、ポリアミド（ＰＡ、富士化成工業株式会社製ＰＡ−２０１）を１０重量％含有するトルエン（キシダ化学株式会社製）の溶液にディッピングし、乾燥させ第２の層をコートする。以上の作製法によって、高分子の第１の層がＨＤＰＥ、第２の層がＰＡであり、第２の層が表面側に存在して全体を被覆しているアクチュエータ１を作製する。

得られるアクチュエータ１の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、日立ハイテク社製、Ｓ−４８００）にて観察することによって、２つの導電層がイオン伝導層を挟持していることが確認することができる。さらに、その表面側全体がＨＤＰＥでコートされ、さらにその表面側全体がＰＡでコートされていることが確認することができる。

第１の層が無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ１）、第２の層がポリアミド（ＰＡ）であり、第２の層が表面側に存在して全体を被覆しているアクチュエータ２を以下の通りに作製する。

実施例１における第１の層をＨＤＰＥの替わりに無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ１）を用いて、他は同じ条件で実施例１と同様に作製することにより、アクチュエータ２を得る。

得られるアクチュエータ２の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、日立ハイテク社製Ｓ−４８００）にて観察することによって、２つの導電層がイオン伝導層を挟持していることが確認することができる。さらに、その表面側全体がＣＰＰ１でコートされ、さらにその表面側全体がＰＡでコートされていることが確認される。

第１の層が一軸延伸ポリエチレン（ＯＰＥ）、表面側に存在する第２の層がポリアミド（ＰＡ）であり、第１の層ＯＰＥの高分子の配向が、アクチュエータの運動方向を第１の層の表面に投影した方向と同じであるアクチュエータ３を以下の通りに作製する。

第１の層となる一軸延伸ポリエチレン（ＯＰＥ）を以下のように得る。ＨＤＰＥを押出機に供給し、溶融し、フィルムダイを通して押し出し、成形機で冷却することにより、厚み２００μｍのＨＤＰＥフィルム得る。次いで、厚み２００μｍのＨＤＰＥフィルムを１２０℃の雰囲気下、一軸延伸機（井元製作所製）で１０倍に延伸し、２０μｍの一軸延伸フィルムＯＰＥを得る。

次に、実施例１で得られる積層体１を幅１ｍｍ（Ｗ）×長さ１２ｍｍ（Ｌ）の大きさに切り取り、その両面をＯＰＥの延伸方向が長手方向になるようにＯＰＥフィルムで挟む。そして、ホットプレス（テスター産業社製）を用いて１３０℃、０．５ｋＮで加圧加熱融着する。その他の条件は実施例１と同様に行い、アクチュエータ３を得る。

得られるアクチュエータ３の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、日立ハイテク社製Ｓ−４８００）にて観察することによって、２つの導電層がイオン伝導層を挟持されていることを確認することができる。さらに、その表面側全体がＯＰＥでコートされ、さらにその表面側全体がＰＡでコートされていることを確認することができる。

第１の層が一軸延伸ポリエチレン（ＯＰＥ）で２層有し、高分子の配向が異なるように積層されており、かつ、第２の層がポリアミド（ＰＡ）であり、第２の層が表面側に存在しているアクチュエータ４を以下の通りに作製する。

まず実施例２と同様に作製されるＯＰＥを得る。次に、実施例１で得られる積層体１を幅１ｍｍ（Ｗ）×長さ１２ｍｍ（Ｌ）の大きさに切り取り、その両面にＯＰＥの延伸方向が長手方向に対して４５度になるようにＯＰＥフィルムで挟む。更にその両表面にＯＰＥの延伸方向が内側のＯＰＥの延伸方向に対して９０度になるように更にもう一層のＯＰＥフィルムで挟み、ホットプレス（テスター産業社製）を用いて１３０℃、０．５ｋＮで加圧加熱融着する。他の条件は実施例１と同様に行い、アクチュエータ４を得る。

得られるアクチュエータ４の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、日立ハイテク社製、Ｓ−４８００）にて観察することによって、２つの導電層がイオン伝導層を挟持されていることを確認することができる。さらに、その表面側全体が２層のＯＰＥでコートされ、さらにその表面側全体がＰＡでコートされていることを確認することができる。

（比較例１）
＜水の透過を抑制する高分子の第１の層で表面に積層されているアクチュエータ５の作製法＞
高分子の第１の層が高密度ポリエチレンＨＤＰＥで、表面をコートしているアクチュエータ５を以下の通りに作製する。すなわち、内側の層として高密度ポリエチレンＨＤＰＥが設けられ、外側の層は設けられていない構成のアクチュエータを作製する。
すなわち、実施例１における第２の層ＰＡでコートする工程の前までで得られる積層体をアクチュエータ５とする。

得られるアクチュエータ５の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、日立ハイテク社製Ｓ−４８００）にて観察することによって、２つの導電層がイオン伝導層を挟持しており、その表面側全体がＨＤＰＥでコートされていることが確認される。

（比較例２）
＜水の透過を抑制する高分子の第１の層と、第１の層より引張弾性率が小さい高分子の第２の層を有し、かつ、前記第１の層が第２の層より表面側に積層されているアクチュエータ６の作製法＞
高分子の第１の層が高密度ポリエチレンＨＤＰＥ、高分子の第２の層がポリアミドＰＡであり、第１の層が表面側に存在して全体をコートしているアクチュエータ６を以下の通りに作製する。すなわち、内側の層としてポリアミドＰＡが設けられ、外側の層として高密度ポリエチレンＨＤＰＥが設けられている構成のアクチュエータを作製する。

まず、上で得られる積層体１を幅１ｍｍ（Ｗ）×長さ１２ｍｍ（Ｌ）の大きさで切り取り、ＰＡの１０重量％トルエン溶液にディッピングし、乾燥させることによって第２の層でコートする。次にその両面を実施例１と同様に得られるＨＤＰＥフィルムで挟み、ホットプレス（テスター産業社製）を用いて１３０℃、０．５ｋＮで加圧加熱融着後、積層体よりはみ出したＨＤＰＥフィルムを１ｍｍの幅で切り取り、積層体の積層面４面を１４０
℃に過熱したホットプレートに押し当てることによって、厚み方向のＨＤＰＥフィルムの融着を促成させる。次に、端２ｍｍの部分の表面から、リード線が通る穴を導電層表面まであけ、リード線を導電性接着材によって導電層に接着する。その後、リード線の周りを１４０℃で加熱しＨＤＰＥの一部を溶融させることでＨＤＰＥの穴を塞ぐことでアクチュエータ６を作製する。

得られるアクチュエータ６の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、日立ハイテク社製Ｓ−４８００）にて観察することによって、２つの導電層がイオン伝導層を挟持しており、その表面側全体がＰＡでコートされ、さらにその表面側全体がＨＤＰＥでコートされていることが確認される。

（比較例３）
＜水の透過を抑制する高分子の第１の層と、第１の層より引張弾性率が大きい高分子の第２の層を有し、かつ、前記第２の層が第１の層より表面側に積層されているアクチュエータ７の作製法＞
高分子の第１の層が高密度ポリエチレンＨＤＰＥ、高分子の第２の層が無延伸ポリプロピレンＣＰＰ２であり、第２の層が表面側に存在して全体をコートしているアクチュエータ７を以下の通りに作製する。すなわち、内側の層として高密度ポリエチレンＨＤＰＥが設けられ、外側の層として無延伸ポリプロピレンＣＰＰ２が設けられている構成のアクチュエータを作製する。

すなわち、実施例１において第１の層のＨＤＰＥを積層した後、厚さ２５μｍの無延伸ポリプロピレン（ＣＰＰ２、株式会社プライムポリマー社製Ｆ−３００ＳＰ）フィルムをＨＤＰＥと同様に積層する。ただしホットプレスおよびホットプレートの温度は１６０℃とする。次に、端２ｍｍの部分の表面から、リード線が通る穴を導電層表面まであけ、リード線を導電性接着材によって導電層に接着する。その後、リード線の周りを１６０℃で加熱しＣＰＰ２の一部を溶融させＣＰＰ２の穴を塞ぐことでアクチュエータ７を作製する。

（比較例４）
＜水の透過を抑制する金属の第１の層を有し、かつ、第１の層より表面側に高分子の第２の層が積層されているアクチュエータ８の作製法＞
金属の第１の層がアルミニウム、高分子の第２の層がポリアミドＰＡであり、第１の層より表面側に第２の層が存在して全体をコートしているアクチュエータ８を以下の通りに作製する。すなわち、内側の層としてアルミニウム（表２の中ではアルミと記載している）が設けられ、外側の層としてポリアミドＰＡが設けられている構成のアクチュエータを作製する。

まず、上で得られる積層体１を幅１ｍｍ（Ｗ）×長さ１２ｍｍ（Ｌ）の大きさで切り取り、その両表面をアルミニウム蒸着する。次に、端２ｍｍの部分の表面にリード線を導電性接着材によって導電層に接着する。そして、ＰＡの１０重量％トルエン溶液にディッピングし、乾燥させることによって第２の層でコートし、アクチュエータ８を得る。得られるアクチュエータ８の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、日立ハイテク社製Ｓ−４８００）にて観察することによって、２つの導電層がイオン伝導層を挟持しており、その両表面がアルミニウムでコートされ、さらにその表面側全体がＨＤＰＥでコートされていることが確認される。

＜引張弾性率の評価＞
高分子アクチュエータに用いられる第１の層および第２の層の各々のフィルムに対して、引張試験機（島津製作所社製、ＭＳＴ−１）を使用し、応力（δ）−ひずみ（ε）曲線
を得て、傾きδ／εの値（ヤング率）をもって引張弾性率を算出する。

高分子の第１の層に用いられるＨＤＰＥ、ＣＰＰ１、ＯＰＥ、第２の層に用いられるＰＡの単独なフィルムに対して、上述の方法で引張弾性率を算出する。その結果を表１に示す。ここで、ＯＰＥの引張方向は延伸方向で測定する。

引張弾性率は、実施例１、２、３、４、比較例２において、第１の層よりも第２の層の引張弾性率が小さい。比較例２の第２の層のＨＤＰＥの引張弾性率は、第１の層のＰＡの引張弾性率より大きい。
また、比較例３の第２の層として用いられるＣＰＰ２の引張弾性率は２２００ＭＰａであり、第１の層よりも第２の層の引張弾性率が大きい。

＜耐久性の評価＞
長時間の駆動に対するアクチュエータの耐久性は、変位量の変動により評価する。すなわち、湿度９０％ＲＨ．雰囲気下で、一端を固定し２．５Ｖの電圧を印加し屈曲させる。固定端から８ｍｍの位置における、所定の屈曲回数時の変位量を、レーザー変位計（キーエンス社製ＬＫ−Ｇ８０）を用いて測定し、耐久性の評価を行う。

実施例１から４と比較例１から４のアクチュエータ１から８について、湿度９０％ＲＨ．雰囲気下で連続して駆動する際の３０００回、６０００回、１００００回時における固定端から８ｍｍの変位量をレーザー変位計にて測定することで耐久性を評価する。その結果を表２に示す。

実施例１から４のアクチュエータは、駆動回数３０００、６０００回においても変位量が変わらず、実施例１、２、３、４の順に２．２、２．３、２．１、２．０（ｍｍ）である。

比較例１から４のアクチュエータは、いずれも駆動回数が３０００、６０００回と増すと変位量は減少する。駆動回数３０００回のときは比較例１、２、３、４の順に、２．２、２．２、１．８、２．０（ｍｍ）であるのに対し、駆動回数６０００回のときは比較例１、２、３の順に、１．６、１．７、１．２、１．４（ｍｍ）となる。

更に駆動回数１００００回の場合、実施例３、４で得られるアクチュエータの変位量は順に２．１、２．０（ｍｍ）と変化せず、実施例１、２で得られるアクチュエータの変位量も順に２．０、２．１（ｍｍ）とほとんど変化しない。一方、比較例１、２、３、で得られるアクチュエータは、更に変位量は減少し、０．８、０．９、０．５、０．３となる。

また、１００００回駆動後のアクチュエータについてそれぞれ、目視により観察する。その結果、実施例１、２、３、４で得られるアクチュエータにおいては、駆動前と変化は無く、亀裂や劣化が見られない。一方、比較例１、２、３で得られるアクチュエータにおいては、導電層とイオン伝導層を被覆している層に一部、亀裂や劣化が見られ、また被覆している層の剥離が見られる。また比較例４で得られるアクチュエータにおいては、一部被覆している層の剥離が見られる。

また、１００００回駆動後において比較例１、２、３、４で得られるアクチュエータは、一部イオン液体の染み出しが見られるが、実施例１、２、３、４で得られるアクチュエータにおいては、見られない。

本発明のアクチュエータは、水の流入等を抑制し、繰り返し駆動しても亀裂や剥離が生じにくく、動きが妨げられにくいので、様々な環境下で長時間利用可能なロボットやマイクロマシン等のデバイスに利用することができる。

１ 導電層
２ 導電層
３ イオン伝導層
４ 第１の層
５ 第２の層
６ リード線

Claims (8)

1. 導電層とイオン伝導層を有するアクチュエータにおいて、前記アクチュエータに接して設けられた水の透過を抑制する高分子からなる第１の層と、前記第１の層に接して設けられた、前記第１の層より引張弾性率が小さい、前記第１の層を保護する高分子からなる第２の層を有することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記第１の層と前記第２の層が前記アクチュエータ全体を被覆していることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第１の層の高分子が配向しており、前記高分子の配向方向がアクチュエータの運動方向を第１の層の表面に投影した方向と同じであることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記第１の層が少なくとも２層以上からなり、前記２層以上の第１の層の高分子のそれぞれの配向方向が異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載のアクチュエータ。
5. 前記アクチュエータがイオン液体を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のアクチュエータ。
6. 前記導電層が炭素材料を含有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載のアクチュエータ。
7. 前記導電層がポリマー繊維と多孔質部材の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載のアクチュエータ。
8. 前記イオン伝導層がポリマー繊維と多孔質部材の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかの項に記載のアクチュエータ。

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