JP2011205751A - 導電性高分子アクチュエータ及びアクチュエータ用駆動素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性高分子アクチュエータにおいて、長時間駆動を行った場合の変形を防止して、安定した長時間駆動を実現することである。
【解決手段】電解質を含み多孔質の高分子からなる多孔質高分子層と、前記多孔質層に接触するところに位置して、多孔質高分子と親水基と多孔質高分子の孔部分に存在する導電性高分子とを含む親水基層と、前記親水基層に接触するところに位置して導電性高分子層を含む導電性高分子層と、前記導電性高分子層に接触する電極部と、前記電極部に電圧を印加する電源部から構成される導電性高分子アクチュエータを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気信号によって動作を行い、人工筋肉又はマイクロマシンや家庭用のロボットなどに適用することが出来る導電性高分子アクチュエータ及びアクチュエータ用駆動素子の製造方法に関する。特に、本発明は、電気化学反応を利用した導電性高分子アクチュエータ及びアクチュエータ用駆動素子の製造方法に関する。

高分子（ポリマー）を素材としたアクチュエータは、軽量、柔軟性、動作音がしないなどの特徴を有しており、人工筋肉又はマイクロデバイスの動作機構のデバイスとして期待されている。その中で、ポリピロール又はポリアニリンなどの導電性高分子を駆動材料として用いた電気化学的な伸縮によるデバイスは、生体の筋肉よりも発生エネルギーが大きくなる可能性があり、実用的なデバイス動作が可能な高分子アクチュエータデバイスとして提案されている。

導電性高分子からなるアクチュエータの動作は、導電性高分子層に電圧又は電流を印加することによって、電解質からイオンを導電性高分子層へドーピングしたり又は導電性高分子層からイオンを脱ドーピングしたりして、導電性高分子層を伸縮させてデバイスを駆動して変位を生じさせることにより行われる。

なお、電解伸縮メカニズムは、ドーパントとしてのイオンが、導電性高分子層へドーピング及び導電性高分子層から脱ドーピングされた際に電気化学的に酸化反応及び還元反応を生じて伸縮することを利用するものである。この伸縮現象は、電気化学的な反応に伴って、導電性高分子の高分子鎖のコンフォメーションが変化することによる要因、導電性高分子層内へのかさ高いイオンの出入りによって導電性高分子層が膨張及び収縮する要因、又は、高分子鎖に生じる同種電荷によって生じる静電反発による要因などが考えられている。

図２は、特許文献１に記載されるポリマーアクチュエータの模式断面図である。アクチュエータ２０１は、導電性高分子膜２０２ａ、２０２ｂ、固体電解質膜２０３の積層体から成り、導電性高分子膜２０２ａ、２０２ｂの一端を挟むように電極２０４ａ、２０４ｂが設置されている。電極２０４ａと電極２０４ｂ間に数ボルトの電圧を印加することによりアクチュエータ２０１は電極２０４ａ、２０４ｂで挟持された部分を固定部として屈曲動作する。

固体電解質膜２０３は、固体ではなく、電解質イオンゲルから構成される。電解質イオンゲルは例えばフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体［Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）］とイオン液体との混合物からなる。
導電性高分子膜２０２ａ、２０２ｂは、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）とポリエチレングリコールとジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）との混合物からなる。

特許文献１では、導電性高分子膜と固体電解質膜の接着性を向上させるために、導電性高分子にポリエチレングリコールなどの有機分子を混入している。有機分子の混入によって導電性高分子膜と固体電解質膜との剥離を防止できる効果はあるものの、固体電解質膜と導電性高分子膜との接着部分が柔らかいイオンゲル材料であるため、接着部分のずれを防止できない。このため、長時間駆動を行った場合に接着部分がずれて変形を起こす問題がある。たとえば、アクチュエータの先端に錘をつけて長時間駆動を行った場合には重力方向に変形するという問題があった。

特許第４２５６４７０号公報

上記のように、従来技術においては、長時間駆動を行った場合に接着部分がずれて変形を起こす問題があった。たとえば、アクチュエータの先端部に錘をつけて長時間駆動を行った場合に重力方向に変形するという問題があった。
本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、長時間駆動を行った場合の変形を防止して安定した長時間駆動を実現することができる導電性高分子アクチュエータ及びアクチュエータ用駆動素子の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、電解質を含み多孔質の高分子で構成される固体の多孔質高分子層と、
前記多孔質高分子層に接触するように配置され、多孔質高分子と親水基と前記多孔質高分子の孔部分に存在するＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの導電性高分子とを含む親水基層と、
前記親水基層に接触するように配置され導電性高分子を含む導電性高分子層と、
前記導電性高分子層に接触する電極部と、
前記電極部に電圧を印加する電源部とを備える導電性高分子アクチュエータを提供する。

本発明の第７態様によれば、疎水性多孔質メンブレンの表面を親水化する親水化工程と、
前記メンブレンに導電性高分子の水分散液を塗布する塗布工程と、
前記塗布工程で前記メンブレンに塗布した液を乾燥する乾燥工程と、
前記疎水性多孔質メンブレンに電解質を含浸する電解質含浸工程とを含む
導電性高分子アクチュエータ用駆動素子の製造方法を提供する。

本発明によれば、長時間駆動を行った場合の変形を小さくすることができる。たとえば、アクチュエータの先端に錘をつけて長時間駆動を行った場合には重力方向に変形が小さい。すなわち、本発明によれば、長時間駆動したときの変形が小さいために安定した長時間駆動が可能となる。

本発明による実施形態のアクチュエータの模式断面図 従来の屈曲型アクチュエータの模式断面図 本発明による前記実施形態の前記アクチュエータの加工と組み立ての方法を示す模式図 本発明による前記実施形態の前記アクチュエータの加工と組み立ての方法を示す模式図 本発明による前記実施形態の前記アクチュエータの加工と組み立ての方法を示す模式図 本発明による前記実施形態の前記アクチュエータの加工と組み立ての方法を示す模式図 本発明による前記実施形態の前記アクチュエータの加工と組み立ての方法を示す模式図 本発明による前記実施形態の前記アクチュエータの加工と組み立ての方法を示す模式図 本発明による前記実施形態の前記アクチュエータの駆動実験方法を示す模式図 本発明による前記実施形態の前記アクチュエータの駆動実験時の印加電圧を示す模式図 本発明による前記実施形態の前記アクチュエータの駆動実験結果を示す図 本発明による前記実施形態の前記アクチュエータの駆動実験時の印加電圧を示す模式図 従来の屈曲型アクチュエータの駆動実験結果を示す図 本発明による前記実施形態の実施例におけるアクチュエータの駆動方法を示すフローチャート図 本発明による前記実施形態の前記実施例における前記アクチュエータの駆動方法を示す図 本発明による前記実施例における前記アクチュエータの屈曲動作の様子を示す模式図 本発明による前記実施例における前記アクチュエータの駆動実験結果を示す図 本発明による前記実施例における前記アクチュエータの駆動実験結果を示す図 本発明による前記実施例における前記アクチュエータの駆動実験結果を示す図 本発明による前記実施例における前記アクチュエータの駆動周波数の変化を示す図 本発明による前記実施例における前記アクチュエータの累計駆動回数の変化を示す図 本発明による前記実施例における製造途中の構成を示す図 本発明による前記実施例における製造途中の構成を示す図 本発明による前記実施例の前記アクチュエータの製造方法についての説明図 本発明による前記実施例の前記アクチュエータの多孔質メンブレンの表面部分に親水基層が形成されている様子を模式的に示す図 本発明による前記実施例の前記アクチュエータの多孔質メンブレンの表面部分に親水基層と導電性高分子層が形成されている様子を模式的に示す図 本発明による前記実施例の前記アクチュエータの前記メンブレンの表面及び裏面のそれぞれの全面に導電性高分子層を形成する例の斜視図 本発明による前記実施例の前記アクチュエータの前記メンブレンの表面の一部分に導電性高分子層を形成する例の斜視図 本発明による前記実施例の前記アクチュエータの前記メンブレンの裏面の一部分に導電性高分子層を形成する例の斜視図

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１態様によれば、電解質を含み多孔質の高分子で構成される固体の多孔質高分子層と、
前記多孔質高分子層に接触するように配置され、多孔質高分子と親水基と前記多孔質高分子の孔部分に存在するＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの導電性高分子とを含む親水基層と、
前記親水基層に接触するように配置され導電性高分子を含む導電性高分子層と、
前記導電性高分子層に接触する電極部と、
前記電極部に電圧を印加する電源部とを備える導電性高分子アクチュエータを提供する。

本発明の第２態様によれば、前記多孔質高分子層は、電解質を含む多孔質の疎水性高分子からなることを特徴とする第１の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

本発明の第３態様によれば、前記親水基は、ポリエチレンオキシドであることを特徴とする第１又は２の態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

本発明の第４態様によれば、前記疎水性高分子はフッ素樹脂からなることを特徴とする第１〜３のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

本発明の第５態様によれば、前記親水基層は重合によって親水基が導入されている構造を持つことを特徴とする第１〜４のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

本発明の第６態様によれば、前記親水基層の厚さは、前記固体高分子層の表面から０．１μｍ以上の厚さでかつ前記固体高分子層と前記導電性高分子層とで構成される駆動素子の厚さの１／１０の厚さ以下であることを特徴とする第１〜５のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータを提供する。

本発明の第７態様によれば、疎水性多孔質メンブレンの表面を親水化する親水化工程と、
前記メンブレンに導電性高分子の水分散液を塗布する塗布工程と、
前記塗布工程で前記メンブレンに塗布した液を乾燥する乾燥工程と、
前記疎水性多孔質メンブレンに電解質を含浸する電解質含浸工程とを含む
導電性高分子アクチュエータ用駆動素子の製造方法を提供する。

本発明の第８態様によれば、記親水化工程は、ＰＥＧＭＡをグラフト重合する工程を含む第７の態様に記載の導電性高分子アクチュエータ用駆動素子の製造方法を提供する。

本発明の第９態様によれば、前記親水化工程は、ＵＶ照射処理を含む第７の態様に記載の導電性高分子アクチュエータ用駆動素子の製造方法を提供する。

本発明の第１０態様によれば、前記水分散液は、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを含む分散液であることを特徴とする第７〜９のいずれか１つの態様に記載の導電性高分子アクチュエータ用駆動素子の製造方法を提供する。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜アクチュエータの構成＞
図１は、本発明による一実施形態のアクチュエータの構成を示す模式断面図である。アクチュエータ１０１は、導電性高分子層１０２ａ、１０２ｂと、固体の多孔質高分子層１０３と、親水基層１０４ａ、１０４ｂとの積層体でアクチュエータ用駆動素子１０６が構成されるとともに、アクチュエータ用駆動素子１０６の導電性高分子膜１０２ａ、１０２ｂの各一端を挟むように電極１０５ａ、１０５ｂが設置されて構成されている。

固体の多孔質高分子層１０３は、一例として、図１では中央に配置され、電解質を含み多孔質の高分子で構成されている。

親水基層１０４ａ，１０４ｂは、多孔質高分子層１０３に接触するように配置され、多孔質高分子（固体の多孔質高分子層１０３の一部であって多孔質高分子層１０３の多孔質高分子で構成されている。）と、親水基と、多孔質高分子の孔部分に存在するＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの導電性高分子とを含むように構成されている。図１では、多孔質高分子層１０３の上面の表面部分と下面の表面部分に、それぞれ、親水基層１０４ａ、１０４ｂが配置されている。

導電性高分子層１０２ａ、１０２ｂは、親水基層１０４ａ，１０４ｂに接触するように配置されて導電性高分子を含むように構成されている。図１では、親水基層１０４ａ、１０４ｂの上面と下面に、それぞれ、導電性高分子層１０２ａ、１０２ｂが配置されている。

電極部１０５ａ，１０５ｂは、導電性高分子層１０２ａ、１０２ｂに接触するように構成されている。図１では、導電性高分子層１０２ａ、１０２ｂのそれぞれの一端部（図１の左端部）に電極部１０５ａ，１０５ｂが配置されている。

電極１０５ａと電極１０５ｂ間には、電源１００から数ボルトの電圧を印加することにより、アクチュエータ１０１は、電極１０５ａ、１０５ｂで挟持された部分を固定部として屈曲動作する。多孔質高分子層１０３は、イオンを伝導する電解質部としての役割を持つ。なお、１０７は電圧の印加又は印加解除を行うスイッチである。

＜本発明の前記実施形態に用いられる導電性高分子＞
本発明の前記実施形態に用いられる導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂの導電性高分子は、共役二重結合を有し、これによりπ電子が高分子全体に広がり電子導電性に寄与する。導電性高分子の電気伝導は、高分子中にドープされた酸化剤と高分子中のπ電子との相互作用により生成したポーラロン及びバイポーラロンが荷電キャリアとなることにより起こるものと考えられている。本発明の前記実施形態では、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂの導電性高分子に、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、又は、それらの誘導体を用いることができるが、特に、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）を含むことが好ましい。さらに、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂの導電性高分子としては、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）の混合体を用いることがより好ましい。ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）は、このモノマーを予め化学重合することが可能であるので、この高分子が分散した液を基板に塗布するだけで、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂとして機能する導電性高分子膜が形成可能である。このため、スピンコート、スリットコート、バーコート、ディップ、又は、キャスト法を用いることで、大面積基板に均一な厚みの導電性高分子膜を容易に実現することができて、量産化に適している。

前記導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂの導電性高分子を構成する混合体のポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）は、それぞれ、以下の（化１）及び（化２）で表される。ポリエチレンジオキシチオフェンは、化学的に活性な五員環のβ位が予め酸素によって修飾され不活性化されているために酸化劣化を受けにくいという特徴を持っている。また、混合体において、ポリスチレンスルホン酸はポリエチレンジオキシチオフェンとイオン結合で強く結合している。

＜導電性高分子層と電解質部との接着の方法＞
導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂと電解質部である多孔質高分子層１０３とを接着する場合に、層間のズレを少なくするためには、電解質部である多孔質高分子層１０３として、電解質を含浸した固体の多孔質高分子の表面部分に親水基を導入して親水基層１０４ａ，１０４ｂを構成するものを使用することが有効であることを本発明者は見出した。以下で説明するように、多孔質高分子層１０３の固体の多孔質高分子としては、信頼性の観点から疎水性高分子が有効であり、特にＰＶＤＦからなる疎水性多孔質高分子が有効である。親水基層１０４ａ，１０４ｂの親水基としては、接着性の観点から特にポリエチレンオキシドが有効である。ここで、多孔質高分子の表面部分とは、多孔質高分子の表面から０．１μｍ以上の厚さでかつ駆動素子１０６の厚さの１／１０の厚さ以下の範囲を指す。親水基層１０４ａ，１０４ｂの厚さが多孔質高分子の表面から０．１μｍ未満の厚さの場合には親水基層１０４ａ，１０４ｂの形成が困難である。すなわち、多孔質高分子の孔の最小径は通常０．１μｍであり、これよりも小さい範囲で多孔質高分子に親水基を導入することが困難であるからである。親水基層１０４ａ，１０４ｂの厚さが駆動素子１０６の厚さの１／１０の厚さを越えると、短絡を防止する効果が弱まるとともに、アクチュエータ全体の厚さが大きくなりすぎるため好ましくない。一例として、駆動素子１０６の厚さが１００μｍの場合には１０μｍ以下とする。 また、一例として、親水基層１０４ａ，１０４ｂは、多孔質高分子層１０３の多孔質高分子の表面部分の全面に形成する。なお、親水基層１０４ａ，１０４ｂと接触する表面部分のうち、少なくとも、電極１０５ａ，１０５ｂと接触する部分には、必ず、親水基層１０４ａ，１０４ｂを配置する。その理由は、アクチュエータ１０１として確実に駆動させるためである。

例えば、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂとしてＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを用いた場合には、ＰＳＳに含まれるスルホン酸基が親水基であり、この親水基と、多孔質高分子層１０３の表面部分に導入した親水基層１０４ａ，１０４ｂの親水基とが、相互作用を及ぼすことによって、強い接着作用が生まれるものと考えられる。さらに、電解質部である多孔質高分子層１０３の骨格を多孔質高分子で構成しているために、多孔質高分子層１０３の多孔質高分子の表面部分に、親水基層１０４ａ，１０４ｂの導電性高分子の一部が入り込んだ構造となり、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂ及び多孔質高分子層１０３の両者において接着に寄与する部分の表面積が大きくなるために、接着がさらに強固になるものと考えられる。一例として、図１８に示すように、多孔質高分子層１０３（一例として、多孔質メンブレン）の表面近くの多孔質高分子の孔が親水基を含む物質でカバーされており、さらにその孔には導電性高分子を含む物質が入り込んでいる。このように、孔に導電性高分子を含む物質が入り込んでいる部分を、親水基層１０４ａとして図１８に示している。また、親水基層１０４ａの上側には、導電性高分子層１０２ａが形成されている。図１８には示していないが、導電性高分子層１０２ａと親水基層１０４ａの界面付近では、高分子が絡み合った構造により接着しているものと考えられる。なお、図１８においては、多孔質高分子層１０３の下面側の構造は省略しているが、上面側と同様である。

多孔質高分子層１０３の表面部分に導入する親水基（親水基層１０４ａ，１０４ｂの親水基）の例としては、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ），ポリスチレンスルホン酸、又は、アクリル酸などが考えられる。ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）はイオン伝導性高分子として知られており、高いイオン伝導度を持つために、電池における電解質材料として研究されている。多孔質高分子層１０３の表面部分に導入する親水基（親水基層１０４ａ，１０４ｂの親水基）として、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）を使用した場合には、その部分が高いイオン伝導度を持ち、アクチュエータ１０１内におけるイオンの移動をスムーズに行うことができるために、アクチュエータ１０１の駆動効率を向上できる効果がある。

＜本発明の前記実施形態に用いられる多孔質高分子＞
電解質部である多孔質高分子層１０３の骨格材料として、親水性の多孔質高分子を用いた場合には、例えば導電性高分子層としてＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを想定すると、アクチュエータに水がかかった場合、又は、高湿度の環境下で駆動動作を行う場合に、親水性の性質を持つＰＥＤＯＴ／ＰＳＳが電解質部に浸入することによって、表裏両面に位置する導電性高分子層の間で電気的な短絡が生じて正常な動作が妨げられる可能性がある。

これに対して、電解質部である多孔質高分子層１０３の骨格材料として、疎水性の多孔質高分子を用いた場合には、たとえばアクチュエータ１０１に水がかかった場合、又は、高湿度の環境下で駆動動作を行う場合にも、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳが電解質部である多孔質高分子層１０３に浸入することを防止して正常な動作を持続することが可能となり、高い信頼性を保つことができる。

本発明の前記実施形態に用いられる多孔質高分子層１０３は、イオン液体を含浸した多孔質高分子膜を用いることができる。多孔質高分子膜としてはフッ素樹脂からなる多孔質メンブレンを用いることができる。たとえば、前記フッ素樹脂からなる多孔質メンブレンとして、ＰＶＤＦから構成される多孔質メンブレンを用いることができる。また、前記フッ素樹脂からなる多孔質メンブレンとして、各種電気化学デバイスに用いられる多孔質メンブレンを使用することも可能である。たとえば、前記フッ素樹脂からなる多孔質メンブレンとして、ポリエチレンメンブレン、セルロースメンブレン、ＰＴＦＥメンブレン、又は、ＰＶＤＦメンブレンなどを使用することができる。前記フッ素樹脂からなる多孔質メンブレンとして、疎水性の多孔質メンブレンを用いた場合、上で説明したように信頼性を増す効果がある。
＜本発明の前記実施形態に用いられる電解質＞
多孔質高分子層１０３の電解質としては、電解質溶液を用いることが可能である。電解質溶液としては、例えば、六フッ化リン酸イオン（ＰＦ_６−）、ｐ−フェノールスルホン酸イオン（ＰＰＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン（ＤＢＳ）、又は、ポリスチレンスルホン酸イオン（ＰＳＳ）などの負イオン（アニオン）を、水若しくは有機溶媒に溶解させて溶液を使用できる。有機溶媒としては、たとえば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）を用いることが可能である。

電解質の他の例としては、イオン液体を用いることができる。イオン液体は、常温溶融塩又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示す塩である。本発明の前記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）又は常温（室温）に近い温度において液体状態を示し安定なものが好ましい。本発明の前記実施形態において好ましく用いられるイオン液体としては、たとえば１―エチル−３−メチルイミダゾリウムビストリフルオロメタンスルホニル（ＥＭＩ−ＴＦＳＩ）である。

電解質の他の例としては、電解液をゲル化したものを用いることも可能である。電解液をゲル化したものの例としては、ＥＭＩ−ＴＦＳＩと［Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）］からなるイオンゲルを用いることが可能である。

＜電極の構成＞
電極１０５ａ，１０５ｂは、電子伝導性を持ち、導電性高分子と化学反応することなく導電性高分子と電子の授受を容易に行うものであれば良く、金、銀、白金、銅、若しくは、クロム等の金属、又は、炭素含有板を用いることができる。

以下、複数の実施例を挙げて、本発明の前記実施形態によるアクチュエータ１０１をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１）
模式図である図１６の（１）〜（８）を用いて本実施例のアクチュエータ１０１の製造方法について説明する。

［多孔質メンブレンに対するクリーニング処理］
固体の多孔質高分子層１０３の一例として機能する多孔質メンブレン９２Ａとして、ミリポア社のＤｕｒａｐｏｒｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｉｌｔｅｒ（デュラポアメンブレンフィルタ）のＶＶＨＰ０４７００を用いる。本製品は、フィルター孔径が０．１μｍであり、フィルター直径が４７ｍｍであり、厚さが１２５μｍであり、フィルターの材質は疎水性ＰＶＤＦである。

上記メンブレンの表裏各面に対して、サムコ株式会社のＵＶオゾンクリーナー装置ＵＶ−１を用いて、それぞれ１５分間のＵＶオゾン処理を行ってクリーニングを行った。図１６の（１）は、メンブレン９２ＡのＵＶオゾン処理において、メンブレン９２Ａの表面がオゾン（Ｏ_３）によってクリーニングされる様子を示す。

［多孔質メンブレンの表面の親水化処理］
まず、０．０１２５ｍＭのＲｉｂｏｆｌａｖｉｎ（リボフラビン）と０．０５ＭのＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ（ＰＥＧＭＡ）を含む水溶液を調整した。Ｒｉｂｏｆｌａｖｉｎはシグマアルドリッチ社の製品番号Ｒ４５００を用いた。ＰＥＧＭＡはシグマアルドリッチ社の数平均分子量（Ｍｎ）が５２６のものを用いた。

次に、前記クリーニング処理を行った多孔質メンブレン９２Ａに対して、下記手順を行うことによって、多孔質メンブレン９２Ａの表面の親水化処理を行った。

まず、メンブレン９２Ａをテフロン（登録商標）クランプにセットした。テフロン（登録商標）クランプは、メンブレン９２Ａの周辺数ｍｍの範囲を把持することにより、メンブレン９２Ａを平面状に保つ働きを持つ。

次にメンブレン９２Ａの表面に上記のＲｉｂｏｆｌａｖｉｎ／ＰＥＧＭＡ水溶液を約０．６ｍＬ滴下して表面全体を覆った。図１６の（２）は、メンブレン９２Ａの表面にＲｉｂｏｆｌａｖｉｎ／ＰＥＧＭＡ水溶液を塗布する様子を示す。図１６の（２）においてはテフロン（登録商標）クランプを省略している。

次に、メンブレン９２ＡをＵＶランプの真下に置いて、２分３０秒のＵＶ照射を行った。ＵＶ照射は、セン特殊光源（株）（ＳＥＮ ＬＩＧＨＴＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ）の紫外線照射装置ＨＬＲ１００Ｔ−２と、高圧水銀ランプ電源ＨＢ１００Ａ−１を用いた。高圧水銀ランプ電源ＨＢ１００Ａ−１は、定格入力電力１１５Ｗである。水銀ランプとサンプルとの距離は約１２ｃｍにセットした。図１６の（３）は、メンブレンにＵＶ照射する様子を示す。

次に、メンブレン９２Ａ上のＲｉｂｏｆｌａｖｉｎ／ＰＥＧＭＡ水溶液を廃棄し、メンブレン９２Ａを純水ですすいだ後、窒素ドライヤーで水溶液を除去した。

次に、メンブレンをテフロン（登録商標）クランプから外し、約３０分間、室温の窒素雰囲気中で乾燥した。

その後、メンブレン９２Ａを再度、テフロン（登録商標）クランプにセットし、メンブレン９２Ａの裏面も同様に処理した。

上記の処理において、始めに疎水性の多孔質メンブレン９２Ａを用いているので、Ｒｉｂｏｆｌａｖｉｎ／ＰＥＧＭＡ水溶液を滴下した際に、Ｒｉｂｏｆｌａｖｉｎ／ＰＥＧＭＡ水溶液はメンブレン９２Ａの表面部分のみと接触する。この状態でＵＶ照射を行うと、ＰＶＤＦメンブレン９２Ａの表面付近においてＰＥＧＭＡによるグラフト重合が行われる。

この結果、多孔質メンブレン９２Ａの表面部分にＰＥＯからなる親水基が導入される。図１４はこの様子を示す図である。図１４に示すように、多孔質高分子メンブレン９２Ａ（図１４では、多孔質高分子層１０３として図示。）の表面に親水基導入層１４０１が形成される。親水基導入層１４０１の厚さは、一例として、およそ０．１μｍ以上でおよそ１μｍ以下であると考えられる。図１７は、多孔質メンブレン９２Ａ（図１４では、多孔質高分子層１０３として図示。）の表面部分に親水基導入層１４０１が形成されている様子を模式的に示す図である。図１７に示すように、多孔質メンブレン９２Ａ（図１４では、多孔質高分子層１０３として図示。）の表面近くの孔が親水基を含む物質（親水基導入層１４０１）でカバーされている。なお、図１７においては、メンブレン９２Ａ（図１４では、多孔質高分子層１０３として図示。）の裏面の構造を省略している。

［導電性高分子層の形成］
まず、次の手順に従ってＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ水分散液にポリエチレンオキシド（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ、略称ＰＥＯ）を混合した混合液を作製した。ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ水分散液はＨ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ社（Ｈ．Ｃ．スタルク社）のＣＬＥＶＩＯＳ ＰＨ５００を用いた。ＣＬＥＶＩＯＳ ＰＨ５００はＰＥＤＯＴとＰＳＳとの割合がおよそ１：２．５であり、固形分の割合はおよそ１．０〜１．３％である。ＰＥＯは、シグマアルドリッチ社の重量平均分子量（Ｍｗ）が１０００００のものを用いた。１９．８ｇのＰＨ５００（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ水分散液）に対して、０．２ｇのＰＥＯを混合することによって、ＰＨ５００＋ＰＥＯ１ｗｔ％混合液を調合した。そして、この混合液を１０時間以上、攪拌してから使用した。

次に、親水化処理を行った多孔質メンブレン９２Ａの表面に対して、以下の手順でＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ／ＰＥＯからなる導電性高分子層を形成した。

まず、親水化処理を行ったメンブレン９２Ａをテフロン（登録商標）クランプにセットして、上記のＰＨ５００＋ＰＥＯ１ｗｔ％混合液をスポイトで６０滴、メンブレン９２Ａに滴下した。１滴当たりの重量は約０．０３４ｇだった。混合液を滴下したメンブレン９２Ａを恒温槽に入れて、４５℃の窒素雰囲気中で約５時間乾燥を行った。恒温槽は、Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｃ．（米国）のＩｓｏｔｅｍｐ Ｖａｃｕｕｍ Ｏｖｅｎ Ｍｏｄｅｌ ２８０Ａを使用した。窒素流量は約４．０ Ｌ／ｍｉｎに調整した。その後、室温の空気中で１０時間以上、メンブレン９２Ａの乾燥を行った。メンブレン９２Ａの裏面に対しても同様の処理を行い、その後、テフロン（登録商標）クランプからメンブレン９２Ａを外して使用した。

本実施例においては、図１４で説明したように導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂの形成工程の前に疎水性多孔質メンブレン９２Ａ（図１４では、多孔質高分子層１０３として図示。）の表面に親水基導入層１４０１が形成されている。このために、ＰＨ５００＋ＰＥＯ１ｗｔ％混合液をメンブレン９２Ａに滴下した際に、この混合液はメンブレン９２Ａの親水基導入層１４０１の付近にのみ浸透する。この状態で乾燥を行うと、親水基導入層１４０１に導電性高分子の一部が入り込んだ構造となる。また、親水基導入層１４０１と接する部分に、導電性高分子を含む導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂが形成される。

図１５はこの様子を示す図である。図１５に示すように、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂ及び、親水基層１０４ａ，１０４ｂ、及び、多孔質高分子層１０３が積層された構造を持つ。ただし、図１５においては、親水基導入層１４０１に導電性高分子の一部が入り込んだ構造を持つ部分を、親水基層１０４ａ，１０４ｂとして図示している。親水基層１０４ａ，１０４ｂは、多孔質高分子と親水基と多孔質高分子の孔部分に存在する導電性高分子とを含む。親水基層１０４ａ，１０４ｂの厚さは、およそ０．１μｍ以上でおよそ１μｍ以下であると考えられる。また、図１５においては、多孔質メンブレン９２Ａにおいて、親水基層１０４ａ，１０４ｂ以外の部分を多孔質高分子層１０３として記載している。

本実施例においては、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂとしてＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを用いており、ＰＳＳに含まれるスルホン酸基は親水基として作用する。親水基層１０４ａ，１０４ｂにおいて、多孔質高分子層１０３の多孔質高分子の表面部分に重合によって導入されたＰＥＯからなる親水基と、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂのスルホン酸基からなる親水基が相互作用を及ぼすことによって、両部材１０３，１０２ａ及び１０３，１０２ｂの間で強い接着作用が生まれるものと考えられる。さらに、電解質部である多孔質高分子層１０３の骨格及び親水基層１０４ａ，１０４ｂの多孔質高分子の骨格を多孔質高分子でそれぞれ構成しているために、親水基層１０４ａ，１０４ｂは、その多孔質高分子の孔部分に導電性高分子の一部が入り込んだ構造となっている。このために、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂ及び電解質部である多孔質高分子層１０３の両者において接着に寄与する部分の表面積が大きくなるために、両部材間での接着がさらに強固になるものと考えられる。ここで、電解質部は、多孔質高分子層１０３の固体の多孔質高分子及び親水基層１０４ａ，１０４ｂの多孔質高分子とで構成される部分を指すものとする。

電解質部の骨格材料として親水性の多孔質高分子を用いた場合には、ＰＨ５００＋ＰＥＯ１ｗｔ％混合液を多孔質メンブレン９２Ａの表面に滴下したときに混合液がメンブレン９２Ａの内部に浸み込む。このために、多孔質メンブレン９２Ａの表裏両面に位置する導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂの間で電気的な短絡が生じて正常な動作が妨げられる可能性がある。これに対して、電解質部の骨格材料として疎水性の多孔質高分子を用いた場合には、ＰＨ５００＋ＰＥＯ１ｗｔ％混合液を多孔質メンブレン９２Ａの表面に滴下したときに混合液がメンブレン９２Ａの内部に浸み込むことを防止できる。このために、メンブレン９２Ａの表裏両面に位置する導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂの間の電気的な短絡を防止できて、正常な動作を持続することが可能となり、高い信頼性を保つことができる。図１６の（４）は、メンブレン９２ＡにＰＨ５００＋ＰＥＯ１ｗｔ％混合液を滴下する様子を示す。なお、本明細書においては、ＰＨ５００に１ｗｔ％の濃度でＰＥＯを混合した混合液を「ＰＨ５００＋ＰＥＯ１ｗｔ％混合液」と示す。

次いで、図１６の（５）は、前記メンブレン９２Ａを加熱乾燥する様子を示す。

ここで、図１８は、多孔質高分子層１０３の多孔質メンブレンの表面部分に親水基層１０４ａ，１０４ｂと導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂが形成されている様子を模式的に示す図である。図１８に示すように、多孔質メンブレン９２Ａの表面近くの孔が親水基を含む物質でカバーされており、さらにその孔には導電性高分子を含む物質が入り込んでいる。図１８においては、この部分を親水基層１０４ａとして示している。また、親水基層１０４ａの上側には導電性高分子層１０２ａが形成されている。図１８には示していないが、導電性高分子層１０２ａと親水基層１０４ａとの界面付近では、高分子が絡み合った構造により接着しているものと考えられる。なお、図１８においては、メンブレン９２Ａの裏面の構造を省略している。

［アクチュエータの加工と組み立て］
まず、上記の処理を行ったメンブレン９２ＡをＣＯ_２レーザーによって、駆動素子形成用のメンブレン９２にそれぞれ切断した。切断には、キーエンス社の３軸ＣＯ_２レーザマーカ ＭＬ−Ｚ９５５０を使用した。ＭＬ−Ｚ９５５０は、波長１０．６μｍ、平均出力３０ＷのＣＯ_２レーザーを出力する。ＣＯ_２レーザーを用いて、図３Ａに示す形状に駆動素子形成用のメンブレン９２を切断した。図１６の（６）は、駆動素子形成用メンブレン９２をレーザーによって切断する様子を示す。

次に、アクチュエータの駆動素子形成用のメンブレン９２の図３Ｂに示すエポキシ接着剤塗布部分９０にエポキシ接着剤をつけて、図３Ｃ及び図３Ｄに示すように先端部のマグネット錘接着部分９１に錘としてマグネット３０１を駆動素子形成用メンブレン９２に付着させた。マグネット３０１はネオマグ株式会社のネオジム磁石Ｎ４０を４個使用した。ネオジム磁石Ｎ４０は、Φ１ｍｍ×１ｍｍの円柱型の磁石であり、１個の重さは約６ｍｇである。錘３０１の表面にはカプトンテープを小さく切ったものを貼り付けて使用し、マグネット３０１がアクチュエータの駆動素子形成用メンブレン９２に直接触れないようにした。

エポキシ接着剤が硬化した後、駆動素子形成用メンブレン９２をイオン液体に約５分間以上浸して放置した。イオン液体はＥＭＩ−ＴＦＳＩを用いた。図１６の（７）は、加工したアクチュエータの駆動素子形成用メンブレン９２をイオン液体９４に浸す様子を示す。

次に、図３Ｅ及び図３Ｆに示す駆動素子形成用メンブレン９２の電極接触部分９３の表裏それぞれに、電極１０５ａ，１０５ｂの一例として白金箔を接触させて、この状態で電極把持クランプにはさんで固定した。そして、アクチュエータの駆動素子形成用メンブレン９２の表裏に位置する白金箔それぞれに導線を接続した。

［アクチュエータの駆動実験］
上記のとおり組み立てて完成したアクチュエータ１０１の導線（配線）１０８ａ，１０８ｂに図４に示すように交流電源１００Ａを接続して矩形波を印加して駆動を行った。図４に示すようにアクチュエータ１０１は鉛直方向に動作するように配置して、鉛直方向の真上から錘３０１の中心位置の変位をレーザー変位計で測定した。図１６の（８）は、アクチュエータ１０１に電極１０５ａ，１０５ｂと配線１０８ａ，１０８ｂの電源１００Ａとを接続する様子を示す。 交流電源１００Ａは、北斗電工社のポテンショスタットＨＡ−１５１Ａを使用した。矩形波は、図５に示すように最大電圧１．５Ｖ、最小電圧０Ｖ、周波数０．６６６７Ｈｚ、デューティー比３３．３３％のものを使用した。レーザー変位計は、キーエンス社のＬＫ−０３０を用いた。

図６に駆動結果を示す。図６において、最大位置と最小位置はそれぞれ、アクチュエータ１０１が１回の往復動作をするときに達する、アクチュエータ１０１の一端の最高点と最低点の位置を示す。アクチュエータ１０１の一端の振幅は、最大位置と最小位置との距離を示す。図６からわかるように、６００００回の駆動を行ったときに、振幅はおよそ３００μｍから５００μｍの間で変化した。また、最小位置はおよそ６０μｍと−１４０μｍとの間で変化して、１００００回から６００００回の駆動の間では最小位置はおよそ単調に減少した。これは錘３０１が受ける重力によりアクチュエータ１０１が重力方向に変形したものと思われる。しかし、その変形の量は６０万回で約２００μｍであり、比較的小さいことがわかった。

以上の結果から、本実施例の構成の屈曲型導電性高分子アクチュエータ１０１は長時間駆動したときの変形が小さいために、安定した長時間駆動が可能であることが示された。

また、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳは化学的に活性な五員環のβ位が予め酸素によって修飾され不活性化されているために酸化劣化を受けにくいという特徴を持っており、ポリピロールに比べて化学的に安定であるという特徴がある。特に高温下での導電率劣化や、長時間駆動を行ったときの性能劣化に関して、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを用いた場合はポリピロールを用いた場合に比べて劣化が小さいという特徴を持つ。

このことから、本構成の導電性高分子アクチュエータ１０１は化学的に安定であり、高温下での導電率劣化が小さいとともに、長時間駆動を行ったときの性能劣化が小さいという特徴を持つ。

また、導電性が高いポリピロールを製膜するためには、一般的に電解重合によって製膜される。電解重合の場合、製膜のための装置が大掛かりとなり、製膜時間も長時間必要であるなどの問題点がある。これに対して、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを用いた本構成の導電性高分子アクチュエータ１０１は、スピンコート、スリットコート、バーコート、ディップ、又は、キャスト法を用いることで大面積基板に均一な厚みの導電性高分子膜を容易に実現することができて、量産化に適しているという特徴を持つ。

なお、ＰＥＯは、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂの機械的強度及び導電性を向上する効果を持つ。

なお、前記アクチュエータ１０１において、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）の代わりに、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を用いても良い。例えば、分子量８０００のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を用いることが可能である。

ポリエチレングリコール（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｇｌｙｃｏｌ、略称 ＰＥＧ）は、エチレングリコールが重合した構造を持つ高分子化合物である。 ポリエチレンオキシド（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ、略称ＰＥＯ）も基本的に同じ構造を有する化合物であるが、分子量が小さいものはＰＥＧとよばれ、分子量が大きいものはＰＥＯとよばれている。本明細書においては、ＰＥＧは分子量 ５０，０００ ｇ／ｍｏｌ 以下のものを指し、ＰＥＯはより高分子量のものを指すものとする。

一般的にＰＥＧもしくはＰＥＯは、その分子量が大きいほど分子サイズは大きくなり融点が高くなる。ＰＥＧを用いる場合には分子量が小さいと融点が低いために高温での駆動においてＰＥＧがメンブレン９２の内部に浸透して動作安定性が劣化する問題がある。そこでＰＥＧの分子量は１０００以上が望ましく、１００００以上が特に望ましい。

なお、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを含む分散液をメンブレン９２に塗布した後、電解重合などの公知の方法によって導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂをメンブレン９２の表面に積層しても良い。この場合、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳと、積層される導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂとの間は高分子の絡み合いによって接着されているものと考えられる。導電性高分子を電解重合する場合、ＰＥＤＯＴ又はポリピロールなどを電解重合する方法が考えられる。

導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂは、図１９Ａに示すように多孔質高分子層１０３（一例として、メンブレン９２）の表面及び裏面のそれぞれの全面に形成しても良い。また、図１９Ｂ若しくは図１９Ｃに示すように、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂは、多孔質高分子層１０３（一例として、メンブレン９２）の表面の一部分及び裏面の一部分にそれぞれ形成しても良い。電圧印加を確実に行うために、電極１０５ａ，１０５ｂの部分と接触する部分には、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂを形成することが望ましい。また、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂを形成する部分には、多孔質高分子層１０３（一例として、メンブレン９２）との接着を確実にするために親水基層１０４ａ，１０４ｂを形成することが望ましい。なお、図１９Ａ〜図１９Ｃにおいては、親水基層１０４ａ，１０４ｂは省略している。多孔質高分子層１０３（一例として、メンブレン９２）の一部に導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂを形成した場合、多孔質高分子層１０３（一例として、メンブレン９２）を局所的に変形できる効果がある。また、金属からなる外部部品と直接接触する部分には、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂを形成せずに、電気的短絡を防止することも可能である。

（実施例２）
まず、実施例１と同様の方法で、多孔質メンブレン９２に対するクリーニング処理、多孔質メンブレン９２の表面の親水化処理、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂの形成を順に行った。ただし、導電性高分子層１０２ａ，１０２ｂの形成において、ＰＨ５００＋ＰＥＯ１ｗｔ％混合液の滴下数を５０滴とした。

次に、実施例１と同様の方法でアクチュエータ１０１の加工と組み立てを行った。

次に、上記のとおり組み立てたアクチュエータ１０１を用いて、図４と同様の構成で駆動実験を行った。ただし、本実施例２では、固定の大きさの電圧で固定の大きさの屈曲動作を繰り返し行う場合を想定して、図９Ａに示す方法で駆動電圧の印加を行った。以下詳細を説明する。

図９Ａに示すアルゴリズムにおいて、変数「ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」はアクチュエータ１０１の変位を測定した値である。変数「ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｔｉｍｅ」は現在時刻を測定した値である。変数「Ｖｏｌｔａｇｅ」はアルゴリズムによって計算される値であり、この値の電圧を印加する。「ＶＯＬＭＡＸ」，「ＶＯＬＭＩＮ」，「ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ」，「ＷＡＩＴＭＵＬＴＩＰＬＩＥＲ」はそれぞれあらかじめ定められた定数である。変数「ｄｉｓｍｉｎ」，「ｖｏｌ＿ｓｔａｒｔｔｉｍｅ」，「ｗａｉｔ＿ｓｔａｒｔｔｉｍｅ」，「ｔ＿ｗａｉｔ」はアルゴリズムにおいて算出されるパラメータであり、変数「Ｖｏｌｔａｇｅ」の計算に使用される。

図９ＡのステップＳ１では、まず、変数「ｄｉｓｍｉｎ」を、変数「ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」、すなわち、アクチュエータ１０１の変位を測定した値とする。また、変数「Ｖｏｌｔａｇｅ」を、定数「ＶＯＬＭＡＸ」とする。さらに、変数「ｖｏｌ＿ｓｔａｒｔｔｉｍｅ」を、変数「ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｔｉｍｅ」、すなわち、現在時刻を測定した値とする。

次いで、ステップＳ２では、変数「ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」の値から変数「ｄｉｓｍｉｎ」の値が引き算され、この結果の値が、あらかじめ定められた定数である閾値「ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ」以上であるか否か判断される。引き算の結果の値が閾値「ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ」未満であれば、ステップＳ３に進む。引き算の結果の値が閾値「ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ」以上であれば、ステップＳ４に進む。

ステップＳ３では、また、変数「Ｖｏｌｔａｇｅ」を、定数「ＶＯＬＭＡＸ」としたのち、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ４では、パラメータ「ｔ＿ｗａｉｔ」を、変数「ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｔｉｍｅ」の値から「ｖｏｌ＿ｓｔａｒｔｔｉｍｅ」の値を引き算したのち、定数「ＷＡＩＴＭＵＬＴＩＰＬＩＥＲ」と乗算を行う。また、変数「Ｖｏｌｔａｇｅ」を、定数「ＶＯＬＭＩＮ」とする。また、変数「ｗａｉｔ＿ｓｔａｒｔｔｉｍｅ」を変数「ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｔｉｍｅ」の値とする。

次いで、ステップＳ５では、変数「ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｔｉｍｅ」の値から「ｗａｉｔ＿ｓｔａｒｔｔｉｍｅ」の値を引き算したのち、その結果の値が「ｔ＿ｗａｉｔ」以上であるか否か判断される。引き算の結果の値が「ｔ＿ｗａｉｔ」未満であれば、ステップＳ６に進む。引き算の結果の値が「ｔ＿ｗａｉｔ」以上であれば、ステップＳ７に進む。

ステップＳ６では、変数「Ｖｏｌｔａｇｅ」を、定数「ＶＯＬＭＩＮ」としたのち、ステップＳ５に戻る。

ステップＳ７では、変数「ｄｉｓｍｉｎ」を、変数「ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ」、すなわち、アクチュエータ１０１の変位を測定した値とする。また、変数「Ｖｏｌｔａｇｅ」を、定数「ＶＯＬＭＡＸ」とする。さらに、変数「ｖｏｌ＿ｓｔａｒｔｔｉｍｅ」を、変数「ｃｕｒｒｅｎｔ＿ｔｉｍｅ」、すなわち、現在時刻を測定した値とする。その後、ステップＳ１に戻る。

図４において変位の方向は、鉛直方向の上向き（図４において上方向）を正の方向とする。また、図４において印加電圧は、下側の電極を基準としたときの上側の電極の電位として定義する。

図９Ｂは、図９Ａの方法で本実施例２のアクチュエータ１０１を駆動したときの変位と電圧（印加電圧）との時間変化の例を模式的に示した図である。

本実施例２のアクチュエータ１０１を実際に駆動した場合には、図９Ｂの例と同様に、電圧が正のときに、変位が正の方向に変化した。すなわち、図１０に示すように、高い電圧が印加されている電極側にアクチュエータ１０１の先端部が屈曲する動作を繰り返した。

本実施例２では図９Ａのアルゴリズムにおいて、ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ＝３００μｍ、ＶＯＬＭＡＸ＝１．４Ｖ、ＶＯＬＭＩＮ＝−１．４Ｖ、ＷＡＩＴＭＵＬＴＩＰＬＩＥＲ＝１．５とした。

この場合の駆動実験結果を図１１〜図１３に示す。

図１１は十分に時間が経過してアクチュエータ１０１の動作が定常になった場合の動作例として、駆動開始から５０００００秒経過したときの電圧、電流、変位の時間変化を示す。横軸の時間は、駆動開始から５０００００秒経過した時刻を０としている。

図１２は駆動開始から１５０００００秒経過するまでの時間における、駆動周波数の時間変化を示す。駆動開始からおよそ４０００００秒までは駆動周波数が増加している。これは導電性高分子アクチュエータ１０１のトレーニング効果とよばれる効果の一種であると考えられて、動作継続に従ってアクチュエータ１０１の駆動効率が向上しているものと考えられる。４０００００秒以降、特に７０００００秒以降は駆動周波数が減少しているがこれは長時間駆動による性能劣化であると考えられる。

図１３は駆動開始から１５０００００秒経過するまでの各時間における、累計駆動回数の変化を示す。約８０００００秒経過した時点で累計駆動回数が１００００００回に達している。これまで、導電性高分子を用いた屈曲型アクチュエータにおいて１００００００回の駆動を安定して継続した報告はなく、本実施例２のアクチュエータ１０１は、これまでに開発されてきたものよりも安定した長時間駆動が可能であることが示された。

（比較例１）
スライドグラス上に、５重量パーセントのジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、１重量パーセントのポリエチレングリコール８０００を溶解したＰＥＤＯＴとＰＳＳ混合体の水分散液（スタルク社製、商品名バイトロンＰＨ５００）を所定量滴下した後、乾燥して溶媒を揮発させ、スライドグラス上に導電性高分子膜を形成した。次に、剃刀を用いて導電性高分子膜をスライドグラスから剥離した。得られた導電性高分子膜は平均厚さ１０μｍであった。

次に、イオン液体ＥＭＩ−ＴＦＳＩとフッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体［Ｐ（ＶＤＦ／ＨＦＰ）］を重量比８：２で混合して十分攪拌することによってイオンゲル前駆体を作製した。

厚み０．１ｍｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートとスライドグラスとを密着させたものを２組作製した。そして、二つのＰＥＴシートが所定の間隔を空けて対向するように、４０μｍ厚のコンデンサセパレータ紙を挟んで作製したスライドガラスを密着させた。この時、コンデンサセパレータ紙にイオンゲル前駆体を含浸させておいた。その後、恒温槽にて１００℃、３０分間加熱し、その後、室温に冷却することで厚さ４０μｍのイオンゲル含浸紙を得た。ＰＥＴシートとイオンゲル含浸紙は容易に剥離できた。以下、ここで得られたイオンゲル含浸紙を電解質イオンゲルと記す。

電解質イオンゲルの両面に導電性高分子膜を対向させて重ね、恒温槽にて１００℃、３０分間加熱し、その後室温に冷却することで、導電性高分子膜／電解質イオンゲル／導電性高分子膜の三層構造体を形成した。

この三層構造体に対して、実施例１と同様に加工と組み立てを行い、屈曲型導電性高分子アクチュエータを作製した。そして実施例１の図４と同様の構成を用いて駆動実験を行った。ただし、矩形波は図７に示す波形のものを用いた。実験結果を図８に示す。

図８からわかるように、６００００回の駆動を行ったときに、振幅はおよそ２６０μｍから１６０μｍの間で変化した。また、最小位置はおよそ−６００ｍから−２７００μｍにおよそ単調に減少した。これは錘がうける重力によりアクチュエータが重力方向に変形したものと思われる。本比較例においては、その変形の量は６０万回で約２１００μｍであり、実施例１に比べて約１０倍の大きい値であることがわかった。

なお、本比較例においては実施例１に比べて駆動電圧及び駆動周波数が異なるが、これは、両者の間で振幅をおよそ同じ値にして比較を行うためである。結果として、本比較例は実施例１に比べて振幅が小さいにも関わらず駆動に伴う変形の量が大きいために、長時間駆動を行った際の安定性及び信頼性が低いことが示された。

（比較例２）
実施例１と同様の方法で、多孔質メンブレンに対するクリーニング処理、多孔質メンブレンの表面の親水化処理、導電性高分子層の形成を行った。ただし、多孔質メンブレンとしてフィルター孔径が０．４５μｍのものを使用した。この結果、導電性高分子層の形成を行った際にＰＨ５００＋ＰＥＧ１ｗｔ％混合液がメンブレンの内部にまでしみこんだ。この場合、メンブレンの表裏両面の間で電気的な短絡が生じると考えられる。そこで多孔質メンブレンとしてフィルター孔径が０．４５μｍのものを使用した場合、正常な動作を行うための信頼性が損なわれることがわかった。

（比較例３）
一般的にＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの導電性を向上する手段としてｄｉｍｅｔｈｙｌ ｓｕｌｆｏｘｉｄｅ （ＤＭＳＯ）を混合する手法が知られている。これに従い、本比較例においては導電性高分子層の形成において、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ水分散液ＰＨ５００に対して５ｗｔ％の比率でＤＭＳＯを混合した混合液を使用した。この結果、導電性高分子層の形成を行った際にＰＨ５００／ＤＭＳＯ混合液がメンブレンの内部にまでしみこんだ。この場合、メンブレンの表裏両面の間で電気的な短絡が生じると考えられる。そこで、ＰＨ５００／ＤＭＳＯ混合液を使用した場合、正常な動作を行うための信頼性が損なわれることがわかった。

（比較例４）
本比較例においては、「多孔質メンブレンに対するクリーニング処理」及び「多孔質メンブレンの表面の親水化処理」を実施しなかった。すなわち、実施例１と同様の多孔質メンブレンに対して、「多孔質メンブレンに対するクリーニング処理」及び「多孔質メンブレンの表面の親水化処理」を実施せず、実施例１と同様の方法でＰＨ５００＋ＰＥＧ１ｗｔ％混合液を滴下して乾燥することで導電性高分子層の形成を行った。この後、実施例１と同様の方法でアクチュエータの加工と組み立て、及び、アクチュエータの駆動実験を行った。この結果、本比較例のアクチュエータは数回の屈曲動作を行った後に、導電性高分子層が剥離して正常な動作を継続することができなかった。

そこで、多孔質メンブレンに対するクリーニング処理、及び、多孔質メンブレンの表面の親水化処理は、アクチュエータの機械強度を向上して安定した長時間駆動を実現するために効果があることが示された。

なお、上記様々な実施形態又は実施例又は変形例のうちの任意の実施形態又は実施例又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる導電性高分子アクチュエータおよび及びアクチュエータ用駆動素子の製造方法によれば、小型かつ軽量で柔軟性に富む高信頼性のアクチュエータを簡便に製造することが可能となり、医療、産業、及び家庭用のロボット、またはマイクロマシンなどの分野において好適に用いることができる。

９０ エポキシ接着剤塗布部分
９１ マグネット錘接着部分
９２ 駆動素子形成用のメンブレン
９２Ａ メンブレン
９３ 電極接触部分
９４ イオン液体
１００ 電源
１０１ アクチュエータ
１０２ａ，１０２ｂ 導電性高分子層
１０３ 多孔質高分子層
１０４ａ，１０４ｂ 親水基層
１０５ａ，１０５ｂ 電極
１０６ アクチュエータ用駆動素子
１０７ スイッチ
２０１ アクチュエータ
２０２ａ、２０２ｂ 導電性高分子膜
２０３ 固体電解質膜
２０４ａ、２０４ｂ 電極
３０１ マグネット
１４０１ 親水基導入層

Claims (10)

1. 電解質を含み多孔質の高分子で構成される固体の多孔質高分子層と、
   前記多孔質高分子層に接触するように配置され、多孔質高分子と親水基と前記多孔質高分子の孔部分に存在するＰＥＤＯＴ／ＰＳＳの導電性高分子とを含む親水基層と、
   前記親水基層に接触するように配置され導電性高分子を含む導電性高分子層と、
   前記導電性高分子層に接触する電極部と、
   前記電極部に電圧を印加する電源部とを備える導電性高分子アクチュエータ。
2. 前記多孔質高分子層は、電解質を含む多孔質の疎水性高分子からなることを特徴とする請求項１に記載の導電性高分子アクチュエータ。
3. 前記親水基は、ポリエチレンオキシドであることを特徴とする請求項１又は２に記載の導電性高分子アクチュエータ。
4. 前記疎水性高分子はフッ素樹脂からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
5. 前記親水基層は重合によって親水基が導入されている構造を持つことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
6. 前記親水基層の厚さは、前記固体高分子層の表面から０．１μｍ以上の厚さでかつ前記固体高分子層と前記導電性高分子層とで構成される駆動素子の厚さの１／１０の厚さ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ。
7. 疎水性多孔質メンブレンの表面を親水化する親水化工程と、
   前記メンブレンに導電性高分子の水分散液を塗布する塗布工程と、
   前記塗布工程で前記メンブレンに塗布した液を乾燥する乾燥工程と、
   前記疎水性多孔質メンブレンに電解質を含浸する電解質含浸工程とを含む
   導電性高分子アクチュエータ用駆動素子の製造方法。
8. 前記親水化工程は、ＰＥＧＭＡをグラフト重合する工程を含む請求項７に記載の導電性高分子アクチュエータ用駆動素子の製造方法。
9. 前記親水化工程は、ＵＶ照射処理を含む請求項７に記載の導電性高分子アクチュエータ用駆動素子の製造方法。
10. 前記水分散液は、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳを含む分散液であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載の導電性高分子アクチュエータ用駆動素子の製造方法。

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