JP2013038956A - Actuator and method of manufacturing the same - Google Patents

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アミータ ゴーヤル
Tetsuo Hino
哲男 日野
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潤 山本
Sakae Suda
栄 須田
Sotomitsu Ikeda
外充 池田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bending drive type actuator having high deformation response characteristics and a large generation force.SOLUTION: An actuator includes a pair of electrodes and an electrolyte layer disposed between the pair of electrodes, and is deformed by application of voltage between the pair of electrodes. The electrolyte layer includes an electrolyte, a matrix supporting the electrolyte in a cavity and comprising a polymeric material, and a matrix reinforcement material for reinforcing the matrix. At least part of the matrix reinforcement material is embedded in the matrix.

Description

本発明はアクチュエータおよびその製造方法に関する。特に、高分子材料を用いたソフトアクチュエータに関する。   The present invention relates to an actuator and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a soft actuator using a polymer material.

柔軟性があり軽量の高分子アクチュエータ(ソフトアクチュエータとも呼ぶ)は、ロボット工学から医療機器、マイクロマシン、センサーおよび同種のものなど多岐にわたる分野で幅広い用途が期待でき、その開発に注目が高まっている。電気活性高分子アクチュエータの技術は、この分野で特に有望な選択肢の1つになっている。電気活性高分子アクチュエータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換することで膨張および収縮を示すものである。具体的には、ゲルアクチュエータ、イオン交換樹脂膜−金属錯体(IPMC:ion−exchange resin film−metal complex)アクチュエータ、高分子CNT(Carbon nanotube)組成物アクチュエータなどが知られている。   Flexible and lightweight polymer actuators (also called soft actuators) can be expected to be used in a wide range of fields, from robotics to medical equipment, micromachines, sensors, and the like, and their development is attracting attention. Electroactive polymer actuator technology has become one of the particularly promising options in this field. Electroactive polymer actuators exhibit expansion and contraction by converting electrical energy into mechanical energy. Specifically, gel actuators, ion-exchange resin film-metal complex (IPMC) actuators, polymer CNT (Carbon nanotube) composition actuators, and the like are known.

特許文献1には、カーボンナノチューブを有する高分子ゲルの電極と、該ゲル電極間に配置した高分子ゲル電解質とからなるゲル型アクチュエータが記載されており、これは一対の電極の間に電圧を印加するとアクチュエータが屈曲する。かかるアクチュエータは、空気中でも、または真空中でも低電圧で動作し得るが、高分子ゲル電解質で作成した中間層はイオンの移動が生じにくく、変位量を大きくすることが難しかった。   Patent Document 1 describes a gel-type actuator comprising a polymer gel electrode having carbon nanotubes and a polymer gel electrolyte disposed between the gel electrodes. When applied, the actuator bends. Such an actuator can operate at a low voltage in air or in a vacuum, but an intermediate layer made of a polymer gel electrolyte is difficult to cause ion movement, and it is difficult to increase the amount of displacement.

また特許文献2には、中間層として高分子を用いて構成された膜状の成形体を用い、成形体をイオン液体で膨潤したアクチュエータが記載されている。また、成形体には破断強度や弾性率を調製する目的で高分子材料や、無機材料を添加してもよい、との記載がある。しかし、変位量を維持しつつ、破断強度を強化するための具体的な添加方法は何ら記載されていない。   Patent Document 2 describes an actuator in which a film-shaped molded body configured using a polymer as an intermediate layer is used and the molded body is swollen with an ionic liquid. Further, there is a description that a polymer material or an inorganic material may be added to the molded body for the purpose of adjusting the breaking strength and the elastic modulus. However, there is no description of any specific addition method for enhancing the breaking strength while maintaining the displacement.

特開2005−176428号公報JP 2005-176428 A 特開2009−278787号公報JP 2009-278787 A

中間層に多孔質構造体を用いることで、イオンの移動性が向上し、変位応答性の高いアクチュエータとなりうるが、多孔質構造であるが故、バルク体に対して変形時の強度に課題が生じる。   By using a porous structure for the intermediate layer, the mobility of ions can be improved and the actuator can have a high displacement response. However, because of the porous structure, there is a problem with the strength of the bulk body during deformation. Arise.

そしてさらに、破断強度を強化する目的で単に補強材を成形体に混入させただけでは、破断強度の強化に効率の低い穴空間内に大量の補強材が配置されてしまう上に、これがイオン移動の妨げとなる。すなわち、補強効果が低い上に、さらに変位量が低下してしまう、という課題があった。   Furthermore, if a reinforcing material is simply mixed in the molded body for the purpose of enhancing the breaking strength, a large amount of the reinforcing material is disposed in the hole space having a low efficiency for enhancing the breaking strength. It becomes an obstacle. That is, there is a problem that the reinforcing effect is low and the displacement amount is further reduced.

すなわち、本発明は、上記の課題を解決し、変形応答特性が高く、且つ変位量の大きな屈曲駆動型のアクチュエータおよびその製造方法を提供することを目的とする。   That is, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a bending drive type actuator having a high deformation response characteristic and a large amount of displacement, and a manufacturing method thereof.

上記課題を解決するために、本発明に係るアクチュエータは、一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータであって、前記電解質層が、電解質と、該電解質を空隙に有する高分子材料のマトリクスと、該マトリクス中に分散された、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有し、
該電解質層中の90重量%以上の該マトリクス補強材において、それぞれの少なくとも一部分が前記マトリクスに埋め込まれていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, an actuator according to the present invention has a pair of electrodes and an electrolyte layer disposed between the pair of electrodes, and a voltage is applied between the pair of electrodes. An actuator that deforms, wherein the electrolyte layer includes an electrolyte, a matrix of a polymer material having the electrolyte in a gap, and a matrix reinforcing material that is dispersed in the matrix and reinforces the matrix. And
In the matrix reinforcing material of 90% by weight or more in the electrolyte layer, at least a part of each is embedded in the matrix.

本発明によれば、各々のマトリクス補強材の少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれていることで、マトリクスが直接的に補強される。マトリクス中に埋め込まれたマトリクス補強材が、電解質層中に存在する全量の90重量%以上を占めることで、上記の補強効果を確実に生ぜしめ、且つ空隙に配した電解質のイオン移動を妨げる確率を低下させることができる。これにより、補強材をマトリクス中に均一に配置した場合に比べても骨格構造の補強に大きく貢献し、且つイオン移動を遮蔽することがないので、変形応答特性が高く、且つ変位量の大きな屈曲駆動型のアクチュエータを提供することができるようになる。   According to the present invention, at least a part of each matrix reinforcing material is embedded in the matrix, whereby the matrix is directly reinforced. Probability that the matrix reinforcing material embedded in the matrix occupies 90% by weight or more of the total amount present in the electrolyte layer, so that the above-mentioned reinforcing effect is surely produced and the ion migration of the electrolyte disposed in the void is prevented. Can be reduced. This greatly contributes to the reinforcement of the skeletal structure even when the reinforcing material is uniformly arranged in the matrix and does not shield the ion movement, so that the bending response characteristic is high and the displacement is large. A drive type actuator can be provided.

本発明に係るアクチュエータの構造を図示する模式図であり、(a)は外観の模式図、(b)は高分子繊維マトリクスを有する電解質層2を拡大した模式図、(c)は多孔性高分子材料のマトリクスを有する電解質層2を拡大した模式図である。It is the schematic diagram which illustrates the structure of the actuator which concerns on this invention, (a) is a schematic diagram of an external appearance, (b) is the schematic diagram which expanded the electrolyte layer 2 which has a polymer fiber matrix, (c) is highly porous. It is the schematic diagram which expanded the electrolyte layer 2 which has a matrix of molecular material. アクチュエータの動作を図示する模式図であり、(a)は電圧を印加する前(オフ状態)、(b)は電圧を印加した後(オン状態)の図である。It is a schematic diagram which illustrates operation | movement of an actuator, (a) is a figure before applying a voltage (OFF state), (b) is a figure after applying a voltage (ON state). (a)は、高分子繊維中に高アスペクト比のマトリクス補強材を含む電解質層、(b)は、多孔性高分子材料のマトリクス中に高アスペクト比のマトリクス補強材を含む電解質層を図示する。(A) illustrates an electrolyte layer including a high aspect ratio matrix reinforcing material in a polymer fiber, and (b) illustrates an electrolyte layer including a high aspect ratio matrix reinforcing material in a matrix of a porous polymer material. . 本発明に係るアクチュエータを示す図であり、(a)は高アスペクト比のマトリクス補強材を含む高分子繊維電解質層、(b)は高アスペクト比のマトリクス材料を包み込む高分子繊維の一部を拡大した模式図である。1A and 1B are diagrams showing an actuator according to the present invention, in which FIG. 1A is a polymer fiber electrolyte layer including a matrix reinforcing material having a high aspect ratio, and FIG. FIG. (a)は実施例1と比較例1のアクチュエータとにより得られる変位の比較を示す。(b)は実施例1と比較例1のアクチュエータとにより得られる歪みの比較を示す。(A) shows the comparison of the displacement obtained by Example 1 and the actuator of the comparative example 1. FIG. (B) shows the comparison of the distortion obtained by the actuator of Example 1 and the comparative example 1. FIG. マトリクス中にマトリクス補強材が埋め込まれている様子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a mode that the matrix reinforcement material is embedded in the matrix. 実施例1および比較例1から3のアクチュエータにより得られる歪みの比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the distortion obtained by the actuator of Example 1 and Comparative Examples 1-3.

添付図面を参照しながら、以下に本発明を実施するための最良の形態を記載する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

(アクチュエータの全体構成)
図1(a)のアクチュエータ1は本発明に係る電気活性高分子アクチュエータの外観を図示したものである。このアクチュエータ1は互いに向かい合う一対の電極3および13を有し、その間に電解質層2がある。
(Overall structure of the actuator)
The actuator 1 in FIG. 1A illustrates the appearance of an electroactive polymer actuator according to the present invention. The actuator 1 has a pair of electrodes 3 and 13 that face each other, and an electrolyte layer 2 between them.

図1(b)に示すように、電解質層2は、電解質を空隙に有する高分子材料からなるマトリクス9と、マトリクス9を補強するためのマトリクス補強材10と、を有している。電解質層中に存在する全量の90重量%以上のマトリクス補強材において、それぞれの少なくとも一部分が高分子材料のマトリクス9に埋め込まれている。   As shown in FIG. 1B, the electrolyte layer 2 includes a matrix 9 made of a polymer material having an electrolyte in the gap, and a matrix reinforcing material 10 for reinforcing the matrix 9. In the matrix reinforcing material of 90% by weight or more of the total amount present in the electrolyte layer, at least a part of each is embedded in the matrix 9 of the polymer material.

すなわち本発明において、電解質層中に存在する全量の90重量%以上のマトリクス補強材10は、図6に示すような、少なくとも一部がマトリクスに埋め込まれた状態で存在している。これは図6のようにマトリクスからマトリクス補強材が一部露出している状態であっても良いが、マトリクス内に完全に埋めこまれて露出部分が存在しない状態でも良い。個々のマトリクス補強材においては、その全体積のうち50%以上がマトリクスに埋め込まれていることで、マトリクスへの補強効果が高まり、好ましい。50%未満、特に埋め込み部分が小さくなるほど変形時にマトリクスから剥がれ易くなり、これがイオン移動の妨げになり、好ましくない。   That is, in the present invention, 90% by weight or more of the matrix reinforcing material 10 present in the electrolyte layer is at least partially embedded in the matrix as shown in FIG. This may be in a state in which the matrix reinforcing material is partially exposed from the matrix as shown in FIG. 6, but may be in a state in which it is completely embedded in the matrix and no exposed portion exists. In each matrix reinforcing material, 50% or more of the total volume is embedded in the matrix, which is preferable because the reinforcing effect on the matrix is enhanced. Less than 50%, especially the smaller the embedded portion, the easier it is to peel from the matrix during deformation, which hinders ion migration and is not preferred.

また、マトリクス補強材として、炭素材料などの導電性材料を使用した場合、補強材の割合が多く、且つマトリクスからの露出が大きくなり過ぎると、導電性が顕著に高くなり、電極間でショートしてしまうことがある。このため、電極間の電気抵抗性を維持したまま、補強を達成できる程度の量のマトリクス補強材を添加するべきである。   In addition, when a conductive material such as a carbon material is used as the matrix reinforcing material, if the ratio of the reinforcing material is large and the exposure from the matrix becomes too large, the conductivity becomes remarkably high, and a short circuit occurs between the electrodes. May end up. For this reason, a matrix reinforcing material should be added in such an amount that reinforcement can be achieved while maintaining electrical resistance between the electrodes.

上記の一対の電極3、13の一端は、それぞれに接続する端子4により固定される。端子4は、配線5により外部電源6に接続されている。   One end of the pair of electrodes 3 and 13 is fixed by a terminal 4 connected thereto. The terminal 4 is connected to an external power source 6 by a wiring 5.

上記の一対の電極間に電位差を印加すると、電解質のイオンが電極間の連続的な通路を移動し、各電極の体積に変化が起こる。その結果、アクチュエータの電極が膨張したり、あるいは収縮したりする。   When a potential difference is applied between the pair of electrodes, electrolyte ions move in a continuous path between the electrodes, and the volume of each electrode changes. As a result, the electrode of the actuator expands or contracts.

本発明の電解質層2は、電極間にイオン拡散のための連続的な通路が存在するように、電解質、およびマトリクス補強材、および高分子材料のマトリクスを有している。   The electrolyte layer 2 of the present invention has an electrolyte, a matrix reinforcing material, and a matrix of a polymer material so that a continuous path for ion diffusion exists between the electrodes.

本発明において、高分子材料のマトリクスは、電解質を空隙に配置できるように構成されている。所謂多孔質構造や高分子繊維の繊維同士が一部融着した構造などの、高分子材料が存在しない部分に空隙や空孔を有するものである。   In the present invention, the matrix of the polymer material is configured so that the electrolyte can be disposed in the gap. A part having no polymer material, such as a so-called porous structure or a structure in which polymer fibers are partly fused, has voids and holes.

マトリクスの空隙は、電解質が配置され、また該空隙を利用してイオンが移動するように構成されている。すなわち、電極間のイオンの移動を容易にするために、電極間の方向に空隙の経路が複数存在するマトリクスであることが好ましく、所謂連続泡多孔質膜であったり、一部のみを融着した高分子繊維のマトリクスであったりすると良い。   The voids of the matrix are configured such that an electrolyte is disposed and ions move using the voids. That is, in order to facilitate the movement of ions between the electrodes, the matrix preferably has a plurality of void paths in the direction between the electrodes, and is a so-called open-cell porous film or a part of which is fused. It may be a polymer fiber matrix.

本発明のマトリクスは、その空隙に電解質を十分に保持できるように、電解質の配置前には比較的高い空隙率を有する多孔質構造であることが好ましい。   The matrix of the present invention preferably has a porous structure having a relatively high porosity before disposing the electrolyte so that the electrolyte can be sufficiently retained in the voids.

図1(b)および(c)は、高分子材料のマトリクスがそれぞれ高分子繊維マトリクスおよび多孔性高分子材料のマトリクスである場合の、かかる電解質層を拡大した模式図を示す。   FIGS. 1 (b) and (c) show schematic views of an enlarged electrolyte layer when the polymer material matrix is a polymer fiber matrix and a porous polymer material matrix, respectively.

図1(b)は、高分子繊維マトリクスを有する電解質層を拡大した模式図であり、図1(c)は、マトリクス補強材を含む多孔性高分子材料のマトリクスを有する電解質層を拡大した模式図を示す。見やすいように、模式図に電解質は示していないが、電解質層に存在することが理解される。   FIG. 1B is an enlarged schematic view of an electrolyte layer having a polymer fiber matrix, and FIG. 1C is an enlarged schematic view of an electrolyte layer having a matrix of a porous polymer material including a matrix reinforcing material. The figure is shown. For ease of viewing, the schematic diagram does not show the electrolyte, but it is understood that it is present in the electrolyte layer.

図2は、本発明のイオン移動型高分子アクチュエータの動作を示す模式図であり、図2(a)は電圧を印加する前(オフ状態)、図2(b)は電圧を印加した後(オン状態)である。図には、一端が端子4により固定されるアクチュエータ1の膜厚方向の断面図、および電源6が示されている。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the operation of the ion migration type polymer actuator of the present invention. FIG. 2 (a) is before applying voltage (off state), and FIG. 2 (b) is after applying voltage ( ON state). In the figure, a sectional view in the film thickness direction of the actuator 1 whose one end is fixed by the terminal 4 and a power source 6 are shown.

一対の電極3および13間に電圧を印加すると、電極中では、電解質層2から電極へのイオン(カチオン7およびアニオン8)の移動および静電反発力などに起因する体積の変化が起こり、図2(b)に示すような屈曲運動が生じる。   When a voltage is applied between the pair of electrodes 3 and 13, a change in volume occurs due to the movement of ions (cation 7 and anion 8) from the electrolyte layer 2 to the electrode and electrostatic repulsion in the electrode. A bending motion as shown in 2 (b) occurs.

図2のアクチュエータの各層は柔軟性があり、形状は矩形である。アクチュエータは、端子4により短い方の縁端部の一方に沿って固定され、配線5の両側に電圧を印加するとアクチュエータが図2(b)に示すようにアノード側の方へ屈曲する。   Each layer of the actuator of FIG. 2 is flexible and has a rectangular shape. The actuator is fixed along one of the shorter edges by the terminal 4, and when a voltage is applied to both sides of the wiring 5, the actuator bends toward the anode as shown in FIG.

また、アクチュエータ1の電解質層および電極の配置設計を適切に選ぶことで、屈曲に加えて膨張または収縮、さらにねじれ運動も実現可能である。かかる高分子アクチュエータは、円形、卵形、三角形、四角形、円筒形、らせん形など任意の形状としてもよい。   Further, by appropriately selecting the arrangement design of the electrolyte layer and the electrode of the actuator 1, in addition to bending, expansion or contraction, and further a twisting motion can be realized. Such a polymer actuator may have an arbitrary shape such as a circular shape, an oval shape, a triangular shape, a quadrangular shape, a cylindrical shape, or a helical shape.

アクチュエータの柔軟性を得るには、イオン移動型アクチュエータの中でも高分子ゲル型高分子アクチュエータを使用すると望ましく、CNTを含むイオン液体ゲルからなるCNTゲル型アクチュエータを使用するとさらに望ましい。これを用いれば、空気中での動作が安定し、CNTのヤング率により内部応力が大きいうえ、さらに不揮発性イオン液体を使用するという利点が得られる可能性がある。   In order to obtain the flexibility of the actuator, it is desirable to use a polymer gel type polymer actuator among the ion movement type actuators, and it is more desirable to use a CNT gel type actuator made of an ionic liquid gel containing CNTs. If this is used, there is a possibility that the operation in the air is stabilized, the internal stress is large due to the Young's modulus of the CNT, and further, the advantage of using the nonvolatile ionic liquid is obtained.

図1(a)の高分子アクチュエータの場合、電解質層2は一対の電極3、13の間に配置され、上記の一対の電極の一端は、端子4により固定される。端子4は、配線5により電源6に接続される。   In the case of the polymer actuator shown in FIG. 1A, the electrolyte layer 2 is disposed between the pair of electrodes 3 and 13, and one end of the pair of electrodes is fixed by the terminal 4. The terminal 4 is connected to the power source 6 by the wiring 5.

電解質層2は、一方の電極から他方の電極への連続的な通路が存在するように、マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスを含む。   The electrolyte layer 2 includes a matrix of a polymeric material that includes a matrix reinforcement so that there is a continuous path from one electrode to the other.

マトリクス補強材は、高分子材料のマトリクスの少なくとも一部において部分的に配向していても、または完全に配向していてもよい。   The matrix reinforcement may be partially oriented or fully oriented in at least a portion of the matrix of polymeric material.

図1(b)および図1(c)はそれぞれ、電解質層の高分子材料のマトリクスが高分子繊維マトリクスである場合、多孔性高分子材料のマトリクスである場合を図示する。   FIG. 1B and FIG. 1C illustrate the case where the polymer material matrix of the electrolyte layer is a polymer fiber matrix and the case of a porous polymer material matrix, respectively.

電解質層として、電解質と、マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスとを含み、高分子材料のマトリクスの多孔質構造により電極間に連続的な通路が存在するアクチュエータを提供する。すなわち、マトリクス補強材を含む骨格構造は高い機械的強度を有し、したがって外部からの衝撃、引張、押圧等の負荷に対する耐久性が高い。このため、製造中、または動作中の外部負荷による電解質層の構造の損傷が大きく抑えられる。故に、アクチュエータ構造の耐久性を向上させることができる。さらに、多孔質構造であるが故に、歪みおよび速度の面で性能が高い。   Provided is an actuator that includes an electrolyte and a matrix of a polymer material including a matrix reinforcing material as an electrolyte layer, and a continuous path exists between electrodes due to the porous structure of the matrix of the polymer material. That is, the skeletal structure including the matrix reinforcing material has high mechanical strength, and therefore has high durability against external loads such as impact, tension, and pressure. For this reason, damage to the structure of the electrolyte layer due to an external load during manufacture or operation is greatly suppressed. Therefore, the durability of the actuator structure can be improved. Further, because of the porous structure, the performance is high in terms of strain and speed.

以下に電解質層の構成について、実施形態を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the electrolyte layer will be described in detail using embodiments.

(実施形態1:高分子繊維マトリクス)
図1(b)は、アクチュエータ1の電解質層2を構成する、マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスを拡大した模式図である。この図において、電解質層2bは、高分子繊維マトリクス9、マトリクス補強材10および繊維間の空隙11を有していることが示されている。
(Embodiment 1: Polymer fiber matrix)
FIG. 1B is an enlarged schematic diagram of a matrix of a polymer material that includes the matrix reinforcing material and constitutes the electrolyte layer 2 of the actuator 1. In this figure, the electrolyte layer 2b is shown to have a polymer fiber matrix 9, a matrix reinforcing material 10, and a gap 11 between the fibers.

高分子繊維マトリクス9は、高分子繊維の集合体であり、融着などにより部分的に繊維同士が結合しているものである。繊維の外側は空隙となり、これがイオンの移動経路になるため、アクチュエータ内のイオン移動の効率性は高い。空隙11には、イオンの元となる電解質が配置されている。   The polymer fiber matrix 9 is an aggregate of polymer fibers, and the fibers are partially bonded by fusion or the like. Since the outside of the fiber becomes a void and this becomes an ion movement path, the efficiency of ion movement in the actuator is high. In the gap 11, an electrolyte that is a source of ions is disposed.

高分子繊維の長さは長く、直径については0.005μmから50μmまでの幅があってもよい。単位体積当たりの充填率を調整することで高分子繊維の柔軟性を制御することが可能であり、したがって比較的小さい直径が望ましく、0.01μm〜1μmの間の直径が好ましい。   The length of the polymer fiber is long, and the diameter may have a width from 0.005 μm to 50 μm. It is possible to control the flexibility of the polymer fiber by adjusting the filling rate per unit volume, and therefore a relatively small diameter is desirable, and a diameter between 0.01 μm and 1 μm is preferred.

さらに、高分子繊維マトリクス9内には少なくとも部分的にマトリクス補強材10が存在する。マトリクス補強材は、好ましくは高分子繊維を構成する高分子材料より10倍高い機械的強度を持つ。本実施形態においては、電解質層に存在するマトリクス補強材のうち、少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれた状態で存在するマトリクス補強材は、90重量%以上、具体的には90%〜99.9%である。マトリクス補強材は、粒子または後述する高アスペクト比の炭素材料が好ましい。高アスペクト比の炭素材料としては、長軸と短軸が5:1以上のアスペクト比のものがよく、好ましくは10:1以上のものである。   Furthermore, a matrix reinforcement 10 is present at least partially in the polymer fiber matrix 9. The matrix reinforcement preferably has a mechanical strength that is ten times higher than the polymeric material comprising the polymeric fibers. In the present embodiment, among the matrix reinforcing materials existing in the electrolyte layer, the matrix reinforcing material existing in a state in which at least a part is embedded in the matrix is 90% by weight or more, specifically 90% to 99.9%. It is. The matrix reinforcing material is preferably particles or a carbon material having a high aspect ratio which will be described later. The carbon material having a high aspect ratio is preferably an aspect ratio having a major axis and a minor axis of 5: 1 or more, and preferably 10: 1 or more.

高アスペクト比の炭素材料の場合、炭素繊維ベースの材料が高い機械的強度を持つことが知られているためより好ましい。加えて、高分子繊維の伸長方向と炭素材料の長手方向が配向するように埋め込むと、高分子繊維としての特性がより向上する。マトリクス補強材は、好ましくはそれ自体の機械的強度が高い材料である。   High aspect ratio carbon materials are more preferred because carbon fiber based materials are known to have high mechanical strength. In addition, if the polymer fiber is embedded so that the extending direction of the polymer fiber and the longitudinal direction of the carbon material are oriented, the characteristics as the polymer fiber are further improved. The matrix reinforcement is preferably a material with its own high mechanical strength.

電解質層2に外部の力または圧力が印加されると、マトリクス補強材と高分子材料のマトリクスとの間の相互作用により、その負荷がマトリクス補強材に移動される。このため、電解質層の機械的強度が向上する。   When an external force or pressure is applied to the electrolyte layer 2, the load is moved to the matrix reinforcement due to the interaction between the matrix reinforcement and the matrix of polymer material. For this reason, the mechanical strength of the electrolyte layer is improved.

かかる電解質層は、アクチュエータの製造工程中、たとえばホットプレス工程(電極間に電解質層を挟むことにより高温で一定の圧力を印加する)において、あるいは製造後の動作中において外部負荷(力または圧力)に対して高い耐久性を持つ。   Such an electrolyte layer is applied to an external load (force or pressure) during the manufacturing process of the actuator, for example, in a hot press process (a constant pressure is applied at a high temperature by sandwiching the electrolyte layer between electrodes) or during operation after manufacturing. High durability.

ホットプレスにより作成した一部融着している高分子繊維マトリクスは、その繊維構造は強固であり、アクチュエータの製造または動作中に崩れることはない。したがって、高分子繊維の空隙率または空隙11の低下の程度がかなり小さくなる。   The partially fused polymer fiber matrix produced by hot pressing has a strong fiber structure and does not collapse during the manufacture or operation of the actuator. Therefore, the degree of decrease in the porosity of the polymer fiber or the void 11 is considerably reduced.

電解質層2はマトリクスの空隙に電解質を含む。電極間に電圧を印加すると、対電極間での電解質の移動(アニオンまたはカチオン)のための連続的な通路が存在するため、電解質のカチオンおよびアニオンが電極3、13に向かって容易に拡散できる。   The electrolyte layer 2 contains an electrolyte in the voids of the matrix. When a voltage is applied across the electrodes, there is a continuous path for electrolyte movement (anions or cations) between the counter electrodes, so that the electrolyte cations and anions can easily diffuse toward the electrodes 3,13. .

イオンが電極間で拡散しやすいことから、歪みおよび速度の点でアクチュエータの特徴を改善することができる。   Since the ions easily diffuse between the electrodes, the characteristics of the actuator can be improved in terms of strain and speed.

さらに、移動効率性が低下しないように膜厚は1μm超とし、かつ500μm未満に制御すると良い。電解質層の厚さが厚くなると高強度になる一方で、薄くなると歪みおよび速度が高くなる可能性がある。   Furthermore, the film thickness should be controlled to be more than 1 μm and less than 500 μm so as not to reduce the transfer efficiency. While the thickness of the electrolyte layer is increased, the strength is increased, whereas when the thickness is decreased, the strain and speed may be increased.

しかしながら、こうした厚さが減少するにつれて機械的強度が低下するため、アクチュエータの製造または動作中に外部圧力による電解質層の損傷または破壊の可能性が高まることが知られている。これは、電極間が短絡する可能性を増大させる。   However, it is known that the mechanical strength decreases as these thicknesses decrease, thus increasing the possibility of damage or destruction of the electrolyte layer due to external pressure during the manufacture or operation of the actuator. This increases the possibility of a short circuit between the electrodes.

本形態の電解質層は高い機械的強度を持ち、したがって耐久性が高くて薄い膜とすることができ、さらにその繊維構造によりイオン移動のための連続的な通路を得ることができる。このため、アクチュエータの大きな歪みおよび速度を実現することができる。   The electrolyte layer of this embodiment has a high mechanical strength, and thus can be a highly durable and thin film. Further, the fiber structure can provide a continuous path for ion movement. For this reason, large distortion and speed of the actuator can be realized.

本形態の高分子繊維マトリクスは、表面または内側にマトリクス補強材9を有する。さらに高分子繊維は、アクチュエータの一定の寸法に沿ってランダムでも、配向していても、あるいは部分的に配向していてもよい。機械的強度は、高分子繊維内のマトリクス補強材の配向方向を変更して調整してもよい。   The polymer fiber matrix of this embodiment has a matrix reinforcing material 9 on the surface or inside thereof. Furthermore, the polymer fibers may be random, oriented, or partially oriented along certain dimensions of the actuator. The mechanical strength may be adjusted by changing the orientation direction of the matrix reinforcing material in the polymer fiber.

このため、配向方向により屈曲する機械的強度を自由に調整できるため、状況に応じて、アクチュエータの変位量または出力を向上させることができる。   For this reason, since the mechanical strength bent according to the orientation direction can be freely adjusted, the displacement amount or output of the actuator can be improved according to the situation.

マトリクス補強材として、高アスペクト比の炭素材料を用いる場合、高分子繊維の長さに沿って部分的にまたは完全に配向するとよい。   When a high aspect ratio carbon material is used as the matrix reinforcement, it may be partially or fully oriented along the length of the polymer fiber.

マトリクス補強材の長さが、高分子繊維の長さ寸法に沿って配向すると、高分子繊維材料の機械的強度の増大は非常に大きくなる。このような場合に、電解質層およびアクチュエータの構造耐久性は高くなる。   When the length of the matrix reinforcement is oriented along the length dimension of the polymer fiber, the increase in mechanical strength of the polymer fiber material becomes very large. In such a case, the structural durability of the electrolyte layer and the actuator is increased.

電解質層はさらに、電気抵抗率が高い。好ましくは、電解質は抵抗率が10Ω・m〜1018Ω・mの間である。より好ましくは、電解質層の存在により、アクチュエータの電極間の抵抗が1kΩよりも大きな値となることである。マトリクス補強材として絶縁材料、半導体材料または導電性材料を含めて、それぞれの量を、上述の電気的特性を持つ電解質層が得られるように制御できる。 The electrolyte layer further has a high electrical resistivity. Preferably, the electrolyte has a resistivity between 10 3 Ω · m and 10 18 Ω · m. More preferably, the resistance between the electrodes of the actuator is greater than 1 kΩ due to the presence of the electrolyte layer. Including an insulating material, a semiconductor material or a conductive material as a matrix reinforcing material, the respective amounts can be controlled so that an electrolyte layer having the above-described electrical characteristics can be obtained.

さらに、高分子繊維は内部にイオン液体を保持していてもよく、さらに高分子繊維と高分子繊維との間の空隙にイオン液体を保持していても構わない。   Furthermore, the polymer fiber may hold an ionic liquid inside, and may further hold the ionic liquid in a gap between the polymer fiber and the polymer fiber.

さらに、高分子繊維の断面も特に限定させるものではなく、円、卵形、四角形、多角形、半円でもよく、さらに正確な形状である必要もなく、形状は任意の部分が異なっていても構わない。   Further, the cross section of the polymer fiber is not particularly limited, and may be a circle, an oval, a quadrangle, a polygon, or a semicircle, and does not have to be an accurate shape, and the shape may be different in any part. I do not care.

(実施形態2:多孔性高分子のマトリクス)
図1(c)は、図1(a)のアクチュエータ1の電解質層2を拡大した模式図を示す。電解質層2aは、多孔性高分子材料のマトリクスを有する。図1(c)では、電解質層2aの空隙(細孔)、マトリクス補強材および高分子材料のマトリクスをそれぞれ11、10および12で表す。かかる高分子材料のマトリクスには多数の空隙があり、したがって電解質(アニオンおよびカチオン)が拡散しやすい。
(Embodiment 2: Porous polymer matrix)
FIG.1 (c) shows the schematic diagram which expanded the electrolyte layer 2 of the actuator 1 of Fig.1 (a). The electrolyte layer 2a has a matrix of a porous polymer material. In FIG.1 (c), the space | gap (pore) of the electrolyte layer 2a, the matrix reinforcement material, and the matrix of a polymeric material are each represented by 11, 10 and 12. Such a matrix of polymeric material has a large number of voids, and thus electrolytes (anions and cations) are likely to diffuse.

本実施形態の電解質層は、多くの細孔を持つ構造のマトリクスを有し、その骨格構造(マトリクス)内にマトリクス補強材を含む。本実施形態においても、電解質層に存在するマトリクス補強材のうち、少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれた状態で存在するマトリクス補強材は、90重量%以上、具体的には90%〜99.9%である。   The electrolyte layer of the present embodiment has a matrix having a structure having many pores, and includes a matrix reinforcing material in the skeleton structure (matrix). Also in the present embodiment, the matrix reinforcing material present in a state where at least a part of the matrix reinforcing material existing in the electrolyte layer is embedded in the matrix is 90% by weight or more, specifically 90% to 99.9%. It is.

かかるマトリクス補強材は、粒子でも、または後述する高アスペクト比の炭素材料でもよい。一般に、こうした高アスペクト比の炭素材料は、機械的強度が強い。そのため、多孔性の構造体の強度は、それを骨格構造内に含ませることにより増大する。その結果、アクチュエータを繰り返し駆動しても、アクチュエータは安定して変形する。   Such a matrix reinforcing material may be a particle or a high aspect ratio carbon material described below. In general, such a high aspect ratio carbon material has a high mechanical strength. Therefore, the strength of the porous structure is increased by including it in the skeleton structure. As a result, even if the actuator is repeatedly driven, the actuator is stably deformed.

さらに、電解質層2の構造は製造/加工中、または加工後に崩れずに、高い耐久性を与える。アクチュエータの製造中および製造後の外部負荷による細孔および空隙の損傷は大きく抑制される。このように、高い多孔特性を有する電解質構造により得られる連続的な通路があるため、電極に電圧を印加すると、電極間のイオン拡散が良好となる。   Furthermore, the structure of the electrolyte layer 2 gives high durability without being destroyed during or after manufacturing / processing. Damage to pores and voids due to external loads during and after manufacture of the actuator is greatly suppressed. As described above, since there is a continuous passage obtained by the electrolyte structure having high porous characteristics, when voltage is applied to the electrodes, ion diffusion between the electrodes is improved.

また、マトリクスの空隙は細胞型の閉鎖細孔であってもよいが、良好なイオン拡散のためには空隙が連結されている方が好ましい。   Further, the voids of the matrix may be cell-type closed pores, but it is preferable that the voids are connected for good ion diffusion.

電解質層の空隙率は20体積%超で90体積%未満であることが好ましい。空隙率が20体積%未満である場合、電極間の連続的な通路の体積がわずかであり、アクチュエータの変位量が大きくならない場合がある。一方、空隙率が90体積%よりも大きい場合、電解質層の強度が不十分であり、アクチュエータの製造時、または変形中に電解質層に亀裂が入ることがあり、これが電極間の短絡につながる恐れがある。この場合、空隙率は、水銀圧入法、ガス吸着法、アルキメデス法により測定可能である。   The porosity of the electrolyte layer is preferably more than 20% by volume and less than 90% by volume. When the porosity is less than 20% by volume, the volume of the continuous passage between the electrodes is small, and the displacement of the actuator may not increase. On the other hand, if the porosity is greater than 90% by volume, the strength of the electrolyte layer is insufficient, and the electrolyte layer may crack during manufacture of the actuator or during deformation, which may lead to a short circuit between the electrodes. There is. In this case, the porosity can be measured by a mercury intrusion method, a gas adsorption method, and an Archimedes method.

空隙のサイズは、3mm以下で0.5nm超であることが好ましい。好ましくは、空隙のサイズは500μm以下で1nm超である。   The size of the gap is preferably 3 mm or less and more than 0.5 nm. Preferably, the size of the gap is 500 μm or less and more than 1 nm.

また、マトリクス補強材はマトリクス(高分子骨組み)の表面または内部にある。空隙サイズが500μmより大きい場合、電解質層の強度は不十分であり、変形時に電解質層に亀裂が入ることがある一方で、良好なイオン拡散のためには空隙サイズが1nm以上であるとより望ましい。または、空隙のサイズは、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により測定可能である。   Further, the matrix reinforcing material is on the surface or inside of the matrix (polymer framework). When the gap size is larger than 500 μm, the strength of the electrolyte layer is insufficient, and the electrolyte layer may be cracked at the time of deformation. On the other hand, the gap size is more preferably 1 nm or more for good ion diffusion. . Alternatively, the void size can be measured by mercury porosimetry, gas adsorption, or direct observation with a scanning electron microscope.

さらに、電解質層は電気抵抗率が高い。好ましくは、電解質層は抵抗率が10Ω・m〜1018Ω・mである。より好ましくは、電解質層の存在により、アクチュエータの電極間の抵抗が1kΩよりも大きな値となることである。マトリクス補強材として絶縁材料、半導体材料または導電性材料を含めて、それぞれの量を、上述の電気的特性を持つ電解質層が得られるように制御してもよい。 Furthermore, the electrolyte layer has a high electrical resistivity. Preferably, the electrolyte layer has a resistivity of 10 3 Ω · m to 10 18 Ω · m. More preferably, the resistance between the electrodes of the actuator is greater than 1 kΩ due to the presence of the electrolyte layer. Insulating materials, semiconductor materials, or conductive materials may be included as matrix reinforcing materials, and the respective amounts may be controlled to obtain an electrolyte layer having the above-described electrical characteristics.

(マトリクス補強材)
図1(b)および図1(c)に示されるように、本発明の電解質層は、マトリクス中にマトリクス補強材が分散して配置されている。電解質層に存在するマトリクス補強材のうち、少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれた状態で存在するマトリクス補強材は、90重量%以上、具体的には90%〜99.99%である。残りの10重量%より少ないマトリクス補強材は、上述のマトリクスに埋め込まれなくてもよい。この場合は、マトリクスの空隙に電解質とともに配置されていてもよい。
(Matrix reinforcement)
As shown in FIG. 1B and FIG. 1C, the electrolyte layer of the present invention has a matrix reinforcing material dispersed in a matrix. Of the matrix reinforcing material present in the electrolyte layer, the matrix reinforcing material present in a state in which at least a part is embedded in the matrix is 90% by weight or more, specifically 90% to 99.99%. The remaining less than 10% by weight of the matrix reinforcement need not be embedded in the matrix described above. In this case, you may arrange | position with the electrolyte in the space | gap of a matrix.

図6に示すように、高分子材料のマトリクスに埋め込まれている。マトリクス補強材は、図6のように高分子材料のマトリクスに部分的に包み込まれていても、または完全に包み込まれていてもよい。残りの埋め込まれていないマトリクス補強材は、マトリクスの空隙に、電解質とともにマトリクスから離れて配置されているが、これはイオンの移動に悪影響を与えるため、より少ないことが望まれる。すなわち、マトリクスに埋め込まれているマトリクス補強材の重量をAとし、マトリクスに埋め込まれずにその空隙に配置されている重量をBとすると、マトリクス中に存在する全量は、A+Bとなり、マトリクスに埋め込まれているマトリクス補強材の重量%(X)は、以下の数式のようになる。
X=A/(A+B)×100(%) ・・・(1)
すなわち本発明においては、Xが90%以上である。また電解質層中のマトリクスに埋め込まれているマトリクス補強材の重量%は100%を超えることはなく、好ましくは99.99%以下の値である。
As shown in FIG. 6, it is embedded in a matrix of polymer material. The matrix reinforcement may be partially encased or completely encased in a matrix of polymeric material as shown in FIG. The remaining non-embedded matrix reinforcement is located in the matrix void and away from the matrix along with the electrolyte, but it is desirable to have less as this adversely affects ion migration. That is, if the weight of the matrix reinforcing material embedded in the matrix is A and the weight disposed in the gap without being embedded in the matrix is B, the total amount present in the matrix is A + B, and is embedded in the matrix. The weight percent (X) of the matrix reinforcement is as shown in the following equation.
X = A / (A + B) × 100 (%) (1)
That is, in the present invention, X is 90% or more. Further, the weight percent of the matrix reinforcing material embedded in the matrix in the electrolyte layer does not exceed 100%, and is preferably a value of 99.99% or less.

マトリクス補強材10は、粒子でも高アスペクト比の炭素材料でも構わない。   The matrix reinforcing material 10 may be a particle or a high aspect ratio carbon material.

マトリクス補強材が粒子である場合、どのような形状であってもよいが、粒子と高分子と間の接触領域および接着率が大きくなる形状を持つことが好ましい。さらに、マトリクス補強材が粒子である場合、粒子状材料でも、または低アスペクト比材料でもよい。粒度は、ナノスケールからマイクロスケールまでの幅があってもよい。ナノ粒子は表面積が大きく、したがって粒子と高分子との間の接触領域が大きくなり、高分子とマトリクス補強材との間の負荷移行が高まるため、粒子はナノ粒子であることが好ましい。   When the matrix reinforcing material is a particle, it may have any shape, but preferably has a shape in which the contact area between the particle and the polymer and the adhesion rate are increased. Further, when the matrix reinforcement is a particle, it may be a particulate material or a low aspect ratio material. The particle size may range from nanoscale to microscale. The nanoparticles are preferably nanoparticles because the nanoparticles have a large surface area and therefore a large contact area between the particles and the polymer, increasing the load transfer between the polymer and the matrix reinforcement.

また、マトリクス補強材が高アスペクト比の炭素材料である場合、アスペクト比が10より大きいと好ましい。マトリクス補強材は、高分子材料のマトリクスの方向に沿って配向していて(aligned)も、またはランダムに分散していても、あるいは高分子材料のマトリクスの方向に沿って部分的に配向していて(aligned)もよい。マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスを用いれば、高い機械的強度の電解質層を得ることが可能である。マトリクス補強材の機械的強度は高分子の機械的強度よりも高いと好ましい。さらに、マトリクス補強材の機械的強度は高分子の強度の10倍以上であることが望ましい。マトリクス補強材の機械的強度は高分子材料のマトリクスの100倍以上であることが好ましい。   Further, when the matrix reinforcing material is a high aspect ratio carbon material, the aspect ratio is preferably larger than 10. The matrix reinforcement may be oriented along the matrix direction of the polymeric material, or may be randomly distributed or partially oriented along the direction of the polymeric material matrix. Aligned. If a matrix of a polymer material including a matrix reinforcing material is used, an electrolyte layer having high mechanical strength can be obtained. The mechanical strength of the matrix reinforcing material is preferably higher than the mechanical strength of the polymer. Furthermore, the mechanical strength of the matrix reinforcing material is desirably 10 times or more the strength of the polymer. The mechanical strength of the matrix reinforcing material is preferably 100 times or more that of the matrix of the polymer material.

また、電解質層全体としては電気抵抗率が高い必要がある。好ましくは、電解質層は抵抗率が10Ω・m〜1018Ω・mの間である。より好ましくは、電解質層の存在により、アクチュエータの電極間の抵抗が1kΩよりも大きな値となるように構成する。マトリクス補強材として絶縁材料、半導体材料または導電性材料を含めて、それぞれの量を、上記の電気的特性を持つ電解質層が得られるように制御するとよい。 Further, the entire electrolyte layer needs to have a high electrical resistivity. Preferably, the electrolyte layer has a resistivity of between 10 3 Ω · m and 10 18 Ω · m. More preferably, the resistance between the electrodes of the actuator is set to a value larger than 1 kΩ due to the presence of the electrolyte layer. Insulating materials, semiconductor materials or conductive materials are included as matrix reinforcing materials, and the respective amounts may be controlled so as to obtain an electrolyte layer having the above-described electrical characteristics.

マトリクス補強材が絶縁材料または半導体材料である場合、電解質層の総重量の0.1重量%〜80重量%の間の量の材料を含めると、電解質層2を得ることができる。0.1重量%未満の値であると、高分子材料のマトリクスの機械的強度の増大に寄与しない場合があり、80重量%を超える値であると、アクチュエータの変形の際に電解質層の柔軟性に寄与しない場合がある。マトリクス補強材が導電性である場合、電解質層の0.1重量%〜30重量%を構成することが好ましい。0.1重量%未満の値であると、高分子材料のマトリクスの機械的強度の増大に寄与しない場合があり、30重量%を超える値であると、電解質層の高い電気抵抗率の維持に好ましくない。しかしながら、マトリクス補強材が絶縁材料で被覆された導電性材料である場合、電解質層に0.1重量%〜80重量%の間の値で含めてもよい。マトリクス補強材の量は0.1重量%〜20重量%であるとより好ましい。言い換えれば、マトリクス補強材の量および工程の選択により、アクチュエータの電極間の抵抗が1kΩを超えるように電解質層を設計することが好ましい。   When the matrix reinforcing material is an insulating material or a semiconductor material, the electrolyte layer 2 can be obtained by including a material in an amount between 0.1 wt% and 80 wt% of the total weight of the electrolyte layer. If the value is less than 0.1% by weight, it may not contribute to the increase in the mechanical strength of the matrix of the polymer material. If the value exceeds 80% by weight, the flexibility of the electrolyte layer during deformation of the actuator May not contribute to sex. When the matrix reinforcing material is conductive, it preferably constitutes 0.1% to 30% by weight of the electrolyte layer. If the value is less than 0.1% by weight, it may not contribute to the increase in the mechanical strength of the matrix of the polymer material. If the value exceeds 30% by weight, the high electrical resistivity of the electrolyte layer may be maintained. It is not preferable. However, when the matrix reinforcement is a conductive material coated with an insulating material, it may be included in the electrolyte layer at a value between 0.1 wt% and 80 wt%. The amount of the matrix reinforcing material is more preferably 0.1% by weight to 20% by weight. In other words, the electrolyte layer is preferably designed so that the resistance between the electrodes of the actuator exceeds 1 kΩ by selecting the amount of matrix reinforcement and the process.

マトリクス補強材として使用できる材料として、SWNT(Single−Walled Carbon Nanotube)、MWNT(Multi−Walled Carbon Nanotube)、VGCF(Vapor Grown Carbon Fiber)、黒鉛ナノプレートレット、黒鉛ナノスクロールのような炭素繊維、カーボンブラック、グラフェンのような炭素材料、ナノクレイのような層状ケイ酸塩材料、シリカ材料のようなセラミック材料、ガラスビーズがあるが、これに限定されるものではない。   Examples of materials that can be used as a matrix reinforcing material include SWNT (Single-Walled Carbon Nanotube), MWNT (Multi-Walled Carbon Nanotube), VGCF (Vapor Crown Carbon Fiber), carbon fibers such as graphite nanoplatelet, graphite nanoscroll, Examples include, but are not limited to, carbon materials such as black and graphene, layered silicate materials such as nanoclay, ceramic materials such as silica materials, and glass beads.

以下に限定されるものではないが、その幾何形状、高い機械的強度、およびゲルへの作りかえやすさから、SWNT、MWNTおよびVGCFなどの高アスペクト比の炭素繊維の少なくとも一種を使用することが好ましい。   Although not limited to the following, it is possible to use at least one of high aspect ratio carbon fibers such as SWNT, MWNT, and VGCF because of its geometric shape, high mechanical strength, and ease of remodeling into a gel. preferable.

(電解質層)
図1のアクチュエータ1の電解質層2は、高分子材料以外にもアクチュエータの一対の電極間に電位差を印加できるものであれば、どのような材料を含ませても良い。
(Electrolyte layer)
The electrolyte layer 2 of the actuator 1 in FIG. 1 may contain any material other than the polymer material as long as a potential difference can be applied between the pair of electrodes of the actuator.

柔軟性があり、高分子材料のマトリクスからなる材料が電解質層であり(換言すればこの材料は溶融状態でイオンを発生する)、積層構造を形成できると好ましい。   It is preferable that the material that is flexible and made of a matrix of a polymer material is an electrolyte layer (in other words, this material generates ions in a molten state) and can form a laminated structure.

高分子材料のマトリクスの電気抵抗は10Ω・m〜1018Ω・mであることが望ましい。2枚の電極間の電解質層の電気抵抗は1kΩ以上であることが好ましい。 The electric resistance of the matrix of the polymer material is desirably 10 3 Ω · m to 10 18 Ω · m. The electric resistance of the electrolyte layer between the two electrodes is preferably 1 kΩ or more.

上記の電解質層の高分子材料のマトリクス材料を構成する材料として、イオン導電性高分子またはイオン性材料を含む非イオン導電性高分子を挙げることができる。電界の存在下で電荷がこうした材料中を移動すると、電流が流れ、イオンが電荷の運び手になる。イオン分子を受け取る部分は、局所的に膨張する。異なる極性を持つイオンが反対方向に移動するため、アクチュエータはアニオンおよびカチオンのサイズの相違により屈曲する。   Examples of the material constituting the matrix material of the polymer material of the electrolyte layer include an ionic conductive polymer or a nonionic conductive polymer containing an ionic material. As charges move through these materials in the presence of an electric field, current flows and ions become carriers of charge. The part that receives the ionic molecules expands locally. As ions with different polarities move in opposite directions, the actuator bends due to the difference in anion and cation size.

本発明では、電極および電解質層は高分子材料を含み、該高分子として、加水分解しにくく、大気中での安定性が優れているものが好ましい。   In the present invention, the electrode and the electrolyte layer include a polymer material, and it is preferable that the polymer is hardly hydrolyzed and has excellent stability in the atmosphere.

高分子としては、たとえば、テトラフルオロエチレンおよびフッ化ポリビニルイジンなどポリフッ化物系の高分子;ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのオレフィン系高分子;ポリブタジエン系化合物;エラストマーおよびゲルなどのポリウレタン系化合物、ウレタン系のもの;シリコーン系化合物;熱可塑性ポリスチレン;ポリ塩化ビニル;ポリエチレンテレフタラートを挙げることができる。上記の高分子を1種または複数使用してもよく、上述以外の高分子を使用しても構わない。   Examples of the polymer include polyfluoride polymers such as tetrafluoroethylene and fluorinated polyvinylidine; olefin polymers such as polyethylene and polypropylene; polybutadiene compounds; polyurethane compounds such as elastomers and gels, and urethane polymers Silicone compounds; thermoplastic polystyrene; polyvinyl chloride; polyethylene terephthalate. One or a plurality of the above polymers may be used, and polymers other than those described above may be used.

(電解質)
アクチュエータを空気中で駆動する際に、イオン性材料は比較的長い寿命でイオン液体として存在することが好ましい。本明細書では、周囲雰囲気で塩の溶融または融解状態をイオン液体といい、たとえば、室温を含め0℃〜40℃の範囲の広範な温度で溶融状態にある塩を含む。
(Electrolytes)
When the actuator is driven in air, the ionic material is preferably present as an ionic liquid with a relatively long lifetime. In this specification, the molten or molten state of a salt in an ambient atmosphere is referred to as an ionic liquid, and includes, for example, a salt that is in a molten state at a wide temperature range of 0 ° C. to 40 ° C. including room temperature.

さらに、高イオン伝導性のためには、イオン伝導の高いイオン液体が好ましい。所望の温度範囲で液体として安定である塩はより好ましいものであるが、よく知られた様々な塩をイオン液体として使用してもよい。好適なイオン液体として、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、アンモニウム塩およびホスホニウム塩、ならびにこれらの混合物を挙げることができる。   Furthermore, an ionic liquid with high ionic conductivity is preferable for high ionic conductivity. Salts that are stable as liquids in the desired temperature range are more preferred, but various well-known salts may be used as ionic liquids. Suitable ionic liquids may include imidazolium salts, pyridinium salts, ammonium salts and phosphonium salts, and mixtures thereof.

また、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などのイオン性材料を含んでもよい。   Further, ionic materials such as lithium fluoride, lithium bromide, sodium bromide, magnesium chloride, copper sulfate, sodium acetate, and sodium oleate may be included.

(電極の構成)
2枚の電極の材料組成は、異なっても、または同じでもよい。
(Configuration of electrode)
The material composition of the two electrodes may be different or the same.

電極3、13は、電気伝導性を有する高分子材料で形成されるとよい。電気伝導性を有する高分子材料は、導電性高分子および導電体を含む複合高分子を含む。   The electrodes 3 and 13 are preferably formed of a polymer material having electrical conductivity. The polymer material having electrical conductivity includes a composite polymer including a conductive polymer and a conductor.

アクチュエータの性能に悪影響を及ばさない限り、電極材料としてどのような材料を含めてもよい。柔軟電極を得るための材料としては、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、およびケッチェンブラック、カーボンウィスカー、グラフェン、炭素繊維、カーボンナノチューブおよびカーボンマイクロコイルなどの様々な炭素材料、金属(白金、パラジウム、ルテニウムおよび銀、鉄、コバルト、ニッケル、銅、インジウム、イリジウム、チタンおよびアルミニウムなど)粉末(微粒子)、金属化合物(酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化第二スズおよびITOなど)、金属繊維、導電性セラミックス材料および導電性高分子材料などが挙げられる。電極は、その種の化合物の1つとしてこれらの導電性材料を含む。   Any material may be included as an electrode material as long as the performance of the actuator is not adversely affected. Materials for obtaining flexible electrodes include various carbon materials such as graphite, carbon black, acetylene black, and ketjen black, carbon whisker, graphene, carbon fiber, carbon nanotube and carbon microcoil, metals (platinum, palladium, Ruthenium and silver, iron, cobalt, nickel, copper, indium, iridium, titanium and aluminum, etc.) powder (fine particles), metal compounds (such as tin oxide, zinc oxide, indium oxide, stannic oxide and ITO), metal fibers, Examples thereof include conductive ceramic materials and conductive polymer materials. Electrodes include these conductive materials as one of such compounds.

本発明の導電体としては、電気伝導性および比表面積の観点からナノ構造を持つ炭素材料がより望ましく、最も好ましくはカーボンナノチューブ(CNT)材料である。また、カーボンナノチューブおよびイオン液体を含むCNTゲルは、イオン液体を含むCNTが自己組織化したゲルであり、イオン液体は、CNTの分散効果を助ける。したがって、CNTイオン液体ゲルは、電極材料の候補として非常に好ましい。   The conductor of the present invention is more preferably a carbon material having a nanostructure from the viewpoint of electrical conductivity and specific surface area, and most preferably a carbon nanotube (CNT) material. The CNT gel containing carbon nanotubes and ionic liquid is a gel in which CNTs containing ionic liquid are self-organized, and the ionic liquid helps the CNT dispersion effect. Therefore, CNT ionic liquid gel is highly preferred as a candidate electrode material.

この場合に限定されるものではないが、加水分解しにくい材料を含めると望ましく、電極3、13に含めるそうした高分子は、周囲雰囲気で安定であり、アクチュエータの安定動作を可能にする。   Although not limited to this case, it is desirable to include a material that is difficult to hydrolyze, and such a polymer included in the electrodes 3 and 13 is stable in the ambient atmosphere and enables stable operation of the actuator.

かかる高分子として、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィン系高分子;ポリスチレン;ポリイミド;ポリパラフェニレンオキシド、ポリ(2,6−ジメチルフェニレンオキシド)およびポリパラフェニレンスルフィドなどのポリアニリン(芳香族系が結合した高分子);あるいはポリテトラフルオロエチレンおよびフッ化ポリビニリデンなどのフッ素系物質を含む高分子にスルホン酸基(−SO3H)、カルボキシル基(−COOH)、リン酸基、スルホニウムラジカル、アンモニウムラジカルおよびピリジニウムラジカルなどの官能基を導入したもの;フッ素系ポリブタジエン系化合物を含む高分子の骨組みにスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、スルホニウムラジカル、アンモニウムラジカルおよびピリジニウムラジカルなどを導入するパーフルロスルホン酸高分子、パーフルロカルボン酸高分子およびパーフルオロリン酸高分子など;エラストマーおよび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ラート;ナイロンがあり;ポリアリレートなどを含めてもよい。   Examples of such polymers include polyolefin polymers such as polyethylene and polypropylene; polystyrene; polyimide; polyaniline such as polyparaphenylene oxide, poly (2,6-dimethylphenylene oxide), and polyparaphenylene sulfide (aromatic-bonded high polymers). Molecule); or a polymer containing a fluorine-based substance such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride, a sulfonic acid group (—SO 3 H), a carboxyl group (—COOH), a phosphoric acid group, a sulfonium radical, an ammonium radical, and a pyridinium radical Incorporating functional groups such as: sulfonic acid groups, carboxyl groups, phosphoric acid groups, sulfonium radicals, ammonium radicals and pyridiniums on polymer frameworks containing fluoropolybutadiene compounds Perfluorosulfonic acid polymer, perfluorocarboxylic acid polymer and perfluorophosphoric acid polymer that introduce radicals, etc .; polyurethane compounds such as elastomers and gels; silicone compounds; polyvinyl chloride; polyethylene terephthalate; There is nylon; polyarylate and the like may be included.

さらに、導電性である高分子を使用してもよく、たとえば、この種の高分子にポリアニリン、ポリピロール(polypyrole)、ポリチオフェン、ポリアセチレンおよびポリフェニレンなどを含めてもよいが、これらに限定されるものではない。上記の高分子、コポリマーおよび機能性高分子の1種または複数種の使用が可能であるが、これらの高分子に限定されるものではなく、他の高分子を使用してもよい。   In addition, a polymer that is conductive may be used. For example, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, and polyphenylene may be included in this type of polymer, but the polymer is not limited thereto. Absent. One or more of the above polymers, copolymers and functional polymers can be used, but the present invention is not limited to these polymers, and other polymers may be used.

さらに、上記の2種以上の導体および/または上記の2種以上の高分子を組み合わせることも可能である。   Furthermore, it is also possible to combine the above two or more types of conductors and / or the above two or more types of polymers.

また、上記の導電性高分子材料および導体を組み合わせて、それを使用することも可能である。   It is also possible to use a combination of the above conductive polymer material and conductor.

さらに、こうした電極材料を形成する際に、後で記載される電解質を含めてもよい。   Further, when forming such an electrode material, an electrolyte described later may be included.

また電極は、メッキ、蒸着およびスパッタリングなどにより薄い金属膜として作製することができる。かかる電極を電解質層に接して直接形成する場合、電極は、電気導電性材料のみで形成されると考えられる。   The electrode can be produced as a thin metal film by plating, vapor deposition, sputtering, or the like. When such an electrode is formed directly in contact with the electrolyte layer, it is considered that the electrode is formed only of an electrically conductive material.

フッ化ポリビニルイジンのコポリマーとイオン液体との混合物を含むカーボンナノチューブをゲルとして含む材料をアクチュエータの電極として使用することが特に好ましい。また、電解質層の両側の2枚のアクチュエータ電極は、同じ材料から作製されても、または異なる材料から作製されてもよい。   It is particularly preferred to use as the actuator electrode a material comprising carbon nanotubes containing a mixture of a fluoropolyvinylidine copolymer and an ionic liquid as a gel. Further, the two actuator electrodes on both sides of the electrolyte layer may be made of the same material or different materials.

また、アクチュエータの電極の接着を良好にするため、アクチュエータの電極に使用される高分子材料を電解質層2のマトリクス材料として使用することも望ましい。   It is also desirable to use a polymer material used for the actuator electrode as the matrix material of the electrolyte layer 2 in order to improve the adhesion of the actuator electrode.

(アクチュエータの製造方法)
以下に、本発明のアクチュエータの製造方法を説明する。
(Actuator manufacturing method)
Below, the manufacturing method of the actuator of this invention is demonstrated.

(高分子繊維マトリクスの製造方法)
まず、高分子繊維の製造方法について説明する。
(Manufacturing method of polymer fiber matrix)
First, a method for producing a polymer fiber will be described.

本製造方法では、マトリクス補強材11を含む高分子繊維体9が一方向に沿って完全に配向する部分を少なくとも有するものが製造される。   In this manufacturing method, the polymer fiber body 9 including the matrix reinforcing material 11 is manufactured having at least a portion that is perfectly oriented along one direction.

高分子繊維の製造方法として、エレクトロスピニング法、ポリマーブレンド紡糸、メルトブロー紡糸およびフラッシュ紡糸を挙げることができるが、これに限定されるものではない。   Examples of the method for producing the polymer fiber include, but are not limited to, electrospinning, polymer blend spinning, melt blow spinning, and flash spinning.

エレクトロスピニング法は、様々な高分子の繊維形状、配向および直径の制御、ならびにナノサイズ直径繊維の作製に使用することができるので望ましい。   The electrospinning method is desirable because it can be used to control the fiber shape, orientation and diameter of various polymers and to make nano-sized diameter fibers.

エレクトロスピニング法による高分子繊維の製造工程は、高圧電源、高分子溶液/貯蔵タンク、紡糸口金およびアースされたコレクターを使用する。高分子溶液は、タンクから紡糸口金まで一定の流速で供給される。紡糸口金には1〜50kVの電圧が印加されているため、液滴が荷電される。静電反発力が表面張力に対抗し、高分子の液滴が引っ張られ、高分子溶液のジェットがコレクターに向けて噴射される。ジェットの溶媒は揮発し、その後コレクターに到着する際には、ジェットのサイズはナノレベルまで減少し、コレクターに高分子繊維の集合体が形成される。また、高分子溶液の代わりに、融点より高い温度で加熱した溶融高分子を使用してもよい。   The production process of polymer fibers by electrospinning uses a high voltage power source, polymer solution / storage tank, spinneret and grounded collector. The polymer solution is supplied from the tank to the spinneret at a constant flow rate. Since a voltage of 1 to 50 kV is applied to the spinneret, the droplet is charged. The electrostatic repulsion force opposes the surface tension, the polymer droplet is pulled, and the jet of the polymer solution is jetted toward the collector. When the jet solvent volatilizes and then arrives at the collector, the size of the jet is reduced to the nano level, and an aggregate of polymer fibers is formed at the collector. Further, instead of the polymer solution, a molten polymer heated at a temperature higher than the melting point may be used.

紡糸口金に供給される高分子溶液の溶液形態にマトリクス補強材を含めると良いが、高分子溶液のジェットが回収されている間にコレクターに噴霧しても、マトリクス補強材を高分子繊維に埋め込むことができる。マトリクス中に90%以上のマトリクス補強材を埋め込むには、後述するホットプレス処理を行うとより好適に実施できる。高分子溶液中の分散性を改善するため、マトリクス補強材は、エレクトロスピニング(electrospining)用の高分子溶液に加える前に、乳棒・乳鉢を用いて粉々に砕いてもよいし、または超音波処理のような湿式法またはボールミルまたはローラーミルを用いて溶液としてもよい。   It is better to include a matrix reinforcing material in the solution form of the polymer solution supplied to the spinneret, but the matrix reinforcing material is embedded in the polymer fiber even if sprayed to the collector while the polymer solution jet is being collected. be able to. In order to embed 90% or more of the matrix reinforcing material in the matrix, a hot press process described later can be performed more preferably. In order to improve the dispersibility in the polymer solution, the matrix reinforcement may be crushed using a pestle or mortar or sonicated before being added to the polymer solution for electrospinning. It is good also as a solution using a wet method like these, or a ball mill or a roller mill.

また、配向した繊維膜は、回転ドラムをコレクターとして使用することにより得ることができる。さらに、配向の制御については、公知のエレクトロスピニングの技法を用いることができる。前述のように、アクチュエータの屈曲能力および出力は、アクチュエータ内の高分子繊維の配向方向によって制御できる。   Moreover, the oriented fiber membrane can be obtained by using a rotating drum as a collector. Furthermore, a known electrospinning technique can be used for controlling the orientation. As described above, the bending ability and output of the actuator can be controlled by the orientation direction of the polymer fibers in the actuator.

(多孔性高分子材料のマトリクスの製造方法)
本発明の、多孔性高分子材料のマトリクスの製造方法は、従来の高分子抽出法、溶媒抽出法、照射エッチング法、発泡法、拡張法を用いることができ、またこれに限定されるものではない。
(Method for producing matrix of porous polymer material)
The method for producing the matrix of the porous polymer material of the present invention can use, but is not limited to, a conventional polymer extraction method, solvent extraction method, irradiation etching method, foaming method, and expansion method. Absent.

高分子抽出法を使用する場合、少なくとも2種類の高分子をブレンドし、ミクロ分離構造の高分子膜を得る。換言すれば、最初に2種類の高分子をブレンドし、スピンコーティング法またはキャスト法により高分子膜を形成する。その後、溶媒中の高分子の熱分解または溶解度の違いを用いて不連続相の高分子成分を除去し、ミクロ分離構造を形成する。   When the polymer extraction method is used, at least two kinds of polymers are blended to obtain a polymer membrane having a micro separation structure. In other words, two kinds of polymers are first blended, and a polymer film is formed by spin coating or casting. Thereafter, the polymer component in the discontinuous phase is removed using the thermal decomposition or solubility difference of the polymer in the solvent to form a micro separation structure.

得られる最終構造は、細孔特性を有する構造を持つ。高分子抽出法による、細孔特性を有する構造の作製に使用できる高分子として、ポリアミド、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリルコポリマー、ポリカルボナート、ポリブチレンテレフタラート、ポリエチレンテレフタラート、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニルピロリドン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミドなどがあるが、これに限定されるものではない。また、3種類以上の高分子を混合して使用してもよい。   The resulting final structure has a structure with pore characteristics. Polyamide, polystyrene, styrene-acrylonitrile copolymer, polycarbonate, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyvinyl pyrrolidone, polysulfone are polymers that can be used for the production of structures having pore characteristics by the polymer extraction method. , Polyethersulfone, polyetheretherketone, polyamideimide, polyimide, polyetherimide and the like, but are not limited thereto. Further, three or more kinds of polymers may be mixed and used.

また、マトリクス補強材が埋め込まれた多孔質高分子マトリクスの膜を得る方法には、高分子抽出法または溶媒抽出法の使用中にマトリクス補強材を高分子溶液中に分散する方法があるが、これに限定されるものではない。マトリクス補強材はある高分子中に最初に分散させ、次にこの高分子とマトリクス補強材との溶液を別の高分子とブレンドし、続いて高分子抽出法を用いて上記のマトリクスを得てもよい。   In addition, as a method of obtaining a porous polymer matrix film embedded with a matrix reinforcing material, there is a method of dispersing a matrix reinforcing material in a polymer solution during use of a polymer extraction method or a solvent extraction method. It is not limited to this. A matrix reinforcement is first dispersed in one polymer, then a solution of this polymer and matrix reinforcement is blended with another polymer, followed by polymer extraction to obtain the above matrix. Also good.

溶媒抽出法を用いて相溶性溶媒を含む高分子膜を得てから、これを非相溶性溶媒に浸漬してもよい。使用する2つの溶媒については相互に相溶性がある。高分子膜を浸漬すると、高分子と相溶性がある溶媒に抽出され、高分子膜を浸漬する溶媒に置換される。その結果、多くの細孔を持つ高分子膜が作製される。相互に相溶性のある溶媒、および高分子と相溶性および非相溶性の溶媒の組み合わせは、特に高分子に限定されるものではない。   A polymer film containing a compatible solvent may be obtained using a solvent extraction method, and then immersed in an incompatible solvent. The two solvents used are compatible with each other. When the polymer film is immersed, the polymer film is extracted into a solvent compatible with the polymer, and is replaced with a solvent in which the polymer film is immersed. As a result, a polymer film having many pores is produced. A solvent compatible with each other and a combination of a solvent compatible with and incompatible with the polymer are not particularly limited to the polymer.

マトリクス補強材を含み、多くの細孔を持つ高分子膜を得るには、相溶性溶媒に高分子とマトリクス補強材とが分散した膜を作成し、高分子およびマトリクス補強材のいずれとも非相溶性の溶媒に浸漬してもよい。その結果、マトリクス補強材を含み、多くの細孔構造を持つ高分子膜が得られる。   In order to obtain a polymer membrane containing a matrix reinforcing material and having many pores, a membrane in which a polymer and a matrix reinforcing material are dispersed in a compatible solvent is prepared, and both the polymer and the matrix reinforcing material are non-phasic. It may be immersed in a soluble solvent. As a result, a polymer membrane containing a matrix reinforcing material and having many pore structures can be obtained.

照射エッチング法では、発泡剤を含む高分子膜に、膜を貫通し細孔を形成する高エネルギーイオンビームまたは中性子ビームまたはレーザーを照射する。発泡剤を含む高分子が加熱されることで細孔を形成する。   In the irradiation etching method, a polymer film containing a foaming agent is irradiated with a high-energy ion beam, neutron beam, or laser that penetrates the film and forms pores. A polymer containing a foaming agent is heated to form pores.

拡張法は、高分子膜に剪断ストロークを与えることで微小繊維構造を持つ細孔を形成する方法である。   The expansion method is a method of forming pores having a microfiber structure by applying a shear stroke to a polymer film.

上記した方法の1つまたは複数を用いて、多くの細孔を持つ高分子膜を形成すると良い。   A polymer film having many pores may be formed using one or more of the methods described above.

(電極の製造方法)
特に制限がない場合、電極は、たとえば導電材料およびイオン液体および高分子からなる。高分子は融点を超えると融解し、次いで導電材料、イオン液体および高分子は1つの溶液に混合される。かかる溶液は、流し込みおよび成形というよく知られた様々な技法により注入して成形してから、加熱して溶媒を蒸発させる。
(Method for manufacturing electrode)
When there is no particular limitation, the electrode is made of, for example, a conductive material, an ionic liquid, and a polymer. The polymer melts when the melting point is exceeded, and then the conductive material, ionic liquid and polymer are mixed into one solution. Such solutions are injected and molded by various well known techniques of pouring and molding and then heated to evaporate the solvent.

好適な溶媒に高分子を溶解させた後に、溶媒を除去する方法では、イオン液体および溶媒に、テトラヒドロフラン(THF:tetrahydrofuran)、メチルエチルケトン、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルアセトアミド(DMAc:dimethyl acetamide)を使用することができる。   In the method of removing the solvent after dissolving the polymer in a suitable solvent, tetrahydrofuran (THF), methyl ethyl ketone, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylacetamide (DMAc) is used as the ionic liquid and the solvent. Can be used.

さらに、電極は、電解質層2と同様の高分子繊維からなってもよい。高分子繊維からなる電極の製造方法では、上述した電解質層2の高分子繊維の製造工程において導電材料を加え、類似の手法を用いて導電性の高分子繊維電極を得るべきである。   Furthermore, the electrode may be made of the same polymer fiber as the electrolyte layer 2. In the method for producing an electrode made of polymer fiber, a conductive polymer fiber electrode should be obtained using a similar technique by adding a conductive material in the above-described polymer fiber production process of the electrolyte layer 2.

(電解質層および電極の接合方法)
得られた電解質層および電極は任意の形状およびサイズに切断し積層配置する。高分子アクチュエータ1を形成する方法として、電解質層2の両側に電極3、13を積層配置する好適な方法は熱圧着(ホットプレス)方法であるが、かかる方法に限定されるものではない。
(Electrolyte layer and electrode joining method)
The obtained electrolyte layer and electrode are cut into an arbitrary shape and size and laminated. As a method of forming the polymer actuator 1, a preferred method of laminating and arranging the electrodes 3 and 13 on both sides of the electrolyte layer 2 is a thermocompression bonding (hot pressing) method, but is not limited to such a method.

アクチュエータを構成する高分子、高分子バインダー、イオン種の温度、プレス圧力および加熱プレス時間を適切に選択し、それぞれの成分の解離温度未満で行われるようにすればよい。   The temperature of the polymer, the polymer binder, the ion species, the pressing pressure, and the heating press time constituting the actuator may be appropriately selected so as to be performed below the dissociation temperature of each component.

2つの電極間に電解質層を挟み、両電極間を熱圧着する。たとえば、熱圧着時の温度は30℃〜150℃の間で設定されると良い。より好ましくは、温度は110℃±5℃の範囲に設定されることが望ましい。さらに、プレス圧力は1kg/cm〜100kg/cmであると望ましく、10kg/cm〜50kg/cmであるとより望ましい。 An electrolyte layer is sandwiched between two electrodes, and thermocompression bonding is performed between both electrodes. For example, the temperature during thermocompression bonding may be set between 30 ° C and 150 ° C. More preferably, the temperature is set in the range of 110 ° C. ± 5 ° C. Furthermore, the press pressure is desirably If it is 1kg / cm 2 ~100kg / cm 2 , more desirably If it is 10kg / cm 2 ~50kg / cm 2 .

また、薄い金属層を形成する方法は、電解質層2の表面への電気メッキ、蒸着およびスパッタリングなどであってもよい。   Further, the method for forming the thin metal layer may be electroplating, vapor deposition, sputtering, or the like on the surface of the electrolyte layer 2.

上記のように積層配置したアクチュエータ1を、水、イオン導電材料、イオン液体またはこれらの混合物に含浸させても良い。この場合、含浸させる溶液の密度、含浸させる時間は、よく知られた方法を用いて決定してよく、特に限定されない。   The actuator 1 arranged in a stacked manner as described above may be impregnated with water, an ion conductive material, an ionic liquid, or a mixture thereof. In this case, the density of the solution to be impregnated and the impregnation time may be determined using a well-known method, and are not particularly limited.

また、配向した高分子繊維の電極および/または電解質層を使用する場合、連結したときのそれぞれの高分子繊維の配向方向を考慮して設計し、高分子アクチュエータの変位量または発生力が向上させることができる。   In addition, when using oriented polymer fiber electrodes and / or electrolyte layers, the design is made in consideration of the orientation direction of each polymer fiber when connected, and the displacement amount or generated force of the polymer actuator is improved. be able to.

(アクチュエータの駆動について)
駆動電源6は、電気活性高分子アクチュエータ1の電極間に電圧または電流を印加し、電位差を印加する。入力極性、波パターンは、図1に示していない制御ユニットによる値、時間によって制御され、その電気信号は電気活性アクチュエータの撓み運動を制御することができる。
(Actuator drive)
The drive power supply 6 applies a voltage or a current between the electrodes of the electroactive polymer actuator 1 and applies a potential difference. The input polarity and wave pattern are controlled by the value and time by a control unit not shown in FIG. 1, and the electric signal can control the bending motion of the electroactive actuator.

上記の一対の電極間に電位差を印加すると、電解質のイオンが電極間の連続的な通路を移動し、各電極の体積に変化が起こる。その結果、アクチュエータの膨張または収縮運動が起こる。たとえば、イオン液体中のアニオンおよびカチオンはそれぞれ、プラス極およびマイナス極に引き付けられる。イオン液体に含まれるアニオンおよびカチオンのサイズについては通常、異なる電極間の体積差を引き起こす原因となる。   When a potential difference is applied between the pair of electrodes, electrolyte ions move in a continuous path between the electrodes, and the volume of each electrode changes. As a result, the actuator expands or contracts. For example, anions and cations in the ionic liquid are attracted to the positive and negative poles, respectively. The sizes of anions and cations contained in the ionic liquid usually cause a volume difference between different electrodes.

かかる電極の形状/体積に変化が起こると、電気活性アクチュエータが屈曲したり、あるいは撓んだりする。   When such a change in electrode shape / volume occurs, the electroactive actuator bends or bends.

さらに、印加される電圧および電流の値を制御することにより電気活性アクチュエータの撓み運動の変位量および速度を制御できる。さらに、極性の方向を変えることで撓み運動の方向も制御することができる。   Further, the displacement amount and speed of the bending motion of the electroactive actuator can be controlled by controlling the value of the applied voltage and current. Furthermore, the direction of the bending motion can be controlled by changing the direction of the polarity.

駆動電源6は、DC電圧(電流)またはVAC(交流電流)を電気活性アクチュエータ1に印加する。線形掃引、方形波および正弦波、パルス波など任意の波形パターンおよび電圧(あるいは電流)の振幅を制御することができる。また、波形パターンのデューティサイクルも任意に設定できる。   The drive power supply 6 applies a DC voltage (current) or VAC (alternating current) to the electroactive actuator 1. Arbitrary waveform patterns such as linear sweep, square wave and sine wave, pulse wave, and amplitude of voltage (or current) can be controlled. The duty cycle of the waveform pattern can also be set arbitrarily.

イオン液体を使用する場合、印加電圧は、イオン液体の電位窓を超えず、電気分解により起こる劣化を抑えられる範囲とする。一般的なイオン液体を使用する場合、印加電圧は4V以下であるとより好ましい。   When an ionic liquid is used, the applied voltage does not exceed the potential window of the ionic liquid and is in a range in which deterioration caused by electrolysis can be suppressed. When a general ionic liquid is used, the applied voltage is more preferably 4 V or less.

(第3の実施形態:高アスペクト比のマトリクス補強材)
図3は、本実施形態のアクチュエータ1の電解質層の模式図を示す。高分子繊維マトリクス2cおよび多孔性高分子材料のマトリクス2dは、その中に高アスペクト比のマトリクス補強材13を含む。見やすいように、電解質は示していないが、図3の電解質層に存在することが理解される。
(Third embodiment: high aspect ratio matrix reinforcement)
FIG. 3 is a schematic diagram of the electrolyte layer of the actuator 1 of the present embodiment. The polymeric fiber matrix 2c and the porous polymeric material matrix 2d include a high aspect ratio matrix reinforcement 13 therein. For clarity, the electrolyte is not shown, but is understood to be present in the electrolyte layer of FIG.

高アスペクト比の炭素材料は、ランダムでも、ある方向に沿って部分的に配向していても、あるいは完全に配向していてもよい。   The high aspect ratio carbon material may be random, partially oriented along a certain direction, or fully oriented.

高アスペクト比の炭素材料が高分子材料のマトリクスにランダムに分散している場合を図3に示す。また、高アスペクト比の炭素材料は、高分子材料のマトリクスに部分的に包み込まれていても、または完全に包み込まれていてもよい。高アスペクト比のマトリクス補強材を含む高分子繊維および多孔性高分子材料のマトリクスをそれぞれ図3(a)および図3(b)に図示する。高アスペクト比の炭素材料は、短尺に対して十分に長い長尺を有しており、円柱状の場合、直径に対して十分に長い長さを持つ。   FIG. 3 shows a case where a high aspect ratio carbon material is randomly dispersed in a matrix of a polymer material. Also, the high aspect ratio carbon material may be partially encased or fully encapsulated in a matrix of polymeric material. A matrix of polymeric fibers and a porous polymeric material containing a high aspect ratio matrix reinforcement is shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), respectively. The high aspect ratio carbon material has a long enough length for a short length, and in the case of a cylindrical shape, the carbon material has a sufficiently long length for a diameter.

直径は0.1nmより長くて50μmより小さく、長尺方向の長さは、直径の10倍以上である。   The diameter is longer than 0.1 nm and smaller than 50 μm, and the length in the longitudinal direction is at least 10 times the diameter.

高アスペクト比の炭素材料として、VGCF、MWNTおよびSWNTのような炭素繊維材料があるが、これに限定されるものではない。一般にこうした繊維形状の炭素材料は機械的強度が強く、密度が低い。こうした材料の幾何形状は、高分子材料のマトリクスとマトリクス補強材との間の効率的な負荷移行に役立つ。こうした材料の機械的強度は非常に高い。たとえばSWNTの引張強さはGPaオーダーである。このため、高分子材料のマトリクス中のかかる材料は少ない重量%で電解質層の機械的強度を高めることができる。   Examples of high aspect ratio carbon materials include, but are not limited to, carbon fiber materials such as VGCF, MWNT, and SWNT. In general, such a fiber-shaped carbon material has high mechanical strength and low density. Such material geometries are useful for efficient load transfer between the matrix of matrix material and the matrix reinforcement. The mechanical strength of such materials is very high. For example, the tensile strength of SWNT is GPa order. For this reason, the mechanical strength of the electrolyte layer can be increased with a small amount of such a material in the matrix of the polymer material.

炭素繊維材料の電気的特性は構造に依存することが知られている。たとえばカーボンナノチューブ(CNT)材料の場合、電気的特性は、チューブのキラリティーによって半導体材料から金属材料までの幅がある。   It is known that the electrical properties of carbon fiber materials depend on the structure. For example, in the case of a carbon nanotube (CNT) material, the electrical characteristics range from a semiconductor material to a metal material due to the chirality of the tube.

高アスペクト比の炭素材料が絶縁体または半導体または絶縁材で被覆された導電性体である場合、電解質層のマトリクス補強材として80重量%未満の量を使用してもよい。高アスペクト比の炭素材料が導電性である場合、高分子材料のマトリクスには30重量%未満の量のマトリクス補強材を含めてもよい。より好ましくは、電解質層には20重量%未満の量のマトリクス補強材を含めてもよい。換言すれば、マトリクス補強材の量は上記の範囲から選択すればよく、適切な工程を選択して高抵抗の電解質層を得る。かかる電解質層は、ホットプレスのようなアクチュエータの製造工程における(たとえば高温で圧力を印加して電極を電解質層と連結するとき)またはアクチュエータ動作中における外部の力または圧力に対する耐久性が高い。電解質層の構造は、加工/製造中または加工後に崩れない。したがって、アクチュエータの製造およびアクチュエータの動作中の外部負荷による高分子繊維の空隙率、すなわち繊維と繊維の間の空隙11(図3(a)の2c)または多孔性高分子構造の空隙11(図3(b)の2d)の損傷リスクは大きく低下する。   When the high aspect ratio carbon material is an insulator or a conductive material coated with a semiconductor or insulating material, an amount of less than 80% by weight may be used as a matrix reinforcement for the electrolyte layer. If the high aspect ratio carbon material is conductive, the matrix of polymeric material may include a matrix reinforcement in an amount of less than 30% by weight. More preferably, the electrolyte layer may include a matrix reinforcement in an amount of less than 20% by weight. In other words, the amount of the matrix reinforcing material may be selected from the above range, and an appropriate process is selected to obtain a high resistance electrolyte layer. Such an electrolyte layer is highly resistant to external forces or pressures in an actuator manufacturing process such as hot pressing (for example, when pressure is applied at a high temperature to connect an electrode to the electrolyte layer) or during actuator operation. The structure of the electrolyte layer does not collapse during or after processing / manufacturing. Therefore, the porosity of the polymer fiber due to the external load during the manufacture of the actuator and the operation of the actuator, that is, the void 11 between the fibers (2c in FIG. 3A) or the porous polymer structure void 11 (FIG. 3 (b) 2d) damage risk is greatly reduced.

また、こうした高アスペクト比の炭素材料を含むゲルは形成しやすい。電解質層2は電解質を含む。一対の電極間に電圧を印加すると、電極間の電解質の移動(アニオンまたはカチオン)のための連続的な通路が存在するため、電解質のカチオンおよびアニオンは電極の方に容易に拡散できる。電極間でイオンが拡散しやすいため、歪みおよび速度の面でアクチュエータの特徴を向上させることが可能になる。   Moreover, the gel containing such a high aspect ratio carbon material is easy to form. The electrolyte layer 2 contains an electrolyte. When a voltage is applied between a pair of electrodes, there is a continuous path for electrolyte movement (anions or cations) between the electrodes so that electrolyte cations and anions can easily diffuse toward the electrodes. Since ions easily diffuse between the electrodes, the characteristics of the actuator can be improved in terms of strain and speed.

図4(a)のアクチュエータ1は、高アスペクト比のマトリクス補強材を含む高分子繊維電解質層を有する、第3の実施形態による電気活性高分子アクチュエータを図示する。   The actuator 1 of FIG. 4 (a) illustrates an electroactive polymer actuator according to a third embodiment having a polymer fiber electrolyte layer containing a high aspect ratio matrix reinforcement.

電解質層の高アスペクト比の炭素材料はさらに、高分子材料のマトリクスに包み込まれている。図4(b)は、高アスペクト比の炭素材料を包み込む高分子繊維を含む電解質層2の一部を拡大した模式図である。高分子と高アスペクト比の炭素材料との間の接触領域は、高分子材料のマトリクス内にマトリクス補強材が完全に包み込まれているため大きくなる。   The high aspect ratio carbon material of the electrolyte layer is further encapsulated in a matrix of polymeric material. FIG. 4B is an enlarged schematic view of a part of the electrolyte layer 2 including a polymer fiber that wraps a high aspect ratio carbon material. The contact area between the polymer and the high aspect ratio carbon material is large because the matrix reinforcement is completely encapsulated within the matrix of the polymer material.

このため、マトリクス補強材と高分子繊維体との、または多孔性高分子材料のマトリクスの場合、マトリクス補強材と高分子骨組みとの間の接着に利用できる表面積が比較的大きく、高分子とマトリクス補強材との間の負荷移行がより効率的である。このため、外部負荷に対して高い耐久性を持つ電解質層が得られる。かかる高分子繊維または多孔性高分子構造の電解質層は耐久性が高いうえ、さらにアクチュエータを駆動すると、イオン移動のための連続的な通路となる空隙および細孔が多いという特徴がある。   For this reason, in the case of a matrix of a matrix reinforcing material and a polymer fiber body or a porous polymer material, the surface area that can be used for adhesion between the matrix reinforcing material and the polymer framework is relatively large. Load transfer between the reinforcements is more efficient. For this reason, an electrolyte layer having high durability against an external load can be obtained. Such an electrolyte layer having a polymer fiber or a porous polymer structure has high durability, and further has a feature that when the actuator is driven, there are many voids and pores that form continuous passages for ion movement.

また、高アスペクト比の炭素材料が高分子繊維の長さに沿って配向する場合、得られる構造は、機械的強度が極めて高い。かかる電解質層構造は耐久性が非常に高い。   In addition, when the high aspect ratio carbon material is oriented along the length of the polymer fiber, the resulting structure has a very high mechanical strength. Such an electrolyte layer structure has very high durability.

この点で好ましいマトリクス補強材として、導電性SWNT、MWNTおよびVGCFのような炭素繊維ベースの材料があるが、これに限定されるものではない。こうした材料は、GPaオーダーの高い引張強さを持つことが知られている。こうした材料を少量加えると、高分子材料のマトリクスの機械的強度が向上する。   Preferred matrix reinforcements in this regard include, but are not limited to, carbon fiber based materials such as conductive SWNT, MWNT, and VGCF. Such materials are known to have high tensile strength on the order of GPa. The addition of a small amount of such materials improves the mechanical strength of the polymeric material matrix.

以下に本発明の実施例について説明する。   Examples of the present invention will be described below.

また、本発明のアクチュエータの性能を、従来の高分子ゲル電解質を用いたアクチュエータと比較した。   The performance of the actuator of the present invention was compared with that of a conventional actuator using a polymer gel electrolyte.

(実施例1)
本実施例では、VGCFをマトリクス補強材として含む高分子繊維(高分子−VGCF繊維)を電解質層のマトリクスとして使用した。
Example 1
In this example, polymer fiber (polymer-VGCF fiber) containing VGCF as a matrix reinforcing material was used as the matrix of the electrolyte layer.

高分子−VGCF繊維は、実施形態1に記載したエレクトロスピニング工程により合成した。具体的には、3重量%VGCF NMP溶液2c.cを800mgのPVDF−HFP(高分子材料)および2mgのBMIBF(イオン液体)溶液と混合し、0.1cc/時間の速度で紡糸口金に送り、22kVの電圧を印加してコレクターに高分子−VGCF繊維を得た。 The polymer-VGCF fiber was synthesized by the electrospinning process described in the first embodiment. Specifically, 3 wt% VGCF NMP solution 2c. c is mixed with 800 mg of PVDF-HFP (polymer material) and 2 mg of BMIBF 4 (ionic liquid) solution, sent to the spinneret at a speed of 0.1 cc / hour, and a voltage of 22 kV is applied to the collector to form a polymer. -VGCF fiber was obtained.

また、上記溶媒中で上記高分子材料、上記イオン液体と共にCNTを混合し、ボールミルを行った後、型に流し込み、約110℃で加熱して溶媒を蒸発させることによりCNTゲル電極の膜を作成した。得られたCNTゲル電極は、真空下で24時間維持した。   In addition, the CNT is mixed with the polymer material and the ionic liquid in the solvent, ball milled, poured into a mold, and heated at about 110 ° C. to evaporate the solvent, thereby forming a CNT gel electrode film. did. The obtained CNT gel electrode was maintained under vacuum for 24 hours.

一対のCNTゲル電極間に上記で作成した電解質層を挟んで、圧力0.5KN、110℃で1分間のホットプレス工程によりアクチュエータを作製した。   The actuator layer was produced by a hot press process at a pressure of 0.5 KN and 110 ° C. for 1 minute with the electrolyte layer created above sandwiched between a pair of CNT gel electrodes.

(比較例1)
比較例1として、先行技術文献1を参照して高分子ゲル電解質層を作製した。実施例1と同様に、ホットプレス条件で同じ一対の電極の間に高分子ゲル電解質層を挟んでアクチュエータを作製した。電解質層を除いて、アクチュエータも成分および寸法はすべて同じものとした。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a polymer gel electrolyte layer was prepared with reference to Prior Art Document 1. Similarly to Example 1, an actuator was produced by sandwiching a polymer gel electrolyte layer between the same pair of electrodes under hot press conditions. Except for the electrolyte layer, the components and dimensions of the actuator were all the same.

(比較例2)
比較例2として、電解質層を比較例1と同様の高分子ゲル電解質層を作成する際に、VGCFを実施例1と同じ量添加した電解質層を作成した。観察された断面のSEM画像では、イオンの移動経路となる空隙はほとんど観測できなかった。
(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, an electrolyte layer was prepared by adding the same amount of VGCF as in Example 1 when preparing the same polymer gel electrolyte layer as Comparative Example 1 as the electrolyte layer. In the observed SEM image of the cross section, almost no voids serving as ion migration paths could be observed.

(比較例3)
マトリクス補強材の効果を確認するために、実施例1の電解質層に使用した高分子繊維の代わりに、VGCFを含まない高分子繊維を作成し、実施例1と同様にアクチュエータを作成した。観察された断面のSEM画像では、電極との界面で繊維が潰れ薄い膜が形成されていた。
(Comparative Example 3)
In order to confirm the effect of the matrix reinforcing material, a polymer fiber not containing VGCF was prepared instead of the polymer fiber used in the electrolyte layer of Example 1, and an actuator was prepared in the same manner as in Example 1. In the SEM image of the observed cross section, the fiber was crushed at the interface with the electrode, and a thin film was formed.

(評価)
歪み(発生した変位)および速度からアクチュエータの性能を比較した。
(Evaluation)
The performance of the actuator was compared from the strain (generated displacement) and speed.

図5(a)および5(b)は、実施例1のアクチュエータにより発生した変位および歪みと、比較例1のアクチュエータにより発生した変位および歪みとを比較したものを示す。   FIGS. 5A and 5B show a comparison between the displacement and strain generated by the actuator of Example 1 and the displacement and strain generated by the actuator of Comparative Example 1. FIG.

これらのアクチュエータは同一条件下で調製し、同じ電極を有する。   These actuators are prepared under the same conditions and have the same electrodes.

アクチュエータの寸法は幅1mm、長さ12mm、アクチュエータの厚さは150〜200μmであった。1枚の電極の厚さは、60〜70μmであった。電解質層の厚さは25〜50μmであった。   The dimensions of the actuator were 1 mm in width, 12 mm in length, and the thickness of the actuator was 150 to 200 μm. The thickness of one electrode was 60 to 70 μm. The thickness of the electrolyte layer was 25 to 50 μm.

また、2つのアクチュエータ間に生じた歪みの差を、以下の式(2)を用いて比較した。
ε=2dδ/(L+δ) ・・・式(2)
式中、εはアクチュエータに生じた歪、Lは自由長、dはアクチュエータの厚さ、δはアクチュエータに発生した屈曲による変位である。
Further, the difference in distortion generated between the two actuators was compared using the following equation (2).
ε = 2dδ / (L 2 + δ 2 ) (2)
In the equation, ε is a strain generated in the actuator, L is a free length, d is a thickness of the actuator, and δ is a displacement due to bending generated in the actuator.

歪みεはアクチュエータの動作特性を示すパラメータであり、歪みεが大きいほどアクチュエータの動作特性は高いと判断することができる。   The strain ε is a parameter indicating the operating characteristics of the actuator, and it can be determined that the larger the strain ε, the higher the operating characteristics of the actuator.

大きさ1Vの周期電圧を周波数0.01Hz、0.1Hz、1Hzおよび10Hzで印加し、レーザー変位計を用いて各アクチュエータにより発生した変位を記録した。   A periodic voltage having a magnitude of 1 V was applied at frequencies of 0.01 Hz, 0.1 Hz, 1 Hz, and 10 Hz, and the displacement generated by each actuator was recorded using a laser displacement meter.

次いで式(2)を用いて変位を歪みに変換した。   Next, the displacement was converted into strain using equation (2).

実施例1のアクチュエータにより発生した変位および歪みは、比較例1より大きいことが見て取れる。   It can be seen that the displacement and distortion generated by the actuator of Example 1 is larger than Comparative Example 1.

また、比較例1のアクチュエータと実施例1のアクチュエータとにより発生した変位の差は、印加電圧の周波数の増加と共に大きくなる。   Further, the difference in displacement generated by the actuator of Comparative Example 1 and the actuator of Example 1 increases as the frequency of the applied voltage increases.

図5(b)では、0.01Hzの低周波数での歪みがほぼ同じである。その理由は、CNTゲル電極に充放電できる時間が長くイオンの拡散の影響が小さいことに起因する。   In FIG. 5B, the distortion at a low frequency of 0.01 Hz is substantially the same. The reason is that the time during which the CNT gel electrode can be charged and discharged is long and the influence of ion diffusion is small.

一方、周波数が増加すると、アクチュエータの性能は、イオンの拡散効率により大きく影響される。この点で、本発明の電解質層は、従来のゲル電解質層よりもイオン拡散特性に優れていることがわかる。   On the other hand, when the frequency increases, the performance of the actuator is greatly influenced by the diffusion efficiency of ions. In this respect, it can be seen that the electrolyte layer of the present invention is superior in ion diffusion characteristics than the conventional gel electrolyte layer.

多くの空隙および細孔を有する繊維構造は、イオンの拡散のための連続的な通路となる。こうした結果から、本発明に係るアクチュエータは、歪みおよび速度の能力が増大していることが示唆される。   A fiber structure with many voids and pores provides a continuous path for ion diffusion. These results suggest that the actuators according to the present invention have increased strain and speed capabilities.

図7に、実施例1、比較例1から3のアクチュエータの式(2)から求めた歪量(ε)の比較の結果を示す。図7の結果から、本実施例のアクチュエータは、マトリクス補強材の存在によって歪量が向上することが確認された。   FIG. 7 shows a comparison result of the strain amount (ε) obtained from the expression (2) of the actuators of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. From the results of FIG. 7, it was confirmed that the amount of strain of the actuator of this example was improved by the presence of the matrix reinforcing material.

また、これらのアクチュエータの断面の画像を、走査型電子顕微鏡(SEM)により得た(不図示)。   Moreover, the image of the cross section of these actuators was obtained with the scanning electron microscope (SEM) (not shown).

実施例1の電解質層の断面画像は、多くの空隙を含む繊維状構造が潰れることなく維持されており、繊維の平均直径は200〜500nmであった。また、ほぼ全ての(99%)VGCFが繊維状構造内に埋め込まれていた。   In the cross-sectional image of the electrolyte layer of Example 1, the fibrous structure including many voids was maintained without being crushed, and the average diameter of the fibers was 200 to 500 nm. Also, almost all (99%) VGCF was embedded in the fibrous structure.

また、後述する比較例3のような電極と電解質層の界面での繊維状構造の潰れも少なかった。   Further, there was little collapse of the fibrous structure at the interface between the electrode and the electrolyte layer as in Comparative Example 3 described later.

一方、比較例1の構造は空隙のないバルク構造であった。   On the other hand, the structure of Comparative Example 1 was a bulk structure without voids.

また比較例2の構造は、比較例1と同様空隙のないバルク構造であった。   The structure of Comparative Example 2 was a bulk structure without voids as in Comparative Example 1.

また、比較例3の構造は、電解質層は比較的空隙を含む繊維状構造を有していたが、電極と電解質層の界面付近において顕著な繊維の潰れが生じており、電極と電解質層の界面に比較例1および2と同様なバルク構造の薄膜が形成されていた。   Further, in the structure of Comparative Example 3, the electrolyte layer had a fibrous structure with relatively voids, but significant fiber crushing occurred near the interface between the electrode and the electrolyte layer. A thin film having the same bulk structure as in Comparative Examples 1 and 2 was formed at the interface.

また、比較例3において、電解質層の繊維状構造が電極との界面で潰れないよう、ホットプレス時の圧力を小さくした場合は、電極と電解質層の接着性が十分ではなく、数回の駆動で剥がれてしまった。このため、安定動作するアクチュエータを形成するためには、十分なホットプレス時の加圧が必要であり、繊維状構造の潰れを抑制することは困難であった。   In Comparative Example 3, when the pressure during hot pressing is reduced so that the fibrous structure of the electrolyte layer is not crushed at the interface with the electrode, the adhesion between the electrode and the electrolyte layer is not sufficient, and the driving is performed several times. It has come off. For this reason, in order to form an actuator that operates stably, it is necessary to apply sufficient pressure during hot pressing, and it has been difficult to suppress the collapse of the fibrous structure.

これから、本実施例のアクチュエータは、マトリクス補強材の存在ゆえに、ホットプレス等の製造工程において、電解質層の多孔構造を維持することが可能であった。該多孔構造が一対の電極間を連通するイオンの通路として機能することから、イオンの拡散性を高め、アクチュエータの特性の向上、特に高周波数側での特性の向上が可能であった。また、電解質層中の90%以上のVGCFがマトリクスに埋め込まれていることにより、変形応答特性が高く、且つ変位量の大きな屈曲駆動型のアクチュエータを提供することができる。   Thus, the actuator of this example was able to maintain the porous structure of the electrolyte layer in the manufacturing process such as hot pressing because of the presence of the matrix reinforcing material. Since the porous structure functions as an ion passage that communicates between a pair of electrodes, it is possible to improve ion diffusivity and improve actuator characteristics, particularly on the high frequency side. In addition, since 90% or more of VGCF in the electrolyte layer is embedded in the matrix, it is possible to provide a bending drive type actuator having high deformation response characteristics and a large displacement.

1 電気活性高分子アクチュエータ
2 電解質層
3、13 電極
4 端子
5 配線
6 電源
7 カチオン
8 アニオン
9 高分子繊維
10 マトリクス補強材
11 繊維間の空隙
12 多孔性高分子材料のマトリクス
13 高アスペクト比の炭素材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electroactive polymer actuator 2 Electrolyte layer 3, 13 Electrode 4 Terminal 5 Wiring 6 Power supply 7 Cation 8 Anion 9 Polymer fiber 10 Matrix reinforcement 11 The space | gap between fibers 12 The matrix of a porous polymer material 13 High aspect ratio carbon material

Claims (8)

一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータであって、前記電解質層が、電解質と、該電解質を空隙に有する高分子材料のマトリクスと、該マトリクス中に分散された、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有し、該電解質層中の90重量%以上の該マトリクス補強材において、それぞれの少なくとも一部分が前記マトリクスに埋め込まれているアクチュエータ。   An actuator having a pair of electrodes and an electrolyte layer disposed between the pair of electrodes, the actuator being deformed when a voltage is applied between the pair of electrodes, wherein the electrolyte layer includes an electrolyte, A matrix of a polymer material having the electrolyte in the gap, and a matrix reinforcing material dispersed in the matrix for reinforcing the matrix, and 90% by weight or more of the matrix reinforcement in the electrolyte layer An actuator, wherein at least a portion of each is embedded in the matrix. 前記マトリクスが、高分子繊維の繊維同士の一部が融着した構造を有している請求項1に記載のアクチュエータ。   The actuator according to claim 1, wherein the matrix has a structure in which a part of fibers of polymer fibers are fused. 前記マトリクス補強材は、マトリクス内にその全体積の50%以上が埋め込まれている請求項1または2に記載のアクチュエータ。   The actuator according to claim 1 or 2, wherein 50% or more of the entire volume of the matrix reinforcing material is embedded in the matrix. 前記マトリクス補強材が、高アスペクト比の炭素材料である請求項1から3のいずれかに記載のアクチュエータ。   The actuator according to claim 1, wherein the matrix reinforcing material is a carbon material having a high aspect ratio. 前記高アスペクト比の炭素材料は、VGCF、SWNTおよびMWNTから選択される少なくとも一種である請求項1から4のいずれかに記載のアクチュエータ。   The actuator according to claim 1, wherein the high aspect ratio carbon material is at least one selected from VGCF, SWNT, and MWNT. 前記電極の少なくとも一方は、CNTゲルを含む請求項1から5のいずれかに記載のアクチュエータ。   The actuator according to claim 1, wherein at least one of the electrodes includes a CNT gel. 一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータの製造方法であって、
マトリクスの材料となる高分子材料と、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有する電解質層を作成する工程、
2つの電極間に該電解質層を挟み、両電極間を熱圧着する工程、
を有することを特徴とするアクチュエータの製造方法。
A method of manufacturing an actuator having a pair of electrodes and an electrolyte layer disposed between the pair of electrodes, the actuator being deformed by applying a voltage between the pair of electrodes,
Creating an electrolyte layer having a polymer material to be a matrix material and a matrix reinforcing material for reinforcing the matrix;
Sandwiching the electrolyte layer between two electrodes and thermocompression bonding between both electrodes;
A method for manufacturing an actuator, comprising:
前記マトリクスが、前記マトリクス補強材となる炭素材料が埋め込まれた高分子繊維である請求項7に記載のアクチュエータの製造方法。   The method for manufacturing an actuator according to claim 7, wherein the matrix is a polymer fiber in which a carbon material that serves as the matrix reinforcing material is embedded.
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