JP2016146716A - 高分子アクチュエータ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】湾曲や変形に対する負荷が無く、応答特性及び変位特性及び発生力の良好な高分子アクチュエータ素子を提供する。【解決手段】ナノカーボンを含む一対の電極層２０と、電極層２０に挟持された電解質層１０と、電極層２０の外側に積層された導電層３０と、を有する高分子アクチュエータであって、導電層３０が、金属ナノ粒子から形成された金属薄膜を含む。このことによって、導電層３０は、電極膜の形状に倣って接触面積が大きく集電膜として十分に機能するだけでなく、電極層２０内の導電パスが形成されず機能していなかったナノカーボンに、電極膜内部に入り込む金属ナノ粒子の働きにより導電パスが形成されて機能するようになって高分子アクチュエータ素子の特性全体が向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータ素子に関し、特に、応答特性及び変位特性の良好な高分子アクチュエータ素子に関する。

近年、小型かつ軽量で柔軟性に富むアクチュエータ素子の必要性が高まっている。小型アクチュエータの用途をより広範なものに拡張させるため、低電圧で駆動し、応答性が速く、柔軟性に富み、小型化および軽量化が容易で、しかも小電力で作動する高分子アクチュエータ素子の開発が行われてきた。

特許文献１に開示されているように、イオン液体とポリマーとのゲルを用いることにより、空気中、または真空中でも作動可能なアクチュエータ素子が得られる。イオン液体（ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄ）とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩である。

図４は、特許文献１のアクチュエータ素子９００の構成を示す概略図である。アクチュエータ素子９００は、イオン性液体（イオン液体）とポリマーとのゲル状組成物からなるイオン伝導層（電解質層）９０１の表面に、カーボンナノチューブとイオン液体とポリマーとのゲル状組成物からなる電極層９０２が相互に絶縁状態で２個形成されている。電極層９０２を構成するゲル状組成物は、カーボンナノチューブとイオン性液体（イオン液体）とポリマーとからなる。電極層９０２の表面に導電層９０３が形成され、導電層９０３に制御電圧を与えることにより湾曲および変形を生じさせ得る。

通常、制御電圧を与えることによって湾曲変形させたときの変位量が大きく、制御電圧を印加してから最大変位量が得られるまでの応答が速いことが好ましい。ここで、印加された制御電圧に対する変位量を変位特性、応答時間や変位速度を応答特性と定義する。

電極層９０２の電気抵抗が比較的高いため、給電端から反対端までの間の電圧降下が無視できず応答特性が悪くなる場合がある。特許文献１のアクチュエータ素子９００においては、電極層９０２の表面に形成された導電層９０３の存在により電気抵抗が低くなり、アクチュエータ素子９００の応答特性が良くなっている。導電層９０３は、スパッタ法により形成された貴金属層である。

特開２００５−１７６４２８号公報

しかしながら、導電層９０３の膜厚が厚くなるにつれて、電気抵抗は小さくなり、応答特性は良くなるが、アクチュエータ素子９００の湾曲や変形に対する負荷の原因となる側面も有るため、発生力の向上は期待できなかった。

本発明は、上述した課題を解決して、応答特性及び変位特性及び発生力の良好な高分子アクチュエータ素子を提供するものである。

この課題を解決するために、請求項１に記載の高分子アクチュエータ素子は、ナノカーボンを含む一対の電極層と、前記一対の電極層に挟持された電解質層と、前記一対の電極層の外側に積層された導電層と、を有する高分子アクチュエータであって、前記導電層が、金属ナノ粒子から形成された金属薄膜を含むことに特徴を有する。

また、請求項２記載の高分子アクチュエータ素子は、前記金属ナノ粒子が銀または銀より貴な金属からなることに特徴を有する。

また、請求項３記載の高分子アクチュエータ素子は、前記導電層は金属ナノ粒子が１００℃以下で焼成されてなることに特徴を有する。

また、請求項４記載の高分子アクチュエータ素子は、前記導電層が電極層へ侵入していることに特徴を有する。

請求項１の発明によれば、金属ナノ粒子から形成された金属薄膜は、電極層の形状に倣って接触面積が大きく集電膜として十分に機能する。また、電極層の中で導電パスが形成されず機能していなかったナノカーボンが、電極層内部に入り込んだ金属ナノ粒子の働きにより導電パスが形成されて機能するようになるため高分子アクチュエータ素子の特性全体が向上する。

請求項２の発明によれば、銀または銀より貴な金属は大気中で安定した導電率を示すので、導電層は大気中で安定した導電率を得る。

請求項３の発明によれば、１００℃より大きい温度で加熱すると破壊されてしまう導電層以外の構成要素が、金属ナノ粒子を焼結させるための加工熱によって破壊されることは無くなる。

請求項４の発明によれば、電極層内部に侵入する金属ナノ粒子が増加し、高分子アクチュエータ素子の特性が向上する。また、導電層と電極層との接触面積が大きくなるため電極層へキャリアの移動が円滑になって高分子アクチュエータ素子の機能が高まる。

以上より、本発明によれば、金属ナノ粒子によって集電膜と電極膜との機能が改善するので、高分子アクチュエータ素子の応答特性及び変位特性及び発生力は良好になる。

第１実施形態を示す高分子アクチュエータ素子の斜視図である。 図１のＩ−Ｉ‘線で切断した高分子アクチュエータ素子の模式断面図である。 高分子アクチュエータ素子に制御電圧が印加された駆動状態を説明する模式側面図である。 従来技術のアクチュエータ素子のアクチュエータ素子（５層構造）の一例の構成の概略を示す図である。

［第１実施形態］
以下に第１実施形態における高分子アクチュエータ素子１について、図１から図３を用いて説明する。図１は、第１実施形態を示す高分子アクチュエータ素子１の斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線で切断した模式断面図である。図３は、高分子アクチュエータ素子１に制御電圧が印加された駆動状態を説明する模式側面図である。

第１実施形態の高分子アクチュエータ素子１は、全体的には、図１に示すように、一枚の膜としての外見を備えており、その膜は、図２に示すように、ゲル状組成物と金属とからなる３種類の機能膜が５層に重ねられ各々が接合された構成になっている。

高分子アクチュエータ素子１は、柔軟な電解質層（ゲル状組成物）と、電解質層の両側面に設けられた柔軟な一対の電極層（ゲル状組成物）と、その電極層等の外側の表面に設けられた一対の導電層と、によって構成されている。また、その電極層等の間は電気的には絶縁された状態になっている。また、導電層等の端部には一対の配線（配線６１、配線６２）が設けられており、配線６１および配線６２を介して図示していない電源へ接続することによって高分子アクチュエータ素子１の両面から電圧をかけることができるようになっている。また、導電層等の間に電圧をかけたとき、高分子アクチュエータ素子１は湾曲及び変形するようになっている。

高分子アクチュエータ素子１は、長尺で薄板状の電解質層１０と、電解質層１０の両面に形成された一対の電極層２１および電極層２２と、を備えている。さらに、電極層２１および電極層２２の各表面には、一対の導電層３１および導電層３２を備えている。導電層３１および導電層３２に導電性接着剤で電気接続された配線６１および配線６２から制御電圧が印加されることによって、高分子アクチュエータ素子１が変位する。なお、本明細書では、制御回路や制御方法については割愛する。

電解質層１０は、電極層２１および電極層２２とイオン交換が可能な樹脂層であり、陽イオン交換樹脂に電解質である電解液が含浸されたものである。陽イオン交換樹脂は、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基やカルボキシル基などの親水性官能基が導入されたものである。電解液は、塩を含有する分極性有機溶媒やイオン液体などである。また、電解質層１０が、ポリフッ化ビニリデンなどのベースポリマーにイオン液体が混入されてゲル状とされたものであってもよい。イオン液体（ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄ）とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩である。

電極層２１は、イオン液体とポリマーとのゲル状組成物２６に導電性フィラー２５を含有するものである。同様に、電極層２２はイオン液体とポリマーとのゲル状組成物２８に導電性フィラー２７を含有するものである。電極層２１及び電極層２２は、電解質層１０とともに変位可能な柔軟性を有している。導電性フィラー２５および導電性フィラー２７には、カーボンナノチューブやカーボンナノホーン等のカーボンナノ粒子が用いられている。カーボンナノチューブは、炭素によって作られる同軸管状になった構造体である。カーボンナノホーンは、円錐形に丸めた構造をしている炭素系材料である。これらはカーボンナノ粒子という総称で種々の構造が知られている。なお、ゲル状組成物２６の内部には、電極層３１を形成する際に金属ナノ粒子が進入し、定着しており、導電性フィラー２５の一部として機能している。そのため、ゲル状組成物２６の内部には、導電性フィラー２５同士を電気的に接合する導電パスが形成されて、有効に働く導電性フィラー２５が増加している。同様に、ゲル状組成物２７の内部には、電極層３２を形成する際に金属ナノ粒子が進入し、定着しており、導電性フィラー２７の一部として機能している。そのため、ゲル状組成物２８の内部には、導電性フィラー２７同士を電気的に接合する導電パスが形成されて、有効に働く導電性フィラー２７が増加している。

導電層３１は、電極層２１の表面に金属ナノ粒子の分散液をキャストしてから１００℃以下で焼成することによって形成した薄膜電極である。導電層３１には、銀（Ａｇ）が用いられている。導電層３２は、導電層３１と同様に電極層２２の表面に金属ナノ粒子の分散液をキャストしてから１００℃以下で焼成することによって形成した貴金属層である。また、銀ナノ粒子の分散液の溶媒成分にはブタノールが用いられており、ブタノールは、導電層等の表面にキャストしたとき、導電層等の膜内部へと侵入するので、銀ナノ粒子の一部は、キャストしたときブタノールと一緒に電極層２０の膜内部へ侵入する。ただし、分散液は、金属ナノ粒子を分散させることのできる液体であればよく、ブタノール以外が用いられていても良い。また、上述したように銀ナノ粒子の一部は、電極層２０の膜内部へ侵入した状態で過熱されることによって電極層２０の膜内部で定着しているので、導電層３１および導電層３２と電極層２１および電極層２２とが接する界面は、平面よりも接触面積が大きくなっている。また、例えば、スパッタ法で形成された貴金属層と電極層との界面よりも、より一体化した構造になっているので、その界面でキャリアはより円滑に移動するようになっている。また、導電層３０は、電極層２０に侵入しうる銀ナノ粒子分散液をキャスト及び１００℃以下で焼成して形成した薄膜電極であり、微視的にはネットワーク構造になっており、変形することが可能になっている。

本実施形態の高分子アクチュエータ素子１は、電解質層１０と電極層２１および電極層２２とが積層された状態で、電極層２１に、導電層３１を設けている。これとほぼ同時に、電極層２２に、導電層３２を設けている。さらに、この後、圧着装置内で膜厚方向（Ｚ１−Ｚ２方向）に加圧されて形成されている。

図３に、高分子アクチュエータ素子１の駆動状態を示す。図３は、高分子アクチュエータ素子１のＸ２側からＸ１方向を見た状態であり、２点鎖線が初期状態、実線が変形している状態である。高分子アクチュエータ素子１の一端側（図３に示すＹ１側）に配線６１および配線６２を接続し、その部分を固定して固定端とすれば、自由端部である他端側（図３に示すＹ２側）がＺ１方向に湾曲変位する。

アクチュエータの変位量とは、固定端を基準として自由端を曲げ変形させたときに、図３の２点鎖線で示す初期状態におけるＺ方向の位置と、実線で示す変形後のＺ方向の位置との差を意味する。アクチュエータの発生量とは、自由端に加えた荷重を大きくしたときに変位量０を維持することができる最大荷重を意味する。高分子アクチュエータ素子１において、制御電圧を与えることによって湾曲変形させたときの変位量が大きく、発生量が大きく、さらに、制御電圧を印加してから最大変位量が得られるまでの応答が速いことが好ましい。本明細書では、印加された制御電圧に対する変位量を変位特性、制御電圧を印加してから最大変位までの応答時間や応答速度を応答特性と定義する。

このとき、導電層は、電解質層を挟んだ電極層の変位に追随するように変形して、応力を生じる。このため、これらは、アクチュエータの初期状態と駆動状態との繰り返しによるストレスで亀裂や剥離を生じにくい材料であることが要求されている。

以下、本実施形態としたことによる効果について説明する。

本実施形態の高分子アクチュエータ素子１は、初期状態から、導電層間に電圧がかかり、電極層間に電圧がかかり、イオンの移動が発生し、イオンの移動に伴う電極膜の体積の変化によって素子内部に応力が発生する、という過程を経て作用し、また効果を発現する。

高分子アクチュエータ素子１は、配線６１および配線６２の間に制御電圧が印加されると、導電層３０を介して電極層２０の間に電圧が掛かる。

このとき、導電層３０は銀からなる薄膜電極であり、その電気抵抗は小さいので、導電層３０と電極層２０との一対の界面の間には効率的に電圧が掛かる。このことによって、高分子アクチュエータ素子１の変位特性が改善される。

また、導電層３１および導電層３２を形成する工程において、電極層２１および電極層２２の内部に導電層３１および導電層３２が侵入していると共に、一部の銀ナノ粒子は電極層２１および電極層２２の内部に侵透して定着している。このことによって、導電層３１および導電層３２と電極層２１および電極層２２とが接する界面は、例えばスパッタで作成した界面よりも接触面積が大きくなっている。また、導電層と電極層とが接合された界面は、より一体化した構造になっているので、その界面でキャリアはより円滑に移動する。

このとき、高分子アクチュエータ素子１は、初期状態から、キャリアが移動して電極層２１および電極層２２の間に電圧が掛かった状態になるまでの時間が短縮するので、高分子アクチュエータ素子１の応答特性が改善される。

また、導電層３１および導電層３２を形成する工程の間に電極層２１および電極層２２の内部に銀ナノ粒子が侵透したことにより、電極層２１および電極層２２の中に一部存在する、他のナノカーボンとの間に導電パスが形成されず機能していなかったナノカーボンの末端に働きかけて導電パスを形成している。このことによって、有効に働くナノカーボンの量が増加するため高分子アクチュエータ素子の特性が向上する。

このとき、電極層２１および電極層２２の内部をキャリアが移動する速度は速くなるので、高分子アクチュエータ素子１が、初期状態から、キャリアが移動して電極層２１および電極層２２の間に電圧が掛かった状態になるまでの時間が短縮する。また、電極層２１および電極層２２の間には効率的に電圧が掛かるので、高分子アクチュエータ素子１の応答特性及び変位特性が改善される。

また、電極層２１と電極層２２との間は絶縁されていると共に電解質層１０と電極層２１および電極層２２とはイオン交換が可能である。そのため、電極層２１および電極層２２の間に電圧がかかるとき、電解質層１０から電極層２１および電極層２２の中にイオンが移動する。陰イオンと陽イオンとは電子雲の大きさが異なるので、陰イオンが移動して体積の変化した電極層と、陽イオンが移動して体積の変化した電極層と、の間には体積に差が生じる。

前述したように高分子アクチュエータ素子１は、５つの膜が接合されてなると共に、電極層２１および電極層２２は高分子アクチュエータ素子１内に電解質層１０を間に挟んで積層された膜である。したがって、電極層２１および電極層２２の体積が変化して、その体積の間に差が生じるとき、電解質層１０と電極層２１および電極層２２とを湾曲させる応力が発生する。

電極層２１および電極層２２が湾曲するとき、導電層３１および導電層３２は、湾曲した電極層２１および電極層２２に追随して湾曲する。しかし、導電層３１および導電層３２は微視的には銀ナノ粒子が焼結したネットワーク構造になっていて変形することが可能なので、導電層３１および導電層３２と電極層２１および電極層２２との間には応力は発生し難い。

このとき、導電層３１および導電層３２は湾曲及び変形し易いので、導電層３１および導電層３２は、高分子アクチュエータ素子１の変位特性及び応答特性及び発生力に悪影響を与えることはない。

以上のように本実施形態の高分子アクチュエータ素子１は、ナノカーボンを含む電極層２１および電極層２２と、電極層２１および電極層２２に挟持された電解質層１０と、電極層２１および電極層２２の外側に積層された導電層３１および導電層３２とを有する高分子アクチュエータである。また、導電層３１および導電層３２は、金属ナノ粒子から形成された金属薄膜を含むので、電極層２１および電極層２２の形状に倣って接触面積が大きく集電膜として十分に機能する。また、電極層２１および電極層２２の中の導電パスが形成されず機能していなかったナノカーボンは、電極層内部に入り込んだ金属ナノ粒子の働きにより導電パスが形成されて機能するようになって高分子アクチュエータ素子１の特性全体が向上する。

また、本実施形態の高分子アクチュエータ素子１は、金属ナノ粒子が銀からなるので、導電層３１および導電層３２は大気中で安定した導電率を得る。

また、本実施形態の高分子アクチュエータ素子１は、導電層３１および導電層３２は銀ナノ粒子が１００℃以下で焼成されることによって形成されている。このことによって、１００℃より大きい温度で加熱すると破壊されてしまう導電層以外の構成要素が、金属ナノ粒子を焼結させるための加工熱によって破壊されることは無くなる。

また、本実施形態の高分子アクチュエータ素子１は、導電層３１および導電層３２が電極層２１および電極層２２へ侵入しているので、導電層３１および導電層３２と電極層２１および電極層２２との界面の一体性が高くなり、キャリアの移動が円滑になって高分子アクチュエータ素子の機能が高まる。

また、本発明は上記の第１実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施することが可能である。

例えば、導電層３１および導電層３２は、電解質層１０の側面を覆って短絡していなければ、電極層２１および電極層２２の側面を覆っていてもよい。

また、第１実施形態では、導電層３０は１組であったが、導電層３０は１組に限定されず、複数組が配置されたものであってもよい。複数組の導電層３０に異なる制御電圧を印加すれば、それぞれの部位で異なる変位を与えることが可能である。

１ 高分子アクチュエータ素子
１０ 電解質層
２０ 電極層
２１ 電極層
２２ 電極層
２５ 導電性フィラー
２６ ゲル状組成物
２７ 導電性フィラー
２８ ゲル状組成物
３０ 導電層
３１ 導電層
３２ 導電層
６１ 配線
６２ 配線

Claims (4)

1. ナノカーボンを含む一対の電極層と、前記一対の電極層に挟持された電解質層と、前記一対の電極層の外側に積層された導電層とを有する高分子アクチュエータであって、
   前記導電層が、金属ナノ粒子から形成された金属薄膜を含むことを特徴とする高分子アクチュエータ素子。
2. 前記金属ナノ粒子が銀または銀より貴な金属からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ素子。
3. 前記導電層は金属ナノ粒子が１００℃以下で焼成されてなる、ことを特徴とする請求項２に記載の高分子アクチュエータ素子。
4. 前記導電層が電極層へ侵入している、ことを特徴とする請求項３に記載の高分子アクチュエータ素子。