JP2018082512A

JP2018082512A - 積層アクチュエータ

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Publication number: JP2018082512A
Application number: JP2016221322A
Authority: JP
Inventors: 健向; Ken Mukai; 昌大山村; Masahiro Yamamura; 欣志安積; Kinshi Azumi
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2036-11-14
Also published as: JP6870835B2

Abstract

【課題】アクチュエータの変位量と応力を同時に改善することができる、複数の高分子アクチュエータユニットと１又は複数の絶縁材を備えた積層アクチュエータを提供する。【解決手段】複数の高分子アクチュエータユニットと１又は複数の絶縁材を備えた積層アクチュエータであって、積層部材として有機ポリマーファイバーの不織布を用いることにより、高分子アクチュエータユニットの電極層と有機ポリマーファイバー不織布を構成しているファイバーとは結合した状態となる。このことより積層アクチュエータ駆動時に各高分子アクチュエータユニットは電極表面部に付着している有機ポリマーファイバーを伴って駆動するが、有機ポリマーファイバー不織布を構成するポリマーファイバーについて、ファイバー同士の摩擦が小さいため、容易に変形する。【選択図】図１

Description

本発明は、積層アクチュエータに関する。

空中、あるいは真空中で作動可能なアクチュエータ素子として、カーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」と略すことがある）とイオン液体とのゲルを導電性の伸縮性のある活性層として用いるアクチュエータが提案されている（特許文献１）。

さらに、アクチュエータの性能を向上させるために導電補助剤を用いるもの（特許文献２）、ＣＮＴとカーボンナノホーン（ＣＮＨ）を併用するもの（特許文献３）が提案されている。

従来のアクチュエータ素子の構造は、伸縮性のある活性層としてカーボンナノチューブ、ナフィオン(登録商標)、導電性高分子などの導電性材料とイオン液体とのゲルを用い、イオン液体ゲルを電解質層として電極層でサンドイッチ構造にしたものである。アクチュエータの性能は主に、変位量と応力の２つのパラメータにより評価されるが、この２つのパラメータを同時に改善あるいは進歩させることは難しい。

特許文献４は、複数のアクチュエータを積層した積層アクチュエータを開示し、絶縁層としてアクチュエータ駆動時にアクチュエータとシート間に加わる摩擦を軽減させるため低摩擦係数のシートが好ましいことを記載しているが、このような絶縁性のシートはアクチュエータの駆動を妨げるので、変位量と応力を同時に改善することは難しい。

特開２００５−１７６４２８ＷＯ２００９／１５７４９１ＷＯ２０１０／０２９９９２特開２０１０−０６８６７８

本発明は、アクチュエータの変位量と応力を同時に改善することを目的とする。

本発明は、以下の積層アクチュエータを提供するものである。
項１．複数の高分子アクチュエータユニットと１又は複数の絶縁材を備えた積層アクチュエータであって、前記絶縁材は前記高分子アクチュエータユニット間に挟まれ、前記絶縁材は有機ポリマーファイバーの不織布で構成される、積層アクチュエータ。
項２．前記有機ポリマーファイバーの平均直径が１０００ｎｍ未満である、項１に記載の積層アクチュエータ。
項３．前記有機ポリマーが含フッ素ポリマーである、項１または項２に記載の積層アクチュエータ。
項４．前記高分子アクチュエータユニットにナノカーボンが含まれる、項１〜３のいずれか１項に記載の積層アクチュエータ。
項５．前記高分子アクチュエータユニットが２つの電極層の間に電解質層を挟んだ構造を有する、項１〜４のいずれか１項に記載の積層アクチュエータ。

本発明によれば、アクチュエータユニットと比較して変位量と応力が同時に向上したアクチュエータを得ることができる。

積層部材として上記に記載する有機ポリマーファイバーの不織布を用いることにより、高分子アクチュエータユニットの電極層と有機ポリマーファイバー不織布を構成しているファイバーとは結合した状態となる。このことより積層アクチュエータ駆動時に各高分子アクチュエータユニットは電極表面部に付着している有機ポリマーファイバーを伴って駆動するが、有機ポリマーファイバー不織布を構成するポリマーファイバーについて、ファイバー同士の摩擦が小さいため、容易に変形する。結果として、隣接するアクチュエータ同士の駆動を妨げない効果が生まれる。

積層アクチュエータを示す概略図および説明アクチュエータユニット（アクチュエータＡ）と積層アクチュエータを示す概略図である。レーザ変位計による変位量の測定の概略を示す。アクチュエータの積層数と変位量の関係を示すアクチュエータの積層数と収縮率との関係を示す。アクチュエータの積層数と発生力の関係を示す。ＰＶＤＦ−ＨＦＰを用いた電界紡糸不織布のＳＥＭ写真。図７より、ファイバーどうしが融着していないことがわかる。このため摩擦が小さく、積層用部材に適した構造になっている。

本発明の高分子アクチュエータユニットとしては、例えば、電解質膜層（イオン伝導層）を、その両側から、カーボンナノチューブとイオン液体とポリマーを含む電極層（導電性薄膜層）で挟んだ（電極層）−（イオン伝導層）−（電極層）の３層構造のものが挙げられ、電極の表面伝導性を増すために、電極層の外側にさらに導電層が形成された（導電層）−（電極層）−（イオン伝導層）−（電極層）−（導電層）の５層構造のアクチュエータユニットであってもよい。

電解質膜層の表面に電極層を形成してアクチュエータユニットを得るには、電解質膜層の表面に電極層を圧着すればよい。圧着は加熱下に行ってもよく、室温で行ってもよい。

本発明の好ましい実施形態の積層アクチュエータは、高分子アクチュエータユニット間に絶縁材を挟み、圧着することにより製造できる図１のようなアクチュエータを想定している。積層アクチュエータが３以上の高分子アクチュエータユニットと２以上の絶縁材を有する場合、段階的に圧着してもよく、全ての高分子アクチュエータユニットと全ての絶縁材を重ね合わせ、まとめて圧着してもよい。

本発明では、隣接するアクチュエータユニット間に絶縁材を挟むことで積層アクチュエータを得ることができる。積層アクチュエータに含まれるアクチュエータユニットの数は、２以上であればよく、例えば２〜１００程度が挙げられる。絶縁材はアクチュエータユニット間に挟まれるので、絶縁材の数はアクチュエータユニットの数よりも１つ少なくてよい。

本発明の好ましい実施形態において、電極層は、導電性材料、イオン液体およびポリマーを含む高分子ゲルから構成される。導電性材料としては、ナノカーボン、スルホン酸基を有するフッ素系高分子、導電性高分子が挙げられ、これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。ナノカーボンとしては、カーボンナノホーン（ＣＮＨ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーバイドディライブドカーボン(ＣＤＣ)、グラフェン、グラフェンナノリボン、グラフェンナノプレートが挙げられる。スルホン酸基を有するフッ素系高分子としては、ナフィオン（登録商標）が挙げられる。導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリ（１，６−ヘプタジイン）、ポリビフェニレン（ポリパラフェニレン）、ポリパラフェニレンスルフィド、ポリフェニルアセチレン、ポリ（２，５−チエニレン）、ポリインドール、ポリ−２,５−ジアミノアントラキノン、ポリ（ｏ−フェニレンジアミン）、ポリ（キノリニウム）塩、ポリ（イソキノリニウム）塩、ポリピリジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリンなどが挙げられる。また、電解質膜はイオン液体とポリマーを含む。

本発明に用いられるカーボンナノチューブは、グラフェンシートが筒形に巻いた形状から成る炭素系材料であり、その周壁の構成数から単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）と多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）とに大別され、また、グラフェンシートの構造の違いからカイラル（らせん）型、ジグザグ型、およびアームチェア型に分けられるなど、各種のものが知られている。本発明には、このような所謂カーボンナノチューブと称されるものであれば、いずれのタイプのカーボンナノチューブも用いることができる。カーボンナノチューブとしては、一酸化炭素を原料として比較的量産が可能なＨｉＰｃｏ（ユニダイム社製）、産業技術総合研究所により入手可能な、スーパーグロース法で合成されたカーボンナノチューブ（ＳＧ）を使用することができる。

本発明で使用するカーボンナノチューブのアスペクト比は、１０^３以上が好ましい。カーボンナノチューブの長さは、特に限定されないが、１μｍ程度以下の通常のカーボンナノチューブでもよく、１μｍより長いもの、例えば１０μｍ〜３０μｍ程度のより長いカーボンナノチューブを使用することもできる。さらに、スーパーグロース法で合成されたカーボンナノチューブの場合には、５０μｍ以上、さらに２００μｍ以上、特に５００μｍ以上のカーボンナノチューブを得ることができるので、このような長いカーボンナノチューブを使用することもできる。カーボンナノチューブの長さの上限は、特に限定されないが、例えば１０ｍｍ程度である。

カーボンナノホーンは、グラファイトシートを円錐状に丸めた形状を持ち、先端が円錐状に閉じている炭素ナノ粒子をいう。カーボンナノホーンは、市販品を使用することができる。

本発明で使用されるカーボンナノファイバー(CNF)は、直径の下限が150nm程度であり、直径の上限が500nm程度であるカーボンファイバーである。CNFの長さは下限が10μｍ程度であり、上限は、100μｍ、200μｍ、300μｍ、400μｍ、500μｍ、600μｍ、700μｍ、800μｍ、900μｍ、又は1000μｍ程度である。

CNFは、カーボン前駆体ポリマーとして芳香族メソフェーズピッチを用い、それをマトリックスポリマー中に分散したポリマーブレンドを溶融紡糸後、紡糸繊維の不融化処理、炭素化加熱、必要に応じてさらに賦活処理、黒鉛化処理することにより、作製することができる。賦活処理により活性化されたCNFはACNF(activated CNF)と称される。このようなCNFとして、例えば帝人株式会社製のカーボンナノファイバーを好ましく例示することができる。

電極層には、さらに導電補助剤を添加してもよい。また、電極層の内部に油脂を配合してもよく、或いは電極層と電解質膜層の間に油脂層を設けてもよい。

導電補助剤としては、例えば、メソポーラス無機材料、金属酸化物、炭素粒子、金微粒子などが挙げられる。

メソポーラス無機材料としては、シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ、シリカ−アルミナ、シリカ−チタニア、リン酸スズ、リン酸ニオブ、リン酸アルミニウム、リン酸チタン、ならびにそれらの酸化物、窒化物、硫化物、セレン化物、テルル化物又は複合酸化物、複合塩などが挙げられる。金属酸化物としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化アルミニウム、酸化ルテニウム等が挙げられる。炭素粒子としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、人造黒鉛、炭素繊維、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、サーマルブラックが挙げられる。

油脂としては、サラダ油、白絞油、コーン油、大豆油、ごま油、菜種油、こめ油、糠油、椿油、ベニバナ油、パーム核油、ヤシ油、綿実油、ひまわり油、荏油、オリーブオイル、ピーナッツオイル、アーモンドオイル、アボカドオイル、ヘーゼルナッツオイル、ウォルナッツオイル、グレープシードオイル、マスタードオイル、レタス油、魚油、鯨油、鮫油、肝油などの脂肪油、カカオバター、パーム油、ラード、牛脂、鶏油、羊脂、馬脂、ショートニング、乳脂肪、バター、マーガリン、ギー、硬化油などの常温で固体の脂肪、潤滑油、ひまし油、グリース、切削油、グリセリン脂肪酸エステル、ポリグリセリン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、エチレン脂肪酸エステル、プロピレングリコール脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンラノリン脂肪酸エステル、トリメチロールプロパン脂肪酸エステル、ミツロウ、ライスワックス、水素添加加工油脂、ポリグリセリン縮合（ポリ）リシノール酸エステル、リン脂質、レシチン、卵黄レシチン、リゾレシチン、ダイズレシチン、有機酸モノグリセリド、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンヒマシ油、ステアロイル乳酸ナトリウム、ステアロイル乳酸カルシウム、サポニン、キラヤサポニン、コハク酸モノグリセリド、コハク酸ジグリセリドなどが挙げられる。

本発明に用いられるイオン液体（ionic liquid）とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩であり、例えば０℃、好ましくは−２０℃、さらに好ましくは−４０℃で溶融状態を呈する塩である。また、本発明で使用するイオン液体はイオン導電性が高いものが好ましい。

本発明においては、各種公知のイオン液体を使用することができるが、常温（室温）または常温に近い温度において液体状態を呈する安定なものが好ましい。本発明において用いられる好適なイオン液体としては、下記の一般式（Ｉ）〜（IV）で表わされるカチオン（好ましくは、イミダゾリウムイオン、第４級アンモニウムイオン）と、アニオン（Ｘ⁻）より成るものが挙げられる。

上記の式（Ｉ）〜（IV）において、Ｒは炭素数１〜１２の直鎖又は分枝を有するアルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３〜１２の直鎖又は分枝を有するアルキル基を示し、式（Ｉ）においてＲ^１は炭素数１〜４の直鎖又は分枝を有するアルキル基または水素原子を示す。式（Ｉ）において、ＲとＲ^１は同一ではないことが好ましい。式（III）および（IV）において、ｘはそれぞれ１〜４の整数である。式（III）および（IV）において、２つのＲ基は一緒になって３〜８員環、好ましくは５員環又は６員環の脂肪族飽和環式基を形成してもよい。

炭素数１〜１２の直鎖又は分枝を有するアルキル基としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔ−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシルなどの基が挙げられる。炭素数は好ましくは１〜８，より好ましくは１〜６である。

炭素数１〜４の直鎖又は分枝を有するアルキル基としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔ−ブチルが挙げられる。

エーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３〜１２の直鎖又は分枝を有するアルキル基としては、CH₂OCH₃、CH₂CH₂OCH₃、CH₂OCH₂CH₃、CH₂CH₂OCH₂CH₃、(CH₂)_p(OCH₂CH₂)_qOR²（ここで、ｐは１〜４の整数、ｑは１〜４の整数、R²はCH₃又はC₂H₅を表す）が挙げられる。

アニオン（Ｘ⁻）としては、テトラフルオロホウ酸イオン（BF₄ ^-）、BF₃CF₃ ^-、BF₃C₂F₅ ^-、BF₃C₃F₇ ^-、BF₃C₄F₉ ^-、ヘキサフルオロリン酸イオン（PF₆ ^-）、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドイオン（（CF₃SO₂)₂N^-）、ビス（フルオロメタンスルホニル）イミドイオン（（FSO₂)₂N^-）、ビス（ペンタフルオロエタンスルホニル）イミドイオン（（CF₃CF₂SO₂)₂N^-）、（フルオロメタンスルホニル）（トリフルオロメタンスルホニル）イミドイオン（（FSO₂)(CF₃SO₂)N^-）、過塩素酸イオン(ClO₄ ^-)、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）炭素酸イオン(CF₃SO₂)₃C^-）、トリフルオロメタンスルホン酸イオン（CF₃SO₃ ^-）、ジシアンアミドイオン（(CN)₂N^-）、トリフルオロ酢酸イオン（CF₃COO^-）、有機カルボン酸イオンおよびハロゲンイオンが例示できる。

これらのうち、イオン液体としては、例えば、カチオンが１−エチル−３−メチルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、[N(CH₃)(CH₃)(C₂H₅)(C₂H₄OC₂H₄OCH₃)]⁺、[N(CH₃)(C₂H₅)(C₂H₅)(C₂H₄OCH₃)]⁺、アニオンがハロゲンイオン、テトラフルオロホウ酸イオン、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドイオン（（CF₃SO₂)₂N^-）、トリフルオロメタンスルホン酸イオン（CF₃SO₃ ^-）のものが、具体的に例示できる。なお、カチオン及び／又はアニオンを２種以上使用し、融点をさらに下げることも可能である。

ただし、これらの組み合わせに限らず、イオン液体であって、導電率が0.1Sm^-1以上のものであれば、使用可能である。

本発明の電解質膜層（イオン伝導層）は、ポリマーと溶媒、必要に応じてさらにイオン液体を含む溶液を調製し、得られた溶液をキャスト法により製膜し、溶媒を蒸発、乾燥させることによって得ることができる。電解質膜の形成は、塗布、印刷、押し出し、キャスト、または、射出などにより行うことができる。ここで、前記溶媒は親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒を用いてもよい。

親水性溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどのカーボネート類、テトラヒドロフランなどのエーテル類、アセトン、メタノール、エタノールなどの炭素数１〜３の低級アルコール、アセトニトリル、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル−2−ピロリドン等のアミド類等が挙げられる。疎水性溶媒としては、４−メチルペンタン−２−オンなどの炭素数５〜１０のケトン類、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類、トルエン、ベンゼン、キシレンなどの芳香族炭化水素類、ヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族又は脂環式炭化水素類が挙げられる。

本発明において、電極層、電解質膜層に用いられるポリマーは、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］などの水素原子を有するフッ素化オレフィンとパーフッ素化オレフィンの共重合体、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの水素原子を有するフッ素化オレフィンのホモポリマー、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ，ナフィオン）、ポリ−２−ヒドロキシエチルメタクリレート（poly-ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのポリ（メタ）アクリレート類、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などが挙げられる。このポリマーには、ポリアニリンのような導電性ポリマーは含まれない。

本発明の絶縁材は、有機ポリマーファイバーの不織布で構成される。絶縁材は、好ましくは軽量であり、伸縮性があり（変形可能）、不織布を構成している有機ポリマーファイバー同士の摩擦が小さく、薄膜状の不織布である。絶縁材の構造が、ポリマー鎖同士が強固に結合しているシート状であるとポリマー鎖同士の摩擦が大きくなるため、例え各高分子アクチュエータユニットと絶縁材表面間の摩擦が小さいとしても、結果としてアクチュエータの変位を阻害する。

不織布を構成する有機ポリマーは、摩擦が小さく、溶剤に溶解し、水及びイオン液体には溶解しないものが好ましい。具体的な有機ポリマーとしては、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、フッ素系ポリマーなどが挙げられ、フッ素系ポリマーが好ましい。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン又はこれらの共重合体が挙げられる。フッ素系ポリマーとしては、フッ素化エチレンプロピレン、テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとフッ化ビニリデンとのコポリマー（ＴＨＶ）、エチレンとテトラフルオロエチレンの共重合体、エチレンクロロトリフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］などの水素原子を有するフッ素化オレフィンとパーフッ素化オレフィンの共重合体、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの水素原子を有するフッ素化オレフィンのホモポリマー、それらのブレンド及び誘導体が挙げられる。好ましいフッ素系ポリマーは、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］などの水素原子を有するフッ素化オレフィンとパーフッ素化オレフィンの共重合体である。

有機ポリマーファイバーの平均直径は、２００〜１０００ｎｍ程度、好ましくは５００〜７５０ｎｍ程度である。

絶縁材（有機ポリマーファイバーの不織布）の厚さは、好ましくは０．５〜１００μｍ程度、好ましくは１〜５０μｍ程度、より好ましくは２〜２０μｍ程度である。

絶縁材の嵩密度は０．１〜１ｇ／ｃｍ^３、好ましくは０．２〜０．７ｇ／ｃｍ^３、より好ましくは約０．４５〜０．５５ｇ／ｃｍ^３である。

絶縁材の空隙率は、５０〜９０％、好ましくは６０〜８０％、より好ましくは約７０〜７５％である。

有機ポリマーファイバーの不織布は、メルトブローン法、スパンボンド法、抄紙法などにより製造してもよいが、好ましくは電界紡糸法により製造することができる。

電界紡糸法とは、紡糸原液に高電圧を印加することによって電気的に繊維を紡糸する方法である。

電界紡糸法は、簡便な装置で製造でき、極細の繊維同士が結合した不織布として得られる利点がある。電解紡糸法で得られた不織布は、軽量で伸縮性があり、薄いものを作ることができるので好ましい。また、素材を選ぶことでファイバーどうしの摩擦が小さい不織布を作製できる。電界紡糸不織布は、電解紡糸装置を用いて当業者が容易に実施できる。

本発明の好ましい実施形態において、アクチュエータユニットの電極層は、導電性材料、ポリマー、イオン液体を含む。電極層中の導電性材料、ポリマー、イオン液体の好ましい配合割合は、これらの合計量を１００質量％として：
導電性材料：
１〜９８質量％、好ましくは２３〜６６質量％、より好ましくは２３〜５０質量％；
ポリマー：
１〜９８質量％、好ましくは１７〜５０質量％、より好ましくは１７〜４０質量％；
イオン液体：
１〜９８質量％、好ましくは１７〜８０質量％、より好ましくは１７〜６０質量％；
である。

電極層の形成は、導電性材料、ポリマー及びイオン液体を溶媒とともに含む混合液を、塗布、印刷、押し出し、キャスト、または、射出などの方法により行なうことができ、好ましくはキャストにより実施される。

電解質膜層の厚さは、5〜200μｍであるのが好ましく、10〜100μｍであるのがより好ましい。電極層の厚さは、10〜500μｍであるのが好ましく、50〜300μｍであるのがより好ましい。また、各層の製膜にあたっては、スピンコート、印刷、スプレー等も用いることができる。さらに、押し出し法、射出法等も用いることができる。

電極層は、複数の薄膜を圧着などにより積層することもでき、１枚の薄膜からなっていてもよい。

このようにして得られた積層アクチュエータは、電極間（電極は電極層に接続されている）に０．５〜４Ｖの直流電圧を加えると、数秒以内にユニット長（電極の固定端から先の可動部）の０．０５〜１倍程度の変位を得ることができる。また、このアクチュエータユニットは、空気中あるいは真空中で、柔軟に作動することができる。

上記の方法で得ることのできるアクチュエータユニットによれば、空気中、真空中で、応答性がよく変形量の大きい、かつ、耐久性のあるユニットを得ることができる。しかも、構造が簡単で、小型化が容易であり、小電力で作動することができる。

本発明のアクチュエータユニットは、空気中、真空中で耐久性良く作動し、しかも低電圧で柔軟に作動することから、安全性が必要な人と接するロボットのアクチュエータ（例えば、ホームロボット、ペットロボット、アミューズメントロボットなどのパーソナルロボットのアクチュエータ）、また、宇宙環境用、真空チェンバー内用、レスキュー用などの特殊環境下で働くロボット、また、手術デバイスやマッスルスーツなどの医療、福祉用ロボット、さらにはマイクロマシーンなどのためのアクチュエータとして最適である。

特に、真空環境下、超クリーンな環境下での材料製造において、純度の高い製品を得るために、試料の運搬や位置決め等のためのアクチュエータの要求が高まっており、ほとんど蒸発しないイオン液体を用いた本発明の積層アクチュエータは、汚染の心配のないアクチュエータとして、真空環境下でのプロセス用アクチュエータとして有効に用いることができる。

以下、本発明を実施例及び比較例を用いてより詳細に説明する。
実施例１
単層カーボンナノチューブ（以下ＳＷＮＴｓと記載）とカーボンナノホーン（ＮＥＣ社製、商品名ＣＮＨｏｘ，以下ＣＮＨと記載）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム-テトラフルオロボレート（以下ＥＭＩＢＦ_４と記載）が重量比１：１：６から構成される電極膜（膜厚７４μｍ）２枚の間に、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（Ａｒｋｅｍａ社製、商品名ＫＹＮＡＲ２８０１，以下ＰＶＤＦ−ＨＦＰと記載）とＥＭＩＢＦ_４が重量比１：１から構成される電解質膜層（膜厚１２μｍ）を挟み、７０℃、０．５Ｎ／ｍｍ^２、１０分間の条件で加熱圧着を行い、図２に示すようなアクチュエータＡを得た（図２）。アクチュエータＡの厚みは１５２μｍであった。

電界紡糸法により作製した膜厚１０μｍのＰＶＤＦ−ＨＦＰの不織布からなる積層用部材を、上記アクチュエータＡ２枚の間に挟み、室温、０．１Ｎ／ｍｍ^２、３分間の条件で圧着を行い積層アクチュエータＢを得た（図２）。積層アクチュエータＢの厚みは３０６μｍであった。ＰＶＤＦ−ＨＦＰの不織布の嵩密度は０．５ｇ／ｃｍ^３であった。また、樹脂（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）の密度が１．７６〜１．７９ｇ／ｃｍ^３であることから、空隙率は約７２％（充填率は約２８％）であった。ＰＶＤＦ−ＨＦＰの不織布（絶縁材）のＳＥＭ写真を図７に示す。
比較例１
溶媒キャスト法により作製した膜厚６μｍのＰＶＤＦ−ＨＦＰ膜からなる積層用部材を、上記アクチュエータＡ２枚の間に挟み、室温、０．１Ｎ／ｍｍ^２、３分間の条件で圧着を行い積層アクチュエータＣを得た。
比較例２
溶媒キャスト法により作製した膜厚６μｍのＰＶＤＦ−ＨＦＰ膜を上記アクチュエータＡに重ね、室温、０．１Ｎ／ｍｍ^２、３分間の条件で圧着を行いアクチュエータＤ´を得た。上記アクチュエータＤ´２枚を、ＰＶＤＦ−ＨＦＰ膜側が対向するように配置し、潤滑油（流動パラフィン）を介して密着させ、積層アクチュエータＤを得た。

上記アクチュエータＡおよび積層アクチュエータＢ、Ｃ、Ｄのそれぞれを電極治具に取り付け、電極治具間に周波数０．０１Ｈｚ、±２Ｖの矩形波電圧を印加した際のアクチュエータの変形量について、電極治具から５ｍｍの位置にレーザを照射し、レーザ変位計（キーエンス株式会社製、ＬＣ２１００）を用いて測定した（図３）。

表１に各アクチュエータの変形量と、アクチュエータＡの変形量を１００％とした場合の、積層アクチュエータＢ、Ｃ、Ｄの変形量の相対値を示す。

複数のアクチュエータを積層した場合においても、その変形量は単一のアクチュエータの変形量と同等であることが理想である。すなわち、表１に示す変形量において、アクチュエータＡの値に近いものほど、それに使用している積層用部材がアクチュエータの積層に適したものと言える。

表1において積層アクチュエータＢと積層アクチュエータＣの変形量を比べると、積層アクチュエータＢの方が大きい値を示していることから、同じＰＶＤＦ−ＨＦＰを素材とする部材でも、キャスト法により作製した膜よりも電界紡糸法により作製した不織布の方が、積層用部材として優れていることがわかる。

とりわけ積層アクチュエータＢの変形量はアクチュエータＡの変形量の８４％と、ほぼ同等であることから、電界紡糸法により作製したＰＶＤＦ−ＨＦＰ不織布が積層用部材として特に優れていることがわかる。
実施例２
ＳＷＮＴｓとＣＮＨ、ＥＭＩＢＦ_４が重量比１：１：７から構成される電極膜(膜厚８０μｍ)２枚の間に、ＰＶＤＦ−ＨＦＰとＥＭＩＢＦ_４が重量比１：１から構成される電解質膜層（膜厚１２μｍ）を挟み、７０℃、０．５Ｎ／ｍｍ^２、１０分間の条件で加熱圧着を行いアクチュエータＥを得た。アクチュエータＥの厚みは１６３μｍであった。

電界紡糸法により作製した膜厚１３μｍのＰＶＤＦ−ＨＦＰの不織布からなる積層用部材を、上記アクチュエータＥ２枚の間に挟み、室温、０．１Ｎ／ｍｍ^２、３分間の条件で圧着を行い積層アクチュエータＦを得た。積層アクチュエータＦの厚みは３４６μｍであった。

さらに、電界紡糸法により作製した膜厚１３μｍのＰＶＤＦ−ＨＦＰの不織布からなる積層用部材を、上記積層アクチュエータＦ２枚の間に挟み、室温、０．１Ｎ／ｍｍ^２、３分間の条件で圧着を行い積層アクチュエータＧを得た。積層アクチュエータＧの厚みは７２５μｍであった。なお積層アクチュエータＧの積層数は４である。

上記アクチュエータＥおよび積層アクチュエータＦ、Ｇのそれぞれを電極治具に取り付け、電極治具間に周波数０．０１Ｈｚ、±２Ｖの矩形波電圧を印加した際のアクチュエータの変形量について、電極治具から５ｍｍの位置にレーザを照射し、レーザ変位計（キーエンス株式会社製、ＬＣ２１００）を用いて測定した。

図４に、アクチュエータの積層数と上記測定より得られた変位量の関係を示す。先に述べたように、アクチュエータを複数積層した場合においても単一のアクチュエータと同等の変形量が得られることが理想である。図４に示すように積層数２の場合の変形量は積層数１の場合の８３%であり、積層による変形量の低下は小さいことがわかる。また、積層数４の場合でも、その変形量は積層数１の場合の７８%であり、積層による変形量の低下は限定的である。

図５に、アクチュエータの積層数と、図３に示す式により算出した収縮率との関係を示す。

収縮率とは、電圧を印加した際に電極膜がどの程度収縮するかを示したものである。なお、この式は単一のアクチュエータにおいて成り立つ式であるため、この式より算出した積層アクチュエータの収縮率は見かけ上の値である。図５から、積層数が多いほど見かけ上の収縮率が大きくなっていくのがわかる。一方、単一のアクチュエータを単に厚くした場合では電極部位の抵抗による帯電速度やイオン移動速度の問題で厚みが小さなアクチュエータと比較し伸縮率が小さくなる傾向がある。したがって、伸縮率が同等以下であると想定した場合、図３に示す式より単一のアクチュエータの場合、アクチュエータを厚くするほど変形量は小さくなる。このことから、アクチュエータを積層することにより、同じ厚みの単一のアクチュエータでは実現し得ない変形量が得られていることがわかる。

さらに、上記アクチュエータＥおよび積層アクチュエータＦ、Ｇのそれぞれについて、ロードセル（共和電業社製、ＬＴＳ−５０ＧＡ）を用いて発生力の測定を行った。測定箇所は固定端から４ｍｍの位置である。

図６に、アクチュエータの積層数と上記測定より得られた発生力の関係を示す。積層数が多い場合ほど発生力が大きくなっており、積層による効果が得られていることがわかる。

Claims

複数の高分子アクチュエータユニットと１又は複数の絶縁材を備えた積層アクチュエータであって、前記絶縁材は前記高分子アクチュエータユニット間に挟まれ、前記絶縁材は有機ポリマーファイバーの不織布で構成される、積層アクチュエータ。
前記有機ポリマーファイバーの平均直径が１０００ｎｍ未満である、請求項１に記載の積層アクチュエータ。
前記有機ポリマーが含フッ素ポリマーである、請求項１または請求項２に記載の積層アクチュエータ。
前記高分子アクチュエータユニットにナノカーボンが含まれる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層アクチュエータ。
前記高分子アクチュエータユニットが２つの電極層の間に電解質層を挟んだ構造を有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の積層アクチュエータ。