JP2020122095A

JP2020122095A - アクチュエータ及びゲル状物質

Info

Publication number: JP2020122095A
Application number: JP2019015418A
Authority: JP
Inventors: 淳遠田; Atsushi Toda
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Chemical Holdings Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Chemical Group Corp
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-08-13

Abstract

【課題】ハロゲン元素を含まない誘電性高分子材料を含むゲル層を備え、かつ、印加電圧に対する変位量が大きいアクチュエータ、及び当該ゲル層に用いることのできるゲル状物質を提供する。【解決手段】誘電性高分子材料及びジカルボン酸ジエステル化合物を含むゲル層１０と、ゲル層を厚さ方向に挟む陽極１１及び陰極１２とからなる単位構造を備えるゲルアクチュエータ１であって、誘電性高分子材料が数平均分子量６万以上１５万以下のポリビニルブチラールである。【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータ及びゲル状物質に関する。

近年、エネルギーや電気信号を物理的運動に変換する機械・電気回路を構成するアクチュエータの材料として、軽量性や柔軟性、加工性に優れる高分子材料が注目されている。特に、医療機器や産業用ロボット等の分野では、伸縮性に優れる高分子ゲルを用いたアクチュエータの開発が活発に行われてきた。例えば、当該アクチュエータは、その優れた伸縮性から人工筋肉の候補に挙げられ、人の動作を補助することを目的とする福祉機器や介護機器等の製品への応用が期待されている。

特許文献１には、一方の電極を導電材からなるメッシュ体とし、当該メッシュ体を２つの高分子ゲルで挟み込んで作製され、電圧印加時にメッシュ体のメッシュ孔に高分子ゲルの一部が入り込むことにより厚さ方向に収縮し、電圧印加の解除時に元の厚さに復帰するゲルアクチュエータが開示されている。当該ゲルの材料として、ポリ塩化ビニルからなる誘電性高分子材料、及び可塑剤としてのアジピン酸ジブチルを加えたものが特に有効に用いられることが開示されている。
特許文献２には、電極層を誘電性高分子材料からなるゲルシートで挟み込んだ積層体と、メッシュ体とを有し、当該メッシュ体を当該積層体で挟み込んで作製され、上記の特許文献１と同様の作用により伸縮及び復帰を行い、変位したゲルの移動先を確保するセンサ素子が開示されている。当該ゲルシートに用いられる材料として、ポリ塩化ビニル、及び可塑剤としてのアジピン酸ジブチルを加えたものを用いることにより、応答特性を向上させ、荷重や変位の測定を容易にすることができることが開示されている。

特開２０１２−２３８４３号公報特開２０１４−３２１５２号公報

上記の特許文献１及び２に記載の発明の説明で述べたように、ゲルアクチュエータでは、ゲルに用いられる高分子としてポリ塩化ビニルを用いることが一般的である。しかし、ポリ塩化ビニルは塩素を含有しているため、一般に、ハロゲン元素を嫌う（例えば、ハロゲン元素により腐食されやすい）電子機器の周囲では使用し難く、また、廃棄後に焼却する際に、ダイオキシンが発生する可能性がある等の理由から、ハロゲンフリーにすることが望まれている。

そこで、本発明は、ハロゲン元素を含まない誘電性高分子材料を含むゲル層を備え、かつ、印加電圧に対する変位量が大きいアクチュエータ、及び当該ゲル層に用いることのできるゲル状物質を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記実情に鑑み鋭意検討した結果、ゲル層に、ハロゲン元素を含まない誘電性高分子材料を含む特定の材料の組み合わせを用いることにより、印加電圧に対する変位量が、ポリ塩化ビニルを使用した場合と同等又はそれ以上となるアクチュエータを提供できることを見出し、本発明を達成するに至った。

即ち、本発明の要旨は以下の通りである。
[１] 誘電性高分子材料及びジカルボン酸ジエステル化合物を含むゲル層と、前記ゲル層を厚さ方向に挟む陽極及び陰極とからなる単位構造を備えるゲルアクチュエータであって、前記誘電性高分子材料が数平均分子量６万以上１５万以下のポリビニルブチラールである、アクチュエータ。
[２] 前記ジカルボン酸ジエステル化合物に対する前記ポリビニルブチラールの重量比が０．３以上２．０以下である、［１］に記載のアクチュエータ。
[３] 前記ジカルボン酸ジエステル化合物が、コハク酸ジエステル、アジピン酸ジエステル、及びセバシン酸ジエステルから選ばれる少なくとも１つである、［１］又は［２］に記載のアクチュエータ。
[４] 前記陽極及び陰極のうちの少なくとも一方の電極が網状の形状を有する、［１］ないし［３］のいずれかに記載のアクチュエータ。
[５] 数平均分子量が６万以上１５万以下であるポリビニルブチラール、及びジカルボン酸ジエステル化合物を含む、ゲル状物質。
[６] 前記ジカルボン酸ジエステル化合物に対する前記ポリビニルブチラールの重量比が０．３以上２．０以下である、［５］に記載のゲル状物質。
[７] 前記ジカルボン酸ジエステル化合物が、コハク酸ジエステル、アジピン酸ジエステル、及びセバシン酸ジエステルから選ばれる少なくとも１つである、［５］又は［６］に記載のゲル状物質。
[８] 前記ジカルボン酸ジエステル化合物が、アジピン酸ジエステルである、［７］に記載のゲル状物質。

本発明により、ハロゲン元素を含まない誘電性高分子材料を含むゲル層を備え、かつ、印加電圧に対する変位量が大きいアクチュエータ、及び当該ゲル層に用いることのできるゲル状物質を提供することができる。

本発明の一実施形態である、ゲル層と２つの電極とからなる単位構造を備えるアクチュエータの構成と作用とを模式的に表す図である。本発明の一実施形態である、ゲル層と２つの電極とからなる単位構造を備え、かつ、一方の電極が網状の形状を有するアクチュエータの構成と作用とを模式的に表す図である。本発明の一実施形態である、隣接アクチュエータの間に絶縁層を備える積層型のアクチュエータの構成と作用とを模式的に表した図である。本発明の一実施形態である、隣接するアクチュエータの間にゲル層を備える積層型のアクチュエータの構成と作用とを模式的に表す図である。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、これら説明は本発明の実施形態の一例（代表例）であり、本発明はその要旨を超えない限りこれらの内容に限定されない。
また、本発明において、特段限定するような記載をしていない場合、「２つの電極」とは陽極と陰極の組み合わせであることを示す。また、「一方の電極」及び「もう一方の電極」の組み合わせを用いた場合、いずれか一方が陽極であり、もう一方が陰極であることを示す。

本発明の一実施形態であるアクチュエータは、誘電性高分子材料及びジカルボン酸ジエステル化合物を含むゲル層と、当該ゲル層を厚さ方向に挟む陽極及び陰極とからなる単位構造を備えるゲルアクチュエータであって、前記誘電性高分子材料が数平均分子量６万以
上１５万以下のポリビニルブチラールである、アクチュエータである。

＜１．ゲル層＞
＜１−１．ゲル層の原料＞
ゲル層に含まれる誘電性高分子であるポリビニルブチラールは、屈曲変形やクリープ変形をなし、電圧を印加して電位差をかけると収縮するという特性を有する。ポリビニルブチラールの製法は、特段制限されず、一般に市販されているものを用いることができる。

ポリビニルブチラールの数平均分子量は、電圧印加時の変位量の観点から、６万以上１５万以下であるが、好ましくは７万以上であり、より好ましくは８万以上であり、また、好ましくは１４万以下であり、より好ましくは１３万以下である。ポリビニルブチラールの数平均分子量を上述のそれぞれの数平均分子量以上とすることで、連続したシート化を容易にすることができ、取り扱いが容易になる。一方上述のそれぞれの数平均分子量以下とすることで、適度な硬度となり、電圧に対する変位長を十分に確保できる。
なお、ここでいう数平均分子量は、ＧＰＣ(ゲル浸透クロマトグラフィー）によるポリスチレン換算の値を用いる。また市販品を使用する場合には、使用する製品によっては数平均分子量ではなく、計算分子量が記載されていることがあるが、数平均分子量と計算分子量は実質的に同様の値になるため、計算分子量も同様の範囲で用いることができる。

ゲル層中のポリビニルブチラールの含有量は、特段制限されないが、良好な変位長の発現とゲル表面のべたつきの観点から、通常１０重量％以上であり、好ましくは１５重量％以上であり、より好ましくは２０重量％以上であり、さらに好ましくは２２重量％以上であり、特に好ましくは２５重量％以上であり、また、好ましくは９０重量％以下であり、より好ましくは８０重量％以下であり、さらに好ましくは７０重量％以下であり、特に好ましくは６０重量％以下である。

ゲル層は、屈曲変形やクリープ変形を示す誘電性高分子として、上記のポリビニルブチラール以外の誘電性高分子（以下、「その他の誘電性高分子」とも称す）を含んでいてもよく、当該誘電性高分子としては、ハロゲン元素を含まないという観点から、例えば、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン６、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、シリコーンゴム等が挙げられる。

ゲル層中のその他の誘電性高分子の含有量は、本発明の効果を大きく阻害しない範囲であればよく、通常５重量％以下、より好ましくは３重量%以下にしておくことが好ましい。

ゲル層に含まれるジカルボン酸ジエステル化合物とは、ジカルボン酸の２つのカルボキシル基がエステル化した化合物であり、本実施形態では、ジカルボン酸ジエステル化合物は、特に可塑剤としての役割を担う。
ジカルボン酸ジエステル化合物の種類は、特段制限されないが、例えば、アルカンジカルボン酸ジアルキルエステルなどが挙げられる。これらは１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。
アルカンとしては、置換基を有さないアルカンでもアルキル基やアルコキシル基等の置換基を有するアルカンでもよく、不飽和結合、エーテル結合や芳香族を含むものであってもよい。具体的にはエタン、プロパン、ブタン、ヘキサンが挙げられる。アルキルとしては、直鎖でも分岐や環骨格が含まれていてもよく、２つのアルキル基が同じアルキル基でも異なるアルキル基でもよい。具体的にはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基が好ましい。
特に、揮発性及び粘度の観点から、コハク酸ジエステル、アジピン酸ジエステル、及び
セバシン酸ジエステルから選ばれる少なくとも１種を含んでいることが好ましく、特に、アジピン酸ジエステルを含んでいることが好ましい。これらは１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。これらの化合物の製法は、特段制限されず、一般に市販されているものを用いることができる。

ポリビニルブチラールとジカルボン酸ジエステル化合物とを組み合わせて用いた場合、特開２０１２−２３８４３号公報や特開２０１４−３２１５２号公報で特に有効であると記載されているポリ塩化ビニルとアジピン酸ジアルキルとの組み合わせを用いた場合よりも、電圧印加時の変位量が大きくなる。これは、使用するポリマーの結晶性が下がって変異し易くなったためであるためと考えられる。

ゲル層中のジカルボン酸ジエステル化合物の含有量は、特段制限されないが、良好な変位長の発現とゲル表面のべたつきの観点から、通常１０重量％以上であり、好ましくは２０重量％以上であり、より好ましくは３０重量％以上であり、さらに好ましくは４０重量％以上であり、好ましくは９０重量％以下であり、また、より好ましくは８５重量％以下であり、さらに好ましくは８０重量％以下であり、特に好ましくは７８重量％以下であり、最も好ましくは７５重量％以下である。

ゲル層において、前記ジカルボン酸ジエステル化合物に対する前記ポリビニルブチラールの重量比は、特段制限されないが、良好な変位長の発現とゲル表面のべたつきの観点から、通常０．１以上であり、０．２以上であることが好ましく、０．３以上であることがより好ましく、０．３５以上であることがさらに好ましく、また、通常１０．０以下であり、６．０以下であることが好ましく、４．０以下であることがより好ましく、２．０以下であることがさらに好ましい。

ゲル層は、上記のジカルボン酸ジエステル化合物以外の可塑剤（以下、「その他の可塑剤」とも称す）を含んでいてもよく、当該可塑剤としては、例えば、ジメチルアセトアミド(ＤＭＡ)、セバシン酸ジエチル(ＤＥＳｕｃ)、ジエタノールアミン(ＤＥＡ)、アジピン酸ジブチル(ＤＢＡ)、セバシン酸ビスオクチル(ＤＯＳ)、アジピン酸ジオクチル(ＤＯＡ)、フタル酸ジメチル(ＤＭＰ)、フタル酸ジブチル(ＤＢＰ)、フタル酸ジオクチル(ＤＯＰ)、フタル酸ビス（２−エチルヘキシル）(ＤＥＨＰ)、コハク酸ジエチル(ＤＥＳｕｃ)、アジピン酸ジメチル(ＤＭＡ)、セバシン酸ジエチル(ＤＥＳｅｂ)、セバシン酸ジブチル(ＤＢＳｅｂ)、セバシン酸ジオクチル(ＤＯＳｅｂ)等が挙げられる。

その他の可塑剤は、特段含有されていなくてもよく、また混在させたとしても制限されないが、ゲル層中のその含有量は、ゲル表面のべたつきと相溶性の観点から、通常０．１重量％以上であり、好ましくは０．２重量％以上であり、より好ましくは０．３重量％以上であり、さらに好ましくは０．４重量％以上であり、特に好ましくは０．５重量％以上であり、また、好ましくは２０重量％以下であり、より好ましくは１５重量％以下であり、さらに好ましくは１０重量％以下であり、特に好ましくは５重量％以下である。

ゲル層は、本発明の効果が発揮される範囲において、上記のポリビニルブチラール、その他の誘電性高分子、ジカルボン酸ジエステル化合物、その他の可塑剤以外の物質（以下、「その他の物質」とも称す）を含んでいてもよく、例えば、電荷補足剤等が挙げられる。

電荷補足剤としては、例えば、テトラシアノキノジメタン、２，４，７−トリニトロフルオレン−９−オンが挙げられる。

ゲル層中のその他の物質の総含有量は、特段制限されないが、良好な変位長の発現の観
点から、通常０．０１重量％以上であり、好ましくは０．０２重量％以上であり、より好ましくは０．０３重量％以上であり、さらに好ましくは０．０５重量％以上であり、特に好ましくは０．１重量％以上であり、また、好ましくは１０重量％以下であり、より好ましくは５重量％以下であり、さらに好ましくは３重量％以下であり、特に好ましくは２重量％以下である。

＜１−２．ゲル層の製造方法＞
ゲル層の製造方法は、特段制限されず、一般的なゲルの製造方法により製造することができる。例えば、上記のポリビニルブチラール、ジカルボン酸ジエステル化合物、及びその他の物質に溶媒を加えた混合溶液を調製し、当該混合溶液をテフロン製シャーレ等の離型性のよい容器に移し、一定時間静置してゲル化させた後、容器から剥離することでゲル層を得ることができる。

ゲル層を作製する際に用いられる溶媒の種類は、上記のポリビニルブチラール及びジカルボン酸ジエステル化合物を溶解させるものであれば特段制限されないが、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−ブタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール等のアルコール系溶媒、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン等のエーテル系溶媒、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ等のセロソルブ系溶媒、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン等のアミド系溶媒、アセトニトリル等のニトリル系溶媒等の有機溶媒が挙げられる。これらは１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、テトラヒドロフラン、イソプロパノール、及びメタノールが好ましく、特に、揮発性と臭気の観点から、テトラヒドロフランであることが好ましい。

溶媒を揮発させる前の組成物中の溶媒の含有量は、溶解速度と揮発速度の観点から、通常４０重量％以上であり、好ましくは４５重量％以上であり、より好ましくは５０重量％以上であり、さらに好ましくは５５重量％以上であり、特に好ましくは６０重量％以上であり、また、好ましくは９８重量％以下であり、より好ましくは９５重量％以下であり、さらに好ましくは９０重量％以下であり、特に好ましくは８５重量％以下である。

＜１−３．ゲル層の構造及び特性＞
ゲル層の形状等の構造は、特段制限されないが、例えば、その形状はシート状であることが好ましく、その厚さは、通常０．１〜１．０ｍｍであり、０．２〜０．８ｍｍであることが好ましく、０．２５〜０．７５ｍｍであることがより好ましい。また、シート状の場合、その平面形状は円形であることが好ましく、その直径は、アクチュエータとして必要とされる大きさであればよく、通常２〜１００ｍｍであり、３〜８０ｍｍであることが好ましく、４〜７０ｍｍであることがより好ましい。

ゲル層の力学特性について、ＪＩＳＫ６２５１の規定に準じた引張試験により得られる引張弾性率は、通常０．１〜２ＭＰａであり、０．１２〜１．８ＭＰａであることが好ましく、０．１５〜１．６ＭＰａであることがより好ましく、引張強度は、通常０．１〜２ＭＰａであり、０．２〜１．８ＭＰａであることが好ましく、０．２５〜１．６ＭＰａであることがより好ましく、破断伸度は、通常１５０〜１０００％であり、１８０〜９００％であることが好ましく、２００〜９００％であることがより好ましい。なお、引張試験に用いられる引張試験機としては、例えば、島津製作所製ＥＺ−Ｔｅｓｔ−１００Ｎ等を用いることができる。
上記範囲を満たす力学特性を有するゲル層であれば、破断伸度に至らない変位をしても元の形状に戻るという利点を有する。

本発明におけるゲル層の重量保持率とは、空気下に保持したゲルを室温から特定の温度
まで昇温速度毎分１０℃で昇温した場合における、｛（特定の温度におけるゲルの重量）×１００｝／（室温におけるゲルの重量）の式で算出される特性である。なお、重量保持率の測定器としては、例えば、ＳＩＩ社製のＴＧ／ＤＴＡ６２００を用いることができる。
ゲルの重量保持率の特性値は大きい方が好ましいが、例えば、上記の特定の温度を１５０℃とした場合の重量保持率は、通常９９％以下であり、９０％以上であると、多少の温度上昇を伴う条件下でも重量変化がなく一定の変位を得ることができる。

ゲル層の密度は、通常０．７〜１．５ｇ／ｃｍ^３であり、０．７５〜１．４ｇ／ｃｍ^３であることが好ましく、０．８〜１．３ｇ／ｃｍ^３であることがより好ましい。
ゲル層の密度が上記範囲内であると、厚みが薄くなっても荷重を支えることが可能であり、厚みが厚くなってもアクチュエータの重量の増加を抑えるという利点がある。

＜２．電極＞
前記ゲル層を厚さ方向に挟む陽極と陰極（これらをまとめて「２つの電極」とも称す）の形状は、特段制限されないが、電圧の印加により変位したゲルが移動できる空間がある形状、例えば、電極の一部に切欠きを有する形状、凹凸を有する形状、網状の形状等が挙げられる。特に、変位時にゲルが容易に上記空間に入り込むことができる点で、網状の形状であることが好ましい。電極が上記空間を有しない場合、厚さ方向に電圧を印加しても、ゲル層が平板状のまま平面方向へ変位することになるため、厚さ方向への大きな変位は生じない。なお、上記の電圧の印加により変位したゲルが移動できる空間がある形状を有する電極は、単位構造であるアクチュエータの一方の電極に用いてもよく、または両方の電極に用いてもよいが、電圧印加時のアクチュエータの変位量を大きくするという観点から、両方の電極に用いることが好ましい。

電極の厚さは、アクチュエータの用途に応じて任意に選択でき、通常０．０１〜１ｍｍであり、０．０１２〜０．９ｍｍであることが好ましく、０．０１５〜０．８ｍｍであることがより好ましい。
また、電極の形状が網状である場合、電極のメッシュ数（１インチの一辺の線の中心から中心においての網目の数）は、通常１〜２００であり、５〜１５０であることが好ましく、構成する電線の直径は通常０．０１〜１ｍｍであり、０．０２〜０．９ｍｍであることが好ましく、０．０３から０．８ｍｍであることがより好ましい。網の織り方には、平織、綾織、繻子織とあるが、開口部の多い平織が好ましい。

電極の材料の種類は、特段制限されず、例えば、白金、金、銀、アルミニウム、クロム、ニッケル、銅、チタン、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ナトリウム等の金属あるいはそれらの合金（例えば、ステンレス鋼や黄銅）；酸化インジウムや酸化錫等の金属酸化物、あるいはその合金（ＩＴＯ等）；ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン等の導電性高分子；前記導電性高分子に、塩酸、硫酸、スルホン酸等の酸、ＦｅＣｌ_３等のルイス酸、ヨウ素等のハロゲン原子、ナトリウム、カリウム等の金属原子などのドーパントを含有させたもの；金属粒子、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ等の導電性粒子をポリマーバインダー等のマトリクスに分散した導電性の複合材料などが挙げられる。これらは１種を単独で用いても、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、特に、電気特性や加工性、生産性の観点から、ステンレス鋼や黄銅が好ましい。

＜３．アクチュエータの構成＞
図１は、ゲル層１０と、当該ゲル層を厚さ方向に挟む電極１１及び１２（変位したゲルが移動できる空間がない形状を有する電極）とからなる単位構造を備えるアクチュエータ１の構成とその作用を示す。当該アクチュエータ１は、図１に示すように、電圧を印加し
ない状態においては、２つの電極の間のゲル層１０が均一な厚さとなっており、厚さ方向に電圧を印加すると、ゲルが変位し、アクチュエータ１の全体の厚さが小さくなる。
このように、アクチュエータ１は、２つの電極１１及び１２の間に電圧を印加する操作をＯＮ−ＯＦＦすることにより、変位状態と元の厚さに復帰する状態とを切り替えることができる。すなわち、アクチュエータ１は、電圧の印加操作によって厚さ方向に変位するアクチュエータとして作用する。

図２は、２つの電極１１及び１２の一方の電極１１の形状が網状である場合のアクチュエータ１の構成とその作用を示す。当該アクチュエータ１は、電圧を印加しない状態においては、図１のアクチュエータ１と同様に、２つの電極１１及び１２の間のゲル層がほぼ均一な厚さとなっている。しかし、厚さ方向に電圧を印加すると、網状の形状の孔の部分にゲルが入り込むように変位するため、図２のアクチュエータ１の変位量は、変位したゲルが移動できる空間がない形状を有する電極を用いた図１のアクチュエータ１の変位量よりも大きくなる。

単位構造であるアクチュエータは、単独で用いる、又は厚さ方向に複数個重ね合せて作製した積層型で用いることができる。積層型で用いる場合、図３に示すように、隣接するアクチュエータの間に絶縁層を備えて積層させる態様、また、図４に示すように、隣接するアクチュエータの間にゲル層を備えて積層させる態様とすることができる。
なお、アクチュエータと電源やスイッチとの接続の態様は、特段制限されず、積層型の場合、例えば、図３に示すように、単位構造であるアクチュエータ毎に電源やスイッチを設けて接続する態様、また、図４に示すように、積層された単位構造であるアクチュエータの各々の電極に接続された導線を一つの電源やスイッチに接続させ、一つのスイッチのＯＮ−ＯＦＦで複数のゲルの変位を制御するような態様とすることができる。
上記の絶縁層の種類は、特段限定されず、例えば、シリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ_２）、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３等を用いることができる。また、絶縁層の厚さは、用途に応じて適宜選択することができるが、良好な絶縁性を保持しつつ小型化を可能とする観点から、通常１０ｎｍ〜１０ｍｍであり、好ましくは１μｍ〜５ｍｍである。

アクチュエータ中のゲル層の重量は、アクチュエータの用途に応じて任意に選択できるが、特にゲル層を複数有するアクチュエータの変位長を確保する観点から、通常１０重量％以上であり、好ましくは１５重量％以上であり、より好ましくは１８重量％以上であり、さらに好ましくは２０重量％以上であり、特に好ましくは２２重量％以上であり、また、好ましくは５０重量％以下であり、より好ましくは４５重量％以下であり、さらに好ましくは４３重量％以下であり、特に好ましくは４０重量％以下である。
アクチュエータ全体の厚さに対するゲル層の厚さの割合は、アクチュエータの用途に応じて任意に選択できるが、通常１５〜８０％であり、２０〜７５％であることが好ましく、２５〜７０％であることがより好ましく、２８〜６５％であることがさらに好ましい。上記の下限以上とすることにより、無課電状態でゲル層がメッシュ等の隙間に入り込んでしまうことにより、変位長が小さくなる影響を小さくできるため好ましく、また、上記の上限以下とすることにより、メッシュとの接触確率を十分に維持でき、変位に必要な電圧を低くすることができる。

＜３．アクチュエータの変位量の測定＞
電圧印加時のアクチュエータの変位量の測定方法は、特段制限されるものではないが、例えば、一方の電極を直流電源装置（例えば、松定社製Ｐ４Ｌ６５０−０．１）の正極に接続し、もう一方の電極を同装置の負極に接続した後、直流で一定電圧を一定時間印加して保持し、電荷を除荷した後、白色干渉３Ｄ変位計（例えば、キーエンス社製ＷＩ−０１０）で電極の変位量を測定する方法が挙げられる。
アクチュエータにおいては、印加電圧に対するアクチュエータの変位量が大きいこと、特に、低い印加電圧（例えば、１００〜３００Ｖ）でアクチュエータが大きく変位することが要求される。

＜４．アクチュエータの用途＞
アクチュエータは、自動車部品や電子部品、食品、医薬品、医療機器、製紙、検査機器等の種々の分野で用いられる機械部品において、入力されたエネルギー又はコンピュータが出力した電気信号を物理的運動に変換する機械・電気回路を構成する機械要素として用いることができる。特に、ゲルを用いたアクチュエータに特有の優れた伸縮性から、人工筋肉として応用することができ、人の動作を補助することを目的とする福祉機器や介護機器等に用いることができる。

＜５．ゲル状物質＞
本発明の別の実施形態は、数平均分子量が６万以上１５万以下であるポリビニルブチラール、及びジカルボン酸ジエステル化合物を含む、ゲル状物質である。本発明において、「ゲル状」とは、流動性のあるゾル状の分解生成物が固化して弾性を維持しつつ自発的な流動性を喪失した状態をいい、そのような状態の物質を「ゲル状物質」（または、単に「ゲル」）とも称する。
当該ゲル状物質は、印加電圧に対する変位量を大きくすることができる観点から、ポリビニルブチラール及びジカルボン酸ジエステル化合物の種類や分子量、含有量等、また、これらと併用して用いることのできる可塑剤やその他の物質等の特徴について、上述したゲル層の特徴を同様に適用することができる。
当該ゲル状物質は、印加電圧に対する変位量が大きいという特性から、本発明の実施形態の一つであるアクチュエータのゲル層の材料として用いることができる他、例えば、接着剤や表面仕上げ剤として用いることができる。

以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

＜実験Ｉ＞
[実施例１]
５０ｃｃのねじ口サンプル管に、テトラヒドロフラン（富士フィルム和光純薬社製）１７．６ｇ、アジピン酸ジエチル２．９４ｇ（東京化成社製）、ポリビニルブチラール（エスレックＢＨ−３、積水化学社製：数平均分子量１１万）１．４７ｇを加えて６０℃のホップレートの上に置いて均一の溶液を得た。室温まで冷えたところで、これを直径７５ｍｍのテフロン製シャーレに１４．２ｇ移し、ポリカップをかぶせてドラフト内に６０時間静置した後、ゲルをシャーレから剥がし取った。
当該ゲルを直径１５．８ｍｍに切り出し、直径２０ｍｍのステンレス製金属網（１００メッシュ、電線径０．１ｍｍ、メッシュ厚み０．１５ｍｍ）の上に置き、当該ゲルの上に直径１０ｍｍ、厚み２ｍｍの黄銅製金属板を置いた。次いで、金属網を直流電源装置（松定社製Ｐ４Ｌ６５０−０．１）の正極に接続し、金属板を同装置の負極に接続した。電源装置を使って直流１００Ｖ、２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖ、５００Ｖ、６００Ｖと順番にそれぞれ６秒保持、除荷１０秒し、金属板の移動距離を白色干渉３Ｄ変位計（キーエンス社製ＷＩ−０１０）を使用して測定した。その結果を表１に記載する。
[比較例１]
アジピン酸ジエチルをアジピン酸ジブチル（東京化成社製）３．５２ｇに代え、さらに、ポリビニルブチラールをポリ塩化ビニル（アルドリッチ社製）０．８８ｇに代えたこと以外は実施例１と同様の操作を行った。結果を表１に記載する。
なお、上記のポリ塩化ビニルの数平均分子量は、ＧＰＣ（ゲル浸透クロマトグラフィー
）により測定したポリスチレン換算で９．９万であった。

表１から、１００Ｖから２００Ｖにおいて、実施例１のゲルの変位長が比較例１のゲルの変位量よりも大きいことが分かる
＜実験ＩＩ＞
[比較例２]
ポリビニルブチラール（エスレックＢＨ−３、積水化学社製、数平均分子量１１万）をポリビニルブチラール（エスレックＢＬ−１、積水化学社製、数平均分子量１．９万）に代えたこと以外は実施例１と同様の操作を行い、直径７５ｍｍのテフロン製シャーレに１４．２ｇ移し、ポリカップをかぶせてドラフト内に６０時間静置したところ、作製された物質は脆く、当該固体をシャーレから一体として取り出すことができなかった。

１アクチュエータ
１０ゲル層
１１電極
１２電極
１３絶縁層

Claims

誘電性高分子材料及びジカルボン酸ジエステル化合物を含むゲル層と、前記ゲル層を厚さ方向に挟む陽極及び陰極とからなる単位構造を備えるゲルアクチュエータであって、前記誘電性高分子材料が数平均分子量６万以上１５万以下のポリビニルブチラールである、アクチュエータ。
前記ジカルボン酸ジエステル化合物に対する前記ポリビニルブチラールの重量比が０．３以上２．０以下である、請求項１に記載のアクチュエータ。
前記ジカルボン酸ジエステル化合物が、コハク酸ジエステル、アジピン酸ジエステル、及びセバシン酸ジエステルから選ばれる少なくとも１つである、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
前記陽極及び陰極のうちの少なくとも一方の電極が網状の形状を有する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
数平均分子量が６万以上１５万以下であるポリビニルブチラール、及びジカルボン酸ジエステル化合物を含む、ゲル状物質。
前記ジカルボン酸ジエステル化合物に対する前記ポリビニルブチラールの重量比が０．３以上２．０以下である、請求項５に記載のゲル状物質。
前記ジカルボン酸ジエステル化合物が、コハク酸ジエステル、アジピン酸ジエステル、及びセバシン酸ジエステルから選ばれる少なくとも１つである、請求項５又は６に記載のゲル状物質。
前記ジカルボン酸ジエステル化合物が、アジピン酸ジエステルである、請求項７に記載のゲル状物質。