JP4691703B2 - アクチュエータ素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学アクチュエータ素子およびその製造方法に関する。ここで、電気化学アクチュエータ素子とは、電気化学反応や電気二重層の充放電などの電気化学プロセスを駆動力とするアクチュエータ素子である。

医療機器や産業用、およびパーソナルロボット、マイクロマシンなどの分野において小型かつ軽量で柔軟性に富むアクチュエータの必要性が高まっている。

このようにアクチュエータを小型化すると、慣性力よりも摩擦や粘性力が支配的になるため、モーターやエンジンのような慣性力を利用してエネルギーを運動にかえる機構は、小型アクチュエータの動力として用いることは困難であった。このため、小型アクチュエータの作動原理としては、静電引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金式、高分子伸縮式が提案されている。

しかしながら、これらの小型アクチュエータには、それぞれ作動環境に制限があったり、応答性が不十分であったり、構造が複雑であったり、また柔軟性が欠如しているなどの問題点があり、そのため用途も制約されている。

これらの問題点を克服し、また、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の開発が行われてきた。これらの中には、ポリピロール、ポリアニリン等の電子導電性ポリマーの電解質中におけるレドックス伸縮を利用したもの（電子導電性高分子アクチュエータ）、また、イオン交換膜と接合電極とからなり、イオン交換膜の含水状態において、イオン交換膜に電位差をかけてイオン交換膜に湾曲、変形を生じさせることにより、アクチュエータとして機能させることのできるもの（イオン導電性高分子アクチュエータ）の大きく分けると２種のものが知られている。

これらのなかで、電子導電性高分子アクチュエータは、低電圧駆動で、伸縮率が大きく、発生圧力も大きいなどの利点があるが、応答速度が遅く、最も性能の良いポリピロールの製造法が電解重合のみであること、また、応答がレドックス反応に基づいたイオンのドーピング、脱ドーピングによることから、原理として繰り返し耐久性に問題のあることが指摘されてきた。

これらの問題を克服するために、カーボンナノチューブをペーパー状に成形した電極に二重層充放電に基づく界面応力変化による伸縮現象を利用したアクチュエータが提案された（非特許文献１参照）。このアクチュエータは、応答速度が速く、二重層充放電に基づく原理から寿命も長い。また、発生圧も大きいことが分かっている。ただ伸縮率が小さく、製造法においても、長時間に渡るろ過という極めて煩雑な操作を必要とする。加えて、このアクチュエータは、機械的強度も脆弱であり、作動条件も電解質溶液中に限られている。

一方、従来の電子導電性高分子アクチュエータ、あるいはイオン導電性高分子アクチュエータは、いずれも、その動作のために電解質が必要なことから、主に電解質水溶液中で使用されてきた。イオン導電性高分子アクチュエータは、イオン交換樹脂が水で膨潤した状態でないと十分なイオン伝導性を示さないため、基本的には水中で使用する。空中でこ
のアクチュエータを使用するためには、水の蒸発を防ぐ必要がある。そのため、樹脂コーティングの方法が報告されているが、この方法では、完全にコーティングするのが困難なこと、また、電極反応によるわずかな気体発生によってもコーティングが破れること、さらに、コーティング自身が変形応答の抵抗となることから、実用化されていない。また、水の代わりに、プロピレンカーボネートなどの高沸点有機溶媒なども使用されているが、これについても同様の問題があり、しかも、水ほどイオン導電性が大きくなく、応答性が劣る点でも問題がある。

かくして、従来型のアクチュエータは、主に電解質溶液中という限られた環境でのみ駆動するため、用途が極めて限られていた。従って、空中で駆動するアクチュエータ素子の開発は、小型アクチュエータの幅広い用途への実用化のために不可欠である。

アクチュエータの空中作動への適用の目的で、イオン交換樹脂の両側に電子導電性高分子を貼付けた例、あるいはプロピレンカーボネートなどの高沸点有機溶媒を含んだゲル膜に導電性高分子を貼付け、両側の電極の伸縮を利用してアクチュエータの素子として利用した例がある。これらの例も、イオン導電性高分子アクチュエータの場合と同様、溶媒の乾燥の問題、イオン導電性の低さの問題があり、本質的な解決となっていない。

これらの問題を解決するために、最近、イオン性液体（ionic liquid）として知られており、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称される、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩を用いた応用研究が進められている。イオン性液体は、蒸気圧が無視できるため、揮発による溶媒の乾燥を防ぐことが可能である。

電子導電性高分子アクチュエータの空中作動への適用の目的で、イオン性液体中における導電性ポリマーの伸縮現象の研究（非特許文献２参照）、およびポリピロールとイオン性液体のポリフッ化ビニリデンの複合体を用いた、全固体素子の研究（非特許文献３参照）がある。しかしながら、これらの研究においても、前述した、導電性ポリマーに起因する原理的な問題、すなわち、応答性の遅さ、製造法、寿命の問題は解決されていない。
サイエンス（Science），第２８４巻，１９９９年，ｐ．１３４０ サイエンス（Science），第２９７巻，２００２年，ｐ．９８３ エレクトロチミカ アクタ（Electrochimica Acta），第４８巻，２００３年，ｐ．２３５５

本発明の課題は、低電圧で駆動でき、空気中および真空中で安定に作動し、製造法が極めて簡単であり、繰り返し耐久性が長く、柔軟、かつ、簡単な構造のため小型化が容易であり、応答性の速い、幅広い用途への実用化を可能にするアクチュエータ素子を提供することにある。

本発明者は、鋭意検討した結果、カーボンナノファイバーとイオン性液体とのゲルを、導電性と伸縮性のある活性層として用いることにより、空気中、または真空中でも作動可能な新規なアクチュエータ素子が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、下記に示すとおりのアクチュエータ素子用導電体材料、アクチュエータ素子用電極層、アクチュエータ素子およびその製造方法を提供するものである。
項１． カーボンナノファイバーとイオン性液体とのゲルからなるアクチュエータ素子用導電体材料。
項２． カーボンナノファイバーとイオン性液体とポリマーとのゲル状組成物からなるア
クチュエータ素子用電極層。
項３． イオン性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の表面に、項２に記載の電極層が相互に絶縁状態で少なくとも２個形成され、該電極層に電位差を与えることにより湾曲および変形を生じさせ得るアクチュエータ素子。
項４． カーボンナノファイバー、イオン性液体、ポリマーおよび溶媒からなる分散液、ならびに、イオン性液体、ポリマーおよび溶媒からなる溶液を、キャスト、塗布、印刷、押し出し、または射出し、乾燥して積層することにより、電極層およびイオン伝導層を形成することを特徴とする項３に記載のアクチュエータ素子の製造方法。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明において用いられるイオン性液体（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。

本発明においては、従来より知られた各種のイオン性液体を使用することができるが、常温（室温）または可及的に常温に近い温度において液体状態を呈し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性液体としては、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⁻）より成るものを例示することができる。

［ＮＲ_ｘＨ_４−ｘ］^＋ （III）
［ＰＲ_ｘＨ_４−ｘ］^＋ （IV）
上記の式（Ｉ）〜（IV）において、Ｒは炭素数１〜１２の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のアルキル基を示し、式（Ｉ）においてＲ^１は炭素数１〜４の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。

アニオン（Ｘ⁻）としては、テトラフルオロホウ酸イオン、ヘキサフルオロリン酸イオ
ン、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド酸イオン、過塩素酸イオン、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）炭素酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ジシアンアミドイオン、トリフルオロ酢酸イオン、有機カルボン酸イオンおよびハロゲンイオンより選ばれる少なくとも１種が好ましい。

ただし、これらの組み合わせに限らず、常温溶融塩であって、導電率が０．１Ｓｍ^−１以上のものであれば、使用可能である。

本発明に用いられるカーボンナノファイバーは、線径が１μｍ未満で、アスペクト比が１００以上の炭素繊維である。代表的な製造法としては、溶融紡糸法が知られている。

本発明において、ゲル状組成物を得るのに用いることのできるポリマーとしては、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）］、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、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）、ポロエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などが挙げられる。

本発明のアクチュエータ素子の一例の構成（断面）の概略を、図１に示す。図１は、イオン性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１を、カーボンナノファイバーとイオン性液体とポリマーとのゲル状組成物からなる電極層２，２で挟んだ３層構造のアクチュエータ素子を示す。電極層２，２は、相互に絶縁状態に形成されている。

電極層２，２を構成するゲル状組成物は、カーボンナノファイバーとイオン性液体とポリマーとからなる。カーボンナノファイバーとイオン性液体によりカーボンナノファイバーゲルを得て、このゲルに、機械的な強度を保つためにポリマーを配合してゲル状組成物を得る。

カーボンナノファイバーとイオン性液体とのゲルは、イオン性液体の存在下でカーボンナノファイバーにせん断力をかけることにより生成する。その際のカーボンナノファイバーの配合割合は、カーボンナノファイバー／ゲル＝１〜４０重量％であるのが好ましく、カーボンナノファイバー／ゲル＝５〜２０重量％であるのがより好ましい。

機械的な強度を保つためにカーボンナノファイバーゲルにポリマーを配合して、導電性があり電気応答伸縮活性のある電極層を得る際のカーボンナノファイバーゲルとポリマーの配合比（重量比）は、ゲル：ポリマー＝１：２〜４：１であるのが好ましく、ゲル：ポリマー＝１：１〜２：１であるのがより好ましい。この配合の際には、４−メチルペンタン−２−オン、プロピレンカーボネートなどの溶媒を用いても良い。

イオン伝導層１を構成するゲル状組成物は、イオン性液体とポリマーとからなる。このゲル状組成物を得る際のイオン性液体とポリマーの配合比（重量比）は、イオン性液体：ポリマー＝１：４〜４：１であるのが好ましく、イオン性液体：ポリマー＝１：２〜２：１であるのがより好ましい。この配合の際には、４−メチルペンタン−２−オン、プロピレンカーボネートなどの溶媒を用いても良い。

イオン伝導層１の表面に、電極層２，２を形成して、アクチュエータ素子を得るには、例えば、各層の配合成分を含む分散液または溶液を、順次、展延法（キャスト法）により製膜し、溶媒を蒸発、乾燥させればよい。

各層の厚さは、１０〜５００μｍであるのが好ましく、５０〜２００μｍであるのがよ
り好ましい。また、各層の製膜にあたっては、スピンコート法、印刷法、スプレー法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。

このようにして得られたアクチュエータ素子は、電極間に０．５〜３Ｖの直流電圧を加えると、数秒以内に素子長の０．５〜１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素子は、空気中あるいは真空中で、柔軟に作動することができる。

このようなアクチュエータ素子の作動原理は、図２に示すように、イオン伝導層１の表面に相互に絶縁状態で形成された電極層２，２に電位差がかかると、電極層２，２内のカーボンナノファイバー相とイオン性液体相の界面に電気二重層が形成され、それによる界面応力によって、電極層２，２が伸縮するためである。図２に示すように、プラス極側に曲がるのは、現在よく用いられるイオン性液体では、カチオン３のイオン半径が大きく、その立体効果によりマイナス極側がより大きくのびるからであると考えられる。図２において、３はイオン性液体のカチオンを示し、４はイオン性液体のアニオンを示す。

上記の方法で得ることのできるアクチュエータ素子によれば、カーボンナノファイバーとイオン性液体とのゲルの界面有効面積が極めて大きくなることから、界面電気二重層におけるインピーダンスが小さくなり、カーボンナノファイバーの電気伸縮効果が有効に利用される効果に寄与する。また、機械的には、界面の接合の密着性が良好となり、素子の耐久性が大きくなる。その結果、空気中、真空中で、応答性がよく変位量の大きい、且つ耐久性のある素子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素子は、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、純度の高い製品を得るために、真空環境下、超クリーンな環境下での材料製造において、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、全く蒸発しないイオン性液体を用いた本発明のアクチュエータ素子は、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。

なお、イオン伝導層表面への電極層の形成は少なくとも２層必要であるが、図３に示すように、平面状のイオン伝導層１の表面に多数の電極層２を配置することにより、複雑な動きをさせることも可能である。このような素子により、蠕動運動による運搬や、マイクロマニピュレータなどを実現可能である。また、本発明のアクチュエータ素子の形状は、平面状とは限らず、任意の形状の素子が容易に製造可能である。例えば、図４に示すものは、径が１ｍｍ程度のイオン伝導層１のロッドの周囲に４本の電極層２を形成したものである。この素子により、細管内に挿入できるようなアクチュエータが実現可能である。

本発明のアクチュエータ素子は、空気中または真空中で安定して作動し、低電圧で駆動可能である。また、製造が簡単で、変位量、変位力が大きく、小型化が容易で、且つ応答が速く、柔軟に作動する。

次に、実施例によって本発明をより詳細に説明する。

実施例で用いたイオン性液体（ＩＬ）は、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ_４）、ブチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＢＭＩＢＦ_４）、４級アンモニウムカチオン・テトラフルオロボレート塩（広栄化学社製、Ａ−３）、４級アンモニウムカチオン・（トリフルオロメタンスルホニル）イミド[(ＣＦ_３ＳＯ_２)_２Ｎ⁻]塩（広栄化学社製、Ａ−４）である。ここで、Ａ−３、Ａ−４のカチオンの構造は、[Ｎ(ＣＨ_３)(ＣＨ_３)(Ｃ_２Ｈ_５)(Ｃ_２Ｈ_４ＯＣ_２Ｈ_４ＯＣＨ_３)]^＋である。

実施例で用いたカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）は、群栄化学株式会社製「ＡＣＮＦ２５」（比表面積２５００ｍ^２／ｇ）である。

実施例で用いたポリマーは、式；

で表される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）］である。

実施例で用いた溶媒のうち、疎水性溶媒は４−メチルペンタン−２−オン（ＭＰ）であり、親水性溶媒はプロピレンカーボネート（ＰＣ）である。

［電極層形成用分散液の調製］
カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）とイオン性液体（ＩＬ）を混合し、乳鉢を用いて練り合わせることにより、ゲル化（ＣＮＦゲル）させる。次いで、ＩＬが疎水性の場合（実施例では、ＢＭＩＢＦ_４とＡ−４）には疎水性溶媒（ＭＰ）のみに、あるいは、ＩＬが親水性の場合（実施例では、ＥＭＩＢＦ_４とＡ−３）には疎水性溶媒（ＭＰ）および親水性溶媒（ＰＣ）の混合溶媒に、ポリマー［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］とともにＣＮＦゲルを分散させて、電極層形成用分散液を調製する。

ＩＬが親水性の場合、疎水性溶媒のみを用いると、ＣＮＦゲルに含まれる親水性ＩＬが、溶媒と分離して２層に分かれてしまう。また、親水性溶媒のみを用いると、ＣＮＦが溶媒中に均一に分散しない。疎水性溶媒および親水性溶媒の混合溶媒を用いることにより、親水性ＩＬ／ＣＮＦゲルとポリマーを溶媒中に均一分散させることができる。

［イオン伝導層形成用溶液の調製］
イオン性液体（ＩＬ）とポリマー［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］を、上記電極層形成用分散液の調製と同様にして（同様のＩＬ／溶媒の組み合わせで）、溶媒に溶解させることにより、イオン伝導層形成用溶液を調製する。

［アクチュエータ素子の製造］
電極層、イオン伝導層、電極層の順に、キャストを行い、室温で一昼夜溶媒を乾燥させ、次いで、真空乾燥を行い、アクチュエータ素子を得る。

［アクチュエータ素子の評価方法］
製造したアクチュエータ素子の変位応答性の評価は、図５に示した装置を用いて行った。アクチュエータ素子を、幅１ｍｍ×長さ１５ｍｍの短冊状に切断し、図５に示すように、端３ｍｍの部分を電極付きホルダーでつかんで、空気中で電圧を加え、レーザー変位計を用いて、固定端から１０ｍｍの位置での変位を測定して行った。

実施例１
（１）カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）と疎水性イオン性液体（ＢＭＩＢＦ_４）のＣＮＦゲルの調製：
ＣＮＦが１４重量％となるような比率でＣＮＦとＢＭＩＢＦ_４とを練り合わせ、ＣＮＦゲルを調製した。

（２）疎水性イオン性液体（ＢＭＩＢＦ_４）のＰＶＤＦ（ＨＦＰ）ゲルを電極ゲルで挟んだ３層構造のアクチュエータ素子の製造：
上記（１）で調製したＣＮＦゲル（１０３ｍｇ）およびポリマー［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］（４８ｍｇ）を、疎水性溶媒であるＭＰ（１．５ｍｌ）中に均一に分散させて、１層目（電極層）と３層目（電極層）を形成するための電極層形成用分散液を調製した。１層目と３層目の間に挟む２層目（イオン伝導層）を形成するためのイオン伝導層形成用溶液は、ＢＭＩＢＦ_４（１２２ｍｇ）およびＰＶＤＦ（ＨＦＰ）（１０２ｍｇ）を、ＭＰ（１ｍｌ）に溶解させて調製した。アクチュエータ素子の製造は、まず、電極層形成用分散液を基板に流し込み、スペーサーをガイドとして平坦にならし、数分間乾燥させた後に、もう１枚のスペーサーを重ねて、１層目の電極層の上にイオン伝導層形成用溶液を流し込んでならし、乾燥させた。さらに、スペーサーを重ねて、２層目のイオン伝導層の上に電極層形成用分散液を流し込み、一昼夜自然乾燥した後に真空乾燥して、電極層−イオン伝導層−電極層からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。

得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ素子の評価方法により行った。

得られたアクチュエータ素子に、０．１Ｈｚ、±０．５〜３Ｖの矩形波を加えた時の電圧と変位量を、表１に示す。

［表１］
電圧［±Ｖ］ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０
変位［ｍｍ］ ０．３ ０．７ １．２ ２．０ ２．５ ３．０。

図６は、得られたアクチュエータ素子に、０．１Ｈｚ、±２．５Ｖの矩形波を加えた時の、上から、電圧、電流、変位を示す図である。

実施例２
イオン性液体として疎水性イオン性液体Ａ−４を用いて実施例１の（１）と同様の方法で調製したＣＮＦゲル（９６ｍｇ）およびポリマー［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］（３２ｍｇ）を、ＭＰ（１ｍｌ）中に均一に分散させて、１層目（電極層）と３層目（電極層）を形成するための電極層形成用分散液を調製した。１層目と３層目の間に挟む２層目（イオン伝導層）を形成するためのイオン伝導層形成用溶液は、疎水性イオン性液体Ａ−４（１４４ｍｇ）およびＰＶＤＦ（ＨＦＰ）（７１ｍｇ）を、ＭＰ（１ｍｌ）中に溶解させて調製した。このようにして調製した電極層形成用分散液およびイオン伝導層形成用溶液を用いて、実施例１の（２）と同様の方法で、電極層−イオン伝導層−電極層からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。

得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ
素子の評価方法により行った。

得られたアクチュエータ素子に、０．１Ｈｚ、±０．５〜３Ｖの矩形波を加えた時の電圧と変位量を、表２に示す。

［表２］
電圧［±Ｖ］ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０
変位［ｍｍ］ ０．１ ０．４ ０．６ ０．８ １．０ １．１。

図７は、得られたアクチュエータ素子に、０．１Ｈｚ、±２．５Ｖの矩形波を加えた時の、上から、電圧、電流、変位を示す図である。

実施例３
イオン性液体として親水性イオン性液体ＥＭＩＢＦ_４を用いて実施例１の（１）と同様の方法で調製したＣＮＦゲル（８９ｍｇ）およびポリマー［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］（４２ｍｇ）を、ＭＰおよびＰＣの混合溶媒（１ｍｌ）（重量比にしてＰＣ：ＭＰ＝７：５）に均一に分散させて、１層目（電極層）と３層目（電極層）を形成するための電極層形成用分散液を調製した。１層目と３層目の間に挟む２層目（イオン伝導層）を形成するためのイオン伝導層形成用溶液は、ＥＭＩＢＦ_４（９８ｍｇ）およびＰＶＤＦ（ＨＦＰ）（９９ｍｇ）を、上記と同じ重量比のＭＰおよびＰＣの混合溶媒（１ｍｌ）中に溶解させて調製した。このようにして調製した電極層形成用分散液およびイオン伝導層形成用溶液を用いて、実施例１の（２）と同様の方法で、電極層−イオン伝導層−電極層からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。

得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ素子の評価方法により行った。

得られたアクチュエータ素子に、０．１Ｈｚ、±０．５〜３Ｖの矩形波を加えた時の電圧と変位量を、表３に示す。

［表３］
電圧［±Ｖ］ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０
変位［ｍｍ］ ０．３ ０．８ １．５ ２．３ ３．０ ３．８。

図８は、得られたアクチュエータ素子に、０．１Ｈｚ、±２．５Ｖの矩形波を加えた時の、上から、電圧、電流、変位を示す図である。

実施例４
イオン性液体として親水性イオン性液体Ａ−３を用いて実施例１の（１）と同様の方法で調製したＣＮＦゲル（１０８ｍｇ）およびポリマー［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］（５０ｍｇ）を、ＭＰおよびＰＣの混合溶媒（１ｍｌ）（重量比にしてＰＣ：ＭＰ＝７：５）に均一に分散させて、１層目（電極層）と３層目（電極層）を形成するための電極層形成用分散液を調製した。１層目と３層目の間に挟む２層目（イオン伝導層）を形成するためのイオン伝導層形成用溶液は、親水性イオン性液体Ａ−３（２２６ｍｇ）およびＰＶＤＦ（ＨＦＰ）（１１３ｍｇ）を、上記と同じ重量比のＭＰおよびＰＣの混合溶媒（１ｍｌ）中に溶解させて調製した。このようにして調製した電極層形成用分散液およびイオン伝導層形成用溶液を用いて、実施例１の（２）と同様の方法で、電極層−イオン伝導層−電極層からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。

得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ
素子の評価方法により行った。

得られたアクチュエータ素子に、０．１Ｈｚ、±１．０〜３．５Ｖの矩形波を加えた時の電圧と変位量を、表４に示す。

［表４］
電圧［±Ｖ］ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０ ３．５
変位［ｍｍ］ ０．３ ０．６ ０．９ １．３ １．５ １．６。

図９は、得られたアクチュエータ素子に、０．１Ｈｚ、±２．５Ｖの矩形波を加えた時の、上から、電圧、電流、変位を示す図である。

図１０は、異なるイオン性液体を用いて製造した各アクチュエータ素子（実施例１〜４）に、０．１Ｈｚ、±０．５〜３．０Ｖの矩形波を加えた時の電圧と変位量を示す図である。

本発明のアクチュエータ素子の一例の構成の概略を示す図である。 本発明のアクチュエータ素子の作動原理を示す図である。 本発明のアクチュエータ素子の他の例の概略を示す図である。 本発明のアクチュエータ素子の他の例の概略を示す図である。 変位測定装置の概略を示す図である。 実施例１で得られたアクチュエータ素子の応答性を示す図である。 実施例２で得られたアクチュエータ素子の応答性を示す図である。 実施例３で得られたアクチュエータ素子の応答性を示す図である。 実施例４で得られたアクチュエータ素子の応答性を示す図である。 実施例１〜４で得られたアクチュエータ素子の応答性を示す図である。

符号の説明

１ イオン伝導層
２ 電極層
３ イオン性液体のカチオン
４ イオン性液体のアニオン

Claims (3)

1. カーボンナノファイバーとイオン性液体のみからなり、該カーボンナノファイバーの配合割合が両者の合計重量を１００重量％としたときに１〜４０重量％であるゲルと、ポリマーとのゲル状組成物からなるアクチュエータ素子用電極層であって、
   該ゲルと該ポリマーとの配合比（重量比）がゲル：ポリマー＝１：２〜４：１であるアクチュエータ素子用電極層。
2. イオン伝導層の表面に請求項１に記載の電極層が相互に絶縁状態で少なくとも２個形成され、該電極層に電位差を与えることにより湾曲および変形を生じさせ得るアクチュエータ素子であって、
   該イオン伝導層が、イオン性液体とポリマーとのゲル状組成物であって、該イオン性液体と該ポリマーとの配合比（重量比）がイオン性液体：ポリマー＝１：４〜４：１であるアクチュエータ素子。
3. カーボンナノファイバーとイオン性液体のみからなり、該カーボンナノファイバーの配合割合が両者の合計重量を１００重量％としたときに１〜４０重量％であるゲルとポリマーとを、該ゲルと該ポリマーとの配合比（重量比）がゲル：ポリマー＝１：２〜４：１で含む分散液、ならびに、
   イオン性液体とポリマーとを、該イオン性液体と該ポリマーとの配合比（重量比）がイオン性液体：ポリマー＝１：４〜４：１で含む溶液を、
   キャスト、塗布、印刷、押し出し、または射出し、乾燥して積層することにより、電極層およびイオン伝導層を形成することを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ素子の製造方法。

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