JP4727182B2

JP4727182B2 - 導電性高分子アクチュエータ素子の駆動方法

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Publication number: JP4727182B2
Application number: JP2004233791A
Authority: JP
Inventors: 哲司座間; 進原; 茜奥村
Original assignee: Eamex Corp
Current assignee: Eamex Corp
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: JP2006054951A

Description

導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法に関する。

ポリピロールに代表される導電性高分子は、導電性を有するだけではなくイオンをドーパントとして取り込むことができ、電圧を印加することによりドーピングと脱ドーピングとを繰り返し行うことができる。そのため、導電性高分子は電気化学的な酸化還元により伸縮若しくは変形する現象である電解伸縮を発現することが可能である。この導電性高分子の電解伸縮は、アクチュエータ素子の駆動として使用することが可能である。

導電性高分子を用いたアクチュエータは、軽量であることから組み込まれる装置全体の重量を軽減することが可能であり、マイクロマシン等の小型の駆動装置のみならず、大型の駆動装置として用いられることが期待され、特に、人工筋肉、ロボットアーム、義手やアクチュエータ等の用途として応用が期待されている。特に、ポリピロールを用いたリニアアクチュエータは、電解伸縮によって、１酸化還元サイクル当たり最大で１５．１％の伸縮率を示し、最大で２２ＭＰａの力を発生することができる（例えば、非特許文献１）。

原進、外４名、「高伸縮かつ強力なポリピロールリニアアクチュエータ（ＨｉｇｈｌｙＳｔｒｅｔｃｈａｂｌｅａｎｄＰｏｗｅｒｆｕｌＰｏｌｙｐｙｒｒｏｌｅＬｉｎｅａｒＡｃｔｕａｔｏｒｓ）」、ケミストリーレターズ（ＣｈｅｍｉｓｔｒｙＬｅｔｔｅｒｓ）、日本、日本化学会発行、２００３年、第３２巻、第７号、ｐ５７６-５７７。

しかし、導電性高分子を用いたアクチュエータ素子は、ドーパントとして一般的なアニオンであるトリフルオロメタンスルホン酸イオンを用いた場合には、伸縮等の駆動速度が遅く、厚さ２０μｍ程度の導電性高分子膜では、膜面と平行な方向に特定時間当りに小さな伸縮率でしか伸縮することができない。そのため、導電性高分子を用いたアクチュエータ素子は、駆動速度が遅くても差しつかえない用途に好適に用いることができる。また、上述の導電性高分子を用いたアクチュエータ素子の駆動方法は、一定時間内に所定の長さの駆動を実現するためにアクチュエータ素子自体のサイズを大きくするなどの工夫が必要となる。

本発明の目的は、導電性高分子を用いたアクチュエータ素子の駆動方法であって、電解伸縮による駆動速度が速いアクチュエータ素子の駆動方法を提供することにある。

本発明者らは、鋭意検討の結果、本発明である導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法を用いることにより、電圧印可の開始から所定時間までの電解伸縮の伸縮率の向上を図ることができることを見出した。
すなわち、本発明は、
アクチュエータ素子の駆動方法であって、
前記アクチュエータ素子は導電性高分子を含み、
前記アクチュエータ素子の導電性高分子に電圧を印加することにより動作電解液中で駆動し、
前記動作電解液に含まれる溶媒が、水と極性有機溶媒との均一な混合溶媒である
ことを特徴とする導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法である。

本発明のアクチュエータ素子の駆動方法を用いることにより、導電性高分子を含むアクチュエータ素子を速い速度で駆動することができる。そのために、導電性高分子を含むアクチュエータ素子を、短い時間内に長い伸縮量が要求される用途であっても、容易に用いることができる。さらには、導電性高分子を含むアクチュエータ素子は、複雑な機械部品を必要としないために、用いられる装置の小型化及び軽量化を容易にすることができる、また、本発明のアクチュエータ素子の駆動方法を用いることにより、導電性高分子を含むアクチュエータ素子が適用される用途を拡大することもできる。

本願発明は、
アクチュエータ素子の駆動方法であって、
前記アクチュエータ素子は導電性高分子を含み、
前記アクチュエータ素子の導電性高分子に電圧を印加することにより動作電解液中で駆動し、
前記動作電解液に含まれる溶媒が、水と極性有機溶媒との均一な混合溶媒である
ことを特徴とする導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法である。

（動作電解液）
本発明のアクチュエータ素子の駆動方法において、アクチュエータ素子の駆動の際に用いられる動作電解液は、前記アクチュエータ素子が電圧印可により駆動するための電解質を含み、該電解質を溶解するための溶媒を含む。前記動作電解質が、前記電解質を溶解する溶媒として、水と極性有機溶媒との混合溶媒を含むことにより、導電性高分子を含むアクチュエータ素子は、一定の電圧を与えた状態における時間に対する伸縮量（駆動速度）を測定した場合に、前記動作電解液中で大きな駆動速度を示すことができる。

前記極性有機溶媒としては、特に限定されるものではないが、電気化学の反応場として用いることができる溶媒であることが好ましい。前記極性有機溶媒は、プロピレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、アセトニトリルからなる群より一種以上選ばれた極性有機溶媒であることが、速い伸縮速度と大きな最大伸縮率を得ることができるために好ましく、プロピレンカーボネートが特に好ましい。

前記混合溶媒における水と極性有機溶媒との混合比は、特に限定されるものではない。前記動作電解液の溶媒として水と極性有機溶媒との混合溶媒を用いた場合には、極性有機溶媒のみを用いた場合に比べて２倍以上の駆動速度の向上をすることができる。

前記動作電解液は、導電性高分子や極性有機溶媒の種類により、前記混合比を特定することが難しい。極性有機溶媒の導電性高分子を膨潤させる能力等により、駆動速度を向上させるための極性有機溶媒の最小値は、該極性有機溶媒の種類に依存することになる。例えば、プロピレンカーボネートについては、特級試薬では水の含有量が０．００５％であることから、水と極性有機溶媒との混合比を０．１：９９．９とすることもできる。前記混合溶媒における水と極性有機溶媒との好適な混合比の範囲は、容量比で、水含有比下限が０.５、１．０、５．０、１０又は２０から選ばれる値から、水含有比下限上限が９９．５、９９．０、９５．０、９０．０、又は８０．０から選ばれる範囲を、極性有機溶媒の種に応じて、選ぶことができる。なお、前記混合比は、ガスクロマトグラフィー法を用いた測定方法、特に水分含有率が少ない場合にはカールフェィッシャー法を用いた測定方法を用いることにより、動作電解液を分析することにより求めることができる。

例えば、前記極性有機溶媒が、プロピレンカーボネートである場合には、水とプロピレンカーボネートとの混合比が、容量比で、２５：７５〜７５：２５であることが前記アクチュエータ素子において、導電性高分子への電圧印可による駆動速度がより速くなるので好ましい。前記混合溶媒は、前記極性有機溶媒が複数種用いられていてもよく、この場合には、前記混合比は、水の重量と全極性有機溶媒の合計重量との比で計算される。

前記水は、特に限定されるものではないが、蒸留水若しくはイオン交換水であることが、金属イオンや塩化物イオン等による電解伸縮への阻害因子が含まれ難いために好ましい。

本発明のアクチュエータ素子の駆動方法において、アクチュエータ素子の駆動環境である前記動作電解液には、アニオンが含まれる。前記アニオンは、ドーパントイオンとして、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻やパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを用いることができる。これらのアニオンを用いた場合であっても、前記混合溶媒を用いることにより、導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動速度を向上することができる。

特に、本発明のアクチュエータ素子の駆動方法において、より速い駆動速度を得るために、前記アクチュエータ素子に含まれる導電性高分子のバルク中に下式（１）で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含み、且つ、前記動作電解液中にも下式（１）で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含むことが好ましい。
（Ｃ_ｎＦ_{（２ｎ＋１）}ＳＯ_２）（Ｃ_ｍＦ_{（２ｍ＋１）}ＳＯ_２）Ｎ⁻ 式（１）
（ここで、ｎ及びｍは任意の整数。）
このドーパントイオンを含むことにより、導電性高分子のバルク中に前記パーフルオロアルキルスルホニルイミドが取り込まれ、または放出されて導電性高分子が大きな伸縮運動をすることができるので、前記のアクチュエータ素子の駆動方法は、従来の導電性高分子の電解伸縮方法に比べて、速い駆動速度を示すことができる。

なお、本発明のアクチュエータ素子の駆動方法においては、特定の形状を有し、且つ導電性高分子を含んでなる導電性高分子有形物に含まれるアニオンと同じアニオンが、前記作動電解液中に含まれることが好ましい。前記アクチュエータ素子に用いられた導電性高分子のバルク中に含まれ、ドーパントとして機能し得るアニオンと同じアニオンが前記作動電解液中に含まれることにより、導電性高分子バルク中への出入りが容易なので、所望の伸縮量の電解伸縮を容易に得ることができる。また、動作電解液中に含まれるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンである場合には、該動作電解液中で電解伸縮をさせる導電性高分子有形物の製造用電解液中に含まれるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンとイオン半径が同程度であることが、電解伸縮を容易に行うことができるので好ましい。

（駆動条件）
本発明のアクチュエータ素子の駆動方法における動作電解液の温度は、特に限定されるものではないが、上記の導電性高分子をより速い速度で電解伸縮させるために、１０〜１００℃、さらに好ましくは４０〜８０℃であることが好ましい。また、前記動作電解液中のアニオンの濃度も特に限定されるものではないが、０．１〜５．０ｍｏｌ／Ｌであることが大きな伸縮率が得られ、安定して駆動することができるために好ましい。

本発明のアクチュエータ素子の駆動方法において、導電性高分子を含むアクチュエータ素子が前記動作電解液中に置かれ、前記動作電解液中に対極が設置されて、前記導電性高分子と前記対極とに電圧が印加されることにより、前記アクチュエータ素子が駆動する。前記電圧は特に限定されるものではない。前記アクチュエータ素子の伸縮運動のために印加電圧（Ｖ）の絶対値が０．２〜５．０である電圧を印加することが可能である。前記アクチュエータ素子の駆動速度（％／ｓ）をより速くするために、前記アクチュエータ素子の伸縮運動のために印加電圧（Ｖ）の絶対値が０．５〜５．０であることが好ましい。なお、印加電圧は、導電性高分子の組成やアクチュエータ素子の用途に応じて、上限値を適宜することもできる。

（アクチュエータ素子）
本発明のアクチュエータ素子は、電圧を印加することにより動作電解液中で、電解伸縮により駆動することができる導電性高分子を含むものであれば、特に限定されるものではない。

前記導電性高分子は、バルクとしての形状が特に限定されるものではなく、膜状体、筒状体、円柱状体、角柱状や六角柱状等の多角柱状体、円錐状体、板状体、直方体状体などの、特定の形状であればよい。前記導電性高分子が、特定の形状の有形物としてアクチュエータ素子の一部若しくは全体を構成することにより、導電性高分子への電圧印可による電解伸縮により前記導電性高分子が容易に駆動することができる。

前記アクチュエータの形状としては、上記の形状以外にも使用状況に適した形状に形成することができる。また、本願発明のアクチュエータ素子の形状に保護部材等の部品を付加して所望の形状とすることができる。なお、前記アクチュエータ素子はは、電解重合により作用電極上に得られた導電性高分子膜をそのまま用いても良く、積層等の成形を施して、所望の形状にしても良い。さらに、対極についても、柱状に限定されるものではなく、板状等の形状にすることができる。

前記導電性高分子は、ドーパントとしてのアニオンを、該導電性高分子へのドーピング及び脱ドーピングすることができるものであれば、特に限定されるものではない。前記ドーパントは、必要とされる電解伸縮量や用途等に応じて、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、過塩素酸イオンやパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを用いることができるが、伸縮率が大きいことから、下式（１）のパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを用いることが好ましい。
（Ｃ_ｎＦ_{（２ｎ＋１）}ＳＯ_２）（Ｃ_ｍＦ_{（２ｍ＋１）}ＳＯ_２）Ｎ⁻ 式（１）
（ここで、ｎ及びｍは任意の整数。）

パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンをバルク中に含む導電性高分子は、前記の前記導電性高分子は、１酸化還元サイクル当たりの大きな伸縮率をも発揮することもできる。前記アニオンは、トリフルオロメタンスルホン酸イオン等の従来のドーパントに比べて、大きな分子サイズを有する。従って、所定形状を有する導電性高分子の有形物は、パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンが内部に存在し、印加する電圧の正負の切り替えを繰り返すことにより、大きな分子サイズのアニオンが導電性高分子の有形物から出入りするために、１酸化還元サイクル当たりの大きな電解伸縮をすることができる。

前記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンは、アニオン中心である窒素原子にスルホニル基が結合し、さらに、置換基である２つのパーフルオロアルキル基を有している。このパーフルオロアルキルスルホニル基は、一つはＣ_ｎＦ_{（２ｎ＋１）}ＳＯ_２で表され、他のパーフルオロアルキルスルホニル基は、Ｃ_ｍＦ_{（２ｍ＋１）}ＳＯ_２で表される。前記のｎおよびｍは、それぞれ１以上の任意の整数であり、ｎとｍとが同じ整数であってもよく、ｎとｍとが異なる整数であっても良い。例えばトリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基、ノナフルオロブチル基、ウンデカフルオロペンチル基、トリデカフルオロヘキシル基、ペンタデカフルオロヘプチル基、ヘプタデカフルオロオクチル基などを挙げることができる。前記パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩としては、例えば、ビストリフルオロメチルスルホニルイミド塩、ビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド塩、ビス（ヘプタデカフルオロオクチルスルホニル）イミド塩を用いることができる。

また、前記導電性高分子は、電解重合法にて、容易に得ることができる。前記導電性高分子は、電解重合法により得られた導電性高分子であって、前記電解重合に用いる電解液（導電性高分子製造用電解液）が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも１つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び／またはハロゲン化炭化水素を溶媒として用いることが好ましい。前記の電解液中に、前記溶媒を含み、さらにトリフルオロメタンスルホン酸イオン、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、過塩素酸イオンまたはパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含むことにより、得られた導電性高分子は、１酸化還元サイクル当たりにおいて大きな電解伸縮を示すことができる。

前記有機化合物としては、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン（以上、エーテル結合を含む有機化合物）、γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸n-ブチル、酢酸-t-ブチル、１，２−ジアセトキシエタン、３−メチル−２−オキサゾリジノン、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸ブチル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル（以上、エステル結合を含む有機化合物）、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、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（以上、カーボネート結合を含む有機化合物）、エチレングリコール、ブタノール、１−ヘキサノール、シクロヘキサノール、１−オクタノール、１−デカノール、１−ドデカノール、１−オクタデカノール（以上、ヒドロキシル基を含む有機化合物）、ニトロメタン、ニトロベンゼン（以上、ニトロ基を含む有機化合物）、スルホラン、ジメチルスルホン（以上、スルホン基を含む有機化合物）、及びアセトニトリル、ブチロニトリル、ベンゾニトリル（以上、ニトリル基を含む有機化合物）を例示することができる。なお、ヒドロキシル基を含む有機化合物は、特に限定されるものではないが、多価アルコール及び炭素数４以上の１価アルコールであることが、伸縮率が良いために好ましい。なお、前記有機化合物は、前記の例示以外にも、分子中にエーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち、２つ以上の結合あるいは官能基を任意の組合わせで含む有機化合物であってもよい。

また、前記導電性高分子製造用電解液に溶媒として含まれるハロゲン化炭化水素は、炭化水素中の水素が少なくとも１つ以上ハロゲン原子に置換されたもので、電解重合条件で液体として安定に存在することができるものであれば、特に限定されるものではない。前記ハロゲン化炭化水素としては、例えば、ジクロロメタン、ジクロロエタンを挙げることができる。前記ハロゲン化炭化水素は、１種類のみを前記導電性高分子製造用電解液中の溶媒として用いることもできるが、２種以上併用することもできる。また、前記ハロゲン化炭化水素は、上記の有機化合物との混合して用いてもよく、該有機溶媒との混合溶媒を前記導電性高分子製造用電解液中の溶媒として用いることもできる。

本発明の導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法において、前記導電性高分子は、電解重合法により得られた導電性高分子であり、前記電解重合法は下式（１）で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含む製造用電解液を用いて得られた導電性高分子であることが好ましい。
（Ｃ_ｎＦ_{（２ｎ＋１）}ＳＯ_２）（Ｃ_ｍＦ_{（２ｍ＋１）}ＳＯ_２）Ｎ⁻ 式（１）
（ここで、ｎ及びｍは任意の整数。）
前記電解重合法により得られた導電性高分子のバルク中には、前記電解重合法に用いられたパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンが存在することとなる。前記導電性高分子が前記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含む製造用電解液を用いた前記電解重合法にて得られた導電性高分子であることにより、前記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含む導電性高分子は、上述のように１酸化還元サイクル当りの伸縮量が大きく、駆動速度（％／ｓ）の値も大きく、しかも、容易に得ることができるので好ましい。例えば、前記の導電性高分子の有形物を膜状体は、ドーパントとして、前記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを導電性高分子のバルク中に含むことにより、従来の導電性高分子の電解伸縮がその最大の伸縮率が面方向で１酸化還元サイクル当たり１０〜１５％程度までしか得られていなかったのに対して、長さ方向において、１酸化還元サイクル当たり１６％以上、特に２０％以上の優れた最大の伸縮率を示すことが可能となる。前記膜状体は、人工筋肉に代表される大きな伸縮率が要求される用途に好適に用いることができる。なお、前記の導電性高分子の有形物は、ドーパントの他に、動作電極としての抵抗値を低下させるために、金属線や導電性酸化物などの導電性材料を適宜含むことができる。

前記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンは、上記の説明と同様に、アニオン中心である窒素原子にスルホニル基が結合し、さらに、置換基である２つのパーフルオロアルキル基を有していればよい。例えばトリフルオロメチル基、ペンタフルオロエチル基、ヘプタフルオロプロピル基、ノナフルオロブチル基、ウンデカフルオロペンチル基、トリデカフルオロヘキシル基、ペンタデカフルオロヘプチル基、ヘプタデカフルオロオクチル基などを挙げることができる。前記パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩としては、例えば、ビストリフルオロメチルスルホニルイミド塩、ビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミド塩、ビス（ヘプタデカフルオロオクチルスルホニル）イミド塩を用いることができる。

前記電解重合法の電解液中に含むまれ得るパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンは、カチオンと塩を形成することができ、パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩として電解重合法における電解液中に加えられていても良い。パーフルオロアルキルスルホニルイミドと塩を形成するカチオンは、Ｌi^＋の様に１つの元素から構成されていてもよく、複数の元素より構成されていても良い。前記カチオンは、１価の陽イオンとしてパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを形成することができ、電解液中で解離することができるルイス酸であれば、特に限定されるものではない。

前記カチオンが金属元素である場合には、例えばリチウムなどのアルカリ金属から選ばれる元素を用いることができる。また、前記カチオンが分子である場合には、例えば、テトラブチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウムに代表されるアルキルアンモニウム、ピリジニウム、イミダゾリウムなどを用いることができる。

前記導電性高分子のドーパントとして用いられ得る前記のパーフルオロスルホニルイミドイオンは、上記のように、塩基成分であるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンと酸成分であるカチオンとの組み合わせにより種々の塩を形成することができるが、パーフルオロスルホニルイミド塩は、溶液中の解離が容易であり、入手も容易であることから、ビス（トリフルオロメチル）スルホニルイミドリチウム、ビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミドリチウムなどのビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミドリチウム、並びにビス（トリフルオロメチル）スルホニルイミド、及びビス（ペンタフルオロエチルスルホニル）イミドなどのビス（パーフルオロアルキルスルホニル）イミドについての、テトラブチルアンモニウム塩、ピリジニウム塩またはイミダゾリジウム塩が好ましい。

前記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンは、前記電解重合法における電解液中の含有量が特に限定されるものではないが、十分な電解液のイオン導電性を確保するために、パーフルオロアルキルスルホニルイミド塩として、電解液中に１〜４０重量％含まれるのが好ましく、２．８〜２０重量％含まれるのがより好ましい。また、電解重合法により得られる導電性高分子膜の膜質を向上させるために、トリフルオロメタンスルホン酸塩を電解液中に１〜８０％加えた複合電解質を用いることもできる。

前記電解重合法にて用いられる電解液（導電性高分子製造用電解液）には、さらに、パーフルオロスルホニルイミド塩を含む以外に、導電性高分子の単量体を含み、さらにポリエチレングリコールやポリアクリルアミドなどの公知のその他の添加剤を含むこともできる。

前記電解重合法は、導電性高分子単量体の電解重合として、公知の電解重合方法を用いることが可能であり、定電位法、定電流法及び電気掃引法のいずれをも用いることができる。例えば、前記電解重合法は、電流密度０．０１〜２０ｍＡ／ｃｍ²、反応温度−７０〜８０℃で行うことができ、良好な膜質の導電性高分子を得るために、電流密度０．１〜２ｍＡ／ｃｍ^２、反応温度−４０〜４０℃の条件下で行うことが好ましく、反応温度が−３０〜３０℃の条件であることがより好ましい。

なお、本願発明のアクチュエータ素子についての製造方法においては、電解重合法に用いられる、作用電極は、電解重合に用いることができれば特に限定されるものではなく、ＩＴＯガラス電極、炭素電極や金属電極などを用いることができる。前記金属電極は、金属を主とする電極であれば特に限定されるものではないが、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ及びＷからなる群より選ばれた金属元素についての金属単体の電極または合金の電極を好適に用いることができる。得られた導電性高分子の伸縮率及び発生力が大きく、且つ電極を容易に入手できることから、金属電極に含まれる金属種がＮｉ、Ｔｉであることが特に好ましい。なお、前記合金としては、例えば、商品名「ＩＮＣＯＬＯＹａｌｌｏｙ８２５」、「ＩＮＣＯＮＥＬａｌｌｏｙ６００」、「ＩＮＣＯＮＥＬａｌｌｏｙＸ−７５０」（以上、大同スペシャルメタル株式会社製）を用いることができる。また、対極については公知の電極、たとえばＰｔ、Ｎｉを好適に用いることができる。

前記電解重合法に用いられる電解液に含まれる導電性高分子の単量体としては、電解重合による酸化により高分子化して導電性を示す化合物であれば特に限定されるものではなく、例えばピロール、チオフェン、イソチアナフテン等の複素五員環式化合物及びそのアルキル基、オキシアルキル基等の誘導体が挙げられる。その中でもピロール、チオフェン等の複素五員環式化合物及びその誘導体が好ましく、特にピロール及び／またはピロール誘導体を含む導電性高分子であることが、製造が容易であり、導電性高分子として安定であるために好ましい。また、上記モノマーは２種以上併用することができる。

本発明のアクチュエータ素子の駆動方法において用いられるアクチュエータ素子は、上述の電解重合法により得られた導電性高分子を含む。前記導電性高分子により所望の形状を有する有形物が構成され、前記有形物が前記アクチュエータ素子の全体又は一部を構成し、前記有形物が駆動することにより前記アクチュエータ素子が駆動する。前記導電性高分子成の有形物は、その形状が特に限定されるものではなく、膜状、管状、筒状、角柱及び繊維状等の形状に成形または成型されたものであってもよいが、前記導電性高分子が電解重合時に作用電極に膜状として得られることから、膜状であることが好ましい。作用電極上に重合された導電性高分子は、アセトン等の導電性高分子を膨潤させることができる溶媒を用いて、作用電極から分離することにより、前記有形物である導電性高分子膜を容易に得ることができる。

以下に、本発明の実施例及び比較例を示すが、本発明は以下に限定されるものではない。なお、プロピレンカーボネートとしては、特級試薬を用い、水にはイオン交換水を用いた。

（アクチュエータ素子の製造例Ｉ）
導電性高分子モノマーであるピロール及びビス（トリフルオロメタン）スルホニルイミドテトラブチルアンモニウム塩を溶媒であるフタル酸ジメチルに公知の撹拌方法にて溶解し、モノマー濃度が０．２５ｍｏｌ／ｌであり、かつ前記塩濃度が０．２ｍｏｌ％である製造用電解液を調製した。この製造用電解液中に作用電極として市販のチタン電極を用い、対向電極として市販のニッケル電極を用いて、重合電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ^２で定電流法により６時間の電解重合を行った。得られた膜厚３０μｍの導電性高分子膜を、アセトンで膨潤させながら、ピンセットを用いて前記作用電極から分離し、実施例及び比較例にそれぞれ用いる枚数分だけ、長さ１５ｍｍ、幅２ｍｍに切断し、導電性高分子を含む製造例Ｉのアクチュエータ素子（導電性高分子膜状体）を得た。

（導電性高分子の製造例II）
ビス（トリフルオロメタン）スルホニルイミドテトラブチルアンモニウム塩に替えてビス（トリフルオロエタン）スルホニルイミドテトラブチルアンモニウム塩を用いた以外は、製造例Ｉと同様にして、製造例IIのアクチュエータ素子（導電性高分子膜状体）を得た。

（実施例１）
本発明の導電性高分子の駆動方法として、下記混合溶媒を含む動作電解液を用いて上記製造例Ｉのアクチュエータ素子に電圧を印加して、アクチュエータ素子を駆動させ、駆動速度と最大伸縮率を求めた。
（駆動速度）
水とプロピレンカーボネートとを、表１に記載のように容量比で７５：２５となる割合で、撹拌混合して混合溶媒を調製した。（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２ＮＬｉを１ｍｏｌ／ｌとなるように前記混合溶媒に溶解した動作電解液中に、白金プレートを対向電極として保持し、前記アクチュエータ素子である前記動作電極を前記電解液中に保持し、それぞれ電極の端部に、リードを介して電源と接続して、−０．７Ｖｖ．ｓ. Ａｇ／Ａｇ^＋を印加した。電圧印加の開始から表１に記載の２秒後、１０秒後及び１００秒後の伸縮量（収縮により変位した長さ）を測定した。測定したそれぞれの変位量をアクチュエータ素子の元の長さ（１５ｍｍ）で除して、伸縮率（％）を求めた。

（最大伸縮率）
製造例Ｉのアクチュエータ素子である動作電極を前記電解液中に保持し、白金プレートを対向電極として前記電解液中に保持し、それぞれ電極の端部に、リードを介して電源と接続して、２ｍＶ／ｓで電位（−０．９〜＋０．７Ｖｖ．ｓ. Ａｇ／Ａｇ^＋）を変位量が目視で最大となるように１サイクル印加して変位量（変位した長さ）を測定した。動作電極が最初の１サイクルの印加（１酸化還元サイクル）で伸長と収縮とをすることにより得られた変位の差を、動作電極の元の長さ（１５ｍｍ）で割ることにより、最大伸縮率（％）を求めた。結果を表１に示す。

（実施例２〜６）
水とプロピレンカーボネートとを、表１に記載の割合で、撹拌混合して混合溶媒を、それぞれ調製して用いた以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例２〜６としての駆動速度（％／ｓ）及び最大伸縮率（％）をそれぞれ求めた。結果を表１に示す。

（実施例７）
用いたアクチュエータ素子を、製造例Ｉのアクチュエータ素子に替えて、製造例IIのアクチュエータ素子を用い、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２ＮＬｉに替えて動作電解質として（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２ＮＬｉを用いた以外は、実施例１と同様の方法にて、実施例７としての駆動速度（％／ｓ）及び最大伸縮率（％）をそれぞれ求めた。結果を表２に示す。

（実施例８〜１０）
水とプロピレンカーボネートとを、表２に記載の割合で、撹拌混合して混合溶媒を、それぞれ調製して用いた以外は、実施例７と同様の方法にて、実施例８〜１０としての駆動速度（％／ｓ）及び最大伸縮率（％）をそれぞれ求めた。結果を表２に示す

（比較例１及び２）
水とプロピレンカーボネートとの混合溶媒のかわりに、水を用いた以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例１としての駆動速度（％／ｓ）及び最大伸縮率（％）をそれぞれ求めた。また、水（イオン交換水）とプロピレンカーボネートとの混合溶媒のかわりに、プロピレンカーボネートを用いた以外は、実施例１と同様の方法にて、比較例２としての駆動速度（％／ｓ）及び最大伸縮率（％）をそれぞれ求めた。
結果を表１に示す。

（比較例３及び比較例４）
水とプロピレンカーボネートとの混合溶媒のかわりに、水を用いた以外は、実施例７と同様の方法にて、比較例３としての駆動速度（％／ｓ）及び最大伸縮率（％）をそれぞれ求めた。また、水（イオン交換水）とプロピレンカーボネートとの混合溶媒のかわりに、プロピレンカーボネートを用いた以外は、実施例７と同様の方法にて、比較例４としての駆動速度（％／ｓ）及び最大伸縮率（％）をそれぞれ求めた。結果を表２に示す。

（結果）
実施例１は、伸縮速度が伸縮開始（収縮開始）から２秒後においては５．０（％／ｓ）と速く、伸縮開始から１０秒後には伸縮率が１７．０％に達し、伸縮開始から１００秒後には伸縮率が２０．２％に達した。これは実施例１の動作電解液が、水とプロピレンカーボネート（７５：２５）の混合溶媒を溶媒として用いて調製され、導電性高分子膜状体であるアクチュエータ素子に電圧印可による駆動を該動作電解液中で行ったことによるものである。

実施例４では、動作電解液の溶媒として水とプロピレンカーボネート（５０：５０）の混合溶媒を用いたので、伸縮速度が伸縮開始（収縮開始）から２秒後においては５．３（％／ｓ）と早く、伸縮開始から１０秒後には伸縮率が１７．８％に達し、伸縮開始から１００秒後には伸縮率が２１．３％に達した。

一方、比較例１では、動作電解液の溶媒として水を用いているために、伸縮速度が伸縮開始（収縮開始）から２秒後においては２．３（％／ｓ）と実施例１の半分以下の速度しかなく、伸縮開始から１０秒後には伸縮率が９．２％にしか達することができなく、伸縮開始から１００秒後には伸縮率が１２．６％にしか達しなかった。また、比較例２にいたっては、動作電解液の溶媒としてプロピレンカーボネートを用いているために、伸縮速度が伸縮開始（収縮開始）から２秒後においては０．６（％／ｓ）と遅く、伸縮開始から１０秒後には伸縮率が５.９％にしか達することができなく、伸縮開始から１００秒後には伸縮率が９．１％にしか達しなかった。

また、実施例７〜１０においては、２秒後の伸縮速度が、いずれも、動作電解液の溶媒として水を用いた場合（比較例３）よりも２０倍以上速く、動作電解液の溶媒としてプロピレンカーボネートを用いた場合（比較例４）よりも７．７倍以上速く、駆動することができ、駆動速度が大きく向上した。さらに、実施例７〜１０においては、伸縮開始から１０秒後及び１００秒後で駆動速度について、いずれも比較例３及び比較例４の駆動方法に比べて、大きく駆動速度が向上した。

実施例１〜３並びに比較例１及び２の駆動方法は、最大伸縮率が約２０％以上であるで実用用途に用いることができる。しかし、本発明のアクチュエータ素子の駆動方法である実施例１〜１０のアクチュエータ素子の駆動方法は、伸縮速度が速いので、導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法が従来適用できる用途のみならず、速い応答性が要求される用途にも用いることができる。

本発明のアクチュエータ素子の駆動方法を用いることにより導電性高分子を含むアクチュエータ素子は、大きな最大伸縮率と優れた駆動速度とに発現し、変位の命令に対応して従来よりも速い動作をするので実用性に優れ、人工筋肉、ロボットアーム、義手やアクチュエータ等の用途としてさらに有用である。

Claims

アクチュエータ素子の駆動方法であって、
前記アクチュエータ素子は導電性高分子を含み、前記アクチュエータ素子の導電性高分子に電圧を印加することにより動作電解液中で駆動し、前記動作電解液に含まれる溶媒が、水と極性有機溶媒との混合溶媒であり、
前記導電性高分子は、下式（１）で表されるパーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンが、前記アクチュエータ素子における前記導電性高分子のバルク中にドープされていることを特徴とする導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法。
（Ｃ _ｎＦ _{（２ｎ＋１）} ＳＯ _２）（Ｃ _ｍＦ _{（２ｍ＋１）} ＳＯ _２）Ｎ ⁻ 式（１）
（ここで、ｎ及びｍは任意の整数。）
前記極性有機溶媒は、前記導電性高分子の良溶媒である請求項１に記載の導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法。
前記極性有機溶媒は、プロピレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、アセトニトリルからなる群より一種以上選ばれた極性有機溶媒である請求項１または２に記載の導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法。
前記導電性高分子が分子鎖にピロール及び／またはピロール誘導体を含む請求項１〜３のいずれかに記載の導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法。
前記導電性高分子は電解重合法により得られた導電性高分子であり、
前記電解重合法は前記パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含む製造用電解液を用いた請求項１〜４のいずれかに記載の導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法。
前記動作電解液中に、パーフルオロアルキルスルホニルイミドイオンを含む請求項５に記載の導電性高分子を含むアクチュエータ素子の駆動方法。