JP4802680B2 - アクチュエータ - Google Patents
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Description
図1は、本発明に係る高分子アクチュエータの第1の実施の形態における構成を示す断面図である。
図1に示すように、高分子アクチュエータ10は、陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜(イオン導電性高分子フィルム)1と、該イオン導電性高分子膜1の両面それぞれに設けられる電極膜2と、該電極膜2それぞれに電気的に接続されたリード線4とを備え、1対のリード線4より電極膜2間に電圧が印加されることによりイオン導電性高分子膜1が湾曲または変形するものである。
いずれの方法によっても、簡便に短時間で電極膜2を形成することができる。
図2(a)では、電源Eよりリード線4を通じて、図中左側の高分子アクチュエータ10の電極膜2にプラスの電位、図中右側の電極膜2にマイナスの電位を印加している。この電位差により、高分子アクチュエータ10のイオン導電性高分子膜1中では、マイナスの電位が印加された側(図中右側)の電極膜2にナトリウムイオン水和物が引き寄せられて移動し、当該電極膜2の近傍に集中しこの領域は体積膨張するようになる。一方、プラスの電位が印加された側(図中左側)の電極膜2近傍におけるナトリウム水和物濃度は減少し、この領域は体積収縮するようになる。その結果、イオン導電性高分子膜1の2つの電極膜2近傍領域の間に体積差が生じることとなり、イオン導電性高分子膜1は図中左側に湾曲するようになる。
また、電極膜2の厚さとイオン導電性高分子膜1の厚さとの比を調整することによっても、高分子アクチュエータ10の変形性能(変形量および/または変形速度)を制御することが可能である。
(S11)イオン導電性高分子膜1を用意する。
(S12)有機溶媒にイオン導電性樹脂を溶解したものに、所定の比表面積のカーボン粉末を目標のカーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比となるように混ぜ合わせ、分散させて塗料を得る。
(S13)ステップS12の塗料中にイオン導電性高分子膜1をディッピング塗布し、その塗膜を大気中で乾燥させる。当該処理(ディッピング塗布−乾燥)を繰り返し、所望の厚さの電極膜2を形成する。
(S14)イオン導電性高分子膜1に陽イオン物質を含浸させる処理を行う。具体的には、イオン導電性高分子膜1に電極膜2を形成したものを金属イオン、有機イオンいずれかを含む塩化物溶液または水酸化物溶液、あるいはイオン液体に浸漬することにより、これらの金属イオン、有機イオン、イオン液体がイオン導電性高分子膜1及び電極膜2中に含浸させるようになる。
(S15)ステップS14後の積層フィルムの端部を切り落とした後、所定形状に切り出す。
(S16)1対の電極膜2それぞれにリード線4を接続して、高分子アクチュエータ10を完成する。
図2は、本発明の高分子アクチュエータの第2の実施の形態における構成を示す断面図である。
図2に示すように、高分子アクチュエータ20は、上述した高分子アクチュエータ10の1対の電極膜2それぞれの上に金または白金からなる金属導電膜3を備え、該金属導電膜3にリード線4を電気的に接続した構成となっている。ここで、イオン導電性高分子膜1、電極膜2、イオン導電性高分子膜1に含浸させる陽イオン物質は、第1の実施の形態で示したものと同じである。
[実施例1]
以下の手順で本発明の高分子アクチュエータ10を作製した。
(S21)イオン導電性高分子膜1として、厚さ127μmのフッ素樹脂系イオン導電性高分子膜(デュポン社製、Nafion(N−117))を用意する。
(S22)有機溶媒(純水50%、エタノール50%)にイオン導電性樹脂として前記Nafionを溶解したもの(5wt%Nafion溶液)に、カーボン粉末としてBET比表面積を13〜800m2/gに変化させたものをそれぞれ、カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比(C/B比)が0.5となるように混ぜ合わせ、分散させて塗料を得る。
(S23)ステップS22の塗料中にイオン導電性高分子膜1をディッピング塗布し、その塗膜を大気中で乾燥させる。当該処理(ディッピング塗布−乾燥)を繰り返し、厚さ30μmの電極膜2を形成する。その後、液温70℃の3wt%過酸化水素水中に1時間、液温70℃の純水中に1時間、液温70℃の1M硫酸中に1時間、液温70℃の純水中に1時間、順番に浸漬処理することで洗浄を行う。
(S24)イオン導電性高分子膜1に電極膜2を形成したものを0.1N水酸化ナトリウム水溶液に2時間浸漬処理し、ナトリウムイオンをイオン導電性高分子膜1及び電極膜2中に含浸させる。ついで、純水洗浄を行い本工程を終了する。
(S25)ステップS24後の積層フィルムの端部を切り落とした後、幅2mmの短冊形状に切り出す。
(S26)1対の電極膜2それぞれにリード線4を接続して、高分子アクチュエータ10を完成する。
その結果を図4に示す。カーボン粉末のBET比表面積にほぼ比例して変形量が増加する傾向が見られた。
(実施例2−1)
実施例1において、ステップS22の塗料についてカーボン粉末のBET比表面積を800m2/gとし、カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比(C/B比)を0.25〜2に変化させ、それ以外は実施例1と同じ条件として高分子アクチュエータ10のサンプル(金属導電膜なし)を作製した。
実施例1において、ステップS22の塗料についてカーボン粉末のBET比表面積を800m2/gとし、カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比(C/B比)を0.25〜2に変化させた。また、ステップS25の後に金属導電膜3として1対の電極膜2それぞれの上にスパッタ法により金薄膜を形成し、ついで該金薄膜上にリード線4を接続して、それ以外は実施例1と同じ条件として高分子アクチュエータ10のサンプル(金属導電膜あり)を作製した。
その結果を図5に示す。
実施例1において、ステップS22の塗料についてカーボン粉末のBET比表面積を800m2/gとし、ステップS23の電極膜2の厚さを1.7〜54μmに変化させ、それ以外は実施例1と同じ条件として高分子アクチュエータ10のサンプルを作製した。
その結果を図6に示す。
実施例1において、ステップS22の塗料についてカーボン粉末のBET比表面積を800m2/gとし、それ以外は実施例1と同じ条件として高分子アクチュエータ10のサンプル(金属導電膜なし)を作製した。また、実施例1において、ステップS22の塗料についてカーボン粉末のBET比表面積を800m2/gとし、ステップS25の後に金属導電膜3として1対の電極膜2それぞれの上にスパッタ法により金薄膜を形成し、ついで該金薄膜上にリード線4を接続して、それ以外は実施例1と同じ条件として高分子アクチュエータ10のサンプル(金属導電膜あり)を作製した。
その結果を図7に示す。
Claims (7)
- 陽イオン物質が含浸されたイオン導電性高分子膜と、該イオン導電性高分子膜の両面それぞれに設けられる電極膜とを備え、前記電極膜間に電圧が印加されることにより前記イオン導電性高分子膜が湾曲または変形する高分子アクチュエータにおいて、
前記電極膜は、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなり、前記カーボン粉末同士がイオン導電性樹脂を介して結合していることを特徴とする高分子アクチュエータ。 - 前記カーボン粉末の比表面積、前記カーボン粉末とイオン導電性樹脂との固形分重量比、前記電極膜の厚さの少なくともいずれか一により、当該高分子アクチュエータの変形性能が調整されてい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。
- 前記電極膜は、イオン導電性樹脂成分とカーボン粉末を含む塗料が前記イオン導電性高分子膜に塗布されて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。
- 前記電極膜は、カーボン粉末とイオン導電性樹脂とからなる導電膜が前記イオン導電性高分子膜に圧着されて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。
- 前記電極膜上に金属導電膜を備え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。
- 前記金属導電膜は、金または白金からなることを特徴とする請求項5に記載の高分子アクチュエータ。
- 前記陽イオン物質は、水及び金属イオン、水及び有機イオン、イオン液体のいずれかであ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。
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