JP5733938B2 - アクチュエータ - Google Patents
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Description
そこで本発明は、電極層の長尺の端からもう一方の端までの電位差を減らすことを目的とする。
を有するアクチュエータであって、前記一対の電極層のうち少なくともいずれか一方は、前記電解質層に接する複数の線状電極を有し、前記線状電極の長尺方向が前記端子と接する部分からこれと離れた端部への方向に揃っており、前記端子に電圧を印加すると、前記電解質層内のイオンが移動して前記端部が変位する ことを特徴とするアクチュエータを提供する。
本発明の実施形態に係るアクチュエータは、長尺形状の一対の電極層13、14と、これら電極層の間に配置されている電解質層15とが積層された構造を有する。これらは積層構造である。図1(a)は本発明の実施形態に係るアクチュエータを、電極層13、14と電解質層15との積層方向(本図紙面の左右方向)に対して垂直な方向からみたときの模式図である。12は電極層間に電圧を印加するために設けられた端子で、リード線11によって駆動電源10に接続されている。端子12はアクチュエータの一方の端を押さえている。駆動電源10によって、端子12に電圧を印加すると、電極層13と電極層14との間に1V乃至4V程度の電圧が印加され、電解質中のイオンが少なくとも一方の電極層に移動し、アクチュエータの長尺の端が積層方向に移動するように屈曲変形する。
なお、電極層13、14の両方が、導電材料16を含有するポリマー繊維17を有すると、両方の電極層の電極層内において電位差の発生が抑制されるためより好ましい。
また、本発明の実施形態に係るアクチュエータは矩形平板状の構成の他、円形、三角形、楕円形、棒状等の平板状、膜状、円筒状、螺旋状、コイル状等の各種構成を任意に選択可能である。
また、アクチュエータは単数あるいは複数の各素子から成る複合構成を取ることも可能である。
本発明の実施形態に係るアクチュエータは、一対の電極に電圧を印加することにより前記電解質中のイオンが移動して変形する。本発明の実施形態に係る一対の電極間に電解質層が配置されているアクチュエータの変形時の駆動原理は明確にはなっていない。そこで現在推測されている原理について、本発明の実施形態に係るアクチュエータにおいて好ましく用いられる2つの電極層間に電解質層が配置されている素子を例に、図3を用いて説明する。図3(a)のように、2つの電極層300、301は電解質層200の表面に相互に絶縁状態で形成されている。この電極層300と301間に電位差がかかると、図2(b)に示すように、電解質800のカチオン700とアニオン600は、カソードの電極層301にカチオン700が移動、浸透し、アノードの電極層300にはアニオン600が移動、浸透する。そして電極層300、301内の導電材料とイオン性物質相の界面に電気二重層が形成される。大気中駆動の観点から蒸気圧のないイオン液体が本発明の実施形態に係るアクチュエータの電解質として好ましく用いられるが、イオン液体は、カチオン700のイオン半径がアニオン600より大きい。その結果、電極層内に存在するイオンの立体効果が、電気二重層に伴う静電反発などと共同的に働きにより、電極層301が電極層300に比べ、より膨張し、カソードがアノードに比べより伸びる方向へアクチュエータが屈曲すると考えられる。通常、電位の極性を反転させると膜は反対方向に屈曲変形する。また、変位の方向は電極層や電解質層の構成により変化する。
また、屈曲動作以外でも、電解質層の構成や電極層の配置などを設計することで、伸縮動作や捻り動作を示すことも可能である。
本発明の実施形態に係るアクチュエータは、一対の電極と、前記一対の電極の間に配置されている電解質を有する電解質層とを有する。そして、前記一対の電極のうち少なくともいずれか一方が、導電材料を含むポリマー繊維を少なくとも有する電極層であり、前記ポリマー繊維が、前記電極層の面内で一軸方向に揃っている必要がある。
ここで電極は、金属あるいは、CNTを押し固めた自立性フィルムなどのポリマーを含まないカーボン系導電物質からなる電極やそれらの複合物のことである。
本発明の実施形態に係るアクチュエータにおいて、一対の電極のうち少なくともいずれか一方が導電材料を含むポリマー繊維を有する電極層であり、例えばカーボン系導電物質とポリマーの複合体で構成される。本発明の実施形態に係るアクチュエータにおいてポリマー繊維とは、少なくとも1種類以上のポリマーを有し、そのポリマー繊維の太さよりも長さの方が長いものである。
本発明の実施形態に係るアクチュエータのポリマー繊維の作製法としては、特に限定されないが、例えば、エレクトロスピニング法、複合紡糸法、ポリマーブレンド紡糸法、メルトブロー紡糸法、フラッシュ紡糸法等が挙げられる。
本発明における導電性を有するポリマー繊維の融着とは、該ポリマー繊維が軟化し、隣接する該ポリマー繊維と接着し、その接着境界部が面状であったり、接着境界がなくなっていたりする状態のことをいう。
(2)ゲルの形成は、カーボンナノチューブのからみ合いに因るものではないと推測される。つまりからみ合いの減少したカーボンナノチューブの表面に「カチオン−π」相互作用により結合したイオン液体の分子がイオン結合を介してカーボンナノチューブの束同士を結びつけることにより形成される架橋構造(三次元網目構造)に起因すると推測される。
本発明の実施形態に係るアクチュエータにおいて、上記導電材料を含むポリマー繊維は、前記電極層の面内で一軸方向に揃っている。該ポリマー繊維の配向方法に関しては、特に限定されるものではなく、公知の技術を適宜、また場合によっては組み合わせて用いることができる。上記のエレクトロスピニング法では、極めて容易に、導電材料を含むポリマー繊維が、前記電極層の面内で一軸方向に揃っているポリマー繊維電極層を作製することが可能である。すなわち、繊維巻き取り可能な回転ドラムをコレクターとして用い、本コレクターにポリマー溶液のジェットを噴射し、連続的に紡糸することでこのようなポリマー繊維電極層を作製できる。
(ポリマー配向度(%):ポリマー繊維が、電極層の面内で一軸方向に揃っている割合;値が高いほど高配向)
ポリマー繊維が、電極層の面内で一軸方向に揃っている割合は次のような手段で測定できる。つまり、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察された、ポリマー繊維電極層の画像を画像処理ソフト(商品名:A像くん:旭化成エンジニアリング製)の解析コマンド「方向分布計測」で解析することで簡便に、ポリマー配向度(%)として算出することができる。具体的には、得られた繊維の傾きを0〜180°まで10°刻みで18等分に区分けし、各範囲の繊維の個数(度合)の度数分布図(ヒストグラム)を描き、下記式より求められる。
(導電材料配向割合(P値):ポリマー繊維が、電極層の面内で一軸方向に揃っている割合;値が低いほど高配向)
導電材料の配向割合は、ポリマー繊維表面をエッチングするなどして電子顕微鏡により直接ポリマー繊維内部の導電材料を観察した像から求めてもよいが、ポリマー繊維束・膜のX線散乱測定や偏光分光測定により簡便に評価することができる。
P=Y/X
(Pは導電材料配向割合、Xはレーザー偏光面をA軸と平行に配置した場合のGバンド強度、Yはレーザー偏光面をそれとは直交する方向(B軸)配置した場合のGバンド強度を示す。)
で表される導電材料配向割合(P値)にて配向性を評価する方法である。
(ポリマー繊維電極層の構成材料)
ポリマー繊維電極層の導電材料としては次の材料が挙げられる。すなわち、通常、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウイスカー(気相成長炭素)、炭素(ナノ)繊維、活性炭素繊維、ナノ炭素材料、ナノ炭素粒子等のカーボン系導電性物質のうち1種またはそれらの混合物が挙げられる。また、導電性高分子などを用いることもできる。これらの中で、導電性及び比表面積の観点より、ナノ炭素材料が好ましく、特に好ましくは、CNTである。
電解質層は、電解質を含む柔軟材料であり、多くは電解質を含むポリマーであれば特に限定されない。
本実施形態に係るアクチュエータの作製方法は、上記アクチュエータを作製することができる方法であればどのような方法であってもよい。なお、上記で得られた電極層を複数重ね、さらに上記電解質層を挟んで加熱プレス(ホットプレス、熱圧着)する方法を好適に用いることができる。なお、ここで、「加熱プレスする」とは、加熱しながらプレスすること、及び、プレスした状態で昇温することの両方法を含む。
(アクチュエータの変位量の測定)
アクチュエータを幅1mm×長さ15mm×所定の膜厚の短冊状に切断し、端3mmの部分を、固定器具6の白金電極付きホルダーでつかんで、空気中で(空気中駆動)、電圧を印加する。アクチュエータの駆動に関しては、駆動電圧3.0V、駆動周波数1Hzでの変位を、レーザー変位計を用いて固定端から10mmの位置で測定する。
電極層の導電率は、ポリマー繊維の配向方向にそって、電極層の両端、および、表面の2点間に金属ペーストで直径50μmの金線を接合し、両端の金線に定電流源で一定電流を流し、表面に接続した接点間の電圧を測定することで、電極の抵抗を測定した。この時の電極の厚みd、電極の幅をbとすると断面積S=bdである。流した電流がI、測定した電圧がV、電圧測定端子間距離がLとすると、コンダクタンス G=I/V[S]、導電率=GL/S[S/cm]。
本実施例は、ポリマー繊維電極と電解質層とフィルム電極が順次積層された、3重層構造のアクチュエータである。
結果として、アクチュエータの厚みは115μm(電解質層の厚みは15μmで、電極層の厚みは50μm、ポリマー繊維電極層の厚みは50μm)である。
本比較例は、フィルム状電極層を2つ用いて、該フィルム状電極層と電解質層ともう一つの該フィルム状電極層を順次積層した、3重層構造のアクチュエータである。
本実施例は、図2に示したような、ポリマー繊維電極層(図2では模式的にポリマー繊維の層を片側2層で図示)を2つ用いて、該ポリマー繊維電極と電解質層と該ポリマー繊維電極を順次積層した、3重層構造のアクチュエータである。ここで電解質層は、実施例1と同様に作製する。また電極層は、実施例1においてのポリマー繊維電極層電極層と同様のもの(実施例1で使用した余りを利用)を二つ使用する以外は実施例1と同様にアクチュエータを作製する。なお、前記ポリマー繊維が、前記電極層の面内で一軸方向に揃っている(幅1mm×長さ15mmの短冊状アクチュエータの長尺方向に揃っている)。
本実施例は、実施例2の変形であり、ポリマー繊維電極層におけるポリマー繊維の太さが実施例2の半分である、該ポリマー繊維電極と電解質層と該ポリマー繊維電極を順次積層した、3重層構造のアクチュエータである。
実施例中に示したように、導電材料を含むポリマー繊維であり、前記ポリマー繊維が、前記電極層の面内で一軸方向に揃っているようにして電極層を形成することで、膜面で均質にかつ良好な導電性を有した大面積の電極層が形成可能となることが確認できる。
上記実施例におけるアクチュエータは、電解質層を電極層(ここで電極層はポリマー繊維電極層を少なくとも一つ有する)で挟持した構造になっているため、電極を介して電気エネルギーが印加されると、電解質中のイオンが効率よく移動し、変形駆動する。
実施例1で用いたポリマー繊維電極層を、加熱プレス条件を変化させて、加熱プレス後の該ポリマー繊維電極層(膜)の強度を比較した。
21、22、41、42 リード線
23、24、43、44 端子
25、27、45、46 電極層
26、47 電解質層
Claims (8)
- 一対の電極層と、
前記一対の電極層の間に配置されている、電解質を有する電解質層と、
前記一対の電極層に接し、該電極層の間に電圧を印加するための端子と、
を有するアクチュエータであって、
前記一対の電極層のうち少なくともいずれか一方は、導電材料を有するポリマー繊維からなる複数の線状電極を有し、電圧印加時に電子(またはホール)が前記端子と接する部分からこれと離れた端部の方向に移動するように、前記複数の線状電極の長尺方向が前記方向に揃った束となっており、
前記端子に電圧を印加すると、前記電解質層内のイオンが移動して前記端部が変位することを特徴とするアクチュエータ。 - 前記線状電極が、前記長尺方向に配向した複数の導電材料を有するポリマー繊維からなる請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記電極層と前記端子とが接する部分がアクチュエータの一方の端部である固定端部であり、電圧の印加により他方の端部が変位する請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記ポリマー繊維は太さが0.05μm以上1μm未満であることを特徴とする請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記導電材料を含有するポリマー繊維は少なくとも一部融着していることを特徴とする、請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記複数の線状電極を有する電極層が、前記一対の電極層の両方である請求項1から5のいずれかに記載のアクチュエータ。
- 前記導電材料が、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウイスカー(気相成長炭素)、炭素(ナノ)繊維、活性炭素繊維、ナノ炭素材料、ナノ炭素粒子等のカーボン系導電性物質のうち1種またはそれらの混合物である請求項1から6のいずれかに記載のアクチュエータ。
- 前記ポリマー繊維が、エレクトロスピニング法により製造されたポリマー繊維である請求項1から7のいずれかに記載のアクチュエータ。
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