JP5960226B2 - 電熱アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電熱アクチュエータに関し、特にカーボンナノチューブを含む電熱アクチュエータに関するものである。

アクチュエータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換させるデバイスである。また、アクチュエータは、電歪アクチュエータ、電磁気アクチュエータ及び電熱アクチュエータの３種類に分類することができる。従来の電熱アクチュエータは、ポリマーを主体とするフィルム状の構造体であるため、電流によって、ポリマーの温度を上昇させて体積を膨張させる。これにより、電熱アクチュエータを動作させる。従って、電熱アクチュエータの材料は、優れた導電性、柔軟性、熱安定性を有する必要がある。

従来の技術においては、カーボンナノチューブを含む複合材料を採用して、電熱アクチュエータ用の電熱複合構造体を形成することがある。具体的には、カーボンナノチューブを含む電熱複合構造体は、柔軟性を有する高分子構造体及び該柔軟性を有する高分子構造体に分散されたカーボンナノチューブを含む。カーボンナノチューブを含む電熱複合構造体を通電させて熱を発生させ、カーボンナノチューブを含む電熱複合構造体の体積を膨張させ、湾曲させ、電熱アクチュエータを動作させる。しかし、電熱複合構造体の変形量には制限があり、しかも反応速度が遅く、ただ単純に湾曲作動できるだけであるため、異なる機能を実現できない。

中国特許出願公開第１０３１７２０４４号明細書

従って、前記課題を解決するために、変形量が大きく、反応速度が速く、複雑に湾曲作動でき、且つ異なる機能を実現できる電熱アクチュエータを提供する。

本発明の電熱アクチュエータは少なくとも二つの動作部と、少なくとも二つの電極と、を含み、各動作部は、柔軟性を有する高分子構造体及びカーボンナノチューブペーパーを含み、カーボンナノチューブペーパーは、柔軟性を有する高分子構造体の一つの表面に積層して設置され、カーボンナノチューブペーパーの少なくとも一部は、柔軟性を有する高分子構造体の中に浸透し、カーボンナノチューブペーパーと柔軟性を有する高分子構造体との厚さの比は１：１０〜１：７であり、カーボンナノチューブペーパーの密度は、０．５ｇ／ｃｍ^３〜１．２ｇ／ｃｍ^３であり、柔軟性を有する高分子構造体の熱膨張係数は、カーボンナノチューブペーパーの熱膨張係数の１０倍以上であり、少なくとも二つの動作部は相互に電気的に接続され、少なくとも一つの導電経路が形成され、少なくとも二つの電極は間隔をあけて設置され、且つ少なくとも二つの動作部におけるカーボンナノチューブペーパーと電気的に接続され、且つ少なくとも一つの導電経路に電流が印加されるように構成され、各動作部におけるカーボンナノチューブペーパーの電流方向での導電率は１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍである。

上記電熱アクチュエータにおいて、カーボンナノチューブペーパーにおけるカーボンナノチューブの延伸方向は、電流方向と角度を成し、角度は４５°〜９０°となり得る。

従来の技術と比べると、本発明の電熱アクチュエータは以下の有益な効果を奏する。第一に、電熱アクチュエータは積層設置されたカーボンナノチューブペーパー及び柔軟性を有する高分子構造体を含み、カーボンナノチューブペーパーの密度が大きく、湾曲する方向における引張強度は３ＭＰａより大きく、機械強度が大きいので、電熱アクチュエータの変形量を大きくすることができる。第二に、カーボンナノチューブの熱伝導率は高く、通電された後、カーボンナノチューブは素早く昇温でき、且つ発生した熱を柔軟性を有する高分子構造体に素早く伝導でき、柔軟性を有する高分子構造体を熱膨張させ、作動させることができる。これにより、電熱アクチュエータの熱反応速度を高め、１０秒以下にすることができる。第三に、少なくとも二つの作動部が異なる形状の導電経路を形成するので、電熱アクチュエータは異なる機能を実現できる。第四に、カーボンナノチューブペーパーの導電率が１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍである方向を制御することによって、電熱アクチュエータの湾曲方向を制御できるため、電熱アクチュエータは複雑に湾曲作動できる。

本発明の実施例１に係る電熱複合構造体の立体構造図である。 本発明の実施例１に係る電熱複合構造体の変形前と変形後の対比図である。 本発明の実施例２に係る電熱アクチュエータの構造を示す斜視図である。 本発明の実施例３に係る電熱アクチュエータの構造を示す図である。 本発明の実施例３に係る他の形状を有する電熱アクチュエータの構造を示す図である。 本発明の実施例３に係る複数の電極を有する電熱アクチュエータの構造を示す図である。 本発明の実施例４に係る電熱アクチュエータの構造を示す図である。 本発明の実施例５に係る電熱アクチュエータの構造を示す図である。 本発明の実施例５に係る他の形状を有する電熱アクチュエータの構造を示す図である。 本発明の実施例５に係る複数の導電経路を有する電熱アクチュエータの構造を示す図である。 本発明の実施例６に係る電熱アクチュエータの製造方法の流れ図である。

以下、図面を参照しながら本発明について説明する。また、同じ部材を同じ符号で表示する。

（実施例１）
図１を参照すると、本実施例は電熱複合構造体１００を提供する。電熱複合構造体１００は、柔軟性を有する高分子構造体１４０及びカーボンナノチューブペーパー１２０を含む。カーボンナノチューブペーパー１２０は、柔軟性を有する高分子構造体１４０の一つの表面に積層されて設置されている。カーボンナノチューブペーパー１２０の少なくとも一部は、柔軟性を有する高分子構造体１４０の中に浸透している。柔軟性を有する高分子構造体１４０の熱膨張係数は、カーボンナノチューブペーパー１２０の熱膨張係数の１０倍以上であり、好ましくは、高分子構造体１４０の熱膨張係数は、カーボンナノチューブペーパー１２０の熱膨張係数の１００倍以上である。

カーボンナノチューブペーパー１２０の厚さは３０μｍ〜５０μｍである。カーボンナノチューブペーパー１２０の表面に平行なある一つの方向Ｘ（図示せず）におけるカーボンナノチューブペーパー１２０の導電率は、１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍである。カーボンナノチューブペーパー１２０の導電率が大き過ぎる場合、例えば、カーボンナノチューブペーパー１２０の導電率が６０００Ｓ／ｍより大きい場合、カーボンナノチューブペーパー１２０は小さい抵抗を有する。これにより、特定の電圧（例えば、１０Ｖ）をカーボンナノチューブペーパー１２０に印加すると、カーボンナノチューブペーパー１２０は十分な熱を発生させることができず、且つ柔軟性を有する高分子構造体１４０を容易に熱膨張、変形させることができない。また、カーボンナノチューブペーパー１２０の導電率が小さ過ぎる場合、例えば、カーボンナノチューブペーパー１２０の導電率が１０００Ｓ／ｍより小さい場合、カーボンナノチューブペーパー１２０は大きい抵抗を有する。これにより、特定の電圧（例えば、１０Ｖ）をカーボンナノチューブペーパー１２０に印加すると、電熱複合構造体１００の反応速度が遅くなる。好ましくは、カーボンナノチューブペーパー１２０の表面に平行なＸ方向におけるカーボンナノチューブペーパー１２０の導電率は、２０００Ｓ／ｍ〜３５００Ｓ／ｍである。カーボンナノチューブペーパー１２０の密度が０．５ｇ／ｃｍ^３以上であるので、カーボンナノチューブペーパー１２０の引張強度は３ＭＰａより大きくなる。カーボンナノチューブペーパー１２０の密度が小さ過ぎる場合、カーボンナノチューブペーパー１２０の機械強度は弱くなり、電熱複合構造体１００を素早く変形させる過程において、カーボンナノチューブペーパー１２０が破裂し易くなる。従って、好ましくは、カーボンナノチューブペーパー１２０の密度は０．５ｇ／ｃｍ^３〜１．２ｇ／ｃｍ^３である。

カーボンナノチューブペーパー１２０は、基本的に同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。好ましくは、カーボンナノチューブペーパー１２０は、基本的に同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブのみからなる。該複数のカーボンナノチューブは、分子間力で長軸方向における端部同士が端と端で接続され、また、カーボンナノチューブペーパー１２０の表面に対して平行である。カーボンナノチューブペーパー１２０におけるカーボンナノチューブの延伸方向は、方向Ｘ（図示せず）と角度を成し、該角度は４５°〜９０°である。これにより、カーボンナノチューブペーパー１２０の方向Ｘでの導電率を１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍにすることができる。カーボンナノチューブペーパー１２０におけるカーボンナノチューブの延伸方向がＸ方向と成す角度は８０°〜９０°であるのが好ましい。

本実施例において、カーボンナノチューブペーパー１２０は長方形の平面構造体であり、その長さは６ｃｍであり、幅は３ｃｍであり、厚さは３０μｍであり、引張強度は約４ＭＰａあり、密度は１．０ｇ／ｃｍ^３である。カーボンナノチューブペーパー１２０におけるカーボンナノチューブの延伸方向が方向Ｘと成す角度は９０°であり、また、複数のカーボンナノチューブは、分子間力で長軸方向における端部同士が端と端で接続されている。

柔軟性を有する高分子構造体１４０は薄片構造体であり、その厚さは２７０μｍ〜４５０μｍである。柔軟性を有する高分子構造体１４０の厚さが厚過ぎる場合、柔軟性を有する高分子構造体１４０自体が大きな機械性能を有するので、熱を柔軟性を有する高分子構造体１４０の全体に素早く伝導することに不利であり、且つ変形が困難である。柔軟性を有する高分子構造体１４０の厚さが薄過ぎる場合、熱膨張量が材料の体積及び熱膨張係数と正比例するので、電熱複合構造体１００の変形量が減少する。柔軟性を有する高分子構造体１４０の形状は、カーボンナノチューブペーパー１２０の形状と同じであり、重ねることができる。柔軟性を有する高分子構造体１４０の材料は、優れた形状記憶性を有し、且つ耐熱性である。ここで、形状記憶性とは、特定の温度まで上昇すると、柔軟性を有する高分子構造体１４０の材料が変形し、温度が初期の温度まで下がると、柔軟性を有する高分子構造体１４０の材料の形状も初期の形状に戻ることを指す。

柔軟性を有する高分子構造体１４０の材料は、シリコーンゴム、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル、ポリスチレン、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリル、ポリアニリンなどの一種又は数種の混合物である。本実施例において、柔軟性を有する高分子構造体１４０はシリコーンゴムからなる薄膜である。該柔軟性の高分子構造体１４０の形状は長方形であり、その厚さは３００μｍであり、熱膨張係数は３．１×１０^−４／Ｋである。

更に、電熱複合構造体１００を素早く変形させるために、好ましくは、カーボンナノチューブペーパー１２０と柔軟性を有する高分子構造体１４０との厚さの比は１：１０〜１：７である。カーボンナノチューブペーパー１２０と柔軟性を有する高分子構造体１４０との厚さの比が小さ過ぎる場合、例えば、カーボンナノチューブペーパー１２０と柔軟性を有する高分子構造体１４０との厚さの比が１：１０より小さい場合、柔軟性を有する高分子構造体１４０が熱を受けて温度が上昇する速度が遅くなるため、電熱複合構造体１００の反応速度が遅くなる。カーボンナノチューブペーパー１２０と柔軟性を有する高分子構造体１４０との厚さの比が大き過ぎる場合、例えば、カーボンナノチューブペーパー１２０と柔軟性を有する高分子構造体１４０との厚さの比が１：７より大きい場合、熱膨張量が材料の体積及び熱膨張係数と正比例するので、柔軟性を有する高分子構造体１４０とカーボンナノチューブペーパー１２０との熱膨張量の差が小さくなり、電熱複合構造体１００の変形量が減少する。本実施例において、カーボンナノチューブペーパー１２０と柔軟性を有する高分子構造体１４０との厚さの比は１：９である。

電熱複合構造体１００が作動する時、電圧を電熱複合構造体１００におけるカーボンナノチューブペーパー１２０の両端に印加すると、電流がカーボンナノチューブペーパー１２０におけるカーボンナノチューブによって形成された導電ネットに流れる。カーボンナノチューブペーパー１２０及び柔軟性を有する高分子構造体１４０の各パラメーターを総合的に最適化するので、電熱複合構造体１００は比較的速い熱反応速度を有し、この時電熱複合構造体１００の熱反応速度は１０秒以下である。即ち、電熱複合構造体１００を１８０°まで湾曲させる時間は１０秒以下である。また、カーボンナノチューブは、機械強度及び耐湾曲性に優れているので、電熱複合構造体１００も優れた機械強度を有し、一万回以上繰り返し湾曲することができる。

図２を参照すると、電源からの電圧を導線によって電熱複合構造体１００の両端に２０Ｖで印加し、電熱複合構造体１００に０．２Ａの電流が流れ、８秒後に、電熱複合構造体１００がカーボンナノチューブペーパー１２０側に向かって１８０°湾曲する。ここで、電熱複合構造体１００のカーボンナノチューブペーパー１２０側に向かって１８０°湾曲することは、電熱複合構造体１００のカーボンナノチューブ側が直線型からＵ字型に湾曲することを指す。

（実施例２）
図３を参照すると、本実施例２は電熱アクチュエータ１０を提供する。電熱アクチュエータ１０は動作部１０２と、二つの電極１１２と、を含む。動作部１０２は、電熱複合構造体１００を直接切断して形成されたストリップ状の構造体である。動作部１０２の少なくとも一部は方向Ｘ（図示せず）に沿って延伸する。動作部１０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向は、動作部１０２の長手方向と基本的に垂直であり、また、複数のカーボンナノチューブはその延伸方向において、分子間力で端と端で接続されているので、動作部１０２の長手方向における導電率は約３０００Ｓ／ｍであり、動作部１０２の長手方向に対して垂直方向における導電率は約３００００Ｓ／ｍである。二つの電極１１２の延伸方向は動作部１０２の長手方向と基本的に垂直であり、且つ動作部１０２の対向する両端に間隔をあけて平行に設置されて、動作部１０２におけるカーボンナノチューブペーパー１２０と電気的に接続される。

二つの電極１１２の材料は導電材料であり、例えば、金属、カーボンナノチューブ、導電銀ペーストの何れか一種であるが、二つの電極１１２を通電できればその他の導電材料でも良い。また、動作部１０２の湾曲動作は、二つの電極１１２の導電性に影響を与えない、或いは影響を与えてもごく僅かであることが好ましい。この際、二つの電極１１２の材料として、導電性且つ柔軟性を有する材料を採用してもよく、例えば、カーボンナノチューブ或いは導電銀ペーストを採用してもよい。更に、電熱アクチュエータ１０は複数の電極を備えてもよく、必要に応じて設置できる。本実施例において、二つの電極１１２は銅片からなり、該銅片は動作部１０２の対向する両端に設置され、且つ動作部１０２におけるカーボンナノチューブペーパー１２０と電気的に接続される。

電熱アクチュエータ１０が作動する際、導線によって電源電圧を二つの電極１１２に印加すると、電流が動作部１０２の長手方向に沿って、動作部１０２の一端から該一端と対向する他端まで流れ、動作部１０２を加熱する。動作部１０２の長手方向における導電率は約３０００Ｓ／ｍであるので、動作部１０２を加熱させる際、動作部１０２は十分な熱を発生させることができ、且つ速い反応速度を得ることができる。これにより、電熱アクチュエータ１０を動作部１０２の長手方向に沿って、素早く湾曲でき、動作させることができる。

（実施例３）
図４を参照すると、本発明の実施例３は電熱アクチュエータ２０を提供する。電熱アクチュエータ２０は、二つの動作部２０２と、二つの電極２１２と、を含む。各動作部２０２は、電熱複合構造体１００を直接切断して形成されたストリップ状の構造体である。二つの動作部２０２は相互に電気的に接続されて、Ｌ字状の導電経路を形成する。二つの電極２１２は、Ｌ字状の導電経路の両端にそれぞれ設置され、且つ二つの動作部２０２と電気的に接続される。二つの動作部２０２は、基本的に同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。また、複数のカーボンナノチューブはその延伸方向において、分子間力で端と端で接続されている。二つの動作部２０２におけるカーボンナノチューブの延伸方向は、例えば、電流方向と角度４５°を成す。これにより、二つの動作部２０２におけるカーボンナノチューブペーパーの電流方向での導電率は１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍである。これにより、電熱アクチュエータ２０に電流が流れると、各動作部２０２は十分な熱を発生させることができ、各動作部２０２を電流方向に沿って湾曲させることができる。

また、複数の動作部２０２が相互に電気的に接続され、且つ各動作部２０２におけるカーボンナノチューブペーパーの電流方向における導電率が１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍであることを保証できれば、各電熱アクチュエータ２０が二つの動作部２０２を含むこと、及び電熱アクチュエータ２０の導電経路の形状がＬ字状であることに限定されず、電熱アクチュエータ２０は複数の動作部２０２を含んでもよく、且つ電熱アクチュエータ２０の導電経路の形状は他の形状でもよい。更に、電熱アクチュエータ２０の導電経路の形状を制御することによって、電熱アクチュエータ２０を湾曲作動させて、異なる機能を実現することができる。

図５を参照すると、一つの例として、電熱アクチュエータは、複数の動作部２０２と、二つの電極２１２と、を含む。複数の動作部２０２は相互に電気的に接続されて、導電経路が形成される。複数の動作部２０２が相互に電気的に接続されて形成された導電経路は、二つの端部を有する。二つの電極２１２は導電経路の両端にそれぞれ設置され、且つ動作部２０２と電気的に接続され、導電経路に駆動電流を印加する。複数の動作部２０２は、基本的に同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含み、複数のカーボンナノチューブはその延伸方向において分子間力で端と端で接続されている。

もう一つの例として、電熱アクチュエータは、複数の動作部２０２と、複数の電極２１２と、を含む。この時、複数の動作部２０２において、少なくとも二つの動作部２０２が電気的に接続され、少なくとも二つの導電経路が形成される。複数の電極２１２は、少なくとも二つの導電経路を並列接続させる。図６を参照すると、電熱アクチュエータは、二つの動作部２０２と、三つの電極２１２と、を含む。二つの動作部２０２はＴ字状の導電経路を形成する。一つの動作部２０２の端部は他の動作部２０２と接触して設置される。これにより、二つの動作部２０２の三つの端部を露出させる。三つの電極２１２は、間隔をあけて二つの動作部２０２の露出する三つの端部にそれぞれ設置されている。三つの電極２１２が外部電路に電気的に接続されると、二つの動作部２０２は並列接続された二つの導電経路を形成する。

前記少なくとも二つの動作部２０２は、電熱複合構造体１００を直接切断して形成された一体成形の構造体であり、或いは導電ゴムによって接着されて形成された構造体である。好ましくは、前記少なくとも二つの動作部２０２は一体成形の構造体である。更に、好ましくは、前記少なくとも二つの動作部２０２における柔軟性を有する高分子構造体１４０は一体構造体であり、前記少なくとも二つの動作部２０２におけるカーボンナノチューブペーパー１２０も一体構造体である。

各動作部２０２におけるカーボンナノチューブペーパーの電流方向での導電率が１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍであることを保証できれば、前記少なくとも二つの動作部２０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が電流方向と成す角度は４５°に限定されない。好ましくは、動作部２０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が電流方向と成す角度は４５°〜９０°である。更に、動作部２０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が電流方向と成す角度は８０°〜９０°であることも好ましくなり得る。

（実施例４）
図７を参照すると、本実施は電熱アクチュエータ３０を提供する。電熱アクチュエータ３０は、一つのストリップ状動作部３０２と、二つの電極３１２と、を含む。ストリップ状動作部３０２は、第一方向及び第二方向に沿って延伸して、

型の導電経路を形成する。第一方向は第二方向に対して垂直である。ストリップ状動作部３０２は、電熱複合構造体１００を直接切断して形成できる。二つの電極３１２は、ストリップ状動作部３０２の両端にそれぞれ設置され、且つストリップ状動作部３０２と電気的に接続されて、

型の導電経路に電流を印加することに用いられる。ストリップ状動作部３０２は、基本的に同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含み、この複数のカーボンナノチューブはその延伸方向において分子間力で端と端で接続されている。ストリップ状動作部３０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向は、例えば、第一方向及び第二方向と角度４５°を成す。これにより、ストリップ状動作部３０２におけるカーボンナノチューブペーパーの第一方向及び第二方向での導電率は１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍである。従って、電熱アクチュエータ３０に電流が流れると、第一方向に沿って延伸するストリップ状動作部３０２は第一方向に沿って湾曲でき、第二方向に沿って延伸するストリップ状動作部３０２は第二方向に沿って湾曲できる。

ストリップ状動作部３０２におけるカーボンナノチューブペーパーの第一方向及び第二方向での導電率が１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍであることを保証できれば、ストリップ状動作部３０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向は、第一方向及び第二方向と成す角度は４５°に限定されない。好ましくは、ストリップ状動作部３０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が第一方向及び第二方向と成す角度は４５°〜９０°である。更に、ストリップ状動作部３０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が第一方向及び第二方向と成す角度は８０°〜９０°である。

ストリップ状動作部３０２が第一方向及び第二方向に沿って延伸して形成する導電経路は、

型に限定されず、必要に応じて他の形状に形成してもよい。

（実施例５）
図８を参照すると、本実施は電熱アクチュエータ４０を提供する。電熱アクチュエータ４０は二つの動作部４０２と、一つの連接部４０４と、二つの電極４１２と、を含む。二つの動作部４０２は間隔をあけて平行に設置され、且つ連接部４０４によって互いに電気的に接続されて、コ字型の導電経路が形成される。更に、コ字型の導電経路は、電熱複合構造体１００を直接切断して形成された一体構造体でもよい。二つの電極４１２は、二つの動作部４０２における連接部４０４と連接されない端部に設置され、コ字型の導電経路に駆動電流を入力する。

各動作部４０２は、基本的に同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含み、この複数のカーボンナノチューブはその延伸方向において分子間力で端と端で接続されている。各動作部４０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向は、例えば、各動作部４０２における電流方向と角度９０°を成す。これにより、二つの動作部４０２におけるカーボンナノチューブペーパーの電流方向における導電率は約１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍである。連接部４０４は基本的に同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含み、この複数のカーボンナノチューブはその延伸方向において分子間力で端と端で接続されている。連接部４０４における複数のカーボンナノチューブの延伸方向は、例えば、連接部４０４における電流方向と角度０°を成す。これにより、連接部４０４におけるカーボンナノチューブペーパーの電流方向における導電率は６０００Ｓ／ｍより大きい。また、二つの動作部４０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向は、連接部４０４における複数のカーボンナノチューブの延伸方向と同じでも良い。

電熱アクチュエータ４０において、連接部４０４は、二つの動作部４０２を電気的に接続させることに用いられる。連接部４０４は、カーボンナノチューブペーパーの電流方向における導電率が６０００Ｓ／ｍ以上であるため、優れた導電性能をもち、電熱アクチュエータ４０は、比較的速い反応速度をもつ。また同時に、電熱アクチュエータ４０に電流が流れると、連接部４０４は、抵抗が小さいので湾曲しない。つまり、電熱アクチュエータ４０の作動方向は、二つの動作部４０２の作動方向に関係し、連接部４０４には関係しない。電極４１２によって電熱アクチュエータ４０に電流を印加する際、電極４１２が設置された動作部４０２の一端が固定されるので、連接部４０４と連接された動作部４０２の一端を、電極４１２が設置された動作部４０２の一端に向けて湾曲させて、コ字型の導電経路を有する電熱アクチュエータ４０を縦方向に作動させる。

各動作部４０２におけるカーボンナノチューブペーパーの電流方向での導電率が１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍであることを保証できれば、各動作部４０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が動作部４０２の電流方向と成す角度は本実施例の９０°に限定されない。好ましくは、各動作部４０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が動作部４０２の電流方向と成す角度は４５°〜９０°である。更に、好ましくは、動作部４０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が動作部４０２の電流方向と成す角度は８０°〜９０°である。

また、連接部４０４におけるカーボンナノチューブペーパーの電流方向での導電率が６０００Ｓ／ｍより大きいことを保証できれば、連接部４０４における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が連接部４０４における電流方向と成す角度は本実施例の０°に限定されない。好ましくは、連接部４０４における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が連接部４０４における電流方向と成す角度は０°〜４５°である。更に、好ましくは、連接部４０４における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が連接部４０４における電流方向と成す角度は０°〜１０°である。

少なくとも二つの動作部４０２が少なくも一つの連接部４０４によって相互に電気的に接続され、且つ各動作部４０２におけるカーボンナノチューブペーパーの電流方向での導電率が１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍであり、各連接部４０４におけるカーボンナノチューブペーパーの電流方向での導電率が６０００Ｓ／ｍより大きいことを保証できれば、電熱アクチュエータ４０は、二つの動作部４０２及び一つの連接部を含むことに限定されず、複数の動作部４０２及び複数の連接部４０４を含むことができる。また、電熱アクチュエータ４０の形状はコ字型の形状に制限されず、必要に応じて他の形状に形成されてもよい。

図９を参照すると、一つの例において、電熱アクチュエータ４０は、複数の動作部４０２と、複数の連接部４０４と、二つの電極４１２と、を含む。複数の動作部４０２は同じ方向に沿って延伸する。隣接する二つの動作部４０２は連接部４０４によって電気的に接続され、或いは、隣接する二つの動作部４０２は連接部４０４によって電極４１２と電気的に接続される。複数の動作部４０２及び複数の連接部４０４は共に導電経路を形成する。導電経路は第一方向及び第二方向を沿って延伸し、輪郭が略Ｔ字型の形状を呈する。第一方向は第二方向と垂直である。更に、輪郭が略Ｔ字型である導電経路は、電熱複合構造体１００を直接切断して形成された一体構造体でもよい。二つの電極４１２は、輪郭が略Ｔ字型である導電経路の両端にそれぞれ設置され、導電経路に電流を印加する。各動作部４０２におけるカーボンナノチューブペーパーは基本的に同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含み、この複数のカーボンナノチューブはその延伸方向において分子間力で端と端で接続されている。各動作部４０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が動作部４０２での電流方向と成す角度は、例えば、９０°である。各連接部４０４におけるカーボンナノチューブペーパーは基本的に同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含み、この複数のカーボンナノチューブはその延伸方向において分子間力で端と端で接続されている。各連接部４０４における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が連接部４０４での電流方向と成す角度は、例えば、０°である。動作部４０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向は、連接部４０４における複数のカーボンナノチューブの延伸方向と同じである。電極４１２によって、輪郭が略Ｔ字型である導電経路を有する電熱アクチュエータ４０に電流を印加すると、輪郭が略Ｔ字型である導電経路の“Ｔ”の“一”の部分の両端を同時に“一”の部分の中央部まで湾曲させる。つまり、電熱アクチュエータ４０を横方向に湾曲させて作動させることができる。複数の動作部４０２及び複数の連接部４０４は相互に連接して異なる形状の導電経路を有する電熱アクチュエータ４０を形成でき、電熱アクチュエータ４０を湾曲させて作動させて、異なる機能を実現することができる。

また、少なくとも二つの動作部４０２及び少なくとも一つの連接部４０４が一つの導電経路を形成することに制限されず、必要に応じて複数の導電経路を形成することができる。この際、複数の導電経路には複数の電極４１２が設置され、複数の導電経路が相互に並列接続され、或いは相互に直列接続される。図１０を参照すると、一つの例において、電熱アクチュエータ４０は、複数の動作部４０２及び複数の連接部４０４が相互に連接されて形成された二つの導電経路を含む。二つの導電経路には、間隔をあけて三つの電極４１２が設置されており、該三つの電極４１２によって、二つの導電経路に同時に電流を入力でき、二つの導電経路を並列接続させる。

少なくとも二つの動作部４０２は第一方向に沿って延伸し、少なくとも一つの連接部４０４は第二方向に沿って延伸し、且つ少なくとも二つの動作部４０２と少なくとも一つの連接部４０４とが電気的に接続されることによって、少なくとも一つの導電経路を形成することができる。各動作部４０２の第一方向における導電率は１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍであり、各連接部４０４の第二方向における導電率は６０００Ｓ／ｍより大きい。各動作部４０２における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が第一方向と成す角度は４５°〜９０°である。各連接部４０４における複数のカーボンナノチューブの延伸方向が第二方向と成す角度は０°〜４５°である。

（実施例６）
図１１を参照すると、本実施例は電熱アクチュエータの製造方法を提供する。電熱アクチュエータの製造方法は、カーボンナノチューブペーパーを提供するステップであって、該カーボンナノチューブペーパーは基本的に同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含み、複数のカーボンナノチューブの延伸する方向において、分子間力で長軸方向における端部同士が端と端で接続され、また、カーボンナノチューブペーパーの密度は０．５ｇ／ｃｍ^３〜１．２ｇ／ｃｍ^３であるステップ（Ｓ１）と、切断線に沿ってカーボンナノチューブペーパーを切断し、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーを形成するステップであって、少なくとも切断線の一部がカーボンナノチューブペーパーにおける複数のカーボンナノチューブの延伸方向と成す角度が４５°〜９０°であるステップ（Ｓ２）と、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーに少なくとも二つの電極を設置するステップ（Ｓ３）と、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーに柔軟性を有する高分子構造体を形成し、電熱アクチュエータを形成するステップであって、少なくともカーボンナノチューブペーパーの一部を柔軟性を有する高分子構造体の中に浸透させ、カーボンナノチューブペーパーと柔軟性を有する高分子構造体との厚さの比は１：１０〜１：７であり、また、柔軟性を有する高分子構造体の熱膨張係数は、カーボンナノチューブペーパーの熱膨張係数の１０倍以上であるステップ（Ｓ４）と、を含む。

ステップ（Ｓ１）において、カーボンナノチューブペーパーの製造方法は、ローラー及び押し出し装置を提供するステップであって、押し出し装置は、ローラーに対応する押し出し面を有し、該押し出し面は、ローラーの軸線と平行するステップ（Ｓ１１）と、カーボンナノチューブアレイを提供し、カーボンナノチューブアレイからカーボンナノチューブフィルム構造体を引き出し、カーボンナノチューブアレイから引き出したカーボンナノチューブフィルム構造体をローラーに固定させるステップ（Ｓ１２）と、ローラーを転がして、カーボンナノチューブフィルム構造体をローラーに巻き、ローラーを転がす工程において、押し出し装置の押し出し面がローラーに巻かれたカーボンナノチューブフィルム構造体を押し出すステップ（Ｓ１３）と、カーボンナノチューブフィルム構造体を所望の厚さまでローラーを転がして、カーボンナノチューブペーパーを獲得するステップ（Ｓ１４）と、を含む。また、押し出すカーボンナノチューブフィルムの層数を制御することによって、カーボンナノチューブペーパーの厚さ及び強度を制御できる。前記カーボンナノチューブペーパーの製造方法は特許文献１に掲示されている。

本実施例において、カーボンナノチューブペーパーの厚さは３０μｍ〜５０μｍである。カーボンナノチューブペーパーにおける複数のカーボンナノチューブの延伸方向での導電率は約３０００Ｓ／ｍであり、カーボンナノチューブペーパーにおける複数のカーボンナノチューブの延伸方向と垂直である方向での導電率は約３０００Ｓ／ｍである。

ステップ（Ｓ２）において、切断線を閉回路として、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーを導電経路に形成させることができる。また、カーボンナノチューブペーパーを切断する前に、必要に応じて、カーボンナノチューブペーパーのパターンをデザインできる。例えば、グラフィックスソフトウェアによって、カーボンナノチューブペーパーのパターンをＵ字型、Ｔ字型、十字型、他の規則的或いは不規則なパターンにデザインできる。また、カーボンナノチューブペーパーのパターンをデザインすることによって、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーを複雑に作動させて、異なる機能を実現できる。例えば、カーボンナノチューブペーパーのパターンを指の形状にデザインする。これにより、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーは簡単な手の動作を模倣できる。

切断線は第一方向及び第二方向に沿って延伸しており、第一方向は第二方向に対して垂直である。一つの例において、カーボンナノチューブペーパーにおける複数のカーボンナノチューブの延伸方向が、第一方向及び第二方向と成す角度は４５°である。これにより、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーの第一方向及び第二方向での導電率は１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍである。もう一つの例において、カーボンナノチューブペーパーにおける複数のカーボンナノチューブの延伸方向が第一方向と成す角度は９０°であり、カーボンナノチューブペーパーにおける複数のカーボンナノチューブの延伸方向が第二方向と成す角度は０°である。これにより、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーの第一方向での導電率は１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍであり、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーの第二方向での導電率は６０００Ｓ／ｍより大きい。

レーザーによって、切断線に沿ってパターン化されたカーボンナノチューブペーパーを切断する。この方法は、カーボンナノチューブペーパーを精確に切断でき、且つ加工効率が高いため、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーを大量生産できる。

ステップ（Ｓ３）において、導電接着剤によって、少なくとも二つの電極をパターン化されたカーボンナノチューブペーパーに設置し、少なくとも二つの電極によってパターン化されたカーボンナノチューブペーパーに電流を印加することができるようにする。導電接着剤は、少なくとも二つの電極及びパターン化されたカーボンナノチューブペーパーを電気的に接続させる。好ましくは、銀系導電性接着剤、金系導電性接着剤、銅系導電性接着剤、炭素系導電性接着剤の何れか一種又は多種である。本実施例において、導電接着剤は導電性銀ペーストである。

ステップ（Ｓ４）は、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーをモールドの中に設置するステップ（Ｓ４１）と、モールドの中に液体である高分子プレポリマーを注入して、この液体である高分子プレポリマーがパターン化されたカーボンナノチューブペーパーを被覆するステップ（Ｓ４２）と、液体である高分子プレポリマーを固化し、柔軟性を有する高分子構造体を形成し、パターン化されたカーボンナノチューブペーパー及び柔軟性を有する高分子構造体をモールドと分離するステップ（Ｓ４３）と、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーと重なっていない柔軟性を有する高分子構造体を除去するステップ（Ｓ４４）と、含む。

ステップ（Ｓ４１）を実施する前に、モールドの内表面に離型剤を塗ってもよい。これにより、ステップ（Ｓ４３）において、パターン化されたカーボンナノチューブペーパー及び柔軟性を有する高分子構造体をモールドから容易に分離できる。

ステップ（Ｓ４２）において、高分子プレポリマーは、シリコーンゴムプレポリマー、ポリメタクリル酸メチル樹脂プレポリマー、ポリウレタンプレポリマー、エポキシ樹脂、ポリアクリル酸エチルプレポリマー、ポリアクリル酸ブチルプレポリマー、ポリスチレンプレポリマー、ポリブタジエンプレポリマー、ポリアクリロニトリルプレポリマー、ポリアニリンプレポリマーなどの一種又は数種の混合物である。本実施例において、柔軟性を有する高分子プレポリマーは、シリコーンゴムプレポリマーである。

モールドにおいて、高分子プレポリマーは、モールドと接触しない側のパターン化されたカーボンナノチューブペーパーを完全に被覆する。パターン化されたカーボンナノチューブペーパーは、複数のカーボンナノチューブが分子間力で結合されて形成された構造体であるので、複数のカーボンナノチューブの間には複数の間隙がある。液体の高分子プレポリマーは、この複数のカーボンナノチューブの間の間隙から、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーに浸透できる。これにより、液体である高分子プレポリマーが固化された後、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーは、柔軟性を有する高分子構造体と緊密に結合することができる。従って、電熱アクチュエータが繰り返して使用されても、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーと柔軟性を有する高分子構造体との結合性は影響を受けない。

更に、液体である高分子プレポリマーを固化する前に、液体である高分子プレポリマーに対して脱泡処理を行ってもよい。脱泡の方法は真空脱泡でもよい。

ステップ（Ｓ４３）において、液体である高分子プレポリマーを固化する方法は加熱固化方法でもよい。液体である高分子プレポリマーを加熱固化した後、更に、柔軟性を有する高分子構造体を冷却するステップを設けてもよい。

柔軟性を有する高分子構造体の厚さは２７０μｍ〜４５０μｍである。柔軟性を有する高分子構造体の厚さが厚過ぎる場合、柔軟性を有する高分子構造体自身が大きな機械性能を有するので、熱が柔軟性を有する高分子構造体の全体に素早く伝導することに不利であり、且つ変形し難い。柔軟性を有する高分子構造体の厚さが薄過ぎる場合、熱膨張量が、材料の体積及び熱膨張係数と正比例するので、電熱複合構造体１００の変形量が減少する。

電熱複合構造体１００を素早く変形でき、且つその変形量を大きくさせるためには、好ましくは、カーボンナノチューブペーパーと柔軟性を有する高分子構造体との厚さの比は１：１０〜１：７である。本実施例において、カーボンナノチューブペーパーと柔軟性を有する高分子構造体との厚さの比は１：９である。

ステップ（Ｓ４４）において、パターン化されたカーボンナノチューブペーパーと重なっていない柔軟性を有する高分子構造体の部分を除去し、柔軟性を有する高分子構造体の形状をパターン化されたカーボンナノチューブペーパーの形状と同じにして、電熱アクチュエータを獲得する。

本実施例の電熱アクチュエータの製造方法は以下の効果を有する。電熱アクチュエータにおけるカーボンナノチューブペーパーの導電経路は、アクティブに、複雑に、及び機能的にデザインでき、カーボンナノチューブペーパーをパターン化して切断でき、また、切断して形成されたパターン化されたカーボンナノチューブペーパーに電極を設置して、複雑な電熱アクチュエータを形成できるため、異なる機能を実現できる。また、本実施例の電熱アクチュエータの製造方法は、簡単であり、生産率が高く、コストが低いため、電熱アクチュエータのデザイン及び大量生産に適する。

電熱複合構造体及び電熱アクチュエータは、生体工学の分野、例えば、人工筋肉、ロボット、義肢、花草魚虫等の模倣に利用できる。また、多機能的な作動器に関する分野、例えば、マクロレンズのピント合わせ、液体・気体などの流れを調節する弁、動態的な点字にも利用できる。

１０、２０、３０、４０ 電熱アクチュエータ
１００ 電熱複合構造体
１２０ カーボンナノチューブペーパー
１４０ 柔軟性を有する高分子構造体
１０２、２０２、３０２、４０２ 動作部
４０４ 連接部
１１２、２１２、３１２、４１２ 電極

Claims (2)

1. 少なくとも二つの動作部と、少なくとも二つの電極と、を含む電熱アクチュエータであって、
   各前記動作部は、柔軟性を有する高分子構造体及びカーボンナノチューブペーパーを含み、
   前記カーボンナノチューブペーパーは、前記柔軟性を有する高分子構造体の一つの表面に積層して設置され、
   前記カーボンナノチューブペーパーの少なくとも一部は、前記柔軟性を有する高分子構造体の中に浸透され、
   前記カーボンナノチューブペーパーと前記柔軟性を有する高分子構造体との厚さの比は１：１０〜１：７であり、
   前記カーボンナノチューブペーパーの密度は、０．５ｇ／ｃｍ^３〜１．２ｇ／ｃｍ^３であり、
   前記柔軟性を有する高分子構造体の熱膨張係数は、前記カーボンナノチューブペーパーの熱膨張係数の１０倍以上であり、
   少なくとも二つの前記動作部は相互に電気的に接続され、少なくとも一つの導電経路が形成され、
   少なくとも二つの前記電極は間隔をあけて設置され、且つ少なくとも二つの前記動作部における前記カーボンナノチューブペーパーと電気的に接続され、且つ少なくとも一つの前記導電経路に電流が印加されるように構成され、
   各前記動作部における前記カーボンナノチューブペーパーの電流方向での導電率は、１０００Ｓ／ｍ〜６０００Ｓ／ｍであることを特徴とする電熱アクチュエータ。
2. カーボンナノチューブペーパーにおけるカーボンナノチューブの延伸方向は、電流方向と角度を成し、前記角度は４５°〜９０°であることを特徴とする請求項１に記載の電熱アクチュエータ。

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