JP6102610B2 - イオン伝導性高分子アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、イオン伝導性高分子アクチュエータに関するものである。

アクチュエータ素子には、旋回運動をするロータリーアクチュエータや、直線的な運動をするリニアアクチュエータがある。これらの用途としては、方向や角度を調整する位置決め装置など種々の用途に用いられている。

アクチュエータにもさまざまな種類があるが、その中で、イオン伝導性高分子アクチュエータは低い電圧で大きな変位量を得ることができるので医療分野など多くの分野で注目されている。

従来のイオン伝導性高分子アクチュエータ素子では、イオン交換樹脂成形品と、イオン交換樹脂成形品の表面および裏面に対して相互に絶縁状態で挟むように形成された一対の電極とを備え、アクチュエータ素子として機能するイオン伝導性高分子アクチュエータ素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このものにおいて、イオン交換樹脂成形品が含水した状態において、一対の電極間に電圧が制御回路から印加される際に、一対の電極間の間に生じる電場に沿ってイオンが移動することにより、イオン交換樹脂成形品の裏表に伸縮差が生じる。これにより、イオン交換樹脂成形品が一対の電極とともに、屈曲することになる。

このようなイオン伝導性高分子アクチュエータは、軽量であってかつ柔軟であることから、カテーテル等の医療デバイスの導入部等として好適に用いられることが期待されている。また、イオン伝導性高分子アクチュエータは軽量でかつ構成が簡単であることから、種々の駆動装置や押圧装置としての応用が期待される。

特許第２９６１１２５号明細書

上述した、イオン交換樹脂成型品を用いたイオン伝導性高分子アクチュエータは、両面に電極を有する構造であり、制御回路から電極間に電圧が印加された際にイオン交換樹脂成型品の裏表の伸縮差が生じることで屈曲するため、その屈曲したイオン伝導性高分子アクチュエータの形状は、そのイオン伝導性高分子アクチュエータ固有の形状によって制限される。このため、イオン伝導性高分子アクチュエータを任意な形状に変形させることはできなかった。

例えば、イオン伝導性高分子アクチュエータのうちその厚み方向から視た形状が正方形に近い矩形である場合、イオン交換樹脂成型品のうち片側の電極側が面方向にわたって膨潤するため、イオン伝導性高分子アクチュエータは、球面の一部を形成するように屈曲するだけで、他の形状に変形させることができなかった。

本発明は上記点に鑑みて、任意な形状に変形させることができるイオン伝導性高分子アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、通電性を有する一対の電極層（３ａ、３ｂ）と、一対の電極層に挟持されて、かつイオン伝導性を有する部分（２１）およびイオン伝導性を有さない部分（２２）を備えている高分子膜（２）と、を備え、
イオン伝導性を有する部分とイオン伝導性を有さない部分とは、電極層の厚み方向から視てストライプを形成するように交互に並べられており、
イオン伝導性を有する部分は、厚み方向から視て短冊状に形成されており、イオン伝導性を有する部分のうち長手方向に直交する幅方向の寸法（ｍ１）は、５ミリメートル以下に設定されており、
一対の電極層の間に電圧が電源回路（４）から与えられることにより、一対の電極層の間に生じる電場によってイオン伝導性を有する部分のイオンが移動してイオン伝導性を有する部分が屈曲し、この屈曲に伴って一対の電極層およびイオン伝導性を有さない部分が変形するようになっていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、イオン伝導性を有する部分が屈曲し、この屈曲に伴って前記一対の電極層および前記イオン伝導性を有さない部分が変形するようになっている。したがって、イオン伝導性高分子アクチュエータを任意な形状に変形させることができる。

請求項１に記載の発明によれば、イオン伝導性を有する部分とイオン伝導性を有さない部分とが並ぶ方向（つまり、電極の面方向）にイオンが移動することが制限される。このため、当該イオン伝導性高分子アクチュエータの変位量を大きくしたり、変位速度を速くすることができる。

請求項２に記載の発明では、通電性を有する一対の電極層（３ａ、３ｂ）と、一対の電極層に挟持されて、かつイオン伝導性を有する部分（２１）およびイオン伝導性を有さない部分（２２）を備えている高分子膜（２）とを備え、イオン伝導性を有する部分とイオン伝導性を有さない部分とは、電極層の厚み方向から視て放射状を形成するように交互に並べられており、一対の電極層の間に電圧が電源回路（４）から与えられることにより、一対の電極層の間に生じる電場によってイオン伝導性を有する部分のイオンが移動してイオン伝導性を有する部分が屈曲し、この屈曲に伴って一対の電極層およびイオン伝導性を有さない部分が変形するようになっていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、イオン伝導性を有する部分が屈曲し、この屈曲に伴って前記一対の電極層および前記イオン伝導性を有さない部分が変形するようになっている。したがって、イオン伝導性高分子アクチュエータを任意な形状に変形させることができる。

請求項３に記載の発明では、高分子膜には、複数のイオン伝導性を有する部分が設けられており、複数のイオン伝導性を有する部分は、互いに異なる高分子有機材料を有している２つのイオン伝導性を有する部分を含んでいることを特徴とする。

したがって、互いに異なる高分子有機材料を有している２つのイオン伝導性を有する部分において、互いの変位量や変位速度を変えることが可能になる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態におけるイオン伝導性高分子アクチュエータの正面図である。 図１中II−II断面図である。 第１実施形態におけるイオン伝導性高分子アクチュエータの構成を示す図である。 イオン伝導性高分子アクチュエータの原理を示す図である。 第１実施形態の比較例におけるイオン伝導性高分子アクチュエータを示す図である。 第１実施形態の比較例におけるイオン伝導性高分子アクチュエータを示す図である。 第１実施形態におけるイオン伝導性高分子アクチュエータの正面図である。 第１実施形態におけるイオン伝導性高分子アクチュエータの正面図である。 本発明の第２実施形態におけるイオン伝導性高分子アクチュエータの正面図である。 本発明の第３実施形態におけるイオン伝導性高分子アクチュエータの正面図である。 第３実施形態におけるイオン伝導性高分子アクチュエータの正面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１〜図３の本発明に係るイオン伝導性高分子アクチュエータ１の第１実施形態を示す。

本実施形態のイオン伝導性高分子アクチュエータ１は、図１〜図３に示すように、高分子膜２、電極層３ａ、３ｂ、電源装置４、および制御装置５からなる。図１は説明の便宜上、電極層３ａを透視して高分子膜２を示している。

高分子膜２は、図１に示すように、複数のイオン伝導性を有する部分２１と複数のイオン伝導性を有さない部分２２とを備える。なお、図１の例では、４つのイオン伝導性を有する部分２１と３つのイオン伝導性を有さない部分２２とを備える高分子膜２を示している。

複数のイオン伝導性を有する部分２１と複数のイオン伝導性を有さない部分２２とは、電極層３ａ、３ｂの間で電極層３ａ、３ｂに沿って薄膜状に形成されている。複数のイオン伝導性を有する部分２１はそれぞれ短冊状に形成されている。複数のイオン伝導性を有さない部分２２はそれぞれ短冊状に形成されている。複数のイオン伝導性を有する部分２１と複数のイオン伝導性を有さない部分２２とは、電極層３ａ、３ｂの間の同一平面内でストライプを形成するように交互に並べられている。

電極層３ａ、３ｂは、高分子膜２を狭持する一対の電極層を構成するもので、それぞれ、導電性を有する金属薄膜からなる。電極層３ａ、３ｂは、高分子膜２の両面に、それぞれ、切れ目無く１枚のシートのように形成されている。

本実施形態では、電極層３ａ、３ｂの１つの辺の長さをｍとし、当該辺に直交する他の辺の長さをｎとすると、ｍ≒ｎとなり、電極層３ａ、３ｂは、その厚み方向から視て正方形に近い矩形に形成されている。すなわち、イオン伝導性高分子アクチュエータ１は、その厚み方向から視て正方形に近い矩形に形成されている。例えば、イオン伝導性を有する部分２１の幅方向寸法をｍ１とすると、３×ｍ１≦ｎ、かつｍ１≦５ミリメートルが成立するように高分子膜２が設定されている。

電源装置４は、電極層３ａ、３ｂの間に電圧を印加して電極層３ａ、３ｂの間に電場を形成する電源回路であって、電極層３ａ、３ｂの間に印加する電圧を変化可能に構成されている。制御装置５は、マイクロコンピュータ等から構成されて、電源装置４の出力電圧を制御する。

次に、本実施形態の高分子膜２、および電極層３ａ、３ｂを構成する材料について説明する。

まず、高分子膜２および電極層３ａ、３ｂとしては、高分子膜２に対して電極層３ａ、３ｂがそれぞれ接合されて、高分子膜２に対して電極層３ａ、３ｂが剥離することがないものが好ましい。

電極層３ａ、３ｂとしては、通電性（すなわち、電気伝導性）を有する層であれば特に限定されるものではない。電極層３ａ、３ｂは、高分子膜２にメッキを施すことにより簡単に電極層を形成することができることから、通電性の良い銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）などの電導性金属を主として含む金属電極層であることが好ましく、金、白金、パラジウム、及びロジウムからなる群より選ばれた、少なくとも１種以上の金属を含む金属電極層であることがより好ましい。

高分子膜２を構成するイオン伝導性を有する部分２１は、加工が容易であることからイオン交換樹脂を主として構成されていることが好ましい。本実施形態のイオン伝導性を有する部分２１は、電極層３ａ、３ｂの間に狭持されるイオン交換樹脂に電解液が充填されることにより構成されている。

前記イオン交換樹脂としては、特に限定されるものではなく、公知の樹脂を用いることができ、ポリエチレン、ポリスチレン、フッ素樹脂などにスルホン酸基、カルボキシル基などの親水性官能基を導入したものを用いることができる。

特に、剛性が適度でありイオン交換量が大きく、耐薬品性及び繰り返し曲げに対する耐久性が良好であるために、前記イオン交換樹脂として、フッ素樹脂にスルホン酸基及び／またはカルボキシル基を導入した陽イオン交換樹脂を用いることが好ましい。

このような樹脂としては、例えばパーフルオロスルホン酸樹脂（商品名「Ｎａｆｉｏｎ」、ＤｕＰｏｎｔ社製）、パーフルオロカルボン酸樹脂（商品名「フレミオン」、旭硝子社製）、ＡＣＩＰＬＥＸ（旭化成工業社製）、ＮＥＯＳＥＰＴＡ（トクヤマ社製）を用いることができる。

前記電解液としては、イオン性液体を含有することが好ましい。前記イオン性液体とは、常温溶融塩とも呼ばれるものであり、室温（２５℃程度）での蒸気圧がほとんどないため、イオン性液体の経時の蒸発等がなく、イオン伝導性高分子アクチュエータの変位量・変形量などの経時による変化が生じにくく、長期間の駆動に好適である。

上記イオン性液体は、特に限定なく、使用することができる。なかでも、上記イオン性液体が、テトラアルキルアンモニウムイオン、ジアルキルイミダゾリウムイオン、トリアルキルイミダゾリウムイオンなどのイミダゾリウムイオン、アルキルピリジニウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリウムイオン、ピロリニウムイオン、ピロリジニウムイオン、およびピペリジニウムイオンからなる群より少なくとも一種選ばれたカチオンと、ＰＦ６−、ＢＦ４−、ＡｌＣｌ４−、ＣｌＯ４−、および下記式（Ｉ）で示されるスルホニウムイミドアニオンからなる群より少なくとも一種選ばれたアニオンとの組合せからなる塩を含むことが好ましい。これらのイオン性液体は単独で使用してもよく、また２種以上を混合して使用してもよい。

（ＣｎＦ（２ｎ＋１）ＳＯ３）（ＣｍＦ（２ｍ＋１）ＳＯ２）Ｎ−・・・・（化学式１）
上記化学式１において、ｎおよびｍは任意の整数である。

上記テトラアルキルアンモニウムイオンとしては、たとえば、トリメチルプロピルアンモニウム、トリメチルヘキシルアンモニウム、テトラペンチルアンモニウムなどをあげることができる。

上記イミダゾリウムイオンとしては、たとえば、ジアルキルイミダゾリウムイオンおよび／またはトリアルキルイミダゾリウムイオンなどをあげることができる。より具体的には、上記イミダゾリウムイオンとしては、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−プロピル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−へキシル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１、３−ジメチルイミダゾリウムイオン、１−メチル−３−エチルイミダゾリウムイオン、１、２、３−トリメチルイミダゾリウムイオン、１、２−ジメチル−３−エチルイミダゾリウムイオン、１、２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウムイオン、１−ブチル−２、３−ジメチルイミダゾリウムイオンなどをあげることができる。

上記アルキルピリジニウムイオンとしては、たとえば、Ｎ−メチルピリジニウムイオン、Ｎ−エチルピリジニウムイオン、Ｎ−プロピルピリジニウムイオン、Ｎ−ブチルピリジニウムイオン、１−エチル−２−メチルピリジニウムイオン、１−ブチル−４−メチルピリジニウムイオン、１−ブチル−２、４−ジメチルビリジニウムイオンなどをあげることができる。

上記ピラゾリウムイオンとしては、たとえば、１、２−ジメチルピラゾリウムイオン、１−エチル−２−メチルピラゾリウムイオン、１−プロピル−２−メチルピラゾリウムイオン、１−ブチル−２−メチルピラゾリウムイオンなどをあげることができる。

上記ピロリウムイオンとしては、たとえば、１、１−ジメチルピロリウムイオン、１−エチル−１−メチルピロリウムイオン、１−メチル−１−プロピルピロリウムイオン、１−ブチル−１−メチルピロリウムイオンなどをあげることができる。

上記ピロリニウムイオンとしては、たとえば、１、２−ジメチルピロリニウムイオン、１−エチル−２−メチルピロリニウムイオン、１−プロピル−２−メチルピロリニウムイオン、１−ブチル−２−メチルピロリニウムイオンなどをあげることができる。

上記ピロリジニウムイオンとしては、たとえば、１、１−ジメチルピロリジニウムイオン、１−エチル−１−メチルピロリジニウムイオン、１−メチル−１−プロピルピロリジニウムイオン、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムイオンなどをあげることができる。

上記ピペリジニウムイオンとしては、たとえば、１、１−ジメチルピペリジニウムイオン、１−エチル−１−メチルピペリジニウムイオン、１−メチル−１−プロピルピペリジニウムイオン、１−ブチル−１−メチルピペリジニウムイオンなどをあげることができる。

上記イオン性液体は、上記アニオンと上記カチオンとの組み合わせが特に限定されるものではないが、たとえばN、N−ジエチル−N−メチル−N−（２−メトキシ）アンモニウムビス（トリフルオロメタンスルホニルイミド、N、N−ジエチル−N−メチル−N−（２−メトキシ）アンモニウムテトラフルオロボレート、１−メチル−３−エチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホイミド（ＥＭＩＴＦＳＩ）、１−メチル−３−イミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ４）、１−メチル−３−イミダゾリウムヘキサフルオロリン酸（ＥＭＩＰＦ６）、トリメチルプロピルアンモニウムトリフルオロメタンスルホイミド、１−へキシル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、１−へキシル−３−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロリン酸、１−へキシル−３−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホイミドなどを用いることができる。

例えば、より低温で動作させるためには、融点が低い１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（融点：−７１℃）というように、使用環境に応じてイオン性液体を選択すればよい。

また、前記イオン伝導性を有さない部分２２としては、イオン交換樹脂の代わりに高分子絶縁材料とすることが挙げられる。高分子絶縁材料とすることで、電解液を内部に充填することがないためにイオン伝導性を有さない。

上記高分子絶縁膜材料は、特に限定なく、使用することができる。例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）のようなアクリル樹脂やポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）、 や旭硝子のＣＹＴＯＰなどをあげることができる。また、イオン交換樹脂の中に電解液を浸み込ませる部分と浸み込ませない部分を作ることでイオン伝導性の有無を付与することも可能である。

次に、本実施形態のイオン伝導性高分子アクチュエータ１の製造方法について説明する。

まず、高分子膜２の作製方法としては、特に限定されるものではないが、以下の方法により得ることができる。

たとえば、インクジェット印刷法やスクリーン印刷法などの印刷方法により、イオン伝導性を有する樹脂とイオン伝導性を有さない樹脂とが交互に並ぶように基板上に印刷して、イオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない部分２２が交互に並ぶ高分子膜を基板上に形成する。この形成された高分子膜を基板から剥がす方法を用いることができる。

同様に、イオン導電性を有する樹脂とイオン導電性を有さない樹脂のそれぞれの、高粘度に調整された分散液を用いて、それらが交互に並ぶように型に流し込むことにより型内に高分子膜を形成し、この形成された高分子膜を型内から取り出す方法を用いることができる。

また、各種印刷法を用いて、疎水性となるような溶媒をイオン交換膜にパターニングすることにより、疎水性となった部分には、イオン伝導性高分子アクチュエータを駆動させるための高分子有機材料が浸み込むことができずに、イオン伝導性を有さない部分２２を形成することも可能である。

次に、このように形成される高分子膜に対して次の（１）〜（３）の工程の処理を複数サイクル（例えば、７サイクル）繰り返して実施することで、高分子膜（高分子電解質層）２と電極層（金属電極層）３ａ、３ｂとを接合した積層体を形成することができる
（１）吸着工程：高分子膜をフェナントリン金塩化物水溶液に２４時間浸漬し、成形品内にフェナントリン金錯体を高分子膜に吸着させ、（２）析出工程：亜硫酸ナトリウムを含む水溶液中で、吸着したフェナントリン金錯体を還元して、高分子膜の表面に金電極を形成させる。このとき、水溶液の温度を６０〜８０℃とし、亜硫酸ナトリウムを徐々に添加しながら、６時間フェナントリン金錯体の還元を行う。次いで、（３）洗浄工程：表面および裏面に金電極が形成した高分子膜を取り出し、７０℃の水で１時間洗浄する。これにより、高分子膜２の表面および裏面に金電極からなる電極層３ａ、３ｂが形成されているイオン伝導性高分子アクチュエータ１が完成する。

次に、本実施形態のイオン伝導性高分子アクチュエータ１の作動の説明に先だって、図４（ａ）、（ｂ）を用いてイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ａの動作原理を説明する。

図４（ａ）は、電圧印加前のイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ａの断面図であり、図４（ｂ）は、電圧印加後のイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ａの断面図である。

イオン伝導性高分子アクチュエータ１Ａは、高分子膜２ａの両面に電極層３ａ、３ｂが形成されている膜であり、その両面の電極層３ａ、３ｂに所定の電圧を印加すると高速に屈曲する。

詳細には、電極膜３ａ、３ｂに電源４Ａから電圧を印加して電極膜３ａ、３ｂの間に電場が形成された時に、高分子膜２ａ内を動くことができるプラスイオン６が電場によって負極電極側に引き寄せられることによって、高分子膜２ａのうち負極電極側（すなわち、電極膜３ｂ側）が膨潤することによって図４（ｂ）のように、イオン伝導性高分子アクチュエータ１Ａが屈曲する。つまり、イオン伝導性高分子アクチュエータ１Ａでは、電極膜３ａ側が凹になり、かつ電極膜３ｂ側が凸になる。

電極膜３ａ、３ｂの間に面方向亘って一様に電圧をかけた場合、屈曲後のアクチュエータ１Ａの曲率半径Ｒはほぼ一定となる。また、かけた電圧Ｖと曲率半径Ｒはおおむね反比例する関係にある。つまり、電圧Ｖを高くするほど屈曲の曲率半径Ｒは小さくなる。

図５、図６は、従来のイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂを示す図である。図５はイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂが細長い平板状の場合を示し、図５（ａ）は変形前のイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂの平面図、図５（ｂ）は変形後のイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂ平面図を示している。図６はイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂが正方形に近い矩形の場合を示し、図６（ａ）は変形前のイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂの平面図、図６（ｂ）は変形後のイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂの平面図である。

例えば、図５（ａ）に示すようにイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂの形状が細長い平板状の場合、両電極間に電圧を印加すると、高分子電解質層のうちプラスイオン６が寄った負電極側が長手方向にも短手方向にも（全方向に）膨潤し、全方向に同じ割合で屈曲しようとするが、長手方向の方が短手方向より変位量が大きいため、結果的に細長い平板状のイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂとしては長手方向が円弧を描くように屈曲する（図５（ｂ）参照）。

一方、図６（ａ）に示すように、イオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂのうちその厚み方向から視た形状が正方形に近い矩形である場合、同様にプラスイオン６が負極電極側に引き寄せられ、それによって高分子電解質層の負極電極側が面内で全方向に膨潤すると、図３（６）のように、球面の一部を形成するように屈曲する。

以上のように、従来の場合、イオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂの形状を決めると、その形状によって、変形後のイオン伝導性高分子アクチュエータ１Ｂの形状が制限されてしまう。

次に、本実施形態のイオン伝導性高分子アクチュエータ１の作動について図１、図３、図７、図８を用いて説明する。

図１のイオン伝導性高分子アクチュエータ１はその厚み方向から視た形状が例えば正方形に近い矩形であり（ｎ≒ｍ）、イオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない部分２２が電極層３ａ、３ｂの厚み方向から視てストライプを形成するように交互に並べられている。このため、イオン伝導性を有する部分２１毎にイオン伝導性を有する部分２１はその長手方向が円弧を描くように屈曲する。つまり、複数のイオン伝導性を有する部分２１の長手方向の両端部がそれぞれ近づくように屈曲する。この屈曲に伴って一対の電極層３ａ、３ｂおよび複数のイオン伝導性を有さない部分２２が変形するようになっている。したがって、１枚のイオン伝導性高分子アクチュエータ素子１としては曲がり方が、従来のイオン伝導性高分子アクチュエータ素子１Ｂと変わってくる。このため、これを用いてイオン伝導性高分子アクチュエータ素子１の形状を制御することができる。

詳細には、図１のイオン伝導性高分子アクチュエータ１は、イオン伝導性を有さない部分２２によって分離された短冊状のイオン伝導性を有する部分２１の集合体を構成し、それぞれのイオン伝導性を有する部分２１ごとに短冊の長手方向が円弧を描くように曲がるため、結果として図３のように１枚のイオン伝導性高分子アクチュエータ１を円筒状に屈曲させることができる。

この場合、屈曲後のイオン伝導性高分子アクチュエータ１の形状を正確に定まると共に、プラスイオン６が動くことができる領域（つまり、イオン伝導性を有する部分２１）がイオン伝導性を有さない領域２２によって制限される。このため、プラスイオン６が図１中の横方向に移動することを抑制することにより、イオン伝導性高分子アクチュエータ１の変位量・変位速度を大きくすることができる。図１中の横方向とは、イオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない領域２２とが並ぶ方向である。以下、説明の便宜上、図１中４つのイオン伝導性を有する部分２１を区別するために、４つのイオン伝導性を有する部分の符号を２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとし、イオン伝導性を有する部分２１ｂを代表例としてプラスイオン６の動作について説明する。

例えば、イオン伝導性を有する部分２１ｂ内には、電極３ａ、３ｂ間を真っ直ぐ往復するだけではなく、イオン伝導性を有する部分２１ａ、２１ｃ側の電場の影響を受け、イオン伝導性を有する部分２１ａ、２１ｃ側に動こうとするプラスイオン６が存在する。

そこで、本実施形態では、プラスイオン６が動くことができる領域を、イオン伝導性を有せない部分２２によって制限することによって、このことから、イオン伝導性高分子アクチュエータ１の変位量・変位速度を大きくできる。

また、高分子膜２の全体がイオン伝導性を有する部分で構成されて、電極３ａ、３ｂがストライプ状に形成されている場合には、電極３ａ、３ｂのうち陰極電極の近傍において、電極の幅方向よりも広い領域にプラスイオン６が集まる。つまり、陰極電極の近傍でのプラスイオン６のはみ出しが発生する。電極の幅方向とは、電極３ａ、３ｂが延出してストライプを形成する方向に直交する方向のことである。この場合、高分子膜２において、当該ストライプを形成する方向だけでなく、電極の幅方向においても円弧を描くように屈曲する。

そこで、本実施形態では、プラスイオン６が動くことができる領域を、イオン伝導性を有せない部分２２によって制限することによって、陰極電極の近傍でのプラスイオン６のはみ出しを抑えることができる。このことからも、イオン伝導性高分子アクチュエータ１の変位量・変位速度を大きくできる。

なお、イオン伝導性高分子アクチュエータ１のうち、イオン伝導性を有さない部分２２によって分離される短冊の領域（イオン伝導性を有する部分２１）サイズとしては、３ｍ１ ≦ｎ、ｍ１≦５ミリメートルである必要がある。切り離された短冊状の領域は長手方向（ｌ方向）が円弧を描くように屈曲する必要があり、そのためには長手方向の変位量を短手方向の変位より大きくする必要があり、３×ｍ１≦ｎである必要がある。また、ｍ１が５ミリメートルより大きくなった場合、ｍ１の長さ方向への変位が大きくなり、結果的に、分離された短冊の領域として見ても、球面の一部を形成するように屈曲してしまうため、ｍ１≦５ミリメートルである必要もある。

次に、図７、図８のように、イオン伝導性高分子アクチュエータ１のサイズは同じだが、イオン伝導性を有する部分２１と有さない部分の並ぶ方向が異なる場合について説明する。

図７（ａ）は長手方向に平行方向にイオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない部分２２が交互にストライプ状に並んでいる場合、図８（ｂ）はイオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない部分２２が交互にストライプ状に短手方向に平行方向に並んでいる場合である。

図７（ａ）、図８（ａ）のどちらの場合も、イオン伝導性を有する領域２１における長手方向が円弧を描くように屈曲する。つまり、イオン伝導性を有する領域２１は、その長手方向の両端部が近づくように屈曲する。このため、全体としては、図７（ｂ）と図８（ｂ）に示すように、互いに９０度異なった方向へ屈曲動作することになる。このように、イオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない部分２２との並び方を変えることで、屈曲方向を制御できる。

以上説明した本実施形態によれば、イオン伝導性を有する部分２１毎にイオン伝導性を有する部分２１が屈曲して、この屈曲に伴って一対の電極層３ａ、３ｂおよびイオン伝導性を有さない部分２２とともに変形することを特徴とする。したがって、イオン伝導性高分子アクチュエータ１を任意な形状に変形させることができる。

上記第１実施形態では、複数のイオン伝導性を有する部分２１が延出する方向（つまり、ストライプの形成方向）を一方向とした例について説明したが、これに代えて、複数のイオン伝導性を有する部分２１が延出する方向を同一のアクチュエータ１内で途中から９０°曲がるように形成してもよい。つまり、複数のイオン伝導性を有する部分２１がそれぞれＬの字に延出するように構成してもよい。これにより、複数のイオン伝導性を有する部分２１において延出する方向を変えた所から変位方向が９０°変わるようなイオン伝導性高分子アクチュエータ１を得ることができる。

本発明を実施する際、同じ方向にストライプが形成されている上記第１実施形態のイオン伝導性高分子アクチュエータ１を複数枚、積層して構成してもよい。この場合、複数枚のイオン伝導性高分子アクチュエータのうち電圧を印加するイオン伝導性高分子アクチュエータ１を選択することで、変位方向を任意に選ぶことができる。

（第２実施形態）
図９（ａ）、（ｂ）は本発明の第２実施形態のイオン伝導性高分子アクチュエータ１の正面図であり、図９（ａ）は電圧印加前のイオン伝導性高分子アクチュエータ１、図９（ｂ）は電圧印加後イオン伝導性高分子アクチュエータ１を示している。

本実施形態のイオン伝導性高分子アクチュエータ１は、図９（ａ）に示すように、イオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない部分２２を同一平面上に交互に放射状に設けられている。つまり、イオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない部分２２が電極層３ａ、３ｂの厚み方向から視て放射状を形成するように交互に並べられている。本実施形態のイオン伝導性を有さない部分２２は電極層３ａ、３ｂの厚み方向から視て二等辺三角形を構成する。

この場合、イオン伝導性高分子アクチュエータ１は、イオン伝導性を有さない部分２２によって分離された細長い扇形のイオン伝導性を有する部分２１の集まりを構成することになり、それぞれのイオン伝導性を有する部分２１ごとに扇形の長さ方向が円弧を描くように曲がる。これにより、イオン伝導性高分子アクチュエータ１は、球の一部のような形状に変形する。扇形の長さ方向とは、図９中の面方向中心部０と角部Ｋとを結ぶｙ方向のことである。

この場合、上記第１実施形態と同様に、プラスイオン６が動くことができる領域（つまり、イオン伝導性を有する部分２１）がイオン伝導性を有さない領域２２によって制限される。このため、イオン伝導性高分子アクチュエータ１において、変形量と変形速度を大きくできる。

イオン伝導性高分子アクチュエータ１のうちイオン伝導性を有さない部分２２によって分離された細長い扇形のサイズ（つまり、イオン伝導性を有する部分２１のサイズ）としては、扇形の長さ方向（図９（ａ）中面方向中心０と角部Ｋとを結ぶ方向）の長さをＬｙとし、扇形の長さ方向に直交する方向（図９（ｂ）Ｔ１とＴ２とを結ぶ方向）の長さをＬｘとすると、上記第１実施形態と同様の理由により、３×Ｌｘ≦Ｌｙ、Ｌｘ≦５ミリメートルである必要がある。なお、Ｔ１、Ｔ２は、イオン伝導性を有さない部分２２の底辺の両端部を示す。

（第３実施形態）
図１０、図１１は本発明の第３の実施形態のイオン伝導性高分子アクチュエータを示す図である。

本実施形態では、図１（または図９）のイオン伝導性高分子アクチュエータ１では、互いに異なる高分子有機材料を有する２つのイオン伝導性を有する部分２１を少なくとも含むように構成されている。このため、電極層３ａ、３ｂの間に電源回路４から電圧が印加された際に、高分子膜２のうちイオン伝導性を有さない部分２２によって切り離された短冊（または扇形）のそれぞれの高分子有機材料（すなわち、イオン伝導性を有する部分２１）ごとに変位量が異なるため、同一平面上で部分的に変形量を変化させることができる。すなわち、イオン伝導性高分子アクチュエータ１として、任意の形状を得ることができる。

例えば、イオン伝導性を有する部分２１をストライプ状に並べた場合、イオン伝導性を有する部分２１に含まれる高分子有機材料を、片側（Ｃ側）から逆側（Ｄ側）に行くにつれて変位量が大きくなるように並べることにより、Ｃ側からＤ側に行くにつれて曲率半径が徐々に小さくなっていくような形状（図１０（ｂ））を得ることができる。図１０（ｂ）では、４つのイオン伝導性を有する部分２１としては、それぞれ異なる高分子有機材料を有する例を示している。

同様に、図１１（ａ）のようにイオン伝導性を有する部分２１を放射状に並べた場合は図１１（ｂ）のようにＣ側からＤ側に行くにつれて曲率半径が徐々に小さくなっていくような形状を得ることができる。つまり、図１１中の４つのイオン伝導性を有する部分２１を区別してイオン伝導性を有する部分２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとすると、２１ａ→２１ｂ（２１ｃ）→２１ｄの順に曲率半径が徐々に小さくなっていくような形状（図１１（ｂ））を得ることができる。図１１（ｂ）において、イオン伝導性を有する部分２１ａ、２１ｃ、２１ｄが、それぞれ相違する高分子有機材料を有し、かつイオン伝導性を有する部分２１ｂ、２１ｃが同一の高分子有機材料を有している例を示している。

ここで、イオン伝導性高分子アクチュエータ１を駆動させるための高分子有機材料の種類によって、変位の速度も変えることができるため、動物の筋肉のような複雑な動きにも対応できる。つまり、人工筋肉や生物模倣ロボットへの応用ができる。

たとえば、下記の非特許文献１に記載されているようなイオン液体を、それぞれの分割されたイオン交換樹脂に充填させることによって、変位量または変位速度を変化させることができ、任意の形状を得ることができる。

非特許文献１としては、「K.Kikuchi , JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 106, 053519 (2009)」が挙げられる。

イオン伝導性を有さない部分２２によって切り離された短冊または扇形それぞれの高分子有機材料ごとに変位量・変位速度を変える方法としては、少なくとも２種類以上の、イオン伝導性高分子アクチュエータ１を駆動させるための高分子有機材料にする方法の他に、イオン伝導性高分子アクチュエータ１を駆動させるための高分子有機材料の濃度を変更することでも可能である。

濃度を変更する方法としては、イオン伝導性高分子アクチュエータ１を駆動させるための高分子有機材料と、水または有機溶媒を混合し、その割合を変更することで可能である。イオン伝導性高分子アクチュエータを駆動させるための高分子有機材料の濃度が高いほど、変位量・変位速度は大きくなる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、厚み方向から視て正方形に近い矩形に形成されているイオン伝導性高分子アクチュエータ１（図１、図２参照）を用いて説明した例について説明したが、本発明のイオン伝導性高分子アクチュエータ１としては、その厚み方向から視た形状が正方形や長方形などの各種の形状であるものを用いてもよいことは云うまでもない。

上記第２実施形態では、イオン伝導性を有さない部分２２としては、電極層３ａ、３ｂから視た形状が二等辺三角形であるものを用いた例について説明したが、これに代えて、イオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない部分２２とを放射状を形成するように並べるのであれば、イオン伝導性を有さない部分２２としては、電極層３ａ、３ｂから視た形状が二等辺三角形以外の形状になっているものを用いてもよい。

上記第１〜第３実施形態では、プラスイオン６が電場に応じて移動するイオン伝導性高分子アクチュエータ１について説明したが、これに代えて、マイナスイオンが電場に応じて移動するイオン伝導性高分子アクチュエータ１を用いて本発明を構成してもよい。

上記第１、第３実施形態では、イオン伝導性を有する部分２１を４つ用いてイオン伝導性高分子アクチュエータ１を構成した例について説明したが、これに代えて、次のようにしても良い。すなわち、イオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない部分２２とが、電極層３ａ、３ｂの厚み方向から視てストライプを形成するように交互に並べてイオン伝導性高分子アクチュエータ１を構成するのであれば、イオン伝導性を有する部分２１の個数を１つ、２つ、３つ、或いは５つ以上であってもよい。

上記第２、第３実施形態では、イオン伝導性を有する部分２１を４つ用いてイオン伝導性高分子アクチュエータ１を構成した例について説明したが、これに代えて、次のようにしても良い。すなわち、イオン伝導性を有する部分２１とイオン伝導性を有さない部分２２とが、電極層３ａ、３ｂの厚み方向から視てス放射状を形成するように交互に並べてイオン伝導性高分子アクチュエータ１を構成するのであれば、イオン伝導性を有する部分２１の個数を１つ、２つ、３つ、或いは５つ以上であってもよい。

なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

『産業上の利用可能性』
本願発明のイオン伝導性高分子アクチュエータは、イオン伝導性を有する部分２１と有さない部分の並べ方により変位方向を任意に決定することができる。前記アクチュエータは、任意の形状を得ることが可能であることに加えて、変位の速度も変えることができるため、動物の筋肉のような複雑な動きにも対応できることから、心臓、膀胱、胆嚢、胃、肺、腸、口腔、横隔膜など、これらを含む臓器の人工品である人工臓器としてや、人工筋肉や生物模倣ロボットへ好適に用いることができる。また、本願発明は、１枚のイオン伝導性高分子アクチュエータ上を切れ目なく金属膜が形成されたイオン伝導性高分子アクチュエータ１であって、たとえば前記電極層をミラー面にすることで、形状を任意に可変できるミラーのような用途として用いることができ、実用的用途に用いることができる。

１ イオン伝導性高分子アクチュエータ
２ 高分子電解質層
３ａ、３ｂ 電極層
４ 電源装置
５ 制御装置
２１ イオン伝導性を有する部分
２２ イオン伝導性を有さない部分

Claims (3)

1. 通電性を有する一対の電極層（３ａ、３ｂ）と、前記一対の電極層に挟持されて、かつイオン伝導性を有する部分（２１）および前記イオン伝導性を有さない部分（２２）を備えている高分子膜（２）と、を備え、
   前記イオン伝導性を有する部分と前記イオン伝導性を有さない部分とは、前記電極層の厚み方向から視てストライプを形成するように交互に並べられており、
   前記イオン伝導性を有する部分は、前記厚み方向から視て短冊状に形成されており、前記イオン伝導性を有する部分のうち長手方向に直交する幅方向の寸法（ｍ１）は、５ミリメートル以下に設定されており、
   前記一対の電極層の間に電圧が電源回路（４）から与えられることにより、前記一対の電極層の間に生じる電場によって前記イオン伝導性を有する部分のイオンが移動して前記イオン伝導性を有する部分が屈曲し、この屈曲に伴って前記一対の電極層および前記イオン伝導性を有さない部分が変形するようになっていることを特徴とするイオン伝導性高分子アクチュエータ。
2. 通電性を有する一対の電極層（３ａ、３ｂ）と、前記一対の電極層に挟持されて、かつイオン伝導性を有する部分（２１）および前記イオン伝導性を有さない部分（２２）を備えている高分子膜（２）とを備え、
   前記イオン伝導性を有する部分と前記イオン伝導性を有さない部分とは、前記電極層の厚み方向から視て放射状を形成するように交互に並べられており、
   前記一対の電極層の間に電圧が電源回路（４）から与えられることにより、前記一対の電極層の間に生じる電場によって前記イオン伝導性を有する部分のイオンが移動して前記イオン伝導性を有する部分が屈曲し、この屈曲に伴って前記一対の電極層および前記イオン伝導性を有さない部分が変形するようになっていることを特徴とするイオン伝導性高分子アクチュエータ。
3. 前記高分子膜には、複数の前記イオン伝導性を有する部分が設けられており、
   前記複数のイオン伝導性を有する部分は、互いに異なる高分子有機材料を有している２つの前記イオン伝導性を有する部分を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン伝導性高分子アクチュエータ。

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