JP6766478B2 - 高分子アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高分子アクチュエータおよびその製造方法に関するものである。

従来、ポリマーおよびイオン液体を含む電解質層と、電解質層を挟んで互いに対向する２つの電極層とを備える高分子アクチュエータが提案されている。２つの電極層の間に電位差が発生すると、イオン液体に含まれる陽イオンがマイナス側の電極層に移動し、陰イオンがプラス側の電極層に移動する。そして、各電極層は、入り込んだイオンの量に応じて膨張する。これにより、高分子アクチュエータが変形させられる。

このような高分子アクチュエータの製造方法としては、例えば特許文献１に記載のように、電解質層に相当するイオン伝導層を電極層に相当する導電層で挟み、ホットプレスを行う方法が挙げられる。

特開２０１０−１５８１０３号公報

高分子アクチュエータの構成要素がいくつかの条件を満たすとき、陽イオンと陰イオンの両方がマイナス側の電極層に移動する電気浸透流が発生し、これにより、高分子アクチュエータの特性が向上する。

しかしながら、特許文献１に記載のようにホットプレスを行うと、電解質層に含まれるポリマーが熱により劣化して、電気浸透流の発生のための条件を満たさなくなる。したがって、電気浸透流を発生させて高分子アクチュエータの特性を向上させるためには、ポリマーの劣化を抑制できる高分子アクチュエータの製造方法が必要である。

本発明は上記点に鑑みて、ポリマーの劣化を抑制できる高分子アクチュエータおよびその製造方法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、イオン液体（１４ｂ）とポリマー（１４ａ）との混合体（１４）を有する電解質層（１３）と、電解質層における一面側に配置され、混合体に金属微粒子（１１ａ）を含有させた第１電極層（１１）と、電解質層における一面の反対側となる他面側に配置され、混合体に金属微粒子（１２ａ）を含有させた第２電極層（１２）と、を備え、ポリマーの表面は、負に帯電しており、電解質層におけるイオン液体の体積占有率は、４０％以上９０％以下であり、第１電極層および第２電極層のうち少なくとも一方は、金属微粒子の濃度がパーコレーション閾値以上である密の領域（１１１、１２１）と、金属微粒子の濃度がパーコレーション閾値未満である疎の領域（１１２、１２２）とを備え、電解質層は、密の領域および疎の領域に接している。

このように、ポリマーの表面を負に帯電させ、電解質層におけるイオン液体の体積占有率を４０％以上とすることで、電気浸透流を発生させ、高分子アクチュエータの特性を向上させることができる。

なお、上記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の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる高分子アクチュエータの断面図である。 図１中の領域Ｒの拡大断面模式図である。 電解質層の拡大図である。 高分子アクチュエータの動作を示す説明図である。 高分子アクチュエータに流れる電流と変位量との関係を示すグラフである。 高分子アクチュエータに流れる電流と変位量との関係を示すグラフである。 測定装置の平面図である。 図７のVIII−VIII断面図である。 電解質層の厚みと変位量、発生力との関係を示すグラフである。 電極層のヤング率と変位量、発生力との関係を示すグラフである。 イオン液体の体積占有率と変位量、発生力との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかる高分子アクチュエータの断面図である。 高分子アクチュエータの製造方法を示す断面図である。 高分子アクチュエータの製造方法を示す断面図である。

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、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる高分子アクチュエータについて説明する。

図１に示すように、本実施形態にかかる高分子アクチュエータ１０は、第１電極層１１と、第２電極層１２と、電解質層１３とを備えている。高分子アクチュエータ１０は、例えば一面およびその反対面となる他面を有する板状もしくは短冊状に構成されており、一面側に第１電極層１１が構成され、他面側に第２電極層が構成されている。そして、第１電極層１１と第２電極層１２との間に所望の電位差を発生させることで使用される。

図２に示すように、第１電極層１１および第２電極層１２は、金属微粒子１１ａ、１２ａが集まって構成されている。具体的には、第１電極層１１および第２電極層１２は、それぞれ、後述するポリマー１４ａとイオン液体１４ｂとの混合体１４中に、金属微粒子１１ａ、１２ａを混合することで構成されている。

金属微粒子１１ａ、１２ａは、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ルビジウム（Ｒｂ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、バリウム（Ｂａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、ネオジム（Ｎｄ）などの金属やこれらの金属の合金で構成されている。なお、金属微粒子１１ａ、１２ａは、導電性があれば、金属酸化物や金属窒化物、金属硫化物、金属ホウ化物、金属炭化物、金属ヨウ化物、金属弗化物などの金属化合物で構成されていてもよいし、樹脂に上記の金属やその合金、導電性のある金属化合物をコーティングした粒子であってもよい。

図２に示すように、金属微粒子１１ａ、１２ａは、周囲が樹脂層１１ｂ、１２ｂによってコーティングされている。樹脂層１１ｂ、１２ｂは、例えばポリビニルピロリドンなどの樹脂材料で構成されている。金属微粒子１１ａ、１２ａが樹脂層１１ｂ、１２ｂでコーティングされているため、金属微粒子１１ａ、１２ａは、凝集することなく、単に互いに近接して集まっている。なお、樹脂層１１ｂ、１２ｂは、金属微粒子１１ａ、１２ａを完全には覆っておらず、金属微粒子１１ａ、１２ａの電極の構成材料としての機能は維持されている。

また、図２に示すように、第１電極層１１および第２電極層１２には、金属微粒子１１ａ、１２ａに加えて、添加剤１１ｃ、１２ｃが添加されている。添加剤１１ｃ、１２ｃは、本実施形態では、モンモリロナイトで構成されている。添加剤１１ｃ、１２ｃを添加することにより、高分子アクチュエータ１０の発生力を変えることなく、第１電極層１１および第２電極層１２のヤング率を高めることが可能となる。こうすることで、高分子アクチュエータ１０に電圧が印加されていないときの剛性を高めることができる。

前述したように、金属微粒子１１ａ、１２ａは、互いに単に近接した状態で配置されている。このため、金属微粒子１１ａ、１２ａの間の隙間に混合体１４が形成され、この混合体１４中に後述するイオン液体１４ｂが入り込める状態となっている。

なお、金属微粒子１１ａ、１２ａの粒径については任意であるが、高分子アクチュエータ１０の変位量や発生力をより大きくするためには、イオン液体１４ｂがより多く入り込めるように、金属微粒子１１ａ、１２ａの粒径が１μｍ以下であることが好ましい。また、第１電極層１１および第２電極層１２が構成する電極の厚みを効果的に厚くできるように、金属微粒子１１ａ、１２ａの粒径を２０ｎｍ以上にすると好ましい。一方で、より面積の大きい高分子アクチュエータ１０を利用するためには、金属微粒子１１ａ、１２ａの粒径を０．１〜１００μｍにして、第１電極層１１および第２電極層１２の抵抗値を小さくするとともに、ヤング率を大きくすることが好ましい。金属微粒子１１ａ、１２ａの粒径が１００μｍよりも大きくなると、第１電極層１１、第２電極層１２の膜厚と同程度になり、１層の金属微粒子層で電極を形成することになるため、繰返し動作時の信頼性が低下してしまう。

図３に示すように、電解質層１３は、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４中に添加剤１３ａが含まれた構成とされている。ポリマー１４ａは、イオン液体１４ｂの移動を可能とする媒体であり、表面が負に帯電している。

ポリマー１４ａは、例えば、ポリテトラフルオロエチレンパーフルオロスルホン酸（ナフィオン（登録商標））、ポリビリニデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリマーで構成される。

これらのうち、ナフィオンはＳＯ^３−を含むため表面が負に帯電している。一方、ＰＶＤＦ、ＰＭＭＡは負に帯電していないが、ポリマー１４ａをＰＶＤＦ、ＰＭＭＡで構成した場合にも、ナフィオンのＳＯ^３−に相当する構成をポリマー１４ａに加えることにより、ポリマー１４ａの表面を負に帯電させることができる。

イオン液体１４ｂは、高分子アクチュエータ１０の駆動に用いられる物質であり、第１電極層１１と第２電極層１２との間に電位差が発生したときにポリマー１４ａと添加剤１３ａとの間の隙間を移動する移動媒体である。本実施形態では、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率は、４０％以上７０％以下とされている。

イオン液体１４ｂとしては、例えば、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアン酸を用いることができる。このようなイオン液体１４ｂは、混合体１４中においてイオン分解された状態で存在し、化学式１で示されるような１−エチル−３−メチルイミダゾリウムにて構成される陽イオンと、化学式２で示されるようなチオシアン酸にて構成される陰イオンとなっている。本実施形態では、イオン液体として１−エチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアン酸を挙げたが、揮発することがない液体であれば材質は問わない。

添加剤１３ａは、等電点が７以下の絶縁物であり、本実施形態では、シリカにより構成されている。シリカの等電点は４程度であり、イオン液体１４ｂはｐＨが７程度であるため、添加剤１３ａは、電解質層１３において負に帯電している。また、添加剤１３ａは、直径が１μｍ以上かつ電解質層１３の厚み以下とされている。

添加剤１３ａは、イオン液体１４ｂが移動する経路壁面の負の帯電量を増加させて、後述する電気浸透流を促進する役割を果たすとともに、第１電極層１１と第２電極層１２との間の絶縁を保つ役割を果たす。なお、添加剤１３ａを、等電点がイオン液体１４ｂのｐＨ以下の他の絶縁物で構成してもよい。

ポリマー１４ａと添加剤１３ａとの間には隙間が存在しているため、イオン液体１４ｂは、ポリマー１４ａと添加剤１３ａとの間の隙間を移動経路として移動することが可能となっている。

このように構成される高分子アクチュエータ１０は、例えば次のようにして製造される。

まず、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４に金属微粒子１１ａを混合した液体を平坦面の上にキャストし、平坦な膜状となるようにする。そして、例えば６０℃程度の温度で溶媒を揮発させる。これにより第１電極層１１が形成される。

次に、第１電極層１１の上に、混合体１４を含む液体をキャストし、平坦な膜状となるようにする。本実施形態では、第１電極層１１の上に、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４中に添加剤１３ａを混合した液体をキャストする。そして、例えば６０℃程度の温度で、第１電極層１１の上にキャストされた液体の溶媒を揮発させる。これにより、第１電極層１１と電解質層１３が積層された構造が形成される。

このとき、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率が４０％以上７０％以下となるように、混合するイオン液体１４ｂの量を調整する。また、ポリマー１４ａと添加剤１３ａとの間にイオン液体１４ｂの移動経路を形成するために、第１電極層１１の上にキャストされた液体を攪拌する。このとき、超音波分散機を用いた攪拌や、長時間の攪拌を行わず、例えば回転式の攪拌機を用いた５分程度の攪拌にとどめ、添加剤１３ａとイオン液体１４ｂとが、例えば顕微鏡観察で識別できる程度に分けられた状態を保つ。

さらに、電解質層１３の上に、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４に金属微粒子１２ａを混合した液体をキャストし、平坦な膜状となるようにする。そして、例えば６０℃程度の温度で、電解質層１３の上にキャストされた液体の溶媒を揮発させる。これにより、第１電極層１１と電解質層１３の上に第２電極層１２が積層された構造が形成される。このようにして、本実施形態にかかる高分子アクチュエータ１０が製造される。

続いて、本実施形態の高分子アクチュエータ１０の動作について説明する。

図４に示すように、第１電極層１１および第２電極層１２に対して電圧を印加していない状態においては、高分子アクチュエータ１０は変形することなく平坦な状態となる。

そして、第１電極層１１に対して正電圧を印加すると共に第２電極層１２を接地電位にすると、ポリマー１４ａと添加剤１３ａとの間の隙間を移動経路としてイオン液体１４ｂがマイナス側、すなわち第２電極層１２側に移動して、金属微粒子１２ａの間に入り込む。

イオン液体１４ｂが入り込んだ分、金属微粒子１２ａの間が広がって第２電極層１２が膨張するため、第２電極１２側が凸形状、第１電極１１側が凹形状となるように高分子アクチュエータ１０が変形する。なお、後述するように、本実施形態では電気浸透流が発生し、陽イオンおよび陰イオンが第２電極層１２に向かって移動する。

同様に、第２電極層１２に対して正電圧を印加すると共に第１電極層１１を接地電位にすると、ポリマー１４ａと添加剤１３ａとの間の隙間を移動経路としてイオン液体１４ｂがマイナス側、すなわち第１電極層１１側に移動して、金属微粒子１１ａの間に入り込む。

イオン液体１４ｂが入り込んだ分、金属微粒子１１ａの間が広がって第１電極層１１が膨張するため、第１電極１１側が凸形状、第２電極１２側が凹形状となるように高分子アクチュエータ１０が変形する。

このような動作において、高分子アクチュエータ１０の変形量および発生力は、電気浸透流が発生するか否かにより大きく変化する。電気浸透流は、陽イオンおよび陰イオンがマイナス側の電極層に向かって移動する流れである。

電気浸透流が発生しない場合、イオン液体１４ｂのうち陽イオンのみがマイナス側の電極層に移動し、陰イオンはプラス側の電極層に移動する。そして、マイナス側の電極層は、マイナス側の電極層に入り込んだ陽イオンの量に応じて膨張し、プラス側の電極層は、プラス側の電極層に入り込んだ陰イオンの量に応じて膨張する。

したがって、高分子アクチュエータ１０は、２つの電極層のうち、変形量が大きい方が凸形状となるように変形するが、高分子アクチュエータ１０の変形は、変形量が小さい方の電極層の膨張によって妨げられる。

例えば、マイナス側の電極層の変形量がプラス側の電極層の変形量よりも大きい場合、マイナス側の電極層の膨張による高分子アクチュエータ１０の変形は、プラス側の電極層の膨張によって妨げられる。同様に、プラス側の電極層の変形量がマイナス側の電極層の変形量よりも大きい場合、プラス側の電極層の膨張による高分子アクチュエータ１０の変形は、マイナス側の電極層の膨張によって妨げられる。

これに対し、電気浸透流が発生する場合、陽イオンおよび陰イオンがマイナス側の電極層に向かって移動する。そして、マイナス側の電極層は、マイナス側の電極層に入り込んだイオン液体１４ｂの量に応じて膨張し、プラス側の電極層はほとんど膨張しない。したがって、マイナス側の電極層の膨張による高分子アクチュエータ１０の変形がプラス側の電極層の膨張によって妨げられることが抑制され、高分子アクチュエータ１０の変形量および発生力の低下が抑制される。

また、陽イオンがマイナス側の電極層に移動し、陰イオンがプラス側の電極層に移動する電気泳動では、イオン移動による電流が発生する。したがって、図５に示すように、電気泳動による変位量が大きくなるにつれて電流値も大きくなるので、変位量を大きくするためには高分子アクチュエータ１０の消費電力を大きくする必要がある。

これに対し電気浸透流では、イオンの流れは電界によって生じるので、電流はほとんど発生しない。電気浸透流と共に電気泳動や経路側面の電荷の移動が発生する場合には、電流が発生し、変位量が低下している。その結果、図６に示すように、変位量が大きくなるにつれて電流値が小さくなる。したがって、高分子アクチュエータ１０の製造プロセスを調整することにより、変位量を大きくするとともに消費電力を少なくすることが可能となり、高分子アクチュエータ１０のアプリケーション適用上の利点が増す。

なお、図５、図６は、製造プロセスの詳細な条件を様々に変化させて複数の高分子アクチュエータ１０を製造し、製造した各高分子アクチュエータ１０について、図７、図８に示す装置を用いて調べた電流値と変位量との関係を示すグラフである。

図７、図８に示す装置では、高分子アクチュエータ１０の長手方向の両端部のうち、一方の端部が厚み方向の両側から２つの押さえ板２０で挟まれ、固定されている。そして、この押さえ板２０を介して第１電極層１１と第２電極層１２との間に直流電圧が印加されるようになっている。また、高分子アクチュエータ１０のうち、押さえ板２０で挟まれていない部分は、厚み方向に変位可能とされている。

高分子アクチュエータ１０のうち押さえ板２０とは反対側にある先端部の厚み方向の変位量をδとする。また、高分子アクチュエータ１０のうち厚み方向に変位可能とされた部分の長さをＬとする。また、高分子アクチュエータ１０の幅をＷとする。高分子アクチュエータ１０のうち押さえ板２０に挟まれた部分の長さは５ｍｍとされており、長さＬは１０ｍｍとされており、幅Ｗは２ｍｍとされている。

図５、図６のグラフの横軸は、第１電極層１１と第２電極層１２との間に３Ｖの直流電圧を印加したときの電圧印加直後に２つの電極層の間に流れた電流の大きさであり、縦軸は、高分子アクチュエータ１０の先端部の変位量δである。

また、高分子アクチュエータ１０を電気泳動で動作させる場合、電解質層１３の厚みを薄くすると、高分子アクチュエータ１０の剛性が低くなるため、変位量は大きくなるが、発生力は小さくなる。

高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させる場合、電解質層１３の厚みを薄くすると、電気泳動の場合と同様に高分子アクチュエータ１０の剛性が低くなり、発生力が小さくなるとともに変位量が大きくなる効果が働く。一方、電解質層１３の厚みを薄くすると、第１電極層１１と第２電極層１２との間の電界強度が大きくなるため、電気浸透流が大きくなり、各電極層の膨張圧も大きくなる。これにより、変位量と発生力が共に大きくなる効果が働く。

高分子アクチュエータ１０の剛性の低下による発生力の減少量と、電気浸透流の増加による発生力の増加量は、ほぼ同等である。そのため、高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させる場合、図９に示すように、電解質層１３の厚みを薄くすると、変位量は大きくなり、発生力はほとんど変化しない。なお、図９は、第１電極層１１、第２電極層１２の厚みを２００μｍとして、電解質層１３の厚みを変化させたときの変位量特性および発生力特性を示すグラフである。

このように、高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させる場合には、電解質層１３の厚みを調整することにより、変位量および発生力のうち変位量だけを変更することができるので、所望の変位量および発生力の特性を得ることが容易である。したがって、高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させる場合には、アプリケーションへ適用する際の設計範囲が広がり、高分子アクチュエータ１０が使いやすくなる。

また、電気泳動による屈曲では、第１電極層１１と第２電極層１２との間の電界により、陽イオン、陰イオンがそれぞれマイナス側、プラス側の電極層に集まるので、動作による第１電極層１１および第２電極層１２のヤング率の変動が大きくなる。

これに対し、高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させ、制御する場合には、電解質層１３に添加された絶縁材１３ａ、ポリマー１４ａ等の材料を電気的に刺激してイオン液体１４ｂを動かしている。そのため、電気泳動の場合と比べて、イオンの動きが力学的特性に従いやすくなり、図１０に示すように、変位量と発生力との関係が、下記の数式１、２に示す力学的な理論式に近いものとなる。すなわち、第１電極層１１および第２電極層１２のヤング率の増加に伴い、変位量が減少し、発生力が増加する。したがって、電気浸透流を利用する場合、高分子アクチュエータ１０の設計が容易になる。

なお、Ｆは、高分子アクチュエータ１０の発生力であり、Ｅは、第１電極層１１、第２電極層１２のヤング率であり、α、βは、イオン液体１４ｂの移動し易さを表す係数である。また、ｈ１は、第１電極層１１、第２電極層１２の厚みであり、ｈ２は、電解質層１３の厚みである。また、数式２は、δ＜Ｌのときの理論式である。また、図１０は、ｈ１＝ｈ２＝２００μｍ、Ｌ＝１０ｍｍ、Ｗ＝２ｍｍとし、第１電極層１１と第２電極層１２との間に２Ｖの直流電圧を印加したときの測定結果を示すグラフである。

このように、電気浸透流を発生させることにより、高分子アクチュエータ１０の特性を向上させることができる。電気浸透流を発生させるためには、ポリマー１４ａの表面が負に帯電していることが必要である。

高分子アクチュエータ１０の製造において、ポリマー１４ａがイオン液体１４ｂと混合され、キャストされた状態では、ポリマー１４ａの表面は、負に帯電している。しかし、この後、例えば特許文献１に記載されているようにホットプレスを用いて２つの電極層と電解質層１３とを圧着すると、熱によりポリマー１４ａが劣化し、負の帯電量が小さくなる。

これに対し、本実施形態では、混合体１４等のキャストと、６０℃程度での溶媒の揮発とを繰り返すことにより、第１電極層１１、電解質層１３、第２電極層１２を順に積層して高分子アクチュエータ１０を製造している。このように、ホットプレスを用いる場合よりも低温で高分子アクチュエータを製造することができるため、熱によるポリマー１４ａの劣化を抑制し、ポリマー１４ａの表面が負に帯電した状態を保つことができる。

また、電気浸透流を発生させるためには、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率が十分高い必要がある。イオン液体１４ｂの体積占有率と、高分子アクチュエータ１０の変位量および発生力との関係について調べたところ、図１１に示す結果となった。

図１１のグラフからわかるように、イオン液体１４ｂの体積占有率が約４０％のとき、イオン液体１４ｂの体積占有率の増加に伴い、高分子アクチュエータ１０の変位量および発生力が大きく増加する。したがって、イオン液体１４ｂの体積占有率が４０％以上のときに電気浸透流が発生していると考えられ、イオン液体１４ｂの体積占有率を４０％以上とすることが好ましい。

高分子アクチュエータ１０の製造において、例えば、第１電極層１１と第２電極層１２とで電解質層１３を挟んだ構造を形成した後に、電解質層１３にイオン液体１４ｂを含有させると、イオン液体１４ｂが電解質層１３に十分に浸透しない。そのため、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率を４０％以上とすることが困難である。

これに対し、本実施形態では、電解質層１３を形成する工程において、ポリマー１４ａとイオン液体１４ｂとを混合して成形している。そのため、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率を４０％以上とすることが可能である。

また、電解質層１３の形状は、ポリマー１４ａの分子が絡み合って膜状に保たれているが、イオン液体１４ｂの体積占有率が９０％よりも大きくなると、ポリマー１４ａの分子が絡み合わず、電解質層１３の形状を膜状に保つことができない。したがって、ポリマー１４ａの分子が絡み合って電解質層１３の膜の形状を維持するためには、イオン液体１４ｂの体積占有率を９０％以下とすることが好ましい。

また、電気浸透流は直径１μｍ以下の経路で発生する。したがって、イオン液体１４ｂの体積占有率は、ポリマー１４ａと添加剤１３ａとの間に形成された経路の直径の最大値が約１μｍとなるときの体積占有率以下であることが好ましい。

イオン液体１４ｂの体積占有率が４０％のときに電解質層１３に含まれる経路を調べたところ、経路の直径は最大で約５００ｎｍであった。

イオン液体１４ｂの体積占有率が４０％であり、電解質層１３に含まれる経路の直径が最大で約５００ｎｍであるときのポリマー１４ａ、イオン液体１４ｂの体積をそれぞれＶ１、Ｖ２とする。また、経路の形状を円柱状とし、イオン液体１４ｂの体積占有率の変化により、経路の長さは変化せず直径が変化するものとすると、ポリマー１４ａの体積がＶ１、経路の直径の最大値が約１μｍとなるときのイオン液体１４ｂの体積は、４Ｖ２となる。

ポリマー１４ａの体積がＶ１、イオン液体１４ｂの体積が４Ｖ２のとき、イオン液体１４ｂの体積占有率は、｛４Ｖ２／（Ｖ１＋４Ｖ２）｝×１００［％］となる。Ｖ１：Ｖ２＝６０：４０より、経路の直径の最大値が約１μｍとなるときのイオン液体１４ｂの体積占有率は、約７３％となる。よって、イオン液体１４ｂの体積占有率を７０％以下とすることで、経路の直径を１μｍ以下にすることができると考えられる。

以上より、高分子アクチュエータ１０の特性を良好にするためには、イオン液体１４ｂの体積占有率を４０％以上９０％以下とすることが好ましく、４０％以上７０％以下とすることがさらに好ましい。

本実施形態では、電解質層１３を形成する工程において、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４中に添加剤１３ａを混合した液体をキャストしている。このような方法では、混合するイオン液体１４ｂの量を調整することにより、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率を容易に調整することができる。これにより、イオン液体１４ｂの体積占有率を４０％以上７０％以下とすることができる。

以上説明したように、本実施形態では、ポリマー１４ａの劣化を抑制し、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率を電気浸透流の発生のために好ましい値とすることにより、電気浸透流を発生させ、高分子アクチュエータ１０の特性を向上させることができる。

また、電解質層１３におけるイオン液体１４ｂの体積占有率を大きくすることにより、電気浸透流によって流れるイオン液体１４ｂの量が大きくなり、高分子アクチュエータ１０の変形量を大きくすることができる。

また、本実施形態では、電解質層１３が添加剤１３ａを備えている。本実施形態で添加剤１３ａとして用いたシリカの等電点は４程度であり、イオン液体１４ｂはｐＨが７程度であるため、添加剤１３ａは、電解質層１３において負に帯電している。これにより、イオン液体１４ｂの移動する経路壁面の負の帯電量を増加させ、電気浸透流を促進して、高分子アクチュエータ１０の特性をさらに向上させることができる。

また、添加剤１３ａによる電気浸透流の促進の効果は、添加剤１３ａがポリマー１４ａに付着しているときに高くなる。そして、添加剤１３ａの直径があまりに小さいと、添加剤１３ａがポリマー１４ａに付着せず、ポリマー１４ａの間に形成された経路の内部にのみ存在して、電気浸透流の促進の効果が低くなる可能性がある。

前述したように、本実施形態では、電気浸透流を発生させるために、イオン液体１４ｂの量を調整して経路の直径を１μｍ以下としている。そのため、添加剤１３ａの直径が１μｍ未満の場合、添加剤１３ａがポリマー１４ａに付着せず、経路の内部にのみ存在する可能性がある。

これについて、本実施形態では、添加剤１３ａの直径が１μｍ以上とされているため、添加剤１３ａをポリマー１４ａに付着させ、添加剤１３ａによる電気浸透流の促進の効果を高くして、高分子アクチュエータ１０の特性をさらに向上させることができる。なお、添加剤１３ａが電解質層１３に含まれていることから、添加剤１３ａの直径は電解質層１３の膜厚以下となる。

また、本実施形態では、電解質層１３を形成する工程において、混合体１４中に添加剤１３ａを混合した液体の攪拌を、添加剤１３ａとイオン液体１４ｂとが顕微鏡観察で識別できる程度に分けられた状態が保たれる程度にとどめている。これにより、イオン液体１４ｂに含まれる陰イオンが添加剤１３ａにトラップされ、電気浸透流が促進されるため、高分子アクチュエータ１０の特性をさらに向上させることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第１電極層１１および第２電極層１２の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態の第１電極層１１は、金属微粒子１１ａの濃度が互いに異なる２つの領域を有している。これら２つの領域のうち、金属微粒子１１ａの濃度が高い方を密の領域１１１、金属微粒子１１ａの濃度が低い方を疎の領域１１２とする。

図１２に示すように、電解質層１３は、密の領域１１１および疎の領域１１２に接している。また、本実施形態では、第１電極層１１は疎の領域１１２を複数備えており、複数の疎の領域１１２はそれぞれ電解質層１３に接している。また、本実施形態では、複数の疎の領域１１２はそれぞれ直線状とされており、第１電極層１１のうち電解質層１３側の部分において、ストライプ状に並んでいる。密の領域１１１は、隣り合う２つの疎の領域１１２に挟まれた部分と、疎の領域１１２の上面とに形成されており、第１電極層１１のうち電解質層１３とは反対側の部分は、密の領域１１１で構成されている。

疎の領域１１２は、金属微粒子１１ａの濃度が低く、抵抗値が大きいが、上記のように、金属微粒子１１ａの濃度が高く抵抗値が小さい密の領域１１１が、第１電極層１１のうち電解質層１３側の面から電解質層１３とは反対側の面に至って形成されている。そのため、第１電極層１１の抵抗値が小さく保たれ、電極としての機能が維持される。

同様に、本実施形態の第２電極層１２は、金属微粒子１２ａの濃度が互いに異なる２つの領域を有している。これら２つの領域のうち、金属微粒子１２ａの濃度が高い方を密の領域１２１、金属微粒子１２ａの濃度が低い方を疎の領域１２２とする。

図１２に示すように、電解質層１３は、密の領域１２１および疎の領域１２２に接している。また、本実施形態では、第２電極層１２は疎の領域１２２を複数備えており、複数の疎の領域１２２はそれぞれ電解質層１３に接している。また、本実施形態では、複数の疎の領域１２２はそれぞれ直線状とされており、第２電極層１２のうち電解質層１３側の部分において、ストライプ状に並んでいる。密の領域１２１は、隣り合う２つの疎の領域１２２に挟まれた部分と、疎の領域１２２の上面とに形成されており、第２電極層１２のうち電解質層１３とは反対側の部分は、密の領域１２１で構成されている。

疎の領域１２２は、金属微粒子１２ａの濃度が低く、抵抗値が大きいが、上記のように、金属微粒子１２ａの濃度が高く抵抗値が小さい密の領域１２１が、第２電極層１２のうち電解質層１３側の面から電解質層１３とは反対側の面に至って形成されている。そのため、第２電極層１２の抵抗値が小さく保たれ、電極としての機能が維持される。

これら第１電極層１１、第２電極層１２が備える密の領域１１１、１２１、疎の領域１１２、１２２は、本実施形態では、パーコレーション閾値を基準として形成されている。

ある系において、系の中に存在する物質の濃度がある閾値以上になると、この物質が連なって、系の端と端とをつなぐようになる。例えば、第１実施形態の第１電極層１１において、金属微粒子１１ａの濃度がある閾値以上になると、複数の金属微粒子１１ａが互いに連なって、第１電極層１１の端部と端部とを連結する。この閾値がパーコレーション閾値である。

パーコレーション閾値は、物質の形と大きさによって定まる。本実施形態では、金属微粒子１１ａ、１２ａの形と大きさから求められたパーコレーション閾値を基準として、２つの領域が形成されている。つまり、密の領域１１１、１２１においては、金属微粒子１１ａ、１２ａの濃度がパーコレーション閾値以上とされており、疎の領域１１２、１２２においては、金属微粒子１１ａ、１２ａの濃度がパーコレーション閾値未満とされている。

なお、金属微粒子１１ａ、１２ａは、周囲が樹脂層１１ｂ、１２ｂによってコーティングされているが、第１実施形態で述べたように、樹脂層１１ｂ、１２ｂは、金属微粒子１１ａ、１２ａを完全には覆っておらず、各電極層の導電性は維持されている。そこで、本実施形態では、樹脂層１１ｂ、１２ｂの形と厚みを考慮せず、金属微粒子１１ａ、１２ａの形と大きさに基づいてパーコレーション閾値を求め、これを基準として密の領域１１１、１２１および疎の領域１１２、１２２を形成している。

このような構成の高分子アクチュエータ１０の製造方法について、図１３、図１４を用いて説明する。

図１３（ａ）に示す工程では、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４に金属微粒子１１ａを混合した液体を平坦面の上にキャストし、平坦な膜状となるようにする。ここで、この液体に含まれる金属微粒子１１ａの濃度をパーコレーション閾値以上とする。そして、例えば６０℃程度の温度で溶媒を揮発させる。

図１３（ｂ）に示す工程では、表面に凹凸が形成された型を図１３（ａ）に示す工程で形成された膜の表面に押し当て、この膜の表面に凹凸を形成する。これにより密の領域１１１が形成される。

図１３（ｃ）に示す工程では、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４に金属微粒子１１ａを混合した液体を密の領域１１１の上にキャストし、表面が平坦な膜状となるようにする。ここで、この液体に含まれる金属微粒子１１ａの濃度をパーコレーション閾値未満とする。そして、例えば６０℃程度の温度で溶媒を揮発させる。これにより疎の領域１１２が形成され、第１電極層１１が形成される。

図１３（ｄ）に示す工程では、第１電極層１１の上に、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４中に添加剤１３ａを混合した液体をキャストし、平坦な膜状となるようにする。そして、例えば６０℃程度の温度で溶媒を揮発させる。これにより、第１電極層１１と電解質層１３が積層された構造が形成される。

図１４（ａ）に示す工程では、電解質層１３の上に、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４に金属微粒子１２ａを混合した液体をキャストし、平坦な膜状となるようにする。ここで、この液体に含まれる金属微粒子１２ａの濃度をパーコレーション閾値未満とする。そして、例えば６０℃程度の温度で溶媒を揮発させる。

図１４（ｂ）に示す工程では、表面に凹凸が形成された型を図１４（ａ）に示す工程で形成された膜の表面に押し当て、この膜の表面に凹凸を形成する。これにより疎の領域１２２が形成される。

図１４（ｃ）に示す工程では、疎の領域１２２の上に、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４に金属微粒子１２ａを混合した液体をキャストし、表面が平坦な膜状となるようにする。ここで、この液体に含まれる金属微粒子１２ａの濃度をパーコレーション閾値以上とする。そして、例えば６０℃程度の温度で溶媒を揮発させる。これにより、密の領域１２１が形成され、第２電極層１２が形成される。また、これにより、第１電極層１１と電解質層１３の上に第２電極層１２が積層された構造が形成される。このようにして、本実施形態にかかる高分子アクチュエータ１０が製造される。

例えば第１電極層１１の全体にわたって金属微粒子１１ａの濃度を一定とした場合、第１電極層１１の電極としての機能を維持するためには、金属微粒子１１ａの濃度をある程度高くして、第１電極層１１の抵抗値を小さくする必要がある。同様に、第２電極層１２の全体にわたって金属微粒子１２ａの濃度を一定とした場合、第２電極層１２の電極としての機能を維持するためには、金属微粒子１２ａの濃度をある程度高くして、第２電極層１２の抵抗値を小さくする必要がある。

一方、金属微粒子１１ａ、１２ａの体積の分だけ、第１電極層１１および第２電極層１２のうちイオン液体１４ｂが入り込める部分の体積が減少する。そのため、金属微粒子１１ａ、１２ａの濃度が高くなるにつれて、高分子アクチュエータ１０の変形量が低下する。

特に、金属微粒子１１ａ、１２ａの濃度がパーコレーション閾値以上になると、第１電極層１１の端部と端部とを連結する金属微粒子１１ａの連結構造、第２電極層１２の端部と端部とを連結する金属微粒子１２ａの連結構造が形成される。これにより、イオン液体１４ｂが入り込んだときの第１電極層１１、第２電極層１２の変形が妨げられるため、高分子アクチュエータ１０の変形量がさらに低下する。

これに対し、本実施形態では、金属微粒子１１ａ、１２ａの濃度が高い密の領域１１１、１２１が、第１電極層１１、第２電極層１２のうち、電解質層１３側の面から電解質層１３とは反対側の面に至って形成されている。そのため、第１電極層１１および第２電極層１２の抵抗値を小さく保ち、導電性を維持することができる。

また、本実施形態では、金属微粒子１１ａ、１２ａの濃度が低い疎の領域１１２、１２２が、電解質層１３に接するように配置されている。そのため、第１電極層１１、第２電極層１２の全体にわたって金属微粒子１１ａ、１２ａの濃度を高くした場合に比べて、第１電極層１１、第２電極層１２のうちイオン液体１４ｂが入り込める部分の体積が大きい。これにより、イオン液体１４ｂが入り込める部分の体積が減少することによる高分子アクチュエータ１０の変形量の低下を抑制することができる。

また、疎の領域１１２、１２２では、金属微粒子１１ａ、１２ａの濃度が、パーコレーション閾値未満とされている。そのため、疎の領域１１２、１２２では、金属微粒子１１ａ、１２ａの連結構造が形成されず、これらの連結構造によって第１電極層１１、第２電極層１２の変形が妨げられることが抑制される。したがって、本実施形態では、金属微粒子１１ａ、１２ａの連結構造による高分子アクチュエータ１０の変形量の低下を抑制することができる。

第１電極層１１、第２電極層１２に密の領域１１１、１２１、疎の領域１１２、１２２が形成された本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、前述したように、本実施形態では、第１電極層１１、第２電極層１２の導電性を維持しつつ、高分子アクチュエータ１０の変形量の低下を抑制して、高分子アクチュエータ１０の特性をさらに向上させることができる。

なお、疎の領域１１２、１２２を構成する材料に吸水性を有する高分子材料等を混合してもよい。これにより、イオン液体１４ｂが疎の領域１１２、１２２に入り込んだときの第１電極層１１、第２電極層１２の膨張量を大きくして、高分子アクチュエータ１０の特性をさらに向上させることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、高分子アクチュエータ１０の形状については短冊状であることは必須ではなく、他の形状、例えば正方形などの四角形状としても良い。また、平面状の部材に対して複数の高分子アクチュエータ１０を貼り合せることで、１つの部材を構成していても良い。例えば、平面状のミラーに対して複数の高分子アクチュエータ１０を貼り合せれば、ミラーの曲率を可変できる可変曲率ミラーとすることもできる。

また、上記第１実施形態では、電解質層１３において、混合体１４に添加剤１３ａが混合されているが、電解質層１３における混合体１４に、添加剤１３ａが混合されていなくてもよい。

また、上記第１実施形態では、第１電極層１１、第２電極層１２に添加剤１１ｃ、１２ｃが添加されているが、第１電極層１１、第２電極層１２に添加剤１１ｃ、１２ｃが添加されていなくてもよい。

また、上記第２実施形態では、第１電極層１１と第２電極層１２が共に密の領域および疎の領域を有しているが、第１電極層１１と第２電極層１２のうちいずれか一方のみが密の領域および疎の領域を有していてもよい。

また、上記第２実施形態では、疎の領域１１２、１２２が直線状とされているが、疎の領域１１２、１２２を他の形状としてもよい。また、上記第２実施形態では、第１電極層１１が疎の領域１１２を複数備えており、第２電極層１２が疎の領域１２２を複数備えているが、第１電極層１１、第２電極層１２が、それぞれ、疎の領域１１２、１２２を１つのみ備えていてもよい。

また、上記第２実施形態では、表面に凹凸が形成された型を用いて密の領域１１１、１２１および疎の領域１１２、１２２を形成したが、他の方法を用いて密の領域１１１、１２１および疎の領域１１２、１２２を形成してもよい。例えば、混合体１４を含む液体をキャストすることで形成された膜の表面に風を当て、乾燥むらによる凹凸を形成することにより、密の領域１１１、１２１および疎の領域１１２、１２２を形成してもよい。また、混合体１４を含む液体をキャストする容器の底部を収縮させることで、容器内に形成された膜を変形させ、膜の表面に凹凸を形成することにより、密の領域１１１、１２１および疎の領域１１２、１２２を形成してもよい。

また、上記第２実施形態において、疎の領域１１２、１２２における金属微粒子１１ａ、１２ａの濃度を０としてもよい。この場合、図１３（ｂ）に示す工程の後、密の領域１１１の上に、混合体１４中に添加剤１３ａを混合した液体をキャストし、溶媒を揮発させて疎の領域１１２および電解質層１３を形成する。そして、図１４（ｂ）に示す工程と同様にして電解質層１３の表面に凹凸を形成することにより疎の領域１２２を形成し、その後、図１４（ｃ）に示す工程を行うことにより、高分子アクチュエータ１０を製造することができる。

１０ 高分子アクチュエータ
１１、１２ 第１、第２電極層
１１ａ、１２ａ 金属微粒子
１３ 電解質層
１４ 混合体
１４ａ ポリマー
１４ｂ イオン液体

Claims (4)

1. イオン液体（１４ｂ）とポリマー（１４ａ）との混合体（１４）を有する電解質層（１３）と、
   前記電解質層における一面側に配置され、前記混合体に金属微粒子（１１ａ）を含有させた第１電極層（１１）と、
   前記電解質層における前記一面の反対側となる他面側に配置され、前記混合体に金属微粒子（１２ａ）を含有させた第２電極層（１２）と、を備え、
   前記ポリマーの表面は、負に帯電しており、前記電解質層における前記イオン液体の体積占有率は、４０％以上９０％以下であり、
   前記第１電極層および前記第２電極層のうち少なくとも一方は、前記金属微粒子の濃度がパーコレーション閾値以上である密の領域（１１１、１２１）と、前記金属微粒子の濃度がパーコレーション閾値未満である疎の領域（１１２、１２２）とを備え、
   前記電解質層は、前記密の領域および前記疎の領域に接している高分子アクチュエータ。
2. 前記電解質層における前記イオン液体の体積占有率は、４０％以上７０％以下である請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
3. 直径が１μｍ以上かつ前記電解質層の厚み以下であり、等電点が７以下である添加剤（１３ａ）が前記電解質層における前記混合体に混合されている請求項１または２に記載の高分子アクチュエータ。
4. 前記疎の領域は、吸水性を有する高分子材料を含む請求項１ないし３のいずれか１つに記載の高分子アクチュエータ。

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