JP6809003B2

JP6809003B2 - Polymer actuator

Info

Publication number: JP6809003B2
Application number: JP2016132566A
Authority: JP
Inventors: 井上　孝; 孝井上; 謙佑畑
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2036-07-04
Also published as: JP2017034978A

Description

本発明は、第１電極層と電解質および第２電極層の三層構造からなる高分子アクチュエータであって、イオン液体が第１電極層と第２電極層との間を移動することで屈曲動作を行う高分子アクチュエータに関するものである。 The present invention is a polymer actuator having a three-layer structure consisting of a first electrode layer, an electrolyte, and a second electrode layer, and a bending operation is performed by moving an ionic liquid between the first electrode layer and the second electrode layer. It relates to a polymer actuator that performs the above.

従来、特許文献１において、バッキーゲルタイプの有機アクチュエータが提案されている。この有機アクチュエータは、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴという）とイオン液体を混合させるとゲル状になって薄膜を形成できることを利用したものであり、電極と電解質の三層を構成することで有機アクチュエータを構成している。 Conventionally, Patent Document 1 has proposed a Bucky gel type organic actuator. This organic actuator utilizes the fact that carbon nanotubes (hereinafter referred to as CNT) and an ionic liquid can be mixed to form a gel-like thin film, and the organic actuator can be formed by forming three layers of an electrode and an electrolyte. It is configured.

特開２０１１−２１１８３４号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-21184

しかしながら、上記のようにＣＮＴとイオン液体とを混合させた有機アクチュエータは、多くのイオン液体がＣＮＴに拘束されることとなり、イオン液体が移動し難い。このため、電極のヤング率を大きくすることで発生力を確保する必要があった。 However, in the organic actuator in which the CNT and the ionic liquid are mixed as described above, many ionic liquids are constrained by the CNT, and the ionic liquid is difficult to move. Therefore, it is necessary to secure the generating force by increasing the Young's modulus of the electrode.

本発明は上記点に鑑みて、イオン液体がより動き易く、大きな発生力が得られる構成の高分子アクチュエータを提供することを目的とする。 In view of the above points, it is an object of the present invention to provide a polymer actuator having a structure in which an ionic liquid can move more easily and a large generating force can be obtained.

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）と、イオン液体における陰イオンをトラップする絶縁材（１３ａ）と、を含み、混合体に絶縁材が混合された電解質層（１３）と、電解質層における一面側に配置され、混合体に樹脂層（１１ｂ）によってコーティングされた金属微粒子（１１ａ）を含有させ、該樹脂層の厚さを該金属微粒子の径よりも小さくした第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、混合体に樹脂層（１２ｂ）によってコーティングされた金属微粒子（１２ａ）を含有させ、該樹脂層の厚さを該金属微粒子の径よりも小さくした第２電極層（１２）と、を有することを特徴としている。
In order to achieve the above object, in the invention according to claim 1, a mixture (14) of an ionic liquid (14b) and a polymer (14a), an insulating material (13a) for trapping anions in the ionic liquid, and an insulating material (13a) are used. The electrolyte layer (13) in which the insulating material is mixed with the mixture and the metal fine particles (11a) arranged on one side of the electrolyte layer and coated with the resin layer (11b) are contained in the mixture . The resin layer is arranged on the first electrode layer (11) having a thickness smaller than the diameter of the metal fine particles and the other surface side opposite to one surface of the electrolyte layer, and the resin layer (12b) is added to the mixture. It is characterized by having a second electrode layer (12) containing the coated metal fine particles (12a) and having the thickness of the resin layer smaller than the diameter of the metal fine particles .

このように、第１電極層および第２電極層を構成するための金属微粒子は樹脂層によってコーティングされている。このため、金属微粒子が凝集しにくくなるので、第１および第２の電極層内には金属微粒子間に陽イオンが入り込める混合体（１４）も作り込むことができる。よって、電極層内における陽イオンの反発力を大きくできるので、第１電極層や第２電極層のヤング率を高くしなくても、高分子アクチュエータの発生力を大きくすることが可能となる。ヤング率を変更しなくてもよいので、高分子アクチュエータの変位を維持したまま、発生力を大きくできる。 As described above, the metal fine particles for forming the first electrode layer and the second electrode layer are coated with the resin layer. Therefore, since the metal fine particles are less likely to aggregate, a mixture (14) in which cations can enter between the metal fine particles can also be formed in the first and second electrode layers. Therefore, since the repulsive force of cations in the electrode layer can be increased, it is possible to increase the generating force of the polymer actuator without increasing the Young's modulus of the first electrode layer and the second electrode layer. Since it is not necessary to change the Young's modulus, the generated force can be increased while maintaining the displacement of the polymer actuator.

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。 The reference numerals in parentheses of each of the above means indicate an example of the correspondence with the specific means described in the embodiment described later.

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。It is sectional drawing of the polymer actuator which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図１中の領域Ｒの拡大断面模式図である。It is a schematic view of the enlarged cross section of the region R in FIG. 電解質層の拡大図である。It is an enlarged view of the electrolyte layer. 高分子アクチュエータの作動を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation of a polymer actuator. 電解質層中におけるシリカの重量比と高分子アクチュエータを屈曲させる発生力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the weight ratio of silica in an electrolyte layer, and the generated force which bends a polymer actuator. 第１電極層および第２電極層中における金属微粒子の重量比と高分子アクチュエータを屈曲させる発生力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the weight ratio of the metal fine particle in the 1st electrode layer and the 2nd electrode layer, and the generated force which bends a polymer actuator. イオン液体の粘度と高分子アクチュエータを屈曲させる発生力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the viscosity of an ionic liquid and the generated force which bends a polymer actuator. 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図である。It is a figure which shows the relationship between the volume occupancy rate of an ionic liquid, the displacement amount, and the generated force. 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図である。It is a figure which shows the relationship between the current flowing through a polymer actuator and the displacement amount. 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図である。It is a figure which shows the relationship between the current flowing through a polymer actuator and the displacement amount. 測定装置の平面図である。It is a top view of the measuring device. 図１１のXII−XII断面図である。It is a cross-sectional view of XII-XII of FIG. 電解質層の厚みと変位量、発生力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness of an electrolyte layer, the displacement amount, and the generated force. 電極層のヤング率と変位量、発生力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Young's modulus of an electrode layer, displacement amount, and generated force.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following embodiments, parts that are the same or equal to each other will be described with the same reference numerals.

（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、図１〜図４を参照して説明する。 (First Embodiment)
The polymer actuator according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.

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および電解質層１３とを有した構成とされている。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で構成されており、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。 As shown in FIG. 1, the polymer actuator 10 according to the present embodiment has a configuration including a first electrode layer 11, a second electrode layer 12, and an electrolyte layer 13. The polymer actuator 10 is formed of, for example, a plate or strip having one surface and the other surface opposite to the other surface, the first electrode layer 11 is formed on one surface side, and the second electrode layer is formed on the other surface side. It is configured. Then, it is used by generating a desired potential difference between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12.

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たものである。具体的には、後述するポリマー１４ａとイオン液体１４ｂ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。第１電極層１１および第２電極層１２中における金属微粒子１１ａ、１２ａの含有量を０．５重量比より大きく、かつ、０．８重量比以下としている。 As shown in FIG. 2, the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 are formed by gathering metal fine particles 11a and 12a. Specifically, it is composed of mixing metal fine particles 11a and 12a in a mixture 14 of a polymer 14a and an ionic liquid 14b, which will be described later. The contents of the metal fine particles 11a and 12a in the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 are set to be larger than 0.5 weight ratio and 0.8 weight ratio or less.

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。例えば、金属微粒子１１ａ、１２ａについては、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しており、樹脂層１１ｂ、１２ｂについてはポリビニルピロリドンなどの樹脂材料で構成している。樹脂層１１ｂ、１２ｂの厚さは、電極の構成材料としても機能を維持するために、金属微粒子１１ａ、１２ａの径よりも小さくする必要がある。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あってもよいし、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。 The periphery of the metal fine particles 11a and 12a is coated with the resin layers 11b and 12b. For example, for the metal fine particles 11a and 12a, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), Nickel (Ni), zinc (Zn), strontium (Sr), rubidium (Rb), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), palladium (Pd), Indium (In), tin (Sn), palladium (Ba), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), iridium (Ir), platinum (Pt), lead (Pb), bismuth (Bi), It is composed of a metal such as neodymium (Nd) or an alloy of these metals, and the resin layers 11b and 12b are composed of a resin material such as polyvinylpyrrolidone. The thickness of the resin layers 11b and 12b needs to be smaller than the diameter of the metal fine particles 11a and 12a in order to maintain the function as a constituent material of the electrode. The metal fine particles 11a and 12a may be metal compounds such as metal oxides, metal nitrides, metal sulfides, metal borides, metal carbides, metal iodides, and metal fluorides, as long as they are conductive. The particles may be a resin coated with the above-mentioned metal, an alloy thereof, or a conductive metal compound.

このように、金属微粒子１１ａ、１２ａを樹脂層１１ｂ、１２ｂでコーティングしてあるため、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た構造となる。また、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、添加剤としてモンモリロナイト（以下、ＭＭＴという）１１ｃ、１２ｃが添加されている。このＭＭＴ１１ｃ、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。 Since the metal fine particles 11a and 12a are coated with the resin layers 11b and 12b in this way, the metal fine particles 11a and 12a have a structure in which they are simply gathered in close proximity to each other without agglomeration. Further, in addition to the metal fine particles 11a and 12a, montmorillonite (hereinafter referred to as MMT) 11c and 12c are added to the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 as additives. By adding the MMTs 11c and 12c, it is possible to increase the Young's modulus of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 without changing the generating force of the polymer actuator 10. By doing so, it is possible to increase the rigidity when no voltage is applied to the polymer actuator 10.

このように構成される第１電極層１１および第２電極層１２は、金属微粒子１１ａ、１２ａが互いに単に近接した状態となって配置された構造とされている。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、より詳しくはイオン液体１４ｂ中のイオンが入り込める状態となっている。 The first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 configured in this way have a structure in which the metal fine particles 11a and 12a are arranged so as to be simply close to each other. Therefore, the mixture 14 is formed in the gap between the metal fine particles 11a and 12a, and the ionic liquid 14b described later can enter the mixture 14, and more specifically, the ions in the ionic liquid 14b can enter the mixture 14. ing.

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をより多く呼び込めるように、１μｍ以下であると好ましい。また、効果的に第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。 The particle size of the metal fine particles 11a and 12a is arbitrary, but in order to increase the displacement amount and the generated force of the polymer actuator 10, it is set to 1 μm or less so that more ionic liquid 14b can be attracted. preferable. Further, it is preferable that the particle sizes of the metal fine particles 11a and 12a are 20 nm or more so that the thickness of the electrodes formed by the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 can be effectively increased. On the other hand, in order to utilize the polymer actuator 10 having a larger area, the particle sizes of the metal fine particles 11a and 12a are set to 0.1 to 100 μm, and the resistance values of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 are set. It is preferable to make it smaller and increase the Young's modulus. When the particle size of the metal fine particles 11a and 12a is larger than 100 μm, the film thickness becomes the same as that of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12, and the electrode is formed by one metal fine particle layer. , The reliability during repeated operation is reduced.

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中に絶縁材１３ａを混合したものである。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、イオン液体１４ｂの移動を可能とする媒体である。 The electrolyte layer 13 is a mixture of an insulating material 13a in a mixture 14 of a polymer 14a and an ionic liquid 14b. The polymer 14a is composed of a polymer such as polytetrafluoroethylene perfluorosulfonic acid (Nafion (registered trademark)), polyvinylidene difluoride (PVDF), polymethyl methacrylate (PMMA), and the transfer of the ionic liquid 14b. It is a medium that enables.

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との間に電位差を発生させたときにポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間の隙間を移動する移動媒体である。例えば、イオン液体１４ｂとしては、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。イオン液体１４ｂは、粘度が０．００１〜０．１Ｐａ・ｓｅｃとされている。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としての性質を満たし、その液体の粘度が０．００１〜０．１Ｐａ・ｓｅｃであれば材質は問わない。 The ionic liquid 14b is a substance used to drive the polymer actuator 10, and when a potential difference is generated between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12, the polymer 14a and the insulating material 13a are separated from each other. It is a moving medium that moves through the gap. For example, as the ionic liquid 14b, 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanic acid can be used. Such an ionic liquid 14b exists in a state of being ionized in the mixture 14, and has a cation composed of 1-ethyl-3-methylimidazolium as represented by the chemical formula 1 and a cation having the chemical formula 2. It is an anion composed of thiocyanate as shown. The viscosity of the ionic liquid 14b is 0.001 to 0.1 Pa · sec. In the present embodiment, 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanic acid is mentioned as the ionic liquid, but it satisfies the property as a liquid that does not volatilize, and the viscosity of the liquid is 0.001 to 0.1 Pa · sec. If so, the material does not matter.

絶縁材１３ａは、シリカなどによって構成されており、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と共に、イオン液体１４ｂにおける陰イオンをトラップする役割を果たす。本実施形態の場合、絶縁材１３ａをシリカによって構成しつつ、電解質層１３中におけるシリカの含有量を０．０３〜０．２重量比としている。 The insulating material 13a is made of silica or the like, and plays a role of maintaining insulation between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 and also plays a role of trapping anions in the ionic liquid 14b. In the case of the present embodiment, the insulating material 13a is made of silica, and the content of silica in the electrolyte layer 13 is 0.03 to 0.2 by weight.

このように構成される電解質層１３は、図３に示すように、ポリマー１４ａおよびイオン液体１４ｂの混合体１４中に絶縁材１３ａが含まれた構造となる。ポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間に隙間が存在している。このため、イオン状態で存在しているイオン液体１４ｂ中の陽イオンは、ポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間の隙間を移動経路として、例えば図中破線矢印で示したように移動することが可能となっている。 As shown in FIG. 3, the electrolyte layer 13 configured in this way has a structure in which the insulating material 13a is contained in the mixture 14 of the polymer 14a and the ionic liquid 14b. There is a gap between the polymer 14a and the insulating material 13a. Therefore, the cations in the ionic liquid 14b existing in the ionic state can move using the gap between the polymer 14a and the insulating material 13a as a movement path, for example, as shown by the broken line arrow in the figure. It has become.

このような構造によって、本実施形態にかかる高分子アクチュエータ１０が構成されている。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。 With such a structure, the polymer actuator 10 according to the present embodiment is configured. The polymer actuator 10 configured in this way is manufactured, for example, as follows.

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。 First, a liquid in which metal fine particles 11a are mixed with a mixture 14 of a polymer 14a and an ionic liquid 14b is cast on a flat surface so as to form a flat film. Then, for example, the solvent is volatilized at a temperature of about 60 ° C. As a result, the first electrode layer 11 is formed.

次に、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中に絶縁材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、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。 Next, a liquid in which the insulating material 13a is mixed in the mixture 14 of the polymer 14a and the ionic liquid 14b is cast on the first electrode layer 11 so as to form a flat film. Then, for example, at a temperature of about 60 ° C., the liquid solvent cast on the first electrode layer 11 is volatilized. As a result, a structure in which the first electrode layer 11 and the electrolyte layer 13 are laminated is formed.

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。 Further, a liquid obtained by mixing the metal fine particles 12a with the mixture 14 of the polymer 14a and the ionic liquid 14b is cast on the electrolyte layer 13 so as to form a flat film. Then, for example, at a temperature of about 60 ° C., the liquid solvent cast on the electrolyte layer 13 is volatilized. As a result, a structure in which the second electrode layer 12 is laminated on the first electrode layer 11 and the electrolyte layer 13 is formed. In this way, the polymer actuator 10 according to this embodiment is manufactured.

続いて、本実施形態の高分子アクチュエータ１０の作動について説明する。 Subsequently, the operation of the polymer actuator 10 of the present embodiment will be described.

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。 As shown in FIG. 4, when no voltage is applied to the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12, the polymer actuator 10 is in a flat state without being deformed.

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と絶縁材１３ａとの間の隙間を移動経路としてイオン液体１４ｂの陽イオンがマイナス側、すなわち第２電極層１２側に移動させられる。そして、金属微粒子１２ａの間に混合体１４が形成され、その中に陽イオンが入り込む。これにより、陽イオンが入り込んだ分、金属微粒子１２ａの間が広がって第２電極層１２が膨張する。一方、イオン液体１４ｂの陰イオンについては、絶縁材１３ａにトラップされた状態となり、正電圧が印加されている第１電極層１１側への移動が抑制される。 Then, when a positive voltage is applied to the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 is set to the ground potential, the cations of the ionic liquid 14b become negative with the gap between the polymer 14a and the insulating material 13a as the movement path. It is moved to the side, that is, the second electrode layer 12 side. Then, the mixture 14 is formed between the metal fine particles 12a, and cations enter into the mixture 14. As a result, the space between the metal fine particles 12a expands to the extent that the cations enter, and the second electrode layer 12 expands. On the other hand, the anions of the ionic liquid 14b are trapped in the insulating material 13a, and the movement of the anions to the first electrode layer 11 to which the positive voltage is applied is suppressed.

したがって、第１電極層１１と比較して第２電極層１２側が膨張した状態となり、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。 Therefore, the polymer actuator 10 is deformed so that the second electrode layer 12 side is expanded as compared with the first electrode layer 11, the second electrode 12 side is convex, and the first electrode 11 side is concave.

このとき、金属微粒子１２ａを樹脂層１２ｂによって覆っていて、金属微粒子１２ａが凝集しない状態となっていることから、金属微粒子１２ａの間に容易にイオン液体１４ｂの陽イオンが入り込める。このため、イオン液体１４ｂがより動き易くなって、第１電極層１１や第２電極層１２のヤング率を高くしなくても、高分子アクチュエータ１０の発生力を大きくすることが可能となる。 At this time, since the metal fine particles 12a are covered with the resin layer 12b and the metal fine particles 12a are not aggregated, the cations of the ionic liquid 14b can easily enter between the metal fine particles 12a. Therefore, the ionic liquid 14b becomes easier to move, and the generating force of the polymer actuator 10 can be increased without increasing the Young's modulus of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12.

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と絶縁材１３ａとの間の隙間を移動経路としてイオン液体１４ｂの陽イオンがマイナス側、すなわち第１電極層１１側に移動させられる。そして、金属微粒子１１ａの間に陽イオンが入り込む。これにより、陽イオンが入り込んだ分、金属微粒子１１ａの間が広がって第１電極層１１が膨張する。一方、イオン液体１４ｂの陰イオンについては、絶縁材１３ａにトラップされた状態となり、正電圧が印加されている第２電極層１２側への移動が抑制される。 Similarly, when a positive voltage is applied to the second electrode layer 12 and the first electrode layer 11 is set to the ground potential, the cations of the ionic liquid 14b are generated through the gap between the polymer 14a and the insulating material 13a as a movement path. It is moved to the minus side, that is, to the first electrode layer 11 side. Then, cations enter between the metal fine particles 11a. As a result, the space between the metal fine particles 11a expands to the extent that the cations enter, and the first electrode layer 11 expands. On the other hand, the anions of the ionic liquid 14b are trapped in the insulating material 13a, and the movement of the anions to the second electrode layer 12 to which the positive voltage is applied is suppressed.

したがって、第２電極層１２と比較して第１電極層１１側が膨張した状態となり、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。 Therefore, the polymer actuator 10 is deformed so that the first electrode layer 11 side is expanded as compared with the second electrode layer 12, the first electrode 11 side is convex, and the second electrode 12 side is concave.

このとき、金属微粒子１１ａを樹脂層１１ｂによって覆っていて、金属微粒子１１ａが凝集しない状態となっていることから、金属微粒子１１ａの間に容易にイオン液体１４ｂの陽イオンが入り込める。このため、イオン液体１４ｂがより動き易くなって、第１電極層１１や第２電極層１２のヤング率を高くしなくても、高分子アクチュエータ１０の発生力を大きくすることが可能となる。 At this time, since the metal fine particles 11a are covered with the resin layer 11b and the metal fine particles 11a are not aggregated, the cations of the ionic liquid 14b can easily enter between the metal fine particles 11a. Therefore, the ionic liquid 14b becomes easier to move, and the generating force of the polymer actuator 10 can be increased without increasing the Young's modulus of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12.

さらに、このような動作を行うに際して、ポリマー１４ａと絶縁材１３ａとの間に形成される隙間によってイオン液体１４ｂの移動経路が構成されるようにしていることから、さらにイオン液体１４ｂの移動が容易に行われる。したがって、より上記効果を得ることが可能となる。 Further, when performing such an operation, since the movement path of the ionic liquid 14b is formed by the gap formed between the polymer 14a and the insulating material 13a, the movement of the ionic liquid 14b is further facilitated. It is done in. Therefore, it is possible to obtain the above effect.

以上説明したように、本実施形態では、第１電極層１１および第２電極層１２を構成するための金属微粒子１１ａ、１２ａを樹脂層１１ｂ、１２ｂによってコーティングしている。このため、金属微粒子１１ａ、１２ａが凝集しにくくなるようにでき、金属微粒子１１ａ、１２ａの間に混合体１４を形成できるので、イオン液体１４ｂの陽イオンが入り込み易くなるようにできる。したがって、イオン液体１４ｂがより動き易くなって、第１電極層１１や第２電極層１２のヤング率を高くしなくても、高分子アクチュエータ１０の発生力を大きくすることが可能となる。 As described above, in the present embodiment, the metal fine particles 11a and 12a for forming the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 are coated with the resin layers 11b and 12b. Therefore, the metal fine particles 11a and 12a can be made difficult to aggregate, and the mixture 14 can be formed between the metal fine particles 11a and 12a, so that the cations of the ionic liquid 14b can easily enter. Therefore, the ionic liquid 14b becomes easier to move, and the generating force of the polymer actuator 10 can be increased without increasing the Young's modulus of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12.

また、電解質層１３中において、絶縁材１３ａを構成するシリカの重量比を０．０３〜０．２としている。このため、絶縁材１３ａによってイオン液体１４ｂにおける陰イオンを効果的にトラップすることが可能となり、陽イオンが集まる側の電極層が凸形状、その反対側の電極層が凹形状とする力、つまり高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆを大きくすることができる。したがって、これによっても、高分子アクチュエータ１０の発生力を大きくすることが可能となる。 Further, in the electrolyte layer 13, the weight ratio of silica constituting the insulating material 13a is set to 0.03 to 0.2. Therefore, the insulating material 13a makes it possible to effectively trap the anions in the ionic liquid 14b, so that the electrode layer on the side where cations gather has a convex shape and the electrode layer on the opposite side has a concave shape, that is, The generated force F that bends the polymer actuator 10 can be increased. Therefore, this also makes it possible to increase the generating force of the polymer actuator 10.

ただし、絶縁材１３ａの重量比を小さくしすぎると、陰イオンを効果的にトラップすることができず、電極層に集まる陽イオンと陰イオンの差が小さくなって高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆが低下し得る。逆に、絶縁材１３ａの重量比を大きくし過ぎると、電解質層１３中における絶縁材１３ａの分量が多くなり過ぎて、電解質層１３中において陽イオンが移動し難くなり、高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆが小さくなる。 However, if the weight ratio of the insulating material 13a is too small, the anions cannot be effectively trapped, and the difference between the cations and the anions collected in the electrode layer becomes small, causing the polymer actuator 10 to bend. The force F can decrease. On the contrary, if the weight ratio of the insulating material 13a is made too large, the amount of the insulating material 13a in the electrolyte layer 13 becomes too large, and it becomes difficult for cations to move in the electrolyte layer 13, and the polymer actuator 10 is bent. The generated force F to be generated becomes smaller.

このため、例えば絶縁材１３ａをシリカによって構成する場合について、電解質層１３中におけるシリカの重量比と高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆとの関係を調べたところ、図５に示す結果となった。この結果より、シリカの重量比を少なくとも０．０３〜０．２にすると、発生力Ｆが５以上にすることができ、所望の発生力Ｆを得ることが可能になる。 Therefore, for example, in the case where the insulating material 13a is made of silica, the relationship between the weight ratio of silica in the electrolyte layer 13 and the generated force F for bending the polymer actuator 10 is investigated, and the result shown in FIG. 5 is obtained. It was. From this result, when the weight ratio of silica is at least 0.03 to 0.2, the generating force F can be 5 or more, and a desired generating force F can be obtained.

なお、ここでいう発生力Ｆとは、第１電極層１１、第２電極層１２の厚みをｈ１、電解質層１３の厚みをｈ２、これらの幅をＷ、長さをＬとして、次式で表される。αは、イオン液体１４ｂの移動し易さを表す係数であり、Ｅは、第１電極層１１や第２電極層１２のヤング率である。この式から分かるように、発生力Ｆは、ヤング率Ｅや各厚みｈ１、ｈ２、幅Ｗが大きくなるほど、長さＬが小さくなるほど大きくなる。 The generated force F referred to here is expressed by the following equation, where the thickness of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 is h1, the thickness of the electrolyte layer 13 is h2, the width thereof is W, and the length is L. expressed. α is a coefficient representing the ease of movement of the ionic liquid 14b, and E is the Young's modulus of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12. As can be seen from this equation, the generated force F increases as the Young's modulus E, the thicknesses h1 and h2, and the width W increase, and as the length L decreases.

また、本実施形態では、第１電極層１１および第２電極層１２中における金属微粒子１１ａ、１２ａの含有量を０．５重量比より大きく、かつ、０．８重量比以下としている。金属微粒子１１ａ、１２ａの含有量をある程度多くしないと、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ことができない反面、多くし過ぎるとイオン液体１４ｂを取り込むことができなくなる。 Further, in the present embodiment, the contents of the metal fine particles 11a and 12a in the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 are set to be larger than 0.5 weight ratio and 0.8 weight ratio or less. Unless the contents of the metal fine particles 11a and 12a are increased to some extent, the resistance values of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 cannot be reduced, but if the resistance values are too large, the ionic liquid 14b cannot be taken in.

第１電極層１１および第２電極層１２中における金属微粒子１１ａ、１２ａの重量比と高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆとの関係を調べたところ、図６に示す結果となった。この結果より、金属微粒子１１ａ、１２ａの重量比を０．５より大きく、かつ、０．８以下にすると、発生力Ｆが５以上にすることができ、所望の発生力Ｆを得ることが可能になる。 The relationship between the weight ratio of the metal fine particles 11a and 12a in the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 and the generated force F for bending the polymer actuator 10 was investigated, and the results shown in FIG. 6 were obtained. From this result, when the weight ratio of the metal fine particles 11a and 12a is larger than 0.5 and 0.8 or less, the generated force F can be 5 or more, and a desired generated force F can be obtained. become.

さらに、本実施形態では、イオン液体１４ｂの粘度を０．００１〜０．１Ｐａ・ｓｅｃとしている。イオン液体１４ｂの粘度が大きすぎると高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆが小さくなり、粘度が小さ過ぎると電解質層１３の形状を保持することが難しくなる。 Further, in the present embodiment, the viscosity of the ionic liquid 14b is 0.001 to 0.1 Pa · sec. If the viscosity of the ionic liquid 14b is too large, the generated force F that bends the polymer actuator 10 becomes small, and if the viscosity is too small, it becomes difficult to maintain the shape of the electrolyte layer 13.

イオン液体１４ｂの粘度と高分子アクチュエータ１０を屈曲させる発生力Ｆとの関係を調べたところ、図７に示す結果となった。この結果より、イオン液体１４ｂの粘度を０．１Ｐａ・ｓｅｃ以下にすると、発生力Ｆを大きくすることができ、所望の発生力Ｆを得ることが可能になる。一方、実験によれば、少なくとも粘度が０．００１Ｐａ・ｓｅｃまでは電解質層１３の形状を維持できることが確認できた。したがって、イオン液体１４ｂの粘度を０．００１〜０．１Ｐａ・ｓｅｃとすることで、所望の発生力Ｆを得つつ、電解質層１３の形状を維持することが可能となる。 When the relationship between the viscosity of the ionic liquid 14b and the generated force F for bending the polymer actuator 10 was investigated, the results shown in FIG. 7 were obtained. From this result, when the viscosity of the ionic liquid 14b is set to 0.1 Pa · sec or less, the generating force F can be increased and a desired generating force F can be obtained. On the other hand, according to the experiment, it was confirmed that the shape of the electrolyte layer 13 can be maintained at least until the viscosity is 0.001 Pa · sec. Therefore, by setting the viscosity of the ionic liquid 14b to 0.001 to 0.1 Pa · sec, it is possible to maintain the shape of the electrolyte layer 13 while obtaining a desired generating force F.

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態では、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を利用したが、本実施形態では、陽イオンと陰イオンが共にマイナス側の電極層に移動する電気浸透流を利用して高分子アクチュエータ１０を変形させる。 (Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, electrophoresis was used in which cations move to the negative electrode layer and anions move to the positive electrode layer, but in this embodiment, both cations and anions are on the negative side. The polymer actuator 10 is deformed by utilizing the electroosmotic flow moving to the electrode layer of the above.

本実施形態の高分子アクチュエータ１０は、電気浸透流が発生するための条件を満たす構成とされている。具体的には、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％以下とされている。このような電解質層１３は、混合体１４中のイオン液体１４ｂの量を調整して、混合体１４を第１電極層１１の上にキャストすることによって製造することができる。なお、本実施形態では、ポリマー１４ａと絶縁材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、絶縁材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。 The polymer actuator 10 of the present embodiment is configured to satisfy the conditions for generating an electroosmotic flow. Specifically, the volume occupancy of the ionic liquid 14b in the electrolyte layer 13 is 40% or more and 70% or less. Such an electrolyte layer 13 can be produced by adjusting the amount of the ionic liquid 14b in the mixture 14 and casting the mixture 14 onto the first electrode layer 11. In the present embodiment, the liquid cast on the first electrode layer 11 is agitated in order to form a movement path of the ionic liquid 14b between the polymer 14a and the insulating material 13a. At this time, stirring using an ultrasonic disperser or stirring for a long time is not performed, for example, stirring is limited to about 5 minutes using a rotary stirrer, and the insulating material 13a and the ionic liquid 14b are observed under a microscope, for example. Keep the state divided to the extent that it can be identified by.

また、本実施形態では、ポリマー１４ａの表面が負に帯電している。例えば、ナフィオンはＳＯ^３−を含むので、ポリマー１４ａをナフィオンで構成することにより、ポリマー１４ａの表面を負に帯電させることができる。また、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。 Further, in the present embodiment, the surface of the polymer 14a is negatively charged. For example, since the naphthion contains SO ^3- , the surface of the polymer 14a can be negatively charged by forming the polymer 14a with the naphthon. Further, even when the polymer 14a is composed of PVDF and PMMA, the surface of the polymer 14a can be negatively charged by adding a composition corresponding to SO ^3- of Nafion to the polymer 14a.

なお、例えば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、第１実施形態と同様に、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し、第１電極層１１、電解質層１３、第２電極層１２を順に積層することで、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１０を製造することができる。これにより、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。 When the two electrode layers and the electrolyte layer 13 are pressure-bonded with each other using, for example, a hot press, the polymer 14a is deteriorated by heat and the negative charge amount is reduced. On the other hand, as in the first embodiment, casting of the mixture 14 and the like and volatilization of the solvent at about 60 ° C. are repeated, and the first electrode layer 11, the electrolyte layer 13, and the second electrode layer 12 are laminated in this order. By doing so, the polymer actuator 10 can be manufactured at a lower temperature than when a hot press is used. As a result, deterioration of the polymer 14a due to heat can be suppressed, and the surface of the polymer 14a can be kept in a negatively charged state.

また、本実施形態の絶縁材１３ａは、等電点が７以下の絶縁物とされており、シリカで構成されている。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、絶縁材１３ａは、電解質層１３において負に帯電している。また、絶縁材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。 Further, the insulating material 13a of the present embodiment is an insulator having an isoelectric point of 7 or less, and is made of silica. Since the isoelectric point of silica is about 4, and the pH of the ionic liquid 14b is about 7, the insulating material 13a is negatively charged in the electrolyte layer 13. Further, the insulating material 13a has a diameter of 1 μm or more and a thickness of the electrolyte layer 13 or less.

本実施形態の絶縁材１３ａは、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とともに、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、電気浸透流を促進する役割を果たす。なお、絶縁材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。 The insulating material 13a of the present embodiment plays a role of maintaining insulation between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12, and increases the amount of negative charge on the path wall surface to which the ionic liquid 14b moves. It plays a role in promoting electroosmotic flow. The insulating material 13a may be composed of another insulator having an isoelectric point equal to or lower than the pH of the ionic liquid 14b.

電気浸透流を発生させるための条件について説明する。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８に示す結果となった。 The conditions for generating an electroosmotic flow will be described. In order to generate the electroosmotic flow, the volume occupancy of the ionic liquid 14b in the electrolyte layer 13 needs to be sufficiently high. The relationship between the volume occupancy of the ionic liquid 14b and the displacement amount and generated force of the polymer actuator 10 was investigated, and the results shown in FIG. 8 were obtained.

図８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。後述するように、電気浸透流では電気泳動に比べて変位量が大きくなることから、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る。したがって、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。 As can be seen from the graph of FIG. 8, when the volume occupancy of the ionic liquid 14b is about 40%, the displacement amount and the generated force of the polymer actuator 10 greatly increase as the volume occupancy of the ionic liquid 14b increases. As will be described later, since the displacement amount of the electroosmotic flow is larger than that of electrophoresis, it is considered that the electroosmotic flow is generated when the volume occupancy of the ionic liquid 14b is 40% or more. Therefore, it is preferable that the volume occupancy of the ionic liquid 14b is 40% or more.

なお、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。 The shape of the electrolyte layer 13 is maintained as a film by entwining the molecules of the polymer 14a, but when the volume occupancy of the ionic liquid 14b becomes larger than 90%, the molecules of the polymer 14a do not entangle and the electrolyte The shape of the layer 13 cannot be kept in a film shape. Therefore, in order to maintain the shape of the film of the electrolyte layer 13 by entwining the molecules of the polymer 14a, it is preferable that the volume occupancy of the ionic liquid 14b is 90% or less.

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と絶縁材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。 Further, the electroosmotic flow is generated in a path having a diameter of 1 μm or less. Therefore, the volume occupancy of the ionic liquid 14b is preferably equal to or less than the volume occupancy when the maximum value of the diameter of the path formed between the polymer 14a and the insulating material 13a is about 1 μm.

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。 When the path contained in the electrolyte layer 13 was examined when the volume occupancy of the ionic liquid 14b was 40%, the diameter of the path was about 500 nm at the maximum.

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。 The volumes of the polymer 14a and the ionic liquid 14b when the volume occupancy of the ionic liquid 14b is 40% and the diameter of the path contained in the electrolyte layer 13 is about 500 nm at the maximum are defined as V1 and V2, respectively. Further, assuming that the shape of the path is cylindrical and the length of the path does not change and the diameter changes due to the change in the volume occupancy of the ionic liquid 14b, the volume of the polymer 14a is V1 and the maximum value of the diameter of the path. The volume of the ionic liquid 14b when is about 1 μm is 4V2.

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。 When the volume of the polymer 14a is V1 and the volume of the ionic liquid 14b is 4V2, the volume occupancy of the ionic liquid 14b is {4V2 / (V1 + 4V2)} × 100 [%]. From V1: V2 = 60:40, the volume occupancy of the ionic liquid 14b when the maximum value of the diameter of the path is about 1 μm is about 73%. Therefore, it is considered that the diameter of the path can be reduced to 1 μm or less by setting the volume occupancy of the ionic liquid 14b to 70% or less.

以上より、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。 From the above, in order to generate an electroosmotic flow and improve the characteristics of the polymer actuator 10, the volume occupancy of the ionic liquid 14b is preferably 40% or more and 90% or less, and 40% or more and 70% or less. Is more preferable.

また、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。ポリマー１４ａの表面を負に帯電させることにより、イオン液体１４ｂの陽イオンが経路の側壁に偏在するようになり、陽イオン同士の剥離が発生して、陽イオンと陰イオンが共にマイナス側の電極層に移動する。 Further, in order to generate an electroosmotic flow, the surface of the polymer 14a needs to be negatively charged. By negatively charging the surface of the polymer 14a, the cations of the ionic liquid 14b become unevenly distributed on the side wall of the path, and the cations are separated from each other, so that both the cations and the anions are on the negative side electrode. Move to a layer.

本実施形態の高分子アクチュエータ１０は、これらの条件を満たす構成とされているので、第１電極層１１と第２電極層１２との間に電圧が印加されると、電気浸透流が発生する。電気浸透流では、陽イオンおよび陰イオンが共にマイナス側の電極層に向かって移動し、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の量に応じて膨張するので、電気泳動の場合に比べて高分子アクチュエータ１０の変形量が大きくなる。 Since the polymer actuator 10 of the present embodiment is configured to satisfy these conditions, an electroosmotic flow is generated when a voltage is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12. .. In the electroosmotic flow, both cations and anions move toward the negative electrode layer, and the negative electrode layer expands according to the amount of the ionic liquid 14b that has entered the negative electrode layer. The amount of deformation of the polymer actuator 10 is larger than that in the case of electrophoresis.

また、電気泳動では、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ので、イオン移動による電流が発生する。したがって、図９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。 Further, in electrophoresis, cations move to the negative electrode layer and anions move to the positive electrode layer, so that a current is generated due to ion movement. Therefore, as shown in FIG. 9, since the current value increases as the displacement amount due to electrophoresis increases, it is necessary to increase the power consumption of the polymer actuator 10 in order to increase the displacement amount.

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１０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。 On the other hand, in the electroosmotic flow, since the ion flow is generated by the electric field, almost no current is generated. When electrophoresis or charge transfer on the side of the path occurs together with the electroosmotic flow, a current is generated and the displacement amount is reduced. As a result, as shown in FIG. 10, the current value decreases as the displacement amount increases. Therefore, by adjusting the manufacturing process of the polymer actuator 10, it is possible to increase the displacement amount and reduce the power consumption, which increases the advantages of the polymer actuator 10 in application application.

なお、図９、図１０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１１、図１２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。 In addition, 9 and 10 show that a plurality of polymer actuators 10 are manufactured by variously changing the detailed conditions of the manufacturing process, and the apparatus shown in FIGS. 11 and 12 is used for each of the manufactured polymer actuators 10. It is a graph which shows the relationship between the current value and the displacement amount investigated by the above.

図１１、図１２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。 In the devices shown in FIGS. 11 and 12, one end of both ends of the polymer actuator 10 in the longitudinal direction is sandwiched and fixed by two pressing plates 20 from both sides in the thickness direction. Then, a DC voltage is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 via the pressing plate 20. Further, the portion of the polymer actuator 10 that is not sandwiched between the pressing plates 20 is displaceable in the thickness direction. Let δ be the amount of displacement in the thickness direction of the tip portion of the polymer actuator 10 on the side opposite to the holding plate 20.

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とされている。なお、本実施形態では、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Ｗは２ｍｍとされている。 The length of the portion of the polymer actuator 10 sandwiched between the pressing plates 20 is 5 mm, and the length L is 10 mm. In the present embodiment, the length of the portion of the polymer actuator 10 that can be displaced in the thickness direction is L. Further, the width W of the polymer actuator 10 is set to 2 mm.

図９、図１０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。 The horizontal axis of the graphs of FIGS. 9 and 10 shows the current flowing between the two electrode layers immediately after the voltage is applied when a DC voltage of 3 V is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12. The vertical axis is the amount of displacement δ of the tip of the polymer actuator 10.

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。 Further, when the polymer actuator 10 is operated by electrophoresis, if the thickness of the electrolyte layer 13 is reduced, the rigidity of the polymer actuator 10 is reduced, so that the amount of displacement is large, but the generated force is small.

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。 When the polymer actuator 10 is operated by an electroosmotic flow, if the thickness of the electrolyte layer 13 is reduced, the rigidity of the polymer actuator 10 is reduced as in the case of electrophoresis, the generated force is reduced, and the displacement amount is increased. The effect works. On the other hand, when the thickness of the electrolyte layer 13 is reduced, the electric field strength between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 is increased, so that the electroosmotic flow is increased and the expansion pressure of each electrode layer is also increased. As a result, the effect of increasing both the displacement amount and the generated force works.

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１３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１３は、第１電極層１１、第２電極層１２の厚みｈ１を２００μｍとして、電解質層１３の厚みｈ２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。 The amount of decrease in the generated force due to the decrease in the rigidity of the polymer actuator 10 and the amount of increase in the generated force due to the increase in the electroosmotic flow are substantially the same. Therefore, when the polymer actuator 10 is operated by the electroosmotic flow, as shown in FIG. 13, if the thickness of the electrolyte layer 13 is reduced, the displacement amount becomes large and the generated force hardly changes. Note that FIG. 13 is a graph showing the displacement amount characteristics and the generating force characteristics when the thickness h1 of the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 is set to 200 μm and the thickness h2 of the electrolyte layer 13 is changed.

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。 In this way, when the polymer actuator 10 is operated by the electroosmotic flow, only the displacement amount of the displacement amount and the generated force can be changed by adjusting the thickness of the electrolyte layer 13, which is desired. It is easy to obtain the characteristics of displacement amount and generated force. Therefore, when the polymer actuator 10 is operated by an electroosmotic flow, the design range when applied to an application is widened, and the polymer actuator 10 becomes easy to use.

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、動作によるヤング率Ｅの変動が大きくなる。 Further, in bending by electrophoresis, cations and anions are collected in the negative electrode layer and the positive electrode layer by the electric field between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12, respectively. Fluctuation becomes large.

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１４に示すように、変位量δと発生力Ｆとの関係が、数式１、および、下記の数式２に示す力学的な理論式に近いものとなる。すなわち、ヤング率Ｅの増加に伴い、変位量δが減少し、発生力Ｆ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。 On the other hand, when the polymer actuator 10 is operated by an electroosmotic flow and controlled, the materials such as the insulating material 13a and the polymer 14a added to the electrolyte layer 13 are electrically stimulated to move the ionic liquid 14b. ing. Therefore, as compared with the case of electrophoresis, the movement of ions becomes easier to follow the mechanical characteristics, and as shown in FIG. 14, the relationship between the displacement amount δ and the generated force F is expressed in Formula 1 and Formula 2 below. It is close to the mechanical theoretical formula shown. That is, as the Young's modulus E increases, the displacement amount δ decreases and the generated force F increases. Therefore, when the electroosmotic flow is used, the design of the polymer actuator 10 becomes easy.

なお、数式２は、δ＜Ｌのときの理論式である。βは、イオン液体１４ｂの移動し易さを表す係数である。また、図１４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。 The mathematical formula 2 is a theoretical formula when δ <L. β is a coefficient representing the ease of movement of the ionic liquid 14b. Further, FIG. 14 is a graph showing the measurement results when a DC voltage of 2 V is applied between the first electrode layer 11 and the second electrode layer 12 with h1 = h2 = 200 μm, L = 10 mm, and W = 2 mm. Is.

このように、本実施形態では、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。また、高分子アクチュエータ１０を電気浸透流で動作させる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、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。 As described above, in the present embodiment, the characteristics of the polymer actuator 10 can be improved by generating an electroosmotic flow. Further, in the present embodiment in which the polymer actuator 10 is operated by the electroosmotic flow, the same effect as that in the first embodiment can be obtained. Further, by increasing the volume occupancy of the ionic liquid 14b in the electrolyte layer 13, the amount of the ionic liquid 14b flowing by the electroosmotic flow can be increased, and the amount of deformation of the polymer actuator 10 can be increased.

また、電解質層１３において絶縁材１３ａを負に帯電させることにより、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。 Further, by negatively charging the insulating material 13a in the electrolyte layer 13, the amount of negative charge on the wall surface of the path through which the ionic liquid 14b moves is increased, the electroosmotic flow is promoted, and the characteristics of the polymer actuator 10 are further enhanced. Can be improved.

また、絶縁材１３ａによる電気浸透流の促進の効果は、絶縁材１３ａがポリマー１４ａに付着しているときに高くなる。そして、絶縁材１３ａの直径があまりに小さいと、絶縁材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。 Further, the effect of promoting the electroosmotic flow by the insulating material 13a is enhanced when the insulating material 13a is attached to the polymer 14a. If the diameter of the insulating material 13a is too small, the insulating material 13a does not adhere to the polymer 14a and exists only inside the path formed between the polymers 14a, so that the effect of promoting the electroosmotic flow is reduced. there is a possibility.

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、絶縁材１３ａの直径が１μｍ未満の場合、絶縁材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。 As described above, in the present embodiment, the diameter of the path is set to 1 μm or less by adjusting the amount of the ionic liquid 14b in order to generate an electroosmotic flow. Therefore, when the diameter of the insulating material 13a is less than 1 μm, the insulating material 13a may not adhere to the polymer 14a and may exist only inside the path.

これについて、本実施形態では、絶縁材１３ａの直径が１μｍ以上とされているため、絶縁材１３ａをポリマー１４ａに付着させ、絶縁材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、絶縁材１３ａが電解質層１３に含まれていることから、絶縁材１３ａの直径は電解質層１３の膜厚以下となる。 Regarding this, in the present embodiment, since the diameter of the insulating material 13a is 1 μm or more, the insulating material 13a is adhered to the polymer 14a to enhance the effect of promoting the electroosmotic flow by the insulating material 13a, thereby increasing the polymer. The characteristics of the actuator 10 can be further improved. Since the insulating material 13a is contained in the electrolyte layer 13, the diameter of the insulating material 13a is equal to or less than the film thickness of the electrolyte layer 13.

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中に絶縁材１３ａを混合した液体の攪拌を、絶縁材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絶縁材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。 Further, in the present embodiment, in the step of forming the electrolyte layer 13, the stirring of the liquid in which the insulating material 13a is mixed in the mixture 14 is divided into such a degree that the insulating material 13a and the ionic liquid 14b can be distinguished by microscopic observation. It is kept to the extent that it can be maintained. As a result, the anions contained in the ionic liquid 14b are trapped in the insulating material 13a and the electroosmotic flow is promoted, so that the characteristics of the polymer actuator 10 can be further improved.

（他の実施形態）
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。 (Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified within the scope of the claims.

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。 For example, the shape of the polymer actuator 10 is not necessarily strip-shaped, and may be another shape, for example, a square shape such as a square shape. Further, one member may be formed by laminating a plurality of polymer actuators 10 to a flat member. For example, by attaching a plurality of polymer actuators 10 to a flat mirror, a variable curvature mirror capable of varying the curvature of the mirror can be obtained.

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
１１ｂ、１２ｂ樹脂層
１３電解質層
１３ａ絶縁材
１４混合体
１４ａポリマー
１４ｂイオン液体
10 Polymer actuators 11, 12 First and second electrode layers 11a, 12a Metal fine particles 11b, 12b Resin layer 13 Electrolyte layer 13a Insulator 14 Mixture 14a Polymer 14b Ionic liquid

Claims

An electrolyte containing a mixture (14) of an ionic liquid (14b) and a polymer (14a) and an insulating material (13a) that traps anions in the ionic liquid, and the insulating material is mixed with the mixture. Layer (13) and
The metal fine particles (11a) arranged on one side of the electrolyte layer and coated with the resin layer (11b) were contained in the mixture , and the thickness of the resin layer was made smaller than the diameter of the metal fine particles . 1 electrode layer (11) and
The metal fine particles (12a) arranged on the other side of the electrolyte layer, which is opposite to the one side, and coated with the resin layer (12b) are contained in the mixture , and the thickness of the resin layer is adjusted to the metal fine particles. A polymer actuator characterized by having a second electrode layer (12) smaller than the diameter of the particle .

An electrolyte containing a mixture (14) of an ionic liquid (14b) and a polymer (14a) and an insulating material (13a) that traps anions in the ionic liquid, and the insulating material is mixed with the mixture. Layer (13) and
A first electrode layer (11) arranged on one side of the electrolyte layer and containing metal fine particles (11a) in the mixture, and
It has a second electrode layer (12) arranged on the other side of the electrolyte layer, which is opposite to the one side, and the mixture contains metal fine particles (12a).
A polymer actuator characterized in that the insulating material is silica and the weight ratio of the silica contained in the electrolyte layer is 0.03 to 0.2.

An electrolyte containing a mixture (14) of an ionic liquid (14b) and a polymer (14a) and an insulating material (13a) that traps anions in the ionic liquid, and the insulating material is mixed with the mixture. Layer (13) and
A first electrode layer (11) arranged on one side of the electrolyte layer and containing metal fine particles (11a) in the mixture, and
It has a second electrode layer (12) arranged on the other side of the electrolyte layer, which is opposite to the one side, and the mixture contains metal fine particles (12a).
A polymer actuator characterized in that the weight ratio of the metal fine particles in the first electrode layer and the weight ratio of the metal fine particles in the second electrode are more than 0.5 and 0.8 or less.

The polymer actuator according to claim 1 or 3, wherein the insulating material is silica, and the weight ratio of the silica contained in the electrolyte layer is 0.03 to 0.2.

1 or claim 1, wherein the weight ratio of the metal fine particles in the first electrode layer and the weight ratio of the metal fine particles in the second electrode are more than 0.5 and 0.8 or less. 2. The polymer actuator according to 2.

The polymer actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein the viscosity of the ionic liquid is 0.001 to 0.1 Pa · sec.