JPH04165974A - 電場応答素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電場応答素子に関し、さらに詳しくは、電気
エネルギーを力学的エネルギー等に変換する機能を有し
、微小なアクチュエータや計器類のインジケータ等とし
て利用可能な電場応答素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、親水性の高分子ゲルであって、電圧印加を受けて
収縮するもの（特開昭６２−１５１８２４号）や曲折あ
るいは屈伸するもの（特開昭６１−４７３１号）か知ら
れている。これらは、電圧印加時における水の中での電
解質イオンの移動に基づき、ゲルの内部に浸透圧差を発
生させて収縮、屈伸等の変化を起こさせるものである。

〔従来技術の問題点〕

しかし、これらのゲルは、その機能上、電解質の水溶液
中で使用されるため、電圧印加時の消費電力が大きくな
り、また水の電気分解を起こすことから、電気エネルギ
ーの変換効率か悪くなるという問題があった。

また、ゲルの変化状態を維持し続けるためには、電圧印
加を継続しなければならず、電力消費の面で不経済であ
った。

〔着眼点〕

本願発明者らは、親水性ゲルの場合とは異なる原理に基
づく高分子ゲルの電場応答反応が有機溶媒中で起こり得
ることを知り、これにより従来技術の問題点を解消し得
ることに着眼して、本願発明を完成した。

〔本願発明の説明〕

（発明の目的） 本願発明の目的は、電気エネルギーや電力消費の無駄が
少ない電場応答素子を提供することである。

（発明の構成） 本願発明の構成は、共役不飽和結合構造を有する有機溶
媒親和性の高分子ゲルと、この高分子ゲルに接触させた
電極と、前記高分子ゲルに電場応答性を与える支持電解
質と、を有機溶媒中に含む電場応答素子である。

（作用・効果） 電極を介して高分子ゲルに電圧を印加すると、その共役
不飽和結合構造部分の荷電が強まり、この部分か支持電
解質のイオンに対して結合する。

こうして、高分子ゲル中に支持電解質のイオンによる新
たな架橋か形成され、ゲルの架橋密度が高まるので、ケ
ルに含まれていた有機溶媒か排除されてゲルが収縮する
。この現象から、本発明の電場応答素子をアクチュエー
タ、特にいわゆるマイクロアクチュエータに応用するこ
とかできる。

上記の高分子ゲルの収縮の程度は、電流の大きさと印加
時間との積に比例する。従って、上記のアクチュエータ
の作動量を定量的にコントロールし得る。

高分子ゲルの収縮状態において、電圧印加を打ち切って
も、支持電解質のイオンによる架橋（イオン結合）は開
裂しないので、高分子ゲルの収縮状態が維持される。こ
のため、前記した従来の親水性ゲルに比へて電力消費の
無駄がない。支持電解質のイオンによる架橋は、初めの
電圧とは正負が逆の電圧を印加した場合に開裂し、高分
子ゲル膨潤状態に戻る。

電圧印加状態においては、無論のことに、有機溶媒の電
気分解は起こらない。また、有機溶媒はもともと導電性
がない。以上の点から、前記従来の親水性ゲルに比し、
低電圧で作動させることかでき、電力消費量が少なく′
て済む。

支持電解質のイオンは、多くの場合において高分子ゲル
に着色を与え、しかもそのイオンが共役不飽和結合構造
部分と結合しているか否かによって色が異なり（例えば
、青色とオレンジ色）、結合の形成度合によって色の濃
さも異なることが知られている。従って、本発明の電場
応答素子を計器類（例えは、積算電量計）の色表示式イ
ンジケータとして用い得る。

〔本願のその他の発明の説明〕

次に、前記の本願発明をより具体化したその他の発明に
ついて説明する。

「高分子ケル」とは、有機高分子の架橋構造体であって
、溶媒に溶解していまう程に架橋密度の低いものと、溶
媒に対する膨張の能力を示さない程に架橋密度の高いも
のとの中間の架橋密度を有し、溶媒の吸収による膨潤と
溶媒の排除による収縮とが可能なものをいう。具体的な
架橋密度は、有機高分子および溶媒の種類によって異な
るので、−律に示すことができない。

［有機溶媒親和性の高分子ゲル」とは、有機溶媒中で膨
潤能力を示す高分子ゲルを言う。かかる膨潤能力を示す
ためには、ゲルを構成する有機高分子が有機溶媒親和性
を示す部分、即ち炭素鎖又は炭素環あるいは炭素を主と
する複素環を持つ必要かある。炭素鎖としては少なくと
も炭素数か３以上のものが主鎖または側鎖部分に存在す
ることが望ましい。

「共役不飽和結合構造」とは、不飽和結合構造に基づく
π電子系を有する構造を言う。周知のように、鎖状有機
高分子、環状有機高分子のいずれにおいても、このよう
な構造を持つものが多数存在する。

共役不飽和結合構造を有する有機溶媒親和性の高分子ゲ
ルは、公知の電解重合法や化学重合法によって合成でき
るが、合成の容易さ、ゲルの安定性等を総合的に考えて
、本願発明者は今の処、ポリチオフェン類やポリピロー
ル類あるいはそれらの共重合体ゲルが最も望ましいと考
えている。勿論、これらに限定する趣旨ではない。

共役不飽和結合構造の多くのものは、上記したポリチオ
フェンやポリピロールのように、電子受容性のドーパン
トによりそのπ電子系が正に荷電するものであるが、中
には複数の二重結合を含む炭素鎖からなる共役不飽和結
合構造であって、電子供与性のドーパントによってその
π電子系の一部に電子か付加することにより全体として
負に荷電するものもある。このような、ドーピングによ
って負荷電の共役不飽和結合構造となり得る高分子ゲル
も使用可能である。

電場応答素子における上記高分子ゲルは、他種の物質、
例えば、有機溶媒親和性のないものや、共役不飽和結合
構造を有しない物との組成物を形成していても、全体と
して有機溶媒親和性と電場応答性とを示す限り支障ない
。

電極は、有機溶媒で膨潤した高分子ゲルに接触させて用
いられる。電極は必ずしも金属製でなくても良いし、板
状でなくても良く、さらには剛性材料からなるものでな
くても良い。要は、高分子ケルの収縮や膨潤を妨げない
ような材料、形状、接触態様において用いられる。また
、本発明では高分子ゲルの収縮、膨潤は電極への印加電
圧の正、負の切替えによって行うので、電極は正極と負
極とに切替え可能なように構成する。

「支持電解質」とは、電圧印加時において高分子ゲルの
不飽和結合構造部分との架橋構造を形成すべきイオンを
供給する電解質をいう。支持電解質は、有機物でも無機
物でも良いが、有機溶媒可溶なものか望ましい。高分子
ゲルの前記π電子系が正に荷電している場合は支持電解
質の陰イオンが、また、π電子系が負に荷電している場
合は支持電解質の陽イオンが、それぞれ架橋構造を形成
するために供給される。陰イオンとしては、Ｃｊ２０４
−１ＢＦ４−１ＰＦ、−等が、また、陽イオンとしては
Ｌｉ＋や四級アルキルアンモニウムイオン等がそれぞれ
例示されるが、これらに限定するものではない。

高分子ゲルに電場応答反応を起こさせるための電圧を直
流で印加する場合は、前記のように電極の正・負の切り
換えにより電場応答をコントロールする。一方交流電場
を印加すると、例えは高分子ケルの振動のようなサイク
リックな電場応答反応を示すので、微小振動を得るため
のマイクロアクチュエータや周期的に作動するスイッチ
ング素子として用い得る。

なお、前記した電場応答反応のメカニズムから、π電子
系か正に荷電している高分子ゲルでは、正電圧を印加し
たときにその電圧の高さや電圧印加時間に応じた程度に
収縮か起こり、負電圧を印加した時にその電圧や印加時
間に応じた程度の膨潤か起こる。π電子系が負に荷電し
ている高分子ゲルでは、印加電圧の正、負と高分子ゲル
の収縮、膨潤の関係は上記とは逆になる。

「有機溶媒」としては、例えばクロロホルム、ベンゼン
、テトラヒドロフラン等を挙げることができるが、他種
の任意の有機溶媒を用いても良い。

〔実施例〕 （実施例１） ３−ブチルチオフェン０．１モル、ビス（３−チオフェ
ニル）オクタン５ミリモルおよび過塩素酸テトラブチル
アンモニウム０．０２モルのニトロベンゼン溶液を電解
液として、白金電極上で１ｍＡ／　ｃｎｆの定電流で電
解重合を行い、ポリ（３−ブチルオフエン）の高分子ゲ
ルを得た。この高分子ゲルを引き続いて−１ｍ　Ａ　／
　ｃｒｌで脱ドープした処、オレンジ色を呈した。かか
る脱ドープ状態のオレンジ色の高分子ゲル（膨潤率４．
２）を、支持電解質である０、０２モル過塩素酸テトラ
ブチルアンモニウムのテトラヒドロフラン溶液中で電極
に接触させて電場応答素子を構成した。

図は、上記の電場応答素子に対して初めに正電圧（ＩＯ
Ｖ）を印加し、次いて負電圧（−１０■）を印加した時
の膨潤度比（初発の膨潤度に対するある時点での膨潤度
の比）と色彩変化との推移を示したグラフである。図に
示すように、初めに１０■の正電圧を印加すると、高分
子ゲルが収縮して約５秒で膨潤度比が０．７程度（初め
の体積の７０％程度の体積）となり、同時に色彩がオレ
ンジ色から青色へ変化した。この状態で５分装置いた後
、次に一１ＯＶの負電圧を印加すると、時間の経過に従
って膨潤度比が直線的に増大して行った。また、膨潤度
比が０．８５を超える頃に色彩が青色からオレンジ色へ
戻っていった。

（実施例２） ３−オクチルチオフェン０．０５モル、３−へキシルチ
オフェン０．０５Ｍ、過塩素酸テトラブチルアンモニウ
ム０．０２Ｍおよびビス（３−チオフェニル）オクタン
２ミリモルのニトロベンゼン溶液を電解液として、白金
電極上で１　ｍ　Ａ　／　ｃ♂の定電流で電解共重合を
行い、過塩素酸イオンがドープされた状態の上記チオフ
ェン類の共重合体の高分子ゲル（青色）を得た。この高
分子ゲルを０．０２モル過塩素酸テトラブチルアンモニ
ウムのテトラヒドロフラン溶液中で電極に接触させて負
電圧（−１０Ｖ）を印加すると、次第に膨張して１５分
後には膨潤度比か１．５となり、また色彩がオレンジ色
に変化していた。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例における電場応答反応の様子を示
すグラフである。 図 時間　（分）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 共役不飽和結合構造を有する有機溶媒親和性の高分子ゲ
   ルと、この高分子ゲルに接触させた電極と、前記高分子
   ゲルに電場応答性を与える支持電解質と、を有機溶媒中
   に含むことを特徴とする電場応答素子。