WO2011118391A1 - 高分子アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

高分子アクチュエータおよびその製造方法 Download PDF

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polymer
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佐々木　真
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アルプス電気株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/005—Electro-chemical actuators; Actuators having a material for absorbing or desorbing gas, e.g. a metal hydride; Actuators using the difference in osmotic pressure between fluids; Actuators with elements stretchable when contacted with liquid rich in ions, with UV light, with a salt solution

Definitions

  • the present invention relates to a polymer actuator in which electrode layers are laminated on both sides of an ion conductive layer formed of a polymer fiber to bend and deform, and a manufacturing method thereof.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 describe inventions related to polymer actuators.
  • This polymer actuator has a structure in which an ion conductive layer is sandwiched between two electrode layers.
  • the ion conductive layer is a gel composition of a polymer and an ionic liquid
  • the electrode layer is a gel composition of a carbon nanotube and a polymer and an ionic liquid, or a gel composition of a carbon nanotube and an ionic liquid. It is a thing.
  • the polymer actuator has the advantage that it can operate stably in air or in vacuum and can be driven with low voltage and low power consumption. However, further improvement in driving efficiency such as displacement and generated force is desired. .
  • the present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a polymer actuator that can further improve driving efficiency.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing a polymer actuator that can further improve driving efficiency.
  • the present invention relates to a polymer actuator in which an ion conductive layer is sandwiched between two electrode layers and bends when a voltage is applied between the two electrode layers.
  • the ion conductive layer includes a fiber layer in which polymer fibers are laminated, and an ionic liquid contained in the fiber layer.
  • the polymer actuator of the present invention can contain a relatively large amount of ionic liquid because fine voids are formed inside the fiber layer constituting the ion conductive layer. As a result, it is possible to obtain a large deformation amount and a large generated force.
  • the fiber layer includes fibers having different diameters.
  • the present invention preferably includes fibers having a diameter that is two or more times different, and further preferably includes fibers having a diameter that is five or more times different.
  • the present invention preferably includes fibers having a diameter of 5 ⁇ m or more, and more preferably includes a fiber having a diameter of 1 ⁇ m or less and a fiber having a diameter of 6 ⁇ m or more.
  • the fiber layer tends to have a structure in which other fibers having a diameter smaller than that of the fibers enter the gaps between the fibers.
  • the fiber layer preferably has a porosity of 10% to 70%. Further, the range of 20% to 50% is more preferable.
  • the present invention can be configured such that the electrode layer contains at least a conductive filler and an ionic liquid.
  • the present invention provides a polymer actuator manufacturing method in which an ion conductive layer is sandwiched between two electrode layers, and a curve is deformed when a voltage is applied between the two electrode layers. Spinning the polymer solution by electrospinning, laminating the fibers of the spun polymer to form a fiber layer, impregnating the fiber layer with an ionic liquid to form an ion conductive layer; and the ion conductive layer And a step of disposing electrode layers on both sides of the substrate.
  • the fiber layer by forming fibers having different diameters by the electrospinning method.
  • the present invention can employ a manufacturing method in which an electrode layer containing at least a conductive filler and an ionic liquid is formed by a casting method, and the electrode layer is thermocompression bonded to the ion conductive layer.
  • the polymer actuator of the present invention can easily obtain a large amount of displacement and easily generate a large force as compared with a conventional polymer actuator using a gel composition for the ion conductive layer.
  • the method for producing a polymer actuator of the present invention makes it easy to produce an ion conductive layer having a fiber layer having fine voids inside.
  • FIG. 1 shows a polymer actuator 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the Y direction is the longitudinal direction
  • the X direction orthogonal to the paper surface is the width direction
  • the Z direction is the thickness direction.
  • the polymer actuator 1 has a flat plate shape (strip shape) in which the longitudinal dimension is larger than the width dimension and the thickness dimension.
  • the polymer actuator 1 has an ion conductive layer 2.
  • the first electrode layer 3 is overlapped and bonded to one surface of the ion conductive layer 2 in the thickness direction (Z direction), and the second surface is bonded to the second surface.
  • the electrode layers 4 are overlapped and joined.
  • the ion conductive layer 2 has a thickness of about 10 to 50 ⁇ m, and the first electrode layer 3 and the second electrode layer 4 have a thickness of about 60 to 200 ⁇ m.
  • the dimension of the polymer actuator 1 in the longitudinal direction is, for example, 50 mm or less, and can be as small as 10 mm or less.
  • the ion conductive layer 2 is obtained by impregnating an ionic liquid into a fiber layer in which polymer fibers are laminated.
  • the polymer fiber is spun by the electrospinning method shown in FIG.
  • Polymers suitable for electrospinning spinning include PVDF (polyvinylidene fluoride), PVA (polyvinyl alcohol), PET (polyethylene terephthalate), PAN (polyacrylonitrile), and the like.
  • the spinning device 10 using the electrospinning method has a conductive nozzle needle 12 attached to the lower end of a syringe 11 and is formed of a conductive material such as stainless steel at a portion facing the nozzle needle 12.
  • the substrate 13 is installed.
  • a polymer solution 14 composed of a polymer and a solvent is supplied to the syringe 11 and pushed out from the nozzle needle 12.
  • the polymer solution 14 pushed out from the syringe 11 is ejected from the nozzle needle 12.
  • the fiber is spun by the force of the electric field between the nozzle needle 12 and the substrate 13.
  • the fibers 15 are deposited on the surface of the substrate 13 to form a fiber layer.
  • the solvent for example, DMAc (dimethylacetamide) or DMF (dimethylformamide) is used.
  • the polymer concentration of the polymer solution is adjusted between 10 and 30% by mass, and the viscosity of the polymer solution is adjusted between 50 and 500 cps.
  • the inner diameter of the nozzle needle 12 is about 0.1 to 2 mm.
  • the voltage between the nozzle needle 12 and the substrate 13 for forming a fiber is preferably about 10 to 20 kV.
  • Prevented fiber diameter varies depending on spinning conditions.
  • a thick fiber can be obtained by making the polymer solution high viscosity at a relatively high concentration, using a low boiling point solvent, and using the nozzle needle 12 having a relatively large inner diameter. When a relatively thick fiber is spun, the fiber branches in the space before reaching the substrate 13 from the nozzle needle 12, and it becomes easy to spin fibers having different thicknesses.
  • a fiber layer in which fibers of different thicknesses are mixed and deposited has a structure having a large number of fine voids inside, and the holding power of the ionic liquid is increased, making it suitable as the ion conductive layer 2.
  • the fiber layer constituting the ion conductive layer 2 includes fibers having different diameters.
  • the thing containing the fiber from which a diameter differs 2 times or more is preferable, and the thing containing the fiber from which a diameter differs 5 times or more is more preferable.
  • the thing containing the fiber from which a diameter differs 5 micrometers or more is preferable, for example, the thing containing the fiber whose diameter is 1 micrometer or less and the fiber whose diameter is 6 micrometers or more is preferable.
  • the ion conductive layer 2 is formed by impregnating the fiber layer of the fiber manufactured by the electrospinning method with an ionic liquid.
  • the ionic liquid is a room temperature molten salt containing a cation and an anion.
  • the fiber layer and the ionic liquid are heated to a temperature of 80 ° C. or higher when impregnating the ionic liquid, the impregnation of the ionic liquid into the fiber layer is promoted.
  • the first electrode layer 3 and the second electrode layer 4 are formed of a polymer such as PVDF, an ionic liquid, and a conductive filler.
  • a polymer such as PVDF, an ionic liquid, and a conductive filler.
  • carbon nanotubes are used as the conductive filler.
  • a composition in which a polymer solution composed of a polymer and a solvent, an ionic liquid, and carbon nanotubes are mixed is formed into a film by a casting method (spreading method), and this is superimposed on the surfaces on both sides of the ion conductive layer 2.
  • a laminate having a three-layer structure is formed by heating and pressing.
  • the polymer actuator 1 shown in FIG. 1 can be obtained by cutting a laminate having a three-layer structure into a strip shape.
  • the first electrode layer 3 and the second electrode layer 4 are formed from a conductive filler such as carbon nanotubes and an ionic liquid, formed by a casting method, and laminated on the surfaces on both sides of the ion conductive layer 2. Then, it can be hot-pressed to obtain a laminate having a three-layer structure.
  • a conductive filler such as carbon nanotubes and an ionic liquid
  • the polymer actuator 1 shown in FIG. 1 is supported in a cantilever state in which a base 1a is held and a tip 1b is a free end.
  • a driving voltage is applied between the first electrode layer 3 and the second electrode layer 4.
  • the cation is converted into the second electrode layer by the ionization action of the ionic liquid contained in the ion conductive layer 2.
  • the anion is biased toward the first electrode layer 3 side.
  • the polymer actuator 1 is curved and deformed so that the second electrode layer 4 side is the projecting side and the first electrode layer 3 is the concave side. This is considered to be because when the ionized cation is larger than the anion, the internal expansion stress on the second electrode layer 4 side becomes larger than that on the first electrode layer 3 side.
  • the polymer actuator 1 can obtain a larger displacement and a larger force than a polymer actuator in which an ion conductive layer is formed of a gel composition containing a polymer and an ionic liquid as in the prior art.
  • the ion conductive layer 2 formed of fiber has a fine void formed therein, so that it is easy to hold a large amount of ionic liquid and when the voltage is applied, the ion conductive layer 2 It is thought that this is because ions easily move in the inside.
  • the porosity of the fiber layer constituting the ion conductive layer 2 is preferably in the range of 10% to 70%, and more preferably in the range of 20% to 50%. If the porosity is less than 10%, the amount of ionic liquid that can be impregnated is not sufficient, and if the porosity exceeds 70%, the strength of the film is not sufficient, and in any case, the actuator characteristics are not sufficient.
  • the porosity can be calculated from the density of the polymer and the thickness, area, and weight of the fiber layer.
  • Example 1 A polymer solution (polymer concentration: 22% by mass) composed of 800 mg of PVDF and 3 ml (milliliter) of DMAc was used for spinning by electrospinning.
  • the inner diameter of the nozzle needle 12 used was 0.34 mm, and the voltage between the nozzle needle 12 and the substrate 13 was 17 kV.
  • the discharge amount of the polymer solution from the nozzle needle 12 was 2.0 ⁇ l (microliter) per second.
  • the fiber layer on which the fibers were laminated had a thickness of 20 ⁇ m.
  • the density of the fiber layer was 1.1 g / cm 3 and the porosity calculated from the density of PVDF (1.78 g / cm 3 ) was about 38%.
  • FIG. 3A is a photograph of the fiber layer of Example 1 observed with a scanning electron microscope.
  • the scale on the lower right is 1 ⁇ m per scale.
  • FIG. 3B is an enlarged view of FIG. 3A, and the scale on the lower right is one scale of 0.5 ⁇ m.
  • the fiber layer of Example 1 includes fibers of different dimensions.
  • the diameter of the thinnest fiber that can be observed from FIG. 3 is 0.1 to 0.2 ⁇ m, and the diameter of the thickest fiber is 5 to 10 ⁇ m.
  • the difference in diameter between the thinnest fiber and the thickest fiber is about 5 to 10 ⁇ m or more. Further, it includes fibers having a plurality of intermediate diameters such as those having a diameter of about 0.5 ⁇ m and those having a diameter of 1 to 3 ⁇ m.
  • the fiber layer of Example 1 has intermediate thickness fibers between the thick fibers, and further thinner fibers between the intermediate thickness fibers, Each thickness of fiber is intertwined. Therefore, many fine voids are easily formed inside the fiber layer by being divided by the fiber.
  • the fiber layer was impregnated with an ionic liquid at a temperature of 80 ° C. to form the ion conductive layer 2.
  • the first electrode layer 3 and the second electrode layer 4 were formed by casting a composition containing carbon nanotubes and an ionic liquid in a polymer solution composed of PVDF and DMAc, and this was formed into the fiber layer.
  • the polymer actuator 1 of Example 1 was obtained by laminating on both sides and hot pressing.
  • the thickness dimensions of the first electrode layer 3 and the second electrode layer 4 were both 130 ⁇ m.
  • Example 2 A polymer solution (polymer concentration: 14% by mass) consisting of 450 mg of PVDF and 3 ml (milliliter) of DMAc was used for spinning by electrospinning.
  • the inner diameter of the used nozzle needle 12 was 0.21 mm, and the voltage between the nozzle needle 12 and the substrate 13 was 17 kV.
  • the discharge amount of the polymer solution from the nozzle needle 12 was 1.0 ⁇ l (microliter) per second.
  • the thickness of the fiber layer on which the fibers were laminated was 18 ⁇ m.
  • the density of the fiber layer was 0.7 g / cm 3 and the porosity calculated from the density of PVDF was about 61%.
  • FIG. 4A is a photograph of the fiber layer of Example 2 observed with a scanning electron microscope.
  • the scale on the lower right is 1 ⁇ m per scale.
  • FIG. 4B is an enlarged view of FIG. 4A, and the scale on the lower right is one scale of 0.5 ⁇ m.
  • the fiber layer of Example 2 contains fibers of different dimensions.
  • the diameter of the thinnest fiber that can be observed from FIG. 4 is about 0.1 ⁇ m or less, and the diameter of the thickest fiber is 0.2 to 0.3 ⁇ m.
  • the difference in diameter between the thinnest fiber and the thickest fiber is about 0.1 to 0.3 ⁇ m.
  • the fiber layer of Example 2 has less entanglement between the fibers and larger gaps formed between the fibers than the example shown in FIG.
  • the fiber layer was impregnated with an ionic liquid at a temperature of 80 ° C. to form the ion conductive layer 2.
  • the 1st electrode layer 3 and the 2nd electrode layer 4 which are the same structure as Example 1 and the same thickness dimension are laminated
  • the polymer actuator of Example 2 is obtained by heat-pressing. It was.
  • a first electrode layer 3 and a second electrode layer 4 having the same structure and the same thickness as in Example 1 were laminated on both sides of the fiber layer, and hot pressed to obtain a polymer actuator of a comparative example.
  • a voltage was applied to the first electrode layer and the second electrode layer of the polymer actuators of Examples 1 and 2 and the comparative example to cause bending deformation.
  • the amount of displacement and the generated force at the free end when the voltage of 2.5 V was changed were measured.
  • Example 1 has a displacement of 0.54 mm and a generated force of 50 mN
  • Example 2 has a displacement of 0.35 mm and a generated force of 40 mN
  • the comparative example has a displacement of 0.3 mm and a generated force of 33 mN. there were.

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Abstract

【課題】　イオンの電離を利用した高分子アクチュエータであって、変位量と発生力の大きい高分子アクチュエータを得る。 【解決手段】　ポリマー溶液をエレクトロスピニング法で紡糸してファイバーが積層したファイバー層を形成し、このファイバー層にイオン性液体を含浸させてイオン伝導層２を形成する。ポリマーとイオン性液体およびカーボンナノチューブを含む第１の電極層３と第２の電極層４を形成し、イオン伝導層２の両側の表面に積層する。ファイバー層は内部の空隙が多く、イオン性液体が含まれやすいため、第１の電極層３と第２の電極層４に電圧を印加したときの湾曲による変位量が大きくなり、発生力も大きくなる。

Description

高分子アクチュエータおよびその製造方法
　本発明は、ポリマーのファイバーで形成されたイオン伝導層の両側に電極層が積層されて、湾曲変形する高分子アクチュエータおよびその製造方法に関する。
　以下の特許文献１と特許文献２に高分子アクチュエータに関する発明が記載されている。
　この高分子アクチュエータは、２つの電極層の間にイオン伝導層が挟まれた構造である。イオン伝導層は、ポリマーとイオン性液体とのゲル状組成物であり、電極層は、カーボンナノチューブとポリマーおよびイオン性液体とのゲル状組成物、またはカーボンナノチューブとイオン性液体とのゲル状組成物である。
　２つの電極層間に電圧を印加すると、イオン伝導層内および電極層内のイオンの電離作用により、内部に偏った応力が発生し、一方の電極層が突側で他方の電極層が凹側となるように湾曲変形する。
特開２００５－１７６４２８号公報 特開２００６－２８８０４０号公報
　前記高分子アクチュエータは、空気中または真空中で安定して動作でき、また低電圧で低消費電力で駆動できる利点があるが、変位量と発生力などの駆動効率のさらなる改良が望まれている。
　本発明は上記従来の課題を解決するものであり、駆動効率をさらに向上させることができる高分子アクチュエータを提供することを目的としている。
　また、本発明は、駆動効率をさらに向上できる高分子アクチュエータの製造方法を提供することを目的としている。
　本発明は、２つの電極層の間にイオン伝導層が挟まれ、２つの前記電極層の間に電圧が印加されると湾曲変形する高分子アクチュエータにおいて、
　前記イオン伝導層が、ポリマーのファイバーが積層されたファイバー層と、前記ファイバー層に含まれるイオン性液体とを有することを特徴とするものである。
　本発明の高分子アクチュエータは、イオン伝導層を構成するファイバー層の内部に微細な空隙が形成されているために、比較的多くのイオン性液体を含むことができる。その結果、大きな変形量と大きな発生力を得ることが可能になる。
　本発明は、前記ファイバー層に、直径が異なるファイバーが含まれていることが好ましい。
　直径が異なるファイバーが含まれていると、ファイバー層内に微細な空隙が多く形成されやすくなり、イオン伝導層の内部に多くのイオン性液体が保持されやすくなる。
　本発明は、直径が２倍以上相違するファイバーが含まれていることが好ましく、さらに直径が５倍以上相違するファイバーが含まれていることが好ましい。
　また、本発明は、直径が５μｍ以上相違するファイバーが含まれていることが好ましく、直径が１μｍ以下のファイバーと、直径が６μｍ以上のファイバーとが含まれていることがさらに好ましい。
　上記のように異なる太さのファイバーを組み合わせると、前記ファイバー層は、ファイバー間の空隙内に、そのファイバーよりも直径が小さい他のファイバーが入り込んでいる構造になりやすい。
　本発明は、前記ファイバー層の空隙率が、１０％から７０％の範囲が好ましい。また、２０％から５０％の範囲がさらに好ましい。
　本発明は、前記電極層は、少なくとも導電性フィラーとイオン性液体とを含んでいるものとして構成できる。
　次に、本発明は、２つの電極層の間にイオン伝導層が挟まれ、２つの前記電極層の間に電圧が印加されると湾曲変形する高分子アクチュエータの製造方法において、
　ポリマー溶液をエレクトロスピニング法で紡糸し、紡糸されたポリマーのファイバーを積層してファイバー層を形成し、前記ファイバー層にイオン性液体を含浸させてイオン伝導層を形成する工程と、前記イオン伝導層の両側に電極層を配置する工程と、を有することを特徴とするものである。
　本発明は、前記エレクトロスピニング法で、直径が異なるファイバーを形成して、前記ファイバー層を形成することが好ましい。
　本発明は、少なくとも導電性フィラーとイオン性液体とを含む電極層をキャスト法で形成し、前記電極層を前記イオン伝導層に熱圧着する製造方法を採用することができる。
　本発明の高分子アクチュエータは、イオン伝導層にゲル状組成物を使用した従来の高分子アクチュエータに比べて、大きな変位量を得やすく、大きな力を発生させやすくなる。
　また、本発明の高分子アクチュエータの製造方法は、内部に微細な空隙を有するファイバー層を有するイオン伝導層を製造しやすい。
本発明の実施の形態の高分子アクチュエータの構造を示す側面図、 イオン伝導層のファイバー層を製造するエレクトロスピニング法の説明図、 （Ａ）は、実施例１のファイバー層の走査型電子顕微鏡による観察写真、（Ｂ）は（Ａ）を拡大した拡大写真、 （Ａ）は、実施例２のファイバー層の走査型電子顕微鏡による観察写真、（Ｂ）は（Ａ）を拡大した拡大写真、 （Ａ）は、比較例のファイバー層の走査型電子顕微鏡による観察写真、（Ｂ）は（Ａ）を拡大した拡大写真、
　図１は本発明の実施の形態の高分子アクチュエータ１を示している。
　高分子アクチュエータ１は、Ｙ方向が長手方向で、紙面に直交するＸ方向が幅方向であり、Ｚ方向が厚さ方向である。高分子アクチュエータ１は、長手方向の寸法が幅寸法および厚さ寸法よりも大きい平板形状（短冊形状）である。
　高分子アクチュエータ１は、イオン伝導層２を有し、イオン伝導層２の厚み方向（Ｚ方向）に向く一方の表面に第１の電極層３が重ねられて接合され、他方の表面に第２の電極層４が重ねられて接合されている。イオン伝導層２の厚さ寸法は１０～５０μｍ程度、第１の電極層３と第２の電極層４の厚さ寸法は６０～２００μｍ程度である。高分子アクチュエータ１の長手方向の寸法は例えば５０ｍｍ以下であり、１０ｍｍ以下の小型のものとすることができる。
　イオン伝導層２は、ポリマーのファイバーが積層されたファイバー層にイオン性液体が含浸されたものである。ポリマーのファイバーは、図２に示すエレクトロスピニング法で紡糸される。エレクトロスピニング法の紡糸に適したポリマーは、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル）などである。
　図２に示すように、エレクトロスピニング法による紡糸装置１０は、シリンジ１１の下端に導電性のノズル針１２が取り付けられており、ノズル針１２に対向する部分にステンレススチールなどの導電性材料で形成された基板１３が設置されている。ポリマーと溶媒から成るポリマー溶液１４をシリンジ１１に供給してノズル針１２から押し出す。これとともに、ノズル針１２と基板１３との間に電圧を印加し、ノズル針１２側をプラス電位とし基板１３側のマイナス電位にすると、シリンジ１１から押し出されたポリマー溶液１４がノズル針１２から射出されて、ノズル針１２と基板１３との間の電界の力によりファイバーが紡糸される。このファイバー１５が基板１３の表面に堆積して、ファイバー層が形成される。溶媒としては、例えばＤＭＡｃ（ジメチルアセトアミド）やＤＭＦ（ジメチルホルムアミド）などが使用される。
　ポリマー溶液のポリマー濃度は、１０～３０質量％の間で調整され、ポリマー溶液の粘度は５０～５００ｃｐｓの間で調整される。ノズル針１２の内径寸法は０．１～２ｍｍ程度のものが使用される。ファイバーを形成できるためのノズル針１２と基板１３との間の電圧は、１０～２０ｋＶ程度が好ましい。
　防止されるファイバーの直径は、紡糸条件に応じて変化する。ポリマー溶液を比較的高濃度で高粘度とし、低沸点の溶媒を使用し、比較的内径の大きいノズル針１２を使用することで、太めのファイバーを得ることができる。比較的太いファイバーを紡糸すると、ノズル針１２から基板１３に到達する前の空間中で分岐し、太さの相違するファイバーを紡糸しやすくなる。
　太さの相違するファイバーが混在して堆積したファイバー層は、内部に微細な空隙を多数有する構造となり、イオン性液体の保持力が大きくなって、イオン伝導層２として適したものとなる。
　すなわち、イオン伝導層２を構成するファイバー層は、直径が異なるファイバーが含まれていることが好ましい。また、直径が２倍以上相違するファイバーが含まれているものが好ましく、直径が５倍以上相違するファイバーが含まれているものがさらに好ましい。さらに直径が５μｍ以上相違するファイバーが含まれているものが好ましく、例えば、直径が１μｍ以下のファイバーと、直径が６μｍ以上のファイバーとが含まれているものが好ましい。
　太さの相違するファイバーが混在するファイバー層は、太いファイバー間の空隙内に、そのファイバーよりも直径が小さい他のファイバーが入り込んで、内部に微細な空隙が形成されやすくなる。
　エレクトロスピニング法で製造されたファイバーのファイバー層にイオン性液体を含浸させてイオン伝導層２を形成する。イオン性液体は、陽イオンと陰イオンを含む常温溶融塩である。イオン性液体を含浸させる際に、ファイバー層とイオン性液体を８０℃以上の温度に加熱すると、ファイバー層へのイオン性液体の含浸が促進される。
　第１の電極層３と第２の電極層４は、ＰＶＤＦなどのポリマーとイオン性液体と導電フィラーで形成される。導電フィラーは例えばカーボンナノチューブが使用される。
　ポリマーと溶媒とから成るポリマー溶液とイオン性液体とカーボンナノチューブとが混合された組成物をキャスト法（展延法）で膜状に形成し、これをイオン伝導層２の両側の表面に重ねて加熱しプレスすることで３層構造の積層体が形成される。３層構造の積層体を短冊状に切断し、図１に示す高分子アクチュエータ１を得ることができる。
　なお、第１の電極層３と第２の電極層４を、カーボンナノチューブなどの導電フィラーとイオン性液体とから形成し、キャスト法で成膜して、イオン伝導層２の両側の表面に積層し熱プレスして、３層構造の積層体を得ることもできる。
　図１に示す高分子アクチュエータ１は、基部１ａを保持し、先部１ｂを自由端とする片持ち状態で支持される。第１の電極層３と第２の電極層４との間に駆動電圧が与えられる。このとき、第１の電極層３をプラス側とし第２の電極層４をマイナス側とすると、イオン伝導層２に含まれているイオン性液体の電離作用で、陽イオンが第２の電極層４側に偏り、陰イオンが第１の電極層３側に偏る。これにより、高分子アクチュエータ１は、第２の電極層４側が突側で、第１の電極層３が凹側となるように湾曲変形する。これは、電離した陽イオンが陰イオンよりも大きいときに、第１の電極層３側よりも第２の電極層４側の内部の膨張応力が大きくなるからであると考えられている。
　前記高分子アクチュエータ１は、従来のようにポリマーとイオン性液体を含むゲル状組成物でイオン伝導層を構成した高分子アクチュエータよりも、大きな変位量と大きな力を得られることが確認できた。これは、ファイバーで形成されたイオン伝導層２は、内部に微細な空隙が形成されているために、多くのイオン性液体を保持しやすく、しかも電圧が与えられたときに、イオン伝導層２内でイオンが移動しやすいためであると考えられる。
　イオン伝導層２を構成するファイバー層の空隙率は、１０％から７０％の範囲が好ましく、２０％から５０％の範囲がさらに好ましい。空隙率が１０％を下回ると含浸できるイオン性液体の量が十分でなく、また空隙率が７０％を超えると膜の強度が十分でなく、いずれもアクチュエータ特性が十分でなくなる。
　前記空隙率は、ポリマーの密度と、ファイバー層の厚み、面積、重量から算出することができる。
　（実施例１）
　ＰＶＤＦが８００ｍｇと、ＤＭＡｃが３ｍｌ（ミリリットル）から成るポリマー溶液（ポリマー濃度が２２質量％）を使用し、エレクトロスピニング法で紡糸した。使用したノズル針１２の内径は０．３４ｍｍ、ノズル針１２と基板１３間の電圧を１７ｋＶとした。ノズル針１２からのポリマー溶液の吐出量は毎秒２．０μｌ（マイクロリットル）であった。ファイバーが積層されたファイバー層の厚さは２０μｍであった。
　ファイバー層の密度は１．１ｇ／ｃｍ3であり、ＰＶＤＦの密度（１．７８ｇ／ｃｍ3）から計算される空隙率は約３８％であった。
　図３（Ａ）は、実施例１のファイバー層を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。右下のスケールは１目盛りが１μｍである。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）を拡大したものであり、右下のスケールは１目盛り０．５μｍである。
　実施例１のファイバー層は、異なる寸法のファイバーを含んでいる。図３から観察できる最も細いファイバーの直径は０．１～０．２μｍ、最も太いファイバーの直径は５～１０μｍである。最も細いファイバーと最も太いファイバーとの直径の差は、５～１０μｍ程度以上である。さらに、直径が０．５μｍ前後のものや、直径が１～３μｍのものなど、中間の複数種類の直径のファイバーを含んでいる。
　図３で観察できるように、実施例１のファイバー層は、太いファイバーの間に中間の太さのファイバーが存在し、さらに中間の太さのファイバーの間にそれよりも細いファイバーが存在し、それぞれの太さのファイバーが絡みあっている。そのため、ファイバー層の内部に微細な空隙がファイバーで分割されて多数形成されやすくなっている。
　前記ファイバー層にイオン性液体を８０℃の温度下において含浸させ、イオン伝導層２を形成した。
　第１の電極層３と第２の電極層４は、ＰＶＤＦとＤＭＡｃから成るポリマー溶液にカーボンナノチューブとイオン性液体とが含まれた組成物をキャスト法で成膜し、これを前記ファイバー層の両側に積層し、熱プレスして実施例１の高分子アクチュエータ１を得た。第１の電極層３と第２の電極層４の厚さ寸法は、共に１３０μｍであった。
　（実施例２）
　ＰＶＤＦが４５０ｍｇと、ＤＭＡｃが３ｍｌ（ミリリットル）から成るポリマー溶液（ポリマー濃度が１４質量％）を使用し、エレクトロスピニング法で紡糸した。使用したノズル針１２の内径は０．２１ｍｍ、ノズル針１２と基板１３間の電圧を１７ｋＶとした。ノズル針１２からのポリマー溶液の吐出量は毎秒１．０μｌ（マイクロリットル）であった。ファイバーが積層されたファイバー層の厚さは１８μｍであった。
　ファイバー層の密度は０．７ｇ／ｃｍ3であり、ＰＶＤＦの密度から計算される空隙率は約６１％であった。
　図４（Ａ）は、実施例２のファイバー層を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。右下のスケールは１目盛りが１μｍである。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）を拡大したものであり、右下のスケールは１目盛り０．５μｍである。
　実施例２のファイバー層は、異なる寸法のファイバーを含んでいる。図４から観察できる最も細いファイバーの直径は０．１μｍ程度以下、最も太いファイバーの直径は０．２～０．３μｍである。最も細いファイバーと最も太いファイバーとの直径の差は、０．１～０．３μｍ程度である。
　実施例２のファイバー層は、図３に示す実施例に比べると、ファイバーどうしの絡み合いが少なく、ファイバーの間に形成されている空隙も大きい。
　前記ファイバー層にイオン性液体を８０℃の温度下において含浸させ、イオン伝導層２を形成した。そして、実施例１と同じ構成で同じ厚さ寸法の第１の電極層３と第２の電極層４を前記ファイバー層の両側に積層し、熱プレスして実施例２の高分子アクチュエータを得た。
　（比較例）
　ＰＶＤＦが１００ｍｇと、ＤＭＡｃが３ｍｌ（ミリリットル）から成るポリマー溶液（ポリマー濃度が３．４質量％）にイオン性液体を混合した組成物を使用し、キャスト法によって２０μｍの厚さの電解質ポリマー膜を形成し、これをイオン伝導層として使用した。電解質ポリマー膜の密度は、１．６～１．８ｇ／ｃｍ3であった。図４（Ａ）（Ｂ）は、電解質ポリマー膜の表面を走査型電子顕微鏡で観察したものである。図４（Ａ）の右下のスケールの１目盛りは１０μｍであり、図４（Ｂ）の右下のスケールの１目盛りは１μｍである。
　実施例１と同じ構成で同じ厚さ寸法の第１の電極層３と第２の電極層４を前記ファイバー層の両側に積層し、熱プレスして比較例の高分子アクチュエータを得た。
　（特性の比較）
　実施例１と実施例２および比較例のそれぞれの高分子アクチュエータは、長さ寸法を１０ｍｍ、幅寸法を５ｍｍとした。
　実施例１と実施例２および比較例の高分子アクチュエータの第１の電極層と第２の電極層に電圧を印加し、湾曲変形させた。２．５Ｖの電圧を変化させたときの自由端の変位量と発生力を測定した。
　実施例１は、変位量が０．５４ｍｍで発生力が５０ｍＮ、実施例２は、変位量が０．３５ｍｍで発生力が４０ｍＮ、比較例は、変位量が０．３ｍｍで発生力が３３ｍＮであった。
１　高分子アクチュエータ
１ａ　基部
１ｂ　先部
２　イオン伝導層
３　第１の電極層
４　第２の電極層
１０　エレクトロスピニング法による紡糸装置
１１　シリンジ
１２　ノズル針
１３　基板
１４　ポリマー溶液
１５　ファイバー

Claims (12)

  1. 　２つの電極層の間にイオン伝導層が挟まれ、２つの前記電極層の間に電圧が印加されると湾曲変形する高分子アクチュエータにおいて、
    　前記イオン伝導層が、ポリマーのファイバーが積層されたファイバー層と、前記ファイバー層に含まれるイオン性液体とを有することを特徴とする高分子アクチュエータ。
  2. 　前記ファイバー層に、直径が異なるファイバーが含まれている請求項１記載の高分子アクチュエータ。
  3. 　直径が２倍以上相違するファイバーが含まれている請求項２記載の高分子アクチュエータ。
  4. 　直径が５倍以上相違するファイバーが含まれている請求項２または３記載の高分子アクチュエータ。
  5. 　直径が５μｍ以上相違するファイバーが含まれている請求項２ないし４のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
  6. 　直径が１μｍ以下のファイバーと、直径が６μｍ以上のファイバーとが含まれている請求項５記載の高分子アクチュエータ。
  7. 　前記ファイバー層は、ファイバー間の空隙内に、そのファイバーよりも直径が小さい他のファイバーが入り込んでいる請求項２ないし６のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
  8. 　前記ファイバー層の空隙率が１０％から７０％の範囲である請求項１ないし７のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
  9. 　前記電極層は、導電性フィラーとイオン性液体とを含んでいる請求項１ないし８のいずれかに記載の高分子アクチュエータ。
  10. 　２つの電極層の間にイオン伝導層が挟まれ、２つの前記電極層の間に電圧が印加されると湾曲変形する高分子アクチュエータの製造方法において、
    　ポリマー溶液をエレクトロスピニング法で紡糸し、紡糸されたポリマーのファイバーを積層してファイバー層を形成し、前記ファイバー層にイオン性液体を含浸させてイオン伝導層を形成する工程と、前記イオン伝導層の両側に電極層を配置する工程と、を有することを特徴とする高分子アクチュエータの製造方法。
  11. 　前記エレクトロスピニング法で、直径が異なるファイバーを形成して、前記ファイバー層を形成する請求項１０記載の高分子アクチュエータの製造方法。
  12. 　導電性フィラーとイオン性液体とを含む電極層をキャスト法で形成し、前記電極層を前記イオン伝導層に熱圧着する請求項１０または１１記載の高分子アクチュエータの製造方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2945276A4 (en) * 2012-12-27 2016-07-27 Alps Electric Co Ltd POLYMERAKTORELEMENT

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008521174A (ja) * 2004-11-16 2008-06-19 バトル、メモリアル、インスティテュート 燃料電池構成要素の改良に基づく溶液および他の電気化学システムおよびデバイス。
JP2009535093A (ja) * 2006-04-25 2009-10-01 ボストン サイエンティフィック リミテッド 医療装置において使用するための埋設された電気活性ポリマー構造
JP2010004591A (ja) * 2008-06-18 2010-01-07 Alps Electric Co Ltd アクチュエータおよびその製造方法
JP2010041860A (ja) * 2008-08-06 2010-02-18 Alps Electric Co Ltd 高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路及び操作装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008521174A (ja) * 2004-11-16 2008-06-19 バトル、メモリアル、インスティテュート 燃料電池構成要素の改良に基づく溶液および他の電気化学システムおよびデバイス。
JP2009535093A (ja) * 2006-04-25 2009-10-01 ボストン サイエンティフィック リミテッド 医療装置において使用するための埋設された電気活性ポリマー構造
JP2010004591A (ja) * 2008-06-18 2010-01-07 Alps Electric Co Ltd アクチュエータおよびその製造方法
JP2010041860A (ja) * 2008-08-06 2010-02-18 Alps Electric Co Ltd 高分子アクチュエータを利用したスイッチ回路及び操作装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2945276A4 (en) * 2012-12-27 2016-07-27 Alps Electric Co Ltd POLYMERAKTORELEMENT

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