アクチュエータおよびその製造方法
【課題】 変形応答特性が高く、発生力の大きな屈曲駆動型のアクチュエータを提供する。
【解決手段】 一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータであって、前記電解質層が、電解質と、該電解質を空隙内に担持する、高分子材料からなるマトリクスと、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有し、前記マトリクス補強材の少なくとも一部が前記マトリクスに埋め込まれていることを特徴とするアクチュエータ。
【解決手段】 一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータであって、前記電解質層が、電解質と、該電解質を空隙内に担持する、高分子材料からなるマトリクスと、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有し、前記マトリクス補強材の少なくとも一部が前記マトリクスに埋め込まれていることを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエータおよびその製造方法に関する。特に、高分子材料を用いたソフトアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
柔軟性があり軽量の高分子アクチュエータ（ソフトアクチュエータとも呼ぶ）は、ロボット工学から医療機器、マイクロマシン、センサーおよび同種のものなど多岐にわたる分野で幅広い用途が期待でき、その開発に注目が高まっている。電気活性高分子アクチュエータの技術は、この分野で特に有望な選択肢の１つになっている。電気活性高分子アクチュエータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換することで膨張および収縮を示すものである。具体的には、ゲルアクチュエータ、イオン交換樹脂膜−金属錯体（ＩＰＭＣ：ｉｏｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅ ｒｅｓｉｎ ｆｉｌｍ−ｍｅｔａｌ ｃｏｍｐｌｅｘ）アクチュエータ、高分子ＣＮＴ（Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）組成物アクチュエータなどが知られている。
【０００３】
特許文献１には、カーボンナノチューブを有する高分子ゲルの電極と、該ゲル電極間に配置した高分子ゲル電解質とからなるゲル型アクチュエータが記載されており、これは一対の電極の間に電圧を印加するとアクチュエータが屈曲する。かかるアクチュエータは、空気中でも、または真空中でも低電圧で動作し得るが、高分子ゲル電解質で作成した中間層はイオンの移動が生じにくく、変位量を大きくすることが難しかった。
【０００４】
また特許文献２には、中間層として高分子を用いて構成された膜状の成形体を用い、成形体をイオン液体で膨潤したアクチュエータが記載されている。また、成形体には破断強度や弾性率を調製する目的で高分子材料や、無機材料を添加してもよい、との記載がある。しかし、変位量を維持しつつ、破断強度を強化するための具体的な添加方法は何ら記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７６４２８号公報
【特許文献２】特開２００９−２７８７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
中間層に多孔質構造体を用いることで、イオンの移動性が向上し、変位応答性の高いアクチュエータとなりうるが、多孔質構造であるが故、バルク体に対して変形時の強度に課題が生じる。
【０００７】
そしてさらに、破断強度を強化する目的で単に補強材を成形体に混入させただけでは、破断強度の強化に効率の低い穴空間内に大量の補強材が配置されてしまう上に、これがイオン移動の妨げとなる。すなわち、補強効果が低い上に、さらに変位量が低下してしまう、という課題があった。
【０００８】
すなわち、本発明は、上記の課題を解決し、変形応答特性が高く、且つ変位量の大きな屈曲駆動型の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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るアクチュエータは、一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータであって、前記電解質層が、電解質と、該電解質を空隙に有する高分子材料のマトリクスと、該マトリクス中に分散された、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有し、
該電解質層中の９０重量％以上の該マトリクス補強材において、それぞれの少なくとも一部分が前記マトリクスに埋め込まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、各々のマトリクス補強材の少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれていることで、マトリクスが直接的に補強される。マトリクス中に埋め込まれたマトリクス補強材が、電解質層中に存在する全量の９０重量％以上を占めることで、上記の補強効果を確実に生ぜしめ、且つ空隙に配した電解質のイオン移動を妨げる確率を低下させることができる。これにより、補強材をマトリクス中に均一に配置した場合に比べても骨格構造の補強に大きく貢献し、且つイオン移動を遮蔽することがないので、変形応答特性が高く、且つ変位量の大きな屈曲駆動型のアクチュエータを提供することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るアクチュエータの構造を図示する模式図であり、（ａ）は外観の模式図、（ｂ）は高分子繊維マトリクスを有する電解質層２を拡大した模式図、（ｃ）は多孔性高分子材料のマトリクスを有する電解質層２を拡大した模式図である。
【図２】アクチュエータの動作を図示する模式図であり、（ａ）は電圧を印加する前（オフ状態）、（ｂ）は電圧を印加した後（オン状態）の図である。
【図３】（ａ）は、高分子繊維中に高アスペクト比のマトリクス補強材を含む電解質層、（ｂ）は、多孔性高分子材料のマトリクス中に高アスペクト比のマトリクス補強材を含む電解質層を図示する。
【図４】本発明に係るアクチュエータを示す図であり、（ａ）は高アスペクト比のマトリクス補強材を含む高分子繊維電解質層、（ｂ）は高アスペクト比のマトリクス材料を包み込む高分子繊維の一部を拡大した模式図である。
【図５】（ａ）は実施例１と比較例１のアクチュエータとにより得られる変位の比較を示す。（ｂ）は実施例１と比較例１のアクチュエータとにより得られる歪みの比較を示す。
【図６】マトリクス中にマトリクス補強材が埋め込まれている様子を模式的に示す図である。
【図７】実施例１および比較例１から３のアクチュエータにより得られる歪みの比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
添付図面を参照しながら、以下に本発明を実施するための最良の形態を記載する。
【００１３】
（アクチュエータの全体構成）
図１（ａ）のアクチュエータ１は本発明に係る電気活性高分子アクチュエータの外観を図示したものである。このアクチュエータ１は互いに向かい合う一対の電極３および１３を有し、その間に電解質層２がある。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、電解質層２は、電解質を空隙に有する高分子材料からなるマトリクス９と、マトリクス９を補強するためのマトリクス補強材１０と、を有している。電解質層中に存在する全量の９０重量％以上のマトリクス補強材において、それぞれの少なくとも一部分が高分子材料のマトリクス９に埋め込まれている。
【００１５】
すなわち本発明において、電解質層中に存在する全量の９０重量％以上のマトリクス補強材１０は、図６に示すような、少なくとも一部がマトリクスに埋め込まれた状態で存在している。これは図６のようにマトリクスからマトリクス補強材が一部露出している状態であっても良いが、マトリクス内に完全に埋めこまれて露出部分が存在しない状態でも良い。個々のマトリクス補強材においては、その全体積のうち５０％以上がマトリクスに埋め込まれていることで、マトリクスへの補強効果が高まり、好ましい。５０％未満、特に埋め込み部分が小さくなるほど変形時にマトリクスから剥がれ易くなり、これがイオン移動の妨げになり、好ましくない。
【００１６】
また、マトリクス補強材として、炭素材料などの導電性材料を使用した場合、補強材の割合が多く、且つマトリクスからの露出が大きくなり過ぎると、導電性が顕著に高くなり、電極間でショートしてしまうことがある。このため、電極間の電気抵抗性を維持したまま、補強を達成できる程度の量のマトリクス補強材を添加するべきである。
【００１７】
上記の一対の電極３、１３の一端は、それぞれに接続する端子４により固定される。端子４は、配線５により外部電源６に接続されている。
【００１８】
上記の一対の電極間に電位差を印加すると、電解質のイオンが電極間の連続的な通路を移動し、各電極の体積に変化が起こる。その結果、アクチュエータの電極が膨張したり、あるいは収縮したりする。
【００１９】
本発明の電解質層２は、電極間にイオン拡散のための連続的な通路が存在するように、電解質、およびマトリクス補強材、および高分子材料のマトリクスを有している。
【００２０】
本発明において、高分子材料のマトリクスは、電解質を空隙に配置できるように構成されている。所謂多孔質構造や高分子繊維の繊維同士が一部融着した構造などの、高分子材料が存在しない部分に空隙や空孔を有するものである。
【００２１】
マトリクスの空隙は、電解質が配置され、また該空隙を利用してイオンが移動するように構成されている。すなわち、電極間のイオンの移動を容易にするために、電極間の方向に空隙の経路が複数存在するマトリクスであることが好ましく、所謂連続泡多孔質膜であったり、一部のみを融着した高分子繊維のマトリクスであったりすると良い。
【００２２】
本発明のマトリクスは、その空隙に電解質を十分に保持できるように、電解質の配置前には比較的高い空隙率を有する多孔質構造であることが好ましい。
【００２３】
図１（ｂ）および（ｃ）は、高分子材料のマトリクスがそれぞれ高分子繊維マトリクスおよび多孔性高分子材料のマトリクスである場合の、かかる電解質層を拡大した模式図を示す。
【００２４】
図１（ｂ）は、高分子繊維マトリクスを有する電解質層を拡大した模式図であり、図１（ｃ）は、マトリクス補強材を含む多孔性高分子材料のマトリクスを有する電解質層を拡大した模式図を示す。見やすいように、模式図に電解質は示していないが、電解質層に存在することが理解される。
【００２５】
図２は、本発明のイオン移動型高分子アクチュエータの動作を示す模式図であり、図２（ａ）は電圧を印加する前（オフ状態）、図２（ｂ）は電圧を印加した後（オン状態）である。図には、一端が端子４により固定されるアクチュエータ１の膜厚方向の断面図、および電源６が示されている。
【００２６】
一対の電極３および１３間に電圧を印加すると、電極中では、電解質層２から電極へのイオン（カチオン７およびアニオン８）の移動および静電反発力などに起因する体積の変化が起こり、図２（ｂ）に示すような屈曲運動が生じる。
【００２７】
図２のアクチュエータの各層は柔軟性があり、形状は矩形である。アクチュエータは、端子４により短い方の縁端部の一方に沿って固定され、配線５の両側に電圧を印加するとアクチュエータが図２（ｂ）に示すようにアノード側の方へ屈曲する。
【００２８】
また、アクチュエータ１の電解質層および電極の配置設計を適切に選ぶことで、屈曲に加えて膨張または収縮、さらにねじれ運動も実現可能である。かかる高分子アクチュエータは、円形、卵形、三角形、四角形、円筒形、らせん形など任意の形状としてもよい。
【００２９】
アクチュエータの柔軟性を得るには、イオン移動型アクチュエータの中でも高分子ゲル型高分子アクチュエータを使用すると望ましく、ＣＮＴを含むイオン液体ゲルからなるＣＮＴゲル型アクチュエータを使用するとさらに望ましい。これを用いれば、空気中での動作が安定し、ＣＮＴのヤング率により内部応力が大きいうえ、さらに不揮発性イオン液体を使用するという利点が得られる可能性がある。
【００３０】
図１（ａ）の高分子アクチュエータの場合、電解質層２は一対の電極３、１３の間に配置され、上記の一対の電極の一端は、端子４により固定される。端子４は、配線５により電源６に接続される。
【００３１】
電解質層２は、一方の電極から他方の電極への連続的な通路が存在するように、マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスを含む。
【００３２】
マトリクス補強材は、高分子材料のマトリクスの少なくとも一部において部分的に配向していても、または完全に配向していてもよい。
【００３３】
図１（ｂ）および図１（ｃ）はそれぞれ、電解質層の高分子材料のマトリクスが高分子繊維マトリクスである場合、多孔性高分子材料のマトリクスである場合を図示する。
【００３４】
電解質層として、電解質と、マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスとを含み、高分子材料のマトリクスの多孔質構造により電極間に連続的な通路が存在するアクチュエータを提供する。すなわち、マトリクス補強材を含む骨格構造は高い機械的強度を有し、したがって外部からの衝撃、引張、押圧等の負荷に対する耐久性が高い。このため、製造中、または動作中の外部負荷による電解質層の構造の損傷が大きく抑えられる。故に、アクチュエータ構造の耐久性を向上させることができる。さらに、多孔質構造であるが故に、歪みおよび速度の面で性能が高い。
【００３５】
以下に電解質層の構成について、実施形態を用いて詳細に説明する。
【００３６】
（実施形態１：高分子繊維マトリクス）
図１（ｂ）は、アクチュエータ１の電解質層２を構成する、マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスを拡大した模式図である。この図において、電解質層２ｂは、高分子繊維マトリクス９、マトリクス補強材１０および繊維間の空隙１１を有していることが示されている。
【００３７】
高分子繊維マトリクス９は、高分子繊維の集合体であり、融着などにより部分的に繊維同士が結合しているものである。繊維の外側は空隙となり、これがイオンの移動経路になるため、アクチュエータ内のイオン移動の効率性は高い。空隙１１には、イオンの元となる電解質が配置されている。
【００３８】
高分子繊維の長さは長く、直径については０．００５μｍから５０μｍまでの幅があってもよい。単位体積当たりの充填率を調整することで高分子繊維の柔軟性を制御することが可能であり、したがって比較的小さい直径が望ましく、０．０１μｍ〜１μｍの間の直径が好ましい。
【００３９】
さらに、高分子繊維マトリクス９内には少なくとも部分的にマトリクス補強材１０が存在する。マトリクス補強材は、好ましくは高分子繊維を構成する高分子材料より１０倍高い機械的強度を持つ。本実施形態においては、電解質層に存在するマトリクス補強材のうち、少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれた状態で存在するマトリクス補強材は、９０重量％以上、具体的には９０％〜９９．９％である。マトリクス補強材は、粒子または後述する高アスペクト比の炭素材料が好ましい。高アスペクト比の炭素材料としては、長軸と短軸が５：１以上のアスペクト比のものがよく、好ましくは１０：１以上のものである。
【００４０】
高アスペクト比の炭素材料の場合、炭素繊維ベースの材料が高い機械的強度を持つことが知られているためより好ましい。加えて、高分子繊維の伸長方向と炭素材料の長手方向が配向するように埋め込むと、高分子繊維としての特性がより向上する。マトリクス補強材は、好ましくはそれ自体の機械的強度が高い材料である。
【００４１】
電解質層２に外部の力または圧力が印加されると、マトリクス補強材と高分子材料のマトリクスとの間の相互作用により、その負荷がマトリクス補強材に移動される。このため、電解質層の機械的強度が向上する。
【００４２】
かかる電解質層は、アクチュエータの製造工程中、たとえばホットプレス工程（電極間に電解質層を挟むことにより高温で一定の圧力を印加する）において、あるいは製造後の動作中において外部負荷（力または圧力）に対して高い耐久性を持つ。
【００４３】
ホットプレスにより作成した一部融着している高分子繊維マトリクスは、その繊維構造は強固であり、アクチュエータの製造または動作中に崩れることはない。したがって、高分子繊維の空隙率または空隙１１の低下の程度がかなり小さくなる。
【００４４】
電解質層２はマトリクスの空隙に電解質を含む。電極間に電圧を印加すると、対電極間での電解質の移動（アニオンまたはカチオン）のための連続的な通路が存在するため、電解質のカチオンおよびアニオンが電極３、１３に向かって容易に拡散できる。
【００４５】
イオンが電極間で拡散しやすいことから、歪みおよび速度の点でアクチュエータの特徴を改善することができる。
【００４６】
さらに、移動効率性が低下しないように膜厚は１μｍ超とし、かつ５００μｍ未満に制御すると良い。電解質層の厚さが厚くなると高強度になる一方で、薄くなると歪みおよび速度が高くなる可能性がある。
【００４７】
しかしながら、こうした厚さが減少するにつれて機械的強度が低下するため、アクチュエータの製造または動作中に外部圧力による電解質層の損傷または破壊の可能性が高まることが知られている。これは、電極間が短絡する可能性を増大させる。
【００４８】
本形態の電解質層は高い機械的強度を持ち、したがって耐久性が高くて薄い膜とすることができ、さらにその繊維構造によりイオン移動のための連続的な通路を得ることができる。このため、アクチュエータの大きな歪みおよび速度を実現することができる。
【００４９】
本形態の高分子繊維マトリクスは、表面または内側にマトリクス補強材９を有する。さらに高分子繊維は、アクチュエータの一定の寸法に沿ってランダムでも、配向していても、あるいは部分的に配向していてもよい。機械的強度は、高分子繊維内のマトリクス補強材の配向方向を変更して調整してもよい。
【００５０】
このため、配向方向により屈曲する機械的強度を自由に調整できるため、状況に応じて、アクチュエータの変位量または出力を向上させることができる。
【００５１】
マトリクス補強材として、高アスペクト比の炭素材料を用いる場合、高分子繊維の長さに沿って部分的にまたは完全に配向するとよい。
【００５２】
マトリクス補強材の長さが、高分子繊維の長さ寸法に沿って配向すると、高分子繊維材料の機械的強度の増大は非常に大きくなる。このような場合に、電解質層およびアクチュエータの構造耐久性は高くなる。
【００５３】
電解質層はさらに、電気抵抗率が高い。好ましくは、電解質は抵抗率が１０３Ω・ｍ〜１０１８Ω・ｍの間である。より好ましくは、電解質層の存在により、アクチュエータの電極間の抵抗が１ｋΩよりも大きな値となることである。マトリクス補強材として絶縁材料、半導体材料または導電性材料を含めて、それぞれの量を、上述の電気的特性を持つ電解質層が得られるように制御できる。
【００５４】
さらに、高分子繊維は内部にイオン液体を保持していてもよく、さらに高分子繊維と高分子繊維との間の空隙にイオン液体を保持していても構わない。
【００５５】
さらに、高分子繊維の断面も特に限定させるものではなく、円、卵形、四角形、多角形、半円でもよく、さらに正確な形状である必要もなく、形状は任意の部分が異なっていても構わない。
【００５６】
（実施形態２：多孔性高分子のマトリクス）
図１（ｃ）は、図１（ａ）のアクチュエータ１の電解質層２を拡大した模式図を示す。電解質層２ａは、多孔性高分子材料のマトリクスを有する。図１（ｃ）では、電解質層２ａの空隙（細孔）、マトリクス補強材および高分子材料のマトリクスをそれぞれ１１、１０および１２で表す。かかる高分子材料のマトリクスには多数の空隙があり、したがって電解質（アニオンおよびカチオン）が拡散しやすい。
【００５７】
本実施形態の電解質層は、多くの細孔を持つ構造のマトリクスを有し、その骨格構造（マトリクス）内にマトリクス補強材を含む。本実施形態においても、電解質層に存在するマトリクス補強材のうち、少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれた状態で存在するマトリクス補強材は、９０重量％以上、具体的には９０％〜９９．９％である。
【００５８】
かかるマトリクス補強材は、粒子でも、または後述する高アスペクト比の炭素材料でもよい。一般に、こうした高アスペクト比の炭素材料は、機械的強度が強い。そのため、多孔性の構造体の強度は、それを骨格構造内に含ませることにより増大する。その結果、アクチュエータを繰り返し駆動しても、アクチュエータは安定して変形する。
【００５９】
さらに、電解質層２の構造は製造／加工中、または加工後に崩れずに、高い耐久性を与える。アクチュエータの製造中および製造後の外部負荷による細孔および空隙の損傷は大きく抑制される。このように、高い多孔特性を有する電解質構造により得られる連続的な通路があるため、電極に電圧を印加すると、電極間のイオン拡散が良好となる。
【００６０】
また、マトリクスの空隙は細胞型の閉鎖細孔であってもよいが、良好なイオン拡散のためには空隙が連結されている方が好ましい。
【００６１】
電解質層の空隙率は２０体積％超で９０体積％未満であることが好ましい。空隙率が２０体積％未満である場合、電極間の連続的な通路の体積がわずかであり、アクチュエータの変位量が大きくならない場合がある。一方、空隙率が９０体積％よりも大きい場合、電解質層の強度が不十分であり、アクチュエータの製造時、または変形中に電解質層に亀裂が入ることがあり、これが電極間の短絡につながる恐れがある。この場合、空隙率は、水銀圧入法、ガス吸着法、アルキメデス法により測定可能である。
【００６２】
空隙のサイズは、３ｍｍ以下で０．５ｎｍ超であることが好ましい。好ましくは、空隙のサイズは５００μｍ以下で１ｎｍ超である。
【００６３】
また、マトリクス補強材はマトリクス（高分子骨組み）の表面または内部にある。空隙サイズが５００μｍより大きい場合、電解質層の強度は不十分であり、変形時に電解質層に亀裂が入ることがある一方で、良好なイオン拡散のためには空隙サイズが１ｎｍ以上であるとより望ましい。または、空隙のサイズは、水銀圧入法、ガス吸着法、走査型電子顕微鏡による直接観察により測定可能である。
【００６４】
さらに、電解質層は電気抵抗率が高い。好ましくは、電解質層は抵抗率が１０３Ω・ｍ〜１０１８Ω・ｍである。より好ましくは、電解質層の存在により、アクチュエータの電極間の抵抗が１ｋΩよりも大きな値となることである。マトリクス補強材として絶縁材料、半導体材料または導電性材料を含めて、それぞれの量を、上述の電気的特性を持つ電解質層が得られるように制御してもよい。
【００６５】
（マトリクス補強材）
図１（ｂ）および図１（ｃ）に示されるように、本発明の電解質層は、マトリクス中にマトリクス補強材が分散して配置されている。電解質層に存在するマトリクス補強材のうち、少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれた状態で存在するマトリクス補強材は、９０重量％以上、具体的には９０％〜９９．９９％である。残りの１０重量％より少ないマトリクス補強材は、上述のマトリクスに埋め込まれなくてもよい。この場合は、マトリクスの空隙に電解質とともに配置されていてもよい。
【００６６】
図６に示すように、高分子材料のマトリクスに埋め込まれている。マトリクス補強材は、図６のように高分子材料のマトリクスに部分的に包み込まれていても、または完全に包み込まれていてもよい。残りの埋め込まれていないマトリクス補強材は、マトリクスの空隙に、電解質とともにマトリクスから離れて配置されているが、これはイオンの移動に悪影響を与えるため、より少ないことが望まれる。すなわち、マトリクスに埋め込まれているマトリクス補強材の重量をＡとし、マトリクスに埋め込まれずにその空隙に配置されている重量をＢとすると、マトリクス中に存在する全量は、Ａ＋Ｂとなり、マトリクスに埋め込まれているマトリクス補強材の重量％（Ｘ）は、以下の数式のようになる。
Ｘ＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００（％） ・・・（１）
すなわち本発明においては、Ｘが９０％以上である。また電解質層中のマトリクスに埋め込まれているマトリクス補強材の重量％は１００％を超えることはなく、好ましくは９９．９９％以下の値である。
【００６７】
マトリクス補強材１０は、粒子でも高アスペクト比の炭素材料でも構わない。
【００６８】
マトリクス補強材が粒子である場合、どのような形状であってもよいが、粒子と高分子と間の接触領域および接着率が大きくなる形状を持つことが好ましい。さらに、マトリクス補強材が粒子である場合、粒子状材料でも、または低アスペクト比材料でもよい。粒度は、ナノスケールからマイクロスケールまでの幅があってもよい。ナノ粒子は表面積が大きく、したがって粒子と高分子との間の接触領域が大きくなり、高分子とマトリクス補強材との間の負荷移行が高まるため、粒子はナノ粒子であることが好ましい。
【００６９】
また、マトリクス補強材が高アスペクト比の炭素材料である場合、アスペクト比が１０より大きいと好ましい。マトリクス補強材は、高分子材料のマトリクスの方向に沿って配向していて（ａｌｉｇｎｅｄ）も、またはランダムに分散していても、あるいは高分子材料のマトリクスの方向に沿って部分的に配向していて（ａｌｉｇｎｅｄ）もよい。マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスを用いれば、高い機械的強度の電解質層を得ることが可能である。マトリクス補強材の機械的強度は高分子の機械的強度よりも高いと好ましい。さらに、マトリクス補強材の機械的強度は高分子の強度の１０倍以上であることが望ましい。マトリクス補強材の機械的強度は高分子材料のマトリクスの１００倍以上であることが好ましい。
【００７０】
また、電解質層全体としては電気抵抗率が高い必要がある。好ましくは、電解質層は抵抗率が１０３Ω・ｍ〜１０１８Ω・ｍの間である。より好ましくは、電解質層の存在により、アクチュエータの電極間の抵抗が１ｋΩよりも大きな値となるように構成する。マトリクス補強材として絶縁材料、半導体材料または導電性材料を含めて、それぞれの量を、上記の電気的特性を持つ電解質層が得られるように制御するとよい。
【００７１】
マトリクス補強材が絶縁材料または半導体材料である場合、電解質層の総重量の０．１重量％〜８０重量％の間の量の材料を含めると、電解質層２を得ることができる。０．１重量％未満の値であると、高分子材料のマトリクスの機械的強度の増大に寄与しない場合があり、８０重量％を超える値であると、アクチュエータの変形の際に電解質層の柔軟性に寄与しない場合がある。マトリクス補強材が導電性である場合、電解質層の０．１重量％〜３０重量％を構成することが好ましい。０．１重量％未満の値であると、高分子材料のマトリクスの機械的強度の増大に寄与しない場合があり、３０重量％を超える値であると、電解質層の高い電気抵抗率の維持に好ましくない。しかしながら、マトリクス補強材が絶縁材料で被覆された導電性材料である場合、電解質層に０．１重量％〜８０重量％の間の値で含めてもよい。マトリクス補強材の量は０．１重量％〜２０重量％であるとより好ましい。言い換えれば、マトリクス補強材の量および工程の選択により、アクチュエータの電極間の抵抗が１ｋΩを超えるように電解質層を設計することが好ましい。
【００７２】
マトリクス補強材として使用できる材料として、ＳＷＮＴ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、ＭＷＮＴ（Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、ＶＧＣＦ（Ｖａｐｏｒ Ｇｒｏｗｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ）、黒鉛ナノプレートレット、黒鉛ナノスクロールのような炭素繊維、カーボンブラック、グラフェンのような炭素材料、ナノクレイのような層状ケイ酸塩材料、シリカ材料のようなセラミック材料、ガラスビーズがあるが、これに限定されるものではない。
【００７３】
以下に限定されるものではないが、その幾何形状、高い機械的強度、およびゲルへの作りかえやすさから、ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴおよびＶＧＣＦなどの高アスペクト比の炭素繊維の少なくとも一種を使用することが好ましい。
【００７４】
（電解質層）
図１のアクチュエータ１の電解質層２は、高分子材料以外にもアクチュエータの一対の電極間に電位差を印加できるものであれば、どのような材料を含ませても良い。
【００７５】
柔軟性があり、高分子材料のマトリクスからなる材料が電解質層であり（換言すればこの材料は溶融状態でイオンを発生する）、積層構造を形成できると好ましい。
【００７６】
高分子材料のマトリクスの電気抵抗は１０３Ω・ｍ〜１０１８Ω・ｍであることが望ましい。２枚の電極間の電解質層の電気抵抗は１ｋΩ以上であることが好ましい。
【００７７】
上記の電解質層の高分子材料のマトリクス材料を構成する材料として、イオン導電性高分子またはイオン性材料を含む非イオン導電性高分子を挙げることができる。電界の存在下で電荷がこうした材料中を移動すると、電流が流れ、イオンが電荷の運び手になる。イオン分子を受け取る部分は、局所的に膨張する。異なる極性を持つイオンが反対方向に移動するため、アクチュエータはアニオンおよびカチオンのサイズの相違により屈曲する。
【００７８】
本発明では、電極および電解質層は高分子材料を含み、該高分子として、加水分解しにくく、大気中での安定性が優れているものが好ましい。
【００７９】
高分子としては、たとえば、テトラフルオロエチレンおよびフッ化ポリビニルイジンなどポリフッ化物系の高分子；ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのオレフィン系高分子；ポリブタジエン系化合物；エラストマーおよびゲルなどのポリウレタン系化合物、ウレタン系のもの；シリコーン系化合物；熱可塑性ポリスチレン；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタラートを挙げることができる。上記の高分子を１種または複数使用してもよく、上述以外の高分子を使用しても構わない。
【００８０】
（電解質）
アクチュエータを空気中で駆動する際に、イオン性材料は比較的長い寿命でイオン液体として存在することが好ましい。本明細書では、周囲雰囲気で塩の溶融または融解状態をイオン液体といい、たとえば、室温を含め０℃〜４０℃の範囲の広範な温度で溶融状態にある塩を含む。
【００８１】
さらに、高イオン伝導性のためには、イオン伝導の高いイオン液体が好ましい。所望の温度範囲で液体として安定である塩はより好ましいものであるが、よく知られた様々な塩をイオン液体として使用してもよい。好適なイオン液体として、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、アンモニウム塩およびホスホニウム塩、ならびにこれらの混合物を挙げることができる。
【００８２】
また、フッ化リチウム、臭化リチウム、臭化ナトリウム、塩化マグネシウム、硫酸銅、酢酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムなどのイオン性材料を含んでもよい。
【００８３】
（電極の構成）
２枚の電極の材料組成は、異なっても、または同じでもよい。
【００８４】
電極３、１３は、電気伝導性を有する高分子材料で形成されるとよい。電気伝導性を有する高分子材料は、導電性高分子および導電体を含む複合高分子を含む。
【００８５】
アクチュエータの性能に悪影響を及ばさない限り、電極材料としてどのような材料を含めてもよい。柔軟電極を得るための材料としては、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、およびケッチェンブラック、カーボンウィスカー、グラフェン、炭素繊維、カーボンナノチューブおよびカーボンマイクロコイルなどの様々な炭素材料、金属（白金、パラジウム、ルテニウムおよび銀、鉄、コバルト、ニッケル、銅、インジウム、イリジウム、チタンおよびアルミニウムなど）粉末（微粒子）、金属化合物（酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化第二スズおよびＩＴＯなど）、金属繊維、導電性セラミックス材料および導電性高分子材料などが挙げられる。電極は、その種の化合物の１つとしてこれらの導電性材料を含む。
【００８６】
本発明の導電体としては、電気伝導性および比表面積の観点からナノ構造を持つ炭素材料がより望ましく、最も好ましくはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）材料である。また、カーボンナノチューブおよびイオン液体を含むＣＮＴゲルは、イオン液体を含むＣＮＴが自己組織化したゲルであり、イオン液体は、ＣＮＴの分散効果を助ける。したがって、ＣＮＴイオン液体ゲルは、電極材料の候補として非常に好ましい。
【００８７】
この場合に限定されるものではないが、加水分解しにくい材料を含めると望ましく、電極３、１３に含めるそうした高分子は、周囲雰囲気で安定であり、アクチュエータの安定動作を可能にする。
【００８８】
かかる高分子として、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィン系高分子；ポリスチレン；ポリイミド；ポリパラフェニレンオキシド、ポリ（２，６−ジメチルフェニレンオキシド）およびポリパラフェニレンスルフィドなどのポリアニリン（芳香族系が結合した高分子）；あるいはポリテトラフルオロエチレンおよびフッ化ポリビニリデンなどのフッ素系物質を含む高分子にスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、リン酸基、スルホニウムラジカル、アンモニウムラジカルおよびピリジニウムラジカルなどの官能基を導入したもの；フッ素系ポリブタジエン系化合物を含む高分子の骨組みにスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、スルホニウムラジカル、アンモニウムラジカルおよびピリジニウムラジカルなどを導入するパーフルロスルホン酸高分子、パーフルロカルボン酸高分子およびパーフルオロリン酸高分子など；エラストマーおよびゲルなどのポリウレタン系化合物；シリコーン系化合物；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタラート；ナイロンがあり；ポリアリレートなどを含めてもよい。
【００８９】
さらに、導電性である高分子を使用してもよく、たとえば、この種の高分子にポリアニリン、ポリピロール（ｐｏｌｙｐｙｒｏｌｅ）、ポリチオフェン、ポリアセチレンおよびポリフェニレンなどを含めてもよいが、これらに限定されるものではない。上記の高分子、コポリマーおよび機能性高分子の１種または複数種の使用が可能であるが、これらの高分子に限定されるものではなく、他の高分子を使用してもよい。
【００９０】
さらに、上記の２種以上の導体および／または上記の２種以上の高分子を組み合わせることも可能である。
【００９１】
また、上記の導電性高分子材料および導体を組み合わせて、それを使用することも可能である。
【００９２】
さらに、こうした電極材料を形成する際に、後で記載される電解質を含めてもよい。
【００９３】
また電極は、メッキ、蒸着およびスパッタリングなどにより薄い金属膜として作製することができる。かかる電極を電解質層に接して直接形成する場合、電極は、電気導電性材料のみで形成されると考えられる。
【００９４】
フッ化ポリビニルイジンのコポリマーとイオン液体との混合物を含むカーボンナノチューブをゲルとして含む材料をアクチュエータの電極として使用することが特に好ましい。また、電解質層の両側の２枚のアクチュエータ電極は、同じ材料から作製されても、または異なる材料から作製されてもよい。
【００９５】
また、アクチュエータの電極の接着を良好にするため、アクチュエータの電極に使用される高分子材料を電解質層２のマトリクス材料として使用することも望ましい。
【００９６】
（アクチュエータの製造方法）
以下に、本発明のアクチュエータの製造方法を説明する。
【００９７】
（高分子繊維マトリクスの製造方法）
まず、高分子繊維の製造方法について説明する。
【００９８】
本製造方法では、マトリクス補強材１１を含む高分子繊維体９が一方向に沿って完全に配向する部分を少なくとも有するものが製造される。
【００９９】
高分子繊維の製造方法として、エレクトロスピニング法、ポリマーブレンド紡糸、メルトブロー紡糸およびフラッシュ紡糸を挙げることができるが、これに限定されるものではない。
【０１００】
エレクトロスピニング法は、様々な高分子の繊維形状、配向および直径の制御、ならびにナノサイズ直径繊維の作製に使用することができるので望ましい。
【０１０１】
エレクトロスピニング法による高分子繊維の製造工程は、高圧電源、高分子溶液／貯蔵タンク、紡糸口金およびアースされたコレクターを使用する。高分子溶液は、タンクから紡糸口金まで一定の流速で供給される。紡糸口金には１〜５０ｋＶの電圧が印加されているため、液滴が荷電される。静電反発力が表面張力に対抗し、高分子の液滴が引っ張られ、高分子溶液のジェットがコレクターに向けて噴射される。ジェットの溶媒は揮発し、その後コレクターに到着する際には、ジェットのサイズはナノレベルまで減少し、コレクターに高分子繊維の集合体が形成される。また、高分子溶液の代わりに、融点より高い温度で加熱した溶融高分子を使用してもよい。
【０１０２】
紡糸口金に供給される高分子溶液の溶液形態にマトリクス補強材を含めると良いが、高分子溶液のジェットが回収されている間にコレクターに噴霧しても、マトリクス補強材を高分子繊維に埋め込むことができる。マトリクス中に９０％以上のマトリクス補強材を埋め込むには、後述するホットプレス処理を行うとより好適に実施できる。高分子溶液中の分散性を改善するため、マトリクス補強材は、エレクトロスピニング（ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｉｎｇ）用の高分子溶液に加える前に、乳棒・乳鉢を用いて粉々に砕いてもよいし、または超音波処理のような湿式法またはボールミルまたはローラーミルを用いて溶液としてもよい。
【０１０３】
また、配向した繊維膜は、回転ドラムをコレクターとして使用することにより得ることができる。さらに、配向の制御については、公知のエレクトロスピニングの技法を用いることができる。前述のように、アクチュエータの屈曲能力および出力は、アクチュエータ内の高分子繊維の配向方向によって制御できる。
【０１０４】
（多孔性高分子材料のマトリクスの製造方法）
本発明の、多孔性高分子材料のマトリクスの製造方法は、従来の高分子抽出法、溶媒抽出法、照射エッチング法、発泡法、拡張法を用いることができ、またこれに限定されるものではない。
【０１０５】
高分子抽出法を使用する場合、少なくとも２種類の高分子をブレンドし、ミクロ分離構造の高分子膜を得る。換言すれば、最初に２種類の高分子をブレンドし、スピンコーティング法またはキャスト法により高分子膜を形成する。その後、溶媒中の高分子の熱分解または溶解度の違いを用いて不連続相の高分子成分を除去し、ミクロ分離構造を形成する。
【０１０６】
得られる最終構造は、細孔特性を有する構造を持つ。高分子抽出法による、細孔特性を有する構造の作製に使用できる高分子として、ポリアミド、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリルコポリマー、ポリカルボナート、ポリブチレンテレフタラート、ポリエチレンテレフタラート、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニルピロリドン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミドなどがあるが、これに限定されるものではない。また、３種類以上の高分子を混合して使用してもよい。
【０１０７】
また、マトリクス補強材が埋め込まれた多孔質高分子マトリクスの膜を得る方法には、高分子抽出法または溶媒抽出法の使用中にマトリクス補強材を高分子溶液中に分散する方法があるが、これに限定されるものではない。マトリクス補強材はある高分子中に最初に分散させ、次にこの高分子とマトリクス補強材との溶液を別の高分子とブレンドし、続いて高分子抽出法を用いて上記のマトリクスを得てもよい。
【０１０８】
溶媒抽出法を用いて相溶性溶媒を含む高分子膜を得てから、これを非相溶性溶媒に浸漬してもよい。使用する２つの溶媒については相互に相溶性がある。高分子膜を浸漬すると、高分子と相溶性がある溶媒に抽出され、高分子膜を浸漬する溶媒に置換される。その結果、多くの細孔を持つ高分子膜が作製される。相互に相溶性のある溶媒、および高分子と相溶性および非相溶性の溶媒の組み合わせは、特に高分子に限定されるものではない。
【０１０９】
マトリクス補強材を含み、多くの細孔を持つ高分子膜を得るには、相溶性溶媒に高分子とマトリクス補強材とが分散した膜を作成し、高分子およびマトリクス補強材のいずれとも非相溶性の溶媒に浸漬してもよい。その結果、マトリクス補強材を含み、多くの細孔構造を持つ高分子膜が得られる。
【０１１０】
照射エッチング法では、発泡剤を含む高分子膜に、膜を貫通し細孔を形成する高エネルギーイオンビームまたは中性子ビームまたはレーザーを照射する。発泡剤を含む高分子が加熱されることで細孔を形成する。
【０１１１】
拡張法は、高分子膜に剪断ストロークを与えることで微小繊維構造を持つ細孔を形成する方法である。
【０１１２】
上記した方法の１つまたは複数を用いて、多くの細孔を持つ高分子膜を形成すると良い。
【０１１３】
（電極の製造方法）
特に制限がない場合、電極は、たとえば導電材料およびイオン液体および高分子からなる。高分子は融点を超えると融解し、次いで導電材料、イオン液体および高分子は１つの溶液に混合される。かかる溶液は、流し込みおよび成形というよく知られた様々な技法により注入して成形してから、加熱して溶媒を蒸発させる。
【０１１４】
好適な溶媒に高分子を溶解させた後に、溶媒を除去する方法では、イオン液体および溶媒に、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ：ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）、メチルエチルケトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ：ｄｉｍｅｔｈｙｌ ａｃｅｔａｍｉｄｅ）を使用することができる。
【０１１５】
さらに、電極は、電解質層２と同様の高分子繊維からなってもよい。高分子繊維からなる電極の製造方法では、上述した電解質層２の高分子繊維の製造工程において導電材料を加え、類似の手法を用いて導電性の高分子繊維電極を得るべきである。
【０１１６】
（電解質層および電極の接合方法）
得られた電解質層および電極は任意の形状およびサイズに切断し積層配置する。高分子アクチュエータ１を形成する方法として、電解質層２の両側に電極３、１３を積層配置する好適な方法は熱圧着（ホットプレス）方法であるが、かかる方法に限定されるものではない。
【０１１７】
アクチュエータを構成する高分子、高分子バインダー、イオン種の温度、プレス圧力および加熱プレス時間を適切に選択し、それぞれの成分の解離温度未満で行われるようにすればよい。
【０１１８】
２つの電極間に電解質層を挟み、両電極間を熱圧着する。たとえば、熱圧着時の温度は３０℃〜１５０℃の間で設定されると良い。より好ましくは、温度は１１０℃±５℃の範囲に設定されることが望ましい。さらに、プレス圧力は１ｋｇ／ｃｍ２〜１００ｋｇ／ｃｍ２であると望ましく、１０ｋｇ／ｃｍ２〜５０ｋｇ／ｃｍ２であるとより望ましい。
【０１１９】
また、薄い金属層を形成する方法は、電解質層２の表面への電気メッキ、蒸着およびスパッタリングなどであってもよい。
【０１２０】
上記のように積層配置したアクチュエータ１を、水、イオン導電材料、イオン液体またはこれらの混合物に含浸させても良い。この場合、含浸させる溶液の密度、含浸させる時間は、よく知られた方法を用いて決定してよく、特に限定されない。
【０１２１】
また、配向した高分子繊維の電極および／または電解質層を使用する場合、連結したときのそれぞれの高分子繊維の配向方向を考慮して設計し、高分子アクチュエータの変位量または発生力が向上させることができる。
【０１２２】
（アクチュエータの駆動について）
駆動電源６は、電気活性高分子アクチュエータ１の電極間に電圧または電流を印加し、電位差を印加する。入力極性、波パターンは、図１に示していない制御ユニットによる値、時間によって制御され、その電気信号は電気活性アクチュエータの撓み運動を制御することができる。
【０１２３】
上記の一対の電極間に電位差を印加すると、電解質のイオンが電極間の連続的な通路を移動し、各電極の体積に変化が起こる。その結果、アクチュエータの膨張または収縮運動が起こる。たとえば、イオン液体中のアニオンおよびカチオンはそれぞれ、プラス極およびマイナス極に引き付けられる。イオン液体に含まれるアニオンおよびカチオンのサイズについては通常、異なる電極間の体積差を引き起こす原因となる。
【０１２４】
かかる電極の形状／体積に変化が起こると、電気活性アクチュエータが屈曲したり、あるいは撓んだりする。
【０１２５】
さらに、印加される電圧および電流の値を制御することにより電気活性アクチュエータの撓み運動の変位量および速度を制御できる。さらに、極性の方向を変えることで撓み運動の方向も制御することができる。
【０１２６】
駆動電源６は、ＤＣ電圧（電流）またはＶＡＣ（交流電流）を電気活性アクチュエータ１に印加する。線形掃引、方形波および正弦波、パルス波など任意の波形パターンおよび電圧（あるいは電流）の振幅を制御することができる。また、波形パターンのデューティサイクルも任意に設定できる。
【０１２７】
イオン液体を使用する場合、印加電圧は、イオン液体の電位窓を超えず、電気分解により起こる劣化を抑えられる範囲とする。一般的なイオン液体を使用する場合、印加電圧は４Ｖ以下であるとより好ましい。
【０１２８】
（第３の実施形態：高アスペクト比のマトリクス補強材）
図３は、本実施形態のアクチュエータ１の電解質層の模式図を示す。高分子繊維マトリクス２ｃおよび多孔性高分子材料のマトリクス２ｄは、その中に高アスペクト比のマトリクス補強材１３を含む。見やすいように、電解質は示していないが、図３の電解質層に存在することが理解される。
【０１２９】
高アスペクト比の炭素材料は、ランダムでも、ある方向に沿って部分的に配向していても、あるいは完全に配向していてもよい。
【０１３０】
高アスペクト比の炭素材料が高分子材料のマトリクスにランダムに分散している場合を図３に示す。また、高アスペクト比の炭素材料は、高分子材料のマトリクスに部分的に包み込まれていても、または完全に包み込まれていてもよい。高アスペクト比のマトリクス補強材を含む高分子繊維および多孔性高分子材料のマトリクスをそれぞれ図３（ａ）および図３（ｂ）に図示する。高アスペクト比の炭素材料は、短尺に対して十分に長い長尺を有しており、円柱状の場合、直径に対して十分に長い長さを持つ。
【０１３１】
直径は０．１ｎｍより長くて５０μｍより小さく、長尺方向の長さは、直径の１０倍以上である。
【０１３２】
高アスペクト比の炭素材料として、ＶＧＣＦ、ＭＷＮＴおよびＳＷＮＴのような炭素繊維材料があるが、これに限定されるものではない。一般にこうした繊維形状の炭素材料は機械的強度が強く、密度が低い。こうした材料の幾何形状は、高分子材料のマトリクスとマトリクス補強材との間の効率的な負荷移行に役立つ。こうした材料の機械的強度は非常に高い。たとえばＳＷＮＴの引張強さはＧＰａオーダーである。このため、高分子材料のマトリクス中のかかる材料は少ない重量％で電解質層の機械的強度を高めることができる。
【０１３３】
炭素繊維材料の電気的特性は構造に依存することが知られている。たとえばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）材料の場合、電気的特性は、チューブのキラリティーによって半導体材料から金属材料までの幅がある。
【０１３４】
高アスペクト比の炭素材料が絶縁体または半導体または絶縁材で被覆された導電性体である場合、電解質層のマトリクス補強材として８０重量％未満の量を使用してもよい。高アスペクト比の炭素材料が導電性である場合、高分子材料のマトリクスには３０重量％未満の量のマトリクス補強材を含めてもよい。より好ましくは、電解質層には２０重量％未満の量のマトリクス補強材を含めてもよい。換言すれば、マトリクス補強材の量は上記の範囲から選択すればよく、適切な工程を選択して高抵抗の電解質層を得る。かかる電解質層は、ホットプレスのようなアクチュエータの製造工程における（たとえば高温で圧力を印加して電極を電解質層と連結するとき）またはアクチュエータ動作中における外部の力または圧力に対する耐久性が高い。電解質層の構造は、加工／製造中または加工後に崩れない。したがって、アクチュエータの製造およびアクチュエータの動作中の外部負荷による高分子繊維の空隙率、すなわち繊維と繊維の間の空隙１１（図３（ａ）の２ｃ）または多孔性高分子構造の空隙１１（図３（ｂ）の２ｄ）の損傷リスクは大きく低下する。
【０１３５】
また、こうした高アスペクト比の炭素材料を含むゲルは形成しやすい。電解質層２は電解質を含む。一対の電極間に電圧を印加すると、電極間の電解質の移動（アニオンまたはカチオン）のための連続的な通路が存在するため、電解質のカチオンおよびアニオンは電極の方に容易に拡散できる。電極間でイオンが拡散しやすいため、歪みおよび速度の面でアクチュエータの特徴を向上させることが可能になる。
【０１３６】
図４（ａ）のアクチュエータ１は、高アスペクト比のマトリクス補強材を含む高分子繊維電解質層を有する、第３の実施形態による電気活性高分子アクチュエータを図示する。
【０１３７】
電解質層の高アスペクト比の炭素材料はさらに、高分子材料のマトリクスに包み込まれている。図４（ｂ）は、高アスペクト比の炭素材料を包み込む高分子繊維を含む電解質層２の一部を拡大した模式図である。高分子と高アスペクト比の炭素材料との間の接触領域は、高分子材料のマトリクス内にマトリクス補強材が完全に包み込まれているため大きくなる。
【０１３８】
このため、マトリクス補強材と高分子繊維体との、または多孔性高分子材料のマトリクスの場合、マトリクス補強材と高分子骨組みとの間の接着に利用できる表面積が比較的大きく、高分子とマトリクス補強材との間の負荷移行がより効率的である。このため、外部負荷に対して高い耐久性を持つ電解質層が得られる。かかる高分子繊維または多孔性高分子構造の電解質層は耐久性が高いうえ、さらにアクチュエータを駆動すると、イオン移動のための連続的な通路となる空隙および細孔が多いという特徴がある。
【０１３９】
また、高アスペクト比の炭素材料が高分子繊維の長さに沿って配向する場合、得られる構造は、機械的強度が極めて高い。かかる電解質層構造は耐久性が非常に高い。
【０１４０】
この点で好ましいマトリクス補強材として、導電性ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴおよびＶＧＣＦのような炭素繊維ベースの材料があるが、これに限定されるものではない。こうした材料は、ＧＰａオーダーの高い引張強さを持つことが知られている。こうした材料を少量加えると、高分子材料のマトリクスの機械的強度が向上する。
【実施例】
【０１４１】
以下に本発明の実施例について説明する。
【０１４２】
また、本発明のアクチュエータの性能を、従来の高分子ゲル電解質を用いたアクチュエータと比較した。
【０１４３】
（実施例１）
本実施例では、ＶＧＣＦをマトリクス補強材として含む高分子繊維（高分子−ＶＧＣＦ繊維）を電解質層のマトリクスとして使用した。
【０１４４】
高分子−ＶＧＣＦ繊維は、実施形態１に記載したエレクトロスピニング工程により合成した。具体的には、３重量％ＶＧＣＦ ＮＭＰ溶液２ｃ．ｃを８００ｍｇのＰＶＤＦ−ＨＦＰ（高分子材料）および２ｍｇのＢＭＩＢＦ４（イオン液体）溶液と混合し、０．１ｃｃ／時間の速度で紡糸口金に送り、２２ｋＶの電圧を印加してコレクターに高分子−ＶＧＣＦ繊維を得た。
【０１４５】
また、上記溶媒中で上記高分子材料、上記イオン液体と共にＣＮＴを混合し、ボールミルを行った後、型に流し込み、約１１０℃で加熱して溶媒を蒸発させることによりＣＮＴゲル電極の膜を作成した。得られたＣＮＴゲル電極は、真空下で２４時間維持した。
【０１４６】
一対のＣＮＴゲル電極間に上記で作成した電解質層を挟んで、圧力０．５ＫＮ、１１０℃で１分間のホットプレス工程によりアクチュエータを作製した。
【０１４７】
（比較例１）
比較例１として、先行技術文献１を参照して高分子ゲル電解質層を作製した。実施例１と同様に、ホットプレス条件で同じ一対の電極の間に高分子ゲル電解質層を挟んでアクチュエータを作製した。電解質層を除いて、アクチュエータも成分および寸法はすべて同じものとした。
【０１４８】
（比較例２）
比較例２として、電解質層を比較例１と同様の高分子ゲル電解質層を作成する際に、ＶＧＣＦを実施例１と同じ量添加した電解質層を作成した。観察された断面のＳＥＭ画像では、イオンの移動経路となる空隙はほとんど観測できなかった。
【０１４９】
（比較例３）
マトリクス補強材の効果を確認するために、実施例１の電解質層に使用した高分子繊維の代わりに、ＶＧＣＦを含まない高分子繊維を作成し、実施例１と同様にアクチュエータを作成した。観察された断面のＳＥＭ画像では、電極との界面で繊維が潰れ薄い膜が形成されていた。
【０１５０】
（評価）
歪み（発生した変位）および速度からアクチュエータの性能を比較した。
【０１５１】
図５（ａ）および５（ｂ）は、実施例１のアクチュエータにより発生した変位および歪みと、比較例１のアクチュエータにより発生した変位および歪みとを比較したものを示す。
【０１５２】
これらのアクチュエータは同一条件下で調製し、同じ電極を有する。
【０１５３】
アクチュエータの寸法は幅１ｍｍ、長さ１２ｍｍ、アクチュエータの厚さは１５０〜２００μｍであった。１枚の電極の厚さは、６０〜７０μｍであった。電解質層の厚さは２５〜５０μｍであった。
【０１５４】
また、２つのアクチュエータ間に生じた歪みの差を、以下の式（２）を用いて比較した。
ε＝２ｄδ／（Ｌ２＋δ２） ・・・式（２）
式中、εはアクチュエータに生じた歪、Ｌは自由長、ｄはアクチュエータの厚さ、δはアクチュエータに発生した屈曲による変位である。
【０１５５】
歪みεはアクチュエータの動作特性を示すパラメータであり、歪みεが大きいほどアクチュエータの動作特性は高いと判断することができる。
【０１５６】
大きさ１Ｖの周期電圧を周波数０．０１Ｈｚ、０．１Ｈｚ、１Ｈｚおよび１０Ｈｚで印加し、レーザー変位計を用いて各アクチュエータにより発生した変位を記録した。
【０１５７】
次いで式（２）を用いて変位を歪みに変換した。
【０１５８】
実施例１のアクチュエータにより発生した変位および歪みは、比較例１より大きいことが見て取れる。
【０１５９】
また、比較例１のアクチュエータと実施例１のアクチュエータとにより発生した変位の差は、印加電圧の周波数の増加と共に大きくなる。
【０１６０】
図５（ｂ）では、０．０１Ｈｚの低周波数での歪みがほぼ同じである。その理由は、ＣＮＴゲル電極に充放電できる時間が長くイオンの拡散の影響が小さいことに起因する。
【０１６１】
一方、周波数が増加すると、アクチュエータの性能は、イオンの拡散効率により大きく影響される。この点で、本発明の電解質層は、従来のゲル電解質層よりもイオン拡散特性に優れていることがわかる。
【０１６２】
多くの空隙および細孔を有する繊維構造は、イオンの拡散のための連続的な通路となる。こうした結果から、本発明に係るアクチュエータは、歪みおよび速度の能力が増大していることが示唆される。
【０１６３】
図７に、実施例１、比較例１から３のアクチュエータの式（２）から求めた歪量（ε）の比較の結果を示す。図７の結果から、本実施例のアクチュエータは、マトリクス補強材の存在によって歪量が向上することが確認された。
【０１６４】
また、これらのアクチュエータの断面の画像を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得た（不図示）。
【０１６５】
実施例１の電解質層の断面画像は、多くの空隙を含む繊維状構造が潰れることなく維持されており、繊維の平均直径は２００〜５００ｎｍであった。また、ほぼ全ての（９９％）ＶＧＣＦが繊維状構造内に埋め込まれていた。
【０１６６】
また、後述する比較例３のような電極と電解質層の界面での繊維状構造の潰れも少なかった。
【０１６７】
一方、比較例１の構造は空隙のないバルク構造であった。
【０１６８】
また比較例２の構造は、比較例１と同様空隙のないバルク構造であった。
【０１６９】
また、比較例３の構造は、電解質層は比較的空隙を含む繊維状構造を有していたが、電極と電解質層の界面付近において顕著な繊維の潰れが生じており、電極と電解質層の界面に比較例１および２と同様なバルク構造の薄膜が形成されていた。
【０１７０】
また、比較例３において、電解質層の繊維状構造が電極との界面で潰れないよう、ホットプレス時の圧力を小さくした場合は、電極と電解質層の接着性が十分ではなく、数回の駆動で剥がれてしまった。このため、安定動作するアクチュエータを形成するためには、十分なホットプレス時の加圧が必要であり、繊維状構造の潰れを抑制することは困難であった。
【０１７１】
これから、本実施例のアクチュエータは、マトリクス補強材の存在ゆえに、ホットプレス等の製造工程において、電解質層の多孔構造を維持することが可能であった。該多孔構造が一対の電極間を連通するイオンの通路として機能することから、イオンの拡散性を高め、アクチュエータの特性の向上、特に高周波数側での特性の向上が可能であった。また、電解質層中の９０％以上のＶＧＣＦがマトリクスに埋め込まれていることにより、変形応答特性が高く、且つ変位量の大きな屈曲駆動型のアクチュエータを提供することができる。
【符号の説明】
【０１７２】
１ 電気活性高分子アクチュエータ
２ 電解質層
３、１３ 電極
４ 端子
５ 配線
６ 電源
７ カチオン
８ アニオン
９ 高分子繊維
１０ マトリクス補強材
１１ 繊維間の空隙
１２ 多孔性高分子材料のマトリクス
１３ 高アスペクト比の炭素材料
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエータおよびその製造方法に関する。特に、高分子材料を用いたソフトアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
柔軟性があり軽量の高分子アクチュエータ（ソフトアクチュエータとも呼ぶ）は、ロボット工学から医療機器、マイクロマシン、センサーおよび同種のものなど多岐にわたる分野で幅広い用途が期待でき、その開発に注目が高まっている。電気活性高分子アクチュエータの技術は、この分野で特に有望な選択肢の１つになっている。電気活性高分子アクチュエータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換することで膨張および収縮を示すものである。具体的には、ゲルアクチュエータ、イオン交換樹脂膜−金属錯体（ＩＰＭＣ：ｉｏｎ−ｅｘｃｈａｎｇｅ ｒｅｓｉｎ ｆｉｌｍ−ｍｅｔａｌ ｃｏｍｐｌｅｘ）アクチュエータ、高分子ＣＮＴ（Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ）組成物アクチュエータなどが知られている。
【０００３】
特許文献１には、カーボンナノチューブを有する高分子ゲルの電極と、該ゲル電極間に配置した高分子ゲル電解質とからなるゲル型アクチュエータが記載されており、これは一対の電極の間に電圧を印加するとアクチュエータが屈曲する。かかるアクチュエータは、空気中でも、または真空中でも低電圧で動作し得るが、高分子ゲル電解質で作成した中間層はイオンの移動が生じにくく、変位量を大きくすることが難しかった。
【０００４】
また特許文献２には、中間層として高分子を用いて構成された膜状の成形体を用い、成形体をイオン液体で膨潤したアクチュエータが記載されている。また、成形体には破断強度や弾性率を調製する目的で高分子材料や、無機材料を添加してもよい、との記載がある。しかし、変位量を維持しつつ、破断強度を強化するための具体的な添加方法は何ら記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７６４２８号公報
【特許文献２】特開２００９−２７８７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
中間層に多孔質構造体を用いることで、イオンの移動性が向上し、変位応答性の高いアクチュエータとなりうるが、多孔質構造であるが故、バルク体に対して変形時の強度に課題が生じる。
【０００７】
そしてさらに、破断強度を強化する目的で単に補強材を成形体に混入させただけでは、破断強度の強化に効率の低い穴空間内に大量の補強材が配置されてしまう上に、これがイオン移動の妨げとなる。すなわち、補強効果が低い上に、さらに変位量が低下してしまう、という課題があった。
【０００８】
すなわち、本発明は、上記の課題を解決し、変形応答特性が高く、且つ変位量の大きな屈曲駆動型の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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るアクチュエータは、一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータであって、前記電解質層が、電解質と、該電解質を空隙に有する高分子材料のマトリクスと、該マトリクス中に分散された、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有し、
該電解質層中の９０重量％以上の該マトリクス補強材において、それぞれの少なくとも一部分が前記マトリクスに埋め込まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、各々のマトリクス補強材の少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれていることで、マトリクスが直接的に補強される。マトリクス中に埋め込まれたマトリクス補強材が、電解質層中に存在する全量の９０重量％以上を占めることで、上記の補強効果を確実に生ぜしめ、且つ空隙に配した電解質のイオン移動を妨げる確率を低下させることができる。これにより、補強材をマトリクス中に均一に配置した場合に比べても骨格構造の補強に大きく貢献し、且つイオン移動を遮蔽することがないので、変形応答特性が高く、且つ変位量の大きな屈曲駆動型のアクチュエータを提供することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るアクチュエータの構造を図示する模式図であり、（ａ）は外観の模式図、（ｂ）は高分子繊維マトリクスを有する電解質層２を拡大した模式図、（ｃ）は多孔性高分子材料のマトリクスを有する電解質層２を拡大した模式図である。
【図２】アクチュエータの動作を図示する模式図であり、（ａ）は電圧を印加する前（オフ状態）、（ｂ）は電圧を印加した後（オン状態）の図である。
【図３】（ａ）は、高分子繊維中に高アスペクト比のマトリクス補強材を含む電解質層、（ｂ）は、多孔性高分子材料のマトリクス中に高アスペクト比のマトリクス補強材を含む電解質層を図示する。
【図４】本発明に係るアクチュエータを示す図であり、（ａ）は高アスペクト比のマトリクス補強材を含む高分子繊維電解質層、（ｂ）は高アスペクト比のマトリクス材料を包み込む高分子繊維の一部を拡大した模式図である。
【図５】（ａ）は実施例１と比較例１のアクチュエータとにより得られる変位の比較を示す。（ｂ）は実施例１と比較例１のアクチュエータとにより得られる歪みの比較を示す。
【図６】マトリクス中にマトリクス補強材が埋め込まれている様子を模式的に示す図である。
【図７】実施例１および比較例１から３のアクチュエータにより得られる歪みの比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
添付図面を参照しながら、以下に本発明を実施するための最良の形態を記載する。
【００１３】
（アクチュエータの全体構成）
図１（ａ）のアクチュエータ１は本発明に係る電気活性高分子アクチュエータの外観を図示したものである。このアクチュエータ１は互いに向かい合う一対の電極３および１３を有し、その間に電解質層２がある。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、電解質層２は、電解質を空隙に有する高分子材料からなるマトリクス９と、マトリクス９を補強するためのマトリクス補強材１０と、を有している。電解質層中に存在する全量の９０重量％以上のマトリクス補強材において、それぞれの少なくとも一部分が高分子材料のマトリクス９に埋め込まれている。
【００１５】
すなわち本発明において、電解質層中に存在する全量の９０重量％以上のマトリクス補強材１０は、図６に示すような、少なくとも一部がマトリクスに埋め込まれた状態で存在している。これは図６のようにマトリクスからマトリクス補強材が一部露出している状態であっても良いが、マトリクス内に完全に埋めこまれて露出部分が存在しない状態でも良い。個々のマトリクス補強材においては、その全体積のうち５０％以上がマトリクスに埋め込まれていることで、マトリクスへの補強効果が高まり、好ましい。５０％未満、特に埋め込み部分が小さくなるほど変形時にマトリクスから剥がれ易くなり、これがイオン移動の妨げになり、好ましくない。
【００１６】
また、マトリクス補強材として、炭素材料などの導電性材料を使用した場合、補強材の割合が多く、且つマトリクスからの露出が大きくなり過ぎると、導電性が顕著に高くなり、電極間でショートしてしまうことがある。このため、電極間の電気抵抗性を維持したまま、補強を達成できる程度の量のマトリクス補強材を添加するべきである。
【００１７】
上記の一対の電極３、１３の一端は、それぞれに接続する端子４により固定される。端子４は、配線５により外部電源６に接続されている。
【００１８】
上記の一対の電極間に電位差を印加すると、電解質のイオンが電極間の連続的な通路を移動し、各電極の体積に変化が起こる。その結果、アクチュエータの電極が膨張したり、あるいは収縮したりする。
【００１９】
本発明の電解質層２は、電極間にイオン拡散のための連続的な通路が存在するように、電解質、およびマトリクス補強材、および高分子材料のマトリクスを有している。
【００２０】
本発明において、高分子材料のマトリクスは、電解質を空隙に配置できるように構成されている。所謂多孔質構造や高分子繊維の繊維同士が一部融着した構造などの、高分子材料が存在しない部分に空隙や空孔を有するものである。
【００２１】
マトリクスの空隙は、電解質が配置され、また該空隙を利用してイオンが移動するように構成されている。すなわち、電極間のイオンの移動を容易にするために、電極間の方向に空隙の経路が複数存在するマトリクスであることが好ましく、所謂連続泡多孔質膜であったり、一部のみを融着した高分子繊維のマトリクスであったりすると良い。
【００２２】
本発明のマトリクスは、その空隙に電解質を十分に保持できるように、電解質の配置前には比較的高い空隙率を有する多孔質構造であることが好ましい。
【００２３】
図１（ｂ）および（ｃ）は、高分子材料のマトリクスがそれぞれ高分子繊維マトリクスおよび多孔性高分子材料のマトリクスである場合の、かかる電解質層を拡大した模式図を示す。
【００２４】
図１（ｂ）は、高分子繊維マトリクスを有する電解質層を拡大した模式図であり、図１（ｃ）は、マトリクス補強材を含む多孔性高分子材料のマトリクスを有する電解質層を拡大した模式図を示す。見やすいように、模式図に電解質は示していないが、電解質層に存在することが理解される。
【００２５】
図２は、本発明のイオン移動型高分子アクチュエータの動作を示す模式図であり、図２（ａ）は電圧を印加する前（オフ状態）、図２（ｂ）は電圧を印加した後（オン状態）である。図には、一端が端子４により固定されるアクチュエータ１の膜厚方向の断面図、および電源６が示されている。
【００２６】
一対の電極３および１３間に電圧を印加すると、電極中では、電解質層２から電極へのイオン（カチオン７およびアニオン８）の移動および静電反発力などに起因する体積の変化が起こり、図２（ｂ）に示すような屈曲運動が生じる。
【００２７】
図２のアクチュエータの各層は柔軟性があり、形状は矩形である。アクチュエータは、端子４により短い方の縁端部の一方に沿って固定され、配線５の両側に電圧を印加するとアクチュエータが図２（ｂ）に示すようにアノード側の方へ屈曲する。
【００２８】
また、アクチュエータ１の電解質層および電極の配置設計を適切に選ぶことで、屈曲に加えて膨張または収縮、さらにねじれ運動も実現可能である。かかる高分子アクチュエータは、円形、卵形、三角形、四角形、円筒形、らせん形など任意の形状としてもよい。
【００２９】
アクチュエータの柔軟性を得るには、イオン移動型アクチュエータの中でも高分子ゲル型高分子アクチュエータを使用すると望ましく、ＣＮＴを含むイオン液体ゲルからなるＣＮＴゲル型アクチュエータを使用するとさらに望ましい。これを用いれば、空気中での動作が安定し、ＣＮＴのヤング率により内部応力が大きいうえ、さらに不揮発性イオン液体を使用するという利点が得られる可能性がある。
【００３０】
図１（ａ）の高分子アクチュエータの場合、電解質層２は一対の電極３、１３の間に配置され、上記の一対の電極の一端は、端子４により固定される。端子４は、配線５により電源６に接続される。
【００３１】
電解質層２は、一方の電極から他方の電極への連続的な通路が存在するように、マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスを含む。
【００３２】
マトリクス補強材は、高分子材料のマトリクスの少なくとも一部において部分的に配向していても、または完全に配向していてもよい。
【００３３】
図１（ｂ）および図１（ｃ）はそれぞれ、電解質層の高分子材料のマトリクスが高分子繊維マトリクスである場合、多孔性高分子材料のマトリクスである場合を図示する。
【００３４】
電解質層として、電解質と、マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスとを含み、高分子材料のマトリクスの多孔質構造により電極間に連続的な通路が存在するアクチュエータを提供する。すなわち、マトリクス補強材を含む骨格構造は高い機械的強度を有し、したがって外部からの衝撃、引張、押圧等の負荷に対する耐久性が高い。このため、製造中、または動作中の外部負荷による電解質層の構造の損傷が大きく抑えられる。故に、アクチュエータ構造の耐久性を向上させることができる。さらに、多孔質構造であるが故に、歪みおよび速度の面で性能が高い。
【００３５】
以下に電解質層の構成について、実施形態を用いて詳細に説明する。
【００３６】
（実施形態１：高分子繊維マトリクス）
図１（ｂ）は、アクチュエータ１の電解質層２を構成する、マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスを拡大した模式図である。この図において、電解質層２ｂは、高分子繊維マトリクス９、マトリクス補強材１０および繊維間の空隙１１を有していることが示されている。
【００３７】
高分子繊維マトリクス９は、高分子繊維の集合体であり、融着などにより部分的に繊維同士が結合しているものである。繊維の外側は空隙となり、これがイオンの移動経路になるため、アクチュエータ内のイオン移動の効率性は高い。空隙１１には、イオンの元となる電解質が配置されている。
【００３８】
高分子繊維の長さは長く、直径については０．００５μｍから５０μｍまでの幅があってもよい。単位体積当たりの充填率を調整することで高分子繊維の柔軟性を制御することが可能であり、したがって比較的小さい直径が望ましく、０．０１μｍ〜１μｍの間の直径が好ましい。
【００３９】
さらに、高分子繊維マトリクス９内には少なくとも部分的にマトリクス補強材１０が存在する。マトリクス補強材は、好ましくは高分子繊維を構成する高分子材料より１０倍高い機械的強度を持つ。本実施形態においては、電解質層に存在するマトリクス補強材のうち、少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれた状態で存在するマトリクス補強材は、９０重量％以上、具体的には９０％〜９９．９％である。マトリクス補強材は、粒子または後述する高アスペクト比の炭素材料が好ましい。高アスペクト比の炭素材料としては、長軸と短軸が５：１以上のアスペクト比のものがよく、好ましくは１０：１以上のものである。
【００４０】
高アスペクト比の炭素材料の場合、炭素繊維ベースの材料が高い機械的強度を持つことが知られているためより好ましい。加えて、高分子繊維の伸長方向と炭素材料の長手方向が配向するように埋め込むと、高分子繊維としての特性がより向上する。マトリクス補強材は、好ましくはそれ自体の機械的強度が高い材料である。
【００４１】
電解質層２に外部の力または圧力が印加されると、マトリクス補強材と高分子材料のマトリクスとの間の相互作用により、その負荷がマトリクス補強材に移動される。このため、電解質層の機械的強度が向上する。
【００４２】
かかる電解質層は、アクチュエータの製造工程中、たとえばホットプレス工程（電極間に電解質層を挟むことにより高温で一定の圧力を印加する）において、あるいは製造後の動作中において外部負荷（力または圧力）に対して高い耐久性を持つ。
【００４３】
ホットプレスにより作成した一部融着している高分子繊維マトリクスは、その繊維構造は強固であり、アクチュエータの製造または動作中に崩れることはない。したがって、高分子繊維の空隙率または空隙１１の低下の程度がかなり小さくなる。
【００４４】
電解質層２はマトリクスの空隙に電解質を含む。電極間に電圧を印加すると、対電極間での電解質の移動（アニオンまたはカチオン）のための連続的な通路が存在するため、電解質のカチオンおよびアニオンが電極３、１３に向かって容易に拡散できる。
【００４５】
イオンが電極間で拡散しやすいことから、歪みおよび速度の点でアクチュエータの特徴を改善することができる。
【００４６】
さらに、移動効率性が低下しないように膜厚は１μｍ超とし、かつ５００μｍ未満に制御すると良い。電解質層の厚さが厚くなると高強度になる一方で、薄くなると歪みおよび速度が高くなる可能性がある。
【００４７】
しかしながら、こうした厚さが減少するにつれて機械的強度が低下するため、アクチュエータの製造または動作中に外部圧力による電解質層の損傷または破壊の可能性が高まることが知られている。これは、電極間が短絡する可能性を増大させる。
【００４８】
本形態の電解質層は高い機械的強度を持ち、したがって耐久性が高くて薄い膜とすることができ、さらにその繊維構造によりイオン移動のための連続的な通路を得ることができる。このため、アクチュエータの大きな歪みおよび速度を実現することができる。
【００４９】
本形態の高分子繊維マトリクスは、表面または内側にマトリクス補強材９を有する。さらに高分子繊維は、アクチュエータの一定の寸法に沿ってランダムでも、配向していても、あるいは部分的に配向していてもよい。機械的強度は、高分子繊維内のマトリクス補強材の配向方向を変更して調整してもよい。
【００５０】
このため、配向方向により屈曲する機械的強度を自由に調整できるため、状況に応じて、アクチュエータの変位量または出力を向上させることができる。
【００５１】
マトリクス補強材として、高アスペクト比の炭素材料を用いる場合、高分子繊維の長さに沿って部分的にまたは完全に配向するとよい。
【００５２】
マトリクス補強材の長さが、高分子繊維の長さ寸法に沿って配向すると、高分子繊維材料の機械的強度の増大は非常に大きくなる。このような場合に、電解質層およびアクチュエータの構造耐久性は高くなる。
【００５３】
電解質層はさらに、電気抵抗率が高い。好ましくは、電解質は抵抗率が１０３Ω・ｍ〜１０１８Ω・ｍの間である。より好ましくは、電解質層の存在により、アクチュエータの電極間の抵抗が１ｋΩよりも大きな値となることである。マトリクス補強材として絶縁材料、半導体材料または導電性材料を含めて、それぞれの量を、上述の電気的特性を持つ電解質層が得られるように制御できる。
【００５４】
さらに、高分子繊維は内部にイオン液体を保持していてもよく、さらに高分子繊維と高分子繊維との間の空隙にイオン液体を保持していても構わない。
【００５５】
さらに、高分子繊維の断面も特に限定させるものではなく、円、卵形、四角形、多角形、半円でもよく、さらに正確な形状である必要もなく、形状は任意の部分が異なっていても構わない。
【００５６】
（実施形態２：多孔性高分子のマトリクス）
図１（ｃ）は、図１（ａ）のアクチュエータ１の電解質層２を拡大した模式図を示す。電解質層２ａは、多孔性高分子材料のマトリクスを有する。図１（ｃ）では、電解質層２ａの空隙（細孔）、マトリクス補強材および高分子材料のマトリクスをそれぞれ１１、１０および１２で表す。かかる高分子材料のマトリクスには多数の空隙があり、したがって電解質（アニオンおよびカチオン）が拡散しやすい。
【００５７】
本実施形態の電解質層は、多くの細孔を持つ構造のマトリクスを有し、その骨格構造（マトリクス）内にマトリクス補強材を含む。本実施形態においても、電解質層に存在するマトリクス補強材のうち、少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれた状態で存在するマトリクス補強材は、９０重量％以上、具体的には９０％〜９９．９％である。
【００５８】
かかるマトリクス補強材は、粒子でも、または後述する高アスペクト比の炭素材料でもよい。一般に、こうした高アスペクト比の炭素材料は、機械的強度が強い。そのため、多孔性の構造体の強度は、それを骨格構造内に含ませることにより増大する。その結果、アクチュエータを繰り返し駆動しても、アクチュエータは安定して変形する。
【００５９】
さらに、電解質層２の構造は製造／加工中、または加工後に崩れずに、高い耐久性を与える。アクチュエータの製造中および製造後の外部負荷による細孔および空隙の損傷は大きく抑制される。このように、高い多孔特性を有する電解質構造により得られる連続的な通路があるため、電極に電圧を印加すると、電極間のイオン拡散が良好となる。
【００６０】
また、マトリクスの空隙は細胞型の閉鎖細孔であってもよいが、良好なイオン拡散のためには空隙が連結されている方が好ましい。
【００６１】
電解質層の空隙率は２０体積％超で９０体積％未満であることが好ましい。空隙率が２０体積％未満である場合、電極間の連続的な通路の体積がわずかであり、アクチュエータの変位量が大きくならない場合がある。一方、空隙率が９０体積％よりも大きい場合、電解質層の強度が不十分であり、アクチュエータの製造時、または変形中に電解質層に亀裂が入ることがあり、これが電極間の短絡につながる恐れがある。この場合、空隙率は、水銀圧入法、ガス吸着法、アルキメデス法により測定可能である。
【００６２】
空隙のサイズは、３ｍｍ以下で０．５ｎｍ超であることが好ましい。好ましくは、空隙のサイズは５００μｍ以下で１ｎｍ超である。
【００６３】
また、マトリクス補強材はマトリクス（高分子骨組み）の表面または内部にある。空隙サイズが５００μｍより大きい場合、電解質層の強度は不十分であり、変形時に電解質層に亀裂が入ることがある一方で、良好なイオン拡散のためには空隙サイズが１ｎｍ以上であるとより望ましい。または、空隙のサイズは、水銀圧入法、ガス吸着法、走査型電子顕微鏡による直接観察により測定可能である。
【００６４】
さらに、電解質層は電気抵抗率が高い。好ましくは、電解質層は抵抗率が１０３Ω・ｍ〜１０１８Ω・ｍである。より好ましくは、電解質層の存在により、アクチュエータの電極間の抵抗が１ｋΩよりも大きな値となることである。マトリクス補強材として絶縁材料、半導体材料または導電性材料を含めて、それぞれの量を、上述の電気的特性を持つ電解質層が得られるように制御してもよい。
【００６５】
（マトリクス補強材）
図１（ｂ）および図１（ｃ）に示されるように、本発明の電解質層は、マトリクス中にマトリクス補強材が分散して配置されている。電解質層に存在するマトリクス補強材のうち、少なくとも一部分がマトリクスに埋め込まれた状態で存在するマトリクス補強材は、９０重量％以上、具体的には９０％〜９９．９９％である。残りの１０重量％より少ないマトリクス補強材は、上述のマトリクスに埋め込まれなくてもよい。この場合は、マトリクスの空隙に電解質とともに配置されていてもよい。
【００６６】
図６に示すように、高分子材料のマトリクスに埋め込まれている。マトリクス補強材は、図６のように高分子材料のマトリクスに部分的に包み込まれていても、または完全に包み込まれていてもよい。残りの埋め込まれていないマトリクス補強材は、マトリクスの空隙に、電解質とともにマトリクスから離れて配置されているが、これはイオンの移動に悪影響を与えるため、より少ないことが望まれる。すなわち、マトリクスに埋め込まれているマトリクス補強材の重量をＡとし、マトリクスに埋め込まれずにその空隙に配置されている重量をＢとすると、マトリクス中に存在する全量は、Ａ＋Ｂとなり、マトリクスに埋め込まれているマトリクス補強材の重量％（Ｘ）は、以下の数式のようになる。
Ｘ＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）×１００（％） ・・・（１）
すなわち本発明においては、Ｘが９０％以上である。また電解質層中のマトリクスに埋め込まれているマトリクス補強材の重量％は１００％を超えることはなく、好ましくは９９．９９％以下の値である。
【００６７】
マトリクス補強材１０は、粒子でも高アスペクト比の炭素材料でも構わない。
【００６８】
マトリクス補強材が粒子である場合、どのような形状であってもよいが、粒子と高分子と間の接触領域および接着率が大きくなる形状を持つことが好ましい。さらに、マトリクス補強材が粒子である場合、粒子状材料でも、または低アスペクト比材料でもよい。粒度は、ナノスケールからマイクロスケールまでの幅があってもよい。ナノ粒子は表面積が大きく、したがって粒子と高分子との間の接触領域が大きくなり、高分子とマトリクス補強材との間の負荷移行が高まるため、粒子はナノ粒子であることが好ましい。
【００６９】
また、マトリクス補強材が高アスペクト比の炭素材料である場合、アスペクト比が１０より大きいと好ましい。マトリクス補強材は、高分子材料のマトリクスの方向に沿って配向していて（ａｌｉｇｎｅｄ）も、またはランダムに分散していても、あるいは高分子材料のマトリクスの方向に沿って部分的に配向していて（ａｌｉｇｎｅｄ）もよい。マトリクス補強材を含む高分子材料のマトリクスを用いれば、高い機械的強度の電解質層を得ることが可能である。マトリクス補強材の機械的強度は高分子の機械的強度よりも高いと好ましい。さらに、マトリクス補強材の機械的強度は高分子の強度の１０倍以上であることが望ましい。マトリクス補強材の機械的強度は高分子材料のマトリクスの１００倍以上であることが好ましい。
【００７０】
また、電解質層全体としては電気抵抗率が高い必要がある。好ましくは、電解質層は抵抗率が１０３Ω・ｍ〜１０１８Ω・ｍの間である。より好ましくは、電解質層の存在により、アクチュエータの電極間の抵抗が１ｋΩよりも大きな値となるように構成する。マトリクス補強材として絶縁材料、半導体材料または導電性材料を含めて、それぞれの量を、上記の電気的特性を持つ電解質層が得られるように制御するとよい。
【００７１】
マトリクス補強材が絶縁材料または半導体材料である場合、電解質層の総重量の０．１重量％〜８０重量％の間の量の材料を含めると、電解質層２を得ることができる。０．１重量％未満の値であると、高分子材料のマトリクスの機械的強度の増大に寄与しない場合があり、８０重量％を超える値であると、アクチュエータの変形の際に電解質層の柔軟性に寄与しない場合がある。マトリクス補強材が導電性である場合、電解質層の０．１重量％〜３０重量％を構成することが好ましい。０．１重量％未満の値であると、高分子材料のマトリクスの機械的強度の増大に寄与しない場合があり、３０重量％を超える値であると、電解質層の高い電気抵抗率の維持に好ましくない。しかしながら、マトリクス補強材が絶縁材料で被覆された導電性材料である場合、電解質層に０．１重量％〜８０重量％の間の値で含めてもよい。マトリクス補強材の量は０．１重量％〜２０重量％であるとより好ましい。言い換えれば、マトリクス補強材の量および工程の選択により、アクチュエータの電極間の抵抗が１ｋΩを超えるように電解質層を設計することが好ましい。
【００７２】
マトリクス補強材として使用できる材料として、ＳＷＮＴ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、ＭＷＮＴ（Ｍｕｌｔｉ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、ＶＧＣＦ（Ｖａｐｏｒ Ｇｒｏｗｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ）、黒鉛ナノプレートレット、黒鉛ナノスクロールのような炭素繊維、カーボンブラック、グラフェンのような炭素材料、ナノクレイのような層状ケイ酸塩材料、シリカ材料のようなセラミック材料、ガラスビーズがあるが、これに限定されるものではない。
【００７３】
以下に限定されるものではないが、その幾何形状、高い機械的強度、およびゲルへの作りかえやすさから、ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴおよびＶＧＣＦなどの高アスペクト比の炭素繊維の少なくとも一種を使用することが好ましい。
【００７４】
（電解質層）
図１のアクチュエータ１の電解質層２は、高分子材料以外にもアクチュエータの一対の電極間に電位差を印加できるものであれば、どのような材料を含ませても良い。
【００７５】
柔軟性があり、高分子材料のマトリクスからなる材料が電解質層であり（換言すればこの材料は溶融状態でイオンを発生する）、積層構造を形成できると好ましい。
【００７６】
高分子材料のマトリクスの電気抵抗は１０３Ω・ｍ〜１０１８Ω・ｍであることが望ましい。２枚の電極間の電解質層の電気抵抗は１ｋΩ以上であることが好ましい。
【００７７】
上記の電解質層の高分子材料のマトリクス材料を構成する材料として、イオン導電性高分子またはイオン性材料を含む非イオン導電性高分子を挙げることができる。電界の存在下で電荷がこうした材料中を移動すると、電流が流れ、イオンが電荷の運び手になる。イオン分子を受け取る部分は、局所的に膨張する。異なる極性を持つイオンが反対方向に移動するため、アクチュエータはアニオンおよびカチオンのサイズの相違により屈曲する。
【００７８】
本発明では、電極および電解質層は高分子材料を含み、該高分子として、加水分解しにくく、大気中での安定性が優れているものが好ましい。
【００７９】
高分子としては、たとえば、テトラフルオロエチレンおよびフッ化ポリビニルイジンなどポリフッ化物系の高分子；ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのオレフィン系高分子；ポリブタジエン系化合物；エラストマーおよびゲルなどのポリウレタン系化合物、ウレタン系のもの；シリコーン系化合物；熱可塑性ポリスチレン；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタラートを挙げることができる。上記の高分子を１種または複数使用してもよく、上述以外の高分子を使用しても構わない。
【００８０】
（電解質）
アクチュエータを空気中で駆動する際に、イオン性材料は比較的長い寿命でイオン液体として存在することが好ましい。本明細書では、周囲雰囲気で塩の溶融または融解状態をイオン液体といい、たとえば、室温を含め０℃〜４０℃の範囲の広範な温度で溶融状態にある塩を含む。
【００８１】
さらに、高イオン伝導性のためには、イオン伝導の高いイオン液体が好ましい。所望の温度範囲で液体として安定である塩はより好ましいものであるが、よく知られた様々な塩をイオン液体として使用してもよい。好適なイオン液体として、イミダゾリウム塩、ピリジニウム塩、アンモニウム塩およびホスホニウム塩、ならびにこれらの混合物を挙げることができる。
【００８２】
また、フッ化リチウム、臭化リチウム、臭化ナトリウム、塩化マグネシウム、硫酸銅、酢酸ナトリウム、オレイン酸ナトリウムなどのイオン性材料を含んでもよい。
【００８３】
（電極の構成）
２枚の電極の材料組成は、異なっても、または同じでもよい。
【００８４】
電極３、１３は、電気伝導性を有する高分子材料で形成されるとよい。電気伝導性を有する高分子材料は、導電性高分子および導電体を含む複合高分子を含む。
【００８５】
アクチュエータの性能に悪影響を及ばさない限り、電極材料としてどのような材料を含めてもよい。柔軟電極を得るための材料としては、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、およびケッチェンブラック、カーボンウィスカー、グラフェン、炭素繊維、カーボンナノチューブおよびカーボンマイクロコイルなどの様々な炭素材料、金属（白金、パラジウム、ルテニウムおよび銀、鉄、コバルト、ニッケル、銅、インジウム、イリジウム、チタンおよびアルミニウムなど）粉末（微粒子）、金属化合物（酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化第二スズおよびＩＴＯなど）、金属繊維、導電性セラミックス材料および導電性高分子材料などが挙げられる。電極は、その種の化合物の１つとしてこれらの導電性材料を含む。
【００８６】
本発明の導電体としては、電気伝導性および比表面積の観点からナノ構造を持つ炭素材料がより望ましく、最も好ましくはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）材料である。また、カーボンナノチューブおよびイオン液体を含むＣＮＴゲルは、イオン液体を含むＣＮＴが自己組織化したゲルであり、イオン液体は、ＣＮＴの分散効果を助ける。したがって、ＣＮＴイオン液体ゲルは、電極材料の候補として非常に好ましい。
【００８７】
この場合に限定されるものではないが、加水分解しにくい材料を含めると望ましく、電極３、１３に含めるそうした高分子は、周囲雰囲気で安定であり、アクチュエータの安定動作を可能にする。
【００８８】
かかる高分子として、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィン系高分子；ポリスチレン；ポリイミド；ポリパラフェニレンオキシド、ポリ（２，６−ジメチルフェニレンオキシド）およびポリパラフェニレンスルフィドなどのポリアニリン（芳香族系が結合した高分子）；あるいはポリテトラフルオロエチレンおよびフッ化ポリビニリデンなどのフッ素系物質を含む高分子にスルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、リン酸基、スルホニウムラジカル、アンモニウムラジカルおよびピリジニウムラジカルなどの官能基を導入したもの；フッ素系ポリブタジエン系化合物を含む高分子の骨組みにスルホン酸基、カルボキシル基、リン酸基、スルホニウムラジカル、アンモニウムラジカルおよびピリジニウムラジカルなどを導入するパーフルロスルホン酸高分子、パーフルロカルボン酸高分子およびパーフルオロリン酸高分子など；エラストマーおよびゲルなどのポリウレタン系化合物；シリコーン系化合物；ポリ塩化ビニル；ポリエチレンテレフタラート；ナイロンがあり；ポリアリレートなどを含めてもよい。
【００８９】
さらに、導電性である高分子を使用してもよく、たとえば、この種の高分子にポリアニリン、ポリピロール（ｐｏｌｙｐｙｒｏｌｅ）、ポリチオフェン、ポリアセチレンおよびポリフェニレンなどを含めてもよいが、これらに限定されるものではない。上記の高分子、コポリマーおよび機能性高分子の１種または複数種の使用が可能であるが、これらの高分子に限定されるものではなく、他の高分子を使用してもよい。
【００９０】
さらに、上記の２種以上の導体および／または上記の２種以上の高分子を組み合わせることも可能である。
【００９１】
また、上記の導電性高分子材料および導体を組み合わせて、それを使用することも可能である。
【００９２】
さらに、こうした電極材料を形成する際に、後で記載される電解質を含めてもよい。
【００９３】
また電極は、メッキ、蒸着およびスパッタリングなどにより薄い金属膜として作製することができる。かかる電極を電解質層に接して直接形成する場合、電極は、電気導電性材料のみで形成されると考えられる。
【００９４】
フッ化ポリビニルイジンのコポリマーとイオン液体との混合物を含むカーボンナノチューブをゲルとして含む材料をアクチュエータの電極として使用することが特に好ましい。また、電解質層の両側の２枚のアクチュエータ電極は、同じ材料から作製されても、または異なる材料から作製されてもよい。
【００９５】
また、アクチュエータの電極の接着を良好にするため、アクチュエータの電極に使用される高分子材料を電解質層２のマトリクス材料として使用することも望ましい。
【００９６】
（アクチュエータの製造方法）
以下に、本発明のアクチュエータの製造方法を説明する。
【００９７】
（高分子繊維マトリクスの製造方法）
まず、高分子繊維の製造方法について説明する。
【００９８】
本製造方法では、マトリクス補強材１１を含む高分子繊維体９が一方向に沿って完全に配向する部分を少なくとも有するものが製造される。
【００９９】
高分子繊維の製造方法として、エレクトロスピニング法、ポリマーブレンド紡糸、メルトブロー紡糸およびフラッシュ紡糸を挙げることができるが、これに限定されるものではない。
【０１００】
エレクトロスピニング法は、様々な高分子の繊維形状、配向および直径の制御、ならびにナノサイズ直径繊維の作製に使用することができるので望ましい。
【０１０１】
エレクトロスピニング法による高分子繊維の製造工程は、高圧電源、高分子溶液／貯蔵タンク、紡糸口金およびアースされたコレクターを使用する。高分子溶液は、タンクから紡糸口金まで一定の流速で供給される。紡糸口金には１〜５０ｋＶの電圧が印加されているため、液滴が荷電される。静電反発力が表面張力に対抗し、高分子の液滴が引っ張られ、高分子溶液のジェットがコレクターに向けて噴射される。ジェットの溶媒は揮発し、その後コレクターに到着する際には、ジェットのサイズはナノレベルまで減少し、コレクターに高分子繊維の集合体が形成される。また、高分子溶液の代わりに、融点より高い温度で加熱した溶融高分子を使用してもよい。
【０１０２】
紡糸口金に供給される高分子溶液の溶液形態にマトリクス補強材を含めると良いが、高分子溶液のジェットが回収されている間にコレクターに噴霧しても、マトリクス補強材を高分子繊維に埋め込むことができる。マトリクス中に９０％以上のマトリクス補強材を埋め込むには、後述するホットプレス処理を行うとより好適に実施できる。高分子溶液中の分散性を改善するため、マトリクス補強材は、エレクトロスピニング（ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｉｎｇ）用の高分子溶液に加える前に、乳棒・乳鉢を用いて粉々に砕いてもよいし、または超音波処理のような湿式法またはボールミルまたはローラーミルを用いて溶液としてもよい。
【０１０３】
また、配向した繊維膜は、回転ドラムをコレクターとして使用することにより得ることができる。さらに、配向の制御については、公知のエレクトロスピニングの技法を用いることができる。前述のように、アクチュエータの屈曲能力および出力は、アクチュエータ内の高分子繊維の配向方向によって制御できる。
【０１０４】
（多孔性高分子材料のマトリクスの製造方法）
本発明の、多孔性高分子材料のマトリクスの製造方法は、従来の高分子抽出法、溶媒抽出法、照射エッチング法、発泡法、拡張法を用いることができ、またこれに限定されるものではない。
【０１０５】
高分子抽出法を使用する場合、少なくとも２種類の高分子をブレンドし、ミクロ分離構造の高分子膜を得る。換言すれば、最初に２種類の高分子をブレンドし、スピンコーティング法またはキャスト法により高分子膜を形成する。その後、溶媒中の高分子の熱分解または溶解度の違いを用いて不連続相の高分子成分を除去し、ミクロ分離構造を形成する。
【０１０６】
得られる最終構造は、細孔特性を有する構造を持つ。高分子抽出法による、細孔特性を有する構造の作製に使用できる高分子として、ポリアミド、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリルコポリマー、ポリカルボナート、ポリブチレンテレフタラート、ポリエチレンテレフタラート、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニルピロリドン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミドなどがあるが、これに限定されるものではない。また、３種類以上の高分子を混合して使用してもよい。
【０１０７】
また、マトリクス補強材が埋め込まれた多孔質高分子マトリクスの膜を得る方法には、高分子抽出法または溶媒抽出法の使用中にマトリクス補強材を高分子溶液中に分散する方法があるが、これに限定されるものではない。マトリクス補強材はある高分子中に最初に分散させ、次にこの高分子とマトリクス補強材との溶液を別の高分子とブレンドし、続いて高分子抽出法を用いて上記のマトリクスを得てもよい。
【０１０８】
溶媒抽出法を用いて相溶性溶媒を含む高分子膜を得てから、これを非相溶性溶媒に浸漬してもよい。使用する２つの溶媒については相互に相溶性がある。高分子膜を浸漬すると、高分子と相溶性がある溶媒に抽出され、高分子膜を浸漬する溶媒に置換される。その結果、多くの細孔を持つ高分子膜が作製される。相互に相溶性のある溶媒、および高分子と相溶性および非相溶性の溶媒の組み合わせは、特に高分子に限定されるものではない。
【０１０９】
マトリクス補強材を含み、多くの細孔を持つ高分子膜を得るには、相溶性溶媒に高分子とマトリクス補強材とが分散した膜を作成し、高分子およびマトリクス補強材のいずれとも非相溶性の溶媒に浸漬してもよい。その結果、マトリクス補強材を含み、多くの細孔構造を持つ高分子膜が得られる。
【０１１０】
照射エッチング法では、発泡剤を含む高分子膜に、膜を貫通し細孔を形成する高エネルギーイオンビームまたは中性子ビームまたはレーザーを照射する。発泡剤を含む高分子が加熱されることで細孔を形成する。
【０１１１】
拡張法は、高分子膜に剪断ストロークを与えることで微小繊維構造を持つ細孔を形成する方法である。
【０１１２】
上記した方法の１つまたは複数を用いて、多くの細孔を持つ高分子膜を形成すると良い。
【０１１３】
（電極の製造方法）
特に制限がない場合、電極は、たとえば導電材料およびイオン液体および高分子からなる。高分子は融点を超えると融解し、次いで導電材料、イオン液体および高分子は１つの溶液に混合される。かかる溶液は、流し込みおよび成形というよく知られた様々な技法により注入して成形してから、加熱して溶媒を蒸発させる。
【０１１４】
好適な溶媒に高分子を溶解させた後に、溶媒を除去する方法では、イオン液体および溶媒に、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ：ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）、メチルエチルケトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ：ｄｉｍｅｔｈｙｌ ａｃｅｔａｍｉｄｅ）を使用することができる。
【０１１５】
さらに、電極は、電解質層２と同様の高分子繊維からなってもよい。高分子繊維からなる電極の製造方法では、上述した電解質層２の高分子繊維の製造工程において導電材料を加え、類似の手法を用いて導電性の高分子繊維電極を得るべきである。
【０１１６】
（電解質層および電極の接合方法）
得られた電解質層および電極は任意の形状およびサイズに切断し積層配置する。高分子アクチュエータ１を形成する方法として、電解質層２の両側に電極３、１３を積層配置する好適な方法は熱圧着（ホットプレス）方法であるが、かかる方法に限定されるものではない。
【０１１７】
アクチュエータを構成する高分子、高分子バインダー、イオン種の温度、プレス圧力および加熱プレス時間を適切に選択し、それぞれの成分の解離温度未満で行われるようにすればよい。
【０１１８】
２つの電極間に電解質層を挟み、両電極間を熱圧着する。たとえば、熱圧着時の温度は３０℃〜１５０℃の間で設定されると良い。より好ましくは、温度は１１０℃±５℃の範囲に設定されることが望ましい。さらに、プレス圧力は１ｋｇ／ｃｍ２〜１００ｋｇ／ｃｍ２であると望ましく、１０ｋｇ／ｃｍ２〜５０ｋｇ／ｃｍ２であるとより望ましい。
【０１１９】
また、薄い金属層を形成する方法は、電解質層２の表面への電気メッキ、蒸着およびスパッタリングなどであってもよい。
【０１２０】
上記のように積層配置したアクチュエータ１を、水、イオン導電材料、イオン液体またはこれらの混合物に含浸させても良い。この場合、含浸させる溶液の密度、含浸させる時間は、よく知られた方法を用いて決定してよく、特に限定されない。
【０１２１】
また、配向した高分子繊維の電極および／または電解質層を使用する場合、連結したときのそれぞれの高分子繊維の配向方向を考慮して設計し、高分子アクチュエータの変位量または発生力が向上させることができる。
【０１２２】
（アクチュエータの駆動について）
駆動電源６は、電気活性高分子アクチュエータ１の電極間に電圧または電流を印加し、電位差を印加する。入力極性、波パターンは、図１に示していない制御ユニットによる値、時間によって制御され、その電気信号は電気活性アクチュエータの撓み運動を制御することができる。
【０１２３】
上記の一対の電極間に電位差を印加すると、電解質のイオンが電極間の連続的な通路を移動し、各電極の体積に変化が起こる。その結果、アクチュエータの膨張または収縮運動が起こる。たとえば、イオン液体中のアニオンおよびカチオンはそれぞれ、プラス極およびマイナス極に引き付けられる。イオン液体に含まれるアニオンおよびカチオンのサイズについては通常、異なる電極間の体積差を引き起こす原因となる。
【０１２４】
かかる電極の形状／体積に変化が起こると、電気活性アクチュエータが屈曲したり、あるいは撓んだりする。
【０１２５】
さらに、印加される電圧および電流の値を制御することにより電気活性アクチュエータの撓み運動の変位量および速度を制御できる。さらに、極性の方向を変えることで撓み運動の方向も制御することができる。
【０１２６】
駆動電源６は、ＤＣ電圧（電流）またはＶＡＣ（交流電流）を電気活性アクチュエータ１に印加する。線形掃引、方形波および正弦波、パルス波など任意の波形パターンおよび電圧（あるいは電流）の振幅を制御することができる。また、波形パターンのデューティサイクルも任意に設定できる。
【０１２７】
イオン液体を使用する場合、印加電圧は、イオン液体の電位窓を超えず、電気分解により起こる劣化を抑えられる範囲とする。一般的なイオン液体を使用する場合、印加電圧は４Ｖ以下であるとより好ましい。
【０１２８】
（第３の実施形態：高アスペクト比のマトリクス補強材）
図３は、本実施形態のアクチュエータ１の電解質層の模式図を示す。高分子繊維マトリクス２ｃおよび多孔性高分子材料のマトリクス２ｄは、その中に高アスペクト比のマトリクス補強材１３を含む。見やすいように、電解質は示していないが、図３の電解質層に存在することが理解される。
【０１２９】
高アスペクト比の炭素材料は、ランダムでも、ある方向に沿って部分的に配向していても、あるいは完全に配向していてもよい。
【０１３０】
高アスペクト比の炭素材料が高分子材料のマトリクスにランダムに分散している場合を図３に示す。また、高アスペクト比の炭素材料は、高分子材料のマトリクスに部分的に包み込まれていても、または完全に包み込まれていてもよい。高アスペクト比のマトリクス補強材を含む高分子繊維および多孔性高分子材料のマトリクスをそれぞれ図３（ａ）および図３（ｂ）に図示する。高アスペクト比の炭素材料は、短尺に対して十分に長い長尺を有しており、円柱状の場合、直径に対して十分に長い長さを持つ。
【０１３１】
直径は０．１ｎｍより長くて５０μｍより小さく、長尺方向の長さは、直径の１０倍以上である。
【０１３２】
高アスペクト比の炭素材料として、ＶＧＣＦ、ＭＷＮＴおよびＳＷＮＴのような炭素繊維材料があるが、これに限定されるものではない。一般にこうした繊維形状の炭素材料は機械的強度が強く、密度が低い。こうした材料の幾何形状は、高分子材料のマトリクスとマトリクス補強材との間の効率的な負荷移行に役立つ。こうした材料の機械的強度は非常に高い。たとえばＳＷＮＴの引張強さはＧＰａオーダーである。このため、高分子材料のマトリクス中のかかる材料は少ない重量％で電解質層の機械的強度を高めることができる。
【０１３３】
炭素繊維材料の電気的特性は構造に依存することが知られている。たとえばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）材料の場合、電気的特性は、チューブのキラリティーによって半導体材料から金属材料までの幅がある。
【０１３４】
高アスペクト比の炭素材料が絶縁体または半導体または絶縁材で被覆された導電性体である場合、電解質層のマトリクス補強材として８０重量％未満の量を使用してもよい。高アスペクト比の炭素材料が導電性である場合、高分子材料のマトリクスには３０重量％未満の量のマトリクス補強材を含めてもよい。より好ましくは、電解質層には２０重量％未満の量のマトリクス補強材を含めてもよい。換言すれば、マトリクス補強材の量は上記の範囲から選択すればよく、適切な工程を選択して高抵抗の電解質層を得る。かかる電解質層は、ホットプレスのようなアクチュエータの製造工程における（たとえば高温で圧力を印加して電極を電解質層と連結するとき）またはアクチュエータ動作中における外部の力または圧力に対する耐久性が高い。電解質層の構造は、加工／製造中または加工後に崩れない。したがって、アクチュエータの製造およびアクチュエータの動作中の外部負荷による高分子繊維の空隙率、すなわち繊維と繊維の間の空隙１１（図３（ａ）の２ｃ）または多孔性高分子構造の空隙１１（図３（ｂ）の２ｄ）の損傷リスクは大きく低下する。
【０１３５】
また、こうした高アスペクト比の炭素材料を含むゲルは形成しやすい。電解質層２は電解質を含む。一対の電極間に電圧を印加すると、電極間の電解質の移動（アニオンまたはカチオン）のための連続的な通路が存在するため、電解質のカチオンおよびアニオンは電極の方に容易に拡散できる。電極間でイオンが拡散しやすいため、歪みおよび速度の面でアクチュエータの特徴を向上させることが可能になる。
【０１３６】
図４（ａ）のアクチュエータ１は、高アスペクト比のマトリクス補強材を含む高分子繊維電解質層を有する、第３の実施形態による電気活性高分子アクチュエータを図示する。
【０１３７】
電解質層の高アスペクト比の炭素材料はさらに、高分子材料のマトリクスに包み込まれている。図４（ｂ）は、高アスペクト比の炭素材料を包み込む高分子繊維を含む電解質層２の一部を拡大した模式図である。高分子と高アスペクト比の炭素材料との間の接触領域は、高分子材料のマトリクス内にマトリクス補強材が完全に包み込まれているため大きくなる。
【０１３８】
このため、マトリクス補強材と高分子繊維体との、または多孔性高分子材料のマトリクスの場合、マトリクス補強材と高分子骨組みとの間の接着に利用できる表面積が比較的大きく、高分子とマトリクス補強材との間の負荷移行がより効率的である。このため、外部負荷に対して高い耐久性を持つ電解質層が得られる。かかる高分子繊維または多孔性高分子構造の電解質層は耐久性が高いうえ、さらにアクチュエータを駆動すると、イオン移動のための連続的な通路となる空隙および細孔が多いという特徴がある。
【０１３９】
また、高アスペクト比の炭素材料が高分子繊維の長さに沿って配向する場合、得られる構造は、機械的強度が極めて高い。かかる電解質層構造は耐久性が非常に高い。
【０１４０】
この点で好ましいマトリクス補強材として、導電性ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴおよびＶＧＣＦのような炭素繊維ベースの材料があるが、これに限定されるものではない。こうした材料は、ＧＰａオーダーの高い引張強さを持つことが知られている。こうした材料を少量加えると、高分子材料のマトリクスの機械的強度が向上する。
【実施例】
【０１４１】
以下に本発明の実施例について説明する。
【０１４２】
また、本発明のアクチュエータの性能を、従来の高分子ゲル電解質を用いたアクチュエータと比較した。
【０１４３】
（実施例１）
本実施例では、ＶＧＣＦをマトリクス補強材として含む高分子繊維（高分子−ＶＧＣＦ繊維）を電解質層のマトリクスとして使用した。
【０１４４】
高分子−ＶＧＣＦ繊維は、実施形態１に記載したエレクトロスピニング工程により合成した。具体的には、３重量％ＶＧＣＦ ＮＭＰ溶液２ｃ．ｃを８００ｍｇのＰＶＤＦ−ＨＦＰ（高分子材料）および２ｍｇのＢＭＩＢＦ４（イオン液体）溶液と混合し、０．１ｃｃ／時間の速度で紡糸口金に送り、２２ｋＶの電圧を印加してコレクターに高分子−ＶＧＣＦ繊維を得た。
【０１４５】
また、上記溶媒中で上記高分子材料、上記イオン液体と共にＣＮＴを混合し、ボールミルを行った後、型に流し込み、約１１０℃で加熱して溶媒を蒸発させることによりＣＮＴゲル電極の膜を作成した。得られたＣＮＴゲル電極は、真空下で２４時間維持した。
【０１４６】
一対のＣＮＴゲル電極間に上記で作成した電解質層を挟んで、圧力０．５ＫＮ、１１０℃で１分間のホットプレス工程によりアクチュエータを作製した。
【０１４７】
（比較例１）
比較例１として、先行技術文献１を参照して高分子ゲル電解質層を作製した。実施例１と同様に、ホットプレス条件で同じ一対の電極の間に高分子ゲル電解質層を挟んでアクチュエータを作製した。電解質層を除いて、アクチュエータも成分および寸法はすべて同じものとした。
【０１４８】
（比較例２）
比較例２として、電解質層を比較例１と同様の高分子ゲル電解質層を作成する際に、ＶＧＣＦを実施例１と同じ量添加した電解質層を作成した。観察された断面のＳＥＭ画像では、イオンの移動経路となる空隙はほとんど観測できなかった。
【０１４９】
（比較例３）
マトリクス補強材の効果を確認するために、実施例１の電解質層に使用した高分子繊維の代わりに、ＶＧＣＦを含まない高分子繊維を作成し、実施例１と同様にアクチュエータを作成した。観察された断面のＳＥＭ画像では、電極との界面で繊維が潰れ薄い膜が形成されていた。
【０１５０】
（評価）
歪み（発生した変位）および速度からアクチュエータの性能を比較した。
【０１５１】
図５（ａ）および５（ｂ）は、実施例１のアクチュエータにより発生した変位および歪みと、比較例１のアクチュエータにより発生した変位および歪みとを比較したものを示す。
【０１５２】
これらのアクチュエータは同一条件下で調製し、同じ電極を有する。
【０１５３】
アクチュエータの寸法は幅１ｍｍ、長さ１２ｍｍ、アクチュエータの厚さは１５０〜２００μｍであった。１枚の電極の厚さは、６０〜７０μｍであった。電解質層の厚さは２５〜５０μｍであった。
【０１５４】
また、２つのアクチュエータ間に生じた歪みの差を、以下の式（２）を用いて比較した。
ε＝２ｄδ／（Ｌ２＋δ２） ・・・式（２）
式中、εはアクチュエータに生じた歪、Ｌは自由長、ｄはアクチュエータの厚さ、δはアクチュエータに発生した屈曲による変位である。
【０１５５】
歪みεはアクチュエータの動作特性を示すパラメータであり、歪みεが大きいほどアクチュエータの動作特性は高いと判断することができる。
【０１５６】
大きさ１Ｖの周期電圧を周波数０．０１Ｈｚ、０．１Ｈｚ、１Ｈｚおよび１０Ｈｚで印加し、レーザー変位計を用いて各アクチュエータにより発生した変位を記録した。
【０１５７】
次いで式（２）を用いて変位を歪みに変換した。
【０１５８】
実施例１のアクチュエータにより発生した変位および歪みは、比較例１より大きいことが見て取れる。
【０１５９】
また、比較例１のアクチュエータと実施例１のアクチュエータとにより発生した変位の差は、印加電圧の周波数の増加と共に大きくなる。
【０１６０】
図５（ｂ）では、０．０１Ｈｚの低周波数での歪みがほぼ同じである。その理由は、ＣＮＴゲル電極に充放電できる時間が長くイオンの拡散の影響が小さいことに起因する。
【０１６１】
一方、周波数が増加すると、アクチュエータの性能は、イオンの拡散効率により大きく影響される。この点で、本発明の電解質層は、従来のゲル電解質層よりもイオン拡散特性に優れていることがわかる。
【０１６２】
多くの空隙および細孔を有する繊維構造は、イオンの拡散のための連続的な通路となる。こうした結果から、本発明に係るアクチュエータは、歪みおよび速度の能力が増大していることが示唆される。
【０１６３】
図７に、実施例１、比較例１から３のアクチュエータの式（２）から求めた歪量（ε）の比較の結果を示す。図７の結果から、本実施例のアクチュエータは、マトリクス補強材の存在によって歪量が向上することが確認された。
【０１６４】
また、これらのアクチュエータの断面の画像を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得た（不図示）。
【０１６５】
実施例１の電解質層の断面画像は、多くの空隙を含む繊維状構造が潰れることなく維持されており、繊維の平均直径は２００〜５００ｎｍであった。また、ほぼ全ての（９９％）ＶＧＣＦが繊維状構造内に埋め込まれていた。
【０１６６】
また、後述する比較例３のような電極と電解質層の界面での繊維状構造の潰れも少なかった。
【０１６７】
一方、比較例１の構造は空隙のないバルク構造であった。
【０１６８】
また比較例２の構造は、比較例１と同様空隙のないバルク構造であった。
【０１６９】
また、比較例３の構造は、電解質層は比較的空隙を含む繊維状構造を有していたが、電極と電解質層の界面付近において顕著な繊維の潰れが生じており、電極と電解質層の界面に比較例１および２と同様なバルク構造の薄膜が形成されていた。
【０１７０】
また、比較例３において、電解質層の繊維状構造が電極との界面で潰れないよう、ホットプレス時の圧力を小さくした場合は、電極と電解質層の接着性が十分ではなく、数回の駆動で剥がれてしまった。このため、安定動作するアクチュエータを形成するためには、十分なホットプレス時の加圧が必要であり、繊維状構造の潰れを抑制することは困難であった。
【０１７１】
これから、本実施例のアクチュエータは、マトリクス補強材の存在ゆえに、ホットプレス等の製造工程において、電解質層の多孔構造を維持することが可能であった。該多孔構造が一対の電極間を連通するイオンの通路として機能することから、イオンの拡散性を高め、アクチュエータの特性の向上、特に高周波数側での特性の向上が可能であった。また、電解質層中の９０％以上のＶＧＣＦがマトリクスに埋め込まれていることにより、変形応答特性が高く、且つ変位量の大きな屈曲駆動型のアクチュエータを提供することができる。
【符号の説明】
【０１７２】
１ 電気活性高分子アクチュエータ
２ 電解質層
３、１３ 電極
４ 端子
５ 配線
６ 電源
７ カチオン
８ アニオン
９ 高分子繊維
１０ マトリクス補強材
１１ 繊維間の空隙
１２ 多孔性高分子材料のマトリクス
１３ 高アスペクト比の炭素材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータであって、前記電解質層が、電解質と、該電解質を空隙に有する高分子材料のマトリクスと、該マトリクス中に分散された、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有し、該電解質層中の９０重量％以上の該マトリクス補強材において、それぞれの少なくとも一部分が前記マトリクスに埋め込まれているアクチュエータ。
【請求項２】
前記マトリクスが、高分子繊維の繊維同士の一部が融着した構造を有している請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記マトリクス補強材は、マトリクス内にその全体積の５０％以上が埋め込まれている請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記マトリクス補強材が、高アスペクト比の炭素材料である請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記高アスペクト比の炭素材料は、ＶＧＣＦ、ＳＷＮＴおよびＭＷＮＴから選択される少なくとも一種である請求項１から４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記電極の少なくとも一方は、ＣＮＴゲルを含む請求項１から５のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項７】
一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータの製造方法であって、
マトリクスの材料となる高分子材料と、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有する電解質層を作成する工程、
２つの電極間に該電解質層を挟み、両電極間を熱圧着する工程、
を有することを特徴とするアクチュエータの製造方法。
【請求項８】
前記マトリクスが、前記マトリクス補強材となる炭素材料が埋め込まれた高分子繊維である請求項７に記載のアクチュエータの製造方法。
【請求項１】
一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータであって、前記電解質層が、電解質と、該電解質を空隙に有する高分子材料のマトリクスと、該マトリクス中に分散された、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有し、該電解質層中の９０重量％以上の該マトリクス補強材において、それぞれの少なくとも一部分が前記マトリクスに埋め込まれているアクチュエータ。
【請求項２】
前記マトリクスが、高分子繊維の繊維同士の一部が融着した構造を有している請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記マトリクス補強材は、マトリクス内にその全体積の５０％以上が埋め込まれている請求項１または２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記マトリクス補強材が、高アスペクト比の炭素材料である請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記高アスペクト比の炭素材料は、ＶＧＣＦ、ＳＷＮＴおよびＭＷＮＴから選択される少なくとも一種である請求項１から４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記電極の少なくとも一方は、ＣＮＴゲルを含む請求項１から５のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項７】
一対の電極と、該一対の電極間に配置された電解質層と、を有し、該一対の電極間に電圧が印加されることにより変形するアクチュエータの製造方法であって、
マトリクスの材料となる高分子材料と、該マトリクスを補強するためのマトリクス補強材と、を有する電解質層を作成する工程、
２つの電極間に該電解質層を挟み、両電極間を熱圧着する工程、
を有することを特徴とするアクチュエータの製造方法。
【請求項８】
前記マトリクスが、前記マトリクス補強材となる炭素材料が埋め込まれた高分子繊維である請求項７に記載のアクチュエータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−３８９５６（Ｐ２０１３−３８９５６Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７３９４０（Ｐ２０１１−１７３９４０）
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月９日（２０１１．８．９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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