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高分子アクチュエータおよびその製造方法 コモンズ

国内特許コード P110005043
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2006-159990
公開番号 特開2007-329334
登録番号 特許第5156940号
出願日 平成18年6月8日(2006.6.8)
公開日 平成19年12月20日(2007.12.20)
登録日 平成24年12月21日(2012.12.21)
発明者
  • 庄司 英一
出願人
  • 国立大学法人福井大学
発明の名称 高分子アクチュエータおよびその製造方法 コモンズ
発明の概要

【課題】従来の貴金属を用いた高分子アクチュエータに比べて、コスト的に安価で、短時間で簡単に製造可能な高分子アクチュエータおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】高分子化合物からなるフィルムと、当該フィルムの両面に形成されている電極とを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムを屈曲変形させる高分子アクチュエータにおいて、前記電極として、高分子バインダと、その中に分散されているカーボン粉末とを含んでなる電極を用いる。
【選択図】なし

従来技術、競合技術の概要


現在、メカトロニクス系の分野では、2本足歩行ロボット等の次世代の自立歩行型ロボットや、癒しのロボット玩具等が注目を集めている。これらの分野では従来の電磁モータをベースとした制御方法が利用されているが、動きがぎこちなく、生物のスムーズな動きには未だ遠いのが現状である。例えば、家電製品や工業製品におけるノイズがなく巧みでなめらかな動きが要求される部分、真のヒューマノイドロボット、汎用ロボット等を具体化するためには、生物の筋肉のように、駆動時にノイズや音が出ない、スムーズな動きをする次世代型のアクチュエータの具体化が必要である。



かかるアクチュエータとして、各種高分子材料からなり、電気的刺激によって電気化学的な伸縮または屈曲変形を生じる高分子アクチュエータが提案されている。高分子アクチュエータは従来の電磁モータに比べて、1)スムーズな駆動が可能である、2)駆動時にノイズや音がでない、3)超小型・軽量化が可能である、4)機械的な故障が少ない、5)大気、水、有機媒体中といった広範な駆動環境下で作動するという優れた特徴を有している。



かかる高分子アクチュエータとしては、イオン伝導性高分子化合物、電子伝導性高分子化合物、非イオン性のゲルやエラストマー等を用いた多様な方式の高分子アクチュエータが提案されているが、その中の一つとして、図1に示すような、屈曲変形を生じる高分子アクチュエータが報告されている。この種の高分子アクチュエータは、高分子化合物からなるフィルム1と、当該フィルムの両面に形成されている電極2a、2bとを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムが屈曲変形する。かかる高分子アクチュエータは、イオン性高分子化合物(イオン伝導性高分子化合物)を用いるものが主流であるが、非イオン性高分子化合物を用いるものも報告されている。



イオン性高分子化合物を用いる例としては、例えば、イオン交換樹脂膜の両面に金属電極を供えたメタル-コンポジットポリマー(IPMC:ionic polymeric-metal composites)が開示されている(例えば、非特許文献1等参照。)。この高分子アクチュエータの駆動メカニズムは、例えば、カチオン交換のためのアニオン性のイオン交換樹脂膜では以下のように説明できる。電圧の印加により、膜内で自由に移動できるカチオンがカソード側に移動し、このイオンに伴われて、イオン交換樹脂に含まれる水分子もカソード側に移動するため、カソード側の浸透圧が上昇し、膜が膨張する。これに対し、イオン交換樹脂に固定されているアニオンは、対極のアノード側に引き寄せられにくいため、アノード側のカチオンの濃度が下がり、浸透圧が低下して膜が収縮する。カソード側の膨張と、アノード側の収縮により、結果として膜が屈曲変形する。



また、非イオン性高分子化合物を用いる例としては、酢酸ナトリウム等のイオン性物質を加えた非イオン性高分子化合物からなる高分子膜に電圧を印加することにより、高分子膜を屈曲変形させる方法が開示されている(例えば、特許文献1等参照。)。



上記従来の、高分子化合物からなるフィルムの両面に電極を備えた高分子アクチュエータでは、電極として、白金または金等の貴金属がメッキされて使用されている。

【特許文献1】特開2000-216448号公報(平成12年8月4日公開)

【非特許文献1】M.Shahinpoor, Electrochimica Acta 48(2003)2343-2353

産業上の利用分野


本発明は、高分子アクチュエータおよびその製造方法に関するものであり、特に、高分子化合物からなるフィルムと、当該フィルムの両面に形成されている電極とを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムを屈曲変形させる高分子アクチュエータおよびその製造方法に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
高分子化合物からなるフィルムと、当該フィルムの両面に形成されている電極とを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムを屈曲変形させる高分子アクチュエータにおいて、
前記電極は、高分子バインダと、その中に分散されているカーボン粉末とからなり、
上記高分子化合物は、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体であり、
上記高分子バインダは、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体を含んでなることを特徴とする高分子アクチュエータ。

【請求項2】
上記高分子化合物は、イオン性液体を含有していることを特徴とする請求項1に記載の高分子アクチュエータ。

【請求項3】
上記カーボン粉末は、上記高分子バインダ100重量部に対して、1重量部以上1000重量部以下含まれていることを特徴とする請求項1または2に記載の高分子アクチュエータ。

【請求項4】
上記カーボン粉末の平均粒子径は0nmより大きく10μm以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の高分子アクチュエータ。

【請求項5】
上記フィルムの厚みは、10μm以上5mm以下であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の高分子アクチュエータ。

【請求項6】
上記電極の厚みは、それぞれ、1μm以上2mm以下であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の高分子アクチュエータ。

【請求項7】
高分子化合物からなるフィルムと、当該フィルムの両面に形成されている電極とを含み、前記電極間に電圧を印加することによって、前記フィルムを屈曲変形させる高分子アクチュエータの製造方法であって、
高分子バインダの溶液に、カーボン粉末を分散させてペーストとし、当該ペーストで上記フィルムを挟んで加熱プレスし、
上記高分子化合物は、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体であり、
上記高分子バインダは、パーフルオロスルホン酸/ポリテトラフルオロエチレン共重合体を含んでなることを特徴とする高分子アクチュエータの製造方法。
産業区分
  • 固体素子
  • 工業用ロボット
  • 固体素子
  • 発電、電動
国際特許分類(IPC)
出願権利状態 権利存続中
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