JP6922227B2 - Polymer actuator and its manufacturing method - Google Patents
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Description
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る。 The present invention relates to a polymer actuator and a method for manufacturing the same.
従来、ポリマーおよびイオン液体を含む電解質層と、電解質層を挟んで互いに対向する2つの電極層とを備える高分子アクチュエータが提案されている。2つの電極層の間に電位差が発生すると、イオン液体に含まれる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。そして、各電極層は、入り込んだイオンの量に応じて膨張する。これにより、高分子アクチュエータが変形させられる。 Conventionally, a polymer actuator including an electrolyte layer containing a polymer and an ionic liquid and two electrode layers facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween has been proposed. When a potential difference is generated between the two electrode layers, the cations contained in the ionic liquid move to the negative electrode layer, and the anions move to the positive electrode layer. Then, each electrode layer expands according to the amount of ions that have entered. As a result, the polymer actuator is deformed.
このような高分子アクチュエータに関して、例えば特許文献1では、電極層に多孔質のポリマー繊維が含まれた高分子アクチュエータが提案されている。このポリマー繊維には導電体材料が含まれており、複数のポリマー繊維が互いに接触することで電極層の導電性が確保される。そして、ポリマー繊維間の空隙や、ポリマー繊維内の孔にイオンを入り込ませることにより、電極層の変形量の増加を図っている。
Regarding such a polymer actuator, for example,
しかしながら、特許文献1に記載の高分子アクチュエータでは、複数のポリマー繊維が互いに接触することで電極層の導電性が確保される。そのため、電極層への電圧の印加によりイオンが移動し、ポリマー繊維の間に入り込むと、複数のポリマー繊維が互いに離された状態となり、電極層の導電性が低下する。また、これにより、変位速度が低下する。
However, in the polymer actuator described in
本発明は上記点に鑑みて、電極層の導電性の低下を抑制する高分子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。 In view of the above points, it is an object of the present invention to provide a polymer actuator that suppresses a decrease in conductivity of an electrode layer and a method for manufacturing the same.
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)を有する電解質層(13)と、電解質層の一面側に配置された第1電極層(11)と、電解質層の他面側に配置された第2電極層(12)と、を備え、第1電極層および第2電極層は、混合体および導電体(11a、12a)を有し、第1電極層および第2電極層のうち少なくとも一方は、導電体が多孔質金属で構成されており、電解質層の側の面と、電解質層とは反対側の面とが、連続した多孔質金属を介して電気的に接続されており、第1電極層および第2電極層のうち、導電体が多孔質金属で構成された電極層の抵抗率は、1×10 −3 Ω・m以下である。
In order to achieve the above object, in the invention according to
これによれば、電極層に電圧が印加され、多孔質金属の内部の細孔にイオンが入り込んで多孔質金属が変形しても、電極層のうち電解質層の側の面と電解質層とは反対側の面とが電気的に接続された状態が維持される。したがって、電極層の導電性の低下を抑制することができる。 According to this, even if a voltage is applied to the electrode layer and ions enter the pores inside the porous metal to deform the porous metal, the surface of the electrode layer on the side of the electrolyte layer and the electrolyte layer are still present. The state of being electrically connected to the opposite surface is maintained. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the conductivity of the electrode layer.
また、請求項8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)を有する電解質層(13)と、電解質層の一面側に配置された第1電極層(11)と、電解質層の他面側に配置された第2電極層(12)と、を備える高分子アクチュエータの製造方法であって、第1電極層を形成することと、混合体を含む液体を第1電極層の上にキャストし、第1電極層の上にキャストされた液体の溶媒を揮発させることにより電解質層を形成することと、第2電極層を形成することと、を備え、第1電極層を形成すること、および、第2電極層を形成することのうち、少なくともいずれか一方では、電解質層の側の面と電解質層とは反対側の面とが連続した多孔質金属で構成される導電体(11a、12a)で電気的に接続されるように、多孔質金属の内部に混合体をキャストし、混合体の溶媒を揮発させることにより電極層を形成し、該電極層の抵抗率を、1×10 −3 Ω・m以下とする。 Further, in the invention according to claim 8, an electrolyte layer (13) having a mixture (14) of an ionic liquid (14b) and a polymer (14a) and a first electrode layer arranged on one surface side of the electrolyte layer. A method for manufacturing a polymer actuator including (11) and a second electrode layer (12) arranged on the other surface side of the electrolyte layer, which includes forming the first electrode layer and a mixture. It comprises casting a liquid onto the first electrode layer and volatilizing the solvent of the cast liquid on the first electrode layer to form an electrolyte layer, and forming a second electrode layer. , At least one of the formation of the first electrode layer and the formation of the second electrode layer is porous in which the surface on the side of the electrolyte layer and the surface on the side opposite to the electrolyte layer are continuous. An electrode layer is formed by casting a mixture inside the porous metal and volatilizing the solvent of the mixture so that the mixture is electrically connected by a conductor (11a, 12a) composed of the metal. The resistance of the electrode layer shall be 1 × 10 -3 Ω · m or less .
このように、第1電極層の上に電解質層、第2電極層を形成し、少なくともいずれか一方の電極層を、多孔質金属の内部に混合体をキャストし、溶媒を揮発させることで製造することにより、電解質層の側の面と電解質層とは反対側の面とが連続した多孔質金属で電気的に接続された電極層を備える高分子アクチュエータを製造することができる。 In this way, an electrolyte layer and a second electrode layer are formed on the first electrode layer, and at least one of the electrode layers is produced by casting a mixture inside the porous metal and volatilizing the solvent. By doing so, it is possible to manufacture a polymer actuator having an electrode layer in which a surface on the side of the electrolyte layer and a surface on the side opposite to the electrolyte layer are electrically connected by a continuous porous metal.
そして、このように製造された高分子アクチュエータでは、電極層に電圧が印加され、多孔質金属の内部の細孔にイオンが入り込んで多孔質金属が変形しても、電極層のうち電解質層の側の面と電解質層とは反対側の面とが電気的に接続された状態が維持される。したがって、電極層の導電性の低下を抑制することができる。 Then, in the polymer actuator manufactured in this way, even if a voltage is applied to the electrode layer and ions enter the pores inside the porous metal to deform the porous metal, the electrolyte layer of the electrode layer The state in which the side surface and the surface opposite to the electrolyte layer are electrically connected is maintained. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the conductivity of the electrode layer.
また、請求項9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)を有する電解質層(13)と、電解質層の一面側に配置された第1電極層(11)と、電解質層の他面側に配置された第2電極層(12)と、を備える高分子アクチュエータの製造方法であって、第1流路(21)、第2流路(22)、および第3流路(23)が内部に形成され、第3流路の流出口(23b)が第1流路の流出口(21b)と第2流路の流出口(22b)との間に配置されたダイ(20)を用意することと、第1流路の供給口(21a)に第1電極層の材料を供給することと、第2流路の供給口(22a)に第2電極層の材料を供給することと、第3流路の供給口(23a)に電解質層の材料を供給することと、第1流路、第2流路、第3流路の供給口から流出口へ向かって第1電極層、第2電極層、電解質層の材料を押し出すことにより、第1電極層、電解質層、第2電極層の積層構造を形成することと、を備え、第1電極層の材料および第2電極層の材料のうち少なくともいずれか一方は、混合体、および、多孔質金属で構成された導電体(11a、12a)を含み、積層構造を形成することでは、第1電極層および第2電極層のうち少なくともいずれか一方において、電解質層の側の面と電解質層とは反対側の面とが連続した多孔質金属で電気的に接続されるように、第1電極層、第2電極層、電解質層の材料を押し出し、積層構造を形成することでは、第1電極層および第2電極層のうち、導電体が多孔質金属で構成された電極層の抵抗率を、1×10 −3 Ω・m以下とする。 Further, in the invention according to claim 9, an electrolyte layer (13) having a mixture (14) of an ionic liquid (14b) and a polymer (14a) and a first electrode layer arranged on one surface side of the electrolyte layer. A method for manufacturing a polymer actuator including (11) and a second electrode layer (12) arranged on the other surface side of the electrolyte layer, wherein the first flow path (21) and the second flow path (22) are provided. ), And the third flow path (23) is formed inside, and the outlet (23b) of the third flow path is the outlet (21b) of the first flow path and the outlet (22b) of the second flow path. A die (20) arranged between them is prepared, the material of the first electrode layer is supplied to the supply port (21a) of the first flow path, and the supply port (22a) of the second flow path is connected to the first. Supplying the material of the two electrode layers, supplying the material of the electrolyte layer to the supply port (23a) of the third flow path, and supplying the material of the first flow path, the second flow path, and the third flow path. By extruding the materials of the first electrode layer, the second electrode layer, and the electrolyte layer toward the outlet, a laminated structure of the first electrode layer, the electrolyte layer, and the second electrode layer is formed, and the first At least one of the material of the electrode layer and the material of the second electrode layer contains a mixture and a conductor (11a, 12a) composed of a porous metal, and forms a laminated structure. In at least one of the first electrode layer and the second electrode layer, the first surface is electrically connected by a continuous porous metal so that the surface on the side of the electrolyte layer and the surface on the side opposite to the electrolyte layer are electrically connected. electrode layer, second electrode layer, and pushed out the material of the electrolyte layer, by forming a laminated structure, among the first electrode layer and the second electrode layer, conductor of the porous metal by electrode configured layer The resistance shall be 1 × 10 -3 Ω · m or less .
このようなダイ法によっても、電解質層の側の面と電解質層とは反対側の面とが連続した多孔質金属で電気的に接続された電極層を備える高分子アクチュエータを製造することができる。 Even by such a die method, it is possible to manufacture a polymer actuator having an electrode layer in which a surface on the side of the electrolyte layer and a surface on the side opposite to the electrolyte layer are electrically connected by a continuous porous metal. ..
そして、このように製造された高分子アクチュエータでは、電極層に電圧が印加され、多孔質金属の内部の細孔にイオンが入り込んで多孔質金属が変形しても、電極層のうち電解質層の側の面と電解質層とは反対側の面とが電気的に接続された状態が維持される。したがって、電極層の導電性の低下を抑制することができる。 Then, in the polymer actuator manufactured in this way, even if a voltage is applied to the electrode layer and ions enter the pores inside the porous metal to deform the porous metal, the electrolyte layer of the electrode layer The state in which the side surface and the surface opposite to the electrolyte layer are electrically connected is maintained. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the conductivity of the electrode layer.
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.
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)
第1実施形態について説明する。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と、電解質層13とを備えている。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に構成されており、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。高分子アクチュエータ10は、例えば、自動車の空調装置における空気流の制御ドアに用いられる。
(First Embodiment)
The first embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the
図2に示すように、第1電極層11および第2電極層12は、導電体11a、12aを備えている。具体的には、第1電極層11および第2電極層12は、それぞれ、後述するポリマー14aとイオン液体14bとの混合体14中に、導電体11a、12aを配置することで構成されている。
As shown in FIG. 2, the
導電体11a、12aは、内部に多数の細孔が形成された多孔質金属で構成されている。例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、金、銀、SUS(ステンレス鋼)、または、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、金、銀、SUSのいずれかを主成分とする合金等でこの多孔質金属を構成することができる。導電体11a、12aを構成する多孔質金属の内部の細孔には混合体14が形成され、この混合体14中に後述するイオン液体14bが入り込める状態となっている。混合体14は、多孔質金属に形成された細孔の内部を通って第1電極層11、第2電極層12を厚さ方向に貫通している。
The
なお、イオン液体14bが導電体11a、12aにより多く入り込み、高分子アクチュエータ10の変位や発生力が大きくなるように、導電体11a、12aそれぞれにおいて細孔の占める割合を40%以上とすることが好ましい。
The proportion of pores in each of the
また、細孔の占める割合は、第1電極層11、第2電極層12の導電性を確保することも考慮して定められ、導電体11a、12aを構成する多孔質金属の材料の導電性が高いほど、細孔の割合を高くすることができる。例えば、多孔質金属を銅で構成した場合、細孔の割合を99%としても導電性を確保することができる。
Further, the proportion of the pores is determined in consideration of ensuring the conductivity of the
このように、導電体11a、12aそれぞれにおいて細孔の占める割合は、40%以上99%以下であることが好ましい。本実施形態では、導電体11a、12aの密度は10%程度とされており、細孔の占める割合は90%程度とされている。また、第1電極層11、第2電極層12の厚さはそれぞれ0.01mm以上1mm以下であることが好ましく、0.1mm以上0.5mm以下であることがより好ましい。
As described above, the proportion of pores in each of the
図2に示すように、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中に添加剤13aが含まれた構成とされている。本実施形態では、電解質層13の厚さは0.1mm以上0.5mm以下とされている。
As shown in FIG. 2, the
ポリマー14aは、イオン液体14bの移動を可能とする媒体であり、表面が負に帯電している。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る。 The polymer 14a is a medium that enables the movement of the ionic liquid 14b, and the surface is negatively charged. The polymer 14a is composed of, for example, a polymer such as polytetrafluoroethylene perfluorosulfonic acid (Nafion (registered trademark)), polyvinylidene difluoride (PVDF), and polymethyl methacrylate (PMMA).
これらのうち、ナフィオンはSO3−を含むため表面が負に帯電している。一方、PVDF、PMMAは負に帯電していないが、ポリマー14aをPVDF、PMMAで構成した場合にも、ナフィオンのSO3−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。 Of these, the surface of Nafion is negatively charged because it contains SO 3-. On the other hand, although PVDF and PMMA are not negatively charged, even when the polymer 14a is composed of PVDF and PMMA, the surface of the polymer 14a is negatively charged by adding a composition corresponding to SO 3-of Nafion to the polymer 14a. Can be charged.
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との間に電位差が発生したときにポリマー14aと添加剤13aとの間の隙間を移動する移動媒体である。本実施形態では、電解質層13におけるイオン液体14bの体積占有率は、40%以上70%以下とされている。
The ionic liquid 14b is a substance used to drive the
イオン液体14bとしては、例えば、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。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であれば材質は問わない。
As the ionic liquid 14b, for example, 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanic acid can be used. Such an ionic liquid 14b exists in a state of being ionized in the
添加剤13aは、等電点が7以下の絶縁物であり、本実施形態では、シリカにより構成されている。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、添加剤13aは、電解質層13において負に帯電している。また、添加剤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。
The additive 13a is an insulator having an isoelectric point of 7 or less, and is composed of silica in this embodiment. Since the isoelectric point of silica is about 4, and the pH of the ionic liquid 14b is about 7, the additive 13a is negatively charged in the
添加剤13aは、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、後述する電気浸透流を促進する役割を果たすとともに、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。なお、添加剤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 additive 13a plays a role of increasing the amount of negative charge on the wall surface of the path through which the ionic liquid 14b moves to promote the electroosmotic flow described later, and between the
ポリマー14aと添加剤13aとの間には隙間が存在しているため、イオン液体14bは、ポリマー14aと添加剤13aとの間の隙間を移動経路として移動することが可能となっている。 Since there is a gap between the polymer 14a and the additive 13a, the ionic liquid 14b can move using the gap between the polymer 14a and the additive 13a as a movement path.
このような構成の高分子アクチュエータ10の製造方法について、図3、図4を用いて説明する。
A method for manufacturing the
図3(a)に示す工程では、テフロン(登録商標)やポリイミドフィルム等の200℃以上の耐熱性のある樹脂で形成された容器の中に導電体11aを置く。
In the step shown in FIG. 3A, the
図3(b)に示す工程では、ポリマー14aおよびイオン液体14bの混合体14をIPA(イソプロピルアルコール)等の溶媒で希釈した溶液を、導電体11aの細孔に流し込み、その後、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。このとき、樹脂で形成された容器を150℃以下の温度で加熱して、溶媒の揮発時間を短縮してもよい。
In the step shown in FIG. 3B, a solution obtained by diluting the
なお、図3(a)に示す工程で、容器と導電体11aとの間に隙間が生じていると、図3(b)に示す工程で、この隙間に溶液が流れ込み、第1電極層11の外側に絶縁膜が形成される。この絶縁膜を高分子アクチュエータ10の保護膜として利用することもできる。容器と導電体11aとの間の隙間の距離を制御すれば、保護膜の厚さを制御することができる。
If a gap is formed between the container and the
図3(c)に示す工程では、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中に添加剤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。その後、溶媒を揮発させることにより、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。このとき、樹脂で形成された容器を150℃以下の温度で加熱して、溶媒の揮発時間を短縮してもよい。
In the step shown in FIG. 3C, a liquid in which the additive 13a is mixed in the
図4(a)に示す工程では、導電体12aを電解質層13の上に置く。図4(b)に示す工程では、ポリマー14aおよびイオン液体14bの混合体14をIPA等の溶媒で希釈した溶液を導電体12aの細孔に流し込み、その後、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。このとき、導電体12aの細孔に流し込む溶液の量を細孔の容積より多くすれば、第2電極層12aの外側に絶縁膜が形成される。この絶縁膜を高分子アクチュエータ10の保護膜として利用することもできる。
In the step shown in FIG. 4A, the
なお、本実施形態では、混合体14をIPA等の溶媒で希釈した溶液を導電体12aの細孔に流し込んだ後、ポリマー14aの間に形成されるイオン液体14bの移動経路の直径が1μm以下となるように、樹脂で形成された容器を150℃以下の温度で加熱する。これにより、高分子アクチュエータ10が後述する電気浸透流によって動作するようになる。
In the present embodiment, after the solution obtained by diluting the
続いて、高分子アクチュエータ10の動作について説明する。図5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。
Subsequently, the operation of the
そして、第1電極層11と第2電極層12との間に電位差が生じると、高分子アクチュエータ10は、第1電極層11および第2電極層12のうち電位の低い方の側に凸となるように変形する。
Then, when a potential difference occurs between the
例えば、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と添加剤13aとの間の隙間を移動経路としてイオン液体14bがマイナス側、すなわち第2電極層12側に移動する。そして、イオン液体14bが導電体12aの内部の細孔に入り込む。なお、本実施形態では、イオン液体14bの移動経路の直径が1μm以下とされているため、電気浸透流が発生し、陽イオンおよび陰イオンが第2電極層12に向かって移動する。
For example, when a positive voltage is applied to the
イオン液体14bが入り込んだ分、導電体12aが広がって第2電極層12が膨張するため、第2電極層12側が凸形状、第1電極層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。
Since the
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と添加剤13aとの間の隙間を移動経路としてイオン液体14bがマイナス側、すなわち第1電極層11側に移動する。そして、イオン液体14bが導電体11aの内部の細孔に入り込む。なお、本実施形態では、イオン液体14bの移動経路の直径が1μm以下とされているため、電気浸透流が発生し、陽イオンおよび陰イオンが第1電極層11に向かって移動する。
Similarly, when a positive voltage is applied to the
イオン液体14bが入り込んだ分、導電体11aが広がって第1電極層11が膨張するため、第1電極層11側が凸形状、第2電極層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。
Since the
このような動作において、高分子アクチュエータ10の変形量および発生力は、電気浸透流が発生するか否かにより大きく変化する。電気浸透流は、陽イオンおよび陰イオンがマイナス側の電極層に向かって移動する流れである。
In such an operation, the amount of deformation and the generated force of the
電気浸透流が発生しない場合、イオン液体14bのうち陽イオンのみがマイナス側の電極層に移動し、陰イオンはプラス側の電極層に移動する。そして、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陽イオンの量に応じて膨張し、プラス側の電極層は、プラス側の電極層に入り込んだ陰イオンの量に応じて膨張する。 When no electroosmotic flow is generated, only cations of the ionic liquid 14b move to the negative electrode layer, and anions move to the positive electrode layer. Then, the negative electrode layer expands according to the amount of cations that have entered the negative electrode layer, and the positive electrode layer expands according to the amount of anions that have entered the positive electrode layer. do.
したがって、高分子アクチュエータ10は、2つの電極層のうち、変形量が大きい方が凸形状となるように変形するが、高分子アクチュエータ10の変形は、変形量が小さい方の電極層の膨張によって妨げられる。
Therefore, the
例えば、マイナス側の電極層の変形量がプラス側の電極層の変形量よりも大きい場合、マイナス側の電極層の膨張による高分子アクチュエータ10の変形は、プラス側の電極層の膨張によって妨げられる。同様に、プラス側の電極層の変形量がマイナス側の電極層の変形量よりも大きい場合、プラス側の電極層の膨張による高分子アクチュエータ10の変形は、マイナス側の電極層の膨張によって妨げられる。
For example, when the amount of deformation of the negative electrode layer is larger than the amount of deformation of the positive side electrode layer, the deformation of the
これに対し、電気浸透流が発生する場合、陽イオンおよび陰イオンがマイナス側の電極層に向かって移動する。そして、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の量に応じて膨張し、プラス側の電極層はほとんど膨張しない。したがって、マイナス側の電極層の膨張による高分子アクチュエータ10の変形がプラス側の電極層の膨張によって妨げられることが抑制され、高分子アクチュエータ10の変形量および発生力の低下が抑制される。
On the other hand, when an electroosmotic flow is generated, cations and anions move toward the negative electrode layer. Then, the negative electrode layer expands according to the amount of the ionic liquid 14b that has entered the negative electrode layer, and the positive electrode layer hardly expands. Therefore, it is suppressed that the deformation of the
本実施形態の効果について説明する。例えば、各電極層において導電体として多孔質金属の代わりに複数の金属微粒子を用いると、電極層の膨張により金属微粒子間の距離が長くなるため、平担時と比較して屈曲時の電極層の抵抗値が大きくなる傾向がある。例えば、長さ10mmの高分子アクチュエータの先端が3mm変位したとき、凸形状となった電極層の抵抗値が元の2倍以上になる。そして、電極層の抵抗値の増加により、変位速度が低下する。 The effect of this embodiment will be described. For example, if a plurality of metal fine particles are used as the conductor in each electrode layer instead of the porous metal, the distance between the metal fine particles becomes longer due to the expansion of the electrode layer. Tends to increase the resistance value of. For example, when the tip of a polymer actuator having a length of 10 mm is displaced by 3 mm, the resistance value of the convex electrode layer becomes more than twice the original resistance value. Then, as the resistance value of the electrode layer increases, the displacement rate decreases.
これに対し、導電体11a、12aが多孔質金属で構成された本実施形態では、イオンが電極層に移動し、電極層が膨張しても、電極層の表面側と裏面側とが多孔質金属で電気的に接続された状態が保持される。したがって、電極層の導電性の低下が抑制され、例えば、凸形状となった電極層の抵抗値を元の2倍未満とすることができる。これにより、変位速度の低下を抑制することができる。例えば、高分子アクチュエータ10を空気流の制御ドアに用いた場合、変位域による変位速度の変化が小さいため、制御性を向上させることができる。
On the other hand, in the present embodiment in which the
また、導電体11a、12aが多孔質金属で構成された本実施形態では、導電体として金属微粒子を用いる場合に比べて、各電極層の膜厚のばらつきを少なくすることができる。したがって、高分子アクチュエータ10を製造する際の管理項目が減少する。
Further, in the present embodiment in which the
また、電気浸透流が発生しない場合、第1電極層11と第2電極層12との間の電位差を大きくすると、イオン液体14bが電気分解されて、正常な駆動ができなくなるため、印加電圧をある程度小さくする必要がある。例えば、第1電極層11と第2電極層12との間の電位差を2V以下とする必要がある。
Further, when the electroosmotic flow does not occur, if the potential difference between the
これに対し、電気浸透流が発生する本実施形態では、第1電極層11と第2電極層12との間の電位差を大きくしてもイオン液体14bが電気分解されないので、電解質層13の耐圧に応じて大きな電圧を印加することができる。電解質層13の耐圧は膜厚等によって異なるが、例えば高分子アクチュエータ10の耐電圧を10V以上、あるいは、100V以上とすることができる。
On the other hand, in the present embodiment in which the electroosmotic flow is generated, the ionic liquid 14b is not electrolyzed even if the potential difference between the
また、電気浸透流が発生しない場合、印加電圧を大きくすると高分子アクチュエータ10の変位量は大きくなるものの、変位速度はあまり変化しない。これに対し、電気浸透流が発生する場合には、イオンの移動速度が印加電圧に依存し、図6に示すように、印加電圧を高くすると変位速度が大きくなる。なお、図6のグラフの縦軸は、高分子アクチュエータ10を長手方向の一方の端部で保持して電圧を印加したときに、他方の端部が各層の厚さ方向に所定長さ変位するのに要した時間を示している。
Further, when the electroosmotic flow is not generated, the displacement amount of the
前述したように、電気浸透流が発生する本実施形態の高分子アクチュエータ10では、電気浸透流が発生しない従来の高分子アクチュエータよりも耐電圧を大きくすることができるので、高電圧を印加して変位速度を大きくすることができる。
As described above, in the
なお、高分子アクチュエータ10の変位速度を大きくするには、各電極層の抵抗率がある程度小さいことが好ましい。
In order to increase the displacement rate of the
各電極層の短手方向の幅を2mmとし、厚さを0.2mmとし、長手方向に10mm離れた2つの点の間の抵抗値をテスターで測定したときの測定結果を図7に示す。図7から、抵抗値が25Ω以下のときに変位速度が大きくなることがわかる。各電極層の幅、厚さに基づいて、この抵抗値を抵抗率に換算すると、1×10−3Ω・mとなる。したがって、各電極層の抵抗率が1×10−3Ω・m以下であることが好ましい。 FIG. 7 shows the measurement results when the resistance value between two points separated by 10 mm in the longitudinal direction was measured with a tester, with the width of each electrode layer in the lateral direction being 2 mm and the thickness being 0.2 mm. From FIG. 7, it can be seen that the displacement speed increases when the resistance value is 25Ω or less. When this resistance value is converted into resistivity based on the width and thickness of each electrode layer, it becomes 1 × 10 -3 Ω · m. Therefore, the resistivity of each electrode layer is preferably 1 × 10 -3 Ω · m or less.
例えば銅の抵抗率は1.68×10−8Ω・mである。そのため、導電体11a、12aを銅で構成した場合、導電体11a、12aの密度を1%程度としても、すなわち、細孔の占める割合を99%程度としても、各電極層の抵抗率は1×10−3Ω・m以下となる。
For example, the resistivity of copper is 1.68 × 10-8 Ω · m. Therefore, when the
(第2実施形態)
第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して高分子アクチュエータ10の製造方法を変更したものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
The second embodiment will be described. This embodiment is a modification of the manufacturing method of the
第1実施形態では第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により高分子アクチュエータ10を製造したが、図8に示すように、ダイ20を用いたダイ法によって高分子アクチュエータ10を製造してもよい。
In the first embodiment, the
ダイ20の内部には、第1流路21、第2流路22、第3流路23が形成されている。第1、第2流路21、22の供給口21a、22aには、それぞれ、第1、第2電極層11、12の材料、すなわち、多孔質金属で構成された導電体11a、12aおよび混合体14が供給される。第3流路23の供給口23aには、電解質層13の材料、すなわち、添加剤13aおよび混合体14が供給される。第1、第2、第3流路21、22、23は、それぞれ流路断面が矩形状とされている。
A
また、第3流路23の流出口23bは、第1流路21の流出口21bと第2流路22の流出口22bとの間に配置されている。具体的には、第1、第2、第3流路21、22、23は、流路断面の長手方向が互いに一致するように配置されており、流路断面の短手方向において、第3流路23に対して第1流路21とは反対側に第2流路22が配置されている。そして、第1、第2流路21、22の流出口21b、22bは、第3流路23の流出口23bに隣接した状態で配置され、流出口21b、22b、23bは、ダイ20の内部において接続されている。第1、第2、第3流路21、22、23の接続点は、第4流路24を介してダイ20の外部に接続されている。
Further, the
このようなダイ20を用いたダイ法によって高分子アクチュエータ10を製造するには、まず、供給口21a、22a、23aに第1、第2電極層11、12、電解質層13の材料を供給する。そして、供給口21a、22a、23aから流出口21b、22b、23bへ向かって第1、第2電極層11、12、電解質層13の材料を押し出す。すると、流出口21b、22b、23bから流出した材料によって、第1電極層11、電解質層13、第2電極層12の積層構造が形成される。この積層構造は、図8の矢印で示すように、流路24を通ってダイ20の外部に流出する。
In order to manufacture the
本実施形態では、供給口21a、22aへの材料の供給量や、流出口21b、22bの大きさ等を調整することで、第1、第2電極層11、12において、電解質層13側の面と電解質層13とは反対側の面とが、連続した多孔質金属で電気的に接続される。
In the present embodiment, the amount of the material supplied to the
(他の実施形態)
なお、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、上記第1、第2実施形態では、導電体11aおよび導電体12aの両方が多孔質金属で構成されているが、導電体11a、12aのうち一方のみが多孔質金属で構成され、他方が例えば金属微粒子で構成されていてもよい。
For example, in the first and second embodiments, both the
また、上記第1実施形態では、高分子アクチュエータ10は電気浸透流によって動作するが、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によって高分子アクチュエータ10を動作させてもよい。
Further, in the first embodiment, the
11 第1電極層
11a 導電体
12 第2電極層
12a 導電体
13 電解質層
14 混合体
14a ポリマー
14b イオン液体
11
Claims (10)
前記電解質層の一面側に配置された第1電極層(11)と、
前記電解質層の他面側に配置された第2電極層(12)と、を備え、
前記第1電極層および前記第2電極層は、前記混合体および導電体(11a、12a)を有し、
前記第1電極層および前記第2電極層のうち少なくとも一方は、前記導電体が多孔質金属で構成されており、前記電解質層の側の面と、前記電解質層とは反対側の面とが、連続した前記多孔質金属を介して電気的に接続されており、
前記第1電極層および前記第2電極層のうち、前記導電体が前記多孔質金属で構成された電極層の抵抗率は、1×10 −3 Ω・m以下である高分子アクチュエータ。 An electrolyte layer (13) having a mixture (14) of an ionic liquid (14b) and a polymer (14a),
The first electrode layer (11) arranged on one side of the electrolyte layer and
A second electrode layer (12) arranged on the other surface side of the electrolyte layer is provided.
The first electrode layer and the second electrode layer have the mixture and the conductors (11a, 12a).
At least one of the first electrode layer and the second electrode layer has a conductor made of a porous metal, and a surface on the side of the electrolyte layer and a surface on the side opposite to the electrolyte layer are formed. , Electrically connected via the continuous porous metal ,
Wherein one of the first electrode layer and the second electrode layer, the resistivity of the conductor electrode layer composed of the porous metal, 1 × 10 -3 Ω · m der Ru polymer actuator below.
前記移動経路は、直径が1μm以下である請求項1ないし4のいずれか1つに記載の高分子アクチュエータ。 In the electrolyte layer, a migration path of the ionic liquid is formed between the polymers.
The polymer actuator according to any one of claims 1 to 4 , wherein the moving path has a diameter of 1 μm or less.
前記第1電極層を形成することと、
前記混合体を含む液体を前記第1電極層の上にキャストし、前記第1電極層の上にキャストされた液体の溶媒を揮発させることにより前記電解質層を形成することと、
前記第2電極層を形成することと、を備え、
前記第1電極層を形成すること、および、前記第2電極層を形成することのうち、少なくともいずれか一方では、前記電解質層の側の面と前記電解質層とは反対側の面とが連続した多孔質金属で構成される導電体(11a、12a)で電気的に接続されるように、前記多孔質金属の内部に前記混合体をキャストし、前記混合体の溶媒を揮発させることにより電極層を形成し、該電極層の抵抗率を、1×10 −3 Ω・m以下とする高分子アクチュエータの製造方法。 In addition to the electrolyte layer (13) having a mixture (14) of the ionic liquid (14b) and the polymer (14a), the first electrode layer (11) arranged on one side of the electrolyte layer, and the electrolyte layer. A method for manufacturing a polymer actuator including a second electrode layer (12) arranged on the surface side.
Forming the first electrode layer and
The electrolyte layer is formed by casting a liquid containing the mixture onto the first electrode layer and volatilizing the solvent of the liquid cast on the first electrode layer.
To form the second electrode layer,
At least one of the formation of the first electrode layer and the formation of the second electrode layer is continuous with the surface on the side of the electrolyte layer and the surface on the side opposite to the electrolyte layer. The mixture is cast inside the porous metal so as to be electrically connected by the conductors (11a, 12a) composed of the porous metal, and the solvent of the mixture is volatilized to cause an electrode. A method for manufacturing a polymer actuator in which a layer is formed and the resistivity of the electrode layer is 1 × 10 -3 Ω · m or less.
第1流路(21)、第2流路(22)、および第3流路(23)が内部に形成され、前記第3流路の流出口(23b)が前記第1流路の流出口(21b)と前記第2流路の流出口(22b)との間に配置されたダイ(20)を用意することと、
前記第1流路の供給口(21a)に前記第1電極層の材料を供給することと、
前記第2流路の供給口(22a)に前記第2電極層の材料を供給することと、
前記第3流路の供給口(23a)に前記電解質層の材料を供給することと、
前記第1流路、前記第2流路、前記第3流路の供給口から流出口へ向かって前記第1電極層、前記第2電極層、前記電解質層の材料を押し出すことにより、前記第1電極層、前記電解質層、前記第2電極層の積層構造を形成することと、を備え、
前記第1電極層の材料および前記第2電極層の材料のうち少なくともいずれか一方は、前記混合体、および、多孔質金属で構成された導電体(11a、12a)を含み、
前記積層構造を形成することでは、前記第1電極層および前記第2電極層のうち少なくともいずれか一方において、前記電解質層の側の面と前記電解質層とは反対側の面とが連続した前記多孔質金属で電気的に接続されるように、前記第1電極層、前記第2電極層、前記電解質層の材料を押し出し、
前記積層構造を形成することでは、前記第1電極層および前記第2電極層のうち、前記導電体が前記多孔質金属で構成された電極層の抵抗率を、1×10 −3 Ω・m以下とする高分子アクチュエータの製造方法。 In addition to the electrolyte layer (13) having a mixture (14) of the ionic liquid (14b) and the polymer (14a), the first electrode layer (11) arranged on one side of the electrolyte layer, and the electrolyte layer. A method for manufacturing a polymer actuator including a second electrode layer (12) arranged on the surface side.
The first flow path (21), the second flow path (22), and the third flow path (23) are formed inside, and the outlet (23b) of the third flow path is the outlet of the first flow path. To prepare a die (20) arranged between (21b) and the outlet (22b) of the second flow path, and
Supplying the material of the first electrode layer to the supply port (21a) of the first flow path,
Supplying the material of the second electrode layer to the supply port (22a) of the second flow path, and
Supplying the material of the electrolyte layer to the supply port (23a) of the third flow path, and
By extruding the materials of the first electrode layer, the second electrode layer, and the electrolyte layer from the supply port of the first flow path, the second flow path, and the third flow path toward the outlet, the first flow path and the electrolyte layer are extruded. It comprises forming a laminated structure of one electrode layer, the electrolyte layer, and the second electrode layer.
At least one of the material of the first electrode layer and the material of the second electrode layer contains the mixture and a conductor (11a, 12a) composed of a porous metal.
By forming the laminated structure, in at least one of the first electrode layer and the second electrode layer, the surface on the side of the electrolyte layer and the surface on the side opposite to the electrolyte layer are continuous. so as to be electrically connected with porous metal, the first electrode layer, the second electrode layer, and pushed out the material of the electrolyte layer,
By forming the laminated structure, the resistivity of the electrode layer in which the conductor is made of the porous metal among the first electrode layer and the second electrode layer is 1 × 10 -3 Ω · m. The following method for manufacturing a polymer actuator.
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