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JP2004197069A - Method for producing conductive polymer, conductive polymer molded product, electrolytically stretching method, laminated product and use of the same - Google Patents

Method for producing conductive polymer, conductive polymer molded product, electrolytically stretching method, laminated product and use of the same Download PDF

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JP2004197069A
JP2004197069A JP2003206821A JP2003206821A JP2004197069A JP 2004197069 A JP2004197069 A JP 2004197069A JP 2003206821 A JP2003206821 A JP 2003206821A JP 2003206821 A JP2003206821 A JP 2003206821A JP 2004197069 A JP2004197069 A JP 2004197069A
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哲司 座間
Susumu Hara
進 原
Shingo Sewa
信吾 瀬和
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a conductive polymer having an excellent stretching ratio per oxidation-reduction cycle, and to provide an electrolytically stretching method having the excellent stretching ratio per oxidation-reduction cycle. <P>SOLUTION: This method for producing the electrically-conductive polymer comprises producing the conductive polymer having stretchability brought about electrochemical oxidation-reduction through an electrolytic polymerization process, wherein the electrolytic polymerization process uses an electrolyte which contains an organic compound containing at least one linkage or functional group selected from ether linkage, ester linkage, carbonate linkage, hydroxy, nitro, sulfo, and nitrile, and/or a halogenated hydrocarbon as solvents, and the electrolyte contains a trifluoromethanesulfonate ion and/or an anion having two or more fluorine atoms on its center atom. A conductive polymer molded product containing the conductive polymer obtained by the method is used in the electrolytically stretching method. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
1酸化還元サイクル当たりの伸縮率の優れた導電性高分子の製造方法、その導電性高分子を用いた導電性高分子成形品及びその導電性高分子を用いた積層体、並びに導電性高分子成形品及び積層体についての伸縮率の優れた電解伸縮方法、並びにこれらの用途に関する。
【0002】
【従来の技術】
ポリピロールなどの導電性高分子は、電気化学的な酸化還元によって伸縮あるいは変形する現象である電解伸縮を発現することが知られている。この導電性高分子の電解伸縮は、人工筋肉、ロボットアーム、義手、義足、パワードスーツやアクチュエータ等の用途の駆動に応用されることが期待され、近年注目されている。このような電解伸縮をする導電性高分子を製造する方法としては、電解重合法により製造する方法が一般的である。電解重合方法としては、ピロール等のモノマー成分が加えられた電解液中に、作用電極及び対向電極を設置した後に、両電極に電圧を印加することで、導電性高分子膜を作用電極に形成させる方法が、通常行われる。
【0003】
電解重合法により得られた導電性高分子膜は、その膜に電圧を印加することにより伸縮または変位をさせることができる。このような伸縮等をする導電性高分子は、人工筋肉等の用途に導電性高分子単独膜でも用いることができ、また、例えば、特開平11−169393と特開平11−169394とには、固体電解質形成体の両側にポリアニリン膜が形成されている人工筋肉を用いることも可能であることが記載されている。
【0004】
また、導電性高分子を用いたアクチュエータについて、セル内に電解液、対極及びポリピロールフィルムを備えたアクチュエータの構成が1997年に報告されている(例えば、非特許文献1参照)。このアクチュエータはポリピロールフィルム及び対極が電解液に浸漬された状態で対極とポリピロールフィルムとの間に電圧を印加することによりポリピロールフィルムが伸縮し、ポリピロールフィルムが14.6MPa(45g)の負荷を受けながらも1%の伸縮をすることが記載されている。つまり、このアクチュエータは、電解伸縮により、長さ方向に14MPaの力を発生させることができる。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−169393(第2−5頁)
【特許文献2】
特開平11−169394(第2−4頁)
【非特許文献1】
デラ・サンタ(A.Della Santa)、外2名、「ポリピロール導電性高分子リニアアクチュエータの性能と運動能力(Performance and work capacity of a polypyrrole conducting polymer linear actuator)」、シンセティックメタル(Synthetic Metals)、エルゼビア サイエンス(Elscvier Science)、1997年、第90巻、P93−100
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、実用的用途である人工筋肉、ロボットアーム、義手・義足等は、作動させた際において、1回の伸縮若しくは変位が1つの動作となるのが通常である。したがって、人工筋肉などが十分な動作を行うためには、1回の伸縮若しくは変位において、大きな伸縮若しくは変位をすることが要求される。このような実用的用途の駆動源に導電性高分子を用いた場合において、従来の導電性高分子を用いた電解伸縮可能なアクチュエータ素子は、電解伸縮による伸張と収縮とのサイクル(酸化還元サイクル)を行うことにより得られる伸縮量について、酸化還元サイクルの1回当たりの伸縮量若しくは変位量が十分ではない。したがって、実用的用途である人工筋肉、ロボットアーム、義手等に導電性高分子を用いるためには、電解伸縮をさせた場合において、より大きな伸縮量若しくは変位量が1酸化還元サイクルで得られることが必要である。例えば、ドーパントとしてp−トルエンスルホン酸ナトリウムを含む導電性高分子のような従来の導電性高分子は、1回の酸化還元サイクル当たりの伸縮率が小さく、伸縮もしくは変位の量が小さい用途のアクチュエータ等に用いることができる。しかし、導電性高分子を1酸化還元サイクル当たりの伸縮若しくは変位の量が大きい用途である人工筋肉等に用いるには、導電性高分子の酸化還元サイクルの1回当たりの伸縮率は、さらに向上させる必要がある。
【0007】
また、人工筋肉等への応用などの実用性をさらに高めるために、導電性高分子に電圧を印加させるなどの伸縮または変位を生じさせるための命令が為されてから、実際に所望の量の伸縮または変位が生じるまでの時間が短いこと、つまり、特定時間あたりの変位率が大きいことが、可能であるならば望ましい。すなわち、従来の導電性高分子を、実用的用途に用いるためには、導電性高分子の1酸化還元サイクル当たりの伸縮率を向上させることに加えて、導電性高分子に電圧を印加してから特定の時間における最初の状態での導電性高分子成形品の長さに対する伸縮した長さ若しくは変位した長さの比、つまり特定時間あたりの変位率を向上させることが、可能であるならば実用性をさらに高めるために望ましい。
【0008】
本発明の目的は、1酸化還元サイクル当たりの伸縮率が優れた導電性高分子の製造方法、前記導電性高分子を用いた導電性高分子成形品、前記導電性高分子を用いた積層体、導電性高分子成形品及び積層体の電解伸縮方法、前記導電性高分子を用いたアクチュエータ、並びにこれらの用途を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、電気化学的酸化還元による伸縮性を有する導電性高分子を電解重合法により製造する導電性高分子の製造方法であって、前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び/又はハロゲン化炭化水素を溶媒として含む電解液を用い、前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む導電性高分子の製造方法及びこの製造方法により得られた導電性高分子成形品を用いることにより、1酸化還元サイクル当たりの伸縮率向上をさせることができることを見出し、本発明に至った。また、前記製造方法により得られた導電性高分子成形品は、1酸化還元サイクル当たりの伸縮率が優れているのみならず、特定時間あたりの変位率が良好であることをも見出した。前記導電性高分子成型品は、実用的な用途の駆動源であるアクチュエータ素子に好適に用いることができる。
【0010】
また、本発明者らは、前記製造方法により得られた導電性高分子成形品を、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオン及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を含む電解液中で、電気化学的酸化還元により導電性高分子成形品を伸縮させる電解伸縮方法を行うことにより、1酸化還元サイクル当たりの伸縮率向上をさせることができることを見出した。
【0011】
また、本発明者らは、導電性高分子含有層と固体電解質層とを含む積層体であって、前記導電性高分子含有層に含まれる導電性高分子が、電解重合法により製造する導電性高分子の製造方法であって、前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物を溶媒として含む電解液を用い、前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子である積層体を用いることにより、積層体としての1酸化還元サイクル当たりの伸縮率向上をさせることができることをも見出した。前記積層体は、実用的な用途の駆動源であるアクチュエータ素子に好適に用いることができる。
【0012】
さらに、本発明者らは、作動部、対極及び電解質を含むアクチュエータであって、前記作動部が電解重合法により製造する導電性高分子の製造方法であって、前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物を溶媒として含む電解液を用い、前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を含む作動部を用いたアクチュエータを用いることにより、対極と作動部との間の電圧印加による伸縮において、アクチュエータの伸縮率が向上することを見出した。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明は、電気化学的酸化還元による伸縮性を有する導電性高分子を電解重合法により製造する導電性高分子の製造方法であって、前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び/又はハロゲン化炭化水素を溶媒として含む電解液を用い、前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む導電性高分子の製造方法である。
【0014】
(電解重合法)
本発明の導電性高分子の製造方法に用いられる電解重合法は、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物を溶媒として含み、トリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンをさらに含む電解液を用いた電解重合法である。
【0015】
(電解液)
本発明の導電性高分子の製造方法において、電解重合法に用いられる電解液には、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び/またはハロゲン化炭化水素が溶媒として含まれる。これらの溶媒を2種以上併用することもできる。
【0016】
前記有機化合物としては、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン(以上、エーテル結合を含む有機化合物)、γ−ブチロラクトン、酢酸エチル、酢酸n−ブチル、酢酸−t−ブチル、1,2−ジアセトキシエタン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸ブチル、フタル酸ジエチル(以上、エステル結合を含む有機化合物)、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート(以上、カーボネート結合を含む有機化合物)、エチレングリコール、ブタノール、1−ヘキサノール、シクロヘキサノール、1−オクタノール、1−デカノール、1−ドデカノール、1−オクタデカノール(以上、ヒドロキシル基を含む有機化合物)、ニトロメタン、ニトロベンゼン(以上、ニトロ基を含む有機化合物)、スルホラン、ジメチルスルホン(以上、スルホン基を含む有機化合物)、及びアセトニトリル、ブチロニトリル、ベンゾニトリル(以上、ニトリル基を含む有機化合物)を例示することができる。なお、ヒドロキシル基を含む有機化合物は、特に限定されるものではないが、多価アルコール及び炭素数4以上の1価アルコールであることが、伸縮率が良いために好ましい。なお、前記有機化合物は、前記の例示以外にも、分子中にエーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち、2つ以上の結合あるいは官能基を任意の組合わせで含む有機化合物であってもよい。前記有機化合物は、得られた導電性高分子の伸縮率が大きいことから、エステル結合を含む有機化合物が好ましい。
【0017】
前記有機化合物は、前記有機化合物を2種以上混合して電解液の溶媒に用いる場合には、エーテル結合を含む有機化合物、エステル結合を含む有機化合物、カーボネート結合を含む有機化合物、ヒドロキシル基を含む有機化合物、ニトロ基を含む有機化合物、スルホン基を含む有機化合物、及びニトリル基を含む有機化合物のうち、伸張に優れた有機化合物と収縮に優れた有機化合物とを組合わせて、電解重合により得られた導電性高分子の1酸化還元サイクル当たりの伸縮率の向上を図ることもできる。
【0018】
また、本発明の導電性高分子の製造方法において電解液に溶媒として含まれるハロゲン化炭化水素は、炭化水素中の水素が少なくとも1つ以上ハロゲン原子に置換されたもので、電解重合条件で液体として安定に存在することができるものであれば、特に限定されるものではない。
【0019】
前記ハロゲン化炭化水素としては、例えば、ジクロロメタン、ジクロロエタンを挙げることができる。前記ハロゲン化炭化水素は、1種類のみを前記電解液中の溶媒として用いることもできるが、2種以上併用することもできる。また、前記ハロゲン化炭化水素は、上記の有機化合物との混合して用いてもよく、該有機溶媒との混合溶媒を前記電解液中の溶媒として用いることもできる。
【0020】
本発明の導電性高分子の製造方法において、電解重合法に用いられる電解液には、電解重合される有機化合物(例えば、ピロール)およびトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む。この電解液を用いて電解重合を行うことにより、電解伸縮において1酸化還元サイクル当たりの伸縮率及び/または特定時間あたりの変位率が優れた導電性高分子を得ることができる。上記電解重合により、トリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンが導電性高分子に取り込まれることになる。
【0021】
前記トリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンは、電解液中の含有量が特に限定されるものではないが、電解液中に0.1〜30重量%含まれるのが好ましく、1〜15重量%含まれるのがより好ましい。
【0022】
トリフルオロメタンスルホン酸イオンは、化学式CFSO で表される化合物である。また、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンは、ホウ素、リン、アンチモン及びヒ素等の中心原子に複数のフッ素原子が結合をした構造を有し、アニオンの分子中に中心原子に対して結合するフッ素原子を複数含む。中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンとしては、特に限定されるものではないが、テトラフルオロホウ酸イオン(BF )、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF )、ヘキサフルオロアンチモン酸イオン(SbF )、及びヘキサフルオロヒ酸イオン(AsF )を例示することができる。なかでも、CFSO 、BF 及びPF が人体等に対する安全性を考慮すると好ましく、CFSO 及びBF がより好ましい。前記の中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンは、1種類のアニオンを用いても良く、複数種のアニオンを同時に電解液中に用いても良く、さらには、トリフルオロメタンスルホン酸イオンと複数種の中心原子に対しフッ素原子を複数含むアニオンとを同時に電解液中に用いても良い。
【0023】
本発明の導電性高分子の製造方法において、電解重合法に用いられる電解液には、前記有機化合物溶媒と前記トリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンとの溶液中に、導電性高分子の単量体を含み、さらにポリエチレングリコールやポリアクリルアミドなどの公知のその他の添加剤を含むこともできる。
【0024】
本発明の導電性高分子の製造方法において用いられる電解重合法は、導電性高分子単量体の電解重合として、公知の電解重合方法を用いることが可能であり、定電位法、定電流法及び電気掃引法のいずれをも用いることができる。例えは、前記電解重合法は、電流密度0.01〜20mA/cm、反応温度−70〜80℃で行うことができ、良好な膜質の導電性高分子を得るために、電流密度0.1〜2mA/cm、反応温度−40〜40℃の条件下で行うことが好ましく、反応温度が−30〜30℃の条件であることがより好ましい。
【0025】
なお、本願発明の導電性高分子の製造方法においては、作用電極は、電解重合に用いることができれば特に限定されるものではなく、ITOガラス電極や金属電極などを用いることができる。前記金属電極は、金属を主とする電極であれば特に限定されるものではないが、Pt、Ti、Ni、Au、Ta、Mo、Cr及びWからなる群より選ばれた金属元素についての金属単体の電極または合金の電極を好適に用いることができる。前記製造方法により得られた導電性高分子の伸縮率及び発生力が大きく、且つ電極を容易に入手できることから、金属電極に含まれる金属種がNi、Tiであることが特に好ましい。なお、前記合金としては、例えば、商品名「INCOLOY alloy 825」、「INCONELalloy 600」、「INCONEL alloy X−750」(以上、大同スペシャルメタル株式会社製)を用いることができる。
【0026】
本発明の導電性高分子の製造方法において、電解重合法に用いられる電解液に含まれる導電性高分子の単量体としては、電解重合による酸化により高分子化して導電性を示す化合物であれば特に限定されるものではなく、例えばピロール、チオフェン、イソチアナフテン等の複素五員環式化合物及びそのアルキル基、オキシアルキル基等の誘導体が挙げられる。その中でもピロール、チオフェン等の複素五員環式化合物及びその誘導体が好ましく、特にピロール及び/またはピロール誘導体を含む導電性高分子であることが、製造が容易であり、導電性高分子として安定であるために好ましい。また、上記モノマーは2種以上併用することができる。
【0027】
本発明の導電性高分子の製造方法により製造される導電性高分子は、伸縮性を有していれば、特に限定されるものではなく、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフェニレンフィルムなど用いることができるが、分子鎖にピロール及び/またはピロール誘導体を含む導電性高分子であることが、製造が容易であり、導電性高分子として安定であるだけではなく、電解伸縮性能に優れているために好ましい。前記導電性高分子は、電解液に含まれていたトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを、ドーパントとして含むために、電解伸縮において優れた1酸化還元サイクル当たりの伸縮率を示し、特定時間あたりの変位率をも示すものと考えられる。
【0028】
なお、本発明の導電性高分子の製造方法は、電解重合法による導電性高分子の製造方法であって、前記導電性高分子は電気化学的な酸化還元による伸縮性を有し、前記電解重合法は、有機化合物を溶媒として含む電解液を用いる重合法であり、前記有機化合物は、(1)エーテル結合、エステル結合、炭素−ハロゲン結合及びカーボネート結合からなる化学結合の群から少なくとも1つ以上選ばれた化学結合種及び/または(2)ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基からなる官能基の群から少なくとも1つ以上選ばれた官能基を分子中に含み、前記電解液は、トリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対して結合するフッ素原子を複数含むアニオンを含む、導電性高分子の製造方法、と認識することもできる。
【0029】
(成形品)
また、本発明は、上記の製造方法により得られた導電性高分子を所望の形状とした、導電性高分子成形品でもある。つまり、電気化学的酸化還元による伸縮性を有する導電性高分子を、電解重合法により製造する導電性高分子の製造方法であって、前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び/又はハロゲン化炭化水素を溶媒として含む電解液を用い、前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を樹脂成分として含む導電性高分子成形品である。前記導電性高分子成形品は、その形状が特に限定されるものではなく、膜状、管状、筒状、角柱及び繊維状等の形状であってもよいが、前記導電性高分子が電解重合時に作用電極に析出することから、膜状であることが好ましい。なお、前記作用電極は、電解重合に用いることができれば特に限定されるものではなく、ITOガラス電極や金属電極などを用いることができる。
【0030】
特に、ドーパントとして、トリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを導電性高分子中に含むことにより、本発明の導電性高分子成形品は、膜状とした場合、従来の導電性高分子の電解伸縮がその伸縮率が面方向で1酸化還元サイクル当たり1%程度までしか得られていなかったのに対して、長さ方向において、1酸化還元サイクル当たり3%以上、特に5%以上の優れた伸縮率を示すことが可能となった。従来の低伸縮率の導電性高分子成形品がスイッチやセンサー等の大きな変位を必要としない用途にしか用いることができなかったのに対し、1酸化還元サイクル当たりの伸縮率が長さ方向において3%以上である導電性高分子成形品は、人工筋肉に代表される大きな伸縮率が要求される用途に好適に用いることができる。なお、前記導電性高分子成形品には、ドーパントの他に、動作電極としての抵抗値を低下させるために、金属線や導電性酸化物などの導電性材料を適宜含むことができる。
【0031】
本発明は、電気化学的酸化還元によって伸縮する導電性高分子成形品において、20秒間の1酸化還元サイクルにおける伸縮率が長さ方向に3%以上である導電性高分子成形品でもある。前記導電性高分子成形品は、電解重合法により製造する導電性高分子の製造方法であって、前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び/又はハロゲン化炭化水素を溶媒として含む電解液を用い、トリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを前記電解液中に含む導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を含むことにより、従来の導電性高分子に比べて、1地点での電圧の印加を開始してから一定時間内で導電性高分子成形品の先端部の大きな変位を得ることができる。
【0032】
前記導電性高分子成形品をアクチュエータとして用いる場合には、前記導電性高分子成形品、対極及び電解質を備えたアクチュエータであって、前記電解質を介して前記対極と導電性高分子成形品との間に電圧を印加することができるように対極及び電解質を備えたアクチュエータとすることができる。前記導電性高分子成形品は、導電性高分子成形品の一端から電圧を印加することにより、20秒間の1酸化還元サイクルにおける伸縮率が長さ方向に3%以上であるので、人工筋肉や各種装置の駆動部など、より早い応答性が要求される用途のアクチュエータに好適に用いることができる。
【0033】
(積層体)
本発明は、導電性高分子含有層と固体電解質層とを含む積層体であり、前記導電性高分子含有層に上記の製造方法により得られた導電性高分子を含む積層体でもある。つまり、本発明は、導電性高分子層と固体電解質層とを含む積層体であり、前記導電性高分子含有層に含まれる導電性高分子が、電解重合法により製造する導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子であって、前記製造方法における前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び/又はハロゲン化炭化水素を溶媒として含む電解液を用い、前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含むことを特徴とする積層体である。積層体に前記導電性高分子含有層と前記固体電解質層を含むことにより、前記固体電解質層中の電解質が前記導電性高分子層に供給され、前記導電性高分子含有層に含まれる導電性高分子が電気化学的酸化還元によって大きく伸縮するために、電解伸縮時に大きな1酸化還元サイクル当たりの伸縮率を発現することができる。前記積層体中の前記導電性高分子層と固体電解質層とは、直接接していることが好ましいが、前記固体電解質中の電解質を前記導電性高分子に移動させることができるのであれば、他の層を間に介していても良い。また、前記導電性高分子含有層においては、電解伸縮に大きな障害とならない基材等を含むことができ、導電性酸化物や金属線等を含むこともできる。
【0034】
前記固体電解質は、特に限定されるものではないが、積層体の変位をすることでアクチュエータとして大きな駆動することによりイオン交換樹脂であることが好ましい。前記イオン交換樹脂としては、公知のイオン交換樹脂を使用することが可能であり、例えば、商品名「Nafion」(パーフルオロスルホン酸樹脂、DuPont社製)を使用することができる。
【0035】
前記積層体をアクチュエータとして用いる場合には、対極と前記積層体を備えたアクチュエータであって、前記積層体中の固体電解質を介して前記対極と前記積層体中の導電性高分子含有層との間で電圧を印加することができるように対極を設けたアクチュエータとすることができる。
【0036】
(電解伸縮方法)
また、本発明は、上記の導電性高分子成形品を電解液中で、電気化学的酸化還元により導電性高分子成形品を伸縮させる電解伸縮方法でもある。上記の導電性高分子成形品を電解伸縮させることにより、1酸化還元サイクル当たりの優れた伸縮率を得ることができる。さらに、上記の導電性高分子成形品を伸縮させる電解伸縮方法は、優れた特定時間あたりの変位率をも得ることができる。前記導電性高分子成形品の電解伸縮が行われる電解液である動作電解液は、特に限定されるものではないが、主溶媒が水であり電解質を含むものを用いることが、濃度調製が容易であるために好ましい。
【0037】
本発明の電解伸縮方法について、前記電解液をトリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオン及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を動作電解質として含む電解液とすることができる。つまり、本発明は、前記導電性高分子成形品が、電気化学的酸化還元による伸縮性を有する導電性高分子を電解重合法により製造する導電性高分子の製造方法であって、前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び/又はハロゲン化炭化水素を溶媒として含む電解液を用い、前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を樹脂成分として含む導電性高分子成形品の電解伸縮方法であることにより、電解伸縮時に優れた1酸化還元サイクル当たりの伸縮率を示し、さらには優れた特定時間あたりの変位率を示すのである。更に、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオン及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を動作電解質として含む電解液の中で前記導電性高分子成形品を電解伸縮させることにより、前記導電性高分子成形品は、1酸化還元サイクル当たりについてさらに大きな伸縮率を示すことが可能となる。なお、前記電解液に用いられる塩は、本発明の積層体における固体電解質の電解液に含まれる塩として用いることができることが明らかであり、1酸化還元サイクル当たりの優れた伸縮率を示す固体電解質との積層体を得ることができる。
【0038】
前記導電性高分子成形品を伸縮させるために、外部環境である電解液に動作電解質として含まれるトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンは、上述の導電性高分子の製造法においての説明でのトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンと同様である。トリフルオロメタンスルホン酸イオンは、化学式CFSO で表される化合物である。また、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンは、ホウ素、リン、アンチモン及びヒ素等の原子に中心原子の複数のフッ素原子が結合をした構造を有したイオンである。また、炭素数3以下のスルホン酸塩は、炭素数が3以下であるスルホン酸の塩であれば特に限定されず、例えばメタンスルホン酸ナトリウム、エタンスルホン酸ナトリウムを用いることができる。
【0039】
また、本発明は、上記の導電性高分子成形品を電解液中で電気化学的酸化還元により導電性高分子成形品を伸縮させる電解伸縮方法でもあって、前記電解液が塩化ナトリウムを主な電解質として含む水溶液である電解伸縮方法であってもよい。前記電解液は、生体成分に含まれる電解質である塩化ナトリウムを主として含むことにより、生体内の体液と前記電解液との互換が容易である状態で動作をさせることが可能である。
【0040】
本願発明における電解伸縮を行う電解液あるいは固体電解質の温度は、特に限定されるものではないが、上記の導電性高分子をより速い速度で電解伸縮させるために、20〜100℃、さらに好ましくは50〜80℃、であることが好ましい。
【0041】
(アクチュエータ)
また、本発明は、作動部、電解質及び対極を含むアクチュエータであって、前記作動部が前記製造方法により得られた導電性高分子を含むことを特徴とするアクチュエータである。前記アクチュエータは、装置構成として作動部、電解質及び対極を含めば特に限定されるものではないが、作動の際に液漏れがしないように作動部へ取付けられたシャフトが筐体にパッキングされたアクチュエータ、または作動部の作動に従う伸縮が可能な筐体を備えたアクチュエータであることが、電解液等の液漏れを生じないので好ましい。
【0042】
図1は、本願発明のアクチュエータの外観についての斜視図である。アクチュエータ1は、円柱状のアクチュエータであり、ウレタンゴム等の可撓性材料により形成された筐体で最外層が形成されている。アクチュエータ1の底部22において、アクチュエータ内部にある作動部3に電位を与えるためのリード8と対極に電位を与えるためのリード7、7’とが設置されている。電源9が電力を供給して、作動部及び対極に電圧が印加されることにより、作動部が電解伸縮する。この電解伸縮により、アクチュエータ1の先端部が長さ方向の伸縮に伴う変位を生じる。アクチュエータ1は、伸張する場合には、押圧する力であるFを発生することができる。
【0043】
図2は、図1のアクチュエータ1についてのA−A断面図である。アクチュエータ1は、可撓性材料により成形された筐体2の内部空間に、円柱状の作動部3を備えている。筐体2の底部22の内面には、凹部23が形成されている。凹部23に作動部3の一の端部が導電性の接続板4を介して嵌合されて、動作部が筐体2に取り付けられている。筐体2の先端部21の内面において作動部3の他の端部とが接合されることで、筐体2に作動部3が固定されている。また、筐体2の内部空間においては、筐体2の側壁の内面付近に柱状の対極51、52が、底部22に設けられた対極嵌合用凹部24、25にそれぞれ嵌合することにより、取り付けられている。筐体2の内部空間において、対極51、52と作動部3とを除いた残りの内部空間には電解質6が充填されている。電源9は、リード7、7’を介して対極51、52に接続され、作動部3と接した導電性接続板4にリード8を介して接続されている。電源9より電力を供給することにより、対極51、52と作動部3との間に電圧を印加することができ、作動部3が電解伸縮することができる。アクチュエータ1が伸縮することにより、先端部21において力Fを発生することが可能であり、人工筋肉として好適に用いることができる。
【0044】
アクチュエータ1の先端部21は、内側面において、動作部3の先端と接合されていてもよく、接合されていなくても良い。先端部21と動作部3の先端部とを接合しない場合においては、アクチュエータは、可撓性材料により成形された筐体2を、収縮応力によりアクチュエータ内部へ収縮する力が働く状態とすることで、作動部3が電解伸縮することにより、作動部3の電解伸縮に追随して先端部21が伸縮することができる。
【0045】
前記作動部は、上述の導電性高分子を含み、電圧印加により電解伸縮をすれば特に限定されるものではない。前記作動部は、特に、電圧印加した際に伸縮率5%以上の伸縮性を示すことが好ましい。前記作動部が電圧印加した際に5%以上の伸縮をすることにより5%以上の伸縮をするアクチュエータを得ることができ、このアクチュエータは、人工筋肉に代表される大きな伸縮率が要求される用途に好適に用いることができる。前記作動部は、ドーパントの他に、動作電極としての抵抗値を低下させるために、金属線や導電性酸化物などの導電性材料を適宜含むことができる。
【0046】
筐体2を形成する可撓性材料は、特に限定されるものではない。前記可撓性材料は、アクチュエータの伸び率に応じて適宜選択することができ、伸び率5%以上の合成樹脂を用いることが好ましく、伸び率20%以上の合成樹脂を用いることがより好ましい。前記可撓性材料としては、例えば、シリコン系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコン系ゴム、ウレタン系ゴム等を用いることができる。また、前記可撓性材料は、電解質をアクチュエータ外部に漏洩することを防止する機能をも有することから、耐溶剤性を有することが好ましく、シリコン系樹脂、ウレタン系樹脂、シリコン系ゴム又はウレタン系ゴムを好適に用いることができる。なお、アクチュエータ1は、作動部分が筐体2により密閉されている構造を備えているので、棒状体のような力を伝える手段が筐体を貫通している構造に比べて、長期の使用による電解質の漏洩が無いので、人工筋肉等の機械部品として用いることに優れている。
【0047】
本願発明のアクチュエータは、その形状が特に限定されるものではない。前記アクチュエータは、図1においては円筒状に形成されているが、その用途に最適な形状とすることができる。前記アクチュエータの形状としては、円筒状以外にも、角柱状や六角柱状等の多角柱状、円錐状、板状、直方体状など使用状況に対応する形状に形成することができる。また、本願発明のアクチュエータの内部に設置される作動部は、円柱状に限定されるものではなく、角柱状や六角柱状等の多角柱状、円錐状、直方体状など、アクチュエータの外形に応じて適切な形状とすることができる。前記作動部は、電解重合により作用電極上に得られた導電性高分子膜をそのまま用いても良く、積層等の成形を施して、所望の形状にしても良い。さらに、対極についても、柱状に限定されるものではなく、板状等の形状にすることができる。
【0048】
本願発明のアクチュエータに含まれる電解質は、液状であってもよく、固体電解質でもよい。前記電解質が液状である場合には、溶媒が水であっても、有機溶媒であっても良いが、揮発する速度が比較的遅いために取り扱いが容易であり、大きな伸縮を得ることができるために、水溶媒であることが好ましい。前記電解液が固体電解質である場合には、高分子電解質であっても、完全に固体である固体電解質であってもよいが、電解質中のイオン伝導度が大きいためにゲル高分子電解質が好ましい。前記ゲル高分子電解質に用いるゲルは、ポリアクリルアミド、ポリエチレングリコール、寒天を用いることが、水溶液電解質と複合させて容易にゲル高分子電解質を調整できるので好ましい。前記電解質は、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオン及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を含む電解質とすることが、アクチュエータが1酸化還元サイクル当たりのさらに大きな伸縮を生じることが可能となるので、好ましい。
【0049】
また、前記アクチュエータにおいて、作動部と電解質として、導電性高分子含有層と固体電解質との積層体を用いることもできる。前記積層体は、導電性高分子含有層に、上述の導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を含む層を用いることにより、層中の導電性高分子が大きく伸縮して、より大きな伸縮の用途に用いることができる。なお、対極は、前記固体電解質を介し、対極と導電性高分子含有層との間で電圧を印加できるように設置されていれば良く、特に設置する場所が限定されるものではない。
【0050】
前記アクチュエータは、内部の作動部に上述の導電性高分子を含むことにより大きな伸縮率を得ることができるので、変位が小さくても用いることができるスイッチやセンサー等の用途以外に変位が大きい用途である人工筋肉としても好適に用いることがでる。つまり、本発明のアクチュエータは、変位が小さい用途にしか用いることができなかった、導電性高分子を含むアクチュエータを人工筋肉等の変位が大きな用途へと用途拡大を図ることができる。前記アクチュエータは、リニアアクチュエータとして用いることが可能であり、例えば図1のアクチュエータ1の先端部21に駆動用の接続具を介して、金属線等の力伝達用の部材を取り付けることで、駆動装置として用いることが可能であり、また、先端部21を制御対象物に押圧するようにすることで押圧装置として用いることができる。本発明のアクチュエータは、電気により導電性高分子が駆動するアクチュエータであるので、駆動時に無音若しくは低音であるために、室内用途装置における駆動部または押圧部として好適である。また、前記アクチュエータは、金属部品が少ないために従来のリニアアクチュエータに比べて軽量であるので、位置決め装置、姿勢制御装置、昇降装置、搬送装置、移動装置、調節装置、調整装置、誘導装置並びに関節装置の駆動部として用いること好適に用いることができる。
【0051】
(用途)
本発明の本発明の導電性高分子成形品、積層体及びアクチュエータは、人工筋肉、ロボットアーム、パワードスーツ、義手及び義足に好適に使用することができる。また、マイクロサージェリー技術におけるピンセット、ハサミ、鉗子、スネア、レーザメス、スパチュラ、クリップなどの医療器具、検査や補修等を行う各種センサー若しくは補修用工具など、健康器具、湿度計、湿度計コントロール装置、ソフトマニュピュレーター、水中バルブ、ソフト運搬装置などの工業用機器、金魚などの水中モービル、または動く釣り餌や推進ヒレなどのホビー用品などの水中で用いられる物品についても、本発明の導電性高分子成形品、積層体及びアクチュエータを好適に使用することができる。
【0052】
つまり、本願発明の導電性高分子成形品、積層体及びアクチュエータを上記の人工筋肉、ロボットアームや義手に用いた場合には、上述の導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を基体樹脂として含む導電性高分子成形品又は導電性高分子層を、駆動部に用いた人工筋肉、ロボットアーム及び義手とすることができる。
【0053】
本願発明の導電性高分子成形品、積層体及びアクチュエータを上記の医療器具に用いた場合には、上述の導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を基体樹脂として含む導電性高分子成形品又は導電性高分子層を、駆動部に用いたピンセット、ハサミ、鉗子、スネア、レーザメス、スパチュラ、クリップを含む医療器具とすることができる。
【0054】
また、本願発明の導電性高分子成形品及び積層体を上記のセンサーや補修用工具に用いた場合には、上述の導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を基体樹脂として含む導電性高分子成形品又は導電性高分子層を、駆動部に用いた検査や補修を含むセンサー及び補修用工具とすることができる
【0055】
本願発明の導電性高分子成形品及び積層体を上記の工業用機器に用いた場合には、上述の導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を基体樹脂として含む導電性高分子成形品又は導電性高分子層を、駆動部に用いた健康器具、湿度計、湿度計コントロール装置、ソフトマニュピュレーター、水中バルブ、ソフト運搬装置を含む工業用機器とすることができる。
【0056】
また、本願発明の導電性高分子成形品及び積層体を上記の水中で用いられる物品に用いた場合には、上述の導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を基体樹脂として含む導電性高分子成形品又は導電性高分子層を、駆動部に用いた水中モービル、または動く釣り餌や推進ヒレを含むホビー用品を含む水中で用いられる物品とすることができる。
【0057】
本発明の導電性高分子成形品及び積層体は、上述のように、変位を生じることができるのでアクチュエータとして用いることができる。本発明の導電性高分子成形品において、例えば、樹脂等による被覆がされていないものについては、電解液中で直線的な変位をすることができるアクチュエータとして用いることができる。また、上述のように作動部、対極、及び電解質を含むアクチュエータであって、作動部が本発明の製造方法により得られた導電性高分子を含むアクチュエータとすることもできる。
【0058】
本願発明の導電性高分子成形品及び積層体は、上述のように、変位を生じることができるのでアクチュエータとして用いることができる。本願発明の導電性高分子成形品において、例えば、樹脂等による被覆がされていないものについては、電解液中で直線的な変位をすることができるアクチュエータとして用いることができる。本願発明の積層体において、例えば、導電性高分子層を中間層とした際の上層下層のうち一方または両方の層が、導電性高分子層の電解伸縮時の伸縮率と同等若しくはそれ以上の伸縮性を有する固体電解質層である場合には、直線的な変位をするアクチュエータとして用いることができる。また、本願発明の積層体において、例えば、導電性高分子層を中間層とした際の上層下層のうち一方の層が、導電性高分子層の電解伸縮時の伸縮率よりも小さい伸縮性を有する固体電解質層若しくは樹脂層である場合には、導電性高分子層に比べて固体電解質層または樹脂層が伸び縮みしないので、屈曲の変位をするアクチュエータとして用いることができる。直線的な変位若しくは屈曲の変位を生じるアクチュエータは、直線的な駆動力を発生する駆動部、または円弧部からなるトラック型の軌道を移動するための駆動力を発生する駆動部として用いることができる。さらに、前記アクチュエータは、直線的な動作をする押圧部として用いることもできる。
【0059】
即ち、前記アクチュエータは、OA機器、アンテナ、ベッドや椅子等の人を乗せる装置、医療機器、エンジン、光学機器、固定具、サイドトリマ、車両、昇降器械、食品加工装置、清掃装置、測定機器、検査機器、制御機器、工作機械、加工機械、電子機器、電子顕微鏡、電気かみそり、電動歯ブラシ、マニピュレータ、マスト、遊戯装置、アミューズメント機器、乗車用シミュレーション装置、車両乗員の押さえ装置及び航空機用付属装備展張装置において、直線的な駆動力を発生する駆動部若しくは円弧部からなるトラック型の軌道を移動するための駆動力を発生する駆動部、または直線的な動作若しくは曲線的な動作をする押圧部として好適に用いることができる。前記アクチュエータは、例えば、OA機器や測定機器等の上記機器等を含む機械全般に用いられる弁、ブレーキ及びロック装置において、直線的な駆動力を発生する駆動部もしくは円弧部からなるトラック型の軌道を移動するための駆動力を発生する駆動部、または直線的な動作をする押圧部として用いることができる。また、前記の装置、機器、器械等以外においても、機械機器類全般において、位置決め装置の駆動部、姿勢制御装置の駆動部、昇降装置の駆動部、搬送装置の駆動部、移動装置の駆動部、量や方向等の調節装置の駆動部、軸等の調整装置の駆動部、誘導装置の駆動部、及び押圧装置の押圧部として好適に用いることができる。また、前記アクチュエータは、関節装置における駆動部として、関節中間部材等の直接駆動可能な関節部または関節に回転運動を与える駆動部に好適に用いることができる。
【0060】
前記アクチュエータは、例えば、CAD用プリンター等のインクジェットプリンターにおけるインクジェット部分の駆動部、プリンターの前記光ビームの光軸方向を変位させる駆動部、外部記憶装置等のディスクドライブ装置のヘッド駆動部、並びに、プリンタ、複写機及びファックスを含む画像形成装置の給紙装置における紙の押圧接触力調整手段の駆動部として好適に用いることができる。
【0061】
前記アクチュエータは、例えば、電波天文用の周波数共用アンテナ等の高周波数給電部を第2焦点へ移動させるなどの測定部や給電部の移動設置させる駆動機構の駆動部、並びに、車両搭載圧空作動伸縮マスト(テレスコーピングマスト)等のマストやアンテナにおけるリフト機構の駆動部に好適に用いることができる。
【0062】
前記アクチュエータは、例えば、椅子状のマッサージ機のマッサージ部の駆動部、介護用又は医療用ベットの駆動部、電動リクライニング椅子の姿勢制御装置の駆動部、マッサージ機や安楽椅子等に用いられるリクライニングチェアのバックレスト・オットマンの起倒動自在にする伸縮ロッドの駆動部、椅子や介護用ベッド等における背もたれやレッグレスト等の人を乗せる家具における可倒式の椅子の背もたれやレッグレスト或いは介護用ベッドの寝台の旋回駆動等に用いられる駆動部、並びに、起立椅子の姿勢制御のため駆動部に好適に用いることができる。
【0063】
前記アクチュエータは、例えば、検査装置の駆動部、体外血液治療装置等に用いられている血圧等の圧力測定装置の駆動部、カテーテル、内視鏡装置や鉗子等の駆動部、超音波を用いた白内障手術装置の駆動部、顎運動装置等の運動装置の駆動部、病弱者用ホイストのシャシの部材を相対的に伸縮させる手段の駆動部、並びに、介護用ベッドの昇降、移動や姿勢制御等のための駆動部に好適に用いることができる。
【0064】
前記アクチュエータは、例えば、エンジン等の振動発生部からフレーム等の振動受部へ伝達される振動を減衰させる防振装置の駆動部、内燃機関の吸排気弁のための動弁装置の駆動部、エンジンの燃料制御装置の駆動部、並びにディーゼルエンジン等のエンジンの燃料供給装置の駆動部として好適に用いることができる。
【0065】
前記アクチュエータは、例えば、手振れ補正機能付き撮像装置の校正装置の駆動部、家庭用ビデオカメラレンズ等のレンズ駆動機構の駆動部、スチルカメラやビデオカメラ等の光学機器の移動レンズ群を駆動する機構の駆動部、カメラのオートフォーカス部の駆動部、カメラ、ビデオカメラ等の撮像装置に用いられるレンズ鏡筒の駆動部、光学望遠鏡の光を取り込むオートガイダの駆動部、立体視カメラや双眼鏡等の2光学系を有する光学装置のレンズ駆動機構または鏡筒の駆動部、光通信、光情報処理や光計測等に用いられるファイバ型波長可変フィルタの波長変換のファイバに圧縮力を与える駆動部若しくは押圧部、光軸合せ装置の駆動部、並びに、カメラのシャッタ機構の駆動部に好適に用いることができる。
【0066】
前記アクチュエータは、例えば、ホース金具をホース本体にカシメ固定する等の固定具の押圧部に好適に用いることができる。
【0067】
前記アクチュエータは、例えば、自動車のサスペンションの巻ばね等の駆動部、車両のフューエルフィラーリッドを解錠するフューエルフィラーリッドオープナーの駆動部、ブルドーザーブレードの伸張及び引っ込みの駆動の駆動部、自動車用変速機の変速比を自動的に切り替える為やクラッチを自動的に断接させる為の駆動装置の駆動部に好適に用いることができる。
【0068】
前記アクチュエータは、例えば、座板昇降装置付車椅子の昇降装置の駆動部、段差解消用昇降機の駆動部、昇降移載装置の駆動部、医療用ベッド、電動ベッド、電動テーブル、電動椅子、介護用ベッド、昇降テーブル、CTスキャナ、トラックのキャビンチルト装置、リフター等や各種昇降機械装置の昇降用の駆動部、並びに重量物搬送用特殊車両の積み卸し装置の駆動部に好適に用いることができる。
【0069】
前記アクチュエータは、例えば、食品加工装置の食材吐出用ノズル装置等の吐出量調整機構の駆動部に好適に用いることができる。
【0070】
前記アクチュエータは、例えば、清掃装置の台車や清掃部等の昇降等の駆動部に好適に用いることができる。
【0071】
前記アクチュエータは、例えば、面の形状を測定する3次元測定装置の測定部の駆動部、ステージ装置の駆動部、タイヤの動作特性を検知システム等のセンサー部分の駆動部、力センサーの衝撃応答の評価装置の初速を与える装置の駆動部、孔内透水試験装置を含む装置のピストンシリンダのピストン駆動装置の駆動部、集光追尾式発電装置における仰角方向へ動かすための駆動部、気体の濃度測定装置を含む測定装置のサファイアレーザー発振波長切替機構のチューニングミラーの振動装置の駆動部、プリント基板の検査装置や液晶、PDPなどのフラットパネルディスプレイの検査装置においてアライメントを必要とする場合にXYθテーブルの駆動部、電子ビーム(Eビーム)システム又はフォーカストイオンビーム(FIB)システムなどの荷電粒子ビームシステム等において用いる調節可能なアパーチャー装置の駆動部、平面度測定器における測定対象の支持装置若しくは検出部の駆動部、並びに、微細デバイスの組立をはじめ、半導体露光装置や半導体検査装置、3次元形状測定装置などの精密位置決め装置の駆動部に好適に使用できる。
【0072】
前記アクチュエータは、例えば、電気かみそりの駆動部、並びに、電動歯ブラシの駆動部に好適に用いることができる。
【0073】
前記アクチュエータは、例えば、三次元物体の撮像デバイス或いはCD、DVD共用の読み出し光学系の焦点深度調整用デバイスの駆動部、複数のアクチュエータによって駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させることによって所望の曲面を近似的に形成して焦点位置を容易に可変できる可変ミラーの駆動部、光ピックアップ等の磁気ヘッドの少なくとも一方を有する移動ユニットを直線移動させることが可能なディスク装置の駆動部、リニアテープストレージシステム等の磁気テープヘッドアクチュエータアセンブリのヘッド送り機構の駆動部、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリなどに適用される画像形成装置の駆動部、磁気ヘッド部材等の搭載部材の駆動部、集束レンズ群を光軸方向に駆動制御する光ディスク原盤露光装置の駆動部、光ヘッドを駆動するヘッド駆動手段の駆動部、記録媒体に対する情報の記録又は記録媒体に記録された情報の再生を行う情報記録再生装置の駆動部、並びに、回路しゃ断器(配電用回路しゃ断器)の開閉操作の駆動部に好適に用いることができる。
【0074】
前記アクチュエータは、例えば、ゴム組成物のプレス成形加硫装置の駆動部、移送される部品について単列・単層化や所定の姿勢への整列をさせる部品整列装置の駆動部、圧縮成形装置の駆動部、溶着装置の保持機構の駆動部、製袋充填包装機の駆動部、マシニングセンタ等の工作機械や射出成形機やプレス機等の成形機械等の駆動部、印刷装置、塗装装置やラッカ吹き付け装置等の流体塗布装置の駆動部、カムシャフト等を製造する製造装置の駆動部、覆工材の吊上げ装置の駆動部、無杼織機における房耳規制体等の駆動装置、タフティング機の針駆動システム、ルーパー駆動システム、およびナイフ駆動システム等の駆動部、カム研削盤や超精密加工部品等の部品の研磨を行う研磨装置の駆動部、織機における綜絖枠の制動装置の駆動部、織機における緯糸挿通のための経糸の開口部を形成する開口装置の駆動部、半導体基板等の保護シート剥離装置の駆動部、通糸装置の駆動部、CRT用電子銃の組立装置の駆動部、衣料用縁飾り、テーブルクロスやシートカバー等に用途をもつトーションレースを製造するためのトーションレース機におけるシフターフォーク駆動選択リニア制御装置の駆動部、アニールウィンドウ駆動装置の水平移動機構の駆動部、ガラス溶融窯フォアハースの支持アームの駆動部、カラー受像管の蛍光面形成方法等の露光装置のラックを進退動させる駆動部、ボールボンディング装置のトーチアームの駆動部、ボンディングヘッドのXY方向への駆動部、チップ部品のマウントやプローブを使った測定などにおける部品の実装工程や測定検査工程の駆動部、基板洗浄装置の洗浄具支持体の昇降駆動部、ガラス基板を走査される検出ヘッドを進退させる駆動部、パターンを基板上に転写する露光装置の位置決め装置の駆動部、精密加工などの分野においけるサブミクロンのオーダで微小位置決め装置の駆動部、ケミカルメカニカルポリシングツールの計測装置の位置決め装置の駆動部、導体回路素子や液晶表示素子等の回路デバイスをリソグラフィ工程で製造する際に用いられる露光装置及び走査露光露光装置に好適なステージ装置の位置決めのための駆動部、ワーク等の搬送あるいは位置決め等の手段の駆動部、レチクルステージやウエハステージ等の位置決めや搬送のための駆動部、チャンバ内の精密位置決めステージ装置の駆動部、ケミカルメカニカルポリシングシステムでのワークピースまたは半導体ウェーハの位置決め装置の駆動部、半導体のステッパー装置の駆動部、加工機械の導入ステーション内に正確に位置決めする装置の駆動部、NC機械やマシニングセンター等の工作機械等またはIC業界のステッパーに代表される各種機器用のパッシブ除振及びアクティブ除振の除振装置の駆動部、半導体素子や液晶表示素子製造のリソグラフィ工程に使用されるの露光装置等において光ビーム走査装置の基準格子板を前記光ビームの光軸方向に変位させる駆動部、並びに、コンベヤの横断方向に物品処理ユニット内へ移送する移送装置の駆動部に好適に使用できる。
【0075】
前記アクチュエータは、例えば、電子顕微鏡等の走査プローブ顕微鏡のプローブの位置決め装置の駆動部、並びに、電子顕微鏡用試料微動装置の位置決め等の駆動部に好適に用いることができる。
【0076】
前記アクチュエータは、例えば、自動溶接ロボット、産業用ロボットや介護用ロボットを含むロボットまたはマニピュレータにおけるロボットアームの手首等に代表される関節機構の駆動部、直接駆動型以外の関節の駆動部、ロボットの指のそのもの、ロボット等のハンドとして使用されるスライド開閉式チャック装置の運動変換機構の駆動部、細胞微小操作や微小部品の組立作業等において微小な対象物を任意の状態に操作するためのマイクロマニピュレータの駆動部、開閉可能な複数のフィンガーを有する電動義手等の義肢の駆動部、ハンドリング用ロボットの駆動部、補装具の駆動部、並びにパワースーツの駆動部に好適に用いることができる。
【0077】
前記アクチュエータは、例えば、サイドトリマの上回転刃又は下回転刃等を押圧する装置の押圧部に好適に用いることができる。
【0078】
前記アクチュエータは、例えば、パチンコ等の遊戯装置における役物等の駆動部、人形やペットロボット等のアミューズメント機器の駆動部、並びに、乗車用シミュレーション装置のシミュレーション装置の駆動部に好適に用いることができる。
【0079】
前記アクチュエータは、例えば、上記機器等を含む機械全般に用いられる弁の駆動部に用いることができ、例えば、蒸発ヘリウムガスの再液化装置の弁の駆動部、ベローズ式の感圧制御弁の駆動部、綜絖枠を駆動する開口装置の駆動部、真空ゲート弁の駆動部、液圧システム用のソレノイド動作型制御バルブの駆動部、ピボットレバーを用いる運動伝達装置を組み込んだバルブの駆動部、ロケットの可動ノズルのバルブの駆動部、サックバックバルブの駆動部、並びに、調圧弁部の駆動部に好適に用いることができる。
【0080】
前記アクチュエータは、例えば、上記機器等を含む機械全般に用いられるブレーキの押圧部として用いることができ、例えば、非常用、保安用、停留用等のブレーキやエレベータのブレーキに用いて好適な制動装置の押圧部、並びに、ブレーキ構造もしくはブレーキシステムの押圧部に好適に用いることができる。
【0081】
前記アクチュエータは、例えば、上記機器等を含む機械全般に用いられるロック装置の押圧部として用いることができ、例えば、機械的ロック装置の押圧部、車両用ステアリングロック装置の押圧部、並びに、負荷制限機構及び結合解除機構を合わせ持つ動力伝達装置の押圧部に好適に用いることができる。
【0082】
【実施例】
以下に、本発明の実施例及び比較例を示すが、本発明は以下に限定されるものではない。
【0083】
(実施例1)
表1に記載されたモノマー及びドーパントイオンの塩を表1に記載の溶媒に公知の撹拌方法により溶解し、導電性高分子のモノマーを0.25mol/lとして、かつドーパント塩を表1の濃度として含む電解液を調製した。この電解液に作用電極としてITOガラス電極を用い、対向電極としてPt電極を用いて、重合電流密度が表1に記載の値である定電流法により電解重合を行った。この電解重合により、表1に記載の導電率及び膜厚を有する実施例1の膜状の導電性高分子成形品が得られた。
【0084】
(実施例2〜40、並びに実施例44及び45)
表1〜6の電解重合条件で行ったこと以外は実施例1と同様の方法により、実施例2〜40、並びに実施例44及び45の膜状の導電性高分子成形品が得られた。なお、実施例15において、導電性高分子のモノマーはピロールと3−メチルチオフェンの混合比は、1/1(mol/mol)であった。
【0085】
(実施例41)
表5の電解重合条件で行ったこと、及び作用電極として金属電極であるTi電極を用いたこと以外は実施例1と同様の方法を行うことにより、実施例41の膜状の導電性高分子成形品が得られた。なお、本願における金属電極は、市販の金属電極が用いられた。
【0086】
(実施例42)
表5の電解重合条件で行ったこと、及び作用電極として金属電極であるNi電極を用いたこと以外は実施例1と同様の方法を行うことにより、実施例42の膜状の導電性高分子成形品が得られた。
【0087】
(実施例43)
表5の電解重合条件で行ったこと、及び作用電極として金属電極であるNi電極を用いたこと以外は実施例1と同様の方法を行うことにより、実施例43の膜状の導電性高分子成形品が得られた。
【0088】
(比較例1〜4)
表5及び6の電解重合条件で行ったこと以外は実施例1と同様の方法により、比較例1〜4の膜状の導電性高分子成形品を得た。
【0089】
【表1】

Figure 2004197069
【0090】
【表2】
Figure 2004197069
【0091】
【表3】
Figure 2004197069
【0092】
【表4】
Figure 2004197069
【0093】
【表5】
Figure 2004197069
【0094】
【表6】
Figure 2004197069
【0095】
なお、表1〜6において、ドーパント塩の種類及び溶媒欄の略号は以下のとおりである。
ドーパント塩A:TBACFSO(トリフルオロメタンスルホン酸テトラブチルアンモニウム)
ドーパント塩B:CFSOLi(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)
ドーパント塩C:TBABF(テトラフルオロホウ酸テトラブチルアンモニウム)
ドーパント塩D:TBAPF(ヘキサフルオロリン酸テトラブチルアンモニウム)
ドーパント塩E:p−トルエンスルホン酸ナトリウム
溶媒;
PC:プロピレンカーボネ−ト
EC:エチレンカーボネート
γ−BL:γ−ブチロラクトン
MO:3−メチル−2−オキサゾリジノン
DEC:ジエチルカーボネート
DMC:ジメチルカーボネート
DME:ジメトキシエタン
THF:テトラヒドロフラン
AcEt:酢酸エチル
Ac−n−Bt:酢酸n−ブチル
Ac−t−Bt:酢酸−t−ブチル
EG:エチレングリコール
PEG:ポリエチレングリコール(分子量:200)
SF:スルホラン
DO:1,4−ジオキサン
DAE:1,2−ジアセトキシエタン
NM:ニトロメタン
HxOH:1−ヘキサノール
OtOH:1−オクタノール
AN:アセトニトリル
NB:ニトロベンゼン
MeB:安息香酸メチル
PhEt:フタル酸ジエチル
DCM:ジクロロメタン
【0096】
また、表1〜5において、混合溶媒を用いている場合には、例えば、EC/PC=1/2とはエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの重量比が1:2である溶媒を示す。
【0097】
(評価)
実施例1〜43並びに比較例1及び2で得られた膜状の導電性高分子成形品を、表1〜5に記載された動作電解質を1mol/lとなるように水に溶解した電解液中に保持した。保持された各膜状の導電性高分子成型品について、下記の測定方法により、それぞれ1酸化還元サイクル当たりの伸縮率を測定した。その結果を表1〜5に示す。また、実施例44及び45、並びに、比較例3及び4で得られた膜状の導電性高分子成形品について、下記の測定方法により、それぞれ特定時間あたりの変位率を測定した。特定時間あたりの変位率の結果を表6に示す。なお実施例1〜45及び比較例1〜4の導電性高分子成型品の導電率及び膜厚は、公知の方法により測定した。
【0098】
〔伸縮率の測定方法〕
実施例1〜43並びに比較例1及び2で得られた膜状の導電性高分子成形品を長さ15mm、幅2mmの動作電極とし、白金プレートを対向電極とし、それぞれ電極の端部に、動作電極を前記電解液中に保持し、リードを介して電源と接続して、電位(−0.9〜+0.7V v.s. Ag/Ag)を1サイクル印加して変位量(変位した長さ)を測定した。動作電極が1サイクルの印加(1酸化還元サイクル)で伸長と収縮とをすることにより得られた変位の差を、動作電極の元の長さで割ることにより、1酸化還元サイクル当たりの伸縮率を求めた。なお、動作電解質のTEAPFとは、テトラフルオロリン酸テトラエチルアンモニウム塩であり、EtSONaとはエタンスルホン酸ナトリウムを表す。
【0099】
〔特定時間あたりの変位率〕
実施例41及び42、並びに、比較例3及び4で得られた膜状の導電性高分子成形品を長さ15mm、幅2mmの動作電極とし、白金プレートを対向電極とし、それぞれ電極の端部に、動作電極を前記電解液中に保持し、リードを介して電源と接続して、電位(+0.9V v.s. Ag/Agまたは−0.9V v.s. Ag/Ag)を印加して、印加開始から20秒後の変位量(変位した長さ)を測定した。印加開始から20秒後の変位量を、電位を印加する前の動作電極の長さで割ることにより、特定時間当たりの伸縮率を求めた。
【0100】
(結果)
実施例15の導電性高分子成形品は、トリフルオロメタンスルホン酸イオンをドーパントアニオンとし、溶媒がエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶媒(1:2)である電解液を用いた電解重合法による導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子成形品である。比較例1の導電性高分子成形品は、電解液の溶媒が水であり、従来のドーパントであるp−トルエンスルホン酸イオンを含む電解液で電解重合された導電性高分子成形品である。実施例15の導電性高分子成形品を、従来の作動環境である塩化ナトリウムを動作電解質として電解伸縮をさせると、表2に示すとおり、伸縮率3.1%であった。これに対し、比較例1の導電性高分子成形品を、実施例15と同様に、塩化ナトリウムを動作電解質として電解伸縮をさせると表4に示すように、伸縮率1.3%であった。つまり、実施例15の導電性高分子成形品は、従来の動作環境である塩化ナトリウム水溶液中であっても、従来のドーパントを含む導電性高分子成形品に比べて、1酸化還元サイクル当たりの伸縮率が約2.4倍である良好な伸縮をすることができた。
【0101】
実施例1〜14及び実施例16〜43については、導電性高分子成形品がそれぞれ本願発明の導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子成形品であり、作動環境として、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオン及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を含む電解液中で、1酸化還元サイクルの電気化学的酸化還元により導電性高分子成形品を伸縮させた結果、表1〜5に示すように、伸縮率は5%以上であった。これに対し、比較例2については、導電性高分子は、電解液の溶媒が水であり、従来のドーパントであるp−トルエンスルホン酸イオンを含む電解液で電解重合された導電性高分子成形品であり、作動環境として、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1種以上選ばれた化合物を含む電解液中で、1酸化還元サイクルの電気化学的酸化還元により導電性高分子成形品を伸縮させた結果、表4に示すように、伸縮率は1.7%と低かった。即ち、本願発明の導電性高分子成形品は、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を含む電解液中で電気化学的酸化還元により導電性高分子成形品を伸縮させることにより、1酸化還元サイクル当たりの伸縮率が従来の約3倍以上である優れた伸縮をした。
【0102】
実施例44及び45についての導電性高分子成形品は、それぞれ実施例15と実施例4の導電性高分子成形品に相当する本願発明の製造方法により得られた導電性高分子成形品である。一方、比較例3及び4の導電性高分子成形品は、それぞれ比較例1及び2に相当する導電性高分子成形品である。従来の作動環境であるNaCl水溶液中において、比較例3の導電性高分子成形品が特定時間当たりの伸縮率が0.4%であったのに対し、実施例36の導電性高分子成形品は、特定時間当たりの伸縮率について1.7%という約4倍の向上を図ることができた。つまり、本願発明の導電性高分子成形品を用いることにより、変位の早い電解伸縮を実現することができる。
【0103】
また、電解伸縮の作動環境にトリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオン及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を含む電解液とした場合には、比較例4の導電性高分子成形品が特定時間当たりの伸縮率が0.4%であったのに対し、実施例45の導電性高分子成形品は、特定時間当たりの伸縮率について3.9%という約10倍の向上を図ることができた。したがって、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオン及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を含む電解液中で導電性高分子成形品を電気化学的酸化還元により導電性高分子成形品を伸縮させる電解伸縮方法を用いることにより、さらに変位の早い電解伸縮を実現することができる。
【0104】
従って、作動部、対極、及び電解質を含むアクチュエータについて、本発明の製造方法により得られた導電性高分子を含む導電性高分子成形品を作動部とすることにより、伸縮が早く、応答性の良好なアクチュエータとすることができる。また、導電性高分子含有層と固体電解質層とを含む積層体についても、本発明の製造方法により得られた導電性高分子を導電性高分子含有層とに含むことにより、伸縮が早く、応答性の良好なアクチュエータに用いることができる積層体とすることができる。
【0105】
【発明の効果】
本発明の導電性高分子の製造方法を用いることにより得られた導電性高分子成形品は、従来の伸縮性を有する導電性高分子成形品に比べて、優れた1酸化還元サイクル当たりの伸縮率を電解伸縮時に発現し、変位の命令に対応して従来より大きな動作をするので実用性に優れ、人工筋肉、ロボットアーム、義手やアクチュエータ等の用途として有用である。本発明の導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子成形品は、電解伸縮の作動環境にトリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオン及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を含む電解液中で電解伸縮させることにより、さらに大きな伸縮率を発現することができるので、さらに大きな伸縮を必要とする用途として有用である。
【0106】
さらには、本発明の導電性高分子成形品は、電解伸縮の作動環境にトリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオン及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を含む電解液中で、電気化学的酸化還元により導電性高分子成形品を伸縮させることにより、従来の伸縮性を有する導電性高分子成形品に比べて約10倍以上の特定時間当たりの伸縮率を発現するので、変位の命令に対して速い応答が要求される用途の駆動部分として使用することも可能である。
【0107】
また、対極と電解質と前記導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子を含む作動部とを含むアクチュエータを用いることにより、伸縮が大きいアクチュエータを得ることができ、しかも静音であるので人工筋肉や、各種駆動装置の駆動部、押圧装置の押圧部に好適に用いることができる。また、作動部が電気化学的酸化還元によって伸縮し、20秒間の1酸化還元サイクルにおけるアクチュエータの伸縮率が長さ方向に3%以上であるアクチュエータは、変位の応答性が速く、人工筋肉や各種装置における駆動部として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアクチュエータにおける一実施態様例の外観についての斜視図。
【図2】図1のアクチュエータについてのA−A断面図。
【符号の説明】
1 アクチュエータ
2 筐体
3 作動部
4 導電性接続板
6 電解質
7、7’ リード線
8 リード線
9 電源
21 先端部
22 底部
23 作動部嵌合用凹部
24 対極嵌合用凹部
25 対極嵌合用凹部
51、52 対極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
Method for producing conductive polymer having excellent expansion / contraction ratio per oxidation-reduction cycle, conductive polymer molded article using the conductive polymer, laminate using the conductive polymer, and conductive polymer The present invention relates to an electrolytic expansion and contraction method for a molded article and a laminate having an excellent expansion and contraction rate, and uses thereof.
[0002]
[Prior art]
It is known that conductive polymers such as polypyrrole exhibit electrolytic stretching, which is a phenomenon of stretching or deforming due to electrochemical redox. Electrolytic expansion and contraction of the conductive polymer is expected to be applied to driving of artificial muscles, robot arms, artificial arms, artificial legs, powered suits, actuators, and the like, and has attracted attention in recent years. As a method for producing such a conductive polymer which undergoes electrolytic expansion and contraction, a method for producing the polymer by an electrolytic polymerization method is generally used. In the electropolymerization method, after a working electrode and a counter electrode are installed in an electrolytic solution containing a monomer component such as pyrrole, a voltage is applied to both electrodes to form a conductive polymer film on the working electrode. The method of making it perform is usually performed.
[0003]
The conductive polymer film obtained by the electrolytic polymerization method can be expanded or contracted or displaced by applying a voltage to the film. Such a conductive polymer that expands and contracts can be used as a conductive polymer alone film for applications such as artificial muscles.For example, JP-A-11-169393 and JP-A-11-169394 describe: It is described that it is also possible to use an artificial muscle having a polyaniline film formed on both sides of a solid electrolyte former.
[0004]
In addition, regarding an actuator using a conductive polymer, a configuration of an actuator including an electrolyte, a counter electrode, and a polypyrrole film in a cell was reported in 1997 (for example, see Non-Patent Document 1). This actuator expands and contracts the polypyrrole film by applying a voltage between the polypyrrole film and the counter electrode while the counter electrode and the counter electrode are immersed in the electrolytic solution, and the polypyrrole film receives a load of 14.6 MPa (45 g). Also expand and contract by 1%. In other words, this actuator can generate a force of 14 MPa in the length direction by electrolytic expansion and contraction.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-11-169393 (pages 2-5)
[Patent Document 2]
JP-A-11-169394 (pages 2-4)
[Non-patent document 1]
A. Della Santa and two others, "Performance and workcapacity of a polypyrrole conducting conductor polymeric et al. Science (Elscvier Science), 1997, Vol. 90, P93-100
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the artificial muscle, the robot arm, the artificial arm, the artificial leg, and the like, which are practical applications, are operated, one expansion and contraction or displacement is usually one operation. Therefore, in order for an artificial muscle or the like to perform a sufficient operation, it is required that one expansion / contraction or displacement causes a large expansion / contraction or displacement. In the case where a conductive polymer is used as a driving source for such a practical application, a conventional actuator element capable of electrolytic expansion and contraction using a conductive polymer uses a cycle of expansion and contraction due to electrolytic expansion and contraction (an oxidation-reduction cycle). ), The amount of expansion or contraction or displacement per oxidation-reduction cycle is not sufficient. Therefore, in order to use conductive polymers for artificial muscles, robot arms, artificial hands, etc., which are practical applications, a larger amount of expansion or displacement can be obtained in one oxidation-reduction cycle when electrolytic expansion and contraction is performed. is necessary. For example, a conventional conductive polymer such as a conductive polymer containing sodium p-toluenesulfonate as a dopant has a small expansion / contraction rate per one oxidation-reduction cycle, and an actuator for an application in which the amount of expansion / contraction or displacement is small. Etc. can be used. However, when the conductive polymer is used for artificial muscles and the like, which have a large amount of expansion / contraction or displacement per oxidation-reduction cycle, the expansion / contraction rate of the oxidation-reduction cycle of the conductive polymer per cycle is further improved. Need to be done.
[0007]
Further, in order to further enhance the practicality of application to artificial muscles and the like, a command for causing expansion or contraction or displacement such as applying a voltage to the conductive polymer is issued, and then a desired amount of the polymer is actually applied. It is desirable if it is possible that the time required for the expansion or contraction or displacement to occur is short, that is, the displacement rate per specific time is large. That is, in order to use the conventional conductive polymer for practical use, in addition to improving the expansion / contraction ratio per one oxidation-reduction cycle of the conductive polymer, a voltage is applied to the conductive polymer. If it is possible to improve the ratio of the stretched or displaced length to the length of the conductive polymer molded article in the initial state at a specific time, that is, the rate of displacement per specific time, if possible Desirable to further enhance practicality.
[0008]
An object of the present invention is a method for producing a conductive polymer having an excellent expansion / contraction ratio per oxidation-reduction cycle, a conductive polymer molded article using the conductive polymer, and a laminate using the conductive polymer. Another object of the present invention is to provide a method for electrolytically expanding and contracting a conductive polymer molded article and a laminate, an actuator using the conductive polymer, and uses thereof.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors are a method for producing a conductive polymer, which is a method for producing a conductive polymer having elasticity by electrochemical oxidation-reduction by an electrolytic polymerization method, wherein the electrolytic polymerization method comprises an ether bond, an ester bond, An electrolytic solution containing, as a solvent, an organic compound containing at least one bond or a functional group of at least one of a carbonate bond, a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group and a nitrile group, and / or a halogenated hydrocarbon is used as the solvent. A method for producing a conductive polymer containing a trifluoromethanesulfonate ion and / or an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom, and a conductive polymer molded article obtained by this production method are used to reduce monooxidation. The present inventors have found that the expansion and contraction rate per cycle can be improved, and have reached the present invention. In addition, it has been found that the conductive polymer molded article obtained by the above-described production method has not only an excellent expansion / contraction rate per oxidation-reduction cycle, but also an excellent displacement rate per specific time. The conductive polymer molded article can be suitably used for an actuator element which is a driving source for practical use.
[0010]
In addition, the present inventors prepared the conductive polymer molded article obtained by the above production method from trifluoromethanesulfonic acid ion, an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom, and a sulfonate having 3 or less carbon atoms. In an electrolytic solution containing at least one compound selected from the group consisting of: a conductive polymer molded article is expanded and contracted by electrochemical oxidation and reduction to improve the expansion and contraction rate per oxidation-reduction cycle. I found out that it can be done.
[0011]
Further, the present inventors are a laminate comprising a conductive polymer-containing layer and a solid electrolyte layer, wherein the conductive polymer contained in the conductive polymer-containing layer is a conductive polymer produced by an electrolytic polymerization method. The method for producing a conductive polymer, wherein the electrolytic polymerization method comprises an organic bond containing at least one bond or a functional group among ether bonds, ester bonds, carbonate bonds, hydroxyl groups, nitro groups, sulfone groups and nitrile groups. An electrolytic solution containing a compound as a solvent is used, and the high conductivity obtained by the method for producing a conductive polymer containing trifluoromethanesulfonic acid ions and / or anions containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom in the electrolytic solution is used. It has also been found that the use of a molecular laminate can improve the expansion and contraction rate per oxidation-reduction cycle of the laminate. The laminate can be suitably used for an actuator element that is a driving source for practical use.
[0012]
Further, the present inventors are an actuator including an operating portion, a counter electrode, and an electrolyte, wherein the operating portion is a method for manufacturing a conductive polymer manufactured by an electrolytic polymerization method, wherein the electrolytic polymerization method includes an ether bond. Using an electrolytic solution containing, as a solvent, an organic compound containing at least one bond or a functional group among at least one of a bond, an ester bond, a carbonate bond, a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group and a nitrile group. By using an actuator using an operating part containing a conductive polymer obtained by a method for producing a conductive polymer containing an acid ion and / or an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom, a counter electrode and an operating part are obtained. It has been found that the expansion and contraction ratio of the actuator is improved in the expansion and contraction due to the application of a voltage between.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention is a method for producing a conductive polymer, which comprises producing a conductive polymer having elasticity by electrochemical oxidation-reduction by an electrolytic polymerization method, wherein the electrolytic polymerization method comprises an ether bond, an ester bond, and a carbonate bond. Using an electrolyte containing, as a solvent, an organic compound containing at least one bond or a functional group of at least one of a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group and a nitrile group and / or a halogenated hydrocarbon; This is a method for producing a conductive polymer containing a sulfonate ion and / or an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom.
[0014]
(Electropolymerization method)
The electropolymerization method used in the method for producing a conductive polymer according to the present invention includes a bond or a functional group of at least one of an ether bond, an ester bond, a carbonate bond, a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group, and a nitrile group. This is an electrolytic polymerization method using an electrolytic solution containing an organic compound as a solvent and further containing trifluoromethanesulfonic acid ions and / or anions containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom.
[0015]
(Electrolyte)
In the method for producing a conductive polymer of the present invention, the electrolytic solution used in the electrolytic polymerization method includes at least one or more of an ether bond, an ester bond, a carbonate bond, a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group, and a nitrile group. Organic compounds and / or halogenated hydrocarbons containing bonds or functional groups are included as solvents. Two or more of these solvents can be used in combination.
[0016]
Examples of the organic compound include 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane (the organic compound containing an ether bond), γ-butyrolactone, and ethyl acetate. , N-butyl acetate, t-butyl acetate, 1,2-diacetoxyethane, 3-methyl-2-oxazolidinone, methyl benzoate, ethyl benzoate, butyl benzoate, diethyl phthalate (including ester bond) Organic compounds), propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate (the organic compounds containing a carbonate bond), ethylene glycol, butanol, 1-hexanol, cyclohexanol, 1-octanol, 1- Cananol, 1-dodecanol, 1-octadecanol (above, an organic compound containing a hydroxyl group), nitromethane, nitrobenzene (above, an organic compound containing a nitro group), sulfolane, dimethyl sulfone (above, an organic compound containing a sulfone group) And acetonitrile, butyronitrile, and benzonitrile (the above are organic compounds containing a nitrile group). The organic compound containing a hydroxyl group is not particularly limited, but is preferably a polyhydric alcohol or a monohydric alcohol having 4 or more carbon atoms because of its good elasticity. In addition, in addition to the above-mentioned examples, the organic compound may have any two or more bonds or functional groups selected from ether bonds, ester bonds, carbonate bonds, hydroxyl groups, nitro groups, sulfone groups, and nitrile groups in the molecule. May be included. The organic compound is preferably an organic compound containing an ester bond, since the obtained conductive polymer has a large expansion and contraction rate.
[0017]
When the organic compound is used as a solvent for an electrolytic solution by mixing two or more of the organic compounds, the organic compound includes an organic compound having an ether bond, an organic compound having an ester bond, an organic compound having a carbonate bond, and a hydroxyl group. Among organic compounds, organic compounds containing a nitro group, organic compounds containing a sulfone group, and organic compounds containing a nitrile group, a combination of an organic compound having excellent extension and an organic compound having excellent contraction is obtained by electrolytic polymerization. The expansion / contraction ratio of the obtained conductive polymer per oxidation-reduction cycle can also be improved.
[0018]
In the method for producing a conductive polymer according to the present invention, the halogenated hydrocarbon contained as a solvent in the electrolytic solution is one in which hydrogen in the hydrocarbon is replaced by at least one halogen atom. There is no particular limitation as long as it can be stably present.
[0019]
Examples of the halogenated hydrocarbon include dichloromethane and dichloroethane. As the halogenated hydrocarbon, only one kind can be used as a solvent in the electrolytic solution, but two or more kinds can be used in combination. The halogenated hydrocarbon may be used as a mixture with the above organic compound, and a mixed solvent with the organic solvent may be used as a solvent in the electrolytic solution.
[0020]
In the method for producing a conductive polymer according to the present invention, the electrolytic solution used in the electrolytic polymerization method includes an organic compound to be electrolytically polymerized (for example, pyrrole) and trifluoromethanesulfonic acid ion and / or a fluorine atom with respect to a central atom. Anion containing a plurality of. By performing electrolytic polymerization using this electrolytic solution, it is possible to obtain a conductive polymer having an excellent expansion / contraction ratio per oxidation-reduction cycle and / or a displacement ratio per specific time in electrolytic expansion / contraction. By the above-mentioned electrolytic polymerization, trifluoromethanesulfonic acid ions and / or anions containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom are incorporated into the conductive polymer.
[0021]
The content of the trifluoromethanesulfonic acid ion and / or the anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom in the electrolytic solution is not particularly limited, but is contained in the electrolytic solution by 0.1 to 30% by weight. And more preferably 1 to 15% by weight.
[0022]
The trifluoromethanesulfonate ion has the chemical formula CF3SO3 It is a compound represented by these. Further, an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom has a structure in which a plurality of fluorine atoms are bonded to a central atom such as boron, phosphorus, antimony, and arsenic. Contains a plurality of bonding fluorine atoms. The anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom is not particularly limited, but tetrafluoroborate ion (BF4 ), Hexafluorophosphate ion (PF6 ), Hexafluoroantimonate ion (SbF6 ) And hexafluoroarsenate ion (AsF6 ) Can be exemplified. Above all, CF3SO3 , BF4 And PF6 Is preferable in consideration of safety against the human body, etc.3SO3 And BF4 Is more preferred. As the anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom, one kind of anion may be used, or a plurality of kinds of anions may be used in the electrolytic solution at the same time. An anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom of the seed may be simultaneously used in the electrolytic solution.
[0023]
In the method for producing a conductive polymer according to the present invention, the electrolytic solution used in the electrolytic polymerization method includes the organic compound solvent and the trifluoromethanesulfonic acid ion and / or an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom. The solution contains a monomer of a conductive polymer, and may further contain other known additives such as polyethylene glycol and polyacrylamide.
[0024]
The electrolytic polymerization method used in the method for producing a conductive polymer according to the present invention can use a known electrolytic polymerization method as the electrolytic polymerization of the conductive polymer monomer, and includes a constant potential method and a constant current method. And the electric sweep method can be used. For example, the electrolytic polymerization method has a current density of 0.01 to 20 mA / cm.2At a reaction temperature of −70 to 80 ° C. and a current density of 0.1 to 2 mA / cm to obtain a conductive polymer having good film quality.2The reaction is preferably performed at a temperature of -40 to 40 ° C, more preferably at a temperature of -30 to 30 ° C.
[0025]
In the method for producing a conductive polymer according to the present invention, the working electrode is not particularly limited as long as it can be used for electrolytic polymerization, and an ITO glass electrode or a metal electrode can be used. The metal electrode is not particularly limited as long as it is an electrode mainly composed of a metal, but a metal of a metal element selected from the group consisting of Pt, Ti, Ni, Au, Ta, Mo, Cr and W A single electrode or an alloy electrode can be suitably used. It is particularly preferable that the metal species contained in the metal electrode is Ni or Ti, since the conductive polymer obtained by the above-mentioned manufacturing method has a large expansion and contraction rate and a large generating force, and the electrode can be easily obtained. As the alloy, for example, trade names “INCOLOY alloy 825”, “INCONEL alloy 600”, and “INCONEL alloy X-750” (all manufactured by Daido Special Metal Co., Ltd.) can be used.
[0026]
In the method for producing a conductive polymer according to the present invention, the conductive polymer monomer contained in the electrolytic solution used in the electrolytic polymerization method may be a compound which is polymerized by oxidation by electrolytic polymerization and exhibits conductivity. No particular limitation is imposed thereon, and examples thereof include a 5-membered heterocyclic compound such as pyrrole, thiophene, and isothianaphthene, and derivatives thereof such as an alkyl group and an oxyalkyl group. Among them, a five-membered heterocyclic compound such as pyrrole and thiophene and a derivative thereof are preferable, and a conductive polymer containing pyrrole and / or a pyrrole derivative is particularly easy to produce, and is stable as a conductive polymer. It is preferable because there is. Further, two or more of the above monomers can be used in combination.
[0027]
The conductive polymer produced by the method for producing a conductive polymer of the present invention is not particularly limited as long as it has elasticity, and polypyrrole, polythiophene, polyaniline, polyphenylene film, and the like can be used. However, a conductive polymer containing pyrrole and / or a pyrrole derivative in the molecular chain is preferable because it is easy to produce, is not only stable as a conductive polymer, but also has excellent electrolytic stretching properties. . Since the conductive polymer contains, as a dopant, a trifluoromethanesulfonic acid ion and / or an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom contained in the electrolytic solution, a one-oxidation-reduction cycle excellent in electrolytic stretching. It is considered to indicate the contraction rate per unit, and also indicate the displacement rate per specific time.
[0028]
The method for producing a conductive polymer according to the present invention is a method for producing a conductive polymer by an electrolytic polymerization method, wherein the conductive polymer has elasticity due to electrochemical oxidation-reduction, The polymerization method is a polymerization method using an electrolytic solution containing an organic compound as a solvent, and the organic compound is (1) at least one selected from the group consisting of an ether bond, an ester bond, a carbon-halogen bond, and a carbonate bond. The above-mentioned electrolytic solution contains in the molecule at least one or more functional groups selected from the chemical bond species selected above and / or (2) a functional group consisting of a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group and a nitrile group. A method for producing a conductive polymer, comprising a trifluoromethanesulfonic acid ion and / or an anion containing a plurality of fluorine atoms bonded to a central atom. Kill.
[0029]
(Molding)
Further, the present invention is also a conductive polymer molded article having a desired shape of the conductive polymer obtained by the above production method. That is, a conductive polymer having elasticity due to electrochemical oxidation-reduction, a method for producing a conductive polymer produced by an electrolytic polymerization method, wherein the electrolytic polymerization method comprises an ether bond, an ester bond, a carbonate bond, An electrolytic solution containing, as a solvent, an organic compound containing at least one bond or a functional group of a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group and a nitrile group and / or a halogenated hydrocarbon as a solvent is used. A conductive polymer molded article containing, as a resin component, a conductive polymer obtained by a method for producing a conductive polymer containing an acid ion and / or an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom. The shape of the conductive polymer molded article is not particularly limited, and may be in the form of a film, a tube, a tube, a prism, a fiber, or the like. It is preferably in the form of a film because it sometimes precipitates on the working electrode. The working electrode is not particularly limited as long as it can be used for electrolytic polymerization, and an ITO glass electrode, a metal electrode, or the like can be used.
[0030]
In particular, by containing a trifluoromethanesulfonic acid ion and / or an anion containing a plurality of fluorine atoms relative to the central atom in the conductive polymer as a dopant, the conductive polymer molded article of the present invention was formed into a film. In this case, the conventional electroconductive polymer has an electrostriction rate of only about 1% per one oxidation-reduction cycle in the plane direction, whereas the expansion and contraction rate of the electroconductive polymer is 3% per oxidation-reduction cycle in the length direction. %, Especially 5% or more. Whereas conventional low-stretch conductive polymer molded products could only be used for applications that do not require large displacement, such as switches and sensors, the stretch ratio per oxidation-reduction cycle in the length direction The conductive polymer molded product having a content of 3% or more can be suitably used for applications requiring a large expansion and contraction ratio, as represented by artificial muscle. In addition, the conductive polymer molded article may appropriately contain a conductive material such as a metal wire or a conductive oxide in order to reduce the resistance value as an operating electrode, in addition to the dopant.
[0031]
The present invention also relates to a conductive polymer molded article which expands and contracts by electrochemical oxidation and reduction, wherein the expansion and contraction rate in one oxidation-reduction cycle for 20 seconds is 3% or more in the length direction. The conductive polymer molded article is a method for manufacturing a conductive polymer manufactured by an electrolytic polymerization method, wherein the electrolytic polymerization method includes an ether bond, an ester bond, a carbonate bond, a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group, and An organic solution containing at least one bond or a functional group among nitrile groups and / or an electrolytic solution containing a halogenated hydrocarbon as a solvent is used, and a plurality of fluorine atoms with respect to trifluoromethanesulfonic acid ion and / or a central atom are used. By including a conductive polymer obtained by the method for producing a conductive polymer containing an anion in the electrolytic solution, compared to a conventional conductive polymer, starting application of a voltage at one point Therefore, a large displacement of the leading end of the conductive polymer molded article can be obtained within a certain period of time.
[0032]
When the conductive polymer molded product is used as an actuator, the conductive polymer molded product, an actuator including a counter electrode and an electrolyte, wherein the counter electrode and the conductive polymer molded product are interposed via the electrolyte. The actuator may be provided with a counter electrode and an electrolyte so that a voltage can be applied therebetween. By applying a voltage from one end of the conductive polymer molded article to the conductive polymer molded article, the stretch ratio in one oxidation-reduction cycle for 20 seconds is 3% or more in the length direction. The present invention can be suitably used for actuators for applications requiring faster response, such as drive units of various devices.
[0033]
(Laminate)
The present invention is a laminate including a conductive polymer-containing layer and a solid electrolyte layer, and also a laminate including the conductive polymer obtained in the above-described production method in the conductive polymer-containing layer. That is, the present invention is a laminate including a conductive polymer layer and a solid electrolyte layer, wherein the conductive polymer contained in the conductive polymer-containing layer is a conductive polymer produced by an electrolytic polymerization method. A conductive polymer obtained by a production method, wherein the electrolytic polymerization method in the production method is at least one of an ether bond, an ester bond, a carbonate bond, a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group, and a nitrile group. An organic solution containing a bond or a functional group and / or a halogenated hydrocarbon as a solvent is used as the solvent, and trifluoromethanesulfonic acid ions and / or anions containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom are contained in the electrolytic solution. It is a laminate characterized by including. By including the conductive polymer-containing layer and the solid electrolyte layer in the laminate, the electrolyte in the solid electrolyte layer is supplied to the conductive polymer layer, and the conductive polymer contained in the conductive polymer-containing layer Since the polymer expands and contracts greatly by electrochemical oxidation and reduction, a large expansion and contraction rate per one oxidation-reduction cycle can be exhibited during electrolytic expansion and contraction. It is preferable that the conductive polymer layer and the solid electrolyte layer in the laminate are in direct contact with each other. However, if the electrolyte in the solid electrolyte can be transferred to the conductive polymer, other Layer may be interposed. In addition, the conductive polymer-containing layer may include a substrate or the like that does not significantly impede electrolytic expansion and contraction, and may also include a conductive oxide or a metal wire.
[0034]
Although the solid electrolyte is not particularly limited, it is preferable that the solid electrolyte be an ion-exchange resin by being largely driven as an actuator by displacing the laminate. As the ion exchange resin, a known ion exchange resin can be used, and for example, a trade name “Nafion” (perfluorosulfonic acid resin, manufactured by DuPont) can be used.
[0035]
When the laminate is used as an actuator, an actuator including a counter electrode and the laminate, wherein the counter electrode and the conductive polymer-containing layer in the laminate are interposed via a solid electrolyte in the laminate. The actuator may be provided with a counter electrode so that a voltage can be applied between the electrodes.
[0036]
(Electrolytic stretching method)
The present invention is also an electrolytic expansion / contraction method for expanding / contracting the conductive polymer molded article by electrochemical oxidation / reduction of the conductive polymer molded article in an electrolytic solution. By subjecting the conductive polymer molded article to electrolytic expansion and contraction, an excellent expansion and contraction rate per one oxidation-reduction cycle can be obtained. Further, the above-mentioned electrolytic expansion / contraction method for expanding / contracting the conductive polymer molded article can also obtain an excellent displacement ratio per specific time. The working electrolyte, which is an electrolyte in which the conductive polymer molded article is subjected to electrolytic expansion and contraction, is not particularly limited. However, it is easy to adjust the concentration by using a solvent whose main solvent is water and contains an electrolyte. Is preferred.
[0037]
In the electrolytic stretching method of the present invention, the electrolytic solution is a compound selected from at least one selected from the group consisting of a trifluoromethanesulfonic acid ion, an anion containing a plurality of fluorine atoms relative to a central atom, and a sulfonate having 3 or less carbon atoms. It can be an electrolytic solution containing as a working electrolyte. That is, the present invention relates to a method for producing a conductive polymer, wherein the conductive polymer molded article is a conductive polymer having elasticity by electrochemical oxidation-reduction produced by an electrolytic polymerization method. Electrolysis in which an organic compound containing at least one bond or a functional group of at least one of an ether bond, an ester bond, a carbonate bond, a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group and a nitrile group and / or a halogenated hydrocarbon is used as a solvent. A conductive polymer obtained by a method for producing a conductive polymer containing a trifluoromethanesulfonic acid ion and / or an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom in the electrolytic solution using a liquid as a resin component By using the method for electrolytically expanding and contracting conductive polymer molded products, it exhibits excellent expansion and contraction rate per oxidation-reduction cycle during electrolytic expansion and contraction. Further is indicate displacement rate per specified time excellent. Further, in an electrolytic solution containing at least one compound selected from the group consisting of a trifluoromethanesulfonic acid ion, an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom and a sulfonate having 3 or less carbon atoms as a working electrolyte, By subjecting the conductive polymer molded article to electrolytic expansion and contraction, the conductive polymer molded article can exhibit a larger expansion and contraction rate per oxidation-reduction cycle. It is clear that the salt used in the electrolyte can be used as a salt contained in the electrolyte of the solid electrolyte in the laminate of the present invention, and the solid electrolyte exhibits an excellent expansion / contraction ratio per oxidation-reduction cycle. Can be obtained.
[0038]
In order to expand and contract the conductive polymer molded article, the trifluoromethanesulfonic acid ion and / or the anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom contained as the working electrolyte in the electrolytic solution as the external environment is the above-mentioned conductive material. This is the same as the trifluoromethanesulfonic acid ion and / or the anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom in the description of the method for producing a polymer. The trifluoromethanesulfonate ion has the chemical formula CF3SO3 It is a compound represented by these. The anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom is an ion having a structure in which a plurality of fluorine atoms of the central atom are bonded to atoms such as boron, phosphorus, antimony, and arsenic. The sulfonate having 3 or less carbon atoms is not particularly limited as long as it is a salt of a sulfonic acid having 3 or less carbon atoms, and for example, sodium methanesulfonate and sodium ethanesulfonate can be used.
[0039]
Further, the present invention is also an electrolytic stretching method for expanding and contracting the conductive polymer molded article by electrochemical oxidation-reduction of the conductive polymer molded article in an electrolytic solution, wherein the electrolytic solution mainly comprises sodium chloride. An electrolytic expansion / contraction method that is an aqueous solution containing an electrolyte may be used. Since the electrolytic solution mainly contains sodium chloride, which is an electrolyte contained in a biological component, it is possible to operate in a state in which a body fluid in a living body is easily interchangeable with the electrolytic solution.
[0040]
The temperature of the electrolytic solution or the solid electrolyte that undergoes electrolytic expansion and contraction in the present invention is not particularly limited, but in order to electrolytically expand and contract the above-described conductive polymer at a higher speed, 20 to 100 ° C., more preferably It is preferably 50 to 80 ° C.
[0041]
(Actuator)
Further, the present invention is an actuator including an operating portion, an electrolyte, and a counter electrode, wherein the operating portion includes a conductive polymer obtained by the manufacturing method. The actuator is not particularly limited as long as it includes an operating portion, an electrolyte, and a counter electrode as a device configuration, but an actuator in which a shaft attached to the operating portion is packed in a housing so as not to leak liquid during operation. Alternatively, an actuator having a housing that can expand and contract in accordance with the operation of the operation unit is preferable because leakage of an electrolyte or the like does not occur.
[0042]
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the actuator of the present invention. The actuator 1 is a columnar actuator, and has an outermost layer formed of a housing made of a flexible material such as urethane rubber. At the bottom portion 22 of the actuator 1, there are provided a lead 8 for applying a potential to the operating portion 3 inside the actuator and leads 7, 7 'for applying a potential to the counter electrode. The power is supplied from the power supply 9 and a voltage is applied to the operating section and the counter electrode, whereby the operating section electrolytically expands and contracts. Due to this electrolytic expansion and contraction, the distal end of the actuator 1 is displaced by expansion and contraction in the length direction. When the actuator 1 is extended, the actuator 1 can generate a pressing force F.
[0043]
FIG. 2 is a sectional view of the actuator 1 shown in FIG. The actuator 1 includes a column-shaped operating portion 3 in an internal space of a housing 2 formed of a flexible material. A concave portion 23 is formed on the inner surface of the bottom portion 22 of the housing 2. One end of the operation section 3 is fitted into the recess 23 via the conductive connection plate 4, and the operation section is attached to the housing 2. The operating portion 3 is fixed to the housing 2 by being joined to the other end of the operating portion 3 on the inner surface of the distal end portion 21 of the housing 2. Further, in the internal space of the housing 2, the columnar counter electrodes 51, 52 are fitted near the inner surfaces of the side walls of the housing 2 into the counter electrode fitting recesses 24, 25 provided on the bottom 22, respectively, so that the mounting is performed. Have been. In the internal space of the housing 2, the remaining internal space excluding the counter electrodes 51 and 52 and the operating part 3 is filled with the electrolyte 6. The power supply 9 is connected to the counter electrodes 51 and 52 via the leads 7 and 7 ′, and is connected to the conductive connection plate 4 in contact with the operating section 3 via the leads 8. By supplying power from the power supply 9, a voltage can be applied between the counter electrodes 51 and 52 and the operating section 3, and the operating section 3 can be expanded and contracted electrolytically. When the actuator 1 expands and contracts, a force F can be generated at the distal end portion 21 and can be suitably used as an artificial muscle.
[0044]
The tip 21 of the actuator 1 may or may not be joined to the tip of the operating section 3 on the inner side. When the distal end portion 21 and the distal end portion of the operating section 3 are not joined, the actuator sets the housing 2 formed of a flexible material in a state in which a contraction stress acts on the inside of the actuator due to contraction stress. The distal end portion 21 can expand and contract following the electrolytic expansion and contraction of the operating portion 3 by the electrolytic expansion and contraction of the operating portion 3.
[0045]
The operating portion is not particularly limited as long as it includes the above-described conductive polymer and undergoes electrolytic expansion and contraction by voltage application. It is preferable that the operating portion exhibits an elasticity of 5% or more when applied with a voltage. An actuator that expands and contracts by 5% or more when the operating section expands or contracts by 5% or more when a voltage is applied can be obtained. This actuator is required to have a large expansion and contraction rate represented by artificial muscle. Can be suitably used. The operating portion may appropriately include a conductive material such as a metal wire or a conductive oxide in order to reduce a resistance value as an operating electrode in addition to the dopant.
[0046]
The flexible material forming the housing 2 is not particularly limited. The flexible material can be appropriately selected according to the elongation percentage of the actuator, and it is preferable to use a synthetic resin having an elongation percentage of 5% or more, and it is more preferable to use a synthetic resin having an elongation percentage of 20% or more. As the flexible material, for example, silicon-based resin, urethane-based resin, silicon-based rubber, urethane-based rubber, or the like can be used. Further, since the flexible material also has a function of preventing the electrolyte from leaking to the outside of the actuator, the flexible material preferably has solvent resistance, and is preferably a silicone resin, a urethane resin, a silicone rubber or a urethane resin. Rubber can be suitably used. In addition, since the actuator 1 has a structure in which the operating portion is sealed by the housing 2, it has a longer use than a structure in which a means for transmitting a force such as a rod penetrates the housing. Since there is no electrolyte leakage, it is excellent for use as a mechanical part such as an artificial muscle.
[0047]
The shape of the actuator of the present invention is not particularly limited. Although the actuator is formed in a cylindrical shape in FIG. 1, the actuator can be formed in a shape most suitable for the application. As the shape of the actuator, other than the cylindrical shape, the actuator can be formed into a shape corresponding to the usage conditions, such as a polygonal prism, such as a prism or a hexagon, a cone, a plate, or a rectangular parallelepiped. Further, the operating portion installed inside the actuator of the present invention is not limited to a columnar shape, but may be a polygonal column such as a prismatic or hexagonal column, a conical shape, a rectangular parallelepiped shape, or the like. Shape. The operating portion may be a conductive polymer film obtained on the working electrode by electrolytic polymerization as it is, or may be formed into a desired shape by performing molding such as lamination. Further, the counter electrode is not limited to a columnar shape, but may be a plate-like shape or the like.
[0048]
The electrolyte contained in the actuator of the present invention may be a liquid or a solid electrolyte. When the electrolyte is in a liquid state, the solvent may be water, or may be an organic solvent, but since the rate of volatilization is relatively slow, handling is easy, and large expansion and contraction can be obtained. Preferably, it is an aqueous solvent. When the electrolytic solution is a solid electrolyte, it may be a polymer electrolyte or a solid electrolyte that is completely solid, but a gel polymer electrolyte is preferable because of high ionic conductivity in the electrolyte. . As the gel used for the gel polymer electrolyte, it is preferable to use polyacrylamide, polyethylene glycol, or agar since the gel polymer electrolyte can be easily adjusted by being combined with an aqueous solution electrolyte. The actuator may be an electrolyte containing at least one compound selected from the group consisting of a trifluoromethanesulfonic acid ion, an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom, and a sulfonate having 3 or less carbon atoms. Is preferable because it can cause a larger expansion and contraction per oxidation-reduction cycle.
[0049]
In the actuator, a laminate of a conductive polymer-containing layer and a solid electrolyte may be used as the operating portion and the electrolyte. The laminate, the conductive polymer-containing layer, by using a layer containing a conductive polymer obtained by the above-described method for producing a conductive polymer, the conductive polymer in the layer greatly expanded and contracted , Can be used for larger expansion and contraction applications. The counter electrode may be installed so that a voltage can be applied between the counter electrode and the conductive polymer-containing layer via the solid electrolyte, and the place where the counter electrode is installed is not particularly limited.
[0050]
The actuator can obtain a large expansion and contraction rate by including the above-described conductive polymer in the internal operation portion, and therefore can be used even when the displacement is small. Can also be suitably used as an artificial muscle. In other words, the actuator of the present invention can be used only for applications having a small displacement, and can be applied to an actuator containing a conductive polymer to an application having a large displacement such as an artificial muscle. The actuator can be used as a linear actuator. For example, by attaching a force transmitting member such as a metal wire to a distal end portion 21 of the actuator 1 of FIG. It can be used as a pressing device by pressing the distal end portion 21 against an object to be controlled. Since the actuator of the present invention is an actuator in which the conductive polymer is driven by electricity, it has no sound or low sound when driven, and thus is suitable as a driving unit or a pressing unit in an indoor use device. Further, since the actuator is lighter than a conventional linear actuator due to a small number of metal parts, a positioning device, a posture control device, an elevating device, a transport device, a moving device, an adjusting device, an adjusting device, a guiding device, and a joint are used. It can be suitably used as a drive unit of the device.
[0051]
(Application)
The conductive polymer molded article, laminate and actuator of the present invention of the present invention can be suitably used for artificial muscles, robot arms, powered suits, artificial hands and artificial legs. In addition, medical instruments such as tweezers, scissors, forceps, snares, laser scalpels, spatulas, clips in microsurgery technology, various sensors or repair tools for inspection and repair, health instruments, hygrometer, hygrometer control device, Industrial equipment such as soft manipulators, underwater valves, and soft transporters, underwater mobils such as goldfish, and articles used in water such as hobbies such as moving fishing baits and propulsion fins, also have the high conductivity of the present invention. A molecular molded product, a laminate, and an actuator can be suitably used.
[0052]
That is, when the conductive polymer molded article, laminate, and actuator of the present invention are used for the artificial muscle, robot arm, or artificial hand, the conductive polymer obtained by the above-described method for manufacturing a conductive polymer is used. The conductive polymer molded article or the conductive polymer layer containing as a base resin can be used as an artificial muscle, a robot arm, and an artificial hand used for the drive unit.
[0053]
When the conductive polymer molded article, laminate, and actuator of the present invention are used for the medical device, a conductive polymer containing the conductive polymer obtained by the above-described method for producing a conductive polymer as a base resin is used. The polymer molded article or the conductive polymer layer can be used as a medical device including tweezers, scissors, forceps, a snare, a laser scalpel, a spatula, and a clip used for a drive unit.
[0054]
When the conductive polymer molded article and the laminate of the present invention are used for the above-described sensor or repair tool, the conductive polymer obtained by the above-described method for producing a conductive polymer is used as a base resin. A conductive polymer molded article or a conductive polymer layer containing the same can be used as a sensor and a repair tool including inspection and repair used for a drive unit.
[0055]
When the conductive polymer molded article and the laminate of the present invention are used in the above-mentioned industrial equipment, the conductive polymer containing the conductive polymer obtained by the above-described method for producing a conductive polymer as a base resin has a high conductivity. The molecular molded article or the conductive polymer layer can be used as an industrial device including a health appliance, a hygrometer, a hygrometer control device, a soft manipulator, a submersible valve, and a soft transport device that are used in a driving unit.
[0056]
When the conductive polymer molded article and the laminate of the present invention are used in the above-mentioned article used in water, the conductive polymer obtained by the above-described method for producing a conductive polymer is used as a base resin. The conductive polymer molded article or the conductive polymer layer containing the same can be an underwater mobil used for the drive unit, or an article used in water including a hobby article including a moving fishing bait or a propulsion fin.
[0057]
As described above, the conductive polymer molded article and the laminate of the present invention can generate displacement, and thus can be used as an actuator. In the conductive polymer molded article of the present invention, for example, those not coated with a resin or the like can be used as an actuator capable of linear displacement in an electrolytic solution. In addition, as described above, the actuator including the operating portion, the counter electrode, and the electrolyte may be an actuator including the conductive polymer obtained by the manufacturing method of the present invention.
[0058]
As described above, the conductive polymer molded article and the laminate of the present invention can generate displacement, and thus can be used as an actuator. In the conductive polymer molded article of the present invention, for example, those not coated with a resin or the like can be used as an actuator capable of linear displacement in an electrolytic solution. In the laminate of the present invention, for example, one or both of the upper and lower layers when the conductive polymer layer is an intermediate layer, the stretch ratio of the conductive polymer layer at the time of electrolytic expansion or contraction or higher. When the solid electrolyte layer has elasticity, it can be used as an actuator that performs linear displacement. Further, in the laminate of the present invention, for example, one of the upper and lower layers when the conductive polymer layer is used as the intermediate layer has a lower elasticity than the elastic expansion and contraction of the conductive polymer layer during electrolytic expansion and contraction. In the case where the solid electrolyte layer or the resin layer has a solid electrolyte layer or a resin layer, the solid electrolyte layer or the resin layer does not expand and contract as compared with the conductive polymer layer, and thus can be used as an actuator that performs bending displacement. An actuator that generates a linear displacement or a bending displacement can be used as a driving unit that generates a linear driving force or a driving unit that generates a driving force for moving a track-type orbit formed by an arc portion. . Further, the actuator can be used as a pressing portion that performs a linear operation.
[0059]
That is, the actuator is an OA device, an antenna, a device for mounting a person such as a bed or a chair, a medical device, an engine, an optical device, a fixture, a side trimmer, a vehicle, a lifting device, a food processing device, a cleaning device, a measuring device, Inspection equipment, control equipment, machine tools, processing machines, electronic equipment, electron microscopes, electric razors, electric toothbrushes, manipulators, masts, play equipment, amusement equipment, riding simulation equipment, vehicle occupant holding equipment and aircraft accessory equipment In the device, as a drive unit that generates a linear drive force or a drive unit that generates a drive force for moving a track-type trajectory composed of an arc part, or as a pressing unit that performs a linear operation or a curved operation It can be suitably used. The actuator is, for example, a track-type trajectory including a driving unit or an arc portion that generates a linear driving force in a valve, a brake, and a lock device used in a general machine including the above-described devices such as an OA device and a measuring device. Can be used as a driving unit that generates a driving force for moving the motor, or as a pressing unit that operates linearly. In addition to the above-described devices, devices, instruments, and the like, in general, mechanical devices, a driving unit of a positioning device, a driving unit of an attitude control device, a driving unit of a lifting device, a driving unit of a transport device, a driving unit of a moving device. It can be suitably used as a driving unit of an adjusting device for adjusting the amount or direction, a driving unit of an adjusting device such as a shaft, a driving unit of a guiding device, and a pressing unit of a pressing device. In addition, the actuator can be suitably used as a drive unit in a joint device, such as a joint unit that can be directly driven, such as a joint intermediate member, or a drive unit that applies rotational motion to a joint.
[0060]
The actuator is, for example, a driving unit of an ink jet part in an ink jet printer such as a CAD printer, a driving unit that displaces the optical axis direction of the light beam of the printer, a head driving unit of a disk drive device such as an external storage device, and It can be suitably used as a drive unit of a paper pressing contact force adjusting means in a paper feeding device of an image forming apparatus including a printer, a copying machine, and a facsimile.
[0061]
The actuator includes, for example, a driving unit of a driving mechanism that moves and installs a measuring unit and a feeding unit such as moving a high-frequency feeding unit such as a frequency-sharing antenna for radio astronomy to a second focal point, and a pneumatic operation that is mounted on a vehicle. It can be suitably used for a mast such as a mast (telescopic coping mast) or a driving unit of a lift mechanism in an antenna.
[0062]
The actuator is, for example, a driving unit of a massage unit of a chair-shaped massage machine, a driving unit of a nursing or medical bed, a driving unit of a posture control device of an electric reclining chair, a reclining chair used for a massage machine, a comfortable chair, and the like. The backrest of the ottoman can be moved up and down, the drive unit of the telescopic rod, the backrest of the chair or the bed for the nursing care, the legrest, etc. It can be suitably used as a drive unit used for turning drive of a bed and a drive unit for controlling the posture of an upright chair.
[0063]
The actuator uses, for example, a driving unit of an examination device, a driving unit of a pressure measuring device such as a blood pressure used in an extracorporeal blood treatment device, a catheter, a driving unit of an endoscope device or forceps, or an ultrasonic wave. A drive unit for a cataract surgery device, a drive unit for an exercise device such as a jaw exercise device, a drive unit for relatively expanding / contracting a member of a chassis of a hoist for the disabled, and ascent / descent, movement and / or posture control of a nursing bed. It can be suitably used for a drive unit for
[0064]
The actuator is, for example, a driving unit of a vibration isolator that attenuates vibration transmitted from a vibration generating unit such as an engine to a vibration receiving unit such as a frame, a driving unit of a valve operating device for an intake and exhaust valve of an internal combustion engine, It can be suitably used as a drive unit of a fuel control device of an engine and a drive unit of a fuel supply device of an engine such as a diesel engine.
[0065]
The actuator includes, for example, a driving unit of a calibration device of an imaging device with a camera shake correction function, a driving unit of a lens driving mechanism such as a home video camera lens, and a mechanism for driving a moving lens group of an optical device such as a still camera or a video camera. , A drive unit for an autofocus unit of a camera, a drive unit for a lens barrel used in an imaging device such as a camera or a video camera, a drive unit for an auto guider that captures light from an optical telescope, and a stereoscopic camera and binoculars. A lens driving mechanism or a lens barrel driving unit of an optical device having an optical system, a driving unit or a pressing unit that applies a compressive force to a fiber for wavelength conversion of a fiber type tunable filter used for optical communication, optical information processing, optical measurement, and the like. , The drive unit of the optical axis alignment device, and the drive unit of the shutter mechanism of the camera.
[0066]
The actuator can be suitably used for, for example, a pressing portion of a fixing tool such as caulking and fixing a hose fitting to a hose body.
[0067]
The actuator includes, for example, a driving unit such as a winding spring of a suspension of an automobile, a driving unit of a fuel filler lid opener for unlocking a fuel filler lid of a vehicle, a driving unit for driving extension and retraction of a bulldozer blade, and a vehicle transmission. The present invention can be suitably applied to a drive unit of a drive device for automatically switching the gear ratio of the drive unit and for automatically connecting and disconnecting the clutch.
[0068]
The actuator may be, for example, a driving unit of a lifting device of a wheelchair with a seat plate lifting device, a driving unit of a lifting device for removing a step, a driving unit of a lifting and lowering device, a medical bed, an electric bed, an electric table, an electric chair, and nursing care. The present invention can be suitably used for a bed, a lifting table, a CT scanner, a cabin tilt device of a truck, a lift driving unit of a lifter and various lifting machinery, and a driving unit of a loading / unloading device of a special vehicle for transporting heavy goods.
[0069]
The actuator can be suitably used, for example, as a drive unit of a discharge amount adjusting mechanism such as a food discharge nozzle device of a food processing device.
[0070]
The actuator can be suitably used for, for example, a drive unit for raising and lowering a truck or a cleaning unit of a cleaning device.
[0071]
The actuator includes, for example, a driving unit of a measuring unit of a three-dimensional measuring device that measures the shape of a surface, a driving unit of a stage device, a driving unit of a sensor unit such as a system for detecting a tire operating characteristic, and a shock sensor of a force sensor. The drive unit of the device that gives the initial speed of the evaluation device, the drive unit of the piston drive device of the piston cylinder of the device including the borehole permeability test device, the drive unit for moving in the elevation direction in the concentrating and tracking type power generation device, the gas concentration measurement Alignment is required for the sapphire laser oscillation wavelength switching mechanism tuning device of the measuring device including the device, the driving unit of the oscillating device of the mirror, the inspection device of the printed circuit board and the inspection device of the flat panel display such as the liquid crystal and the PDP when the XYθ table is required. Drive, electron beam (E-beam) system or focused ion beam (FIB) system Drive unit of an adjustable aperture device used in a charged particle beam system, etc., drive unit of a support device or detection unit of a measurement object in a flatness measuring device, as well as assembly of fine devices, semiconductor exposure apparatus and semiconductor inspection It can be suitably used for a drive unit of a precision positioning device such as a device and a three-dimensional shape measuring device.
[0072]
The actuator can be suitably used for, for example, a driving unit of an electric razor and a driving unit of an electric toothbrush.
[0073]
The actuator is, for example, an imaging device for a three-dimensional object or a drive unit of a device for adjusting the depth of focus of a readout optical system for both CD and DVD. A drive unit for a variable mirror that can easily change the focal point position by approximately forming a curved surface of the disk drive; a drive unit for a disk device that can linearly move a moving unit having at least one of a magnetic head such as an optical pickup; A drive unit of a head feed mechanism of a magnetic tape head actuator assembly such as a tape storage system, a drive unit of an image forming apparatus applied to an electrophotographic copying machine, a printer, a facsimile, etc., and a drive unit of a mounting member such as a magnetic head member. Optical disc drive that controls the focusing lens group in the optical axis direction A driving unit of an exposure device, a driving unit of a head driving unit that drives an optical head, a driving unit of an information recording / reproducing device that records information on a recording medium or reproduces information recorded on the recording medium, and a circuit breaker ( It can be suitably used for a drive unit for opening / closing operation of a power distribution circuit breaker.
[0074]
The actuator is, for example, a driving unit of a rubber composition press-molding vulcanizing device, a driving unit of a component aligning device that aligns the transferred components in a single row / single layer or a predetermined posture, and a compression molding device. Driving unit, driving unit for holding mechanism of welding device, driving unit for bag making and filling machine, driving unit for machine tool such as machining center, molding machine such as injection molding machine and press machine, printing device, coating device and spraying lacquer Driving unit of fluid application device such as device, driving unit of manufacturing device that manufactures camshaft, etc., driving unit of lifting device for lining material, driving device of tufting restrictor in shuttleless loom, needle of tufting machine Drive unit such as drive system, looper drive system, knife drive system, etc., drive unit of polishing device that grinds parts such as cam grinders and ultra-precision parts, drive unit of heald frame braking device in loom. A driving unit of an opening device that forms an opening of a warp for inserting a weft in a loom, a driving unit of a protective sheet peeling device such as a semiconductor substrate, a driving unit of a threading device, a driving unit of an assembling device of a CRT electron gun, A drive unit of a shifter fork drive selection linear control device in a torsion lace machine for manufacturing a torsion lace for use as a decoration for clothing, a table cloth, a seat cover, etc., a drive unit of a horizontal movement mechanism of an annealing window drive device, glass A drive unit for a support arm of a forge hearth of a melting furnace, a drive unit for moving a rack of an exposure apparatus such as a method for forming a fluorescent screen of a color picture tube, a drive unit for a torch arm of a ball bonding apparatus, and a drive unit for an XY direction of a bonding head. , Driving of component mounting process and measurement inspection process in mounting of chip components and measurement using probe In the fields of lifting and lowering drive of the cleaning tool support of the substrate cleaning device, drive for moving the detection head that scans the glass substrate forward and backward, drive for the positioning device of the exposure device that transfers the pattern onto the substrate, precision machining, etc. Exposure used in manufacturing lithography process for driving parts of micro positioning equipment, driving parts of positioning equipment for measuring devices of chemical mechanical polishing tools, and circuit devices such as conductive circuit elements and liquid crystal display elements on the order of submicrons. Driving unit for positioning the stage apparatus suitable for the apparatus and scanning exposure apparatus, driving unit for transporting or positioning the work, etc., driving unit for positioning and transporting the reticle stage, wafer stage, etc., inside the chamber Of precision positioning stage equipment, work piece in chemical mechanical polishing system Or a drive unit of a semiconductor wafer positioning device, a drive unit of a semiconductor stepper device, a drive unit of a device that accurately positions a workpiece in an introduction station of a processing machine, a machine tool such as an NC machine or a machining center, or a stepper in the IC industry. The drive unit of the passive vibration isolation device and the active vibration isolation device for various devices to be used, the reference grating plate of the light beam scanning device in the exposure device used in the lithography process of manufacturing semiconductor devices and liquid crystal display devices, and the like. The present invention can be suitably used for a drive unit for displacing in the optical axis direction of a light beam, and a drive unit for a transfer device for transferring the light beam into the article processing unit in a transverse direction of the conveyor.
[0075]
The actuator can be suitably used, for example, as a drive unit for a probe positioning device of a scanning probe microscope such as an electron microscope, and a drive unit for positioning a sample fine movement device for an electron microscope.
[0076]
The actuator is, for example, an automatic welding robot, a driving unit of a joint mechanism represented by a wrist of a robot arm in a robot or a manipulator including an industrial robot or a nursing robot, a driving unit of a joint other than a direct drive type, a robot. A finger itself, a drive unit of a motion conversion mechanism of a slide opening / closing type chuck device used as a hand of a robot, etc., a micro unit for manipulating a minute object to an arbitrary state in cell micro operation or micro component assembling work. The present invention can be suitably used for a drive unit of a manipulator, a drive unit of an artificial limb such as an electric prosthesis having a plurality of fingers that can be opened and closed, a drive unit of a handling robot, a drive unit of a prosthesis, and a drive unit of a power suit.
[0077]
The actuator can be suitably used, for example, as a pressing portion of a device that presses an upper rotary blade or a lower rotary blade of a side trimmer.
[0078]
The actuator can be suitably used, for example, as a drive unit for an accessory in a game machine such as a pachinko machine, a drive unit for an amusement device such as a doll or a pet robot, and a drive unit for a simulation device of a boarding simulation device. .
[0079]
The actuator can be used for, for example, a drive unit of a valve used in a general machine including the above-described devices and the like, for example, a drive unit of a valve of a reliquefaction apparatus for evaporating helium gas, a drive of a bellows-type pressure-sensitive control valve. , Drive unit of the opening device for driving the heald frame, drive unit of the vacuum gate valve, drive unit of the solenoid operated control valve for hydraulic system, valve drive unit incorporating a motion transmission device using a pivot lever, rocket It can be suitably used for the drive unit of the valve of the movable nozzle, the drive unit of the suck back valve, and the drive unit of the pressure regulating valve unit.
[0080]
The actuator can be used, for example, as a pressing portion of a brake used in a general machine including the above-described devices and the like, for example, a braking device suitable for use in an emergency, security, parking etc. brake or an elevator brake. And a pressing portion of a brake structure or a brake system.
[0081]
The actuator can be used, for example, as a pressing portion of a lock device used in general machines including the above-described devices and the like, for example, a pressing portion of a mechanical locking device, a pressing portion of a vehicle steering lock device, and a load limiter. It can be suitably used for a pressing portion of a power transmission device having both a mechanism and a coupling release mechanism.
[0082]
【Example】
Hereinafter, Examples and Comparative Examples of the present invention are shown, but the present invention is not limited to the following.
[0083]
(Example 1)
The monomers and the dopant ion salts shown in Table 1 were dissolved in the solvents shown in Table 1 by a known stirring method, the conductive polymer monomer was set to 0.25 mol / l, and the dopant salts were dissolved in the concentrations shown in Table 1. Was prepared. Using an ITO glass electrode as a working electrode and a Pt electrode as a counter electrode in the electrolytic solution, electrolytic polymerization was performed by a constant current method having a polymerization current density shown in Table 1. By this electrolytic polymerization, a film-shaped conductive polymer molded article of Example 1 having the conductivity and the film thickness shown in Table 1 was obtained.
[0084]
(Examples 2 to 40, and Examples 44 and 45)
Except that the electropolymerization conditions shown in Tables 1 to 6 were used, the film-like conductive polymer molded articles of Examples 2 to 40 and Examples 44 and 45 were obtained in the same manner as in Example 1. In Example 15, the monomer of the conductive polymer had a mixing ratio of pyrrole and 3-methylthiophene of 1/1 (mol / mol).
[0085]
(Example 41)
The film-form conductive polymer of Example 41 was obtained by performing the same method as in Example 1 except that the electropolymerization conditions shown in Table 5 were used and that a Ti electrode which was a metal electrode was used as a working electrode. A molded product was obtained. In addition, the metal electrode in this application used the commercially available metal electrode.
[0086]
(Example 42)
A film-like conductive polymer of Example 42 was obtained by performing the same method as in Example 1 except that the electropolymerization conditions shown in Table 5 were used and that a Ni electrode serving as a metal electrode was used as a working electrode. A molded product was obtained.
[0087]
(Example 43)
A film-like conductive polymer of Example 43 was obtained by performing the same method as in Example 1 except that the electropolymerization conditions shown in Table 5 were used and that a Ni electrode which was a metal electrode was used as a working electrode. A molded product was obtained.
[0088]
(Comparative Examples 1-4)
Except that the electropolymerization conditions in Tables 5 and 6 were used, the same method as in Example 1 was used to obtain film-shaped conductive polymer molded articles of Comparative Examples 1 to 4.
[0089]
[Table 1]
Figure 2004197069
[0090]
[Table 2]
Figure 2004197069
[0091]
[Table 3]
Figure 2004197069
[0092]
[Table 4]
Figure 2004197069
[0093]
[Table 5]
Figure 2004197069
[0094]
[Table 6]
Figure 2004197069
[0095]
In Tables 1 to 6, the abbreviations in the columns of the types of dopant salts and the solvents are as follows.
Dopant salt A: TBACF3SO3(Tetrabutylammonium trifluoromethanesulfonate)
Dopant salt B: CF3SO3Li (lithium trifluoromethanesulfonate)
Dopant salt C: TBABF4(Tetrabutylammonium tetrafluoroborate)
Dopant salt D: TBAPF6(Tetrabutylammonium hexafluorophosphate)
Dopant salt E: sodium p-toluenesulfonate
solvent;
PC: Propylene carbonate
EC: Ethylene carbonate
γ-BL: γ-butyrolactone
MO: 3-methyl-2-oxazolidinone
DEC: diethyl carbonate
DMC: dimethyl carbonate
DME: dimethoxyethane
THF: tetrahydrofuran
AcEt: ethyl acetate
Ac-n-Bt: n-butyl acetate
Ac-t-Bt: t-butyl acetate
EG: ethylene glycol
PEG: polyethylene glycol (molecular weight: 200)
SF: Sulfolane
DO: 1,4-dioxane
DAE: 1,2-diacetoxyethane
NM: Nitromethane
HxOH: 1-hexanol
OtOH: 1-octanol
AN: acetonitrile
NB: Nitrobenzene
MeB: methyl benzoate
PhEt: diethyl phthalate
DCM: dichloromethane
[0096]
In Tables 1 to 5, when a mixed solvent is used, for example, EC / PC = 1/2 indicates a solvent in which the weight ratio of ethylene carbonate to propylene carbonate is 1: 2.
[0097]
(Evaluation)
An electrolytic solution obtained by dissolving the film-shaped conductive polymer molded products obtained in Examples 1 to 43 and Comparative Examples 1 and 2 in water so that the working electrolyte described in Tables 1 to 5 becomes 1 mol / l. Kept inside. With respect to each of the film-shaped conductive polymer molded products held, the expansion ratio per one oxidation-reduction cycle was measured by the following measurement method. The results are shown in Tables 1 to 5. Further, with respect to the film-shaped conductive polymer molded products obtained in Examples 44 and 45 and Comparative Examples 3 and 4, the displacement ratio per specific time was measured by the following measurement method. Table 6 shows the results of the displacement rate per specific time. The conductivity and the film thickness of the conductive polymer molded products of Examples 1 to 45 and Comparative Examples 1 to 4 were measured by a known method.
[0098]
(Measurement method of stretch ratio)
The film-shaped conductive polymer molded articles obtained in Examples 1 to 43 and Comparative Examples 1 and 2 were used as working electrodes having a length of 15 mm and a width of 2 mm, and a platinum plate as a counter electrode. The working electrode is held in the electrolytic solution and connected to a power supply via a lead, and the potential (−0.9 to +0.7 V vs. Ag / Ag) is connected.+) Was applied for one cycle, and the displacement (displaced length) was measured. By dividing the difference in displacement obtained by extending and contracting the working electrode by applying one cycle (one oxidation-reduction cycle) by the original length of the working electrode, the expansion / contraction ratio per oxidation-reduction cycle I asked. The working electrolyte TEAPF6Is tetraethylammonium tetrafluorophosphate, and EtSO3Na represents sodium ethanesulfonate.
[0099]
[Displacement rate per specific time]
The film-shaped conductive polymer molded products obtained in Examples 41 and 42 and Comparative Examples 3 and 4 were used as working electrodes having a length of 15 mm and a width of 2 mm, and a platinum plate was used as a counter electrode. Then, the working electrode is held in the electrolytic solution, and connected to a power supply via a lead, so that the potential (+0.9 V vs. Ag / Ag)+Or -0.9V v. s. Ag / Ag+) Was applied, and the displacement (displaced length) 20 seconds after the start of application was measured. The amount of displacement 20 seconds after the start of the application was divided by the length of the working electrode before the application of the potential to obtain the expansion / contraction ratio per specific time.
[0100]
(result)
The conductive polymer molded article of Example 15 was formed by electropolymerization using an electrolytic solution in which trifluoromethanesulfonic acid ion was used as a dopant anion and the solvent was a mixed solvent of ethylene carbonate and propylene carbonate (1: 2). It is a conductive polymer molded article obtained by a method for producing a polymer. The conductive polymer molded article of Comparative Example 1 is a conductive polymer molded article in which the solvent of the electrolytic solution is water and is electrolytically polymerized with an electrolytic solution containing p-toluenesulfonic acid ion which is a conventional dopant. When the conductive polymer molded article of Example 15 was subjected to electrolytic expansion and contraction using sodium chloride as a conventional operating environment as a working electrolyte, the expansion ratio was 3.1% as shown in Table 2. On the other hand, when the conductive polymer molded article of Comparative Example 1 was subjected to electrolytic expansion and contraction using sodium chloride as a working electrolyte in the same manner as in Example 15, the expansion ratio was 1.3% as shown in Table 4. . In other words, the conductive polymer molded product of Example 15 was compared with the conventional conductive polymer molded product containing a dopant even in an aqueous solution of sodium chloride as a conventional operating environment. Good expansion and contraction with an expansion and contraction ratio of about 2.4 times could be obtained.
[0101]
In Examples 1 to 14 and Examples 16 to 43, the conductive polymer molded articles were the conductive polymer molded articles obtained by the method for producing a conductive polymer of the present invention, respectively. Electrochemical oxidation in one oxidation-reduction cycle in an electrolyte containing at least one compound selected from the group consisting of methanesulfonate ion, an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom, and a sulfonate having 3 or less carbon atoms As a result of expanding and contracting the conductive polymer molded article by selective oxidation and reduction, as shown in Tables 1 to 5, the expansion ratio was 5% or more. On the other hand, in Comparative Example 2, the conductive polymer was a conductive polymer formed by electrolytically polymerizing with an electrolytic solution containing p-toluenesulfonic acid ion, which is a conventional dopant, in which the solvent of the electrolytic solution was water. In an electrolyte containing at least one compound selected from the group consisting of trifluoromethanesulfonic acid ions, a fluorine atom with respect to the central atom and a sulfonate having 3 or less carbon atoms as a working environment. As a result of expanding and contracting the conductive polymer molded article by electrochemical oxidation and reduction in the oxidation-reduction cycle, as shown in Table 4, the expansion and contraction ratio was as low as 1.7%. That is, the conductive polymer molded article of the present invention is an electrolytic solution containing at least one compound selected from the group consisting of trifluoromethanesulfonic acid ions, a fluorine atom with respect to the central atom, and a sulfonate having 3 or less carbon atoms. By expanding and contracting the conductive polymer molded article by electrochemical oxidation and reduction, excellent expansion and contraction in which the expansion and contraction rate per oxidation-reduction cycle is about three times or more as compared with the conventional case.
[0102]
The conductive polymer molded articles of Examples 44 and 45 are conductive polymer molded articles obtained by the production method of the present invention corresponding to the conductive polymer molded articles of Examples 15 and 4, respectively. . On the other hand, the conductive polymer molded articles of Comparative Examples 3 and 4 are conductive polymer molded articles corresponding to Comparative Examples 1 and 2, respectively. In a NaCl aqueous solution which is a conventional operating environment, the conductive polymer molded product of Comparative Example 3 had an expansion / contraction ratio of 0.4% per specific time, whereas the conductive polymer molded product of Example 36 As a result, the expansion / contraction ratio per specific time was 1.7%, which was about a four-fold improvement. That is, by using the conductive polymer molded article of the present invention, electrolytic expansion and contraction with a rapid displacement can be realized.
[0103]
An electrolytic solution containing at least one compound selected from the group consisting of a trifluoromethanesulfonic acid ion, an anion containing a plurality of fluorine atoms relative to a central atom, and a sulfonate having 3 or less carbon atoms in a working environment of electrolytic expansion and contraction. In this case, the conductive polymer molded product of Comparative Example 4 had an expansion / contraction ratio of 0.4% per specific time, whereas the conductive polymer molded product of Example 45 had The expansion and contraction ratio was improved to about 3.9%, about 10 times. Therefore, conductive polymer molding in an electrolyte containing at least one compound selected from the group consisting of trifluoromethanesulfonic acid ions, anions containing a plurality of fluorine atoms with respect to the central atom, and sulfonates having 3 or less carbon atoms. By using the electrolytic expansion and contraction method of expanding and contracting the conductive polymer molded article by electrochemical oxidation-reduction of the article, it is possible to realize electrolytic expansion and contraction with even faster displacement.
[0104]
Therefore, for the actuator including the operating portion, the counter electrode, and the electrolyte, by using the conductive polymer molded article including the conductive polymer obtained by the manufacturing method of the present invention as the operating portion, the expansion and contraction is fast, and the responsiveness is high. A good actuator can be obtained. Further, also for a laminate including a conductive polymer-containing layer and a solid electrolyte layer, by including the conductive polymer obtained by the production method of the present invention in the conductive polymer-containing layer, the expansion and contraction quickly, A laminate that can be used for an actuator having good responsiveness can be obtained.
[0105]
【The invention's effect】
The conductive polymer molded article obtained by using the method for producing a conductive polymer of the present invention has a superior expansion / contraction per oxidation-reduction cycle as compared with a conventional conductive polymer molded article having elasticity. The ratio is expressed during electrolytic expansion and contraction, and performs a larger operation than before in response to a displacement command, so that it has excellent practicability and is useful as an artificial muscle, a robot arm, an artificial hand, an actuator, and the like. The conductive polymer molded article obtained by the method for producing a conductive polymer according to the present invention has a trifluoromethanesulfonic acid ion in an operating environment of electrolytic expansion and contraction, an anion containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom, and 3 or less carbon atoms. Electrolytic expansion and contraction in an electrolytic solution containing at least one compound selected from the group consisting of sulfonates of the formula (1) can exhibit a higher expansion and contraction rate, and is therefore useful as an application requiring further expansion and contraction. is there.
[0106]
Further, the conductive polymer molded article of the present invention is preferably formed by a group consisting of a trifluoromethanesulfonic acid ion in a working environment of electrolytic expansion and contraction, an anion containing a plurality of fluorine atoms relative to a central atom, and a sulfonate having 3 or less carbon atoms. By expanding and contracting a conductive polymer molded article by electrochemical oxidation-reduction in an electrolytic solution containing at least one or more selected compounds, it is about 10 times as large as a conventional conductive polymer molded article having elasticity. Since the above-described expansion / contraction ratio per specific time is exhibited, it can be used as a drive part for applications that require a quick response to a displacement command.
[0107]
In addition, by using an actuator including a counter electrode, an electrolyte, and an operating portion including the conductive polymer obtained by the method for manufacturing a conductive polymer, an actuator having large expansion and contraction can be obtained, and furthermore, the sound is silent. It can be suitably used for artificial muscles, driving units of various driving devices, and pressing units of a pressing device. In addition, an actuator in which the operating portion expands and contracts due to electrochemical oxidation and reduction, and the expansion and contraction rate of the actuator in one oxidation-reduction cycle of 20 seconds is 3% or more in the length direction, has a quick response to displacement, and has a high response rate to artificial muscles and various types. It can be used as a drive unit in the device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of an embodiment of an actuator according to the present invention.
FIG. 2 is an AA cross-sectional view of the actuator of FIG.
[Explanation of symbols]
1 Actuator
2 Case
3 Working part
4 Conductive connection plate
6 electrolyte
7, 7 'lead wire
8 Lead wire
9 Power supply
21 Tip
22 bottom
23 Actuator fitting recess
24 recess for mating electrode
25 recess for counter electrode fitting
51, 52 Counter electrode

Claims (24)

電気化学的酸化還元による伸縮性を有する導電性高分子を、電解重合法により製造する導電性高分子の製造方法であって、
前記電解重合法が、エーテル結合、エステル結合、カーボネート結合、ヒドロキシル基、ニトロ基、スルホン基及びニトリル基のうち少なくとも1つ以上の結合あるいは官能基を含む有機化合物及び/又はハロゲン化炭化水素を溶媒として含む電解液を用い、
前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン及び/または中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオンを含む
導電性高分子の製造方法。
A conductive polymer having elasticity by electrochemical oxidation-reduction, a method for producing a conductive polymer by an electrolytic polymerization method,
The electrolytic polymerization method comprises the steps of using an organic compound and / or a halogenated hydrocarbon containing at least one bond or a functional group of at least one of an ether bond, an ester bond, a carbonate bond, a hydroxyl group, a nitro group, a sulfone group and a nitrile group as a solvent. Using an electrolyte solution containing
A method for producing a conductive polymer comprising trifluoromethanesulfonic acid ions and / or anions containing a plurality of fluorine atoms with respect to a central atom in the electrolytic solution.
前記導電性高分子が分子鎖にピロール及び/またはピロール誘導体を含む請求項1に記載の導電性高分子の製造方法。The method for producing a conductive polymer according to claim 1, wherein the conductive polymer includes pyrrole and / or a pyrrole derivative in a molecular chain. 請求項1の製造方法により得られた導電性高分子を樹脂成分として含む導電性高分子成形品。A conductive polymer molded article containing the conductive polymer obtained by the method of claim 1 as a resin component. 請求項3の導電性高分子成形品を駆動部に用いた位置決め装置、姿勢制御装置、昇降装置、搬送装置、移動装置、調節装置、調整装置、誘導装置、または関節装置。A positioning device, a posture control device, a lifting device, a transport device, a moving device, an adjusting device, an adjusting device, a guiding device, or a joint device using the conductive polymer molded product according to claim 3 as a driving portion. 請求項3の導電性高分子成形品を押圧部に用いた押圧装置。A pressing device using the conductive polymer molded product according to claim 3 for a pressing portion. 請求項3の導電性高分子成形品を電解液中で電気化学的酸化還元により導電性高分子成形品を伸縮させる電解伸縮方法。An electrolytic stretching method for expanding and contracting the conductive polymer molded article by electrochemical oxidation-reduction of the conductive polymer molded article according to claim 3 in an electrolytic solution. 電解伸縮を室温以上の温度環境下で行う請求項6の電解伸縮方法。7. The electrolytic stretching method according to claim 6, wherein the electrolytic stretching is performed in a temperature environment of room temperature or higher. 前記電解液中にトリフルオロメタンスルホン酸イオン、中心原子に対してフッ素原子を複数含むアニオン及び炭素数3以下のスルホン酸塩からなる群より少なくとも1以上選ばれた化合物を含む請求項6に記載の電解伸縮方法。7. The electrolyte according to claim 6, wherein the electrolyte contains at least one compound selected from the group consisting of trifluoromethanesulfonic acid ions, anions containing a plurality of fluorine atoms relative to the central atom, and sulfonates having 3 or less carbon atoms. Electrolytic stretching method. 前記電解液中に塩化ナトリウムを含む請求項6に記載の電解伸縮方法。The electrolytic stretching method according to claim 6, wherein the electrolytic solution contains sodium chloride. 導電性高分子層と固体電解質層とを含む積層体であって、前記導電性高分子層が請求項3に記載の導電性高分子を含む積層体。A laminate comprising a conductive polymer layer and a solid electrolyte layer, wherein the conductive polymer layer comprises the conductive polymer according to claim 3. 請求項10の積層体を駆動部に用いた位置決め装置、姿勢制御装置、昇降装置、搬送装置、移動装置、調節装置、調整装置、誘導装置、または関節装置。A positioning device, a posture control device, an elevating device, a transport device, a moving device, an adjusting device, an adjusting device, a guiding device, or a joint device using the laminate according to claim 10 as a driving unit. 請求項10の積層体を押圧部に用いた押圧装置。A pressing device using the laminate according to claim 10 for a pressing portion. 電気化学的酸化還元によって伸縮する膜状の導電性高分子成形品において、導電性高分子の伸縮率が膜面方向に5%以上である膜状の導電性高分子成形品。A film-shaped conductive polymer molded product that expands and contracts by electrochemical oxidation-reduction, wherein the conductive polymer has a stretch ratio of 5% or more in the film surface direction. 導電性高分子含有層と固体電解質層とを含む積層体であって、前記導電性高分子含有層に含まれる導電性高分子が請求項1の導電性高分子の製造方法により得られた導電性高分子である積層体。A laminate comprising a conductive polymer-containing layer and a solid electrolyte layer, wherein the conductive polymer contained in the conductive polymer-containing layer is a conductive polymer obtained by the method for producing a conductive polymer according to claim 1. A laminate that is a conductive polymer. 請求項14の積層体を駆動部に用いた位置決め装置、姿勢制御装置、昇降装置、搬送装置、移動装置、調節装置、調整装置、誘導装置、または関節装置。A positioning device, a posture control device, an elevating device, a transport device, a moving device, an adjusting device, an adjusting device, a guiding device, or a joint device using the laminate according to claim 14 as a driving unit. 請求項14の積層体を押圧部に用いた押圧装置。A pressing device using the laminate of claim 14 for a pressing portion. 電気化学的酸化還元によって伸縮する導電性高分子成形品において、導電性高分子の伸縮率が長さ方向において3%以上である導電性高分子成形品。A conductive polymer molded article that expands and contracts by electrochemical oxidation-reduction, wherein the conductive polymer has a stretch ratio of 3% or more in the length direction. 電気化学的酸化還元によって伸縮する導電性高分子成形品において、20秒間の1酸化還元サイクルにおける伸縮率が長さ方向に3%以上である導電性高分子成形品。A conductive polymer molded article that expands and contracts by electrochemical oxidation and reduction, wherein the expansion and contraction rate in one oxidation-reduction cycle for 20 seconds is 3% or more in the length direction. 作動部、対極及び電解質を含むアクチュエータであって、作動部が請求項1の製造方法により得られた導電性高分子を含むアクチュエータ。An actuator including an operating portion, a counter electrode, and an electrolyte, wherein the operating portion includes a conductive polymer obtained by the manufacturing method according to claim 1. 作動部、対極及び電解質を含むアクチュエータであって、作動部が電気化学的酸化還元によって伸縮し、アクチュエータが長さ方向に3%以上伸縮することを特徴とするアクチュエータ。An actuator including an operating part, a counter electrode, and an electrolyte, wherein the operating part expands and contracts by electrochemical redox, and the actuator expands and contracts by 3% or more in a length direction. 作動部、対極及び電解質を含むアクチュエータであって、作動部が電気化学的酸化還元によって伸縮し、20秒間の1酸化還元サイクルにおけるアクチュエータの伸縮率が長さ方向に3%以上であるアクチュエータ。An actuator including an operating part, a counter electrode, and an electrolyte, wherein the operating part expands and contracts by electrochemical oxidation and reduction, and the expansion and contraction rate of the actuator in one oxidation-reduction cycle for 20 seconds is 3% or more in a length direction. 請求項19のアクチュエータを用いた人工筋肉。An artificial muscle using the actuator according to claim 19. 請求項19のアクチュエータを駆動部に用いた位置決め装置、姿勢制御装置、昇降装置、搬送装置、移動装置、調節装置、調整装置、誘導装置、または関節装置。20. A positioning device, a posture control device, a lifting device, a transport device, a moving device, an adjusting device, an adjusting device, a guiding device, or a joint device using the actuator according to claim 19 as a driving unit. 請求項19のアクチュエータを押圧部に用いた押圧装置。A pressing device using the actuator according to claim 19 for a pressing portion.
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