JP2003282982A

JP2003282982A - ポリウレタンエラストマー・アクチュエータ

Info

Publication number: JP2003282982A
Application number: JP2002084122A
Authority: JP
Inventors: Jun Kyokane; 純京兼; Katsumi Yoshino; 勝美吉野; Atsushi Ueda; 敦上田
Original assignee: Nitta Corp
Current assignee: Nitta Corp
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】駆動電圧が１ｋＶ以下の低電圧であっても、
変形量が大きいポリウレタンエラストマー・アクチュエ
ータを提供する。【解決手段】ポリウレタンエラストマー・アクチュエ
ータは、電場配向により変形し得るポリウレタンエラス
トマー層を具備し、前記ポリウレタンエラストマー層を
構成するポリウレタンエラストマーに、フラレノールが
導入されていることを特徴とする。前記ポリウレタンエ
ラストマー層の両側に設けられた両電極層の膜厚の相違
又は両電極層を構成する電極金属の相違によって、屈曲
変位及びその方向を制御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フラレノール導入
ポリウレタンエラストマーの電歪効果による低電界駆動
アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ポリウレタンエラストマー・アク
チュエータは、溶媒中における駆動方法ではなく、電界
印加による大気中駆動を最大の特徴としており、また、
セラミックや高分子系材料を用いたアクチュエータの駆
動電圧が数１０ｋＶ程度の高圧を必要とするのに対し
て、ポリウレタンエラストマー・アクチュエータは数ｋ
Ｖと比較的低電圧で大きい屈曲変位を有していることも
特徴としている。

【０００３】しかし、実用化の観点から見た場合、ポリ
ウレタンエラストマー・アクチュエータは、高分子ゲル
アクチュエータや導電性高分子を用いたメカノケミカル
素子のように、１ｋＶ以下の低電圧で駆動させることが
必要となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、駆動電圧が１ｋＶ以下の低電圧であっても、変形量
が大きいポリウレタンエラストマー・アクチュエータを
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するため鋭意検討した結果、電場配向により変形
し得るポリウレタンエラストマーに、フラレノールが硬
化剤として用いられて導入されているポリウレタンエラ
ストマー・アクチュエータは、１ｋＶ以下の低電圧であ
っても、効果的に駆動させることができることを見出
し、本発明を完成させた。

【０００６】すなわち、本発明は、電場配向により変形
し得るポリウレタンエラストマー層を具備するポリウレ
タンエラストマー・アクチュエータであって、前記ポリ
ウレタンエラストマー層を構成するポリウレタンエラス
トマーに、フラレノールが導入されていることを特徴と
するポリウレタンエラストマー・アクチュエータであ
る。

【０００７】前記ポリウレタンエラストマー層の両側に
設けられた両電極層の膜厚の相違又は両電極層を構成す
る電極金属の相違によって、屈曲変位及びその方向を制
御することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】［ポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータ］本発明のポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータは、電場配向により変形し得るポリウレタ
ンエラストマー層を具備しており、前記ポリウレタンエ
ラストマー層は、電場配向により変形し得るポリウレタ
ンエラストマーにフラレノールが導入されたフラレノー
ル導入ポリウレタンエラストマーにより形成されてい
る。そのため、ポリウレタンエラストマー・アクチュエ
ータは、１ｋＶ以下（好ましくは８００Ｖ以下、さらに
好ましくは５００Ｖ以下）の低電圧であっても、屈曲変
位が大きく、効果的に且つ有効に駆動させることができ
る。これは、前記フラレノールはスター状に形成されて
いるヒドロキシル基を有しているので、ポリウレタンエ
ラストマーを構成しているポリマー鎖が、前記スター状
のヒドロキシル基によって立体的に（３次元的に）架橋
され、引張強度が増大しているためと思われる。具体的
には、ポリウレタンエラストマーにフラレノールが導入
されることにより、ポリウレタンエラストマーの架橋が
促進されて３次元網目構造の密度が増大して、ポリウレ
タンエラストマーの分子鎖間の相互作用が強固となり、
電圧に対する分子鎖のコンホメーション変化がより大き
くなるためと考えられる。このことは、スター状のフラ
レノールによって、強固に架橋されたポリウレタンエラ
ストマーを構成する誘電性のポリオール成分または比較
的強い極性基（又は双極子モーメント）を有するポリオ
ール成分の分子集団が拘束されているため、電界印加で
分子鎖の大きい動きに繋がり、低電界であっても駆動す
ることができると考えられる。

【０００９】フラレノールが導入されているポリウレタ
ンエラストマーとしては、例えば、特許３０２６０６６
号公報、特開平７−２４０５４４号公報、特開平８−３
３５７２６号公報、特開２０００−１０１１５９号公
報、特開２０００−１０１１６０号公報、特開２０００
−４９３９７号公報などに記載のポリウレタンエラスト
マーの原料としてのポリイソシアネート（特に有機ポリ
イソシアネート）、ポリオール（特に高分子ポリオー
ル）、及び必要に応じて鎖伸長剤などを用いるととも
に、硬化剤としてフラレノールを用いて調製することが
できる。具体的には、ポリウレタンエラストマーは、例
えば、従来公知の方法により、ポリイソシアネートとポ
リオールとを反応させ、次いでこれに鎖伸長剤などを反
応させる方法、或いは、前記成分（ポリイソシアネー
ト、ポリオール、鎖伸長剤など）を所定の割合で同時に
反応させる所謂ワンショット法などにより、ウレタンプ
レポリマーを調製した後、フラレノールを加えて、反応
（特に、硬化反応）を行うことにより、調製することが
できる。

【００１０】ウレタンプレポリマーにおいて、ポリイソ
シアネートとポリオールとの割合（ＮＣＯ／ＯＨ）は、
１．５〜９（モル比）の範囲であることが好ましい。

【００１１】（ポリイソシアネート）ポリイソシアネー
トとしては、分子内に２個以上のイソシアネート基を有
するものであればよく、例えば、トリメチレンジイソシ
アネート、テトラメチレンジイソシアネート、ペンタメ
チレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネ
ート、２，４，４−トリメチルヘキサメチレンジイソシ
アネート、２，２，４−トリメチルヘキサメチレンジイ
ソシアネート、ドデカメチレンジイソシアネート、１，
３−シクロペンタンジイソシアネート、１，３−シクロ
ヘキサンジイソシアネート、１，４−シクロヘキサンジ
イソシアネート、４，４´−メチレンビス（シクロヘキ
シルイソシアネート）、１−メチル−２，４−シクロヘ
キサンジイソシアネート、１−メチル−２，６−シクロ
ヘキサンジイソシアネート、１，３−ビス（イソシアネ
ートメチル）シクロヘキサン、１，４−ビス（イソシア
ネートメチル）シクロヘキサン、ｍ−フェニレンジイソ
シアネート、ｐ−フェニレンジイソシアネート、１，５
−ナフタレンジイソシアネート、４，４´−ジフェニメ
タンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネ
ート、２，６−トリレンジイソシアネート、４，４´−
トルイジンジイソシアネート、ジアニジンジイソシアネ
ート、４，４´−ジフェニルエーテルジイソシアネー
ト、１，３−キシリレンジイソシアネート、ω，ω´−
ジイソシアネート−１，４−ジエチルベンゼン、ポリメ
チレンポリフェルニルポリイソシアネート、及びこれら
のポリイソシアネート類のイソシアヌレート化変性品、
カルボジイミド化変性品、ビュレット化変性品等が挙げ
られる。ポリイソシアネートは１種のみを用いてもよく
或いは２種以上を併用してもよい。

【００１２】（ポリオール）ポリオールとしてはポリエ
ステル系ポリオール、ポリエーテル系ポリオール、ポリ
カーボネート系ポリオール、ポリブタジエン系ポリオー
ルなどの高分子ポリオールを好適に用いることができ
る。ポリオールは単独で又は２種以上組み合わせて使用
することができる。なお、高分子ポリオールとしては、
これら例示の高分子ポリオールに、ポリオレフィン系ポ
リオールを適宜ブレンドしたもの等を使用してもよい。
ポリオールは１種のみを用いてもよく或いは２種以上を
併用してもよい。

【００１３】ポリエステル系ポリオールとしては、例え
ば、ポリカルボン酸と低分子ポリオールとの縮合物で、
重量平均分子量５００〜１００００のものがある。具体
的には、ポリ（エチレンアジペート）（「ＰＥＡ」）、
ポリ（ジエチレンアジペート）（「ＰＤＡ」）、ポリ
（プロピレンアジペート）（「ＰＰＡ」）、ポリ（テト
ラメチレンアジペート）（「ＰＢＡ」）、ポリ（ヘキサ
メチレンアジペート）（「ＰＨＡ」）、ポリ（ネオペン
チレンアジペート）（「ＰＮＡ」）、３−メチル−１，
５−ペンタンジオールとアジピン酸からなるポリオー
ル、ＰＥＡとＰＤＡのランダム共重合体、ＰＥＡとＰＰ
Ａのランダム共重合体、ＰＥＡとＰＢＡのランダム共重
合体、ＰＨＡとＰＮＡのランダム共重合体、又はε−カ
プロラクトンを開環重合して得たカプロラクトンポリオ
ール、β−メチル−δ−バレロラクトンをエチレングリ
コールで開環することにより得られたポリオールなど
（これらはいずれも、重量平均分子量が５００〜１００
００であることが好ましい）が挙げられる。ポリエステ
ル系ポリオールを調製するための各成分（ポリカルボン
酸、低分子ポリオールなど）は、それぞれ単独で使用し
たり又は複数併用したりすることができる。更に、ポリ
エステル系ポリオールとしては、例えば、下記に例示の
酸成分のうち少なくとも１種の酸成分とグリコール成分
のうち少なくとも１種のグリコール成分とによる共重合
体が挙げられる。

【００１４】酸成分：テレフタル酸、イソフタル酸、無
水フタル酸、コハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セ
バシン酸、ドデカン２酸、ダイマー酸（混合物）、パラ
オキシ安息香酸、無水トリメリット酸、ε−カプロラク
トン、β−メチル−δバレロラクトン。

【００１５】グリコール成分：エチレングリコール、プ
ロピレングリコール、１，４−ブタンジオール、１，５
−ペンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、２，
２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、１，９−ノ
ナンジオール、メチルオクタンジオール、ネオペンチル
グリコール、ポリエチレングリコール、ポリテトラメチ
レングリコール、１，４−シクロヘキサンジメタノー
ル、ペンタエリスリトール、３−メチル−１，５−ペン
タンジオール。

【００１６】ポリエーテル系ポリオールとしては、例え
ば、アルキレンオキシド（例えば、エチレンオキサイ
ド、プロピレンオキサイドなど）を、活性水素化合物で
ある多価アルコール（例えばジエチレングリコール）を
開始剤として開環付加重合により得ることができる。具
体的には、ポリエーテル系ポリオールには、例えば、ポ
リテトラメチレングリコール（「ＰＴＭＧ」）、ポリプ
ロピレングリコール（「ＰＰＧ」）、ポリエチレングリ
コール（「ＰＥＧ」）、ポリオキシメチレン、プロピレ
ンオキサイドとエチレンオキサイドとの共重合体等が含
まれる。また、ポリエーテル系ポリオールとしては、テ
トラヒドロフランのカチオン重合により調製され、重量
平均分子量が５００〜５０００のものであってもよい。
具体的には、テトラヒドロフランの単独重合体であるポ
リテトラメチレンエーテルグリコール（「ＰＴＭＧ」）
や、テトラヒドロフランはアルキレンオキシドとの共重
合体（例えば、テトラヒドロフランとプロピレンオキサ
イドとの共重合体、テトラヒドロフランとエチレンオキ
サイドとの共重合体など）が挙げられる。これらのポリ
エーテル系ポリオールは、いずれも、重量平均分子量が
５００〜１００００であることが好ましい。ポリエーテ
ル系ポリオールを調製するための各成分（アルキレンオ
キシドなど）は、それぞれ単独で使用したり又は複数併
用したりすることができる。

【００１７】ポリカーボネート系ポリオールとしては、
従来公知のポリオール（多価アルコール）とホスゲン、
クロル蟻酸エステル、ジアルキルカーボネート又はジア
リルカーボネートとの縮合によって得られ、種々の分子
量のものが知られている。このようなポリカーボネート
系ポリオールとして特に好ましいものはポリオールとし
て、１，６−ヘキサンジオール、１，４−ブタンジオー
ル、１，３−ブタンジオール、ネオペンチルグリコー
ル、又は１，５−ペンタンジオールを使用したものであ
り、その重量平均分子量が約５００〜１００００の範囲
のものである。ポリカーボネート系ポリオールとして
は、例えば、ポリ（ヘキサンジオールカーボネート）、
ポリ（ノナンジオールカーボネート）などが挙げられ
る。ポリカーボネート系ポリオールを調製するための各
成分は、それぞれ単独で使用したり又は複数併用したり
することができる。

【００１８】ポリブタジエン系ポリオールとしては、水
酸基含有液状ジエン系重合体を用いることができる。前
記水酸基含有液状ジエン系重合体としては、重量平均分
子量：６００〜３０００、平均水酸基数（官能基数）：
１．７〜３．０のものが好ましく、例えば、炭素数４〜
１２のジエン成分による重合体又は共重合体、更にはこ
れらジエン成分（モノマー）と共重合性モノマー（例え
ば、炭素数２〜２２の痾−オレフィン性付加重合性モノ
マーなど）との共重合体などのブタジエン系ポリマーの
末端を、ヒドロキシル基に変性したものが挙げられる。
具体的には、ポリブタジエン系ポリオールとしては、ブ
タジエンホモポリマー、イソプレンホモポリマー、ブタ
ジエン−スチレンコポリマー、ブタジエン−イソプレン
コポリマー、ブタジエン−アクリロニトリルコポリマ
ー、ブタジエン−２−エチルヘキシルアクリレートコポ
リマー、ブタジエン−ｎ−オクタデシルアクリレートコ
ポリマーなどのブタジエン系ポリマーの末端を、ヒドロ
キシル基に変性したものを例示することが出来る。これ
らの水酸基含有液状ジエン系重合体において、液状ジエ
ン系重合体は、例えば、液状反応媒体中で共役ジエンモ
ノマーを過酸化水素の存在下で加熱反応させることによ
り製造することが出来る。

【００１９】なお、ポリウレタンエラストマーの原料と
してのポリオールとしては、前記の水酸基含有液状ジエ
ン系重合体が水添された（二重結合が飽和された）ポリ
オレフィン系ポリオールを用いることもできる。

【００２０】（鎖伸長剤）鎖伸長剤としては、必要に応
じて用いられており、ウレタンプレポリマーを鎖延長さ
せる際に一般的に用いられているものであればいずれで
あってもよい。鎖伸長剤としては、例えば、低分子量の
ポリオール化合物、ポリアミン化合物等などが挙げられ
る。鎖伸長剤は１種のみを用いてもよく又は複数種を併
用してもよい。鎖伸長剤としての低分子量のポリオール
化合物としては、１級ポリオール、２級ポリオール、３
級ポリオールのいずれを用いてもよいが、ジオールが好
ましい。具体的には、低分子量のポリオール化合物とし
ては、トリメチロールプロパン（「ＴＭＰ」）、エチレ
ングリコール、１，３−プロパンジオール、１，４−ブ
タンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，６−ヘ
キサンジオール、プロピレングリコール、ジプロピレン
グリコール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタン
ジオール、２，３−ブタンジオール、１，２−ペンタン
ジオール、２，３−ペンタンジオール、２，５−ヘキサ
ンジオール、２，４−ヘキサンジオール、２−エチル−
１，３−ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、
２−エチル−２−（ヒドロキシメチル）−１，３−プロ
パンジオール等が挙げられる。また、ポリアミン化合物
としては、ジアミン、トリアミン、テトラアミン等、１
級アミン、２級アミン、３級アミンのいずれであっても
用いることができる。具体的には、ポリアミン化合物と
しては、ヘキサメチレンジアミン等の脂肪族アミン、
３，３´−ジメチル−４，４´−ジアミノジシクロヘキ
シルメタン等の脂環族アミン、４，４´−メチレンビス
−２−クロロアニリン、２，２´，３，３´−テトラク
ロロ−４，４´−ジアミノフェニルメタン、４，４´−
ジアミノジフェニル等の芳香族アミン、２，４，６−ト
リス（ジメチルアミノメチル）フェノール等が挙げられ
る。鎖伸長剤としては、低分子量のポリオール化合物
（特に、ジオール）が好適である。

【００２１】なお、本発明では、ウレタンプレポリマー
と、鎖伸長剤とを混合し、前記ウレタンプレポリマーを
鎖延長させるための方法としては、ウレタンプレポリマ
ーに対する鎖伸長剤の混合割合、反応温度、反応時間等
を含めて公知の方法で行うことができる。

【００２２】（フラレノール）フラレノール（fulleren
ol）は、フラーレン（Ｃ₆₀）にヒドロキシル基が導入さ
れたものであり、前記ヒドロキシル基は、通常、フラー
レンにスター状の形態で導入されている。フラレノール
中のヒドロキシル基の数としては、特に制限されない
が、１分子あたり２以上（例えば、２〜２０）であるこ
とが望ましい。本発明では、フラレノールとしては、１
分子あたり５〜１８個のヒドロキシル基を有しているこ
とが好ましく、さらには、８〜１５（特に、１０〜１
２）のヒドロキシル基を有していることが好適である。
なお、フラーレン中のヒドロキシル基が導入されている
部位は、特に制限されない。

【００２３】フラレノールは、単独で又は２種以上組み
合わせて使用することができる。

【００２４】このようなフラレノールは、例えば、フラ
ーレンに硫酸（特に発煙硫酸）を加えてスルホン化反応
を行うことにより、スルホン化フラーレンを得て、さら
に、該スルホン化フラーレンを加水分解することによ
り、調製することができる。具体的には、スルホン化反
応において、フラーレンと発煙硫酸との割合は、フラー
レン１ｇに対して、発煙硫酸１５ｍｌ程度の範囲から選
択することができる。また、スルホン化反応時間は、１
〜４週間の範囲から選択することができる。一方、加水
分解反応時間は、１〜３日の範囲から選択することがで
きる。

【００２５】（添加剤）ポリウレタンエラストマーは、
各種添加剤等を含有していてもよい。このような添加剤
としては、例えば、可塑剤、難燃剤、充填剤、安定剤、
着色剤等が挙げられる。可塑剤としては、非イオン性の
可塑剤が好ましい。具体的には、可塑剤としては、例え
ば、フタル酸ジオクチル（「ＤＯＰ」）、フタル酸ジブ
チル（「ＤＢＰ」）、アジピン酸ジオクチル（「ＤＯ
Ａ」）、トリエチレングリコールジベンゾエート、トリ
クレジルホスフェート、フタル酸ジオクチル、ペンタエ
リストールの脂肪酸エステル、セバシン酸ジオクチル、
アゼライン酸ジイソオクチル、アジピン酸ジブトキシエ
トキシエチルなどを用いることができる。

【００２６】［フラレノール導入ポリウレタンエラスト
マー］本発明では、ポリウレタンエラストマーにフラレ
ノールが導入されていればよく、例えば、フラレノール
は硬化剤として用いて、ポリウレタンエラストマーに導
入することができる。すなわち、前述のように、ウレタ
ンプレポリマーを、フラレノールと反応させて、フラレ
ノール導入ポリウレタンエラストマーを調製することが
できる。フラレノールの割合としては、ウレタンプレポ
リマー全量（固形分）に対して０．０５〜２重量％（好
ましくは０．０８〜１重量％、さらに好ましくは０．１
〜０．５重量％）程度の範囲から選択することができ
る。フラレノールの割合が、ウレタンプレポリマー全量
（固形分）に対して０．０５重量％より少なくても、２
重量％を超えても、低電圧での駆動性が低下する。

【００２７】フラレノール導入ポリウレタンエラストマ
ーは、単独で又は２種以上組み合わせて使用することが
できる。

【００２８】ウレタンプレポリマーとフラレノールとを
反応させることにより、フラレノール導入ポリウレタン
エラストマーを作製する方法としては、特に制限され
ず、例えば、ウレタンプレポリマーと、フラレノールと
の混合物を加熱して、ウレタンプレポリマーとフラレノ
ールとを反応させることにより調製する方法などが挙げ
られる。この反応温度としては、例えば、８０〜１５０
℃（好ましくは８５〜１００℃）程度の範囲から選択す
ることができる。また、反応時間としては、例えば、３
０分〜２時間（好ましくは１時間３０分〜２時間）程度
の範囲から選択することができる。

【００２９】なお、本発明では、硬化剤としては、前記
フラレノールとともに、ポリウレタンやポリウレタンエ
ラストマーの硬化剤として公知乃至慣用の硬化剤を用い
ることができる。このような公知乃至慣用の硬化剤とし
ては、前記鎖伸長剤の項で例示の低分子量のポリオール
化合物やポリアミン化合物等などを用いることができ
る。

【００３０】［アクチュエータの作製方法］本発明のポ
リウレタンエラストマー・アクチュエータ（すなわち、
フラレノール導入ポリウレタンエラストマーを具備する
ポリウレタンエラストマー・アクチュエータ）の作製方
法としては、例えば、特許３０２６０６６号公報、特開
平７−２４０５４４号公報、特開平８−３３５７２６号
公報、特開２０００−１０１１５９号公報、特開２００
０−１０１１６０号公報、特開２０００−４９３９７号
公報などに記載の「ポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータの製造方法」と同様のポリウレタンエラストマ
ー・アクチュエータの作製方法を採用することができ
る。具体的には、例えば、前記フラレノール導入ポリウ
レタンエラストマーをフィルム状或いはシート状（厚
み：０．０１〜１ｍｍ程度）又は薄膜状に成形する。こ
の成形方法において、離型剤が用いられている場合は、
成形後、離型剤を除去することができる。なお、成形し
たポリウレタンエラストマーの離型剤の除去は、通常の
湿式洗浄による除去で十分であるが、例えば、電極付与
のための表面改質として、グロー放電によるプラズマ処
理やコロナ放電処理などのイオン・オゾン・電子・紫外
線を利用して、離型剤などの不純物を除去することが好
ましい。

【００３１】前記フィルム状或いはシート状又は薄膜状
のフラレノール導入ポリウレタンエラストマーの両面
に、電極を形成することにより、ポリウレタンエラスト
マー・アクチュエータを作製することができる。フラレ
ノール導入ポリウレタンエラストマーを、電場配向によ
り収縮させるための電極の材質としては、例えば、金、
白金、アルミニウム、金属インジウム、酸化インジウ
ム、酸化第二錫、ＩＴＯ、銀などの金属及び合金などの
金属化合物の他、ポリアニリンやエラストマーゴム等の
導電性樹脂、カーボンなどを用いることができる。ま
た、金や白金などの金属化合物を樹脂に分散した導電性
樹脂や導電性エラストマーも用いることができる。電極
を形成する方法としては、例えば、イオンプレーティン
グ法、プラズマＣＶＤ法、イオンスパッタ被覆法、真空
蒸着法、スクリーン印刷、イオンビームアシスト法、イ
オン化蒸着法などを採用することができる。

【００３２】電極自体の剛性と伸縮特性としては、フラ
レノール導入ポリウレタンエラストマーの物性に対して
影響のない低いレベルのものとすることが好ましい。フ
ラレノール導入ポリウレタンエラストマーに付与する電
極の厚みは電極素材、ウレタンエラストマーの種類或い
はフラレノール導入ポリウレタンエラストマーの膜厚
（フィルム厚又はシート厚など）によって異なるが、
０．０５〜１０μｍ程度が好ましい。

【００３３】なお、本発明では、フラレノール導入ポリ
ウレタンエラストマー・アクチュエータは、電極を弾性
復元させるためのものとして機能させることもできる。
両電極の厚みを異ならせることにより、そのピッチライ
ンをずらすのである。すなわち、屈曲変位や湾曲変位は
フラレノール導入ポリウレタンエラストマーの厚さ方向
の剛性ピッチラインが厚さ中心より僅かにずれることに
より発現させることができるので、そのように電極の厚
みを相互間で制御するのである。簡単には、片面の電極
に何らかのエラストマー材料をコーティング若しくはシ
ーティングすることにより、ピッチラインをずらしても
よい。このエラストマー材料は、絶縁性がよく誘電率が
低い材料が好ましい。

【００３４】本発明のポリウレタンエラストマー・アク
チュエータ（すなわち、フラレノール導入ポリウレタン
エラストマー・アクチュエータ）を積層すると伸張時の
駆動力が積層した数だけ拡大するのであるが、積層時に
接着剤や接着層として機能する前記エラストマー材料と
して、熱可塑性材料が好ましい。

【００３５】弾性復元層の材質としては、例えば、ポリ
ウレタン、ポリエステル、ポリアミド、アクリロニトリ
ル、ブチルゴム、クマロインデン樹脂、エポキシ樹脂、
環化ゴム、クロロプレンゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩
化ビニル、ポリ電化ビニリデン、シリコーン、スチレン
ゴム、塩化ビニル共重合樹脂、ポリビニルアセタールな
どを採用できる。溶剤や水分散系などの溶液タイプでも
固形物でもよい。膜厚を薄くする場合には溶剤やエマル
ジョンが好ましい。

【００３６】ポリウレタンエラストマーに形成する弾性
復元層の厚みは、その素材やウレタンエラストマーの種
類、或いはフラレノール導入ポリウレタンエラストマー
の膜厚によって異なるが、０．１〜２０μｍ程度が好ま
しい。また、本体の厚みの０．１〜１００％程度が好ま
しい。

【００３７】本発明のフラレノール導入ポリウレタンエ
ラストマー・アクチュエータでは、湾曲変位や収縮変位
は電場によって連続的且つ線形的に起き、発生する力や
変形量は電場によって線形に制御できた。特に、駆動電
圧が１ｋＶ以下の低電圧であっても、変形量が大きく
（特に、従来のポリウレタンエラストマー・アクチュエ
ータよりも大きく）、１ｋＶ以下の低電圧で駆動させる
ことが可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明のポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータによれば、駆動電圧が１ｋＶ以下の低電圧
であっても、変形量が大きい。そのため、アクチュエー
タとして、極めて有用である。

【００３９】

【実施例】以下、実施例により本発明をより具体的に説
明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるも
のではない。

【００４０】（フラレノールの調製例１）フラーレン３
ｇと、発煙硫酸４５ｍｌとを混合して６７℃で１〜４週
間攪拌して、スルホン化反応を行い、さらに、蒸留水を
加え、８５℃で３日間攪拌して、加水分解反応を行うこ
とにより、分子内に導入されている水酸基数が異なる２
種のフラレノールを調製した。すなわち、水酸基数が多
いフラレノール（「ＯＨｒｉｃｈフラレノール」と称す
る場合がある）と、水酸基数が少ないフラレノール
（「ＯＨｐｏｏｒフラレノール」と称する場合がある）
とを調製した。

【００４１】（実施例１）平均分子量が２，９４５のポ
リ−３メチル−１，５−ペンタンアジペートポリオール
（ＰＭＰＡ、クラレ株式会社製、商品名「クラポールＰ
３０１０」）１００重量部に、パラフェニレンジイソシ
アネート（ＰＰＤＩ、デュポン社製、商品名「ハイレ
ン」）１０．８重量部を加え、窒素気流下において、８
５℃で２時間反応させて末端イソシアネート基を有する
ウレタンプレポリマーを得た。

【００４２】前記ウレタンプレポリマーに、前記フラレ
ノールの調製例１により得られたＯＨｒｉｃｈフラレノ
ールを、ウレタンプレポリマー（固形分）全量に対して
０．１〜０．５重量％（具体的には、０．１重量％、
０．１５重量％、０．２重量％、０．２５重量％、０．
３重量％、０．４重量％、０．５重量％の７種類）の割
合で変化させて、加えて混合し、予め１１０℃に保温し
ておいた厚み０．２ｍｍの金型に注ぎ込んで、１１０℃
で２４時間オーブン中に放置して、硬化反応を行うこと
により、ＯＨｒｉｃｈフラレノールの導入量が異なる７
種類のフラレノール導入ポリウレタンエラストマーを調
製した。なお、該フラレノール導入ポリウレタンエラス
トマーを、「フラレノール導入ポリウレタンエラストマ
ーＡ」と総称する場合がある。

【００４３】前記７種のフラレノール導入ポリウレタン
エラストマーＡをそれぞれ、キャスティング方により、
厚み２００μｍのフィルムに成形して、フィルム状のフ
ラレノール導入ポリウレタンエラストマーＡを作製し
た。そして、前記フィルム状のフラレノール導入ポリウ
レタンエラストマーＡの両面に、金の電極層（厚み０．
１〜０．５μｍ程度）を、フィルム表面を高周波コロナ
による放電処理を行った後、イオンアシスト蒸着法によ
り、形成させて、ユニモルフ型のフラレノール導入ポリ
ウレタンエラストマー・アクチュエータを作製した。な
お、このフラレノール導入ポリウレタンエラストマー・
アクチュエータを、「フラレノール導入ポリウレタンエ
ラストマー・アクチュエータＡ」と総称する場合があ
る。

【００４４】（実施例２）フラレノールとして、ＯＨｒ
ｉｃｈフラレノールに代えて、ＯＨｐｏｏｒフラレノー
ルを用い、且つＯＨｐｏｏｒフラレノールの添加濃度を
ウレタンプレポリマー全量に対して０．２５重量％とし
たこと以外は、実施例１と同様にして、ＯＨｐｏｏｒフ
ラレノールがウレタンプレポリマー全量に対して０．２
５重量％の割合で用いて導入されたフラレノール導入ポ
リウレタンエラストマー（「０．２５％フラレノール導
入ポリウレタンエラストマーＢ」と称する場合がある）
を作製した。そして、フラレノール導入ポリウレタンエ
ラストマーＡに代えて、フラレノール導入ポリウレタン
エラストマーＢを用いたこと以外は、実施例１と同様に
して、フラレノール導入ポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータ（「フラレノール導入ポリウレタンエラス
トマー・アクチュエータＢ」と称する場合がある）を作
製した。

【００４５】（比較例１）平均分子量が２，９４５のポ
リ−３メチル−１，５−ペンタンアジペートポリオール
（ＰＭＰＡ、クラレ株式会社製、商品名「クラポールＰ
３０１０」）１００重量部に、パラフェニレンジイソシ
アネート（ＰＰＤＩ、デュポン社製、商品名「ハイレ
ン」）１０．８重量部を加え、窒素気流下において、８
５℃で２時間反応させて末端イソシアネート基を有する
ウレタンプレポリマーを得た。このウレタンプレポリマ
ー１００重量部に１，２−プロパンジオール（関東化学
株式会社製）１．０重量部とトリメチロールプロパン
（関東化学株式会社製）１．４重量部を溶融させて混合
し、予め１１０℃に保温しておいた厚み０．２ｍｍの金
型に注ぎ込んで１１０℃で１６時間オーブン中に放置し
て硬化反応を行い、ポリウレタンエラストマー（「無添
加ポリウレタンエラストマーＣ」と称する場合がある）
を調製した。

【００４６】そして、フラレノール導入ポリウレタンエ
ラストマーＡに代えて、無添加ポリウレタンエラストマ
ーＣを用いたこと以外は、実施例１と同様にして、ポリ
ウレタンエラストマー・アクチュエータ（「無添加ポリ
ウレタンエラストマー・アクチュエータＣ」と称する場
合がある）を作製した。

【００４７】（比較例２）比較例１と同様にして調製さ
れた無添加ポリウレタンエラストマーＣと、フラーレン
とを混合させて、フラーレンが分散しているポリウレタ
ンエラストマー（「フラーレン分散ポリウレタンエラス
トマーＤ」と称する場合がある）を調製した。そして、
フラレノール導入ポリウレタンエラストマーＡに代え
て、フラーレン分散ポリウレタンエラストマーＤを用い
たこと以外は、実施例１と同様にして、ポリウレタンエ
ラストマー・アクチュエータ（「フラーレン分散ポリウ
レタンエラストマー・アクチュエータＤ」と称する場合
がある）を作製した。

【００４８】（フラレノール導入による屈曲変位特性の
評価）実施例１において、ＯＨｒｉｃｈフラレノール
を、ウレタンプレポリマー全量に対して０．２５重量％
の割合で加えて調製されたフラレノール導入ポリウレタ
ンエラストマー（「０．２５％フラレノール導入ポリウ
レタンエラストマーＡ」と称する場合がある）を用いて
作製されたフラレノール導入ポリウレタンエラストマー
・アクチュエータＡ（「０．２５％フラレノール導入ポ
リウレタンエラストマー・アクチュエータＡ」と称する
場合がある）と、比較例１により作製された無添加ポリ
ウレタンエラストマー・アクチュエータＣと、比較例２
により作製されたフラーレン分散ポリウレタンエラスト
マー・アクチュエータＤとについて、屈曲変位特性を評
価し、その測定結果を図１に示した。

【００４９】具体的には、それぞれのポリウレタンエラ
ストマー・アクチュエータの下端を固定し、両電極に電
圧を印加した際の、上端側の自重で湾曲していたものが
鉛直方向に伸張した変位量を測定し、印加電圧の電界強
度（ｋＶ／ｃｍ）と変位量（ｍｍ）との関係のグラフを
図１に示した。なお、電場の印加から伸張が終了するま
では約０．５秒であり、電場の印加を解除すると速やか
に元の形状に復元した。

【００５０】図１に示される電界強度（ｋＶ／ｃｍ）と
変位量（ｍｍ）との関係のグラフより、０．２５％フラ
レノール導入ポリウレタンエラストマー・アクチュエー
タＡは、無添加ポリウレタンエラストマー・アクチュエ
ータＣと同様に、印加電圧の２乗に比例して変位量も増
加しており、しかも、屈曲変位は、０．２５％フラレノ
ール導入ポリウレタンエラストマー・アクチュエータＡ
の方が、低電界下でより大きくなっている。また、単
に、ポリウレタンエラストマーにフラーレンが分散され
ているフラーレン分散ポリウレタンエラストマー・アク
チュエータＤは、無添加ポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータＣに比べ、屈曲変位は小さくなっている。

【００５１】従って、ポリウレタンエラストマーにフラ
レノールを導入することにより、図１のグラフで示され
るように、フラレノールが導入されているポリウレタン
エラストマーによるアクチュエータ（０．２５％フラレ
ノール導入ポリウレタンエラストマー・アクチュエータ
Ａ）の屈曲変位は、４００Ｖ程度の低電圧でも生じ、ポ
リウレタンエラストマーにフラレノールが導入されてい
ないポリウレタンエラストマーによるアクチュエータ
（無添加ポリウレタンエラストマー・アクチュエータ
Ｃ）よりも、変位が低電圧で起こっている。これは、フ
ラレノール（特に、ドロキシル基がスター状導入されて
いるフラレノール）を、ポリウレタンエラストマー中に
導入することにより、ポリウレタンエラストマーの分子
鎖（ポリマー鎖）間の架橋を促進させ３次元網目構造の
密度が増大し、低電圧でもポリウレタンエラストマー分
子鎖集団のコンホメーションが生じやすくなり、屈曲が
より低電圧側にシフトしたものと考えられる。このこと
は、フラーレンを単にポリウレタンエラストマー中に分
散させたポリウレタンエラストマーによるアクチュエー
タ（フラーレン分散ポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータＤ）が、ポリウレタンエラストマーにフラレノ
ールが導入されていないポリウレタンエラストマーによ
るアクチュエータ（無添加ポリウレタンエラストマー・
アクチュエータＣ）に比べ、屈曲変位がかなり小さくな
っていることからも明らかである。

【００５２】（フラレノール濃度変化による屈曲変位特
性の評価）実施例１により得られたフラレノールの添加
量が異なる（ウレタンプレポリマー全量に対して０．１
〜０．５重量％）フラレノール導入ポリウレタンエラス
トマーＡについて、１ｋＶの電圧（４０ｋＶ／ｃｍの電
界強度）を印加した際の屈曲変位量を測定し、印加電圧
を１ｋＶと一定にした際のフラレノールの濃度（重量
％）と、フラレノール導入ポリウレタンエラストマーの
変位量（ｍｍ）との関係のグラフを図２に示した。

【００５３】図２示される印加電圧を１ｋＶと一定にし
た際のフラレノールの濃度（重量％）と、フラレノール
導入ポリウレタンエラストマーの変位量（ｍｍ）との関
係のグラフより、フラレノールの添加濃度の増加ととも
にフラレノール導入ポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータの変位量が増加し、フラレノールの添加濃度が
０．２５重量％である場合のフラレノール導入ポリウレ
タンエラストマー・アクチュエータ（０．２５％フラレ
ノール導入ポリウレタンエラストマー・アクチュエータ
Ａ）が最も大きい屈曲変位を示していることが確認され
た。

【００５４】従って、フラレノールが導入されているポ
リウレタンエラストマーによるフラレノール導入ポリウ
レタンエラストマー・アクチュエータは、フラレノール
の添加濃度によってアクチュエーションの機能を任意に
制御することができることが確認された。

【００５５】（フラレノールに導入された水酸基数によ
る屈曲変位特性の評価）実施例１において、ＯＨｒｉｃ
ｈフラレノールを、ウレタンプレポリマー全量に対して
０．２５重量％の割合で加えて調製されたフラレノール
導入ポリウレタンエラストマー（０．２５％フラレノー
ル導入ポリウレタンエラストマーＡ）を用いて作製され
たフラレノール導入ポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータＡ（０．２５％フラレノール導入ポリウレタン
エラストマー・アクチュエータＡ）と、実施例２により
得られたフラレノール導入ポリウレタンエラストマー・
アクチュエータＢと、比較例２により得られたフラーレ
ン分散ポリウレタンエラストマー・アクチュエータＤと
について、電圧を印加した際の屈曲変位量を測定して屈
曲変位特性を評価し、印加電圧の電界強度（ｋＶ／ｃ
ｍ）と変位量（ｍｍ）との関係のグラフを図３に示し
た。

【００５６】図３に示される電界強度（ｋＶ／ｃｍ）と
変位量（ｍｍ）との関係のグラフより、分子内の水酸基
数が多いフラレノール（ＯＨｒｉｃｈフラレノール）が
用いられているフラレノール導入ポリウレタンエラスト
マー（０．２５％フラレノール導入ポリウレタンエラス
トマーＡ）の方が、分子内の水酸基数が少ないフラレノ
ール（ＯＨｐｏｏｒフラレノール）が用いられているフ
ラレノール導入ポリウレタンエラストマー（０．２５％
フラレノール導入ポリウレタンエラストマーＢ）より
も、各印加電圧で変位量が多くなっていることが確認さ
れた。また、単にフラーレンを分散させたポリウレタン
エラストマーが用いられているフラーレン分散ポリウレ
タンエラストマー・アクチュエータＤでは、低電界でほ
とんど屈曲変位が生じていないことから、スター状にヒ
ドロキシル基を有しているフラレノールが、ポリウレタ
ンエラストマーの分子鎖間の架橋密度を増加させ大きな
屈曲変位に寄与していることが明らかである。

【００５７】（アクチュエータの発生力の評価）実施例
１により得られた０．２５％フラレノール導入ポリウレ
タンエラストマーＡ層の厚みが２００μｍである０．２
５％フラレノール導入ポリウレタンエラストマー・アク
チュエータＡと、フラレノールの添加量がウレタンプレ
ポリマー全量に対して０．２５重量％であり且つ０．２
５％フラレノール導入ポリウレタンエラストマーＡ層の
厚みが４００μｍであること以外は前記実施例１と同様
にして得られた０．２５フラレノール導入ポリウレタン
エラストマーＡによるフラレノール導入ポリウレタンエ
ラストマー・アクチュエータ（「０．２５％フラレノー
ル導入ポリウレタンエラストマー・アクチュエータＡ−
１」と称する場合がある）とについて、アクチュエータ
の発生力を評価した。具体的には、各アクチュエータ
（０．２５％フラレノール導入ポリウレタンエラストマ
ー・アクチュエータＡ、０．２５％フラレノール導入ポ
リウレタンエラストマー・アクチュエータＡ−１）の先
端に重りをつけ、５ｍｍの屈曲に必要な各重量（ｍｇ）
に対する電界強度（ｋＶ／ｃｍ）との関係を測定し、荷
重（ｍｇ）と電界強度（ｋＶ／ｃｍ）と関係のグラフを
図４に示した。

【００５８】図４に示される荷重（ｍｇ）と電界強度
（ｋＶ／ｃｍ）と関係のグラフより、０．２５％フラレ
ノール導入ポリウレタンエラストマー・アクチュエータ
Ａ、および０．２５％フラレノール導入ポリウレタンエ
ラストマー・アクチュエータＡ−１の両アクチュエータ
ともに、荷重と電界強度とは比例関係にあるとともに、
低電界下での発生力は、０．２５％フラレノール導入ポ
リウレタンエラストマーＡ層の厚みが２００μｍである
０．２５％フラレノール導入ポリウレタンエラストマー
・アクチュエータＡの方が、０．２５％フラレノール導
入ポリウレタンエラストマーＡ層の厚みが４００μｍで
ある０．２５％フラレノール導入ポリウレタンエラスト
マー・アクチュエータＡ−１よりも、大きくなっている
ことが確認された。

【００５９】（一定荷重下でのアクチュエータの発生力
の評価）実施例１により得られた０．２５％フラレノー
ル導入ポリウレタンエラストマーＡ層の厚みが２００μ
ｍである０．２５％フラレノール導入ポリウレタンエラ
ストマー・アクチュエータＡと、フラレノールの添加量
がウレタンプレポリマー全量に対して０．２５重量％で
あり且つ０．２５％フラレノール導入ポリウレタンエラ
ストマーＡ層の厚みが４００μｍであること以外は前記
実施例１と同様にして得られた０．２５％フラレノール
導入ポリウレタンエラストマーＡによるフラレノール導
入ポリウレタンエラストマー・アクチュエータ（「０．
２５％フラレノール導入ポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータＡ−１」と称する場合がある）と、フラレ
ノールの添加量がウレタンプレポリマー全量に対して
０．２５重量％であり且つ０．２５％フラレノール導入
ポリウレタンエラストマーＡ層の厚みが１００μｍであ
ること以外は前記実施例１と同様にして得られた０．２
５％フラレノール導入ポリウレタンエラストマーＡによ
るフラレノール導入ポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータ（「０．２５％フラレノール導入ポリウレタン
エラストマー・アクチュエータＡ−２と称する場合があ
る）とについて、２００ｍｇ負荷時におけるアクチュエ
ータの発生力を評価した。具体的には、各アクチュエー
タ（０．２５％フラレノール導入ポリウレタンエラスト
マー・アクチュエータＡ、０．２５％フラレノール導入
ポリウレタンエラストマー・アクチュエータＡ−１、
０．２５％フラレノール導入ポリウレタンエラストマー
・アクチュエータＡ−２）の先端に２００ｍｇの重りを
つけて電圧を印加した際の屈曲変位量を測定して屈曲変
位特性を評価し、荷重２００ｍｇにおける印加電圧の電
界強度（ｋＶ／ｃｍ）と変位量（ｍｍ）との関係のグラ
フを図５に示した。

【００６０】図５に示される荷重２００ｍｇにおける印
加電圧の電界強度（ｋＶ／ｃｍ）と変位量（ｍｍ）との
関係のグラフより、０．２５％フラレノール導入ポリウ
レタンエラストマーＡ層の厚みが２００μｍである０．
２５％フラレノール導入ポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータＡの発生力が最も大きくなっており、特
に、印加電圧が４００Ｖでは、０．２５％フラレノール
導入ポリウレタンエラストマーＡ層の厚みが４００μｍ
である０．２５％フラレノール導入ポリウレタンエラス
トマー・アクチュエータＡ−１に比較して、０．２５％
フラレノール導入ポリウレタンエラストマー・アクチュ
エータＡは約１０倍の発生力となっていることが確認さ
れた。

【００６１】従って、フラレノールが導入されているポ
リウレタンエラストマーによるフラレノール導入ポリウ
レタンエラストマー・アクチュエータは、アクチュエー
タを構成するフラレノール導入ポリウレタンエラストマ
ーによるフィルムの厚みを制御することにより、各種の
応用に合致した発生力を有するアクチュエーション機構
デバイスを開発することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】アクチュエータの下端を固定し、両電極に電圧
を印加した際の、印加電圧の電界強度（ｋＶ／ｃｍ）と
変位量（ｍｍ）との関係のグラフを示す図である。

【図２】印加電圧を１ｋＶと一定にした際のフラレノー
ルの濃度（重量％）と、フラレノール導入ポリウレタン
エラストマーの変位量（ｍｍ）との関係のグラフを示す
図である。

【図３】アクチュエータの下端を固定し、両電極に電圧
を印加した際の、印加電圧の電界強度（ｋＶ／ｃｍ）と
変位量（ｍｍ）との関係のグラフを示す図である。

【図４】アクチュエータの先端に重りをつけ、５ｍｍの
屈曲に必要な荷重（ｍｇ）と電界強度（ｋＶ／ｃｍ）と
関係のグラフを示す図である。

【図５】アクチュエータの先端に２００ｍｇの重りをつ
けた際の、荷重２００ｍｇにおける印加電圧の電界強度
（ｋＶ／ｃｍ）と変位量（ｍｍ）との関係のグラフを示
す図である。

フロントページの続きＦターム(参考） 4J034 BA03 DA01 DB04 DF01 DF02 DF12 DF16 DF20 DF21 DG03 DG04 DG06 DG08 DG09 GA02 GA03 GA06 GA33 HA01 HA06 HA07 HC01 HC03 HC11 HC12 HC13 HC17 HC22 HC45 HC46 HC52 HC61 HC64 HC67 HC71 HC73 LA06 LA32 LA33 RA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電場配向により変形し得るポリウレタン
エラストマー層を具備するポリウレタンエラストマー・
アクチュエータであって、前記ポリウレタンエラストマ
ー層を構成するポリウレタンエラストマーに、フラレノ
ールが導入されていることを特徴とするポリウレタンエ
ラストマー・アクチュエータ。
【請求項２】ポリウレタンエラストマー層の両側に設
けられた両電極層の膜厚の相違又は両電極層を構成する
電極金属の相違によって、屈曲変位及びその方向が制御
されている請求項１記載のポリウレタンエラストマー・
アクチュエータ。