成果報告書詳細
管理番号20090000000031
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 「ナノテク・先端部材実用化研究開発 高配向性CNTを用いたナノ構造制御による低電圧駆動高分子アクチュエータの研究開発」
公開日2009/8/26
報告書年度2006 - 2009
委託先名ダイキン工業株式会社 独立行政法人産業技術総合研究所 古河電気工業株式会社 ニッタ株式会社
プロジェクト番号P05023
部署名ナノテクノロジー・材料技術開発部
和文要約本プロジェクトの目的は、CNT高分子アクチュエータの実用化開発であり、4個の研究開発項目からなる。それぞれの成果について述べる。 研究開発項目1 アクチュエータ用フッ素ポリマーの開発 各種フッ素ポリマー、イオン液体について、変位や電極膜の導電率、弾性率を測定し、それぞれの種類が特性に大きく影響することを明らかにし、好適なフッ素ポリマーの範囲と適切なイオン液体の種類を確認した。フッ素ポリマーの組成が変位や応答速度・弾性率等に及ぼす影響を検討し、共重合組成比及び複合化比率の最適化と溶媒・濃度の調整を行って、変位量と変位速度を向上させた。高配向性CNTを用いた組成についても同様の検討を行い、更なる変位量と変位速度の向上を実現した。同時にフッ素ポリマー組成に合せた混合・成型方法の最適化も行って材料改良の方向性を確認した。研究開発項目3及び4での試作結果をフィードバックして、フッ素ポリマーの組成・イオン液体種・素子の作製条件等を最適化し性能向上を図った。また大面積素子の作製に必要な印刷法用原料塗料を開発した。 研究開発項目2 CNT 高分子アクチュエータ素子の開発 2段階ボールミル法を開発して、電極膜中のCNT量を30wt%まで分散性良く充填することに成功した。さらに、導電性微粒子の添加効果を見出した。高配向性CNTとイオン液体のみで高強度、高導電性、高キャパシタンスの導電膜を作製することに成功し、高出力、高速のアクチュエータを作製可能にした。また研究開発項目3、4へ試料提供した。以上の開発をすすめた結果、プロジェクト開始前より、電極伸縮率で3倍、電極発生圧で5倍、曲げ力で4倍の性能向上を達成し、目標値をほぼ達成した。 研究開発項目3 CNTを用いた新型高分子アクチュエータデバイスの開発 1)デバイス化技術開発 電解質膜について印刷法による製膜を試み、大面積の電解質膜を得ると共に、量産時の課題を抽出した。さらにデバイス構造を試作し最終目標の見込みを検証した。研究開発項目1、2にて開発された組成の性能を検証すると共に、研究開発項目4での制御技術の開発に試料を供試した。デバイス筐体を研究開発項目4と連携して設計・試作した。またデバイスを連続動作させ信頼性を検証した。 2)アクチュエータの構造設計手法の開発  画像解析等により得られた変位・発生力のデータに基づき、設計に必要な構造設計手法を確立してデバイス構造を決定した。さらに試作構造の評価結果と計算結果を合せ込んで精度を高めた。確立した構造設計手法に基づき開発項目1、2から提供された材料・試料の特性を予測し、最終目標達成の見込みを得た。 研究開発項目4 新型高分子アクチュエータデバイスの制御技術の開発 1)駆動制御技術 電気化学計測システムを導入し、研究開発項目3で作製された素子を供試して、任意波形での印加最適駆動条件を検討し問題点を抽出した。また出力5N に対応する応力測定システムを駆動制御システムに組み込んだ。 2)変形量計測技術 開発されたデバイス形状への個々の入力波形を最適化するため、高速度カメラによる二次元的な変形量計測技術を検討して電圧・電流制御技術を確立した。また発生応力・発熱等を考慮した駆動制御の基本アルゴリズムを開発し評価した。出力5N、ストローク5mm、応答性0.2秒が可能な駆動用制御回路及び変形角度±5%精度で位置計測するセンシング回路の設計開発を行い、制御技術を確立した。 3)高分子アクチュエータデバイスのアプリケーション調査 事業化に向けたロボット・福祉分野、とりわけ基礎的応用としてマイクロポンプ・オートフォーカスに絞り込んだ技術調査を行った。
英文要約The objective of this project is to develop the CNT polymer actuator for practical application, which consists of four subprojects. The achievements of those are described in the following. subproject 1: Development of fluorocarbon polymers for actuators The conductivity, the elastic properties, and the performance of the actuators made with various fluorocarbons and ionic liquids were measured and the appropriate materials were identified. The composition of copolymerization of the fluorocarbon polymers and the concentration in solvents were then optimized for the stroke and the response speed. The same optimization was carried out for the highly oriented CNT as well. The methods of mixing and casting for each fluorocarbon polymer were also optimized. The feedback from the results in subprojects 3 and 4 was also used for the optimization. The ink for printing large scale device was also developed. subproject 2: Development of CNT polymer actuators The newly developed 2-stage ball-mill mixing technique enabled mixing up to 30wt% of CNT in the electrode layer. Adding conductive particles was found effective for improving the performance. Highly oriented CNT and an ionic liquid only were found to form an electrode layer, which also improved the performance. The fabricated actuator samples were provided for subprojects 3 and 4. The final improvements in the performance were 3 times in expansion ratio, 5 times in generated stress, 4 times in bending force, which almost attained the original targets. subproject 3: Development of novel polymer actuators using CNT 1) Developing the scheme of manufacturing the actuators The printing method was tested. A large scale electrolyte layers was obtained and possible problems of this method were identified. The prototypes of the device structure were made and the likeliness of attaining the final goals was examined. The materials optimized in subprojects 1 and 2 were used and the prototypes were provided for subproject 4. A device was designed and developed with subproject 4. The continuous performance test was also carried out. 2) Development of the scheme of designing the actuators Based on the image analysis, a method for designing the actuator was developed and the optimal structure was determined. The design was also improved by the measurements of the prototype and numerical analyses. The performance of the actuator fabricated with the materials provided by subprojects 1 and 2 was predicted with this method and the final goals were found to be attainable. Subproject 4: Development of control technology for the novel polymer actuator 1) Control technology for actuation The waveform of the electrical input optimal for the actuation was sought by the electro-chemical measurement system and the problems were identified. The force measurement system for 5N was built in the actuation control system. 2) Technology for measurement of deformation For optimization of the input waveform, the technology for controlling voltage and current was developed by examining the 2D measurement using the high speed camera. The basic algorithm for controlling the actuation considering the effects of stress and heat in the actuator was developed. The circuit for sensing the position for the actuator with 5N of generated force, 5mm of stroke, and 0.2s of response time was developed. 3) Survey of application using the polymer actuators The technology survey for practical application of the actuators in the fields of robot and welfare, especially for the micro pomp and the auto-focus devices as the basic application, was carried out.
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