JP2008212716A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 アクチュエータの機械的延びる方向を改善する。
【解決手段】 少なくとも一方の境界面が、横方向に対し平行に延びている極大極小部としての高さと深さとを備えた波形領域を有し、波形領域が電極により覆われ、電極は極大極小部の少なくとも一部分を全面的に覆い、残りの部分において波形領域にわたって連続している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エラストマー材から成る本体が互いに対向している境界面にそれぞれ電極を備えているアクチュエータに関するものである。

この種のアクチュエータは米国特許第５，９７７，６８５号明細書から知られている。

この種のアクチュエータは単に「人工筋肉」とも呼ばれるが、ある種の条件のもとではその挙動が人間の筋肉のそれに対応しているからである。

その機能は比較的簡単である。両電極に電位差を印加すると、本体を貫通するように電場が発生し、その際電場は電極間に機械的な引力を生じさせる。このため両電極装置が接近しあって、本体を圧縮させる。両電極装置の接近は、本体の材料が誘電特性をもっているとさらに助長される。しかし材料は実質的に一定の体積をもっているので、圧縮すると、すなわち厚さが減少すると、本体は他の両方向、すなわち電極に対し平行な方向へサイズが拡大する。

いま、本体の延びる方向を１つの方向に制限したとすると、厚さの変化が縦方向における長さ変化に完全に置き換えられる。以下の説明では、長さを変化させる方向を「縦方向」と記し、長さを変化させない方向を「横方向」と記す。公知例では、電極は比較的低導電率の導電層を有し、この導電層の上に、撓み性のない材料から成る横方向に延びるストライプが被着されている。この場合、ストライプは縦方向において互いに間隔を有している。導電層は電場を可能な限り一様に分布させる用を成し、他方ストライプは有利には横方向における本体の拡幅を阻止する材料から成っている。しかしこの場合導電層の導電率が悪いために、動力学的にある程度制限が生じる。

本発明の課題は、アクチュエータの機械的延びる方向を改善することである。

この課題は、冒頭で述べた種類のアクチュエータにおいて、少なくとも一方の境界面が、横方向に対し平行に延びている極大極小部としての高さと深さとを備えた波形領域を有し、波形領域が電極により覆われ、電極は極大極小部の少なくとも一部分を全面的に覆い、残りの部分において波形領域にわたって連続していることを特徴とするものである。

この構成により以下のようないくつかの利点が得られる。

電極が横方向において連続的に形成されているので、電極はこの横方向において本体の延びる方向を制限する。ここで「連続的」とは、電極が延伸できないような形状を有していること、たとえば直線形状を有していることを意味するものである。本体の厚さが減少する際に生じる全体的な変形は、縦方向における膨張の変化に置き換えられる。しかし実際には、実材料のために横方向においてもわずかながら変化する。しかしながら、この横方向の変化は縦方向での膨張に比較して無視することができる。電極は波形領域全体にわたって連続的に延びているので、電極の導電率は十分な大きさであり、その結果本体の厚さを減少させるために必要な電場の構築を迅速に行うことができるよう保証される。それゆえ、本発明によるアクチュエータにより高振動数を実現させることができる。本体の表面は少なくとも所定領域においては波形化されており、その波形部が横方向に平行に延びているので、縦方向においては、少なくともアクチュエータの静止状態でアクチュエータの縦方向の部分よりもかなり大きな表面が提供される。それゆえアクチュエータを縦方向に拡大させれば、波形部だけが低くされ、すなわち極大極小部の差異が小さくなり、換言すれば、高さの先端部と深さの谷部との差異が小さくなる。したがって、電極が表面から解離する恐れなしに、この表面上に被着されている電極には延伸部が難なく続くことができる。このように波形化表面により、横方向における優れた剛性と縦方向における優れた撓み性とが得られ、電場を構築させるための電圧供給を本体の表面全体にわたって均一に分配させることが簡単に実現できる。なお「波形化」という表現は必ずしも円弧状の輪郭或いは正弦状の輪郭を意味するものではない。基本的には、「山」と「谷」が交互に位置し、その際山と谷が横方向に延びていれば、すなわち膨張方向に対し直角な方向に延びていれば、どのような構造でもよい。したがって横断面にて正弦波形、三角波形、鋸歯状波形、台形状波形、或いは矩形波であってよい。延びる方向は改善され、しかもアクチュエータの運動学が損なわれることがない。

電極が波形領域を全面的に覆っているのが有利である。すなわち面電極を使用する。面電極を使用すると、本体の境界面のどの点にも電荷が発生するので、電場の構築が均一化される。同時に横方向における剛性を一層改善させることができる。というのは、連続的な電極で覆われるのは極大極小部、すなわち山の先端と谷の底ばかりでなく、山と谷の間の側面も覆われるからである。しかし縦方向における運動性に関しては何も変化しない。本体が縦方向に膨張すると、輪郭は平らになるが、電極付設部と本体との間に変化を起こさせる必要はない。

この場合、電極が直接本体と結合されているのが有利である。電極が境界面全体に対し電気伝導の用を成しているので、補助的な導電層は必要ない。電極が直接本体と結合されていると、本体に対する電極の影響力がよくなり、特に剛性の改善または横方向における非塑性の点で変化が見られる。

極大極小部が、境界面の間における本体の厚さの２０％以上よりも大きくない振幅を有しているのが有利である。このような採寸により、アクチュエータの長手方向における電場の均一な分布が達成され、すなわち力が本体に対し均一に作用し、特に帯状に際立って集中することがない。なお振幅とは、隣り合っている極大極小部の差の半分であり、すなわち１つの高さ部と１つの深さ部との間隔の半分である。

電極が最大で振幅の１０％である厚さを有しているのが有利である。アクチュエータの塑性率（コンプライアンスファクタ）Ｑは電極の振幅と厚さとの比率に正比例する。この比率が大きければ大きいほど、塑性率も大きくなる。

振幅と周期長さとの比率が０．０８ないし０．２５の範囲にあるのが有利である。振幅と周期長さとの比率は１周期の表面の長さに影響する。表面の長さが長ければ長いほど、基本的には塑性率は大きくなる。理論的には、表面の電極が変形可能であれば、表面が平滑になるまで本体を膨張させてよい。しかし実際には他のパラメータによって塑性率が制限されることはいうまでもない。

波形領域が矩形プロファイルを有しているのが有利である。矩形プロファイルは縦方向に最も延びることが観察された。これは、表面の電極がある程度の剛性を縦方向にも付与するためである。たとえば矩形プロファイルの場合、該矩形プロファイルの縦方向延在部に対し平行に位置している部分は、高さと深さに対して膨張できない。すなわち本体の膨張は、実際には側面の傾斜の拡大と、これに関連した振幅の減少とに限って行なわれる。

矩形プロファイルが縦方向において同じ長さの歯と歯溝とを有しているのが有利である。これにより、電場を可能な限り均一に形成させることが可能になる。同時にこの構成は製造を容易にする。

冒頭で述べた種類の方法の場合、前記課題は、波形表面プロファイルを備えた型の中でエラストマーをプレスしてフィルムを形成させ、フィルムを、成形可能な状態をいまだ維持している程度に短時間硬化させ、次に波形表面を備えた他の型をフィルムの他の側に対し押圧させ、表面構造を形成後に導電層を表面に被着させることによって解決される。

この種の製造は比較的簡単である。基本的には電極の加工はしなくてもよい。所望の表面構造を生じさせるだけでよい。この種の表面構造は圧縮成形により生じさせる。このためには、適当な構造を備えた型を準備するだけでよい。この種の型はたとえばコンパクトディスク（ＣＤ）の製造から知られているような公知のフォトリソグラフィ工程によって得ることができる。

この場合、導電層を蒸着させるのが特に有利である。蒸着層は所望の薄い厚さで実現させることができる。さらに、蒸気は狭い谷の中にも侵入し、そこで電極を形成することを保証する。

次に、図面を用いて有利な実施形態に関し本発明を詳細に説明する。

図１はアクチュエータ１の個々の製造段階を示すもので、アクチュエータ１は本体２を備え、本体２は互いに対向しあっいる２つの境界面３，４を有している。両境界面３，４にはそれぞれ電極５，６が設けられている。電極５，６は本体２と直接結合されている。本体はエラストマー材、たとえばシリコンエラストマーから形成され、誘電特性を有しているのが有利である。本体２の材料は変形可能であるが、体積は一定である。すなわち本体２を厚さｄの方向に圧縮させた場合、本体２の拡がりは他の２つの方向に拡大する。いま本体２の拡がりを一方の方向に制限したとすると、厚さｄの縮小により本体２の拡がりは他方の方向のみとなる。図１の実施形態の場合、図面の面（横方向）に対し垂直な方向での拡がりの可能性は制限され、或いは完全に阻止されている。これに対して（図１において）左側から右側への方向、すなわち縦方向での拡がりは可能である。この異方性挙動を達成するため、本体２の両境界面３，４は波形構造を有している。図１ではこの波形構造は矩形プロファイルとして図示されている。しかし波形構造を正弦状プロファイル、三角形状プロファイル、鋸歯状プロファイル、或いは台形状プロファイルによって形成してもよい。

さらに図面から明らかなように、本体２と直接結合され、よって本体２と固定結合されている膨張不能な電極５，６は、本体２がその厚さｄの方向に圧縮されたとき、図面の面に対し垂直な方向での本体２の膨張を阻止する。本体２が図面の面に対し垂直な方向に膨張するのは、電極５，６もこの方向で膨張可能であることを前提としたケースであるが、このようなケースは定義的に該当しない。本体を圧縮させるため、電極５，６を電位差を与える。その結果両電極５，６間に電場が形成され、この電場が両電極５，６を互いに引き寄せ合わせるような力を及ぼす。この場合の前提は、本体２が厚すぎないことである。本体２の厚さｄは数１０μｍ以下の範囲で変化するのが有利である。

以下の表１は、電極層およびエラストマーに対する典型的な値と、アクチュエータの作動電圧の典型的な値とを示すものである。

以下では、エラストマーモジュールが０．７ＭＰａで、誘電率が３の、２０μｍ厚のシリコンエラストマーフィルムを観察した。電極は金から成り、０．０５μｍの厚さと８００００ＭＰａのエラストマーモジュールを有している。このようなアクチュエータの容量は０．１ｎＦ／ｃｍ２で、ステップ応答は負荷がかけられていないアクチュエータに対してはマイクロ秒のオーダーである。電極の塑性率が４０００であると仮定すると、１０％のオーダーで延伸させるには１０００Ｖ必要である。これに対して膨張不能な電極の場合には、すなわち塑性率が１の電極の場合には、０．０５％以下の延伸が発生する。換言すれば、本発明により作動電圧を低下させることが可能である。

この種の本体２の製造は比較的簡単である。適当なネガティブな構造（ここでは矩形構造）を持った型７をエラストマー溶液で被覆して、典型的には２０μｍないし３０μｍの厚さの薄いフィルム９を形成させる。次にフィルム９を短時間硬化させると、フィルムは比較的柔らかい層となる。この層はいつでも成形することができる。次にエラストマーフィルム９の他の側に、対応する表面構造１１を備えた第２のフィルム１０をプレス成形させる。この場合両プレス工程を真空で行って、型とフィルムの間の接触面に空気が閉じ込められないようにする。その後、フィルム９と型７，１０とのサンドイッチ構造全体をセットで硬化させる。型７，１０を機械的に離間させると、フイルム９は図示した波形境界面３，４を有するようになる。最後に、波形境界面３，４の上にそれぞれ導電層を被着させることができる。たとえば金、銀、または銅から成る金属層を蒸着させることができる。

波形表面構造の作用は図２の概略図から明らかである。破線で示したのは、静止位置にある矩形プロファイルである。すなわち電極５，６に電圧が印加されていない場合の矩形プロファイルである。矩形プロファイルは振幅ａと周期長さＬとを有している。導電層５の厚さはｈである。なお振幅とは、高さ１３と深さ１４との差の半分のことである。高さ１３と深さ１４は「山」、「谷」と呼ぶこともできる。要するに両概念は「極大極小」と呼ばれるものである。図１と図２からわかるように、高さ１３と深さ１４は縦方向１２において同じ拡がりを持っている。縦方向１２は図２においては左側から右側へ延びている。

実線で示したのは、本体が縦方向１２に拡大されたときの矩形プロファイルの形状である。本体２の材料は一定の体積を有しているので、縦方向１２に膨張したということは同時にプロファイルが厚さ方向に薄くになったことを意味している。なお図では、厚さの減少を強調のために誇張して示した。このようなプロファイルが実線で示してある。

図からわかるように、プロファイルは高さ１３と深さ１４の領域では実質的に延びていない。したがって本体２の延伸は側面１５，１６でのみ可能であり、しかもそこに固定されている電極を何らかの方法で膨張させる必要はない。

この時点で、特に有利な特性を有する種々の関係を確定することができる。

すなわち、プロファイルの振幅ａと、電極５，６を形成している導電層の厚さｈとの比率は、波形電極の延びる方向を決定し、よって本体２の膨張性を決定する。波形プロファイルに対しては、塑性率Ｑは上記比率の２乗に正比例する。上記比率を最適化することにより、理論的には、延びる方向をファクタ１００００以上増大させることが可能である。たとえば被覆厚が０．０２μｍで、振幅が２μｍであるとすると、比率は１００であり、塑性率は１００００である。

図２に図示したような矩形プロファイルに対しては、曲げ棒理論から塑性率Ｑを簡単に算出することができる。

ここでγ＝ａ／Ｌである。

基本的には正弦状プロファイルまたは三角形状プロファイルに対しても同じ式が適用される。ただし、正弦状プロファイルまたは三角形状プロファイルに対する定数（矩形プロファイルに対しては１６）はより小さい。さらに、プロファイルの周期の全長ｓと、この周期そのものの長さＬとの比率を考慮する必要がある。全長ｓはプロファイルを「まっすぐに引張る」と明かになる。矩形プロファイルの場合には、全長ｓはｓ＝Ｌ＋４ａである。比率ｓ／Ｌが１に近いとすると、電極に非常に撓み性があってもアクチュエータはあまり大きな運動はしない。

図３と図４では、右側へ向けて、振幅ａと周期長さＬとの比率が表わされ、上方へ向けて、比率１００％×（ｓ−Ｌ）／Ｌが表わされ、図３は正弦状プロファイルに対するもの、図４は矩形プロファイルに対するものである。実際には、「人工筋肉」が１０％ないし２５％の運動を行なうには、２０％ないし５０％の最大延伸が必要である。すなわち、矩形プロファイルを使用する場合には、比率γ＝ａ／Ｌは０．１ないし０．２の範囲で変化する必要がある。

理論的には、正弦状プロファイルを用いて約３２％の延伸を達成でき、矩形プロファイルを用いてほぼ８０％の延伸を達成できる。しかしながら実際にはそうはいかない。というのは、たとえば矩形プロファイルは鉛直部分と水平部分とから構成されているが、前者しか撓み性または塑性に関与しないからである。電極の水平部分自体は伸張しない。

実際の実施形態では、型７はフォトリソグラフィにより正のフォトレジストを露光し現像することによって製造する。この場合、露光に使用するマスクは比較的簡潔である。マスクは、５μｍの幅と基板のサイズによって決定される長さとを備えた複数の平行な四辺形から成っている。個々の四辺形は一様に５μｍの間隔で位置し、膨張方向に複合化される。プロファイルの高さ、すなわち振幅は、基板上に沈殿形成されるフォトレジスト層の厚さの半分として定義される。この高さもほぼ５μｍに選定できる。

しかし、電場を均一にするには、振幅が本体２の厚さｄよりも少なくとも１０倍小さいのが有利である。厚さが２０μｍのエラストマーフィルムに対しては、合目的には最大で２μｍの振幅を選定する。

アクチュエータを製造するための個々の方法ステップの概略図である。 １周期の断面図である。 正弦状プロファイルにおける比率を説明するためのグラフである。 矩形プロファイルにおける比率を説明するための同様のグラフである。

符号の説明

１ アクチュエータ
２ 本体（シリコンエラストマー）
３ 境界面
４ 境界面
５ 電極
６ 電極

Claims (16)

1. エラストマー本体が互いに対向している境界面を有し、そのそれぞれの境界面上にに電極装置を備えているアクチュエータにおいて、
   前記エラストマー本体は横方向と縦方向に延びており、少なくとも一方の境界面の少なくとも一部に、横方向に対し平行に延びている極大極小部としての高さと深さとを備えた波形領域を有し、その波形領域が前記電極装置の電極形成部分によって少なくとも部分的に覆われるよう構成し、前記電極は１〜８０Ｇｐａの範囲内の弾性モジュールを有し、さらに前記電極は前記横方向への伸長を最小にする特性を持つよう、前記縦及び横方向に波形領域にわたって連続していることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記電極が波形領域を全面的に覆っていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記電極が直接エラストマー本体と結合されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 前記極大極小部が、境界面（３，４）の間におけるエラストマー本体の厚さ（ｄ）の２０％以上よりも大きくない振幅（ａ）を有していることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のアクチュエータ。
5. 前記電極が最大で振幅（ａ）の１０％である厚さ（ｈ）を有していることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記振幅（ａ）と周期長さ（Ｌ）との比率が０．０８ないし０．２５の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
7. 前記波形領域が矩形プロファイルを有していることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
8. 前記矩形プロファイルが縦方向において同じ長さの歯と歯溝とを有していることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ。
9. 前記波形領域が正弦状プロファイルを有していることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
10. 前記正弦状プロファイルが縦方向において同じ長さの歯と歯溝とを有していることを特徴とする請求項９に記載のアクチュエータ。
11. 前記電極（５，６）が前記エラストマー本体の横方向に沿って連続していることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
12. 前記エラストマー本体の波形表面は型成形された波形表面であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
13. エラストマー本体の互いに対向している境界面であって、横方向と縦方向に延びている境界面上に波形領域を有しているアクチュエータにおいて、
    前記波形領域は所定の極大極小部パターンとしての高さと深さとを備えており、前記電極が前記横方向への伸長を最小にする特性を持つように前記境界面のおのおのに配置された電極が前記波形領域を完全に覆うように構成するとともに、前記電極が１〜８０Ｇｐａの範囲内の弾性モジュールを有するようにしたことを特徴とするアクチュエータ。
14. 前記波形領域は型成形された面であることを特徴とする請求項１３に記載のアクチュエータ。
15. 前記電極が前記所定の極大極小部パターンに一致していることを特徴とする請求項１３に記載のアクチュエータ。
16. 前記所定の極大極小部パターンは正弦状プロファイルを有することを特徴とする請求項１３に記載のアクチュエータ。

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