JP2009004589A - 電歪アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 大きな変位量または駆動力を得ることができ、しかも変位の方向付けが可能な電歪アクチュエータを提供する。
【解決手段】 電極１２，１３に環状の間隙部１２ａ，１３ａが形成され、電極１２，１３が中央側電極１２Ａ，１３Ａと外側電極１２Ｂ，１３Ｂとに分かかれて形成されている。電極１２と電極１３との間に所定の電位差を与えると、中央側は外周方向に、外側は内周方向にそれぞれ変形しようとする。このとき、力のバランスにより間隙部１２ａ，１３ａが収縮するため中央側電極１２Ａ，１３Ａを面と直交する縦（鉛直）方向に大きな変位量または駆動力で変形させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気活性ポリマー（EAP: Electro Active Polymer）の１つである電歪アクチュエータに係わり、特に大きな変位量又は駆動力を効率良く得ることを可能とした電歪アクチュエータに関する。

下記の特許文献１には、円形の穴を備えたフレームに、プリストレインドを取り付けることにより構成されたダイヤグラムアクチュエータに関する発明が記載されている。

プリストレインドポリマの両側には円形電極が固定されており、これらの電極間に所定の電位差を与えると、前記円形の穴に垂直な方向にプリストレインドポリマを変形させることが可能となっている。

また特許文献２には、屈曲変形可能な一対の板状積層体を対向配置することにより構成されるアクチュエータが記載されている。
特表２００３−５０６８５８号公報（第２８頁、図１Ｅ，１Ｆ） 特開２０００−１３３８５４号公報

このようなアクチュエータでは、大きな変位量、あるいは大きな駆動力を得ること、および予め変位の方向付けが可能であることができることが好ましい。この点、上記特許文献１に記載のアクチュエータでは、上方への変位量を大きくするために、シリコンオイルなどの膨張剤を下面側に加えるようにしている。

しかし、シリコンオイルなどを加えて変位量や変位の方向付けを行う方法では、製造コストを低減することが難しく、また製造工程も複雑になるという問題がある。

一方、特許文献２においてはバネ等のバイアス機構を別途有する構成であるため、やはり製造コストの低減が難しく、また小型化に適さないという問題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、簡単且つ安価な構成で、大きな変位量または駆動力を効率良く得ることができ、しかも変位の方向付けを行えるようにした電歪アクチュエータを提供することを目的としている。

本発明は、伸縮性および絶縁性を有する基材と、
前記基材の一面に接合された伸縮性を有する中心側電極と、
前記基材の前記一面の、前記中心側電極の周囲に接合された、伸縮性を有する外側電極とを有し、
前記中心側電極と前記外側電極との間には、中心から所定の距離を隔てるとともに所定の幅寸法からなる間隙部が環状に形成されていることを特徴とするものである。

あるいは、伸縮性および絶縁性を有する基材と、
前記基材の両面に接合された伸縮性を有する中心側電極と、
前記中心側電極の周囲に接合された、伸縮性を有する外側電極とを有し、
前記中心側電極と前記外側電極との間には、中心から所定の距離を隔てるとともに所定の幅寸法からなる間隙部が環状に形成されており、
前記基材の両面に接合された電極の間に所定の電圧をかけて駆動することを特徴とするものである。

本発明では、間隙部を電極上の変形させたい箇所に形成するだけで、間隙部の内側を鉛直方向により大きく変位させることができる。
上記において、前記間隙部内に、弾性体が設けられているものが好ましい。

上記手段でもより大きな変位量または駆動力を発生することが可能な電歪アクチュエータとすることができる。

さらには、前記基材の両面の前記間隙部内に、弾性体が設けられており、一方の面の間隙部内に設けられた弾性体と、他方の面の間隙部内に設けられた弾性体とは、厚み寸法又は弾性率に差が設けられているものが好ましい。
上記手段では、中央側電極の変位に方向付けをすることが可能となる。

また前記一方の面に設けられた中心側電極と前記他方の面に設けられた中心側電極の直径に差が設けられているものが好ましい。
上記の手段によっても、中央側電極の変位方向を方向付けすることができる。

また前記基材は一枚のシートで形成されているものが好ましい。
上記手段では、基材を共通化することができ、共通化した基材の両面に電極をそれぞれ形成することができる。このため、製造コストを安価にできる。

さらには、前記中心側電極と前記外側電極とは少なくとも１以上の連結部を介して部分的に連結されているものが好ましい。

上記手段では、より大きな変位量または駆動力を発生することが可能な電歪アクチュエータとすることができる。しかも、中心側電極と外側電極とは同じ電位とすることができるため、各電極への配線パターンも簡易化することが可能となる。

また前記中心側電極の厚み寸法と前記外側電極の厚み寸法が異なるものが好ましい。
上記手段では、安定した縦振幅を得たり、振幅そのものを大きくしたりすることが可能となる。

上記においては、前記基材の一方の面に接合された前記中心側電極および前記外側の電極と、前記基材の他方の面に接合された電極との間に所定の電圧をかけて駆動することが好ましい。

本発明では、大きな変位量または大きな駆動力を得ることが可能な電歪アクチュエータを提供できる。
またアクチュエータが変位する方向を、予め方向付けすることができる。

そして、このような電歪アクチュエータを簡単な構成で且つ安価な製造コストで提供することができる。

図１は本発明の第１の実施の形態を示す電歪アクチュエータの平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線における電歪アクチュエータの断面図、図３は変形後の状態を示す図２同様の電歪アクチュエータの断面図である。

以下の実施の形態に示す電歪アクチュエータは、例えば触覚ディスプレイなどに用いられるものである。

図１および図２に示すように、第１の実施の形態に示す電歪アクチュエータ１０は、基材１１と前記基材１１の両面に接合された電極１２，１３とを有している。

基材１１は円形状の薄い樹脂シートで形成されており、高い伸縮性および絶縁性を備えている。このような樹脂シートとしては、例えばシリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、オレフィン樹脂などが好適である。基材１１は、その周縁部をリング状の拘束部材２１，２２によって上下方向から挟むようにして固定されている。

電極１２は導電性および伸縮性を有する材料で形成されている。このような電極１２は、例えば導電シリコーン、ハイドロゲル（導電性高分子）などが好適である。

電極１２，１３は、前記基材１１の表面にテンションを付与した状態で取り付けられている。テンションを付与する方法は様々であるが、例えば基材１１の上に電極１２、１３を接合した後、その基材１１を伸張させた上でその外周側を拘束部材２１，２２で固定することにより、テンションを付与することができる。あるいは、テンションを付与した基材１１を予め前記拘束部材２１、２２で拘束し、その後、基材の上に電極１２，１３を接合するようにしてもよい。

なお、図２に示すように、電極１２，１３の外周部を前記拘束部材２１，２２で拘束するようにすると、電極１２，１３が伸縮する際に生じる力を、拘束部材２１，２２を基準とする水平方向の力とすることが可能となる。

電極１２，１３には、略環状の間隙部１２ａ，１３ａがそれぞれ形成されている。前記間隙部１２ａ，１３ａは、円形状の基材１１の中心から所定の半径で形成され、それぞれ所定の幅寸法Ｗを有している。したがって、電極１２，１３は間隙部１２ａ，１３ａを挟んで、基材１１の中心側に円形状の中央側電極１２Ａ，１３Ａが設けられ、外周側に環状の外側電極１２Ｂ，１３Ｂが設けられている。上面側に設けられた電極１２の中央側電極１２Ａと外側電極１２Ｂとは連結部１２Ｃで連結され、同様に下面側に設けられた電極１３の中央側電極１３Ａと外側電極１３Ｂとは連結部１３Ｃ（図示せず）で連結されている。

上面側に設けられた電極１２と下面側に設けられた電極１３との間に所定の電位差を与えると、電極１２と電極１３との間に静電引力が作用する。より詳しくは、中央側電極１２Ａと中央側電極１３Ａとの間、および外側電極１２Ｂと外側電極１３Ｂとの間にそれぞれ静電引力が作用し、これらの電極間距離が狭められる。このため、基材１１はその面と直交する第１の方向（鉛直（Ｚ）方向）で且つ収縮する方向に変形させられる。同時に、マクスウェル応力とポアソン効果などによって、基材１１は前記第１の方向と直交し、且つ面と平行を成す第２の方向（水平方向）へ伸張変形させられる。なお、中央側電極１２Ａ，１３Ａおよび外側電極１２Ｂ，１３Ｂは基材１１の変形動作に追従して一緒に変形する。

このとき、基材１１の外周部は拘束部材２１，２２によって拘束されているため、基材１１のうち外側電極１２Ｂと外側電極１３Ｂとの間の部分は、外側電極１２Ｂ，１３Ｂの内側エッジ１２Ｂ１，１３Ｂ１に対応する部分が基材１１の外周部（拘束部材２１，２２側）を基準として中心方向に向かうように伸張する。他方、基材１１のうち中央側電極１２Ａと中央側電極１３Ａとの間の部分は、中央側電極１２Ａ，１３Ａの外側エッジ１２Ａ１，１３Ａ１に対応する部分が基材１１の中心から外周方向に向かって広がるように伸張しようとする。また、間隙部１２ａ，１３ａには、基材１１が拘束部材２１，２２に取り付けられる際にかけられたテンションによって常時収縮しようとする力が存在する。すなわち、間隙部１２ａ，１３ａに対しては、外側電極１２Ｂ，１３Ｂに電位差を与えることによって生じる力と、および基材１１が内包するテンションの合力による外側から内側に向かう第１の力Ｆ１Ａ，Ｆ１Ｂと、中央側電極１２Ａ，１３Ａに電位差を与えることによる内側から外側に向かう第２の力Ｆ２Ａ，Ｆ２Ｂとが同時に作用する。

ここで、外側電極１２Ｂ，１３Ｂは基材１１および拘束部材２１，２２に拘束されるのに対し、中央側電極１２Ａ，１３Ａは基材１１だけに拘束されており、中央側電極１２Ａ，１３Ａは外側電極１２Ｂ，１３Ｂに比べて自由な状態にある。また外側電極１２Ｂと外側電極１３Ｂとの間の対向面積は、中央側電極１２Ａと中央側電極１３Ａとの間の対向面積よりも広く、基材１１が伸張変形しようとする力が大きい。さらにテンションの影響もあり、外側電極１２Ｂ，１３Ｂが内側（中心）に向かって収縮しようとする前記第１の力Ｆ１Ａ，Ｆ１Ｂの方が、中央側電極１２Ａ，１３Ａが外側に広がろうとする前記第２の力Ｆ２Ａ，Ｆ２Ｂよりも大きい。

その結果、間隙部１２ａ，１３ａは中心に向かって収縮する。一方、基材１１のうち中央側電極１２Ａと中央側電極１３Ａとの間の部分は水平方向へ伸張変形しようとするため、外周が小さく且つ面積が大きくなる形状に変形することになる。

よって、図３に示すように、この電歪アクチュエータ１０では、中央側電極１２Ａ，１３Ａを、その中心部を凸型に盛り上げる方向（鉛直（Ｚ１）方向）に向かって略ドーム状に変形させることができる。すなわち、横（水平）方向に発生した前記第１の力Ｆ１Ａ，Ｆ１Ｂおよび前記第２の力Ｆ２Ａ，Ｆ２Ｂを、縦（鉛直）方向に変換することができる。

上記実施の形態では、一枚のシート状の基材１１の上下の面に電極１２と電極１３とをそれぞれ設けることにより、基材１１の共通化が可能である。このため、一枚の基材に一つの電極を形成したものを対として用いる従来のアクチュエータに比較して、薄型化及び低コスト化することができる。

図４は本発明の第２の実施の形態を示す図２同様の電歪アクチュエータの断面図である。

第２の実施の形態として示す電歪アクチュエータは、上記第１の実施の形態とほぼ同様の構成である。ただし、第２の実施の形態では中央側電極１２Ａ，１３Ａを外側電極１２Ｂ，１３Ｂよりも薄く形成した点で相違している。

第２の実施の形態に示すように、中央側電極１２Ａ，１３Ａの厚み寸法と外側電極１２Ｂ，１３Ｂの厚み寸法との間に差を設け、且つこの厚み寸法差を適度に設定すると、両者の弾性率差を適度に調整することができるようになる。このため、安定した縦振幅を得たり、振幅そのものを大きくしたりすることが可能となる。すなわち、環状側である外側電極１２Ｂ，１３Ｂの弾性率を上げると、外側電極１２Ｂ，１３Ｂの伸張性は下がるが、円形状からなる中央側電極１２Ａ，１３Ａに対する拘束性は増すため、振幅を安定させることができる。反対に外側電極１２Ｂ，１３Ｂの弾性率を下げると、その伸張性は増し、中央側電極１２Ａ，１３Ａの外径をより縮ませるため、縦振幅変位を大きくすることが可能となる。

上記第１および第２の実施の形態では、中央側電極１２Ａ，１３Ａが鉛直方向に変位するものの、上下いずれの方向に変形するか、すなわち変位の方向付けについて制御することができない。そこで、第３の実施の形態以下では、変位を方向付ける手段を含めて説明する。

図５は本発明の第３の実施の形態を示す図２同様の電歪アクチュエータの断面図である。

第３の実施の形態における電歪アクチュエータでは、下側に設けられた電極１３が間隙部を形成していない点で上記第１および第２の実施の形態と相違している。なお、その他の構成は上記第１の実施の形態同様である。

この実施の形態では、上部側の電極１２と下部側の電極１３との間に所定の電圧を印加すると、基材１１のうち間隙部１２ａが形成された部分には電圧が印加されないため、上記同様に間隙部１２ａに対して第１の力Ｆ１Ａおよび第２の力Ｆ２Ａをそれぞれ発生させることができる。このため、上記同様に中央側電極１２Ａをドーム状に盛り上げることができる。

第３の実施の形態では、間隙部１２ａが設けられているのは上側の電極１２だけである。そのため、基材１１の間隙部１２ａに接する部分は、両面に働く弾性率が異なることとなり、間隙部１２ａが収縮する力がかかった際に変形する方向が一方向に固定されることとなる。第３の実施の形態では、下層側の電極１３を連続する一枚の薄膜で形成し、上側の電極１２にのみ間隙部１２ａを形成した構成とすることができる。よって、上下の電極１２、１３にそれぞれ間隙部１２ａ，１３ａを別々に形成する場合に比較して、製造工程の容易化と、製造コストの低廉を図ることが可能である。

なお、第３の実施の形態では、下側の電極１３のみに間隙部１３ａを形成した構成であっても同様であることは、いうまでもないことである。

次に、本発明の第４および第５の実施の形態について説明する。
図６は第４の実施の形態を示す図２同様の電歪アクチュエータの断面図、図７は第５の実施の形態を示す図２同様の電歪アクチュエータの断面図である。

図６に示すように、第４の実施の形態では、第１の実施の形態で示した電歪アクチュエータ１０の間隙部１２ａ、１３ａの内部に、弾性体３１，３２をそれぞれ設けた点で異なっている。

上記第１の実施の形態の場合には、間隙部１２ａ、１３ａは基材１１が露出した構造となっており、中央側電極１２Ａ，１３Ａ及び外側電極１２Ｂ，１３Ｂに形成された構造と比べて強度が劣る。しかし、第４の実施の形態のように、間隙部１２ａ、１３ａの内部に弾性体３１，３２を設けることにより強度を増すことが出来る。また、連結部１２Ｃを設けずに中央側電極１２Ａ，１３Ａと外側電極１２Ｂ，１３Ｂとを別の電圧で駆動する場合には、弾性体３１，３２によって中央側電極１２Ａと外側電極１２Ｂとの間、および中央側電極１３Ａと外側電極１３Ｂとの間の絶縁が保たれ、変形時にも別電圧を保つことが可能となる。

この場合、一方の間隙部１２ａ内に設けた弾性体３１の厚み寸法と他方の間隙部１３ａ内に設けた弾性体３２の厚み寸法との間に寸法差を設けておくと、あるいは弾性体３１と弾性体３２との弾性率に差を設けておくことが好ましい。このように、弾性体３１，３２に寸法差、あるいは弾性率差を設けておくと、基材１１を挟んで対向する電極間に伸張差を生じさせることができるため、中央側電極１２Ａ，１３Ａがドーム状に変形する際の方向をあらかじめ設定すること（変位の方向付け）が可能となる。

例えば弾性率が大きい部材側の電極間（中央側電極と外側電極との間）の拘束具合は、弾性率の少ない部材側の（中央側電極と外側電極との間）の拘束具合よりも大きくなるため、電極伸張性が減るため、伸張差を生じさせることが可能となる。

さらには、図７に示す第５の実施の形態では、上側の中央側電極１２Ａの直径Ｒ１を、下側の中央側電極１２Ａの直径Ｒ２よりも小さくしている（Ｒ１＜Ｒ２）。このようにすると、小さい方の直径Ｒ１以内の部分にのみ電位差がかかるため、下側の中央側電極１３Ａのうち上側の中央側電極１２Ａと重ならない部分は駆動に寄与しない。したがってこの部分は間隙部１２ａ，１３ａとともに動作することとなり、実質的に両面の間隙部の弾性率が異なることと同等となる。よって、変位の方向付け（例えばＺ１方向への縦駆動）を行うことが可能となる。

なお、前記と逆の関係（Ｒ１＞Ｒ２）にすると、変位の方向を逆向き（例えばＺ２方向への縦駆動）とすることが可能となる。

上記の各実施の形態ついては、これらを１つ以上組み合わせると、さらに大きな変位量や駆動力を得ることができ、さらには方向付けを確実に行うことが可能である。

また上記第１の実施の形態では、連結部１２Ｃ，１３Ｃを介して電極どうしが連結されている構成を示したが、連結部１２Ｃ，１３Ｃを有しない場合であってもよい。この構成とすることにより、中央側電極１２Ａ，１３Ａと外側電極１２Ｂ，１３Ｂに電圧を加えるタイミングを変えて駆動することが可能となる。すなわち、外側電極１２Ｂ，１３Ｂ間だけに電位差を与えると、基材１１のうち外側電極１２Ｂ，１３Ｂに接する部分が伸張変形し、基材１１のうち間隙部１２ａ，１３ａ及び中央側電極１２Ａ，１３Ａと接する部分はテンションが解放されて収縮し、さらに周囲の外側電極１２Ｂ，１３Ｂと接する基材１１から中心方向に向かう第１の力Ｆ１Ａ，Ｆ１Ｂをうけ、間隙部１２ａ，１３ａは収縮する。その後に中央側電極１２Ａ，１３Ａに電位差を与えると、基材１１のうち中央側電極１２Ａ，１３Ａと接する部分が伸張変形しようとする際に外方向へ向かう第２の力Ｆ２Ａ，Ｆ２Ｂが生じるものの、既に収縮された間隙部１２ａ，１３ａによって抗力が働くため、よりスムーズにドーム状に変形することが出来る。

また本発明の連結部１２Ｃ，１３Ｃは、少なくとも１箇所に設けられていればよいのであり、２箇所以上に設けた構成とするものであっても構わない。ただし、連結部の数があまりに多すぎると、中央側電極１２Ａ，１３Ａおよび外側電極１２Ｂ，１３Ｂが拘束され変形し難くなって、電歪アクチュエータ１０自体の変位量および駆動力が小さくなってしまう点で不利である。したがって、連結部１２Ｃ，１３Ｃを形成する場合の数は、１箇所以上１６箇所未満が好ましく、より好ましくは１箇所以上４箇所以内である。

本発明の第１の実施の形態を示す電歪アクチュエータの平面図、 図１のＩＩ−ＩＩ線における電歪アクチュエータの断面図、 変形後の状態を示す図２同様の電歪アクチュエータの断面図、 本発明の第２の実施の形態を示す図２同様の電歪アクチュエータの断面図、 本発明の第３の実施の形態を示す図２同様の電歪アクチュエータの断面図、 本発明の第４の実施の形態を示す図２同様の電歪アクチュエータの断面図、 本発明の第５の実施の形態を示す図２同様の電歪アクチュエータの断面図

符号の説明

１０ 電歪アクチュエータ
１１ 基材
１２ 一方の上側の電極
１２ａ 間隙部
１２Ａ 中央側電極
１２Ｂ 外側電極
１３ 他方の下側の電極
１３ａ 間隙部
１３Ａ 中央側電極
１３Ｂ 外側電極
２１，２２ 拘束部材
３１，３２ 弾性体

Claims (9)

1. 伸縮性および絶縁性を有する基材と、
   前記基材の一面に接合された伸縮性を有する中心側電極と、
   前記基材の前記一面の、前記中心側電極の周囲に接合された、伸縮性を有する外側電極とを有し、
   前記中心側電極と前記外側電極との間には、中心から所定の距離を隔てるとともに所定の幅寸法からなる間隙部が環状に形成されていることを特徴とする電歪アクチュエータ。
2. 伸縮性および絶縁性を有する基材と、
   前記基材の両面に接合された伸縮性を有する中心側電極と、
   前記中心側電極の周囲に接合された、伸縮性を有する外側電極とを有し、
   前記中心側電極と前記外側電極との間には、中心から所定の距離を隔てるとともに所定の幅寸法からなる間隙部が環状に形成されていることを特徴とする電歪アクチュエータ。
3. 前記間隙部内に、弾性体が設けられている請求項１または２に記載の電歪アクチュエータ。
4. 前記基材の両面の前記間隙部内に、弾性体が設けられており、一方の面の間隙部内に設けられた弾性体と、他方の面の間隙部内に設けられた弾性体とは、厚み寸法又は弾性率に差が設けられている請求項２記載の電歪アクチュエータ。
5. 前記一方の面に設けられた中心側電極と前記他方の面に設けられた中心側電極の直径に差が設けられている請求項２に記載の電歪アクチュエータ。
6. 前記基材は一枚のシートで形成されている請求項１ないし５記載の電歪アクチュエータ。
7. 前記中心側電極と前記外側電極とは少なくとも１以上の連結部を介して部分的に連結されている請求項１ないし６記載の電歪アクチュエータ。
8. 前記中心側電極の厚み寸法と前記外側電極の厚み寸法が異なる請求項１ないし７のいずれか記載の電歪アクチュエータ。
9. 前記基材の一方の面に接合された前記中心側電極および前記外側の電極と、前記基材の他方の面に接合された電極との間に所定の電圧をかけて駆動することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか記載の電歪アクチュエータ。

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