JP2009124839A - アクチュエータ用誘電膜およびそれを用いたアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータを構成した場合に、大きな力を出力でき、かつ大きな変位量を得ることのできる誘電膜を提供する。また、そのような誘電膜を使用して、力および変位量の大きなアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータ用誘電膜２０は、複数の電極間２１ａ，２１ｂに介装され、複数の該電極間に印加される電圧の変化により伸縮すると共に、架橋密度が５．４９×１０^−６ｍｏｌ／ｃｍ^３以上のニトリル系ゴムからなる。架橋密度が大きいため、ニトリル系ゴムのヤング率は大きく、絶縁破壊強度も大きい。よって、本誘電膜を使用したアクチュエータ１によると、大きな力が得られると共に、高い電圧を印加してより大きな変位量を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、印加される電圧の変化により伸縮するアクチュエータ用誘電膜、およびそれを用いたアクチュエータに関する。

産業用、介護用等のロボット、医療機器、マイクロマシン等の分野では、柔軟性が高く、小型で軽量なアクチュエータの必要性が高まっている。このようなアクチュエータ材料として、例えば、導電性高分子、イオン導電性高分子（ＩＣＰＦ）、誘電体エラストマー等の種々のポリマーが提案されている。なかでも、誘電体エラストマーを用いたアクチュエータは、小型化しやすく、低コストで作製できるため有用である。例えば、特許文献１、２には、誘電体エラストマーからなる誘電膜を一対の電極で狭持したアクチュエータが紹介されている。
特表２００３−５０６８５８号公報 特表２００１−５２４２７８号公報

アクチュエータにおいて、電極間への印加電圧を大きくすると、電極間の静電引力が大きくなる。このため、電極間に挟まれた誘電膜は膜厚方向から圧縮され、誘電膜の膜厚は薄くなる。膜厚が薄くなると、その分、誘電膜は電極面に対して平行方向に伸長する。また、電極間への印加電圧を小さくすると、電極間の静電引力が小さくなる。このため、誘電膜に対する膜厚方向からの圧縮力が小さくなり、誘電膜の弾性復元力により膜厚は厚くなる。膜厚が厚くなると、その分、誘電膜は電極面に対して平行方向に収縮する。このように、アクチュエータは、誘電膜を伸長、収縮させることによって、駆動対象部材を駆動させる。

アクチュエータには、出力される力および変位量が大きいことが求められる。上記特許文献１、２に示されているように、アクチュエータの誘電膜としては、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム等が使用されている。しかしながら、これら従来の材料では、力および変位量の両方を満足することはできない。例えばアクリルゴムのヤング率は小さい。このため、アクリルゴムは軟らかく、誘電膜として使用した場合に、得られる力が小さい。また、クリープが大きいため、耐久性にも問題がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、アクチュエータを構成した場合に、大きな力を出力でき、かつ大きな変位量を得ることのできる誘電膜を提供することを課題とする。また、そのような誘電膜を用いることにより、力および変位量の大きなアクチュエータを提供することを課題とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明のアクチュエータ用誘電膜は、複数の電極間に介装され、複数の該電極間に印加される電圧の変化により伸縮すると共に、架橋密度が５．４９×１０^−６ｍｏｌ／ｃｍ^３以上のニトリル系ゴムからなることを特徴とする（請求項１に対応）。

ニトリル系ゴムは、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、第三モノマーを導入して変性したＮＢＲ、およびこれらと塩化ビニル（ＰＶＣ）等とのブレンド材を含む。ニトリル系ゴムは、極性基であるニトリル基を持つため、誘電率が大きい。また、例えばＮＢＲの双極子モーメントは、アクリルゴムの約２倍である。このため、同じ電場で誘電膜として使用した場合、アクリルゴムと比較して大きな力を出力することができる。

ここで、本発明のアクチュエータ用誘電膜（以下、適宜「本発明の誘電膜」と称す）は、架橋密度が５．４９×１０^−６ｍｏｌ／ｃｍ^３以上のニトリル系ゴムからなる。従来のＮＢＲと比較して架橋密度が大きいため、ニトリル系ゴム（誘電膜）のヤング率は大きい。つまり、ニトリル系ゴムの強度は大きい。このため、本発明の誘電膜を用いてアクチュエータを構成すると、より大きな力を出力することができる。また、架橋密度が大きいため、ニトリル系ゴムの絶縁破壊強度は大きい。このため、より高い電圧を印加することが可能となり、より大きな変位量を得ることができる。さらに、本発明の誘電膜は、クリープしにくく寿命が長い。したがって、本発明の誘電膜によると、アクチュエータの耐久性が向上する。

（２）また、本発明のアクチュエータは、誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備えてなり、該誘電膜は、架橋密度が５．４９×１０^−６ｍｏｌ／ｃｍ^３以上のニトリル系ゴムからなることを特徴とする（請求項６に対応）。

本発明のアクチュエータは、上記本発明の誘電膜を備える。このため、本発明のアクチュエータによると、大きな力が得られると共に、高い電圧を印加してより大きな変位量を得ることができる。また、絶縁破壊強度が大きく誘電膜の寿命が長いため、本発明のアクチュエータの耐久性は高い。

以下、本発明のアクチュエータ用誘電膜、およびそれを用いたアクチュエータについて、それぞれ詳細に説明する。
１．誘電膜
本発明の誘電膜は、架橋密度が５．４９×１０^−６ｍｏｌ／ｃｍ^３以上のニトリル系ゴムからなる。上述したように、ニトリル系ゴムとしては、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ、変性ＮＢＲ、およびこれらとＰＶＣ等とのブレンド材が挙げられる。なかでも、ＮＢＲおよびＨ−ＮＢＲから選ばれる一種以上が好適である。ここで、Ｈ−ＮＢＲは、ＮＢＲと比較して二重結合が少ないため電気抵抗が大きい。このため、絶縁破壊強度が大きく、より高い電圧を印加することができる。つまり、ニトリル系ゴムとしてＨ−ＮＢＲを採用すると、アクチュエータを構成した場合に、より大きな変位量を得やすい。

また、ニトリル系ゴムの結合アクリロニトリル量（結合ＡＮ量）は、１８重量％以上であることが望ましい。結合ＡＮ量は、ゴムの全体重量を１００重量％とした場合の、含有アクリロニトリルの重量割合である。結合ＡＮ量が大きいものほど、強度が大きくなる。よって、アクチュエータを構成した場合に、より大きな力を出力することができる。結合ＡＮ量が３５重量％以上、さらには４０重量％以上であるとより好適である。なお、結合ＡＮ量は、例えば、ニトリル系ゴムを濃硫酸で分解した後、水酸化ナトリウム溶液を添加して、発生するアンモニアを定量することにより求めることができる。

ニトリル系ゴムの架橋密度は、５．４９×１０^−６ｍｏｌ／ｃｍ^３以上である。ヤング率、絶縁破壊強度等をより大きくするという観点から、架橋密度を９．０９×１０^−５ｍｏｌ／ｃｍ^３以上とするとより好適である。本明細書では、架橋密度の測定方法として以下の方法を採用する。まず、ニトリル系ゴムの試料（厚さ１．０±０．１ｍｍ）を８０℃で１５時間ソックスレー抽出し、冷風にて風乾後、常温にて１５時間真空乾燥する。次に、処理後の試料を縦２．０±０．１ｍｍ×横２．０±０．１ｍｍ×厚さ１．０±０．１ｍｍの大きさに成形し、トルエン／テトラヒドロフラン（体積比１：１）溶液２ｍｌにて膨潤させる(常温下１５時間)。膨潤前後の寸法変化、荷重を加えた際の寸法変化を測定し、Ｆｌｏｒｙ−Ｒｈｅｎｅｒの理論式を用いて架橋密度を算出する。

このようなニトリル系ゴムは、原料ポリマーに、架橋剤、加硫促進剤、加工助剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等を必要に応じて添加してニトリル系ゴム組成物を調製し、当該ニトリル系ゴム組成物を架橋して製造すればよい。例えば、次のようにして製造すればよい。第一の方法としては、まず、原料ポリマーに、架橋剤、加工助剤等を添加して混練りし、ニトリル系ゴム組成物を調製する。次に、調製したニトリル系ゴム組成物を成形し、それを金型に充填して、所定の条件下でプレス架橋する。また、上記第一の方法と同様に調製したニトリル系ゴム組成物を、フィルム状あるいはチューブ状に押し出し成形等した後、架橋してもよい。また、第二の方法としては、まず、原料ポリマーを、所定の溶媒に溶解する。この溶液へ架橋剤等を加え、攪拌、混合してニトリル系ゴム組成物を調製する。次に、調製したニトリル系ゴム組成物を基材上に塗布し、乾燥させて溶媒を蒸発させた後、架橋する。

ここで、架橋剤としては、硫黄または有機過酸化物から選ばれる一種以上を使用することが望ましい。なかでも、有機過酸化物を使用した場合には、不純物の残存量が少ない。このため、ニトリル系ゴムの電気抵抗が大きくなり、絶縁破壊強度をより大きくすることができる。

有機過酸化物としては、既に公知の例えば、ジクミルパーオキサイド、ジ−ｔ−ブチルパーオキサイド、ｔ−ブチルクミルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン、２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシイソプロピル）ヘキシン−３等が挙げられる。有機過酸化物を使用する場合（過酸化物架橋）には、架橋密度を大きくするという観点から、架橋剤の配合量を、ニトリル系ゴムの架橋前ゴム成分（原料ポリマー）１００重量部に対して２．４重量部以上とすることが望ましい。４．８重量部以上とするとより好適である。一方、架橋剤の量が多すぎると、ヤング率が大きくなり硬くなるため、誘電膜として使用した時に破断しやすくなる。このため、架橋剤の配合量は、９．６重量部以下とすることが望ましい。７．２重量部以下とするとより好適である。なお、上記配合量は、架橋剤の有機過酸化物成分を１００％とした時の値である。

また、架橋剤として硫黄を使用する場合（硫黄架橋）には、上記同様に架橋密度を大きくするという観点から、架橋剤の配合量を、ニトリル系ゴムの架橋前ゴム成分（原料ポリマー）１００重量部に対して０．４４重量部以上とすることが望ましい。０．８８重量部以上とするとより好適である。一方、上述したように、架橋剤の量が多すぎると、ヤング率の上昇により、誘電膜として使用した時に破断しやすくなる。このため、架橋剤の配合量を、２．２重量部以下とすることが望ましい。１．８重量部以下とするとより好適である。

本発明の誘電膜を用いてアクチュエータを構成する場合、本発明の誘電膜を挟んで複数の電極を配置すればよい。複数の電極間に印加される電圧の変化により、本発明の誘電膜は伸縮する。以下、本発明の誘電膜を用いたアクチュエータ、すなわち本発明のアクチュエータの実施形態について説明する。
２．アクチュエータ
＜第一実施形態＞
図１に、本実施形態のアクチュエータの断面模式図を示す。（ａ）はオフ状態、（ｂ）はオン状態を各々示す。図１に示すように、アクチュエータ１は、誘電膜２０と電極２１ａ、２１ｂとを備えている。誘電膜２０は、架橋密度が５．４９×１０^−６ｍｏｌ／ｃｍ^３以上のニトリル系ゴムからなる。電極２１ａ、２１ｂは、誘電膜２０の表裏に、それぞれ固定されている。電極２１ａ、２１ｂは、導線を介して電源２２に接続されている。オフ状態からオン状態に切り替える際は、一対の電極２１ａ、２１ｂ間に電圧を印加する。電圧の印加により、誘電膜２０の膜厚は薄くなり、その分だけ、図（ｂ）中白抜き矢印で示すように、電極２１ａ、２１ｂ面に対して平行方向に伸長する。これにより、アクチュエータ１は、図中横方向の駆動力を出力する。

誘電膜２０は、架橋密度の大きいニトリル系ゴムからなる。誘電膜２０の強度が大きいため、アクチュエータ１の出力は大きい。また、誘電膜２０の絶縁破壊強度が大きいため、より高い電圧を印加することができ、大きな変位量を得ることができる。さらに、誘電膜２０は、クリープしにくく寿命が長い。このため、アクチュエータ１は耐久性に優れる。

本発明のアクチュエータにおいても、上述した本発明の誘電膜の好適な態様を採用することが望ましい。また、誘電膜の厚さは、アクチュエータの用途等に応じて適宜決定すればよい。例えば、アクチュエータの小型化、低電位駆動化、および変位量を大きくする等の観点からは、誘電膜の厚さは薄い方が望ましい。この場合、絶縁破壊性等をも考慮して、誘電膜の厚さを、１μｍ以上１０００μｍ（１ｍｍ）以下とすることが望ましい。より好適な範囲は、５μｍ以上２００μｍ以下である。また、本発明の誘電膜を面延在方向に延伸した状態で取り付けると、誘電膜の絶縁破壊強度が向上し、より大きな変位量を得ることができる。

電極の材質は、特に限定されるものではない。例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素材料や金属からなる導電材に、バインダーとしてオイルやエラストマーを混合したペーストまたは塗料を塗布した電極を使用することができる。電極は、誘電膜の伸縮に応じて伸縮可能であることが望ましい。電極が、誘電膜と共に伸縮すると、誘電膜の変形が電極によって妨げられにくく、所望の変位量を得やすくなる。

また、複数の誘電膜と電極とを交互に積層させた積層構造とすると、より大きな力を発生させることができる。これにより、アクチュエータの出力が大きくなり、駆動対象部材をより大きな力で駆動させることができる。

＜第二実施形態＞
［アクチュエータの構成］
まず、本実施形態のアクチュエータの構成について説明する。図２に、本実施形態のアクチュエータの斜視図を示す。図３に、同アクチュエータの分解斜視図を示す。図４に、同アクチュエータの軸方向断面図を示す。なお、図２〜図４において、図１と対応する部位については同じ符号で示す。

アクチュエータ１は、図２〜図４に示すように、アクチュエータ素子２と錘３２とを備えている。

アクチュエータ素子２は、伸縮部材２４と上端部材３３と下端部材３４とを備えている。伸縮部材２４は、誘電膜２４０と一対の電極２４１ａ、２４１ｂとを備えている。伸縮部材２４は、上端部材３３と下端部材３４との間に介装されている。誘電膜２４０は、中空円筒状（チューブ状）を呈している。一対の電極２４１ａ、２４１ｂは、誘電膜２４０の外周面および内周面に配置されている。一対の電極２４１ａ、２４１ｂは、各々、電源（図略）に接続されている。

一対の電極２４１ａ、２４１ｂのうち、誘電膜２４０の内周側に配置された電極２４１ｂは、誘電膜２４０の内周面の全面を覆っている。また、電極２４１ｂは、誘電膜２４０の内周面下端部から下端面を介して外周面下端部まで延在している。

一方、一対の電極２４１ａ、２４１ｂのうち、誘電膜２４０の外周側に配置された電極２４１ａは、誘電膜２４０の外周面の中間部を覆っている。すなわち、誘電膜２４０上端部において、外周側の電極２４１ａは上端部材３３から、所定間隔離間して配置されている。並びに、誘電膜２４０下端部において、外周側の電極２４１ａは、内周側に連なる電極２４１ｂから、所定間隔離間して配置されている。

伸縮部材２４の上端内径側には、線材９０の下端が挿入されている。一方、伸縮部材２４の上端外周面には、リング状の上端部材３３が加締め固定されている。上端部材３３は、線材９０と伸縮部材２４とが分離するのを抑制している。上端部材３３は、線材９０を介して、上方部材（図略）に固定されている。

伸縮部材２４の下端内径側には、錘３２の上端が挿入されている。一方、伸縮部材２４の下端外周面には、リング状の下端部材３４が加締め固定されている。下端部材３４は、錘３２と伸縮部材２４とが分離するのを抑制している。錘３２は、アクチュエータ素子２に、下向きの付勢力を加えている。

［アクチュエータの製造方法］
次に、本実施形態のアクチュエータの製造方法について説明する。本実施形態のアクチュエータの製造方法は、伸縮部材作製工程と、上下端部材取付工程と、を有している。伸縮部材作製工程においては、まず、原料ポリマーのＨ−ＮＢＲ（日本ゼオン社製「Ｚｅｔｐｏｌ（登録商標）００２０」）１００重量部と、加工助剤のステアリン酸（花王社製「ルナック（登録商標）Ｓ３０」）１重量部と、架橋剤の硫黄（鶴見化学工業社製「サルファックスＴ−１０」）０．８８重量部と、加硫促進助剤の酸化亜鉛（堺化学工業社製）５重量部と、加硫促進剤のテトラエチルチウラムジスルフィド（三新化学社製「サンセラー（登録商標）ＴＥＴ−Ｇ」）２．１重量部、およびＮ−シクロヘキシル−２−ベンゾチアジルスルフェンアミド（同社製「サンセラーＣＺ−Ｇ」）１重量部とを、ロール練り機にて混練りする。

次いで、この混練物を押出機（ヘッド部は１００℃に設定）に通し、内径（直径）１．６ｍｍ、外径（直径）２．０ｍｍのチューブを成形する。それから、当該チューブを、１７０℃のオーブン中で３０分間加硫させる。このようにして、誘電膜２４０を作製する。

続いて、誘電膜２４０の内周側に、カーボンブラックとエラストマーとを混合した溶液を通過させ、誘電膜２４０の内周面に、当該溶液を付着させる。並びに、誘電膜２４０の外周面に、同じ溶液を塗布する。この際、外周面の下端付近に、リング状の塗り残し部を確保する。そして、塗り残し部の下方部分と、誘電膜２４０内周面の溶液付着部分とを塗り繋ぐ。その後、誘電膜２４０を風乾し、１７０℃のオーブン中で３０分間加熱する。

このようにして、誘電膜２４０の外周面の塗り残し部の上方に電極２４１ａを、誘電膜２４０の内周面、および外周面の塗り残し部の下方に電極２４１ｂを、それぞれ形成し、伸縮部材２４が完成する。

上下端部材取付工程においては、完成した伸縮部材２４（長さ２００ｍｍ）の下端に、下端部材３４を介して、錘（重さ５０ｇ）３２を連結する。同様に、完成した伸縮部材２４の上端に、上端部材３３を介して、線材９０を連結する。このようにして、アクチュエータ１の製造および取付が完了する。

［作用効果］
次に、本実施形態のアクチュエータの作用効果について説明する。本実施形態のアクチュエータは、構成が共通する部分については、第一実施形態のアクチュエータと同様の作用効果を有する。

本実施形態のアクチュエータ１の電極２４１ａ、２４１ｂに電圧を印加し、錘３２の変位量を測定した。１Ｈｚにて７．５ｋＶまで絶縁破壊することなく電圧を印加することができ、大きな変位量を得ることができた。本実施形態のアクチュエータ１、誘電膜２４０は、例えば人工筋肉として好適である。

＜第三実施形態＞
本実施形態は、本発明のアクチュエータをポンプとして具現化したものである。

［ポンプの構成］
まず、本実施形態のポンプの構成について説明する。図５に、本実施形態のポンプの斜視図を示す。図６に、同ポンプの分解軸方向断面図を示す。図７に、同ポンプのダイヤフラム部材の分解斜視図を示す。図８に、同ポンプのオフ状態における軸方向断面図を示す。図９に、同ポンプのオン状態における軸方向断面図を示す。

ポンプ６は、作動用ハウジング部材６０と、駆動用ハウジング部材６１と、ダイヤフラム部材６２と、付勢部材６３と、を備えている。図８、図９に示すように、ポンプ６は熱源用冷却回路Ｃの一部を構成している。熱源用冷却回路Ｃには、冷却液が循環している。

作動用ハウジング部材６０は、アクリル樹脂製であって、下方に開口する有底円筒状を呈している。すなわち、作動用ハウジング部材６０の下端には、作動用開口部６００が配置されている。また、作動用ハウジング部材６０の内部には、作動用流体室６０１が区画されている。また、作動用ハウジング部材６０の上底壁には、吸入筒部６０２および排出筒部６０３が突設されている。吸入筒部６０２と排出筒部６０３とは、上底壁の中心を挟んで、１８０°対向して配置されている。吸入筒部６０２および排出筒部６０３は、共に短軸円筒状を呈している。吸入筒部６０２先端には、吸入口６０２ａが開設されている。吸入口６０２ａは、熱源用冷却回路Ｃの吸入側逆止弁Ｖ１下流側に接続されている。排出筒部６０３先端には、排出口６０３ａが開設されている。排出口６０３ａは、熱源用冷却回路Ｃの排出側逆止弁Ｖ２上流側に接続されている。作動用ハウジング部材６０の側周壁外面には、リング状のフランジ部６０４が形成されている。フランジ部６０４には、上下方向に延びるボルト貫通孔６０４ａが穿設されている。ボルト貫通孔６０４ａは、１８０°対向して、一対配置されている。

駆動用ハウジング部材６１は、アクリル樹脂製であって、円筒状を呈している。駆動用ハウジング部材６１の上端には、駆動用開口部６１０が配置されている。駆動用ハウジング部材６１と作動用ハウジング部材６０とは、駆動用開口部６１０と作動用開口部６００との間に、ダイヤフラム部材６２および付勢部材６３を挟持した状態で、上下方向に対向して配置されている。駆動用ハウジング部材６１の側周壁外面には、リング状のフランジ部６１４が形成されている。フランジ部６１４には、上下方向に延びるボルト貫通孔６１４ａが穿設されている。ボルト貫通孔６１４ａは、１８０°対向して、一対配置されている。一対のボルト貫通孔６１４ａは、作動用ハウジング部材６０の一対のボルト貫通孔６０４ａと、上下方向に対向して配置されている。これらボルト貫通孔６０４ａ、６１４ａには、下方から上方に向かって、ボルト６１５が貫通している。ボルト６１５の貫通端（上端）には、ナット６１６が螺着されている。これらボルト６１５およびナット６１６により、駆動用ハウジング部材６１のフランジ部６１４と作動用ハウジング部材６０のフランジ部６０４とは、連結されている。

ダイヤフラム部材６２は、プラス電極６２０と、マイナス電極６２１と、誘電膜６２２と、が積層されて形成されている。プラス電極６２０およびマイナス電極６２１は、円形膜状を呈している。プラス電極６２０およびマイナス電極６２１は、誘電膜６２２の伸縮を規制しないように、誘電膜６２２と共に変形する。プラス電極６２０は、スイッチＳを介して、電源のプラス側に接続されている。マイナス電極６２１は、電源のマイナス側に接続されている。

誘電膜６２２は、円形膜状を呈している。誘電膜６２２は、プラス電極６２０およびマイナス電極６２１よりも、若干大径である。誘電膜６２２は、プラス電極６２０とマイナス電極６２１との間に、介装されている。すなわち、上下方向に隣り合う一対のプラス電極６２０およびマイナス電極６２１により、誘電膜６２２に電圧が印加される。

なお、誘電膜６２２、プラス電極６２０およびマイナス電極６２１の材質は、第二実施形態と同様である。誘電膜６２２は、上記所定の原料を混練した混練物をプレス加硫して、厚さ０．２ｍｍのフィルム状に作製した。プラス電極６２０およびマイナス電極６２１は、バーコート法により、各々厚さ１０μｍのフィルム状に作製した。

ダイヤフラム部材６２は、駆動用ハウジング部材６１の駆動用開口部６１０を覆っている。ダイヤフラム部材６２は、クランプ部材６１７により、駆動用ハウジング部材６１の外周面に締め付け固定されている。

付勢部材６３は、ゴム製であって、円形膜状を呈している。付勢部材６３の円中心部分には、下方に突出する半球部６３０が形成されている。付勢部材６３は、作動用ハウジング部材６０の作動用開口部６００を覆っている。付勢部材６３は、クランプ部材６０７により、作動用ハウジング部材６０の外周面に締め付け固定されている。

［本実施形態のポンプの組付方法］
次に、本実施形態のポンプ６の組付方法について簡単に説明する。まず、駆動用ハウジング部材６１の駆動用開口部６１０に、クランプ部材６１７を用いて、ダイヤフラム部材６２を固定する。なお、この際、ダイヤフラム部材６２を、外周縁が二軸方向に伸張された延伸状態で、駆動用開口部６１０に固定する。ダイヤフラム部材６２の延伸率（後述する式（１）参照）は、１００％である。続いて、作動用ハウジング部材６０の作動用開口部６００に、クランプ部材６０７を用いて、付勢部材６３を固定する。

次いで、作動用開口部６００（つまり付勢部材６３）と、駆動用開口部６１０（つまりダイヤフラム部材６２）とを、上下方向から突き合わせる。この際、ダイヤフラム部材６２は、付勢部材６３の半球部６３０により押圧され、下方に弾性変形する。一方、付勢部材６３は、ダイヤフラム部材６２により押圧され、上方に弾性変形する。ダイヤフラム部材６２と付勢部材６３とは、双方の弾性力が釣り合う位置で停止する。それから、ボルト６１５およびナット６１６により、駆動用ハウジング部材６１のフランジ部６１４と、作動用ハウジング部材６０のフランジ部６０４と、を連結する。

その後に、吸入筒部６０２の吸入口６０２ａを熱源用冷却回路Ｃの吸入側逆止弁Ｖ１下流側に、排出筒部６０３の排出口６０３ａを熱源用冷却回路Ｃの排出側逆止弁Ｖ２上流側に、それぞれ接続する。このようにして、本実施形態のポンプ６は組み付けられる。

［本実施形態のポンプの動き］
次に、本実施形態のポンプ６の動きについて説明する。オフ状態においては、スイッチＳが開成されている。このため、ダイヤフラム部材６２の誘電膜６２２には、電圧が印加されていない。したがって、ダイヤフラム部材６２は、図８に示すように、ダイヤフラム部材６２の弾性力（上向き）と、付勢部材６３の弾性力（下向き）と、ダイヤフラム部材６２および付勢部材６３および冷却液の重さ（下向き）と、が釣り合う位置で停止している。

スイッチＳが閉成されると、オン状態になり、ダイヤフラム部材６２は、膜展開方向に伸張する。しかしながら、ダイヤフラム部材６２の外周部は、作動用開口部６００と駆動用開口部６１０との間に、挟持されている。このため、ダイヤフラム部材６２は、伸張分に応じて、付勢部材６３の弾性力、ダイヤフラム部材６２および付勢部材６３および冷却液の重さにより、下方に突出する。すなわち、図９に示すように、オフ状態（図８）と比較して、ダイヤフラム部材６２は、下方に突出する。ダイヤフラム部材６２が下方に突出すると、その分、作動用流体室６０１の容積が大きくなる。このため、吸入側逆止弁Ｖ１が開き（排出側逆止弁Ｖ２は閉じている）、吸入口６０２ａを介して、熱源用冷却回路Ｃから作動用流体室６０１に、冷却液が流入する。

再びスイッチが開成されると、オン状態からオフ状態に切り替わる。このため、ダイヤフラム部材６２が、付勢部材６３の弾性力、ダイヤフラム部材６２および付勢部材６３および冷却液の重さに抗して、上方に復動する。したがって、作動用流体室６０１の容積が小さくなる。作動用流体室６０１の容積が小さくなると、排出側逆止弁Ｖ２が開き（吸入側逆止弁Ｖ１は閉じている）、排出口６０３ａを介して、作動用流体室６０１から熱源用冷却回路Ｃに、冷却液が流出する。

以上説明したように、本実施形態のポンプ６は、スイッチの開閉を繰り返すことにより、オフ状態とオン状態とを交互に発生させ、冷却液を熱源用冷却回路Ｃに循環させている。循環する冷却液は、ポンプ６出側で熱源を冷却する。熱源との熱交換で高温になった冷却液は、放熱器で冷却され低温に戻る。低温に戻った冷却液は、ポンプ６に流入し、再びポンプ６出側で熱源を冷却する。このようにして、冷却液は、熱源用冷却回路Ｃを循環している。

［作用効果］
次に、本実施形態のポンプ６の作用効果について説明する。本実施形態のポンプ６によると、誘電膜６２２の電歪特性を利用して駆動力を取り出している。このため、モーターなどにより駆動力を取り出す場合と比較して、消費電力を小さくすることができる。また、駆動時の騒音を低減することができる。

また、本実施形態のポンプ６によると、誘電膜６２２の絶縁破壊強度が大きいため、より高い電圧を印加することができ、より大きな変位量を得ることができる。また、誘電膜６２２の強度が大きいため、出力も大きい。具体的には、１５Ｈｚにて３．５ｋＶまで絶縁破壊することなく電圧を印加することができ、大きな吐出液量を得ることができた。

また、本実施形態のポンプ６によると、プラス電極６２０およびマイナス電極６２１が、誘電膜６２２の伸縮を規制しないように伸縮可能である。このため、所望のストロークを確保しやすい。

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

＜誘電膜の製造＞
（１）Ｈ−ＮＢＲ膜の製造
架橋剤として有機過酸化物を使用し、その配合量を変えて四種類のＨ−ＮＢＲ膜を製造した。まず、原料ポリマーのＨ−ＮＢＲ（日本ゼオン社製「Ｚｅｔｐｏｌ１０００Ｌ」；結合ＡＮ量＝４４重量％）１００重量部と、架橋剤のジクミルパーオキサイド（日本油脂社製「パークミル（登録商標）Ｄ−４０」、有機過酸化物成分４０％）６重量部と、をロール練り機にて混練りし、Ｈ−ＮＢＲ組成物を調製した。調製したＨ−ＮＢＲ組成物を薄いシート状に成形した後、金型に充填し、１５０℃で約３５分間プレス架橋することにより、Ｈ−ＮＢＲ膜を得た。得られたＨ−ＮＢＲ膜の架橋密度は５．４９×１０^−６ｍｏｌ／ｃｍ^３であった。このＨ−ＮＢＲ膜を実施例１のＨ−ＮＢＲ膜とした。

次に、架橋剤（ジクミルパーオキサイド）の配合量のみを変更し、上記同様にしてＨ−ＮＢＲ膜を製造した。架橋剤の配合量は、１２重量部、１８重量部、２４重量部の三種類とした。これらのＨ−ＮＢＲ膜を、架橋剤の配合量の少ない方から順に、実施例２、実施例３、実施例４のＨ−ＮＢＲ膜とした。また、架橋剤の配合量を３重量部として製造したＨ−ＮＢＲ膜を、比較例１のＨ−ＮＢＲ膜とした。表１に、各々のＨ−ＮＢＲ膜について、使用した原料、その配合量、架橋密度およびヤング率の値を示す。なお、表１には、後述するＮＢＲ膜（実施例５〜７）についても同様に示す。

（２）ＮＢＲ膜の製造
架橋剤として硫黄を使用し、その配合量を変えて三種類のＮＢＲ膜を製造した。まず、原料ポリマーのＮＢＲ（日本ゼオン社製「Ｎｉｐｏｌ（登録商標）ＤＮ００３」；結合ＡＮ量＝５０重量％）１００重量部と、加硫促進助剤の酸化亜鉛（堺化学工業社製）５重量部とを、ロール練り機にて混練りした。続いて、架橋剤の硫黄（鶴見化学工業社製「サルファックスＴ−１０」）０．４４重量部と、加硫促進剤のテトラエチルチウラムジスルフィド（三新化学社製「サンセラーＴＥＴ−Ｇ」）２．１重量部、およびＮ−シクロヘキシル−２−ベンゾチアジルスルフェンアミド（同社製「サンセラーＣＺ−Ｇ」）１重量部と、を添加して、ロール練り機にて混合し、分散させて、ＮＢＲ組成物を調製した。調製したＮＢＲ組成物を薄いシート状に成形した後、金型に充填し、１５０℃で約１８分間プレス架橋することにより、ＮＢＲ膜を得た。得られたＮＢＲ膜の架橋密度は１．２６×１０^−４ｍｏｌ／ｃｍ^３であった。このＮＢＲ膜を実施例５のＮＢＲ膜とした。

次に、架橋剤（硫黄）の配合量のみを０．８８重量部、２．２重量部に変更し、上記同様にしてＮＢＲ膜を製造した。これらのＮＢＲ膜を、実施例６、実施例７のＮＢＲ膜とした。

＜アクチュエータの評価＞
製造した各々の膜を誘電膜としてアクチュエータを構成し、同アクチュエータの変位量と力の大きさを測定した。

（１）実験装置および実験方法
まず、実験装置および実験方法について説明する。実施例および比較例の各々の膜から、所定の大きさの誘電膜を作製した。作製した誘電膜の上下面に、導電性カーボンとオイルとを混合した導電性ペーストを塗布して電極を形成して、アクチュエータを作製した。以下、作製されたアクチュエータを、誘電膜の種類に対応させて、実施例１〜７または比較例１のアクチュエータと称す。図１０に、作製したアクチュエータの上面図を示す。図１１に、図１０中ＸＩ−ＸＩ断面図を示す。

図１０、図１１に示すように、アクチュエータ３は、誘電膜３０と一対の電極３１ａ、３１ｂとを備えている。誘電膜３０は、直径７０ｍｍの円形の薄膜状を呈している。誘電膜３０は、延伸率１００％で二軸方向に延伸された状態で配置されている。ここで、延伸率は、次式（１）により算出した値である。
延伸率（％）＝｛√（Ｓ／Ｓ_０）−１｝×１００・・・（１）
［Ｓ_０：延伸前（自然状態）の誘電膜面積、Ｓ：延伸後の誘電膜面積］
一対の電極３１ａ、３１ｂは、誘電膜３０を挟んで上下方向に対向するよう配置されている。電極３１ａ、３１ｂは、直径約２７ｍｍの円形の薄膜状を呈しており、各々、誘電膜３０と略同心円状に配置されている。電極３１ａの外周縁には、拡径方向に突出する端子部３１０ａが形成されている。端子部３１０ａは矩形板状を呈している。同様に、電極３１ｂの外周縁には、拡径方向に突出する端子部３１０ｂが形成されている。端子部３１０ｂは矩形板状を呈している。端子部３１０ｂは、端子部３１０ａに対して、１８０°対向する位置に配置されている。端子部３１０ａ、３１０ｂは、各々、導線を介して電源４に接続されている。

電極３１ａ、３１ｂ間に電圧を印加すると、電極３１ａ、３１ｂ間に静電引力が生じて、誘電膜３０を圧縮する。これにより、誘電膜３０の厚さは薄くなり、拡径方向に伸長する。この時、電極３１ａ、３１ｂも、誘電膜３０と一体となって拡径方向に伸長する。電極３１ａには、予め、マーカー５０が取り付けられている。マーカー５０の変位を、変位計５により測定し、アクチュエータ３の変位量とした。

（２）実験結果
次に、実験結果について説明する。図１２に、実施例および比較例の各アクチュエータにおける印加電圧に対する変位率を示す。変位率は次式（２）により算出した。図１２の縦軸は、変位率を基準値ａの倍数で示している。
変位率（％）＝（変位量／電極の半径）×１００・・・（２）
図１２のグラフに示すように、Ｈ−ＮＢＲ膜を用いたアクチュエータでは、比較例１→実施例１→実施例２→実施例３の順に、また、ＮＢＲ膜を用いたアクチュエータでは、実施例５→実施例６→実施例７の順に、印加できる電圧が大きくなった。つまり、絶縁破壊強度が大きくなった。言い換えると、Ｈ−ＮＢＲ膜、ＮＢＲ膜のいずれにおいても、架橋剤の配合量を増加して架橋密度を大きくすると、絶縁破壊強度が大きくなった。これにより、変位量も大きくなる傾向にあった。特に、過酸化物架橋によるＨ−ＮＢＲ膜を用いた実施例２、３のアクチュエータでは、絶縁破壊強度が大きく、大きな変位量が得られた。なお、実施例３のアクチュエータと比較して、実施例４のアクチュエータにおいて印加できる電圧が小さくなったのは、Ｈ−ＮＢＲ膜のヤング率が大きく、硬くなり過ぎたためと考えられる。

また、実施例および比較例の各アクチュエータについて、変位率にヤング率を乗じて発生する力を見積もった。結果を図１３に示す。図１３の縦軸は、力を基準値ｂの倍数で示している。

図１３に示すように、Ｈ−ＮＢＲ膜を用いたアクチュエータでは、比較例１→実施例１→実施例２→実施例３の順に、また、ＮＢＲ膜を用いたアクチュエータでは、実施例５→実施例６→実施例７の順に、絶縁破壊強度が大きくなると共に、出力される力が大きくなる傾向にあった。

本発明の誘電膜は、例えば、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉、電子部品冷却用や医療用等の小型ポンプ、医療用器具等に用いられるアクチュエータに有用である。また、本発明の誘電膜を用いたアクチュエータは、モータ等機械式アクチュエータおよび圧電素子アクチュエータ等のすべてのアクチュエータの代替として利用することができる。

第一実施形態のアクチュエータの断面模式図であって、（ａ）はオフ状態、（ｂ）はオン状態を各々示す。 第二実施形態のアクチュエータの斜視図である。 同アクチュエータの分解斜視図である。 同アクチュエータの軸方向断面図である。 第三実施形態のポンプの斜視図である。 同ポンプの分解軸方向断面図である。 同ポンプのダイヤフラム部材の分解斜視図である。 同ポンプのオフ状態における軸方向断面図である。 同ポンプのオン状態における軸方向断面図である。 評価実験に使用したアクチュエータの上面図である。 図１０中のＸＩ−ＸＩ断面図である。 実施例および比較例の各アクチュエータにおける印加電圧に対する変位率を示すグラフである。 実施例および比較例の各アクチュエータにおける印加電圧に対する力を示すグラフである。

符号の説明

１：アクチュエータ ２：アクチュエータ素子
２０：誘電膜 ２１ａ、２１ｂ：電極 ２２：電源
２４：伸縮部材 ２４０：誘電膜 ２４１ａ、２４１ｂ：電極
３２：錘 ３３：上端部材 ３４：下端部材 ９０：線材
３：アクチュエータ ３０：誘電膜 ３１ａ、３１ｂ：電極
３１０ａ、３１０ｂ：端子部 ４：電源 ５：変位計 ５０：マーカー
６：ポンプ
６０：作動用ハウジング部材 ６００：作動用開口部 ６０１：作動用流体室
６０２：吸入筒部 ６０２ａ：吸入口 ６０３：排出筒部 ６０３ａ：排出口
６０４：フランジ部 ６０４ａ：ボルト貫通孔 ６０７：クランプ部材
６１：駆動用ハウジング部材 ６１０：駆動用開口部 ６１４：フランジ部
６１４ａ：ボルト貫通孔 ６１５：ボルト ６１６：ナット ６１７：クランプ部材
６２：ダイヤフラム部材 ６２０：プラス電極 ６２１：マイナス電極 ６２２：誘電膜
６３：付勢部材 ６３０：半球部
Ｃ：熱源用冷却回路 Ｓ：スイッチ Ｖ１：吸入側逆止弁 Ｖ２：排出側逆止弁

Claims (7)

1. 複数の電極間に介装され、複数の該電極間に印加される電圧の変化により伸縮すると共に、架橋密度が５．４９×１０^−６ｍｏｌ／ｃｍ^３以上のニトリル系ゴムからなるアクチュエータ用誘電膜。
2. 前記ニトリル系ゴムは、硫黄または有機過酸化物から選ばれる一種以上の架橋剤により架橋されてなる請求項１に記載のアクチュエータ用誘電膜。
3. 前記架橋剤は硫黄であり、
   該架橋剤の配合量は、前記ニトリル系ゴムの架橋前ゴム成分１００重量部に対して０．４４重量部以上２．２重量部以下である請求項２に記載のアクチュエータ用誘電膜。
4. 前記架橋剤は有機過酸化物から選ばれる一種以上であり、
   該架橋剤の配合量は、前記ニトリル系ゴムの架橋前ゴム成分１００重量部に対して２．４重量部以上９．６重量部以下である請求項２に記載のアクチュエータ用誘電膜。
5. 前記ニトリル系ゴムは、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）および水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）から選ばれる一種以上である請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のアクチュエータ用誘電膜。
6. 誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備えてなり、
   該誘電膜は、架橋密度が５．４９×１０^−６ｍｏｌ／ｃｍ^３以上のニトリル系ゴムからなることを特徴とするアクチュエータ。
7. ポンプまたは人工筋肉を構成する請求項６に記載のアクチュエータ。

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