JP2016226256A - 電歪素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】肉薄で均一な厚さを備え且つ伸縮可能な膜電極を備える電歪素子を容易に形成することができる電歪素子の製造方法を提供する。
【解決手段】電歪素子１の製造方法は、誘電膜２のスクリーン印刷が施される面の反対側の面に、スクリーン印刷が施される領域を囲むように第１治具１２を当接してスクリーン印刷を行うことにより、膜電極３を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電歪素子の製造方法に関する。
従来、ＰＺＴ絶縁膜からなる誘電膜上に膜電極を備える誘電体構造体が知られている。前記誘電膜及び膜電極は、パターンニングによって形成されている（例えば、特許文献１参照）。
一方、エラストマーからなる誘電膜の表裏両面に電極を接続して電圧を印加すると、前記誘電膜は、静電気力がもたらす界面分極からのマクスウェル応力（圧電逆効果）によって圧縮力を受け、厚さ方向に縮み、横方向（厚さ方向に直交する方向）に伸張することが知られている。近年、誘電膜と電極とを備え、この原理によって駆動する電歪素子が検討されている。
エラストマーからなる誘電膜を備える電歪素子として、前記誘電膜の外周縁より内方の表裏両面に配置され、前記誘電膜の伸縮に追従して伸縮可能な膜電極と、前記誘電膜の片面の外周縁に配置され、前記誘電膜を伸張状態に保持する枠型フレームを備える電歪素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
前記電歪素子は、前記集電体を介して各膜電極に正又は負の電圧が印加されると、前記誘電膜が厚さ方向に縮み横方向に伸張するが、前記枠型フレームによって前記誘電膜の外周縁が保持されていることにより、前記誘電膜は外方への伸張が規制されて内方へ伸張し、全体として略山型形状をなして一方の面側に突出する。その後、伸長している前記誘電膜は、前記印加が解除されることによって略元の形状に復元される。
前記膜電極としては、導電性に加え、前記誘電膜の伸張を阻害することなく前記誘電膜の伸張しようとする挙動に追従するように伸縮性に優れることが望まれる。
そこで、前記エラストマーからなる誘電膜を備える電歪素子において、伸張状態に保持された誘電膜へマスキング処理を施し導電性材料をスプレー塗装等によってパターニングすることにより、膜電極を形成することが考えられる。
特開２００８−４５７２号公報 特開２００３−１７４２０５号公報
しかしながら、優れた導電性を確保するために、前記スプレー塗装等によって前記膜電極を均一な厚さに形成しようとすると、前記膜電極自体の柔軟性や粘着性のために、熟練した技術者であっても肉薄に形成することが困難であるという不都合がある。前記膜電極が肉厚であると、伸縮性を確保することができないため、前記誘電膜の伸張しようとする挙動に追従することができず、前記誘電膜の伸張を阻害したり、前記膜電極自体が損傷する虞がある。
本発明は、前記事情に鑑み、肉薄で均一な厚さを備え且つ伸縮可能な膜電極を備える電歪素子を容易に形成することができる電歪素子の製造方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、エラストマーからなる誘電膜と、前記誘電膜の外周縁より内方の少なくとも一方の面に形成され、前記誘電膜の伸縮に追従して伸縮可能な膜電極と、前記誘電膜の少なくとも一方の面の外周縁に配設され、前記誘電膜を伸張状態に保持する枠型フレームとを備える電歪素子の製造方法において、エラストマーからなる誘電膜を伸張し、前記誘電膜の片面の外周縁に枠型フレームを配置することにより前記誘電膜を伸張状態に保持する工程と、伸張状態の前記誘電膜の少なくとも片面に、導電性材料を含む導電ペーストをスクリーン印刷することにより、前記膜電極を形成する工程とを備え、前記膜電極を形成する工程は、前記スクリーン印刷を、前記誘電膜のスクリーン印刷が施される面の反対側の面に、前記スクリーン印刷が施される領域を囲むように第１治具を当接して行うことを特徴とする。
本発明の製造方法では、まず、エラストマーからなる誘電膜を伸張し、前記誘電膜の片面の外周縁に枠型フレームを配置することにより前記誘電膜を伸張状態に保持する。次に、伸張状態の前記誘電膜の少なくとも片面に、導電性材料を含む導電ペーストをスクリーン印刷することにより、前記膜電極を形成する。このとき、前記誘電膜のスクリーン印刷が施される面の反対側の面に、前記スクリーン印刷が施される領域を囲むように第１治具を当接することによって前記誘電膜を緊張させた状態で、前記スクリーン印刷を行う。
本発明の製造方法によれば、前記第１治具によって前記誘電膜を緊張させた状態で前記スクリーン印刷を行うことにより、肉薄で均一な厚さを備え且つ伸縮可能な膜電極を備える電歪素子を容易に形成することができる。
また、本発明の電歪素子の製造方法において、前記膜電極を形成する工程は、前記スクリーン印刷を、前記誘電膜のスクリーン印刷が施される面の反対側の面に、第１治具の内方に設けられ、前記膜電極に対応する所定の形状の外周縁に間隙を存して沿う形状を有する第２治具を当接して行うことが好ましい。前記構成によれば、前記第２治具によって、前記スクリーン印刷が施される領域の前記膜電極が形成される部分が緊張させられるので、より良好な印刷面を得ることができる。
また、本発明の電歪素子の製造方法において、前記膜電極を形成する工程は、前記スクリーン印刷を、第３治具によって、前記枠型フレームを前記誘電膜のスクリーン印刷が施される面より下方に押圧して行うことが好ましい。前記第３治具によって前記枠型フレームを下方に押圧することにより、前記枠型フレームが前記スクリーン印刷の妨げになることを防ぐことができる。
また、本発明の電歪素子の製造方法において、各治具は、上方に膨出する曲面からなる上端面を備え、前記曲面の頂部で前記誘電膜に接触することが好ましく、また、前記誘電膜への当接面が前記誘電膜に対して滑性を有することが好ましい。前記構成によれば、各治具を前記誘電膜に当接させて前記誘電膜を緊張させるとき、前記誘電膜の摩擦力を小さくすることができる。また、前記誘電膜が接着層を備える場合には、各治具の前記誘電膜の前記接着層への接着を防ぐことができる。
また、本発明の電歪素子の製造方法において、前記膜電極を形成する工程は、前記誘電膜の厚さが２０〜１００μｍの範囲となるように前記誘電膜を緊張させることが好ましい。前記構成によれば、良好な印刷面を確実に得ることができる。
前記誘電膜を緊張させたときの厚さが２０μｍを下回る場合には、前記膜電極が機械剛性の観点で支配的となり電歪素子として使用する際に十分な伸縮性を得られないことがあり、１００μｍを超える場合には、電歪素子として使用する際に所望のマクスウェル応力を得られないことがある。
さらに、本発明の電歪素子の製造方法において、前記誘電膜を伸張状態に保持する工程は、前記枠型フレームとして第１枠型フレームを配置し、前記製造方法は、前記膜電極を形成する工程の後に、前記誘電膜上に形成された前記膜電極の外周縁より外方であって且つ前記第１枠型フレームの内方に、前記誘電膜を伸張状態に保持する第２枠型フレームを配置する工程と、前記誘電膜を前記第２枠型フレームの外周縁に沿って裁断する工程とを備えるようにしてもよい。
また、本発明の電歪素子の製造方法において、前記誘電膜として、シリコーン、ポリウレタン、ポリエチレンからなる群から選択される１種の樹脂材料を含むものを用いることができる。
また、前記誘電膜は、少なくとも一方の面に、前記誘電膜を構成する樹脂材料と同一の樹脂材料を主剤とする接着剤又はアクリル接着剤からなる接着層を備えていてもよい。この場合、前記接着層によって前記膜電極を前記誘電膜に良好に接着することができ、さらに、前記接着層は、前記誘電膜を構成する樹脂材料と同等以上の伸縮性及び比誘電率を備えることとなるので、前記誘電膜の伸縮性及び比誘電率を阻害することがない。
また、前記導電性材料として、例えば、白金担持炭素材料、銀、銅のいずれかを用いることができる。
また、前記枠型フレームとして、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）、ポリアセタール、ポリエーテルケトン、ガラス強化樹脂からなる群から選択される１種の樹脂材料、又は、表面に圧縮層を有する強化ガラス、セラミックスからなる群から選択される１種の無機材料を用いることができる。
本発明の実施形態の製造方法により製造される電歪素子を示す平面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図。 Ａは誘電膜を伸張状態に保持する工程を示す図、Ｂは誘電膜にスクリーン印刷する工程を示す図、Ｃは片面にスクリーン印刷された誘電膜を示す図。 Ａは第１治具の平面図、ＢはＡのＢ−Ｂ線における断面図。 Ａは片面にスクリーン印刷された誘電膜を示す図、Ｂは誘電膜にスクリーン印刷する工程を示す図、Ｃは両面にスクリーン印刷された誘電膜を示す図。 Ａは誘電膜を伸張状態に保持する工程を示す図、Ｂは誘電膜にスクリーン印刷する工程を示す図、Ｃは両面にスクリーン印刷された誘電膜を示す図。
図１及び図２に示す電歪素子１は、エラストマーからなる誘電膜２と、誘電膜２の表裏両面において外周縁より内方に形成された膜電極３と、誘電膜２を伸張状態に保持する枠型フレーム４と、膜電極３に給電する集電体５とを備える。
誘電膜２は、角部２ａに丸みを有し、中心に貫通孔２ｂを有する略正方形状であるが、略正方形に代えて環状であってもよい。
膜電極３は、環状であって、誘電膜２の角部２ａに対向する部分が外方に向かって突出する突出部３ａを２つ有する形状であって、後述するように、スクリーン印刷によって例えば８〜５０μｍの厚さに形成されている。誘電膜２の上面側に形成された膜電極３は、突出部３ａが図１の左右方向に延びていて、誘電膜２の下面側に形成された膜電極３は、突出部３ａが図１の上下方向に延びている。
枠型フレーム４は、例えばＡＢＳ、ポリアセタール、ポリエーテルケトン、ガラス強化樹脂等の絶縁材料からなり、誘電膜２の片面の外周縁に接着され、誘電膜２を伸張状態に保持している。
次に、電歪素子１の製造方法について説明する。
〔第１実施形態〕
まず、図３Ａに示すように、エラストマーからなる誘電膜２の上面の外周縁に枠型フレーム４を配設し、枠型フレーム４によって誘電膜２を伸張状態に保持させる。
誘電膜２に用いるエラストマーとして、例えば、シリコーン、ポリウレタン、ポリエチレンを含む樹脂材料を用いることができ、誘電膜２の誘電率を調整するために、チタン酸バリウム等の誘電性物質をさらに含んでもいてもよい。また、前記樹脂材料の片面又は両面に、誘電膜２を構成する樹脂材料と同一の樹脂材料を主剤とする接着剤又はアクリル接着剤からなる接着層が設けられていてもよい。本実施形態では、アクリル接着剤からなる接着層が設けられたポリエチレンフィルムからなるシート（３Ｍ、商品名ＶＨＢ４９１０（厚さ１０００μｍ）、又は、商品名ＶＨＢ４９０５（厚さ５００μｍ））を用いる。本実施形態では、誘電膜２の前記接着層側の面に枠型フレーム４を配設する。
次に、図３Ｂに示すように、作業台１１上に、枠型フレーム４の内周よりも小さく且つ誘電膜２に形成される膜電極３よりも大きい第１治具１２を立設し、第１治具１２の内方に２つの第２治具１３を互いに対向させて立設する。
図４Ａに示すように、第１治具１２は、枠型フレーム４の内周よりも小さく且つ誘電膜２に形成される膜電極３よりも大きい矩形の枠型形状である。第２治具１３は、略Ω字形状であって、第１治具１２の内方に立設したときに、膜電極３に対応する所定の形状（本実施形態では、環状の外周縁に図１の左右方向に突出する２つの突出部を備える形状）の外周縁より僅かに大きい形状を有している。また、第１治具１２及び第２治具１３は、図４Ｂに示すように、上方に膨出する曲面からなる上端面を備え、前記上端面には誘電膜２に対して滑性を有するマスキングテープ（図示せず）が貼られている。
続いて、図３Ｂに示すように、前記接着層に枠型フレーム４が接着された誘電膜２を、枠型フレーム４が作業台１１を向くように反転させ、誘電膜２を第１治具１２及び第２治具１３の上端に載置する。このとき、第１治具１２及び第２治具１３は、前記曲面の頂部で誘電膜２に接触する。
これにより、第１治具１２及び第２治具１３によって誘電膜２のスクリーン印刷が施される領域が２０〜１００μｍの範囲の厚さとなるように伸張されて緊張状態となる。また、第１治具１２及び第２治具１３の前記上端面の前記頂部で誘電膜２に接触し、前記上端面には前記マスキングテープが貼られていることから、前記誘電膜２の摩擦力を小さくする共に、第１治具１２及び第２治具１３の前記接着層への接着を防ぐことができる。
次に、枠型フレーム４の上に、内周が枠型フレーム４の内周よりも大きい第３治具１４を載置し、第３治具１４を下方に向かって押圧することにより、枠型フレーム４を第１治具１２及び第２治具１３上に位置する誘電膜２の上面よりも下方に位置させる。これにより、誘電膜２の上面にスクリーン印刷における印刷面Ｐが形成され、枠型フレーム４が印刷面Ｐの上方に位置してスクリーン印刷の妨げになることを防ぐ。
そして、この状態で、膜電極３に対応する所定の形状（本実施形態では、環状の外周縁に図３Ｂの左右方向に突出する２つの突出部を備える形状）のパターンが形成されたスクリーン（図示せず）を印刷面Ｐ上に設け、導電性材料を含む導電ペーストをインクとしてスクリーン印刷を行う。前記導電性材料を含む導電ペーストとして、例えば、白金担持炭素材料、銀、銅のいずれかを含むシリコーンを用いることができる。
このとき、誘電膜２のスクリーン印刷が施される領域が緊張状態に伸張されているので、良好な印刷面を確実に得ることができる。スクリーン印刷の結果、図３Ｃに示すように、伸張状態に保持された誘電膜２の枠型フレーム４とは反対側の面に、例えば８〜５０μｍの厚さを有する膜電極３が形成される。
次に、図５Ａに示すように、枠型フレーム４側の面に膜電極３が形成された誘電膜２を、表裏反転させつつ９０度回転させた状態とした後に、図５Ｂに示すように、誘電膜２を第１治具１２及び第２治具１３の上端に載置する。これにより、第１治具１２及び第２治具１３によって誘電膜２のスクリーン印刷が施される領域が緊張状態に伸張される。このとき、誘電膜２に印刷された膜電極３は、２つの第２治具１３の間隙に入り込むので、第１治具１２及び第２治具１３によって傷付けられることがない。
次に、誘電膜２の外周縁上に第３治具１４を載置し、第３治具１４を下方に向かって押圧することにより、枠型フレーム４を第１治具１２及び第２治具１３上に位置する誘電膜２の上面よりも下方に位置させる。これにより、誘電膜２の上面にスクリーン印刷における印刷面Ｐが形成される。
そして、この状態で前記スクリーンを印刷面Ｐ上に設け、前記導電ペーストをインクとしてスクリーン印刷を行う。この結果、図５Ｃに示すように、伸張状態に保持された誘電膜２の両面に、例えば８〜５０μｍの厚さを有する膜電極３が形成される。
次に、表裏両面に膜電極３が形成された誘電膜２の中央に貫通孔２ｂを形成し、その後、各膜電極３の突出部３ａの外周縁に集電体５を接続する。
以上により、図１に示す電歪素子１を形成することができる。
本実施形態の製造方法によれば、第１治具１２及び第２治具１３を用い誘電膜２を緊張させた状態で前記スクリーン印刷を行うことにより、肉薄で均一な厚さを備え且つ伸縮可能な膜電極３を備える電歪素子１を容易に形成することができる。
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明する。第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
まず、図６Ａに示すように、エラストマーからなる誘電膜２の上面（前記接着層側）の外周縁に第１枠型フレームとしての作業用フレーム２１を配設し、作業用フレーム２１によって誘電膜２を伸張状態に保持させる。本実施形態で用いる誘電膜２は、第１実施形態の製造方法で用いられた誘電膜２とは異なり、製造される電歪素子１よりも大きいものである。
次に、図６Ｂに示すように、作業台１１上に、作業用フレーム２１の内周よりも小さく且つ誘電膜２に形成される膜電極３よりも大きい第１治具２２を立設し、第１治具２２の内方に２つの第２治具２３を互いに対向させて立設する。第１治具２２は、第１治具１２よりも外周が大きいことを除き、第１治具１２と同様の形状を備え、第２治具２３は、第２治具１３と同様の形状を備える。
続いて、前記接着層に作業用フレーム２１が接着された誘電膜２を、作業用フレーム２１が作業台１１を向くように反転させ、誘電膜２を第１治具２２の上端に載置する。これにより、第１治具２２及び第２治具２３によって誘電膜２のスクリーン印刷が施される領域が２０〜１００μｍの範囲の厚さとなるように伸張されて緊張状態となる。さらに、作業用フレーム２１の上に、内周が作業用フレーム２１の内周よりも大きい第３治具２４を載置し、第３治具２４を下方に向かって押圧する。これにより、作業用フレーム２１を第１治具２２及び第２治具２３上に位置する誘電膜２の上面よりも下方に位置させ、誘電膜２の上面にスクリーン印刷における印刷面Ｐを形成する。
そして、この状態で、前記パターンが形成された前記スクリーンを印刷面Ｐ上に設けてスクリーン印刷を行う。
続いて、作業用フレーム２１側の面に膜電極３が形成された誘電膜２を、表裏反転させつつ９０度回転させた状態とした後に、誘電膜２を第１治具２２及び第２治具２３の上端に載置する。次に、誘電膜２の外周縁上に第３治具２４を載置し、第３治具２４を下方に向かって押圧することにより、枠型フレーム４を第１治具２２及び第２治具２３上に位置する誘電膜２の上面よりも下方に位置させて、スクリーン印刷における印刷面Ｐを形成する。そして、この状態で、前記パターンが形成された前記スクリーンを印刷面Ｐ上に設けてスクリーン印刷を行う。この結果、図６Ｃに示すように、緊張状態に伸張している誘電膜２の両面に、例えば８〜５０μｍの厚さを有する膜電極３が形成される。
次に、誘電膜２上に形成された膜電極３の外周縁より外方位置に、第２枠型フレームとしての枠型フレーム４を接着する。この枠型フレーム４は、第１実施形態の製造方法で用いた枠型フレーム４と同一である。次に、誘電膜２を枠型フレーム４の外周縁に沿って、図中の仮想線Ｃの位置で裁断する。この結果、図６Ｃに示すように、緊張状態に伸張している誘電膜２の両面に、例えば８〜５０μｍの厚さを有する膜電極３が形成される。
次に、表裏両面に膜電極３が形成された誘電膜２の中央に貫通孔２ｂを形成し、その後、各膜電極３の突出部３ａの外周縁に集電体５を接続することにより、図１に示す電歪素子１を形成することができる。
１…電歪素子、 ２…誘電膜、 ３…膜電極、 ４…枠型フレーム、第２枠型フレーム ５…集電体、 １２，２２…第１治具、 １３，２３…第２治具、 １４，２４…第３治具、 ２１…第１枠型フレーム。

Claims (11)

  1. エラストマーからなる誘電膜と、前記誘電膜の外周縁より内方の少なくとも一方の面に形成され、前記誘電膜の伸縮に追従して伸縮可能な膜電極と、前記誘電膜の少なくとも一方の面の外周縁に配設され、前記誘電膜を伸張状態に保持する枠型フレームとを備える電歪素子の製造方法において、
    エラストマーからなる誘電膜を伸張し、前記誘電膜の片面の外周縁に枠型フレームを配置することにより前記誘電膜を伸張状態に保持する工程と、
    伸張状態の前記誘電膜の少なくとも片面に、導電性材料を含む導電ペーストをスクリーン印刷することにより、前記膜電極を形成する工程とを備え、
    前記膜電極を形成する工程は、前記スクリーン印刷を、前記誘電膜のスクリーン印刷が施される面の反対側の面に、前記スクリーン印刷が施される領域を囲むように第１治具を当接して行うことを特徴とする電歪素子の製造方法。
  2. 請求項１記載の電歪素子の製造方法において、
    前記膜電極を形成する工程は、前記スクリーン印刷を、前記誘電膜のスクリーン印刷が施される面の反対側の面に、前記第１治具の内方に設けられ、前記膜電極に対応する所定の形状の外周縁に間隙を存して沿う形状を有する第２治具を当接して行うことを特徴とする電歪素子の製造方法。
  3. 請求項１又は請求項２記載の電歪素子の製造方法において、
    前記膜電極を形成する工程は、前記スクリーン印刷を、第３治具によって、前記枠型フレームを前記誘電膜のスクリーン印刷が施される面より下方に押圧して行うことを特徴とする電歪素子の製造方法。
  4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の電歪素子の製造方法において、
    各治具は、上方に膨出する曲面からなる上端面を備え、前記曲面の頂部で前記誘電膜に接触することを特徴とする電歪素子の製造方法。
  5. 請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の電歪素子の製造方法において、
    各治具は、前記誘電膜への当接面が前記誘電膜に対して滑性を有することを特徴とする電歪素子の製造方法。
  6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の電歪素子の製造方法において、
    前記膜電極を形成する工程は、前記誘電膜の厚さが２０〜１００μｍの範囲となるように前記誘電膜を緊張させることを特徴とする電歪素子の製造方法。
  7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の電歪素子の製造方法において、
    前記誘電膜を伸張状態に保持する工程は、前記枠型フレームとして第１枠型フレームを配置し、
    前記製造方法は、前記膜電極を形成する工程の後に、前記誘電膜上に形成された前記膜電極の外周縁より外方であって且つ前記第１枠型フレームの内方に、前記誘電膜を伸張状態に保持する第２枠型フレームを配置する工程と、
    前記誘電膜を前記第２枠型フレームの外周縁に沿って裁断する工程とを備えることを特徴とする電歪素子の製造方法。
  8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の電歪素子の製造方法において、
    前記誘電膜は、シリコーン、ポリウレタン、ポリエチレンからなる群から選択される１種の樹脂材料を含むことを特徴とする電歪素子の製造方法。
  9. 請求項８記載の電歪素子の製造方法において、
    前記誘電膜は、少なくとも一方の面に、前記誘電膜を構成する樹脂材料と同一の樹脂材料を主剤とする接着剤又はアクリル接着剤からなる接着層を備えることを特徴とする電歪素子の製造方法。
  10. 請求項１〜請求項９のいずれか１項記載の電歪素子の製造方法において、
    前記導電性材料は、白金担持炭素材料、銀、銅のいずれかであることを特徴とする電歪素子の製造方法。
  11. 請求項１〜請求項１０のいずれか１項記載の電歪素子の製造方法において、
    前記枠型フレームは、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）、ポリアセタール、ポリエーテルケトン、ガラス強化樹脂からなる群から選択される１種の樹脂材料、又は、表面に圧縮層を有する強化ガラス、セラミックスからなる群から選択される１種の無機材料からなることを特徴とする電歪素子。
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