JP2017158366A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】電極面を有効に利用することができるアクチュエータを提供する。【解決手段】アクチュエータ１は、正電極３と、負電極２と、これらの電極間に挟まれる電気応答性樹脂層４とを複数積層してなる。負電極２は、一枚の電極部材２０Ａを積層方向に沿ってＳ字状に折り畳むことにより形成されている。積層方向に隣接する負電極２同士の間には、正電極３がその上下両側に設けられた電気応答性樹脂層４を介して挟持されている。電極部材２０Ａは、所定の間隔で配列される複数の電極部２２と、隣接する電極部２２同士を連結する連結耳部２１とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、正電極と、負電極と、これらの電極間に挟まれる電気応答性樹脂層とを複数積層してなるアクチュエータに関する。

従来、正電極と負電極の間に電気応答性樹脂層を挟んでなる素子に電圧を印加することで、電気応答性樹脂層が変形する性質を利用したアクチュエータが知られている。この種のアクチュエータでは、変形量を増加させるために上述の素子が複数積層されて用いられている。一例として、例えば特許文献１に記載のアクチュエータでは、正電極と負電極の間に電気応答性樹脂層を挟み、同一極性の電極同士が重なるようにＳ字状に折り畳まれて積層されている。

特開２００７−２５２１３２号公報

しかし、上述の特許文献１に記載のアクチュエータでは、電極同士が折り畳まれた部分に同一極性の電極同士が直接接触しており、該電極の片面にしか電気応答性樹脂層が積層されていない。このため、電極面が有効に利用できていない問題が生じている。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、電極面を有効に利用できるアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係るアクチュエータは、正電極と、負電極と、これらの電極間に挟まれる電気応答性樹脂層とを複数積層してなるアクチュエータであって、前記正電極及び前記負電極のうち、少なくとも一方の電極は、一枚の電極部材を積層方向に沿ってＳ字状に折り畳むことにより形成され、積層方向に隣接する前記一方の電極同士の間には、他方の電極がその両側に設けられた前記電気応答性樹脂層を介して挟持されていることを特徴とする。

本発明に係るアクチュエータでは、正電極及び負電極のうち、少なくとも一方の電極が一枚の電極部材を積層方向に沿ってＳ字状に折り畳むことにより形成され、積層方向に隣接する一方の電極同士の間に他方の電極がその両側に設けられた電気応答性樹脂層を介して挟持されているので、各電極の両面を全て電極として利用することが可能になる。このため、各電極の電極面を有効に利用することができる。

また、本発明に係るアクチュエータにおいて、前記電極部材は、所定の間隔で配列される複数の電極部と、隣接する前記電極部同士を連結する連結耳部とを有し、隣接する前記電極部同士は、これらを連結する前記連結耳部の折り曲げによって互いに折り畳まれ、各電極部において、該電極部に連結される前記連結耳部と、隣接する前記電極部に連結される前記連結耳部の連結耳部同士がなす角度は、１８０°以外であることが好適である。このようにすれば、連結耳部の折り曲げにより嵩張ることを抑制しつつ、隣接する連結耳部同士の干渉を防止することができる。

本発明によれば、電極面を有効に利用することができる。

第１実施形態に係るアクチュエータを示す概略断面図である。 第１実施形態に係るアクチュエータを示す平面図である。 電極部材の展開図である。 第１実施形態に係るアクチュエータの製造方法を示す模式図である。 第２実施形態に係るアクチュエータを示す平面図である。 電極部材の展開図である。 第２実施形態に係るアクチュエータの製造方法を示す模式図である。 第３実施形態に係るアクチュエータを示す平面図である。 電極部材の展開図である。

以下、図面を参照して本発明に係るアクチュエータの実施形態を説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係るアクチュエータを示す概略断面図である。本実施形態に係るアクチュエータ１は、板状の負電極２と、メッシュ状の正電極３と、負電極２及び正電極３の間に挟まれた電気応答性樹脂層４とを、複数積層することにより形成されている。

図２はアクチュエータ１の平面図である。平面視において、アクチュエータ１は、円形状の中央部１Ａと、該中央部１Ａの左右両側に延びる矩形状の縁部１Ｂとで形成されている。中央部１Ａは、負電極２と正電極３と電気応答性樹脂層４とを積層する領域であり、縁部１Ｂは後述する電極部材２０Ａの連結耳部２１を収める領域である。

図１に示すように、負電極２は、一枚のシート状の電極部材２０Ａを積層方向に沿ってＳ字状に折り畳むことにより形成されている。電極部材２０Ａは、ステンレス材料からなり、積層方向に等間隔で配列された複数の電極部２２と、隣接する電極部２２同士を連結する連結耳部２１とを有する。電極部２２は、円形状に形成され、負電極２を構成する部分である。連結耳部２１は、矩形状に形成され、隣接する電極部２２同士の間に配置され、これらの電極部２２を連結している。

積層方向に隣接する電極部２２同士は、これらを連結する連結耳部２１の折り曲げによって互いに折り畳まれている。具体的には、連結耳部２１は、その長さの略半分の場所で折り返されている。これによって、積層方向に隣接する電極部２２同士を、位置ずれなく、向かい合わせている。

また、各電極部２２において、電極部２２に連結される連結耳部２１は２箇所ずつあり、すなわち、上側の電極部２２と連結するための連結耳部２１、下側の電極部２２と連結するための連結耳部２１である。平面視で、２箇所に配置された連結耳部２１は、電極部２２の径方向に沿って電極部２２から左右両側に延出しており、両者がなす角度は１８０°である（図２参照）。

積層方向に隣接する電極部２２同士の間には、正電極３がその両側に設けられた電気応答性樹脂層４を介して挟持されている。正電極３は、ステンレス材料からなり、電極部２２と同じ形状及び同じ大きさに形成されている。本実施形態において、負電極２及び正電極３には、ともにステンレス材料が用いられているが、ステンレスに代えて、導電性ゴムや導電性高分子組成物、銅等の金属材料が用いられてもよい。

電気応答性樹脂層４は、キャスト法、ディップコーティング法、スピンコート法、溶融コーティング法等で負電極２又は正電極３に直接形成されてもよく、又は別体として個別に作製されてもよい。ここで、電気応答性樹脂とは、電気に応答して変形挙動が起こる樹脂材料のことを意味し、例えば誘電エラストマーなどが挙げられる。そして、動作不良を防止するために、電気応答性樹脂層４の厚さは２ｍｍ以下が好ましい。これは、電気応答性樹脂層４の厚さが２ｍｍを超えると、作動電圧が高くなり、短絡などによる動作不良が起こる可能性があるからである。

以下、図３及び図４を参照しアクチュエータ１の製造方法を説明する。図３は、電極部材２０Ａを折り畳む前の状態、すなわち電極部材２０Ａの展開状態を示すものである。図３に示すように、負電極２の形成に用いられる電極部材２０Ａは、等間隔で直線状に配列された複数の電極部２２と、電極部２２の径方向に延びて隣接する電極部２２同士を連結する複数の連結耳部２１を有するように一体的に形成されている。

そして、電極部２２の最も幅広い部分の幅（すなわち、電極部２２の直径）をＬ１、連結耳部２１の幅をＬ２としたときに、電極部２２の直径及び連結耳部２１の幅は、Ｌ２≦Ｌ１／３の関係を満たすように設定されている。また、電極部材２０Ａの厚さをＴ、正電極３の厚さをｔとしたときに、両者の厚さはＴ≦ｔ／３の関係を満たすように設定されている。なお、本実施形態では、電極部２２の直径Ｌ１が３０ｍｍ、連結耳部２１の幅Ｌ２が５ｍｍ、電極部材２０Ａの厚さＴが１０μｍ、正電極３の厚さｔが５０μｍである。

このように電極部材２０Ａの厚さ、電極部２２及び連結耳部２１の幅を設定することで、電極部材２０Ａを折り畳む際に、連結耳部２１の折り曲げにより生じる反発力の影響を抑制することができる。すなわち、外力を付与し連結耳部２１を折り曲げると、連結耳部２１が外力付与方向に弾性変形する。しかし、外力が解除されると、連結耳部２１は反発変形（すなわち、スプリングバック）し、外力付与方向とは反対の方向に反発力が生じる。これによって、積層により電極部２２と密着された電気応答性樹脂層４を、電極部２２から引き離す力が働く。そして、上述の反発力が大きくなると、電極部２２と電気応答性樹脂層４との間には、密着しない部分が発生して、アクチュエータ１の正常作動に悪影響を及ぼしてしまう。

上述の反発力を低減するために、連結耳部２１の折り曲げで形成された角部にカーブを大きく付ける（例えば、曲げＲを大きく取る）方法が考えられるが、カーブを大きく付けると、隣接する連結耳部２１同士が接触し干渉するだけではなく、連結耳部２１を収める空間が大きくなるので、アクチュエータのコンパクト化を実現し難くなる問題が新たに発生してしまう。これに対し、本実施形態では、上述のように電極部材２０Ａの厚さ、電極部２２及び連結耳部２１の幅を設定することで、スプリングバックによる反発力を低減することができると共に、アクチュエータ１のコンパクト化を実現し易くなる。なお、反発力を低減するために、許容できる範囲において、例えば連結耳部２１の折り曲げ位置をできるだけ電極部２２から遠い場所にしたり、又は連結耳部２１を電極部２２より薄くしたりすることも考えられる。

図４はアクチュエータ１の製造方法を示す模式図である。アクチュエータ１を製造する際に、例えばまず、正電極３を個別に用意し、ディップコーティングを施すことで該正電極３の表裏両面に電気応答性樹脂層４を形成し、電極中間体５を複数作製する。ディップコーティングに用いるコーティング液は、電気応答性樹脂を溶媒に溶解したものである。

次に、電極部材２０Ａを用意し、各連結耳部２１の長さの半分の場所で該電極部材２０Ａを折り曲げて、隣接する電極部２２同士の間に電極中間体５を順次に配置させる。隣接する電極部２２同士の間に電極中間体５を全て配置させた後に、これらを積層することでアクチュエータ１を作製する。なお、上述の製造方法において、正電極３に代えて電極部材２０Ａにディップコーティングを施すことにより、該電極部材２０Ａの表裏両面に電気応答性樹脂層４を形成してもよい。

本実施形態のアクチュエータ１では、負電極２は一枚の電極部材２０Ａを積層方向に沿ってＳ字状に折り畳むことにより形成され、積層方向に隣接する負電極２同士の間に、正電極３がその上下両側に設けられた電気応答性樹脂層４を介して挟持されている。従って、負電極２の両面を全て電極として利用することが可能にある。その結果、負電極２の電極面を有効に利用することができる。

加えて、電極部材２０Ａにおいて、電極部２２の直径Ｌ１と連結耳部２１の幅Ｌ２とがＬ２≦Ｌ１／３の関係を満たし、電極部材２０Ａの厚さＴと正電極３の厚さｔとがＴ≦ｔ／３の関係を満たすので、連結耳部２１の折り曲げによる反発力を低減することができる。これによって、電極部２２と電気応答性樹脂層４との間に密着しない部分の発生を確実に防止し、アクチュエータ１の正常作動を確保することができる。

＜第２実施形態＞
図５は第２実施形態に係るアクチュエータを示す平面図である。本実施形態に係るアクチュエータ６と第１実施形態との相違点は、電極部２２に連結される連結耳部２３と、隣接する電極部２２に連結される連結耳部２３の連結耳部同士がなす角度が９０°である点である。その他の構成は第１実施形態と同様のため、重複説明は省略する。

図６は、負電極２の形成に用いられる電極部材２０Ｂの展開状態を示す図である。電極部材２０Ｂは、上述した電極部材２０Ａのように直線状に形成されておらず、一定の規則に沿って凹凸状に形成されている。具体的には、この電極部材２０Ｂは、等間隔で配列された複数の電極部２２と、電極部２２の径方向に延びて隣接する電極部２２同士を連結する複数の連結耳部２３とを有するように一体的に形成されている。電極部材２０Ｂは、これらの電極部２２及び連結耳部２３で、互いに平行する上下２段構成になっている。上段と下段では、それぞれ３つの電極部２２が直線状に並設されている。また、上段と下段との距離は、連結耳部２３の１本分の長さである。

このような構成を有する電極部材２０Ｂを積層方向に沿ってＳ字状に折り畳むと、図５に示すように、連結耳部２３は電極部２２の円周に３箇所に分けて順次に配置されることになる。そして、各電極部２２において、該電極部２２に連結される連結耳部２３と、隣接する電極部２２に連結される連結耳部２３の連結耳部同士がなす角度は９０°である。このため、平面視で、３箇所に配置された連結耳部２３は、９０°の間隔で配置されている。

図７はアクチュエータ６の製造方法を示す模式図である。アクチュエータ６を製造する際に、例えばまず、電気応答性樹脂層４を２層と正電極３を一枚それぞれ用意し、２層の電気応答性樹脂層４の間に正電極３を挟むようにこれらを積層して電極積層体７を複数作製する。次に、電極部材２０Ｂを用意し、各連結耳部２３の長さの半分の場所で連結耳部２３を順次に折り曲げる。次に、隣接する電極部２２同士の間に、電極積層体７を順次に配置させる。隣接する電極部２２同士の間に電極積層体７を全て配置させた後に、これらを積層することでアクチュエータ６を作製する。

本実施形態のアクチュエータ６は、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、連結耳部２３が電極部２２の円周に沿って３箇所に分けて配置されるので、隣接する連結耳部２３の折り曲げにより嵩張ることを抑制しつつ、隣接する連結耳部２３同士の干渉を防止することができる。

＜第３実施形態＞
図８は第３実施形態に係るアクチュエータを示す平面図である。本実施形態に係るアクチュエータ８と第２実施形態との相違点は、連結耳部２４が電極部２２の円周に沿って４箇所に分けて配置されることである。

図９は、負電極２の形成に用いられる電極部材２０Ｃの展開状態を示す図である。電極部材２０Ｃは、一定の規則に沿って階段状に形成されている。具体的には、この電極部材２０Ｃは、等間隔で配列された複数の電極部２２と、電極部２２の径方向に延びて隣接する電極部２２同士を連結する複数の連結耳部２４とを有するように一体的に形成されている。各階段において、踏面にあたる部分と蹴上にあたる部分は、それぞれ２つの電極部２２とこれらの電極部２２を連結する連結耳部２４によって構成されている。なお、踏面にあたる部分と蹴上にあたる部分は、互いに垂直になっている。

このような構成を有する電極部材２０Ｃを積層方向に沿ってＳ字状に折り畳むと、図８に示すように、連結耳部２４は、電極部２２の円周に沿って９０°の間隔で螺旋状に配置される。そして、各電極部２２において、該電極部２２に連結される連結耳部２４と、隣接する電極部２２に連結される連結耳部２４の連結耳部同士がなす角度は９０°である。本実施形態のアクチュエータ８は、第２実施形態のアクチュエータ６と同様な方法で製造することができる。ここでは、その説明を省略する。

本実施形態のアクチュエータ８は、上述の第２実施形態と同様な作用効果を得られるほか、連結耳部２４が電極部２２の円周に沿って４箇所に分けて配置されるので、隣接する連結耳部２４の折り曲げにより嵩張ることをより効果的に抑制することができ、隣接する連結耳部２４同士の干渉を確実に防止することができる。

上述の第１〜第３実施形態において、負電極２のみに電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを用いて形成する場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、正電極３のみに電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを用いて形成する場合、負電極２及び正電極３双方にそれぞれ電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを用いて形成する場合、負電極２と正電極３のいずれか一方の電極のみに複数の電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを用いて形成する場合にも適用される。

例えば、負電極２及び正電極３双方にそれぞれ電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを用いて形成する場合には、電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを２枚用意し、一枚を負電極２、他の一枚を正電極３とする。そして、負電極２としての電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃのみにディップコーティングを施し、該電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの表裏両面に電気応答性樹脂層４を形成する。その後、正電極３としての電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにおける隣接する電極部２２同士の間に、負電極２としての電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃにおける電極部２２を挟むように、これらの電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを順次に折り畳んで積層することで、アクチュエータを作製することができる。

また、負電極２と正電極３のいずれか一方の電極（例えば、負電極２）のみに複数（ここでは、２枚）の電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを用いて形成する場合には、まず、負電極２としての電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを２枚用意する。次に、これらの２枚に対して、キャスト法で片面だけに電気応答性樹脂層４をそれぞれ形成させる。キャスト法に用いられる液は、例えば電気応答性樹脂を溶媒に溶解したものである。次に、電気応答性樹脂層４が形成されていない面同士を合わせるように、２枚の電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを重ね合わせて、一体化させる。その後、一体化された電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを順次に折り畳み、電気応答性樹脂層４が形成された面同士の間に、別体に用意された正電極３を挟み込んで積層することで、アクチュエータを作製することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、電極部２２に連結される連結耳部２１，２３，２４同士がなす角度は上述した内容に限らず、積層方向に隣接する連結耳部２１，２３，２４同士の干渉を低減できる構造であれば、なす角度を変えてもよい。また、各電極の大きさ・電気応答性樹脂の大きさは必ずしも同一である必要はなく、例えば負電極と正電極の大きさが違ってもよいし、電気応答性樹脂の大きさが電極のそれよりも大きくても小さくてもよい。

また、上記の実施形態では、負電極２（すなわち、電極部２２）及び正電極３について円形状に形成される例を挙げて説明したが、これらの電極の形状を楕円形、他角形等としてもよい。更に、電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃについて、電極部２２と連結耳部２１，２３，２４共にステンレス材料により形成される例を説明したが、例えば電極部に銅、連結耳部にステンレスのように、部位によって材料を使い分けてもよい。

また、負電極２及び正電極３の表面に機械的又は化学的加工を施してもよい。例えば、必要に応じて、負電極２及び正電極３の表面に梨地加工、掘り込み（メッシュ形状を含む）・溝切り加工を施してもよい。更に、電気応答性樹脂層４と負電極２、正電極３との密着性を高めるために、積層方向に圧縮効果をもたらす構造（例えば、ばね）を更にアクチュエータ１，６，８に取り付けてもよい。

また、１つのアクチュエータ１，６，８において、上述の電極部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを複数用いて直列又は並列に配置してもよい。直列に配置する場合、変形量の増大を期待できる。一方、並列に配置する場合、力の増加を期待できる。

１，６，８ アクチュエータ
１Ａ 中央部
１Ｂ 縁部
２ 負電極
３ 正電極
４ 電気応答性樹脂層
５ 電極中間体
７ 電極積層体
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 電極部材
２１，２３，２４ 連結耳部
２２ 電極部

Claims (2)

1. 正電極と、負電極と、これらの電極間に挟まれる電気応答性樹脂層とを複数積層してなるアクチュエータであって、
   前記正電極及び前記負電極のうち、少なくとも一方の電極は、一枚の電極部材を積層方向に沿ってＳ字状に折り畳むことにより形成され、
   積層方向に隣接する前記一方の電極同士の間には、他方の電極がその両側に設けられた前記電気応答性樹脂層を介して挟持されていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記電極部材は、所定の間隔で配列される複数の電極部と、隣接する前記電極部同士を連結する連結耳部とを有し、
   隣接する前記電極部同士は、これらを連結する前記連結耳部の折り曲げによって互いに折り畳まれ、
   各電極部において、該電極部に連結される前記連結耳部と、隣接する前記電極部に連結される前記連結耳部の連結耳部同士がなす角度は、１８０°以外であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。

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