JP2021052586A - 誘電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 印加電場が数（V/μｍ）程度で駆動することができ、種々用途への利用が可能な誘電アクチュエータを提供する。【解決手段】シート状の誘電体１０の両面に、厚さ方向に対向してそれぞれ柔軟性を有する電極１２ａ、１２ｂが設けられ、前記電極１２ａ、１２ｂ間に電圧を印加すると、前記電極１２ａ、１２ｂの面と同一の面方向に該電極１２ａ、１２ｂとともに前記誘電体１０が伸長する誘電アクチュエータであって、前記誘電体１０として、電圧を印加した際にクリープ作用をなす誘電材料からなるゲルシートが用られている。【選択図】 図２

Description

本発明は誘電アクチュエータに関し、より詳細には平面内において伸縮する作用を有する誘電アクチュエータに関する。

本発明者は、ポリ塩化ビニル（PVC)等の誘電材料を利用したゲルアクチュエータについて研究している（特許文献１等）。
図２０に示すゲルアクチュエータは、メッシュ状の陽極５と平板状の陰極６とでゲルシート７を厚さ方向に挟む構造としたものである。電極間に電圧を印加すると陽極５のメッシュの網目内にゲルが引き込まれて厚さ方向に収縮し、電圧の印加を解除するとゲルシート７が元の状態に復帰して厚さ方向に変位する。これはゲルのクリープ現象を利用したものである。
図２１に、ゲルに電圧を印加したときのクリープ作用を示す。ゲル８を電極９ａ、９ｂで挟んで電圧を印加すると、ゲル８は陽極側に傾く（引き寄せられる）ようになる。これがクリープ作用である。図２０に示すゲルアクチュエータは、メッシュ状の陽極を利用することにより、厚さ方向に変位する構成としたものである。

ゲルシートのような柔らかい素材を利用したアクチュエータには誘電アクチュエータがある。誘電アクチュエータはシート状の誘電体の両面に電極を設け、電極間に電圧を印加するとマクスウェル応力により誘電体が厚さ方向に押し潰され、誘電体が面方向に延びる作用を利用する。誘電アクチュエータに用いられる誘電体には、誘電率が高いこと、低剛性であること、絶縁破壊強度が高いといったことが求められる。誘電アクチュエータには種々の誘電材料を用いるものが提案されている（特許文献２、３、４等）。

特開２０１２−１３０２０１号公報 特開２０１５−１８８０３２号公報 特開２０１０−２１９３８０号公報 特開２０１０−６８６６７号公報

従来の誘電アクチュエータは、2000V以上といった高電圧で駆動されるものであるため、誘電体の絶縁破壊強度の問題や、実用に際しての問題があった。
本発明は、数百V程度の電圧で駆動することができ、種々用途への利用が可能な、誘電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係る誘電アクチュエータは、シート状で柔軟性を有する誘電体の両面に、厚さ方向に対向してそれぞれ柔軟性を有する電極が設けられ、前記電極間に電圧を印加すると、前記電極の面と同一の面方向に該電極とともに前記誘電体が伸長する誘電アクチュエータであって、前記誘電体として、電圧を印加した際にクリープ作用をなす誘電材料からなるゲルシートが用いられていることを特徴とする.
本発明に係る誘電アクチュエータにおいて誘電体として使用しているゲルシートは、電極間に電圧を印加することにより、いわゆる誘電エラストマーと同様の作用をするものであるが、一般的な誘電アクチュエータに用いられている誘電エラストマーにはみられない作用（クリープ作用）を備えることから、従来の誘電アクチュエータと比べてはるかに低電圧で駆動することができ、大きな伸縮率を備える誘電アクチュエータとして提供することができる。

また、本発明に係る誘電アクチュエータは、前記ゲルシートに、該ゲルシートをその平面内において伸長させる与圧が付与されていることにより、伸縮率を大きくすることができ、与圧を付与する前の前記電極の面積に対する、与圧を付与する前後の前記電極の面積の差との比率（伸縮率）が、１８０％以上となるように設定することにより、伸縮率と絶縁強度を大きく向上させることができる。
また、本発明に係る誘電アクチュエータは、前記電極に電圧を印加して前記ゲルシートを伸長駆動させるための最小の駆動電場が、0.4（V／μm）であり、また前記電極間に印加する印加電場が１０（V／μm）以上１５（V／μm）以下の範囲において、前記電極の伸縮率が、３０％〜７６％であることから、従来の誘電アクチュエータと比べてきわめて小さい印加電場により駆動することが可能となる。

また、PVCゲルシートは、ポリ塩化ビニル（PVC)と可塑剤とからなるものが好適に利用できる。前記可塑剤としてはジメチルアセトアミド(DMA)、セバシン酸ジエステル(DESuc)、ジエタノールアミン(DEA)、アジピン酸ジブチル(DBA)、セバシン酸ビス(DOS)、アジピン酸ジオクチル(DOA)、フタル酸ジメチル(DMP)、フタル酸ジブチル(DBP)、フタル酸ジオクチル(DOP)、フタル酸ビス(DEHP)、コハク酸ジエチル(DESuc)、アジピン酸ジメチル(DMA)、セバシン酸ジエチル(DESeb)、セバシン酸ジブチル(DBSeb)、セバシン酸ジオクチル(DOSeb)等がある。これら可塑剤のうちアジピン酸ジブチル（DBＡ)が好適に用いられ、前記ポリ塩化ビニル（PVC)とアジピン酸ジブチル（DBＡ)の組成比が1：2〜1：8であるPVCゲルシートが好適に用いられる。
本発明では誘電体としてPVCゲルシートを使用しているが、PVCゲルシートと同様に、電圧を印加した際にクリープ作用を生じる誘電材料には、PVCゲルの他に、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン６、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、シリコーンゴム等をゲル化したゲル材料が用いられる。PVCゲルシートにかえてこれらの材料からなるゲルシートを使用することも可能である。

本発明に係る誘電アクチュエータは、従来の誘電アクチュエータと比べて低電圧による駆動で大きな伸縮率を備える誘電アクチュエータとして提供することができる。

誘電アクチュエータの組み立て斜視図(a)、側面図(b)である。 誘電アクチュエータの使用例を示す説明図である。 実験サンプルの作製方法を示す説明図である。 測定装置の構成を示す説明図(a)、実験サンプルの平面図(b)である。 厚さ500μmのPVCゲルシートを誘電体としたときの測定結果を示すグラフである。 PVCゲルシートに作用する印加電場に対する伸縮率を示すグラフである。 厚さ200μmのPVCゲルシートを誘電体としたときの測定結果を示すグラフである。 PVCゲルシートに作用する印加電場に対する伸縮率を示すグラフである。 厚さ200μmと厚さ500μmのPVCゲルシートについて、印加電圧と、印加電場に対する伸縮率を示すグラフである。 PVCゲルシートと誘電エラストマーを誘電体として使用した場合の伸縮率の測定結果を示すグラフである。 PVCゲルシートと誘電エラストマーを使用した場合について、印加電場に対する伸縮率を示すグラフである。 PVCゲルシートと誘電エラストマーについて、伸縮率の計算値と測定値とを示すグラフである。 実験サンプルの作成方法を示す説明図である。 サンプルの平面写真(a)と、電極に印加する電圧をON-OFFしたときの電極の写真(b)、(c)である。 PVCとDBAの組成比を1：4としたサンプルについて、予圧を加えない場合(a)と予圧を加えた場合(b)で、印加電場に対する伸縮率を示すグラフである。 図１５(a)の実験結果を印加電場と伸縮率との関係として示したグラフである。 PVCゲルシートのゲル組成が異なるサンプルについて、印加電場に対する伸縮率を示すグラフである。 予圧を加えない場合のPVCゲルシートの絶縁強度を示すグラフ(a)と、予圧を加えない場合と予圧を加えた場合での絶縁強度の相違を示すグラフ(b)である。 PVCゲルシートを誘電体として使用した場合と、誘電エラストマーを誘電体として使用した場合について、印加電場に対する伸縮率を示すグラフである。 積層形のゲルアクチュエータの構成とその作用を示す説明図である。 ゲルのクリープ作用を示す説明図である。

（誘電アクチュエータの構成）
図１(a)は本発明に係る誘電アクチュエータの組み立て斜視図、図１(b)は側面図である。本発明に係る誘電アクチュエータは、PVC（ポリ塩化ビニル）ゲルシートからなる誘電体１０と、誘電体の厚さ方向の両面に対向させて配置した一対の電極１２ａ、１２ｂとから構成される。電極１２ａ、１２ｂはシート状の誘電体１０を面的に被覆する電極であり、伸縮、曲げが容易に可能な柔軟電極である。

図２(a)、(b)は、誘電アクチュエータの使用例を示したもので、図２(a)は誘電体１０と電極１２ａ、１２ｂの外周縁を支持せずにフリー状態としたもの、図２(b)は誘電体の外周縁を支持した状態での使用例である。

図２(a)に示すように、誘電体１０と電極１２ａ、１２ｂの外周縁をフリー状態として電極（陰極）１２ａ、電極（陽極）１２ｂ間に電圧を印加すると、陰極１２ｂと陽極１２ａがともに伸長するものの、陽極１２b側の伸長度が大きいことから、アクチュエータ全体としては陰極１２ａ側が凹む湾曲変形が生じる。陰極１２ａと陽極１２ｂの伸長度に差が生じるのは、PVCゲルシートに電圧を印加すると、陽極側にゲルが引き込まれるクリープ変形によるものと考えられる。
陽極１２ｂと陰極１２ａに印加する電圧を解除すると、誘電体１０と電極１２ａ、１２ｂはもとの平面形状に復帰する。
図２(a)に示す誘電アクチュエータは、電極に印加する電圧をON-OFF制御することにより、面形状が平面形状と湾曲形状との間で変化するアクチュエータとして利用することができる。

図２(b)では、電極１２ａ、１２ｂに電圧を印加すると、電極（陰極）１２ａ、電極（陽極）１２ｂはともに伸長するが、陽極１２ｂ側の伸長度が陰極１２ａ側よりも若干大きいため、陽極１２ｂの側（図の下面側）が凸となるように若干湾曲しながら伸長する。
電極１２ａ、１２ｂに印加する電圧を解除するともとの平面形状に復帰する。したがって、図２(b)に示す誘電アクチュエータの構成の場合は、平面内で伸縮するアクチュエータとして利用することができる。

（実験サンプルの作成例）
図３は実験で使用したサンプルの作製方法を示す。誘電体として用いるPVCゲルシート２０を２枚のアクリルからなる支持板２１ａ、２１ｂで厚さ方向に挟み（図３(a)）、PVCゲルシート２０と支持板２１ａ、２１ｂを重ね合わせた積層体の四隅を支持フレーム２２により挟んで積層体を支持する（図３(b)）。支持板２１ａ、２１ｂのそれぞれの中央部には円形の開口孔が設けられている。図３（ｃ）は、支持板２１ａ、２１ｂの開口孔内でPVCゲルシート２０の表面に柔軟電極２４を形成した状態を示す。柔軟電極２４はPVCゲルシート２０の上面と下面のそれぞれに、互いに対向する配置に設ける。

実験では、柔軟電極２４として、シリコーンオイルにカーボンを配合した導電性オイルコンパウンドを使用した。図３（d）はPVCゲルシート２０に柔軟電極２４を形成した状態の実験サンプルを平面方向から見た写真である。支持板（アクリル）２１ａ、２１ｂに設けた開口孔と、開口孔よりも小径に形成された柔軟電極２４が形成されていることが分かる。中央の黒色に見える部分が柔軟電極である。

誘電体として使用するPVCゲルシート２０は、あらかじめシート状に作製したものを使用した。PVCゲルシートは、ポリ塩化ビニルと、可塑剤のアジピン酸ジブチル（DBＡ)とを、テトラヒドロフラン（THF)を溶媒に使用して混合液を調製し、この混合液をシャーレにキャストし、放置して溶媒を除去する方法により作製することができる。実験に使用したPVCゲルシートはPVCとDBＡの重量比を1：4としたものである。実験では厚さ200μｍと500μｍのゲルシートを使用した。

（測定装置の構成）
図４(a)に測定装置の構成を示す。測定装置は実験サンプルのPVCゲルシート２０の表裏面に設けた電極２４に電圧を印加したときにPVCゲルシート２０がどのように変形するかを測定するものである。
測定装置は、実験サンプルをセットするセット台３０と、実験サンプルに電圧を印加する電源３２と、セット台３０にセットした実験サンプルの上方に設置したカメラ３４とを備える。カメラ３４は、柔軟電極２４に電圧を印加したときの柔軟電極２４のサイズ（径寸法）の変化を検出するためのものである。

図４(b)は実験サンプルの平面図である。PVCゲルシート２０は寸法5cm×5cmの矩形形、支持板２１ａ、２１ｂも5cm×5cmの矩形形、支持板２１ａ、２１ｂに設けた開口孔の孔径は3cm、PVCゲルシート２０に設けた柔軟電極は径1cmの円形状とした。
PVCゲルシートに印加した電圧は500〜4000V、実験で使用したサンプル数は３である。
なお、測定は、PVCゲルシート２０に予圧を加えない場合と、予圧を加えた場合について行った。誘電アクチュエータを使用する際には、誘電体（誘電エラストマー）に引っ張り力を作用させた状態で使用する場合が一般的である。誘電体に引っ張り力を作用させることを予圧を加えるという。誘電体に引っ張り力を作用させると、誘電体の厚さが薄くなり、一般には誘電体の伸縮作用が増大する。

（実験１：PVCゲルシートを用いる誘電アクチュエータ）
図５は、厚さ500μmのPVCゲルシートを誘電体としたときの測定結果を示す。測定はPVCゲルに予圧を加えない場合と、240％変形の予圧を加えた場合について行った。240％変形の予圧とは、PVCゲルシートに予圧を加えないとき（予圧前）の面積と予圧後の面積との差分と、予圧前の面積との比率が240％となるようにPVCゲルシートに引っ張り力を作用させたという意味である。
図５(a)が変位量（電極の平面内における変位量）、図５(b)が伸縮率である。伸縮率は、電圧を印加する前後における電極の面積の差と、電圧を印加しない状態における電極の面積との比率である。
図５(a)は、印加電圧が増大するとともに、変位量も伸縮率も徐々に増加したことを示す。予圧を作用させた場合の方が、予圧を作用させない場合よりも大きな伸縮率を示している。予圧を作用させたものでは、印加電圧が3000Vで伸縮率が12％となった。

図６は、PVCゲルシートに作用する印加電場（V/μm）に対する伸縮率を示したものである。
図６から、PVCゲルシートに予圧を作用させた場合には、予圧を作用させない場合と比較して伸縮率は低くなる傾向があることがわかる。

図７は、厚さ200μmのPVCゲルシートを誘電体として使用し、PVCゲルに予圧を加えない場合と、190％の変形の予圧を加えた場合について測定した結果を示す。図７(a)は変位量、図７(b)は伸縮率である。
図７においても、印加電圧が増大するとともに、変位量も伸縮率も徐々に増加すること、予圧を作用させた場合の方が、予圧を作用させない場合よりも大きな伸縮率を示している。予圧を作用させたものでは、印加電圧が2500Vで伸縮率が24％となった。

図８は、PVCゲルシートに作用する印加電場（V/μm）に対する伸縮率を示したものである。
図８に示した測定結果も、PVCゲルシートに予圧を作用させた場合には、予圧を作用させない場合と比較して伸縮率が低くなることを示している。

図９は、厚さ200μmと厚さ500μmのPVCゲルシートについて、印加電圧と、作用させた電界（印加電場）に対する伸縮率を対比して示したものである。
印加電圧について見ると、印加電圧が同一である場合、予圧を加えない場合も予圧を加えた場合も、ともに厚さが薄い（200μm）PVCゲルシートを使用したものの方が、厚さが厚い（500μm）PVCゲルシートを使用したものよりも伸縮率が大きくなる。
印加電場について見ると、予圧を加えない場合も予圧を加えた場合も、ともに印加電場にほぼ比例する伸縮率が得られている。

＜PVCゲルシートと誘電エラストマーとの比較実験＞
誘電体としてPVCゲルシートを使用した場合と、従来用いられている誘電エラストマーを使用した場合について、電圧を印加した際の伸縮率等について比較する実験を行った。
なお、誘電エラストマーを使用する場合も、PVCゲルシートを使用する場合と同様に、図３に示したと同様の実験サンプルを作製して実験を行った。
表１に、実験に使用したPVCゲルと誘電エラストマーについての特性とサンプルの条件を示す。誘電エラストマーにはアクリル発泡テープ（３Ｍ社製 VHB4905）を使用した。表１で190％（200μm→68μm）等とあるのは、予圧を加えることによってシート厚さが薄くなることを示す。

図１０は、PVCゲルシートと誘電エラストマーについて伸縮率を測定した測定結果を示す。図１０(a)が予圧を加えない場合、図１０(b)が予圧を加えた場合である。これらの測定結果は、PVCゲルシートを用いた誘電アクチュエータの方が誘電エラストマーを用いた誘電アクチュエータとくらべて伸縮率が大きくなることを示す。

図１１は、PVCゲルシートと誘電エラストマーを使用した場合について、印加電場に対する伸縮率を示したものである。図１１は、PVCゲルシートを使用する方が誘電エラストマーを使用する場合と比較して、同一の電界作用における伸縮率が大きくなることを示す。また、PVCゲルシートを使用する場合は、1V/μm以下の電界の作用によって駆動されることがわかる。

（理論値との比較）
誘電アクチュエータにおいて、電極間に電圧を印加したときに電極間にマックスウェル応力が作用して平面内で伸縮する作用が生じるとされている。電極間に作用するマックスウェル応力P、マックスウェル応力によって生じる変位、伸縮率Δｓ等は次式によって与えられる。

ここで、P:マクスウェル応力、ε０：真空の誘電率、εｒ：誘電率、E:電場、V:印加電圧、Y:ヤング率、ｔ：誘電体の厚さ、ｘ：水平方向の変位量、ｙ：垂直方向の変位量、ν：ポアソン比、ｄ、ｄ‘：変形前後の径、S,ｓ’：変形前後の面積である。

図１２は、PVCゲルシートを用いた場合（図１２(a)）と誘電エラストマーを用いた場合（図１２(b)）について、上式から求められる伸縮率の計算値と測定値とを比較したグラフである。
図１２(a)と図１２(b)とを見ると、誘電エラストマーについては測定値と計算値とが略一致するのに対して、PVCゲルシートの場合には、伸縮率の計算値と測定値が大きく異なっている。この結果は、誘電エラストマーを使用した誘電アクチュエータでは、一般的なマックスウェル応力の作用に基づいてエラストマーが変形（伸縮）すると考えられるが、PVCゲルシートを用いる誘電アクチュエータでは、マクスウェル応力による作用以外の作用、たとえばクリープ変形による作用が変形（伸縮）作用に寄与している可能性を示唆する。

（実験２：PVCゲルシートを用いる誘電アクチュエータ）
PVCゲルシートとして、ポリ塩化ビニル（PVC)とアジピン酸ジブチル（DBＡ)の組成比が異なる誘電アクチュエータのサンプルを作製し、電圧を印加した際の伸縮率等について測定した。
表２に実験に使用したサンプルと実験条件を示す。

実験に使用したサンプルのPVCとDBAの比率は、1：2、1：4、1：8の３種である。それぞれの比率のPVCゲルシートについて、ゲルの厚さを変えた３種類のサンプルを用意した。DBAの比率を高くすると、PVCゲルシートはより柔らかくなる。また、DBAの比率を高くすると溶媒のTHFの比率が低くなり、溶媒の揮発量が減り、同量の溶液から成膜した場合に残る溶液の量が多くなり膜厚が厚くなる。
なお、サンプルは前述したと同様に、ポリ塩化ビニルと、可塑剤のアジピン酸ジブチル（DBＡ)を、テトラヒドロフラン（THF)を溶媒として混合し、混合液をシャーレにキャストし溶媒を除去する方法によって作製した。

図１３にPVCゲルシートを用いた実験サンプルの作成例を示す。
本実験では平面形状が矩形（9cm×9cm）の剛体フレーム４２にPVCゲルシート４０を支持して測定用のサンプルを作製した（図１３(a)）。
図１３(b)、(c)、(d)はPVCゲルシートに予圧を加えたサンプルを調製する方法を示す。PVCゲルシートに予圧を加える場合は、PVCゲルシートの表面に予圧量に応じて、予め所定の大きさの四角形の領域を示す線を記しておき、PVCゲルシート上の四角形の辺の位置が剛体フレーム４０の辺の位置に一致するようにPVCゲルシートの外縁を外側へ引っ張って広げる方法で行った。
図１３(b)は、PVCゲルシート４０の外周縁を外側の剛体フレーム４２に向けて引っ張っている状態、図１３(c)はPVCゲルシート４０に記した四角形の辺の位置を剛体フレーム４２の辺の位置に一致させて固定支持した状態を示す。

この実験では予圧（予ひずみ）を180％とした。これは、PVCゲルシートを平面内で広げる前と広げた後の面積の差分が、広げる前の面積に対して180％となるようにPVCゲルシートに引っ張り力を作用させたという意味である。したがって、PVCゲルシートに対する引っ張り量を調節することにより、PVCゲルシートに任意の予圧（予ひずみ）を作用させることができる。
予圧（予ひずみ）を作用させない（０％）場合は、剛体フレーム４２の大きさに合わせて矩形状に作成したPVCゲルシートを、引っ張り力を作用させずに剛体フレーム４２に取り付けた。

電極には、シリコーンオイルにカーボンを配合した導電性オイルコンパウンドを使用し、導電性オイルコンパウンドを塗布する方法により電極を形成した。本実験では、平面形状が正方形の剛体フレーム４２の平面形状に合わせて、PVCゲルシート４０の上面と下面の中央に、それぞれ陽極と陰極となる平面形状が正方形の電極４４を設けた。また、PVCゲルシート４０の上面と下面に、導電性オイルコンパウンドを用いて、陽極と陰極に接続する引き出し線４５ａ、４５ｂを設けた。
剛体フレームの平面サイズは9cm×9cm、電極の平面サイズは2cm×2cmである。
導電性オイルコンパウンドを用いて形成した電極及び引き出し線は、導電膜として十分な伸縮性を備えており、電極に電圧を印加することでPVCゲルシートが拡縮する作用を抑制するものではない。

図１４(a)は作成したサンプルの平面写真である。PVCゲルシートは透明であり、上面側からPVCゲルシートに設けた下面の引き出し線が見えている。
図１４(b)、(c)は、電極に印加する電圧をON-OFFしたときの電極の写真である。図１４(b)は電圧を印加していない状態、図１４(c)が電圧を印加した状態である。電圧を印加すると電極が平面内で広がる様子がわかる。
本実験においても、電極に電圧を印加したときの誘電アクチュエータの伸縮率は、図４に示した方法と同様に、デジタルカメラで電極の平面サイズを検知する方法で行った。

＜印加電圧と伸縮率との関係＞
図１５は、PVCとDBAの組成比を1：4としたサンプルについて印加電圧と伸縮率との関係を測定した結果を示す。伸縮率は、（電圧を印加した状態の電極面積と電圧を印加しない状態の電極面積の差）と（電圧を印加しない状態での電極面積）の比率である。
図１５(a)はPVCゲルシートに予圧を加えない場合、図１５(b)はPVCゲルシートに予圧（180％）を加えた場合である。それぞれゲルシートの厚さが46μm、104μm、200μmのサンプルについての測定結果を示す。
なお、厚さが46μmのサンプルについては、電気的に短絡することを回避するため印加電圧を500V以下程度に設定した。ただし、予圧を加えたサンプルについては、予圧を加えないものと比較して電気的に短絡する電圧が高くなる。

図１５(a)、(b)は、印加電圧を増大させるとともに、誘電アクチュエータの伸縮率が増大すること、膜厚が薄いサンプルの方が厚いサンプルよりも伸縮率が大きくなること、予圧を加える方が予圧を加えない場合よりも伸縮率が大きくなることを示す。
図１５に示す実験結果は、PVCとDBAの組成比を1：4としたサンプルについての実験である図５の実験結果と比較して、伸縮率が大きくなっている。図５に示した実験ではPVCゲルシートの厚さを500μmとしていたのに対し、この実験ではPVCゲルシートの厚さをより薄くしたサンプルを用いていることによる。

図１５に示すように、PVCゲルシートの厚さが薄い方が伸縮率が大きく表れる理由は
電極間に作用するマックスウェル応力Pが誘電体の厚さｔの逆数で作用することによる。
図１６は、図１５(a)の実験結果を印加電場と伸縮率との関係として示したグラフである。図１６に示すように、印加電場（V/μm）を基準として、印加電圧を変えたときの各サンプルの伸縮率を図示すると、伸縮率についての測定値は、印加電場が増大するとともに単調に増加する。すなわち、PVCゲルシートの厚さが厚いサンプルも薄いサンプルも、サンプルに作用する印加電場について見れば、同一の伸縮率になることが分かる。すなわち、厚さが薄いPVCゲルシートからなるサンプルでは、同一の印加電圧であっても、印加電場が相対的に大きく作用し伸縮率が大きくなる。したがって、同一の伸縮率を得る場合に、PVCゲルシートの厚さを薄くすることによって低電圧化を図ることができる。

＜ゲル組成と伸縮率との関係＞
図１７はPVCゲルシートのゲル組成が異なるサンプルについての伸縮率を、印加電場（V/μm）について示したものである。
測定に用いたサンプルは、PVCとDBAの組成比を1：2、1：4、1：8としたサンプルで、それぞれ厚さの異なるサンプルについて、印加電圧を変えて測定した。なお、測定はPVCゲルシートに予圧を加えて測定した。
図１７に示す測定結果は、PVCとDBAの組成比で、DBAの組成比が大きいものほど、印加電場に対する伸縮率が大きくなり、３種の組成比のうちでは、PVCとDBAの組成比が1:8のものが最も伸縮率が大きくなることを示す。可塑剤であるDBAの組成比が大きいものほど伸縮率が大きくなる理由は、可塑剤の組成比を大きくすることでゲルシートが軟らかくなり、ヤング率が小さくなるからである。したがって、可塑剤（DBA）の組成比を調節することによって誘電アクチュエータの低電圧化が可能である。図１７から、PVC:DBA＝1：8のPVCゲルシートを使用する場合、印加電場15V/μmで伸縮率76％となる。

＜PVCゲルシートの絶縁強度＞
図１８(a)、(b)は、PVCとDBAの組成比が異なる場合にPVCゲルシートの絶縁強度がどのように変化するかを測定した結果を示す。
図１８(a)は、PVCゲルシートに予圧を加えない場合の測定結果である。PVCに対するDBAの比率を横軸として示している。図１８(a)に示すように、可塑剤DBAが増加するとともに絶縁強度が低下することを示す。なお、絶縁強度は同一の組成であれば、PVCゲルシートの厚さに関わらずほぼ一定である。PVC:DBA=1：8のサンプルでは、絶縁強度は約7V／μmである。

図１８(b)は、PVCゲルシートに予圧を加えない場合と予圧を加えた場合（180％）とで、絶縁強度がどのように変化するかを示したものである。図１８(b)から、PVCとDBAの組成比が異なるいずれの場合も、PVCゲルシートに予圧を作用させることによって絶縁強度が向上することがわかる。これら３種の組成が異なるPVCゲルシートでは、PVCとDBAの組成比が1：2のものが最も絶縁強度の向上が顕著である。PVC:DBA=1：8のサンプルでは、予圧を加えない場合と比較して絶縁強度は約12V／μmに向上した。絶縁強度の改善には、予圧の大きさにも依存する。予圧の大きさを180％よりも大きくすることによって絶縁強度をさらに改善することが可能である。

＜PVCゲルシートと誘電エラストマーとの比較実験＞
図１９は、上述したPVCゲルシートを誘電体として使用した場合と、従来用いられている誘電エラストマーを誘電体として使用した場合について、電圧を印加したときの伸縮率について測定した結果を比較して示す。
図１９では、PVCとDBAの組成比を1：4、としたサンプルと1：8としたサンプルについて、PVCゲルシートに予圧（180％）を加えた場合の測定結果を示す。誘電エラストマーにはアクリル発泡テープ（3M社製 VHB4905)を使用した。誘電エラストマーについての伸縮率の測定は、PVCゲルシートを使用した場合と同様に、誘電エラズトマーのフィルムを引き伸ばして剛体フレームで誘電エラストマーの周囲を支持することで誘電エラズトマーのフィルムに予圧（予ひずみ）を付与し、誘電エラストマーの上面と下面にシリコーングリス電極を設けて、電極面積の変化を検知する方法で行った。誘電エラストマーは予圧を加えて使用する。実験では、誘電エラストマーの膜厚が500μmから55μmとなるように予圧（800％）を加えて測定した。

図１９は電極に印加した印加電場（V/μm）に対する伸縮率である。表３に誘電体としてPVCゲルシートを使用した場合と、誘電エラストマーを使用した場合についての駆動電場、伸縮率、応答時間を示す。

表３に示す駆動電場は、誘電アクチュエータとして駆動するに必要な最低の印加電場の意味で用いている。ここでは、伸縮率が0.5％以上となるときの印加電場を駆動電場とした。表３からわかるように、誘電体としてPVCゲルシートを使用した場合は、誘電エラストマーを使用した場合と比較して駆動電場が１／10程度となり、低電圧での駆動が可能となる。
表３において、伸縮率は印加電場が15V/μmにおける伸縮率を示す。伸縮率についても、PVCゲルシートを使用することにより誘電エラストマーと比べてはるかに大きな伸縮率が得られることが分かる。
表３に示す応答時間は、誘電体が変形開始（厚さ方向に収縮開始する）してから、変形量が最大になるまでの時間である。この応答時間についてもPVCゲルシートの場合は誘電エラストマーの1/10程度以上に短縮することができている。

５ 陽極
６ 陰極
７ ゲルシート
１０ 誘電体
１２ａ、１２ｂ 電極
２０ PVCゲルシート
２１ａ、２１ｂ 支持板
２２ 支持フレーム
２４ 柔軟電極
３２ 電源
３４ カメラ
４０ PVCゲルシート
４２ 剛体フレーム
４４ 電極
４５ａ、４５ｂ 引き出し線

Claims (8)

1. シート状で柔軟性を有する誘電体の両面に、厚さ方向に対向してそれぞれ柔軟性を有する電極が設けられ、前記電極間に電圧を印加すると、前記電極の面と同一の面方向に該電極とともに前記誘電体が伸長する誘電アクチュエータであって、
   前記誘電体として、電圧を印加した際にクリープ作用をなす誘電材料からなるゲルシートが用いられていることを特徴とする誘電アクチュエータ。
2. 前記ゲルシートは、誘電材料と可塑剤とからなる請求項１記載の誘電アクチュエータ。
3. 前記誘電材料がポリ塩化ビニル（PVC)であり、前記可塑剤がアジピン酸ジブチル（DBA)である請求項２記載の誘電アクチュエータ。
4. 前記ポリ塩化ビニル（PVA)と前記アジピン酸ジブチル（DBA)の組成比が、1：2〜1：8である請求項３記載の誘電アクチュエータ。
5. 前記ゲルシートには、該ゲルシートをその平面内において伸長させる与圧が付与されている請求項１〜４のいずれか一項記載の誘電アクチュエータ。
6. 前記与圧は、与圧を付与する前の前記電極の面積に対する、与圧を付与する前後の前記電極の面積の差との比率（伸縮率）が、１８０％以上となるように設定されている請求項５記載の誘電アクチュエータ。
7. 前記電極に電圧を印加して前記ゲルシートを伸長駆動させるための最小の駆動電場が、0.4（V／μm）である請求項６記載の誘電アクチュエータ。
8. 前記電極間に印加する印加電場が１０（V／μm）以上１５（V／μm）以下の範囲において、前記電極の伸縮率が、３０％〜７６％である請求項６記載の誘電アクチュエータ。
   
   

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