JP2021132496A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータの新規構造の提供【解決手段】アクチュエータ１０は、ベース電極１１と、対向電極１２とを備えている。ベース電極１１に接続された第１端子３１と、対向電極１２に接続された第２端子３２とを備えている。ベース電極１１のうち少なくとも対向電極１２に対向する面は、凹凸形状を有している。さらに、ベース電極１１のうち少なくとも対向電極１２に対向する面は、絶縁層１１ｂで覆われている。絶縁層１１ｂは、セラミックスの不織布からなる。対向電極１２は、ベース電極１１に対向するように配置されている。対向電極１２は、ベース電極１１と対向電極１２との間に電圧を印加した際に生じるクーロン力によって変形可能な可撓性を有する導電体からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

特許５７１４２００号には、２つの電極間にポリマが挟まれたジェネレータおよびトランスデューサが開示されている。同公報で開示されるジェネレータおよびトランスデューサでは、２つの電極に電圧が印加されることによって生じる電極間の蓄積電荷のクーロン力によって、電極が引き合い、ポリマが変形し、電極間に変位を発生するとされている。

特許５７１４２００号

特許５７１４２００号に開示された構成では、アクチュエータで得られる変位はポリマの圧縮変形を伴う。かかる変形では、アクチュエータとしてより大きな変位が得られにくい。ところで、アクチュエータとして取り出される仕事量は、発生する力と、変形量の大きさが重要な性能となりうる。本発明者の知見では、誘電弾性体を一対の電極で挟んだアクチュエータでは、発生する力と変形量の大きさとの間には、背反する関係がある。発生する力Ｆは、Ｆ＝ＱＥ＝（ＣＶ）×（Ｖ／ｄ）で表される。ここで、Ｑ：蓄積電荷、Ｅ：電界強度、Ｃ：誘電弾性体の静電容量、ｄ：電極間距離、V：印加電圧である。つまり、電極間距離ｄは、誘電弾性体の厚さで定まる。大きな変形量を取り出すためには、誘電弾性体の厚さ（≒電極間距離ｄ）を大きくする必要がある。しかし、誘電弾性体の厚さ（≒電極間距離ｄ）を大きくすると、発生する力Ｆは小さくなる。このため、単純に誘電弾性体を一対の電極で挟んだアクチュエータでは、大きな変形量を取り出すことが難しい。また、誘電弾性体として用いられうる誘電エラストマには、高い比誘電率を示す材料が乏しく、十分な性能が得られにくい。本発明者は、かかる観点で、アクチュエータの新規構造を提案する。

ここで開示されるアクチュエータは、ベース電極と、ベース電極に対向する対向電極と、ベース電極に接続された第１端子と、対向電極に接続された第２端子とを備えている。ベース電極は、少なくとも対向電極に対向する面において導通性を有する基材と、基材の対向電極に対向する面を覆う、セラミックスの不織布からなる絶縁層とを備えている。対向電極は、第１端子と第２端子に電圧が印加された際に、ベース電極と対向電極との間に作用するクーロン力によって変形可能な可撓性を有する導電体からなる。

かかるアクチュエータは、ベース電極の絶縁層がセラミックスの不織布からなるので、ベース電極が作製される際に絶縁層に亀裂が生じにくい。

図１は、アクチュエータ１０の模式図である。 図２は、アクチュエータ１０の模式図である。 図３は、アクチュエータ１０の他の形態を示す模式図である。 図４は、アクチュエータ１０の他の形態を示す模式図である。 図５は、アクチュエータ１０の他の形態を示す模式図である。 図６は、アクチュエータ１０の他の形態を示す模式図である。

以下、ここで開示されるアクチュエータの一実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。本発明は、特に言及されない限りにおいて、ここで説明される実施形態に限定されない。

〈アクチュエータ１０〉
図１および図２は、アクチュエータ１０の模式図である。アクチュエータ１０は、図１に示されているように、ベース電極１１と、対向電極１２とを備えている。図１および図２に示されているように、ベース電極１１に接続された第１端子３１と、対向電極１２に接続された第２端子３２とを備えている。図１および図２に示された形態では、ベース電極１１のうち少なくとも対向電極１２に対向する面は、凹凸形状を有している。さらに、ベース電極１１のうち少なくとも対向電極１２に対向する面は、絶縁層１１ｂで覆われている。対向電極１２は、ベース電極１１に対向するように配置されている。対向電極１２は、ベース電極１１と対向電極１２との間に電圧を印加した際に生じるクーロン力によって変形可能な可撓性を有する導電体からなる。図１および図２に示された形態では、対向電極１２は、可撓性を有するプレート状の導電体からなる。

ベース電極１１と対向電極１２との間の絶縁性は、かかる絶縁層１１ｂによって、確実に確保されるとよく。また、絶縁層１１ｂによって、ベース電極１１に溜った電荷が確実に、維持されるとよい。このような観点において、絶縁層１１ｂには、セラミックスからなる強誘電体が用いられうる。セラミックスからなる強誘電体は、例えば、ペロブスカイト構造を有していてもよい。

ペロブスカイト構造を有する強誘電体としては、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３），チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３），チタン酸ジルコン鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３），チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３），チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３），チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３）ニオブ酸カリウムナトリウム（（ＮａＫ）ＮｂＯ_３）などが挙げられる。なお、絶縁層１１ｂに用いられる材料は、ここで例示されるものに限定されない。上述のようなベース電極１１と対向電極１２との間に大きなクーロン力を得るとの観点において適当な材料が採用されうる。また、適当な添加剤を含む複合材料でもよい。例えば、チタン酸バリウムは、ＣａＺｒＯ_３やＢａＳｎＯ_３などの物質が固溶されていてもよい。

チタン酸バリウムは、比誘電率が１０００〜１００００前後と高い強誘電体の代表的な材料である。チタン酸ジルコン酸鉛は比誘電率が５００〜５０００であり、チタン酸ストロンチウムは比誘電率が２００〜５００である。絶縁層１１ｂには、このように比誘電率が高い材料を採用することができる。なお、比誘電率を例示しているが、同じ材料でも、厚さや結晶構造や、結晶構造の緻密さや測定条件（例えば、温度）や測定装置などによって比誘電率が変動しうる。絶縁層１１ｂは、アクチュエータ１０の予め定められた使用環境に応じて所要の性能を有するものであればよい。なお、ここでは、絶縁層１１ｂに用いられる材料の好適な例として、ペロブスカイト構造を有する強誘電体を例示しているが、絶縁層１１ｂに用いられる材料は、特段の言及がない限りにおいて、ペロブスカイト構造を有する強誘電体に限定されない。この実施形態では、絶縁層１１ｂは、チタン酸バリウムで構成されている。ここでは、絶縁層１１ｂを例に説明されている。他の形態の絶縁層についても、ここで例示される材料が適宜に用いられる。

絶縁層１１ｂは、所要の比誘電率を有しているとよい。かかる絶縁層１１ｂによって、ベース電極１１と対向電極１２との間に電圧が印加されたときに、ベース電極１１と対向電極１２との間に所要のクーロン力が発生する。絶縁層１１ｂの比誘電率は、例えば、セラミックス（例えば、ファインセラミックス）が採用されることによって１０００以上とすることができる。ここで例示される比誘電率の測定には、例えば、Radiant Technologies社（米国）の強誘電体測定装置であるプレシジョンＬＣＩＩが用いられうる。絶縁層１１ｂの比誘電率は、温度や、測定用の電流の周波数や、絶縁層を形成する材料の結晶構造などに依存する傾向がある。絶縁層１１ｂの比誘電率は、例えば、２３℃程度の常温、１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚで予め定められた周波数によって測定するとよい。絶縁層１１ｂは、アクチュエータ１０の予め定められた使用環境に応じて、所要の比誘電率を発揮するものが用いられるとよい。

〈対向電極１２〉
対向電極１２は、ベース電極１１に対向し、かつ、柔軟な（可撓性を有する）導電体からなる。詳しくは、この実施形態では、対向電極１２は、図１に示されているように、絶縁層１１ｂが介在した状態でベース電極１１に対向している。図２に示されているように、ベース電極１１と対向電極１２との間に電圧が印加されている状態では、ベース電極１１との間に作用するクーロン力によって、対向電極１２は、ベース電極１１にくっつくように変形する。図１に示されているように、ベース電極１１と対向電極１２との間に電圧が印加されていない状態では、クーロン力が作用しない。このため、対向電極１２は、形状が戻る。対向電極１２は、クーロン力が作用しない状態において、形状が戻るように所要の弾性力を備えているとよい。

かかる観点で、対向電極１２は、例えば、導電ゴムや導電ゲルなどで形成されうる。この実施形態では、対向電極１２には、導電ゴムが採用されている。対向電極１２に採用される導電ゴムは、導電材を混ぜ合わせて成形したエラストマであるとよい。ここで導電材には、カーボンブラックやアセチレンブラックやカーボンナノチューブの微粉末や、銀や銅の金属微粉末、シリカやアルミナなど絶縁体にスパッタなどで金属をコートしたコアシェル構造の導電体微粉末が挙げられる。導電ゲルとしては、例えば、３次元ポリマーマトリックスの中に、水や保湿剤などの溶媒、電解質、添加剤などを保持させた機能性ゲル材料が採用されうる。このようなゲル材料には、例えば、積水化成品工業株式会社のテクノゲル（登録商標）が採用されうる。また、対向電極１２は、ベース電極１１に沿って弾性変形しうる板ばねで構成されていてもよい。例えば、シート状の薄い板ばねでもよい。この場合、対向電極１２は、金属で構成されていてもよい。このように、対向電極１２は、適度な可撓性を有する部材が採用されてもよい。また、対向電極１２は、粘弾性体や弾塑性体でもよい。この場合、対向電極１２は、例えば、弾性域とみなせる範囲で使用されればよい。対向電極１２について、ここで例示される材料が適宜に用いられる。

第１端子３１と、第２端子３２とは、配線５１を通じて電源５０に接続されている。配線５１には、スイッチ５２が設けられている。スイッチ５２には、例えば、スイッチング素子が用いられる。図１では、スイッチ５２がＯＦＦの状態が示されている。図２では、スイッチ５２がＯＮの状態が示されている。

スイッチ５２がＯＦＦの状態の状態では、図１に示されているように、アクチュエータ１０の対向電極１２は、ベース電極１１の対向する面に全体としてくっついていない。図２に示されているように、スイッチ５２がＯＮの状態では、ベース電極１１と対向電極１２との間に作用するクーロン力によって、対向電極１２は、ベース電極１１に引きつけられ、ベース電極１１の対向する面に合せて変形するとともに、ベース電極１１にくっつく。スイッチ５２がＯＦＦの状態では、クーロン力がなくなり、対向電極１２の形状が戻り、対向電極１２はベース電極１１から離れる。このように、図１および図２に示されたアクチュエータ１０では、スイッチ５２がＯＮの状態と、スイッチ５２がＯＦＦの状態とで、対向電極１２が変形し、これに応じて駆動する。スイッチ５２のＯＮ、ＯＦＦは、制御装置６０によって切り替えられるとよい。

かかるアクチュエータ１０によれば、第１端子３１と第２端子３２に電圧が印加された際に、ベース電極１１と対向電極１２との間に作用するクーロン力によって、対向電極１２が変形する。アクチュエータ１０は、対向電極１２の変形に伴い駆動する。アクチュエータ１０の駆動には、絶縁層１１ｂの大きな圧縮変形を伴わないため、発生するクーロン力に対して、大きな変位量が得られ得る。

ところで、ベース電極１１と対向電極１２との間に電圧を印加した際に、大きなクーロン力を得るとの観点で、絶縁層１１ｂは、高誘電率を有する材料が好ましく用いられる。また、絶縁層１１ｂは、薄ければ薄いほどよい。かかる観点で、絶縁層１１ｂには、チタン酸バリウムのようなセラミックスが用いられる。チタン酸バリウムは、無機物であり、常誘電体である。チタン酸バリウムは、通常立方晶として存在している。高誘電体として扱われるためには、例えば、６００℃以上に加熱して結晶構造を正方晶に変化させる処理が必要である。かかる処理は、焼成とも称される。

ベース電極１１の基材１１ａの上に、チタン酸バリウムを成膜する処理は、例えば、ベース電極１１の基材１１ａの上にチタン酸バリウムを粒子形態で敷き詰めた後で焼成する、若しくは、ベース電極１１の基材１１ａの上にチタン酸バリウムをスパッタリングで成膜した後で焼成するとよい。しかし、本発明者の知見では、チタン酸バリウムのようなセラミックス素材は、焼成時に隣り合う原料粒子が徐々に接着され、粒子間の隙間が小さくなる。このため、焼成時に基材１１ａと絶縁層１１ｂとで熱膨張率が異なる。例えば、チタン酸バリウムに代表される高誘電体セラミックスの熱膨張率は、大凡５×１０^−６／Ｋである。これに対して、ベース電極１１に用いられる金属の熱膨張率は、大凡１０×１０^−６／Ｋである。このため、焼成時の熱処理に起因して、絶縁層１１ｂの熱膨張が、ベース電極１１に用いられる金属の熱膨張に追従できず、絶縁層１１ｂを形成する膜に、亀裂が生じうる。

〈ベース電極１１〉
この実施形態では、ベース電極１１は、図１および図２に示されているように、基材１１ａと、絶縁層１１ｂとを備えている。ベース電極１１の基材１１ａは、所要の剛性と導電性を有しているとよい。例えば、全体として銅、アルミニウム、鉄などの金属で構成されていてもよい。また、ベース電極１１は、少なくとも対向電極１２に対向する側面が導通性を有しているとよい。このため、基材１１ａは、図示は省略するが、例えば、非金属のベース材と、ベース材の対向電極１２に対向する面を覆う金属の薄膜とで構成されていてもよい。この場合、非金属のベース材は、所要の耐熱性を有するとよい。かかる非金属のベース材は、例えば、セラミックスで形成されていてもよい。この場合、ベース電極１１の基材が、非金属材料で構成されているので、ベース電極１１の基材全体が金属で構成されている場合に比べて、ベース電極１１が軽量に作製されうる。この場合、電源５０に接続された第１端子３１は、ベース電極１１の金属の薄膜に接続されているとよい。

ベース電極１１の絶縁層１１ｂは、セラミックスの不織布からなる。つまり、ベース電極１１の基材１１ａのうち少なくとも対向電極１２に対向する面は、セラミックスの不織布からなる絶縁層１１ｂで覆われている。セラミックスは、上述のように焼成する必要があり、その際、高温で処理される。ベース電極１１の基材１１ａには、導通性のよい金属が選択されている。ベース電極１１を作製する際、基材１１ａが用意される。次に、基材１１ａに絶縁層１１ｂの素材となるセラミックス素材の不織布が載せられる。そして、絶縁層１１ｂとして用いられるセラミックス素材を焼成するため、ベース電極１１は予め定められた温度に加熱される。この際、基材１１ａは、加熱されて熱膨張する。これに対して絶縁層１１ｂとして用いられたセラミックス素材は、焼成時にセラミックス素材の隣り合う原料粒子徐々に接着され、粒子間の隙間が小さくなる。ここで提案されるアクチュエータ１０では、ベース電極１１の絶縁層１１ｂが不織布の形態である。この場合、不織布を構成する繊維間に隙間が有り、また不織布を構成する繊維が動くことによって、基材１１ａの熱膨張に応じて絶縁層１１ｂが変形しうる。このため、焼成時に絶縁層１１ｂに亀裂が生じにくい。また、絶縁層１１ｂが柔軟なシートであるため、基材１１ａのうち対向電極１２に対向する面が、セラミックスの不織布からなる絶縁層１１ｂで覆われた状態で保たれる。

なお、セラミックスの不織布は、絶縁層１１ｂとして、所要の緻密さを有するとよく、また、薄ければ薄いほどよい。かかるセラミックスの不織布を得る方法として、電解紡糸法が挙げられる。電解紡糸法によれば、細いセラミックス素材の繊維によって構成された薄く緻密な不織布のシートが得られる。電解紡糸法で得られるセラミックスの不織布からなる絶縁層１１ｂは、所要のクーロン力が得られるように、薄く緻密であるとよい。かかる観点において、絶縁層１１ｂの厚さは、例えば、１μｍ以上であるとよい。また、セラミックスの不織布からなる絶縁層１１ｂは、厚すぎるとクーロン力の働きが弱くなる。かかる観点で、絶縁層１１ｂの厚さは、例えば、５０μｍ以下であるとよい。なお、セラミックスの不織布からなる絶縁層１１ｂの厚さは、特段の言及がない限りにおいて、１μｍ以上５０μｍ以下であることに限定されない。かかるセラミックス素材の繊維からなる不織布のシートを用意する。そして、当該不織布のシートをベース電極１１の基材１１ａのうち対向電極１２に対向する面に重ねて、焼成するとよい。また、かかるセラミックスの不織布は、所要の柔軟性を有している。このため、図１および図２に示されているように、ベース電極１１の表面に凹凸形状を有する場合でも、これに沿わせて配置することができる。そして、セラミックスの不織布からなる絶縁層１１ｂは、焼結されることによって、ベース電極１１の表面の凹凸形状に一体化される。

図３および図４は、アクチュエータ１０の他の形態を示す模式図である。図３では、スイッチ５２がＯＦＦの状態が示されている。図４では、スイッチ５２がＯＮの状態が示されている。アクチュエータ１０は、図３および図４に示されているように、複数のベース電極１１が、順に向かい合うように並べられており、複数のベース電極のうち隣接するベース電極の間に、対向電極１２がそれぞれ配置されていてもよい。この場合、ベース電極１１の基材１１ａのうち対向電極１２に対向する面が、セラミックスの不織布からなる絶縁層１１ｂで覆われているとよい。そして、複数のベース電極１１を並列に接続する第１配線３１ａを有していてもよい。また、複数の対向電極１２を並列に接続する第２配線３２ａを有していてもよい。

図４に示されているように、スイッチ５２がＯＮの状態でベース電極１１と対向電極１２との間に電圧が印加されている状態では、ベース電極１１との間に作用するクーロン力によって、対向電極１２は、ベース電極１１にくっつくように変形する。図３に示されているように、スイッチ５２がＯＦＦの状態でベース電極１１と対向電極１２との間に電圧が印加されていない状態では、クーロン力が作用しない。このため、対向電極１２は、形状が戻り、ベース電極１１の間隔が広がる。

図５および図６は、さらにアクチュエータ１０の他の形態を示す模式図である。図５に示されているように、対向電極１２は、波板形状でもよい。また、図６に示されているように、アクチュエータ１０の対向電極１２は、板ばねでもよい。これらの場合、図５および図６に示されているように、ベース電極１１は、対向電極１２に対向する面が平坦であってもよい。このように、ベース電極１１や対向電極１２の形状は種々変更されうる。このような場合も、ベース電極１１の絶縁層１１ｂは、焼成されたセラミックスの不織布で構成されているとよい。

例えば、対向電極１２が、波板形状である場合には、図５に示されているように、この際、スイッチ５２がＯＦＦになると、クーロン力がなくなり、対向電極１２の形状が復元する。対向電極１２の形状が復元することによって、一対のベース電極１１の間隔が広げられる。スイッチ５２がＯＮになると、図示は省略するが、ベース電極１１と対向電極１２との間にクーロン力が作用する。このとき、対向電極１２が変形し、対向電極１２がベース電極１１にくっつく。このため、ベース電極１１の間隔が狭くなる。

また、図６に示されているように、対向電極１２は、板ばねでもよい。この場合、対向電極１２は、図６に示されているように、跳ね上がる部位１２ａを有していてもよい。跳ね上がる部位１２ａは、スリット１２ｂによって、対向電極１２において切り離されており、スリット１２ｂによって形成された穴１２ｃに収まりうる。この場合、スイッチ５２がＯＦＦになると、クーロン力がなくなり、対向電極１２の形状が復元し、跳ね上がる部位１２ａによって、対向電極１２を挟むベース電極１１の間隔が広がる。これに対して、スイッチ５２がＯＮになると、図示は省略するが、ベース電極１１と対向電極１２との間にクーロン力が作用する。このとき、対向電極１２が変形し、対向電極１２がベース電極１１にくっつく。このため、ベース電極１１の間隔が狭くなる。このとき、跳ね上がる部位１２ａは、スリット１２ｂによって形成された穴１２ｃに収まる。かかる対向電極１２の変形によって、対向電極１２を挟むベース電極１１の間隔が狭くなる。また、スイッチ５２がＯＦＦになると、クーロン力がなくなり、対向電極１２が復元する。対向電極１２が復元することによって、図６に示されているように、跳ね上がる部位１２ａが復元して跳ね上がり、対向電極１２を挟むベース電極１１の間隔が広くなる。

このように、対向電極１２およびベース電極１１の形状は、種々変更されうる。何れの場合も、アクチュエータ１０は、ベース電極１１間の距離の変化を変位量として出力することができる。アクチュエータ１０は、絶縁層１１ｂの圧縮変形による制限を受けにくく大きな変位量が得られ得る。また、ベース電極１１の絶縁層１１ｂは、焼成されたセラミックスの不織布で構成されているので、焼成にされる際の熱処理に起因して亀裂が生じにくい。このためアクチュエータ１０に安定した性能が得られ得る。

以上、ここで開示されるアクチュエータについて、種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられたアクチュエータの実施形態などは、本発明を限定しない。

１０ アクチュエータ
１１ ベース電極
１１ａ 基材
１１ｂ 絶縁層
１２ 対向電極
１２ａ 跳ね上がる部位
１２ｂ スリット
１２ｃ 穴
３１ 第１端子
３１ａ 第１配線
３２ 第２端子
３２ａ 第２配線
５０ 電源
５１ 配線
５２ スイッチ
６０ 制御装置

Claims (1)

1. ベース電極と、
   前記ベース電極に対向する対向電極と、
   前記ベース電極に接続された第１端子と、
   前記対向電極に接続された第２端子と
   を備え、
   前記ベース電極は、
   少なくとも前記対向電極に対向する面において導通性を有する基材と、
   前記基材の前記対向電極に対向する面を覆う、セラミックスの不織布からなる絶縁層と
   を備え、
   前記対向電極は、
   前記第１端子と前記第２端子に電圧が印加された際に、前記ベース電極と前記対向電極との間に作用するクーロン力によって変形可能な可撓性を有する導電体からなる、
   アクチュエータ。

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