JP3026066B2 - ポリウレタンエラストマー・アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電場に応答し電
場を印加した際の収縮変位を湾曲変位や伸張変位に変換
するポリウレタンエラストマー・アクチュエータに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、荷電性ゲルを利用した高分子ゲル
アクチュエータや導電性高分子を用いたエレクトロケモ
メカニカルアクチュエータは、比較的低電場で大きな変
形をし得るという利点がある。しかし、どちらも電解液
中での使用を必要とし、イオン分極、酸化・還元等の化
学変化を伴うと共に、電気分解と電流による発熱により
耐久性があまり良くないという問題があった。

【０００３】一方、セラミック等の圧電材料や高分子系
材料などは、スピーカーやヘッドホン材料・各種センサ
ー・超音波モータなどのアクチュエータ素子としての応
用研究や製品開発が行われており、特定の用途に対して
は優れた性能を見せている。しかし、アクチュエータと
して利用する場合、その駆動には通常１０ｋＶもの高電
圧が必要とされ、その変形量は数μｍ程度であるので変
位拡大機構が必然的に要求され、また、駆動される変位
量はバイモルフなどのような積層構造としたとしても数
百μｍとあまり大きくはないという問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明は、
電解液が不要でそれ程高電圧を必要としないと共に、耐
久性の劣化が殆どなく、電気分解や発熱を殆ど伴わず駆
動時の変形量が大きいアクチュエータを提供しようとす
るものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
この発明では次のような技術的手段を講じている。

【０００６】この発明のポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータは、電場配向により変形し得るポリウレタ
ン・エラストマーを具備すると共に、前記ポリウレタン
・エラストマーは電場配向され得る誘電性のポリオール
を有し、電場を印加した際に生ずる収縮変位を、他の変
位に変換することを特徴とする。

【０００７】ここで、ポリウレタンエラストマーを電場
配向によって収縮させるために直流電場或いは交流電場
を印加する必要があるが、そのための電圧として従来の
圧電材料（圧電セラミックスやフッ素系高分子圧電材料
など）が必要とする程の高電圧は必要としないし、駆動
時の変位量も大きい。また、ポリウレタンエラストマー
を電場印加により収縮させる際には、化学反応は伴わな
いので電気分解や発熱は殆どなく、耐久性が劣化しにく
い。

【０００８】電場を印加した際に生ずる収縮変位は、例
えば湾曲変位や伸張変位に変換することができる。

【０００９】ポリウレタン・エラストマーの両面に電極
層を形成すると共にこれら両面の電極層の厚みを異なら
せ、その厚さ方向の剛性ピッチラインを厚さ中心より僅
かにずらすことにより、湾曲変位を発現させるようにし
することができる。

【００１０】またポリウレタン・エラストマーの両面に
電極層を形成すると共に、その片面の電極層による変位
の拘束を間欠的に解除することにより、湾曲変位を発現
させるようにすることもできる。

【００１１】さらにポリウレタン・エラストマーの両面
に電極層を形成すると共に、これらの両面の電極層によ
る伸張方向の変位の拘束を間欠的に解除することによ
り、伸張変位を発現させるようにすることもできる。

【００１２】また、ポリウレタン・エラストマーが、電
場配向され得る誘電性のポリオールを有するものである
こととして実施することもでき、前記誘電性のポリオー
ルが、双極子モーメントを有する置換基を持つものであ
ることとして実施することもできる。

【００１３】またポリウレタン・エラストマーに弾性復
元層が付与せしめると、電場の印加を解除すると元の形
状に復帰する。またポリウレタン・エラストマーをバイ
モルフ型にすることにより、駆動量をより大きくするこ
とができる。

【００１４】さらにポリウレタンエラストマーを電場方
向に積層し、変形時の駆動力や変形量を拡大することに
より、駆動量をより大きくすることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の構成を実施形態
として示した図面を参照して説明する。

【００１６】この実施形態で、電場配向によってポリウ
レタン・エラストマーに収縮変位が生じる機構は、誘電
性のポリオール又は比較的強い双極子モーメントを有す
るポリオールの電場による配向とそれによって誘起され
る高分子鎖のコンフォメーションの変化に基づくもので
あると考えられる。したがって、ポリウレタンエラスト
マーを構成する高分子鎖の集合状態の異方性などの高次
構造が収縮変位を決める要因の一つとなる。

【００１７】そして、従来の荷電性ゲルのように化学反
応を伴うものと比較すると応答性が極めて速い。応答速
度はポリウレタン・エラストマーの誘導性などによる
が、概ねミリ秒から１０ミリ秒のオーダーである。変化
量はポリウレタン・エラストマー固有の架橋度などに起
因する構造と物性に最も大きく依存している。

【００１８】ポリウレタン・エラストマーに起因する弾
性機能をアクチュエータに利用すべく更にその化学構造
を探索した。ポリウレタン・エラストマーの構造上の必
要成分はソフト・セグメントとハード・セグメントとを
構成する成分と物理強度の改変に必要な硬化剤との三成
分である。従って、各種の関連化合物及びそれらの組合
せについて電場による駆動性能の検討を行った。

【００１９】ポリウレタン・エラストマーは次に示すよ
うな方法で得ることが出来る。即ち、高分子ポリオール
及び有機ポリイソシアネート及び鎖伸長剤を用いて、従
来公知の方法により反応を行う。例えば、この高分子ポ
リオールと有機ポリイソシアネートとを反応させてウレ
タンプレポリマーを得て、次いでこれに鎖伸長剤を反応
せしめる方法、或いは、前記三成分を所定の割合で同時
に反応せしめる所謂ワンショット法等が有る。高分子ポ
リオールと有機ポリイソシアネートとのＮＣＯ／ＯＨモ
ル比は１．５〜９の範囲が好ましい。

【００２０】ポリイソシアネートとしては、分子内に２
個以上のイソシアネート基を有するものであればよく、
例えば、トリメチレンジイソシアネート、テトラメチレ
ンジイソシアネート、ペンタメチレンジイソシアネー
ト、ヘキサメチレンジイソシアネート、２，４，４−ト
リメチルヘキサメチレンジイソシアネート、２，２，４
−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、ドデカ
メチレンジイソシアネート、１，３−シクロペンタンジ
イソシアネート、１，３−シクロヘキサンジイソシアネ
ート、１，４−シクロヘキサンジイソシアネート、４，
４’−メチレンビス（シクロヘキシルイソシアネー
ト）、１−メチル−２，４−シクロヘキサンジイソシア
ネート、１−メチル−２，６−シクロヘキサンジイソシ
アネート、１，３−ビス（イソシアネートメチル）シク
ロヘキサン、１，４−ビス（イソシアネートメチル）シ
クロヘキサン、ｍ−フェニレンジイソシアネート、ｐ−
フェニレンジイソシアネート、１，５−ナフタレンジイ
ソシアネート、４，４’−ジフェニメタンジイソシアネ
ート、２，４−トリレンジイソシアネート、２，６−ト
リレンジイソシアネート、４，４’−トルイジンジイソ
シアネート、ジアニジンジイソシアネート、４，４’−
ジフェニルエーテルジイソシアネート、１，３−キシリ
レンジイソシアネート、ω，ω’−ジイソシアネート−
１，４−ジエチルベンゼン、ポリメチレンポリフェルニ
ルポリイソシアネート、及びこれらのポリイソシアネー
ト類のイソシアヌレート化変性品、カルボジイミド化変
性品、ビュレット化変性品等が挙げられる。これらは１
種のみを用いてもよいし或いは２種以上を併用してもよ
い。

【００２１】ポリオールとしてはポリエステル系ポリオ
ール、ポリエーテル系ポリオール、ポリカーボネート系
ポリオール、ポリブタジエン系ポリオールの１種又は２
種以上からなるもの、又は前記ポリオールにポリオレフ
ィン系ポリオールを適宜ブレンドしたもの等を使用する
ことができる。

【００２２】ポリエステル系ポリオールとしては、例え
ばポリカルボン酸と低分子ポリオールとの縮合物で、分
子量５００〜１００００のものがある。具体的には、ポ
リ（エチレンアジペート）（「ＰＥＡ」）、ポリ（ジエ
チレンアジペート）（「ＰＤＡ」）、ポリ（プロピレン
アジペート）（「ＰＰＡ」）、ポリ（テトラメチレンア
ジペート）（「ＰＢＡ」）、ポリ（ヘキサメチレンアジ
ペート）（「ＰＨＡ」）、ポリ（ネオペンチレンアジペ
ート）（「ＰＮＡ」）、３−メチル−１，５−ペンタン
ジオールとアジピン酸からなるポリオール、ＰＥＡとＰ
ＤＡのランダム共重合体、ＰＥＡとＰＰＡのランダム共
重合体、ＰＥＡとＰＢＡのランダム共重合体、ＰＨＡと
ＰＮＡのランダム共重合体、又はε−カプロラクトンを
開環重合して得たカプロラクトンポリオール、β−メチ
ル−δ−バレロラクトンをエチレングリコールで開環す
ることにより得られたポリオールなど（これらはいずれ
も分子量５００〜１００００であることが好ましい）が
挙げられ、それぞれ単独で使用し又は複数併用したりで
きる。更に、ポリエステル系ポリオールとしては例えば
下記の酸の少なくとも１つとグリコールの少なくとも１
つとの共重合体が挙げられる。

【００２３】酸：テレフタル酸、イソフタル酸、無水フ
タル酸、コハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシ
ン酸、ドデカン２酸、ダイマー酸（混合物）、パラオキ
シ安息香酸、無水トリメリット酸、ε−カプロラクト
ン、β−メチル−δバレロラクトン。

【００２４】グリコール：エチレングリコール、プロピ
レングリコール、１，４−ブタンジオール、１，５−ペ
ンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ネオペン
チルグリコール、ポリエチレングリコール、ポリテトラ
メチレングリコール、１，４−シクロヘキサンジメタノ
ール、ペンタエリスリトール、３−メチル−１，５−ペ
ンタンジオール。

【００２５】ポリエーテル系ポリオールとしては、例え
ばアルキレンオキシド（例えばエチレンオキサイド、プ
ロピレンオキサイド）を活性水素化合物である多価アル
コール（例えばジエチレングリコール）を開始剤として
開環付加重合により与えられるもの、具体的にはポリプ
ロピレングリコール（「ＰＰＧ」）、ポリエチレングリ
コール（「ＰＥＧ」）、プロピレンオキサイドとエチレ
ンオキサイドとの共重合体などが挙げられる。また、テ
トラヒドロフランのカチオン重合により与えられ、分子
量５００〜５０００のものがある。具体的には、ポリテ
トラメチレンエーテルグリコール（「ＰＴＭＧ」）であ
り、また、テトラヒドロフランは他のアルキレンオキシ
ドとの共重合体があり、具体的にはテトラヒドロフラン
とプロピレンオキサイドとの共重合体、テトラヒドロフ
ランとエチレンオキサイドとの共重合体など（これらは
いずれも分子量５００〜１００００であることが好まし
い）が挙げられそれぞれ単独で使用し又は複数併用した
りできる。

【００２６】ポリカーボネート系ポリオールとしては従
来公知のポリオール（多価アルコール）とホスゲン、ク
ロル蟻酸エステル、ジアルキルカーボネート又はジアリ
ルカーボネートとの縮合によって得られ、種々の分子量
のものが知られている。このようなポリカーボネート系
ポリオールとして特に好ましいものはポリオールとし
て、１，６−ヘキサンジオール、１，４−ブタンジオー
ル、１，３−ブタンジオール、ネオペンチルグリコー
ル、又は１，５−ペンタンジオールを使用したものであ
り、その分子量が約５００〜１００００の範囲のもので
ある。それぞれ単独で使用し又は複数併用したりでき
る。

【００２７】ポリブタジエン系ポリオールとしては次の
ようなものを使用することが出来る。水酸基含有液状ジ
エン系重合体としては分子量６００〜３０００、平均官
能基数１．７〜３．０であり、炭素数４〜１２のジエン
重合体、ジエン共重合体、更にはこれらジエンモノマー
と炭素数２〜２．２のα−オレフィン性付加重合性モノ
マーとの共重合体などがある。具体的にはブタジエンホ
モポリマー、イソプレンホモポリマー、ブタジエン−ス
チレンコポリマー、ブタジエン−イソプレンコポリマ
ー、ブタジエン−アクリロニトリルコポリマー、ブタジ
エン−２−エチルヘキシルアクリレートコポリマー、ブ
タジエン−ｎ−オクタデシルアクリレートコポリマーな
どを例示することが出来る。これらの液状ジエン系重合
体は、例えば液状反応媒体中で共役ジエンモノマーを過
酸化水素の存在下で加熱反応させることにより製造する
ことが出来る。

【００２８】また、ポリオール成分に、前記の液状ジエ
ン系重合体の二重結合を飽和したポリオレフィン系ポリ
オールをブレンドして用いても良い。

【００２９】硬化剤としては、ウレタンプレポリマーを
硬化してポリウレタン・エラストマーを生成させる際に
一般的に用いられているものでよい。例えばポリオール
化合物、ポリアミン化合物等が挙げられる。ポリオール
化合物としては、１級ポリオール、２級ポリオール、３
級ポリオールのいずれを用いてもよい。具体的には、ト
リメチロールプロパン（「ＴＭＰ」）、エチレングリコ
ール、１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオ
ール、１，５−ペカタンジオール、１，６−ヘキサンジ
オール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコー
ル、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオー
ル、２，３−ブタンジオール、１，２−ペンタンジオー
ル、２，３−ペンタンジオール、２，５−ヘキサンジオ
ール、２，４−ヘキサンジオール、２−エチル−１，３
−ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、２−エ
チル−２−（ヒドロキシメチル）−１，３−プロパンジ
オール等が挙げられる。ポリアミン化合物としてはジア
ミン、トリアミン、テトラアミン等、１級アミン、２級
アミン、３級アミンのいずれも用いることができる。具
体的にはヘキサメチレンジアミン等の脂肪族アミン、
３，３’−ジメチル−４，４’−ジアミノジシクロヘキ
シルメタン等の脂環族アミン、４，４’−メチレンビス
−２−クロロアニリン、２，２’３，３’−テトラクロ
ロ−４，４’−ジアミノフェニルメタン、４，４’−ジ
アミノジフェニル等の芳香族アミン、２，４，６−トリ
ス（ジメチルアミノメチル）フェノール等が挙げられ
る。これらの硬化剤は１種のみを用いてもよいし複数種
を併用してもよい。

【００３０】上記の硬化剤と前記の組成から得られたウ
レタンプレポリマーとを混合し同ウレタンプレポリマー
を硬化させるための方法として、ウレタンプレポリマー
に対する硬化剤の混合割合、硬化温度、硬化時間等を含
めて公知の方法で行うことができる。

【００３１】この実施形態に用いるポリウレタン・エラ
ストマーは添加剤等を含有するものとしてもよい。添加
剤として例えば非イオン性の可塑剤、難燃剤、充填剤、
安定剤、着色剤等がある。

【００３２】可塑剤としては、例えばフタル酸ジオクチ
ル（「ＤＯＰ」）、フタル酸ジブチル（「ＤＢＰ」）、
アジピン酸ジオクチル（「ＤＯＡ」）、トリエチレング
リコールジベンゾエート、トリクレジルホスフェート、
フタル酸ジオクチル、ペンタエリストールの脂肪酸エス
テル、セバシン酸ジオクチル、アゼライン酸ジイソオク
チル、アジピン酸ジブトキシエトキシエチルなどを利用
できる。

【００３３】次に、このポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータの製造方法を説明する。

【００３４】前記組成の組合せによる多数のポリウレタ
ン・エラストマーを０．０１から１ｍｍの厚みでフィル
ム状或いはシート状に成形し、離型剤を除去した。成形
したポリウレタンエラストマーの離型剤の除去は通常の
湿式洗浄で十分であるが、電極付与のための表面改質と
して、グロー放電によるプラズマ処理やコロナ放電処理
などのイオン・オゾン・電子・紫外線を利用して不純物
の除去をすることが好ましい。

【００３５】ポリウレタン・エラストマーを電場配向に
より収縮させるための電極の材質として金、白金、アル
ミニウム、金属インジウム、酸化インジウム、酸化第二
錫、ＩＴＯ、銀などの金属及び合金や、ポリアニリンや
エラストマーゴム等の導電性樹脂やカーボンを選択する
ことができる。金や白金などを樹脂に分散した導電性樹
脂や導電性エラストマーでもよい。また、電極を形成す
る方法として、イオンプレーティング法、プラズマＣＶ
Ｄ法、イオンスパッタ被覆法、真空蒸着法、スクリーン
印刷、イオンビームアシスト法、イオン化蒸着法などを
採用することができる。

【００３６】電極自体の剛性と伸縮特性とは、ポリウレ
タン・エラストマーの物性に対して影響のない低いレベ
ルのものとすることが好ましい。ポリウレタン・エラス
トマーに付与する電極の厚みは電極素材、ウレタンエラ
ストマーの種類或いはポリウレタン・エラストマーの膜
厚によって異なるが、０．０５〜１０μｍ程度が好まし
い。

【００３７】なお、電極を弾性復元させるためのものと
して機能させることもできる。両電極の厚みを異ならせ
ることにより、そのピッチラインをずらすのである。す
なわち、屈曲変位や湾曲変位はポリウレタン・エラスト
マーの厚さ方向の剛性ピッチラインが厚さ中心より僅か
にずれることにより発現させることができるので、その
ように電極の厚みを相互間で制御するのである。簡単に
は、片面の電極に何らかのエラストマー材料をコーティ
ング若しくはシーティングすることにより、ピッチライ
ンをずらしてもよい。このエラストマー材料は、絶縁性
がよく誘電率が低い材料が好ましい。

【００３８】ポリウレタンエラストマー・アクチュエー
タを積層すると伸張時の駆動力が積層した数だけ拡大す
るのであるが、積層時に接着剤や接着層として機能する
前記エラストマー材料として、熱可塑性材料が好まし
い。

【００３９】弾性復元層の材質としてポリウレタン、ポ
リエステル、ポリアミド、アクリロニトリル、ブチルゴ
ム、クマロインデン樹脂、エポキシ樹脂、環化ゴム、ク
ロロプレンゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポ
リ電化ビニリデン、シリコーン、スチレンゴム、塩化ビ
ニル共重合樹脂、ポリビニルアセタールなどを採用でき
る。溶剤や水分散系などの溶液タイプでも固形物でもよ
い。膜厚が薄くする場合には溶剤やエマルジョンが好ま
しい。

【００４０】ポリウレタンエラストマーに形成する弾性
復元層の厚みは、その素材やウレタンエラストマーの種
類、或いはポリウレタン・エラストマーの膜厚によって
異なるが、０．１〜２０μｍ程度が好ましい。また、本
体の厚みの０．１〜１００％程度が好ましい。

【００４１】このポリウレタンエラストマー・アクチュ
エータでは、湾曲変位や収縮変位は電場によって連続的
且つ線形的に起き、発生する力や変形量は電場によって
線形に制御できた。ポリウレタンエラストマーの収縮変
位は最大で数％に達し、その時ある程度高い電場密度が
必要となる。しかし、供給電源の電圧を必要以上に高く
せず且つ必要な電場密度を保つに、ポリウレタンエラス
トマーの厚さをある程度薄く設定することが好ましい。

【００４２】

〔実施例１〕

（１）平均分子量が２，９４５のポリ−３メチル−１，
５−ペンタンアジペートポリオール（クラレ株式会社
製、商品名クラポールＰ３０１０）１００重量部に、パ
ラフェニレンジイソシアネート（ＰＰＤＩ、デュポン社
製、商品名ハイレン）１０．８重量部を加え、窒素気流
下において、８５℃で２時間反応させて末端イソシアネ
ート基を有するウレタンプレポリマーを得た。

【００４３】このウレタンプレポリマー１００重量部に
１，２−プロパンジオール（関東化学株式会社製）１．
０重量部とトリメチロールプロパン（関東化学株式会社
製）１．４重量部を溶融させて混合し、予め１１０℃に
保温しておいた厚み０．２ｍｍの金型に注ぎ込んで１１
０℃で１６時間オーブン中に放置し硬化反応を完成させ
た。このポリウレタンエラストマー（２ｍｍ厚とした場
合）は１ｋＶ印加することにより、最大３％の変位量を
有する。

【００４４】（２）図１に示すように、（１）で得られ
た板状のポリウレタン・エラストマー１（厚み２００μ
程度）の両面に、イオン・スパッタリングで金の電極層
２（厚み０．１〜０．５ミクロン程度）を蒸着させた。
一方、その片面側には金の電極層２の上に水性ウレタン
樹脂（大日本インキ株式会社製、商品名ＨＹＤＲＡＮＨ
Ｗ−３５０）をコーティングした（厚み１０〜５０ミク
ロン程度）。その後、８０〜１００℃で約３分間加熱処
理することにより弾性を有する層を完成させた。この水
性ウレタン樹脂層は、電場の印加を解除した際に全体を
元の形状に復元させるための弾性復元層３として機能す
る。

【００４５】こうして、ポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータを得た（２０ｍｍ×５０ｍｍ）。なお図
中、実線は電場を印加していない状態の形状を、二点鎖
線は電場を印加した状態の形状を示す。

【００４６】次に、以上のようにして形成した上記ポリ
ウレタンエラストマー・アクチュエータの下端を固定
し、両電極に１００〜１０００Ｖの電圧を印加した。す
ると、最初は自重で湾曲していたものが鉛直方向に伸張
した。

【００４７】図２に、印加電圧（Ｖ）と変位量（ｍｍ）
との関係のグラフを示す。先端の最大移動距離は約５０
ｍｍ（１０００Ｖ印加時）であった。伸張の度合いは概
ね９０度であり、電場の印加から伸張が終了するまでは
約０．５秒であった。電場の印加を解除すると速やかに
元の形状に復元した。

【００４８】また、電圧印加の際に流れた電流を測定す
ると数μＡ以下であり、発熱による劣化やエネルギーロ
スは殆ど生じなかった。なお、電場の極性を定期的に変
換することにより、片方向だけではなく両方向への湾曲
・伸張運動を反復させることができる。また、バイモル
フ型などのように積層構造として、より駆動量を大きく
することもできる。

【００４９】この実施例のポリウレタンエラストマー・
アクチュエータは、直流電場（或いは交流電場）を印加
することで、ポリウレタン・エラストマー１の厚み方向
の収縮変位を湾曲（伸張）変位に変換することができ
る。つまり、駆動源として利用することができ、各種ア
クチュエータとして、任意の制御を行うことがが可能と
なる。 〔実施例２〕次に、実施例２について説明する。

【００５０】図３に示すように、両電極の外方にポリウ
レタン・エラストマー１の幅方向の変位を阻止し、長さ
方向のみに変位させるために桟４を、ポリウレタン・エ
ラストマー１の両面に蒸着させた一対の金の電極層２の
上に複数本固定した。すなわち、ポリウレタン・エラス
トマー１の厚み方向の収縮変位を、主として長さ方向の
変位にのみ変換するのである。なお、この桟４の代わり
に、長さ方向に伸びやすく（柔軟樹脂）又は幅方向に伸
びにくい異方性の材料、例えば織物や帆布などを用いて
もよい。

【００５１】このポリウレタンエラストマー・アクチュ
エータによると、ポリウレタン・エラストマー１の厚み
が電場方向に１％圧縮変位すると、長さ方向にも最大で
１％近くまで伸張した。ポリウレタン・エラストマー１
の厚み（ｔ）と長さ（ｌ）との比で、伸張変位が拡大す
る。伸張変位は（ｌ／ｔ）×圧縮歪率で表され、（ｌ／
ｔ）が拡大率となる。ポリウレタン・エラストマー１が
厚み（ｔ）方向に収縮すると、材料のポアソン比によっ
て長さ（ｌ）方向にも拡大変位し、その変位自体を拡大
機構として利用できるのである。 〔実施例３〕図４に示すように、この実施例ではポリウ
レタン・エラストマー１の両面の電極層２の厚みを異な
らせてその厚さ方向の剛性ピッチラインを厚さ中心より
僅かにずらすことにより、湾曲変位を発現させるように
している。

【００５２】すなわち実施例１の（１）で得られた板状
のポリウレタン・エラストマー１（厚み２００μ程度）
の片面側にイオン・スパッタリングでアルミニウムの電
極層２Ａ（厚み０．１ミクロン程度）を、他面側にイオ
ン・スパッタリングでアルミニウムの電極層２Ｂ（厚み
０．３ミクロン程度）を蒸着させ、ポリウレタンエラス
トマー・アクチュエータを得た（６０ｍｍ×２０ｍ
ｍ）。なお図中、実線は電場を印加した状態の形状を、
二点鎖線は電場を印加していない状態の形状を示す。

【００５３】以上のようにして形成した上記ポリウレタ
ンエラストマー・アクチュエータの下端を固定し、両電
極に１００〜１０００Ｖの電圧を印加した。すると、電
場を印加した際に厚み方向の収縮変位が生じ、元の体積
を維持するために表面積を拡大する方向の変位が生じ
る。ところでポリウレタン・エラストマー１の電極層２
Ｂは電極層２Ａよりも厚く形成されポリウレタン・エラ
ストマー１の変位をより強く拘束しようとするので、電
極層２Ａが蒸着された側の面の変位が大きくなり、これ
により電極層２Ａの側の面を拡大するような変位が生
じ、その結果最初は起立していたポリウレタン・エラス
トマー１が図示手前側に向けて湾曲した。先端の最大移
動距離は約５０ｍｍ（１０００Ｖ印加時）であった。 〔実施例４〕図５に示すように、この実施例ではポリウ
レタン・エラストマーの両面に電極層を形成すると共
に、その片面の電極層による変位の拘束を間欠的に解除
することにより、湾曲変位を発現させるようにしてい
る。

【００５４】すなわち実施例１の（１）で得られた板状
のポリウレタン・エラストマー１（厚み２００μ程度）
の片面のみに絶縁液を水平方向（図示Ｓの位置）に何本
か塗布した。そして、この両面にイオン・スパッタリン
グで金の電極層２（厚み０．０５ミクロン程度）を蒸着
させ、ポリウレタンエラストマー・アクチュエータを得
た（２０ｍｍ×５０ｍｍ）。

【００５５】したがって、絶縁液を水平方向に塗布した
部分には電極層２ＣにスリットＳ状の隙間が形成され、
スリットＳ状の隙間の個所では電極面がポリウレタン・
エラストマー１に対して接合していない。

【００５６】以上のようにして形成した上記ポリウレタ
ンエラストマー・アクチュエータの下端を固定し、両電
極に１００〜１０００Ｖの電圧を印加した。すると、電
場を印加した際に厚み方向の収縮変位が生じ、元の体積
を維持するために表面積を拡大する方向の変位が生じ
る。電極層２ＣにスリットＳ状の隙間が形成された側の
面は、電極層２Ｃから受ける垂直方向の変位の拘束が間
欠的に解除されており、電極層２Ｄが全面に塗布された
他面側よりも大きな変位が可能であり、電極層２Ｃの側
の面を垂直方向へ拡大するような変位が生じ、その結果
最初は起立していたポリウレタン・エラストマー１が図
示矢印の方向に湾曲した。先端の最大移動距離は約５０
ｍｍ（１０００Ｖ印加時）であった。

【００５７】なお絶縁液の誘電率は大きい方が好まし
く、この絶縁液は潤滑液としても機能する。また離型剤
などを部分的にマスキングを施すことにより、電極面が
ポリウレタン・エラストマー１に対して接合しない個所
を形成することも出来る。 〔実施例５〕図６に示すように、この実施例では実施例
４のユニモルフ型のポリウレタン・エラストマー１に於
ける電極層２Ｄが全面に塗布された側の面を向かい合わ
せて重ね合わせて接着することにより、バイモルフ型に
形成している。

【００５８】ポリウレタン・エラストマー１Ａ側に電圧
を印加すると実施例４に記載の理由により図示矢印手前
側に曲がり、ポリウレタン・エラストマー１Ｂ側に電圧
を印加すると図示矢印奥側に曲がった。 〔実施例６〕図７に示すように、この実施例ではポリウ
レタン・エラストマーの両面に電極層を形成すると共
に、これらの両面の電極層による伸張方向の変位の拘束
を間欠的に解除することにより、伸張変位を発現させる
ようにしている。

【００５９】すなわち実施例１の（１）で得られた板状
のポリウレタン・エラストマー１（厚み２００μ程度）
の両面に絶縁液を水平方向（図示Ｓの位置）に何本か塗
布し、この両面にイオン・スパッタリングで金の電極層
２（厚み０．１ミクロン程度）を蒸着させ、ポリウレタ
ンエラストマー・アクチュエータを得た（２０ｍｍ×５
０ｍｍ）。

【００６０】したがって、絶縁液を水平方向に塗布した
両面の部分には電極層２にスリットＳ状の隙間が形成さ
れ、スリットＳ状の隙間では電極面がポリウレタン・エ
ラストマー１に対して接合していない。

【００６１】以上のようにして形成した上記ポリウレタ
ンエラストマー・アクチュエータの下端を固定し、両電
極に１００〜１０００Ｖの電圧を印加した。すると、電
場を印加した際に厚み方向の収縮変位が生じ、元の体積
を維持するために表面積を拡大する方向の変位が生じ
る。電極層２にはスリットＳ状の隙間が形成されている
ので、垂直方向の変位の拘束が間欠的に解除されてい
る。したがって、ポリウレタン・エラストマー１は、電
極層２の弾性率により変位が拘束される幅方向よりも垂
直方向への大きな変位が可能であり、垂直方向に伸長す
るような拡大が生じた。すなわち垂直方向の伸張変位
が、幅方向の変位を吸収して拡大されて発生した。伸長
した距離は約５０ｍｍ（１０００Ｖ印加時）であった。 〔実施例７〕図８に示すように、この実施例では実施例
６のポリウレタン・エラストマー１を厚さ方向に５つ積
層して接着固定しており、積層した数に比例して変位量
と変位力とが拡大された。 〔実施例８〕図９に示すように、この実施例では実施例
６のポリウレタン・エラストマー１を２つ重ね合わせて
接着することにより、バイモルフ型に形成している。

【００６２】ポリウレタン・エラストマー１Ａ側に電圧
を印加するとポリウレタン・エラストマー１Ｂ側の変位
が拘束されているので図示矢印奥側に曲がり、ポリウレ
タン・エラストマー１Ｂ側に電圧を印加するとポリウレ
タン・エラストマー１Ａ側の変位が拘束されているので
図示矢印手前側に曲がった。

【００６３】以上、このポリウレタンエラストマー・ア
クチュエータは、圧電・電歪アクチュエータ、例えば光
学的制御素子（微小角度調整デバイス）、機械的制御素
子（プリンタ紙送り）、人工肛門、人工心臓、人造指な
どへの応用が期待できる。

【００６４】

【発明の効果】この発明は上述のような構成であり、次
の効果を有する。

【００６５】電解液が不要でそれ程高電圧を必要としな
いと共に、耐久性の劣化が殆どなく、電気分解や発熱を
殆ど伴わず駆動時の変形量が大きいアクチュエータを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータの実施例１の構造を説明する斜視図。

【図２】ポリウレタンエラストマー・アクチュエータへ
の印加電圧（Ｖ）と変位量（ｍｍ）との関係を示すグラ
フ。

【図３】この発明のポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータの実施例２を説明する斜視図。

【図４】この発明のポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータの実施例３を説明する斜視図。

【図５】この発明のポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータの実施例４を説明する要部の斜視図。

【図６】この発明のポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータの実施例５を説明する要部の斜視図。

【図７】この発明のポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータの実施例６を説明する要部の斜視図。

【図８】この発明のポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータの実施例７を説明する要部の斜視図。

【図９】この発明のポリウレタンエラストマー・アクチ
ュエータの実施例８を説明する要部の側面図。

【符号の説明】

１ ポリウレタン・エラストマー ２ 電極層 ３ 弾性復元層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笠崎 敏明 奈良県大和郡山市池沢町172 ニッタ株 式会社 奈良工場内 (72)発明者 平井 利博 長野県上田市諏訪形940番地の13 (56)参考文献 特開 昭51−86798（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−24295（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−108351（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/00 - 41/26

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電場配向により変形し得るポリウレタン
   ・エラストマーを具備すると共に、前記ポリウレタン・
   エラストマーは電場配向され得る誘電性のポリオールを
   有し、電場を印加した際に生ずる収縮変位を、他の変位
   に変換することを特徴とするポリウレタンエラストマー
   ・アクチュエータ。
2. 【請求項２】 電場を印加した際に生ずる収縮変位を、
   湾曲変位に変換する請求項１記載のポリウレタンエラス
   トマー・アクチュエータ。
3. 【請求項３】 ポリウレタン・エラストマーの両面に電
   極層を形成すると共にこれら両面の電極層の厚みを異な
   らせ、その厚さ方向の剛性ピッチラインを厚さ中心より
   僅かにずらすことにより、湾曲変位を発現させるように
   した請求項２記載のポリウレタンエラストマー・アクチ
   ュエータ。
4. 【請求項４】 ポリウレタン・エラストマーの両面に電
   極層を形成すると共に、その片面の電極層による変位の
   拘束を間欠的に解除することにより、湾曲変位を発現さ
   せるようにした請求項２記載のポリウレタンエラストマ
   ー・アクチュエータ。
5. 【請求項５】 電場を印加した際に生ずる収縮変位を、
   伸張変位に変換する請求項１記載のポリウレタンエラス
   トマー・アクチュエータ。
6. 【請求項６】 ポリウレタン・エラストマーの両面に電
   極層を形成すると共に、これらの両面の電極層による伸
   張方向の変位の拘束を間欠的に解除することにより、伸
   張変位を発現させるようにした請求項５記載のポリウレ
   タンエラストマー・アクチュエータ。
7. 【請求項７】 誘電性のポリオールが、双極子モーメン
   トを有する置換基を持つものである請求項１乃至６のい
   ずれかに記載のポリウレタンエラストマー・アクチュエ
   ータ。
8. 【請求項８】 ポリウレタン・エラストマーに、弾性復
   元層が付与せしめられた請求項１乃至７のいずれかに記
   載のポリウレタンエラストマー・アクチュエータ。
9. 【請求項９】 バイモルフ型とした請求項１乃至８のい
   ずれかに記載のポリウレタンエラストマー・アクチュエ
   ータ。
10. 【請求項１０】 ポリウレタンエラストマーを電場方向
    に積層し、変形時の駆動力を拡大した請求項１乃至８の
    いずれかに記載のポリウレタンエラストマー・アクチュ
    エータ。
11. 【請求項１１】 ポリウレタンエラストマーを電場方向
    に積層し、変形量を拡大した請求項１乃至８のいずれか
    に記載のポリウレタンエラストマー・アクチュエータ。