JP3413498B2 - 分極微粒子入り電磁気歪み材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電場または磁場をか
ければ、高い歪み率で伸縮する電磁気歪み材料に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＰＺＴ・水晶・ポリ弗化ビニリデ
ン・その他の電歪材料（圧電体）が知られているが、電
歪量はごく小さく、最大級のＰＺＴでも０．１％程度、
伸縮するに過ぎず、大きな動きを得るためには、伸縮方
向の異なる２枚を張り合わせ、湾曲させなければならな
い。従って、人工筋肉として、ロボット内に入れて用い
る等の用途には適さない。

【０００３】ニッケル・その他の磁歪材料についても、
ほぼ同様である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、加えた電場
や磁場に対する歪率（伸縮率）が大きく、最大歪率が１
０％を越える値にもし得る、電気歪み材料または磁気歪
み材料を得る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】電気的または磁気的に分
極させた多数の硬質材料製微粒子を、それらの微粒子塊
自体が内部で回転しうる軟質の弾性材料中に、分極方向
を一定方向にそろえて分散させた、分極微粒子入り電磁
気歪み材料を造り解決する。

【０００６】

【実施例】図１は本発明を実施した分極微粒子入り軟質
電歪（電気歪み）材料の一部の拡大縦断面図。図２はそ
の平面図である。１は厚さ（上下幅）０．１ｍｍ程度の
非発泡の軟質のウレタン樹脂・塩化ビニール樹脂・種々
のゴム等から成る軟質基材層。２はその中に多数分散し
ている電気的分極微粒子で、その長径は３μｍ、短径は
１μｍ程度の円柱形に近い楕円形（回転楕円体）をし、
ＰＺＴ等の強誘電体から成り、左右方向に対して４５°
程度傾斜し、左上端が正電荷、右下端が負電荷に分極し
ており、基材層１の見かけの容積中の数１０％の容積を
しめている。３は基材層１の上面に取り付けた厚さ１μ
ｍ程度の左右方向に伸縮性のある電極層。４は基材層１
の下面に取り付けた３と同様の電極層である。

【０００７】５は電極層３または４中の金属部分で、ア
ルミニウム・銅・金・クローム・その他の金属から成る
ジグザグ線を多数平行に並べ、相互間を所々、橋をかけ
てつないだ一種の網形をしており、線の幅は１μｍ程度
である。６は炭素や金属の微粒子を含む導電性接着剤の
露出部である。次に、この動作について説明する。

【０００８】電極層３に１００Ｖ程度の正電圧、４に負
電圧を、図示しないリード線を通じてかけると、両電極
間に生ずる電場により、各分極微粒子２の左上端は電極
３から斥力を受け、電極４から引力を受けて下がり、右
下端は逆の力を受けて上がり、４５°程度回転し、ほぼ
長軸が水平になる。この回転に伴い、各微粒子の周囲に
固着している基材層を構成する弾性物質に引きずられ、
基材層１の左右長は伸び、厚みは減少する。

【０００９】今、各微粒子２の見かけの左右幅を２μ
ｍ、上下幅も２μｍとし、それが水平になった場合、左
右幅は約１．５倍になり、上下幅は約０．５倍になり、
基材層１の左右長と厚みに大きな影響を及ぼし、１０％
以上左右長は増し、厚みは減る。基材層１が左右に伸び
れば、電極層３と４も同様に伸びるが、電極３と４を構
成するジグザグ形の金属線５は左右に伸縮し得るので、
断裂する事はない。

【００１０】電極３と４の電位差を０にすれば、基材層
１の弾性により、各微粒子２は元の位置に復帰し、左右
長と厚みも復帰する。電極３と４にかける電圧を正負逆
転すれば、各微粒子２の左上端は電極３の負電荷に引か
れ、右下端は電極４の正電荷に引かれ、回転し、ほぼ垂
直に立ち、基材層１の左右長は減少し、厚みは増す。

【００１１】電極３に正、４に負の電圧がかかった場
合、一定値以上の電位差になれば、各微粒子２は水平状
態より更に回転し、左右長はかえって減少し、厚みは増
してくる。逆の電圧をかけた場合、各微粒子２が、ほぼ
垂直に到った後、それ以上の電圧をかけても、基材層１
の左右長と厚みは変化しない（飽和）。

【００１２】図１に示すような構造を持つ厚さ０．１ｍ
ｍ、左右幅２０ｃｍ、前後長数１０ｍの電歪材料ベルト
に、左右幅４０ｃｍ、厚さ０．０１ｍｍ程度の丈夫な合
成繊維の布またはフィルムを、両端が１０ｃｍずつはみ
出すように重ね、ゴム糊で固めながら、巻き上げ、前後
幅５ｃｍ程度の半円筒形の人工筋肉にし、両端から突出
している布やフィルムをしぼって人工の腱にし、ロボッ
ト内の人工骨格につなぎ、電極３、４に加える電圧を制
御し、人工筋肉を適度に収縮させ、ロボットの腕を動か
すのに用いる等する。

【００１３】なお、腱に相当する布等は中間部を１６ｃ
ｍ程度省略し、左右幅１２ｃｍ程度の物の縁のみ、圧電
材料ベルトに重ねるようにしてもよい。直径１ｍｍ程度
の金属心の周囲に、外径が３ｍｍ程度になるように巻き
付け、後に心を抜き取り、内空のある細い人工筋肉を造
り、これを多数束ね、外から触われば柔らかく感じられ
るようにしてもよい。

【００１４】両端にのみ、腱となる糸を入れたゴムひ
も、ウレタンフォーム製のひも等を用い、その周囲に電
歪材料を巻き付け、しなやかな人工筋肉にしてもよい。
このウレタンフォームの心に水または粘性の高いシリコ
ーンオイル・その他を含ませ、漏れないように両端は塞
ぎ、手触りが生体の筋肉に近ずくようにしてもよい。

【００１５】基材層１の厚みを０．１ｍｍより大きくし
たり、あるいは、小さくしてもよい。材質も、軟質のポ
リエチレン、その他のプラスチック、発泡率の低いウレ
タン樹脂、その他に代えてもよい。分極微粒子２の形を
円柱形、円盤形、その他の形に代えたり、サイズや材
料、混合率等を任意に選んだり、微粒子２の表面に、微
粒子２の材質とは異なる非分極性の材質から成る被膜を
かぶせ、基材層の原料に混和させる際、微粒子同しが電
気的な引力でつながって均一な分散をさまたげる事が起
こりにくくなるようにする等してもよい。

【００１６】電極層３、４を基材層１に付けず、硬質金
属板で造った２枚の電極間に微粒子入りの基材層１を置
き、伸縮させてもよい。耐久磁石材料で磁気分極（磁
化）した微粒子２を造り、基材層１から離れた所に設け
た磁気コイルの通電を制御し、伸縮させてもよい。ある
いは、図３に示すような微小コイルを多数、基材層１上
にプリント配線し、それに通電して伸縮させてもよい。

【００１７】図３は基材層１上にプリント配線した磁気
コイル７を示す平面図である。コイル７の描く円の直径
は層１の厚み程度とする。線の重なり部は絶縁体で隔絶
されている。コイルの総巻き数は非常に多く、かなり強
い磁場を造る事ができる。（一つのコイル内から下向き
の磁力線がでると、その周囲には上向きの磁力線が生ず
るので、後述の微粒子２の長軸が左右方向または上下方
向にそろった物を用いる事が望ましい。）もちろん、基
材層１から離れた部に設けた磁気コイルにより磁場を造
り、伸縮させてもよい。

【００１８】微粒子２の左上端がｎ極で、右下端がｓ極
の場合、磁場が上から下に向く時、微粒子は左回転し、
逆向きであれば、右回転し、基材層１の左右長は伸び、
あるいは、縮む。次に、網状の電極３の製法の例を記
す。まず、基材層１の表面に、炭素の微粒子を含む導電
性塗料を薄く塗り、電気メッキにより、その上に金属層
を１μｍ程度に形成させる。（蒸着やスパッタリングを
用いてもよい。）ついで、ホトレジストを塗り、マスク
をかけて露光し、ホトエッチングの手法で図２のような
形に仕上げる。

【００１９】あるいは、薄いプラスチックフィルム上に
厚さ１μｍ程度の金属メッキ層を造り、ホトエッチング
で網状にし、基材層に導電性接着剤を塗り、その上に金
属面をかぶせて接着する。（プラスチックフィルムは残
してもよいし、溶剤で除去してもよい。）基材層１を作
動時の伸長方向に引き伸ばした状態で、金等の展性の優
れた金属をメッキしたり、導電性塗料を塗り、原長に復
帰させ、基材が引き伸ばされた場合でも、それらの層に
亀裂が生じないようにすれば、電極層を網状にしなくて
もよい。

【００２０】網状電極を張り付ける際、基材層を引っ張
っておいてもよい。細い金属線や炭素繊維でメリヤス編
み、その他の布を造り、基材層を引っ張った状態で、そ
れらの布を張り付け、電極層に用いてもよい。磁気コイ
ル７を造る場合、ホトエッチングで、まず、Ｃ字形の金
属リングを多数造り、次に、線が重なる部分の上にホト
レジストを付け、ついで、残る金属線部をホトエッチン
グで形成させ、図３の状態にする。絶縁層を挟みなが
ら、数巻きのコイルを重ねてもよい。

【００２１】あるいは、絶縁材で被覆した金属細線で単
層のソレノイドコイルを造り、基材層１上に接着剤を塗
り、その上にソレノイドコイルを加圧しながら張り付
け、図３の状態にしてもよい。楕円形の微粒子２の長軸
方向をすべて水平方向にそろえた場合、電極３を正荷電
にすれば、微粒子２の左端が上がり、右端が下がり、基
材層１の左右長は縮み、厚みは増す。電極３を負荷電に
すれば、微粒子２の左端が下がり、右端は上がるが、伸
縮状態は前に同じである。従って、伸びる動作のない電
歪材料になる。

【００２２】微粒子２をすべて上下方向にそろえた場
合、電極３が正または負荷電すれば、微粒子２はランダ
ムに回転し、基材層１の厚みは減り、左右長と前後長は
伸びる。それは厚みは増さず、面積が変化するのみの電
歪材料になる。（実際には微粒子の回転方向がそろう傾
向が生ずる。その性質は微粒子の分布密度、その他の条
件の影響を受けて定まる。）分極微粒子２が球形の場
合、電場により、周囲の基材を引きずって回転するが、
球体の上下・左右・前後等で相殺され、基材層１の伸縮
には、ほとんど影響しない。そこで、微粒子２は非球形
で、楕円形・円柱形・円盤形・立方形・その他の形にす
る。

【００２３】分極方向は粒子の長径方向がよいが、短径
方向等でもさしつかえない。例えば、立方形の微粒子の
左右面が分極し、上下面を水平にそろえて並んでいる場
合、電場により左面が上がる方向に回転すれば、各粒子
の左上縁と、右下縁の距離は長いので、基材層１の厚み
は増す事になる。磁性の分極微粒子を用いた場合、アル
ミニウム合金等、低融点の金属溶融液中にキューリー温
度が高い磁気分極微粒子を分極させ、外部磁場を作用さ
せた状態で、冷却し、別方向の磁場を加えれば、微粒子
が回転し、基材金属の厚みや長さを変化させ得る物にな
る。

【００２４】基材層１中に大きさや形の異なる数種の微
粒子を分極方向をそろえて混入させてもよい。基材層１
の容積に対する分極微粒子２の総容積比は任意に選び得
るが、各微粒子が基材層中で適度に回転できなければな
らないので、あまり大きくしてはならない。

【００２５】次に図４に従い分極微粒子２の製造法の例
を説明する。図４は楕円形分極微粒子製造装置の縦断面
図で、８はヒーターを内蔵し、１０００℃以上に加熱さ
れたセラミック製の円筒管。９はその下方の非加熱の円
筒形セラミック管。１０、１１は数万Ｖの直流電圧をか
けた電極である。管８の上方から粒度２μｍ程度の不定
形または球形のＰＺＴ・その他の強融電体の微粒子（粉
末）を落下させると、微粒子は管内の熱気で溶融し、各
粒子が表面張力で球形化し、管９内に入り、電極１０、
１１による電場で分極し、かつ、両極に引かれて楕円形
に変形して落下し、冷気により冷却し、楕円形で分極し
たまま、固化する。

【００２６】電極１０、１１の代わりに、磁気コイルを
設け、磁石材料の微粒子を管８内に落として溶融し、表
面張力で球形化し、管９内の強磁場で楕円形化し、か
つ、磁気分極させ、楕円形の磁化微粒子を得てもよい。
強融電体や強磁性体の超微粒子を熱可塑性樹脂に混合
し、粉末化して直径２μｍ程度の微粒子にし、数１００
℃の管８内を落下させ、樹脂を球形化し、管９内で分極
させ、冷却・固化してもよい。

【００２７】この場合、熱硬化性樹脂の半重合体を用
い、同様の結果を得てもよい。これらの粒子を箱に入
れ、あるいは、油・水等の液体中に入れ、適度に加熱
し、電磁場をかけ、長時間保持し、分極を強化してもよ
い。図５は別の分極微粒子の製造装置の縦断面図であ
る。１２はセラミック製の加熱シリンダー。１３はシリ
ンダーに連なるノズル。１４は金属製のピストン。１
５、１６は金属製のローラー。１７、１８はカッターで
ある。

【００２８】シリンダー１２内にポリ弗化ビニリデン
（ＰＶＤＦ）・その他の延伸方向、または印加電場方向
に分極する高分子圧電材料を入れ、溶融し、ピストン１
４で押し、ノズル１３から線状にして押し出し、高速回
転するローラー１５、１６間に挟んで延伸し、直径数μ
ｍの繊維にし、カッター１７、１８で挟んで円柱形また
は円盤形に切断する。（繊維の方向は気流等で整えれば
よい。）延伸による分極に加えて、ピストン１４と、ロ
ーラー１５、１６に加える電圧による横方向の電場によ
り、繊維は長軸方向に分極し、断片も同方向の分極を持
つ。

【００２９】シリンダー１２内に強融電体や強磁性体の
超微粒子を含む熱可塑性樹脂を入れ、横方向の電場や磁
場をかけつつ延伸し、切断し、上記と同様の円盤や円柱
を得てもよい。（延伸の際、微粒子は長軸方向に姿勢を
変える傾向もある。）ノズル１３中に細いノズルを入
れ、それから導電ゴムを押し出し、導電ゴムの周囲に微
粒子入りの基材層がかぶった物を造り、その外面に後に
導電塗料を塗るか、ノズルを三重にし、一挙に外面に導
電層のかぶった物を得てもよい。（長い物は人工筋繊維
として用いる等する。）中心のノズルから導電粒子や連
続コイル状金属線の入ったゴム、金属メッキした合成繊
維の糸等から成る心を押し出しつつ、時々その周囲に分
極微粒子入り基材層を押し出してかぶせ、生体の筋肉に
おける腱繊維に対応させ得る、心の露出部を切断し、外
面を適度に絶縁被覆し、一方のリード線にも用い、筋繊
維に対応する微粒子入り基材層の外面に導電性の柔軟な
接着剤を塗り、生体の種々の外形をなす筋肉の筋繊維の
走行をまねて多数接合し、複雑な形の人工筋肉を得ても
よい。（筋繊維対応部の長さも色々にする。）ノズル１
３の形を変え、四角柱や六角柱の物を造ってもよい。

【００３０】なお、これらの製法で得た分極微粒子を本
発明以外の用途に用いてもよいし、その他の製法で得た
分極微粒子を本発明に用いてもよい。次に、図１、図２
等で説明した本発明の電歪材料の用い方の２・３の例を
追加する。図６は奇数積層板の上面図。図７は偶数積層
板の上面図。図８はそれらの積層体の正面図である。

【００３１】１９は図１、２に示すような厚さ０．１ｍ
ｍ程度の分極微粒子入り電歪材料。２０はその上に塗布
した導電性接着剤で、その左前縁はやや突出している。
２１は１９と逆極性の電歪材料で、２２はその上に付け
た導電性接着剤で、その右前縁はやや突出している。こ
のような接着剤付電歪材料１９から成る奇数積層板の上
に、偶数積層板２１を交互に多数重ねて一体化し、図８
のような積層体にする。各導電性接着剤の左前縁は上下
連なって電極２３になり、２２の右前縁は連なって電極
２４になる。

【００３２】この電極２３と２４に電圧をかければ、伸
縮し、強い力を出す。図９の簡素化した正面図に示すよ
うに、横幅が２倍の電歪材料１９と２１を二つ折りにし
て重ね、導電性接着剤で接触面を接着し、一体化しても
よい。この場合、奇数層１９の左縁（曲がり角）と、隅
数層２１の右縁（曲がり角）とにリード線をつなぎ、両
層が共に同方向に伸縮するように極性を選ぶ。

【００３３】なお、積層体を造る方法として、長く連続
した１枚の圧電材料膜を、導電性接着剤を両面に塗って
ジグザグに折り曲げ、接着し、一体化してもよい。図１
０は圧電式バルブの平面図。図１１はその正面図であ
る。２５は直径２ｍｍ程度の硬質ゴム製円柱。２６はそ
の周囲にかぶさっている軟質ゴム管。２７、２８はそれ
らの前端の対向面をつないでいる架橋。２９は図１、図
２に示す電歪材料膜を幅２ｍｍ程度に切り、絶縁性接着
剤を付けて、コイル状に重ね巻きした電歪材料コイル。
３０、３１はその電極に連なるリード線である。

【００３４】前端から軟質ゴム管２６中に流体を流す
と、円柱２５との間に流れるが、リード線３０、３１に
通電すると、コイル２９は短縮し、ゴム管２６の内面が
円柱２５に接近し、流れる流体の流動抵抗が増す。加え
る電圧を加減すれば、流量を適度に制御したり、流れを
止めてしまう事もできる。

【００３５】ゴム管２６の外面に金属リングをはめ、円
柱２５を圧電材料製にし、加える電圧で、その直径を伸
縮させ、流量の制御を行なってもよい。図１２はコンピ
ューター用点字二次元ディスプレイの櫛形素子の一部の
平面図。図１３はその正面図である。３２は全左右長が
３００ｍｍ余り、前後幅が３ｍｍ、上下幅が３０ｍｍ程
度の硬質プラスチック基板で、その前後面には櫛形の凹
みが付いている。３３はその左端に開けた貫通孔（実際
には右端にも同様の貫通孔がある。）３４は櫛形電歪材
料板で、図６〜８に記すような積層板を櫛形にカットし
た物で、その前後の厚みは１ｍｍ、櫛の歯の長さは１０
ｍｍで、歯数は合計１００本左右に並び、下部は連なっ
ており、その後面は各歯ごとにリード線を兼ねた導電性
接着剤層３５、３６、３７等の上端を介し、基板３２に
固着している。３８は各歯の上端に、マッチの軸に取り
付けられた火薬のように、かぶさっている、接触感を強
めるためにガラス粉等を加えたプラスチックから成る触
知突起。３９は圧電板３４の下面に導電性接着剤で張り
付けた、各歯のアース電極に連なる金属電極板である。

【００３６】このような素子を前後方向に１００枚並べ
れば、縦×横に、１００×１００本の触知突起３８が並
ぶコンピューター用点字ディスプレイとなる。それらは
左右の貫通孔３３に通したネジで一体化され、各触知突
起の下方の歯に連なるリード線３５〜３７、その他のリ
ード線はコンピューターの出力回路に連なり、ＣＲＴデ
ィスプレイの１ドットまたは数ドットに１個の触知突起
が対応する。

【００３７】各触知突起３８に連なるリード線３５〜３
７のいずれかに通電すれば、その上方の１本の歯が１ｍ
ｍ程度上に伸び、基板３２上に０．７ｍｍ程度突出し、
点字の１点となり、点字で記した１頁を表示したり、図
形やテレビカメラで撮った風景等を表示したりする事が
できる。この触知突起３８を充分長くし、伸縮距離も大
きく取れば、その伸縮度を制御する事により、レリーフ
状の立体形状を表示する事もできる。

【００３８】触知突起３８を基盤３２の上面に予め突出
させておき、その直径もやや大きくしておき、非通電
時、各突起の上端がほぼ平面をなすようにしてもよい。
櫛形板３４は幅３００ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ、前後長２
００ｍｍ程度の圧電材料膜の表裏面に、幅２ｍｍ程度の
間を置いて、１００本の電極を設けた分極微粒子入り圧
電材料膜を、２０ｍｍピッチでジグザグ折りにしたり、
巻いたりし、接着剤で一体化した積層体を用い、歯の間
隙に相当する部分を打ち抜いて造る。

【００３９】あるいは、直径０．５ｍｍ、上下長２０ｍ
ｍの銅線の上半部に、表裏面に一様に電極を付けた上下
幅２０ｍｍの圧電フィルムを、銅線に接する部分は導電
性接着剤を付け、他は絶縁性接着剤を付けて巻き付け、
外径を１ｍｍにした物を多数造り、２ｍｍの間隔を置
き、１００本並べ、共通電極にする上下幅１０ｍｍ、左
右幅３００ｍｍの金属板を導電性接着剤で前後に張り付
ける等して造る。

【００４０】再び、分極微粒子の製造法について記す。
図１４は引き臼型分極微粒子製造装置の縦断面図であ
る。４０は底面の中央側がやや高くなっているヒーター
入りのセラミック製桶形上部ミル。４１は上面はその底
面に開けた穴。４２は上面が平らなヒーター入りセラミ
ック製下部ミル。４３は金属製の軸。４４は下部ミルの
周囲を囲む円筒形の金属電極である。（軸４３に近いほ
ど、ミルの温度を高くしてもよい。）上部ミル４０の上
に直径２μｍ程度の強融電体微粒子を入れ、上部ミル４
０を図示しないモーターで回すと、微粒子は穴４１から
落ち、内側が、やや広がった、下部ミル４２との間に入
り、上下のミルの熱で軟化し、かつ、両者の透き間をこ
ろがる間に、円柱形に変形し、直径１μｍ程度の円柱に
なり、下部ミル４２の周囲に落下する。（時々、上部ミ
ルを少し逆転してもよい。）軸４３と電極４４との間に
は高電圧をかけるため、微粒子は分極し、ミルの外へ出
る事になる。

【００４１】なお、電極４４と軸４３を磁極にし、強磁
性体の微粒子を円柱形にしながら磁化してもよい。２本
の加熱セラミックローラー間に微粒子を通し、ローラー
の軸方向に電場または磁場をかけ、円柱形の分極微粒子
を得てもよい。図１５は分極微粒子入り圧電材料膜の製
造装置の一例を示す正面図である。

【００４２】４５、４６は圧延ロール。４７はその上方
からロール間に送り込まれる、熱可塑性ポリウレタン樹
脂中に電気分極微粒子を分散させた、１７０℃程度に加
熱され、軟化している素材。４８はロール間を通り、厚
さ０．１ｍｍ程度のフィルムになった素材。４９、５０
は傾斜した電極である。ロール間を通過して、なお軟化
状態のフィルム４８に電極４９、５０の電場が作用し、
内部の分極微粒子の姿勢がそろい、分極方向が斜めにそ
ろう。かつ、図示しない送風機により、冷風がフィルム
４８の下方に送られ、フィルムは固化し、図１、図２に
記す基材層１に分極微粒子２が分散した物が得られる。

【００４３】素材４７に二液混合型の樹脂、その他を用
いてもよい。硬化反応促進のため、熱や放射線を加えて
もよい。電極４９、５０の位置や形を変えれば、微粒子
２の分極方向を任意の方向に変える事ができる。電極４
９、５０を用いる代わりに、磁気コイルを用い、磁気分
極微粒子の方向を制御してもよい。

【００４４】４５、４６の下方にも延伸用のローラーを
設け、円柱形微粒子の方向を延伸により、上下方向にそ
ろえてもよい。電気的に分極した微粒子と、磁気的に分
極した微粒子を、一つの基材層１中に、分極方向を一つ
にそろえるか、別個にそろえて入れ、電場と磁場に反応
し、伸縮するようにしてもよい。

【００４５】この場合、硬質プラスチック中に両者の超
微粒子を加え、両微粒子の分極方向を一つにそろえる
か、別個にそろえ、分極微粒子２に造り、基材層１中に
入れてもよい。あるいは、ＰＺＴと、それより融点の高
い強磁性体の微粒子を混和し、ＰＺＴを解かして固め、
両者の混じった直径２μｍ程度の微粉にし、電磁場と磁
場を同時に印加しつつ、図４に示す装置等で、分極微粒
子にしてもよい。

【００４６】基材層１の見かけの容積に対する分極微粒
子２の総容積の比率を任意に選ぶ事ができるが、各微粒
子が基材層中で、適度に回転できる必要があるので、非
常に比率を大きく取る事はできない。ＶＴＲやテープレ
コーダーの磁気ヘッドと、記録テープのトラックとの位
置ずれがテープの駆動中によく起こるが、磁気ヘッド
と、それを取り付けている土台との間に、厚さ１ｍｍ程
度の上記の電歪材料積層体を接着して挿入しておき、ヒ
ードバック回路でその厚みを変え、ヘッドをトラックに
適合し得るようにできるが、そのような場合には、電歪
材料に多数の小貫通孔を開けておくか、発泡率５０％程
度のウレタンフォームを基材に用いる等しなければなら
ない。均質な材料なら、その厚みが１０％増減すれば、
左右長も同程度増減しなければならないが、接着されて
いると動けない。しかし、多孔性であれば、横方向の伸
縮は空胞の伸縮で吸収される事になる。

【００４７】分極微粒子を基材中に加えた物では、型を
用い、加圧成型や射出成型を行ない得るが、型はセラミ
ックや耐熱性のプラスチック、常時性金属（磁気微粒子
用）等を用い、成型時に外部から電磁場をかけ、微粒子
の方向をそろえる必要がある。磁気微粒子の場合には、
型の材料中に、いくつかの電磁石を仕込み、成型品の部
分によって、分極方向を変えてもよい。そのようにして
人形を造り、いくつかの電磁石を仕込んだケース中に入
れ、磁場の方向や強さを切り替え、おどりをおどらせる
事もできる。

【００４８】電気分極微粒子の場合でも、一つの型の中
に多数の電極板を仕込み、場所により分極方向を変えて
成型すればよい。透明板で被覆した６枚の透明電極で造
った人形ケースに入れ、任意の電極間に電圧をかけ、お
どらせればよい。成型の際、まず、一方向にそろえたい
部分のみを含む型で成型し、分極方向をそろえ、型から
取り出した上、次のかたに入れ、別の分極方向にそろえ
る追加分を加えて成型する事を反復してもよい。

【００４９】外部から電磁誘導で充電し得る蓄電池や制
御回路、生体内の神経のインパルス等を入力とし得る制
御回路等を内蔵した人工筋肉を造り、欠損した筋肉の代
わりに生体内に移植してもよい。図１、２等に記す分極
微粒子入りの材料に外力で歪みをかけ、生ずる誘導電圧
や誘導電流を利用してもよい。

【００５０】従来の電歪材料を用いた種々の製品中に、
本発明の電歪材料を応用してもよい。その他、種々の設
計が可能である。

【００５１】なお、基材層１と電気的分極微粒子２とか
ら成る膜層の上下面に電極層を設けた構造は、一種のコ
ンデンサーを形成しているが、その最大電気容量は、こ
の装置の力学的出力エネルギーとの相関が深い。一般
に、平行平板コンデンサーの電気容量Ｃ(Fファラット゛)は、
電極の対向面積をＳ(cm2)、誘電体の比誘電率をε、誘
電体の厚さをｄ(cm)とすれば、次式で表される。（１０
(-14)は、１０の−１４乗） Ｃ＝８．９×１０(-14)×εＳ／ｄ ‥‥‥（１） この場合、εは、基材総１の物質と、分極微粒子２の物
質の自発分極値・誘導分極能等が複雑に総合されたもの
となり、Ｄも、電荷が蓄積されると、その極性と量、つ
ながれた力学的負荷等により、変化し、Ｃの値に影響す
る。また、絶縁破壊を起こさない範囲で印加しうる最大
電圧をＶM(Vホ゛ルト)とし、その時の最大電気量をＱM(Qクーロ
ン)とすれば、次式となる。 ＱM＝ＣＶM ‥‥‥（２） その時の最大電気的蓄積エネルギーＥeM(Jシ゛ュール)は、 ＥeM＝ＱMＶM ‥‥‥（３） 上式に（２）式を代入し、 ＥeM＝ＣＶM×ＶM ‥‥‥（４） 最大印加電圧ＶMを加え、左端を固定した膜層の右端
が、右方へδＬM(cm)伸び、短絡放電させて原長に復帰
させたとし、内部・外部の摩擦等によるエネルギーの損
失がないとすれば、伸びた時点等に、右端につないだ質
量Ｍ(gク゛ラム)の重りに、次式で示すｖdM(cm/s)の速度
（力学的エネルギーの一種）を与えることができること
になる。 ＥeM＝ＭＶdM(2)／２／１０(7) ‥‥‥（５） ｖdM＝√（２×１０(7)×ＥeM／Ｍ） ‥‥‥（６） 重りへの加速ではなく、バネの引き伸ばし等の力学的仕
事量をＷMとすると、膜層をδＬMだけ引き伸ばす際に、
直線的に応力が増加し、最大ＦMの応力が生じるとすれ
ば、 ＷM＝Ｅem＝ＦM×δＬM／２／１０(7) ‥‥‥（７） 重りの加速その他の仕事を含めた力学的出力エネルギー
をＥｄM(J)とし、印加電圧の周波数等との相関が大きい
膜層中の分子摩擦その他による内部エネルギー損失を
α、電極の伸縮抵抗等による外部エネルギー損失をβと
すれば、次式となる。 ＥdM＝ＥeM＝ＶMＱM−α−β＝ＶM×ＶMＣ−α−β ‥‥‥（８） 上記各式を総合して、 ＷM＝ＥdM＝ＥeM＝ＶM(2)×８．９×１０(-14)×εＳ／ｄ−α−β ‥ ‥‥（９） 今、αとβを０とし、膜層面積Ｓを１ｍ2（１万平方センチ
メートル）、電圧印加時の厚さＤを０．０1cm（全体積１０
０ml強）、誘電率εを１００、最大印加電圧ＶMを１０
００Ｖとすれば、（９）式により、最大力学的エネルギ
ーＥdMは、 ＥdM＝１０(6)×８．９×１０(-14)×１００×１０(4)／０．０１＝８．９( J) ‥‥‥（１０） 印加電圧の極性を逆転して、膜層を収縮させた場合も、
電気容量Ｃが減少する要因は加わるが、ほぼ同様の結果
になる。膜層の伸縮方向における応力Ｆは、伸縮方向に
垂直な断面積及び、基材層１の軟質物質のヤング率に比
例する。交流、または脈流を印加すれば、ＥdMは低周波
では、ほぼ比例して大きくなるが、周波数を高めるほ
ど、α及びβが増加する。これらの解析は、今後修整・
発展させてゆくことが望ましい。

【００５２】

【発明の効果】本発明を実施すれば、従来の電歪材料や
磁歪材料に比べ、印加した電場や磁場に対する歪み率が
格段に大きく、ロボット用人工筋肉、軟質材料で構成さ
れる流体制御弁、コンピューター用点字二次元ディスプ
レイ、レリーフ状三次元ディスプレイ、その他に利用し
て便利な、分極微粒子入り電磁気歪み材料が得られる等
の利点が生ずる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施した分極微粒子入り軟質電歪材料
の一部の拡大縦断面図。

【図２】その平面図。

【図３】 基材層１上にプリント配線した磁気コイル７
を示す平面図。

【図４】 楕円形分極微粒子の製造装置の縦断面図。

【図５】別の分極微粒子の製造装置の縦断面図。

【図６】電歪材料積層体の奇数積層板の平面図。

【図７】偶数積層板の平面図。

【図８】積層体の正面図。

【図９】二つ折りの積層板の積層体の簡素化した正面
図。

【図１０】圧電式バルブの平面図。

【図１１】その正面図。

【図１２】コンピューター用点字二次元ディスプレイの
櫛形素子の一部の平面図。

【図１３】その正面図。

【図１４】引き臼型分極微粒子製造装置の縦断面図。

【図１５】分極微粒子入り圧電材料膜の製造装置の正面
図。

【符号の説明】

１ 軟質基材層。 ２ 分極微粒子。 ３ 電極層。 ４ 電極層。 ５ 電極３、４の金属部分。 ６ 導電性接着剤の露出部。 ７ 基材層１上にプリント配線した磁気コイル。 ８ ヒーター内蔵の加熱円筒管。 ９ 常温のセラミック製円筒管。 １０ 電圧印加電極。 １１ 電圧印加電極。 １２ 加熱シリンダー。 １３ ノズル。 １４ ピストン。 １５ ローラー。 １６ ローラー。 １７ カッター。 １８ カッター。 １９ 電歪材料。 ２０ 導電性接着剤。 ２９ 電歪材料製コイル。 ３２ 硬質プラスチック基板。 ３４ 櫛形電歪材料板。 ３８ 触知突起。 ４０ ヒーター入り上部ミル。 ４２ ヒーター入り下部ミル。 ４３ 金属製の電極兼用の軸。 ４４ 円筒電極。 ４５ 圧延ローラー。 ４６ 圧延ローラー。 ４７ 分極微粒子入りの熱で軟化した圧電材料素材。 ４８ フィルム化された素材。 ４９ 傾斜した電圧印加電極。 ５０ 傾斜した電圧印加電極。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気的または磁気的に分極させた多数の硬
   質材料製微粒子を、それらの微粒子が内部で回転しうる
   軟質弾性材料中に、分極方向を一定方向にそろえて分散
   させて成る、分極微粒子入り電磁気歪み材料。
2. 【請求項２】電磁場内において強誘電体または強磁性体
   の微粒子を加熱・軟化させ、ついで、冷却・硬化させる
   か、線状に延伸し、切断し、楕円形・円柱形・円盤形等
   にする、請求項１に記載の材料に用いる分極微粒子の製
   法。
3. 【請求項３】重ね合わせの可能な一定サイズの平板の一
   縁に、多数の同サイズの分極微粒子入り電歪材料から成
   る細長い電歪素子の一端を、平行に、一定ピッチで取り
   付け、該電歪素子の他端を、該平板の他縁に配置して成
   る、コンピューターの点字ディスプレイ等に用いる素
   子。
4. 【請求項４】冷却・加熱・重合反応・放射線照射等で硬
   化する、軟化状態の溶融樹脂・硬化前樹脂等中に、硬質
   分極微粒子を多数混入分散させ、膜状に加工し、膜面に
   対して４５度程度に傾斜した外部電磁場を加え、分極微
   粒子を回転させ、分極方向をそろえ、樹脂を硬化させる
   か、更に延伸した後、硬化させる、分極微粒子入り電磁
   気歪み材料の製法。