JP5186160B2 - Flexible electrode and actuator using the same - Google Patents
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Description
本発明は、導電性が高く伸縮可能な柔軟電極、およびそれを用いたアクチュエータに関する。 The present invention relates to a flexible electrode that has high conductivity and can be expanded and contracted, and an actuator using the same.
近年、導電性高分子、イオン導電性高分子(ICPF)、誘電体エラストマー等の高分子材料を利用したアクチュエータが提案されている。この種のアクチュエータは、柔軟性が高く、軽量で小型化し易いため、人工筋肉、医療用器具、流体制御等の様々な分野での使用が検討されている。例えば、特許文献1、2には、誘電体エラストマーからなる誘電膜を一対の電極で狭持した電歪型アクチュエータが紹介されている。
電歪型アクチュエータでは、電極間への印加電圧を大きくすると、電極間の静電引力が大きくなる。このため、電極間に挟まれた誘電膜は膜厚方向から圧縮され、誘電膜の膜厚は薄くなる。膜厚が薄くなると、その分、誘電膜は電極面に対して平行方向に伸長する。一方、電極間への印加電圧を小さくすると、電極間の静電引力が小さくなる。このため、誘電膜に対する膜厚方向からの圧縮力が小さくなり、誘電膜の弾性復元力により膜厚は厚くなる。膜厚が厚くなると、その分、誘電膜は電極面に対して平行方向に収縮する。このように、電歪型アクチュエータは、誘電膜を伸長、収縮させることによって、駆動対象部材を駆動させる。 In the electrostrictive actuator, when the voltage applied between the electrodes is increased, the electrostatic attractive force between the electrodes is increased. For this reason, the dielectric film sandwiched between the electrodes is compressed from the film thickness direction, and the film thickness of the dielectric film is reduced. As the film thickness decreases, the dielectric film extends in a direction parallel to the electrode surface. On the other hand, when the applied voltage between the electrodes is reduced, the electrostatic attractive force between the electrodes is reduced. For this reason, the compressive force from the film thickness direction to the dielectric film is reduced, and the film thickness is increased by the elastic restoring force of the dielectric film. As the film thickness increases, the dielectric film shrinks in the direction parallel to the electrode surface. As described above, the electrostrictive actuator drives the drive target member by extending and contracting the dielectric film.
ここで、誘電膜と共に電極が伸長、収縮しにくい場合には、電極により誘電膜の変形が妨げられ、所望の変位量を得ることは難しい。したがって、電極は、誘電膜の変形を妨げないよう、誘電膜と一体となって変形できるものであることが望ましい。誘電膜の変形に追従可能な電極は、例えば、エラストマー等の母材に導電材を充填して構成することができる。この場合、電極としての導電性を確保するため、導電材を母材全体に分散させる必要がある。このため、導電材の充填量が多くなる。導電材の充填量が多くなると、導電性は向上するが、硬度が高くなるため変形しにくくなる。一方、電極の柔軟性を確保するために導電材の充填量を少なくすると、導電性が低下して誘電膜に充分な電荷を供給することができない。また、誘電膜と共に電極が大きく伸長された場合には、導電材同士の距離が大きくなるため、導電パスが切断され、電気抵抗が増加してしまう。このように、所望の導電性と柔軟性とを同時に満足するような電極は未だ実現されていない。 Here, when the electrode is difficult to expand and contract together with the dielectric film, deformation of the dielectric film is hindered by the electrode, and it is difficult to obtain a desired amount of displacement. Therefore, it is desirable that the electrode can be deformed integrally with the dielectric film so as not to prevent the deformation of the dielectric film. The electrode capable of following the deformation of the dielectric film can be configured by filling a base material such as an elastomer with a conductive material, for example. In this case, in order to ensure conductivity as an electrode, it is necessary to disperse the conductive material throughout the base material. For this reason, the filling amount of the conductive material increases. When the filling amount of the conductive material is increased, the conductivity is improved, but since the hardness is increased, the conductive material is not easily deformed. On the other hand, if the filling amount of the conductive material is decreased in order to ensure the flexibility of the electrode, the conductivity is lowered and sufficient electric charge cannot be supplied to the dielectric film. In addition, when the electrode is greatly extended together with the dielectric film, the distance between the conductive materials is increased, so that the conductive path is cut and the electric resistance is increased. Thus, an electrode that satisfies the desired conductivity and flexibility at the same time has not yet been realized.
また、上記電歪型アクチュエータだけでなく、導電性樹脂等を利用したセンサにおいても、導電性と柔軟性とを備えた電極が要求されている。すなわち、当該センサは、導電性樹脂等の変形による電気抵抗の変化に基づいて曲げ等の変形を検出する。この場合、導電性樹脂等に追従して電極が変形しないと、導電性樹脂等の変形に基づく電気抵抗の変化を正確に検出することができない。 Further, not only the electrostrictive actuator but also a sensor using a conductive resin or the like requires an electrode having conductivity and flexibility. That is, the sensor detects deformation such as bending based on a change in electrical resistance due to deformation of the conductive resin or the like. In this case, unless the electrode is deformed following the conductive resin or the like, a change in electrical resistance based on the deformation of the conductive resin or the like cannot be accurately detected.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、弾性体の表面に配置される電極であって、導電性が高く、かつ弾性体と一体となって変形可能な柔軟電極を提供することを課題とする。また、そのような柔軟電極を使用して、応答性が良好で、大きな変位量を得ることのできるアクチュエータを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a flexible electrode that is disposed on the surface of an elastic body and has high conductivity and can be deformed integrally with the elastic body. The task is to do. It is another object of the present invention to provide an actuator that uses such a flexible electrode and has good responsiveness and a large amount of displacement.
(1)上記課題を解決するため、本発明の柔軟電極は、弾性体の表面に配置され、母材と、該母材中に分散されている導電材と、を有し、該導電材の濃度は、該弾性体との接合界面から厚さ方向に変化しており、該弾性体の弾性変形に応じて伸縮可能であることを特徴とする(請求項1に対応)。 (1) In order to solve the above-mentioned problem, the flexible electrode of the present invention has a base material and a conductive material dispersed in the base material, which is disposed on the surface of the elastic body. The concentration is changed in the thickness direction from the bonding interface with the elastic body, and can be expanded and contracted according to elastic deformation of the elastic body (corresponding to claim 1).
本発明の柔軟電極によると、導電材の濃度が、弾性体との接合界面から厚さ方向に変化している。導電材の濃度は、厚さ方向において漸次に滑らかに変化していてもよく、ステップ状に変化していてもよい。また、導電材の濃度は、高濃度→低濃度というように単一に変化していてもよく、高濃度→低濃度→高濃度というように様々に変化していてもよい。 According to the flexible electrode of the present invention, the concentration of the conductive material changes in the thickness direction from the joint interface with the elastic body. The concentration of the conductive material may gradually and smoothly change in the thickness direction, or may change stepwise. Further, the concentration of the conductive material may be changed singly such as high concentration → low concentration, or may be changed variously such as high concentration → low concentration → high concentration.
導電材の濃度が高い部分では、導電性が高い。例えば、弾性体との接合界面付近における導電材の濃度を高くすると、当該接合界面付近の導電性が高くなる。このため、弾性体に電圧を印加しやすくなる。また、導電材の濃度が低い部分では、相対的に硬度が低くなり、柔軟性が向上する。よって、弾性体の変形に追従して変形することができる。つまり、弾性体の変形を拘束するおそれが小さい。また、弾性体が大きく変形した場合でも、主に導電材の濃度が低い柔軟な部分で変形に追従しつつ、導電材の濃度が高い部分で導電性を確保することができる。したがって、本発明の柔軟電極によると、所望の導電性と柔軟性との両方を満足することができる。 In a portion where the concentration of the conductive material is high, the conductivity is high. For example, when the concentration of the conductive material near the bonding interface with the elastic body is increased, the conductivity near the bonding interface is increased. For this reason, it becomes easy to apply a voltage to an elastic body. Moreover, in the part where the density | concentration of a electrically conductive material is low, hardness becomes relatively low and a softness | flexibility improves. Therefore, it can be deformed following the deformation of the elastic body. That is, there is little risk of restraining deformation of the elastic body. Further, even when the elastic body is largely deformed, it is possible to ensure conductivity at a portion where the concentration of the conductive material is high while following the deformation mainly at a flexible portion where the concentration of the conductive material is low. Therefore, according to the flexible electrode of the present invention, both desired conductivity and flexibility can be satisfied.
(2)好ましくは、上記(1)の構成において、前記導電材の濃度は、前記接合界面付近で最も高い構成とするとよい(請求項2に対応)。上述したように、導電材の濃度が高い部分では、導電性が高い。したがって、弾性体との接合界面付近において、導電材の濃度を最も高くすることにより、当該接合界面付近の導電性を最も高くすることができる。したがって、本構成によると、当該接合界面付近に導電材をまんべんなく行き渡らせることができ、接合界面の略全面から弾性体に電圧を印加することができる。 (2) Preferably, in the configuration of (1) above, the concentration of the conductive material may be the highest in the vicinity of the bonding interface (corresponding to claim 2). As described above, the conductivity is high in the portion where the concentration of the conductive material is high. Therefore, by making the concentration of the conductive material the highest near the joint interface with the elastic body, the conductivity near the joint interface can be made the highest. Therefore, according to this configuration, the conductive material can be evenly distributed in the vicinity of the bonding interface, and a voltage can be applied to the elastic body from substantially the entire surface of the bonding interface.
(3)好ましくは、上記(1)または(2)の構成において、前記母材はエラストマーを含む構成とするとよい(請求項3に対応)。エラストマーは、ゴムおよび熱可塑性エラストマーを含む。母材にエラストマーを含むため、弾性変形しやすく、弾性体の変形に対する追従性に優れる。 (3) Preferably, in the configuration of (1) or (2), the base material may include an elastomer (corresponding to claim 3). Elastomers include rubber and thermoplastic elastomers. Since the base material contains an elastomer, it is easily elastically deformed and has excellent followability to deformation of the elastic body.
(4)好ましくは、上記(1)ないし(3)のいずれかの構成において、前記導電材の濃度が高い高導電層と、該高導電層と比較して該導電材の濃度が低い柔軟層と、が積層されてなり、該高導電層は前記弾性体と接合されている構成とするとよい(請求項4に対応)。 (4) Preferably, in any one of the constitutions (1) to (3), a highly conductive layer having a high concentration of the conductive material, and a flexible layer having a low concentration of the conductive material compared to the highly conductive layer And the highly conductive layer is preferably joined to the elastic body (corresponding to claim 4).
本構成の柔軟電極は、高導電層と柔軟層とが積層されてなる。ここで、高導電層は弾性体と接合されている。つまり、弾性体との接合界面付近では導電材の濃度が高い。したがって、接合界面の略全面から弾性体に電圧を印加することができる。一方、柔軟層は、高導電層を介して弾性体の表面に配置されている。柔軟層は、導電材の濃度が低いため軟らかい。したがって、柔軟層により、弾性体への追従性が確保される。つまり、本構成によると、高導電層が主に導電性を向上させる役割を果たし、柔軟層が主に弾性体への追従性を向上させる役割を果たしている。このように本構成によると、導電材の濃度が異なる高導電層、柔軟層の二層を積層させることにより、簡便に本発明の柔軟電極を作製することができる。 The flexible electrode having this configuration is formed by laminating a highly conductive layer and a flexible layer. Here, the highly conductive layer is joined to the elastic body. That is, the concentration of the conductive material is high near the joint interface with the elastic body. Therefore, a voltage can be applied to the elastic body from substantially the entire surface of the bonding interface. On the other hand, the flexible layer is disposed on the surface of the elastic body via the highly conductive layer. The flexible layer is soft because the concentration of the conductive material is low. Therefore, the followability to the elastic body is ensured by the flexible layer. That is, according to this configuration, the highly conductive layer mainly plays the role of improving the conductivity, and the flexible layer mainly plays the role of improving the followability to the elastic body. Thus, according to this structure, the flexible electrode of this invention can be simply produced by laminating | stacking two layers, the highly conductive layer from which the density | concentration of a electrically conductive material differs, and a flexible layer.
(5)好ましくは、上記(1)ないし(4)のいずれかの構成において、前記弾性体は、印加される電圧の変化により伸縮するエラストマー製の誘電膜である構成とするとよい(請求項5に対応)。例えば、誘電膜との接合界面付近における導電材の濃度を高くすると、当該接合界面付近の導電性が高くなる。これにより、誘電膜へ充分な電荷を供給することができる。また、導電材の濃度が低い部分では、相対的に硬度が低くなるため、柔軟性が向上する。よって、誘電膜への追従性が向上する。したがって、例えばエラストマー製の誘電膜を挟むように、該誘電膜の両面に本発明の柔軟電極を配置すれば、応答性が良好で、かつ変位量の大きなアクチュエータを構成することができる。 (5) Preferably, in any one of the constitutions (1) to (4), the elastic body is an elastomer dielectric film that expands and contracts due to a change in applied voltage. Corresponding). For example, if the concentration of the conductive material near the junction interface with the dielectric film is increased, the conductivity near the junction interface is increased. Thereby, sufficient electric charge can be supplied to the dielectric film. Moreover, since the hardness is relatively low in the portion where the concentration of the conductive material is low, the flexibility is improved. Therefore, the followability to the dielectric film is improved. Therefore, for example, if the flexible electrodes of the present invention are arranged on both sides of the dielectric film so as to sandwich the dielectric film made of elastomer, an actuator with good response and large displacement can be configured.
(6)好ましくは、上記(1)ないし(5)のいずれかの構成において、前記導電材は、炭素材料からなる構成とするとよい(請求項6に対応)。炭素材料は、導電性が良好で、比較的安価である。このため、炭素材料を用いると、柔軟電極の製造コストを低減することができる。 (6) Preferably, in any one of the configurations (1) to (5), the conductive material may be made of a carbon material (corresponding to claim 6). The carbon material has good conductivity and is relatively inexpensive. For this reason, if a carbon material is used, the manufacturing cost of a flexible electrode can be reduced.
(7)また、本発明のアクチュエータは、エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている一対の電極と、を備えてなり、該一対の電極の少なくとも一方は、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の柔軟電極であることを特徴とする(請求項7に対応)。
(7) Further, the actuator of the present invention includes an elastomeric dielectric film and a pair of electrodes disposed via the dielectric film, and at least one of the pair of electrodes is defined in
本発明のアクチュエータは、一対の電極間に電圧を印加して誘電膜を伸長、収縮(変形)させることにより駆動対象部材を駆動させる。ここで、一対の電極の少なくとも一方は、上記(1)ないし(6)のいずれかの構成の柔軟電極、つまり、導電性が高く、誘電膜への追従性に優れる柔軟電極である。誘電膜へ充分な電荷が供給されるため、本発明のアクチュエータの応答は速い。また、誘電膜と共に伸縮可能であるため、誘電膜の変形を阻害しにくい。さらに、誘電膜が大きく変形しても、導電パスが維持され、電気抵抗は増加しにくい。このため、大きな変位量を得ることができると共に、誘電膜の変形量が大きい場合でも、応答性は良好である。 The actuator of the present invention drives a member to be driven by applying a voltage between a pair of electrodes to expand and contract (deform) the dielectric film. Here, at least one of the pair of electrodes is a flexible electrode having any one of the constitutions (1) to (6), that is, a flexible electrode having high conductivity and excellent followability to the dielectric film. Since sufficient charge is supplied to the dielectric film, the response of the actuator of the present invention is fast. Further, since it can expand and contract together with the dielectric film, it is difficult to inhibit the deformation of the dielectric film. Furthermore, even if the dielectric film is greatly deformed, the conductive path is maintained and the electric resistance is unlikely to increase. Therefore, a large amount of displacement can be obtained, and the responsiveness is good even when the amount of deformation of the dielectric film is large.
以下、本発明の柔軟電極およびアクチュエータの実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the flexible electrode and the actuator of the present invention will be described.
<第一実施形態>
[アクチュエータの構成]
まず、本実施形態のアクチュエータの構成について説明する。なお、本実施形態の柔軟電極の構成についても併せて説明する。図1に、本実施形態のアクチュエータの断面図を示す。図1に示すように、本実施形態のアクチュエータ1は、一対の柔軟電極2と誘電膜3とを備えている。
<First embodiment>
[Configuration of actuator]
First, the configuration of the actuator of this embodiment will be described. In addition, the structure of the flexible electrode of this embodiment is also demonstrated collectively. FIG. 1 shows a cross-sectional view of the actuator of this embodiment. As shown in FIG. 1, the
誘電膜3は、アクリルゴム製であって、薄膜状を呈している。一対の柔軟電極2は、誘電膜3の表裏両面に固定されている。一対の柔軟電極2の構成は同じである。以下、誘電膜3の表側の柔軟電極2について説明し、裏側の柔軟電極2についての説明を兼ねるものとする。
The
柔軟電極2は、薄膜状を呈している。図2に、図1の円II内の拡大図を示す。図1、図2に示すように、柔軟電極2は、高導電層20と柔軟層21とを備えている。このうち、高導電層20は、誘電膜3の表面に固定されている。高導電層20は、母材200と多数の導電材201とを備えている。母材200は、アクリルゴムからなる。導電材201は、カーボンブラックからなる。多数の導電材201は、母材200に分散配置されている。
The
柔軟層21は、高導電層20の表面に加硫接着されている。すなわち、未加硫状態の柔軟層21および高導電層20を互いに当接させた状態で成形型のキャビティに配置し、この状態で加硫させることにより、柔軟層21と高導電層20とを接合している。柔軟層21には、端子(図略)が接続されている。端子は、スイッチSを介して、電源Vのプラス側に接続されている。なお、裏側の柔軟電極2の柔軟層21に接続された端子(図略)は、電源Vのマイナス側に接続されている。柔軟層21は、母材210と多数の導電材211とを備えている。母材210は、高導電層20の母材200と同様、アクリルゴムからなる。導電材211は、高導電層20の導電材201と同様、カーボンブラックからなる。多数の導電材211は、母材210に分散配置されている。
The
高導電層20と柔軟層21とを比較すると、高導電層20における導電材201の濃度は、柔軟層21における導電材211の濃度よりも、高くなっている。このため、高導電層20の電気抵抗は小さい。一方、柔軟層21は、母材210の濃度が高いため、柔軟で弾性変形しやすい。また、高導電層20は、柔軟層21よりも、層の厚さが薄い。このように、柔軟電極2は、表面から接合界面Fに向かう方向(厚さ方向)において、導電材211、201の濃度が低濃度から高濃度へステップ状に変化している。
When comparing the high
[アクチュエータの動き]
次に、本実施形態のアクチュエータ1の動きについて説明する。なお、本実施形態の柔軟電極の動きについても併せて説明する。図3に、本実施形態のアクチュエータのオン状態における断面図を示す。図4に、図3の円IV内の拡大図を示す。
[Actuator movement]
Next, the movement of the
まず、アクチュエータ1をオフ状態からオン状態に切り替える場合について説明する。オフ状態においては、前出図1、図2に示すように、スイッチSが開成されている。このため、誘電膜3に電圧は印加されない。したがって、誘電膜3は変形しない。オフ状態において、スイッチSを閉成すると、オン状態に切り替わる。オン状態に切り替えると、前出図2に示すように、柔軟電極2の導電パスP(図2、図4〜図10において太線で示す。)が通電する。導電パスPは、柔軟層21においては母材210中に分散する導電材211により、高導電層20においては母材200中に分散する導電材201により、それぞれ形成されている。
First, the case where the
前述したように、柔軟層21においては、導電材211が低濃度に分散している。このため、導電パスPの本数は少なくなる。一方、高導電層20においては、導電材201が高濃度に分散している。このため、導電パスPの本数は多くなり、高導電層20略全体に導電パスPが行き渡っている。
As described above, in the
高導電層20は、誘電膜3の表裏両側に一対配置されている。このため、オン状態においては、表裏一対の高導電層20の導電パスPにより、高導電層20間に電圧が印加される。一対の高導電層20間の印加電圧が大きくなると、誘電膜3に加わる静電引力が大きくなる。このため、図3に示すように、誘電膜3は、膜厚方向に収縮し、面展開方向に伸長する。一対の柔軟電極2は、誘電膜3の変形に追従して変形する。すなわち、柔軟電極2は、厚さ方向に収縮し、面展開方向に伸長する。このようにして、オフ状態からオン状態への切り替えが行われる。
A pair of highly
次に、アクチュエータ1をオン状態からオフ状態に切り替える場合について説明する。オン状態からオフ状態に切り替える場合は、スイッチSを再び開成する。スイッチSを開成すると、一対の高導電層20間の電圧が0になる。このため、誘電膜3に加わる静電引力が除去される。静電引力が除去されると、誘電膜3は、自身の有する弾性復元力により、元の形状に復元する。並びに、一対の柔軟電極2も、元の形状に復元する。このように、アクチュエータ1は、オフ状態とオン状態とを切り替えることにより誘電膜3を変形させ、駆動対象部材を動かしている。
Next, a case where the
[作用効果]
次に、本実施形態の柔軟電極2およびアクチュエータ1の作用効果について説明する。本実施形態の柔軟電極2によると、高導電層20の導電材201の濃度は高い。このため、オフ状態からオン状態に切り替える際、誘電膜3に追従して柔軟電極2が伸長しても、前出図4に示すように、高導電層20と誘電膜3との接合界面Fに、まんべんなく導電材201が行き渡る。このため、接合界面Fの全面に電荷を供給することができる。したがって、速やかに誘電膜3を全面的に伸長させることができる。
[Function and effect]
Next, the effect of the
また、本実施形態の柔軟電極2の柔軟層21は軟らかい。このため、オフ状態とオン状態との切り替えの際、柔軟層21が誘電膜3の変形を拘束するおそれが小さい。したがって、本実施形態のアクチュエータ1は、応答性が良好で、かつ変位量が大きい。
Moreover, the
なお、柔軟層21の導電材211濃度は低い。このため、変形する際、柔軟層21の導電パスPが切断されることも考えられる。しかしながら、その一方で、導電材211の新たな接触により、別の導電パスPが形成される。したがって、誘電膜3が大きく変形した場合でも、高導電層20への導通が遮断されるおそれが小さい。
In addition, the
また、導電材211は、カーボンブラックからなり、母材210と比較して変形しにくい。このため、柔軟層21の変形機能は、主に母材210が担持している。したがって、柔軟層21が層厚方向に収縮すると、言い換えると母材210が層厚方向に収縮すると、層厚方向における導電材211の濃度が相対的に高くなる。よって、層厚方向に導電材211が連なりやすい。すなわち、新たな導電パスPが形成されやすい。
In addition, the
また、本実施形態の柔軟電極2は、高導電層20と柔軟層21とが接合されてなる。すなわち、本実施形態の柔軟電極2は、高導電層20と柔軟層21とを加硫接着することにより、簡便に作製される。また、導電材201、211として使用したカーボンブラックは、導電性が良好であると共に比較的安価である。このため、柔軟電極2を低コストで作製することができる。
Moreover, the
<第二実施形態>
本実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと第一実施形態の柔軟電極およびアクチュエータとの相違点は、柔軟電極が二層構造ではなく、単層構造を呈している点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
<Second embodiment>
The difference between the flexible electrode and actuator of the present embodiment and the flexible electrode and actuator of the first embodiment is that the flexible electrode has a single-layer structure instead of a two-layer structure. Therefore, only the differences will be described here.
図5に、本実施形態のアクチュエータのオフ状態における柔軟電極の拡大図を示す。図6に、同アクチュエータのオン状態における柔軟電極の拡大図を示す。なお、図5は図2と、図6は図4と、各々対応する拡大図である。図5において図2と対応する部位、図6において図4と対応する部位は、各々同じ符号で示す。 In FIG. 5, the enlarged view of the flexible electrode in the OFF state of the actuator of this embodiment is shown. FIG. 6 shows an enlarged view of the flexible electrode in the ON state of the actuator. 5 and FIG. 6 are enlarged views corresponding to FIG. 2 and FIG. 4, respectively. In FIG. 5, the parts corresponding to FIG. 2 and the parts corresponding to FIG. 4 in FIG.
図5、図6に示すように、柔軟電極2は、母材22と導電材23とを備えている。母材22は、アクリルゴムからなる。導電材23は、カーボンブラックからなる。多数の導電材23は、母材22に分散配置されている。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
柔軟電極2の厚さ方向における導電材23の濃度分布について説明する。表面から接合界面F付近手前までの領域における導電材の濃度は、ほぼ均一で、かつ低濃度である。これに対して、接合界面F付近における導電材23の濃度は、ほぼ均一で、かつ高濃度である。このように、柔軟電極2の厚さ方向における導電材23の濃度分布は、表面から接合界面Fに向かって、低濃度から高濃度へステップ状に変化している。
The concentration distribution of the
本実施形態の柔軟電極2およびアクチュエータは、構成が共通する部分に関しては、第一実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の柔軟電極2は単層構造を呈している。このため、複層構造を呈している場合と比較して、層同士を接合する必要がない。また、複層構造を呈している場合と比較して、隣り合う層同士が層間で剥離するおそれがない。また、複層構造の場合に生じる層間界面が存在しないので、柔軟電極2の全体が一体化され、誘電膜3への追従性がより向上する。
The
<第三実施形態>
本実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと第二実施形態の柔軟電極およびアクチュエータとの相違点は、柔軟電極の表面にさらに導電膜が配置されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
<Third embodiment>
The difference between the flexible electrode and actuator of this embodiment and the flexible electrode and actuator of the second embodiment is that a conductive film is further disposed on the surface of the flexible electrode. Therefore, only the differences will be described here.
図7に、本実施形態のアクチュエータのオフ状態における柔軟電極の拡大図を示す。図8に、同アクチュエータのオン状態における柔軟電極の拡大図を示す。なお、図7は図5と、図8は図6と、各々対応する拡大図である。図7において図5と対応する部位、図8において図6と対応する部位は、各々同じ符号で示す。 In FIG. 7, the enlarged view of the flexible electrode in the OFF state of the actuator of this embodiment is shown. FIG. 8 shows an enlarged view of the flexible electrode in the ON state of the actuator. 7 is an enlarged view corresponding to FIG. 5 and FIG. 8 is corresponding to FIG. In FIG. 7, the parts corresponding to FIG. 5 and the parts corresponding to FIG. 6 in FIG.
図7、図8に示すように、柔軟電極2の表面には、導電膜24が固定されている。導電膜24は、カーボンブラックとオイルとを混合したペーストを、柔軟電極2の表面に塗布して形成されている。導電膜24には、端子(図略)が接続されている。端子は、アクチュエータ駆動用の電源(図略)と電気的に接続されている。
As shown in FIGS. 7 and 8, a
本実施形態の柔軟電極2およびアクチュエータは、構成が共通する部分に関しては、第二実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の柔軟電極2は、導電膜24を備えている。このため、端子が接続される柔軟電極2の表面付近において導電材23の濃度が低くても、導電膜24により端子との導通を確保することができる。これにより、誘電膜3への導電パスPを確実に形成することができる。また、オン状態の際、誘電膜3に対して、より多くの導電パスPで電荷を供給することができる。したがって、応答性がより向上する。
The
<第四実施形態>
本実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと第二実施形態の柔軟電極およびアクチュエータとの相違点は、柔軟電極の表面側にも導電材が高濃度の領域が存在する点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
<Fourth embodiment>
The difference between the flexible electrode and actuator of the present embodiment and the flexible electrode and actuator of the second embodiment is that a region having a high concentration of conductive material exists also on the surface side of the flexible electrode. Therefore, only the differences will be described here.
図9に、本実施形態のアクチュエータのオフ状態における柔軟電極の拡大図を示す。図10に、同アクチュエータのオン状態における柔軟電極の拡大図を示す。なお、図9は図5と、図10は図6と、各々対応する拡大図である。図9において図5と対応する部位、図10において図6と対応する部位は、各々同じ符号で示す。図9、図10に示すように、柔軟電極2の接合界面F付近のみならず表面付近にも、導電材23が高濃度の領域が配置されている。つまり、柔軟電極2の厚さ方向における導電材23の濃度分布は、表面から接合界面Fに向かって、高濃度→低濃度→高濃度とステップ状に変化している。
In FIG. 9, the enlarged view of the flexible electrode in the OFF state of the actuator of this embodiment is shown. FIG. 10 shows an enlarged view of the flexible electrode in the ON state of the actuator. 9 is an enlarged view corresponding to FIG. 5, and FIG. 10 is an enlarged view corresponding to FIG. 9, parts corresponding to FIG. 5 and parts corresponding to FIG. 6 in FIG. 10 are denoted by the same reference numerals. As shown in FIGS. 9 and 10, a region having a high concentration of the
本実施形態の柔軟電極2およびアクチュエータは、構成が共通する部分に関しては、第二実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の柔軟電極2は、表面付近にも、導電材23が高濃度の領域を有している。このため、柔軟電極2の表面付近において、端子との導通を確保しやすい。これにより、誘電膜3への導電パスPを確実に形成することができる。また、オン状態の際、誘電膜3に対して、より多くの導電パスPで電荷を供給することができる。したがって、応答性がより向上する。また、第三実施形態の柔軟電極と比較して、別途、導電膜24(前出図7、図8参照)を配置する必要がない。このため、電極構造を単純化することができる。また、導電膜24が剥離するおそれもない。
The
<その他>
以上、本発明の柔軟電極およびアクチュエータの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
<Others>
The embodiments of the flexible electrode and the actuator of the present invention have been described above. However, the embodiment is not particularly limited to the above embodiment. Various modifications and improvements that can be made by those skilled in the art are also possible.
(1)誘電膜
例えば、上記実施形態では、いずれもアクリルゴム製の誘電膜を使用したが、誘電膜の材質は特に限定されるものではない。例えば、エラストマー(ゴムおよび熱可塑性エラストマーを含む)の中から適宜選択すればよい。なかでも、比誘電率、絶縁破壊性が高いという観点から、上記アクリルゴムの他、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム(NBR)等を用いると好適である。また、誘電膜の形状、厚さも特に限定されることはなく、アクチュエータの用途等に応じて適宜決定すればよい。例えば、アクチュエータの小型化、低電位駆動化、および変位量を大きくする等の観点からは、誘電膜の厚さは薄い方が望ましい。この場合、絶縁破壊性等をも考慮して、誘電膜の厚さを、1μm以上500μm以下とするとよい。10μm以上200μm以下とするとより好適である。
(1) Dielectric film For example, in the above-described embodiments, a dielectric film made of acrylic rubber is used, but the material of the dielectric film is not particularly limited. For example, it may be appropriately selected from elastomers (including rubber and thermoplastic elastomers). Of these, silicone rubber, urethane rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber (NBR) and the like are preferably used in addition to the acrylic rubber from the viewpoint of high relative dielectric constant and dielectric breakdown. Further, the shape and thickness of the dielectric film are not particularly limited, and may be appropriately determined according to the use of the actuator. For example, the thickness of the dielectric film is desirably thinner from the viewpoints of downsizing the actuator, driving at a low potential, and increasing the amount of displacement. In this case, the thickness of the dielectric film is preferably set to 1 μm or more and 500 μm or less in consideration of dielectric breakdown properties and the like. More preferably, the thickness is 10 μm or more and 200 μm or less.
(2)母材
また、柔軟電極を構成する母材は、導電材を分散させて保持できるものであれば、その材質は特に限定されるものではない。母材は誘電膜(弾性体)の材質と同じであっても異なっていてもよい。弾性体の材質と同じ場合には、柔軟電極と弾性体との接着性が向上し、弾性体への追従性が向上するため好適である。また、ガラス転移温度(Tg)が0℃以下のものは、常温でゴム状弾性を有し、柔軟性が高いため母材として好適である。具体的には、天然ゴムや、シリコーンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体(EPDM)、ブチルゴム、イソプレンゴム、NBR、水素化ニトリルゴム(H−NBR)、ヒドリン系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴム等の公知の合成ゴム、および熱可塑性ポリウレタンエラストマー(TPU)、スチレン−ブタジエン−スチレン共重合体(SBS)、スチレン−イソプレン−スチレン共重合体(SIS)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)等の公知の熱可塑性エラストマーが挙げられる。
(2) Base material Moreover, the base material which comprises a flexible electrode will not be specifically limited if the electrically conductive material can be disperse | distributed and hold | maintained. The base material may be the same as or different from the material of the dielectric film (elastic body). The same material as the elastic body is preferable because the adhesion between the flexible electrode and the elastic body is improved and the followability to the elastic body is improved. A glass transition temperature (Tg) of 0 ° C. or lower is suitable as a base material because it has rubber-like elasticity at room temperature and high flexibility. Specifically, natural rubber, silicone rubber, acrylic rubber, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), butyl rubber, isoprene rubber, NBR, hydrogenated nitrile rubber (H-NBR), hydrin rubber, Known synthetic rubbers such as styrene butadiene rubber (SBR), butadiene rubber, chloroprene rubber, urethane rubber, and thermoplastic polyurethane elastomer (TPU), styrene-butadiene-styrene copolymer (SBS), styrene-isoprene-styrene copolymer Well-known thermoplastic elastomers such as coalescence (SIS) and styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS) can be mentioned.
(3)導電材
また、導電材としては、上記実施形態で使用したカーボンブラックの他、カーボンナノチューブ等の炭素材料、銀、銅、ニッケル等の金属粒子、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン等の金属酸化物粒子、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール等の導電性ポリマー粒子を使用すればよい。カーボンブラックを使用する場合、母材への分散性および導電性の観点から、ストラクチャーの大きいものが望ましい。例えば、DBP(ジブチルフタレート)吸油量が300ml/g以上のものを使用するとよい。
(3) Conductive material In addition to the carbon black used in the above embodiment, the conductive material includes carbon materials such as carbon nanotubes, metal particles such as silver, copper, and nickel, indium oxide, tin oxide, zinc oxide, and oxidation. Metal oxide particles such as titanium and conductive polymer particles such as polythiophene, polyaniline, and polypyrrole may be used. When carbon black is used, one having a large structure is desirable from the viewpoint of dispersibility in the base material and conductivity. For example, a DBP (dibutyl phthalate) oil absorption of 300 ml / g or more may be used.
母材への導電材の分散方法は、特に限定されるものではない。例えば、母材を所定の溶液に溶解させた溶液中に導電材を混合して行うことができる。また、母材と導電材とを、ニーダー、バンバリーミキサー等の加圧式混練機、二本ロール等により混練して行ってもよい。 The method for dispersing the conductive material in the base material is not particularly limited. For example, a conductive material can be mixed in a solution obtained by dissolving a base material in a predetermined solution. Further, the base material and the conductive material may be kneaded by a pressure kneader such as a kneader or a Banbury mixer, a two-roller or the like.
上記実施形態では、導電材の濃度がステップ状に変化した態様を示したが、導電材の濃度は、柔軟電極の厚さ方向において漸次に滑らかに変化していてもよい。例えば、導電材の濃度が高い領域では、主に高導電性を発現させるため、体積抵抗率は100Ωcm以下、弾性率は10MPa未満であるとよい。一方、導電材の濃度が低い領域では、主に柔軟性を発現させるため、体積抵抗率は10000Ωcm以下、弾性率は2MPa未満であるとよい。また、導電材の濃度をステップ状に変化させる場合には、弾性体への追従性を向上させるため、導電材の濃度が高い領域の厚さ(Th)を、同濃度が低い領域の厚さ(Tl)以下とするとよい。具体的には、両者の厚さの比(Th/Tl)を、1〜1/100の範囲にするとよい。 In the said embodiment, although the density | concentration of the electrically conductive material showed the aspect changed in step shape, the density | concentration of an electrically conductive material may be changing smoothly gradually in the thickness direction of a flexible electrode. For example, in a region where the concentration of the conductive material is high, the volume resistivity is preferably 100 Ωcm or less and the elastic modulus is less than 10 MPa in order to mainly exhibit high conductivity. On the other hand, in a region where the concentration of the conductive material is low, the volume resistivity is preferably 10,000 Ωcm or less and the elastic modulus is less than 2 MPa in order to mainly exhibit flexibility. When the concentration of the conductive material is changed stepwise, the thickness (T h ) of the region where the concentration of the conductive material is high is changed to the thickness of the region where the concentration is low in order to improve followability to the elastic body. Or less (T l ). Specifically, the ratio between the thicknesses (T h / T l ) of the two is preferably in the range of 1 to 1/100.
なお、導電パスを形成する導電材は、互いに接触していなくてもよい。すなわち、隣り合う導電材同士が、母材を介して近接していてもよい。この場合であっても、印加電圧の大きさによって、導電パスが形成される場合がある。 Note that the conductive materials forming the conductive path do not have to be in contact with each other. That is, adjacent conductive materials may be close to each other through the base material. Even in this case, a conductive path may be formed depending on the magnitude of the applied voltage.
(4)柔軟電極の構造
柔軟電極は、第二〜第四実施形態のように単層構造であっても、第一実施形態のように複層構造であってもよい。例えば、単層構造とする場合には、母材中の導電材を重力により厚さ方向一端側に沈降させて、濃度分布を形成することができる。また、磁場や電場を利用して導電材を配向させて、濃度分布を形成してもよい。また、複層構造とする場合には、導電材の濃度の異なる二層以上を積層させればよい。ここで、各層の母材は同じであっても異なっていてもよい。
(4) Structure of flexible electrode The flexible electrode may have a single-layer structure as in the second to fourth embodiments or a multilayer structure as in the first embodiment. For example, in the case of a single layer structure, the concentration distribution can be formed by allowing the conductive material in the base material to settle to one end in the thickness direction by gravity. Further, the concentration distribution may be formed by orienting the conductive material using a magnetic field or an electric field. In the case of a multilayer structure, two or more layers having different conductive material concentrations may be stacked. Here, the base material of each layer may be the same or different.
母材をエラストマーとする複数層を積層させる場合には、上記第一実施形態のように、各々の層を未架橋状態で当接させた状態で架橋して、層同士を接合すればよい。また、積層させる層をそれぞれ予め架橋しておき、架橋後の層同士を接合してもよい。なお、主に高導電性を発現させる層の母材は、未架橋ゴムであっても構わない。しかし、主に柔軟性を発現させる層の母材は、架橋ゴム(エラストマー)であることが望ましい。なお、架橋剤は、硫黄、パーオキサイドの他、イソシアネート基、、ヒドロシリル基、エポキシ基、アミン基等、ポリマーを架橋できる化合物であれば特に限定されない。 When laminating a plurality of layers whose base material is an elastomer, the layers may be cross-linked in a state where the layers are brought into contact with each other in an uncrosslinked state, and the layers may be joined to each other as in the first embodiment. Alternatively, the layers to be laminated may be previously cross-linked and the cross-linked layers may be joined together. Note that the base material of the layer that mainly exhibits high conductivity may be uncrosslinked rubber. However, it is desirable that the base material of the layer that mainly exhibits flexibility is a crosslinked rubber (elastomer). The crosslinking agent is not particularly limited as long as it is a compound capable of crosslinking the polymer, such as an isocyanate group, a hydrosilyl group, an epoxy group, and an amine group, in addition to sulfur and peroxide.
導電材の濃度が高い高導電層と、同濃度が低い柔軟層と、を積層させる場合、高導電層の体積抵抗率は100Ωcm以下、弾性率は10MPa未満であるとよい。また、柔軟層の体積抵抗率は10000Ωcm以下、弾性率は2MPa未満であるとよい。また、弾性体への追従性を向上させるため、高導電層の厚さ(Th)は、柔軟層の厚さ(Tl)以下であるとよい。具体的には、両者の厚さの比(Th/Tl)を、1〜1/100の範囲にするとよい。 When a highly conductive layer having a high concentration of a conductive material and a flexible layer having a low concentration are stacked, the volume resistivity of the highly conductive layer is preferably 100 Ωcm or less and the elastic modulus is less than 10 MPa. The volume resistivity of the flexible layer is preferably 10,000 Ωcm or less and the elastic modulus is less than 2 MPa. Further, in order to improve the followability to the elastic body, the thickness (T h ) of the highly conductive layer is preferably equal to or less than the thickness (T l ) of the flexible layer. Specifically, the ratio between the thicknesses (T h / T l ) of the two is preferably in the range of 1 to 1/100.
(5)導電膜
柔軟電極は、外部電源と導通する端子が接続される表面に、さらに導電材が配置されている態様であってもよい。本態様の一例として、上記第三実施形態では、柔軟電極の表面にさらに導電膜を配置した。ここで、導電膜の構成は、上記第三実施形態に限定されるものではない。例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の導電性微粉体を、誘電膜の表面に直接付着させてもよい。
(5) Conductive film The flexible electrode may be an aspect in which a conductive material is further disposed on the surface to which a terminal conducting with an external power source is connected. As an example of this aspect, in the third embodiment, a conductive film is further disposed on the surface of the flexible electrode. Here, the configuration of the conductive film is not limited to the third embodiment. For example, conductive fine powders such as carbon black and carbon nanotubes may be directly attached to the surface of the dielectric film.
(6)柔軟電極の適用対象
上記実施形態では、柔軟電極を、静電引力を利用した電歪型アクチュエータに適用した。しかし、本発明の柔軟電極は、電気的にイオンや分子を移動させて作動する、イオン性電気活性ポリマーを用いたアクチュエータや、導電性樹脂や導電性ゴム等を利用したセンサ等、電極に導電性と柔軟性との両方が要求される様々な素子に適用可能である。したがって、弾性体は、上記(1)に記載した誘電膜に限定されず、柔軟電極の適用対象に応じて、適宜好適なものを採用すればよい。例えば、イオン性電気活性ポリマー(電気的にイオンや分子が活性化する高分子電解質やイオン性高分子等)に対しても、導電性と柔軟性との両方を満足する結果が得られている。
(6) Applicable object of flexible electrode In the said embodiment, the flexible electrode was applied to the electrostrictive actuator using electrostatic attraction. However, the flexible electrode of the present invention is electrically conductive to an electrode such as an actuator using an ionic electroactive polymer that operates by moving ions or molecules electrically, or a sensor using a conductive resin or conductive rubber. The present invention can be applied to various devices that are required to have both flexibility and flexibility. Therefore, the elastic body is not limited to the dielectric film described in the above (1), and a suitable one may be adopted according to the application target of the flexible electrode. For example, for ionic electroactive polymers (polyelectrolytes and ionic polymers that are electrically activated by ions and molecules), results satisfying both conductivity and flexibility have been obtained. .
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。 Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
<電極の作製>
(1)実施例の電極の作製
本発明の柔軟電極として、高導電層と柔軟層とが積層された二種類の電極を作製した。まず、高導電層用の未加硫薄膜を以下のように作製した。母材となるアクリルゴム(日本ゼオン社製「ニポール(登録商標)AR54」)100重量部(以下「部」と略称する)を、メチルエチルケトン(MEK)に溶解させた溶液に、導電材のカーボンブラック(ライオン社製「ケッチェンブラックEC−600JD」)の30部と、加工助剤のステアリン酸(花王社製「ルナック(登録商標)S30」)1部と、加硫促進剤のジメチルカルバミン酸亜鉛(大内新興化学社製「ノクセラー(登録商標)PZ」)2.5部、およびジメチルカルバミン酸鉄(大内新興化学社製「ノクセラーTTFE」)0.5部と、を添加して、ダイノミルにて混合し、分散させて塗料とした。この塗料をポリエチレンテレフタレート(PET)製の基材上にバーコート法により塗布し、乾燥させて未加硫薄膜を得た。得られた未加硫薄膜の厚さは、約5μmであった。
<Production of electrode>
(1) Production of electrode of example As the flexible electrode of the present invention, two types of electrodes in which a highly conductive layer and a flexible layer were laminated were produced. First, an unvulcanized thin film for a highly conductive layer was produced as follows. Carbon black as a conductive material is added to a solution in which 100 parts by weight (hereinafter abbreviated as “part”) of acrylic rubber as a base material (“NIPOL (registered trademark) AR54” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) is dissolved in methyl ethyl ketone (MEK). (Lion's "Ketjen Black EC-600JD") 30 parts, processing aid stearic acid (Kao "Lunac (registered trademark) S30") and vulcanization accelerator zinc dimethylcarbamate 2.5 parts of “Noxeller (registered trademark) PZ” manufactured by Ouchi Shinsei Chemical Co., Ltd.) and 0.5 parts of iron dimethylcarbamate (“Noxeller TTFE” manufactured by Ouchi Shinsei Chemical Co., Ltd.) were added to Were mixed and dispersed to obtain a paint. This paint was applied to a polyethylene terephthalate (PET) substrate by a bar coating method and dried to obtain an unvulcanized thin film. The thickness of the obtained unvulcanized thin film was about 5 μm.
次に、柔軟層用の未加硫薄膜を作製した。すなわち、高導電層用の未加硫薄膜の作製において、カーボンブラックの配合量を5部に変更し、それ以外は上記同様にして、未加硫薄膜を得た。得られた未加硫薄膜の厚さは、約25μmであった。 Next, an unvulcanized thin film for a flexible layer was produced. That is, in the production of the unvulcanized thin film for the highly conductive layer, the blending amount of carbon black was changed to 5 parts, and the rest was the same as above to obtain an unvulcanized thin film. The thickness of the obtained unvulcanized thin film was about 25 μm.
上記高導電層用の未加硫薄膜と上記柔軟層用の未加硫薄膜とを、各々、170℃で約30分間プレス加硫して、高導電層用薄膜および柔軟層用薄膜を得た。得られた両薄膜を貼り合わせ、高導電層および柔軟層からなる二層構造の電極を得た。得られた電極を実施例1の電極とした。これとは別に、上記高導電層用の未加硫薄膜と上記柔軟層用の未加硫薄膜とを重ね合わせ、170℃で約30分間プレスすることにより、両薄膜を加硫接着し、高導電層および柔軟層からなる二層構造の電極を得た。得られた電極を実施例2の電極とした。ここで、実施例1、2の電極中、高導電層における導電材の濃度は約23.1%、柔軟層における導電材の濃度は約4.8%であった。また、両層における導電材が、電極全体に均一に分散していると仮定した時の導電材の濃度(以下、適宜「平均導電材濃度」と称す)は、約7.8%となった。 The unvulcanized thin film for the high conductive layer and the unvulcanized thin film for the flexible layer were each press vulcanized at 170 ° C. for about 30 minutes to obtain a thin film for the high conductive layer and a thin film for the flexible layer. . Both obtained thin films were bonded together to obtain a two-layered electrode composed of a highly conductive layer and a flexible layer. The obtained electrode was used as the electrode of Example 1. Separately, the uncured thin film for the highly conductive layer and the unvulcanized thin film for the flexible layer are overlapped and pressed at 170 ° C. for about 30 minutes to vulcanize and bond both thin films. An electrode having a two-layer structure composed of a conductive layer and a flexible layer was obtained. The obtained electrode was used as the electrode of Example 2. Here, in the electrodes of Examples 1 and 2, the concentration of the conductive material in the high conductive layer was about 23.1%, and the concentration of the conductive material in the flexible layer was about 4.8%. In addition, when it is assumed that the conductive material in both layers is uniformly dispersed throughout the electrode, the concentration of the conductive material (hereinafter referred to as “average conductive material concentration” as appropriate) was about 7.8%. .
(2)比較例の電極の作製
比較例の電極として、導電材が均一に分散された三種類の電極を作製した。まず、上記同様の原料を配合して塗料を調製した。ここで、導電材のカーボンブラック(同上)の配合量は、5部、30部、7.8部の三種類とした。調製した各塗料を、PET製の基材上にバーコート法により塗布し、乾燥させた後、170℃で約30分間プレス加硫して、薄膜状の電極を得た。得られた電極を、比較例1の電極(5部)、比較例2の電極(30部)、比較例3の電極(7.8部)、比較例4の電極(6.5部)とした(かっこ内は導電材の配合量)。ここで、比較例1〜4の電極の厚さは、いずれも約30μmであった。
(2) Production of Electrode of Comparative Example Three types of electrodes in which conductive materials were uniformly dispersed were produced as the electrodes of the comparative example. First, a paint was prepared by blending the same raw materials as described above. Here, the blending amount of carbon black (same as above) of the conductive material was three types of 5 parts, 30 parts, and 7.8 parts. Each of the prepared paints was applied on a PET substrate by a bar coating method, dried, and then press vulcanized at 170 ° C. for about 30 minutes to obtain a thin film electrode. The obtained electrode was compared with the electrode of Comparative Example 1 (5 parts), the electrode of Comparative Example 2 (30 parts), the electrode of Comparative Example 3 (7.8 parts), and the electrode of Comparative Example 4 (6.5 parts). (The amount of conductive material is in parentheses). Here, the thicknesses of the electrodes of Comparative Examples 1 to 4 were all about 30 μm.
<電気抵抗の測定>
(1)弾性率と体積抵抗率との関係
作製した実施例および比較例の各電極について、JIS K6251に準拠して引張り試験を行い(試験片:5号形ダンベル)、応力−伸び曲線から各々の弾性率を求めた。この引張り試験において、標線部分に銀ペースト(ドータイト0550)を塗布し、標線間に1Vの電圧を印加することにより、各々の電極の体積抵抗率を測定した。図11に、弾性率と未延伸時の体積抵抗率との関係を示す。図11中、比較例1の電極→比較例4の電極→比較例3の電極→比較例2の電極の結果を結ぶ一点鎖線で示すように、導電材の配合量が増加すると体積抵抗率は小さくなるが、弾性率は大きくなる(硬くなる)ことがわかる。
<Measurement of electrical resistance>
(1) Relationship between elastic modulus and volume resistivity For each of the electrodes of Examples and Comparative Examples produced, a tensile test was performed in accordance with JIS K6251 (test piece: No. 5 type dumbbell), and from each stress-elongation curve The elastic modulus was determined. In this tensile test, a silver paste (Dotite 0550) was applied to the marked line portion, and a voltage of 1 V was applied between the marked lines, thereby measuring the volume resistivity of each electrode. FIG. 11 shows the relationship between the elastic modulus and the volume resistivity when not stretched. In FIG. 11, as shown by the alternate long and short dash line connecting the results of the electrode of Comparative Example 1 → the electrode of Comparative Example 4 → the electrode of Comparative Example 3 → the electrode of Comparative Example 2, the volume resistivity increases as the amount of the conductive material increases. Although it becomes small, it turns out that an elasticity modulus becomes large (it becomes hard).
ここで、実施例1、2の電極と比較例3の電極とを比較する。比較例3の電極における導電材の濃度は、実施例1、2の電極の平均導電材濃度と同じである。このため、実施例1、2の電極の弾性率と比較例3の電極の弾性率とは、略同じ値となった。しかし、実施例1、2の電極の体積抵抗率は、比較例3の電極の体積抵抗率より一桁小さな値となった。すなわち、同じ弾性率であっても、導電材の濃度分布を有する実施例1、2の電極では、電気抵抗が小さいことがわかる。一方、導電材の濃度分布がない比較例の電極において、実施例1、2の電極の体積抵抗率と同等の体積抵抗率を実現させるためには、導電材の配合量を増加させる必要があり、その結果、弾性率が大きくなってしまうことがわかる。このように、導電材の濃度分布を有する実施例1、2の電極によると、導電材の配合量を増加させることなく、高い導電性を実現できることが確認された。 Here, the electrodes of Examples 1 and 2 and the electrode of Comparative Example 3 are compared. The concentration of the conductive material in the electrode of Comparative Example 3 is the same as the average conductive material concentration of the electrodes in Examples 1 and 2. For this reason, the elastic modulus of the electrodes of Examples 1 and 2 and the elastic modulus of the electrode of Comparative Example 3 were substantially the same value. However, the volume resistivity of the electrodes of Examples 1 and 2 was an order of magnitude smaller than the volume resistivity of the electrode of Comparative Example 3. That is, it can be seen that the electric resistance is small in the electrodes of Examples 1 and 2 having the concentration distribution of the conductive material even with the same elastic modulus. On the other hand, in the electrode of the comparative example having no conductive material concentration distribution, it is necessary to increase the blending amount of the conductive material in order to realize the volume resistivity equivalent to the volume resistivity of the electrodes of Examples 1 and 2. As a result, it can be seen that the elastic modulus increases. Thus, according to the electrodes of Examples 1 and 2 having the concentration distribution of the conductive material, it was confirmed that high conductivity can be realized without increasing the blending amount of the conductive material.
(2)伸びと体積抵抗率との関係
上記引張り試験において、伸長された状態における各電極の体積抵抗率を測定した。図12に、各電極の伸びに対する体積抵抗率の変化を示す。図12中、縦軸の「1E+02」は「1×102」を意味する。また、「1E−02」は「1×10−2」を意味する。図12に示すように、いずれの電極においても、伸びが大きくなると共に体積抵抗率は大きくなった。ここで、実施例1、2の電極と比較例3の電極とを比較する。上述したように、比較例3の電極における導電材の濃度は、実施例1、2の電極の平均導電材濃度と同じである。図12より、伸長時においても、実施例1、2の電極の体積抵抗率は、比較例3の電極と比較して小さくなった。また、実施例1の電極と実施例2の電極とを比較した場合、二層を加硫接着により接合した実施例2の電極の方が、伸長に伴う体積抵抗率の上昇が小さかった。このように、二層構造の電極の場合、二層を加硫接着により一体化させると、伸長時においても高導電性を維持しやすいことがわかる。
(2) Relationship between elongation and volume resistivity In the tensile test, the volume resistivity of each electrode in the stretched state was measured. FIG. 12 shows the change in volume resistivity with respect to the elongation of each electrode. In FIG. 12, “1E + 02” on the vertical axis means “1 × 10 2 ”. “1E-02” means “1 × 10 −2 ”. As shown in FIG. 12, in any of the electrodes, the elongation increased and the volume resistivity increased. Here, the electrodes of Examples 1 and 2 and the electrode of Comparative Example 3 are compared. As described above, the concentration of the conductive material in the electrode of Comparative Example 3 is the same as the average conductive material concentration of the electrodes of Examples 1 and 2. From FIG. 12, the volume resistivity of the electrodes of Examples 1 and 2 was smaller than that of the electrode of Comparative Example 3 even at the time of extension. Moreover, when the electrode of Example 1 and the electrode of Example 2 were compared, the increase in volume resistivity accompanying elongation was smaller in the electrode of Example 2 in which the two layers were joined by vulcanization adhesion. Thus, in the case of an electrode having a two-layer structure, it can be seen that when the two layers are integrated by vulcanization adhesion, it is easy to maintain high conductivity even during elongation.
<アクチュエータの変位量測定>
(1)アクチュエータの作製
実施例1、2および比較例1〜3の各電極を使用して、変位量測定用のアクチュエータを作製した。まず、誘電膜を次のように作製した。アクリルゴム(日本ゼオン社製「ニポールAR51」)100部と、加工助剤のステアリン酸(花王社製「ルナックS30」)1部とを、ロール練り機にて混練りした。続いて、加硫促進剤のジメチルカルバミン酸亜鉛(大内新興化学社製「ノクセラーPZ」)2.5部、およびジメチルカルバミン酸鉄(大内新興化学社製「ノクセラーTTFE」)0.5部を添加して、ロール練り機にて混合し、分散させて、アクリルゴム組成物を調製した。調製したアクリルゴム組成物を薄いシート状に成形した後、金型に充填し、170℃で約30分間プレス加硫することにより、厚さ50μmの薄膜状の誘電膜を得た。
<Measurement of actuator displacement>
(1) Manufacture of Actuator Using the electrodes of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, an actuator for measuring displacement was manufactured. First, a dielectric film was produced as follows. 100 parts of acrylic rubber (“Nippol AR51” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) and 1 part of stearic acid (“Lunac S30” manufactured by Kao Corporation) as a processing aid were kneaded with a roll kneader. Subsequently, 2.5 parts of vulcanization accelerator zinc dimethylcarbamate ("Noxeller PZ" manufactured by Ouchi Shinsei Chemical) and 0.5 parts of iron dimethylcarbamate ("Noxeller TTFE" manufactured by Ouchi Shinsei Chemical) Was mixed with a roll kneader and dispersed to prepare an acrylic rubber composition. The prepared acrylic rubber composition was formed into a thin sheet, filled in a mold, and press vulcanized at 170 ° C. for about 30 minutes to obtain a thin dielectric film having a thickness of 50 μm.
作製した誘電膜の上下面に、上記実施例1、2および比較例1〜3電極を一対ずつ貼着して、変位量測定用のアクチュエータを作製した。この際、実施例1、2の電極については、いずれも高導電層を誘電膜と接合させた。以下、作製したアクチュエータを、電極の種類に対応させて、実施例1、2または比較例1〜3のアクチュエータと称す。図13に、作製したアクチュエータの上面図を示す。図14に、図13中XIV−XIV断面図を示す。なお、図13、図14では詳細を示していないが、実施例1、2の電極構成は、上記第一実施形態と同じである(前出図1〜図4参照)。 A pair of the electrodes of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 was attached to the upper and lower surfaces of the produced dielectric film to produce an actuator for measuring displacement. At this time, for the electrodes of Examples 1 and 2, the high conductive layer was bonded to the dielectric film. Hereinafter, the produced actuators are referred to as actuators of Examples 1 and 2 or Comparative Examples 1 to 3 corresponding to the types of electrodes. FIG. 13 shows a top view of the manufactured actuator. FIG. 14 is a sectional view taken along line XIV-XIV in FIG. Although details are not shown in FIGS. 13 and 14, the electrode configurations of Examples 1 and 2 are the same as those in the first embodiment (see FIGS. 1 to 4).
図13、図14に示すように、アクチュエータ5は、誘電膜50と一対の電極51a、51bとを備えている。誘電膜50は、直径70mmの円形の薄膜状を呈している。誘電膜50は、延伸率100%で二軸方向に延伸された状態で配置されている。ここで、延伸率は、次式(1)により算出した値である。
延伸率(%)={√(S2/S1)−1}×100・・・(1)
[S1:延伸前(自然状態)の誘電膜面積、S2:二軸方向延伸後の誘電膜面積]
As shown in FIGS. 13 and 14, the
Stretch rate (%) = {√ (S 2 / S 1 ) −1} × 100 (1)
[S 1 : Dielectric film area before stretching (natural state), S 2 : Dielectric film area after biaxial stretching]
一対の電極51a、51bは、誘電膜50を挟んで上下方向に対向するよう配置されている。電極51a、51bは、直径約27mmの円形の薄膜状を呈しており、各々、誘電膜50と略同心円状に配置されている。電極51aの外周縁には、拡径方向に突出する端子部510aが形成されている。端子部510aは矩形板状を呈している。同様に、電極51bの外周縁には、拡径方向に突出する端子部510bが形成されている。端子部510bは矩形板状を呈している。端子部510bは、端子部510aに対して、180°対向する位置に配置されている。端子部510a、510bは、各々、導線を介して電源6に接続されている。
The pair of electrodes 51a and 51b are arranged to face each other in the vertical direction with the
電極51a、51b間に電圧を印加すると、電極51a、51b間に静電引力が生じて、誘電膜50を圧縮する。これにより、誘電膜50の厚さは薄くなり、拡径方向に伸長する。この時、電極51a、51bも、誘電膜50と一体となって拡径方向に伸長する。電極51aには、予め、マーカー70が取り付けられている。マーカー70の変位を、変位計7により測定し、アクチュエータ5の変位量とした。
When a voltage is applied between the electrodes 51a and 51b, an electrostatic attractive force is generated between the electrodes 51a and 51b, and the
(2)アクチュエータの変位量測定結果
実施例1、2および比較例1〜3のアクチュエータについて、各々、印加電圧に対する変位量を測定した(周波数1Hz)。図15に、各アクチュエータの印加電圧に対する変位率を示す。ここで、縦軸の「変位率(%)」は、電圧を印加しない状態(初期状態)に対する変位量の割合であって、次式(2)により算出した値である。
変位率(%)=(変位量/電極の半径)×100・・・(2)
(2) Measurement result of displacement of actuator For each of the actuators of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, the displacement with respect to the applied voltage was measured (
Displacement rate (%) = (displacement amount / radius of electrode) × 100 (2)
図15に示すように、実施例1、2のアクチュエータによると、比較例1〜3のアクチュエータと比較して、同じ電圧を印加した場合に、より大きな変位量が得られた。つまり、実施例1、2のアクチュエータによると、所望の変位量を得ようとした場合に、印加電圧をより低電圧化できることがわかる。このように、導電材の濃度分布を有する実施例1、2の電極によると、導電性および誘電膜への追従性の両方に優れるため、変位量の大きなアクチュエータを構成できることが確認された。特に、実施例2の電極によると、伸長時においても導電性が低下しにくいため(前出図12参照)、より大きな変位量が得られる。なお、前出図11に示したように、比較例2の電極は、導電性は高いが弾性率が高く(硬く)もろいため、誘電膜への追従性に劣ると考えられる。また、比較例1の電極は、弾性率が低く(軟らかく)誘電膜への追従性は良好であるが、導電性が不足していると考えられる。 As shown in FIG. 15, according to the actuators of Examples 1 and 2, a larger displacement amount was obtained when the same voltage was applied as compared with the actuators of Comparative Examples 1 to 3. That is, according to the actuators of Examples 1 and 2, it is understood that the applied voltage can be further reduced when a desired displacement amount is obtained. As described above, according to the electrodes of Examples 1 and 2 having the concentration distribution of the conductive material, it was confirmed that an actuator having a large displacement can be configured because both the conductivity and the followability to the dielectric film are excellent. In particular, according to the electrode of Example 2, since the conductivity is not easily lowered even when extended (see FIG. 12 above), a larger amount of displacement can be obtained. As shown in FIG. 11, the electrode of Comparative Example 2 is considered to be inferior in followability to the dielectric film because it has high conductivity but high elasticity (hard) and is brittle. Further, the electrode of Comparative Example 1 has a low elastic modulus (soft) and a good followability to the dielectric film, but is considered to have insufficient conductivity.
また、図16に、各アクチュエータにおける変位量の周波数特性を示す。図16中、縦軸の「減少率(%)」は、周波数1Hzの時の変位量を100%とした時の各変位量の割合である。図16に示すように、いずれのアクチュエータにおいても、周波数が高くなると変位量は小さくなった。しかし、実施例1、2のアクチュエータでは、比較例1〜3のアクチュエータと比較して、変位量の減少が小さくなった。特に、実施例2のアクチュエータでは、伸長時においても電極の導電性が低下しにくいため(前出図12、実施例2参照)、高周波数における変位量減少の抑制効果が大きい。なお、比較例2のアクチュエータでは、電極の導電性が高いため、変位量の減少は小さかった。しかし、もともとの変位量が小さいため(前出図15参照)、優れているとはいえない。また、比較例1のアクチュエータでは、電極の導電性が低いため、変位量の減少が大きく、高周波数領域には対応できない。 FIG. 16 shows the frequency characteristics of the displacement amount in each actuator. In FIG. 16, the “decrease rate (%)” on the vertical axis is the ratio of each displacement when the displacement at the frequency of 1 Hz is 100%. As shown in FIG. 16, in any of the actuators, the amount of displacement decreased as the frequency increased. However, in the actuators of Examples 1 and 2, the decrease in the amount of displacement was smaller than in the actuators of Comparative Examples 1 to 3. In particular, the actuator of Example 2 has a large effect of suppressing a decrease in displacement at a high frequency because the conductivity of the electrode is not easily lowered even when extended (see FIG. 12 and Example 2). In the actuator of Comparative Example 2, the decrease in the amount of displacement was small because the conductivity of the electrode was high. However, since the original displacement is small (see FIG. 15 above), it cannot be said that it is excellent. Further, in the actuator of Comparative Example 1, since the electrode conductivity is low, the amount of displacement is greatly reduced, and the high frequency region cannot be handled.
本発明の柔軟電極は、高分子材料を利用したアクチュエータ、センサ等、電極に導電性と柔軟性との両方が要求される様々な素子に好適である。また、本発明のアクチュエータは、モータ等機械式アクチュエータおよび圧電素子アクチュエータ等のすべてのアクチュエータの代替として利用することができる。例えば、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉、電子部品冷却用や医療用等の小型ポンプ、医療用器具等に好適である。 The flexible electrode of the present invention is suitable for various elements that require both conductivity and flexibility in an electrode, such as an actuator and a sensor using a polymer material. The actuator of the present invention can be used as a substitute for all actuators such as mechanical actuators such as motors and piezoelectric element actuators. For example, it is suitable for artificial muscles for industrial, medical and welfare robots, small pumps for cooling electronic parts and medical use, medical instruments and the like.
1:アクチュエータ 2:柔軟電極 3:誘電膜
20:高導電層 200:母材 201:導電材
21:柔軟層 210:母材 211:導電材
22:母材 23:導電材 24:導電膜
5:アクチュエータ 50:誘電膜 51a、51b:電極
510a、510b:端子部 6:電源 7:変位計 70:マーカー
F:接合界面 P:導電パス S:スイッチ V:電源
1: Actuator 2: Flexible electrode 3: Dielectric film 20: High conductive layer 200: Base material 201: Conductive material 21: Flexible layer 210: Base material 211: Conductive material 22: Base material 23: Conductive material 24: Conductive material 5: Actuator 50: Dielectric film 51a, 51b: Electrode 510a, 510b: Terminal part 6: Power supply 7: Displacement meter 70: Marker F: Bonding interface P: Conductive path S: Switch V: Power supply
Claims (5)
該誘電膜の表面に配置され、母材と、該母材中に分散されている導電材と、を有し、該導電材の濃度は、該誘電膜との接合界面付近で最も高く、該誘電膜との接合界面から厚さ方向に変化しており、該誘電膜の弾性変形に応じて伸縮可能な柔軟電極と、
を備えることを特徴とする柔軟電極構造体。 An elastomeric dielectric film;
Disposed on the surface of the dielectric film, the base material having a conductive material dispersed in the base material, the concentration of the conductor material is highest in the vicinity of the bonding interface between said dielectric layer, said dielectric layer changes along the thickness direction from the bonding interface between a stretchable flexible electrodes in accordance with the elastic deformation of the dielectric film,
A flexible electrode structure comprising:
該高導電層は前記誘電膜と接合されている請求項1または請求項2に記載の柔軟電極構造体。 The flexible electrode is formed by laminating a high conductive layer having a high concentration of the conductive material and a flexible layer having a low concentration of the conductive material compared to the high conductive layer,
The flexible electrode structure according to claim 1, wherein the highly conductive layer is bonded to the dielectric film .
該一対の電極の少なくとも一方は、母材と、該母材中に分散されている導電材と、を有し、該導電材の濃度は、該誘電膜との接合界面付近で最も高く、該誘電膜との接合界面から厚さ方向に変化しており、該誘電膜の弾性変形に応じて伸縮可能な柔軟電極であることを特徴とするアクチュエータ。 Comprising a dielectric film made of an elastomer and a pair of electrodes disposed via the dielectric film,
At least one of the pair of electrodes includes a base material and a conductive material dispersed in the base material, and the concentration of the conductive material is highest near the junction interface with the dielectric film, An actuator characterized by being a flexible electrode that changes in a thickness direction from a bonding interface with a dielectric film and can expand and contract in accordance with elastic deformation of the dielectric film .
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