JP5374984B2

JP5374984B2 - 誘電アクチュエータ

Info

Publication number: JP5374984B2
Application number: JP2008234126A
Authority: JP
Inventors: 宏充竹内; 幸久上野; 直人栗山
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: JP2010068667A; US8368284B2; US20100066203A1

Description

この発明は誘電アクチュエータに関する。

一対の電極間に弾性絶縁材料を介在させて、電極間へ高電圧を印加すると弾性絶縁材料が分極し、対向する電極表面の一方にプラス電荷が蓄積し、他方にマイナス電荷が蓄積する。この電荷の間に働くクーロン力により電極同士が引き合って弾性絶縁材料が潰れ、電極の面方向に伸びるような変位と力とが発生する。かかる現象を利用した誘電アクチュエータの例が特許文献1や特許文献２に記載されている。

また、本発明に関連する発明として、特許文献３〜５がある。
特表２００５−５２７１７８号公報請求項４７特開２００６−８２３４６号公報実開平０３−０２８７６７特開平１０−１５０２３４号公報特開２００７−１０３７２２号公報

本発明者らは、かかる構成の誘電アクチュエータについて、その変位量及び力の向上を求めて鋭意検討をしてきた。電極表面の電荷の量は、弾性絶縁材料の誘電率が高くなればなるほど、また、電極間距離が小さくなればなるほど、大きくなり、このため、クーロン引力が大きくなって誘電アクチュエータの変位量及び力も大きくなるのではないかと考えられる。かかる見地から、本発明者らは、まずは特許文献1に提案された技術（同文献段落番号００４３〜００４５参照）と同様に、絶縁性及び誘電率に優れた弾性絶縁材料を用い、電極間の距離を小さくすることを検討した。

他方、一般的に高誘電率の誘電弾性体は絶縁性が低いため、絶縁性を確保するためには弾性絶縁材料を肉厚にする必要が生じ、その結果電極間距離が大きくなるという二律背反に陥ってしまう。
また、かかる構成の誘電アクチュエータの弾性絶縁材料として現在の適用でき
る材料としては合成ゴムが考えられる。合成ゴムとして、たとえばシリコーンゴム、アクリルゴム、アクリル−シリコーン共重合体ゴム、ポリウレタンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、ニトリルゴムなどが挙げられる。しかしながら、かかるゴム材料自体として、高い誘電率を持つものは知られていない。

本発明者らは、絶縁性には劣るが高誘電率を有する弾性材料と、誘電率はさほど高くはないが絶縁性に優れた弾性材料とを多層状に重ねて用いるという、これまでにない斬新な方法によって、上記課題を解決することを考えた。すなわち、合成ゴムへカーボン等の導電性フィラーを混合する等によって、絶縁性には劣るが高い誘電率を有する弾性高誘電材料が得られる。この弾性高誘電材料を導電性フィラーの入っていない絶縁性に優れた弾性絶縁材料で挟む。こうして、弾性高誘電材料が弾性絶縁材料によって挟まれた誘電体を電極間へ挿入した場合、電極間距離が大きくなってクーロンカが減殺するにもかかわらず、印加電圧に対する変位量の増大現象が認められた（実施例の図４参照）。

この発明の第1の局面はかかる材料の組み合わせを規定するものである。即ち、
対向する一対の電極に誘電弾性体を挟み、該一対の電極間に電圧を印加することにより前記誘電弾性体を変形させる誘電アクチュエータであって、
前記誘電弾性体は弾性高誘電材料部と弾性絶縁材料部とを備え、前記弾性高誘
電材料部と前記一対の電極との間に前記弾性絶縁材料部が介在されている、ことを特徴とする、誘電アクチュエータ。

このように規定される第1の局面の誘電アクチュエータによれば、印加電圧に対する変位量が大きくなるとともに、高誘電材料部の材料を選択することにより、誘電アクチュノエータの変位量を調整・制御することが可能となる。

この発明の第2の局面は次のように規定される。即ち、第1の局面で規定される誘電アクチュエータにおいて、前記弾性高誘電材料部は導電性ゴム材料からなり、前記弾性絶縁材料部は第1の合成ゴム材料からなる、ことを特徴とする。
導電性ゴム材料は絶縁性には劣るものの、大きな誘電率となる。また、合成ゴム材料は絶縁性において極めて優れている。このため、これらを組み合わせることによって、印加電圧に対する変位量を大きくすることができる。

また、この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
第２の局面で規定される誘電アクチュエータにおいて、前記導電性ゴム材料の基材と前記第1の合成ゴム材料とは同一もしくは同種のゴム材料からなる、ことを特徴とする。ここで、同種のゴム材料とは、合成ゴムを構成する構成単位分子が同じで分子量が異なっていている場合や、合成ゴムの種類（例えばジエン系合成ゴム、シリコン系合成ゴム、フッ素系合成ゴム、アクリル系合成ゴム、ＥＰＤＭ系合成ゴム、これらの合成ゴムの各種共重合体等の種類）が同種である場合等をいう。
弾性高誘電材料部の導電性ゴム材料の基材と弾性絶縁材料部の材料たる第１の合成ゴム材料を同一若しくは同種とすることにより、弾性高誘電材料部と弾性絶縁材料部との間に高い接合力が確保でき、誘電アクチュエータの誘電弾性体としてその機械的安定性が向上する。

また、この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
第３の局面で規定される誘電アクチュエータにおいて、前記一対の電極は導電性ゴム材料からなり、その基材は前記第1の合成ゴム材料と同一もしくは同種のゴム材料からなる、ことを特徴とする。
このような導電性ゴム材料からなる電極を用いることにより、電極に対して導電性のみならず、可撓性も付与される。このため、誘電弾性体が印加電圧の付与によって変形しても、その変形に電極が追随して変形する。また、その基材を第１の合成ゴムと同一若しくは同種とすることにより、電極と弾性絶縁材部との間に高い接合力が確保できる。その結果、誘電アクチュエータとしてその機械的安定性が向上する。

この発明の第５の局面は次のように規定される。即ち、
第３の局面で規定される誘電アクチュエータにおいて、ゴム材料はシリコーンゴム、アクリルゴム、アクリル−シリコーン共重合体ゴム、ポリウレタンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、ニトリルゴムから選ばれる1種又はこれら２種以上の混合したゴムからなり、
前記導電性ゴム材料は該第1のゴム材料に導電性フイラーを分散したものである、
ことを特徴とする。
これらのゴム材料は、絶縁性及び耐久性に優れており、誘電弾性体として適している。これらの中でも、シリコーンゴムは耐候性、耐熱性、耐薬品性において得に優れており好適に用いることができる。

また、この発明の第６の局面は次のように規定される。即ち、
第３の局面で規定される誘電アクチュエータにおいて、前記第1の合成ゴム材料はシリコーンゴムであり、前記導電性フイラーはカーボン粉である、ことを特徴とする。
本発明者らは、合成ゴム材料としてシリコーンゴムとし、導電性フイラーとしてカーボン粉を用いることにより、印加電圧に対する変位量の大きな誘電アクチュエータを実現できることを確かめている。

さらに、この発明の第７の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜６の局面のいずれかで規定される誘電アクチュエータにおいて、前記弾性高誘電材料部と前記弾性絶縁材料部との界面は凹凸に形成されている、ことを特徴とする。
弾性高誘電材料部と弾性絶縁材料部との界面に凹凸に形成されていれば、弾性高誘電材料部と弾性絶縁材料部との接合強度が増して剥離がし難くなり、ひいては誘電アクチュエータの機械的安定性が向上することとなる。

また、この発明の第８の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜７の局面のいずれかで規定される誘電アクチュエータにおいて、前記弾性絶縁材料部と前記電極との界面が凹凸に形成されている、ことを特徴とする。
弾性絶縁材料部と電極との界面が凹凸に形成されていれば、弾性絶縁材料部と電極との接合強度が増して剥離がし難くなり、ひいては誘電アクチュエータの機械的安定性が向上することとなる。

さらに、この発明の第９の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜８の局面のいずれかで規定される誘電アクチュエータにおいて、前記弾性高誘電体は前記弾性絶縁体と同一若しくは同種のゴム材料を基材として、該基材に導電性フイラーを分散させたものであり、該導電性フイラーの分散濃度は前記弾性絶縁体側で薄く、その中心側で濃くなる、ことを特徴とする。
こうであれば、弾性高誘電材料部と弾性絶縁材料部との間での材質変化が小さくなるので、両者間の接合強度が向上し、ひいては誘電アクチュエータの機関的安定性が向上する。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面を参照しつつ説明する。
(実施形態１)
図１は、実施形態１にかかる誘電アクチュエータ１を示す断面図である。この誘電アクチュエータ１は、弾性高誘電材料部２が弾性絶縁材料部３ａ、３ｂによって挟持されており、さらにその外側から電極４ａ、４ｂで挟持された構造となっている。

弾性高誘電材料部２の基材はシリコーンゴム、アクリルゴム、アクリル−シリコーン共重合体ゴム、ポリウレタンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、ニトリルゴムから選ばれる１種又は２種以上の合成ゴムからなり、グラファイト粉等のカーボン粉や、金属粉等の導電性粉体が混合されている。導電性粉体の混合割合としては、誘電率や導電性や機械的特性等のバランスを勘案して適宜決定すればよいが、通常１〜２０重量％であり、好ましくは３〜１０重量％である。導電性粉体が２０重量％を超えると誘電率は高くなるものの、弾性体としての柔軟性が減り、脆くなったり、印加電圧に対する変位量が小さくなったりする。また、導電性粉体が１重量％を未満となると、弾性体としての柔軟性は保持されるものの、誘電率を高くする効果が小さくなり、やはり印加電圧に対する変位量が小さくなる。こうして導電性粉体を合成ゴムに混合することにより、基材の合成ゴムの誘電率を１００倍以上に大きくすることができる。

また、弾性絶縁材料部３ａ、３ｂにも、シリコーンゴム、アクリルゴム、アクリル−シリコーン共重合体ゴム、ポリウレタンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、ニトリルゴムから選ばれる１種又は２種以上の合成ゴムを用いることができるが、導電性粉体は混合されていない。弾性絶縁材料部３ａ、３ｂの材質を異なるものを用いることもできる。

さらに、電極４ａ、４ｂは、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇなどの金属や、ポリエチレンジオキサンチオフェンやポリアニリンなどの導電性ポリマーを用いることができる。さらには、銀粉やカーボン粉などの導電性粉体を樹脂や有機溶媒に分散させた、導電性ペーストを弾性絶縁材料部３ａ、３ｂに塗布して乾燥させることによって形成しても良い。また、電極４ａ、４ｂに導電性ゴム材料を用いてもよく、それらの基材は電極ごとに異なっていてもよく、同一のものでも良い。電極４ａ、４ｂに導電性ゴム材料を用いることも好ましい。こうであれば、弾性高誘電材料部２や弾性絶縁材料部３ａ、３ｂが撓むと同時に、電極４ａ、４ｂが無理なく追随して撓むことができるため、耐久性が高くなる。

なお、弾性高誘電材料部２と弾性絶縁材料部３ａ、３ｂとの界面が凹凸になるように、弾性高誘電材料部３ａ、３ｂ又は弾性絶縁材料部２の表面を荒らして凹凸を形成しておき、そこへ弾性絶縁材料部２又は弾性高誘電材料部３ａ、３ｂを形成するためのモノマーをキャスティングしたりしてもよい。また、弾性高誘電材料部２や弾性絶縁材料部３ａ、３ｂの表面に凹凸を設けておいて、接着剤等で張り合わせてもよい。こうであれば、接着面積の増大により、接着力が増大し、弾性高誘電材料部３ａ、３ｂと弾性絶縁材料部２とが剥がれにくくなり、耐久性を向上させることができる。

また、同様に弾性絶縁材料部３ａ、３ｂと電極４ａ、４ｂとの界面が凹凸になるように、弾性絶縁材料部３ａ、３ｂや電極４ａ、４ｂの表面に凹凸を設けておき、接着剤等で張り合わせたり、弾性絶縁材料部３ａ、３ｂを形成するためのモノマーをキャスティングしたりしても良い。こうであれば、接着面積の増大により、接着力が増大し、弾性絶縁材料部３ａ、３ｂと電極４ａ、４ｂとが剥がれにくくなり、耐久性が増す。

以上のように構成された実施形態１の誘電アクチュエータ１では、弾性絶縁材部３ａ、３ｂと弾性高誘電材部２の組み合わせにより、印加電圧に対する変位量が増大する。また、高誘電材料部２の材料を選択することにより、誘電アクチュノエータ１の変位量を調整・制御することが可能となる。

(実施形態２)
図２は、実施形態２にかかる誘電アクチュエータ１１を示す断面図である。この誘電アクチュエータ１１は、ゴム材料に導電性粉体が混合されている弾性高誘電材料部２０が多層構造とされており、その中心の層をなす中央弾性高誘電材料部１２が第１高誘電材料部１３ａ、１３ｂによって挟持され、さらに外側から第２高誘電材料部１４ａ、１４ｂによって挟持されて弾性高誘電材料部２０を構成している。導電性粉体の混合割合は中央弾性高誘電材料部１２＞第１高誘電材料部１３ａ、１３ｂ＞第２高誘電材料部１４ａ、１４ｂとされている。その他の構成は、図１に示す実施形態１の誘電アクチュエータと同様であり、同一の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

実施形態２の誘電アクチュエータ１１では、弾性高誘電材料部２０の導電性粉体の混合割合が中央弾性高誘電材料部１２で濃く、第１高誘電材料部１３ａ、１３ｂから第２高誘電材料部１４ａ、１４ｂへと外側へ行くほど薄くされているため、第２項誘電材料部１４ａ、１４ｂと弾性絶縁材料部３ａ、３ｂとの間でより高い接合強度を確保できる。両者の間の材料の変化が小さくなるからである。

（実施例１）
実施例１では、図１における弾性高誘電材料部２及び弾性絶縁材料部３ａ、３ｂの基材を同種のシリコーンゴム（誘電率ε＝２）とし、弾性高誘電材料部２にはグラファイト粉末が５重量％添加されたシリコーンゴムを用いた。このグラファイト粉末が添加されたシリコーンゴムの誘電率はε＝２００となり、シリコーンゴム単独の場合に比べて、約１００倍の誘電率となった。また、弾性高誘電材料部２の厚さは２００μｍ、大きさは３０ｍｍ×３０ｍｍとした。さらに、厚さ５０μｍの同種シリコーンゴム板材を弾性高誘電材料部２と同じ大きさに切り出して、弾性絶縁材料部３ａ、３ｂとした。そして、弾性絶縁材料部３ａ、３ｂの外側面全体に銀ペーストを塗布して乾燥し、これを電極４ａ、４ｂとし、弾性高誘電材料部２の両側から弾性絶縁材料部３ａ、３ｂを図示しない治具で挟持させて実施例１の誘電アクチュエータとした。

（比較例１）
比較例１では、図３に示すように、アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＮＢＲ）からなる誘電材料部１５が電極１５ａ、１６ｂで挟持された構造とされている。誘電材料部１５の厚さは２２０μｍとした。アクリロニトリル−ブタジエンゴムの誘電率εは１７であった。

＜評価＞
上記実施例１及び比較例１の誘電アクチュエータの電極に２０００Ｖ電圧を印加して、そのときの厚さ方向の変位量をレーザ変位計で測定した。その結果、実施例１の誘電アクチュエータでは、図４に示すように、膜厚方向の歪み量が−０．０００３ｍｍの収縮となったのに対し、比較例１では、図５に示すように、−０．００００５ｍｍの収縮となり、実施例１が比較例１に対して６倍の変位を示した。

この発明は上記発明の実施形態に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

実施形態１に係る誘電アクチュエータの模式断面図である。実施形態２に係る誘電アクチュエータの模式断面図である。比較例１に係る誘電アクチュエータの模式断面図である。実施例１に係る誘電アクチュエータに２００Ｖの電圧を印加した場合の時間と厚さ方向の変位量との関係を示すグラフである。比較例１に係る誘電アクチュエータに２００Ｖの電圧を印加した場合の時間と厚さ方向の変位量との関係を示すグラフである。

符号の説明

４ａ、４ｂ…電極
２、３ａ、３ｂ、２０、１２、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、３ａ、３ｂ…誘電弾性体（２、１２、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ…弾性高誘電材料部、３ａ、３ｂ…弾性絶縁材料部）

Claims

対向する一対の電極に誘電弾性体を挟み、該一対の電極間に電圧を印加することにより前記誘電弾性体を変形させる誘電アクチュエータであって、
前記誘電弾性体は弾性高誘電材料部と弾性絶縁材料部とを備え、前記弾性高誘電材料部と前記一対の電極との間に前記弾性絶縁材料部が介在されており、
前記弾性高誘電材料部は導電性ゴム材料からなり、前記弾性絶縁材料部は第1のゴム材料からなり、
前記導電性ゴム材料の誘電率は前記第1のゴム材料の誘電率より高い、ことを特徴とする、誘電アクチュエータ。
前記導電性ゴム材料の基材と前記第1のゴム材料とは同一もしくは同種のゴム材料からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の誘電アクチュエータ。
前記一対の電極は導電性ゴム材料からなり、その基材は前記第1のゴム材料と同一もしくは同種のゴム材料からなる、ことを特徴とする請求項２に記載の誘電アクチュエータ。
前記第1のゴム材料はシリコーンゴム、アクリルゴム、アクリル−シリコーン共重合体ゴム、ポリウレタンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、ニトリルゴムから選ばれる1種又はこれら２種以上の混合したゴムからなり、前記導電性ゴム材料は該第1のゴム材料に導電性フイラーを分散したものである、ことを特徴とする請求項２に記載の誘電アクチュエータ。
前記第1のゴム材料はシリコーンゴムであり、前記導電性フイラーはカーボン粉である、ことを特徴とする請求項４に記載の誘電アクチュエータ。
前記弾性高誘電材料部と前記弾性絶縁材料部との界面は凹凸に形成されている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の誘電アクチュエータ。
前記弾性絶縁材料部と前記電極との界面が凹凸に形成されている、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の誘電アクチュエ−タ。
前記弾性高誘電体は前記弾性絶縁体と同一若しくは同種のゴム材料を基材として、該基材に導電性フイラーを分散させたものであり、該導電性フイラーの分散濃度は前記弾性絶縁体側で薄く、その中心側で濃くなる、ことを特徴とする請求項２に記載の誘電アクチュエータ。