JP5790310B2 - アクチュエータ素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電歪材料で形成されたフィルムに外部電極を設けてあるアクチュエータ素子の製造方法に関する。

医療機器、産業用ロボット等は、精緻な動きを要求される機会が多い。したがって、小型、軽量であり、しかも柔軟性に富むアクチュエータ素子の開発が急務となっている。例えば電歪材料で形成された、撓み部材として用いるシートの両面に電極を設けたアクチュエータ素子等も多々開発されている。

最近では、アクチュエータ素子をより軽量化するために、電歪材料で形成されたフィルムを用いるアクチュエータ素子も開発されている。電歪材料で形成されたフィルムの両面に導体パターンを形成することにより、アクチュエータ素子として機能させている。

斯かるアクチュエータ素子を製造する場合、従来は圧電センサと同様の方法で製造していた。例えば特許文献１には、圧電フィルムの表面にＡｕ、Ｃｕ、Ａｌ等を蒸着して電極パターンを形成した圧電センサ（胸郭運動検出センサ）が開示されている。特許文献１に開示されている圧電センサは、外部からの圧力により圧電フィルムにわずかに生じた歪みにより発生した電圧を検出している。

特開２００６−２１２３２９号公報

しかし、電歪材料で形成されたフィルムを用いる場合、厚みが数μｍ以下と薄いことから、外部からの圧力によりフィルムは大きく変形する。したがって、電極との接続部分に、フィルムの変形により生じた応力が集中するため、電極とフィルムとが剥離するおそれがあるという問題点があった。特に接続部分において、フィルムに硬くて薄い電極が形成されているため、硬い部材である電極に応力が集中し、表面にクラックが生じるおそれがあるという問題点があった。

電極とフィルムとが剥離した場合、あるいは電極の表面にクラックが生じた場合、電極には大きな電界が生じているので微小な放電が発生し、電極の劣化を促進するおそれもある。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、電歪材料で形成されたフィルムの両面に電極を設け、電極とフィルムとの間で剥離が生じることを抑制することができるアクチュエータ素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために第１発明に係るアクチュエータ素子の製造方法は、電歪材料で形成され、両面に内部電極を形成してあるフィルムで構成されるアクチュエータ素子の製造方法であって、導電性インクを含浸させてある連続発泡性シート又は繊維状のシートからなる外部電極を、加圧硬化することにより前記内部電極と電気的に接続することを特徴とする。

第１発明では、電歪材料で形成され、両面に内部電極を形成してあるフィルムで構成されたアクチュエータ素子を製造する。導電性インクを含浸させてある連続発泡性シート又は繊維状のシートからなる外部電極を、加圧硬化することにより内部電極と電気的に接続する。連続発泡性シート又は繊維状のシートは導電性インクの吸着性に富むので、連続発泡性シート又は繊維状のシート自体が導電体となる。しかも、連続発泡性シート又は繊維状のシートは可撓性を有しているので、フィルムが大きく変形した場合であっても、その変位を吸収することができ、外部電極とフィルムとの接続部分に応力が集中して、外部電極とフィルムとの間で剥離が生じることを抑制することが可能なアクチュエータ素子を製造することができる。

また、第２発明に係るアクチュエータ素子の製造方法は、第１発明において、前記内部電極は、導電性インクを塗布することで形成してあることを特徴とする。

第２発明では、内部電極は、導電性インクを塗布することで形成してあるので、外部電極である導電性インクを含浸させた連続発泡性シート又は繊維状のシートとの親和性が高くなり、フィルム上の内部電極に外部電極を配置して、そのまま、又は導電性インクを再度塗布して加圧硬化することにより、内部電極と外部電極との接着力を高めることが可能となる。

また、第３発明に係るアクチュエータ素子の製造方法は、第１又は第２発明において、片面又は両面に内部電極を形成してあるフィルムを複数積層して形成してあることを特徴とする。

第３発明では、片面又は両面に内部電極を形成してあるフィルムを複数積層することにより、全体としてアクチュエータ素子の変位を大きくすることができる。

上記構成により、導電性インクを含浸させてある連続発泡性シート又は繊維状のシートからなる外部電極を、加圧硬化することにより内部電極と電気的に接続する。連続発泡性シート又は繊維状のシートは導電性インクの吸着性に富むので、連続発泡性シート又は繊維状のシート自体が導電体となる。しかも、連続発泡性シート又は繊維状のシートは可撓性を有しているので、フィルムが大きく変形した場合であっても、その変位を吸収することができ、外部電極とフィルムとの接続部分に応力が集中して、外部電極とフィルムとの間で剥離が生じることを抑制することが可能なアクチュエータ素子を製造することができる。

本発明の実施の形態に係るアクチュエータ素子の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るアクチュエータ素子の外部電極の製造方法を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るアクチュエータ素子の外部電極の接続した状態を示す例示図である。 本発明の実施の形態に係るアクチュエータ素子の電歪フィルムと外部電極との接続部分への応力の集中を抑制する原理の説明図である。 本発明の実施の形態に係るアクチュエータ素子の製造方法を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、高分子電歪材料で形成された複数の電歪フィルム（フィルム）を積層して形成されたアクチュエータ素子の製造方法について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ素子の構成を示す模式図である。本実施の形態に係るアクチュエータ素子１０は、高分子電歪材料で形成された電歪フィルム３１の両面に、それぞれ内部電極として導体パターン４１、４２が形成されている。電歪フィルム３１の同じ側にて、導体パターン４１、４２に外部電極４３、４４をそれぞれ接続してある。

電歪フィルム３１を形成する高分子電歪材料は、強誘電性を有し、永久双極子を有する高分子圧電材料であれば、特に限定されるものではない。例えばＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）系の共重合体、例えばコーポリマであるＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ）、あるいはＰＶＤＦ系のターポリマであるＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＤＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＡ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＣ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＶＦ）等が好ましい。なお、Ｐはポリを、ＶＤＦはビニリデンフルオロイドを、ＴｒＦＥはトリフルオロエチレンを、ＣＦＥはクロロフルオロエチレンを、ＣＴＦＥはクロロトリフルオロエチレンを、ＣＤＦＥはクロロディフルオロエチレンを、ＨＦＡはヘキサフルオロアセトンを、ＨＦＰはヘキサフルオロプロピレンを、ＶＣはビニルクロライドを、ＶＦはビニルフルオロイドを、それぞれ示している。

特に、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）が好ましい。電歪フィルム３１を大きく変形させることが可能だからである。また、電歪フィルム３１の厚みは適宜設定することが可能であるが、例えば数μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。

具体的には、電歪フィルム３１を、数μｍ〜１００μｍ程度の厚みに成形し、電歪フィルム３１の表裏両面に、マスクを用いて導電性インクを噴霧した後、８５℃で乾燥させることにより、導体パターン（内部電極）４１、４２を形成する。導電性インクの粘度にもよるが、インクジェット方式、はけ塗り、スクリーン印刷方式等、適宜形成方法を変更しても良い。

導電性インクとしては、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）、ＰＰｙ（ポリピロール）、ＰＡＮI（ポリアニリン）等の有機導電性材料を用い、有機バインダーとともに、溶剤に溶解させて使用する。有機バインダーとしては、例えばゼラチン系バインダー、アクリル系バインダー、ポリビニルアルコール系バインダー等を用いることができる。溶剤は、メタノール、エタノール等の有機導電性材料のような、有機バインダーを溶解することが可能な溶剤から選択すればよい。

外部電極４３、４４としては、導電性インクを含浸させた連続発泡性シート又は繊維状のシートを用いる。連続発泡性シートとしては、例えばＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）等の高分子材料で形成されたシートを用いることが好ましく、繊維状のシートとしては、セルロースからなる和紙、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）等の高分子材料のナノファイバからなる不織布等を用いることが好ましい。

図２は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ素子１０の外部電極４３、４４の製造方法を示す模式図である。図２では、高分子電歪材料で形成された電歪フィルム３１の片面に、内部電極として導体パターン４１又は導体パターン４２が形成されている場合について説明する。図２（ａ）に示すように、例えば連続発泡性シート又は繊維状のシートとして和紙１４を用いる場合、和紙１４にＰＥＤＯＴを用いた導電性インク１３を含浸させた後、８５℃で乾燥させる。斯かる工程を繰り返すことにより、和紙１４の繊維の表面に導電性インク１３を満遍なく付着させて外部電極４３、４４を形成する。

そして、図２（ｂ）に示すように、形成された外部電極４３、４４を、電歪フィルム３１の表裏両面に形成された導体パターン（内部電極）４１、４２と接続する。具体的には、電歪フィルム３１の表面に形成された導体パターン４１と電歪フィルム３１の裏面に形成された導体パターン４２とは極性が異なるので、電歪フィルム３１の表裏それぞれの面において、後述する導体パターン４１、４２の引き出し電極と外部電極４３、４４とを、それぞれ接続する。

図３は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ素子１０の外部電極４３、４４を接続した状態を示す例示図である。図３に示すように、電歪フィルム３１の両面に形成してある導体パターン４１、４２の引き出し電極５１、５２は、同じ方向へ互いに重なり合わない位置へ、それぞれ電歪フィルム３１の表面又は裏面において引き出されている。外部電極４３、４４は、引き出し電極５１、５２に接触するように、それぞれ電歪フィルム３１の表面又は裏面に配置し、１００℃で加圧硬化する。もちろん、配置した時点で導電性インクを適宜部分的に塗布し、８５℃で加圧硬化することで外部電極４３、４４を固着しても良い。

このように外部電極４３、４４を接続することにより、異なる極性を有する電極間で短絡が生じることを未然に回避することができる。また、外部電極４３、４４が可撓性を有していることから、電歪フィルム３１が大きく変形した場合であっても、外部電極４３、４４との接続部分に応力が集中しない。

図４は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ素子１０の電歪フィルム３１と外部電極４３、４４との接続部分への応力の集中を抑制する原理の説明図である。図４（ａ）は従来の外部電極を用いる場合を示している。従来の外部電極６０は金属製であり、可撓性をほとんど有していない。したがって、電歪フィルム３１が大きく変形した場合、外部電極６０との接続部分の端部５０には、応力が集中する。応力の集中により、外部電極６０が電歪フィルム３１から部分的に剥離する、外部電極６０の表面にクラックが生じる等により、外部電極６０の劣化が促進されるおそれがあった。

図４（ｂ）は、本実施の形態に係る外部電極４３、４４を用いる場合を示している。本実施の形態に係る外部電極４３、４４は可撓性を有しているので、電歪フィルム３１が大きく変形した場合であっても、外部電極４３、４４の形状もそれに追随して変形することができる。したがって、外部電極４３、４４との接続部分の端部５０に、応力が集中しない。

図５は、本発明の実施の形態に係るアクチュエータ素子１０の製造方法を示す斜視図である。図５では、電歪フィルム３１の片面に、内部電極として導体パターン４１又は導体パターン４２を形成し、複数積層している場合を例に挙げて説明する。図５（ａ）に示すように、複数の電歪フィルム３１の片面に、極性の異なる導体パターン４１、４２を形成する。そして、導体パターン４１、４２の引き出し電極５１、５２に外部電極４３、４４を、それぞれ接続してある。

そして、外部電極４３、４４が同じ方向へ、交互に重なるよう、複数の電歪フィルム３１を積層し、１００℃で加圧硬化することにより、図５（ｂ）に示すような積層型のアクチュエータ素子１０を作製することができる。

複数の電歪フィルム３１を積層してあるので、全体としてアクチュエータ素子１０の変位が大きくなる。しかし、外部電極４３、４４が可撓性を有しているので、アクチュエータ素子１０の変位が大きくなった場合であっても電歪フィルム３１から外部電極４３、４４が剥離するおそれが少ない。

以上のように本実施の形態によれば、アクチュエータ素子１０は、導電性インク１３を含浸させてある連続発泡性シート又は繊維状のシート１４を外部電極４３、４４を、加圧硬化することにより内部電極と電気的に接続する。連続発泡性シート又は繊維状のシート１４は導電性インク１３の吸着性に富むので、連続発泡性シート又は繊維状のシート１４自体が導電体となる。しかも、連続発泡性シート又は繊維状のシート１４は可撓性を有しているので、電歪フィルム３１が大きく変形した場合であっても、その変位を吸収することができ、外部電極４３、４４と電歪フィルム３１との接続部分に応力が集中して、外部電極４３、４４と電歪フィルム３１との間で剥離が生じることを抑制することが可能なアクチュエータ素子を製造することができる。

その他、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内であれば多種の変形、置換等が可能であることは言うまでもない。

１０ アクチュエータ素子
１３ 導電性インク
１４ 和紙（連続発泡性シート又は繊維状のシート）
３１ 電歪フィルム（フィルム）
４１、４２ 導体パターン（内部電極）
４３、４４ 外部電極
５１、５２ 引き出し電極

Claims (3)

1. 電歪材料で形成され、両面に内部電極を形成してあるフィルムで構成されるアクチュエータ素子の製造方法であって、
   導電性インクを含浸させてある連続発泡性シート又は繊維状のシートからなる外部電極を、加圧硬化することにより前記内部電極と電気的に接続することを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法。
2. 前記内部電極は、導電性インクを塗布することで形成してあることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子の製造方法。
3. 片面又は両面に内部電極を形成してあるフィルムを複数積層して形成してあることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ素子の製造方法。

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