JP7412880B2 - 誘電エラストマートランスデューサー - Google Patents

Description

本発明は、誘電エラストマートランスデューサーに関する。

誘電エラストマー層と当該誘電エラストマー層を挟む一対の電極層を有する誘電エラストマートランスデューサーは、アクチュエータ、発電要素、センサ等の様々な用途に用いられるデバイスとして提案されている。特許文献１には、従来の誘電エラストマートランスデューサーの一例が開示されている。この誘電エラストマートランスデューサーでは、誘電エラストマー層を挟む一対の電極層のそれぞれに給電ケーブルが接続されている。

特開２０１１－１８８７２０号公報

特許文献１に開示の構成においては、給電ケーブルの芯線が電極層と接続された給電点が、誘電エラストマートランスデューサーの動作に伴って変形する領域に設けられている。このため、使用の継続によって給電点に負荷がかかると、非導通等の不具合が生じ、耐久性が低下するという問題がある。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、耐久性を向上させることが可能な誘電エラストマートランスデューサーを提供することをその課題とする。

本発明によって提供されるは誘電エラストマートランスデューサー、誘電エラストマー層と、前記誘電エラストマー層を挟む一対の電極層と、前記誘電エラストマー層を支持する支持体と、を備える誘電エラストマートランスデューサーであって、前記誘電エラストマー層は、前記支持体から離間した可動領域と、前記支持体に支持された固定領域とを有し、各々が給電ケーブルおよび当該給電ケーブルの芯線が導通接続された給電点を経由して前記各電極層に導通する一対の導通経路が構成されており、前記給電点は、前記誘電エラストマー層の前記可動領域から離間していることを特徴としている。

本発明の好ましい実施の形態においては、一対の中継導電部材をさらに備えており、前記電極層は、前記中継導電部材に導通接続されており、前記給電点は、前記給電ケーブルの芯線と前記中継導電部材とが導通接続されて構成されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記中継導電部材は、前記支持体に支持されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記中継導電部材は、屈曲および伸縮等の変形が可能な材料からなり、且つ前記可動領域の前記電極層に導通接続されており、前記給電点は、前記給電ケーブルの芯線と前記中継導電部材のうち前記可動領域から離間した部位とが導通接続されて構成されている。

本発明によれば、誘電エラストマートランスデューサーの耐久性を高めることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第１実施形態に係る誘電エラストマートランスデューサーを示す分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る誘電エラストマートランスデューサーを示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る誘電エラストマートランスデューサーを示す分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る誘電エラストマートランスデューサーを示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

本開示における「第１」、「第２」等の用語は、単にラベルとして用いたものであり、必ずしもそれらの対象物に順列を付することを意図していない。

図１および図２は、本発明の第１実施形態に基づく誘電エラストマートランスデューサーを示している。本実施形態の誘電エラストマートランスデューサーＡ１は、支持体１、誘電エラストマー層２、一対の電極層３Ａ，３Ｂ、一対の給電ケーブル４Ａ，４Ｂおよび一対の中継導電部材５Ａ，５Ｂを備えている。本発明に係る誘電エラストマートランスデューサーは、アクチュエータ、発電要素、センサ等の様々な用途に用いられるものである。以下の説明においては、誘電エラストマートランスデューサーＡ１が、アクチュエータとして用いられる場合を例に説明する。

支持体１は、誘電エラストマー層２を支持するものである。支持体１の材質は特に限定されず、樹脂等の絶縁材料を用いることが好ましい。支持体１の具体的構成は特に限定されず、誘電エラストマー層２を支持可能な構成であればよい。本実施形態においては、支持体１は、一対の外枠部１１および一対の中央部１２を有する。

一対の外枠部１１は、各々がたとえば円環形状の部材であり、軸方向に重ね合わされて配置されている。一対の中央部１２は、各々がたとえば円形状であり、外枠部１１の内側に内包されている。一対の中央部１２は、外枠部１１の軸方向に重ね合わされている。

一対の中継導電部材５Ａ，５Ｂは、一対の電極層３Ａ，３Ｂと一対の給電ケーブル４Ａ，４Ｂとを各別に導通させるためのものである。一対の中継導電部材５Ａ，５Ｂの具体的構成は特に限定されず、本実施形態においては、外枠部１１に固定されたＣｕ等の金属膜によって構成されている。中継導電部材５Ａは、図中上側の外枠部１１に設けられており、中継導電部材５Ｂは、図中下側の外枠部１１に設けられている。図示された例においては、中継導電部材５Ａ，５Ｂは、図２に示す断面において、外枠部１１の一部の上下面および径方向内外面を覆っているが、外枠部１１の一部の上下面および径方向内外面から選択されたいずれかを覆う構成であってもよい。

誘電エラストマー層２は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１がたとえばアクチュエータとして用いられることを考慮すると、弾性変形が可能であるとともに、絶縁強度が高いことが求められる。このような誘電エラストマー層２の材質は特に限定されないが、好ましい例として、たとえばシリコーンエラストマーやアクリルエラストマー等が挙げられる。誘電エラストマー層２の具体的構成は特に限定されず、本実施形態においては、誘電エラストマー層２は、円形状である。

誘電エラストマー層２は、支持体１によって支持されている。本実施形態においては、誘電エラストマー層２は、一対の外枠部１１に挟まれている。また、誘電エラストマー層２は、一対の中央部１２に挟まれている。一対の外枠部１１および一対の中央部１２と誘電エラストマー層２との具体的な固定方法は特に限定されず、たとえば接着等の手法が適宜用いられる。

誘電エラストマー層２は、可動領域２１および固定領域２２を有する。可動領域２１は、支持体１から離間した部位であり、たとえば誘電エラストマートランスデューサーＡ１がアクチュエータとして用いられる場合、変形する領域である。本実施形態においては、可動領域２１は、円環形状である。固定領域２２は、支持体１に固定された部位である。本実施形態においては、固定領域２２は、外枠部１１に固定された円環形状の領域と、中央部１２に固定された円形状の領域とを含む。

一対の電極層３Ａ，３Ｂは、誘電エラストマー層２を挟んでおり、電源部（図示略）によって電圧が印加されるものである。一対の電極層３Ａ，３Ｂは、導電性を有するとともに、誘電エラストマー層２の弾性変形に追従しうる弾性変形が可能な材質によって形成される。このような材質としては、弾性変形可能な主材に導電性を付与するフィラーが混入された材質が挙げられる。前記フィラーの好ましい例として、たとえばカーボンナノチューブが挙げられる。一対の電極層３Ａ，３Ｂの具体的構成は、特に限定されず、本実施形態においては、電極層３Ａが、主部３０Ａおよび延出部３１Ａを有し、電極層３Ｂが主部３０Ｂおよび延出部３１Ｂを有する。

主部３０Ａは、円環形状の部位である。主部３０Ａの外径は、外枠部１１の内径よりも小さい。主部３０Ａの内径は、中央部１２の外径よりも大きい。延出部３１Ａは、主部３０Ａから径方向外方に延出する部位である。延出部３１Ａの具体的形状は特に限定されず、図示された例においては、先端が円弧形状とされた略三角形状である。

主部３０Ｂは、円環形状の部位である。主部３０Ｂの外径は、外枠部１１の内径よりも小さい。主部３０Ｂの内径は、中央部１２の外径よりも大きい。延出部３１Ｂは、主部３０Ｂから径方向外方に延出する部位である。延出部３１Ｂの具体的形状は特に限定されず、図示された例においては、先端が円弧形状とされた略三角形状である。

一対の電極層３Ａ，３Ｂは、誘電エラストマー層２の両面に分かれて配置されている。主部３０Ａ，３０Ｂは、誘電エラストマー層２の可動領域２１に配置されている。延出部３１Ａ，３１Ｂは、可動領域２１から固定領域２２の外側の円環形状部分に跨るように配置されている。図示された一対の延出部３１Ａ，３１Ｂは、径方向（図中左右方向）において互いに反対側に延出している。

本実施形態においては、延出部３１Ａと外枠部１１との間には、中継導電部材５Ａが介在している。延出部３１Ａと中継導電部材５Ａとは、接触や導電性接合材（図示略）を用いた導電接合によって、互いに導通している。また、延出部３１Ｂと外枠部１１との間には、中継導電部材５Ｂが介在している。延出部３１Ｂと中継導電部材５Ｂとは、接触や導電性接合材（図示略）を用いた導電接合によって、互いに導通している。

一対の給電ケーブル４Ａ，４Ｂは、一対の電極層３Ａ，３Ｂに電源装置（図示略）からの電圧を印加するためのものである。本実施形態においては、給電ケーブル４Ａの芯線４１Ａが、中継導電部材５Ａに導通している。芯線４１Ａと中継導電部材５Ａとの導通形態は特に限定されず、図示された例においては、たとえばハンダ等の導電性接合材４９によって芯線４１Ａが中継導電部材５Ａの図中上面に導通接合されている。また、給電ケーブル４Ｂの芯線４１Ｂが、中継導電部材５Ｂに導通している。芯線４１Ｂと中継導電部材５Ｂとの導通形態は特に限定されず、図示された例においては、たとえばハンダ等の導電性接合材４９によって芯線４１Ｂが中継導電部材５Ｂの図中下面に導通接合されている。

本実施形態においては、芯線４１Ａが中継導電部材５Ａに導通接続された箇所が、給電点６Ａである。また、芯線４１Ｂが中継導電部材５Ｂに導通接続された箇所が、給電点６Ｂである。

本実施形態においては、給電点６Ａを経由して導通経路８Ａが構成されている。具体的には、導通経路８Ａは、給電ケーブル４Ａの芯線４１Ａ、中継導電部材５Ａおよび電極層３Ａを含んでいる。また、芯線４１Ａと中継導電部材５Ａとの間に、導電性接合材４９が介在してもよい。また、本実施形態においては、給電点６Ｂを経由して導通経路８Ｂが構成されている。具体的には、導通経路８Ｂは、給電ケーブル４Ｂの芯線４１Ｂ、中継導電部材５Ｂおよび電極層３Ｂを含んでいる。また、芯線４１Ｂと中継導電部材５Ｂとの間に、導電性接合材４９が介在してもよい。

誘電エラストマートランスデューサーＡ１をアクチュエータとして動作させる場合、たとえば図示しない錘を中央部１２に取り付ける。図２において図中上下方向を鉛直方向に一致させると、中央部１２は、錘の自重によって図中下方に移動する。これにより、誘電エラストマー層２の可動領域２１は伸張され、可動領域２１に張力が生じる。これが初期状態である。

次に、導通経路８Ａ，８Ｂから、一対の３Ａ，３Ｂに電圧を印加する。たとえば、電極層３Ａが正電位となり、電極層３Ｂが負電位またはグランド電位となるように、電圧を印加すると、クーロン力により、電極層３Ａと電極層３Ｂとが互いに引きあう。これにより、誘電エラストマー層２は、厚さが薄くなるように変形する。誘電エラストマー層２の体積は不変であるため、薄くなることに対応して面積が大きくなる。この結果、誘電エラストマー層２の可動領域２１は、上述の錘の自重にしたがってさらに伸張され、中央部１２は、さらに図中下方に移動する。このように、一対の電極層３Ａ，３Ｂへの電圧印加状態によって、誘電エラストマー層２の可動領域２１の伸長状態を変化させ、中央部１２を図中上下方向に移動させることにより、誘電エラストマートランスデューサーＡ１をアクチュエータとして機能させることができる。なお、誘電エラストマー層２に初期状態における張力を付与する手段は特に限定されず、錘を用いた手法のほか、構造体によって引っ張る手法等の、従来公知の手法を種々に採用可能である。

次に、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の作用について説明する。

本実施形態によれば、芯線４１Ａ，４１Ｂが導通接続されている給電点６Ａ，６Ｂは、誘電エラストマー層２の可動領域２１から離間している。このため、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の動作において可動領域２１に伸長や収縮等の変形が生じても、給電点６Ａ，６Ｂには、顕著な変形や移動等は生じない。これにより、給電点６Ａ，６Ｂにおける芯線４１Ａ，４１Ｂの導通接続が非導通となってしまうこと等を抑制することが可能である。したがって、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の耐久性を高めることができる。

本実施形態においては、給電点６Ａ，６Ｂは、芯線４１Ａ，４１Ｂが中継導電部材５Ａ，５Ｂに導通接合されることによって構成されている。中継導電部材５Ａ，５Ｂは、外枠部１１に設けられた金属膜によって構成されている。外枠部１１は、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の動作において誘電エラストマー層２の可動領域２１が変形しても、ほとんどその影響を受けない部位である。したがって、給電点６Ａ，６Ｂにおける芯線４１Ａ，４１Ｂの導通接続が非導通となってしまうこと等をより確実に抑制することが可能であり、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の耐久性を高めるのに好ましい。

図３および図４は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図３および図４は、本発明の第２実施形態に係る誘電エラストマートランスデューサーを示している。本実施形態の誘電エラストマートランスデューサーＡ２は、主に中継導電部材５Ａ，５Ｂの構成が上述した実施形態と異なっている。

本実施形態の中継導電部材５Ａ，５Ｂは、たとえば導電性の布材である。このような布材は、導電性の繊維を編み込んで構成されており、適度な柔軟性や伸縮性を有する。

本実施形態の電極層３Ａ，３Ｂは、上述した実施形態と同様に主部３０Ａ，３０Ｂと延出部３１Ａ，３１Ｂとを有する。電極層３Ａ，３Ｂは、それぞれの全体が、可動領域２１に配置されている。主部３０Ａ，３０Ｂは、誘電エラストマー層２の可動領域２１の一部を挟んでいる。延出部３１Ａは、平面視において主部３０Ｂとは重なっていない。また、延出部３１Ｂは、平面視において主部３０Ａと重なっていない。

図４に示すように、中継導電部材５Ａは、電極層３Ａに導通接合されている。中継導電部材５Ｂは、電極層３Ｂに導通接合されている。中継導電部材５Ａ，５Ｂと電極層３Ａ，３Ｂとの導通接合は、たとえば電極層３Ａ，３Ｂを形成するための材料と同様の材料を用いた接合手法によってなされる。また、本実施形態においては、中継導電部材５Ａは、電極層３Ａの延出部３１Ａに導通接合されており、中継導電部材５Ｂは、電極層３Ｂの延出部３１Ｂに導通接合されている。

図示された例においては、給電ケーブル４Ａの芯線４１Ａは、圧着スリーブ４８によって中継導電部材５Ａに導通接続されており、給電ケーブル４Ｂの芯線４１Ｂは、圧着スリーブ４８によって中継導電部材５Ｂに導通接続されている。圧着スリーブ４８は、リングスリーブとも称される部材であり、ケーブルの芯線と接続対象材料とに物理的な圧力を加えることにより、相互に導通接続するためのものである。なお、芯線４１Ａ，４１Ｂと中継導電部材５Ａ，５Ｂとの導通接続を実現するための手法は、何ら限定されない。

本実施形態においては、芯線４１Ａが圧着スリーブ４８によって中継導電部材５Ａに導通接続された箇所が、給電点６Ａである。また、芯線４１Ｂが圧着スリーブ４８によって中継導電部材５Ｂに導通接続された箇所が、給電点６Ｂである。

本実施形態においても、給電点６Ａを経由して導通経路８Ａが構成されている。具体的には、導通経路８Ａは、給電ケーブル４Ａの芯線４１Ａ、中継導電部材５Ａおよび電極層３Ａを含んでいる。また、給電点６Ｂを経由して導通経路８Ｂが構成されている。具体的には、導通経路８Ｂは、給電ケーブル４Ｂの芯線４１Ｂ、中継導電部材５Ｂおよび電極層３Ｂを含んでいる。

本実施形態においても、給電点６Ａ，６Ｂにおける芯線４１Ａ，４１Ｂの導通接続が非導通となってしまうこと等を抑制することが可能であり、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の耐久性を高めることができる。また、導電性の布材によって構成された中継導電部材５Ａおよび中継導電部材５Ｂを用いることにより、電極層３Ａ，３Ｂの全体を可動領域２１に配置しつつ、給電点６Ａ，６Ｂを可動領域２１から確実に離間した位置に設けることができる。なお、中継導電部材５Ａ，５Ｂのうち芯線４１Ａ，４１Ｂと導通接続される箇所（給電点６Ａ，６Ｂ）は、支持体１の外枠部１１等に固定された構成であってもよいし、外枠部１１等から離間した構成であってもよい。

中継導電部材５Ａ，５Ｂが導通接合された延出部３１Ａ，３１Ｂは、平面視において主部３０Ａ，３０Ｂとは重なっていない。このため、延出部３１Ａ，３１Ｂは、誘電エラストマー層２の可動領域２１のうち、電極層３Ａ，３Ｂに電圧が印加された際に積極的に伸縮しない部分に形成されている。したがって、誘電エラストマートランスデューサーＡ２が駆動する際に、延出部３１Ａ，３１Ｂに生じる歪を抑制することが可能であり、中継導電部材５Ａ，５Ｂの導通接合の破損を防止するのに好ましい。

なお、図３および図４に示された例とは異なり、電極層３Ａ，３Ｂが、主部３０Ａ，３０Ｂに相当する部位のみを有する構成であってもよい。このような構成であっても、電極層３Ａ，３Ｂに中継導電部材５Ａ，５Ｂを導通接合することにより、給電点６Ａ，６Ｂにおける芯線４１Ａ，４１Ｂの導通接続が非導通となってしまうこと等を抑制することができる。

本発明に係る誘電エラストマートランスデューサーは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る誘電エラストマートランスデューサーの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１，Ａ２：誘電エラストマートランスデューサー
１ ：支持体
２ ：誘電エラストマー層
３Ａ，３Ｂ：電極層
４Ａ，４Ｂ：給電ケーブル
５Ａ，５Ｂ：中継導電部材
６Ａ，６Ｂ：給電点
８Ａ，８Ｂ：導通経路
１１ ：外枠部
１２ ：中央部
２１ ：可動領域
２２ ：固定領域
３０Ａ，３０Ｂ：主部
３１Ａ，３１Ｂ：延出部
４１Ａ，４１Ｂ：芯線
４８ ：圧着スリーブ
４９ ：導電性接合材

Claims (1)

1. 誘電エラストマー層と、
   前記誘電エラストマー層を挟む一対の電極層と、
   前記誘電エラストマー層を支持する支持体と、を備える誘電エラストマートランスデューサーであって、
   前記誘電エラストマー層は、前記支持体から離間した可動領域と、前記支持体に支持された固定領域とを有し、
   各々が給電ケーブルおよび当該給電ケーブルの芯線が導通接続された給電点を経由して前記各電極層に導通する一対の導通経路が構成されており、
   前記一対の電極層は、前記可動領域に配置された主部と、前記主部から延出する延出部と、を有し、
   前記一対の電極層の一方の前記延出部は、前記一対の電極層の他方の前記主部および前記延出部とは重なっておらず、
   前記一対の導通経路は、前記一対の電極層の前記延出部を経由しており、
   前記給電点は、前記誘電エラストマー層の前記可動領域から離間しており、
   一対の中継導電部材をさらに備えており、
   前記電極層の前記延出部は、前記中継導電部材に導通接続されており、
   前記給電点は、前記給電ケーブルの芯線と前記中継導電部材とが導通接続されて構成されており、
   前記中継導電部材は、屈曲および伸縮等の変形が可能な材料からなり、且つ一端が前記電極層の前記延出部に導通接続されており、
   前記給電点は、前記給電ケーブルの芯線と前記中継導電部材のうち前記可動領域から離間した他端とが導通接続されて構成されており、
   前記中継導電部材は、前記一端と前記他端との間に、前記誘電エラストマー層、前記一対の電極層および前記支持体のいずれからも離れた支持されていない部分を有し、
   前記中継導電部材の前記他端は、前記誘電エラストマー層の厚さ方向において前記支持体を挟んで前記誘電エラストマー層とは反対側において前記給電ケーブルの芯線に導通接続されていることを特徴とする、誘電エラストマートランスデューサー。

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