JP2009021328A - 電歪素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で変位量が大きく、大きな力を出力することができる電歪素子を提供する。
【解決手段】 電歪素子１を、誘電膜２０と、誘電膜２０を介して配置されている複数の電極と、からなる電歪層２と、電歪層２と積層されて配置され、エラストマーおよび樹脂から選ばれる絶縁材料からなり素子形状を維持する役割を果たす絶縁層３０と、電歪層２と絶縁層３０との積層方向の少なくとも一端に配置され、誘電膜２０よりも高剛性であり電歪層２の変位方向を配向させる出力部材５０、５１と、を備えて構成する。電歪素子１は、複数の電極間への印加電圧を変化させて誘電膜２０の膜厚を変化させることにより、積層方向の力を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、印加電圧を変化させることにより誘電膜の膜厚方向の力を出力する電歪素子に関する。

産業用、介護用等のロボット、医療機器、マイクロマシン等の分野では、柔軟性が高く、小型で軽量なアクチュエータの必要性が高まっている。この種のアクチュエータ材料としては、導電性高分子や誘電体エラストマー等の高分子材料が知られている。例えば、特許文献１、２には、誘電体エラストマー製の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。
特表２００３−５０６８５８号公報 特表２００３−５０５８６５号公報

上記特許文献１、２に示されているように、従来の電歪型アクチュエータでは、誘電膜を予め延伸した状態（プリストレイン状態）で設置して、誘電膜の面方向の伸縮を利用して駆動力を出力している。すなわち、電極間の印加電圧を大きくすると、電極間の静電引力により誘電膜が圧縮され、誘電膜は面方向（電極面に対して平行方向）に伸長する。反対に、電極間の印加電圧を小さくすると、誘電膜は元の形状に復元するため、面方向に収縮する。ここで、誘電膜の面方向への伸長を拘束した状態で、電極間の印加電圧を大きくすると、誘電膜は伸長できない分だけ撓むことになる。従来の電歪型アクチュエータでは、この撓み分を利用して駆動力を出力している。

しかし、従来の電歪型アクチュエータによると、誘電膜の面方向の伸縮を利用しているため変位量が小さく、大きな力を取り出すことは難しい。また、変位量を大きくしたい場合には、高電圧を印加する必要があり、誘電膜の絶縁破壊性等、耐久性が問題となる。

本発明は、このような実情に鑑みて完成されたものであり、小型で変位量が大きく、大きな力を出力することができる電歪素子を提供することを課題とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明の第一の電歪素子は、誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、からなる電歪層と、該電歪層と積層されて配置され、エラストマーおよび樹脂から選ばれる絶縁材料からなり素子形状を維持する役割を果たす絶縁層と、該電歪層と該絶縁層との積層方向の少なくとも一端に配置され、該誘電膜よりも高剛性であり該電歪層の変位方向を配向させる出力部材と、を備え、複数の該電極間への印加電圧を変化させて該誘電膜の膜厚を変化させることにより、積層方向の力を出力することを特徴とする（請求項１に対応）。

例えば、電歪層の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、電極間に介在する誘電膜は、膜厚方向から圧縮され、膜厚が小さくなる。本発明の第一の電歪素子によると、電歪層と絶縁層との積層方向（誘電膜の膜厚方向）の少なくとも一端に、出力部材が配置されている。出力部材は誘電膜よりも高剛性であり、誘電膜の変位方向を膜厚方向へ揃える役割を果たす。したがって、電極からの圧縮による誘電膜の膜厚変化をそのまま駆動力として取り出すことができる。このように、本発明の第一の電歪素子によると、誘電膜の膜厚方向の変位を利用するため、低電圧であっても変位量が大きく、大きな力を出力することができる。また、面方向の伸縮を利用している従来の電歪型アクチュエータとは異なり、誘電膜の予備延伸は必要ない。また、積層される電歪層や絶縁層を薄膜化することで、小型化が容易である。また、誘電膜の積層数により変位量や力の大きさを容易に調整することができる。例えば、誘電膜の積層数を増加させることで、より大きな変位量および力を出力することができる。

また、本発明の第一の電歪素子では、絶縁層が電歪層と積層されて配置されている。絶縁層は絶縁材料からなり、素子形状を維持する役割を果たす。これにより、誘電膜を多数積層させて電歪層を構成しても、また、電歪層を多数積層させた場合でも、素子形状を維持することができる。誘電膜の積層数を増加させると、変位量および力は大きくなる。しかし、その分、駆動時に生じた熱が集中するため絶縁破壊が生じやすくなり、耐久性が低下するおそれがある。この点、絶縁層を積層配置して、駆動時に生じた熱を絶縁層に伝達させることにより、熱の集中を抑制し、耐久性を向上させることができる。

（２）好ましくは、上記（１）の構成において、さらに、前記電歪層と積層されて配置され、隣接する層同士を接着し、ヤング率が該誘電膜のヤング率以下である柔軟接着層を備える構成とするとよい（請求項２に対応）。

柔軟接着層は隣接する層同士を接着する役割を果たす。ここで「隣接する層」とは、電歪層と絶縁層、電歪層と出力部材、電歪層と電歪層、絶縁層と出力部材というように、積層された状態において隣り合う層（部材）を意味する。また、柔軟接着層のヤング率は誘電膜のヤング率以下である。このように、柔軟接着剤は柔らかいため、例えば電歪層とそれに隣接する層との間に配置すると、誘電膜の面方向への伸縮を妨げることなく両者を接着することができる。これにより、誘電膜の膜厚方向への変位がスムーズになり、より大きな変位量および力を出力することができる。

（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記電歪層の積層方向両側には前記絶縁層が配置されている構成とするとよい（請求項３に対応）。上記（１）で述べたように、誘電膜の積層数や、電歪層の積層数を増加させると、変位量および力は大きくなるが、駆動時の発熱により耐久性が低下するおそれがある。本構成によると、絶縁層が電歪層の積層方向両側に配置されるため、駆動時に生じた熱が絶縁層に伝達しやすい。このため、耐久性がより向上する。

（４）好ましくは、上記（２）の構成において、前記電歪層の積層方向両側には前記柔軟接着層が配置されている構成とするとよい（請求項４に対応）。本構成によると、柔軟接着層は、電歪層とそれに隣接する層との間に配置される。このため、誘電膜の面方向への伸縮が妨げられにくい。これにより、誘電膜の膜厚方向への変位もスムーズになるため、より大きな変位および力を出力することができる。

（５）好ましくは、上記（２）ないし（４）のいずれかの構成において、前記電歪層は、前記絶縁層および前記柔軟接着層の少なくとも一方を介して複数積層されている構成とするとよい（請求項５に対応）。

例えば、電歪層において単に誘電膜の積層数を増加させた場合には、誘電膜が連続して積層される。この場合、駆動時の発熱により耐久性が問題となる。これに対して、本構成によると、電歪層が、絶縁層および柔軟接着層の少なくとも一方を介して複数積層される。すなわち、所定数の誘電膜が、絶縁層および柔軟接着層の少なくとも一方を介して積層方向に分割されて配置される。これにより、駆動時に生じる熱の集中を抑制することができ、耐久性が向上する。また、電歪層を複数積層することにより、全体として誘電膜の積層数を増加することができるため、変位量および力を大きくすることができる。

（６）また、本発明の第二の電歪素子は、誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、からなる電歪層と、該電歪層と積層されて配置され、隣接する層同士を接着し、ヤング率が該誘電膜のヤング率以下である柔軟接着層と、該電歪層と該柔軟接着層との積層方向の少なくとも一端に配置され、該誘電膜よりも高剛性であり該電歪層の変位方向を配向させる出力部材と、を備え、複数の該電極間への印加電圧を変化させて該誘電膜の膜厚を変化させることにより、積層方向の力を出力することを特徴とする（請求項６に対応）。

上記（１）の本発明の第一の電歪素子と同様、本発明の第二の電歪素子によると、誘電膜の膜厚方向の変位を利用するため、低電圧であっても変位量が大きく、大きな力を出力することができる。また、面方向の伸縮を利用している従来の電歪型アクチュエータとは異なり、誘電膜の予備延伸は必要ない。また、積層される電歪層や絶縁層を薄膜化することで、小型化が容易である。また、誘電膜の積層数により変位量や力の大きさを容易に調整することができる。例えば、誘電膜の積層数を増加させることで、より大きな変位量および力を出力することができる。

また、本発明の第二の電歪素子では、柔軟接着層が電歪層と積層されて配置されている。上記（２）で述べたように、柔軟接着層は隣接する層同士を接着する役割を果たす。また、柔軟接着層のヤング率は誘電膜のヤング率以下であり、柔らかい。このため、例えば電歪層とそれに隣接する層との間に配置すると、誘電膜の面方向への伸縮を妨げることなく両者を接着することができる。これにより、誘電膜の膜厚方向への変位がスムーズになり、より大きな変位量および力を出力することができる。

なお、本発明の第二の電歪素子において、さらに、前記電歪層と積層されて配置され、エラストマーおよび樹脂から選ばれる絶縁材料からなり素子形状を維持する役割を果たす絶縁層を備える構成とするとよい。ちなみに、本構成は上記（２）の構成と同じになる。

（７）好ましくは、上記（１）ないし（５）のいずれかの構成において、前記絶縁材料は、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、アクリルゴム、シリコーンゴム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から選ばれる一種以上からなる構成とするとよい（請求項７に対応）。これらは、熱を伝達しやすいため、絶縁破壊の抑制、耐久性の向上に有効である。また、誘電膜よりも高剛性であるため、素子の形状維持性に優れる。

（８）好ましくは、上記（２）ないし（６）のいずれかの構成において、前記柔軟接着層は、アクリルゴム、天然ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムから選ばれる一種以上からなる構成とするとよい（請求項８に対応）。これらはヤング率が小さく柔軟であるため、電歪層とそれに隣接する層との間に配置しても、誘電膜の面方向への伸縮を妨げにくい。

（９）好ましくは、上記（１）ないし（８）のいずれかの構成において、前記誘電膜は、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムから選ばれる一種以上からなる構成とするとよい（請求項９に対応）。

誘電膜は、電極間の静電引力に応じて変形するものであれば、その種類が特に限定されるものではない。本構成におけるアクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、およびウレタンゴムは、いずれも比誘電率、絶縁破壊性が高いため好適である。

（１０）好ましくは、上記（１）ないし（９）のいずれかの構成において、複数の前記電極は、前記誘電膜の変形に応じて伸縮可能である構成とするとよい（請求項９に対応）。

電極が誘電膜と共に伸縮しにくいと、電極により誘電膜の変形が妨げられ、所望の変位量を得にくくなる。この点、本構成によると、電極は誘電膜の伸縮に応じて伸縮可能である。つまり、電極は誘電膜と一体となって変形することができる。このため、所望の変位量をより得やすくなる。

以下、本発明の電歪素子の実施の形態について説明する。

＜第一実施形態＞
まず、本実施形態の電歪素子の構成について説明する。図１に、本実施形態の電歪素子の断面図を示す。なお、図１に示すのは、同電歪素子のオフ状態、すなわち、電極間に電圧が印加されていない状態である。図１に示すように、本実施形態の電歪素子１は、電歪層２と絶縁層３０と柔軟接着層４０と鉄板５０、５１とを備えている。

鉄板５０、５１は、矩形板状を呈し、電歪層２、絶縁層３０、および柔軟接着層４０の積層方向の上下両端に配置されている。鉄板５１は、基材９の表面に固定されている。鉄板５０、５１は、本発明における出力部材に含まれる。

電歪層２は、一枚の誘電膜２０と一対の電極（図略）とを備えている。誘電膜２０は、アクリルゴム製であって矩形薄膜状を呈している。一対の電極は、誘電膜２０の上下両面に配置されており、各々、誘電膜２０より若干小さな矩形薄膜状を呈している。電極は、導電性薄膜からなる。電極は、誘電膜２０の伸縮に応じて伸縮可能である。また、各々の電極の一端には、外側に突出する端子（図略）が配置されている。端子は帯状を呈しており、各々、導線を介して電源に接続されている。

絶縁層３０は、ＥＰＤＭ製であり、矩形薄板状を呈している。絶縁層３０は、電歪層２の上方、下方に各々一層ずつ配置されている。

柔軟接着層４０は、アクリルゴム製であり、矩形薄板状を呈している。柔軟接着層４０は、電歪層２と一対の絶縁層３０との間（二箇所）、および一対の絶縁層３０と鉄板５０、５１との間（二箇所）に、合計四層配置されている。すなわち、柔軟接着層４０は、電歪層２と一対の絶縁層３０、一対の絶縁層３０と鉄板５０、５１を、各々接着している。このように、電歪素子１は、鉄板５０、５１の間に、上から順に柔軟接着層４０、絶縁層３０、柔軟接着層４０、電歪層２、柔軟接着層４０、絶縁層３０、柔軟接着層４０が積層されてなる。

次に、本実施形態の電歪素子の動きについて説明する。電歪層２の一対の電極間に電圧を印加すると、オフ状態からオン状態に切り替わる。電圧を印加すると、一対の電極間に生じた静電引力により、誘電膜２０は圧縮される。この際、鉄板５０、５１により、誘電膜２０の変位方向が下向きに配向されるため、誘電膜２０の膜厚は小さくなり、誘電膜２０は面方向へ伸長する。同時に、鉄板５０、絶縁層３０、柔軟接着層４０も一体となって、誘電膜２０の膜厚が小さくなる方向（下方向）に変位する。このように、オフ状態からオン状態に切り替えることで、電歪素子１を下向きに駆動させることができる。

オン状態からオフ状態に切り替える際は、一対の電極間への電圧の印加を停止する。電圧の印加を停止すると、誘電膜２０が、自身の復元力により収縮する。このため、誘電膜２０の膜厚は元に戻る。同時に、鉄板５０、絶縁層３０、柔軟接着層４０も一体となって、誘電膜２０の膜厚が大きくなる方向（上方向）に変位する。このように、オン状態からオフ状態に切り替えることで、電歪素子１を上向きに駆動させることができる。

次に、本実施形態の電歪素子の作用効果について説明する。本実施形態の電歪素子１によると、誘電膜２０の膜厚変化をそのまま駆動力として取り出すことができる。このため、低電圧であっても変位量が大きく、大きな力を出力することができる。また、誘電膜２０の面方向の伸縮を利用しないため、誘電膜２０を予め延伸しておく必要はない。また、積層された電歪層２、絶縁層３０、柔軟接着層４０の厚さを小さくすることで、容易に小型化することができる。

また、絶縁層３０が、電歪層２の上方、下方に各々一層ずつ配置されているため、駆動時においても素子形状を維持しやすい。また、駆動時に生じた熱が絶縁層３０にも伝達されるため、誘電膜２０の絶縁破壊が抑制され、電歪素子１の耐久性は高い。また、電歪層２と絶縁層３０との間には、柔軟接着層４０が配置されている。このため、電歪層２と絶縁層３０とが接着されていても、誘電膜２０の面方向への伸縮を妨げにくい。さらに、誘電膜２０の上下両面に配置されている電極も、誘電膜２０と一体となって変形することができる。したがって、誘電膜２０の膜厚方向への変位がスムーズになり、大きな変位量および力を出力することができる。

＜第二実施形態＞
本実施形態の電歪素子と第一実施形態の電歪素子との相違点は、電歪層が五枚の誘電膜から構成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。

図２に、本実施形態の電歪素子における電歪層の分解斜視図を示す。図２に示すように、電歪層２は、五枚の誘電膜２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅと、六枚の電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆと、を備えている。誘電膜２０ａ〜２０ｅは、電極２１ａ〜２１ｆの間に一枚ずつ介装されている。つまり、誘電膜２０ａ〜２０ｅと電極２１ａ〜２１ｆとは交互に上下方向に積層されている。具体的には、上から下に向かって、電極２１ａ→誘電膜２０ａ→電極２１ｂ→誘電膜２０ｂ→電極２１ｃ→誘電膜２０ｃ→電極２１ｄ→誘電膜２０ｄ→電極２１ｅ→誘電膜２０ｅ→電極２１ｆの順に、積層されている。

電極２１ａ〜２１ｆの各々の一端には、外側に突出する端子２２ａ〜２２ｆが配置されている。端子２２ａ〜２２ｆは、交互に１８０°対向する位置に配置されている。端子はアクリルゴム製であり、帯状を呈している。端子２２ａ〜２２ｆは、各々、導線を介して電源に接続されている。

本実施形態の電歪素子１は、構成が共通する部分については、第一実施形態の電歪素子と同様の作用効果を有する。また、本実施形態の電歪素子１によると、電歪層２が五枚の誘電膜２０ａ〜２０ｅからなるため、より大きな変位量および力を出力することができる。なお、絶縁層３０が電歪層２の上方、下方に各々一層ずつ配置されているため、五枚の誘電膜２０ａ〜２０ｅが積層されていても、駆動時の熱の集中が抑制される。このため、絶縁破壊による耐久性の低下が抑制される。また、五枚の誘電膜２０ａ〜２０ｅが積層されていても、絶縁層３０により、電歪素子１の自立性を維持することができる。

＜第三実施形態＞
本実施形態の電歪素子と第一実施形態の電歪素子との相違点は、電歪層の両側に直接絶縁層が配置されている点、および鉄板が積層方向上端のみに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。

図３に、本実施形態の電歪素子の断面図を示す。なお、図１と対応する部位については同じ符号で示す。図３に示すように、絶縁層３０は、電歪層２の上下方向両側に一層ずつ配置されている。電歪層２と絶縁層３０との間には、柔軟接着層４０は介在していない。柔軟接着層４０は、絶縁層３０と鉄板５０との間、および絶縁層３０と基材９との間に、配置されている。すなわち、電歪素子１は、上から順に、鉄板５０、柔軟接着層４０、絶縁層３０、電歪層２、絶縁層３０、柔軟接着層４０が積層されてなる。

本実施形態の電歪素子１は、構成が共通する部分については、第一実施形態の電歪素子と同様の作用効果を有する。また、本実施形態の電歪素子１によると、絶縁層３０が電歪層２の両側に直接配置されているため、駆動時に生じた熱が絶縁層３０に伝達しやすい。このため、耐久性がより向上する。また、本実施形態では、出力部材として、鉄板５０のみが配置されている。このため、部品点数が少なくて済む。

＜第四実施形態＞
本実施形態の電歪素子と第一実施形態の電歪素子との相違点は、電歪層が三層積層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。

図４に、本実施形態の電歪素子の断面図を示す。なお、図１と対応する部位については同じ符号で示す。図４に示すように、本実施形態の電歪素子１では、絶縁層３０および柔軟接着層４０を介して、電歪層２が三層積層されている。すなわち、各電歪層２の上方、下方に、柔軟接着層４０を介して絶縁層３０が各々一層ずつ配置されている。電歪層２は、いずれも一枚の誘電膜２０と一対の電極（図略）とを備えている。

本実施形態の電歪素子１は、構成が共通する部分については、第一実施形態の電歪素子と同様の作用効果を有する。また、本実施形態の電歪素子１は、電歪層２を三層、言い換えれば、誘電膜２０を三枚備えているため、より大きな変位量および力を出力することができる。ここで、電歪層２は、絶縁層３０および柔軟接着層４０を介して積層されている。つまり、誘電膜２０は、絶縁層３０および柔軟接着層４０を介して積層方向に三分割して配置されている。このため、駆動時に生じる熱の集中を抑制することができ、耐久性が向上する。

また、絶縁層３０は、各電歪層２を挟むように配置されている。このため、駆動時においても素子形状を維持しやすい。また、駆動時に生じた熱が絶縁層３０にも伝達されるため、電歪素子１の耐久性は高い。また、電歪層２と絶縁層３０との間には、柔軟接着層４０が配置されている。このため、誘電膜２０の面方向への伸縮を妨げることなく、電歪層２と絶縁層３０との間を接着することができる。

＜第五実施形態＞
本実施形態の電歪素子と第四実施形態の電歪素子との相違点は、電歪層が各々五枚の誘電膜から構成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。

三層の電歪層２は、各々、前出図２に示したように、五枚の誘電膜２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅと、六枚の電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆと、を備えている。誘電膜２０ａ〜２０ｅは、電極２１ａ〜２１ｆの間に一枚ずつ介装されている。つまり、誘電膜２０ａ〜２０ｅと電極２１ａ〜２１ｆとは交互に上下方向に積層されている。

電極２１ａ〜２１ｆの各々の一端には、外側に突出する端子２２ａ〜２２ｆが配置されている。端子２２ａ〜２２ｆは、交互に１８０°対向する位置に配置されている。端子はアクリルゴム製であり、帯状を呈している。端子２２ａ〜２２ｆは、各々、導線を介して電源に接続されている。

本実施形態の電歪素子１は、構成が共通する部分については、第四実施形態の電歪素子と同様の作用効果を有する。また、各々の電歪層２が五枚の誘電膜２０ａ〜２０ｅからなるため、本実施形態の電歪素子１は、誘電膜２０を合計十五枚備えている。このため、より大きな変位量および力を出力することができる。なお、絶縁層３０が電歪層２を挟むように配置されているため、個々の電歪層２に五枚の誘電膜２０ａ〜２０ｅが積層されていても、駆動時の熱の集中が抑制される。このため、絶縁破壊による耐久性の低下が抑制される。また、絶縁層３０により、電歪素子１の自立性を維持することができる。

＜第六実施形態＞
本実施形態の電歪素子と第四実施形態の電歪素子との相違点は、電歪層の両側に直接絶縁層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。

図５に、本実施形態の電歪素子の断面図を示す。なお、図４と対応する部位については同じ符号で示す。図５に示すように、絶縁層３０は、各々の電歪層２の上下方向両側に一層ずつ配置されている。電歪層２と絶縁層３０との間には、柔軟接着層４０は介在していない。柔軟接着層４０は、隣り合う電歪層２間に配置された絶縁層３０と絶縁層３０との間、および鉄板５０、５１と絶縁層３０との間に各々配置されている。

本実施形態の電歪素子１は、構成が共通する部分については、第四実施形態の電歪素子と同様の作用効果を有する。また、本実施形態の電歪素子１によると、絶縁層３０が電歪層２の両側に直接配置されているため、駆動時に生じた熱が絶縁層３０に伝達しやすい。このため、耐久性がより向上する。

＜その他＞
以上、本発明の電歪素子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。

例えば、上記実施形態では、いずれも電歪層、絶縁層、柔軟接着層を積層して電歪素子を構成した。しかし、絶縁層およひ柔軟接着層のいずれか一方のみを使用した態様、すなわち、電歪層と、絶縁層およひ柔軟接着層のいずれか一方と、を積層させた態様でもよい。また、電歪素子の構成、すなわち各層の積層数、配置の仕方等も上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、電歪層の積層数、電歪層における誘電膜の数等は限定されない。電歪層の積層数や電歪層一層当たりの誘電膜数が多くなる程、大きな変位量、力を出力することができる。この場合、電歪層一層当たりの誘電膜数を増加させるだけでもよいが、所定数の誘電膜を備える電歪層を、絶縁層等を介して積層配置することが望ましい。こうすることで、駆動時に生じる熱が分散され、耐久性を低下させることなく、電歪素子全体として誘電膜の数を増加させることができる。

また、電歪層の面方向において、誘電膜は必ずしも連続している必要はない。すなわち、誘電膜を面方向に分割して複数枚配置してもよい。誘電膜の表面の面積が大きい場合、隣接する層や誘電膜に対する摩擦が大きくなるため、面方向へ伸縮しにくくなる。よって、膜厚方向への変位が小さくなる。この点、誘電膜を面方向に分割して複数枚配置すると、隣接する層や誘電膜と接触する面積を小さくすることができ、摩擦を低減することができる。その結果、面方向へ伸縮しやすくなり、膜厚方向への変位が大きくなる。

上記実施形態では、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、ゴムおよび熱可塑性エラストマー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、フッ素ゴム、ウレタンゴム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、電歪素子の用途等に応じて適宜決定すればよい。例えば、電歪素子の小型化、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。

また、電極の材質は、特に限定されるものではない。電極は、誘電膜の伸縮に応じて伸縮可能であることが望ましいことから、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カーボンに、バインダーとしてオイルやエラストマーを混合したペーストまたは塗料から電極を形成するとよい。バインダーとなるエラストマーとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、ＥＰＤＭ、天然ゴム、ブチルゴム、イソプレンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、水素化ニトリルゴム、ヒドリン系ゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴム等の柔軟なものが好適である。また、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電極を形成してもよい。

上記実施形態では、ＥＰＤＭ製の絶縁層を配置した。しかし、エラストマーおよび樹脂から選ばれる絶縁材料であって、素子形状を維持する役割を果たすものであれば、絶縁層の材質は特に限定されるものではない。例えば、大きな変位を得るためには、柔軟な材料が望ましい。柔軟な材料として、上記ＥＰＤＭの他、アクリルゴム、シリコーンゴム等が好適である。また、柔軟性には乏しいが、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂を用いてもよい。

上記実施形態では、アクリルゴム製の柔軟接着層を配置した。しかし、隣接する層同士を接着することができ、ヤング率が該誘電膜のヤング率以下であるものであれば、柔軟接着層の材質は特に限定されるものではない。上記アクリルゴムの他、例えば天然ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム等が好適である。

また、上記実施形態において、鉄板および絶縁層については、面方向への伸縮をそれほど考慮する必要はない。よって、鉄板と絶縁層との間に、柔軟接着層とは異なる接着層を配置してもよい。

上記実施形態では、出力部材として鉄板を使用した。しかし、誘電膜よりも高剛性であり、電歪層の変位方向を配向させることができるものであれば、出力部材の材質は特に限定されるものではない。例えば、金属、樹脂等のなかから適宜選択すればよい。また、相手側部材の一部を出力部材としてもよい。

また、上記実施形態では、電歪素子をオフ状態（０Ｖ）からオン状態に切り替えて作動させた。しかし、作動前の電圧値は必ずしも０Ｖである必要はない。例えば、所定の電圧値から印加電圧を大きくして作動させてもよい。

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

（１）変位量および周波数特性の測定
上記実施形態の電歪素子について、印加電圧に対する変位量および周波数特性を測定した。測定には、第一実施形態の電歪素子（誘電膜１枚；図１参照。以下「実施例１の電歪素子」と称す。）、第二実施形態の電歪素子（誘電膜５枚；図１、図２参照。）、および第二実施形態の電歪素子において、電歪層の誘電膜の数を３枚、８枚、１１枚に変更した電歪素子を使用した。第二実施形態の電歪素子については、誘電膜の枚数の少ない方から順に、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５の電歪素子とする。ここで、実施例１〜５の電歪素子における鉄板の大きさは縦１０ｍｍ×横５０ｍｍ、誘電膜の大きさは縦１８ｍｍ×横７６ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍ、絶縁層の大きさは縦１０ｍｍ×横６６ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍ、柔軟接着層の大きさは縦１０ｍｍ×横６６ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍである。

実施例１〜５の電歪素子の上面中央付近にレーザが照射されるよう、レーザ変位計を設置し、印加電圧に対する各電歪素子の膜厚方向の変位量を測定した。変位量の測定結果を図６に、周波数特性の測定結果を図７に示す。なお、図６中、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る（以下図８、図９、図１１において同じ）。図７中、縦軸の「減少率（％）」は、周波数２Ｈｚの時の変位量を１００％とした時の各変位量の割合である。

図６に示すように、実施例１〜５のいずれの電歪素子も、印加電圧が大きくなると共に変位率は大きくなった。なお、実施例５の電歪素子については、印加電圧が小さい時に実施例３、４の電歪素子よりも変位率が小さくなったが、全体としては、誘電膜の枚数が多くなるほど、変位率は大きくなった。これにより、誘電膜の枚数を増加すれば、変位量を大きくすることができることが確認された。また、図７に示すように、周波数が高くなると変位量（減少率）は小さくなった。これにより、実施例１〜５の電歪素子は、低周波数領域における使用に適しているといえる。例えば、防振装置への適用が好適である。

次に、第四実施形態の電歪素子（電歪層３層、誘電膜合計３枚；図４参照。以下「実施例６の電歪素子」と称す。）について、上記同様に印加電圧に対する変位量を測定した。変位量の測定結果を、全体として誘電膜の枚数が同じである上記実施例２の電歪素子（誘電膜３枚）の結果と併せて、図８に示す。図８に示すように、誘電膜を一箇所にまとめて積層配置した実施例２の電歪素子の方が、三箇所に一枚ずつ分割して配置した実施例６の電歪素子よりも、変位率はやや大きくなった。

次に、第五実施形態の電歪素子（電歪層３層、誘電膜合計１５枚；図４、図２参照。以下「実施例７の電歪素子」と称す。）について、上記同様に印加電圧に対する変位量を測定した。変位量の測定結果を、上記実施例１〜５の電歪素子の結果と併せて、図９に示す。図９に示すように、全体として誘電膜の枚数が最も多い実施例７の電歪素子が、変位率が最も大きくなった。前出図８に示したように、全体として同じ数であれば、誘電膜を一箇所にまとめて配置した方が、変位率は大きくなる。しかし、一箇所にまとめると、誘電膜の枚数を増加させた場合に、熱による絶縁破壊のおそれがある。これに対して、実施例７の電歪素子のように、電歪層を複数配置すると、誘電膜を複数箇所に分散させて配置することができる。これにより、熱の集中が緩和され、全体として誘電膜の枚数を多くすることができる。その結果、変位量をより大きくすることができる。

（２）力の測定
上記実施例１〜４の電歪素子の大きさを変更した種々の電歪素子について、印加電圧に対して発生する力を測定した。実施例１〜４の大きさを変更した電歪素子を、各々実施例８〜１１の電歪素子とし、さらに、同様の構成で電歪層の誘電膜の数を１５枚とした電歪素子を追加して、実施例１２の電歪素子とした。実施例８〜１２の電歪素子における鉄板の大きさは縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ、誘電膜の大きさは縦１８ｍｍ×横３０ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍ、絶縁層の大きさは縦１０ｍｍ×横２０ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍ、柔軟接着層の大きさは縦１０ｍｍ×横２０ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍである。電歪素子の上方から１Ｎの荷重を加えた状態で電圧を印加した時の、電歪素子が上方に押し戻す力を測定した。力の測定結果を図１０に示す。

図１０に示すように、誘電膜の枚数が多くなるほど、発生する力も大きくなった。これにより、誘電膜の枚数を増加すれば、大きな力を出力することができることが確認された。

（３）変位量および発生する力に対する電歪素子の大きさの影響
上記実施例２の電歪素子と実施例９の電歪素子とを比較して（共に誘電膜３枚）、変位量および発生する力に対する電歪素子の大きさの影響を調べた。実施例９の電歪素子は、実施例２の電歪素子よりも小型である。両者の変位量の測定結果を図１１に、発生する力の測定結果を図１２に示す。

図１１、図１２に示すように、変位率、発生する力のいずれについても、小型の実施例９の電歪素子の方が、それより大きな実施例２の電歪素子よりも大きくなった。この理由は、次のように考えられる。すなわち、電歪素子の大きさが小さいものは、大きいものと比較して誘電膜の表面の面積が小さい。このため、隣接する柔軟接着層や誘電膜に対する摩擦が小さくなり、その分、面方向への伸縮がスムーズになる。よって、膜厚方向への変位が大きくなり、発生する力も大きくなったと考えられる。

本発明の電歪素子は、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、医療用器具等に有用であり、さらに、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代替として利用することができる。

本発明の第一実施形態の電歪素子の断面図である。 本発明の第二実施形態の電歪素子における電歪層の分解斜視図である。 本発明の第三実施形態の電歪素子の断面図である。 本発明の第四実施形態の電歪素子の断面図である。 本発明の第六実施形態の電歪素子の断面図である。 誘電膜の枚数が異なる実施例の電歪素子について、印加電圧に対する変位量を示すグラフである。 誘電膜の枚数が異なる実施例の電歪素子について、周波数特性を示すグラフである。 誘電膜の配置が異なる実施例の電歪素子について、印加電圧に対する変位量を示すグラフである。 誘電膜の枚数および配置が異なる実施例の電歪素子について、印加電圧に対する変位量を示すグラフである。 誘電膜の枚数が異なる小型の実施例の電歪素子について、印加電圧に対する力を示すグラフである。 大きさの異なる実施例の電歪素子について、印加電圧に対する変位量を示すグラフである。 大きさの異なる実施例の電歪素子について、印加電圧に対する力を示すグラフである。

符号の説明

１：電歪素子
２：電歪層 ２０：誘電膜
２０ａ〜２０ｅ：誘電膜 ２１ａ〜２１ｆ：電極 ２２ａ〜２２ｆ：端子
３０：絶縁層 ４０：柔軟接着層 ５０、５１：鉄板（出力部材） ９：基材

Claims (10)

1. 誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、からなる電歪層と、
   該電歪層と積層されて配置され、エラストマーおよび樹脂から選ばれる絶縁材料からなり素子形状を維持する役割を果たす絶縁層と、
   該電歪層と該絶縁層との積層方向の少なくとも一端に配置され、該誘電膜よりも高剛性であり該電歪層の変位方向を配向させる出力部材と、を備え、
   複数の該電極間への印加電圧を変化させて該誘電膜の膜厚を変化させることにより、積層方向の力を出力することを特徴とする電歪素子。
2. さらに、前記電歪層と積層されて配置され、隣接する層同士を接着し、ヤング率が該誘電膜のヤング率以下である柔軟接着層を備える請求項１に記載の電歪素子。
3. 前記電歪層の積層方向両側には前記絶縁層が配置されている請求項１または請求項２に記載の電歪素子。
4. 前記電歪層の積層方向両側には前記柔軟接着層が配置されている請求項２に記載の電歪素子。
5. 前記電歪層は、前記絶縁層および前記柔軟接着層の少なくとも一方を介して複数積層されている請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の電歪素子。
6. 誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、からなる電歪層と、
   該電歪層と積層されて配置され、隣接する層同士を接着し、ヤング率が該誘電膜のヤング率以下である柔軟接着層と、
   該電歪層と該柔軟接着層との積層方向の少なくとも一端に配置され、該誘電膜よりも高剛性であり該電歪層の変位方向を配向させる出力部材と、を備え、
   複数の該電極間への印加電圧を変化させて該誘電膜の膜厚を変化させることにより、積層方向の力を出力することを特徴とする電歪素子。
7. 前記絶縁材料は、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、アクリルゴム、シリコーンゴム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から選ばれる一種以上からなる請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電歪素子。
8. 前記柔軟接着層は、アクリルゴム、天然ゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムから選ばれる一種以上からなる請求項２ないし請求項６のいずれかに記載の電歪素子。
9. 前記誘電膜は、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムから選ばれる一種以上からなる請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の電歪素子。
10. 複数の前記電極は、前記誘電膜の変形に応じて伸縮可能である請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の電歪素子。

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