電歪アクチュエータ
【課題】従来の圧電アクチュエータに比べて、より大きな駆動力が得られ、製造が容易で、かつ、信頼性の高いアクチュエータを提供する。
【解決手段】電歪アクチュエータ２０において、複数の電歪素子１０の各々を、電歪材料層１を基材５より凸側にして湾曲した少なくとも２つの活性領域Ａと、隣接する２つの活性領域Ａ間に位置する不活性領域Ｂとに区画し、第１の電極３ａを、第１の面１ａ内で活性領域Ａおよび不活性領域Ｂを被覆するように設け、第２の電極３ｂを、第２の面１ｂ内で活性領域Ａを被覆し、かつ、不活性領域Ｂを部分的に通って電気的導通を確保するように設け、複数の電歪素子１０の全てを、不活性領域Ｂのうち第２の電極３ｂが設けられていない部分において接合９する。
【解決手段】電歪アクチュエータ２０において、複数の電歪素子１０の各々を、電歪材料層１を基材５より凸側にして湾曲した少なくとも２つの活性領域Ａと、隣接する２つの活性領域Ａ間に位置する不活性領域Ｂとに区画し、第１の電極３ａを、第１の面１ａ内で活性領域Ａおよび不活性領域Ｂを被覆するように設け、第２の電極３ｂを、第２の面１ｂ内で活性領域Ａを被覆し、かつ、不活性領域Ｂを部分的に通って電気的導通を確保するように設け、複数の電歪素子１０の全てを、不活性領域Ｂのうち第２の電極３ｂが設けられていない部分において接合９する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電歪アクチュエータに関し、より詳細には、ユニモルフ構造を有する電歪素子を用いた電歪アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電圧を印加することにより変位を生ずるアクチュエータの１つとして、圧電アクチュエータが知られている。圧電アクチュエータには、２枚の圧電シートを貼り合わせたバイモルフ構造を有する圧電素子のほか、１枚の圧電シートを基材に貼り合わせたユニモルフ構造を有する圧電素子も用いられている。
【０００３】
近年、圧電素子の高速応答性を利用して、圧電アクチュエータを利用した各種のリニアアクチュエータが開発されている。しかしながら、圧電素子は一般的に変位が小さいので、圧電アクチュエータを使用しつつも、より大きな変位を得るために、圧電素子を蛇行形状とすることが提案されている（特許文献１を参照のこと）。これは、より詳細には、蛇行するように形成した長尺板状の圧電材料層の両面に、その圧電材料層の蛇行の一方の湾曲部に対応する第１の電極と、蛇行の他方の湾曲部に対応する第２の電極とを、各面内において、隙間を介して噛合するように組み合せて配置し、そして、第１の電極と第２の電極とに互いに異なる極性をもって同時に通電させるものである。よって、一方の湾曲部に配置された第１の電極間に印加される電圧の極性と、他方の湾曲部に配置された第２の電極間に印加される電圧の極性とが異なるため、一方の湾曲部および他方の湾曲部の双方を同時に伸ばすことができ、また、一方の湾曲部および他方の湾曲部の双方を同時に縮ませることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−８４０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リニアアクチュエータは、例えば負荷を直線的に移動させるなどの用途において、できるだけ大きな駆動力を生じることが求められる。しかしながら、従来の圧電アクチュエータで得られる駆動力は、必ずしも十分満足できる大きさではない。また、従来の圧電アクチュエータでは、電歪材料層の両面の各々に、第１の電極と第２の電極を隙間を介して噛合するように形成し、かつ、片面側の第１の電極および第２の電極と、もう片面側の第１の電極および第２の電極とを、それぞれ位置合わせして形成する必要があるので、高精度のアライメントを要し、製造が煩雑になるという難点がある。更に、同一面上で隙間を介して噛合する第１の電極および第２の電極に対して、異なる極性で同時に通電が行われるので、電極間放電を起こしやすく、信頼性が低いという難点もある。
【０００６】
本発明は、従来の圧電アクチュエータに比べて、より大きな駆動力が得られ、製造が容易で、かつ、信頼性の高いアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、ユニモルフ構造を有する電歪アクチュエータを用い、その構成について更なる鋭意検討を行った結果、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明の１つの要旨によれば、第１および第２の面を有する電歪材料層と、電歪材料層の第１の面に配置された第１の電極と、電歪材料層の第２の面に配置された第２の電極と、第１の電極を介して電歪材料層の第１の面に接合された基材とにより各々構成された複数の電歪素子を含む電歪アクチュエータであって、複数の電歪素子の各々が、電歪材料層の側を凸側にして湾曲した少なくとも２つの活性領域と、隣接する２つの活性領域間に位置する不活性領域とを有し、第１の電極は、第１の面内で活性領域および不活性領域を被覆するように設けられ、第２の電極は、第２の面内で活性領域を被覆し、かつ、不活性領域を部分的に通って電気的導通を確保するように設けられ、複数の電歪素子の全てが、不活性領域のうち第２の電極が設けられていない部分において接合されている、電歪アクチュエータが提供される。
【０００９】
本発明の上記電歪アクチュエータは、第１および第２の面を有する電歪材料層と、電歪材料層の第１の面に配置された第１の電極と、電歪材料層の第２の面に配置された第２の電極と、第１の電極を介して電歪材料層の第１の面に接合された基材とにより構成された電歪素子を複数個用いたものである。かかる電歪素子は、ユニモルフ構造を有する電歪素子である。
【００１０】
そして、本発明の上記電歪アクチュエータでは、複数の電歪素子の各々を、電歪材料層の側を凸側にして湾曲した少なくとも２つの活性領域と、隣接する２つの活性領域間に位置する不活性領域とに区画し、第１の電極および第２の電極を、それぞれ電歪材料層の第１の面および第２の面内で活性領域を被覆するように設け、複数の電歪素子の全てを、不活性領域の第２の電極が設けられていない部分において接合している。かかる構成によれば、第１および第２の電極間に電圧を印加すると、各電歪素子は、独立して、全ての活性領域においてより一層屈曲して縮み、これにより発生した縮む力が、不活性領域の接合部で合成され、その結果、大きな駆動力を得ることができる。
【００１１】
上述した従来の圧電アクチュエータを利用し、特許文献１に記載される蛇行した圧電素子を複数個用い、これらを接合しようとしても、かかる圧電素子では、第１の電極と第２の電極との隙間を除く全ての領域が変形に関与する活性領域となるため、隣り合う圧電素子間の動きに時間的なズレがある場合に、各圧電素子の動き（伸びる動きまたは縮む動き）が相互に妨げられる。仮に、複数の圧電素子の全てを重ね合わせて、全領域で接合したとすると、各圧電素子の動きが拘束され、効率的に変形することができず、変位の点でも、駆動力の点でも問題がある。また、仮に、複数の圧電素子の全てを局所的に接合したとしても、変形を生じる活性領域で接合せざるを得ないので、この接合部に応力が集中すると、接合部が変形に繰り返し曝されることより、クラックを生じ易くなるという問題がある。
【００１２】
これに対して、本発明の上記電歪アクチュエータでは、各電歪素子において、隣接する２つの活性領域間に不活性領域を設け、複数の電歪素子の全てを、不活性領域の第２の電極が設けられていない部分、すなわち、変形に関与しない部分において接合している。これにより、各電歪素子は、その動き（活性領域にて縮む動き）が拘束されることなく、効率的に変形（活性領域にて一層屈曲）することができ、大きな変位および力を発生させることができる。このようにして発生した力は、接合部に伝達されて合成され、大きな駆動力を生じることができるが、かかる接合部は変形に関与しない部分にあるので、接合部に応力が集中しても、接合部は変形に曝されないので、クラックの発生を回避することができる。
【００１３】
更に、本発明の上記電歪アクチュエータによれば、第１の電極を、電歪材料層の第１の面内で活性領域および不活性領域の両方を被覆するように設けているので、第１の電極は複雑なパターンで形成する必要がなく、例えば第１の面のほぼ全面に亘って形成してよい。よって、第２の電極を、電歪材料層の第２の面に形成するのに、第１の電極に対して位置合わせする必要がない。従って、高精度のアライメントを要せず、本発明の電歪アクチュエータは、容易に製造することができる。
【００１４】
加えて、本発明の上記電歪アクチュエータによれば、第１および第２の電極は、それぞれ電歪材料層の第１および第２の面上に配置され、同一面上に存在しないうえ、第１の電極は電歪材料層と基材との間に挟まれているため、これら２つの電極が電気的に接触することがない。よって、電極間放電が起こらず、信頼性の高いアクチュエータを提供することができる。
【００１５】
本発明の１つの態様においては、不活性領域は、基材の側を凸側にして湾曲している。これにより、活性領域の湾曲方向と、不活性領域の湾曲方向とを、反対向きにできるので、電歪アクチュエータの一端を固定して垂下した（または吊り下げた）場合に、各電歪素子の重心をバランスよく位置させることができ、変位時に傾くことがなく、垂直方向の変位を効率的に得ることができる。
【００１６】
本発明の１つの態様においては、複数の電歪素子が並行に配置され、１つの電歪素子の基材が、該１つの電歪素子に隣接する別の電歪素子の第２の電極に面している。これにより、複数の電歪素子を活性領域の湾曲方向を揃えて重ねて配置することができ、電歪アクチュエータ全体が占める体積を小さくすることができ、体積当りの駆動力を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、従来の圧電アクチュエータに比べて、より大きな駆動力が得られ、製造が容易で、かつ、信頼性の高いアクチュエータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の１つの実施形態における電歪アクチュエータを示す概略断面図であって、図１（ａ）は電圧を印加していない状態（非駆動状態）、図１（ｂ）は電圧を印加した状態（駆動状態）を示す。
【図２】図１の実施形態における電歪アクチュエータを製造するために使用されるユニモルフ（ユニモルフ構造を有するシート）を示す図であって、図２（ａ）はユニモルフの概略断面図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ方向から見た第１の電極の概略平面図を示し、図２（ｃ）は図２（ａ）のＸ方向から見た第２の電極の概略平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の１つの実施形態における電歪アクチュエータについて、以下、図面を参照しながら詳述する。
【００２０】
図１を参照して、本実施形態の電歪アクチュエータ２０は、複数の電歪素子１０を含む（図示する態様では、例示的に３つの電歪素子を示すが、本発明はこれに限定されない）。各電歪素子１０は、第１の面１ａおよび第２の面１ｂを有する電歪材料層１と、電歪材料層１の第１の面１ａに配置された第１の電極３ａと、電歪材料層１の第２の面１ｂに配置された第２の電極３ｂと、第１の電極３ａを介して電歪材料層１の第１の面１ａに接合された基材５とにより構成される。各電歪素子１０は、電歪材料層１の側を凸側にして湾曲した少なくとも２つの活性領域Ａと、隣接する２つの活性領域Ａ間に位置する不活性領域Ｂとを有し、第１の電極３ａは、第１の面１ａ内で活性領域Ａおよび不活性領域Ｂを被覆するように設けられ、第２の電極３ｂは、第２の面１ｂ内で活性領域Ａを被覆し、かつ、不活性領域Ｂを部分的に通って（図示せず）電気的導通を確保するように設けられる。そして、複数の電歪素子１０の全てが、不活性領域Ｂのうち第２の電極３ｂが設けられていない部分において接合されている。
【００２１】
各電歪素子１０において、電歪材料層１は、高分子電歪材料から形成される。高分子電歪材料は、永久双極子を有する高分子材料であれば、特に限定されない。高分子電歪材料の例としては、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）、ＰＶＤＦ系の共重合体、例えば、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのコポリマーや、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＤＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＡ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＣ）などのターポリマーが挙げられる（Ｐはポリを、ＶＤＦはビニリデンフルオライドを、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はクロロジ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意味する）。なかでも、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）が、大きな歪みが得られる点で特に好ましい。電歪材料層１の厚さは適宜設定してよいが、例えば数μｍ〜１００μｍ程度とし得る。複数の電歪素子１０間で、電歪材料層１は、使用する高分子電歪材料および厚さが異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
【００２２】
また、各電歪素子１０において、２つの電極３ａ、３ｂは、電極として機能し得る限り、任意の適切な導電性材料から形成してよい。かかる導電性材料の例としては、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｐｔ−Ｐｄ（白金−パラジウム合金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ａｕ−Ｐｄ（金パラジウム合金）などの金属材料、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）などの有機導電性材料などが挙げられる。このうち、有機導電性材料は、クラックが導入され難いので好ましい。電極３ａ、３ｂの厚さは、使用する導電性材料などに応じて適宜設定してよいが、例えば２０ｎｍ〜１０μｍ程度とし得る。複数の電歪素子１０間で、電極３ａ、３ｂは、使用する導電性材料および厚さが異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
【００２３】
また、各電歪素子１０において、基材５は、後述する湾曲成形を実施し得る限り、任意の適切な可撓性材料から形成してよい。かかる可撓性材料の例としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、セロファン、塩化ビニル、ポリイミド、ポリエステルなどが挙げられる。また、基材５は、上述したような電歪材料から形成してもよい。基材５の厚さは適宜設定してよいが、例えば数μｍ〜１００μｍ程度とし得る。複数の電歪素子１０間で、基材５は、使用する可撓性材料（または電歪材料）および厚さが異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
【００２４】
各電歪素子１０は、少なくとも２つの活性領域Ａ（図示する態様では２つの活性領域Ａを示すが、本発明はこれに限定されない）において電歪材料層１の側（図１中、右側）を凸側にして湾曲している。隣接する２つの活性領域Ａ間にある不活性領域Ｂは、任意の適切な形状を有し得るが、図示するように、基材５の側（図１中、左側）を凸側にして湾曲していることが好ましい。電歪素子１０の湾曲部分は、いずれも円弧状の断面形状を有することが好ましく、活性領域を成す湾曲部分の曲率半径と、不活性領域を成す湾曲部分の曲率半径とは同等であることがより好ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されず、不活性領域Ｂは、他の断面形状（例えばストレート状など）であってもよい。
【００２５】
第１の電極３ａは、電歪材料層１の第１の面１ａ内で活性領域Ａおよび不活性領域Ｂを被覆するように設けられる限り、任意の適切なパターンを有し得る。かかる第１の電極３ａは、第１の面１ａのほぼ全面に亘って形成すること（図２（ｂ）を参照のこと）が、製造上簡便であるので好ましい。他方、第２の電極３ｂは、電歪材料層１の第２の面１ｂ内で活性領域Ａを被覆し、かつ、不活性領域Ｂを部分的に通って電気的導通を確保するように設けられる限り、任意の適切なパターンを有し得る。かかる第２の電極３ｂは、例えば、不活性領域Ｂをその端部にて直線的に通過するものであってよく、両端部（図示する態様では上端部および下端部）においては必要に応じて適宜設けられていてよい（図２（ｃ）を参照のこと）。複数の電歪素子１０間で、第１の電極３ａおよび第２の電極３ｂは、パターンが異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
【００２６】
本実施形態の電歪アクチュエータ２０において、以上のような電歪素子１０が複数個並行に配置される。このとき、１つの電歪素子１０の基材５が、これに隣接する別の電歪素子１０の第２の電極３ｂに面するように配置することが好ましい。電歪素子１０の湾曲方向を揃えることにより、電歪素子１０を近接して配置することができ、電歪アクチュエータ２０全体（複数の電歪素子１０のアセンブリ）が占める体積を小さくすることができ、体積当りの駆動力を大きくすることができる。また、隣接する電歪素子１０間で、第２の電極３ｂ同士を対向させて配置した場合には、電極同士のこすれによる摩耗や、部分的な電位差による微小放電が起こり得るが、上記のように配置することで、これを回避することもできる。
【００２７】
そして、本実施形態の電歪アクチュエータ２０において、これら複数の電歪素子１０の全てが、不活性領域Ｂのうち第２の電極３ｂが設けられていない部分において接合されている。第２の電極３ｂが設けられていない部分では、例えば接合部材９により、電歪素子１０を容易に接合することができる。不活性領域Ｂが複数存在する場合、複数の電歪素子１０は、少なくとも１つの不活性領域Ｂで接合されていればよいが、２つまたはそれ以上の不活性領域Ｂで接合されていることが好ましい。
【００２８】
次に、かかる電歪アクチュエータ２０の製造方法について説明する。
【００２９】
まず、ユニモルフ構造を有する可撓性のシート（以下、本明細書において単に「ユニモルフ」と呼ぶ）を準備する。図２（ａ）を参照して、ユニモルフ７は、第１の面１ａおよび第２の面１ｂを有する電歪材料層１と、第１の面１ａおよび第２の面１ｂにそれぞれ配置された第１の電極３ａおよび第２の電極３ｂと、第１の電極３ａを介して電歪材料層１の第１の面１ａに接合された基材５とにより構成され、全体として可撓性を有するものとされる。
【００３０】
このようなユニモルフ７は、例えば以下のようにして作製可能である。電歪材料層１の第１の面１ａに第１の電極３ａを、また、第２の面１ｂに第２の電極３ｂを、例えば図２（ｂ）および（ｃ）にそれぞれ示すような所定のパターンで形成する。電極材料に金属材料を用いる場合には、蒸着またはスパッタリングなどによって電極を形成できる。電極材料に有機導電性材料を用いる場合には、シルクスクリーン印刷、インクジェット印刷、刷毛塗布などによって電極を形成できる。これにより得られた電極３ａ、３ｂ付き電歪材料層１の第１の面１ａに、第１の電極３ａを介して基材５を接合させる。この接合は、例えば、熱硬化型または紫外線硬化型などの接着剤を用いて実施できる。これにより、ユニモルフ７が作製される。しかしながら、ユニモルフ７の作製方法はかかる例に限定されず、例えば、基材５の上に電極３ａを予め形成しておき、その電極３ａの上に電歪材料を塗布またはキャスティングすることにより電歪材料層１を形成し、更に、その電歪材料層１の上に電極３ｂを形成してもよい。
【００３１】
次に、このユニモルフ７を湾曲成形して、電歪素子１０を得る。具体的には、シート状のユニモルフ７を、例えば波形のプレス型を用いて、活性領域Ａでは電歪材料層１が基材５よりも凸側になるように湾曲させ、好ましくは不活性領域Ｂでは基材５が電歪材料層１よりも凸側になるように湾曲させ、そのまま熱処理に付して基材５を熱成形し、その後、型から外すことによって、湾曲成形を実施できる。熱処理の温度および時間は、使用する基材５の材料に応じて適宜設定し得る。例えば、基材５がＰＥＴから成る場合、８０〜１００℃で５〜１０分間の熱処理により熱成形できる。
【００３２】
これにより電歪素子１０を複数個作製し、これら電歪素子１０を並行に重ね合わせて配置し、複数の電歪素子１０の全てを、不活性領域Ｂのうち第２の電極３ｂが設けられていない部分において一体的に接合する。この接合は、例えばバンド、クリップなどの接合部材９を用いたり、熱硬化型または紫外線硬化型などの接着剤を用いたりして適宜実施できる。
【００３３】
なお、使用する電歪素子１０の個数、これら電歪素子１０の接合箇所数、各電歪素子１０の長さ、各電歪素子１０における活性領域Ａおよび不活性領域Ｂの長さおよび数、活性領域および好ましくは不活性領域の湾曲形状（曲率半径）などは、電歪アクチュエータ２０の用途などに応じて適宜設定し得る。
【００３４】
以上のようにして、電歪アクチュエータ２０が製造される。電歪アクチュエータ２０は、電極３ａ、３ｂを電源（図示せず）に接続して使用される。
【００３５】
本実施形態の電歪アクチュエータ２０は、可撓性の（柔らかい）電歪素子１０を用いているため、耐衝撃性が高く、壊れにくいという利点がある。その一方で、電歪アクチュエータ２０は、少なくとも２つの活性領域を有する電歪素子１０を複数個用い、これらを相互に接合して成っているので、大きい変位および駆動力を発生させることができる。また、かかる電歪素子１０を用いた電歪アクチュエータ２０は、小型で軽量であるという利点もある。
【００３６】
次に、電歪アクチュエータ２０の使用方法（動作）の例について説明するが、本発明の電歪アクチュエータは、かかる使用方法に限定されるものではない。
【００３７】
電歪アクチュエータ２０は、非駆動状態（電圧を印加していない状態）では、図１（ａ）に示す形態を取っている。この例において、電歪アクチュエータ２０を、その一端２０ａにて、例えば壁面３０などに固定して垂下し（または吊り下げ）、その他端２０ｂに負荷３１を加えている。なお、電歪アクチュエータ２０の一端２０ａは、複数の電歪素子１０を同時に固定して垂下できる限り、また、その他端２０ｂは、複数の電歪素子１０が共同して負荷３１に力を及ぼすことができる限り、いずれも任意の適切な形態を有してよい（図示する態様では、電歪アクチュエータ２０の一端２０ａおよび他端２０ｂにて、全ての電歪素子１０が共通の部材に接続されているが、これに限定されない）。
【００３８】
そして、電歪アクチュエータ２０の各電歪素子１０における電極３ａ、３ｂ間に電圧を印加することにより、電歪アクチュエータ２０を駆動する。すると、各電歪素子１０の活性領域Ａでは、電歪材料層１が厚さ方向（電界方向）に縮み、面内方向で伸びるため、電歪材料層１と基材５との間で寸法差が生じて、湾曲した活性領域が一層屈曲して、長手方向（この場合、垂直方向）に縮む。この縮む動きは、隣り合う電歪素子１０同士で妨げられることなく、活性領域Ａ毎に個別に起こる。これにより発生した力は、接合部に伝達されて合成され、最終的に、電歪アクチュエータ２０の他端２０ｂにて駆動力として発現し、負荷３１に作用してこれを引っ張る（この場合、垂直方向に引上げる）ことができる。この場合において、不活性領域Ｂが活性領域Ａと反対側に湾曲していると、各電歪素子１０の重心をバランスよく位置させることができ、変位時に傾くことがなく、垂直方向の変位を効率的に得ることができる。
【００３９】
なお、電歪素子１０が複数箇所で接合されている場合には、より大きな駆動力を得るためには、接合部間（図示する態様では接合部材９間）で並列接続された複数の活性領域Ａでほぼ等しいこと（いわゆる「遊んでる部分」がないこと）が好ましい。
【００４０】
その後、電極３ａ、３ｂ間に印加していた電圧を除去することにより、電歪アクチュエータ２０の駆動を停止する。すると、各電歪素子１０の活性領域Ａは元の状態に戻り、これによって、電歪アクチュエータ２０は、図１（ａ）に示す形態に回復する。
【００４１】
電歪アクチュエータ２０の駆動力は、負荷３１がない状態では、他端２０ｂの変位の大きさとして端的に表わされる。
【００４２】
以上より、電歪アクチュエータ２０を用いて、２つの電極３ａ、３ｂ間に電圧を印加および除去すれば、リニア動作を行うことができる。変位の大きさおよび駆動力は、各電歪素子１０の長さ、電歪材料層１の厚み、基材５の厚み、電歪材料の電歪定数、電歪材料や基材の弾性率、印加する電圧の大きさなどにより様々であり得る。一般に、圧電素子では分極戻りを回避するために、あまり大きな電圧を印加することはできない。例えば、従来の圧電アクチュエータでは、圧電材料層厚さ１μｍ当り６０Ｖまでの電圧しか印加されていない（特許文献１の図１２を参照のこと）。これに対して、電歪素子では、耐電界の範囲内で、より大きな電圧を印可することが可能である。本発明者は、電歪材料層厚さ１μｍ当り１８０Ｖ程度まで印加できることを確認している。各素子に印加する電圧を大きくすることにより、得られる変位量も大きくできる。更に、電歪アクチュエータ２０によれば、このように大きな電圧を印加できる電歪素子を複数接合して使用しているので、各電歪素子でより大きい変位を得ることができるうえ、全体として、より大きな駆動力を得ることができる。
【００４３】
以上、本発明の電歪アクチュエータおよびその使用方法について詳述したが、本発明は種々の改変が可能であろう。
【００４４】
例えば、イオン導電性高分子膜（ICPF: Ionic Conductive Polymer Film）や、バッキーゲルなどを利用してよい。
【００４５】
イオン導電性高分子膜を利用する場合、概略的には、上記電歪材料層に代えて、イオン交換樹脂層を用いることにより、アクチュエータを作製することができる。より詳細には、イオン交換樹脂層（例えば、デュポン株式会社製の「ナフィオン」（登録商標）など）の両面にＡｕ、Ｐｔなどの金属材料を所定のパターンで化学めっきして電極を形成して、イオン性ポリマー−金属複合体（IPMC: Ionic Polymer Metal Composite）を得る。ここで、イオン交換樹脂層が電歪材料層に代わるものである。得られた複合体の片面を（よって、いずれか一方の電極を介して）ＰＥＴなどから成る基材に接合する。これにより得られる構造体を複数個用いて、これら構造体を上述した湾曲成形方法と同様にしてそれぞれ成形する（例えば波形のプレス型を用いて、所定の形状に湾曲させ、そのまま熱処理に付して基材を熱成形する）ことによって、複数の素子を得ることができる。そして、これら素子を、上述した接合方法と同様にして接合することができる。この場合、各素子の電極間に印加する電圧の極性を正または負とすることにより、伸びる動作または縮む動作を提供することができる。
【００４６】
バッキーゲルは、イオン性液体とカーボンナノチューブとのゲル状複合体である。バッキーゲルを利用する場合、概略的には、上記電極に代えて、バッキーゲルを利用したシートを用いることにより、アクチュエータを作製することができる。より詳細には、まず、３つのシートを次のようにして準備する。イミダゾリウム系イオン液体（例えば１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＢＭＩＴＦＳＩ））に単層カーボンナノチューブおよびフッ素系材料（例えばＰ（ＶＤＦ−ＨＦＰ））を加えた懸濁液を乳鉢で、乳棒を使ってすり潰し、これをキャスティングすることにより、カーボンナノチューブを含んだ第１のシートを２つ作製する。これら２つの第１のシートのうち、１つはそのままとし、もう１つは所定のパターンで打ち抜きまたはカットする。また、イオン液体およびフッ素系材料を混合し、これをキャスティングすることにより、イオン液体およびフッ素系材料からなる第２のシートを１つ作製する。そして、これら３つのシートを、２つの第１のシートの間に第２のシートを配置した状態で重ね合わせ、これを熱プレスすることにより、三層構造を有する複合シートを作製する。ここで、第２のシートが電歪材料層に代わるものであり、その両面に各々配置された２つの第１のシートのうち、パターン形成せずにそのまま用いたものが第１の電極に代わるものであり、パターン形成したものが第２の電極に代わるものである。そして、この複合シートのパターン形成していない第１のシート側の面を（よって、第１の電極を介して）ＰＥＴなどから成る基材に接合する。これにより得られる構造体を複数個用いて、これら構造体を上述した湾曲成形方法と同様にしてそれぞれ成形する（例えば波形のプレス型を用いて、所定の形状に湾曲させ、そのまま熱処理に付して基材を熱成形する）ことによって、複数の素子を得ることができる。そして、これら素子を、上述した接合方法と同様にして接合することができる。
【実施例】
【００４７】
電歪材料層として、幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ５μｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）から成る層を用い、その両面にＡｌを蒸着して、厚さ２０ｎｍのＡｌ電極を形成した。このとき、電歪材料層の片面（第１の面）は全面を（マスクを施さずに）露出させるものとし、第１の電極（Ａｌ電極）を全面に形成したが、もう片面（第２の面）には、活性領域に相当する長さ１０ｍｍの２つの領域を（マスクを施さずに）露出させ、これら活性領域の間に位置する不活性領域に相当する長さ１０ｍｍの１つの領域（但し、電気的導通を確保するための幅２ｍｍの領域を除く）および両端に位置する長さ１０ｍｍの２つの領域にマスクを施して、第２の電極（Ａｌ電極）をパターン形成した。電歪材料層の第１の電極を形成した面側に、幅１０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ６μｍのＰＥＴから成る基材を、熱硬化型の接着剤を用いて接合した。これにより、ユニモルフを得た。
このユニモルフを、約３ｍｍの曲率半径を有する波形のプレス型を用いて、活性領域において電歪材料層が基材よりも凸側になり、不活性領域において基材が電歪材料層よりも凸側になるように湾曲させた。そのまま８０℃の空気雰囲気中に５分間維持し、その後、自然冷却して、型から外して、湾曲した電歪素子を得た。この電歪素子は、２つの活性領域（第２の電極により全面が被覆されている領域）と、活性領域間に位置する１つの不活性領域および両端部に位置する領域（第２の電極により実質的に被覆されていない領域）を有する。
以上と同じ操作を行って、合計２つの電歪素子を作製した。
【００４８】
なお、各電歪素子は、単独の状態で略垂直に吊り下げ、電極間に９００Ｖ（電歪材料層厚さ１μｍあたり１８０Ｖ）の直流電圧を印加すると、長さ方向に約５ｍｍ（約１０％）の変位（縮み）を示した。
【００４９】
上記のようにして得られた２つの電歪素子を、凸方向を揃えて重ね合わせて、各不活性領域において導通部を避けて熱硬化型の接着剤により相互に接合すると共に、それらの一端および他端を熱硬化型の接着剤を用いて相互に接合した。これにより、本実施例の電歪アクチュエータを作製した。
【００５０】
本実施例の電歪アクチュエータを略垂直に吊り下げ、（無負荷の状態で）各電歪素子の電極間にそれぞれ９００Ｖ（電歪材料層厚さ１μｍあたり１８０Ｖ）の直流電圧を印加したところ、長さ方向に約５ｍｍ（約１０％）の変位（縮み）を示し、電歪素子を単独の状態で用いた変位と同じであった。
【００５１】
更に、本実施例の電歪アクチュエータを使用して、重りを引っ張ってみた。具体的には、電歪アクチュエータの一端を壁面に固定して略垂直に吊り下げ、他端に５ｇの重りを付けて、各電歪素子の電極間にそれぞれ９００Ｖ（電歪材料層厚さ１μｍあたり１８０Ｖ）の直流電圧を印加したところ、重りを２ｍｍ引上げることができた。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の電歪アクチュエータは、リニアアクチュエータとして、特に制限されることなく様々な分野において幅広く利用され得る。
【符号の説明】
【００５３】
１ 電歪材料層
１ａ 第１の面
１ｂ 第２の面
３ａ 第１の電極
３ｂ 第２の電極
５ 基材
７ ユニモルフ
９ 接合部材
１０ 電歪素子
２０ 電歪アクチュエータ
２０ａ 一端
２０ｂ 他端
３０ 壁面
３１ 負荷
Ａ 活性領域
Ｂ 不活性領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電歪アクチュエータに関し、より詳細には、ユニモルフ構造を有する電歪素子を用いた電歪アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電圧を印加することにより変位を生ずるアクチュエータの１つとして、圧電アクチュエータが知られている。圧電アクチュエータには、２枚の圧電シートを貼り合わせたバイモルフ構造を有する圧電素子のほか、１枚の圧電シートを基材に貼り合わせたユニモルフ構造を有する圧電素子も用いられている。
【０００３】
近年、圧電素子の高速応答性を利用して、圧電アクチュエータを利用した各種のリニアアクチュエータが開発されている。しかしながら、圧電素子は一般的に変位が小さいので、圧電アクチュエータを使用しつつも、より大きな変位を得るために、圧電素子を蛇行形状とすることが提案されている（特許文献１を参照のこと）。これは、より詳細には、蛇行するように形成した長尺板状の圧電材料層の両面に、その圧電材料層の蛇行の一方の湾曲部に対応する第１の電極と、蛇行の他方の湾曲部に対応する第２の電極とを、各面内において、隙間を介して噛合するように組み合せて配置し、そして、第１の電極と第２の電極とに互いに異なる極性をもって同時に通電させるものである。よって、一方の湾曲部に配置された第１の電極間に印加される電圧の極性と、他方の湾曲部に配置された第２の電極間に印加される電圧の極性とが異なるため、一方の湾曲部および他方の湾曲部の双方を同時に伸ばすことができ、また、一方の湾曲部および他方の湾曲部の双方を同時に縮ませることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−８４０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リニアアクチュエータは、例えば負荷を直線的に移動させるなどの用途において、できるだけ大きな駆動力を生じることが求められる。しかしながら、従来の圧電アクチュエータで得られる駆動力は、必ずしも十分満足できる大きさではない。また、従来の圧電アクチュエータでは、電歪材料層の両面の各々に、第１の電極と第２の電極を隙間を介して噛合するように形成し、かつ、片面側の第１の電極および第２の電極と、もう片面側の第１の電極および第２の電極とを、それぞれ位置合わせして形成する必要があるので、高精度のアライメントを要し、製造が煩雑になるという難点がある。更に、同一面上で隙間を介して噛合する第１の電極および第２の電極に対して、異なる極性で同時に通電が行われるので、電極間放電を起こしやすく、信頼性が低いという難点もある。
【０００６】
本発明は、従来の圧電アクチュエータに比べて、より大きな駆動力が得られ、製造が容易で、かつ、信頼性の高いアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、ユニモルフ構造を有する電歪アクチュエータを用い、その構成について更なる鋭意検討を行った結果、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明の１つの要旨によれば、第１および第２の面を有する電歪材料層と、電歪材料層の第１の面に配置された第１の電極と、電歪材料層の第２の面に配置された第２の電極と、第１の電極を介して電歪材料層の第１の面に接合された基材とにより各々構成された複数の電歪素子を含む電歪アクチュエータであって、複数の電歪素子の各々が、電歪材料層の側を凸側にして湾曲した少なくとも２つの活性領域と、隣接する２つの活性領域間に位置する不活性領域とを有し、第１の電極は、第１の面内で活性領域および不活性領域を被覆するように設けられ、第２の電極は、第２の面内で活性領域を被覆し、かつ、不活性領域を部分的に通って電気的導通を確保するように設けられ、複数の電歪素子の全てが、不活性領域のうち第２の電極が設けられていない部分において接合されている、電歪アクチュエータが提供される。
【０００９】
本発明の上記電歪アクチュエータは、第１および第２の面を有する電歪材料層と、電歪材料層の第１の面に配置された第１の電極と、電歪材料層の第２の面に配置された第２の電極と、第１の電極を介して電歪材料層の第１の面に接合された基材とにより構成された電歪素子を複数個用いたものである。かかる電歪素子は、ユニモルフ構造を有する電歪素子である。
【００１０】
そして、本発明の上記電歪アクチュエータでは、複数の電歪素子の各々を、電歪材料層の側を凸側にして湾曲した少なくとも２つの活性領域と、隣接する２つの活性領域間に位置する不活性領域とに区画し、第１の電極および第２の電極を、それぞれ電歪材料層の第１の面および第２の面内で活性領域を被覆するように設け、複数の電歪素子の全てを、不活性領域の第２の電極が設けられていない部分において接合している。かかる構成によれば、第１および第２の電極間に電圧を印加すると、各電歪素子は、独立して、全ての活性領域においてより一層屈曲して縮み、これにより発生した縮む力が、不活性領域の接合部で合成され、その結果、大きな駆動力を得ることができる。
【００１１】
上述した従来の圧電アクチュエータを利用し、特許文献１に記載される蛇行した圧電素子を複数個用い、これらを接合しようとしても、かかる圧電素子では、第１の電極と第２の電極との隙間を除く全ての領域が変形に関与する活性領域となるため、隣り合う圧電素子間の動きに時間的なズレがある場合に、各圧電素子の動き（伸びる動きまたは縮む動き）が相互に妨げられる。仮に、複数の圧電素子の全てを重ね合わせて、全領域で接合したとすると、各圧電素子の動きが拘束され、効率的に変形することができず、変位の点でも、駆動力の点でも問題がある。また、仮に、複数の圧電素子の全てを局所的に接合したとしても、変形を生じる活性領域で接合せざるを得ないので、この接合部に応力が集中すると、接合部が変形に繰り返し曝されることより、クラックを生じ易くなるという問題がある。
【００１２】
これに対して、本発明の上記電歪アクチュエータでは、各電歪素子において、隣接する２つの活性領域間に不活性領域を設け、複数の電歪素子の全てを、不活性領域の第２の電極が設けられていない部分、すなわち、変形に関与しない部分において接合している。これにより、各電歪素子は、その動き（活性領域にて縮む動き）が拘束されることなく、効率的に変形（活性領域にて一層屈曲）することができ、大きな変位および力を発生させることができる。このようにして発生した力は、接合部に伝達されて合成され、大きな駆動力を生じることができるが、かかる接合部は変形に関与しない部分にあるので、接合部に応力が集中しても、接合部は変形に曝されないので、クラックの発生を回避することができる。
【００１３】
更に、本発明の上記電歪アクチュエータによれば、第１の電極を、電歪材料層の第１の面内で活性領域および不活性領域の両方を被覆するように設けているので、第１の電極は複雑なパターンで形成する必要がなく、例えば第１の面のほぼ全面に亘って形成してよい。よって、第２の電極を、電歪材料層の第２の面に形成するのに、第１の電極に対して位置合わせする必要がない。従って、高精度のアライメントを要せず、本発明の電歪アクチュエータは、容易に製造することができる。
【００１４】
加えて、本発明の上記電歪アクチュエータによれば、第１および第２の電極は、それぞれ電歪材料層の第１および第２の面上に配置され、同一面上に存在しないうえ、第１の電極は電歪材料層と基材との間に挟まれているため、これら２つの電極が電気的に接触することがない。よって、電極間放電が起こらず、信頼性の高いアクチュエータを提供することができる。
【００１５】
本発明の１つの態様においては、不活性領域は、基材の側を凸側にして湾曲している。これにより、活性領域の湾曲方向と、不活性領域の湾曲方向とを、反対向きにできるので、電歪アクチュエータの一端を固定して垂下した（または吊り下げた）場合に、各電歪素子の重心をバランスよく位置させることができ、変位時に傾くことがなく、垂直方向の変位を効率的に得ることができる。
【００１６】
本発明の１つの態様においては、複数の電歪素子が並行に配置され、１つの電歪素子の基材が、該１つの電歪素子に隣接する別の電歪素子の第２の電極に面している。これにより、複数の電歪素子を活性領域の湾曲方向を揃えて重ねて配置することができ、電歪アクチュエータ全体が占める体積を小さくすることができ、体積当りの駆動力を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、従来の圧電アクチュエータに比べて、より大きな駆動力が得られ、製造が容易で、かつ、信頼性の高いアクチュエータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の１つの実施形態における電歪アクチュエータを示す概略断面図であって、図１（ａ）は電圧を印加していない状態（非駆動状態）、図１（ｂ）は電圧を印加した状態（駆動状態）を示す。
【図２】図１の実施形態における電歪アクチュエータを製造するために使用されるユニモルフ（ユニモルフ構造を有するシート）を示す図であって、図２（ａ）はユニモルフの概略断面図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ方向から見た第１の電極の概略平面図を示し、図２（ｃ）は図２（ａ）のＸ方向から見た第２の電極の概略平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の１つの実施形態における電歪アクチュエータについて、以下、図面を参照しながら詳述する。
【００２０】
図１を参照して、本実施形態の電歪アクチュエータ２０は、複数の電歪素子１０を含む（図示する態様では、例示的に３つの電歪素子を示すが、本発明はこれに限定されない）。各電歪素子１０は、第１の面１ａおよび第２の面１ｂを有する電歪材料層１と、電歪材料層１の第１の面１ａに配置された第１の電極３ａと、電歪材料層１の第２の面１ｂに配置された第２の電極３ｂと、第１の電極３ａを介して電歪材料層１の第１の面１ａに接合された基材５とにより構成される。各電歪素子１０は、電歪材料層１の側を凸側にして湾曲した少なくとも２つの活性領域Ａと、隣接する２つの活性領域Ａ間に位置する不活性領域Ｂとを有し、第１の電極３ａは、第１の面１ａ内で活性領域Ａおよび不活性領域Ｂを被覆するように設けられ、第２の電極３ｂは、第２の面１ｂ内で活性領域Ａを被覆し、かつ、不活性領域Ｂを部分的に通って（図示せず）電気的導通を確保するように設けられる。そして、複数の電歪素子１０の全てが、不活性領域Ｂのうち第２の電極３ｂが設けられていない部分において接合されている。
【００２１】
各電歪素子１０において、電歪材料層１は、高分子電歪材料から形成される。高分子電歪材料は、永久双極子を有する高分子材料であれば、特に限定されない。高分子電歪材料の例としては、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオロイド）、ＰＶＤＦ系の共重合体、例えば、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）などのコポリマーや、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＤＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＡ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＣ）などのターポリマーが挙げられる（Ｐはポリを、ＶＤＦはビニリデンフルオライドを、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はクロロジ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意味する）。なかでも、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）が、大きな歪みが得られる点で特に好ましい。電歪材料層１の厚さは適宜設定してよいが、例えば数μｍ〜１００μｍ程度とし得る。複数の電歪素子１０間で、電歪材料層１は、使用する高分子電歪材料および厚さが異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
【００２２】
また、各電歪素子１０において、２つの電極３ａ、３ｂは、電極として機能し得る限り、任意の適切な導電性材料から形成してよい。かかる導電性材料の例としては、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｐｔ−Ｐｄ（白金−パラジウム合金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ａｕ−Ｐｄ（金パラジウム合金）などの金属材料、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）などの有機導電性材料などが挙げられる。このうち、有機導電性材料は、クラックが導入され難いので好ましい。電極３ａ、３ｂの厚さは、使用する導電性材料などに応じて適宜設定してよいが、例えば２０ｎｍ〜１０μｍ程度とし得る。複数の電歪素子１０間で、電極３ａ、３ｂは、使用する導電性材料および厚さが異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
【００２３】
また、各電歪素子１０において、基材５は、後述する湾曲成形を実施し得る限り、任意の適切な可撓性材料から形成してよい。かかる可撓性材料の例としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、セロファン、塩化ビニル、ポリイミド、ポリエステルなどが挙げられる。また、基材５は、上述したような電歪材料から形成してもよい。基材５の厚さは適宜設定してよいが、例えば数μｍ〜１００μｍ程度とし得る。複数の電歪素子１０間で、基材５は、使用する可撓性材料（または電歪材料）および厚さが異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
【００２４】
各電歪素子１０は、少なくとも２つの活性領域Ａ（図示する態様では２つの活性領域Ａを示すが、本発明はこれに限定されない）において電歪材料層１の側（図１中、右側）を凸側にして湾曲している。隣接する２つの活性領域Ａ間にある不活性領域Ｂは、任意の適切な形状を有し得るが、図示するように、基材５の側（図１中、左側）を凸側にして湾曲していることが好ましい。電歪素子１０の湾曲部分は、いずれも円弧状の断面形状を有することが好ましく、活性領域を成す湾曲部分の曲率半径と、不活性領域を成す湾曲部分の曲率半径とは同等であることがより好ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されず、不活性領域Ｂは、他の断面形状（例えばストレート状など）であってもよい。
【００２５】
第１の電極３ａは、電歪材料層１の第１の面１ａ内で活性領域Ａおよび不活性領域Ｂを被覆するように設けられる限り、任意の適切なパターンを有し得る。かかる第１の電極３ａは、第１の面１ａのほぼ全面に亘って形成すること（図２（ｂ）を参照のこと）が、製造上簡便であるので好ましい。他方、第２の電極３ｂは、電歪材料層１の第２の面１ｂ内で活性領域Ａを被覆し、かつ、不活性領域Ｂを部分的に通って電気的導通を確保するように設けられる限り、任意の適切なパターンを有し得る。かかる第２の電極３ｂは、例えば、不活性領域Ｂをその端部にて直線的に通過するものであってよく、両端部（図示する態様では上端部および下端部）においては必要に応じて適宜設けられていてよい（図２（ｃ）を参照のこと）。複数の電歪素子１０間で、第１の電極３ａおよび第２の電極３ｂは、パターンが異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
【００２６】
本実施形態の電歪アクチュエータ２０において、以上のような電歪素子１０が複数個並行に配置される。このとき、１つの電歪素子１０の基材５が、これに隣接する別の電歪素子１０の第２の電極３ｂに面するように配置することが好ましい。電歪素子１０の湾曲方向を揃えることにより、電歪素子１０を近接して配置することができ、電歪アクチュエータ２０全体（複数の電歪素子１０のアセンブリ）が占める体積を小さくすることができ、体積当りの駆動力を大きくすることができる。また、隣接する電歪素子１０間で、第２の電極３ｂ同士を対向させて配置した場合には、電極同士のこすれによる摩耗や、部分的な電位差による微小放電が起こり得るが、上記のように配置することで、これを回避することもできる。
【００２７】
そして、本実施形態の電歪アクチュエータ２０において、これら複数の電歪素子１０の全てが、不活性領域Ｂのうち第２の電極３ｂが設けられていない部分において接合されている。第２の電極３ｂが設けられていない部分では、例えば接合部材９により、電歪素子１０を容易に接合することができる。不活性領域Ｂが複数存在する場合、複数の電歪素子１０は、少なくとも１つの不活性領域Ｂで接合されていればよいが、２つまたはそれ以上の不活性領域Ｂで接合されていることが好ましい。
【００２８】
次に、かかる電歪アクチュエータ２０の製造方法について説明する。
【００２９】
まず、ユニモルフ構造を有する可撓性のシート（以下、本明細書において単に「ユニモルフ」と呼ぶ）を準備する。図２（ａ）を参照して、ユニモルフ７は、第１の面１ａおよび第２の面１ｂを有する電歪材料層１と、第１の面１ａおよび第２の面１ｂにそれぞれ配置された第１の電極３ａおよび第２の電極３ｂと、第１の電極３ａを介して電歪材料層１の第１の面１ａに接合された基材５とにより構成され、全体として可撓性を有するものとされる。
【００３０】
このようなユニモルフ７は、例えば以下のようにして作製可能である。電歪材料層１の第１の面１ａに第１の電極３ａを、また、第２の面１ｂに第２の電極３ｂを、例えば図２（ｂ）および（ｃ）にそれぞれ示すような所定のパターンで形成する。電極材料に金属材料を用いる場合には、蒸着またはスパッタリングなどによって電極を形成できる。電極材料に有機導電性材料を用いる場合には、シルクスクリーン印刷、インクジェット印刷、刷毛塗布などによって電極を形成できる。これにより得られた電極３ａ、３ｂ付き電歪材料層１の第１の面１ａに、第１の電極３ａを介して基材５を接合させる。この接合は、例えば、熱硬化型または紫外線硬化型などの接着剤を用いて実施できる。これにより、ユニモルフ７が作製される。しかしながら、ユニモルフ７の作製方法はかかる例に限定されず、例えば、基材５の上に電極３ａを予め形成しておき、その電極３ａの上に電歪材料を塗布またはキャスティングすることにより電歪材料層１を形成し、更に、その電歪材料層１の上に電極３ｂを形成してもよい。
【００３１】
次に、このユニモルフ７を湾曲成形して、電歪素子１０を得る。具体的には、シート状のユニモルフ７を、例えば波形のプレス型を用いて、活性領域Ａでは電歪材料層１が基材５よりも凸側になるように湾曲させ、好ましくは不活性領域Ｂでは基材５が電歪材料層１よりも凸側になるように湾曲させ、そのまま熱処理に付して基材５を熱成形し、その後、型から外すことによって、湾曲成形を実施できる。熱処理の温度および時間は、使用する基材５の材料に応じて適宜設定し得る。例えば、基材５がＰＥＴから成る場合、８０〜１００℃で５〜１０分間の熱処理により熱成形できる。
【００３２】
これにより電歪素子１０を複数個作製し、これら電歪素子１０を並行に重ね合わせて配置し、複数の電歪素子１０の全てを、不活性領域Ｂのうち第２の電極３ｂが設けられていない部分において一体的に接合する。この接合は、例えばバンド、クリップなどの接合部材９を用いたり、熱硬化型または紫外線硬化型などの接着剤を用いたりして適宜実施できる。
【００３３】
なお、使用する電歪素子１０の個数、これら電歪素子１０の接合箇所数、各電歪素子１０の長さ、各電歪素子１０における活性領域Ａおよび不活性領域Ｂの長さおよび数、活性領域および好ましくは不活性領域の湾曲形状（曲率半径）などは、電歪アクチュエータ２０の用途などに応じて適宜設定し得る。
【００３４】
以上のようにして、電歪アクチュエータ２０が製造される。電歪アクチュエータ２０は、電極３ａ、３ｂを電源（図示せず）に接続して使用される。
【００３５】
本実施形態の電歪アクチュエータ２０は、可撓性の（柔らかい）電歪素子１０を用いているため、耐衝撃性が高く、壊れにくいという利点がある。その一方で、電歪アクチュエータ２０は、少なくとも２つの活性領域を有する電歪素子１０を複数個用い、これらを相互に接合して成っているので、大きい変位および駆動力を発生させることができる。また、かかる電歪素子１０を用いた電歪アクチュエータ２０は、小型で軽量であるという利点もある。
【００３６】
次に、電歪アクチュエータ２０の使用方法（動作）の例について説明するが、本発明の電歪アクチュエータは、かかる使用方法に限定されるものではない。
【００３７】
電歪アクチュエータ２０は、非駆動状態（電圧を印加していない状態）では、図１（ａ）に示す形態を取っている。この例において、電歪アクチュエータ２０を、その一端２０ａにて、例えば壁面３０などに固定して垂下し（または吊り下げ）、その他端２０ｂに負荷３１を加えている。なお、電歪アクチュエータ２０の一端２０ａは、複数の電歪素子１０を同時に固定して垂下できる限り、また、その他端２０ｂは、複数の電歪素子１０が共同して負荷３１に力を及ぼすことができる限り、いずれも任意の適切な形態を有してよい（図示する態様では、電歪アクチュエータ２０の一端２０ａおよび他端２０ｂにて、全ての電歪素子１０が共通の部材に接続されているが、これに限定されない）。
【００３８】
そして、電歪アクチュエータ２０の各電歪素子１０における電極３ａ、３ｂ間に電圧を印加することにより、電歪アクチュエータ２０を駆動する。すると、各電歪素子１０の活性領域Ａでは、電歪材料層１が厚さ方向（電界方向）に縮み、面内方向で伸びるため、電歪材料層１と基材５との間で寸法差が生じて、湾曲した活性領域が一層屈曲して、長手方向（この場合、垂直方向）に縮む。この縮む動きは、隣り合う電歪素子１０同士で妨げられることなく、活性領域Ａ毎に個別に起こる。これにより発生した力は、接合部に伝達されて合成され、最終的に、電歪アクチュエータ２０の他端２０ｂにて駆動力として発現し、負荷３１に作用してこれを引っ張る（この場合、垂直方向に引上げる）ことができる。この場合において、不活性領域Ｂが活性領域Ａと反対側に湾曲していると、各電歪素子１０の重心をバランスよく位置させることができ、変位時に傾くことがなく、垂直方向の変位を効率的に得ることができる。
【００３９】
なお、電歪素子１０が複数箇所で接合されている場合には、より大きな駆動力を得るためには、接合部間（図示する態様では接合部材９間）で並列接続された複数の活性領域Ａでほぼ等しいこと（いわゆる「遊んでる部分」がないこと）が好ましい。
【００４０】
その後、電極３ａ、３ｂ間に印加していた電圧を除去することにより、電歪アクチュエータ２０の駆動を停止する。すると、各電歪素子１０の活性領域Ａは元の状態に戻り、これによって、電歪アクチュエータ２０は、図１（ａ）に示す形態に回復する。
【００４１】
電歪アクチュエータ２０の駆動力は、負荷３１がない状態では、他端２０ｂの変位の大きさとして端的に表わされる。
【００４２】
以上より、電歪アクチュエータ２０を用いて、２つの電極３ａ、３ｂ間に電圧を印加および除去すれば、リニア動作を行うことができる。変位の大きさおよび駆動力は、各電歪素子１０の長さ、電歪材料層１の厚み、基材５の厚み、電歪材料の電歪定数、電歪材料や基材の弾性率、印加する電圧の大きさなどにより様々であり得る。一般に、圧電素子では分極戻りを回避するために、あまり大きな電圧を印加することはできない。例えば、従来の圧電アクチュエータでは、圧電材料層厚さ１μｍ当り６０Ｖまでの電圧しか印加されていない（特許文献１の図１２を参照のこと）。これに対して、電歪素子では、耐電界の範囲内で、より大きな電圧を印可することが可能である。本発明者は、電歪材料層厚さ１μｍ当り１８０Ｖ程度まで印加できることを確認している。各素子に印加する電圧を大きくすることにより、得られる変位量も大きくできる。更に、電歪アクチュエータ２０によれば、このように大きな電圧を印加できる電歪素子を複数接合して使用しているので、各電歪素子でより大きい変位を得ることができるうえ、全体として、より大きな駆動力を得ることができる。
【００４３】
以上、本発明の電歪アクチュエータおよびその使用方法について詳述したが、本発明は種々の改変が可能であろう。
【００４４】
例えば、イオン導電性高分子膜（ICPF: Ionic Conductive Polymer Film）や、バッキーゲルなどを利用してよい。
【００４５】
イオン導電性高分子膜を利用する場合、概略的には、上記電歪材料層に代えて、イオン交換樹脂層を用いることにより、アクチュエータを作製することができる。より詳細には、イオン交換樹脂層（例えば、デュポン株式会社製の「ナフィオン」（登録商標）など）の両面にＡｕ、Ｐｔなどの金属材料を所定のパターンで化学めっきして電極を形成して、イオン性ポリマー−金属複合体（IPMC: Ionic Polymer Metal Composite）を得る。ここで、イオン交換樹脂層が電歪材料層に代わるものである。得られた複合体の片面を（よって、いずれか一方の電極を介して）ＰＥＴなどから成る基材に接合する。これにより得られる構造体を複数個用いて、これら構造体を上述した湾曲成形方法と同様にしてそれぞれ成形する（例えば波形のプレス型を用いて、所定の形状に湾曲させ、そのまま熱処理に付して基材を熱成形する）ことによって、複数の素子を得ることができる。そして、これら素子を、上述した接合方法と同様にして接合することができる。この場合、各素子の電極間に印加する電圧の極性を正または負とすることにより、伸びる動作または縮む動作を提供することができる。
【００４６】
バッキーゲルは、イオン性液体とカーボンナノチューブとのゲル状複合体である。バッキーゲルを利用する場合、概略的には、上記電極に代えて、バッキーゲルを利用したシートを用いることにより、アクチュエータを作製することができる。より詳細には、まず、３つのシートを次のようにして準備する。イミダゾリウム系イオン液体（例えば１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＢＭＩＴＦＳＩ））に単層カーボンナノチューブおよびフッ素系材料（例えばＰ（ＶＤＦ−ＨＦＰ））を加えた懸濁液を乳鉢で、乳棒を使ってすり潰し、これをキャスティングすることにより、カーボンナノチューブを含んだ第１のシートを２つ作製する。これら２つの第１のシートのうち、１つはそのままとし、もう１つは所定のパターンで打ち抜きまたはカットする。また、イオン液体およびフッ素系材料を混合し、これをキャスティングすることにより、イオン液体およびフッ素系材料からなる第２のシートを１つ作製する。そして、これら３つのシートを、２つの第１のシートの間に第２のシートを配置した状態で重ね合わせ、これを熱プレスすることにより、三層構造を有する複合シートを作製する。ここで、第２のシートが電歪材料層に代わるものであり、その両面に各々配置された２つの第１のシートのうち、パターン形成せずにそのまま用いたものが第１の電極に代わるものであり、パターン形成したものが第２の電極に代わるものである。そして、この複合シートのパターン形成していない第１のシート側の面を（よって、第１の電極を介して）ＰＥＴなどから成る基材に接合する。これにより得られる構造体を複数個用いて、これら構造体を上述した湾曲成形方法と同様にしてそれぞれ成形する（例えば波形のプレス型を用いて、所定の形状に湾曲させ、そのまま熱処理に付して基材を熱成形する）ことによって、複数の素子を得ることができる。そして、これら素子を、上述した接合方法と同様にして接合することができる。
【実施例】
【００４７】
電歪材料層として、幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ５μｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）から成る層を用い、その両面にＡｌを蒸着して、厚さ２０ｎｍのＡｌ電極を形成した。このとき、電歪材料層の片面（第１の面）は全面を（マスクを施さずに）露出させるものとし、第１の電極（Ａｌ電極）を全面に形成したが、もう片面（第２の面）には、活性領域に相当する長さ１０ｍｍの２つの領域を（マスクを施さずに）露出させ、これら活性領域の間に位置する不活性領域に相当する長さ１０ｍｍの１つの領域（但し、電気的導通を確保するための幅２ｍｍの領域を除く）および両端に位置する長さ１０ｍｍの２つの領域にマスクを施して、第２の電極（Ａｌ電極）をパターン形成した。電歪材料層の第１の電極を形成した面側に、幅１０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ６μｍのＰＥＴから成る基材を、熱硬化型の接着剤を用いて接合した。これにより、ユニモルフを得た。
このユニモルフを、約３ｍｍの曲率半径を有する波形のプレス型を用いて、活性領域において電歪材料層が基材よりも凸側になり、不活性領域において基材が電歪材料層よりも凸側になるように湾曲させた。そのまま８０℃の空気雰囲気中に５分間維持し、その後、自然冷却して、型から外して、湾曲した電歪素子を得た。この電歪素子は、２つの活性領域（第２の電極により全面が被覆されている領域）と、活性領域間に位置する１つの不活性領域および両端部に位置する領域（第２の電極により実質的に被覆されていない領域）を有する。
以上と同じ操作を行って、合計２つの電歪素子を作製した。
【００４８】
なお、各電歪素子は、単独の状態で略垂直に吊り下げ、電極間に９００Ｖ（電歪材料層厚さ１μｍあたり１８０Ｖ）の直流電圧を印加すると、長さ方向に約５ｍｍ（約１０％）の変位（縮み）を示した。
【００４９】
上記のようにして得られた２つの電歪素子を、凸方向を揃えて重ね合わせて、各不活性領域において導通部を避けて熱硬化型の接着剤により相互に接合すると共に、それらの一端および他端を熱硬化型の接着剤を用いて相互に接合した。これにより、本実施例の電歪アクチュエータを作製した。
【００５０】
本実施例の電歪アクチュエータを略垂直に吊り下げ、（無負荷の状態で）各電歪素子の電極間にそれぞれ９００Ｖ（電歪材料層厚さ１μｍあたり１８０Ｖ）の直流電圧を印加したところ、長さ方向に約５ｍｍ（約１０％）の変位（縮み）を示し、電歪素子を単独の状態で用いた変位と同じであった。
【００５１】
更に、本実施例の電歪アクチュエータを使用して、重りを引っ張ってみた。具体的には、電歪アクチュエータの一端を壁面に固定して略垂直に吊り下げ、他端に５ｇの重りを付けて、各電歪素子の電極間にそれぞれ９００Ｖ（電歪材料層厚さ１μｍあたり１８０Ｖ）の直流電圧を印加したところ、重りを２ｍｍ引上げることができた。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の電歪アクチュエータは、リニアアクチュエータとして、特に制限されることなく様々な分野において幅広く利用され得る。
【符号の説明】
【００５３】
１ 電歪材料層
１ａ 第１の面
１ｂ 第２の面
３ａ 第１の電極
３ｂ 第２の電極
５ 基材
７ ユニモルフ
９ 接合部材
１０ 電歪素子
２０ 電歪アクチュエータ
２０ａ 一端
２０ｂ 他端
３０ 壁面
３１ 負荷
Ａ 活性領域
Ｂ 不活性領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の面を有する電歪材料層と、電歪材料層の第１の面に配置された第１の電極と、電歪材料層の第２の面に配置された第２の電極と、第１の電極を介して電歪材料層の第１の面に接合された基材とにより各々構成された複数の電歪素子を含む電歪アクチュエータであって、複数の電歪素子の各々が、電歪材料層の側を凸側にして湾曲した少なくとも２つの活性領域と、隣接する２つの活性領域間に位置する不活性領域とを有し、第１の電極は、第１の面内で活性領域および不活性領域を被覆するように設けられ、第２の電極は、第２の面内で活性領域を被覆し、かつ、不活性領域を部分的に通って電気的導通を確保するように設けられ、複数の電歪素子の全てが、不活性領域のうち第２の電極が設けられていない部分において接合されている、電歪アクチュエータ。
【請求項２】
不活性領域は、基材の側を凸側にして湾曲している、請求項１に記載の電歪アクチュエータ。
【請求項３】
複数の電歪素子が並行に配置され、１つの電歪素子の基材が、該１つの電歪素子に隣接する別の電歪素子の第２の電極に面している、請求項１または２に記載の電歪アクチュエータ。
【請求項１】
第１および第２の面を有する電歪材料層と、電歪材料層の第１の面に配置された第１の電極と、電歪材料層の第２の面に配置された第２の電極と、第１の電極を介して電歪材料層の第１の面に接合された基材とにより各々構成された複数の電歪素子を含む電歪アクチュエータであって、複数の電歪素子の各々が、電歪材料層の側を凸側にして湾曲した少なくとも２つの活性領域と、隣接する２つの活性領域間に位置する不活性領域とを有し、第１の電極は、第１の面内で活性領域および不活性領域を被覆するように設けられ、第２の電極は、第２の面内で活性領域を被覆し、かつ、不活性領域を部分的に通って電気的導通を確保するように設けられ、複数の電歪素子の全てが、不活性領域のうち第２の電極が設けられていない部分において接合されている、電歪アクチュエータ。
【請求項２】
不活性領域は、基材の側を凸側にして湾曲している、請求項１に記載の電歪アクチュエータ。
【請求項３】
複数の電歪素子が並行に配置され、１つの電歪素子の基材が、該１つの電歪素子に隣接する別の電歪素子の第２の電極に面している、請求項１または２に記載の電歪アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−８７３３（Ｐ２０１３−８７３３Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８６５０（Ｐ２０１１−１３８６５０）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
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