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JP6647090B2 - 電歪素子 - Google Patents

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Description

本発明は、電歪素子に関する。
エラストマーからなる誘電膜の少なくとも一方の表面に電極を接続して電圧を印加すると、前記誘電膜は、静電気力がもたらす界面分極からのマクスウェル応力(圧電逆効果)によって圧縮力を受け、厚さ方向に縮み、横方向(厚さ方向に直交する方向)に伸張することが知られている。近年、誘電膜と電極とを備え、この原理によって駆動する電歪素子を圧電素子として用いることが検討されている。
従来、前記圧電素子として、エラストマーからなる誘電膜と、前記誘電膜の少なくとも一方の表面に形成された伸縮可能な第1の電極層と、該第1の膜電極上に形成された伸縮可能な圧電体結晶薄膜と、該圧電体結晶薄膜上に形成された伸縮可能な第2の電極層とを備えるものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−347364号公報
しかしながら、前記圧電素子では、エラストマーからなる誘電膜の表面全体に亘って第1の電極層が形成されているので、第1の電極層に電圧を印加したときに、マクスウェル応力による圧縮力を受けて薄くなった部分で誘電膜が破壊されやすいという不都合がある。前記不都合は、前記電歪素子を圧電素子に用いる場合以外にも生じる。
そこで、本発明は、かかる不都合を解消して、誘電膜の破壊を抑制することができる電歪素子を提供することを目的とする。
マクスウェル応力は誘電膜の厚さの2乗に反比例するため、他の部分より大きな総応力が作用し厚さが薄くなった部分ではマクスウェル応力が指数関数的に増大する、Pull−in効果と呼ばれる現象が起きる。従って、電歪素子の誘電膜の破壊は、前記Pull−in効果により、該誘電膜が著しく薄くなり、絶縁限界電圧が印加電圧より下がることによるものと考えられる。
そこで、前記目的を達成するために、本発明の電歪素子は、エラストマーからなる誘電膜と、該誘電膜の外周縁の内方の少なくとも一方の表面に形成され該誘電膜の伸縮に追従して伸縮可能な膜電極と、該誘電膜を伸張状態に保持するフレームとを備える電歪素子において、該膜電極は、該誘電膜の他の部分より機械的応力と電気的応力との総応力が大きくなる部分に、他の部分より導電性の低い部分又は剛性の高い部分を備えることを特徴とする。
本発明の電歪素子では、前記膜電極が、前記誘電膜の他の部分より機械的応力と電気的応力との総応力が大きくなる部分に、該膜電極の他の部分より導電性の低い部分又は剛性の高い部分を備えることにより、前記総応力が大きくなる部分においてマックスウェル応力の作用を低減し、ひいてはPull−in効果を低減することができる。従って、本発明の電歪素子によれば、前記誘電膜の破壊を抑制することができる。
本発明の電歪素子において、前記誘電膜の他の部分より前記総応力が大きくなる部分は、前記膜電極の端縁部の近傍部分である。
また、本発明の電歪素子において、前記膜電極の他の部分より導電性の低い部分は、該膜電極に形成されたスリット状孔部又はドット状孔部により構成することができる。前記スリット状孔部は、例えば、前記膜電極の中心に対し放射線状、同心円状又は渦巻状に設けることができる。
また、本発明の電歪素子において、前記膜電極の他の部分より剛性の高い部分は、前記膜電極の周縁部を被覆して配設された剛性の高いエラストマー又は樹脂層により形成されることができる。
また、本発明の電歪素子において、前記膜電極は、導電性ペースト又は伸縮可能な炭素質材料により形成することができる。前記膜電極は、導電性ペーストをスプレー塗布することにより形成することもできるが、導電性ペーストをスクリーン印刷することにより形成されることが、導電性を設計通りに形成する上で好ましい。
さらに、本発明の電歪素子は、前記誘電膜が、少なくとも第1の誘電膜と第2の誘電膜とからなるものとすることができる。この場合、本発明の電歪素子は、第1の誘電膜と第2の誘電膜とに挟持された均一な導電性を備える第1の膜電極と、該第1の誘電膜の該第1の膜電極と反対側の表面に形成され、該第1の膜電極の他の部分より機械的応力と電気的応力との総応力が大きくなる部分に、他の部分より導電性の低い部分を備える第2の膜電極と、該第2の誘電膜の該第1の膜電極と反対側の表面に形成され、該第2の膜電極の他の部分より機械的応力と電気的応力との総応力が大きくなる部分の該第2の膜電極と異なる位置に、他の部分より導電性の低い部分を備える第3の膜電極を備えることが好ましい。
本発明の電歪素子によれば、前記構成とすることにより、第1の誘電膜と第2の誘電膜とを備える場合にも、各誘電膜の破壊を抑制することができる。
電歪素子の構成例を示す平面図。 Aは本発明の電歪素子におけるスリット状孔部の配置の第1の態様を示す平面図、BはAの第1の変形例を示す平面図、CはAの第2の変形例を示す平面図。 Aは本発明の電歪素子におけるスリット状孔部の配置の第2の態様を示す平面図、BはAの変形例を示す平面図。 Aは本発明の電歪素子におけるドット状孔部の配置を示す平面図、BはAの第1の変形例を示す平面図、CはAの第2の変形例を示す平面図。 本発明の電歪素子における剛性の高いエラストマー層の配置を模式的に示す断面図。 本発明の電歪素子の第2の構成例を模式的に示す断面図。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
電歪素子1は、例えば図1に示すように、エラストマーからなる誘電膜2と、誘電膜2の外周縁の内方に形成された膜電極3と、誘電膜2を伸張状態に保持する枠型フレーム4と、膜電極3に給電する集電体5とを備える。
誘電膜2は、角部2aに丸みを有する略正方形状のエラストマー(例えば、スリーエム社製、商品名:VHB4910)からなり、中心に貫通孔2bを備える。
膜電極3は、枠型フレーム4の内方で誘電膜2の少なくとも一方の表面に、ドーナッツ状に形成されている。また、膜電極3は、誘電膜2の角部2aに対向する部分に、外方に向かって突出する突出部3aを2つ備え、各突出部3aに銅箔等の金属箔からなる集電体5が接続されている。
膜電極3は、例えば、導電性ペーストのスクリーン印刷により形成され、誘電膜2の伸縮に追従して伸縮可能とされている。膜電極3は、誘電膜2の表裏両面に設けられていてもよく、この場合、一方の面の突出部3a,3aを結ぶ線は、反対側の面の突出部3a,3aを結ぶ線に対して直交するようにされる。
電歪素子1は、集電体5を介して誘電膜2に電圧が印加されると、誘電膜2がマクスウェル応力により厚さ方向に圧縮され、横方向(厚さ方向に直交する方向)に伸張する。このとき、誘電膜2は枠型フレーム4によって外周縁が保持されているので、外方への伸張が規制されて内方へ伸張し、全体として略山型形状をなして一方の面側に突出する。
前記略山型形状をなしている誘電膜2は、その山頂付近及び山裾付近、即ち膜電極3の端縁部の近傍部分で、他の部分より機械的応力と電気的応力との総応力が大きくなる。この結果、誘電膜2の厚さは前記山頂付近及び山裾付近で他の部分より薄くなり、マクスウェル応力が指数関数的に増大するPull−in効果が起き、その厚さがさらに薄くなって破断する虞がある。
そこで、本実施形態の電歪素子1では、誘電膜2が略山型形状をなしたときにその山頂付近及び山裾付近で、他の部分より総応力が大きくなる部分に、膜電極3は自身の他の部分より導電性の低い部分又は剛性の高い部分を備えている。このようにすることにより、誘電膜2の前記他の部分より導電性の低い部分又は剛性の高い部分では、マックスウェル応力の作用を低減することができ、Pull−in効果も低減することができて、誘電膜2の破断を抑制することができる。
膜電極3における自身の他の部分より導電性の低い部分は、膜電極3に、例えば、スリット状又はドット状の微小な孔部を設けることにより形成することができる。
前記他の部分より導電性の低い部分は、具体的には、図2Aに示すように、膜電極3の中心(誘電膜2の貫通孔2b)に対し放射線状に複数の微小な直線状スリット状孔部6を設けることにより形成することができる。尚、図2A〜2C、図3A、図3B、図4A〜4Cでは、膜電極3において突出部3aを省略して示している。
直線状スリット状孔部6を設ける場合、図2Aでは膜電極3の外周縁3bと内周縁3cとの間の全長に亘って設けている。しかし、スリット状孔部6は、図2Bに示すように外周縁3b付近と内周縁3c付近にのみ設けるようにしてもよく、図2Cに示すように内周縁3c付近にのみ設けるようにしてもよい。
また、前記他の部分より導電性の低い部分は、図3Aに示すように、膜電極3の中心(誘電膜2の貫通孔2b)に対し同心円状に複数の微小な円弧状スリット状孔部7を設けることにより形成してもよい。円弧状スリット状孔部7は、図3Aでは膜電極3の内周縁3cの近傍部分のみに設けているが、図3Bに示すように外周縁3bの近傍部分と内周縁3cの近傍部分とに設けるようにしてもよい。
さらに、前記他の部分より導電性の低い部分は、図4Aに示すように、膜電極3に複数の微小なドット状孔部8を設けることにより形成してもよい。ドット状孔部8を設ける場合、図4Aでは膜電極3の外周縁3bと内周縁3cの近傍部分に一列に設けているが、図4Bに示すように内周縁3cのみの近傍部分に設けてもよく、図4Cに示すように外周縁3bと内周縁3cとの近傍部分に二列に設けるようにしてもよい。
スリット状孔部6,7又はドット状孔部8を備える膜電極3は、例えば、誘電膜2上にスリット状孔部6,7又はドット状孔部8に対応するマスクを施し、該マスクを介して導電性ペーストをスクリーン印刷することにより形成することができる。
一方、膜電極3における自身の他の部分より剛性の高い部分は、図5に示すように、膜電極3に、例えば、外周縁3bを被覆する剛性の高いエラストマー層9を配設することにより形成することができる。エラストマー層9を構成する剛性の高いエラストマーとしては、例えば、ウレタンゴム、シリコーンゴム等を挙げることができる。
本実施形態において、エラストマー層9は、膜電極3の外周縁3bを被覆するように配設されている。しかし、エラストマー層9は、膜電極3の内周縁3cを被覆するように配設されてもよく、外周縁3b及び内周縁3cの両方を被覆するように配設されてもよい。
また、本実施形態の電歪素子10は、図6に示すように、第1の誘電膜11と第2の誘電膜12とを備えるものであってもよい。この場合、第1の誘電膜11と第2の誘電膜12との間には、スリット状孔部6,7又はドット状孔部8を全く備えていない均一な導電性を備える第1の膜電極13が挟持される一方、第1の誘電膜11及び第2の誘電膜12の第1の膜電極13と反対側(外方)の表面の他の部分より総応力が大きくなる部分には、円弧状スリット状孔部7を備える第2の膜電極14と、第3の膜電極15とを備えている。
電歪素子10では、第2の膜電極14の円弧状スリット状孔部7と、第3の膜電極15の円弧状スリット状孔部7とは、互いに異なる位置に互いに重なり合わないように設けられている。このようにすることにより、電歪素子10では、第1の誘電膜11と第2の誘電膜12との破損を効果的に抑制することができる。
尚、本実施形態では電歪素子10として、円弧状スリット状孔部7を備えるものについて説明しているが、直線状スリット状孔部6又はドット状孔部8を備えるものであってもよい。この場合にも、図6と同様に、第2の膜電極14の直線状スリット状孔部6又はドット状孔部8と、第3の膜電極15の直線状スリット状孔部6又はドット状孔部8とは、互いに異なる位置に互いに重なり合わないように設けられる。
また、電歪素子10は、第1の誘電膜11と第2の誘電膜12との2つの誘電膜を備えるものとして説明しているが、誘電膜を3つ以上備えていてもよい。誘電膜を3つ以上備える場合、2枚の誘電膜の間にはスリット状孔部6,7又はドット状孔部8を全く備えていない均一な導電性を備える膜電極が挟持され、最外層の誘電膜の外方の表面にスリット状孔部6,7又はドット状孔部8を備える膜電極が配設される。
また、上述の各実施形態では、膜電極3を導電性ペーストにより形成しているが、導電性ペーストに代えて伸縮可能な炭素質材料を用いてもよい。前記伸縮可能な炭素質材料としては、例えば、複数のカーボンナノチューブが繊維方向に重なり合った状態で前記繊維方向に配向するシート状のカーボンナノチューブ集合体、又は前記複数のカーボンナノチューブが繊維方向に重なり合った状態で前記繊維方向に配向し径方向に集合する紐状のカーボンナノチューブ集合体等を挙げることができる。前記カーボンナノチューブ集合体は、その繊維方向と前記誘電膜の伸縮方向とが一致するように配設される。
また、上述の各実施形態では、膜電極3の前記他の部分より導電性の低い部分を、スリット状孔部6,7又はドット状孔部8を設けることにより形成している。しかし、膜電極3は、他の部分より総応力が大きくなる部分に、他の部分より導電性の低い部分が設けられていればよく、前記他の部分より導電性の低い部分は、例えば、膜電極3をメッシュ状にすることにより形成されていてもよい。
また、上述の各実施形態では、膜電極3における自身の他の部分より剛性の高い部分を剛性の高いエラストマー層9により形成しているが、剛性の高いエラストマーに代えて剛性の高い樹脂を用いてもよい。
1,10…電歪素子、 2,11,12…誘電膜、 3,13,14…膜電極、 6,7…スリット状孔部、 8…ドット状孔部、 9…エラストマー層。

Claims (6)

  1. エラストマーからなる誘電膜と、該誘電膜の外周縁の内方の少なくとも一方の表面に形成され該誘電膜の伸縮に追従して伸縮可能な膜電極と、該誘電膜を伸張状態に保持するフレームとを備える電歪素子において、
    該膜電極は、該誘電膜の他の部分より機械的応力と電気的応力との総応力が大きくなる前記膜電極の端縁部の近傍部分に、他の部分より導電性の低い部分又は剛性の高い部分を備えることを特徴とする電歪素子。
  2. 請求項1記載の電歪素子において、前記他の部分より導電性の低い部分は、前記膜電極に形成されたスリット状孔部又はドット状孔部であることを特徴とする電歪素子。
  3. 請求項記載の電歪素子において、前記スリット状孔部は、前記膜電極の中心に対し放射線状、同心円状又は渦巻状に設けられることを特徴とする電歪素子。
  4. 請求項1〜請求項のいずれか1項記載の電歪素子において、前記他の部分より剛性の高い部分は、前記膜電極の周縁部を被覆して配設された剛性の高いエラストマー又は樹脂層により形成されていることを特徴とする電歪素子。
  5. 請求項1〜請求項のいずれか1項記載の電歪素子において、前記膜電極は導電性ペースト又は伸縮可能な炭素質材料により形成されていることを特徴とする電歪素子。
  6. エラストマーからなる誘電膜と、該誘電膜の外周縁の内方の少なくとも一方の表面に形成され該誘電膜の伸縮に追従して伸縮可能な膜電極と、該誘電膜を伸張状態に保持するフレームとを備える電歪素子において、 該膜電極は、該誘電膜の他の部分より機械的応力と電気的応力との総応力が大きくなる部分に、他の部分より導電性の低い部分又は剛性の高い部分を備え
    該誘電膜は、少なくとも第1の誘電膜と第2の誘電膜とからなり、
    該第1の誘電膜と該第2の誘電膜とに挟持された均一な導電性を備える第1の膜電極と、
    該第1の誘電膜の該第1の膜電極と反対側の表面に形成され、該第1の膜電極の他の部分より機械的応力と電気的応力との総応力が大きくなる部分に、他の部分より導電性の低い部分を備える第2の膜電極と、
    該第2の誘電膜の該第1の膜電極と反対側の表面に形成され、該第2の膜電極の他の部分より機械的応力と電気的応力との総応力が大きくなる部分の該第2の膜電極と異なる位置に、他の部分より導電性の低い部分を備える第3の膜電極を備えることを特徴とする電歪素子。
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