JP6647092B2 - 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表裏両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が検討されている。
このような電歪素子として、エラストマーからなる誘電膜と、前記誘電膜の外周縁より内方の表裏両面に形成され、前記誘電膜の伸縮に追従して伸縮可能な膜電極と、前記誘電膜の片面の外周縁に配設され、前記誘電膜を伸張状態に保持する枠型フレームと、前記膜電極の外周縁に接続された集電体とを備える誘電体利用駆動装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。前記集電体は、一端が前記膜電極の外周縁に接続され、他端が前記誘電膜の外方に延びていて、前記膜電極に給電する。
前記電歪素子は、前記集電体を介して各膜電極に正又は負の電圧が印加されると、前記誘電膜が厚さ方向に縮み横方向に伸張するが、前記枠型フレームによって前記誘電膜の外周縁が保持されていることにより、前記誘電膜は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。そして、前記誘電膜の伸張しようとする挙動に追従して前記膜電極が伸張し、略山型形状に変形される。
その後、伸長している前記誘電膜は、前記印加が解除されることによって略元の形状に復元され、前記誘電膜の復元しようとする挙動に追従して、伸張している前記膜電極が略元の形状に復元される。
しかしながら、前記集電体は、前記膜電極の外方に延びエラストマーからなる前記誘電膜の表面に接触しているので、前記集電体として銅等の金属板を用いる場合には、誘電膜を繰り返し伸縮させたときに、板状の前記集電体の角部によって前記誘電膜の表面に傷が付き、その部分から前記誘電膜が破損する虞があるという不都合がある。
また、前記電歪素子では、前記誘電膜の伸張に伴って前記膜電極が伸張するとき、前記膜電極の外周縁に接続する前記集電体に負荷が掛かり、前記集電体又は前記集電体と前記膜電極との接続部が破損する虞がある。
本発明は、かかる不都合を解消して、破損を防止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。
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、前記誘電膜の外周縁より内方の表裏両面に形成され、前記誘電膜の伸縮に追従して伸縮可能な膜電極と、前記誘電膜の少なくとも一方の面の外周縁に配設され、前記誘電膜を伸張状態に保持する枠型フレームと、一端が前記膜電極の外周縁に接続され、他端が前記誘電膜の外方に延びる集電体とを備える電歪素子において、前記集電体は、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からなり、前記カーボンナノチューブ集合体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、前記カーボンナノチューブ集合体は、前記誘電膜が伸張したときに前記重なり合った状態を維持しながら繊維方向に伸長可能であることを特徴とする。
本発明の電歪素子は、前記集電体を介して各膜電極に正又は負の電圧が印加されると、前記枠型フレームによって前記誘電膜の外周縁が保持されていることにより、前記誘電膜は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。そして、前記誘電膜の伸張しようとする挙動に追従して前記膜電極が伸張し、略山型形状に変形される。
その後、伸長している前記誘電膜は、前記印加が解除されることによって略元の形状に復元され、前記誘電膜の復元しようとする挙動に追従して、伸張している前記膜電極が略元の形状に復元される。
前記集電体は、前記膜電極の外方に延びエラストマーからなる前記誘電膜の表面に接触しているが、前記集電体を構成するカーボンナノチューブからなるシート状のカーボンナノチューブ集合体又は紐状のカーボンナノチューブ集合体は、銅等の金属板と比較して剛性が低いため、誘電膜を繰り返し伸縮させても前記集電体によって前記誘電膜の表面に傷が付くことはない。
また、前記集電体は、前記誘電膜の伸張に伴って前記膜電極が伸張するとき、複数の前記カーボンナノチューブが繊維方向に重なり合った状態を維持しながら繊維方向に伸長可能であるので、前記集電体に負荷が掛かることはなく、前記集電体又は前記集電体と前記膜電極との接続部の破損を防ぐことができる。
したがって、本発明の電歪素子によれば、破損を防ぐことができる。
ところで、本発明の電歪素子では、前記集電体は前記誘電膜と前記枠型フレームとの間を通って設けられる場合があるが、前記枠型フレームは、前記集電体が通る部分では前記誘電膜を保持することができず、前記誘電膜の伸張を妨げることがある。
そこで、本発明の電歪素子において、前記集電体は、複数の前記カーボンナノチューブ集合体が互いに間隙を存して配設されていることが好ましい。前記構成によれば、前記枠型フレームは、前記集電体が通る部分でも複数の前記カーボンナノチューブ集合体の間隙で前記誘電膜を保持することができるので、前記誘電膜を確実に伸張させることができる。
また、本発明の電歪素子は、複数の誘電膜が厚さ方向に積層されたものであってもよい。
本発明の電歪素子において、前記カーボンナノチューブ集合体は、例えば、０．０４〜０．３μｍの範囲の厚さを備えることが好ましく、伸縮性及び導電性を得ることができる。前記カーボンナノチューブ集合体は、厚さが０．０４μｍ未満であると導電性を確保することが難しいことがあり、０．３μｍを超えると伸縮性を確保することが難しいことがある。
また、前記カーボンナノチューブ集合体を構成する前記カーボンナノチューブは、例えば、０．４〜５０ｎｍの範囲の直径を備え、０．４〜１０μｍの範囲の長さを備えることが好ましく、伸縮性及び導電性を得ることができる。前記カーボンナノチューブは、０．４ｎｍ未満の直径に形成することが難しく、直径が５０ｎｍを超えるとカーボンナノチューブとしての特性を得られないことがある。また、前記カーボンナノチューブは、長さが０．４μｍ未満であると、前記誘電膜が伸張したときに前記カーボンナノチューブが重なり合いながら単一配向を維持することが困難であるか、又は、前記カーボンナノチューブ同士の接触量が大きくなって引張り剛性が向上して逆に伸縮性を確保できないことがあり、１０μｍを超えた場合は、伸長によって導電性が低下し効果が低下することがある。
また、本発明の電歪素子において、前記誘電膜として、シリコーン、ポリウレタン、ポリエチレンからなる群から選択される１種の樹脂材料を含むものを用いることができる。
また、前記誘電膜は、少なくとも一方の面に、前記誘電膜を構成する樹脂材料と同一の樹脂材料を主剤とする接着剤又はアクリル接着剤からなる接着層を備えていてもよい。この場合、前記接着層によって前記膜電極を前記誘電膜に良好に接着することができ、さらに、前記接着層は、前記誘電膜を構成する樹脂材料と同等以上の伸縮性及び比誘電率を備えることとなるので、前記誘電膜の伸縮性及び比誘電率を阻害することがない。
また、前記膜電極として、白金担持炭素材料、銀、銅のいずれかを含む柔軟性材料を用いることができる。
また、前記枠型フレームとして、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）、ポリアセタール、ポリエーテルケトン、ガラス強化樹脂からなる群から選択される１種の樹脂材料、又は、表面に圧縮層を有する強化ガラス、セラミックスからなる群から選択される１種の無機材料を用いることができる。
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。
図１及び図２に示す本実施形態の電歪素子１は、エラストマーからなる２枚の誘電膜２と、各誘電膜２の外周縁の内方に形成された膜電極３と、各誘電膜２を伸張状態に保持する枠型フレーム４と、各膜電極３に給電する集電体５とを備える。
各誘電膜２は、角部２ａに丸みを有し、中心に貫通孔２ｂを有する略正方形状であって、例えば厚さが２０〜１００μｍのエラストマーからなる。誘電膜２は、各略正方形に代えて環状であってもよい。
各誘電膜２に用いるエラストマーとして、例えば、シリコーン、ポリウレタン、ポリエチレンを含む樹脂材料を用いることができ、誘電膜２の誘電率を調整するために、チタン酸バリウム等の誘電性物質をさらに含んでもいてもよい。また、前記樹脂材料の片面又は両面に、誘電膜２を構成する樹脂材料と同一の樹脂材料を主剤とする接着剤又はアクリル接着剤からなる接着層が設けられていてもよい。本実施形態では、アクリル接着剤からなる接着層が設けられたポリエチレンフィルムからなるシート（３Ｍ社製、商品名ＶＨＢ４９１０（厚さ１０００μｍ）、又は、商品名ＶＨＢ４９０５（厚さ５００μｍ））を用いる。各誘電膜２の表裏両面には膜電極３が接着されている。
膜電極３は、環状であって、誘電膜２の角部２ａに対向する部分が外方に向かって突出する突出部３ａを有する形状となっている。膜電極３として、例えば、厚さが８〜５０μｍであって、白金担持炭素材料、銀、銅等を含む導電ペーストをインクとするスクリーン印刷等の成膜処理を行うことによって得られる柔軟性材料を用いることができ、膜電極３は、誘電膜２の伸縮に追従して伸縮可能である。
枠型フレーム４は、例えば、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）、ポリアセタール、ポリエーテルケトン、ガラス強化樹脂からなる群から選択される１種の樹脂材料、又は、表面に圧縮層を有する強化ガラス、セラミックスからなる群から選択される１種の無機材料からなり、絶縁性を備える。枠型フレーム４は、上側の誘電膜２の上面及び下側の誘電膜２の下面の外周縁に接着され、誘電膜２を伸張状態に保持している。
集電体５は、一端が膜電極３の突出部３ａの外周縁に接続され、他端が誘電膜２と枠型フレーム４との間を通って誘電膜２の外方に延び、所定の長さを有している。
集電体５は、６本のカーボンナノチューブ集合体６からなり、各カーボンナノチューブ集合体６は、誘電膜２及び膜電極３の厚さ方向に直交する方向（横方向）に対して略平行となるように配設されるとともに、互いに間隙を存して配設されている。このため、枠型フレーム４は、カーボンナノチューブ集合体６の間隙において誘電膜２に接着することができ、誘電膜２の伸張状態を確実に保持することができる。
カーボンナノチューブ集合体６は、図３Ａに示すように、直径が０．４〜５０ｎｍ、長さが０．４〜１０μｍの複数のカーボンナノチューブ７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ていて、長さが１〜１００μｍ、厚さが０．０４〜０．３μｍに形成されている。
カーボンナノチューブ集合体６は、複数のカーボンナノチューブ７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たシート状であるか、又は、複数のカーボンナノチューブ７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した紐状となっている。
シート状のカーボンナノチューブ集合体６としては、例えば、国際公開第２００７／０１５７１０号パンフレットの図５３に開示された方法のように、複数のカーボンナノチューブが基板上に成長してなるカーボンナノチューブフォレストから、ローラの引出手段によって複数のカーボンナノチューブを引き揃えることにより形成されたものが知られている。
また、紐状のカーボンナノチューブ集合体６としては、前記カーボンナノチューブフォレストから、ローラの引出手段によって複数のカーボンナノチューブを引き揃え、さらに撚ることなく径方向に集合させることにより形成されたものが知られている。
カーボンナノチューブ集合体６は、後述するように、図３Ｂに示すように、複数のカーボンナノチューブ７が繊維方向に重なり合った状態を維持しながら繊維方向に伸長可能である。また、カーボンナノチューブ集合体６は、集電体５の給電方向とカーボンナノチューブ７の繊維方向とが一致しているので、良好に給電することができる。
本実施形態では、集電体５は、６本のシート状又は紐状のカーボンナノチューブ集合体６からなるとしているが、１枚のシート状のカーボンナノチューブ集合体６からなるものであってもよい。
電歪素子１において、集電体５を介して各膜電極３に正又は負の電圧が印加されると、枠型フレーム４によって誘電膜２の外周縁が保持されていることにより、前記誘電膜は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。このとき、誘電膜２の伸張しようとする挙動に追従して膜電極３が伸張し、略山型形状に変形され、さらに、集電体５を構成するカーボンナノチューブ集合体６において、図３Ｂに示すように、複数のカーボンナノチューブ７が繊維方向において重なり合った状態を維持しながら繊維方向に伸長する。このため、膜電極３の伸張に伴って集電体５に負荷が掛かることはなく、集電体５又は集電体５と膜電極３との接続部の破損を防ぐことができる。
その後、伸張している誘電膜２は、前記印加が解除されることによって略元の形状に復元され、誘電膜２の復元しようとする挙動に追従して膜電極３が略元の形状に復元される。この結果、集電体５が図３Ａに示すように略元の形状に復元される。
集電体５は、図２に示すように膜電極３の外方に延びてエラストマーからなる誘電膜２の表面に接触しているが、集電体５を構成するカーボンナノチューブ集合体６は銅等の金属板と比較して剛性が低いため、誘電膜２を繰り返し伸縮させても集電体５によって誘電膜２の表面に傷が付くことはない。
したがって、本実施形態の電歪素子１によれば、集電体５又は集電体５と膜電極３との接続部や、誘電膜２の破損を防ぐことができる。
１…電歪素子、 ２…誘電膜、 ３…膜電極、 ４…枠型フレーム、 ５…集電体、 ６…カーボンナノチューブ集合体、 ７…カーボンナノチューブ。
Claims (9)
- エラストマーからなる誘電膜と、 前記誘電膜の外周縁より内方の表裏両面に形成され、前記誘電膜の伸縮に追従して伸縮可能な膜電極と、
前記誘電膜の少なくとも一方の面の外周縁に配設され、前記誘電膜を伸張状態に保持する枠型フレームと、
一端が前記膜電極の外周縁に接続され、他端が前記誘電膜の外方に延びる集電体とを備える電歪素子において、
前記集電体は、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からなり、前記カーボンナノチューブ集合体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、
前記カーボンナノチューブ集合体は、前記膜電極が伸長するとき、当該膜電極の外周縁に接続する前記集電体又は前記集電体と前記膜電極との接続部が破損しないように、前記誘電膜が伸張したときに前記重なり合った状態を維持しながら繊維方向に伸長可能であることを特徴とする電歪素子。 - 請求項１記載の電歪素子において、
前記集電体は、複数の前記カーボンナノチューブ集合体が前記誘電膜上に互いに間隙を存して配設されていることを特徴とする電歪素子。 - 請求項１又は請求項２記載の電歪素子において、
複数の前記誘電膜が厚さ方向に積層されていることを特徴とする電歪素子。 - 請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の電歪素子において、
前記カーボンナノチューブ集合体は、０．０４〜０．３μｍの範囲の厚さを備えることを特徴とする電歪素子。 - 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の電歪素子において、
前記カーボンナノチューブは、０．４〜５０ｎｍの範囲の直径を備え、０．４〜１０μｍの範囲の長さを備えることを特徴とする電歪素子。 - 請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の電歪素子において、
前記誘電膜は、シリコーン、ポリウレタン、ポリエチレンからなる群から選択される１種の樹脂材料を含むことを特徴とする電歪素子。 - 請求項６記載の電歪素子において、
前記誘電膜は、少なくとも一方の面に、前記誘電膜を構成する樹脂材料と同一の樹脂材料を主剤とする接着剤又はアクリル接着剤からなる接着層を備えることを特徴とする電歪素子。 - 請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の電歪素子において、
前記膜電極は、白金担持炭素材料、銀、銅のいずれかを含む柔軟性材料であることを特徴とする電歪素子。 - 請求項１〜請求項８のいずれか１項記載の電歪素子において、
前記枠型フレームは、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）、ポリアセタール、ポリエーテルケトン、ガラス強化樹脂からなる群から選択される１種の樹脂材料、又は、表面に圧縮層を有する強化ガラス、セラミックスからなる群から選択される１種の無機材料からなることを特徴とする電歪素子。
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