(57)【要約】【課題】駆動電圧が低く変位量の大きいアクチュエータ素子を低コストで提供する。【解決手段】シリコーンを含むエラストマーとイオン液体との混合物により形成される変位部と、前記変位部の一部または全部に電界を印加するために設けられた複数の電極と、を有し、前記電極間に電圧を印加することにより、前記変位部が変形することを特徴とするアクチュエータ素子を提供することにより上記課題を解決する。【選択図】  図１
2011050233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコーンを含むエラストマーとイオン液体との混合物により形成される変位部と、
前記変位部の一部または全部に電界を印加するために設けられた複数の電極と、
を有し、
前記電極間に電圧を印加することにより、前記変位部が変形することを特徴とするアクチュエータ素子。
【請求項２】
前記変位部は平板状に形成されており、
前記複数の電極は前記変位部の両面に各々形成されているものであることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ素子。
【請求項３】
前記イオン液体は、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、１−へキシル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム２−（２−メトキシエトキシ）−エチルスルファート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスフォニル）イミド、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメタンスフォニル）イミドのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ素子。
【請求項４】
前記混合物において、前記イオン液体の組成は４０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ素子。
【請求項５】
前記電極は、金、カーボンナノチューブ、導電性高分子材料、銀グリースのいずれかであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアクチュエータ素子。
【請求項６】
前記変位部は、屈曲して変形するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のアクチュエータ素子。
【請求項７】
前記変位部は、厚さ方向に変形するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のアクチュエータ素子。
【請求項８】
シリコーンを含むエラストマーとイオン液体とを混合して混合液を生成する混合工程と、
前記混合液を型に流し込む流し込み工程と、
前記流し込み工程の後、真空脱気する真空脱気工程と、
前記真空脱気工程の後、熱処理を行う熱処理工程と
前記熱処理工程の後、前記型から前記混合液が固体化した混合物を取り出し、前記混合物に複数の電極を形成する電極形成工程と、
を有することを特徴とするアクチュエータ素子の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ素子及びアクチュエータ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療分野やマイクロマシーン等の分野において、小型かつ軽量なアクチュエータの要望が高い。
【０００３】
アクチュエータを小型化する場合、慣性力よりも摩擦力や粘性力が支配的となるため、モータやエンジンのような慣性力を利用してエネルギーを運動に変換する構成により、超小型化のアクチュエータとすることは困難であるとされている。現在までに提案されている超小型アクチュエータとしては、静電引力型、圧電型、超音波式、形状記憶合金等が知られている。
【０００４】
しかしながら、これらのアクチュエータは金属、セラミックス等の無機物質を材料としているため柔軟性及び軽量化に限界を有しており、また、構造が複雑であるため小型化には不向きであるという問題点を有していた。
【０００５】
このような問題点を解消するため有機材料を用いた各種のアクチュエータが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２２８５４２号公報
【特許文献２】特開２００８−２５２９５８号公報
【特許文献３】特開２００９−３３９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、有機材料を用いたアクチュエータであって、空気中において低電圧で安定駆動させることが可能なものは極めて少ない。
【０００８】
本発明は、有機材料を用いたアクチュエータ素子であって、空気中において低電圧で安定的に駆動することが可能であり、変位量の多いアクチュエータ素子及びアクチュエータ素子の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、シリコーンを含むエラストマーとイオン液体との混合物により形成される変位部と、前記変位部の一部または全部に電界を印加するために設けられた複数の電極と、を有し、前記電極間に電圧を印加することにより、前記変位部が変形することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、前記変位部は平板状に形成されており、前記複数の電極は前記変位部の両面に各々形成されているものであることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記イオン液体は、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、１−へキシル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム２−（２−メトキシエトキシ）−エチルスルファート、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスフォニル）イミド、１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメタンスフォニル）イミドのいずれかであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記混合物において、前記イオン液体の組成は４０ｗｔ％以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記電極は、金、カーボンナノチューブ、導電性高分子材料、銀グリースのいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記変位部は、屈曲して変形するものであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記変位部は、厚さ方向に変形するものであることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、シリコーンを含むエラストマーとイオン液体とを混合して混合液を生成する混合工程と、前記混合液を型に流し込む流し込み工程と、前記流し込み工程の後、真空脱気する真空脱気工程と、前記真空脱気工程の後、熱処理を行う熱処理工程と前記熱処理工程の後、前記型から前記混合液が固体化した混合物を取り出し、前記混合物に複数の電極を形成する電極形成工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、有機材料を用いたアクチュエータ素子であって、空気中において低電圧で安定的に駆動することが可能であり、変位量の多いアクチュエータ素子及びアクチュエータ素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態におけるアクチュエータ素子の構成図
【図２】第１の実施の形態におけるアクチュエータ素子の製造方法のフローチャート
【図３】第１の実施の形態におけるアクチュエータ素子の駆動状態を示す写真
【図４】第１の実施の形態におけるアクチュエータ素子の駆動状態の説明図
【図５】エラストマーにイオン液体を混入した試料における圧縮圧力と変位量との相関図
【図６】エラストマーにイオン液体を混入した試料におけるイオン液体の組成と圧縮弾性率との相関図
【図７】エラストマーにイオン液体を混入した試料において印加した交流電圧の周波数と容量の相関図
【図８】実施例１におけるアクチュエータ素子に印加する印加電圧の波形図
【図９】図８に示す電圧を印加した場合の実施例１におけるアクチュエータ素子の変位量を示す図
【図１０】図８に示す電圧を印加した場合に流れる電流量を示す図
【図１１】比較例１におけるアクチュエータ素子に印加する印加電圧の波形図
【図１２】図１１に示す電圧を印加した場合の比較例１におけるアクチュエータ素子の変位量を示す図
【図１３】図１１に示す電圧を印加した場合に流れる電流量を示す図
【図１４】実施例２におけるアクチュエータ素子に印加する印加電圧の波形図
【図１５】図１４に示す電圧を印加した場合の実施例２におけるアクチュエータ素子の変位量を示す図
【図１６】実施例２におけるアクチュエータ素子の印加電圧と最大変位量の相関図
【図１７】第２の実施の形態におけるアクチュエータ素子の構造図
【図１８】シリコーンを含むエラストマーの応力・電流・電圧の対比特性図（前半）
【図１９】シリコーンを含むエラストマーの応力・電流・電圧の対比特性図（後半）
【図２０】イオン液体とシリコーンを含むエラストマーの応力・電流・電圧の対比特性図
【図２１】２種類のエラストマーの印加電圧と応力との相関図
【図２２】イオン液体とシリコーンを含むエラストマーの応力歪特性図
【図２３】イオン液体とシリコーンを含むエラストマーの熱応力歪特性図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。
【００２０】
〔第１の実施の形態〕
（アクチュエータ素子）
図１に基づき、第１の実施の形態におけるアクチュエータ素子について説明する。本実施の形態におけるアクチュエータ素子は、シリコーンを含むエラストマーとイオン液体との混合物により形成される平板状の変位部１１の両面に、電極１２及び１３を形成した構造のものである。電極１２及び１３は、各々電源１４に電気配線１５及び１６により接続されており、電源１４からの電圧を印加することが可能である。
【００２１】
変位部１１を形成するためのシリコーンを含むエラストマーとしては、化１に示すＤＶ−ＰＤＭＳ（α,ω-divinyl-polydimethylsiloxane）と化２に示すＰＭＨＳ（poly methyl hydrogen siloxane）とを架橋反応させることにより生成される化３に示すポリジメチルシロキサン（polydimethylsiloxane）を用いることができる。
【００２２】
【化１】
2011050233.tif 000003
【００２３】
【化２】
2011050233.tif 000004
【００２４】
【化３】
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本実施の形態は、このようにイオン液体を含有するシリコーンを含むエラストマーにより形成されるものであるが、シリコーンを含む液状エラストマー原料とイオン液体との混合物のすべてが固体化する（エラストマーとなる）わけではない。即ち、一般にシリコーンを含む液状エラストマー原料に含まれる材料は非極性溶液であり、ベンゼンやトルエン等の非極性溶媒には良く溶けるものの、水やアルコール等の極性溶媒には溶解しない。このため、通常、シリコーンを含む液状エラストマー原料とイオン液体のような極性溶媒とは混合しないものと考えられていた。
【００２５】
このような状況において、本発明は、シリコーンを含む液状エラストマー原料とイオン液体との混合物においては、よく混じり合いさらには硬化し固体化するものがあることを見出したことに基づくものである。
【００２６】
イオン液体としては、イミダゾリウム塩、ピペリジニウム塩、ピリジニウム化合物、ピロリジニウム塩等を用いることができるが、シリコーンを含む液状エラストマー原料との混合物が固体化するイオン液体としては、化４に示す１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（［ＥＭＩ］［ＢＦ４］：1-Ethyl-3-methylimidazolium Tetrafluoroborate）、
【００２７】
【化４】
2011050233.tif 000006
化５に示す１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（［ＢＭＩ］［ＢＦ４］：1-Butyl-3-methylimidazolium Tetrafluoroborate）、
【００２８】
【化５】
2011050233.tif 000007
化６に示す１−へキシル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（［ＨＭＩ］［ＢＦ４］：1-Hexyl-3-methylimidazolium Tetrafluoroborate）、
【００２９】
【化６】
2011050233.tif 000008
化７に示す１−エチル−３−メチルイミダゾリウム２−（２−メトキシエトキシ）−エチルスルファート（［ＥＭＩ］［ＭＥＥＳ］：1-Ethyl-3-methylimidazolium 2-(2-methoxyethoxy)ethyl sulfate）、
【００３０】
【化７】
2011050233.tif 000009
化８に示す１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスフォニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］：1-Ethyl-3-methylimidazolium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）、
【００３１】
【化８】
2011050233.tif 000010
化９に示す１−ブチル−１−メチルピロリジニウムビス（トリフルオロメタンスフォニル）イミド（［ＢＭＰ］［ＴＦＳＩ］：1-Butyl-1-methylpyrrolidinium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）、
【００３２】
【化９】
2011050233.tif 000011
以上６種類については確認されている。
【００３３】
一方、イオン液体の中には、シリコーンを含む液状エラストマー原料との混合物が固体化しないものが存在しており、このようなイオン液体としては、化１０に示す１，３−ジメチルイミダゾリウムジメチルホスファート（［ＤＭＩ］［ＤＰ］：1,3-dimethylimidazolium dimethylphosphate）、
【００３４】
【化１０】
2011050233.tif 000012
化１１に示す１−エチル−３−メチルイミダゾリウムメタンスルホン酸塩（［ＥＭＩ］［ＭＳ］：1-ethyl-3-methylimidazolium methanesulfonate）、
【００３５】
【化１１】
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化１２に示す１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド（［ＥＭＩ］［ＤＣ］：1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide）、
【００３６】
【化１２】
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が挙げられる。即ち、化１０から化１２に示すいずれかのイオン液体と、シリコーンを含む液状エラストマー原料との混合物は、固体化することなく液体状態のままであり、安定した形状を維持することはできない。しかしながら、本実施の形態において用いられる化４から化９に示す６種類のいずれかのイオン液体と、シリコーンを含む液状エラストマー原料との混合物は、固体化し一定の形状を有するものとなる。よって、アクチュエータ素子を形成する材料として用いることができるものとなる。
【００３７】
また、上記以外に、シリコーンを含む液状エラストマー原料との混合物が固体化する可能性のあるイオン液体としては、シクロヘキシルトリメチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド（Cyclohexyltrimethylammonium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）、メチルトリ-n-オクチルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド（Methyltri-n-octylammonium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）、テトラブチルアンモニウムブロミド（Tetrabutylammonium Bromide）、テトラブチルアンモニウムクロリド（Tetrabutylammonium Chloride）、テトラブチルホスホニウム ブロミド（Tetrabutylphosphonium Bromide）、トリブチル(2-メトキシエチル)ホスホニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド（Tributyl(2-methoxyethyl)phosphonium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）、トリエチルスルホニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド（Triethylsulfonium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）、1,3-ジメチルイミダゾリウムクロリド（1,3-Dimethylimidazolium Chloride）、1-ブチル-2,3-ジ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（1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムクロリド（1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium Chloride）、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート（1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium Hexafluorophosphate）、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムポリエチレングリコールヘキサデシルエーテルスルファート被覆リパーゼ（1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium Polyethylene Glycol Hexadecyl Ether Sulfate coated Lipase）、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium Tetrafluoroborate）、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（1-Butyl-3-methylimidazolium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムブロミド（1-Butyl-3-methylimidazolium Bromide）、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムクロリド（1-Butyl-3-methylimidazolium Chloride）、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート（1-Butyl-3-methylimidazolium Hexafluorophosphate）、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヨージド（1-Butyl-3-methylimidazolium Iodide）、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート（1-Butyl-3-methylimidazolium Tetrachloroferrate）、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホナート（1-Butyl-3-methylimidazolium Trifluoromethanesulfonate）、1-エチル-2,3-ジ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（1-Ethyl-2,3-dimethylimidazolium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムブロミド（1-Ethyl-3-methylimidazolium Bromide）、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムクロリド（1-Ethyl-3-methylimidazolium Chloride）、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムエチルスルファート（1-Ethyl-3-methylimidazolium Ethyl Sulfate）、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート（1-Ethyl-3-methylimidazolium Hexafluorophosphate）、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム硫酸水素塩（1-Ethyl-3-methylimidazolium Hydrogen Sulfate）、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム ヨージド（1-Ethyl-3-methylimidazolium Iodide）、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート（1-Ethyl-3-methylimidazolium Tetrachloroferrate）、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホナート（1-Ethyl-3-methylimidazolium Trifluoromethanesulfonate）、1-ヘキシル-3-���チルイミダゾリウムブロミド（1-Hexyl-3-methylimidazolium Bromide）、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムクロリド（1-Hexyl-3-methylimidazolium Chloride）、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート（1-Hexyl-3-methylimidazolium Hexafluorophosphate）、1-メチル-3-n-オクチルイミダゾリウムブロミド（1-Methyl-3-n-octylimidazolium Bromide）、1-メチル-3-n-オクチルイミダゾリウムクロリド（1-Methyl-3-n-octylimidazolium Chloride）、1-メチル-3-n-オクチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート（1-Methyl-3-n-octylimidazolium Hexafluorophosphate）、1-メチル-3-プロピルイミダゾリウムヨージド（1-Methyl-3-propylimidazolium Iodide）、1-ブチル-1-メチルピペリジニウムブロミド（1-Butyl-1-methylpiperidinium Bromide）、1-ブチル-3-メチルピリジニウムブロミド（1-Butyl-3-methylpyridinium Bromide）、1-ブチル-4-メチルピリジニウムブロミド（1-Butyl-4-methylpyridinium Bromide）、1-ブチル-4-メチルピリジニウムクロリド（1-Butyl-4-methylpyridinium Chloride）、1-ブチル-4-メチルピリジニウムヘキサフルオロホスファート（1-Butyl-4-methylpyridinium Hexafluorophosphate）、1-ブチルピリジニウムブロミド（1-Butylpyridinium Bromide）、1-ブチルピリジニウムクロリド（1-Butylpyridinium Chloride）、1-ブチルピリジニウムヘキサフルオロホスファート（1-Butylpyridinium Hexafluorophosphate）、1-エチル-3-(ヒドロキシメチル)ピリジニウムエチルスルファート（1-Ethyl-3-(hydroxymethyl)pyridinium Ethyl Sulfate）、1-エチル-3-メチルピリジニウムエチルスルファート（1-Ethyl-3-methylpyridinium Ethyl Sulfate）、1-エチルピリジニウムブロミド（1-Ethylpyridinium Bromide）、1-エチルピリジニウムクロリド（1-Ethylpyridinium Chloride）、1-ブチル-1-メチルピロリジニウムブロミド（1-Butyl-1-methylpyrrolidinium Bromide）、1-ブチル-1-メチルピロリジニウムクロリド（1-Butyl-1-methylpyrrolidinium Chloride）等が挙げられる。
【００３８】
（アクチュエータ素子の製造方法）
次に、図２に基づき本実施の形態におけるアクチュエータ素子の製造方法について説明する。
【００３９】
最初に、ステップ１０２（Ｓ１０２）に示すように、シリコーンを含む液状エラストマー原料とイオン液体とを混合し混合液を生成する。具体的には、上述したように、化１に示すＤＶ−ＰＤＭＳと化２に示すＰＭＨＳとを混合して液状エラストマー原料とし、これにイオン液体を混ぜ、その後加熱して架橋反応させることにより生成される化３に示すポリジメチルシロキサンを、シリコーンを含むエラストマーとして用いる。また、イオン液体は、上述したものを用いることが可能であるが、本実施の形態では、化８に示す［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を用いて、混合し攪拌することにより混ぜ合わせたものを作製する。尚、イオン液体である［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］は、約４０ｗｔ％混合されている。
【００４０】
次に、ステップ１０４（Ｓ１０４）に示すように、所望の変位部の形態にするためステップ１０２において生成された混合液を所望の形状に形成するための型に流し込む。
【００４１】
次に、ステップ１０６（Ｓ１０６）に示すように、真空脱気を行う。具体的には、型に流し込んだものを真空オーブン内に設置し、排気することにより真空脱気を行う。これにより、型に流し込まれた混合液中に含まれている気泡等を取り除くことができる。
【００４２】
次に、ステップ１０８（Ｓ１０８）に示すように、加熱処理を行う。具体的には、１５０℃で３０分間加熱処理を行う。この後、型を取り除くことにより、シリコーンを含むエラストマーとイオン液体との混合物からなるアクチュエータ素子の変位部が形成される。
【００４３】
次に、ステップ１１０（Ｓ１１０）に示すように、電極を形成する。電極は金のスパッタリングにより形成されるものであり、変位部の両面に形成する。これにより本実施の形態におけるアクチュエータ素子が作製される。この後、形成された電極を電源に接続し、電圧を印加することによりアクチュエータ素子を駆動することができる。電極を形成するための材料としては、アクチュエータ素子の変位部とともに断線等することなく、また、大きな力を加えることなく可逆的に柔軟に変形可能な材料であることが好ましい。このため、金以外の材料としては、カーボンナノチューブ、導電性高分子、銀グリース等が好ましい。
【００４４】
本実施の形態により作製されたアクチュエータ素子は、長さが約２０ｍｍ、幅が約５ｍｍ、厚さが約５０μｍである。
【００４５】
図３は、作製されたアクチュエータ素子に電圧を印加した状態を示す。図３（ａ）は、電圧を印加する前の状態のアクチュエータ素子を示し、図３（ｂ）は、電極間に１００Ｖの印加した状態のアクチュエータ素子を示す。電極間に電圧を印加することにより、アクチュエータ素子全体が変形し先端部が変位するものであり、この変位によりアクチュエータ素子として機能するものである。尚、本実施の形態では、１００Ｖの電圧を印加することにより、アクチュエータ素子の先端部分は約３ｍｍ変位させることが可能である。
【００４６】
図４に基づき、本実施の形態におけるアクチュエータ素子の動作について説明する。図４（ａ）は、電極１２及び１３の間に電圧が印加されていない状態のものであり、変位部１１においては、シリコーンを含むエラストマーにイオン液体が均一に分散している。図４（ｂ）に示すように、電源１４により電極１２及び１３の間に電圧を印加すると、変位部１１において、イオン液体におけるＥＭＩ＋は負極に引き寄せられ、ＴＦＳＩ−は正極に引き寄せられる。このようにイオン液体の分極により変位部１１の形状が変形し変位するものと考えられる。
【００４７】
尚、本実施の形態では、変位部１１の形状が平板状の構造のものについて説明したが、変位部の形状は、棒状、チューブ状、繊維状であってもよい。これらの形状であっても、電界を印加することにより変形させることができ、アクチュエータとして機能させることができるからである。変位部の形状を棒状、チューブ状、繊維状とするためには、ステップ１０４において用いる型の形状を対応する所望の形状とすることにより、前述した工程と同様の工程により形成することができる。
【００４８】
また、本実施の形態では変位部１１の両面に電極を設けた構成について説明したが、変位部１１の一部に電界を印加した場合においても変形するため、変位部の一部の領域に電界が印加されるよう電極を設けてもよい。尚、電極は変位部に電界を印加するためのものであることから、複数、即ち、２以上設けることが必要となる。また、変位部において電極が設けられる位置は、非対称な位置に設けてもよく、また、各々の電極の形状や大きさは異なるものであってもよい。これにより、変位部において電界を不均一に印加することができ、所望の形状に変形させることが可能となり、アクチュエータとして機能させることができる。
【００４９】
（変位部の特性）
次に、ポリジメチルシロキサンとイオン液体とにより形成されるアクチュエータ素子の変位部における圧縮試験について説明する。具体的には、イオン液体の組成を変えて図２に示すステップ１０２からステップ１０８までの工程により作製した変位部となる試料について、圧縮試験を行った結果について説明する。
【００５０】
図５に基づき、変位部となる試料に圧縮圧力を加えた場合の圧縮圧力と変位量の関係について説明する。尚、作製された試料は厚さが１ｍｍであり、圧縮圧力が加えられる圧縮部は直径３０ｍｍの円形のものである。
【００５１】
図５（ａ）は、シリコーンを含むエラストマーに［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を混入していないものであり、図５（ｂ）は、シリコーンを含むエラストマーに［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を約２０ｗｔ％混入したものであり、図５（ｃ）は、シリコーンを含むエラストマーに［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を約３０ｗｔ％混入したものであり、図５（ｄ）は、シリコーンを含むエラストマーに［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を約４０ｗｔ％混入したものであり、図５（ｅ）は、シリコーンを含むエラストマーに［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を約５０ｗｔ％混入したものである。
【００５２】
図５（ａ）〜図５（ｄ）に示されるように、［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］の混合量が０〜４０ｗｔ％のものは印加される圧縮圧力が高くなると変形量が多くなる。この際、イオン液体である［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］は試料よりしみ出すことはない。一方、図５（ｅ）では、印加される圧縮圧力が高くなると変位量が不連続となる部分が生じる。この際、試料よりイオン液体がしみ出す場合等がある。よって、変位部を継続して安定的に構成するためには、シリコーンを含むエラストマーに混入されるイオン液体は４０ｗｔ％以下であることが好ましい。
【００５３】
図６は、シリコーンを含むエラストマーに［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を混合した試料において、［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］の混合量と圧縮弾性率との関係を示すものである。この図に示されるように、［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］の混合量を０〜４０ｗｔ％まで変化させても圧縮弾性率の値は略一定であり、０．８〜１ＭＰａである。
【００５４】
また、図７は、シリコーンを含むエラストマーに［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を混合した試料における容量を測定したものである。［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］の混合量を増やすことにより容量は増加する。また、［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］の混合量に関係なく容量は１〜１０６Ｈｚにおいては略一定であるが、１Ｈｚ以下では急激に増加する。これはイオン液体の移動に伴う分極に起因するものと考えられる。
【実施例】
【００５５】
（実施例１）
実施例１として、第１の実施の形態におけるアクチュエータ素子にパルス電圧を印加した場合の変位量について説明する。用いたシリコーンを含むエラストマーは、ＫＥ−１０６（信越化学工業（株）製）であり、このシリコーンを含むエラストマーにイオン液体として［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を４０ｗｔ％混合し、変位部を上述した方法により形成し、電極としてスパッタリングにより金を成膜することによりアクチュエータ素子を作製した。尚、形成された変位部の膜厚は１００μｍである。
【００５６】
図８に実施例１におけるアクチュエータ素子に印加される交流電圧の波形を示す。印加される交流電圧は１１０Ｖのパルス電圧である。図９には、図８に示すパルス電圧を印加した場合において、本実施例のアクチュエータ素子における先端部分の変位量を示す。また、図１０には、この際流れる電流量を示す。図９に示されるように、本実施例のアクチュエータ素子の先端部分は、最大で約３ｍｍ変位した。また、この際流れる電流量は、最大で約２ｍＡであった。
【００５７】
（比較例１）
次に、比較例１として、イオン液体を混入しないシリコーンを含むエラストマーにより変位部を形成したアクチュエータ素子を作製した。用いたシリコーンを含むエラストマーは、ＫＥ−１０６（信越化学工業（株）製）であり、これにより変位部を形成し、電極としてスパッタリングにより金を成膜することによりアクチュエータ素子を作製した。尚、形成された変位部の膜厚は１００μｍである。
【００５８】
図１１に比較例１におけるアクチュエータ素子に印加される交流電圧の波形を示す。印加される交流電圧は１０００Ｖのパルス電圧である。図１２には、図１１に示すパルス電圧を印加した場合において、本実施例のアクチュエータ素子における先端部分の変位量を示す。また、図１３には、この際流れる電流量を示す。図１２に示されるように、本実施例のアクチュエータ素子の先端部分は、殆ど変位することはなかった。
【００５９】
以上より、実施例１における本実施の形態のアクチュエータ素子は、比較例１に示すアクチュエータ素子よりも低電圧で、大きな変位を得ることができる。
【００６０】
（実施例２）
実施例２として、第１の実施の形態におけるアクチュエータ素子に異なる電圧のパルス電圧を印加した場合の変位量について説明する。用いたシリコーンを含むエラストマーは、実施例１と同様にＫＥ−１０６（信越化学工業（株）製）であり、このシリコーンを含むエラストマーに、イオン液体として［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を４０ｗｔ％混合し変位部を上述した方法により形成し、電極としてスパッタリングにより金を成膜することによりアクチュエータ素子を作製した。尚、形成された変位部の膜厚は５０μｍである。
【００６１】
図１４に実施例２におけるアクチュエータ素子に印加される交流電圧の波形を示す。図１５には、図１４に示す各々の電圧のパルス電圧を印加した場合において、本実施例のアクチュエータ素子における先端部分の変位量を示す。図に示されるように、印加電圧が高くなるに従い、変位量は増加する。図１６には、印加されるパルス電圧の値と、最大の変位量との関係を示す。図に示されるように、６０Ｖ以上で急激に変位量が増加する。
【００６２】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施に形態について説明する。本実施の形態におけるアクチュエータ素子は、図１７に示すように、イオン液体とシリコーンを含むエラストマーからなる変位部１１１の両側に電極１１２及び１１３を設け変位部１１１の厚さ方向に変位するものである。尚、電極１１２及び１１３は、各々電源１４に電気配線１５及び１６により接続されており、電源１４からの電圧を印加することが可能である。
【００６３】
図１７に示す形状のものにおいて、静電引力ｐ（Ｎ）は、εｒを比誘電率、ε０を真空の誘電率（８．８５×１０−１２Ｆ／ｍ）、Ｓを電極の形成されている面の面積、Ｖを印加電圧（Ｖ）、ｄを電極の形成されている面同士の厚さ（ｍ）とすると、数１に示す式で表わされる。
【００６４】
【数１】
2011050233.tif 000015
本実施の形態では、一例として、シリコーンを含むエラストマーを作製するためシリコーンＫＥ−１０６（信越化学工業（株）製）を用いた。また、イオン液体として、化８に示す１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメタンスフォニル）イミド（［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］：1-Ethyl-3-methylimidazolium Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide）（関東化学（株）製）を用いた。
【００６５】
シリコーンＫＥ−１０６は、主剤と硬化剤とを混ぜて加熱することにより硬化する。主剤と硬化剤とを１０：１の割合で秤量しマグネチックスターラーで約１０分間攪拌した後、混合溶液を型に流し込み、真空オーブン（ＡＤＰ２００、ヤマト化学工業（株）製）を用いて真空中で溶液の気泡を取り除いた。次に、型にふたをして１５０℃、０．５時間加熱することによりシリコーンを含むエラストマーを作製した。またシリコーンＫＥ−１０６の主剤と硬化剤とを１０：１の割合で秤量し、さらに化８に示す［ＥＭＩ］［ＴＦＳＩ］を４０ｗｔ％加えて約１０分間攪拌し、このあとはシリコーンを含むエラストマーを作製した手順と同様にして変位部１１１を形成するシリコーンゲルを作製した。
【００６６】
このシリコーンゲルは厚さ１ｍｍで形成されており、レーザマーカー（ＭＬ−Ｚ９５００、（株）キーエンス製）を用いて直径３０ｍｍの円に切り出すことにより、変位部１１１を作製した。切り出した変位部１１１は、力学試験機（ＥＺＳ、（株）島津製作所製）の圧縮端子上に設置し、１００Ｎの加重を加え、その後応力緩和が終わるまで放置し、ファンクションジェネレータ（ＨＢ−１０４、北斗電工（株）製）と交流高速・高電圧アンプ（ＨＥＯＰ−５Ｂ６、松定プレシジョン（株）製）を用いて電圧を印加し、その際の応力変化をＴＲＡＰＥＺＩＵＭ  Ｘを用いて測定した。尚、データ取り込み装置として、ＮＲ−ＨＡ０８、ＮＲ−５００（（株）キーエンス製）を用いた。また、電圧の印加時間は１０秒である。
【００６７】
本実施の形態におけるアクチュエータ素子の電場応答性を調べるため、比較のため本実施の形態におけるアクチュエータ素子の変位部１１１と同一の形状であって、シリコーンを含むエラストマーからなる部材（イオン液体が混合されていないもの）を作製し、比較を行なった。
【００６８】
具体的には、比較のため作製したシリコーンを含むエラストマーからなる部材を１００Ｎまで圧縮し、数時間程度応力緩和させ、この後、厚さ方向に直流電圧を印加する。この際における応力変化と電流値との関係を図１８及び図１９に示す。尚、図１８は０秒から７００秒の間の測定の結果であり、図１９は、その後の９００秒から３０００秒の間の測定の結果である。また、図１８（ａ）及び図１９（ａ）は応力変化を示す図であり、図１８（ｂ）及び図１９（ｂ）は流れる電流を示す図であり、図１８（ｃ）及び図１９（ｃ）は印加される電圧を示すものである。
【００６９】
図１８及び図１９に示されるように、シリコーンを含むエラストマーからなる部材では、印加電圧２０００Ｖで０．１５Ｎ、３０００Ｖで０．２３Ｎ応力が減少しており、電圧の印加を停止すると、応力は増加しもとに戻る。尚、電圧を印加した際に電流は殆ど流れることはない。また、図１８と図１９とは略同様の傾向を示していることから、可逆性を有しており、また、再現性があるものと考えられる。
【００７０】
ところで、シリコーンを含むエラストマーの比誘電率（εｒ＝２．３）、面積（Ｓ＝７．０７×１０−４ｍ２）、印加電圧（Ｖ＝２０００Ｖ）、膜厚（ｄ＝１ｍｍ）より静電引力（ｐ）を見積もると、数２よりＰ＝０．０６（Ｎ）となる。この値は、上述した実測値０．１５Ｎに近い値であり、シリコーンを含むエラストマーの場合、応力変化は静電引力によるものと推察される。
【００７１】
【数２】
2011050233.tif 000016
次に、本実施の形態におけるアクチュエータ素子について説明する。具体的には、変位部１１１を１００Ｎまで圧縮し、数時間程度応力緩和させ、この後、厚さ方向に直流電圧を印加する。この際における応力変化と電流値との関係を図２０に示す。尚、図２０（ａ）は応力変化を示す図であり、図２０（ｂ）は流れる電流を示す図であり、図２０（ｃ）は印加される電圧を示すものである。
【００７２】
図２０に示されるように、変位部１１１では、電圧を印加すると１ｍＡ前後の大きな電流が流れ、圧縮応力は逆に増加する。変位部１１１では、印加電圧が１９００Ｖの場合、圧縮応力の変化は約４Ｎであり、シリコーンを含むエラストマーのみからなる部材の０．１５Ｎと比較して、約２６倍大きな値となる。
【００７３】
図２１は、シリコーンを含むエラストマーと、イオン液体とシリコーンを含むエラストマーの印加電圧と応力変化との関係を示すものである。本実施の形態におけるアクチュエータ素子を構成する変位部１１１では、印加電圧が一定の値以上になると急激に応力変化が生じている。
【００７４】
図２２は、イオン液体とシリコーンを含むエラストマーの応力歪曲特性図である。図２２に示されるように、変位部１１１を構成する材料の圧縮弾性率は、約１ＭＰａであることから、厚さｄが１ｍｍ、面積ＳがＳ＝７．０７×１０−４ｍ２の形状の変位部１１１に加えられた圧縮応力を４Ｎ増加させるために必要な膨張率γは、数３に示す式より、０．５７％と算出される。尚、膨張率γが０．５７％である場合、厚さｄが１ｍｍの変位部１１１を有する本実施のアクチュエータ素子においては、厚さ方向に５．７μｍ変化させることができる。
【００７５】
【数３】
2011050233.tif 000017
ところで、１９００Ｖを１０秒間印加した際に流れる電流値１．３ｍＡに基づき、変位部１１１に投入された電気エネルギー（Ｑ）は、数４に示す式より、２４．７Ｊと算出される。
【００７６】
【数４】
2011050233.tif 000018
このエネルギーが、すべて熱になったと仮定した場合、変位部１１１の質量が０．９４２ｇ、比熱Ｃを１．６Ｊ／ｇＫとすると、数５に示す式より、１６．４℃と見積もられる。
【００７７】
【数５】
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図２３は、シリコーンを含むエラストマーと、イオン液体とシリコーンを含むエラストマーの熱応力歪曲線（ＴＭＡ）を示す熱応力歪特性図である。具体的には、熱応力歪測定装置（６０００ＴＭＡ／ＳＳ、エスアイアイ・ナノテクノロジー（株）製）を用いて測定した。測定条件は、試料幅が２ｍｍ、チャック間隔が２０ｍｍ、加重が４９ｍＮ、サンプリングタイムが１秒、昇温速度が１℃／分である。図２３に基づくならば、測定環境温度を２５℃とすると、２５℃より１６．４℃温度が上昇した場合における熱による膨張率は、０．３２％となる。この値は、圧縮応力を４Ｎ増加させるのに必要な膨張率（０．５７％）の半分程度であり、変位部１１１において生じる応力変化は、熱以外の影響によるものが含まれているものと考えられる。例えば、分極等による異方的な変形等に起因して、応力変化が生じているものと推察される。
【００７８】
以上より、本実施の形態におけるアクチュエータ素子は、上述した変位部１１１を有する構造のものであり、厚さ方向に変位させることができ、アクチュエータ素子としての機能を十分有しているものである。尚、上述した実験では、力学試験機により圧力を印加した状態で行なったものであるが、圧力が印加されていない状態でも同様の応力変化が生じるものと考えられる。即ち、本実施の形態におけるアクチュエータ素子は、圧力等が印加されていない状態においても、厚さ方向に変位するものと考えられる。
【００７９】
尚、本実施の形態におけるアクチュエータ素子の変位部１１１を形成するために用いられるイオン液体については、第１の実施の形態に記載されているイオン液体を用いることができる。また、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００８０】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【００８１】
１１    変位部
１２    電極
１３    電極
１４    電源
１５    電気配線
１６    電気配線
１１１  変位部
１１２  電極
１１３  電極
【図１】
2011050233.tif 000020
【図２】
2011050233.tif 000021
【図４】
2011050233.tif 000022
【図５】
2011050233.tif 000023
【図６】
2011050233.tif 000024
【図７】
2011050233.tif 000025
【図８】
2011050233.tif 000026
【図９】
2011050233.tif 000027
【図１０】
2011050233.tif 000028
【図１１】
2011050233.tif 000029
【図１２】
2011050233.tif 000030
【図１３】
2011050233.tif 000031
【図１４】
2011050233.tif 000032
【図１５】
2011050233.tif 000033
【図１６】
2011050233.tif 000034
【図１７】
2011050233.tif 000035
【図１８】
2011050233.tif 000036
【図１９】
2011050233.tif 000037
【図２０】
2011050233.tif 000038
【図２１】
2011050233.tif 000039
【図２２】
2011050233.tif 000040
【図２３】
2011050233.tif 000041
【図３】
2011050233.tif 000042