(57)【要約】【課題】高い絶縁破壊強度と高い変位とを兼ね備えた高分子アクチュエータを提供することにある。【解決手段】誘電エラストマーを用いた高分子アクチュエータにおいて、前記誘電エラストマーは、ゴム材料とゲル材料を質量比が、９９：１〜５５：４５で混合した混合物を硬化させたものであり、前記ゴム材料のみを硬化させてなるゴムのショアＡ硬度が０〜３０°であり、前記ゲル材料のみを硬化させてなるゲルの針入度が１０〜２００（１／１０ｍｍ）であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電エラストマーを用いた高分子アクチュエータにおいて、
前記誘電エラストマーは、ゴム材料とゲル材料を質量比が、９９：１〜５５：４５で混合した混合物を硬化させたものであり、
前記ゴム材料のみを硬化させてなるゴムのショアＡ硬度が０〜３０°であり、
前記ゲル材料のみを硬化させてなるゲルの針入度が１０〜２００（１／１０ｍｍ）である、
ことを特徴とする高分子アクチュエータ。
【請求項２】
前記誘電エラストマーの変位が２５％以上で、且つ前記誘電エラストマーの絶縁破壊強度が７０Ｖ／μｍ以上である、
ことを特徴とする請求項１に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項３】
前記ゴム材料と前記ゲル材料の質量比が、９８：２〜３：２である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の高分子アクチュエータ。
【請求項４】
誘電エラストマーを用いた高分子アクチュエータの製造方法において、
液状のゴム材料と、液状のゲル材料とを、質量比９９：１〜５５：４５で混合し、両者を溶解ないし均一に分散させた混合液を調整する混合ステップと、
前記混合液を硬化させて前記誘電エラストマーとなす硬化ステップと、を備え、
前記ゴム材料のみを硬化させてなるゴムのショアＡ硬度が０〜３０°であり、
前記ゲル材料のみを硬化させてなるゲルの針入度が１０〜２００（１／１０ｍｍ）である、
ことを特徴とする高分子アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記誘電エラストマーの変位が２５％以上で、且つ前記誘電エラストマーの絶縁破壊強度が７０Ｖ／μｍ以上である、
ことを特徴とする請求項４に記載の高分子アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子を用いたアクチュエータに関し、詳しくは高分子として誘電エラストマーを用いたアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
シート状やチューブ状などに成形した誘電エラストマーに電極を形成したアクチュエータは、駆動音が静かで大きな変位が得られることから、産業用や介護用のロボット、人工筋肉などに利用することが望まれている。
【０００３】
たとえば、特許文献１は、誘電エラストマーとしてアクリルゴムやシリコーンゴムを用いた高分子アクチュエータを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５８４２２７９号（たとえば、段落００２１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、より変位の大きい高分子アクチュエータが望まれており、この点でのさらなる改良が求められていた。
【０００６】
この発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、変位の大きい高分子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】
上記課題を解決するための高分子アクチュエータにかかる本発明は、次の構成を採用する。
誘電エラストマーを用いた高分子アクチュエータにおいて、前記誘電エラストマーは、ゴム材料とゲル材料を質量比が、９９：１〜５５：４５で混合した混合物を硬化させたものであり、前記ゴム材料のみを硬化させてなるゴムのショアＡ硬度が０〜３０°であり、前記ゲル材料のみを硬化させてなるゲルの針入度が１０〜２００（１／１０ｍｍ）であることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、誘電エラストマーとして、ゴム材料とゲル材料との混合物を硬化させたものを用いている。ここで、ゴム材料由来の成分はゲル材料由来の成分よりも機械的強度が高く、この一方ゲル材料由来の成分はゴム材料由来の成分よりも流動性に優れる。
【０００９】
ゴム材料のみを硬化させたエラストマーを高分子アクチュエータに用いると、ゴム材料由来の成分によって機械的な強度が確保され、変位量は大きくできないものの、絶縁破壊強度は比較的高く保てる。しかしながら、高電圧をかけた場合には、変形によって他の部分よりも導電性の高いクラックやパスなどが生じて、絶縁破壊に至ってしまう。
【００１０】
これに対し、ゴム材料とゲル材料との混合物を硬化させた誘電エラストマーは、機械的な強度を保つゴム材料由来の成分が減少し、流動性の高いゲル材料由来の成分が増加することにより、ゴム材料のみを用いる場合よりも変形しやすくなり、変位を大きくできる。
【００１１】
また、クラックやパスなどが生じるような場合において、流動性の高いゲル材料由来の成分がクラックなどを埋めるように流動して、導電性が高まることを防止する。上記本発明の構成では、誘電エラストマー中のゴム材料由来の成分の量を、５５質量％以上確保しており、ゴム材料由来の成分の量の低下による機械的強度の低下と、ゲル材料由来の成分による導電性向上防止効果と、がバランスされるため、絶縁破壊強度を一定以上に保つことができる。
【００１２】
上記構成において、前記誘電エラストマーの変位が２５％以上で、且つ前記誘電エラストマーの絶縁破壊強度が７０Ｖ／μｍ以上である構成とすることができる。このような誘電エラストマーは、高電圧をかけて大きく変位させる高分子アクチュエータに特に適している。誘電エラストマーの変位は、より好ましくは２７％以上、さらに好ましくは２９％以上とする。誘電エラストマーの絶縁破壊強度は、より好ましくは８５Ｖ／μｍ以上、さらに好ましくは１００Ｖ／μｍ以上とする。
【００１３】
ここで、絶縁破壊強度および変位は、次のように測定した値を意味する。シート状の高分子アクチュエータを円形に裁断し、直径１００ｍｍの円形フレームに、面積比で２．８倍になるようにプリストレインした状態で固定する。固定されたシートの両面の中央部に、直径３０ｍｍのカーボン電極と、フレームの対極の位置に貼り付けた導電テープまでのリード電極を作製する。なお、カーボン電極、リード電極は、ケッチェンブラックを用いる。この導電テープ部に電源を接続させ、カーボン電極に電圧を印加し駆動させる。絶縁破壊が起こる直前の、変形した電極径を測定し、以下の式により変位率を算出する。また、絶縁破壊が起こる直前の印加電圧と、変形したエラストマー厚み（（１＋変位）の２乗に反比例すると仮定したもの）から、以下の式により絶縁破壊強度を算出する。
変位率（％）＝変形後電極径÷変形前電極径×１００
絶縁破壊強度（Ｖ／μｍ）＝印加電圧÷変形したエラストマー厚み
【００１４】
ここで、誘電エラストマーに用いるゴム材料は、ゴム材料のみを硬化させてなるゴムのショアＡ硬度（ＪＩＳ  Ｋ６２５３−３準拠）が、０〜３０°のものを用いる。ゴム材料のみを硬化させてなるゴムの硬度は、好ましくは１〜２０°とし、より好ましくは３〜１５°とする。
【００１５】
また、誘電エラストマーに用いるゲル材料は、ゲル材料のみを硬化させてなるゲルの針入度（ＪＩＳ  Ｋ２２０７準拠、２５℃）が１０〜２００（１／１０ｍｍ）のものを用いる。ゲル材料のみを硬化させてなるゲルの針入度は、好ましくは３０〜１５０（１／１０ｍｍ）とし、より好ましくは５０〜１００（１／１０ｍｍ）とする。
【００１６】
また、それぞれが上記の物性を満たす場合には、複数種のゴム材料を用いてもよく、複数種のゲル材料を用いてもよい。
【００１７】
また、ゲル材料を硬化させてなるゲルは、高分子が架橋された網目構造内に溶媒が保持された構造であることが好ましく、中でも化学ゲルであることが好ましい。
【００１８】
上記構成において、ゴム材料とゲル材料の質量比は、９８：２〜３：２であることがより好ましく、９７：３〜２：１であることがさらに好ましい。
【００１９】
上記課題を解決するための高分子アクチュエータにかかる本発明は、次の構成を採用する。
誘電エラストマーを用いた高分子アクチュエータの製造方法において、液状のゴム材料と、液状のゲル材料とを、質量比９９：１〜５５：４５で混合し、両者を溶解ないし均一に分散させた混合液を調整する混合ステップと、前記混合液を硬化させて前記誘電エラストマーとなす硬化ステップと、を備え、前記ゴム材料のみを硬化させてなるゴムのショアＡ硬度が０〜３０°であり、前記ゲル材料のみを硬化させてなるゲルの針入度が１０〜２００（１／１０ｍｍ）であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
以上に説明したように、本発明によれば、高い変位と高い絶縁破壊強度とを兼ね備えた高分子アクチュエータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、混合液中のゲル材料の質量比率と、ＤＥＡ絶縁破壊強度および変位の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、この発明を実施するための形態を説明する。本発明にかかる高分子アクチュエータは、次のような方法で製造される誘電エラストマーを用いることに特徴を有する。
【００２３】
（混合ステップ）
液状のゴム材料と、液状のゲル材料とを、質量比９９：１〜５５：４５で混合し、両者を溶解ないし均一に分散させて、混合液を調整する。ここで、液状のゴム材料と、液状のゲル材料とは、両者が溶解ないし均一に分散できるものであれば、どのような組み合わせであってもかまわないが、好ましくは、主となる成分が同一のものを用いることが好ましい。また、液状のゴム材料と、液状のゲル材料との質量比は、９８：２〜３：２であることがさらに好ましい。
【００２４】
ゴム材料としては、シリコーンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴムなどの材料を使用できる。また、ゲル材料としては、シリコーンゲル、アクリルゲル、ウレタンゲルなどの材料を使用できる。好ましくは、シリコーンゴムとシリコーンゲルの組み合わせ、アクリルゴムとアクリルゲルの組み合わせ、ウレタンゴムとウレタンゲルの組み合わせを用いる。また、ゴム材料及びゲル材料は、１液型、２液型、３液型などのいずれを用いてもよい。
【００２５】
ここで、誘電エラストマーに用いるゴム材料は、ゴム材料のみを硬化させてなるゴムのショアＡ硬度（ＪＩＳ  Ｋ６２５３−３準拠）が０〜３０°のものを用いる。また、誘電エラストマーに用いるゲル材料は、ゲル材料のみを硬化させてなるゲルの針入度（ＪＩＳ  Ｋ２２０７準拠）が１０〜２００（１／１０ｍｍ）のものを用いる。
【００２６】
また、ゴム材料のみを硬化させてなるゴムの破断伸度は、２５０〜９００％であることが好ましく、３００〜８００％であることがより好ましく、３５０〜７００％であることがさらに好ましい。
【００２７】
破断伸度は、次のようにして測定するものとする。エラストマーシートを、２３℃の環境下で、長さ１１０ｍｍ（標線間隔４０ｍｍ＋つかみシロ（上下に３５ｍｍずつ））、巾１０ｍｍの大きさに切り出し、引張スピード２００ｍｍ／ｍｉｎで引張り、破断した時の長さを元の長さで割った値の百分率を、破断伸度（％）として算出する。
【００２８】
また、ゲル材料のみを硬化させてなるゲルの２３℃での粘度（ＪＩＳ  Ｚ８８０３準拠）は、０．１〜２０Ｐａ・ｓであることが好ましく、０．３〜１０Ｐａ・ｓであることがより好ましく、０．５〜５Ｐａ・ｓであることがさらに好ましい。
【００２９】
混合液中には、硬化反応の開始剤や触媒等の添加剤以外が含まれないことが好ましく、さらに添加剤が全く含まれない（開始剤、触媒のいずれも必要とすることなく硬化するゴム材料及びゲル材料を用いる）ことがより好ましい。
【００３０】
（硬化ステップ）
混合液を硬化反応させて、誘電エラストマーとなす。このステップにおいて、必要に応じて加熱してもよい。
【００３１】
なお、誘電エラストマーに対する電極や配線の形成など、高分子アクチュエータとなす各種のステップには、公知の方法、公知の材料を用いることができる。
【００３２】
このようにして得られる誘電エラストマーは、ゴム材料による機械的強度とゲル材料による流動性を兼ね備えたものとなり、変位の大きな高分子アクチュエータに適している。
【００３３】
（実施例１）
実施例１にかかる高分子アクチュエータを次のようにして作製した。
【００３４】
（混合ステップ）
２液式の付加反応型のシリコーンゴムの材料液（２液を質量比で１：１で混合したもの）と、２液式の付加反応型のシリコーンゲルの材料液（２液を質量比で１：１で混合したもの）とを、ゴム：ゲルの質量比で１５：１となるように配合し、十分脱泡して、混合液を調整した。このシリコーンゴムの材料液のみを反応させてなるゴムのショアＡ硬度は１０°であり、シリコーンゲルの材料液のみを反応させてなるゲルの針入度は８５（１／１０ｍｍ）、シリコーンゲルの材料液のみを反応させてなるゲルの粘度は１Ｐａ・ｓである。
【００３５】
（硬化ステップ）
厚みが１２５μｍの離型ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）基材上に、上記混合液を３１０μｍの厚みとなるようにアプリケーターを用いて塗工した。この後、１００℃で３０分反応させ、ＰＥＴ基材から剥離して、エラストマーシートを作製した。
【００３６】
（フレームへの固定）
エラストマーシートを円形に裁断し、直径１００ｍｍの円形フレームに、面積比で２．８倍になるようにプリストレインした状態で固定した。
【００３７】
（電極形成ステップ）
固定されたシートの両面の中央部に、直径３０ｍｍのカーボン電極と、フレームの対極の位置に貼り付けた導電テープまでのリード電極を作製し、実施例１にかかる高分子アクチュエータを完成させた。なお、カーボン電極、リード電極には、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製ケッチェンブラックＥＣ３００Ｊを用いた。
【００３８】
（実施例２〜５）
混合ステップにおいて、ゴム：ゲルの質量比を下記表１に示すように変化させたこと以外は、上記実施例１と同様にして、実施例２〜５にかかる高分子アクチュエータを作製した。
【００３９】
（比較例１）
混合ステップにおいて、ゲル材料液を加えることなくゴム材料液を混合液として以降の工程に用いたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例１にかかる高分子アクチュエータを作製した。
【００４０】
（比較例２）
混合ステップにおいて、ゴム：ゲルの質量比を１：１としたこと以外は、上記実施例１と同様にして、比較例２にかかる高分子アクチュエータを作製した。
【００４１】
［変位率、絶縁破壊強度の測定］
上記で作製した高分子アクチュエータの導電テープ部に電源を接続させ、カーボン電極に電圧を印加し駆動させた。絶縁破壊が起こる直前の、変形した電極径を測定し変位率を算出した。また、絶縁破壊が起こる直前の印加電圧と、変形したエラストマー厚み（（１＋変位）の２乗に反比例すると仮定したもの）から、絶縁破壊強度を算出した。
変位率（％）＝変形後電極径÷変形前電極径×１００
絶縁破壊強度（Ｖ／μｍ）＝印加電圧÷エラストマー厚み
【００４２】
［プリストレインの測定］
元のエラストマーシートの厚み（初期厚み）と、プリストレインをしてエラストマーを円形フレームに固定した状態の厚み（膜厚み）とから、プリストレイン比（元の厚み／プリストレイン後の厚み）を算出した。
【００４３】
［破断伸度］
上記と同様にして作製した、実施例１〜５、比較例１，２にかかるエラストマーシートを、２３℃の環境下で、長さ１／１０ｍｍ（標線間隔４０ｍｍ＋つかみシロ（上下に３５ｍｍずつ））、巾／１０ｍｍの大きさに切り出し、引張スピード２００ｍｍ／ｍｉｎで破断した時の長さを元の長さで割った値の百分率を破断伸度として算出した。なお、測定装置としては、（株）島津製作所製の「オートグラフＡＧ−５００ＮＸ  ＴＲＡＰＥＺＩＵＭ  Ｘ」を用いた。これらの各試験結果を下記表１に示す。絶縁破壊強度については、誘電エラストマー部分（ＤＥＡ）と、リング電極部分との値を双方示す。また、図１に、混合液中のゲル材料の質量比率と、ＤＥＡ絶縁破壊強度および変位の関係を示す。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
上記結果から、ゴム材料とゲル材料との質量比が１５：１〜２：１の範囲内である実施例１〜５では、変位が２９％以上且つＤＥＡ絶縁破壊強度が９０Ｖ／μｍを実現できている。これに対し、ゲル材料を含んでいない混合液を用いた比較例１では、変位が１８％と小さくなっており、ゴム材料とゲル材料との質量比が１：１である比較例２では、ＤＥＡ絶縁破壊強度が５４Ｖ／μｍと小さくなっている。
【００４６】
また、上記表１および図１から、混合液中のゲル材料の質量比率が１０％程度で変位の向上効果がほぼ上限に達する一方、ＤＥＡ絶縁破壊強度は、ゲル材料の質量比率が７％程度で最も高く、これよりもゲル材料の質量比率を高めるとＤＥＡ絶縁破壊強度が低くなっていくことが分かる。破断伸度についても、同様の傾向にあることが分かる。
【００４７】
このことは、次のように考えられる。ゴム材料由来の成分はゲル材料由来の成分よりも機械的強度が高いが、ゲル材料由来の成分のほうが流動性に優れる。ここで、ゴム材料のみを用いたエラストマーに電圧を印加して変形させると、ゴム材料由来の成分による機械的な強度によって変位量は大きくできないが、絶縁破壊強度は比較的高く保てる。しかしながら、高電圧をかけた場合には、変形により導電性の高いクラックやパスなどが生じて、絶縁破壊に至ってしまう。
【００４８】
この一方、ゴム材料とゲル材料との混合物を硬化させた誘電エラストマーは、機械的な強度が減少して変形しやすくなり、変位量を大きくできる。また、電圧による変形でゴム材料由来の成分に導電性の高いクラックやパスなどが生じても、これを流動性の高いゲル材料由来の成分が埋めるように作用すると考えられる。この作用は、誘電エラストマーを伸ばした場合においても同様に現れる。ここで、ゴム材料由来の成分の量が少ないと、ゴム材料由来の成分による機械的強度が小さくなるが、ゴム材料由来の成分による機械的強度が保たれている場合（実施例１〜３）には、比較例１よりも高い絶縁破壊強度を実現できる。
【００４９】
なお、上記実施例では、シート状の誘電エラストマーの両面に一対の電極を設けた高分子アクチュエータを作製したが、シート状の誘電エラストマーの一方面に一対の電極を設けたり、チューブ状の誘電エラストマーに一対の電極を設けたりした高分子アクチュエータとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明によれば、高い絶縁破壊強度と高い変位量とを兼ね備えた高分子アクチュエータを実現できるので、産業上の意義は大きい。
【図１】
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