(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項３】
請求項２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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電歪素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３４７３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】電歪素子の構成例を示す平面図。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【符号の説明】
【００４０】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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