(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エラストマー製の誘電膜と、
該誘電膜の表面に配置され、母材と、該母材中に分散されている導電材と、を有し、該導電材の濃度は、該誘電膜との接合界面付近で最も高く、該誘電膜との接合界面から厚さ方向に変化しており、該誘電膜の弾性変形に応じて伸縮可能な柔軟電極と、
を備えることを特徴とする柔軟電極構造体。
【請求項２】
前記柔軟電極の前記母材は、エラストマーを含む請求項１に記載の柔軟電極構造体。
【請求項３】
前記柔軟電極は、前記導電材の濃度が高い高導電層と、該高導電層と比較して該導電材の濃度が低い柔軟層と、が積層されてなり、
該高導電層は前記誘電膜と接合されている請求項１または請求項２に記載の柔軟電極構造体。
【請求項４】
前記柔軟電極の前記導電材は、炭素材料からなる請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の柔軟電極構造体。
【請求項５】
エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている一対の電極と、を備えてなり、
該一対の電極の少なくとも一方は、母材と、該母材中に分散されている導電材と、を有し、該導電材の濃度は、該誘電膜との接合界面付近で最も高く、該誘電膜との接合界面から厚さ方向に変化しており、該誘電膜の弾性変形に応じて伸縮可能な柔軟電極であることを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性が高く伸縮可能な柔軟電極、およびそれを用いたアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、導電性高分子、イオン導電性高分子（ＩＣＰＦ）、誘電体エラストマー等の高分子材料を利用したアクチュエータが提案されている。この種のアクチュエータは、柔軟性が高く、軽量で小型化し易いため、人工筋肉、医療用器具、流体制御等の様々な分野での使用が検討されている。例えば、特許文献１、２には、誘電体エラストマーからなる誘電膜を一対の電極で狭持した電歪型アクチュエータが紹介されている。
【特許文献１】特表２００３−５０６８５８号公報
【特許文献２】特開２００３−２３０２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電歪型アクチュエータでは、電極間への印加電圧を大きくすると、電極間の静電引力が大きくなる。このため、電極間に挟まれた誘電膜は膜厚方向から圧縮され、誘電膜の膜厚は薄くなる。膜厚が薄くなると、その分、誘電膜は電極面に対して平行方向に伸長する。一方、電極間への印加電圧を小さくすると、電極間の静電引力が小さくなる。このため、誘電膜に対する膜厚方向からの圧縮力が小さくなり、誘電膜の弾性復元力により膜厚は厚くなる。膜厚が厚くなると、その分、誘電膜は電極面に対して平行方向に収縮する。このように、電歪型アクチュエータは、誘電膜を伸長、収縮させることによって、駆動対象部材を駆動させる。
【０００４】
ここで、誘電膜と共に電極が伸長、収縮しにくい場合には、電極により誘電膜の変形が妨げられ、所望の変位量を得ることは難しい。したがって、電極は、誘電膜の変形を妨げないよう、誘電膜と一体となって変形できるものであることが望ましい。誘電膜の変形に追従可能な電極は、例えば、エラストマー等の母材に導電材を充填して構成することができる。この場合、電極としての導電性を確保するため、導電材を母材全体に分散させる必要がある。このため、導電材の充填量が多くなる。導電材の充填量が多くなると、導電性は向上するが、硬度が高くなるため変形しにくくなる。一方、電極の柔軟性を確保するために導電材の充填量を少なくすると、導電性が低下して誘電膜に充分な電荷を供給することができない。また、誘電膜と共に電極が大きく伸長された場合には、導電材同士の距離が大きくなるため、導電パスが切断され、電気抵抗が増加してしまう。このように、所望の導電性と柔軟性とを同時に満足するような電極は未だ実現されていない。
【０００５】
また、上記電歪型アクチュエータだけでなく、導電性樹脂等を利用したセンサにおいても、導電性と柔軟性とを備えた電極が要求されている。すなわち、当該センサは、導電性樹脂等の変形による電気抵抗の変化に基づいて曲げ等の変形を検出する。この場合、導電性樹脂等に追従して電極が変形しないと、導電性樹脂等の変形に基づく電気抵抗の変化を正確に検出することができない。
【０００６】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、弾性体の表面に配置される電極であって、導電性が高く、かつ弾性体と一体となって変形可能な柔軟電極を提供することを課題とする。また、そのような柔軟電極を使用して、応答性が良好で、大きな変位量を得ることのできるアクチュエータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記課題を解決するため、本発明の柔軟電極は、弾性体の表面に配置され、母材と、該母材中に分散されている導電材と、を有し、該導電材の濃度は、該弾性体との接合界面から厚さ方向に変化しており、該弾性体の弾性変形に応じて伸縮可能であることを特徴とする（請求項１に対応）。
【０００８】
本発明の柔軟電極によると、導電材の濃度が、弾性体との接合界面から厚さ方向に変化している。導電材の濃度は、厚さ方向において漸次に滑らかに変化していてもよく、ステップ状に変化していてもよい。また、導電材の濃度は、高濃度→低濃度というように単一に変化していてもよく、高濃度→低濃度→高濃度というように様々に変化していてもよい。
【０００９】
導電材の濃度が高い部分では、導電性が高い。例えば、弾性体との接合界面付近における導電材の濃度を高くすると、当該接合界面付近の導電性が高くなる。このため、弾性体に電圧を印加しやすくなる。また、導電材の濃度が低い部分では、相対的に硬度が低くなり、柔軟性が向上する。よって、弾性体の変形に追従して変形することができる。つまり、弾性体の変形を拘束するおそれが小さい。また、弾性体が大きく変形した場合でも、主に導電材の濃度が低い柔軟な部分で変形に追従しつつ、導電材の濃度が高い部分で導電性を確保することができる。したがって、本発明の柔軟電極によると、所望の導電性と柔軟性との両方を満足することができる。
【００１０】
（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記導電材の濃度は、前記接合界面付近で最も高い構成とするとよい（請求項２に対応）。上述したように、導電材の濃度が高い部分では、導電性が高い。したがって、弾性体との接合界面付近において、導電材の濃度を最も高くすることにより、当該接合界面付近の導電性を最も高くすることができる。したがって、本構成によると、当該接合界面付近に導電材をまんべんなく行き渡らせることができ、接合界面の略全面から弾性体に電圧を印加することができる。
【００１１】
（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記母材はエラストマーを含む構成とするとよい（請求項３に対応）。エラストマーは、ゴムおよび熱可塑性エラストマーを含む。母材にエラストマーを含むため、弾性変形しやすく、弾性体の変形に対する追従性に優れる。
【００１２】
（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記導電材の濃度が高い高導電層と、該高導電層と比較して該導電材の濃度が低い柔軟層と、が積層されてなり、該高導電層は前記弾性体と接合されている構成とするとよい（請求項４に対応）。
【００１３】
本構成の柔軟電極は、高導電層と柔軟層とが積層されてなる。ここで、高導電層は弾性体と接合されている。つまり、弾性体との接合界面付近では導電材の濃度が高い。したがって、接合界面の略全面から弾性体に電圧を印加することができる。一方、柔軟層は、高導電層を介して弾性体の表面に配置されている。柔軟層は、導電材の濃度が低いため軟らかい。したがって、柔軟層により、弾性体への追従性が確保される。つまり、本構成によると、高導電層が主に導電性を向上させる役割を果たし、柔軟層が主に弾性体への追従性を向上させる役割を果たしている。このように本構成によると、導電材の濃度が異なる高導電層、柔軟層の二層を積層させることにより、簡便に本発明の柔軟電極を作製することができる。
【００１４】
（５）好ましくは、上記（１）ないし（４）のいずれかの構成において、前記弾性体は、印加される電圧の変化により伸縮するエラストマー製の誘電膜である構成とするとよい（請求項５に対応）。例えば、誘電膜との接合界面付近における導電材の濃度を高くすると、当該接合界面付近の導電性が高くなる。これにより、誘電膜へ充分な電荷を供給することができる。また、導電材の濃度が低い部分では、相対的に硬度が低くなるため、柔軟性が向上する。よって、誘電膜への追従性が向上する。したがって、例えばエラストマー製の誘電膜を挟むように、該誘電膜の両面に本発明の柔軟電極を配置すれば、応答性が良好で、かつ変位量の大きなアクチュエータを構成することができる。
【００１５】
（６）好ましくは、上記（１）ないし（５）のいずれかの構成において、前記導電材は、炭素材料からなる構成とするとよい（請求項６に対応）。炭素材料は、導電性が良好で、比較的安価である。このため、炭素材料を用いると、柔軟電極の製造コストを低減することができる。
【００１６】
（７）また、本発明のアクチュエータは、エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている一対の電極と、を備えてなり、該一対の電極の少なくとも一方は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の柔軟電極であることを特徴とする（請求項７に対応）。
【００１７】
本発明のアクチュエータは、一対の電極間に電圧を印加して誘電膜を伸長、収縮（変形）させることにより駆動対象部材を駆動させる。ここで、一対の電極の少なくとも一方は、上記（１）ないし（６）のいずれかの構成の柔軟電極、つまり、導電性が高く、誘電膜への追従性に優れる柔軟電極である。誘電膜へ充分な電荷が供給されるため、本発明のアクチュエータの応答は速い。また、誘電膜と共に伸縮可能であるため、誘電膜の変形を阻害しにくい。さらに、誘電膜が大きく変形しても、導電パスが維持され、電気抵抗は増加しにくい。このため、大きな変位量を得ることができると共に、誘電膜の変形量が大きい場合でも、応答性は良好である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の柔軟電極およびアクチュエータの実施の形態について説明する。
【００１９】
＜第一実施形態＞
［アクチュエータの構成］
まず、本実施形態のアクチュエータの構成について説明する。なお、本実施形態の柔軟電極の構成についても併せて説明する。図１に、本実施形態のアクチュエータの断面図を示す。図１に示すように、本実施形態のアクチュエータ１は、一対の柔軟電極２と誘電膜３とを備えている。
【００２０】
誘電膜３は、アクリルゴム製であって、薄膜状を呈している。一対の柔軟電極２は、誘電膜３の表裏両面に固定されている。一対の柔軟電極２の構成は同じである。以下、誘電膜３の表側の柔軟電極２について説明し、裏側の柔軟電極２についての説明を兼ねるものとする。
【００２１】
柔軟電極２は、薄膜状を呈している。図２に、図１の円ＩＩ内の拡大図を示す。図１、図２に示すように、柔軟電極２は、高導電層２０と柔軟層２１とを備えている。このうち、高導電層２０は、誘電膜３の表面に固定されている。高導電層２０は、母材２００と多数の導電材２０１とを備えている。母材２００は、アクリルゴムからなる。導電材２０１は、カーボンブラックからなる。多数の導電材２０１は、母材２００に分散配置されている。
【００２２】
柔軟層２１は、高導電層２０の表面に加硫接着されている。すなわち、未加硫状態の柔軟層２１および高導電層２０を互いに当接させた状態で成形型のキャビティに配置し、この状態で加硫させることにより、柔軟層２１と高導電層２０とを接合している。柔軟層２１には、端子（図略）が接続されている。端子は、スイッチＳを介して、電源Ｖのプラス側に接続されている。なお、裏側の柔軟電極２の柔軟層２１に接続された端子（図略）は、電源Ｖのマイナス側に接続されている。柔軟層２１は、母材２１０と多数の導電材２１１とを備えている。母材２１０は、高導電層２０の母材２００と同様、アクリルゴムからなる。導電材２１１は、高導電層２０の導電材２０１と同様、カーボンブラックからなる。多数の導電材２１１は、母材２１０に分散配置されている。
【００２３】
高導電層２０と柔軟層２１とを比較すると、高導電層２０における導電材２０１の濃度は、柔軟層２１における導電材２１１の濃度よりも、高くなっている。このため、高導電層２０の電気抵抗は小さい。一方、柔軟層２１は、母材２１０の濃度が高いため、柔軟で弾性変形しやすい。また、高導電層２０は、柔軟層２１よりも、層の厚さが薄い。このように、柔軟電極２は、表面から接合界面Ｆに向かう方向（厚さ方向）において、導電材２１１、２０１の濃度が低濃度から高濃度へステップ状に変化している。
【００２４】
［アクチュエータの動き］
次に、本実施形態のアクチュエータ１の動きについて説明する。なお、本実施形態の柔軟電極の動きについても併せて説明する。図３に、本実施形態のアクチュエータのオン状態における断面図を示す。図４に、図３の円ＩＶ内の拡大図を示す。
【００２５】
まず、アクチュエータ１をオフ状態からオン状態に切り替える場合について説明する。オフ状態においては、前出図１、図２に示すように、スイッチＳが開成されている。このため、誘電膜３に電圧は印加されない。したがって、誘電膜３は変形しない。オフ状態において、スイッチＳを閉成すると、オン状態に切り替わる。オン状態に切り替えると、前出図２に示すように、柔軟電極２の導電パスＰ（図２、図４〜図１０において太線で示す。）が通電する。導電パスＰは、柔軟層２１においては母材２１０中に分散する導電材２１１により、高導電層２０においては母材２００中に分散する導電材２０１により、それぞれ形成されている。
【００２６】
前述したように、柔軟層２１においては、導電材２１１が低濃度に分散している。このため、導電パスＰの本数は少なくなる。一方、高導電層２０においては、導電材２０１が高濃度に分散している。このため、導電パスＰの本数は多くなり、高導電層２０略全体に導電パスＰが行き渡っている。
【００２７】
高導電層２０は、誘電膜３の表裏両側に一対配置されている。このため、オン状態においては、表裏一対の高導電層２０の導電パスＰにより、高導電層２０間に電圧が印加される。一対の高導電層２０間の印加電圧が大きくなると、誘電膜３に加わる静電引力が大きくなる。このため、図３に示すように、誘電膜３は、膜厚方向に収縮し、面展開方向に伸長する。一対の柔軟電極２は、誘電膜３の変形に追従して変形する。すなわち、柔軟電極２は、厚さ方向に収縮し、面展開方向に伸長する。このようにして、オフ状態からオン状態への切り替えが行われる。
【００２８】
次に、アクチュエータ１をオン状態からオフ状態に切り替える場合について説明する。オン状態からオフ状態に切り替える場合は、スイッチＳを再び開成する。スイッチＳを開成すると、一対の高導電層２０間の電圧が０になる。このため、誘電膜３に加わる静電引力が除去される。静電引力が除去されると、誘電膜３は、自身の有する弾性復元力により、元の形状に復元する。並びに、一対の柔軟電極２も、元の形状に復元する。このように、アクチュエータ１は、オフ状態とオン状態とを切り替えることにより誘電膜３を変形させ、駆動対象部材を動かしている。
【００２９】
［作用効果］
次に、本実施形態の柔軟電極２およびアクチュエータ１の作用効果について説明する。本実施形態の柔軟電極２によると、高導電層２０の導電材２０１の濃度は高い。このため、オフ状態からオン状態に切り替える際、誘電膜３に追従して柔軟電極２が伸長しても、前出図４に示すように、高導電層２０と誘電膜３との接合界面Ｆに、まんべんなく導電材２０１が行き渡る。このため、接合界面Ｆの全面に電荷を供給することができる。したがって、速やかに誘電膜３を全面的に伸長させることができる。
【００３０】
また、本実施形態の柔軟電極２の柔軟層２１は軟らかい。このため、オフ状態とオン状態との切り替えの際、柔軟層２１が誘電膜３の変形を拘束するおそれが小さい。したがって、本実施形態のアクチュエータ１は、応答性が良好で、かつ変位量が大きい。
【００３１】
なお、柔軟層２１の導電材２１１濃度は低い。このため、変形する際、柔軟層２１の導電パスＰが切断されることも考えられる。しかしながら、その一方で、導電材２１１の新たな接触により、別の導電パスＰが形成される。したがって、誘電膜３が大きく変形した場合でも、高導電層２０への導通が遮断されるおそれが小さい。
【００３２】
また、導電材２１１は、カーボンブラックからなり、母材２１０と比較して変形しにくい。このため、柔軟層２１の変形機能は、主に母材２１０が担持している。したがって、柔軟層２１が層厚方向に収縮すると、言い換えると母材２１０が層厚方向に収縮すると、層厚方向における導電材２１１の濃度が相対的に高くなる。よって、層厚方向に導電材２１１が連なりやすい。すなわち、新たな導電パスＰが形成されやすい。
【００３３】
また、本実施形態の柔軟電極２は、高導電層２０と柔軟層２１とが接合されてなる。すなわち、本実施形態の柔軟電極２は、高導電層２０と柔軟層２１とを加硫接着することにより、簡便に作製される。また、導電材２０１、２１１として使用したカーボンブラックは、導電性が良好であると共に比較的安価である。このため、柔軟電極２を低コストで作製することができる。
【００３４】
＜第二実施形態＞
本実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと第一実施形態の柔軟電極およびアクチュエータとの相違点は、柔軟電極が二層構造ではなく、単層構造を呈している点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
【００３５】
図５に、本実施形態のアクチュエータのオフ状態における柔軟電極の拡大図を示す。図６に、同アクチュエータのオン状態における柔軟電極の拡大図を示す。なお、図５は図２と、図６は図４と、各々対応する拡大図である。図５において図２と対応する部位、図６において図４と対応する部位は、各々同じ符号で示す。
【００３６】
図５、図６に示すように、柔軟電極２は、母材２２と導電材２３とを備えている。母材２２は、アクリルゴムからなる。導電材２３は、カーボンブラックからなる。多数の導電材２３は、母材２２に分散配置されている。
【００３７】
柔軟電極２の厚さ方向における導電材２３の濃度分布について説明する。表面から接合界面Ｆ付近手前までの領域における導電材の濃度は、ほぼ均一で、かつ低濃度である。これに対して、接合界面Ｆ付近における導電材２３の濃度は、ほぼ均一で、かつ高濃度である。このように、柔軟電極２の厚さ方向における導電材２３の濃度分布は、表面から接合界面Ｆに向かって、低濃度から高濃度へステップ状に変化している。
【００３８】
本実施形態の柔軟電極２およびアクチュエータは、構成が共通する部分に関しては、第一実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の柔軟電極２は単層構造を呈している。このため、複層構造を呈している場合と比較して、層同士を接合する必要がない。また、複層構造を呈している場合と比較して、隣り合う層同士が層間で剥離するおそれがない。また、複層構造の場合に生じる層間界面が存在しないので、柔軟電極２の全体が一体化され、誘電膜３への追従性がより向上する。
【００３９】
＜第三実施形態＞
本実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと第二実施形態の柔軟電極およびアクチュエータとの相違点は、柔軟電極の表面にさらに導電膜が配置されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
【００４０】
図７に、本実施形態のアクチュエータのオフ状態における柔軟電極の拡大図を示す。図８に、同アクチュエータのオン状態における柔軟電極の拡大図を示す。なお、図７は図５と、図８は図６と、各々対応する拡大図である。図７において図５と対応する部位、図８において図６と対応する部位は、各々同じ符号で示す。
【００４１】
図７、図８に示すように、柔軟電極２の表面には、導電膜２４が固定されている。導電膜２４は、カーボンブラックとオイルとを混合したペーストを、柔軟電極２の表面に塗布して形成されている。導電膜２４には、端子（図略）が接続されている。端子は、アクチュエータ駆動用の電源（図略）と電気的に接続されている。
【００４２】
本実施形態の柔軟電極２およびアクチュエータは、構成が共通する部分に関しては、第二実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の柔軟電極２は、導電膜２４を備えている。このため、端子が接続される柔軟電極２の表面付近において導電材２３の濃度が低くても、導電膜２４により端子との導通を確保することができる。これにより、誘電膜３への導電パスＰを確実に形成することができる。また、オン状態の際、誘電膜３に対して、より多くの導電パスＰで電荷を供給することができる。したがって、応答性がより向上する。
【００４３】
＜第四実施形態＞
本実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと第二実施形態の柔軟電極およびアクチュエータとの相違点は、柔軟電極の表面側にも導電材が高濃度の領域が存在する点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
【００４４】
図９に、本実施形態のアクチュエータのオフ状態における柔軟電極の拡大図を示す。図１０に、同アクチュエータのオン状態における柔軟電極の拡大図を示す。なお、図９は図５と、図１０は図６と、各々対応する拡大図である。図９において図５と対応する部位、図１０において図６と対応する部位は、各々同じ符号で示す。図９、図１０に示すように、柔軟電極２の接合界面Ｆ付近のみならず表面付近にも、導電材２３が高濃度の領域が配置されている。つまり、柔軟電極２の厚さ方向における導電材２３の濃度分布は、表面から接合界面Ｆに向かって、高濃度→低濃度→高濃度とステップ状に変化している。
【００４５】
本実施形態の柔軟電極２およびアクチュエータは、構成が共通する部分に関しては、第二実施形態の柔軟電極およびアクチュエータと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の柔軟電極２は、表面付近にも、導電材２３が高濃度の領域を有している。このため、柔軟電極２の表面付近において、端子との導通を確保しやすい。これにより、誘電膜３への導電パスＰを確実に形成することができる。また、オン状態の際、誘電膜３に対して、より多くの導電パスＰで電荷を供給することができる。したがって、応答性がより向上する。また、第三実施形態の柔軟電極と比較して、別途、導電膜２４（前出図７、図８参照）を配置する必要がない。このため、電極構造を単純化することができる。また、導電膜２４が剥離するおそれもない。
【００４６】
＜その他＞ 
以上、本発明の柔軟電極およびアクチュエータの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【００４７】
（１）誘電膜
例えば、上記実施形態では、いずれもアクリルゴム製の誘電膜を使用したが、誘電膜の材質は特に限定されるものではない。例えば、エラストマー（ゴムおよび熱可塑性エラストマーを含む）の中から適宜選択すればよい。なかでも、比誘電率、絶縁破壊性が高いという観点から、上記アクリルゴムの他、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）等を用いると好適である。また、誘電膜の形状、厚さも特に限定されることはなく、アクチュエータの用途等に応じて適宜決定すればよい。例えば、アクチュエータの小型化、低電位駆動化、および変位量を大きくする等の観点からは、誘電膜の厚さは薄い方が望ましい。この場合、絶縁破壊性等をも考慮して、誘電膜の厚さを、１μｍ以上５００μｍ以下とするとよい。１０μｍ以上２００μｍ以下とするとより好適である。
【００４８】
（２）母材
また、柔軟電極を構成する母材は、導電材を分散させて保持できるものであれば、その材質は特に限定されるものではない。母材は誘電膜（弾性体）の材質と同じであっても異なっていてもよい。弾性体の材質と同じ場合には、柔軟電極と弾性体との接着性が向上し、弾性体への追従性が向上するため好適である。また、ガラス転移温度（Ｔｇ）が０℃以下のものは、常温でゴム状弾性を有し、柔軟性が高いため母材として好適である。具体的には、天然ゴムや、シリコーンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、ブチルゴム、イソプレンゴム、ＮＢＲ、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ヒドリン系ゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴム等の公知の合成ゴム、および熱可塑性ポリウレタンエラストマー（ＴＰＵ）、スチレン−ブタジエン−スチレン共重合体（ＳＢＳ）、スチレン−イソプレン−スチレン共重合体（ＳＩＳ）、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体（ＳＥＢＳ）等の公知の熱可塑性エラストマーが挙げられる。
【００４９】
（３）導電材
また、導電材としては、上記実施形態で使用したカーボンブラックの他、カーボンナノチューブ等の炭素材料、銀、銅、ニッケル等の金属粒子、酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタン等の金属酸化物粒子、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール等の導電性ポリマー粒子を使用すればよい。カーボンブラックを使用する場合、母材への分散性および導電性の観点から、ストラクチャーの大きいものが望ましい。例えば、ＤＢＰ（ジブチルフタレート）吸油量が３００ｍｌ／ｇ以上のものを使用するとよい。
【００５０】
母材への導電材の分散方法は、特に限定されるものではない。例えば、母材を所定の溶液に溶解させた溶液中に導電材を混合して行うことができる。また、母材と導電材とを、ニーダー、バンバリーミキサー等の加圧式混練機、二本ロール等により混練して行ってもよい。
【００５１】
上記実施形態では、導電材の濃度がステップ状に変化した態様を示したが、導電材の濃度は、柔軟電極の厚さ方向において漸次に滑らかに変化していてもよい。例えば、導電材の濃度が高い領域では、主に高導電性を発現させるため、体積抵抗率は１００Ωｃｍ以下、弾性率は１０ＭＰａ未満であるとよい。一方、導電材の濃度が低い領域では、主に柔軟性を発現させるため、体積抵抗率は１００００Ωｃｍ以下、弾性率は２ＭＰａ未満であるとよい。また、導電材の濃度をステップ状に変化させる場合には、弾性体への追従性を向上させるため、導電材の濃度が高い領域の厚さ（Ｔｈ）を、同濃度が低い領域の厚さ（Ｔｌ）以下とするとよい。具体的には、両者の厚さの比（Ｔｈ／Ｔｌ）を、１〜１／１００の範囲にするとよい。
【００５２】
なお、導電パスを形成する導電材は、互いに接触していなくてもよい。すなわち、隣り合う導電材同士が、母材を介して近接していてもよい。この場合であっても、印加電圧の大きさによって、導電パスが形成される場合がある。
【００５３】
（４）柔軟電極の構造
柔軟電極は、第二〜第四実施形態のように単層構造であっても、第一実施形態のように複層構造であってもよい。例えば、単層構造とする場合には、母材中の導電材を重力により厚さ方向一端側に沈降させて、濃度分布を形成することができる。また、磁場や電場を利用して導電材を配向させて、濃度分布を形成してもよい。また、複層構造とする場合には、導電材の濃度の異なる二層以上を積層させればよい。ここで、各層の母材は同じであっても異なっていてもよい。
【００５４】
母材をエラストマーとする複数層を積層させる場合には、上記第一実施形態のように、各々の層を未架橋状態で当接させた状態で架橋して、層同士を接合すればよい。また、積層させる層をそれぞれ予め架橋しておき、架橋後の層同士を接合してもよい。なお、主に高導電性を発現させる層の母材は、未架橋ゴムであっても構わない。しかし、主に柔軟性を発現させる層の母材は、架橋ゴム（エラストマー）であることが望ましい。なお、架橋剤は、硫黄、パーオキサイドの他、イソシアネート基、、ヒドロシリル基、エポキシ基、アミン基等、ポリマーを架橋できる化合物であれば特に限定されない。
【００５５】
導電材の濃度が高い高導電層と、同濃度が低い柔軟層と、を積層させる場合、高導電層の体積抵抗率は１００Ωｃｍ以下、弾性率は１０ＭＰａ未満であるとよい。また、柔軟層の体積抵抗率は１００００Ωｃｍ以下、弾性率は２ＭＰａ未満であるとよい。また、弾性体への追従性を向上させるため、高導電層の厚さ（Ｔｈ）は、柔軟層の厚さ（Ｔｌ）以下であるとよい。具体的には、両者の厚さの比（Ｔｈ／Ｔｌ）を、１〜１／１００の範囲にするとよい。
【００５６】
（５）導電膜
柔軟電極は、外部電源と導通する端子が接続される表面に、さらに導電材が配置されている態様であってもよい。本態様の一例として、上記第三実施形態では、柔軟電極の表面にさらに導電膜を配置した。ここで、導電膜の構成は、上記第三実施形態に限定されるものではない。例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の導電性微粉体を、誘電膜の表面に直接付着させてもよい。
【００５７】
（６）柔軟電極の適用対象
上記実施形態では、柔軟電極を、静電引力を利用した電歪型アクチュエータに適用した。しかし、本発明の柔軟電極は、電気的にイオンや分子を移動させて作動する、イオン性電気活性ポリマーを用いたアクチュエータや、導電性樹脂や導電性ゴム等を利用したセンサ等、電極に導電性と柔軟性との両方が要求される様々な素子に適用可能である。したがって、弾性体は、上記（１）に記載した誘電膜に限定されず、柔軟電極の適用対象に応じて、適宜好適なものを採用すればよい。例えば、イオン性電気活性ポリマー（電気的にイオンや分子が活性化する高分子電解質やイオン性高分子等）に対しても、導電性と柔軟性との両方を満足する結果が得られている。
【実施例】
【００５８】
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００５９】
＜電極の作製＞
（１）実施例の電極の作製
本発明の柔軟電極として、高導電層と柔軟層とが積層された二種類の電極を作製した。まず、高導電層用の未加硫薄膜を以下のように作製した。母材となるアクリルゴム（日本ゼオン社製「ニポール（登録商標）ＡＲ５４」）１００重量部（以下「部」と略称する）を、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）に溶解させた溶液に、導電材のカーボンブラック（ライオン社製「ケッチェンブラックＥＣ−６００ＪＤ」）の３０部と、加工助剤のステアリン酸（花王社製「ルナック（登録商標）Ｓ３０」）１部と、加硫促進剤のジメチルカルバミン酸亜鉛（大内新興化学社製「ノクセラー（登録商標）ＰＺ」）２．５部、およびジメチルカルバミン酸鉄（大内新興化学社製「ノクセラーＴＴＦＥ」）０．５部と、を添加して、ダイノミルにて混合し、分散させて塗料とした。この塗料をポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製の基材上にバーコート法により塗布し、乾燥させて未加硫薄膜を得た。得られた未加硫薄膜の厚さは、約５μｍであった。
【００６０】
次に、柔軟層用の未加硫薄膜を作製した。すなわち、高導電層用の未加硫薄膜の作製において、カーボンブラックの配合量を５部に変更し、それ以外は上記同様にして、未加硫薄膜を得た。得られた未加硫薄膜の厚さは、約２５μｍであった。
【００６１】
上記高導電層用の未加硫薄膜と上記柔軟層用の未加硫薄膜とを、各々、１７０℃で約３０分間プレス加硫して、高導電層用薄膜および柔軟層用薄膜を得た。得られた両薄膜を貼り合わせ、高導電層および柔軟層からなる二層構造の電極を得た。得られた電極を実施例１の電極とした。これとは別に、上記高導電層用の未加硫薄膜と上記柔軟層用の未加硫薄膜とを重ね合わせ、１７０℃で約３０分間プレスすることにより、両薄膜を加硫接着し、高導電層および柔軟層からなる二層構造の電極を得た。得られた電極を実施例２の電極とした。ここで、実施例１、２の電極中、高導電層における導電材の濃度は約２３．１％、柔軟層における導電材の濃度は約４．８％であった。また、両層における導電材が、電極全体に均一に分散していると仮定した時の導電材の濃度（以下、適宜「平均導電材濃度」と称す）は、約７．８％となった。
【００６２】
（２）比較例の電極の作製
比較例の電極として、導電材が均一に分散された三種類の電極を作製した。まず、上記同様の原料を配合して塗料を調製した。ここで、導電材のカーボンブラック（同上）の配合量は、５部、３０部、７．８部の三種類とした。調製した各塗料を、ＰＥＴ製の基材上にバーコート法により塗布し、乾燥させた後、１７０℃で約３０分間プレス加硫して、薄膜状の電極を得た。得られた電極を、比較例１の電極（５部）、比較例２の電極（３０部）、比較例３の電極（７．８部）、比較例４の電極（６．５部）とした（かっこ内は導電材の配合量）。ここで、比較例１〜４の電極の厚さは、いずれも約３０μｍであった。
【００６３】
＜電気抵抗の測定＞
（１）弾性率と体積抵抗率との関係
作製した実施例および比較例の各電極について、ＪＩＳ  Ｋ６２５１に準拠して引張り試験を行い（試験片：５号形ダンベル）、応力−伸び曲線から各々の弾性率を求めた。この引張り試験において、標線部分に銀ペースト（ドータイト０５５０）を塗布し、標線間に１Ｖの電圧を印加することにより、各々の電極の体積抵抗率を測定した。図１１に、弾性率と未延伸時の体積抵抗率との関係を示す。図１１中、比較例１の電極→比較例４の電極→比較例３の電極→比較例２の電極の結果を結ぶ一点鎖線で示すように、導電材の配合量が増加すると体積抵抗率は小さくなるが、弾性率は大きくなる（硬くなる）ことがわかる。
【００６４】
ここで、実施例１、２の電極と比較例３の電極とを比較する。比較例３の電極における導電材の濃度は、実施例１、２の電極の平均導電材濃度と同じである。このため、実施例１、２の電極の弾性率と比較例３の電極の弾性率とは、略同じ値となった。しかし、実施例１、２の電極の体積抵抗率は、比較例３の電極の体積抵抗率より一桁小さな値となった。すなわち、同じ弾性率であっても、導電材の濃度分布を有する実施例１、２の電極では、電気抵抗が小さいことがわかる。一方、導電材の濃度分布がない比較例の電極において、実施例１、２の電極の体積抵抗率と同等の体積抵抗率を実現させるためには、導電材の配合量を増加させる必要があり、その結果、弾性率が大きくなってしまうことがわかる。このように、導電材の濃度分布を有する実施例１、２の電極によると、導電材の配合量を増加させることなく、高い導電性を実現できることが確認された。
【００６５】
（２）伸びと体積抵抗率との関係
上記引張り試験において、伸長された状態における各電極の体積抵抗率を測定した。図１２に、各電極の伸びに対する体積抵抗率の変化を示す。図１２中、縦軸の「１Ｅ＋０２」は「１×１０２」を意味する。また、「１Ｅ−０２」は「１×１０−２」を意味する。図１２に示すように、いずれの電極においても、伸びが大きくなると共に体積抵抗率は大きくなった。ここで、実施例１、２の電極と比較例３の電極とを比較する。上述したように、比較例３の電極における導電材の濃度は、実施例１、２の電極の平均導電材濃度と同じである。図１２より、伸長時においても、実施例１、２の電極の体積抵抗率は、比較例３の電極と比較して小さくなった。また、実施例１の電極と実施例２の電極とを比較した場合、二層を加硫接着により接合した実施例２の電極の方が、伸長に伴う体積抵抗率の上昇が小さかった。このように、二層構造の電極の場合、二層を加硫接着により一体化させると、伸長時においても高導電性を維持しやすいことがわかる。
【００６６】
＜アクチュエータの変位量測定＞
（１）アクチュエータの作製
実施例１、２および比較例１〜３の各電極を使用して、変位量測定用のアクチュエータを作製した。まず、誘電膜を次のように作製した。アクリルゴム（日本ゼオン社製「ニポールＡＲ５１」）１００部と、加工助剤のステアリン酸（花王社製「ルナックＳ３０」）１部とを、ロール練り機にて混練りした。続いて、加硫促進剤のジメチルカルバミン酸亜鉛（大内新興化学社製「ノクセラーＰＺ」）２．５部、およびジメチルカルバミン酸鉄（大内新興化学社製「ノクセラーＴＴＦＥ」）０．５部を添加して、ロール練り機にて混合し、分散させて、アクリルゴム組成物を調製した。調製したアクリルゴム組成物を薄いシート状に成形した後、金型に充填し、１７０℃で約３０分間プレス加硫することにより、厚さ５０μｍの薄膜状の誘電膜を得た。
【００６７】
作製した誘電膜の上下面に、上記実施例１、２および比較例１〜３電極を一対ずつ貼着して、変位量測定用のアクチュエータを作製した。この際、実施例１、２の電極については、いずれも高導電層を誘電膜と接合させた。以下、作製したアクチュエータを、電極の種類に対応させて、実施例１、２または比較例１〜３のアクチュエータと称す。図１３に、作製したアクチュエータの上面図を示す。図１４に、図１３中ＸＩＶ−ＸＩＶ断面図を示す。なお、図１３、図１４では詳細を示していないが、実施例１、２の電極構成は、上記第一実施形態と同じである（前出図１〜図４参照）。
【００６８】
図１３、図１４に示すように、アクチュエータ５は、誘電膜５０と一対の電極５１ａ、５１ｂとを備えている。誘電膜５０は、直径７０ｍｍの円形の薄膜状を呈している。誘電膜５０は、延伸率１００％で二軸方向に延伸された状態で配置されている。ここで、延伸率は、次式（１）により算出した値である。
延伸率（％）＝｛√（Ｓ２／Ｓ１）−１｝×１００・・・（１）
［Ｓ１：延伸前（自然状態）の誘電膜面積、Ｓ２：二軸方向延伸後の誘電膜面積］
【００６９】
一対の電極５１ａ、５１ｂは、誘電膜５０を挟んで上下方向に対向するよう配置されている。電極５１ａ、５１ｂは、直径約２７ｍｍの円形の薄膜状を呈しており、各々、誘電膜５０と略同心円状に配置されている。電極５１ａの外周縁には、拡径方向に突出する端子部５１０ａが形成されている。端子部５１０ａは矩形板状を呈している。同様に、電極５１ｂの外周縁には、拡径方向に突出する端子部５１０ｂが形成されている。端子部５１０ｂは矩形板状を呈している。端子部５１０ｂは、端子部５１０ａに対して、１８０°対向する位置に配置されている。端子部５１０ａ、５１０ｂは、各々、導線を介して電源６に接続されている。
【００７０】
電極５１ａ、５１ｂ間に電圧を印加すると、電極５１ａ、５１ｂ間に静電引力が生じて、誘電膜５０を圧縮する。これにより、誘電膜５０の厚さは薄くなり、拡径方向に伸長する。この時、電極５１ａ、５１ｂも、誘電膜５０と一体となって拡径方向に伸長する。電極５１ａには、予め、マーカー７０が取り付けられている。マーカー７０の変位を、変位計７により測定し、アクチュエータ５の変位量とした。
【００７１】
（２）アクチュエータの変位量測定結果
実施例１、２および比較例１〜３のアクチュエータについて、各々、印加電圧に対する変位量を測定した（周波数１Ｈｚ）。図１５に、各アクチュエータの印加電圧に対する変位率を示す。ここで、縦軸の「変位率（％）」は、電圧を印加しない状態（初期状態）に対する変位量の割合であって、次式（２）により算出した値である。
変位率（％）＝（変位量／電極の半径）×１００・・・（２）
【００７２】
図１５に示すように、実施例１、２のアクチュエータによると、比較例１〜３のアクチュエータと比較して、同じ電圧を印加した場合に、より大きな変位量が得られた。つまり、実施例１、２のアクチュエータによると、所望の変位量を得ようとした場合に、印加電圧をより低電圧化できることがわかる。このように、導電材の濃度分布を有する実施例１、２の電極によると、導電性および誘電膜への追従性の両方に優れるため、変位量の大きなアクチュエータを構成できることが確認された。特に、実施例２の電極によると、伸長時においても導電性が低下しにくいため（前出図１２参照）、より大きな変位量が得られる。なお、前出図１１に示したように、比較例２の電極は、導電性は高いが弾性率が高く（硬く）もろいため、誘電膜への追従性に劣ると考えられる。また、比較例１の電極は、弾性率が低く（軟らかく）誘電膜への追従性は良好であるが、導電性が不足していると考えられる。
【００７３】
また、図１６に、各アクチュエータにおける変位量の周波数特性を示す。図１６中、縦軸の「減少率（％）」は、周波数１Ｈｚの時の変位量を１００％とした時の各変位量の割合である。図１６に示すように、いずれのアクチュエータにおいても、周波数が高くなると変位量は小さくなった。しかし、実施例１、２のアクチュエータでは、比較例１〜３のアクチュエータと比較して、変位量の減少が小さくなった。特に、実施例２のアクチュエータでは、伸長時においても電極の導電性が低下しにくいため（前出図１２、実施例２参照）、高周波数における変位量減少の抑制効果が大きい。なお、比較例２のアクチュエータでは、電極の導電性が高いため、変位量の減少は小さかった。しかし、もともとの変位量が小さいため（前出図１５参照）、優れているとはいえない。また、比較例１のアクチュエータでは、電極の導電性が低いため、変位量の減少が大きく、高周波数領域には対応できない。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の柔軟電極は、高分子材料を利用したアクチュエータ、センサ等、電極に導電性と柔軟性との両方が要求される様々な素子に好適である。また、本発明のアクチュエータは、モータ等機械式アクチュエータおよび圧電素子アクチュエータ等のすべてのアクチュエータの代替として利用することができる。例えば、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉、電子部品冷却用や医療用等の小型ポンプ、医療用器具等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第一実施形態のアクチュエータの断面図である。
【図２】図１の円ＩＩ内の拡大図である。
【図３】同アクチュエータのオン状態における断面図である。
【図４】図３の円ＩＶ内の拡大図である。
【図５】本発明の第二実施形態のアクチュエータのオフ状態における柔軟電極の拡大図である。
【図６】同アクチュエータのオン状態における柔軟電極の拡大図である。
【図７】第三実施形態のアクチュエータのオフ状態における柔軟電極の拡大図である。
【図８】同アクチュエータのオン状態における柔軟電極の拡大図である。
【図９】第四実施形態のアクチュエータのオフ状態における柔軟電極の拡大図である。
【図１０】同アクチュエータのオン状態における柔軟電極の拡大図である。
【図１１】実施例および比較例の各電極について、弾性率と体積抵抗率との関係を示すグラフである。
【図１２】実施例および比較例の各電極の伸びに対する体積抵抗率の変化を示すグラフである。
【図１３】変位量測定用のアクチュエータの上面図である。
【図１４】図１３中のＸＩＶ−ＸＩＶ断面図である。
【図１５】実施例および比較例の各アクチュエータの印加電圧に対する変位率を示すグラフである。
【図１６】実施例および比較例の各アクチュエータにおける変位量の周波数特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
１：アクチュエータ  ２：柔軟電極  ３：誘電膜
２０：高導電層  ２００：母材  ２０１：導電材
２１：柔軟層  ２１０：母材  ２１１：導電材
２２：母材  ２３：導電材  ２４：導電膜
５：アクチュエータ  ５０：誘電膜  ５１ａ、５１ｂ：電極
５１０ａ、５１０ｂ：端子部  ６：電源  ７：変位計  ７０：マーカー
Ｆ：接合界面  Ｐ：導電パス  Ｓ：スイッチ  Ｖ：電源
【図１】
0005186160.tif 000002
【図２】
0005186160.tif 000003
【図３】
0005186160.tif 000004
【図４】
0005186160.tif 000005
【図５】
0005186160.tif 000006
【図６】
0005186160.tif 000007
【図７】
0005186160.tif 000008
【図８】
0005186160.tif 000009
【図９】
0005186160.tif 000010
【図１０】
0005186160.tif 000011
【図１１】
0005186160.tif 000012
【図１２】
0005186160.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
0005186160.tif 000015
【図１５】
0005186160.tif 000016
【図１６】
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