(57)【要約】【課題】電歪アクチュエータの製造方法において、電歪ポリマを全方向に均等ストレッチするための具体的工法を実現し、応力集中などの破損原因を排除して、頑健なアクチュエータ構造を得る。【解決手段】電歪アクチュエータの製造方法において、表面又は表裏面に電極２を付着させた電歪薄膜１を、その上下面から１組の支持マスク３で挟持し、筒状のチャンバー部材４の開口面上に取り付ける工程と、前記工程の後に、電歪薄膜１を凸状に変形させた状態で、電歪薄膜の上下面から電歪薄膜を１組のリング体５で挟持することにより、電歪薄膜１とリング体５とを一体に固定して電歪薄膜１を支持させる工程とを備える。このようにして電歪アクチュエータを製造することにより、電歪薄膜１の応力分布を均等にすることができ、電歪アクチュエータの耐久性を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面又は表裏面に電極を付着させた電歪薄膜を、その上下面から１組の支持マスクで挟持し、筒状のチャンバー部材の開口面上に取り付ける工程と、
前記工程の後に、電歪薄膜を凸状に変形させた状態で、電歪薄膜の上下面から電歪薄膜を１組のリング体で挟持することにより、電歪薄膜とリング体とを一体に固定して電歪薄膜を支持させる工程と、を備えたことを特徴とする電歪アクチュエータの製造方法。
【請求項２】
表面又は表裏面に電極を付着させた電歪薄膜を複数枚積層させたことを特徴とする請求項１に記載の電歪アクチュエータの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の製造方法によって製造された電歪アクチュエータを複数個積み重ねることにより、電歪薄膜を積層することを特徴とする電歪アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
電歪薄膜の各々の厚さが異なることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電歪アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
電歪薄膜の各々の残留引張り応力が異なることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の電歪アクチュエータの製造方法。
【請求項６】
電歪薄膜の各々のヤング率が異なることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の電歪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、電気エネルギを機械エネルギへと変換する電歪アクチュエータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の電歪アクチュエータは、電歪ポリマ人工筋肉（ＥＰＡＭ：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ａｒｔｉｆｉｃａｌ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）、その他のアクチュエータとして適用される。以下に、図１０及び図１１を参照して上記電歪ポリマ人工筋肉の原理について概説する。
【０００３】
図１０（ａ）に示すように、電歪ポリマ人工筋肉１００は、電気に反応して変形する電場応答性高分子（ＥＡＰ：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）を材質とする電歪薄膜１０１の上下面に２枚の薄膜柔軟電極１０２を挟持させることにより形成される。
【０００４】
上記電歪薄膜１０１は、強い電場の中に置かれると、電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向に膨張する。従って、上記電極１０２に電圧１０３をかけると、一方の電極にはプラスの電荷が、反対側の電極にはマイナスの電荷が蓄えられる。その結果、図１０（ｂ）に示されるように、電極間に静電引力が生じ、この力によって電歪薄膜１０１が押しつぶされ、面方向に膨張する。
【０００５】
このような電歪ポリマ人工筋肉１００を、図１１（ａ）に示されるように、高圧状態で密閉されたタンク１０４の一部に配置した構成とする。そして、電極に電圧１０３をかけると、図１１（ｂ）に示されるように、電歪ポリマ人工筋肉１００の面積が拡大し、それに伴ってタンク１０４の体積が拡大する方向へと電歪ポリマ人工筋肉１００が押し出される。かかる電歪ポリマ人工筋肉１００が高速・高収縮性を両立するためには、耐久性があり、変形の大きな電歪アクチェータの製造が望まれる。
【０００６】
電歪ポリマのような、電気エネルギを機械エネルギへと変換するデバイスは、上記用途の他にも、液体噴射ヘッド、マイクロポンプ、スピーカ等の駆動素子として用いられている。例えば、特許文献１に示されるように、電歪ポリマを材質として形成されたフィルムをアパーチャに固定させ、フィルムの変形に連動してアパーチャが移動することにより、光の減衰量を調整する光減衰器がある。上記光減衰器は、安価な材料と単純な構成で光の減衰量を電気信号で可変することができ、上記文献には、その製造方法の例が示されている。また、特許文献２に示されるように、電気エネルギを機械エネルギへと変換する電気活性ポリマとそのポリマについての様々な使用態様及びそれらの製造に関する技術が知られている。
【０００７】
その他に、高分子素材の伸縮・変形性を利用した高分子構造体の加工・製造方法が提案されている。例えば、特許文献３に示されるように、予め着色層を印刷した伸縮性フィルムとプラスチックレンズとを凹凸形状の押圧具で挟持し、加熱・押圧することにより、プラスチックレンズに着色層を転写する方法や、特許文献４に示されるように、有機材料膜に予め所定の湾曲状態を与えておく工程を備えた回折光学素子の製造方法が知られている。
【特許文献１】特開２００３−１９５１９０号公報
【特許文献２】特表２００３−５０５８６５号公報
【特許文献３】特開２０００−９９０５号公報
【特許文献４】特開２００４−２０８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に示されるポリマーフィルムは、全方向に延伸することが理想であるが、特許文献１によれば、８方向以上という記載に留まっており、具体的な実現手段が示されていない。また、特許文献２においても、ポリマをストレッチさせた後に電極を付与したものであり、電極形成後のストレッチ工程を記載したものではない。
【０００９】
更に、特許文献３は、伸縮性フィルムが押圧により均一に伸びるという性質を利用したプラスチックレンズの染色方法を記述したものであって、圧電状態で使用され、応力分布が均等な高分子膜の製造方法を提案するものではない。また、特許文献４に示された回折光学素子の製造方法において、有機材料膜を予め湾曲状態とする工程を設けた理由は、有機材料膜が熱収縮により湾曲状態となることを矯正するためであり、均等に伸縮する高分子膜の製造を目的としたものではない。
【００１０】
そこで、本発明は、ポリマを全方向に均等ストレッチするための具体的工法を実現し、応力集中などの破損原因を排除して、頑健なアクチュエータ構造を得ることが可能な電歪アクチュエータの製造方法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】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、電歪アクチュエータの製造方法において、表面又は表裏面に電極を付着させた電歪薄膜を、その上下面から１組の支持マスクで挟持し、筒状のチャンバー部材の開口面上に取り付ける工程と、前記工程の後に、電歪薄膜を凸状に変形させた状態で、電歪薄膜の上下面から電歪薄膜を１組のリング体で挟持することにより、電歪薄膜とリング体とを一体に固定して電歪薄膜を支持させる工程と、を備えたものである。
【００１２】
請求項２は、請求項１に記載の電歪アクチュエータの製造方法において、表面又は表裏面に電極を付着させた電歪薄膜を複数枚積層させることにより、積層電歪アクチュエータを製造する工程を備えたものである。
【００１３】
請求項３は、請求項１又は請求項２に記載の製造方法によって製造された電歪アクチュエータを複数個積み重ねることにより、電積層電歪アクチュエータを製造する工程を備えたものである。
【００１４】
請求項４は、請求項２又は請求項３に記載の電歪アクチュエータの製造方法であって、各々の厚さが異なる電歪薄膜を積層させる工程を備えたものである。
【００１５】
請求項５は、請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の電歪アクチュエータの製造方法であって、各々の残留引張り応力が異なる電歪薄膜を積層させる工程を備えたものである。
【００１６】
請求項６は、請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の電歪アクチュエータの製造方法であって、各々のヤング率が異なる電歪薄膜を積層させる工程を備えたものである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明によれば、その製造工程において、電歪薄膜が凸状に変形させた状態で固定されるので、電歪薄膜の応力分布を均等にすることができる。これにより、電歪アクチュエータの耐久性を向上させることができる。
【００１８】
請求項２の発明によれば、応力分布が均等な電歪薄膜が複数できるので、一枚当りの電歪薄膜の厚みを薄くすることによって駆動電圧が低電圧で、変形の大きな電歪アクチュエータを製造することができる。また、積層により、断面積が拡大され、大きな出力を発揮することができる。
【００１９】
請求項３の発明によれば、応力分布が均等な電歪薄膜が複数できるので、一枚当りの電歪薄膜の厚みを薄くすることによって駆動電圧が低電圧で、変形の大きな電歪アクチュエータを製造することができる。
【００２０】
請求項４乃至請求項６の発明によれば、例えば、上部の電歪薄膜の変形を大きくして、下部の電歪薄膜の変形を上部の電歪薄膜に比べて小さくすることで、膜全体としての変形を大きくすることができる。また、電歪薄膜を複数積層させているため、駆動電圧が低電圧で、大きな出力を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の第１の実施形態に係る電歪アクチュエータの製造方法について、図１乃至図３を参照して説明する。まず、図１（ａ）（ｂ）に示されるように、電歪薄膜１（電歪ポリマからなる）の表面又は表裏面に電極２（導電グリスからなる）を付着させ、電極パターンを形成する。そして、図１（ｃ）（ｄ）に示されるように、電歪薄膜１の上下面から１組の支持マスク３で電歪薄膜１を挟持し、この電歪薄膜１を筒状チャンバー部材４の開口面上にこれを取り付ける。支持マスク３は、電歪薄膜１の変形領域を均一に変形させるために、膜全体を固定する治具である。
【００２２】
その後、図１（ｅ）及び図２に示されるように、例えば、チャンバー部材４内を正圧とする等の方法により、電歪薄膜１を凸状に変形させ、この状態で、電歪薄膜１の上下面から電歪薄膜１を１組の樹脂材等で成るリング体５で挟持し、接着剤等を用いて一体に固定する。その後、図３に示されるように、リング体５の外周に沿って電歪薄膜１のバリ取りを行い、電極２から導出させた導線６を配置して、電歪アクチュエータ７が製造される。このようにして製造することにより、電歪薄膜１の応力分布が均等になるので、電歪アクチュエータ７の耐久性が向上する。なお、電歪薄膜１を変形させる工程においては、チャンバー部材４内を負圧としても良く、電歪アクチュエータの用途に応じた製造工程を用いることができる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る電歪アクチュエータの製造方法について、図４（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明する。まず、図４（ａ）に示されるように、表裏両面に電極２を付着させた電歪薄膜１を形成し、その上に、表面に電極２を付着させた電歪薄膜１を複数枚積み重ねる。この際、図４（ｂ）に示されるように、導電経路を確保するため、電極２のパターンの向きを交互に変えて積層させる。
【００２４】
次に、図４（ｃ）（ｄ）に示されるように、積層された電歪薄膜１（以下、積層電歪薄膜８という。）はプレスされた後、平面方向に延伸される。なお、本実施形態においては、積層電歪薄膜８を平面方向へと延伸させることにより、電歪薄膜を変形状態にする工程について示したが、上記第１の実施形態と同じく、積層電歪薄膜８に筒状チャンバー部材を取り付けて、凸状に変形させる工程を用いることも可能である。
【００２５】
続いて、図４（ｅ）乃至（ｆ）に示されるように、積層電歪薄膜８の上下から樹脂フレーム９で積層電歪薄膜８を挟持し、接着剤等を用いて一体に固定し、その後、樹脂フレーム９の外周に沿ってバリ取りを行う。更に、図４（ｇ）に示されるように、電極となるアルミテープ１０及び導線６を積層電歪薄膜８の側面に配置することにより、積層電歪アクチュエータ１１が製造される。このような製造方法により、応力分布が均等な電歪薄膜を得ることができるので、駆動電圧が低電圧でも変形の大きな電歪アクチュエータを得ることができる。また、積層により断面積が拡大され、大きな出力を発揮することができる。
【００２６】
また、図５（ａ）に示されるように、電歪薄膜１の表面に、図５（ｂ）に示されるように、スプレ１２ａを用いて、導電グリス２aを噴霧することにより、電歪薄膜１の表面に電極２を付着させることもできる。更に、電極２を付着させた電歪薄膜１の表面に、スプレ１２ｂを用いて電歪ポリマ１ａを噴霧することにより、新たな電歪薄膜１を形成することができる。上記のようにして形成された電歪薄膜を積層させることにより、図５（ｃ）に示されるように、積層電歪薄膜８を形成することもできる。
【００２７】
次に、本発明の第３の実施形態に係る電歪アクチュエータの製造方法について、図６（ａ）乃至（ｃ）を参照して説明する。図６（ａ）に示されるように、上述した製造方法によって製造された電歪アクチュエータ７又は積層電歪アクチュエータ１１を延伸させた状態で複数個積み重ねる。この際に、電歪アクチュエータ７又は積層電歪アクチュエータ１１は、下段から上段へと直径の小さい順に積層させる。また、電歪アクチュエータ７又は積層電歪アクチュエータ１１を固定する樹脂フレーム９は、二重のリング体形状であり、アクチュエータの外周線部を挟み込んでいる。このようにして、複数枚の電歪薄膜を積層させ、密着させる。その後、図６（ｂ）に示されるように、積層させた電歪アクチュエータ７又は積層電歪アクチュエータ１１は、それらの上下面から１組のリング体５で挟持される。そして、図６（ｃ）に示されるように、積層させた電歪アクチュエータ７又は積層電歪アクチュエータ１１を一体に固定し、リング体５の外周に沿ってバリ取りを行う。なお、図６（ｃ）は縮尺を拡大して示している。上記工程により、応力分布が均等な電歪薄膜を複数枚有する電歪アクチュエータ１３を製造することができ、駆動電圧が低電圧で、変形の大きな電歪アクチュエータが得られる。
【００２８】
次に、本発明の第４乃至第６の実施形態に係る電歪アクチュエータの製造方法について、図７乃至図９を参照して説明する。まず、第４の実施形態は、上記の積層電歪アクチュエータの製造方法において、各々の厚さが異なる電歪薄膜を複数枚積層させるものである。例えば、図７（ａ）に示されるように、上段には薄い電歪薄膜１４ａが、下段には上段よりも厚い電歪薄膜１４ｂが配置される。
【００２９】
なお、電歪薄膜の収縮により生じる力（Ｆ）は、次式により表される。ここで、Ｖは入力電圧を、ｄは圧電定数を、Ａは電歪薄膜の断面積を、ｔは電歪薄膜の厚さをいう。
【００３０】
【数１】
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【００３１】
すなわち、電歪薄膜の収縮により生じる力（Ｆ）は、入力電圧（Ｖ）に比例し、電歪薄膜の厚さ（ｔ）に反比例する。従って、上段に薄い電歪薄膜１４ａを、下段に厚い電歪薄膜１４ｂを配置した積層の電歪薄膜に電圧１５を印加すると、図７（ｂ）に示されるように、上段の電歪薄膜１４ａには、下段の電歪薄膜１４ｂよりも大きな収縮力が生じ、上段の電歪薄膜１４ａの変形は、下段の電歪薄膜１４ｂの変形よりも大きくなる。結果として、本実施形態により製造された電歪アクチュエータは、膜全体としての変形が大きくなる。
【００３２】
本発明の第５の実施形態は、上記の積層電歪アクチュエータの製造方法において、各々の残留引張り応力が異なる電歪薄膜を複数枚積層させるものである。例えば、図８（ａ）に示されるように、上段に残留引張り応力の小さい電歪薄膜１４ｃが、下段に残留引張り応力の大きい電歪薄膜１４ｄが配置される。一般に、残留引張り応力の大きい物体に力が加えられた場合、物体に残留する応力と加えられた力とが相殺される。そのため、残留引張り応力の大きい物体は変形し難い性質を有する。従って、上段に残留引張り応力の小さい電歪薄膜１４ｃを、下段に残留引張り応力の大きい電歪薄膜１４ｄを配置した積層の電歪薄膜に電圧１５を印加すると、図８（ｂ）に示されるように、上段の電歪薄膜１４ｃの変形が、下段の電歪薄膜１４ｄの変形よりも大きくなる。結果として、本実施形態により製造された電歪アクチュエータは、膜全体としての変形が大きくなる。
【００３３】
本発明の第６の実施形態は、上記の積層電歪アクチュエータの製造方法において、各々のヤング率が異なる電歪薄膜を複数枚積層させるものである。例えば、図９（ａ）に示されるように、上段にヤング率の低い電歪薄膜１４ｅを、上段にヤング率の高い電歪薄膜１４ｆが配置される。一般に、ヤング率の高い固体は変形され難く、ヤング率の低い固体は変形され易い。従って、上段にヤング率の低い電歪薄膜１４ｅを、上段にヤング率の高い電歪薄膜１４ｆを配置した積層の電歪薄膜に電圧１５を印加すると、図９（ｂ）に示されるように、上段の電歪薄膜１４ｅは、下段の電歪薄膜１４ｆよりも、大きく変形する。結果として、本実施形態により製造された電歪アクチュエータは、膜全体としての変形が大きくなる。
【００３４】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、種々の変形が可能であり、電歪ポリマを全方向に均等に延伸させることで応力集中等の破損原因を排除し得る工程であれば適宜に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】（ａ）乃至（ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る電歪アクチュエータの製造方法のステップを示す図。
【図２】同上の電歪アクチュエータの製造工程において、電歪薄膜を凸状に変形させた状態の縦断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る製造方法で製造された電歪アクチュエータの構成を示す斜視図。
【図４】（ａ）乃至（ｇ）は、本発明の第２の実施形態に係る積層電歪アクチュエータの製造方法のステップを示す図。
【図５】同上方法においてスプレによる電歪薄膜及び電極を積層させる積層電歪アクチュエータの製造方法のステップを示す図。
【図６】（ａ）乃至（ｇ）は、本発明の第３の実施形態に係る積層電歪アクチュエータの製造方法のステップを示す図。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施形態に係る積層電歪アクチュエータの製造方法のステップを示す図。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る積層電歪アクチュエータの製造方法のステップを示す図。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第６の実施形態に係る積層電歪アクチュエータの製造方法のステップを示す図。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、電歪薄膜が電極間の静電引力により伸縮する様子を表した図。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、電歪ポリマ人工筋肉を模した図。
【符号の説明】
【００３６】
１    電歪薄膜
２    電極
３    支持マスク
４    筒状のチャンバー部材
５    リング体
６    導線
７    請求項１の発明に係る製造方法により製造される電歪アクチュエータ
８    積層電歪薄膜
９    樹脂フレーム
１１    請求項２の発明に係る製造方法により製造される積層電歪アクチュエータ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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