技術 ゲルアクチュエータ及びこれに用いるゲル

0001

本出願はゲルアクチュエータ及びこれに用いるゲルに関する。

0002

ポリ塩化ビニル（PVC)から形成したゲルは、電場を印加すると変形するという作用を有することから、この作用を利用したアクチュエータが提案されている。
図１１は、屈曲型ゲルアクチュエータの屈曲作用を示す。図１１（ａ）は、平板状に形成したゲル５の両面に、ゲル５の一端側を電極端から延出させて正極６ａと負極６ｂを配した状態を示す。図１１（ｂ）は、正極６ａと負極６bとの間に電圧を印加した状態である。

0003

正極６ａと負極６ｂとの間に電圧を印加すると、負極６ｂからゲル５に電荷が注入され、正極６ａ側に移動した電荷は、正極６ａと放電する前に正極６ａの付近に蓄積され、ゲル５を正極６ａの付近に静電的に付着させる作用をなす。
ゲル５の変形は単純な屈曲ではなく、クリープ変形によって誘発されたものであり、正極６ａの先端にゲル５が集中する変形となる。電場を除去すると放電によって電荷がなくなるからゲル５が正極６ａに粘着する作用が消失し、ゲル５は本来備わっている弾性によって元の状態に復帰する（図１１（ａ））。この屈曲変形は電圧のON-OFFにともなって生じるから、この変形作用を利用してアクチュエータを形成することができる。

0004

図１２（ａ）、（ｂ）は、メッシュ状の電極を正極７ａとし、ゲル５の下面に配した負極７ｂと正極７ａとの間に電圧を印加したときの作用を示す。図１２（ｂ）は電圧を印加した状態である。電圧を印加すると、ゲル５はクリープ変形により正極７ａのメッシュの空隙内に入り込み、空隙内にゲル５が入り込むことによりゲルアクチュエータの厚さが全体として薄くなり、電圧をOFFにするとゲル５は元に戻る。このように、正極７ａと負極７ｂとの間の電圧をON-OFFすることにより、ゲルアクチュエータ全体として厚さ方向に膨縮する作用が生じるから、この膨縮作用を利用してアクチュエータを構成することができる。

0005

特開２００９−２７３２０４号公報

0006

日本ロボット学会誌Vol.27,No.7,pp.718〜724,2009

0007

上述したメッシュ状の正極を備えるアクチュエータは、電極とゲルとを交互に積み重ねる構造とすることによって所要の変位量（ストローク）を得ることが可能であり、また、比較的大きな加圧力（作用力）を得ることができ、数Hz〜数十Hz程度の周期的な駆動が可能であるという利点がある。
しかしながら、メッシュ状の正極は、ゲルが入り込む空間を確保するためでもあるから、ある程度の太さの線を使用してスペースを確保する必要があり、このために素子が重くなるという問題や、剛性が高くなって柔軟性が阻害されるという問題があった。

0008

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、正極にメッシュ状の電極を使用せずに、厚さ方向に収縮することを可能にするゲルと、このゲルを用いたゲルアクチュエータを提供することを目的とする。

0009

本出願に係るゲルアクチュエータは、誘電性高分子材料からなる突部を備えるゲルと、前記突部の頂部に接して配される正極と、該正極に対し、前記突部を高さ方向に挟む位置に配される負極とを備えることを特徴とする。誘電性高分子材料からなる突部は、正極と負極との間に電圧を印加することにより、負極側に吸着されるようにクリープ変形し、正極と負極との間隔を収縮させ、正極と負極との間に印加する電圧を解除すると、誘電性高分子材料自体の弾性により、元の状態に復帰する作用をなす。
前記ゲルアクチュエータは、前記正極と負極とを層間において電気的に絶縁する配置として、複数個、積層して積層形のゲルアクチュエータとして構成することができる。

0010

また、前記ゲルアクチュエータは、前記ゲルが、誘電性高分子材料からなるシート部の一方の面に前記突部が形成され、前記負極が、前記シート部の前記突部を設けた面とは反対面に配された構成とすることができる。
また、前記ゲルアクチュエータは、前記ゲルが、誘電性高分子材料からなるシート部の一方の面に前記突部が形成され、前記シート部に前記負極が埋設された負極付きのゲルとして形成されていること、また、前記ゲルが、誘電性高分子材料からなるシート部の両面に前記突部が形成され、前記シート部に前記負極が埋設された負極付きのゲルとして形成されていることによって、容易に組み立て可能であり、容易に積層形のゲルアクチュエータとして構成することができる。

0011

また、前記ゲルアクチュエータに用いられるゲルとして、誘電性高分子材料からなるシート部の一方の面に前記突部が形成され、前記シート部に前記負極が埋設された構成を備えるもの、また、誘電性高分子材料からなるシート部の両面に前記突部が形成され、前記シート部に前記負極が埋設された構成を備えるものが有効に用いられる。

0012

本発明に係るゲルアクチュエータ及びゲルは、メッシュ状の電極を使用することなく、ゲルのクリープ変形を利用して、正極と陰極間に印加する電圧をON-OFFすることにより、厚さ方向に収縮（膨縮）する作用をなし、この作用を利用してアクチュエータを構成することができる。ゲル自体の変形により収縮作用をなすから、素子の小型化、軽量化を図ることができる。

0013

ゲルアクチュエータに用いるゲルの構成を示す断面図である。
ゲルの製造に用いる成形型の断面図である。
ゲルアクチュエータの構成とその作用を示す説明図である。
ゲルアクチュエータの変位特性についての測定結果を示すグラフである。
印加電圧を変えて変位特性を測定した結果を示すグラフである。
ゲルアクチュエータの発生力の測定結果を示すグラフである。
印加電圧を変えてゲルアクチュエータの発生力を測定した結果を示すグラフである。
ゲルアクチュエータの応答特性を測定した結果を示すグラフである。
積層形のゲルアクチュエータの構成とその作用を示す説明図である。
積層形のゲルアクチュエータの構成とその作用を示す説明図である。
屈曲型ゲルアクチュエータの屈曲作用を示す説明図である。
メッシュ状の電極によるゲルアクチュエータの作用を示す説明図である。

0014

（ゲルの構成例）
本発明に係るゲルアクチュエータは、正極と負極とでゲルを厚さ方向に挟み、正極と負極との間に電圧を印加した際に、ゲルが厚さ方向に収縮する作用を利用して構成される。本発明に係るゲルアクチュエータに用いるゲルは、全体形状が平板状に形成され表面に多数個の突部を形成したことを特徴とする。正極はゲルの表面に形成された突部の頂部に接触するように配置し、負極は突部を設けた面とは反対側の面に配置する。

0015

図１は、本発明に係るゲルアクチュエータに用いるゲル１０の例を示す。
図１（ａ）に示したゲル１０は、ゲルの基部をなすシート部１０ｂの一方の面に、多数個の突部１０ａが形成されたものである。突部１０ａはシート部１０ｂ上に等間隔で、同一の高さに形成されている。図示例のゲル１０の突部１０ａは、頂部が半球状となる円柱体に形成しているが、突部１０ａの形状は、円錐、円錐台、角錐、角錐台、球状、半球状等の任意の形状に設定できる。また、突部１０ａの高さ、幅（径）、配置間隔（配置密度）も限定されるものではない。また、シート部１０ｂの厚さ、大きさ等も適宜設定することができ、シート部１０ｂの平面形状も、円形、円環状、四角形、六角形等の任意の形状とすることができる。

0016

図１（ｂ）は、突部１０ａを支持するシート部１０ｂにあらかじめ負極２０を埋設した、いわば負極付きのゲルの例を示す。この負極付きのゲル１１を用いてゲルアクチュエータとするには、ゲル１１の突部１０ａを設けた側に突部１０ａの頂部に接するように正極を配置し、正極と負極との間に電圧を印加するようにすればよい。
図１（ａ）に示すゲル１０を用いてゲルアクチュエータにするには、突部１０ａの頂部に接触させて正極を配置し、シート部１０ｂの突部１０ａを設けた側とは反対側の面に負極を接触させる。図１（ａ）に示すゲル１０とくらべて図１（ｂ）に示す負極付きのゲル１１を使用すると、積層形のゲルアクチュエータを容易に形成することができる。

0017

負極２０は、金属箔等の導電材を用いて、突部１０ａが設けられている平面領域の全域にわたって設ける。負極２０は突部１０ａに電場を作用させるものであるから材質や厚さがとくに限定されるものではない。金属箔にかえて、蒸着などの方法により導電層を設けて負極２０とすることもできる。負極２０は、通常はシート部１０ｂの全面に一面に設けるが、負極２０に小孔を設けて突部１０ａに作用させる電場を制御する等の改変を排除するものではない。

0018

図１（ｃ）は、負極付きのゲルの他の例を示したもので、シート部１０ｂの両面に突部１０ａを設けたゲル１２の例である。シート部１０ｂに負極２０を埋設し、シート部１０ｂの両面に突部１０ａを形成する形状とすれば、両面の突部１０ａに電場を作用させる際に負極２０を共通の負極２０として使用することができる。
図１（ｃ）に示す負極付きのゲル１２も、ゲルアクチュエータを積層形に形成することが容易であり、ゲル１２に電場を作用させる電極を層間で共通に使用できるという利点がある。

0019

（ゲルの製造方法）
ゲルアクチュエータに用いるゲルには、電場を作用させることによって屈曲変形やクリープ変形を生じる誘電性高分子材料が使用できる。このような誘電性高分子材料には、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン６、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル等が用いられる。

0020

本実施形態においては、ゲルアクチュエータに用いるゲルの材料としてポリ塩化ビニル（PVC）を使用した。ポリ塩化ビニルは、電場の作用による変形量が大きく、耐久性にすぐれ、取り扱いが容易であるという利点がある。
実際には、PVCに可塑剤としてアジピン酸ジブチル（DBA)を加え、テトラヒドロフラン（THF)を溶媒として完全に溶解してゲル溶液とした後、ゲル溶液をシャーレにキャストし、シャーレを水平にしてゲル溶液の上に成形型をかぶせ、数日間放置してTHFを完全に蒸発させ、乾燥させた後、成形型からゲルを外すことにより突部が形成されたゲルが得られる。

0021

図２に実験で使用したゲルの成形に用いた成形型１５を示す。この成形型１５は、平板状の基材１５ａの一方の面にシート部１０ｂを成形する平面凹部１５ｂを設け、平面凹部１５ｂの底面に突部形成用凹部１５ｃを設けたものである。成形型１５をシャーレにキャストしたゲル溶液の上にのせると（図２の成形型１５を下向きにする）、ゲル溶液が平面凹部１５ｂと突部形成用凹部１５ｃに入り込むから、この状態でゲル化させることによって、突部１０ａを備えるゲルが成形される。
成形型１５には、突部形成用凹部１５ｃの頂部（突部の先端となる部分）と外部とを連通する空気孔１５ｄを設けている。この空気孔１５ｄは、成形型１５をゲル溶液の上にのせた際に、突部形成用凹部１５ｃから空気が抜けるようにし、突部形成用凹部１５ｃの頂部まで確実にゲル溶液が充填されて、突部１０ａが所定形状に成形されるようにするためのものである。

0022

図２に示した成形型１５では、突部形成用凹部１５ｃを円錐状に形成し、突部形成用凹部１５ｃの深さ（突部の高さ）0.8mm、直径2mm、ピッチ（突部の頂部間の間隔）3mmとしている。空気孔１５ｄの孔径は0.3mmである。平面凹部１５ｂの深さ（シート部１０ｂの厚さ）は1mmである。

0023

なお、ゲルの成形に使用する成形型には、ゲルに形成する突部の大きさや形態に合わせて適宜形態の成形型を使用することができる。たとえば、突部形成用の凹部を設けるかわりにメッシュ状の型を用いてゲルに突部を形成することもできる。また、スクリーン印刷などの印刷法によりゲル溶液を塗布することによって突部を形成することも可能である。

0024

後述するゲルアクチュエータの特性の試験には、図１（ｂ）に示す負極付きのゲル１１を使用した。
この負極付きのゲル１１は次のようにして作製した。PVCゲル溶液を10gシャーレにキャストし、数日間放置して乾燥させる（負極の下側のシート部を形成）。次いで、負極となるステンレス箔（厚さ0.01mm）を乾燥させたゲルの上にのせ、その上からゲル溶液を4gキャストし、いったんステンレス箔を固定する。次いで、ステンレス箔の表面に薄く残ったゲルの上にゲル溶液を20gキャストし、その上に図２に示す成形型１５をのせ、乾燥させ、成形型１５からゲルを外して負極２０が埋設されたゲル１１を作製した。

0025

（ゲルの作用）
図３（ａ）、（ｂ）は、図１（ｂ）に示した負極付きのゲル１１に正極３０を配して構成したゲルアクチュエータ４０と、このゲルアクチュエータ４０に電圧を印加した際の作用を示す。
ゲル１１を厚さ方向に収縮させるには、突部１０ａの頂部に正極を接触させ、正極と負極との間に電圧を印加する。図３（ａ）は、ゲル１１の突部１０ａを設けた面に正極３０を配置し、正極３０を突部１０ａに接触させた状態を示す。実際は、ガラス板上に正極３０となるステンレス箔を配置し、突部１０ａを下向きにしてステンレス箔にゲル１１をのせ、突部１０ａの頂部にステンレス箔（正極３０）を接触させた。

0026

図３（ａ）は正極３０と負極２０との間に電圧を印加しない状態、図３（ｂ）は電圧を印加した状態である。正極３０と負極２０との間に電圧を印加すると、電荷が負極２０からゲル１１に注入され、突部１０ａを通って正極３０の付近に電荷が蓄積される。正極３０の付近に電荷が蓄積されると、ゲルが静電的に正極３０側に引き付けられ、突部１０ａがクリープ変形を起こし、正極３０に突部１０ａが付着するように変形する。すなわち、電圧を印加すると、突部１０ａの高さが低くなり、ゲルアクチュエータ４０の厚さは全体として薄くなる（収縮する）。また、電圧の印加を解除すると、放電によって電荷がなくなり、突部１０ａが正極３０に付着する作用が消失し、ゲル自体の弾性によってゲルアクチュエータ４０は元の状態に復帰する。
このように、ゲルアクチュエータ４０の正極３０と負極２０との間に電圧を印加する操作をON-OFFさせる操作を繰り返すことにより、ゲルアクチュエータ４０は厚さ方向に収縮した状態と元の厚さに復帰した状態とを交互に繰り返す。

0027

図３は、図１（ｂ）に示した負極付きのゲル１１を用いたゲルアクチュエータ４０について、正極３０と負極２０との間に電圧を印加した際の作用（動作）を示したものである。図１（ａ）、図１（ｃ）に示したゲル１０、１２についても、正極３０と負極２０間に電圧を作用させることによって同様に作用するゲルアクチュエータを構成することができる。

0028

突部１０ａを備えるゲルを用いて構成するゲルアクチュエータは、正極３０と負極２０との間に電圧を印加した際に、突部１０ａがクリープ変形して負極２０側に付着するようになる作用を利用して収縮するから、この作用を生じさせるゲルであれば任意の形態のゲルを使用することができる。たとえば、負極付きのゲルの形態として、シート部１０ｂに負極２０を埋設させた形態ではなく、シート部１０ｂの一方の面に負極２０を露出させて設け、負極２０上に、じかにゲルからなる突部１０ａを設ける形態とすることもできる。また、シート部１０ｂを設けずに負極２０上、あるいは正極３０上に、じかにゲルからなる突部１０ａを設け、突部１０ａを挟んで対となる電極を配するという構成とすることもできる。

0029

（ゲルアクチュエータの駆動特性）
以下に、図３に示す負極付きのゲル１１を用いたゲルアクチュエータ４０（単層構造）について、駆動特性を調べた結果について述べる。
＜変位特性＞
図４は、ゲルアクチュエータに印加電圧を加えた際に、厚さ方向の変位量がどのように変化するかを測定した結果を示す。この測定結果は、印加電圧を1200[V]とした場合である。ゲルアクチュエータの変位量はレーザー式変位計測器を用いて計測した。電圧を印加した際にゲルアクチュエータが収縮し、電圧印加を解除すると元の厚さに復帰することがわかる。
図５は、図４の実験で使用した試料と同一の試料に対し、印加電圧を600[V]、1200[V]、1800[V]としたときの変位量を示す。
この測定結果は、印加電圧を大きくするにしたがって、変位量が増大することを示している。印加電圧を1800[V]としたときのゲルアクチュエータの変位量は最大0.17[mm]である。この変位量はゲルアクチュエータ全体の厚さの約14%にあたる。

0030

＜発生力＞
ゲルアクチュエータが収縮状態から元の状態に復帰する際に生じる押し出し力（発生力）を測定した。測定は、ゲルアクチュエータに電圧を印加して収縮させた状態から電圧を除去してゲルアクチュエータを膨張させ、そのときの押し出し力を力センサを用いて測定する方法によって行った。
ゲルアクチュエータの試料は、大きさ50[mm]の円板状、ゲルの厚さ（突部を含む）1.15[mm]、正極に厚さ0.01[mm]のステンレス箔を用いたものである。
図６は、印加電圧が1200[V]のときの押し出し力（発生力）を測定した結果を示す。押し出し力として、約350[Pa]が得られた。
図７は、印加電圧によって押し出し力がどのように変化するかを調べた結果を示す。図７は、印加電圧を大きくすることにより、押し出し力が増加することを示す。

0031

＜応答特性＞
図３に示す負極付きのゲルを用いたゲルアクチュエータに電圧900[V]の正弦波を加え、ゲルアクチュエータの応答特性を測定した。印加する正弦波電圧の周波数を0.1〜10[Hz]の間で変化させ、そのときの変位の振幅を測定した。図８は変位のゲイン線図である。-3[dB]になるまでのバンド幅は2[Hz]となっている。この測定結果は、前述したゲルアクチュエータは、印加電圧の周波数が2[Hz]程度であれば、十分に追随することを示す。

0032

（ゲルアクチュエータの他の構成例）
上述した実験において使用したゲルアクチュエータは単一のゲルによって形成した単層構造のものである。ゲルアクチュエータは単層構造として使用することもできるし、単位となるゲルアクチュエータを厚さ方向に積み重ねた積層構造とすることもできる。

0033

図９（ａ）、（ｂ）は、片面に突部１０ａを設けた負極付きのゲル１１（図１（ｂ））を用いて積層形のゲルアクチュエータ５０を構成した例である。このゲルアクチュエータ５０は、積層するゲルの突部１０ａを同じ向きとし、突部１０ａの頂部に正極３０が接するように正極３０を介在させて負極付きのゲル１１を積層して形成している。

0034

ゲルアクチュエータ５０を構成する単位となるゲルアクチュエータ４０ａ、４０ｂの正極３０を電源の正極に接続し、負極２０を電源の負極に接続して電圧を印加する。
図９（ｂ）が電圧を印加している状態である。ゲルアクチュエータ５０に電圧を印加すると、各々のゲルアクチュエータ４０ａ、４０ｂがそれぞれ厚さ方向に収縮し、ゲルアクチュエータ５０全体が厚さ方向に収縮する。ゲルアクチュエータ５０の収縮量（変形量）は各々のゲルアクチュエータ４０ａ、４０ｂの収縮量が重畳されるから、単一のゲルアクチュエータを使用する場合にくらべて、積層形とすることによりゲルアクチュエータの変位量（収縮量）を大きくすることができる。

0035

図１０（ａ）、（ｂ）は、図１（ｃ）に示す、ゲルの両面に突部１０ａを設けた負極付きのゲル１２を用いて形成したゲルアクチュエータ６０の例である。本実施形態のゲルアクチュエータ６０においても、突部１０ａの頂部に正極３０を接触させるように、積層するゲル１２の突部１０ａ間に正極３０を介在させて積層する。
本実施形態のゲルアクチュエータ６０においては、電圧を印加する際に、負極２０がその両側にある突部１０ａに対して共通の電極として作用し、正極３０がその両側にある突部１０ａに対して共通の電極として作用する。

0036

図１０（ｂ）は、ゲルアクチュエータ６０に電圧を印加した状態を示している。単位となるゲルアクチュエータ４０ｃ、４０ｄが厚さ方向に収縮し、ゲルアクチュエータ６０が全体として厚さ方向に収縮する。
本実施形態のゲルアクチュエータ６０は、ゲルの両面に突部１０ａを設けた負極付きのゲルを用いているから、片面に突部１０ａを設けた負極付きのゲルを用いた場合とくらべて、厚さ方向に小型化を図りながら変位量を大きくとることが可能となる。

0037

図９、１１に示したゲルアクチュエータ５０、６０は単位となるゲル１１、１２を２つ積層した例であるが、ゲルアクチュエータの積層数は任意に選択することができる。単位となるゲルアクチュエータの積層数を増やすことによって、ゲルアクチュエータ全体の変位量を大きくすることができる。また、積層構造のゲルアクチュエータとすることにより、ゲルアクチュエータの変位にともなう発生力（押し出し力）を大きくすることもできる。

0038

図９に示すゲルアクチュエータ５０では、シート部１０ｂがゲル１１を層間で積層する際に正極３０と負極２０とを電気的に絶縁する作用を兼ねている。突部１０ａを備えるゲルを積層して積層形のゲルアクチュエータを形成する際には、層間で正極３０と負極２０とが電気的に短絡しないように電気的な絶縁を図る必要がある。ゲル１１のように、絶縁層としてゲルを利用することもできるし、特定の絶縁層を設けてゲルを積層する構成とすることも可能である。

0039

本発明に係るゲルアクチュエータは、突部を備えるゲルを正極と負極とで厚さ方向に挟む配置とし、正極と負極との間に電圧を印加した際に突部が変形する作用を利用するから、正極と負極には金属箔のような薄い導電材を使用することができる。これにより、メッシュ電極を使用する場合とくらべて電極を薄くすることができ、多層にゲルアクチュエータを積層したような場合でも、小型化（薄型化）軽量化を図ることができる。また、ゲルは柔軟性に富んでおり、電極も薄く形成して柔軟性を備えるから、柔軟性が求められる駆動用として有効に利用することが可能である。

0040

１０、１１、１２ゲル
１０ａ 突部
１０ｂシート部
１５成形型
１５ｂ 平面凹部
１５ｃ 突部形成用凹部
１５ｄ空気孔
２０ 負極
３０ 正極
４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄゲルアクチュエータ
５０、６０積層形のゲルアクチュエータ