誘電エラストマー

誘電性エラストマー （ゆうでんせいエラストマー）は、電場により大きなひずみ（400%を超える）を生成するエラストマーである。マクスウェル応力を利用して電気エネルギーを直接運動エネルギーに変換することができる。誘電性エラストマーは、軽量で高い弾性エネルギー密度を持つ。誘電性エラストマーの電場駆動では、電流値はnAからμAの範囲で、熱損失がほとんどない。駆動電場は高い（数千ボルト）が、エネルギー効率は高い。現在のところ、大変形を誘起するのに適している。逆に外部から力を加えて変形させ、発電に使用されることもある。実際に運動量として取り出す機構については今も研究中であり、様々な構想が存在する。

原理

誘電性エラストマーは二枚の電極に挟まれている柔らかいコンデンサーである。 電圧$U$が印加されると、クーロン力により$p_{el}$ が生じる。したがってエラストマーは圧縮される。静電気力$p_{el}$の二倍である電極間圧力$p_{eq}$は、次式で求められる。

$p_{eq}=\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}{\frac {U^{2}}{z^{2}}}$

ここで$\varepsilon _{0}$は真空の誘電率。$\varepsilon _{r}$はエラストマーの誘電率。$z$はエラストマーフィルムの厚さ。

材料

エラストマー材料はシリコン系かアクリル系が使われることが多い。要件は以下のとおり。

• 材料は低剛性である必要がある（大きな歪みを生むため）
• 誘電率が高くなければならない
• 絶縁破壊強度が高い

また、電極はエラストマーと常に接触している必要がある。電極は（金属電極、黒鉛粉末、シリコーンオイルとグラファイト混合物）などが用いられる。

機構

• 額内面型アクチュエータ

二つの電極を誘電性エラストマーでコーティングしたもの。典型的には額縁様構造物でフィルムの周りを支持する。例として拡大する円。積層することもある。

• 円筒アクチュエータ

コーティングされたエラストマーフィルムを円筒に巻き付けたもの。電圧を印加すると軸方向に力がかかり、伸張する。円筒アクチュエータは圧縮バネに巻き付けたり、あるいはコア無しでも用いることができる。円筒アクチュエータはマイクロロボットや弁に使われる。

• ダイヤフラムアクチュエータ

平面的な構造として作られるが、z軸方向に力がかかる。一般的なダイヤフラムの膜自身がアクチュエータとして機能する。

• シェル型アクチュエータ

エラストマーフィルムの特定の場所に複数の電極を取り付けたアクチュエータ。電圧を加えるとフィルムは複雑な三次元構造をとる。空気や水を介して車両の推進などに用いることができる。例えば飛行船など。

• 積層アクチュエータ

面型アクチュエータを積層することで変形と力を大きくすることが出来る。特に短縮アクチュエータを造ることが出来る。

• 厚みアクチュエータ

力と変位がz方向にかかるアクチュエータ。通常、z方向の変位を増加させるために積層されている平坦な膜である。

関連項目

• エラストマー
• 人工筋肉

外部リンク

• 平井利博 (2008年7月22日). “進化する人工筋肉―ロボット、人工臓器、医療まで―” (PDF). 国際科学技術財団講演. 2012年9月6日閲覧。