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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrostriktives Element.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Es ist bekannt, dass dann, wenn zumindest eine Oberfläche eines aus einem Elastomer aufgebauten dielektrischen Films mit einer Elektrode verbunden wird, an die Spannung angelegt wird, der dielektrische Film durch Maxwell-Stress (piezoelektrischen Gegeneffekt) aufgrund von Grenzflächenpolarisierung durch eine elektrostatische Kraft eine Kompressionskraft erhält, und sich in Dickenrichtung kontrahiert und sich in seitlicher Richtung ausdehnt (Richtung orthogonal zur Dickenrichtung). In den letzten Jahren ist daran gedacht worden, als piezoelektrisches Element ein elektrostriktives Element zu verwenden, das einen dielektrischen Film und eine Elektrode aufweist, und das mit diesem Prinzip arbeitet.
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Als ein solches piezoelektrisches Element ist bislang ein solches bekannt geworden, das einen elektrischen Film aufweist, der aus einem Elastomer aufgebaut ist, eine erste Elektrodenschicht, die dehnbar und kontrahierbar ist und auf zumindest einer Oberfläche des dielektrischen Films ausgebildet ist, einen dünnen piezoelektrischen Kristallfilm, der dehnbar und kontrahierbar ist und auf der ersten Filmelektrode ausgebildet ist, sowie eine zweiten Elektrodenschicht, die dehnbar und kontrahierbar ist und auf dem dünnen piezoelektrischen Kristallfilm ausgebildet ist (siehe zum Beispiel
JP 2005-347 364 A ).
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Jedoch hat das piezoelektrische Element einen Nachteil darin, dass der dielektrische Film an einem Abschnitt, der dünner geworden ist und eine Kompressionskraft aufgrund vom Maxwell-Stress aufnimmt, leicht abbrechen könnte, wenn an die erste Elektrodenschicht eine Spannung angelegt wird, weil die erste Elektrodenschicht auf einer Gesamtoberfläche des aus dem Elastomer aufgebauten dielektrischen Films ausgebildet ist. Der Nachteil kann auch in anderen Fällen als der Verwendung des elektrostriktiven Elements als piezoelektrisches Element auftreten.
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Die
DE 600 37 433 T2 zeigt ein elektrostriktives Element, welches aufweist: einen dielektrischen Film, der aus einem Elastomer aufgebaut ist; eine Filmelektrode, die innerhalb eines Umfangsrands von zumindest einer Oberfläche des dielektrischen Films ausgebildet ist, wobei die Filmelektrode dehnbar und kontrahierbar ist, um einer Dehnung und Kontraktion des dielektrischen Films zu folgen; und einen Rahmen, um den dielektrischen Film im gedehnten Zustand zu halten, wobei die Filmelektrode einen Abschnitt mit geringerer Leitfähigkeit aufweist.
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KAAL, William: Dielektrische Elastomer-Stapelaktoren mit gelochten Elektroden für strukturdynamische Anwendungen, Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2014 zeigt einen Schichtaufbau mit gelochten und ungelochten Elektroden im Wechsel.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrostriktives Element anzugeben, das in der Lage ist, ein Abbrechen eines dielektrischen Films zu verhindern, indem dieser Nachteil beseitigt wird.
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Weil der Maxwell-Stress umgekehrt proportional zum Quadrat der Dicke eines dielektrischen Films ist, tritt an einem Abschnitt, der einer größeren Gesamtbelastung als der andere Abschnitt ausgesetzt ist und dünner geworden ist, ein Phänomen auf, das Einzieheffekt genannt wird, worin der Maxwell-Stress exponentiell ansteigt. Daher wird das Abbrechen des dielektrischen Films eines dielektrischen Elements als Ursache dafür angesehen, dass der dielektrische Film aufgrund des Einzieheffekts signifikant dünner wird und die Isoliergrenzspannung niedriger wird als die angelegte Spannung.
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Um diese Aufgabe zu lösen, wird ein elektrostriktives Element gemäß Anspruch 1 und 6 angegeben.
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In dem elektrostriktiven Element gemäß Anspruch 1 weist die Filmelektrode einen Lochabschnitt mit geringerer Leitfähigkeit als andere Abschnitte der Filmelektrode an einem Abschnitt auf, der einer größeren Gesamtbelastung von mechanischer Belastung und elektrischer Belastung als andere Abschnitte des dielektrischen Films ausgesetzt ist, wodurch der Effekt durch den Maxwell-Stress in dem Abschnitt reduziert wird, der einer größeren Gesamtbelastung ausgesetzt wird, und kann der Einzieheffekt eventuell reduziert werden. Daher kann das elektrostriktive Element der vorliegenden Erfindung ein Abbrechen des dielektrischen Films verhindern.
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In dem elektrostriktiven Element der vorliegenden Erfindung kann der Abschnitt des dielektrischen Films, der einer größeren Gesamtbelastung als der andere Abschnitt auszusetzen ist, ein Abschnitt in der Nähe von einem Randabschnitt der Filmelektrode sein.
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Darüber hinaus kann in dem elektrostriktiven Element der vorliegenden Erfindung der Abschnitt mit geringerer Leitfähigkeit als der andere Abschnitt der Filmelektrode durch einen schlitzförmigen Lochabschnitt oder einen punktförmigen Lochabschnitt konfiguriert sein, der auf der Filmelektrode gebildet ist. Der schlitzförmige Lochabschnitt kann, zum Beispiel, radial, konzentrisch oder spiralig im Bezug auf eine Mitte der Filmelektrode vorgesehen sein.
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Darüber hinaus kann in dem elektrostriktiven Element der vorliegenden Erfindung der Abschnitt mit höherer Steifigkeit als der andere Abschnitt der Filmelektrode durch eine Elastomer- oder Kunststoffschicht mit hoher Steifigkeit ausgebildet sein, die durch Beschichten eines Umfangsrandabschnitts der Filmelektrode angeordnet ist.
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Darüber hinaus kann in dem elektrostriktiven Element der vorliegenden Erfindung die Filmelektrode durch eine leitfähige Paste oder ein kohlenstoffartiges Material gebildet sein, das dehnbar und kontrahierbar ist. Die Filmelektrode kann durch Sprühbeschichtung der leitfähigen Paste gebildet werden, aber es ist bevorzugt, sie durch Siebdruck der leitfähigen Paste zu bilden, um Leitfähigkeit wie konstruiert auszubilden.
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Das elektrostriktive Element gemäß Anspruch 6 kann ein Abbrechen jedes dielektrischen Films auch dann verhindern, wenn das elektrostriktive Element einen ersten dielektrischen Film und einen zweiten dielektrischen Film aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Draufsicht eines Konfigurationsbeispiels eines elektrostriktiven Elements;
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2A ist eine Draufsicht eines ersten Aspekts der Anordnung eines schlitzförmigen Lochabschnitts in einem elektrostriktiven Element der vorliegenden Erfindung;
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2B ist eine Draufsicht einer ersten Beispielsvariante von 2A;
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2C ist eine Draufsicht einer zweiten Beispielsvariante von 2A;
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3A ist eine Draufsicht eines zweiten Aspekts der Anordnung eines schlitzförmigen Lochabschnitts in einem elektrostriktiven Element der vorliegenden Erfindung;
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3B ist eine Draufsicht einer Beispielsvariante von 3A;
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4A ist eine Draufsicht einer Anordnung eines punktförmigen Lochabschnitts in einem elektrostriktiven Element der vorliegenden Erfindung;
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4B ist eine Draufsicht einer ersten Beispielsvariante von 4A;
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4C ist eine Draufsicht einer zweiten Beispielsvariante von 4A;
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5 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung einer hochsteifen Elastomerschicht in einem elektrostriktiven Element der vorliegenden Erfindung;
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6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Konfigurationsbeispiels eines elektrostriktiven Elements der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Nun werden Ausführungen der vorliegenden Erfindung im näheren Detail im Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Ein elektrostriktives Element 1 enthält, wie zum Beispiel in 1 gezeigt, einen dielektrischen Film 2, der aus einem Elastomer aufgebaut ist, eine Filmelektrode 3, die innerhalb eines Umfangsrands des dielektrischen Films 2 ausgebildet ist, einen Rahmen 4, um den dielektrischen Film 2 im gedehnten Zustand zu halten, sowie einen Stromsammler 5 zur Stromversorgung der Filmelektrode 3.
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Der dielektrische Film 2 ist aus einem Elastomer aufgebaut, das eine allgemein quadratische Form mit abgerundeten Eckabschnitten 2a hat (zum Beispiel ein Produkt namens VHB4910, hergestellt von 3M Company) und enthält in der Mitte ein Durchgangsloch 2b.
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Die Filmelektrode 3 ist an zumindest einer Oberfläche des dielektrischen Films 2 innerhalb des Rahmens 4 scheiben- bzw. ringförmig ausgebildet. Zusätzlich weist die Filmelektrode 3 zwei Vorsprünge 3a auf, die zur Außenseite hin an Abschnitten vorstehen, die zu den Eckabschnitten 2a des dielektrischen Films 2 weisen, und jeder Vorsprung 3a ist mit einem Stromsammler 5 verbunden, der aus einer Metallfolie wie etwa Kupferfolie aufgebaut ist.
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Die Filmelektrode 3 ist zum Beispiel durch Siebdruck einer leitfähigen Paste gedruckt, und ist dehnbar und kontrahierbar, um einer Dehnung und Kontraktion des dielektrischen Films 2 zu folgen. Die Filmelektrode 3 kann auf beiden Vorder- und Rückseiten des dielektrischen Films 2 vorgesehen sein, und in diesem Fall ist eine Verbindungslinie zwischen den Vorsprüngen 3a, 3a einer Oberfläche orthogonal zu einer Verbindungslinie zwischen den Vorsprüngen 3a, 3a einer Oberfläche an der entgegengesetzten Seite.
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Wenn in dem elektrostriktiven Element 1 über den Stromsammler 5 an den dielektrischen Film eine Spannung angelegt wird, wird der dielektrische Film 2 durch den Maxwell-Stress in Dickenrichtung komprimiert und dehnt sich in lateraler Richtung (Richtung orthogonal zur Dickenrichtung) aus. Da hierbei der Umfangsrand des dielektrischen Films 2 von dem Rahmen 4 gehalten wird, dehnt sich der dielektrische Film 2, aufgrund der Einschränkung der Ausdehnung zur Außenseite, zur Innenseite aus, und steht zur einen Oberflächenseite hin vor, um insgesamt eine hügelartige Form zu bilden.
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Der dielektrische Film 2, der eine allgemein hügelartige Form hat, wird einer größeren Gesamtbelastung von mechanischer Belastung und elektrischer Belastung ausgesetzt als Abschnitte in der Nähe seines Gipfels und seiner Basis, das heißt Abschnitte nahe den Randabschnitten der Filmelektrode 3. Demzufolge wird die Dicke des dielektrischen Films 2 an den Abschnitten in der Nähe des Gipfels und der Basis dünner als an dem anderen Abschnitt, was den Einzieheffekt verursacht, worin der Maxwell-Stress exponentiell ansteigt, und seine Dicke sogar noch dünner wird. Hierdurch besteht für den dielektrischen Film 2 ein Bruchrisiko.
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Daher weist in dem elektrostriktiven Element 1 der Ausführung die Filmelektrode 3 einen Abschnitt mit geringerer Leitfähigkeit oder einen Abschnitt mit höheren Steifigkeit als der andere Abschnitt der Filmelektrode 3 auf, an einem Abschnitt, der einer größeren Gesamtbelastung als der andere Abschnitt ausgesetzt wird, und in der Nähe seines Gipfels und seiner Basis, wenn der dielektrische Film 2 eine allgemein hügelartige Form hat. Somit kann der Effekt vom Maxwell-Stress an dem Abschnitt mit geringerer Leitfähigkeit oder dem Abschnitt mit höherer Steifigkeit im Bezug auf den anderen Abschnitt des dielektrischen Films 2 reduziert werden, kann auch der Einzieheffekt reduziert werden und kann ein Bruch des dielektrischen Films 2 verhindert werden.
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Der Abschnitt mit geringerer Leitfähigkeit als der andere Abschnitt der Filmelektrode 3 kann zum Beispiel ausgebildet werden, indem ein winziger schlitzförmiger oder punktförmiger Lochabschnitt an der Filmelektrode 3 vorgesehen wird.
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Insbesondere kann der Abschnitt mit der geringeren Leitfähigkeit als der andere Abschnitt gebildet werden, wie in 2A gezeigt, indem eine Mehrzahl von winzigen linearen schlitzförmigen Lochabschnitten 6 radial im Bezug auf eine Mitte der Filmelektrode 3 vorgesehen werden (Durchgangsloch 2b des dielektrischen Films 2). Übrigens zeigen die 2A bis 2C, 3A, 3B und 4A bis 4C die Filmelektrode 3, deren Vorsprünge 3a weggelassen sind.
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Falls die linearen schlitzförmigen Lochabschnitte 6 vorgesehen werden, sind sie in 2A über die Gesamtlänge zwischen dem Umfangsrand 3b und dem Innenumfangsrand 3c der Filmelektrode 3 vorgesehen. Jedoch können die schlitzförmigen Lochabschnitte 6 auch nur in der Nähe vom Außenumfangsrand 3b und in der Nähe vom Innenumfangsrand 3c vorgesehen sein, wie in 2B gezeigt, oder sie können nur in der Nähe vom Innenumfangsrand 3c vorgesehen sein, wie in 2C gezeigt.
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Darüber hinaus kann der Abschnitt mit geringerer Leitfähigkeit als der andere Abschnitt, wie in 3A gezeigt, ausgebildet werden, indem eine Mehrzahl von winzigen bogenschlitzförmigen Lochabschnitten 7 vorgesehen werden, die im Bezug auf die Mitte der Filmelektrode 3 konzentrisch sind (Durchgangsloch 2b des dielektrischen Films 2). Die bogenschlitzförmigen Lochabschnitte 7 sind in 3A nur in der Nähe von Innenumfangsrand 3c der Filmelektrode 3 vorgesehen, können aber auch in der Nähe vom Außenumfangsrand 3b und in der Nähe vom Innenumfangsrand 3c vorgesehen werden, wie in 3B gezeigt.
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Ferner kann der Abschnitt mit geringerer Leitfähigkeit als der andere Abschnitt, wie in 4A gezeigt, ausgebildet werden, indem eine Mehrzahl von winzigen punktförmigen Lochabschnitten 8 auf der Filmelektrode 3 vorgesehen werden. Im Falle der punktförmigen Lochabschnitte 8 sind sie in 4A auf einer einzigen Linie in der Nähe vom Außenumfangsrand 3b und Innenumfangsrand 3c der Filmelektrode 3 vorgesehen, sie können aber auch in der Nähe von nur dem Innenumfangsrand 3c vorgesehen sein, wie in 4B gezeigt, und sie können auch auf zwei Linien in der Nähe vom Außenumfangsrand 3b und Innenumfangsrand 3c vorgesehen sein, wie in 4C gezeigt.
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Die Filmelektrode 3, die die schlitzförmigen Lochabschnitte 6, 7 oder punktförmigen Lochabschnitte 8 aufweist, kann zum Beispiel durch Aufbringen einer Maske entsprechend den schlitzförmigen Lochabschnitten 6, 7 oder punktförmigen Lochabschnitten 8 auf dem dielektrischen Film 2 gebildet werden, und Siebdruck einer leitfähigen Paste durch die Maske.
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Andererseits kann der Abschnitt mit höheren Steifigkeit als der andere Abschnitt der Filmelektrode 3, wie in 5 gezeigt, ausgebildet werden, indem auf der Filmelektrode 3 zum Beispiel eine hochsteife Elastomerschicht 9 angeordnet wird, welche den Außenumfangsrand 3b bedeckt. Beispiele eines hochsteifen Elastomers, das die Elastomerschicht 9 darstellt, können Urethangummi und Silikongummi oder dergleichen beinhalten.
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In der Ausführung ist die Elastomerschicht 9 angeordnet, um den Außenumfangsrand 3b der Filmelektrode 3 zu beschichten. Jedoch kann die Elastomerschicht 9 auch angeordnet werden, um den Innenumfangsrand 3c der Filmelektrode 3 zu beschichten, oder kann angeordnet sein, um sowohl den Außenumfangsrand 3b als auch den Innenumfangsrand 3c zu beschichten.
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Darüber hinaus kann ein elektrostriktives Element 10 der Ausführung einen ersten dielektrischen Film 11 und einen zweiten dielektrischen Film 12 aufweisen, wie in 6 gezeigt. In diesem Fall ist eine erste Filmelektrode 13 mit gleichmäßiger Leitfähigkeit und ohne jeden schlitzförmigen Lochabschnitt 6, 7 oder punktförmigen Lochabschnitt 8 zwischen den ersten dielektrischen Film 11 und den zweiten dielektrischen Film 12 geschichtet, wohingegen das elektrostriktive Element 10 eine zweite Filmelektrode 14 und eine dritte Filmelektrode 15 aufweist, welche bogenschlitzförmige Lochabschnitte 7 an Abschnitten aufweist, die einer größeren Gesamtbelastung ausgesetzt werden als der andere Abschnitt von entgegengesetzten (Außen-)Oberflächen des ersten dielektrischen Films 11 und des zweiten dielektrischen Films 12, an der ersten Filmelektrode 13.
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In dem elektrostriktiven Element 10 sind die bogenschlitzförmigen Lochabschnitte 7 der zweiten Filmelektrode 14 und die bogenschlitzförmigen Lochabschnitte 7 der dritten Filmelektrode 15 an voneinander unterschiedlichen Positionen vorgesehen, so dass sie einander nicht überlappen. Auf diese Weise kann das elektrostriktive Element 10 effektiv verhindern, dass der erste dielektrische Film 11 und der zweite dielektrische Film 12 abbrechen.
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Obwohl in der Ausführung das elektrostriktive Element 10 beschrieben ist, das die bogenschlitzförmigen Lochabschnitte 7 aufweist, kann es auch die linearen schlitzförmigen Lochabschnitte 6 oder punktförmigen Lochabschnitte 8 aufweisen. Auch in diesem Fall sind, ähnlich zu 6, die linearen schlitzförmigen Lochabschnitte 6 oder punktförmigen Lochabschnitte 8 der zweiten Filmelektrode 14 und die linearen schlitzförmigen Lochabschnitte 6 oder punktförmigen Lochabschnitte 8 der dritten Filmelektrode 15 an voneinander unterschiedlichen Positionen vorgesehen, so dass sie einander nicht überlappen.
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Darüber hinaus ist das elektrostriktive Element 10 beschrieben, das zwei dielektrische Filme aufweist, den ersten dielektrischen Film 11 und den zweiten dielektrischen Film 12, aber es kann auch drei oder mehr dielektrische Filme aufweisen. Falls drei oder mehr dielektrische Filme vorgesehen sind, ist eine Filmelektrode mit gleichmäßiger Leitfähigkeit und ohne jeden schlitzförmigen Lochabschnitt 6, 7 oder punktförmigen Lochabschnitt 8 zwischen zwei dielektrischen Filmen geschichtet, und sind Filmelektroden, die die schlitzförmigen Lochabschnitte 6, 7 oder punktförmigen Lochabschnitte 8 aufweisen, an Außenseiten der äußersten dielektrischen Filme angeordnet.
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Darüber hinaus ist in jeder der oben beschriebenen Ausführungen die Filmelektrode 3 aus einer leitfähigen Paste gebildet, aber anstelle der leitfähigen Paste kann auch ein kohlenstoffhaltiges Material verwendet werden, das dehnbar und kontrahierbar ist. Beispiele von kohlenstoffhaltigem Materialien, die dehnbar und kontrahierbar sind, können ein blatfförmiges Carbon-Nanoröhrchen-Aggregat beinhalten, das zur Faserrichtung in dem Zustand orientiert ist, wo eine Vielzahl von Carbon-Nanoröhrchen in der Faserrichtung überlappen, oder ein strangförmiges Carbon-Nanoröhrchen-Aggregat, das zur Faserrichtung in dem Zustand orientiert ist, wo die Vielzahl von Carbon-Nanoröhrchen einander in der Faserrichtung überlappen und in der radialen Richtung akkumuliert sind. Das Carbon-Nanoröhrchen-Aggregat ist so angeordnet, dass seine Faserrichtung und die Expansions- und Kontraktionsrichtung des dielektrischen Films miteinander übereinstimmen.
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Darüber hinaus ist in jeder der oben beschriebenen Ausführungen der Abschnitt mit der geringeren Leitfähigkeit als der andere Abschnitt der Filmelektrode 3 gebildet, indem die schlitzförmigen Lochabschnitte 6, 7 oder punktförmigen Lochabschnitte 8 vorgesehen werden. Jedoch braucht der Abschnitt mit geringerer Leitfähigkeit als der andere Abschnitt der Filmelektrode 3 nur an einem Abschnitt vorgesehen zu werden, der einer größeren Gesamtbelastung als der andere Abschnitt ausgesetzt wird, und kann zum Beispiel ausgebildet werden, indem die Filmelektrode 3 gitterförmig hergestellt wird.
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Darüber hinaus ist in jeder der oben beschriebenen Ausführungen der Abschnitt mit höherer Steifigkeit als der andere Abschnitt der Filmelektrode 3 durch die hochsteife Elastomerschicht 9 gebildet, aber anstelle des hochsteifen Elastomers kann auch ein Kunststoff mit hoher Steifigkeit verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein elektrostriktives Element vor, das ein Abbrechen eines dielektrischen Films verhindern kann. Ein elektrostriktives Element 1 enthält einen dielektrischen Film 2, der aus Elastomer aufgebaut ist, eine Filmelektrode 3, die innerhalb eines Umfangsrands von zumindest einer Oberfläche des dielektrischen Films 2 ausgebildet und dehnbar und kontrahierbar ist, um einer Dehnung und Kontraktion des dielektrischen Films 2 zu folgen, sowie einen Rahmen 4, um den dielektrischen Film 2 im gedehnten Zustand zu halten. Die Filmelektrode 3 enthält Abschnitte 6, 7, 8 mit geringerer Leitfähigkeit oder einen Abschnitt 9 mit höherer Leitfähigkeit als der andere Abschnitt an einem Abschnitt, der einer größeren Gesamtbelastung von mechanischer Belastung und elektrischer Belastung auszusetzen ist als der andere Abschnitt des dielektrischen Films.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 10
- elektrostriktives Element
- 2, 11, 12
- dielektrischer Film
- 3, 13, 14
- Filmelektrode
- 6, 7
- schlitzförmiger Lochabschnitt
- 8
- punktförmig Lochabschnitt
- 9
- Elastomerschicht
