JP2009232679A - Elastomer transducer, power generating element, and power generating element laminate - Google Patents

Elastomer transducer, power generating element, and power generating element laminate Download PDF

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Naoko Hanatani
尚子 花谷
Junichi Shiguma
純一 志熊
Michita Hokao
道太 外尾
Atsushi Yokouchi
敦 横内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new elastomer transducer, which can exhibit excellent transducer performance and durability, a power generating element, and a power generating element laminate. <P>SOLUTION: A transducer material, which is made conductive at the surface of a dielectric elastomer by impregnating it with conductive fillers from the surface of the dielectric elastomer in a subcritical carbon dioxide, is covered with an insulating elastomer. Hereby, it can prevent inputted and outputted electric energy from leaking out, therefore it can prevent the drop of power generation efficiency and the drop of efficiency as an actuator. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換するためのトランスデューサー(変換器)に係り、特に誘電性エラストマーを用いたエラストマートランスデューサーおよび発電素子ならびに発電素子積層体に関する。   The present invention relates to a transducer for converting electrical energy and mechanical energy into each other, and more particularly to an elastomer transducer and a power generation element using a dielectric elastomer, and a power generation element laminate.

電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換するためのトランスデューサー(変換器)は、例えば、アンテナやモバイル機器、エンジン、人工筋肉などの電源(ジェネレータ)や、ポンプ、スピーカーなどのアクチュエータなどとして多種多様の分野への応用が検討されている。
このようなトランスデューサー(変換器)は、例えば以下の特許文献1〜3などに開示されているように,シリコンゴムやアクリルゴムなどをベースにした誘電性エラストマー
層の両面に電極となる素材を配設した構造が主となっている。
Transducers for converting electrical energy and mechanical energy to each other include a variety of power sources (generators) such as antennas, mobile devices, engines, and artificial muscles, and actuators such as pumps and speakers. Application to the field is being studied.
Such transducers (transducers) are, for example, dielectric elastomers based on silicon rubber or acrylic rubber, as disclosed in the following Patent Documents 1 to 3 and the like.
A structure in which a material to be an electrode is disposed on both sides of the layer is mainly used.

特表2003−505865号公報Special table 2003-505865 gazette 特表2003−506858号公報Special table 2003-506858 特表2003−526213号公報Special table 2003-526213 gazette

ところで、これら特許文献1〜3などに開示されているような従来のトランスデューサーには、以下に示すような課題がある。
1.このトランスデューサーを発電装置として用いた場合、電極および誘電性エラストマー層の一部が外部の雰囲気または材料と接触することにより、出力する電気エネルギーが外部に漏洩し、発電効率の低下を招く場合がある。
2.また、このトランスデューサーをアクチュエータとして用いた場合、電極および誘電性エラストマー層の一部が外部の雰囲気または材料と接触することにより、入力した電気エネルギーが外部に漏洩し、アクチュエータとしての効率の低下を招く場合がある。
3.また、電極材料として金などの金属材料を用いた場合、誘電性エラストマーへの追従性が充分でないため、早期に剥離するなどの問題を起こすことがある。
By the way, the conventional transducers disclosed in these patent documents 1 to 3 have the following problems.
1. When this transducer is used as a power generation device, the electrode and the dielectric elastomer layer may come into contact with the external atmosphere or material, so that the output electrical energy may leak to the outside, leading to a decrease in power generation efficiency. is there.
2. In addition, when this transducer is used as an actuator, the electrode and part of the dielectric elastomer layer come into contact with the external atmosphere or material, so that the input electric energy leaks to the outside and the efficiency of the actuator is reduced. May invite.
3. Further, when a metal material such as gold is used as the electrode material, the followability to the dielectric elastomer is not sufficient, which may cause problems such as early peeling.

また、電極材料として導電性エラストマーなどを用いた場合、誘電性エラストマーと導電性エラストマーを接着する必要があり、接着層の追従性が充分でないため、接着界面が部分的に剥離し、早期にエネルギー変換効率の低下が認められる場合がある。
そこで、本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、優れたトランスデューサー性能と耐久性を発揮できる新規なエラストマートランスデューサーおよび発電素子ならびに発電素子積層体を提供するものである。
In addition, when a conductive elastomer or the like is used as an electrode material, it is necessary to bond the dielectric elastomer and the conductive elastomer, and the followability of the adhesive layer is not sufficient. A reduction in conversion efficiency may be observed.
Accordingly, the present invention has been devised to solve the above-described problems, and a purpose thereof is a novel elastomer transducer, power generation element, and power generation element that can exhibit excellent transducer performance and durability. A laminated body is provided.

前記課題を解決するために第1の発明は、
誘電性エラストマーの両端に電極を有する構造となっていることを特徴とする1層構造のエラストマートランスデューサーである。
また、第2の発明は、
亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素内で誘電性エラストマーの表面から導電性フィラーを含浸させて当該誘電性エラストマーの表層に導電性フィラーを含浸させることを特徴とする1層構造のエラストマートランスデューサーである。
In order to solve the above problems, the first invention
An elastomer transducer having a single-layer structure characterized by having a structure having electrodes on both ends of a dielectric elastomer.
In addition, the second invention,
A single-layer elastomer transducer characterized by impregnating a conductive filler from the surface of a dielectric elastomer in carbon dioxide in a subcritical state or a supercritical state and impregnating the surface layer of the dielectric elastomer with the conductive filler It is.

また、第3の発明は、
第1または第2の発明において、前記誘電性エラストマーの比誘電率が5以上60以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第4の発明は、
第1〜3のいずれかの発明において、前記導電フィラーの体積固有抵抗が10Ω・cm以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
In addition, the third invention,
In the first or second invention, the dielectric transducer is characterized in that the dielectric constant of the dielectric elastomer is 5 or more and 60 or less.
In addition, the fourth invention is
The elastomer transducer according to any one of the first to third aspects, wherein the conductive filler has a volume resistivity of 10 3 Ω · cm or less.

また、第5の発明は、
1層構造もしくは3層構造を有するエラストマートランスデューサーにおいて、誘電性エラストマーを含むトランスデューサー材料を、絶縁エラストマーで被覆してなることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第6の発明は、
第5の発明において、前記絶縁エラストマーの被覆面積が、前記トランスデューサー材料の全表面積の80%以上であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
In addition, the fifth invention,
An elastomer transducer having a one-layer structure or a three-layer structure, wherein a transducer material including a dielectric elastomer is coated with an insulating elastomer.
In addition, the sixth invention,
According to a fifth aspect of the invention, in the elastomer transducer, the covering area of the insulating elastomer is 80% or more of the total surface area of the transducer material.

また、第7の発明は、
第5または第6の発明において、前記絶縁エラストマーの体積固有抵抗が10Ω・cm以上であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第8の発明は、
第5〜第7のいずれかの発明において、前記絶縁エラストマーの比誘電率が1以上5以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
In addition, the seventh invention,
In the fifth or sixth invention, the elastomer transducer is characterized in that a volume specific resistance of the insulating elastomer is 10 7 Ω · cm or more.
Further, the eighth invention is
In any one of the fifth to seventh inventions, the dielectric transducer has a relative dielectric constant of 1 or more and 5 or less.

また、第9の発明は、
第1〜第8のいずれかの発明において、前記絶縁性エラストマーの最大引張り伸びが200%であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第10の発明は、
誘電性エラストマー層の上下に電極層を備えると共に、当該電極層のうち負極となる電極層に帯電性の電極設置材を備えたことを特徴とする発電素子である。
In addition, the ninth invention,
The elastomer transducer according to any one of the first to eighth inventions, wherein the maximum tensile elongation of the insulating elastomer is 200%.
The tenth aspect of the invention is
The power generating element is characterized in that electrode layers are provided above and below the dielectric elastomer layer, and an electrode layer serving as a negative electrode of the electrode layers is provided with a chargeable electrode installation material.

また、第11の発明は、
第10の発明の発電素子の一対を、その正極となる電極層同士が当接するように重ね合わせると共に、前記負極となる電極層同士を導電線で電気的に接続し、かつ前記負極となる電極層と、前記正極となる電極層にそれぞれ電気取出し用の端子を接続してなることを特徴とする発電素子積層体である。
また、第12の発明は、
発明10の発明の発電素子の複数を、その正極となる電極層同士が当接するように重ね合わせるように積層し、前記負極となる電極層同士を導電線で電気的に接続すると共に前記正極となる電極層同士を導電線で電気的に接続し、かつ前記負極となる電極層と、前記正極となる電極層にそれぞれ電気取出し用の端子を接続してなることを特徴とする発電素子積層体である。
The eleventh invention
A pair of power generation elements according to the tenth invention are overlapped so that the electrode layers serving as the positive electrodes are in contact with each other, the electrode layers serving as the negative electrodes are electrically connected to each other with a conductive wire, and the electrodes serving as the negative electrodes A power generation element laminate comprising: a layer, and an electrode layer serving as the positive electrode, each having an electrical extraction terminal connected thereto.
In addition, the twelfth invention
A plurality of the power generation elements of the invention of the invention 10 are laminated so that the electrode layers serving as the positive electrodes are in contact with each other, the electrode layers serving as the negative electrodes are electrically connected to each other by a conductive wire, and the positive electrodes A power generating element laminate comprising: an electrode layer to be electrically connected to each other by a conductive wire; and an electrode layer to be the negative electrode, and an electrode layer to be connected to the electrode layer to be the positive electrode. It is.

本発明に係るエラストマートランスデューサーにおいては、誘電性エラストマーを絶縁エラストマーで被覆してなることから、入出力する電気エネルギーが外部に漏洩するのを防止することができる。これによって、発電効率の低下やアクチュエータとしての効率の低下を防止できる。
また、誘電性エラストマーに導電性フィラーを含浸させることによりひずみなどの繰り返し応力に対して優れた耐久性を発揮できる。
また、誘電性エラストマー層の上下に電極層を備えると共に、当該電極層のうち負極となる電極層に帯電性の電極設置材を備えたことから、優れた発電性能を有する発電素子を提供できる。
また、さらにこの発電素子を複数積層し、電極同士を導電線で電気的に接続することで、出力電力が高い発電材料を提供できる。
In the elastomer transducer according to the present invention, since the dielectric elastomer is coated with the insulating elastomer, the input / output electric energy can be prevented from leaking to the outside. As a result, a decrease in power generation efficiency and a decrease in efficiency as an actuator can be prevented.
Further, by impregnating the dielectric elastomer with a conductive filler, excellent durability against repeated stress such as strain can be exhibited.
In addition, since the electrode layer is provided above and below the dielectric elastomer layer, and the electrode layer serving as the negative electrode of the electrode layer is provided with the chargeable electrode installation material, a power generation element having excellent power generation performance can be provided.
Furthermore, a power generation material with high output power can be provided by stacking a plurality of the power generation elements and electrically connecting the electrodes with a conductive wire.

本発明に係るエラストマートランスデューサー100の第1の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 1st Embodiment of the elastomer transducer 100 which concerns on this invention. 本発明に係るエラストマートランスデューサー100の第2の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 2nd Embodiment of the elastomer transducer 100 which concerns on this invention. 発電量および耐久性確認テストの一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of an electric power generation amount and a durability confirmation test. 本発明に係る発電素子200の実施の一形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the electric power generation element 200 which concerns on this invention. 本発明に係る発電材料300の第1の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 1st Embodiment of the electric power generation material 300 which concerns on this invention. 本発明に係る発電材料300の第2の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 2nd Embodiment of the electric power generation material 300 which concerns on this invention. 本発明に係る発電材料300の第3の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 3rd Embodiment of the electric power generation material 300 which concerns on this invention. 本発明に係る発電材料300の第4の実施の形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 4th Embodiment of the electric power generation material 300 which concerns on this invention.

次に、本発明の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明に係るエラストマートランスデューサー100の第1の実施の形態を示したものである。
図示するようにこのエラストマートランスデューサー100は、誘電性エラストマー層10の両面に電極20,20を有する1層型のトランスデューサー材料30を絶縁エラストマー40で被覆した構造となっている。
この誘電性エラストマー層10は、公知の材料、例えばベースゴムに誘電性フィラーを含有する誘電性ゴム組成物などで構成されていると共に、電極20,20は、例えばベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物で構成されている。
Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment of an elastomer transducer 100 according to the present invention.
As shown in the figure, this elastomer transducer 100 has a structure in which a single-layer transducer material 30 having electrodes 20, 20 on both surfaces of a dielectric elastomer layer 10 is covered with an insulating elastomer 40.
The dielectric elastomer layer 10 is made of a known material, such as a dielectric rubber composition containing a dielectric filler in a base rubber, and the electrodes 20 and 20 contain a conductive filler in a base rubber, for example. The conductive rubber composition is made up of.

この誘電性エラストマー層10を構成する誘電性ゴム組成物のベースゴムとしては、例えば、アクリルゴム、クロロプレンゴム、シリコンゴム、イソプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、フルオロシリコンゴム、フッ素ゴムなどが好適であり、このなかでも特に好ましいのは、アクリルゴムやシリコンゴム、クロロプレンゴムである。
また、これらベースゴムに配合される誘電性フィラーとしては、高誘電セラミックス粉末やチオカルボニル基を有する有機化合物が好適である。
Examples of the base rubber of the dielectric rubber composition constituting the dielectric elastomer layer 10 include acrylic rubber, chloroprene rubber, silicon rubber, isopropylene rubber, styrene butadiene rubber, butyl rubber, ethylene propylene rubber, nitrile rubber, and fluorosilicone. Rubber, fluororubber and the like are preferable, and acrylic rubber, silicon rubber, and chloroprene rubber are particularly preferable among them.
Moreover, as the dielectric filler blended in these base rubbers, high dielectric ceramic powders and organic compounds having a thiocarbonyl group are suitable.

高誘電セラミックス粉末としては、チタン酸バリウム(BaTiO)やチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛(PLZT)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、チタン酸鉛(PbTiO)、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスバリウムなどが好適である。なかでもチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)は、200℃以上のキュリー点と、高い比誘電率を併せ持つため、最も好適である。なお、一定の比誘電率とキュリー点を有するものであれば、これら以外の化合物であっても良い。 High dielectric ceramic powders include barium titanate (BaTiO 3 ), lead zirconate titanate (PZT), lanthanum-doped lead zirconate titanate (PLZT), strontium titanate (SrTiO 3 ), and lead titanate (PbTiO 3 ). , Bismuth titanate, barium titanate and the like are suitable. Among these, lead zirconate titanate (PZT) is most preferable because it has a Curie point of 200 ° C. or higher and a high relative dielectric constant. In addition, as long as it has a fixed dielectric constant and a Curie point, compounds other than these may be used.

また、チオカルボニル基を有する有機化合物としては、チオウレア誘導体、チオアミド誘導体、チオケトン誘導体、ジチオカルバミン酸エステル誘導体などが好適である。これらの有機化合物は、加工温度、使用温度、目標とする比誘電率、および用いるベースゴムとの相溶性を考慮して適宜選択されることになるが、なかでもチオウレア誘導体は、空気や水に対して非常に安定であり、ベースゴムとの相溶性に優れると共に低い融点を示すことから最も好適な有機化合物である。   As the organic compound having a thiocarbonyl group, a thiourea derivative, a thioamide derivative, a thioketone derivative, a dithiocarbamic acid ester derivative, and the like are preferable. These organic compounds are appropriately selected in consideration of processing temperature, use temperature, target dielectric constant, and compatibility with the base rubber to be used. Among them, thiourea derivatives are used in air and water. It is the most suitable organic compound because it is very stable, has excellent compatibility with the base rubber and exhibits a low melting point.

一方、電極20,20の導電性ゴム組成物のベースゴムとしては、例えば、シリコン系、変成シリコン系、アクリル系、ポリクロロプレン系、ポリサルファイド系、ポリウレタン系、ポリイソブチル系などを用いることができる。特に、このなかでもアクリル系およびシリコン系、ポリクロロプレン系を用いたものは柔軟性が高く、変形能に優れ好適である。 また、このベースゴムに添加される導電性フィラーとしては、導電性カーボンブラックの1種である、ケッチェンブラックやアセチレンブラック、または黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー(CNF)、カーボンナノチューブ(CNT)などの炭素材料、または金、銀、白金などの金属材料が好適である。   On the other hand, as the base rubber of the conductive rubber composition of the electrodes 20 and 20, for example, silicon-based, modified silicon-based, acrylic-based, polychloroprene-based, polysulfide-based, polyurethane-based, polyisobutyl-based, and the like can be used. In particular, those using acrylic, silicon, and polychloroprene are highly flexible and excellent in deformability. The conductive filler added to the base rubber is one of conductive carbon blacks, such as ketjen black or acetylene black, or graphite, carbon fiber, carbon nanofiber (CNF), carbon nanotube (CNT). A carbon material such as, or a metal material such as gold, silver, or platinum is preferable.

そして、本発明のエラストマートランスデューサー100は、このトランスデューサー材料30を、体積固有抵抗が10Ω・cm以上、より好ましくは10Ω・cm以上の絶縁エラストマー40で被覆してなるものである。ここで、体積固有抵抗が10Ω・cmに満たない場合は、絶縁性が不十分であり、電気エネルギーが外部に漏洩しやすいため、不適切である。
また、この絶縁エラストマー40の被覆面積は、トランスデューサー材料30の全表面積の80%以上、より好ましくは90%以上とする必要がある。被覆面積がトランスデューサー材料30の全表面積の80%に満たないと湿度などの外部雰囲気もしくは外部材料との接触により、電気エネルギーが外部に漏洩しやすくなるためである。
The elastomer transducer 100 of the present invention is obtained by coating the transducer material 30 with an insulating elastomer 40 having a volume resistivity of 10 7 Ω · cm or more, more preferably 10 9 Ω · cm or more. . Here, when the volume resistivity is less than 10 7 Ω · cm, the insulation is insufficient, and electric energy tends to leak to the outside, which is inappropriate.
Further, the covering area of the insulating elastomer 40 needs to be 80% or more, more preferably 90% or more of the total surface area of the transducer material 30. This is because if the covering area is less than 80% of the total surface area of the transducer material 30, electrical energy is likely to leak to the outside due to contact with an external atmosphere such as humidity or an external material.

また、この絶縁エラストマー40の比誘電率は、1以上5以下、より好ましくは1以上5である必要がある。すなわち、比誘電率が5以上の場合は、それ自身の誘電分極により発生した電荷が、電極内の電荷と、相互作用を及ぼし、発電効率もしくはアクチュエータとして効率を低下させる場合があるため、好ましくない。
また、この絶縁性エラストマー40は、その最大引張り伸びが200%以上、好ましくは300%以上である必要がある。すなわち、本発明のエラストマートランスデューサー100は、この絶縁性エラストマー40によって被覆されるトランスデューサー材料30の伸縮作用により発電もしくはアクチュエータとしての作用を及ぼすものであるため、このトランスデューサー材料30の伸縮作用を阻害しないように絶縁性エラストマー40自身も充分な伸縮性を有する必要がある。
The dielectric constant of the insulating elastomer 40 needs to be 1 or more and 5 or less, more preferably 1 or more and 5. That is, when the relative permittivity is 5 or more, the charge generated by its own dielectric polarization interacts with the charge in the electrode, which may reduce power generation efficiency or efficiency as an actuator. .
The insulating elastomer 40 needs to have a maximum tensile elongation of 200% or more, preferably 300% or more. That is, since the elastomer transducer 100 of the present invention acts as a power generator or an actuator by the expansion / contraction action of the transducer material 30 covered with the insulating elastomer 40, the expansion / contraction action of the transducer material 30 is reduced. The insulating elastomer 40 itself needs to have sufficient stretchability so as not to hinder it.

このため、引張り最大伸びが200%に満たない場合は、伸縮作用の追従性が不十分となり、トランスデューサーとしての作用を充分に発揮することができないため、好ましくない。
これらの全ての条件を満たす絶縁性エラストマー40としては、例えばアクリルゴム、シリコンゴム、イソプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴムなどが挙げられる。
For this reason, when the maximum tensile elongation is less than 200%, the followability of the expansion / contraction action becomes insufficient, and the action as a transducer cannot be sufficiently exhibited, which is not preferable.
Examples of the insulating elastomer 40 that satisfies all of these conditions include acrylic rubber, silicon rubber, isopropylene rubber, styrene butadiene rubber, butyl rubber, ethylene propylene rubber, and fluorine rubber.

そして、この絶縁性エラストマー40は、公知の接着剤などを用いて3層型のトランスデューサー材料30の一部または全部に接着することができる。
なお、これら絶縁性エラストマー40は、2種類以上のものを組合せて用いることもできる。また、図示するように電極20,20にリード線50,50などを接着した後に絶縁性エラストマー40で被覆しても良い。
そして、このような構成をしたエラストマートランスデューサー100にあっては、後の実施例で実証されるように、トランスデューサー材料30に入出力する電気エネルギーが外部に漏洩するのを防止できるため、発電効率の低下やアクチュエータとしての効率の低下を確実に防止することができる。
The insulating elastomer 40 can be adhered to a part or all of the three-layer transducer material 30 using a known adhesive or the like.
These insulating elastomers 40 can be used in combination of two or more. Further, as shown in the figure, the lead wires 50 and 50 may be bonded to the electrodes 20 and 20 and then covered with the insulating elastomer 40.
In the elastomer transducer 100 having such a configuration, as will be demonstrated in a later embodiment, it is possible to prevent electrical energy input to and output from the transducer material 30 from leaking to the outside. A decrease in efficiency and a decrease in efficiency as an actuator can be reliably prevented.

次に、図2は、前述した絶縁性エラストマー40によって被覆されるトランスデューサー材料30の第2の実施の形態を示したものである。
図示するようにこのトランスデューサー材料30は、誘電性エラストマー層10の表層に、導電フィラーを含浸させた表層20a,20aを一体的に備えた構造となっている。
この誘電性エラストマー層10は、前述したような公知の材料からなるベースゴムに誘電性フィラーを含有する誘電性ゴム組成物などで構成されている。
Next, FIG. 2 shows a second embodiment of the transducer material 30 covered with the insulating elastomer 40 described above.
As shown in the figure, this transducer material 30 has a structure in which the surface layer 20a, 20a impregnated with a conductive filler is integrally provided on the surface layer of the dielectric elastomer layer 10.
The dielectric elastomer layer 10 is composed of a dielectric rubber composition containing a dielectric filler in a base rubber made of a known material as described above.

一方、この導電フィラーを含浸させた表層20a,20aは、誘電性エラストマー層10を構成する母材から連続して形成されているため、この誘電性エラストマー層10との間で明確な界面が形成されていない状態となっている。従って、この表層20a,20aはこの誘電性エラストマー層10から極めて剥離し難い構造となっている。
そして、この表層20a,20aは、体積固有抵抗が10Ω・cm以下の有機系導電性フィラーにより形成されている。
このような有機系導電性フィラーとしては、以下の化式1に示すポリチオフィン、化式2に示すポリアセチレン、化式3に示すポリアニリン、化式4に示すポリピロール、化式5に示すポリパラフェニレン、化式6に示すポリパラフェニレンビニレンもしくはこれらの誘導体にアニオンまたはカチオンなどの適当なドーパントを添加した導電性高分子材料やイオン性液体などが挙げられる。
On the other hand, since the surface layers 20a and 20a impregnated with the conductive filler are formed continuously from the base material constituting the dielectric elastomer layer 10, a clear interface is formed with the dielectric elastomer layer 10. It has not been done. Therefore, the surface layers 20a and 20a have a structure that is extremely difficult to peel from the dielectric elastomer layer 10.
The surface layers 20a and 20a are formed of an organic conductive filler having a volume resistivity of 10 3 Ω · cm or less.
As such an organic conductive filler, polythiophine represented by the following chemical formula 1, polyacetylene represented by the chemical formula 2, polyaniline represented by the chemical formula 3, polypyrrole represented by the chemical formula 4, polyparaphenylene represented by the chemical formula 5, Examples thereof include conductive polymer materials and ionic liquids obtained by adding an appropriate dopant such as anion or cation to polyparaphenylene vinylene represented by the chemical formula 6 or derivatives thereof.

Figure 2009232679
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導電性高分子材料のなかでは、例えばポリエチレンジオキシチオフィン(PEDOT)などのポリチオフェン構造を有する高分子にポリスチレンスルホン酸などのドーパントを添加したものが高い導電性を有するために好適である。
イオン性液体には、以下の化式7に示すピリジン系、化式8に示すイミダゾリウム系、化式9に示す脂環式アミン系、化式10に示すホスホニウム系、化式11に示す脂肪酸アミン系などのカチオンを挙げることができる。アニオン(X−)には、BF4−、PF−、[(CFSON]、Cl−、Br−などを挙げることができる。
Among conductive polymer materials, for example, a polymer having a polythiophene structure such as polyethylenedioxythiophine (PEDOT) added with a dopant such as polystyrene sulfonic acid is preferable because of high conductivity.
Examples of ionic liquids include pyridines represented by Formula 7 below, imidazoliums represented by Formula 8, alicyclic amines represented by Formula 9, phosphoniums represented by Formula 10, and fatty acids represented by Formula 11. Mention may be made of cations such as amines. The anion (X-), BF4-, PF - , [(CF 3 SO 2) 2 N], Cl-, and the like Br @ -.

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有機系導電性フィラーは、金属材料や炭素材料などの導電性フィラーと比較してエラストマーと高い親和性を有するため、伸縮性や硬さなどのエラストマー本来の性質を阻害することが少ない。このため、耐久性に優れたエラストマートランスデューサーを得ることができる。
このように誘電性エラストマー層10の表層に、導電性フィラーを含浸させた表層20a,20aを形成する方法としては、亜臨界状態または超臨界状態での二酸化炭素雰囲気中に、この誘電性エラストマー層10および導電性フィラーを導入し、導電性フィラーを誘電性エラストマー層10の表層に含浸させる方法が挙げられる。
Organic conductive fillers have a higher affinity with elastomers than conductive fillers such as metal materials and carbon materials, and therefore rarely inhibit the intrinsic properties of elastomers such as stretchability and hardness. For this reason, the elastomer transducer excellent in durability can be obtained.
As a method of forming the surface layers 20a and 20a impregnated with the conductive filler on the surface layer of the dielectric elastomer layer 10 as described above, this dielectric elastomer layer is formed in a carbon dioxide atmosphere in a subcritical state or a supercritical state. 10 and a conductive filler, and the surface layer of the dielectric elastomer layer 10 is impregnated with the conductive filler.

ここで、「亜臨界状態の二酸化炭素」とは、圧力が二酸化炭素の臨界圧力(7.38MPa)以上であり、かつ温度が臨界温度(31.1℃)未満である液体状態の二酸化炭素、あるいは圧力が二酸化炭素の臨界圧未満であり、かつ温度が臨界温度以上である液体状態の二酸化炭素、または温度および圧力が共に臨界点未満であるが、これに近い状態をいう。また、「超臨界状態の二酸化炭素」とは、圧力が二酸化炭素の臨界圧力以上であり、かつ、温度が臨界温度以上である状態の二酸化炭素をいう。   Here, the “subcritical carbon dioxide” means carbon dioxide in a liquid state whose pressure is equal to or higher than the critical pressure of carbon dioxide (7.38 MPa) and whose temperature is lower than the critical temperature (31.1 ° C.), Alternatively, the carbon dioxide is in a liquid state in which the pressure is less than the critical pressure of carbon dioxide and the temperature is equal to or higher than the critical temperature, or the temperature and pressure are both less than the critical point but close to this. In addition, “supercritical carbon dioxide” refers to carbon dioxide in a state where the pressure is equal to or higher than the critical pressure of carbon dioxide and the temperature is equal to or higher than the critical temperature.

亜臨界状態または超臨界状態での二酸化炭素雰囲気中への誘電性エラストマー層10および導電性フィラーの導入方法としては、誘電性エラストマーと導電性フィラーを別々に、もしくは導電性フィラーを誘電性エラストマーに付着させて導入しても良い。また、導電性フィラーは、単体としてもしくは水系溶媒もしくは有機溶媒に分散させた状態で導入しても良い。
このような有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール系溶媒、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、ジブチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、ベンゼン、トルエンなどの芳香族系溶媒などを用いることができる。
As a method for introducing the dielectric elastomer layer 10 and the conductive filler into the carbon dioxide atmosphere in the subcritical state or the supercritical state, the dielectric elastomer and the conductive filler are separately used, or the conductive filler is used as the dielectric elastomer. You may introduce it by making it adhere. The conductive filler may be introduced as a single substance or in a state dispersed in an aqueous solvent or an organic solvent.
Examples of such organic solvents include alcohol solvents such as methanol, ethanol, and propanol, ketone solvents such as acetone and methyl ethyl ketone, ether solvents such as dibutyl ether and tetrahydrofuran, and aromatic solvents such as benzene and toluene. be able to.

本発明における亜臨界状態または超臨界状態での処理条件は、誘電性エラストマー層10が溶解などの変性により比誘電率や弾性状態の性能劣化が起きない範囲において適宜定めることができる。
誘電性エラストマー層10は、エネルギー変換効率を高めるためにエレクトレット処理などを行っても良い。その場合、導電性フィラーを含浸させた表層20a,20aの形成を行うタイミングは、エレクトレット処理などの前後のいずれでも良い。
The treatment conditions in the subcritical state or the supercritical state in the present invention can be appropriately determined within a range in which the dielectric elastomer layer 10 does not undergo degradation in performance in terms of relative permittivity or elastic state due to modification such as dissolution.
The dielectric elastomer layer 10 may be subjected to electret treatment or the like in order to increase energy conversion efficiency. In that case, the timing of forming the surface layers 20a and 20a impregnated with the conductive filler may be before or after the electret treatment or the like.

本発明のエラストマートランスデューサー100は、その効率を高めるために積層して用いることができる。この場合、本発明では誘電性エラストマー層10と導電性フィラーを含浸させた表層20a,20aとが一体となっているため、電極を別に形成する場合と比較して全体の厚さを薄く抑えることが可能となる。
そして、このような構成をした本発明のエラストマートランスデューサー100にあっては、後述する実施例で実証されるように、従来問題となっていた導電層の剥離が発生しないため、電気エネルギーと力学エネルギーとの間のエネルギー変換効率に優れかつ耐久性に優れたトランスデューサー性能を発揮することができる。
The elastomer transducer 100 of the present invention can be used by being laminated in order to increase its efficiency. In this case, in the present invention, since the dielectric elastomer layer 10 and the surface layers 20a and 20a impregnated with the conductive filler are integrated, the overall thickness is reduced compared to the case where the electrodes are separately formed. Is possible.
And, in the elastomer transducer 100 of the present invention having such a configuration, as will be demonstrated in the examples described later, since the peeling of the conductive layer, which has been a problem in the past, does not occur, the electrical energy and dynamics Transducer performance with excellent energy conversion efficiency with energy and excellent durability can be exhibited.

次に、図4は本発明に係る発電素子200の実施の一形態を示したものである。
図示するようにこの発電素子200は、誘電性エラストマー層10の上下に電極層20A,20Bを備えると共に、これら電極層20A,20Bのうち負極(マイナス極)となる下部電極層20Bに板状をした帯電性の電極設置材70(71)を備えた構造となっている。
ここで、誘電性エラストマー層10および電極層20A,20Bは前述したエラストマートランスデューサー100を構成する誘電性エラストマー層10および電極20,20とそれと同じ材料、構成となっている。
Next, FIG. 4 shows one embodiment of the power generating element 200 according to the present invention.
As shown in the figure, the power generating element 200 includes electrode layers 20A and 20B above and below the dielectric elastomer layer 10, and a plate-like shape is formed on the lower electrode layer 20B serving as a negative electrode (minus electrode) of these electrode layers 20A and 20B. The structure is provided with the charged electrode installation material 70 (71).
Here, the dielectric elastomer layer 10 and the electrode layers 20A and 20B have the same material and configuration as the dielectric elastomer layer 10 and the electrodes 20 and 20 constituting the elastomer transducer 100 described above.

そして、この帯電性の電極設置材70(71)としては、帯電性(絶縁性)と共に、広い使用温度範囲、耐薬品性、電気絶縁性、低摩擦性、非粘着性、耐候性、難燃性などを満足する材料からなっている。具体的には、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)などのフッ素樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリエチレン等の炭化水素系樹脂、ポリアミド等の熱可塑性樹脂等を用いることが望ましい。
このような構成をした本発明に係る発電素子200によれば、後述する実施例で実証されるように、静置されている場合においても優れた発電能力を発揮することができる。
And as this chargeable electrode installation material 70 (71), in addition to chargeability (insulation), a wide use temperature range, chemical resistance, electrical insulation, low friction, non-adhesiveness, weather resistance, flame resistance It is made of materials that satisfy its properties. Specifically, it is desirable to use, for example, a fluororesin such as PTFE (polytetrafluoroethylene), a thermosetting resin such as a phenol resin, a hydrocarbon resin such as polyethylene, a thermoplastic resin such as polyamide.
According to the power generation element 200 according to the present invention having such a configuration, it is possible to exhibit an excellent power generation capability even when it is stationary, as will be demonstrated in the examples described later.

次に、図5はこのような構成をした一対の発電素子200、200からなる発電素子積層体300を示したものである。
図示するようにこの発電素子積層体300は前述したような構成をした一対の発電素子200、200を、その正極(プラス極)となる電極層20A、20A同士が当接するように重ね合わせると共に、負極となる電極層20B、20B同士を導電線90で電気的に接続し、さらに負極となる電極層20Bと、正極となる電極層20Aにそれぞれ電気取出し用の端子80,80を接続したものである。
Next, FIG. 5 shows a power generating element laminate 300 composed of a pair of power generating elements 200 and 200 having such a configuration.
As shown in the figure, this power generating element laminate 300 is configured such that a pair of power generating elements 200, 200 configured as described above are overlapped so that the electrode layers 20A, 20A serving as positive electrodes (positive electrodes) are in contact with each other, The electrode layers 20B and 20B serving as the negative electrodes are electrically connected to each other through the conductive wire 90, and the electrode layers 20B serving as the negative electrodes and the electrode layers 20A serving as the positive electrodes are connected to the electrical extraction terminals 80 and 80, respectively. is there.

そして、このような構成をした本発明に係る発電素子200によれば、後述する実施例で実証されるように、前記の発電素子200単体に比べて2倍の発電性能を発揮することができる。また、前記の発電素子200をその正極同士が当接するように重ね合わせて構成したため、サイズアップも最小限に抑えることができる。これによって、携帯電話などのような小型・軽量が要求される電子機器などにも容易に適用することができる。
また、図6および図7に示すように、さらにこの発電素子200を複数積層すれば、後述する実施例で実証されるように、その発電素子200の数に比例した発電性能(出力電力、出力電圧)を発揮することができる。また、これら積層されたものの全面あるいは一部を図1に示す絶縁エラストマー40と同様の物で同様に絶縁させたうえで圧縮・伸張させることにより、さらにすぐれた発電性能を発揮させることも可能である。
And, according to the power generating element 200 according to the present invention having such a configuration, it is possible to exhibit a power generation performance twice that of the power generating element 200 alone, as will be demonstrated in the examples described later. . In addition, since the power generating element 200 is configured so that the positive electrodes are in contact with each other, an increase in size can be suppressed to a minimum. Thus, the present invention can be easily applied to electronic devices such as mobile phones that require small size and light weight.
Further, as shown in FIGS. 6 and 7, if a plurality of power generation elements 200 are further stacked, as demonstrated in an embodiment described later, the power generation performance proportional to the number of the power generation elements 200 (output power, output power) Voltage). In addition, it is possible to exert even more excellent power generation performance by compressing and expanding after the entire or part of the laminated material is similarly insulated with the same material as the insulating elastomer 40 shown in FIG. is there.

すなわち、図6の発電素子積層体300は、この発電素子200を5つ重ね合わせたものであり、図7の発電素子積層体300は、さらに発電素子200をN個重ね合わせたものである。そして、図示するように隣接する発電素子200の負極同士および正極同士をそれぞれ導電線90で並列に接続すると共に、最上位に位置する発電素子200の各電極層20A、20Bにそれぞれ電気取出し用の端子80,80を接続したものである。   That is, the power generating element laminate 300 in FIG. 6 is obtained by superimposing five power generating elements 200, and the power generating element laminated body 300 in FIG. 7 is obtained by further superimposing N power generating elements 200. And as shown in the drawing, the negative electrodes and the positive electrodes of the adjacent power generation elements 200 are connected in parallel by the conductive wires 90, respectively, and each electrode layer 20A, 20B of the power generation element 200 located at the uppermost position is used for electrical extraction. Terminals 80 and 80 are connected.

次に、本発明のエラストマートランスデューサー100に係る具体的実施例を説明する。
(実施例1,2、比較例1,2)
先ず、以下の表1の上欄に示すように、架橋剤(トリアリルイソシアヌレート、日本化成製「タイク」)を1.5重量部、反応性液状アクリルゴム(ACM)(株式会社トウペ製トアアクロンSA−110S)100重量部からなるものをベースゴムとし、このベースゴムに、高誘電性フィラーとして、PTZ(富士チタン工業製PE−600(比誘電率33℃で2688))を25重量部の割合で添加分散させて誘電性ゴム組成物を作製した。その後、この誘電性ゴム組成物をKコントロールコーター(松尾製作所製)を用いて半硬化状態の薄膜を作製して誘電性エラストマー層を形成した。なお、この誘電性エラストマー層の比誘電率、引張り最大伸び、サイズ(長さ×幅×厚さ)、硬さは以下の通りである。
Next, specific examples according to the elastomer transducer 100 of the present invention will be described.
(Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 and 2)
First, as shown in the upper column of Table 1 below, 1.5 parts by weight of a cross-linking agent (triallyl isocyanurate, “TAIK” manufactured by Nippon Kasei), reactive liquid acrylic rubber (ACM) (Toacron manufactured by Towpe Corporation) (SA-110S) 100 parts by weight of the base rubber is used, and 25 wt parts of PTZ (Fuji Titanium Industry Co., Ltd., PE-600 (relative permittivity of 2688 at 33 ° C.)) is used as the high dielectric filler. A dielectric rubber composition was prepared by adding and dispersing at a ratio. Subsequently, a semi-cured thin film was produced from this dielectric rubber composition using a K control coater (manufactured by Matsuo Seisakusho) to form a dielectric elastomer layer. The dielectric constant, the maximum tensile elongation, the size (length × width × thickness), and hardness of the dielectric elastomer layer are as follows.

次に、以下の表1の下欄に示すように、架橋剤(トリアリルイソシアヌレート、日本化成製「タイク」)を2.8重量部、反応性塊状アクリルゴム(ACM)(株式会社トウペ製トアアクロンSA−110S)100重量部からなるものをベースゴムとし、このベースゴムに、導電性フィラーとして、CNF(カーボンナノファイバー、昭和電工製VGCF)を40重量部添加分散させて電極ゴム組成物を作製した。その後、この電極ゴム組成物をKコントロールコーター(松尾製作所製)を用いて半硬化状態の薄膜を作製して電極を形成した。なお、この電極の堆積固体抵抗、サイズ(長さ×幅×厚さ)、硬さは以下の通りである。   Next, as shown in the lower column of Table 1 below, 2.8 parts by weight of a cross-linking agent (triallyl isocyanurate, “TAIK” manufactured by Nippon Kasei Chemical), reactive bulk acrylic rubber (ACM) (manufactured by Tope Corporation) (Toacron SA-110S) 100 parts by weight is used as a base rubber. To this base rubber, 40 parts by weight of CNF (carbon nanofiber, Showa Denko VGCF) is added and dispersed as a conductive filler to prepare an electrode rubber composition. Produced. Thereafter, an electrode was formed by preparing a semi-cured thin film of this electrode rubber composition using a K control coater (manufactured by Matsuo Seisakusho). The deposited solid resistance, size (length × width × thickness), and hardness of this electrode are as follows.

そして、図1に示すように、このようにして得られた誘電性エラストマー層10の両面に、導電性接着剤(藤倉化成製ドータイトXA−819A)を用いて電極20,20を接着すると共に、この電極20,20リード線50,50を接続(接着)して3層型のトランスデューサー材料30を作製した。
その後、以下の表2に示すように、このトランスデューサー材料30に対して、架橋剤を8重量部、反応性液状アクリルゴム100重量部(実施例1)、またはブチルゴム(実施例2)100重量部、あるいは架橋剤を8重量部およびCNFを1部含有した反応性液状アクリルゴム(比較例2)からなる絶縁エラストマーをそれぞれ被覆(比較例1は被覆せず)して4種類の試料を作製した後、それぞれの発電量を測定した。なお、絶縁エラストマーは、弾性接着剤(セメダインPM165)を用いて被覆した。
And as shown in FIG. 1, while adhering the electrodes 20 and 20 to both surfaces of the dielectric elastomer layer 10 thus obtained using a conductive adhesive (Dotite XA-819A manufactured by Fujikura Kasei), The electrodes 20 and 20 lead wires 50 and 50 were connected (adhered) to produce a three-layer transducer material 30.
Thereafter, as shown in Table 2 below, 8 parts by weight of the crosslinking agent, 100 parts by weight of the reactive liquid acrylic rubber (Example 1), or 100 parts by weight of butyl rubber (Example 2) with respect to the transducer material 30. 4 types of samples were prepared by coating each of the insulating elastomers made of reactive liquid acrylic rubber (Comparative Example 2) containing 8 parts by weight of a crosslinking agent and 1 part of CNF (Comparative Example 2). After that, each power generation amount was measured. The insulating elastomer was coated with an elastic adhesive (Cemedine PM165).

発電量の測定は、図3に示すように、各試料の一端を固定板60によって固定し、他方の端を50%(45mm)力学的に伸長させた後、力を除加したときに発生した電流量を電流計70により測定した。測定は温度30℃、湿度90%の環境で行い、絶縁エラストマーで被覆していない比較例1の発電量を「1」とし、比発電量を算出して評価し、その評価結果を表2の下欄に示す。   As shown in FIG. 3, the amount of power generation is measured when one end of each sample is fixed by a fixing plate 60 and the other end is mechanically extended by 50% (45 mm) and then the force is added. The measured amount of current was measured by an ammeter 70. The measurement is performed in an environment of a temperature of 30 ° C. and a humidity of 90%. The power generation amount of Comparative Example 1 that is not covered with an insulating elastomer is set to “1”, and the specific power generation amount is calculated and evaluated. Shown below.

Figure 2009232679
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この結果、本発明に係る実施例1および2は、いずれも比較例1に比べて優れた発電量を発揮した。これに対し、比較例2では、体積固有抵抗が10Ω・cmという体積固有抵抗が実施例で用いたもの比べて非常に小さい絶縁エラストマーを用いたことから、発電量が極端に著しく小さくなってしまった。
(実施例3〜5、比較例3,4)
以下の表3に示すような原料および構成で5種類のエラストマートランスデューサー(トランスデューサー材料)を作製し、それぞれの発電量と耐久性を評価した。
誘電エラストマーは、比誘電率11.0(50Hz)、硬さ30(デュロメータA)、長さ×幅×厚さ:70mm×50mm×250μmのものである。実施例3,4においては超臨界二酸化炭素を用いた超臨界法にて導電性フィラーを誘電エラストマーに固定化した(固定化条件:温度50℃、圧力15MPa)、比較例3では導電層としてスパッタリングにより金を誘電エラストマー上に堆積させた。
As a result, both Examples 1 and 2 according to the present invention exhibited an excellent power generation amount as compared with Comparative Example 1. On the other hand, in Comparative Example 2, the volume specific resistance of 10 6 Ω · cm was very small compared to that used in the example, so the amount of power generation was extremely remarkably reduced. I have.
(Examples 3 to 5, Comparative Examples 3 and 4)
Five types of elastomer transducers (transducer materials) were produced with the raw materials and configurations shown in Table 3 below, and the power generation amount and durability of each were evaluated.
The dielectric elastomer has a relative dielectric constant of 11.0 (50 Hz), a hardness of 30 (durometer A), and a length × width × thickness: 70 mm × 50 mm × 250 μm. In Examples 3 and 4, the conductive filler was immobilized on the dielectric elastomer by the supercritical method using supercritical carbon dioxide (immobilization conditions: temperature 50 ° C., pressure 15 MPa). In Comparative Example 3, sputtering was performed as the conductive layer. To deposit gold on the dielectric elastomer.

ここで、各原料としては、以下のものを用いた。
・PZT:富士チタン工業製PE−600、比誘電率33℃で2688
・反応性液状アクリルゴム:株式会社トウペ製トアアクロンSA−110S
・架橋剤:トリアリルイソシアヌレート、日本化成製「タイク」
・PEDOT/PSS(ポリエチレンジオキシチオフィン/ポリスチレンスルホン酸):H.C.Stark社製BAYTRON P、体積固有抵抗0.1Ω・cm
・イオン性流体:イミダゾリウム系イオン性流体、広栄化学工業株式会社製「IL−P14」、体積固有抵抗5.6×10Ω・cm
・金:体積固有抵抗20℃で2×10−6Ω・cm
Here, the following were used as each raw material.
PZT: PE-600 manufactured by Fuji Titanium Industry, 2688 at a relative dielectric constant of 33 ° C.
Reactive liquid acrylic rubber: Toacron SA-110S manufactured by Toupe Co., Ltd.
・ Crosslinking agent: triallyl isocyanurate, Nippon Kasei "Tyke"
PEDOT / PSS (polyethylenedioxythiophine / polystyrene sulfonic acid): C. Star BAYTRON P, volume resistivity 0.1Ω · cm
Ionic fluid: imidazolium-based ionic fluid, “IL-P14” manufactured by Guangei Chemical Industry Co., Ltd., volume resistivity 5.6 × 10 2 Ω · cm
Gold: 2 × 10 −6 Ω · cm at a volume resistivity of 20 ° C.

発電量の測定は、図3に示すように、各試料の一端を固定番60によって固定し、他方の端を50%(45mm)力学的に伸長させた後、力を除加したときに発生した電流量を電流計70により測定した。測定は温度20℃、湿度50%の環境で行い、導電層として金を用いた比較例3の発電量を「1」とし、比発電量を算出して評価し、その評価結果を表3の下欄に示す。
耐久性の評価は、同じく図3に示す発電力測定方法を用い、発電量が初期の10%になるまでの伸縮回数を測定することにより評価した。伸縮量は、発電量の測定と同様に50%(45mm)である。測定は温度20℃、湿度50%の環境で行い、比較例3の耐久性を「1」とし、比耐久性を算出して評価し、その評価結果を表3の下欄に示す。
As shown in FIG. 3, the power generation amount is measured when one end of each sample is fixed by a fixing number 60 and the other end is mechanically extended by 50% (45 mm) and then the force is added. The measured amount of current was measured by an ammeter 70. The measurement is performed in an environment of a temperature of 20 ° C. and a humidity of 50%, and the power generation amount of Comparative Example 3 using gold as the conductive layer is set to “1”, and the specific power generation amount is calculated and evaluated. Shown below.
The durability was evaluated by measuring the number of expansions and contractions until the amount of power generation reached 10% of the initial value, using the method for measuring power generation shown in FIG. The amount of expansion / contraction is 50% (45 mm) as in the measurement of the amount of power generation. The measurement is performed in an environment of a temperature of 20 ° C. and a humidity of 50%. The durability of Comparative Example 3 is set to “1”, and the specific durability is calculated and evaluated. The evaluation result is shown in the lower column of Table 3.

Figure 2009232679
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この結果、本発明に係る実施例3〜5は、比発電量および比耐久性のいずれも比較例3よりも優れた値を示した。これに対し、比較例4では、比耐久性は実施例3と同等の値を示したが、導電層の厚さが薄すぎるゆえ、比発電量が極端に低かった。
(実施例6〜8、比較例5)
以下の表4に示すように、ベースゴムとしてアクリルゴム架橋剤(トーヨーポリマー株式会社製 ポリネート70)を8重量部、反応性塊状アクリルゴム(ACM)(株式会社トウペ製 トアアクロンSA−310)100重量部からなるものを用い、このベースゴムにピリジニウム系イオン液体(広栄化学工業株式会社製 IL−P14)を10重量部添加した混合溶液を調整し、Kコントロールコーター(松尾製作所製)を用い、半硬化状態の誘電性エラストマー薄膜を作成した。この膜厚および硬さの測定結果は以下の表4に示す通りである。
As a result, in Examples 3 to 5 according to the present invention, both the specific power generation amount and the specific durability showed values superior to those of Comparative Example 3. On the other hand, in Comparative Example 4, the specific durability showed the same value as in Example 3, but the specific power generation amount was extremely low because the thickness of the conductive layer was too thin.
(Examples 6 to 8, Comparative Example 5)
As shown in Table 4 below, 8 parts by weight of an acrylic rubber cross-linking agent (Polynate 70 manufactured by Toyo Polymer Co., Ltd.) as a base rubber, and 100 parts by weight of reactive bulk acrylic rubber (ACM) (Toacron SA-310 manufactured by Towpe Co., Ltd.) A mixed solution prepared by adding 10 parts by weight of a pyridinium-based ionic liquid (IL-P14 manufactured by Guangei Chemical Industry Co., Ltd.) to this base rubber was prepared using a K control coater (manufactured by Matsuo Seisakusho) A cured dielectric elastomer thin film was prepared. The measurement results of the film thickness and hardness are as shown in Table 4 below.

次に、同じく以下の表4に示すように、ベースゴムとして同じくアクリルゴム架橋剤(トーヨーポリマー株式会社製 ポリネート70)を8重量部、反応性塊状アクリルゴム(ACM)(株式会社トウペ製 トアアクロンSA−310)100重量部を用い、これに導電性フィラー(CNF)を35重量部分散させた混合物を調整し、Kコントロールコーター(松尾製作所製)を用い、半硬化状態の電極層の薄膜を作成した。この膜厚および硬さの測定結果は以下の表4に示す通りである。   Next, as shown in Table 4 below, as a base rubber, 8 parts by weight of acrylic rubber cross-linking agent (Polynate 70 manufactured by Toyo Polymer Co., Ltd.), reactive bulk acrylic rubber (ACM) (Toacron SA manufactured by Toupe Co., Ltd.) -310) Using 100 parts by weight, preparing a mixture in which 35 parts by weight of conductive filler (CNF) was dispersed, and preparing a semi-cured electrode layer thin film using a K control coater (Matsuo Seisakusho) did. The measurement results of the film thickness and hardness are as shown in Table 4 below.

次に、このようにして得られた誘電性エラストマー薄膜と電極層の薄膜およびPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)の薄膜を図4〜図7に示すように重ね合わせ接着して発電素子およびその積層体を作成した。
そして、このようにして得られた4種類の発電素子およびその積層体についてそれぞれ図4〜図7に示すように電気取出し端子80,80および導電線90によって並列に接続して4種類の試料を作成した後、1週間経過したときのそれぞれの試料の発電能(比発生電圧、比発生電流)を測定した。その結果を測定結果を表4の下欄に示す。
Next, the dielectric elastomer thin film, the electrode layer thin film, and the PTFE (polytetrafluoroethylene) thin film obtained in this way are bonded to each other as shown in FIGS. It was created.
Then, the four types of power generation elements and the laminates thus obtained are connected in parallel by electric extraction terminals 80 and 80 and conductive wires 90 as shown in FIGS. After the preparation, the power generation capacity (specific generation voltage, specific generation current) of each sample when one week passed was measured. The measurement results are shown in the lower column of Table 4.

Figure 2009232679
Figure 2009232679

この結果、表4からも分かるように、図4に示すような構造をした実施例8の試料(発電素子200)の発生電圧、発生電流をそれぞれ「1」とした他の試料(実施例6,7、比較例5)の発電能を測定したところ、図5および図6に示すような構成をした実施例6および実施例7の比発生電流は、それぞれその誘電性エラストマー薄膜の積層枚数と同じ2倍および5倍の値を示した。
これに対し、比較例5は図8に示すような積層構造としたものであるが、発生電圧および発生電圧共に、実施例8の試料(発電素子200)の約1/10と低い値であった。
As a result, as can be seen from Table 4, another sample (Example 6) in which the generated voltage and generated current of the sample (power generation element 200) of Example 8 having the structure shown in FIG. , 7 and Comparative Example 5) were measured for power generation capacity, and the specific generated currents of Examples 6 and 7 having the configurations shown in FIGS. 5 and 6 were respectively equal to the number of laminated dielectric elastomer thin films. The same 2-fold and 5-fold values were shown.
On the other hand, Comparative Example 5 has a laminated structure as shown in FIG. 8, but both the generated voltage and the generated voltage are as low as about 1/10 of the sample of Example 8 (power generation element 200). It was.

100…エラストマートランスデューサー
200…発電素子
300…発電素子積層体
10…誘電性エラストマー層
20…電極
20A、20B…電極層
20a…導電性フィラーを含浸させた表層
30…トランスデューサー材料
40…絶縁エラストマー
50…リード線
60…固定板
70(71)…帯電性の電極設置材
80…電気取出し端子
90…導電線
100 ... Elastomer transducer
200 ... Power generation element 300 ... Power generation element laminate 10 ... Dielectric elastomer layer
20 ... Electrode 20A, 20B ... Electrode layer 20a ... Surface layer impregnated with conductive filler
30 ... Transducer material
40. Insulating elastomer
50 ... Lead wire
60 ... Fixing plate 70 (71) ... Electrostatic installation material 80 ... Electrical extraction terminal 90 ... Conductive wire

Claims (12)

誘電性エラストマーの両端に電極を有する構造となっていることを特徴とする1層構造のエラストマートランスデューサー。   A single-layer elastomer transducer characterized by having a structure having electrodes on both ends of a dielectric elastomer. 亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素内で誘電性エラストマーの表面から導電性フィラーを含浸させて当該誘電性エラストマーの表層に導電性フィラーを含浸させることを特徴とする1層構造のエラストマートランスデューサー。   A single-layer elastomer transducer characterized by impregnating a conductive filler from the surface of a dielectric elastomer in carbon dioxide in a subcritical state or a supercritical state, and impregnating the surface layer of the dielectric elastomer with the conductive filler . 請求項1または2に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記誘電性エラストマーの比誘電率が5以上60以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
The elastomer transducer according to claim 1 or 2,
An elastomer transducer, wherein the dielectric elastomer has a relative dielectric constant of 5 or more and 60 or less.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記導電フィラーの体積固有抵抗が10Ω・cm以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
The elastomer transducer according to any one of claims 1 to 3,
An elastomer transducer, wherein the conductive filler has a volume resistivity of 10 3 Ω · cm or less.
1層構造もしくは3層構造を有するエラストマートランスデューサーにおいて、
誘電性エラストマーを含むトランスデューサー材料を、絶縁エラストマーで被覆してなることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
In an elastomer transducer having a one-layer structure or a three-layer structure,
An elastomer transducer comprising a transducer material containing a dielectric elastomer and coated with an insulating elastomer.
請求項5に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記絶縁エラストマーの被覆面積が、前記トランスデューサー材料の全表面積の80%以上であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
The elastomeric transducer of claim 5, wherein
An elastomer transducer characterized in that a covering area of the insulating elastomer is 80% or more of a total surface area of the transducer material.
請求項5または6に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記絶縁エラストマーの体積固有抵抗が10Ω・cm以上であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
The elastomer transducer according to claim 5 or 6,
An elastomer transducer, wherein the insulating elastomer has a volume resistivity of 10 7 Ω · cm or more.
請求項5〜7のいずれか1項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記絶縁エラストマーの比誘電率が1以上5以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
The elastomer transducer according to any one of claims 5 to 7,
An elastomer transducer, wherein the dielectric constant of the insulating elastomer is 1 or more and 5 or less.
請求項1〜8のいずれか1項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記絶縁性エラストマーの最大引張り伸びが200%であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
The elastomer transducer according to any one of claims 1 to 8,
An elastomer transducer characterized in that the maximum tensile elongation of the insulating elastomer is 200%.
誘電性エラストマー層の上下に電極層を備えると共に、当該電極層のうち負極となる電極層に帯電性の電極設置材を備えたことを特徴とする発電素子。   A power generating element comprising electrode layers above and below a dielectric elastomer layer, and an electrode layer serving as a negative electrode among the electrode layers provided with a chargeable electrode installation material. 請求項10に記載の発電素子の一対を、その正極となる電極層同士が当接するように重ね合わせると共に、前記負極となる電極層同士を導電線で電気的に接続し、かつ前記負極となる電極層と、前記正極となる電極層にそれぞれ電気取出し用の端子を接続してなることを特徴とする発電素子積層体。   A pair of the power generation elements according to claim 10 are overlapped so that the electrode layers serving as the positive electrodes are in contact with each other, the electrode layers serving as the negative electrodes are electrically connected to each other with a conductive wire, and serve as the negative electrode A power generating element laminate comprising an electrode layer and an electrode layer serving as the positive electrode, each having a terminal for electrical extraction. 請求項10に記載の発電素子の複数を、その正極となる電極層同士が当接するように重ね合わせるように積層し、前記負極となる電極層同士を導電線で電気的に接続すると共に前記正極となる電極層同士を導電線で電気的に接続し、かつ前記負極となる電極層と、前記正極となる電極層にそれぞれ電気取出し用の端子を接続してなることを特徴とする発電素子積層体。   A plurality of the power generation elements according to claim 10 are stacked so that the electrode layers serving as the positive electrodes are in contact with each other, the electrode layers serving as the negative electrodes are electrically connected to each other with a conductive wire, and the positive electrodes A power generating element laminate comprising: an electrode layer serving as a negative electrode; and an electrode layer serving as a positive electrode connected to a terminal for electrical extraction. body.
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