JP2008227384A

JP2008227384A - 誘電性ゴム積層体

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Publication number: JP2008227384A
Application number: JP2007066868A
Authority: JP
Inventors: Naoko Hanatani; 尚子花谷; Shunichi Yabe; 俊一矢部
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】電極層の損傷や、電極層と誘電層との剥離が生じにくい誘電性ゴム積層体を提供する。
【解決手段】誘電性ゴム積層体は、一対の電極層１，１の間に誘電層２が介装されてなる３層構造を有している。電極層１は、接着性を有するベースゴムと導電性フィラーとを含有する導電性ゴム組成物で構成されている。また、誘電層２は、ベースゴムと誘電性フィラーとを含有する誘電性ゴム組成物で構成されており、その厚さは１０μｍ以上３００μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、歪みが加えられると発電する性質及び電圧が印加されると変形する性質を有する誘電性ゴム積層体に関する。

電気エネルギーを機械的エネルギーに変換するトランスデューサ（変換器）として、誘電性ゴム積層体が用いられており、その例が特許文献１〜３に開示されている。誘電性ゴム積層体は、一対の電極層の間に誘電性ゴム組成物で構成された誘電層が介装されてなるものであるが、特許文献１〜３に開示された例においては、誘電層はシリコーンゴムやアクリルゴムを伸張させたもので構成されていた。また、電極層には、金，白金の蒸着膜や導電性フィラーを含有するエラストマ膜が用いられていた。
特表２００３−５０５８６５号公報特表２００３−５０６８５８号公報特表２００３−５２６２１３号公報

しかしながら、誘電性ゴム積層体に歪みを繰り返し加えると、電極層が誘電層の変形に追随できなくなり、電極層に損傷が生じたり、電極層が誘電層から剥離したりするおそれがあった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、電極層の損傷や、電極層と誘電層との剥離が生じにくい誘電性ゴム積層体を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の誘電性ゴム積層体は、導電性ゴム組成物で構成された一対の電極層の間に誘電性ゴム組成物で構成された誘電層を介装してなる誘電性ゴム積層体において、前記誘電層の厚さが１０μｍ以上３００μｍ以下であるとともに、前記導電性ゴム組成物は接着性を有するベースゴムと導電性フィラーとを含有することを特徴とする。

また、本発明に係る請求項２の誘電性ゴム積層体は、請求項１に記載の誘電性ゴム積層体において、前記導電性ゴム組成物のベースゴムは硬化型シリコーンゴムであることを特徴とする。
さらに、本発明に係る請求項３の誘電性ゴム積層体は、請求項１又は請求項２に記載の誘電性ゴム積層体において、前記誘電性ゴム組成物は比誘電率が３以上３０以下であるとともに、ベースゴムと比誘電率が２００以上である誘電性フィラーとを含有することを特徴とする。

さらに、本発明に係る請求項４の誘電性ゴム積層体は、請求項３に記載の誘電性ゴム積層体において、前記誘電性ゴム組成物のベースゴムは、アクリルゴム及びシリコーンゴムの少なくとも一方であり、前記誘電性フィラーは、チタン酸バリウム，チタン酸ジルコン酸鉛，ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛，チタン酸ストロンチウム，チタン酸鉛，チタン酸ビスマス，チタン酸ビスマスバリウムのうち少なくとも一つであることを特徴とする。

本発明の誘電性ゴム積層体は、電極層の損傷や、電極層と誘電層との剥離が生じにくい。

本発明に係る誘電性ゴム積層体の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１の誘電性ゴム積層体は、一対の電極層１，１の間に誘電層２が介装されてなる３層構造を有している。電極層１は、接着性を有するベースゴムと導電性フィラーとを含有する導電性ゴム組成物で構成されている。また、誘電層２は、ベースゴムと誘電性フィラーとを含有する誘電性ゴム組成物で構成されており、その厚さは１０μｍ以上３００μｍ以下である。

このような誘電性ゴム積層体は、電極層１及び誘電層２が変形能に優れ、互いの変形に追随するので、繰り返し加えられる歪みに耐える性能を有している。よって、アクチュエータ及びジェネレータとして好適に使用可能であり、例えば携帯電話端末用電源，車載用電源，緊急災害時用電源として利用することが可能である。
電極層１は、体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、１×１０^-3Ω・ｃｍ以下であることがより好ましい。体積固有抵抗が１０Ω・ｃｍ超過であると導電性が低いため、誘電性ゴム積層体の応答性が悪くなるおそれがある。

導電性ゴム組成物に用いる導電性フィラーの種類は特に限定されるものではないが、カーボンブラック，黒鉛，カーボンナノファイバー，銀等があげられる。これらは単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
また、導電性ゴム組成物に用いるベースゴムの種類は、接着性を有するゴムであれば特に限定されるものではないが、シリコーン系ゴム，変性シリコーン系ゴム，アクリル系ゴム，ポリサルファイド系ゴム，ポリウレタン系ゴム，ポリイソブチレン系ゴム等があげられる。これらは単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。ただし、常温で、又は、加熱することで硬化する硬化型シリコーンゴムが好ましい。

ベースゴムとして硬化型シリコーンゴムを用いて導電性ゴム組成物を得る場合には、液状ベースポリマー，シリコーンエラストマー粉末，架橋剤，及び導電性フィラーを混合し、常温下又は加熱下で硬化させる。硬化型シリコーンゴムの硬化形態は、縮合反応型，付加反応型，紫外線反応型等があるが、接着性が良好な縮合反応型が好ましい。縮合反応型の硬化型シリコーンゴムは、硬化前の性状がペースト状であり、大気中の水分を取り込んで硬化反応が進むことが特徴である。

導電性ゴム組成物が、接着性を有するベースゴムを含有しているので、電極層１は誘電層２との接着性が優れている。また、誘電性ゴム積層体が変形しても、誘電層２に追随して剥離しにくい性質を有している。さらに、縮合反応型の硬化型シリコーンゴムを用いれば、大気中の水分で硬化が進むので、誘電層２の両面に導電性ゴム組成物を層状に配し硬化させて電極層１を形成する際に、硬化処理の時間を短縮することが可能である。

前述の液状ベースポリマーとしては、分子鎖の両末端が水酸基又はオルガノオキシ基等の加水分解性基で封止されたジオルガノポリシロキサンを主成分とするものが好ましい。また、シリコーンエラストマー粉末としては、シリコーンゴム粉末等があげられるが、オレフィン性不飽和基を分子中に平均２個以上含有するオルガノポリシロキサンとケイ素原子に直結した水素原子を分子中に平均２個以上含有するオルガノポリシロキサンとを付加反応触媒存在下で反応させたものが好ましい。さらに、架橋剤としては、加水分解性基を１分子中に２個以上有するシラン又はシロキサン化合物が好ましい。

電極層１の厚さは、５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。５μｍ未満であると、膜厚が薄すぎて均一に製膜することが困難であるとともに、誘電性ゴム積層体の変形時に穴等が発生するおそれがある。一方、１００μｍ超過であると、膜厚が厚すぎて、誘電性ゴム積層体の変形時に誘電層２に追随することが困難となるとともに、誘電性ゴム積層体の応答性が悪くなるおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、電極層１の厚さは１０μｍ以上５０μｍ以下であることがより好ましい。

また、電極層１の硬さ（デュロメータＡスケールで測定した硬さ）は、２０以上６０以下であることが好ましい。硬さが２０未満であると、変形能は大きくなるものの機械的強度が不十分となる傾向が強くなるため、実用性が低下する。一方、６０超過であると、絶対的な変形能が不十分となるため実用性が低くなる。このような不都合がより生じにくくするためには、電極層１の硬さは３０以上５０以下であることがより好ましい。

次に、誘電層２について説明する。誘電層２は、ベースゴムと誘電性フィラーとを含有する誘電性ゴム組成物で構成されているが、誘電性ゴム組成物は比誘電率が３以上３０以下であることが好ましく、５以上２０以下であることがより好ましい。また、使用される誘電性フィラーは、比誘電率が２００以上であるものが好ましい。
誘電性ゴム組成物に用いる誘電性フィラーの種類は特に限定されるものではないが、チタン酸バリウム，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，チタン酸鉛等があげられる。これらの誘電性フィラーの比誘電率とキューリー点を表１に示す。

また、近年開発されたチタン酸ビスマス（Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂、キューリー点６７５℃等），チタン酸ビスマスバリウム（ＢａＢｉ₈Ｔｉ₇Ｏ₂₇、キューリー点５４０℃等）は、有害な鉛を含有せず且つ高いキューリー点を有するので、フィラーとして量産化されれば好適に使用可能である。なお、これらの誘電性フィラーは単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

さらに、チタン酸バリウムを主成分とし、キューリー点を上昇させるためにチタン酸鉛，ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃），チタン酸ビスマス等を拡散させたものや、比誘電率を向上させるために酸化鉛（ＰｂＯ），酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）等を拡散させたものを、誘電性フィラーとして用いることもできる。なお、一定の比誘電率とキューリー点とを有するものであれば、上記したもの以外の化合物を誘電性フィラーとして用いることもできる。
以上説明した誘電性フィラーの中から、誘電層２を形成する際の加工温度、誘電性ゴム積層体の使用温度、及び誘電性ゴム組成物の比誘電率を考慮して適宜選択すればよいが、高い比誘電率と２００℃以上のキューリー点とを併せ持つことから、チタン酸ジルコン酸鉛が最も好適である。

誘電性ゴム組成物中の誘電性フィラーの比率は、誘電性ゴム組成物の比誘電率や誘電性フィラーの種類によって適宜設定されるが、１０質量％以上６０質量％以下であることが好ましい。１０質量％未満であると、誘電性ゴム組成物の比誘電率が低くなるとともに、誘電性ゴム積層体に発電機能を発現させることが難しくなる。一方、６０質量％超過であると、ベースゴムの比率が少なくなるため、誘電層２の変形能が不十分となるとともに、誘電性ゴム積層体の発電機能が低下するおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、誘電性ゴム組成物中の誘電性フィラーの比率は２０質量％以上５０質量％以下であることがより好ましい。

また、誘電性ゴム組成物に用いるベースゴムの種類は特に限定されるものではないが、表２に示すイソプレンゴム，スチレンブタジエンゴム，クロロプレンゴム，ブチルゴム，エチレンプロピレンゴム，ニトリルゴム，シリコーンゴム，フッ素ゴム，アクリルゴム等があげられる。これらの中では、比誘電率が３．０以上であるクロロプレンゴム，エチレンプロピレンゴム，ニトリルゴム，シリコーンゴム，アクリルゴムが好ましい。なお、これらのベースゴムは単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

このようなゴム材料及び液状ゴムの硬化（加硫）後の常温における比誘電率は、５以上３０以下であることが好ましい。５未満であると、誘電性ゴム積層体の発電機能が不十分となるおそれがある。一方、３０超過であると、誘電性ゴム積層体の応答性が悪くなるおそれがある。このような不都合がより生じにくくするためには、比誘電率は１０以上２０以下であることがより好ましい。

また、誘電層２の硬さ（デュロメータＡスケールで測定した硬さ）は、２０以上６０以下であることが好ましい。硬さが２０未満であると、変形能は大きくなるものの機械的強度が不十分となる傾向が強くなるため、実用性が低下する。一方、６０超過であると、絶対的な変形能が不十分となるため実用性が低くなる。このような不都合がより生じにくくするためには、誘電層２の硬さは３０以上５０以下であることがより好ましい。

〔実施例〕
以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。下記に示すような３層構造の誘電性ゴム積層体を用意して、繰り返し変形に対する耐久性を評価した。
まず、実施例１の誘電性ゴム積層体について説明する。電極層を構成する導電性ゴム組成物は、導電性フィラーとして導電性カーボンブラックを主に含有する導電性硬化型シリコーンゴム（信越化学工業株式会社製のＫＥ−３４９２）である。また、誘電層を構成する誘電性ゴム組成物のベースゴムは反応性液状アクリルゴム（株式会社トウペ製のトアアクロンＳＡ−３１０）であり、誘電性フィラーはＰＺＴ（富士チタン工業株式会社製のＰＥ−６００）である。このＰＺＴの比誘電率は、３３℃で２６８８である。

実施例１の誘電性ゴム積層体を製造する際には、まず反応性液状アクリルゴム７２．５質量％とＰＺＴ２１．７質量％と架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製のソフト硬化剤であるポリネート７０）５．８質量％とを混合したものを、松尾製作所製のＫコントロールコーターを用いて薄膜状に成形し半硬化状態にした。これにより誘電層となるゴム薄膜が得られた。このゴム薄膜の両面に導電性硬化型シリコーンゴムを、Ｋコントロールコーターを用いて塗布し、室温で硬化させた。
このようにして得られた誘電性ゴム積層体の電極層は、体積固有抵抗が０．００２Ω・ｃｍ、厚さが５０μｍ、デュロメータＡスケールで測定した硬さが５０であった。また、誘電層は、比誘電率が６．０（２０Ｈｚ）、厚さが２００μｍ、デュロメータＡスケールで測定した硬さが３０であった。

次に、比較例１の誘電性ゴム積層体について説明する。電極層を構成する導電性ゴム組成物のベースゴムは反応性液状アクリルゴム（株式会社トウペ製のトアアクロンＳＡ−３１０）であり、導電性フィラーはカーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製のＶＧＣＦ）である。また、誘電層を構成する誘電性ゴム組成物のベースゴムは反応性液状アクリルゴム（株式会社トウペ製のトアアクロンＳＡ−３１０）であり、誘電性フィラーはＰＺＴ（富士チタン工業株式会社製のＰＥ−６００）である。

比較例１の誘電性ゴム積層体を製造する際には、まず反応性液状アクリルゴム７２．５質量％とＰＺＴ２１．７質量％と架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製のソフト硬化剤であるポリネート７０）５．８質量％とを混合したものを、松尾製作所製のＫコントロールコーターを用いて薄膜状に成形し半硬化状態にした。これにより、誘電層となるゴム薄膜が得られた。

次に、反応性液状アクリルゴム７２．５質量％とカーボンナノファイバー２１．７質量％と架橋剤（トーヨーポリマー株式会社製のソフト硬化剤であるポリネート７０）５．８質量％とを混合したものを、松尾製作所製のＫコントロールコーターを用いて薄膜状に成形し半硬化状態にした。これにより、電極層となるゴム薄膜が得られた。そして、誘電層となるゴム薄膜の両面に、電極層となるゴム薄膜を配して３層構造として、架橋処理を施した。
このようにして得られた誘電性ゴム積層体の電極層は、体積固有抵抗が９×１０^-1Ω・ｃｍ、厚さが５０μｍ、デュロメータＡスケールで測定した硬さが３１であった。また、誘電層は、比誘電率が６．０（２０Ｈｚ）、厚さが２００μｍ、デュロメータＡスケールで測定した硬さが３０であった。

次に、比較例２の誘電性ゴム積層体について説明する。電極層は金の蒸着により形成した。また、誘電層を構成する誘電性ゴム組成物のベースゴムは反応性液状アクリルゴム（株式会社トウペ製のトアアクロンＳＡ−３１０）であり、誘電性フィラーはＰＺＴ（富士チタン工業株式会社製のＰＥ−６００）である。
比較例２の誘電性ゴム積層体を製造する際には、まず比較例１と同様にして、誘電層となるゴム薄膜を得た。次に、誘電層となるゴム薄膜の両面に、電極層となる金蒸着層を形成した。

このようにして得られた誘電性ゴム積層体の電極層は、体積固有抵抗が１×１０^-5Ω・ｃｍ、厚さが３０μｍであった。また、誘電層は、比誘電率が６．０（２０Ｈｚ）、厚さが２００μｍ、デュロメータＡスケールで測定した硬さが３０であった。
これらの誘電性ゴム積層体の両電極層に、薄片状の銅電極を、導電性接着剤（藤倉化成株式会社製のドータイトＤ−３６２、常温乾燥タイプ）を用いて接着した。そして、両銅電極を微小電流計（株式会社エーディーシー製）に接続した（図２を参照）。誘電性ゴム積層体に繰り返し歪みを加えて発電し、電流値の変化を観察するとともに、歪みを１万回加えた後の誘電性ゴム積層体の損傷状況を調べた。

実施例１及び比較例１，２の誘電性ゴム積層体は、いずれも歪みが加えられると発電した。実施例１の誘電性ゴム積層体は、歪みを１万回加えても損傷は生じておらず耐久性が優れていたが、比較例１の誘電性ゴム積層体は、電極層と誘電層との間の一部に剥離が生じた。また、比較例２の誘電性ゴム積層体は、電極層である金蒸着層の表面に亀裂が発生した。その結果、電流の伝導が悪化した。

本発明に係る誘電性ゴム積層体の構造を示す断面図である。誘電性ゴム積層体の発電試験の方法を説明する概念図である。

符号の説明

１電極層
２誘電層

Claims

導電性ゴム組成物で構成された一対の電極層の間に誘電性ゴム組成物で構成された誘電層を介装してなる誘電性ゴム積層体において、
前記誘電層の厚さが１０μｍ以上３００μｍ以下であるとともに、前記導電性ゴム組成物は接着性を有するベースゴムと導電性フィラーとを含有することを特徴とする誘電性ゴム積層体。
前記導電性ゴム組成物のベースゴムは硬化型シリコーンゴムであることを特徴とする請求項１に記載の誘電性ゴム積層体。
前記誘電性ゴム組成物は比誘電率が３以上３０以下であるとともに、ベースゴムと比誘電率が２００以上である誘電性フィラーとを含有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の誘電性ゴム積層体。
前記誘電性ゴム組成物のベースゴムは、アクリルゴム及びシリコーンゴムの少なくとも一方であり、前記誘電性フィラーは、チタン酸バリウム，チタン酸ジルコン酸鉛，ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛，チタン酸ストロンチウム，チタン酸鉛，チタン酸ビスマス，チタン酸ビスマスバリウムのうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項３に記載の誘電性ゴム積層体。