JP2011072162A - 誘電膜およびそれを用いたトランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】 体積抵抗率が大きく、耐絶縁破壊性の高い誘電膜を提供する。また、耐絶縁破壊性が高く、耐久性に優れたトランスデューサを提供する。
【解決手段】 誘電膜は、分子中に炭素−炭素二重結合を有するジエン系ゴムポリマーと、架橋時に活性硫黄を放出する硫黄放出型化合物と、を含み、架橋剤として硫黄を含まないゴム組成物を架橋してなる。この誘電膜を、少なくとも一対の電極間に介装して、トランスデューサを構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アクチュエータ、センサ等のトランスデューサに好適な誘電膜、およびそれを用いたトランスデューサに関する。

トランスデューサには、機械エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うアクチュエータ、センサ、発電素子等、あるいは音響エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うスピーカ、マイクロフォン等がある。柔軟性が高く、小型で軽量なトランスデューサを構成するためには、誘電体エラストマー等の高分子材料が有用である。

例えば、誘電体エラストマーからなる誘電膜の厚さ方向両面に、一対の電極を配置して、アクチュエータを構成することができる。この種のアクチュエータでは、電極間への印加電圧を大きくすると、電極間の静電引力が大きくなる。このため、電極間に挟まれた誘電膜は厚さ方向から圧縮され、誘電膜の厚さは薄くなる。膜厚が薄くなると、その分、誘電膜は電極面に対して平行方向に伸長する。一方、電極間への印加電圧を小さくすると、電極間の静電引力が小さくなる。このため、誘電膜に対する厚さ方向からの圧縮力が小さくなり、誘電膜の弾性復元力により膜厚は厚くなる。膜厚が厚くなると、その分、誘電膜は電極面に対して平行方向に収縮する。このように、アクチュエータは、誘電膜を伸長、収縮させることによって、駆動対象部材を駆動させる。

誘電膜の材料としては、ニトリルゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）等が用いられることが多い。この種のゴムの架橋には、通常、硫黄や有機過酸化物等が用いられる（例えば、特許文献１〜３参照）。

特表２００３−５０５８６５号公報 特表２００１−５２４２７８号公報 特開２００９−１２４８３９号公報

例えば、硫黄架橋の場合、得られる誘電膜の体積抵抗率が小さくなる。これは、未反応の硫黄等の架橋剤残渣がイオン化して、誘電膜中を移動するためと考えられる。誘電膜の体積抵抗率が小さいと、電圧を印加した時に電流が誘電膜中を流れてしまい、誘電膜と電極との界面に電荷が溜まりにくい。電流が誘電膜中を流れると、発生するジュール熱により、誘電膜が破壊されるおそれがある。また、体積抵抗率が小さいため、誘電膜が絶縁破壊しやすい。このため、大きな電圧を印加することができない。

一方、過酸化物架橋の場合、架橋剤には、硫黄ではなく有機過酸化物を使用する。しかしながら、架橋前のゴム組成物において、有機過酸化物が揮発しやすい。このため、架橋前のゴム組成物の管理が難しい。また、空気中の酸素により、有機過酸化物の反応性が低下しやすい。このため、硫黄架橋の場合のように、押出し成形したゴム組成物をオーブン中で架橋すると、所望の架橋密度が得られないおそれがある。このように、過酸化物架橋によると、取扱い上の制約が多い。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、体積抵抗率が大きく、耐絶縁破壊性の高い誘電膜を提供することを課題とする。また、耐絶縁破壊性が高く、耐久性に優れたトランスデューサを提供することを課題とする。

（１）本発明の誘電膜は、トランスデューサにおいて少なくとも一対の電極間に介装される誘電膜であって、分子中に炭素−炭素二重結合を有するジエン系ゴムポリマーと、架橋時に活性硫黄を放出する硫黄放出型化合物と、を含み、架橋剤として硫黄を含まないゴム組成物を架橋してなることを特徴とする。

本発明の誘電膜は、架橋剤として硫黄を含まないゴム組成物を架橋してなる。このため、誘電膜中に、未反応の硫黄が残存しにくい。したがって、本発明の誘電膜によると、従来の硫黄架橋で問題となる、イオン化した硫黄の移動による体積抵抗率の低下は、生じにくい。つまり、本発明の誘電膜の体積抵抗率は大きい。よって、本発明の誘電膜を一対の電極間に配置して、電圧を印加した場合、誘電膜と電極との界面に、多くの電荷を蓄えることができる。また、電流が誘電膜中を流れにくいため、ジュール熱の発生が抑制される。したがって、熱により誘電膜が破壊されるおそれは少ない。また、体積抵抗率が大きいため、本発明の誘電膜は、絶縁破壊しにくい。このように、本発明の誘電膜は、耐久性に優れる。また、本発明の誘電膜には、より大きな電圧を印加することができる。

本発明の誘電膜は、硫黄放出型化合物を含むゴム組成物を架橋してなる。硫黄放出型化合物は、架橋時に活性状態の硫黄を放出する。放出された活性状態の硫黄により、架橋が進行する。このように、本発明の誘電膜によると、架橋剤として、有機過酸化物を使用しない。したがって、架橋前のゴム組成物の管理や、取扱いにおける制約が少ない。このため、従来の硫黄架橋の場合と同様に、例えば、押出し成形したゴム組成物を、オーブン中で架橋させることができる。

（２）また、本発明のトランスデューサは、上記本発明の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備えることを特徴とする。

トランスデューサは、ある種類のエネルギーを他の種類のエネルギーに変換する装置である。トランスデューサには、機械エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うアクチュエータ、センサ等や、音響エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うスピーカ、マイクロフォン等が含まれる。本発明のトランスデューサは、上記本発明の誘電膜を備える。すなわち、本発明のトランスデューサにおいて、誘電膜の体積抵抗率は大きい。このため、誘電膜と電極との界面に多くの電荷を蓄えることができる。また、本発明の誘電膜は、熱による破壊のおそれが少なく、絶縁破壊しにくい。よって、本発明のトランスデューサは、耐久性に優れる。また、本発明のトランスデューサをアクチュエータとして用いた場合には、誘電膜に大きな電圧を印加することができる。

本発明のトランスデューサの一実施形態であるアクチュエータの断面模式図であって、（ａ）はオフ状態、（ｂ）はオン状態を各々示す。 本発明のトランスデューサの一実施形態である静電容量型センサの断面模式図である。 本発明のトランスデューサの一実施形態である発電素子の断面模式図であって、（ａ）は伸長時、（ｂ）は収縮時を示す。 本発明のトランスデューサの一実施形態であるスピーカの斜視図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 評価実験に使用したアクチュエータの上面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ方向断面図である。

以下、本発明の誘電膜およびトランスデューサの実施形態について説明する。なお、本発明の誘電膜およびトランスデューサは、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。

＜誘電膜＞
本発明の誘電膜は、分子中に炭素−炭素二重結合を有するジエン系ゴムポリマーと、架橋時に活性硫黄を放出する硫黄放出型化合物と、を含み、架橋剤として硫黄を含まないゴム組成物を架橋してなる。

ジエン系ゴムポリマーは、主鎖または側鎖に、架橋サイトとなる炭素−炭素二重結合（Ｃ＝Ｃ）を有するポリマーであればよい。ジエン系ゴムポリマーとしては、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、天然ゴム（ＮＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等が挙げられる。また、エポキシ化天然ゴム、モノメチルメタクリレート変性天然ゴム、カルボキシル変性水素化ニトリルゴム等のように、官能基を導入するなどして変性したものを用いてもよい。ジエン系ゴムポリマーは、一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。

ジエン系ゴムポリマーのなかでも、比誘電率が比較的大きいものや、柔軟性が高いものが好適である。ジエン系ゴムポリマーの比誘電率が大きいと、誘電膜と電極との界面に、多くの電荷を蓄えることができる。つまり、電極間に、大きな静電引力を生じさせることができる。また、ジエン系ゴムポリマーの柔軟性が高いと、誘電膜の伸縮性が向上する。したがって、トランスデューサの電場応答性、耐久性が向上する。このような観点から、特に好適なジエン系ゴムポリマーは、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、エポキシ化天然ゴム、モノメチルメタクリレート変性天然ゴムである。

硫黄放出型化合物は、架橋時に活性状態の硫黄を放出するものであれば、特に限定されない。例えば、テトラキス（２−エチルヘキシル）チウラムジスルフィド、テトラメチルチウラムジスルフィド（ＴＭＴＤ）、テトラエチルチウラムジスルフィド（ＴＥＴＤ）、テトラブチルチウラムジスルフィド（ＴＢＴＤ）、ジペンタメチレンチウラムテトラスルフィド（ＤＰＴＴ）等のチウラム系化合物や、２−（４’−モルホリノジチオ）ベンゾチアゾール（ＭＤＢ）等のチアゾール系化合物、モルホリンジスルフィド（ＤＴＤＭ）、ジチオジカプロラクタム（ＤＴＤＣ）等を用いることができる。なかでも、体積抵抗率の大きな誘電膜を得やすいという理由から、ジスルフィド化合物から選ばれる一種以上を用いることが望ましい。

硫黄放出型化合物の残渣がイオン化して移動すると、誘電膜の体積抵抗率を低下させるおそれがある。したがって、イオン化した残渣が移動しにくいという観点から、硫黄放出型化合物の分子量は、できるだけ大きい方が望ましい。例えば、分子量が２５０以上、さらには４００以上のものが好適である。分子量が２５０以上４００未満の硫黄放出型化合物としては、テトラエチルチウラムジスルフィド（ＴＥＴＤ；分子量２９５）、ジペンタメチレンチウラムテトラスルフィド（ＤＰＴＴ；分子量３８４）、２−（４’−モルホリノジチオ）ベンゾチアゾール（ＭＤＢ；分子量２８４）、ジチオジカプロラクタム（ＤＴＤＣ；分子量２８８）が挙げられる。また、分子量が４００以上の硫黄放出型化合物としては、テトラブチルチウラムジスルフィド（ＴＢＴＤ；分子量４０９）、テトラキス（２−エチルヘキシル）チウラムジスルフィド（分子量６４６）が挙げられる。特に、分子量が６００以上のテトラキス（２−エチルヘキシル）チウラムジスルフィドが好適である。

＜誘電膜の製造方法＞
本発明の誘電膜は、ジエン系ゴムポリマーと硫黄放出型化合物とを含み、架橋剤として硫黄を含まないゴム組成物を架橋して、製造される。ゴム組成物には、必要に応じて、加硫促進助剤（酸化亜鉛）、加工助剤、可塑剤、老化防止剤、補強剤、着色剤等を添加してもよい。ゴム組成物は、例えば、ジエン系ゴムポリマー、硫黄放出型化合物、および必要に応じて添加剤を、ロールや混練機により混練りして、調製することができる。この場合、調製したゴム組成物を、例えば金型に充填して、所定の条件下でプレス架橋することにより、誘電膜を製造すればよい。架橋条件、すなわち架橋の温度や時間等は、ジエン系ゴムポリマーおよび硫黄放出型化合物に応じて、適宜決定すればよい。

硫黄放出型化合物の配合量は、ジエン系ゴムポリマーの１００質量部に対して、１質量部以上２０質量部以下とすることが望ましい。１質量部未満であると、架橋を充分に行うことができない。２質量部以上が好適である。反対に、２０質量部を超えると、残渣が増加して、誘電膜の表面にブルームしてくるおそれがある。１５質量部以下が好適である。

＜トランスデューサ＞
本発明のトランスデューサは、上記本発明の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備える。本発明の誘電膜の構成、および製造方法については、上述した通りである。よって、ここでは説明を割愛する。なお、本発明のトランスデューサにおいても、本発明の誘電膜における好適な態様を採用することが望ましい。

誘電膜の厚さは、用途等に応じて適宜決定すればよい。例えば、本発明のトランスデューサをアクチュエータとして用いる場合には、アクチュエータの小型化、低電位駆動化、および変位量を大きくする等の観点から、誘電膜の厚さは薄い方が望ましい。この場合、耐絶縁破壊性等をも考慮して、誘電膜の厚さを、１μｍ以上１０００μｍ（１ｍｍ）以下とすることが望ましい。より好適な範囲は、５μｍ以上２００μｍ以下である。

本発明のトランスデューサにおいて、電極の材質は、特に限定されるものではない。例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素材料や金属からなる導電材に、バインダーとしてオイルやエラストマーを混合したペーストまたは塗料を塗布した電極、あるいは炭素材料や金属等をメッシュ状に編んだ電極等を使用することができる。電極は、誘電膜の伸縮に応じて伸縮可能であることが望ましい。電極が、誘電膜と共に伸縮すると、誘電膜の変形が電極によって妨げられにくい。このため、本発明のトランスデューサを、アクチュエータ等として使用した場合に、所望の変位量を得やすくなる。

また、本発明のトランスデューサを、複数の誘電膜と電極とを交互に積層させた積層構造とすると、より大きな力を発生させることができる。したがって、積層構造を採用した場合には、例えば、アクチュエータの出力を大きくすることができる。これにより、駆動対象部材をより大きな力で駆動させることができる。

［第一実施形態］
本発明のトランスデューサの第一例として、アクチュエータに具現化した実施形態を説明する。図１に、本実施形態のアクチュエータの断面模式図を示す。（ａ）はオフ状態、（ｂ）はオン状態を各々示す。

図１に示すように、アクチュエータ１は、誘電膜１０と電極１１ａ、１１ｂとを備えている。誘電膜１０は、水素化ニトリルゴム（ジエン系ゴムポリマー）と、テトラキス（２−エチルヘキシル）チウラムジスルフィド（硫黄放出型化合物）と、を含むゴム組成物の架橋体からなる。誘電膜１０は、本発明の誘電膜に含まれる。電極１１ａ、１１ｂは、誘電膜１０の上面および下面に、各々固定されている。電極１１ａ、１１ｂは、導線を介して電源１２に接続されている。オフ状態からオン状態に切り替える際は、一対の電極１１ａ、１１ｂ間に電圧を印加する。電圧の印加により、誘電膜１０の厚さは薄くなり、その分だけ、図（ｂ）中白抜き矢印で示すように、電極１１ａ、１１ｂ面に対して平行方向に伸長する。これにより、アクチュエータ１は、図中上下方向および左右方向の駆動力を出力する。

ここで、誘電膜１０の体積抵抗率は大きい。このため、電極１１ａ、１１ｂ間に大きな電圧を印加しても、電流が誘電膜１０中を流れにくい。よって、誘電膜１０と電極１１ａ、１１ｂとの界面に、多くの電荷を蓄えることができる。その結果、電極１１ａ、１１ｂ間に、大きな静電引力が生じる。また、電流が誘電膜１０中を流れにくいため、ジュール熱の発生が抑制される。よって、誘電膜１０が熱により破壊されるおそれは少ない。また、誘電膜１０は、絶縁破壊しにくい。よって、誘電膜１０に、大きな電圧を印加することができる。このように、アクチュエータ１は、高い耐絶縁破壊性を有し、耐久性に優れる。なお、誘電膜１０を面延在方向に延伸した状態で配置すると、誘電膜１０の絶縁破壊強度が向上する。よって、誘電膜１０に、より大きな電圧を印加することができる。

［第二実施形態］
本発明のトランスデューサの第二例として、静電容量型センサに具現化した実施形態を説明する。図２に、本実施形態の静電容量型センサの断面模式図を示す。図２に示すように、静電容量型センサ２は、誘電膜２０と電極２１ａ、２１ｂと基板２２とを備えている。誘電膜２０は、水素化ニトリルゴム（ジエン系ゴムポリマー）と、テトラキス（２−エチルヘキシル）チウラムジスルフィド（硫黄放出型化合物）と、を含むゴム組成物の架橋体からなる。誘電膜２０は、本発明の誘電膜に含まれる。誘電膜２０は、左右方向に延びる帯状を呈している。誘電膜２０は、基板２２の上面に、電極２１ｂを介して配置されている。電極２１ａ、２１ｂは、左右方向に延びる帯状を呈している。電極２１ａ、２１ｂは、誘電膜２０の上面および下面に、それぞれ固定されている。電極２１ａ、２１ｂには、導線（図略）が接続されている。基板２２は絶縁性の柔軟なフィルムであって、左右方向に延びる帯状を呈している。基板２２は、電極２１ｂの下面に固定されている。

静電容量型センサ２の静電容量（キャパシタンス）は、次式（Ｉ）により求めることができる。
Ｃ＝ε_０ε_ｒＳ／ｄ・・・（Ｉ）
［Ｃ：静電容量、ε_０：真空中の誘電率、ε_ｒ：誘電膜の比誘電率、Ｓ：電極面積、ｄ：電極間距離］
例えば、静電容量型センサ２が上方から押圧されると、誘電膜２０は圧縮され、その分だけ電極２１ａ、２１ｂ面に対して平行方向に伸長する。膜厚、すなわち電極間距離ｄが小さくなると、電極２１ａ、２１ｂ間の静電容量は大きくなる。この静電容量変化により、加わった荷重の大きさや位置等が検出される。

ここで、誘電膜２０の体積抵抗率は大きい。このため、大きな力で押圧されて、電極２１ａ、２１ｂ間の静電容量が大きくなった場合でも、電流が誘電膜２０中を流れにくい。このため、加わった荷重の大きさや位置等を、正確に検出することができる。また、電流が誘電膜２０中を流れにくいため、ジュール熱の発生が抑制される。よって、誘電膜２０が熱により破壊されるおそれは少ない。また、誘電膜２０は、絶縁破壊しにくい。このように、静電容量型センサ２は、高い耐絶縁破壊性を有し、耐久性に優れる。

［第三実施形態］
本発明のトランスデューサの第三例として、発電素子の実施形態を説明する。図３に、本実施形態の発電素子の断面模式図を示す。（ａ）は伸長時、（ｂ）は収縮時を各々示す。図３に示すように、発電素子３は、誘電膜３０と電極３１ａ、３１ｂとを備えている。誘電膜３０は、水素化ニトリルゴム（ジエン系ゴムポリマー）と、テトラキス（２−エチルヘキシル）チウラムジスルフィド（硫黄放出型化合物）と、を含むゴム組成物の架橋体からなる。誘電膜３０は、本発明の誘電膜に含まれる。電極３１ａ、３１ｂは、誘電膜３０の上面および下面に、それぞれ固定されている。電極３１ａ、３１ｂには、導線が接続されており、電極３１ｂは、接地されている。

図３（ａ）に示すように、発電素子３を圧縮し、誘電膜３０を電極３１ａ、３１ｂ面に対して平行方向に伸長すると、誘電膜３０の厚さは薄くなり、電極３１ａ、３１ｂ間に電荷が蓄えられる。その後、圧縮力を除去すると、図３（ｂ）に示すように、誘電膜３０の弾性復元力により誘電膜３０は収縮し、膜厚が厚くなる。その際、電荷が放出され発電される。

ここで、誘電膜３０の体積抵抗率は大きい。このため、圧縮量が大きい場合でも、電流が誘電膜３０中を流れにくく、電極３１ａ、３１ｂ間に多くの電荷を蓄えることができる。したがって、大きな発電量を得ることができる。また、電流が誘電膜３０中を流れにくいため、ジュール熱の発生が抑制される。よって、誘電膜３０が熱により破壊されるおそれは少ない。また、誘電膜３０は、絶縁破壊しにくい。このように、発電素子３は、高い耐絶縁破壊性を有し、耐久性に優れる。

［第四実施形態］
本発明のトランスデューサの第四例として、スピーカに具現化した実施形態を説明する。まず、本実施形態のスピーカの構成について説明する。図４に、本実施形態のスピーカの斜視図を示す。図５に、図４のＶ−Ｖ断面図を示す。図４、図５に示すように、スピーカ４は、第一アウタフレーム４０ａと、第一インナフレーム４１ａと、第一誘電膜４２ａと、第一アウタ電極４３ａと、第一インナ電極４４ａと、第一振動板４５ａと、第二アウタフレーム４０ｂと、第二インナフレーム４１ｂと、第二誘電膜４２ｂと、第二アウタ電極４３ｂと、第二インナ電極４４ｂと、第二振動板４５ｂと、八つのボルト４６０と、八つのナット４６１と、八つのスペーサ４６２と、を備えている。

第一アウタフレーム４０ａ、第一インナフレーム４１ａは、各々、樹脂製であって、リング状を呈している。第一誘電膜４２ａは、円形の薄膜状を呈している。第一誘電膜４２ａは、水素化ニトリルゴム（ジエン系ゴムポリマー）と、テトラキス（２−エチルヘキシル）チウラムジスルフィド（硫黄放出型化合物）と、を含むゴム組成物の架橋体からなる。第一誘電膜４２ａは、本発明の誘電膜に含まれる。第一誘電膜４２ａは、第一アウタフレーム４０ａと第一インナフレーム４１ａとの間に張設されている。すなわち、第一誘電膜４２ａは、表側の第一アウタフレーム４０ａと裏側の第一インナフレーム４１ａとにより、所定の張力を確保した状態で、挟持、固定されている。

第一振動板４５ａは、樹脂製であって、円板状を呈している。第一振動板４５ａは、第一誘電膜４２ａよりも小径である。第一振動板４５ａは、第一誘電膜４２ａの表面の略中央に配置されている。第一アウタ電極４３ａは、柔軟導電材料からなり、リング状を呈している。第一アウタ電極４３ａは、第一誘電膜４２ａの表面に貼着されている。第一インナ電極４４ａも、柔軟導電材料からなり、リング状を呈している。第一インナ電極４４ａは、第一誘電膜４２ａの裏面に貼着されている。第一アウタ電極４３ａと第一インナ電極４４ａとは、第一誘電膜４２ａを挟んで、表裏方向に背向している。図５に示すように、第一アウタ電極４３ａは、端子４３０ａを備えている。第一インナ電極４４ａは、端子４４０ａを備えている。端子４３０ａ、４４０ａには、外部から電圧が印加される。

第二アウタフレーム４０ｂ、第二インナフレーム４１ｂ、第二誘電膜４２ｂ、第二アウタ電極４３ｂ、第二インナ電極４４ｂ、第二振動板４５ｂ（以下、「第二部材」と総称する。）の構成、材質、形状は、上記第一アウタフレーム４０ａ、第一インナフレーム４１ａ、第一誘電膜４２ａ、第一アウタ電極４３ａ、第一インナ電極４４ａ、第一振動板４５ａ（以下、「第一部材」と総称する。）の構成、材質、形状と、同様である。また、第二部材の配置は、上記第一部材の配置と、表裏方向に対称である。簡単に説明すると、第二誘電膜４２ｂは、第二アウタフレーム４０ｂと第二インナフレーム４１ｂとの間に張設されている。第二誘電膜４２ｂは、本発明の誘電膜に含まれる。第二振動板４５ｂは、第二誘電膜４２ｂの表面の略中央に配置されている。第二アウタ電極４３ｂは、第二誘電膜４２ｂの表面に印刷されている。第二インナ電極４４ｂは、第二誘電膜４２ｂの裏面に印刷されている。第二アウタ電極４３ｂの端子４３０ｂ、第二インナ電極４４ｂの端子４４０ｂには、外部から電圧が印加される。

第一部材と第二部材とは、八つのボルト４６０、八つのナット４６１により、八つのスペーサ４６２を介して、固定されている。「ボルト４６０−ナット４６１−スペーサ４６２」のセットは、スピーカ４の周方向に所定間隔ずつ離間して配置されている。ボルト４６０は、第一アウタフレーム４０ａ表面から第二アウタフレーム４０ｂ表面までを貫通している。ナット４６１は、ボルト４６０の貫通端に螺着されている。スペーサ４６２は、樹脂製であって、ボルト４６０の軸部に環装されている。スペーサ４６２は、第一インナフレーム４１ａと第二インナフレーム４１ｂとの間に、所定の間隔を確保している。第一誘電膜４２ａの中央部裏面（第一振動板４５ａが配置されている部分の裏側）と、第二誘電膜４２ｂの中央部裏面（第二振動板４５ｂが配置されている部分の裏側）と、は接合されている。このため、第一誘電膜４２ａには、図５に白抜き矢印Ｙ１ａで示す方向に、付勢力が蓄積されている。また、第二誘電膜４２ｂには、図５に白抜き矢印Ｙ１ｂで示す方向に、付勢力が蓄積されている。

次に、本実施形態のスピーカの動きについて説明する。端子４３０ａ、４４０ａと端子４３０ｂ、４４０ｂとを介して、第一アウタ電極４３ａおよび第一インナ電極４４ａと、第二アウタ電極４３ｂおよび第二インナ電極４４ｂと、には、初期状態（オフセット状態）において、所定の電圧（オフセット電圧）が印加されている。スピーカ４の動作時には、端子４３０ａ、４４０ａと端子４３０ｂ、４４０ｂとに、逆位相の電圧が印加される。 例えば、端子４３０ａ、４４０ａに、オフセット電圧＋１Ｖが印加されると、第一誘電膜４２ａのうち、第一アウタ電極４３ａと第一インナ電極４４ａとの間に配置されている部分の膜厚が薄くなる。並びに、当該部分が径方向に伸長する。これと同時に、端子４３０ｂ、４４０ｂに逆位相の電圧（オフセット電圧−１Ｖ）が印加される。すると、第二誘電膜４２ｂのうち、第二アウタ電極４３ｂと第二インナ電極４４ｂとの間に配置されている部分の膜厚が厚くなる。並びに当該部分が径方向に収縮する。これにより、第二誘電膜４２ｂは、第一誘電膜４２ａを引っ張りながら、図５に白抜き矢印Ｙ１ｂで示す方向に、自身の付勢力により弾性変形する。反対に、端子４３０ｂ、４４０ｂにオフセット電圧＋１Ｖが印加され、端子４３０ａ、４４０ａに逆位相の電圧（オフセット電圧−１Ｖ）が印加されると、第一誘電膜４２ａは、第二誘電膜４２ｂを引っ張りながら、図５に白抜き矢印Ｙ１ａで示す方向に、自身の付勢力により弾性変形する。このようにして、第一振動板４５ａ、第二振動板４５ｂを振動させることにより空気を振動させ、音声を発生させる。

次に、本実施形態のスピーカ４の作用効果について説明する。本実施形態のスピーカ４によると、第一誘電膜４２ａおよび第二誘電膜４２ｂの体積抵抗率は大きい。よって、圧縮量が大きい場合でも、電流が第一誘電膜４２ａおよび第二誘電膜４２ｂ中を流れにくい。これにより、ジュール熱の発生が抑制される。したがって、第一誘電膜４２ａおよび第二誘電膜４２ｂが、熱により破壊されるおそれは少ない。また、また、第一誘電膜４２ａおよび第二誘電膜４２ｂは、絶縁破壊しにくい。このように、スピーカ４は、高い耐絶縁破壊性を有し、耐久性に優れる。

また、第一アウタ電極４３ａ、第一インナ電極４４ａ、第二アウタ電極４３ｂ、および第二インナ電極４４ｂは、柔軟導電材料からなる。このため、第一誘電膜４２ａ、第二誘電膜４２ｂの変形に追従して変形することができる。すなわち、第一誘電膜４２ａ、第二誘電膜４２ｂの動きが、電極４３ａ、４４ａ、４３ｂ、４４ｂにより妨げられにくい。さらに、電極４３ａ、４４ａ、４３ｂ、４４ｂは、伸長されても電気抵抗の増加が小さい。このため、スピーカ４の電場応答性は良好である。

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

＜誘電膜の製造＞
［実施例１〜３の誘電膜］
下記の表１に示す原料から、実施例１〜３の誘電膜を製造した。まず、ジエン系ゴムポリマーの水素化ニトリルゴム（日本ゼオン（株）製「Ｚｅｔｐｏｌ（登録商標）４３２０」、ＡＮ量＝１８．６質量％）と、加工助剤のステアリン酸（花王（株）製「ルナック（登録商標）Ｓ３０」）と、加硫促進助剤の酸化亜鉛（三井金属（株）製）と、硫黄放出型化合物（１）または（２）と、をロール練り機にて混合、分散させて、ゴム組成物を調製した。次に、調製したゴム組成物を、薄いシート状に成形した。それから、成形物を金型に充填して、１７５℃で約３０分間プレス架橋した。このようにして、誘電膜を得た。誘電膜の膜厚は、いずれも約２００μｍとした。

［比較例１の誘電膜］
下記の表１に示す原料から、比較例１の誘電膜を製造した。実施例の誘電膜と比較例の誘電膜との主な相違点は、硫黄配合の有無である。まず、水素化ニトリルゴム（同上）と、ステアリン酸（同上）と、酸化亜鉛（同上）と、硫黄放出型化合物（３）と、スルフェンアミド系促進剤（三新化学工業（株）製「サンセラー（登録商標）ＣＭ」）と、硫黄（鶴見化学工業（株）製「サルファックスＴ−１０」）と、をロール練り機にて混合、分散させて、ゴム組成物を調製した。次に、調製したゴム組成物を、薄いシート状に成形した。それから、成形物を金型に充填して、１７５℃で約３０分間プレス架橋した。このようにして、誘電膜を得た。誘電膜の膜厚は、いずれも約２００μｍとした。

表１に、使用した原料の種類および配合量を示す。

表１中、硫黄放出型化合物（１）〜（３）については、以下のものを使用した。
硫黄放出型化合物（１）：大内新興化学工業（株）製「ノクセラー（登録商標）ＴＯＴ−Ｎ」
硫黄放出型化合物（２）：川口化学工業（株）製「アクセル（登録商標）ＴＢＴ−Ｐ」
硫黄放出型化合物（３）：三新化学工業（株）製「サンセラーＴＥＴ−Ｇ」
また、硫黄放出型化合物（１）〜（３）の構造式を、次式（１）〜（３）に示す。

＜体積抵抗率の測定＞
実施例１〜３および比較例１の誘電膜の体積抵抗率を、ＪＩＳ Ｋ６２７１（２００８）に準じて測定した。測定は、直流電圧１００Ｖを印加して行った。測定結果を上記表１にまとめて示す。表１に示すように、実施例１〜３の誘電膜の体積抵抗率は、比較例１の誘電膜の体積抵抗率よりも大きくなった。実施例１〜３の誘電膜については、架橋剤として硫黄を配合していない。このため、未反応硫黄のイオン化による体積抵抗率の低下が、抑制されたと考えられる。なかでも、硫黄放出型化合物（１）を用いて架橋した実施例１、２の誘電膜において、体積抵抗率が大きくなった。硫黄放出型化合物（１）の分子量は大きい。このため、架橋後に残渣がイオン化しても、残渣が誘電膜中を移動しにくい。よって、体積抵抗率の低下がより抑制されたと考えられる。

＜比誘電率の測定＞
実施例１〜３および比較例１の誘電膜の比誘電率を測定した。比誘電率の測定は、各誘電膜をサンプルホルダー（ソーラトロン社製、１２９６２Ａ型）に設置し、誘電率測定インターフェイス（同社製、１２９６型）、および周波数応答アナライザー（同社製、１２５５Ｂ型）を併用して測定した（周波数１００Ｈｚ）。測定結果を上記表１にまとめて示す。表１に示すように、実施例１〜３の誘電膜と比較例１の誘電膜とにおいて、比誘電率は略同じ値となった。

＜アクチュエータの評価＞
次に、実施例１〜３および比較例１の各誘電膜を用いてアクチュエータを作製し、アクチュエータの最大変位率および最大電界強度を測定した。

［実験装置および実験方法］
まず、実験装置および実験方法について説明する。実施例１〜３および比較例１の各々の誘電膜の上下面に、アクリルゴムにカーボンブラックを分散させた導電性ペーストを塗布して電極を形成して、アクチュエータを作製した。以下、作製したアクチュエータを、誘電膜の種類に対応させて、「実施例１のアクチュエータ」等と称す。図６に、作製したアクチュエータの上面図を示す。図７に、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ方向断面図を示す。

図６、図７に示すように、アクチュエータ５は、誘電膜５０と一対の電極５１ａ、５１ｂとを備えている。誘電膜５０は、直径７０ｍｍの円形の薄膜状を呈している。誘電膜５０は、延伸率５０％で二軸方向に延伸された状態で配置されている。ここで、延伸率は、次式（ＩＩ）により算出した値である。
延伸率（％）＝｛√（Ｓ_２／Ｓ_１）−１｝×１００・・・（ＩＩ）
［Ｓ_１：延伸前（自然状態）の誘電膜面積、Ｓ_２：二軸方向延伸後の誘電膜面積］
一対の電極５１ａ、５１ｂは、誘電膜５０を挟んで上下方向に対向するよう配置されている。電極５１ａ、５１ｂは、直径約２７ｍｍの円形の薄膜状を呈しており、各々、誘電膜５０と略同心円状に配置されている。電極５１ａの外周縁には、拡径方向に突出する端子部５１０ａが形成されている。端子部５１０ａは矩形板状を呈している。同様に、電極５１ｂの外周縁には、拡径方向に突出する端子部５１０ｂが形成されている。端子部５１０ｂは矩形板状を呈している。端子部５１０ｂは、端子部５１０ａに対して、１８０°対向する位置に配置されている。端子部５１０ａ、５１０ｂは、各々、導線を介して電源５２に接続されている。

電極５１ａ、５１ｂ間に電圧を印加すると、電極５１ａ、５１ｂ間に静電引力が生じて、誘電膜５０を圧縮する。これにより、誘電膜５０の厚さは薄くなり、拡径方向に伸長する。この時、電極５１ａ、５１ｂも、誘電膜５０と一体となって拡径方向に伸長する。電極５１ａには、予め、マーカー５３０が取り付けられている。マーカー５３０の変位を、変位計５３により測定し、アクチュエータ５の変位量とした。

印加する電圧を段階的に増加させて、誘電膜５０が破壊されるまで、変位量の測定を行った。また、測定された変位量から、次式（ＩＩＩ）により誘電膜５０の変位率を算出した。
変位率（％）＝（変位量／電極の半径）×１００・・・（ＩＩＩ）
そして、誘電膜５０が破壊される寸前における変位率を、最大変位率とした。また、その時の電圧値を誘電膜５０の膜厚で除した値を、最大電界強度とした。

［実験結果］
上記表１に、実施例１〜３および比較例１の各アクチュエータにおける最大変位率および最大電界強度の測定結果を、まとめて示す。表１に示すように、実施例１〜３のアクチュエータの最大電界強度は、比較例１のアクチュエータの最大電界強度よりも、大きくなった。実施例１〜３のアクチュエータにおいて、誘電膜の体積抵抗率は大きい。つまり、誘電膜の耐絶縁破壊性は高く、誘電膜において発生するジュール熱も少ない。このため、実施例１〜３のアクチュエータには、より大きな電圧を印加することができた。また、誘電膜の体積抵抗率の増加に伴って、最大電界強度も、実施例３→実施例１→実施例２の順に大きくなった。

＜まとめ＞
以上より、本発明の誘電膜について、体積抵抗率が大きいことが確認された。また、本発明の誘電膜によると、耐絶縁破壊性が高く、大きな電圧を印加することができるアクチュエータを構成できることが確認された。

本発明の誘電膜は、機械エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うアクチュエータ、センサ、発電素子等、あるいは音響エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うスピーカ、マイクロフォン、ノイズキャンセラ等のトランスデューサに広く用いることができる。なかでも、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉、電子部品冷却用や医療用等の小型ポンプ、および医療用器具等に用いられる柔軟なアクチュエータに好適である。

１：アクチュエータ（トランスデューサ） １０：誘電膜 １１ａ、１１ｂ：電極
１２：電源
２：静電容量型センサ（トランスデューサ） ２０：誘電膜 ２１ａ、２１ｂ：電極
２２：基板
３：発電素子（トランスデューサ） ３０：誘電膜 ３１ａ、３１ｂ：電極
４：スピーカ（トランスデューサ）
４０ａ：第一アウタフレーム ４０ｂ：第二アウタフレーム
４１ａ：第一インナフレーム ４１ｂ：第二インナフレーム
４２ａ：第一誘電膜 ４２ｂ：第二誘電膜
４３ａ：第一アウタ電極 ４３ｂ：第二アウタ電極
４４ａ：第一インナ電極 ４４ｂ：第二インナ電極
４５ａ：第一振動板 ４５ｂ：第二振動板
４３０ａ、４３０ｂ、４４０ａ、４４０ｂ：端子 ４６０：ボルト ４６１：ナット
４６２：スペーサ
５：アクチュエータ ５０：誘電膜 ５１ａ、５１ｂ：電極 ５２：電源 ５３：変位計
５１０ａ、５１０ｂ：端子部 ５３０：マーカー

Claims (7)

1. トランスデューサにおいて少なくとも一対の電極間に介装される誘電膜であって、
   分子中に炭素−炭素二重結合を有するジエン系ゴムポリマーと、
   架橋時に活性硫黄を放出する硫黄放出型化合物と、
   を含み、架橋剤として硫黄を含まないゴム組成物を架橋してなることを特徴とする誘電膜。
2. 前記硫黄放出型化合物の分子量は、４００以上である請求項１に記載の誘電膜。
3. 前記硫黄放出型化合物は、ジスルフィド化合物から選ばれる一種以上である請求項１または請求項２に記載の誘電膜。
4. 前記硫黄放出型化合物は、テトラキス（２−エチルヘキシル）チウラムジスルフィドである請求項３に記載の誘電膜。
5. 前記ジエン系ゴムポリマーは、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、エポキシ化天然ゴム、モノメチルメタクリレート変性天然ゴムから選ばれる一種以上である請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の誘電膜。
6. 前記硫黄放出型化合物の配合量は、前記ジエン系ゴムポリマーの１００質量部に対して、１質量部以上２０質量部以下である請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の誘電膜。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の誘電膜と、
   該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、
   を備えることを特徴とするトランスデューサ。

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