JP2014118481A - 導電材料およびそれを用いたトランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】 伸長時にも導電性が低下しにくく、耐久性に優れた導電材料を提供する。また、当該導電材料を用いて、耐久性に優れたトランスデューサを提供する。
【解決手段】 導電材料は、エラストマーと、該エラストマー中に配合される導電剤と、を有する。該エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動する。ポリマー製の電歪層と、該電歪層を介して配置される複数の電極と、複数の該電極と各々接続される配線と、を備えるトランスデューサにおいて、該電極および該配線の少なくとも一方を、当該導電材料から形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高分子材料を用いた柔軟なトランスデューサの電極、配線等に好適な導電材料に関する。

エラストマー等の高分子材料を利用して、柔軟性に優れた電歪型トランスデューサが開発されている。この種のトランスデューサは、例えば、一対の電極間にエラストマー製の誘電層を介装して構成される。一対の電極間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層は厚さ方向から圧縮され、誘電層の厚さは薄くなる。厚さが薄くなると、その分、誘電層は電極面に対して平行方向に伸長する。一方、一対の電極間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、誘電層に対する厚さ方向からの圧縮力が小さくなり、誘電層の弾性復元力により、誘電層の厚さは厚くなる。厚さが厚くなると、その分、誘電層は電極面に対して平行方向に収縮する。したがって、柔軟なトランスデューサにおいては、電極や配線においても、誘電層の変形に追従できるよう、伸縮性が要求される。伸縮可能な導電材料は、例えば、特許文献１、２に開示されているように、エラストマーに金属フィラー等の導電剤を配合して、製造することができる。

特開２０１２−１３８２６０号公報 特開２０１０−１５３３６４号公報 特開２００９−１２４８７５号公報 特開２０１０−８６８６４号公報 特開２０１１−２４１４０１号公報

伸縮可能な導電材料のマトリクスには、架橋ゴムや熱可塑性エラストマーが用いられる。架橋ゴムは、伸縮性および屈曲性に優れる。しかし、架橋点が固定されているため、伸長されたり屈曲された際に、応力が架橋点に集中しやすい。このため、変形時に導電経路の断絶や、材料自体の破壊を招くおそれがある。一方、架橋点を持たない熱可塑性エラストマーにおいては、伸縮や屈曲を繰り返した場合に、へたりや亀裂等が生じやすい。したがって、架橋ゴムの場合と同様に、導電経路の断絶や材料の破壊が問題になる。このように、マトリクスにエラストマーを用いた導電材料においては、変形時における導電性の低下や材料の破壊が課題である。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、伸長時にも導電性が低下しにくく、耐久性に優れた導電材料を提供することを課題とする。また、当該導電材料を用いて、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）上記課題を解決するため、本発明の導電材料は、エラストマーと、該エラストマー中に配合される導電剤と、を有し、該エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動することを特徴とする。

本発明の導電材料のマトリクスは、エラストマーである。エラストマーは、架橋ゴムおよび熱可塑性エラストマーを含む。エラストマーは、環動分子を介した架橋構造を有する。すなわち、エラストマーは、環動分子を介した架橋構造を有すれば、自身のポリマー鎖同士が架橋していても、架橋していなくてもよい。

環動分子は、環状分子と直鎖状分子とを持つ。直鎖状分子は、環状分子の開口部に串刺し状に包接されている。直鎖状分子の両末端には、環状分子が脱離しないように、封鎖基が配置されていてもよい。環状分子は、直鎖状分子に沿って移動することができる。本発明の導電材料において、エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は、環状分子と架橋している。このため、環状分子と共に、架橋点も移動可能である。したがって、本発明の導電材料においては、伸縮や屈曲等の変形時に、架橋点が移動する。これにより、エラストマーにおける応力集中が緩和される。その結果、変形時における導電経路の断絶や、材料自体の破壊が抑制される。また、架橋構造を有するため、伸縮や屈曲を繰り返しても、へたりや亀裂等は生じにくい。以上より、本発明の導電材料においては、伸長時にも導電性が低下しにくく、耐久性が高い。また、応力が分散されるため、伸びも大きくなる。

上記特許文献３、４には、環動分子のポリロタキサンから形成された誘電層が開示されている。また、特許文献５には、二つのポリロタキサンの環状分子同士を架橋した材料が開示されている。しかし、特許文献３〜５に開示された材料は、環動分子同士が架橋した材料であり、環動分子とエラストマーポリマーとが架橋した材料ではない。また、いずれの材料も、導電剤を有する導電材料ではない。

（２）本発明のトランスデューサは、ポリマー製の電歪層と、該電歪層を介して配置される複数の電極と、複数の該電極と各々接続される配線と、を備え、該電極および該配線の少なくとも一方は、上記（１）の構成の本発明の導電材料からな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、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含まれる。本発明の導電材料から形成される電極、配線は、柔軟で伸縮性に優れる。このため、本発明のトランスデューサによると、電歪層の動きが、電極や配線により規制されにくい。また、電極、配線は、高い導電性を有し、伸長時にも電気抵抗が増加しにくい。加えて、伸縮や屈曲を繰り返しても破壊されにくい。したがって、本発明のトランスデューサにおいては、電極や配線に起因した性能の低下が生じにくい。よって、本発明のトランスデューサは、耐久性に優れる。

本発明のトランスデューサの第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）は電圧オフ状態、（ｂ）は電圧オン状態を示す。 本発明のトランスデューサの第二実施形態である静電容量型センサの上面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 本発明のトランスデューサの第三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第四実施形態であるスピーカの斜視図である。 図５のＶＩ−ＶＩ断面図である。

以下、本発明の導電材料およびトランスデューサの実施の形態について説明する。なお、本発明の導電材料およびトランスデューサは、以下の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。

＜導電材料＞
本発明の導電材料は、エラストマーと、該エラストマー中に配合される導電剤と、を有する。エラストマーは、使用環境における柔軟性、相手部材に対する粘着性等を考慮して、適宜決定すればよい。例えば、ガラス転移温度（Ｔｇ）が０℃以下のものを採用することが望ましい。Ｔｇが−２０℃以下、さらには−３５℃以下のものがより好適である。本明細書においては、Ｔｇとして、ＪＩＳ Ｋ７１２１（１９８７）に準じて測定した中間点ガラス転移温度を採用する。

具体的には、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、および各種の熱可塑性エラストマーが好適である。なかでも、トランスデューサを構成した場合に、ニトリルゴム製の電歪層との粘着性に優れ、イオン性不純物が少ないという理由から、アクリルゴムが好適である。

エラストマーは、環動分子を介した架橋構造を有する。上述したように、エラストマーは、環動分子を介した架橋構造を有すれば、自身のポリマー鎖同士が架橋していても、架橋していなくてもよい。環動分子は、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ。環動分子としては、ポリロタキサンが好適である。

環状分子の種類は、特に限定されない。例えば、α−シクロデキストリン、β−シクロデキストリン、γ−シクロデキストリン等が挙げられる。環状分子は、エラストマーの原料ポリマーと架橋するために、エポキシ基、グリシジル基、−ＯＨ、−ＳＨ、−ＮＨ_２、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ_３Ｈ、−ＰＯ_４Ｈ等の反応基を有することが望ましい。例えば、α−シクロデキストリン等の−ＯＨの一部を、他の反応基に置換してもよい。また、α−シクロデキストリン等が化学修飾されていても構わない。化学修飾としては、例えば、アセチル基、プロピオニル基、ヘキサノイル基、メチル基、エチル基、プロピル基、２−ヒドロキシプロピル基、１，２−ジヒドロキシプロピル基、シクロヘキシル基、ブチルカルバモイル基、ヘキシルカルバモイル基、フェニル基、カプロラクトン基、アルコキシシラン基、アクリロイル基、メタクリロイル基、シンナモイル基等の反応基を、環状分子に結合させればよい。また、ポリカプロラクトンやポリカーボネート等のポリマー鎖を、直接あるいは上記反応基を介して結合させてもよい。

直鎖状分子の種類は、特に限定されない。例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリ（メタ）アクリル酸、セルロース系樹脂（カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等）、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルアセタール系樹脂、ポリビニルメチルエーテル、ポリアミン、ポリエチレンイミン、カゼイン、ゼラチン、でんぷん等の親水性ポリマーが挙げられる。なかでも、ポリエチレングリコールが好適である。

直鎖状分子の両末端には、環状分子が脱離しないように、封鎖基が配置されていてもよい。封鎖基としては、ジニトロフェニル基類、シクロデキストリン類、アダマンタン基類、トリチル基類、フルオレセイン類、シルセスキオキサン類、ピレン類、置換ベンゼン類、置換されていてもよい多核芳香族類、およびステロイド類等が挙げられる。

エラストマーに配合される導電剤の種類は、特に限定されない。例えば、銀、金、銅、ニッケル、ロジウム、パラジウム、クロム、チタン、白金、鉄、およびこれらの合金等からなる金属粒子、銀、金、銅、白金、およびニッケル等からなる金属ナノワイヤ、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト、およびグラフェン等の導電性炭素材料の中から、適宜選択すればよい。また、銀被覆銅粒子など、金属で被覆された粒子を用いてもよい。例えば、金属で被覆される粒子が金属以外の粒子の場合、金属だけで構成する場合と比較して、導電剤の比重を小さくすることができる。これにより、塗料化した場合に、導電剤の沈降が抑制されて、分散性が向上する。また、粒子を加工することにより、様々な形状の導電剤を容易に製造することができる。また、導電剤のコストを低減することができる。被覆する金属としては、先に列挙した銀等の金属材料を用いればよい。また、金属以外の粒子としては、カーボンブラック等の炭素材料、炭酸カルシウム、二酸化チタン、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム等の金属酸化物、シリカ等の無機物、アクリルやウレタン等の樹脂等を用いればよい。導電剤は、一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いてもよい。

導電剤の大きさ、形状等は特に限定されない。例えば、導電剤のアスペクト比が大きいと、導通経路が形成されやすくなる。したがって、導電剤の配合量を少なくしても、所望の導電性を実現することができる。これにより、導電材料の柔軟性を高めることができる。このような観点から、導電剤のアスペクト比は、３０以上が望ましい。アスペクト比は、導電剤の長手方向平均長さを短手方向平均長さで除して算出すればよい。また、カーボンブラック等のようにストラクチャー構造を有する材料も、比較的少量の配合量で、所望の導電性を実現することができる。

導電材料は、エラストマー（環動分子を含む）および導電剤に加えて、必要に応じて架橋剤、架橋促進剤、架橋助剤、分散剤、補強剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等の添加剤を有してもよい。架橋反応に寄与する架橋剤、架橋促進剤、架橋助剤等については、エラストマーおよび環動分子の種類等に応じて、適宜選択すればよい。

導電材料は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、エラストマーの原料ポリマーを溶剤に溶解したポリマー溶液に、導電剤、環動分子、および架橋剤等の添加剤を必要に応じて添加して、攪拌、混合することにより導電塗料を調製する。次に、調製された導電塗料を、基材に塗布し、加熱等により塗膜を硬化させる。なお、環動分子として、環動分子と架橋剤とを含む環動分子材料を用いてもよい。

導電塗料の塗布方法としては、公知の種々の方法を採用することができる。例えば、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、パッド印刷、リソグラフィー等の印刷法の他、ディップ法、スプレー法、バーコート法等が挙げられる。例えば、印刷法を採用すると、塗布する部分と塗布しない部分との塗り分けを、容易に行うことができる。また、大きな面積、細線、複雑な形状の印刷も容易である。印刷法の中でも、高粘度の塗料が使用でき、塗膜厚さの調整が容易であるという理由から、スクリーン印刷法が好適である。

本発明の導電材料は、用途に応じて、電歪層を含む種々の基材の表面に形成される。基材としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等からなる屈曲性を有する樹脂シート、伸縮性を有するエラストマーシート等が挙げられる。エラストマーとしては、アクリルゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、ニトリルゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、シリコーンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、熱可塑性エラストマー（オレフィン系、スチレン系、ポリエステル系、アクリル系、ウレタン系、塩ビ系）等が挙げられる。

＜トランスデューサ＞
本発明のトランスデューサは、ポリマー製の電歪層と、該電歪層を介して配置される複数の電極と、複数の該電極と各々接続される配線と、を備える。本発明のトランスデューサにおいて、電歪層は一層でも二層以上でもよい。例えば、誘電層、高抵抗層、イオン含有層等を積層させて、電歪層を構成することができる。また、本発明のトランスデューサは、電歪層と電極とを交互に積層させた積層構造を有していてもよい。

電歪層は、ポリマー製である。ここで、「ポリマー製」とは、電歪層のベース材料が、樹脂またはエラストマーであることを意味する。よって、電歪層は、エラストマーまたは樹脂成分の他に、他の成分を含んでいても構わない。

エラストマーは、伸縮性に優れるため好適である。なかでも、変位量および発生力を大きくするという観点から、比誘電率の高いエラストマーを用いることが望ましい。具体的には、常温における比誘電率（１００Ｈｚ）が２以上、さらには５以上のエラストマーが望ましい。例えば、エステル基、カルボキシル基、水酸基、ハロゲン基、アミド基、スルホン基、ウレタン基、ニトリル基等の極性官能基を有するエラストマー、あるいは、これらの極性官能基を有する極性低分子量化合物を添加したエラストマーを採用するとよい。好適なエラストマーとしては、シリコーンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ＥＰＤＭ、アクリルゴム、ウレタンゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン等が挙げられる。

電歪層の厚さは、トランスデューサの用途等に応じて適宜決定すればよい。例えば、アクチュエータの場合、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、電歪層の厚さは薄い方が望ましい。この場合、絶縁破壊性等をも考慮して、電歪層の厚さを、１μｍ以上１０００μｍ（１ｍｍ）以下とすることが望ましい。５μｍ以上２００μｍ以下とすると、より好適である。

本発明のトランスデューサにおいて、電極および配線の少なくとも一方は、本発明の導電材料からなる。本発明の導電材料の構成、および製造方法については、上述した通りである。よって、ここでは説明を省略する。また、本発明のトランスデューサの電極、配線においても、本発明の導電材料の好適な態様を採用することが望ましい。以下、本発明のトランスデューサの実施形態として、アクチュエータ、静電容量型センサ、発電素子、およびスピーカの実施形態を説明する。

［第一実施形態］
本発明のトランスデューサの第一実施形態として、アクチュエータの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）は電圧オフ状態、（ｂ）は電圧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、誘電層１０と、電極１１ａ、１１ｂと、配線１２ａ、１２ｂと、を備えている。誘電層１０は、シリコーンゴム製である。誘電層１０は、本発明の電歪層に含まれる。電極１１ａは、誘電層１０の上面の略全体を覆うように、配置されている。同様に、電極１１ｂは、誘電層１０の下面の略全体を覆うように、配置されている。電極１１ａ、１１ｂは、各々、配線１２ａ、１２ｂを介して電源１３に接続されている。電極１１ａ、１１ｂは、本発明の導電材料からなる。

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、誘電層１０の厚さは薄くなり、その分だけ、図３（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張する。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。

本実施形態によると、電極１１ａ、１１ｂは、柔軟で伸縮性に優れる。このため、誘電層１０の動きが、電極１１ａ、１１ｂにより規制されにくい。よって、アクチュエータ１によると、大きな力および変位量を得ることができる。また、電極１１ａ、１１ｂは、高い導電性を有する。加えて、伸長されても、電気抵抗が増加しにくい。また、伸縮を繰り返しても、へたりや亀裂等が生じにくい。したがって、アクチュエータ１においては、電極１１ａ、１１ｂに起因した性能の低下が生じにくい。よって、アクチュエータ１は、耐久性に優れる。

［第二実施形態］
本発明のトランスデューサの第二実施形態として、静電容量型センサの実施形態を説明する。まず、本実施形態の静電容量型センサの構成について説明する。図２に、静電容量型センサの上面図を示す。図３に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図を示す。図２、図３に示すように、静電容量型センサ２は、誘電層２０と、一対の電極２１ａ、２１ｂと、配線２２ａ、２２ｂと、カバーフィルム２３ａ、２３ｂと、を備えている。

誘電層２０は、Ｈ−ＮＢＲ製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。誘電層２０の厚さは、約３００μｍである。誘電層２０は、本発明の電歪層に含まれる。

電極２１ａは、長方形状を呈している。電極２１ａは、誘電層２０の上面に、スクリーン印刷により三つ形成されている。同様に、電極２１ｂは、長方形状を呈している。電極２１ｂは、誘電層２０を挟んで電極２１ａと対向するように、誘電層２０の下面に三つ形成されている。電極２１ｂは、誘電層２０の下面に、スクリーン印刷されている。このように、誘電層２０を挟んで、電極２１ａ、２１ｂが三対配置されている。電極２１ａ、２１ｂは、本発明の導電材料からなる。

配線２２ａは、誘電層２０の上面に形成された電極２１ａの一つ一つに、それぞれ接続されている。配線２２ａにより、電極２１ａとコネクタ２４とが結線されている。配線２２ａは、誘電層２０の上面に、スクリーン印刷により形成されている。同様に、配線２２ｂは、誘電層２０の下面に形成された電極２１ｂの一つ一つに、それぞれ接続されている（図２中、点線で示す）。配線２２ｂにより、電極２１ｂとコネクタ（図略）とが結線されている。配線２２ｂは、誘電層２０の下面に、スクリーン印刷により形成されている。配線２２ａ、２２ｂは、本発明の導電材料からなる。

カバーフィルム２３ａは、アクリルゴム製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。カバーフィルム２３ａは、誘電層２０、電極２１ａ、配線２２ａの上面を覆っている。同様に、カバーフィルム２３ｂは、アクリルゴム製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。カバーフィルム２３ｂは、誘電層２０、電極２１ｂ、配線２２ｂの下面を覆っている。

次に、静電容量型センサ２の動きについて説明する。例えば、静電容量型センサ２が上方から押圧されると、誘電層２０、電極２１ａ、カバーフィルム２３ａは一体となって、下方に湾曲する。圧縮により、誘電層２０の厚さは薄くなる。その結果、電極２１ａ、２１ｂ間のキャパシタンスは大きくなる。このキャパシタンス変化により、圧縮による変形が検出される。

次に、静電容量型センサ２の作用効果について説明する。本実施形態によると、電極２１ａ、２１ｂおよび配線２２ａ、２２ｂは、柔軟で伸縮性に優れる。このため、誘電層２０の動きが、電極２１ａ、２１ｂおよび配線２２ａ、２２ｂにより、規制されにくい。したがって、静電容量型センサ２の応答性は良好である。また、電極２１ａ、２１ｂおよび配線２２ａ、２２ｂは、高い導電性を有する。加えて、伸長されても、電気抵抗が増加しにくい。また、伸縮を繰り返しても、へたりや亀裂等が生じにくい。したがって、静電容量型センサ２においては、電極２１ａ、２１ｂおよび配線２２ａ、２２ｂに起因した性能の低下が、生じにくい。よって、静電容量型センサ２は耐久性に優れる。なお、静電容量型センサ２には、誘電層２０を狭んで対向する電極２１ａ、２１ｂが、三対形成されている。しかし、電極の数、大きさ、形状、配置等は、用途に応じて、適宜決定すればよい。

［第三実施形態］
本発明のトランスデューサの第三実施形態として、発電素子の実施形態を説明する。図４に、本実施形態における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４に示すように、発電素子３は、誘電層３０と、電極３１ａ、３１ｂと、配線３２ａ〜３２ｃと、を備えている。誘電層３０は、Ｈ−ＮＢＲ製である。誘電層３０は、本発明の電歪層に含まれる。電極３１ａは、誘電層３０の上面の略全体を覆うように、配置されている。同様に、電極３１ｂは、誘電層３０の下面の略全体を覆うように、配置されている。電極３１ａには、配線３２ａ、３２ｂが接続されている。すなわち、電極３１ａは、配線３２ａを介して、外部負荷（図略）に接続されている。また、電極３１ａは、配線３２ｂを介して、電源（図略）に接続されている。電極３１ｂは、配線３２ｃにより接地されている。電極３１ａ、３１ｂは、本発明の導電材料からなる。

図４（ａ）中白抜き矢印で示すように、発電素子３を圧縮し、誘電層３０を電極３１ａ、３１ｂ面に対して平行方向に伸長すると、誘電層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４（ｂ）に示すように、誘電層３０の弾性復元力により誘電層３０は収縮し、厚さが厚くなる。その際、蓄えられた電荷が配線３２ａを通して放出される。

本実施形態によると、電極３１ａ、３１ｂは、柔軟で伸縮性に優れる。このため、誘電層３０の動きが、電極３１ａ、３１ｂにより規制されにくい。また、電極３１ａ、３１ｂは、高い導電性を有する。加えて、伸長されても、電気抵抗が増加しにくい。また、伸縮を繰り返しても、へたりや亀裂等が生じにくい。したがって、発電素子３においては、電極３１ａ、３１ｂに起因した性能の低下が生じにくい。よって、発電素子３は、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実施形態として、スピーカの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５に、本実施形態のスピーカの斜視図を示す。図６に、図５のＶＩ−ＶＩ断面図を示す。図５、図６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、第一誘電層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、第二誘電層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。第一誘電層４２ａは、Ｈ−ＮＢＲ製であり、円形の薄膜状を呈している。第一誘電層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、第一誘電層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。第一誘電層４２ａは、本発明の電歪層に含まれる。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、第一誘電層４２ａよりも小径である。第一振動板４５ａは、第一誘電層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、リング状を呈している。第一アウタ電極４３ａは、第一誘電層４２ａの表面に貼着されている。第一インナ電極４４ａも、リング状を呈している。第一インナ電極４４ａは、第一誘電層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、第一誘電層４２ａを挟んで、表裏方向に背向している。第一アウタ電極４３ａと第一インナ電極４４ａとは、いずれも、本発明の導電材料からなる。また、図６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、第二誘電層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、第一誘電層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、第二誘電層４２ｂは、Ｈ−ＮＢＲ製であり、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。第二誘電層４２ｂは、本発明の電歪層に含まれる。第二振動板４５ｂは、第二誘電層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、第二誘電層４２ｂの表面に印刷されている。第二インナ電極４４ｂは、第二誘電層４２ｂの裏面に印刷されている。第二アウタ電極４３ｂと第二インナ電極４４ｂとは、いずれも、本発明の導電材料からなる。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。第一誘電層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、第二誘電層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、第一誘電層４２ａには、図６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、第二誘電層４２ｂには、図６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、スピーカ４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、第一誘電層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厚さが薄くなる。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、第二誘電層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厚さが厚くなる。並びに当該部分が径方向に収縮する。これにより、第二誘電層４２ｂは、第一誘電層４２ａを引っ張りながら、図６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、第一誘電層４２ａは、第二誘電層４２ｂを引っ張りながら、図６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、スピーカ４の作用効果について説明する。本実施形態によると、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（以下適宜、「電極４３ａ、４４ａ、４３ｂ、４４ｂ」と称す）は、柔軟で伸縮性に優れる。このため、第一誘電層４２ａ、第二誘電層４２ｂの動きが、電極４３ａ、４４ａ、４３ｂ、４４ｂにより規制されにくい。よって、スピーカ４の応答性は、低周波領域においても良好である。また、電極４３ａ、４４ａ、４３ｂ、４４ｂは、高い導電性を有する。加えて、伸長されても、電気抵抗が増加しにくい。また、伸縮を繰り返しても、へたりや亀裂等が生じにくい。したがって、スピーカ４においては、電極４３ａ、４４ａ、４３ｂ、４４ｂに起因した性能の低下が生じにくい。よって、スピーカ４は、耐久性に優れる。

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

＜導電材料の製造＞
［実施例１］
まず、アクリルゴムポリマー（根上工業（株）製「パラクロン（登録商標）ＫＸ−ＤＲ」）７０質量部と、環動分子材料（アドバンスト・ソフトマテリアルズ（株）製「セルム（登録商標）エラストマーＳ１０００」）３０質量部と、架橋剤のポリイソシアネート（日本ポリウレタン工業（株）製「コロネート（登録商標）ＨＬ」）２．６質量部とを、溶剤のメチルエチルケトンに溶解して、ポリマー溶液を調製した。ここで、環動分子材料は、ポリカプロラクタンが環状分子にグラフト結合された修飾ポリロタキサンと、架橋剤と、を含む。ポリロタキサンの環状分子はα−シクロデキストリン、直鎖状分子はポリエチレングリコール、封鎖基はアダマンタン基である。続いて、導電剤の銀粉末Ａ（福田金属箔粉工業（株）製「シルコート（登録商標）ＡｇＣ−２２４」（フレーク状、平均粒子径約９μｍ、厚さ約０．７μｍ、アスペクト比１２．９）４００質量部をポリマー溶液に添加して、撹拌、混合して導電塗料を調製した。次に、導電塗料を、基材（離型ＰＥＴフィルム）の表面に、バーコート法により塗布した。それから、１５０℃下で１時間加熱して、塗膜を硬化させると共に、架橋反応を進行させた。このようにして、厚さ６０μｍの薄膜状の導電材料を製造した。製造された導電材料を、実施例１の導電材料と称す。

［実施例２−１］
導電剤をカーボンナノチューブ（昭和電工（株）製「ＶＧＣＦ（登録商標）」、繊維径１５０ｎｍ、長さ１０μｍ、アスペクト比５３）とし、その配合量を２３質量部に変更した点以外は、実施例１と同様にして、導電材料を製造した。製造された導電材料を、実施例２−１の導電材料と称す。

［実施例２−２］
導電剤をカーボンナノチューブ（同上）とし、その配合量を２３質量部に変更し、さらにアクリルゴムポリマーの配合量を５０質量部、環動分子材料の配合量を５０質量部、架橋剤の配合量を１．９質量部に変更した点以外は、実施例１と同様にして、導電材料を製造した。製造された導電材料を、実施例２−２の導電材料と称す。

［実施例３］
導電剤を銀粉末Ｂ（ＤＯＷＡエレクトロニクス（株）製「ＡＧ２−１Ｃ」（球状、平均粒子径約１μｍ、アスペクト比１）とし、その配合量を１１４０質量部に変更した点以外は、実施例１と同様にして、導電材料を製造した。製造された導電材料を、実施例３の導電材料と称す。

［比較例１］
環動分子材料を配合せず、その分だけアクリルゴムポリマーの配合量を増加して、それに伴い架橋剤の配合量を増加した点以外は、実施例１と同様にして、導電材料を製造した。製造された導電材料を、比較例１の導電材料と称す（導電剤：銀粉末Ａ）。

［比較例２］
環動分子材料を配合せず、その分だけアクリルゴムポリマーの配合量を増加して、それに伴い架橋剤の配合量を増加した点以外は、実施例２−１、２−２と同様にして、導電材料を製造した。製造された導電材料を、比較例２の導電材料と称す（導電剤：カーボンナノチューブ）。

［比較例３］
環動分子材料を配合せず、その分だけアクリルゴムポリマーの配合量を増加して、それに伴い架橋剤の配合量を増加した点以外は、実施例３と同様にして、導電材料を製造した。製造された導電材料を、比較例３の導電材料と称す（導電剤：銀粉末Ｂ）。

＜評価方法＞
実施例および比較例の各導電材料について、導電特性および引張特性を評価した。以下、各々の評価方法について説明する。

［導電特性］
導電材料の体積抵抗率を、ＪＩＳ Ｋ６２７１（２００８）の平行端子電極法に準じて測定した。体積抵抗率の測定には、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ１５μｍの矩形シート状の試験片を使用した。試験片を支持する絶縁樹脂製支持具には、市販のシリコーンゴムシート（クレハエラストマー（株）製）を用いた。未伸長時の電極間距離は、１０ｍｍとした。体積抵抗率の測定は、伸長率を変更して三回行った。すなわち、一回目は、自然状態（未伸長）で測定し、二回目は、伸長率５０％で伸長した状態で測定し、三回目は、伸長率１００％で伸長した状態で測定した。そして、未伸長時に対する伸長時の体積抵抗率の変化率を、次式（Ｉ）により算出した。
体積抵抗率の変化率（％）＝（Ｒ_１／Ｒ_０）×１００・・・（Ｉ）
［Ｒ_０：未伸長時の体積抵抗率、Ｒ_１：伸長時の体積抵抗率］
また、伸長率は、次式（ＩＩ）により算出した値である。
伸長率（％）＝（ΔＬ／Ｌ_０）×１００・・・（ＩＩ）
［Ｌ_０：試験片の標線間距離、ΔＬ：試験片の標線間距離の伸長による増加分］
［引張特性］
ＪＩＳ Ｋ６２５１（２０１０）に準じた引張試験を行って、切断時伸び（Ｅ_ｂ）および所定伸び引張応力（Ｅ_ｓ：モジュラス）を算出した。試験片にはダンベル状２号形を使用し、伸長速度は１００ｍｍ／分とした。モジュラスは、伸長率５０％、１００％の二つの状態で測定した。

＜評価結果＞
実施例および比較例の各導電材料の評価結果を、原料組成と共に表１に示す。表１中、原料の配合量の単位は質量部である。

まず、導電剤としてフレーク状の銀粉末Ａを配合した実施例１と比較例１とを比較する。表１に示すように、未伸長時においては、両者の体積抵抗率は、ほぼ同じである。しかし、伸長した場合の体積抵抗率の変化率は、実施例１の導電材料の方が大幅に小さくなった。また、モジュラスについても、実施例１の導電材料の方が小さくなった。これらの結果から、実施例１の導電材料においては、伸長時の応力集中が緩和されたと推測することができる。また、切断時伸びも、実施例１の導電材料の方が大きくなった。

次に、導電剤としてカーボンナノチューブを配合した実施例２−１、２−２と比較例２とを比較する。表１に示すように、未伸長時の体積抵抗率については、環動分子材料の配合量を多くした実施例２−２の導電材料の方が、実施例２−１の導電材料よりも若干小さくなったが、実施例２−１、２−２、比較例２の各導電材料において、大きな差は見られなかった。しかし、伸長した場合の体積抵抗率の変化率は、実施例２−１、２−２の導電材料の方が、比較例２の導電材料よりも大幅に小さくなった。また、モジュラスについても、実施例２−１、２−２の導電材料の方が小さくなった。特に、環動分子材料の配合量を多くした実施例２−２の導電材料の方が、実施例２−１の導電材料よりもモジュラスの低下が大きかった。これらの結果から、実施例２−１、２−２の導電材料においては、伸長時の応力集中が緩和されたと推測することができる。なお、切断時伸びについては、実施例２−１の導電材料は、比較例２の導電材料よりも大きくなったが、実施例２−２の導電材料は、比較例２の導電材料よりも小さくなった。これは、環動分子材料の配合量の増加に伴い、柔軟性が低下したためと考えられる。

次に、導電剤として球状の銀粉末Ｂを配合した実施例３と比較例３とを比較する。表１に示すように、未伸長時においては、両者の体積抵抗率は、ほぼ同じである。しかし、５０％伸長した場合の体積抵抗率の変化率は、実施例３の導電材料の方が大幅に小さくなった。また、５０％モジュラスについても、実施例３の導電材料の方が小さくなった。これらの結果から、実施例３の導電材料においては、伸長時の応力集中が緩和されたと推測することができる。実施例３、比較例３の導電材料には、銀粉末Ｂが多量に配合されている。このため、切断時伸びは、実施例３の導電材料の方が大きくなったが、１００％伸長させようとすると、いずれの導電材料も破断してしまった。

以上より、本発明の導電材料は、柔軟で伸長性に優れ、高い導電性を有し、伸長時にも導電性が低下しにくいことが確認された。

本発明の導電材料は、アクチュエータ、センサ、スピーカ、発電素子等の柔軟なトランスデューサの電極、配線に好適である。また、ロボットや産業用機械の可動部の制御、ウェアラブルデバイス、屈曲可能なディスプレイ等に使用されるフレキシブル配線板の配線に好適である。さらに、電磁波シールド、導電性接着剤としても好適である。本発明の導電材料を電極や配線に用いることにより、ロボットの可動部、介護用機器、輸送機器の内装等の柔軟な部位に実装される電子機器の耐久性を、向上させることができる。

１：アクチュエータ（トランスデューサ）、１０：誘電層（電歪層）、１１ａ、１１ｂ：電極、１２ａ、１２ｂ：配線、１３：電源。
２：静電容量型センサ（トランスデューサ）、２０：誘電層、２１ａ、２１ｂ：電極、２２ａ、２２ｂ：配線、２３ａ、２３ｂ：カバーフィルム、２４：コネクタ。
３：発電素子（トランスデューサ）、３０：誘電層、３１ａ、３１ｂ：電極、３２ａ〜３２ｃ：配線。
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：第一誘電層、４２ｂ：第二誘電層、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。

Claims (6)

1. エラストマーと、該エラストマー中に配合される導電剤と、を有し、
   該エラストマーは、環状分子と、該環状分子の開口部を貫通し該環状分子に包接される直鎖状分子と、を持つ環動分子を介した架橋構造を有し、該エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は該環状分子と架橋しており、該環状分子が該直鎖状分子に沿って動くことにより架橋点が移動することを特徴とする導電材料。
2. 前記環動分子は、ポリロタキサンである請求項１に記載の導電材料。
3. 前記環状分子は反応基を有し、該反応基と前記エラストマーの原料ポリマーとの架橋反応により前記架橋構造が形成される請求項１または請求項２に記載の導電材料。
4. 前記エラストマーは、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、および熱可塑性エラストマーから選ばれる一種以上である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の導電材料。
5. 前記導電剤は、金属粒子、金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、およびグラフェン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導電材料。
6. ポリマー製の電歪層と、該電歪層を介して配置される複数の電極と、複数の該電極と各々接続される配線と、を備え、
   該電極および該配線の少なくとも一方は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の導電材料からなることを特徴とするトランスデューサ。

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