JP5243775B2 - 誘電膜およびそれを用いたアクチュエータ、センサ、トランスデューサ - Google Patents

Description

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

近年、導電性高分子、イオン導電性高分子（ＩＣＰＦ）、誘電体エラストマー等の高分子材料を利用したアクチュエータが提案されている。この種のアクチュエータは、柔軟性が高く、軽量で小型化し易いため、人工筋肉、医療用器具、流体制御等の様々な分野での使用が検討されている。例えば、特許文献１、２には、誘電体エラストマーからなる誘電膜を一対の電極で狭持した電歪型アクチュエータが紹介されている。
特表２００３−５０６８５８号公報 特開２００１−２６３４８６号公報

電歪型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膜厚方向から圧縮され、誘電膜の膜厚は薄くなる。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、誘電膜に対する膜厚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、電歪型アクチュエータは、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。

一般に、電歪型アクチュエータの誘電膜としては、上記特許文献１、２に示されているように、シリコーンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム等が使用されている。例えば、シリコーンゴムは、シロキサン結合を骨格とするため、絶縁性が高い。このため、シリコーンゴムからなる誘電膜は、絶縁破壊しにくく、伸縮を繰り返してもクリープしにくい。よって、耐久性、安定性に優れたアクチュエータを構成することができる。しかしながら、例えば、ポリジメチルシロキサン系のシリコーンゴムは、極性が小さい。よって、当該シリコーンゴムを誘電膜とした場合には、印加電圧に対する静電引力が小さい。このため、所望の変位量を得るためには、印加電圧を大きくしなくてはならない。

一方、硫黄や有機過酸化物により架橋された従来のアクリルゴム等は、比誘電率が比較的大きいため、印加電圧に対する静電引力が大きい。よって、印加電圧が比較的小さくても、所望の変位量を得ることができる。しかしながら、アクリルゴム等からなる誘電膜の場合、伸縮を繰り返すとクリープが大きくなる。このため、アクチュエータの耐久性、安定性に問題がある。このようなクリープによる耐久性、安定性の問題は、アクチュエータだけでなく、同じような誘電膜を用いたセンサ、トランスデューサにおいても共通する。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、繰り返し使用してもクリープしにくく、比較的小さな印加電圧で大きな変位量が得られる誘電膜を提供することを課題とする。また、そのような誘電膜を使用して、変位量が大きく耐久性に優れたアクチュエータを提供することを課題とする。

（１）本発明の誘電膜は、アクチュエータ、センサ、トランスデューサのいずれか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、（Ａ）アルケニル基またはヒドロキシ基を持ち、ポリジメチルシロキサン以外のポリマーと、（Ｂ）シロキサン結合形成可能な架橋剤と、を含んだゴム組成物を架橋してなることを特徴とする（請求項１に対応）。

本発明の誘電膜は、ポリジメチルシロキサン以外のポリマー（Ａ）から構成される。つまり、従来から使用されているポリジメチルシロキサン系のシリコーンゴムは使用しない。ポリマーとして、極性の小さいシリコーンゴムを使用しないため、誘電膜への印加電圧が比較的小さくても大きな静電引力が発生し、所望の変位量を得ることができる。一方、極性の大きなポリマーは、シロキサン結合を有しないため結合力が弱い。よって、長期間変形が繰り返された場合に、元の形状に回復しにくい(永久歪が大きい)。この点、本発明の誘電膜によると、シロキサン結合形成可能な架橋剤（Ｂ）を用いることで克服される。すなわち、シロキサン結合形成可能な架橋剤（Ｂ）が、ポリマー（Ａ）のアルケニル基、ヒドロキシ基と反応することにより、架橋部分にシロキサン結合が形成される。シロキサン結合が形成されることにより、得られる誘電膜の形状回復性は高くなる。つまり、クリープしにくくなる。したがって、伸縮を繰り返しても、本発明の誘電膜の特性は変化しにくい。

このように、本発明の誘電膜を用いると、変位量が大きく、耐久性、安定性に優れたアクチュエータを構成することができる。同様に、耐久性、安定性に優れたセンサ、トランスデューサを構成することができる。

（２）また、本発明のアクチュエータは、（Ａ）アルケニル基またはヒドロキシ基を持ち、ポリジメチルシロキサン以外のポリマーと、（Ｂ）シロキサン結合形成可能な架橋剤と、を含んだゴム組成物を架橋してなる誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備え、該電極間への印加電圧に応じて該誘電膜が伸縮することを特徴とする（請求項５に対応）。

本発明のアクチュエータは、上記本発明の誘電膜を備える。このため、本発明のアクチュエータによると、比較的小さな印加電圧で大きな変位量を得ることができる。また、誘電膜がクリープしにくく寿命が長いため、本発明のアクチュエータは耐久性、安定性に優れる。

（３）また、本発明のセンサは、（Ａ）アルケニル基またはヒドロキシ基を持ち、ポリジメチルシロキサン以外のポリマーと、（Ｂ）シロキサン結合形成可能な架橋剤と、を含んだゴム組成物を架橋してなる誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備え、該電極間の静電容量変化に基づいて変形を検出することを特徴とする（請求項７に対応）。本発明のセンサは、上記本発明の誘電膜を備える。誘電膜がクリープしにくく寿命が長いため、本発明のセンサは、耐久性、安定性に優れる。

（４）また、本発明のトランスデューサは、（Ａ）アルケニル基またはヒドロキシ基を持ち、ポリジメチルシロキサン以外のポリマーと、（Ｂ）シロキサン結合形成可能な架橋剤と、を含んだゴム組成物を架橋してなる誘電膜と、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（請求項８に対応）。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。誘電膜がクリープしにくく寿命が長いため、本発明のトランスデューサは、耐久性、安定性に優れる。

以下、本発明の誘電膜、およびそれを用いたアクチュエータ、センサ、トランスデューサについて、それぞれ詳細に説明する。

＜誘電膜＞
上述したように、本発明の誘電膜は、（Ａ）アルケニル基またはヒドロキシ基を持ち、ポリジメチルシロキサン以外のポリマーと、（Ｂ）シロキサン結合形成可能な架橋剤と、を含んだゴム組成物を架橋してなる。

１．ポリマー（Ａ）
本発明の誘電膜を構成するポリマーは、ポリジメチルシロキサン以外であって、アルケニル基またはヒドロキシ基を持つものであればよい。ポリマーは、液状でも固体でもよい。ポリマー中のアルケニル基またはヒドロキシ基が架橋サイトとなり、後述の架橋剤によりシロキサン結合が導入される。より小さな印加電圧で大きな変位量を得るという観点では、極性が大きいポリマーが望ましい。例えば、比誘電率が２．８以上（測定周波数１Ｈｚ）のものが好適である。また、クリープ性を向上させるという観点では、絶縁性が高いものが望ましい。例えば、電気抵抗値が１０^８〜１０^１６Ω・ｃｍのものが好適である。

このようなポリマーは、（ア）ポリメチレン形の飽和された主鎖を持つゴム、（イ）ポリマーの主鎖に酸素を持つゴム、（ウ）ジオレフィン誘導体で不飽和の炭素鎖を持つゴム、から選択することが望ましい。（ア）〜（ウ）から選ばれる一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。

（ア）のゴムの例として、アクリルゴム、エチレンーαオレフィン共役ジエン共重合体、ポリイソブチレンゴムが挙げられる。（イ）のゴムの例として、エピクロルヒドリンゴム、ポリエーテルゴムが挙げられる。（ウ）のゴムの例として、ブタジエン、イソプレン、スチレンのうちの一つ以上を重合した重合体、クロロプレンゴム、ニトリルゴムが挙げられる。

２．架橋剤（Ｂ）
使用する架橋剤は、上記ポリマー（Ａ）との反応によりシロキサン結合を形成することができるものであれば、その種類が特に限定されるものではない。付加反応架橋、縮合反応架橋のいずれを採用してもよい。縮合反応架橋用の架橋剤としては、脱水素型、脱アルコール型、脱酢酸型、脱オキシム型、脱アミド型、脱ヒドロキシルアミン型、脱アセトン型がある。これらは、スズ化合物やチタン化合物等の触媒と共に用いるとよい。

例えば、分子中に付加反応可能なヒドロシリル基を持つ化合物、または分子中に加水分解反応可能なシラノール基、アルコキシシリル基、アセトキシシリル基のうちの一つ以上を持つ化合物を用いることが望ましい。

（１）前者のヒドロシリル基を持つ化合物によると、加熱下で架橋反応を進行させることができるため、比較的短い時間で架橋を行うことができる。また、後者の化合物とは異なり、架橋反応に水は必要ない。このため、架橋反応中に発生する気体等を考慮する必要がない。分子中にヒドロシリル基を持つ化合物のうち、さらにフェニル基、アリール基、アルキル基のうちの一つ以上を持つ化合物がより好適である。フェニル基、アリール基、アルキル基のいずれかを有する場合、架橋剤と上記ポリマー（Ａ）との相溶性が向上する。このため、架橋を効率よく行うことができる。

分子中にヒドロシリル基を持つ化合物（ヒドロシリル化合物）としては、例えば、以下の一般式（１）〜（３）で表される化合物が挙げられる。各々の式中、繰り返し単位ｍ、ｎ、ｐ、ｑ部分は、ランダム重合、ブロック重合等のいかなる重合形態であってもよい。これら一般式（１）〜（３）で表される化合物は、例えば、アルケニル基を有する炭化水素系化合物と、ポリヒドロシラン化合物とを、得られる反応物の分子構造中にヒドロシリル基が残存するように反応させて、製造することができる。

一般式（１）〜（３）で表される化合物のなかでも、ｎ＝１以上の整数のものが好ましく、特に、以下の構造式（４）〜（８）で表される化合物が望ましい。

また、ヒドロシリル基を持つ化合物を用いる場合には、白金化合物、パラジウム化合物、ロジウム化合物、イリジウム化合物、ルテニウム化合物等のヒドロシリル化触媒を適宜使用するとよい。白金化合物としては、例えば、塩化白金酸、塩化白金酸とアルコール、アルデヒド、ケトン等との錯体、白金／ビニルシロキサン錯体、白金／オレフィン錯体、白金／ホスファイト錯体、白金、アルミナ、シリカ、カーボンブラック等の担体に固体白金を担持させたもの等が挙げられる。

（２）後者のシラノール基、アルコキシシリル基、アセトキシシリル基のうちの一つ以上を持つ化合物によると、架橋反応に水が必要となるが、加熱する必要はない。このような化合物としては、例えば、平均単位式[Ｒ^６ _ｃＳｉＯ_{（４−ｃ）／２}]（式中、Ｒ^６は一価炭化水素基またはシラノール基であり、ｃは１.９５〜２.０５である。）で表されるジオルガノポリシロキサンが挙げられる。Ｒ^６の一価炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等のアルキル基、ビニル基、アリル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基等のアルケニル基、フェニル基、トリル基、キシリル基等のアリール基、ベンジル基、フェネチル基等のアラルキル基、３−クロロプロピル基、３，３，３−トリフロロプロピル基等のハロ置換アルキル基、が挙げられる。特に、Ｒ^６がメチル基であるジメチルポリシロキサンが好適である。また、分子構造は、直鎖状、環状、網状、一部分岐を有するもの等、特に限定されるものではないが、直鎖状が望ましい。直鎖状の場合、分子鎖末端基としては、ジメチルヒドロキシシロキシ基、メチルフェニルヒドロキシシロキシ基が好適である。

ジオルガノポリシロキサンの具体例としては、分子鎖両末端ジメチルヒドロキシシロキシ基封鎖ジメチルポリシロキサン、分子鎖両末端ジメチルヒドロキシシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン−メチルビニルシロキサン共重合体、分子鎖両末端ジメチルヒドロキシシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン−メチルフェニルシロキサン共重合体、分子鎖両末端ジメチルヒドロキシシロキシ基封鎖メチルビニルポリシロキサン、分子鎖両末端ジメチルヒドロキシシロキシ基封鎖メチルフェニルポリシロキサン、分子鎖両末端ジメチルヒドロキシシロキシ基封鎖ジメチルシロキサン−メチル（５−ヘキセニル）シロキサン共重合体、分子鎖両末端ジメチルヒドロキシシロキシ基封鎖メチルフェニルポリシロキサンが挙げられる。

３．製造方法
本発明の誘電膜は、上記ポリマー（Ａ）と架橋剤（Ｂ）とを含んだゴム組成物を架橋して製造される。ゴム組成物には、必要に応じて触媒、補強剤、遅延剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等を添加してもよい。予め（Ａ）に（Ｂ）を含有させておいてもよく、これらを部分的に反応させてもよく、（Ａ）に他の成分を分散させた後に（Ｂ）を配合してもよい。本発明の誘電膜は、例えば、次のようにして製造することができる。第一の方法としては、まず、ポリマー（Ａ）に架橋剤（Ｂ）等を添加して混練りし、ゴム組成物を調製する。次に、調製したゴム組成物を成形し、それを金型に充填して、所定の条件下でプレス架橋する。また、上記第一の方法と同様に調製したゴム組成物を、フィルム状あるいはチューブ状に押し出し成形等した後、架橋してもよい。また、第二の方法としては、まず、ポリマー（Ａ）を、所定の溶媒に溶解する。この溶液へ架橋剤（Ｂ）等を加え、攪拌、混合してゴム組成物を調製する。次に、調製したゴム組成物を基材上に塗布し、乾燥させて溶媒を蒸発させた後、架橋する。

ここで、架橋剤（Ｂ）の配合割合は、ポリマー（Ａ）１００重量部に対して、１重量部以上１５重量部以下とすることが望ましい。１重量部未満であると、架橋が充分に行われず、シロキサン結合が形成されにくい。２重量部以上が好適である。反対に、１５重量部を超えると、架橋が進行し過ぎて硬くなり、印加電圧に対する変位量が減少する。８重量部以下が好適である。

また、本発明の誘電膜において、シロキサン結合部（シリコーン成分）の量は、全体の重量を１００％とした場合の３〜５０％であることが望ましい。シリコーン成分の量は、電子線により放出される電子を解析する元素分析、熱分解ガスクロマトグラフィー、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）等により測定することができる。

本発明の誘電膜を用いてアクチュエータ、センサ、トランスデューサを構成する場合、本発明の誘電膜を挟んで少なくとも一対の電極を配置すればよい。以下、本発明の誘電膜を用いたアクチュエータ、センサ、トランスデューサの実施形態を説明する。

＜アクチュエータ＞
図１に、本実施形態における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１０は、誘電膜２０と電極３０ａ、３０ｂとを備えている。電極３０ａ、３０ｂは、誘電膜２０の表裏に、それぞれ固定されている。電極３０ａ、３０ｂは、導線を介して電源４０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３０ａ、３０ｂ間に電圧を印加する。電圧の印加により、誘電膜２０の膜厚は薄くなり、その分だけ、図１（ｂ）中白抜き矢印で示すように、電極３０ａ、３０ｂ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１０は、図中横および上下方向の駆動力を出力する。

ここで、誘電膜２０は、本発明の誘電膜、すなわち（Ａ）アルケニル基またはヒドロキシ基を持ち、ポリジメチルシロキサン以外のポリマーと、（Ｂ）シロキサン結合形成可能な架橋剤と、を含んだゴム組成物を架橋したものである。誘電膜２０の架橋部分には、シロキサン結合が形成されている。このため、誘電膜２０は、伸縮を繰り返してもクリープしにくい。よって、アクチュエータ１０は耐久性、安定性に優れる。また、アクチュエータ１０によると、印加電圧が比較的小さくても、所望の変位量を得ることができる。

本発明のアクチュエータにおいても、上述した本発明の誘電膜の好適な態様を採用することが望ましい。また、誘電膜の厚さは、アクチュエータ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は、誘電膜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、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。

また、アクチュエータの変位量をより大きくするためには、誘電膜を面延在方向に延伸した状態で取り付けることが望ましい。この場合、誘電膜は、延伸された状態で伸縮を繰り返す。このため、誘電膜には、より高い耐クリープ性が必要になる。上述したように、本発明の誘電膜は、優れた耐クリープ性を有する。よって、本発明の誘電膜は、アクチュエータにおいて、予め延伸された状態で配置される態様に有効である。

誘電膜の表面に配置される電極の材質等は、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く、所望の変位量を得やすくなる。

また、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。これにより、アクチュエータの出力が大きくなり、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。

＜センサ＞
以下、本発明の誘電膜を用いた静電容量型センサの実施形態を説明する。図２に、本実施形態における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１１は、誘電膜２１と電極３１ａ、３１ｂと基材４１とを備えている。誘電膜２１は、左右方向に延びる帯状を呈している。誘電膜２１は、基材４１の上面に、電極３１ｂを介して配置されている。電極３１ａ、３１ｂは、左右方向に延びる帯状を呈している。電極３１ａ、３１ｂは、誘電膜２１の表裏に、それぞれ固定されている。電極３１ａ、３１ｂには、導線（図略）が接続されている。基材４１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。基材４１は、電極３１ｂの下面に固定されている。

静電容量型センサ１１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：キャパシタンス、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１１が上方から押圧されると、誘電膜２１は圧縮され、その分だけ長手方向に伸長する。膜厚ｄが小さくなると、電極３１ａ、３１ｂ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、加わった荷重の大きさ、位置等が検出される。ここで、誘電膜２１は、上述した本発明の誘電膜である。誘電膜２１の架橋部分には、シロキサン結合が形成されている。このため、誘電膜２１は、伸縮を繰り返してもクリープしにくい。よって、静電容量型センサ１１は耐久性に優れる。

＜トランスデューサ＞
以下、本発明のトランスデューサの一例として、発電トランスデューサの実施形態を説明する。図３に、本実施形態における発電トランスデューサ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、発電トランスデューサ１２は、誘電膜２２と電極３２ａ、３２ｂとを備えている。電極３２ａ、３２ｂは、誘電膜２２の表裏に、それぞれ固定されている。電極３２ａ、３２ｂには、導線が接続されており、電極３２ｂは、接地されている。

図３（ａ）に示すように、発電トランスデューサ１２を圧縮し、誘電膜２２を電極３２ａ、３２ｂ面に対して平行方向に伸長すると、誘電膜２２の膜厚は薄くなり、電極３２ａ、３２ｂ間に電荷が蓄えられる。その後、圧縮力を除去すると、誘電膜２２の弾性復元力により誘電膜２２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２２は、上述した本発明の誘電膜である。誘電膜２２の架橋部分には、シロキサン結合が形成されている。このため、誘電膜２２は、伸縮を繰り返してもクリープしにくい。よって、発電トランスデューサ１２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。

＜誘電膜の製造＞
（１）実施例の誘電膜の製造
下記の表１に示す所定の原料を配合してゴム組成物を調製し、加熱下でプレス架橋させて、実施例の誘電膜を製造した。すなわち、実施例１〜７の誘電膜については、まず、ポリマー（Ａ）、架橋剤（Ｂ）、遅延剤、ヒドロシリル化触媒を、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、それを金型に充填して、１２０℃で約３０分間プレス架橋することにより、誘電膜を得た。また、実施例８の誘電膜については、以下の方法により誘電膜を製造した。まず、ポリマー（Ａ）のイソプレン−ブタジエン共重合体〔イソプレン：ブタジエン＝１０：９０（質量比）〕１００ｇと、トルエン５０ｇとを、１Ｌの４ツ口フラスコに計量し、１００℃で１時間減圧脱水した。次いで、窒素雰囲気下にて塩化白金酸１００μＬ（０．２ｍｏｌ／Ｌキシレン溶液）を添加し、７０℃で攪拌しながら、架橋剤（Ｂ）のメチルジエトキシシラン４．４ｇを滴下し、５時間攪拌して反応させた。得られたポリマーに、ジブチル錫ジラウレート、ラウリルアミンを混合し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、それを金型に充填して、４０℃で約３０分間プレス架橋した。脱型後、８０℃で１２時間熱処理して誘電膜を得た。実施例の誘電膜の膜厚は、いずれも約２００μｍとした。

（２）比較例の誘電膜の製造
下記の表２に示す所定の原料を配合してゴム組成物を調製し、加熱下でプレス架橋させて、比較例の誘電膜を製造した。すなわち、まず、ポリマー、架橋剤等の原料を、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、それを金型に充填して、１２０℃で約３０分間プレス架橋することにより、誘電膜を得た。誘電膜の膜厚は、いずれも約２００μｍとした。

表１、表２に、使用した原料の種類および配合量を示す。なお、表１、表２中、「エピクロマー」、「ゼクロン」、「ニポール」、「ネオプレン」、「クラプレン」、「ノクセラー」、「サンセラー」、「サーフィノール」は、登録商標である。また、表１中、ポリエーテルゴムの構造式を以下の式（９）に示す。また、ヒドロシリル化合物としては、先に記載した構造式（４）の化合物を使用した。

〈誘電膜の物性等〉
（１）架橋時間
実施例１〜７および比較例１〜４の誘電膜を製造する際に調製した各々のゴム組成物について、１２０℃における架橋時間を測定した。架橋が１００％進行した時の目標粘度を１００％とし、粘度がその９０％に到達するまでの時間（ｔ９０）を架橋時間とした。測定結果を下記表３に示す。表３に示すように、実施例１〜７の架橋時間は、従来のシリコーンゴム（比較例１）以外の比較例２〜４と比較して、短くなった。同じポリマー同士で比較すると、実施例３は比較例２に対して、実施例５は比較例３に対して、実施例６は比較例４に対して、いずれも架橋時間が大幅に短縮された。

（２）電気抵抗
実施例および比較例の誘電膜の電気抵抗を、ＪＩＳ Ｋ ６９１１に準じて測定した。測定結果を下記表３に示す。表３中、同じポリマー同士で比較すると、実施例３は比較例２に対して、実施例５は比較例３に対して、実施例６は比較例４に対して、いずれも電気抵抗が大きくなった。このように、実施例の誘電膜では、架橋部分にシロキサン結合が形成されることにより絶縁性が高くなった。

（３）比誘電率
実施例および比較例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１Ｈｚ）。測定結果を下記表３に示す。表３中、同じポリマー同士で比較すると、実施例３は比較例２に対して、実施例５は比較例３に対して、実施例６は比較例４に対して、比誘電率は同等、若しくはそれ以上であった。

（４）硬度
実施例および比較例の誘電膜の硬度を、ＪＩＳ Ｋ ６２５３のタイプＡデュロメータ硬さに準じて測定した。測定結果を下記表３に示す。

（５）圧縮永久歪み
実施例および比較例の誘電膜の圧縮永久歪みを、ＪＩＳ Ｋ ６２６２に準じて測定した。測定条件は、温度７０℃、試験時間２２時間、圧縮率２５％とした。測定結果を下記表３に示す。表３に示すように、実施例１〜８の圧縮永久歪みは、従来のシリコーンゴム（比較例１）以外の比較例２〜４と比較して、小さい値となった。同じポリマー同士で比較すると、実施例３は比較例２に対して、実施例５は比較例３に対して、実施例６は比較例４に対して、いずれも圧縮永久歪みが低下した。これより、実施例の誘電膜は、へたりにくく耐クリープ性が高いことがわかる。

〈アクチュエータの評価〉
（１）変位量
次に、実施例および比較例の各誘電膜を用いてアクチュエータを構成し、アクチュエータの変位量を測定した。まず、実験装置および実験方法について説明する。

実施例および比較例の各誘電膜の上下面に、アクリルゴムにカーボンブラックが混合されてなる電極を各々貼着してアクチュエータを構成した。以下、作製されたアクチュエータを、誘電膜の種類に対応させて、実施例または比較例のアクチュエータと称す。図４に、作製したアクチュエータの上面図を示す。図５に、図４中Ｖ−Ｖ断面図を示す。

図４、図５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。

次に、実験結果について説明する。表４に、実施例および比較例の各アクチュエータの印加電圧に対する変位率を示す。表中の○印は変位率が大きいものを、×印は変位率が小さいものを表しており、かっこ内の数字が変位率である。変位率は、次式（ＩＩＩ）により算出した値である。
変位率（％）＝（変位量／電極の半径）×１００・・・（ＩＩＩ）

表４に示すように、比較例１のアクチュエータ（従来のシリコーンゴム製誘電膜を使用）を除き、実施例および比較例のアクチュエータにおいて、５．１％以上の大きな変位率が得られた。なお、比較例１のアクチュエータの場合、他のアクチュエータと同様の５００Ｖの電圧を印加しても、０．３％程度の変位率しか得られなかった。このため、表４には、８０００Ｖの電圧を印加した結果を示している。しかし、８０００Ｖの高電圧を印加しても、変位率は３．８％と小さかった。

（２）耐久性
上記実施例および比較例のアクチュエータについて、電圧のオン、オフにより誘電膜を繰り返し伸縮させる耐久試験を行った。結果を上記表４に示す。表中の○印は耐久性が高いものを、×印は耐久性が低いものを表している。また、かっこ内の数字は、誘電膜が破断した回数（×１０００回）を示す。ここで「１００＜」は、１０万回繰り返しても破断しなかったことを示す。表４に示すように、実施例のアクチュエータでは、電圧のオン、オフを１０万回繰り返しても誘電膜は破断しなかった。一方、比較例のアクチュエータでは、従来のシリコーンゴム製誘電膜を使用した比較例１のアクチュエータを除いて、いずれも試験途中で誘電膜が破断した。これより、実施例のアクチュエータは、耐久性に優れることが確認された。

（３）まとめ
以上（１）、（２）の結果から、本発明の誘電膜によると、変位量が大きく、かつ耐久性に優れた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、例えば、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、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。本発明の誘電膜を用いたアクチュエータは、モータ等機械式アクチュエータおよび圧電素子アクチュエータ等のすべてのアクチュエータの代替として利用することができる。また、静電容量型センサ等のセンサ、発電トランスデューサの他、発光、発熱、発色等を行う柔軟なトランスデューサにも好適である。

本発明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。 本発明の一実施形態である発電トランスデューサの断面模式図であって、（ａ）は伸長時、（ｂ）は収縮時を示す。 評価実験に使用したアクチュエータの上面図である。 図４中のＶ−Ｖ断面図である。

符号の説明

１０：アクチュエータ ２０：誘電膜 ３０ａ、３０ｂ：電極 ４０：電源
１１：静電容量型センサ ２１：誘電膜 ３１ａ、３１ｂ：電極 ４１：基材
１２：発電トランスデューサ ２２：誘電膜 ３２ａ、３２ｂ：電極
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. アクチュエータ、センサ、トランスデューサのいずれかにおいて少なくとも一対の電極間に介装され、該電極間の印加電圧の変化により伸縮し、または、変形により該電極間の静電容量に変化を生じさせる誘電膜であって、
   （Ａ）アルケニル基またはヒドロキシ基を持ち、ポリジメチルシロキサン以外であって、次の（ア）〜（ウ）から選ばれる一種以上のポリマーと、（Ｂ）該ポリマーと反応してシロキサン結合を形成する架橋剤と、を含んだゴム組成物を架橋してなることを特徴とする誘電膜。
   （ア）ポリメチレン形の飽和された主鎖を持つゴム。
   （イ）ポリマーの主鎖に酸素を持つゴム。
   （ウ）ジオレフィン誘導体で不飽和の炭素鎖を持つゴム。
2. 前記（Ｂ）の架橋剤は、付加反応により前記シロキサン結合を形成するヒドロシリル基を持つ化合物、または、加水分解反応により該シロキサン結合を形成するシラノール基、アルコキシシリル基、アセトキシシリル基のうちの一つ以上を持つ化合物、を含む請求項１に記載の誘電膜。
3. 前記ヒドロシリル基を持つ化合物は、さらにフェニル基、アリール基、アルキル基のうちの一つ以上を持つ請求項２に記載の誘電膜。
4. （Ａ）アルケニル基またはヒドロキシ基を持ち、ポリジメチルシロキサン以外であって、次の（ア）〜（ウ）から選ばれる一種以上のポリマーと、（Ｂ）該ポリマーと反応してシロキサン結合を形成する架橋剤と、を含んだゴム組成物を架橋してなる誘電膜と、
   該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備え、
   該電極間への印加電圧に応じて該誘電膜が伸縮するアクチュエータ。
   （ア）ポリメチレン形の飽和された主鎖を持つゴム。
   （イ）ポリマーの主鎖に酸素を持つゴム。
   （ウ）ジオレフィン誘導体で不飽和の炭素鎖を持つゴム。
5. 前記誘電膜は、予め延伸された状態で配置されている請求項４に記載のアクチュエータ。
6. （Ａ）アルケニル基またはヒドロキシ基を持ち、ポリジメチルシロキサン以外であって、次の（ア）〜（ウ）から選ばれる一種以上のポリマーと、（Ｂ）該ポリマーと反応してシロキサン結合を形成する架橋剤と、を含んだゴム組成物を架橋してなる誘電膜と、
   該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備え、
   該電極間の静電容量変化に基づいて変形を検出するセンサ。
   （ア）ポリメチレン形の飽和された主鎖を持つゴム。
   （イ）ポリマーの主鎖に酸素を持つゴム。
   （ウ）ジオレフィン誘導体で不飽和の炭素鎖を持つゴム。
7. （Ａ）アルケニル基またはヒドロキシ基を持ち、ポリジメチルシロキサン以外であって、次の（ア）〜（ウ）から選ばれる一種以上のポリマーと、（Ｂ）該ポリマーと反応してシロキサン結合を形成する架橋剤と、を含んだゴム組成物を架橋してなる誘電膜と、
   該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、
   を備えるトランスデューサ。
   （ア）ポリメチレン形の飽和された主鎖を持つゴム。
   （イ）ポリマーの主鎖に酸素を持つゴム。
   （ウ）ジオレフィン誘導体で不飽和の炭素鎖を持つゴム。

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