JP5474331B2 - 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。

電歪型アクチュエータにおいて、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。
特表２００３−５０６８５８号公報 特表２００１−５２４２７８号公報

誘電体エラストマーからなる誘電膜は、電歪型アクチュエータだけでなく、センサ、トランスデューサ等にも利用されている。これら電歪型アクチュエータ等に使用される誘電膜に求められる特性として、以下の三つが挙げられる。第一に、比誘電率が大きいことである。誘電膜の比誘電率が大きいと、電極との界面に多くの電荷を蓄えることができる。これにより、例えば、アクチュエータの駆動力や変位量を大きくすることができる。第二に、絶縁破壊強さが大きいことである。誘電膜の絶縁破壊強さが大きいと、大きな電圧を印加することができる。したがって、アクチュエータの駆動力や変位量を大きくすることができると共に、耐久性が向上する。第三に、柔軟性である。誘電膜の柔軟性が高いと、電場応答性に優れると共に、伸縮を繰り返しても劣化が少ない。これにより、アクチュエータの駆動力や変位量を大きくすることができると共に、耐久性が向上する。

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、絶縁破壊強さの大きいシリコーンゴム、イソプレンゴムや、比誘電率の大きいニトリルゴム等が使用されている。

前者のシリコーンゴムやイソプレンゴム等の極性が低いエラストマーは、電気抵抗が大きく、絶縁破壊電圧が高い。また、大きな電圧を印加した場合でも、発熱が少ないため、誘電膜の耐久性は高い。しかし、シリコーンゴムやイソプレンゴムの比誘電率は小さい。このため、印加電圧に対する静電引力が小さく、電場応答性に劣る。例えば、アクチュエータを構成した場合には、所望の力や変位量を得ることが難しい。

後者のニトリルゴム等の比誘電率が大きいエラストマーは、印加電圧に対する静電引力が大きい。よって、電場応答性が良好である。しかし、比誘電率が大きいエラストマーは、電界中で分極を生じて大きな双極子モーメントを与える構造を有するため、高極性である。極性が高いエラストマーは、電気抵抗が小さく、絶縁破壊電圧が低い。すなわち、電気抵抗が小さいと、高電界中では微弱な電流が流れ、ジュール熱が発生する。このため、絶縁破壊電圧以上では、発熱に伴う電気抵抗のさらなる低下により発熱が増加して、破壊に至るおそれがある。

このように、従来のエラストマーによると、電場応答性と絶縁破壊強さとを両立させることはできなかった。本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、比誘電率および絶縁破壊強さが大きく、柔軟な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、電場応答性が良好で耐久性に優れたアクチュエータ、センサ、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複数の電極間に介装され、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなることを特徴とする（請求項１に対応）。

本発明の誘電膜を構成するエラストマーは、酢酸ビニルの共重合体を含む。すなわち、エラストマーのポリマー分は、酢酸ビニルの共重合体のみでもよく、酢酸ビニルの共重合体と他のポリマーとをブレンドしたものでもよい。「酢酸ビニルの共重合体」は、酢酸ビニルと、それ以外の他のモノマーと、の共重合体である。酢酸ビニルは、側鎖に高極性のアセチル基を有する。このため、他のモノマーの種類や、酢酸ビニル単位の含有割合にもよるが、酢酸ビニルの共重合体の比誘電率は、比較的大きい。したがって、酢酸ビニルの共重合体を含む本発明の誘電膜によると、印加電圧に対する静電引力が大きい。よって、本発明の誘電膜は、良好な電場応答性を有する。

また、酢酸ビニル単位の含有割合を変化させることにより、酢酸ビニルの共重合体の結晶性や、ガラス転移温度（Ｔｇ）を調整することができる。したがって、酢酸ビニル単位の含有割合を、用途に応じて好適な範囲に調整することにより、所望の柔軟性、比誘電率等を実現することができる。例えば、ポリエチレン等の結晶性ポリマーを含む場合、酢酸ビニル単位の含有割合が小さすぎると、酢酸ビニルの共重合体の結晶性は高くなる。このため、柔軟性が低下する。また、酢酸ビニルの共重合体の極性が低下して、比誘電率が小さくなる。一方、酢酸ビニル単位の含有割合が大きすぎると、酢酸ビニルの共重合体のＴｇが高くなる。このため、柔軟性が低下する。また、Ｔｇが高いと、酢酸ビニル単位の側鎖が電界方向へ配向しにくくなるため、比誘電率が小さくなる。

また、酢酸ビニルの共重合体の体積抵抗率は、比較的大きい。このため、絶縁破壊電圧が比較的高い。したがって、酢酸ビニルの共重合体を含む本発明の誘電膜の絶縁破壊強さは大きい。つまり、大きな電圧を印加した場合でも、誘電膜における発熱が少ない。よって、本発明の誘電膜は耐久性に優れる。このように、本発明の誘電膜は、電場応答性と絶縁破壊強さとの両方を備える。したがって、アクチュエータ、センサ、トランスデューサに有用である。

（２）また、本発明のアクチュエータは、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる誘電膜と、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（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、大きな力および変位量を得ることができる。また、誘電膜の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、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、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる誘電膜と、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６に対応）。

本発明のセンサは、上記本発明の誘電膜を備える。誘電膜の比誘電率が大きいため、静電容量が大きくなる。したがって、本発明のセンサの検出感度は高い。また、誘電膜の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、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、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる誘電膜と、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７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。本発明のトランスデューサによると、誘電膜の比誘電率が大きいため、電極との界面により多くの電荷を蓄えることができる。また、誘電膜の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、本発明のトランスデューサは、耐久性、安定性に優れる。

本発明によると、比誘電率および絶縁破壊強さが大きく、柔軟な誘電膜を提供することができる。また、電場応答性が良好で耐久性に優れたアクチュエータ、センサ、トランスデューサを提供することができる。

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＞
本発明の誘電膜は、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる。上述したように、エラストマーのポリマー分は、酢酸ビニルの共重合体のみでもよく、酢酸ビニルの共重合体と他のポリマーとをブレンドしたものでもよい。いずれの場合でも、エラストマーにおける酢酸ビニル単位の含有割合は、エラストマーのポリマー分全体を１００質量％とした場合の２０質量％より大きいことが望ましい。２０質量％以下の場合には、酢酸ビニルの共重合体の結晶性が高くなり、柔軟性が低下する。また、酢酸ビニルの共重合体の極性が低下して、比誘電率が小さくなる。酢酸ビニル単位の含有割合を、３０質量％以上とすると好適である。一方、酢酸ビニル単位の含有割合は、エラストマーのポリマー分全体を１００質量％とした場合の８５質量％以下であることが望ましい。８５質量％より大きい場合には、酢酸ビニルの共重合体のＴｇが高くなり、柔軟性が低下する。また、Ｔｇが高いと、酢酸ビニル単位の側鎖が電界方向へ配向しにくくなるため、酢酸ビニルの共重合体の比誘電率が小さくなる。酢酸ビニル単位の含有割合を、８０質量％以下とすると好適である。なお、酢酸ビニル単位等の含有割合は、例えば、質量分析法（Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定することができる。

他のポリマーをブレンドする場合、例えば、比誘電率の大きいアクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、ヒドリンゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴム、塩素化ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム等、および絶縁破壊強さの大きいイソプレンゴム（ＩＲ）、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブチルゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等から選ばれる一種以上が好適である。

また、酢酸ビニルの共重合体を構成する酢酸ビニル以外のモノマーとしては、例えば、エチレン、ブタジエン、アクリル酸エステル、塩化ビニル等が挙げられる。これらのうち一種を単独で、または二種以上を併せて用いればよい。なかでも、次の理由からエチレンが好適である。すなわち、エチレンは低極性であり、高極性の酢酸ビニルと併用することで、他のポリマーとの相溶性が向上する。また、エチレンの結晶性は高いため、酢酸ビニルの共重合体における剛性と柔軟性とのバランスがよい。

酢酸ビニルの共重合体を、エチレン−酢酸ビニル共重合体とした場合には、エチレン単位と酢酸ビニル単位との質量比率を、６０：４０〜１５：８５（エチレン単位：酢酸ビニル単位）とすることが望ましい。すなわち、エチレン−酢酸ビニル共重合体における酢酸ビニル単位の含有割合が、４０質量％未満の場合には、エチレン−酢酸ビニル共重合体の結晶性が高くなり、柔軟性が低下する。また、エチレン−酢酸ビニル共重合体の極性が低下して、比誘電率が小さくなる。反対に、酢酸ビニル単位の含有割合が、８５質量％より大きくなると、エチレン−酢酸ビニル共重合体のＴｇが高くなり、柔軟性が低下する。また、Ｔｇが高いと、酢酸ビニル単位の側鎖が電界方向へ配向しにくくなるため、エチレン−酢酸ビニル共重合体の比誘電率が小さくなる。

本発明の誘電膜は、酢酸ビニルの共重合体、または必要に応じて酢酸ビニルの共重合体と他のポリマーとをブレンドした原料ポリマーに、架橋剤、加硫促進剤、加工助剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等を必要に応じて添加してエラストマー組成物を調製し、当該エラストマー組成物を架橋して製造すればよい。具体的には、第一の方法として、まず、原料ポリマーに、架橋剤、加工助剤等を添加して混練りし、エラストマー組成物を調製する。次に、調製したエラストマー組成物を成形し、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、第一の方法と同様に調製したエラストマー組成物を、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、まず、原料ポリマーを、所定の溶媒に溶解する。この溶液へ架橋剤等を加え、攪拌、混合してエラストマー組成物を調製する。次に、調製したエラストマー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。

架橋剤としては、有機過酸化物から選ばれる一種以上を使用することが望ましい。この場合、架橋助剤を併用するとよい。有機過酸化物を使用すると、不純物の残存量が少ない。このため、得られるエラストマーの電気抵抗が大きくなり、絶縁破壊強さをより大きくすることができる。有機過酸化物としては、例えば、α，α’−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ジイソプロピルベンゼン、１，１−ジ（ｔ−ブチルペルオキシ）シクロヘキサン、ジクミルパーオキサイド、２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルペルオキシ）ヘキサン等が挙げられる。

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、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる。誘電膜２０の比誘電率は大きい。したがって、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、所望の力および変位量を得ることができる。また、誘電膜２０の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜２０は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、アクチュエータ１０は耐久性、安定性に優れる。

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。

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＞
本発明の誘電膜を用いたセンサの一例として、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、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる。誘電膜２１の比誘電率が大きいため、キャパシタンスは大きい。したがって、静電容量型センサ１１の検出感度は高い。また、誘電膜２１の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜２１は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、静電容量型センサ１１は、耐久性、安定性に優れる。なお、本発明のセンサにおいても、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。

＜トランスデューサ＞
本発明の誘電膜を用いた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、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる。誘電膜２２の比誘電率が大きいため、電極３２ａ、３２ｂとの界面に多くの電荷を蓄えることができる。また、誘電膜２２の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜２２は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、発電トランスデューサ１２は、耐久性、安定性に優れる。なお、本発明のトランスデューサにおいても、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。

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］
まず、エチレン−酢酸ビニル共重合体Ａ（ランクセス社製「レバプレン（登録商標）４５０」、エチレン単位：酢酸ビニル単位＝５５：４５（質量比率、以下同じ。））１００質量部と、加工助剤のステアリン酸（花王（株）製「ルナック（登録商標）Ｓ３０」）２質量部と、架橋剤の有機過酸化物、α，α’−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ジイソプロピルベンゼン（日本油脂（株）製「パーブチル（登録商標）Ｐ−４０」）６．４質量部と、架橋助剤のトリアリルイソシアヌレート（日本化成（株）製「ＴＡＩＣ（登録商標）Ｍ−６０」）１．２質量部と、をロール練り機にて混合し、エラストマー組成物を調製した。調製したエラストマー組成物を金型に充填して、１７０℃で約１５分間プレス架橋することにより、誘電膜を得た。得られた誘電膜を、実施例１とした。なお、誘電膜は、厚さを変えて二種類製造した。一方の厚さは０．５ｍｍ、他方の厚さは０．２ｍｍとした（以下、実施例２〜４、比較例１〜３について同じ）。

［実施例２］
エチレン−酢酸ビニル共重合体の種類以外は、上記実施例１と同様にして、誘電膜を製造した。すなわち、実施例１とは酢酸ビニル単位の含有割合が異なるエチレン−酢酸ビニル共重合体Ｂ（ランクセス社製「レバプレン６００ＨＶ」、エチレン単位：酢酸ビニル単位＝４０：６０）を使用した。得られた誘電膜を、実施例２とした。

［実施例３］
エチレン−酢酸ビニル共重合体の種類以外は、上記実施例１と同様にして、誘電膜を製造した。すなわち、実施例１とは酢酸ビニル単位の含有割合が異なるエチレン−酢酸ビニル共重合体Ｃ（ランクセス社製「レバプレン８００ＨＶ」、エチレン単位：酢酸ビニル単位＝２０：８０）を使用した。得られた誘電膜を、実施例３とした。

［実施例４］
ポリマー分として、実施例２と同様のエチレン−酢酸ビニル共重合体Ｂ５０質量部と、水素化ニトリルゴム（日本ゼオン（株）製「ゼットポール（登録商標）００２０」）５０質量部と、を使用した。これ以外は、上記実施例１と同様にして、誘電膜を製造した。得られた誘電膜を、実施例４とした。

［比較例１］
エチレン−酢酸ビニル共重合体の種類以外は、上記実施例１と同様にして、誘電膜を製造した。すなわち、実施例１とは酢酸ビニル単位の含有割合が異なるエチレン−酢酸ビニル共重合体Ｄ（ランクセス社製「レバプレン９００ＨＶ」、エチレン単位：酢酸ビニル単位＝１０：９０）を使用した。得られた誘電膜を、比較例１とした。

［比較例２］
エチレン−酢酸ビニル共重合体に替えて、ニトリルゴム（日本ゼオン（株）製「ニポール（登録商標）ＤＮ２０２」）を使用して、誘電膜を製造した。すなわち、まず、ニトリルゴム１００質量部と、加工助剤のステアリン酸（同上）１質量部および酸化マグネシウム（協和化学工業（株）製「＃１５０」）１０質量部と、架橋剤の硫黄（鶴見化学工業（株）製「サルファックスＴ−１０」）０．５質量部と、加硫促進剤のテトラエチルチウラムジスルフィド（三新化学工業（株）製「サンセラー（登録商標）ＴＥＴ−Ｇ」）２質量部、およびＮ−シクロヘキシル−２−ベンゾチアジルスルフェンアミド（同社製「サンセラーＣＺ−Ｇ」）１質量部と、をロール練り機にて混合し、エラストマー組成物を調製した。調製したエラストマー組成物を金型に充填して、１５０℃で約１５分間プレス架橋することにより、誘電膜を得た。得られた誘電膜を、比較例２とした。

［比較例３］
エチレン−酢酸ビニル共重合体に替えて、イソプレンゴム（日本ゼオン（株）製「ニポールＩＲ２２００」）を使用して、誘電膜を製造した。すなわち、まず、イソプレンゴム１００質量部と、加工助剤のステアリン酸（同上）２質量部と、架橋剤の硫黄（同上）２．５質量部と、加硫促進剤のＮ−シクロヘキシル−２−ベンゾチアジルスルフェンアミド（同上）１質量部と、をロール練り機にて混合し、エラストマー組成物を調製した。調製したエラストマー組成物を金型に充填して、１５０℃で約１５分間プレス架橋することにより、誘電膜を得た。得られた誘電膜を、比較例３とした。

＜評価方法＞
製造した誘電膜について、柔軟性、比誘電率、体積抵抗率、破壊時の電界強度、最大変位率の五項目により評価した。以下、各々の評価方法について説明する。

［柔軟性］
誘電膜（膜厚０．５ｍｍ）について、ＪＩＳ Ｋ６２５１（２００４）に準じた引張試験を行い、切断時伸び（Ｅ_ｂ）を求めた。試験片の形状はダンベル状２号形とした。切断時伸びが大きいほど、柔軟性が高いことを示す。

［比誘電率］
誘電膜（膜厚０．５ｍｍ）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）。

［体積抵抗率］
誘電膜（膜厚０．５ｍｍ）の体積抵抗率を、ＪＩＳ Ｋ６２７１（２００８）に準じて測定した（印加電圧１００Ｖ）。電極には、東亜電波工業（株）製「ＳＭＥ−８３１１」を使用した。

［破壊時の電界強度および最大変位率］
製造した誘電膜（膜厚０．２ｍｍ）を用いてアクチュエータを構成し、印加電圧に対するアクチュエータの変位量を測定した。以下に、実験装置および実験方法について説明する。

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。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。

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。そして、変位率の最大値を最大変位率とした。
変位率（％）＝（変位量／電極の半径）×１００・・・（ＩＩＩ）
また、誘電膜５０が破断するまで、印加電圧を大きくしていき、誘電膜５０が破断した時の電界強度を求めた。

＜評価結果＞
誘電膜の評価結果を、誘電膜の組成と併せて、表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜４の誘電膜については、切断時伸び、および比誘電率が大きいことに加えて、体積抵抗率も大きくなった。このため、実施例１〜４の誘電膜を使用したアクチュエータにおいて、印加電圧を大きくすることができると共に、大きな変位量を得ることができた。つまり、実施例１〜４の誘電膜を使用した場合には、良好な電場応答性が得られた。また、実施例１〜３の誘電膜を比較すると、エラストマー中の酢酸ビニル単位の含有割合が大きくなるに従って、切断時伸びおよび比誘電率は、大きくなる傾向が見られた。なお、実施例４の誘電膜については、エチレン−酢酸ビニル共重合体に加えて比誘電率の大きな水素化ニトリルゴムも含まれているため、切断時伸びおよび比誘電率がより大きくなった。

一方、酢酸ビニル単位が９０質量％のエチレン−酢酸ビニル共重合体を使用した比較例１の誘電膜については、体積抵抗率は大きいものの、切断時伸びおよび比誘電率はいずれも小さくなった。また、比較例２の誘電膜については、ニトリルゴムが使用されているため、比誘電率は大きいものの、体積抵抗率が小さい。このため、最大電界強度が小さく、充分な変位量を得られなかった。また、比較例３の誘電膜については、イソプレンゴムが使用されているため、体積抵抗率は大きいものの、比誘電率が小さい。このため、最大電界強度は大きくなったが、充分な変位量を得られなかった。

以上より、本発明の誘電膜は、柔軟で、比誘電率および絶縁破壊強さ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、電場応答性が良好な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 (5)

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複数の電極間に介装され、
   アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、水素化ニトリルゴム、ヒドリンゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴム、塩素化ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、天然ゴム、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−ジエンゴムから選ばれる一種以上と、酢酸ビニルの共重合体と、を含むエラストマーからなり、
   双極子の配向処理をしないで製造されることを特徴とする誘電膜。
2. 前記エラストマーにおける酢酸ビニル単位の含有割合は、該エラストマーのポリマー分全体を１００質量％とした場合の２０質量％を超え８５質量％以下である請求項１に記載の誘電膜。
3. 前記酢酸ビニルの共重合体は、エチレンと酢酸ビニルとを含むモノマーからなる請求項１または請求項２に記載の誘電膜。
4. 前記酢酸ビニルの共重合体は、エチレン−酢酸ビニル共重合体であって、
   該エチレン−酢酸ビニル共重合体におけるエチレン単位と酢酸ビニル単位との質量比率は、６０：４０〜１５：８５（エチレン単位：酢酸ビニル単位）である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の誘電膜。
5. アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、水素化ニトリルゴム、ヒドリンゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴム、塩素化ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、天然ゴム、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−ジエンゴムから選ばれる一種以上と、酢酸ビニルの共重合体と、を含むエラストマーからなり、双極子の配向処理をしないで製造される誘電膜と、
   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。

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