JP5486369B2

JP5486369B2 - 誘電材料およびそれを用いたトランスデューサ

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Publication number: JP5486369B2
Application number: JP2010069584A
Authority: JP
Inventors: 成亮高松; 克彦中野
Original assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2030-03-25
Also published as: JP2011201993A

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材料、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。

アクチュエータから取り出される力および変位量を大きくするという観点から、誘電膜は、以下の特性を有することが望ましい。すなわち、電圧印加時に、誘電膜の内部に多くの電荷を蓄えられるように比誘電率が大きいこと、高電界に耐えられるように耐絶縁破壊性に優れること、繰り返し伸縮可能なように柔軟性が高いこと、等である。したがって、誘電膜の材料としては、耐絶縁破壊性に優れるシリコーンゴムや、比誘電率が大きいニトリルゴム、アクリルゴム等が用いられることが多い（例えば、特許文献１、２参照）。

特表２００３−５０６８５８号公報特表２００１−５２４２７８号公報特開平６−１４１５７０号公報特開２００９−７７６１８号公報

例えば、シリコーンゴムは、シロキサン結合を骨格とする。このため、電気抵抗が大きい。よって、シリコーンゴムからなる誘電膜は、大きな電圧を印加しても絶縁破壊しにくい。しかしながら、シリコーンゴムの極性は小さい。つまり、比誘電率が小さい。このため、シリコーンゴムからなる誘電膜を用いてアクチュエータを構成した場合には、印加電圧に対する静電引力が小さい。よって、実用的な電圧により、所望の力および変位量を得ることができない。

一方、ニトリルゴムやアクリルゴムの比誘電率は、シリコーンゴムの比誘電率よりも大きい。このため、誘電膜の材料にニトリルゴム等を用いると、印加電圧に対する静電引力が、シリコーンゴムを用いた場合と比較して大きくなる。しかしながら、ニトリルゴム等の電気抵抗は、シリコーンゴムと比較して小さい。このため、誘電膜が絶縁破壊しやすい。したがって、印加電圧を大きくすることができず、充分な力および変位量を得ることができない。このように、一つの材料により、誘電膜の高比誘電率化と高電気抵抗化とを両立させることは難しい。

例えば、上記特許文献３、４には、誘電層に多孔体を用いたアクチュエータが、開示されている。特許文献３の多孔体には、電界の作用により分極する粒子が分散されている。また、特許文献４の多孔体の孔内には、種々の誘電体を充填することができる。これらのアクチュエータにおいては、多孔体を用いることで、誘電層の柔軟性を向上させている。しかし、多孔体に分散されている粒子や、充填されている誘電体により、比誘電率を調整しているに過ぎない。すなわち、いずれのアクチュエータにおいても、発生力と耐絶縁破壊性とを両立させることは難しい。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、所望の比誘電率および電気抵抗を有する誘電材料を提供することを課題とする。また、そのような誘電膜を用いて、発生力の大きなトランスデューサを提供する。

（１）本発明の誘電材料は、海相中に島相が分散されてなる海島構造を有し、前記島相は、エラストマーを含み比誘電率が１５以上の高誘電材料からなり、前記海相は、エラストマーを含み該高誘電材料よりも大きな体積抵抗率を有する高抵抗材料からなることを特徴とする。

本発明の誘電材料によると、海島構造を採用することにより、一つのエラストマー材料において、高比誘電率化と高電気抵抗化とを両立させることができる。図１に、本発明の誘電材料の断面模式図を示す。なお、図１は、海島構造を説明するための模式図である。よって、図１は、海相と島相との配合割合、島相の配置、形状、数等を含めて、本発明の誘電材料を何ら限定するものではない。

図１に示すように、誘電材料１００は、海相１０１と島相１０２とを有している。島相１０２は、海相１０１中に、略孤立した状態で分散している。海相１０１は、島相１０２（高誘電材料）よりも大きな体積抵抗率を有する高抵抗材料からなる。これにより、誘電材料１００の電気抵抗を、大きくすることができる。また、島相１０２は、比誘電率が１５以上の高誘電材料からなる。これにより、誘電材料１００の比誘電率を、大きくすることができる。このように、本発明によると、比誘電率が大きく、かつ電気抵抗も大きい誘電材料を、実現することができる。

本発明の誘電材料から製造された誘電膜を用いて、トランスデューサを構成した場合には、電圧印加により、誘電膜の内部に多くの電荷を蓄えることができる。よって、静電引力が、大きくなる。これにより、印加電圧が比較的小さくても、大きな力を発生させることができる。また、誘電膜の耐絶縁破壊性は高い。したがって、より大きな電圧を印加することができ、発生力をより増加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、上記本発明の誘電材料からなる誘電膜と、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。

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。上述したように、本発明の誘電材料は、所望の比誘電率と電気抵抗を有する。このため、本発明の誘電材料を誘電膜として用いると、電圧の印加により、誘電膜の内部に多くの電荷を蓄えることができる。加えて、誘電膜は絶縁破壊しにくい。したがって、本発明のトランスデューサによると、大きな発生力を得ることができる。また、本発明のトランスデューサは、耐久性に優れる。

本発明の誘電材料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上面図である。図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。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。測定装置に取り付けられたアクチュエータの表側正面図である。図６のＶＩＩ−ＶＩＩ方向断面図である。

以下、本発明の誘電材料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、本発明の誘電材料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。

＜誘電材料＞
上述したように、本発明の誘電材料は、エラストマーを含み比誘電率が１５以上の高誘電材料からなる島相が、エラストマーを含み該高誘電材料よりも大きな体積抵抗率を有する高抵抗材料からなる海相中に、分散されてなる。

（１）高抵抗材料
海相の高抵抗材料は、後述する高誘電材料よりも大きな体積抵抗率を有する。誘電材料の電気抵抗を大きくするという観点から、高抵抗材料の体積抵抗率は、１０^１１Ωｃｍ以上であることが望ましい。また、高抵抗材料は、エラストマーのみでもよく、エラストマーに他の絶縁材料を混合したものでもよい。

エラストマーとしては、例えば、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、イソプレンゴム、天然ゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体等が好適である。また、エポキシ化天然ゴム、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ＸＨ−ＮＢＲ）等のように、官能基を導入するなどして変性したエラストマーを用いてもよい。また、後述する高誘電材料にイオン導電剤を配合する場合には、島相から海相へイオン導電剤が移動するのを抑制するという観点から、イオン導電剤と相溶性の悪いＥＰＤＭ、シリコーンゴム、イソプレンゴム、天然ゴムを採用することが望ましい。エラストマーとしては、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。

エラストマーに混合する絶縁材料としては、無機フィラーが好適である。無機フィラーとしては、エラストマーと反応可能な官能基を有するものが望ましい。例えば、無機フィラーに表面処理を施して、官能基を導入したり、官能基の数を増加させることができる。こうすることにより、無機フィラーとエラストマーとの反応性が向上する。官能基としては、ヒドロキシ基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、無水マレイン酸基等が挙げられる。

無機フィラーとしては、例えば、シリカ、酸化チタン、チタン酸バリウム、炭酸カルシウム、クレー、焼成クレー、タルク等が挙げられる。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。なかでも、官能基の数が多く、比較的安価であるという理由から、シリカを用いることが望ましい。

エラストマーに無機フィラーを混合する場合には、エラストマーについても、無機フィラーと反応可能な官能基を有するものを用いることが望ましい。官能基としては、上記無機フィラーの場合と同様に、ヒドロキシ基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、無水マレイン酸基等が挙げられる。例えば、カルボキシル基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エラストマーが好適である。

無機フィラーの配合割合は、エラストマーの体積抵抗率等を考慮して、決定すればよい。例えば、エラストマーの１００質量部に対して、５質量部以上５０質量部以下とすることが望ましい。５質量部未満であると、電気抵抗を大きくする効果が小さい。反対に、５０質量部を超えると、誘電材料が硬くなり、柔軟性が損なわれるおそれがある。

（２）高誘電材料
島相の高誘電材料の比誘電率は、１５以上である。高誘電材料は、エラストマーのみでもよく、比誘電率や電気抵抗を増加させるための他の成分を、エラストマーに混合したものでもよい。

エラストマーとしては、例えば、ヒドリンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、カルボキシル基変性ニトリルゴム（Ｘ−ＮＢＲ）、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ＸＨ−ＮＢＲ）等が好適である。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。また、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴムを用いる場合には、比誘電率を大きくするという観点から、アクリロニトリル含有量（結合ＡＮ量）が３３質量％以上のものが望ましい。結合ＡＮ量は、ゴムの全体質量を１００質量％とした場合のアクリロニトリルの質量割合である。

比誘電率を大きくするための成分としては、例えば、イオン導電剤が挙げられる。イオン導電剤は、室温で固体でも液体（イオン性液体）でもよい。イオン導電剤の配合量は、エラストマーの１００質量部に対して、０．１５５ｍｍｏｌ以上３ｍｍｏｌ以下であることが望ましい。

イオン導電剤のカチオンとしては、例えば、第四級アンモニウムイオン、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオン、ピロリジニウムイオン、第四級ホスホニウムイオン等が挙げられる。また、アニオンとしては、塩化物イオン（Ｃｌ⁻）、臭化物イオン（Ｂｒ⁻）、ヨウ化物イオン（Ｉ⁻）、過塩素酸イオン（ＣｌＯ_４ ⁻）、ＢＦ_４ ⁻、ＰＦ_６ ⁻、ＣＦ_３ＳＯ_２ ⁻、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２Ｎ⁻等が挙げられる。イオン導電剤としては、これらのカチオンとアニオンとを任意に組み合わせてなる化合物を採用すればよい。また、イオン導電剤の一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。

誘電材料の電気抵抗の低下を抑制するという観点から、イオン導電剤としては、室温で固体の化合物を用いることが望ましい。例えば、第四級アンモニウムイオン、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオン、ピロリジニウムイオン、および第四級ホスホニウムイオンから選ばれるカチオンと、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、および過塩素酸イオンから選ばれるアニオンと、を組み合わせてなる化合物が挙げられる。なかでも、潮解性が低く、取扱いやすいという理由から、第四級アンモニウム塩が好適である。

また、イオン導電剤を配合する場合には、イオン導電剤を固定化して誘電材料の電気抵抗の変化を抑制するという観点から、イオン吸着能に優れる活性炭、シリカ等を併用してもよい。

また、電気抵抗を増加させるための成分としては、上記（１）の高抵抗材料の場合と同様に、無機フィラーが好適である。無機フィラーについては、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、高誘電材料についても、無機フィラーを混合する場合には、無機フィラーと反応可能な官能基を有するエラストマーを用いることが望ましい。

＜誘電材料の製造方法＞
本発明の誘電材料は、例えば、次のように製造することができる。まず、高抵抗材料としてのエラストマー等の原料と、高誘電材料としてのエラストマー等の原料と、必要に応じて配合される添加剤と、をロールや混練機により混練りして、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、金型に充填して、所定の条件下でプレス成形する。あるいは、調製したエラストマー組成物を、所定の条件下で押出成形する。

添加剤としては、架橋剤、加硫促進剤、加工助剤、可塑剤、老化防止剤、補強剤、着色剤等が挙げられる。例えば、可塑剤を配合することにより、本発明の誘電材料の柔軟性を向上させることができる。つまり、本発明の誘電材料は、伸縮しやすくなる。したがって、トランスデューサを構成した場合に、より大きな力を得ることができる。配合する可塑剤としては、誘電材料の電気抵抗を低下させにくいという観点から、絶縁性が高く、揮発しにくいものが望ましい。例えば、トリクレジルホスフェート、トリス２エチルヘキシルトリメリテート、塩化パラフィン等が好適である。また、架橋方法は、エラストマーの種類に応じて、適宜決定すればよい。例えば、硫黄架橋、過酸化物架橋、イソシアネート架橋、電子線（ＥＶ）架橋、紫外線（ＵＶ）架橋等が挙げられる。

本発明の誘電材料を製造する場合には、高抵抗材料のエラストマーと高誘電材料のエラストマーとの配合割合、高抵抗材料と高誘電材料との混練時における粘度バランス等を、考慮することが望ましい。高抵抗材料からなる海相と、高誘電材料からなる島相と、を形成するためには、高抵抗材料のエラストマーと高誘電材料のエラストマーとを、質量比で、５５：４５〜９０：１０の範囲で配合することが望ましい。また、高抵抗材料と高誘電材料との混練温度を、５０〜６０℃とすることが望ましい。

また、無機フィラーは、自身が有する官能基と反応可能な官能基を有するエラストマー中に取り込まれる。したがって、高抵抗材料、高誘電材料の各々のエラストマーの種類に応じて、海相または島相に、無機フィラーを選択的に含有させることができる。また、イオン導電剤は、極性を有するエラストマー中に取り込まれる。したがって、高誘電材料のエラストマーに、極性を有するものを使用することにより、高誘電材料（島相）中に、イオン導電剤を選択的に含有させることができる。

＜トランスデューサ＞
本発明のトランスデューサは、上記本発明の誘電材料からなる誘電膜と、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。本発明の誘電材料の構成、および製造方法については、上述した通りである。よって、ここでは説明を割愛する。なお、本発明のトランスデューサを構成する誘電膜についても、本発明の誘電材料における好適な態様を採用することが望ましい。

また、本発明の誘電材料は、プレス成形、押出成形等により、薄板状、チューブ状等に容易に成形することができる。したがって、トランスデューサの用途等に応じて、誘電膜の形状を、適宜決定すればよい。また、誘電膜の厚さについても、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、アクチュエータを構成する場合には、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導電性ペーストまたは導電性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、所望の力および変位量を得やすくなる。

また、イオン導電剤を電極に配合してもよい。例えば、イオン導電剤を配合した上記導電性ペーストを、架橋前の誘電膜に塗布し、電極と誘電膜とを一体的に架橋する。こうすることにより、電極中のイオン導電剤が誘電膜に移行する。その結果、電圧印加時に、誘電膜の内部に多くの電荷が蓄えられる。これにより、発生力を増加させることができる。

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２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２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、配線１２ａ、１２ｂと、を備えている。誘電膜１０は、本発明の誘電材料からなる。電極１１ａは、誘電膜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、誘電膜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。

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２（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２中、上下方向および左右方向の駆動力を出力する。

本実施形態のアクチュエータ１によると、誘電膜１０の比誘電率は大きい。このため、誘電膜１０の内部に、多くの電荷を蓄えることができる。したがって、印加電圧が比較的小さくても、発生する力が大きい。また、誘電膜１０の電気抵抗は大きい。つまり、誘電膜１０の耐絶縁破壊性は高い。したがって、より大きな電圧を印加することができる。その結果、発生力を増加させることができる。また、誘電膜１０が破壊されにくいため、アクチュエータ１は、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の絶縁破壊強度が大きくなる。よって、より大きな電圧を印加することができるため、発生力がより増加する。

［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。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３に、静電容量型センサの上面図を示す。図４に、図３のＩＶ−ＩＶ断面図を示す。

図３、図４に示すように、静電容量型センサ２は、誘電膜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。

誘電膜２０は、左右方向に延びる帯状を呈している。誘電膜２０は、本発明の誘電材料からなる。

電極２１ａは、長方形状を呈している。電極２１ａは、誘電膜２０の上面に、三つ配置されている。同様に、電極２１ｂは、長方形状を呈している。電極２１ｂは、誘電膜２０を挟んで電極２１ａと対向するように、誘電膜２０の下面に三つ配置されている。すなわち、誘電膜２０を挟んで、電極２１ａ、２１ｂが三対配置されている。

配線２２ａは、誘電膜２０の上面に、配置されている。配線２２ａは、誘電膜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。同様に、配線２２ｂは、誘電膜２０の下面に、配置されている。配線２２ｂは、誘電膜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３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。

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、誘電膜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、誘電膜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。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、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、誘電膜２０の厚さ（電極間距離）は小さくなる。その結果、電極２１ａ、２１ｂ間の静電容量は、大きくなる。この静電容量の変化により、圧縮による変形が検出される。

次に、本実施形態の静電容量型センサ２の作用効果について説明する。本実施形態の静電容量型センサ２によると、誘電膜２０の比誘電率は大きい。このため、変形に対する静電容量の変化が大きい。つまり、変形に対する応答感度が高い。また、誘電膜２０の電気抵抗は大きい。つまり、誘電膜２０の耐絶縁破壊性は高い。したがって、静電容量型センサ２は、耐久性に優れる。

なお、本実施形態の静電容量型センサ２には、誘電膜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、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例として、発電素子の実施形態を説明する。図５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５に示すように、発電素子３は、誘電膜３０と、電極３１ａ、３１ｂと、配線３２ａ〜３２ｃと、を備えている。誘電膜３０は、本発明の誘電材料からなる。

電極３１ａは、誘電膜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、誘電膜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。

図５（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の膜厚は薄くなり、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５（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、蓄えられた電荷が配線３２ａを通して放出される。

本実施形態の発電素子３によると、誘電膜３０の比誘電率は大きい。このため、誘電膜３０の内部に、多くの電荷を蓄えることができる。したがって、発電効率が向上する。また、誘電膜３０の電気抵抗は大きい。つまり、誘電膜３０の耐絶縁破壊性は高い。したがって、発電素子３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。

＜誘電材料の製造＞
下記の表１に示す原料から、実施例および比較例の各誘電材料を製造した。実施例については、二種類のエラストマーを使用した。比較例については、一種類のエラストマーを使用した。

［実施例１］
まず、水素化ニトリルゴム（日本ゼオン（株）製「Ｚｅｔｐｏｌ（登録商標）００２０」、結合ＡＮ量＝４９．２質量％）と、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ランクセス社製「テルバン（登録商標）ＸＴ８８８９」）と、加硫助剤の酸化亜鉛二種（三井金属（株）製）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（三新化学工業（株）製「サンセラー（登録商標）ＣＺ−Ｇ」）と、硫黄（鶴見化学工業（株）製「サルファックスＴ−１０」）と、を５０〜６０℃下で、ロール練り機にて混練りした。次に、得られたゴム組成物を、金型に配置して、約１６０℃で約２０分間プレス架橋した。続いて、金型から取り出された架橋物をオーブン内に配置して、１６０〜１８０℃で約２時間、二次架橋した。このようにして、厚さ約２００μｍの薄膜状の誘電材料を得た。

［実施例２］
さらに、無機フィラーとしてシリカ（日本アエロジル（株）製乾式シリカ「Ａｅｒｏｓｉｌ（登録商標）３８０」）を配合した点以外は、上記実施例１と同様にして、誘電材料を製造した。

［実施例３］
シリカの配合量を変更した点以外は、上記実施例２と同様にして、誘電材料を製造した。

［実施例４］
水素化ニトリルゴムに替えて、ＥＰＤＭを使用して誘電材料を製造した。まず、ＥＰＤＭ（住友化学（株）製「エスプレン（登録商標）５０５」）と、可塑剤（パラフィン系プロセスオイル）と、を混練したマスターバッチを作製した。次に、マスターバッチと、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（同上）と、を素練りした。さらに、シリカ（同上）、可塑剤（トリクレジルホスフェート）、加硫助剤の酸化亜鉛二種（同上）、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）、および硫黄（同上）を加えて、５０〜６０℃下で、ロール練り機にて混練りした。その後、得られたゴム組成物を、金型に配置して、約１６０℃で約２０分間プレス架橋した。続いて、金型から取り出された架橋物をオーブン内に配置して、１６０〜１８０℃で約２時間、二次架橋した。このようにして、厚さ約２００μｍの薄膜状の誘電材料を得た。

［比較例１］
エラストマーとして、水素化ニトリルゴムのみを使用した点以外は、上記実施例１と同様にして、誘電材料を製造した。

［比較例２］
エラストマーとして、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴムのみを使用した点以外は、上記実施例１と同様にして、誘電材料を製造した。

［比較例３］
エラストマーとして、ＥＰＤＭのみを使用し、可塑剤を一種類（パラフィン系プロセスオイル）にした点以外は、上記実施例４と同様にして、誘電材料を製造した。

表１に、使用した原料の種類および配合量を示す。

実施例および比較例の誘電材料について、引張特性、体積抵抗率、比誘電率、およびアクチュエータ特性を評価した。以下、各々の評価方法および評価結果について説明する。

＜評価方法＞
［引張特性］
ＪＩＳＫ６２５１（２００４）に準じた引張試験を行い、２５％引張応力（Ｍ２５）、引張強さ（ＴＳ）、および切断時伸び（Ｅ_ｂ）を算出した。また、得られた応力−伸び曲線の初期の勾配から、ヤング率を算出した。引張試験には、ダンベル状５号形の試験片を使用した。

［体積抵抗率］
ＪＩＳＫ６２７１（２００８）に準じて、体積抵抗率を測定した。測定は、直流電圧１０００Ｖを印加して行った。

［比誘電率］
誘電材料をサンプルホルダー（ソーラトロン社製、１２９６２Ａ型）に設置して、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、比誘電率を測定した（周波数１００Ｈｚ）。

［アクチュエータ特性］
実施例および比較例の各誘電材料を用いてアクチュエータを作製し、アクチュエータの発生力等を測定した。まず、実施例および比較例の各誘電材料から、縦５０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ約２００μｍの矩形板状の誘電膜を作製した。そして、誘電膜の表裏両面に、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貼着して、アクチュエータを作製した。図６に、測定装置に取り付けられたアクチュエータの表側正面図を示す。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の上端は、測定装置における上側チャック５２により把持されている。アクチュエータ５の下端は、下側チャック５３により把持されている。アクチュエータ５は、予め上下方向に延伸された状態で、上側チャック５２と下側チャック５３との間に、取り付けられている（延伸率２５％）。上側チャック５２の上方には、ロードセル（図略）が配置されている。

アクチュエータ５は、誘電膜５０と一対の電極５１ａ、５１ｂとからなる。電極５１ａ、５１ｂは、誘電膜５０を挟んで表裏方向に対向するよう配置されている。電極５１ａ、５１ｂは、自然状態で、各々、縦４０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ約１０μｍの矩形板状を呈している。電極５１ａ、５１ｂは、上下方向に１０ｍｍずれた状態で配置されている。つまり、電極５１ａ、５１ｂは、誘電膜５０を介して、縦３０ｍｍ、横２５ｍｍの範囲で重なっている。電極５１ａの下端には、配線（図略）が接続されている。同様に、電極５１ｂの上端には、配線（図略）が接続されている。電極５１ａ、５１ｂは、各々の配線を介して、電源（図略）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、延伸方向（上下方向）に伸長する。誘電膜５０の伸長により、上下方向の延伸力は減少する。電圧を印加した時に減少した延伸力を、ロードセルにより測定して、発生力とした。発生力の測定は、印加する電圧を段階的に増加させて、誘電膜５０が破壊されるまで行った。そして、誘電膜５０が破壊される寸前における発生力を、最大発生力とした。また、その時の電圧値を誘電膜５０の膜厚で除した値を、絶縁破壊強度とした。

＜評価結果＞
評価結果を、上記表１にまとめて示す。表１中、アクチュエータ特性における発生力としては、電界強度４０Ｖ／μｍ、６０Ｖ／μｍの二種類の直流電圧を印加させた時の測定値を示す。また、実施例の誘電材料については、モルフォロジー観察を行い、海島構造を確認した。モルフォロジー観察は、走査型プローブ顕微鏡（（株）島津製作所製「ＳＰＭ−９５００Ｊ３」）を用いて行った。誘電材料における海相、島相の各成分を、上記表１に併せて示す。

表１に示すように、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ＸＨ−ＮＢＲ）と水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）とを、６０：４０の質量比で配合した実施例１の誘電材料については、ＸＨ−ＮＢＲにより海相が、Ｈ−ＮＢＲにより島相が形成されていた。同様の質量比からなる実施例２、３の誘電材料については、ＸＨ−ＮＢＲおよびシリカにより海相が、Ｈ−ＮＢＲにより島相が形成されていた。このように、シリカの−ＯＨ基とＸＨ−ＮＢＲの−ＣＯＯＨ基との反応により、シリカは、海相（ＸＨ−ＮＢＲ）側に選択的に取り込まれていた。また、ＥＰＤＭとＸＨ−ＮＢＲとを、６０：４０の質量比で配合した実施例４の誘電材料については、ＥＰＤＭにより海相が、ＸＨ−ＮＢＲおよびシリカにより島相が形成されていた。実施例４の誘電材料においては、シリカは、島相（ＸＨ−ＮＢＲ）側に選択的に取り込まれていた。

実施例１と比較例１とを比較すると、実施例１において、比誘電率は若干小さくなったものの、体積抵抗率は大きくなった。また、比較例２と比較すると、比誘電率および体積抵抗率のいずれも大きくなった。その結果、実施例１については、絶縁破壊強度が大きくなり、最大発生力も大きくなった。

実施例２、３は、海相にシリカが含有されている。したがって、実施例１と比較して、体積抵抗率が大きくなった。その結果、絶縁破壊強度が大きくなった。これにより、最大発生力が大幅に増加し、４０Ｖ／μｍ、６０Ｖ／μｍという実用的な電界強度においても、大きな力が得られた。また、引張強さも大きくなった。

実施例４は、海相がＥＰＤＭからなる。このため、体積抵抗率は大きい。また、比較例３と比較して、誘電率が大きくなった。その分、絶縁破壊強度は小さくなったが、実用的な電界強度における発生力は増加した。

以上より、本発明の誘電材料によると、発生力の大きなトランスデューサ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１０：誘電膜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：誘電膜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：誘電膜３１ａ、３１ｂ：電極
３２ａ〜３２ｃ：配線
５：アクチュエータ５０：誘電膜５１ａ、５１ｂ：電極５２：上側チャック
５３：下側チャック
１００：誘電材料１０１：海相１０２：島相

Claims

海相中に島相が分散されてなる海島構造を有し、
前記島相は、エラストマーを含み比誘電率が１５以上の高誘電材料からなり、
前記海相は、シリカ、酸化チタン、チタン酸バリウム、炭酸カルシウム、クレー、焼成クレー、タルクから選ばれる一種以上の無機フィラーと、該無機フィラーと反応可能な官能基を有するエラストマーと、を含み（但し、カーボンブラックは含まない）、該高誘電材料よりも大きな体積抵抗率を有する高抵抗材料からなることを特徴とする誘電材料。
前記高抵抗材料を構成する前記エラストマーは、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、イソプレンゴム、天然ゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体から選ばれる一種以上である請求項１に記載の誘電材料。
前記高誘電材料を構成する前記エラストマーは、ヒドリンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴムから選ばれる一種以上である請求項１または請求項２に記載の誘電材料。
前記高誘電材料は、前記エラストマーに加えて、さらにイオン導電剤を含む請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の誘電材料。
前記イオン導電剤は、第四級アンモニウムイオン、イミダゾリウムイオン、ピリジニウムイオン、ピロリジニウムイオン、および第四級ホスホニウムイオンから選ばれるカチオンと、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、および過塩素酸イオンから選ばれるアニオンと、を有する化合物である請求項４に記載の誘電材料。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の誘電材料からなる誘電膜と、
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トランスデューサ。
複数の前記電極間に印加された電圧に応じて、前記誘電膜が伸縮するアクチュエータである請求項６に記載のトランスデューサ。