JP5558876B2 - 誘電膜、およびその製造方法、並びにそれを用いたトランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ、センサ等のトランスデューサに好適な誘電膜、およびその製造方法、並びに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、シリコーンゴム、アクリルゴム、ニトリルゴム、ウレタンゴム等が用いられている（例えば、特許文献１、２参照）。

特表２００３−５０５８６５号公報 特表２００１−５２４２７８号公報 特許第３２９５０２３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ため、電気抵抗が大きい。このため、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、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。つまり、比誘電率が小さい。このため、ポリジメチルシロキサン系のシリコーンゴム製の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、充分な力および変位量を得ることができない。

一方、比誘電率の大きな誘電膜を用いてアクチュエータを構成した場合には、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。このため、印加電圧に対する静電引力が大きくなる。例えば、公知のアクリルゴムやニトリルゴムの比誘電率は、シリコーンゴムと比較して大きい。よって、これらは、誘電膜に好適である。しかしながら、アク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、アクリルゴム等を誘電膜として用いた場合には、印加電圧が大きくなると電流が誘電膜中を流れてしまい、電荷が溜まりにくい。したがって、比誘電率が大きいにも関わらず、静電引力が小さくなり、充分な力および変位量を得ることができない。また、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、電気抵抗が小さいため、誘電膜が絶縁破壊しやすいという問題もある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、電気抵抗が大きく、耐久性に優れた誘電膜、およびその製造方法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、変位量が大きく、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、有機金属化合物と、該有機金属化合物と反応可能な官能基を有し、ポリジメチルシロキサン以外のゴムポリマーと、該有機金属化合物と反応可能な官能基を有する無機フィラーと、から合成された三次元架橋体からなることを特徴とする。

上記特許文献３には、ゴムポリマーと、ゴムポリマーと反応する有機官能基を持つ有機金属化合物と、が化学的に結合したセラミックス複合ゴムが開示されている。当該セラミックス複合ゴムには、三次元架橋体を構成するような無機フィラーは含まれていない。すなわち、当該セラミックス複合ゴムによると、未反応の有機金属化合物の加水分解により生成した金属酸化物が、ゴム中に分散しているにすぎない。

これに対して、本発明における三次元架橋体は、無機フィラーを有する。また、ゴムポリマーと無機フィラーとは、共に、有機金属化合物と反応可能な官能基を有する。よって、ゴムポリマーと有機金属化合物、無機フィラーと有機金属化合物は、各々、三次元架橋体の合成時に反応して、化学的に結合する。すなわち、本発明における三次元架橋体は、ゴムポリマーが有機金属化合物により架橋されていると共に、生成された架橋結合中に無機フィラーが組み込まれている構造を有する。

本発明における三次元架橋体では、無機フィラーと、有機金属化合物由来の金属酸化物と、の両方により、電子の流れが遮断される。このため、三次元架橋体の電気抵抗は大きい。すなわち、本発明の誘電膜の電気抵抗は大きい。したがって、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、電流が誘電膜中を流れにくい。このため、誘電膜中に、多くの電荷を蓄えることができる。その結果、静電引力が大きくなり、例えばアクチュエータにおいて、大きな力および変位量を得ることができる。

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、本発明の誘電膜を用いた場合には、熱により誘電膜が破壊されるおそれは少ない。加えて、本発明の誘電膜は、電気抵抗が大きいため、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。よって、本発明の誘電膜を用いると、例えばアクチュエータにおいて、より大きな力および変位量を得ることができる。

また、本発明の誘電膜には、ポリジメチルシロキサン以外のゴムポリマーを用いる。すなわち、従来から用いられているポリジメチルシロキサン系のシリコーンゴムと比較して、極性の大きな、換言すると比誘電率の大きなゴムポリマーを用いる。このため、本発明の誘電膜によると、印加電圧が比較的小さくても大きな静電引力が発生する。よって、本発明の誘電膜を用いると、例えばアクチュエータにおいて、所望の力および変位量を得やすい。

（２）また、上記本発明の誘電膜の製造に好適な、本発明の誘電膜の製造方法は、前記ゴムポリマーが溶解可能であり、かつ、前記有機金属化合物をキレート化できる溶剤中に、該ゴムポリマーと、前記無機フィラーと、必要に応じて前記可塑剤と、が含有されている第一溶液を調製する第一溶液調製工程と、該第一溶液に、該有機金属化合物を混合して第二溶液を調製する第二溶液調製工程と、該第二溶液から該溶剤を除去して、架橋反応を進行させる架橋工程と、を有する。

有機金属化合物は、水と反応して加水分解すると共に、脱水反応あるいは脱アルコール反応により重縮合して（ゾルゲル反応）、三次元架橋体を形成する。一般に、有機金属化合物は、水との反応性が高く、取扱いが難しい。この点、本発明の製造方法によると、有機金属化合物をキレート化することにより、水との急激な反応を抑制することができる。すなわち、本発明の製造方法において、溶剤は、ゴムポリマーを溶解させ、無機フィラーを分散させると共に、キレート剤としての役割を果たす。

第二溶液調製工程において、ゴムポリマーが溶解し、無機フィラーが分散している第一溶液に、有機金属化合物が混合されると、溶剤中で有機金属化合物がキレート化される。これにより、有機金属化合物の加水分解が抑制される。その後、架橋工程において、溶剤を除去する。つまり、キレート剤を除去する。すると、有機金属化合物の脱アルコール反応が促進され、重縮合による架橋反応が進行する。

このように、本発明の製造方法によると、有機金属化合物の反応速度を遅くすることができるため、均質な誘電膜を得ることができる。また、溶剤は、ゴムポリマーを溶解させ、無機フィラーを分散させる溶媒としての役割と、キレート剤としての役割と、の両方を果たす。このため、溶媒とキレート剤とを別々に準備する必要がない。よって、製造工程が簡略化され、実用的である。また、第一溶液調製工程において、ゴムポリマーが溶解し、無機フィラーが分散した第一溶液を、予め準備しておく。これにより、第二溶液中での無機フィラーの分散性が向上し、均質な誘電膜を得ることができる。なお、可塑剤は、必要に応じて配合される。すなわち、第一溶液において、可塑剤は、含有されていても、含有されていなくてもよい。

（３）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。

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。上述したように、本発明の誘電膜の電気抵抗は大きい。よって、誘電膜中に、多くの電荷を蓄えることができる。このため、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と、大きな力および変位量を得ることができる。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。このため、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。 実験装置に取り付けられたアクチュエータの正面図である。 図４のＶ−Ｖ方向断面図である。

以下、本発明の誘電膜、その製造方法、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、その製造方法、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、有機金属化合物と、該有機金属化合物と反応可能な官能基を有し、ポリジメチルシロキサン以外のゴムポリマーと、該有機金属化合物と反応可能な官能基を有する無機フィラーと、から合成された三次元架橋体からなる。

（１）有機金属化合物
有機金属化合物の種類は、特に限定されるものではない。有機金属化合物は、液体でも固体でもよい。有機金属化合物としては、金属アルコキシド化合物、金属アシレート化合物、および金属キレート化合物が挙げられる。これらから選ばれる一種を単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。有機金属化合物は、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ケイ素、ホウ素、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ゲルマニウム、イットリウム、ニオブ、ランタン、セリウム、タンタル、タングステン、およびマグネシウムから選ばれる一種以上の元素を含むことが望ましい。

金属アルコキシド化合物は、例えば、次の一般式（ａ）で表される。
Ｍ（ＯＲ）_ｍ ・・・（ａ）
［式（ａ）中、Ｍは金属等の原子である。Ｒは炭素数１〜１０のアルキル基、アリール基、アルケニル基のいずれか一種以上であり、同一であっても、異なっていてもよい。ｍは金属等の原子Ｍの価数である。］
また、一分子中に、二つ以上の繰り返し単位［（ＭＯ）_ｎ；ｎは２以上の整数］を有する多量体であってもよい。ｎの数を変更することにより、ゴムポリマーとの相溶性や、反応速度等を調整することができる。このため、ゴムポリマーの種類に応じて、適宜好適な多量体を選択するとよい。

金属等の原子Ｍとしては、例えば、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ケイ素、鉄、銅、錫、バリウム、ストロンチウム、ハフニウム、ホウ素等が挙げられる。なかでも反応性が良好であるという理由から、チタン、ジルコニウム、アルミニウムから選ばれる一種以上を含むものが望ましい。具体的には、テトラｎ−ブトキシチタン、テトラｎ−ブトキシジルコニウム、テトラｎ−ブトキシシラン、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート、テトラｉ−プロポキシチタン、テトラエトキシシラン、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタン、チタンブトキシドダイマー等が好適である。

また、金属アシレート化合物としては、ポリヒドロキシチタンステアレート、ジルコニウムトリブトキシモノステアレート等が挙げられる。

また、金属キレート化合物としては、チタン−ジイソプロポキシ−ビス（アセチルアセトネート）、チタン−テトラアセチルアセトネート、チタン−ジオクチロキシ−ビス（オクチレングリコレート）、チタン−ジイソプロポキシ−ビス（エチルアセトアセテート）、チタン−ジイソプロポキシ−ビス（トリエタノールアミネート）、チタン−ジブトキシ−ビス（トリエタノールアミネート）等のチタンキレート化合物、ジルコニウムテトラアセチルアセトネート、ジルコニウムトリブトキシモノアセチルアセトネート、ジルコニウムモノブトキシアセチルアセトネート−ビス（エチルアセトアセテート）、ジルコニウムジブトキシ−ビス（エチルアセトアセテート）等のジルコニウムキレート化合物等が挙げられる。

（２）ゴムポリマー
ゴムポリマーは、ポリジメチルシロキサン以外であって、有機金属化合物と反応可能な官能基を有する。ゴムポリマーは、液体でも固体でもよい。有機金属化合物と反応可能な官能基としては、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、ヒドロキシ基（−ＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ）、アミド（−ＣＯＮＲ_１Ｒ_２）、エポキシ基、チオール（−ＳＨ）、エステル（Ｒ_３Ｃ（＝Ｏ）ＯＲ_４）等が挙げられる。ゴムポリマーは、これらの官能基の一種以上を有することが望ましい。

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、つまり比誘電率が大きいゴム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１００Ｈｚ）のものが好適である。比誘電率が大きいゴムポリマーとしては、例えば、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、アクリルゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコーンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、塩素化ポリエチレン等が挙げられる。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ることが望ましい。また、大きな電圧を印加した場合に絶縁破壊しにくい点、および耐候性の点から、主鎖が不飽和のゴムポリマーが望ましい。

（３）無機フィラー
無機フィラーは、有機金属化合物と反応可能な官能基を有する。有機金属化合物と反応可能な官能基としては、ゴムポリマーの場合と同様に、ヒドロキシ基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ）、アミド（−ＣＯＮＲ_１Ｒ_２）、エポキシ基、チオール（−ＳＨ）、エステル（Ｒ_３Ｃ（＝Ｏ）ＯＲ_４）等が挙げられる。無機フィラーは、これらの官能基の一種以上を有することが望ましい。また、無機フィラーに表面処理を施して、官能基の数を増加させてもよい。こうすることにより、無機フィラーと金属アルコキシドとの反応性が向上する。

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、タルク等が挙げられる。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。

無機フィラー中に残存するイオン性の不純物は、誘電膜の電気抵抗を低下させるおそれがある。したがって、無機フィラーとしては、できるだけイオン性の不純物が少ないものを用いることが望ましい。例えば、シリカの場合には、製造方法により、原料由来のナトリウムが残存することがある。ナトリウムの残存量が多いと、ナトリウムイオンにより電気抵抗が低下するおそれがある。ここで、ナトリウムの残存量は、シリカのｐＨ値と相関がある。すなわち、ナトリウムの残存量が多いと、ｐＨ値が大きくなる傾向にある。このため、シリカを用いる場合には、できるだけｐＨ値が小さいものを選択することが望ましい。例えば、ｐＨ値が１０．５以下であるとよい。ｐＨ値が８．５以下、さらには、６．５以下であると好適である。本明細書では、シリカのｐＨ値として、次の測定方法により測定された値を採用する。まず、シリカを水に分散させて、シリカ濃度が４質量％の分散液を調製する。次に、分散液を充分に攪拌して、分散液のｐＨ値をｐＨメータにより測定する。

（４）その他の添加剤
本発明における三次元架橋体を合成する際には、上記有機金属化合物、ゴムポリマー、および無機フィラーに加えて、触媒、補強剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等を適宜配合してもよい。例えば、可塑剤を配合することにより、合成される三次元架橋体、すなわち、本発明の誘電膜の柔軟性を向上させることができる。これにより、本発明の誘電膜は、伸縮しやすくなる。したがって、可塑剤を配合した場合には、例えばアクチュエータにおいて、より大きな力および変位量を得ることができる。

配合する可塑剤としては、誘電膜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、トリスｎ−オクチルトリメリテート、トリスイソノニルトリメリテート、トリスイソデシルトリメリテート、ジペンタエリスリトールエステル、ピロメリット酸オクチルエステル等が好適である。

＜誘電膜の製造方法＞
本発明の誘電膜の製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、次の（１）または（２）の方法により製造することができる。
（１）第一の方法としては、ゴムポリマー、無機フィラー、および有機金属化合物を、ロールや混練機により混練りして（混練り工程）、所定の条件下で薄膜状に成形する（成膜工程）。
（２）第二の方法としては、まず、所定の溶剤中に、ゴムポリマーと無機フィラーとが含有されている第一溶液を調製する（第一溶液調製工程）。次いで、第一溶液に、有機金属化合物をそのまま、あるいは所定の溶剤に溶解した状態で混合して、第二溶液を調製する（第二溶液調製工程）。その後、第二溶液を基材上に塗布し、所定の条件下で乾燥させる（成膜工程）。

上記第二の方法では、ゴムポリマーおよび無機フィラーを、予めロールや混練機により混練りした状態で溶剤に添加して、第一溶液を調製することができる。ゴムポリマーおよび無機フィラーを予め混練りしておくことにより、無機フィラーの分散性が向上する。一方、ゴムポリマーを溶剤に溶解させた溶液と、無機フィラーを溶剤に分散させた分散液と、を混合して、第一溶液を調製してもよい。

また、有機金属化合物を所定の溶剤に溶解した状態で混合する場合には、当該溶剤と、第一溶液の調製に用いる溶剤と、は同一であっても異なっていてもよい。また、第一の方法では、混練り工程において、必要に応じて触媒、補強剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等を添加してもよい。また、第二の方法では、第一溶液調製工程や第二溶液調製工程において、必要に応じて触媒、補強剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等を添加してもよい。

有機金属化合物の配合割合は、ゴムポリマー１００質量部に対して、０．５質量部以上４０質量部以下とすることが望ましい。０．５質量部未満であると、架橋が充分ではなく、三次元架橋体が生成しにくい。１．５質量部以上が好適である。反対に、４０質量部を超えると、架橋が進行し過ぎて誘電膜が硬くなり、誘電膜の柔軟性が損なわれるおそれがある。３０質量部以下が好適である。

無機フィラーの配合割合は、ゴムポリマー１００質量部に対して、１質量部以上４０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、電子の流れを充分に遮断することができず、電気抵抗を大きくする効果が小さい。５質量部以上が好適である。反対に、４０質量部を超えると、誘電膜が硬くなり、誘電膜の柔軟性が損なわれるおそれがある。３０質量部以下が好適である。

また、可塑剤を配合する場合には、その配合割合は、ゴムポリマーと有機金属化合物との合計１００質量部に対して、１質量部以上２００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、柔軟性の向上効果が小さい。５質量部以上がより好適である。反対に、２００質量部を超えると、ゴム成分との相溶性が低下して、ブリードが生じるおそれがある。１５０質量部以下がより好適である。

有機金属化合物は、空気中や、反応系（ゴムポリマー、溶液）中の水分と反応し、加水分解して重縮合する（ゾルゲル反応）。したがって、水との急激な反応を抑制し、均質な膜を形成するためには、有機金属化合物をキレート剤によりキレート化して用いることが望ましい。なかでも、金属アルコキシド化合物の反応性は高い。このため、金属アルコキシド化合物については、キレート化して用いることが望ましい。一方、金属アシレート化合物については、金属アルコキシド化合物と比較して、反応性はそれほど高くない。したがって、キレート化の必要性は小さい。

有機金属化合物をキレート化して用いる場合には、例えば、次の方法を採用するとよい。まず、所定の溶剤中に、ゴムポリマーと無機フィラーとが含有されている第一溶液を調製する（第一溶液調製工程）。次いで、第一溶液に、キレート化された有機金属化合物を混合して、第二溶液を調製する（第二溶液調製工程）。その後、第二溶液を基材上に塗布し、所定の条件下で乾燥させると共に、キレート剤を除去して架橋反応を進行させる（架橋工程）。これにより、薄膜状の誘電膜が製造される。

キレート剤としては、例えば、アセチルアセトン、ベンゾイルアセトン、ジベンゾイルメタン等のβ−ジケトン、アセト酢酸エチル、ベンゾイル酢酸エチル等のβ−ケト酸エステル、トリエタノールアミン、乳酸、２-エチルヘキサンー１，３ジオール、１,３へキサンジオール等が挙げられる。使用するキレート剤の量は、有機金属化合物１００質量部に対して、１０質量部以上１０００００質量部以下とすることが望ましい。１０質量部未満であると、充分にキレート化することができない。５０質量部以上が好適である。反対に、１０００００質量部を超えると、除去しにくくなる。このため、例えば、乾燥が過剰に必要となる。８０００質量部以下が好適である。

例えば、キレート剤がゴムポリマーを溶解可能な場合には、キレート剤をゴムポリマーを溶解させる溶媒として使用することも可能である。この場合、例えば、次の方法を採用するとよい。まず、ゴムポリマーが溶解可能であり、かつ、有機金属化合物をキレート化できる溶剤中に、ゴムポリマーと無機フィラーとが含有されている第一溶液を調製する（第一溶液調製工程）。次いで、第一溶液に、有機金属化合物を混合して、第二溶液を調製する（第二溶液調製工程）。その後、第二溶液から溶剤を除去して、架橋反応を進行させる（架橋工程）。

溶剤は、すべてがキレート剤であっても、キレート剤とそれ以外の溶剤との混合物であってもよい。架橋工程では、第二溶液を基材上に塗布し、乾燥させればよい。これにより、薄膜状の誘電膜が製造される。架橋工程の温度は、反応速度等を考慮して、溶剤の種類に応じて適宜決定すればよい。例えば、常温でもよいが、溶剤の沸点以上とすることが望ましい。また、有機金属化合物をキレート化して用いる場合でも、上記第一溶液調製工程や第二溶液調製工程において、必要に応じて触媒、補強剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等を添加することができる。一例として可塑剤を添加する場合には、誘電膜の製造方法を、次の三工程から構成することができる。まず、ゴムポリマーが溶解可能であり、かつ、有機金属化合物をキレート化できる溶剤中に、ゴムポリマーと、無機フィラーと、可塑剤と、が含有されている第一溶液を調製する（第一溶液調製工程）。次いで、第一溶液に、有機金属化合物を混合して、第二溶液を調製する（第二溶液調製工程）。その後、第二溶液から溶剤を除去して、架橋反応を進行させる（架橋工程）。

＜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、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、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタン（金属アルコキシド化合物）と、カルボキシル基を有する水素化ニトリルゴム（ゴムポリマー）と、シリカ（無機フィラー）と、から合成された三次元架橋体（本発明の誘電膜）である。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の電気抵抗は大きい。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中に、多くの電荷を蓄えることができる。その結果、大きな静電引力が生じて、大きな力および変位量を得ることができる。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。このように、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の絶縁破壊強度が向上する。よって、より大きな電圧を印加することができるため、力および変位量が大きくなる。

［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、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタン（金属アルコキシド化合物）と、カルボキシル基を有する水素化ニトリルゴム（ゴムポリマー）と、シリカ（無機フィラー）と、から合成された三次元架橋体（本発明の誘電膜）である。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の電気抵抗は大きい。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、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、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタン（金属アルコキシド化合物）と、カルボキシル基を有する水素化ニトリルゴム（ゴムポリマー）と、シリカ（無機フィラー）と、から合成された三次元架橋体（本発明の誘電膜）である。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の電気抵抗は大きい。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、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＞
［実施例１〜１０の誘電膜］
下記の表１に示す原料から、実施例１〜１０の誘電膜を製造した。まず、カルボキシル基含有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、所定のシリカと、をロール練り機にて混練りし、ゴム組成物を調製した。次に、調製したゴム組成物を、アセチルアセトンに溶解した。続いて、この溶液に、有機金属化合物のテトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンを添加して、混合した。ここで、アセチルアセトンは、カルボキシル基含有水素化ニトリルゴム（ゴムポリマー）を溶解させる溶媒であると共に、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタン（金属アルコキシド化合物）のキレート剤である。その後、混合溶液を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で約６０分間加熱して誘電膜を得た。誘電膜の膜厚は、いずれも約４０μｍとした。

［参考例１、２の誘電膜］
下記の表１に示す原料から、参考例１、２の誘電膜を製造した。実施例１〜１０の誘電膜と参考例の誘電膜との相違点は、シリカ配合の有無である。まず、カルボキシル基含有水素化ニトリルゴム（同上）を、アセチルアセトンに溶解した。続いて、この溶液に、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンを添加して、混合した。次に、混合溶液を、基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で約６０分間加熱して誘電膜を得た。誘電膜の膜厚は、いずれも約４０μｍとした。

［実施例１１〜１６の誘電膜］
無機フィラーの種類を変更した以外は、実施例１〜１０の誘電膜と同様にして、下記の表２に示す原料から、実施例１１〜１６の誘電膜を製造した。誘電膜の膜厚は、いずれも約４０μｍとした。

［実施例１７〜２１の誘電膜］
可塑剤を配合した以外は、実施例１〜１０の誘電膜と同様にして、下記の表３に示す原料から、実施例１７〜２１の誘電膜を製造した。まず、カルボキシル基含有水素化ニトリルゴム（同上）と、後述するシリカ（ｂ）と、をロール練り機にて混練りし、ゴム組成物を調製した。次に、調製したゴム組成物を、アセチルアセトンに溶解した。続いて、この溶液に、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンと、所定の可塑剤と、を添加して、混合した。その後、混合溶液を、基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で約６０分間加熱して誘電膜を得た。誘電膜の膜厚は、いずれも約４０μｍとした。

［実施例２２〜２５の誘電膜］
有機金属化合物の種類を変更した以外は、実施例１〜１０の誘電膜と同様にして、下記の表４に示す原料から、実施例２２〜２５の誘電膜を製造した。誘電膜の膜厚は、いずれも約４０μｍとした。

［比較例１、２の誘電膜］
下記の表５に示す原料から、比較例１、２の誘電膜を製造した。まず、所定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、１７５℃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５０μｍとした。

表１〜表５に、使用した原料の種類および配合量を示す。表１、表３、表４中、シリカについては、以下のものを使用した。
シリカ（ａ）：東ソー・シリカ（株）製湿式シリカ「Ｎｉｐｓｉｌ（登録商標）ＶＮ３」、ｐＨ５．５〜６．５、比表面積２４０ｍ^２／ｇ
シリカ（ｂ）：日本アエロジル（株）製乾式シリカ「Ａｅｒｏｓｉｌ（登録商標）３８０」、ｐＨ３．７〜４．７、比表面積３８０ｍ^２／ｇ
シリカ（ｃ）：東ソー・シリカ（株）製湿式シリカ「Ｎｉｐｓｉｌ ＥＲ」、ｐＨ７〜８．５、比表面積１２０ｍ^２／ｇ
また、表５中、各原料については、以下のものを使用した。
シリコーンゴム：「ＤＭＳ−Ｖ３１」（Ｇｅｌｅｓｔ社製）
ニトリルゴム：「ニポール（登録商標）１０４２」（日本ゼオン（株）製）
メチルＨシロキサン：「ＴＳＦ４８４」（ＧＥ東芝シリコーン（株）製）
遅延剤：「サーフィノール（登録商標）６１」（日信化学工業（株）製）
白金触媒：「ＳＩＰ６８３０．０」（Ｇｅｌｅｓｔ社製）
加硫助剤：酸化亜鉛二種（三井金属（株）製）
ステアリン酸：「ルナック（登録商標）Ｓ３０」（花王（株）製）
テトラエチルチウラムジスルフィド：「サンセラー（登録商標）ＴＥＴ−Ｇ」（三新化学工業（株）製）
Ｎ−シクロヘキシル−２−ベンゾチアジルスルフェンアミド：「サンセラーＣＺ−Ｇ」（三新化学工業（株）製）
硫黄：「サルファックスＴ−１０」（鶴見化学工業（株）製）

＜誘電膜の電気抵抗測定＞
実施例、参考例、および比較例の各誘電膜の電気抵抗を、ＪＩＳ Ｋ ６９１１（１９９５）に準じて測定した。測定結果を上記表１〜表５にまとめて示す。表１〜表４に示すように、実施例の誘電膜は、いずれも大きな電気抵抗を有している。つまり、高い絶縁性が維持されている。例えば、表１中、金属アルコキシド化合物の配合量が同じもの同士で比較すると、実施例１は参考例１に対して、実施例２〜５、８、１０は参考例２に対して、電気抵抗が大きくなった。すなわち、シリカ（無機フィラー）を含む実施例の誘電膜では、それを含まない参考例の誘電膜と比較して、電気抵抗が大きくなることが確認された。同様に、金属アルコキシド化合物の配合量が同じである、表２の実施例１１〜１６と参考例２とを比較すると、実施例１１〜１６は参考例２に対して、電気抵抗が大きくなった。すなわち、無機フィラーの種類に関わらず、無機フィラーを含む実施例の誘電膜では、それを含まない参考例の誘電膜と比較して、電気抵抗が大きくなることが確認された。また、可塑剤を配合した実施例１７〜２１についても、電気抵抗は大きかった。なお、表５に示すように、従来のシリコーンゴムを使用した誘電膜（比較例１）の電気抵抗は大きく、ニトリルゴムを使用した誘電膜（比較例２）の電気抵抗は小さいことがわかる。

次に、シリカのｐＨ値と電気抵抗との関係を検討する。例えば、実施例３、８、１０を比較すると、実施例１０→実施例３→実施例８の順に、電気抵抗が大きくなっていることがわかる。この傾向は、シリカのｐＨ値の低下と一致する。すなわち、各々の実施例におけるシリカのｐＨ値は、実施例１０→実施例３→実施例８の順に小さくなっている。つまり、シリカのｐＨ値が小さいほど（シリカが酸性に傾くほど）、電気抵抗は大きくなった。

次に、シリカの配合量と電気抵抗の関係を検討する。例えば、実施例２〜４を比較すると、シリカの配合量が増加するに従って（実施例２→実施例３→実施例４）、電気抵抗は大きくなった。なお、シリカの配合量が最も多い実施例５（３０質量部）においては、実施例４（２０質量部）および実施例３（１０質量部）ほど、電気抵抗の増加は見られなかった。これは、シリカの配合による絶縁効果が飽和したためと考えられる。

＜アクチュエータの評価＞
次に、実施例、参考例、および比較例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発生応力および最大電界強度を測定した。まず、実験装置および実験方法について説明する。

実施例、参考例、および比較例の各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各々貼着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、「実施例のアクチュエータ」等と称す。図４に、実験装置に取り付けられたアクチュエータの正面図を示す。図５に、図４のＶ−Ｖ方向断面図を示す。

図４、図５に示すように、アクチュエータ５の上端は、実験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。誘電膜５０は、自然状態で、縦５０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ約４０μｍの長方形の薄膜状を呈している。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の長方形の薄膜状を呈している。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。電圧印加前後において減少した延伸力を、ロードセルにより測定して、発生応力とした。発生応力の測定は、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応力を、最大発生応力とした。また、その時の電圧値を誘電膜５０の膜厚で除した値を、最大電界強度とした。上記表１〜表５に、実施例、参考例、および比較例の各アクチュエータにおける最大発生応力および最大電界強度の測定結果を、まとめて示す。

表１〜表４に示すように、実施例のアクチュエータの最大発生応力は、比較例のアクチュエータの最大発生応力と比較して、大きくなった。また、シリコーンゴム製の誘電膜を使用した比較例１のアクチュエータについては、最大電界強度が非常に大きいにも関わらず、発生応力は小さいことがわかる。また、表１中、金属アルコキシド化合物の配合量が同じもの同士で比較すると、実施例１は参考例１に対して、実施例２〜５、８、１０は参考例２に対して、最大発生応力が大きくなった。同様に、金属アルコキシド化合物の配合量が同じである、表２の実施例１１〜１６と参考例２とを比較すると、実施例１１〜１６は参考例２に対して、最大発生応力が大きくなった。また、可塑剤を配合した実施例１７〜２１についても、最大発生応力は大きかった。

上述したように、実施例の誘電膜の電気抵抗は大きい。このため、実施例のアクチュエータは、誘電膜中に、多くの電荷を蓄えることができる。また、誘電膜の耐絶縁破壊性は高く、ジュール熱による破壊も抑制される。このため、実施例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る。このような理由から、実施例のアクチュエータは、大きな力を出力できたと考えられる。

また、上述したように、実施例３、８、１０を比較すると、シリカのｐＨ値が小さいほど、電気抵抗が大きくなる傾向が見られた。最大発生応力および最大電界強度についても、電気抵抗の傾向と同様に、実施例１０→実施例３→実施例８の順に大きくなった。

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
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

Claims (8)

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、
   有機金属化合物と、
   該有機金属化合物と反応可能なカルボキシル基を有する水素化ニトリルゴムのゴムポリマーと、
   該有機金属化合物と反応可能な官能基を有する無機フィラーと、
   から合成された三次元架橋体からなることを特徴とする誘電膜。
2. 前記有機金属化合物は、金属アルコキシド化合物、金属アシレート化合物、および金属キレート化合物から選ばれる一種以上である請求項１に記載の誘電膜。
3. 前記無機フィラーは、シリカである請求項１または請求項２に記載の誘電膜。
4. 前記シリカのｐＨは、８．５以下である請求項３に記載の誘電膜。
5. 前記有機金属化合物は、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ケイ素、ホウ素、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ゲルマニウム、イットリウム、ニオブ、ランタン、セリウム、タンタル、タングステン、およびマグネシウムから選ばれる一種以上の元素を含む請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の誘電膜。
6. 前記三次元架橋体は、前記有機金属化合物、前記ゴムポリマー、および前記無機フィラーに加えて、さらに可塑剤を含む組成物から合成されている請求項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の製造方法であって、
   前記ゴムポリマーが溶解可能であり、かつ、前記有機金属化合物をキレート化できる溶剤中に、該ゴムポリマーと、前記無機フィラーと、必要に応じて前記可塑剤と、が含有されている第一溶液を調製する第一溶液調製工程と、
   該第一溶液に、該有機金属化合物を混合して第二溶液を調製する第二溶液調製工程と、
   該第二溶液から該溶剤を除去して、架橋反応を進行させる架橋工程と、
   を有する誘電膜の製造方法。
8. 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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