JP5916270B2 - Dielectric film and transducer using the same - Google Patents

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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、およびそれを用いたトランスデューサに関する。   The present invention relates to a dielectric film suitable for a transducer such as an actuator or a sensor, and a transducer using the dielectric film.

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。   Examples of the transducer include an actuator that converts mechanical energy and electric energy, a sensor, a power generation element, and the like, or a speaker that converts acoustic energy and electric energy, a microphone, and the like. Polymer materials such as dielectric elastomers are useful for constructing a highly flexible, small and lightweight transducer.

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。   For example, an actuator can be configured by arranging a pair of electrodes on both sides in the thickness direction of a dielectric film made of a dielectric elastomer. In this type of actuator, increasing the voltage applied between the electrodes increases the electrostatic attractive force between the electrodes. For this reason, the dielectric film sandwiched between the electrodes is compressed in the thickness direction, and the thickness of the dielectric film is reduced. As the film thickness decreases, the dielectric film extends in a direction parallel to the electrode surface. On the other hand, when the applied voltage between the electrodes is reduced, the electrostatic attractive force between the electrodes is reduced. For this reason, the compressive force from the thickness direction to the dielectric film is reduced, and the film thickness is increased by the elastic restoring force of the dielectric film. As the film thickness increases, the dielectric film shrinks in the direction parallel to the electrode surface. Thus, the actuator drives the member to be driven by extending and contracting the dielectric film.

アクチュエータの誘電膜としては、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム等が用いられている。また、アクチュエータとしては、印加電圧に対する誘電膜の変位量(伸縮量)が大きい方が望ましい。例えば、誘電膜の比誘電率が高いほど、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。これにより、誘電膜、つまりアクチュエータの変位量を大きくすることができる。このような観点から、チタン酸バリウム等の高誘電率の微粒子を、上記エラストマー中に配合する試みもなされている(例えば、特許文献1、2参照)。   As the dielectric film of the actuator, acrylic rubber, silicone rubber, fluorine rubber, nitrile rubber or the like is used. Further, it is desirable that the actuator has a larger displacement amount (expansion / contraction amount) of the dielectric film with respect to the applied voltage. For example, the higher the relative dielectric constant of the dielectric film, the more charge can be stored at the interface between the dielectric film and the electrode. Thereby, the displacement amount of the dielectric film, that is, the actuator can be increased. From such a viewpoint, attempts have been made to blend fine particles having a high dielectric constant such as barium titanate into the elastomer (for example, see Patent Documents 1 and 2).

特表2003−505865号公報Special table 2003-505865 gazette 特開2008−53527号公報JP 2008-53527 A

上記アクリルゴム等からなる従来の誘電膜を用いたアクチュエータにおいて、変位量は充分とはいえない。すなわち、シリコーンゴム等の比誘電率が低い材料を用いた場合には、印加電圧に対する静電引力が小さい。よって、電圧印加時の応答性が悪い。つまり、変位量が小さい。一方、ニトリルゴムの比誘電率は、比較的高い。このため、ニトリルゴムを用いると、印加電圧に対する静電引力は、シリコーンゴム等を用いた場合と比較して大きくなる。しかしながら、ニトリルゴムからなる誘電膜を用いた場合でも、その変位量は、まだ満足できるレベルではない。また、ニトリルゴムからなる誘電膜は、柔軟性に乏しい。したがって、電圧印加時に大きな静電引力が発生しても、誘電膜が伸長しにくい。つまり、誘電膜の柔軟性が低いと、発生した静電引力が変位に置換されにくい。このように、誘電膜における比誘電率および柔軟性の低さが、アクチュエータにおいて充分な変位量を得られない一因となっている。   In an actuator using a conventional dielectric film made of acrylic rubber or the like, the amount of displacement is not sufficient. That is, when a material having a low relative dielectric constant such as silicone rubber is used, the electrostatic attractive force with respect to the applied voltage is small. Therefore, the responsiveness at the time of voltage application is bad. That is, the amount of displacement is small. On the other hand, the relative dielectric constant of nitrile rubber is relatively high. For this reason, when nitrile rubber is used, the electrostatic attraction with respect to the applied voltage becomes larger than when silicone rubber or the like is used. However, even when a dielectric film made of nitrile rubber is used, the amount of displacement is not yet satisfactory. Moreover, a dielectric film made of nitrile rubber is poor in flexibility. Therefore, even if a large electrostatic attraction occurs when a voltage is applied, the dielectric film is difficult to expand. That is, if the dielectric film has low flexibility, the generated electrostatic attractive force is difficult to be replaced by displacement. As described above, the relative permittivity and low flexibility of the dielectric film contribute to the inability to obtain a sufficient amount of displacement in the actuator.

さらに、エラストマー中に高誘電率の微粒子を配合させた場合には、誘電膜の柔軟性を維持することが難しくなる。すなわち、高誘電率の微粒子を配合することにより、誘電膜の比誘電率は向上するものの、エラストマーの弾性率が高くなり、伸びが小さくなる。つまり、エラストマーが本来有している柔軟性が損なわれてしまう。これにより、印加電圧に対する誘電膜の伸縮が阻害されるおそれがある。   Furthermore, when the high dielectric constant fine particles are blended in the elastomer, it is difficult to maintain the flexibility of the dielectric film. That is, by blending fine particles having a high dielectric constant, the dielectric constant of the dielectric film is improved, but the elastic modulus of the elastomer is increased and the elongation is reduced. That is, the inherent flexibility of the elastomer is impaired. As a result, expansion and contraction of the dielectric film with respect to the applied voltage may be hindered.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、比誘電率が高く、柔軟な誘電膜を提供することを課題とする。また、当該誘電膜を用いて、変位量の大きなトランスデューサを提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a flexible dielectric film having a high relative dielectric constant. It is another object of the present invention to provide a transducer having a large displacement amount using the dielectric film.

(1)上記課題を解決するため、本発明の誘電膜は、分子中にヘテロ原子を有するエラストマーと、分子中にヘテロ原子を有し該エラストマーと相溶な高誘電率液状化合物と、を含むエラストマー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)。   (1) In order to solve the above problems, the dielectric film of the present invention includes an elastomer having a hetero atom in the molecule, and a high dielectric constant liquid compound having a hetero atom in the molecule and compatible with the elastomer. The elastomer composition is crosslinked (corresponding to claim 1).

「ヘテロ原子」とは、炭素原子(C)および水素原子(H)以外の原子である。本発明の誘電膜を構成するエラストマーおよび高誘電率液状化合物は、いずれも分子中にヘテロ原子を含む。ヘテロ原子を含むことで、C、Hのみからなる場合と比較して分極が発生しやすい。このため、当該エラストマーおよび高誘電率液状化合物の比誘電率は、各々、ヘテロ原子を含まないものと比較して、高くなる。本発明の誘電膜は、これらを含むエラストマー組成物を架橋してなる。したがって、本発明の誘電膜の比誘電率は高い。   A “heteroatom” is an atom other than a carbon atom (C) and a hydrogen atom (H). Both the elastomer and the high dielectric constant liquid compound constituting the dielectric film of the present invention contain heteroatoms in the molecule. By including a heteroatom, polarization is likely to occur as compared with the case of only C and H. For this reason, the relative dielectric constants of the elastomer and the liquid compound having a high dielectric constant are higher than those having no hetero atom. The dielectric film of the present invention is formed by crosslinking an elastomer composition containing these. Therefore, the dielectric constant of the dielectric film of the present invention is high.

また、高誘電率液状化合物は、比誘電率が高く、常温で液状を呈する化合物である。高誘電率液状化合物とエラストマーとの相溶性は良好である。このため、高誘電率の微粒子とは異なり、エラストマーに混合しても、誘電膜の柔軟性を低下させるおそれはない。このように、本発明の誘電膜は、高い比誘電率と柔軟性との両方を備えている。したがって、本発明の誘電膜は、印加電圧に対する伸縮量が大きい。   A high dielectric constant liquid compound is a compound having a high relative dielectric constant and exhibiting a liquid state at room temperature. The compatibility between the high dielectric constant liquid compound and the elastomer is good. For this reason, unlike fine particles having a high dielectric constant, there is no possibility of reducing the flexibility of the dielectric film even when mixed with an elastomer. Thus, the dielectric film of the present invention has both a high relative dielectric constant and flexibility. Therefore, the dielectric film of the present invention has a large expansion / contraction amount with respect to the applied voltage.

(2)また、本発明のトランスデューサは、分子中にヘテロ原子を有するエラストマーと、分子中にヘテロ原子を有し該エラストマーと相溶な高誘電率液状化合物と、を含むエラストマー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)。   (2) Moreover, the transducer of the present invention crosslinks an elastomer composition containing an elastomer having a hetero atom in the molecule and a high dielectric constant liquid compound having a hetero atom in the molecule and compatible with the elastomer. And a plurality of electrodes arranged via the dielectric film (corresponding to claim 8).

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。誘電膜については、上記(1)で述べた通りである。すなわち、本発明のトランスデューサにおいて、誘電膜の比誘電率は高い。よって、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。加えて、誘電膜は柔軟である。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、より低電圧で大きな変位量を得ることができる。   The transducer of the present invention includes the dielectric film of the present invention. The dielectric film is as described in (1) above. That is, in the transducer of the present invention, the dielectric film has a high relative dielectric constant. Therefore, a large amount of charge can be stored at the interface between the dielectric film and the electrode. In addition, the dielectric film is flexible. For this reason, for example, when the transducer of the present invention is used as an actuator, a large amount of displacement can be obtained at a lower voltage.

本発明によると、比誘電率が高く、柔軟な誘電膜を提供することができる。また、当該誘電膜を用いて、変位量の大きなトランスデューサを提供することができる。   According to the present invention, a flexible dielectric film having a high relative dielectric constant can be provided. In addition, a transducer with a large displacement can be provided using the dielectric film.

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。It is a cross-sectional schematic diagram of the actuator which is one Embodiment of the transducer of this invention, Comprising: (a) shows an OFF state, (b) shows an ON state, respectively. 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。It is a cross-sectional schematic diagram of the capacitive sensor which is one Embodiment of the transducer of this invention. 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。It is a cross-sectional schematic diagram of the electric power generating element which is one Embodiment of the transducer of this invention, Comprising: (a) is at the time of expansion | extension, (b) shows the time of contraction. 実施例の評価実験に使用したアクチュエータの上面図である。It is a top view of the actuator used for the evaluation experiment of an Example. 図4中のV−V断面図である。It is VV sectional drawing in FIG.

以下、本発明の誘電膜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。   Hereinafter, embodiments of the dielectric film and the transducer of the present invention will be described. The dielectric film and the transducer of the present invention are not limited to the following embodiments, and can be variously modified and improved by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention. Can be implemented.

<誘電膜>
本発明の誘電膜は、分子中にヘテロ原子を有するエラストマーと、分子中にヘテロ原子を有し該エラストマーと相溶な高誘電率液状化合物と、を含むエラストマー組成物を架橋してなる。
<Dielectric film>
The dielectric film of the present invention is formed by crosslinking an elastomer composition containing an elastomer having a hetero atom in the molecule and a high dielectric constant liquid compound having a hetero atom in the molecule and compatible with the elastomer.

エラストマーおよび高誘電率液状化合物の各々の分子に含まれるヘテロ原子は、一種であっても二種以上であってもよい。また、ヘテロ原子の種類は、エラストマーおよび高誘電率液状化合物の各々において、同じであっても、異なっていてもよい。   The hetero atom contained in each molecule of the elastomer and the high dielectric constant liquid compound may be one kind or two or more kinds. Further, the types of heteroatoms may be the same or different in each of the elastomer and the high dielectric constant liquid compound.

ヘテロ原子は、エラストマーおよび高誘電率液状化合物の比誘電率を高くするという観点から、電気陰性度の大きな原子を含むことが望ましい。電気陰性度の大きな原子は、電子吸引力(共有電子対を引き寄せる力)が大きい。このため、電気陰性度の大きな原子を含む分子は、分極しやすい。つまり、当該分子の比誘電率は高くなる。電気陰性度の大きな原子としては、例えば、フッ素(F)、塩素(Cl)等のハロゲン原子や、窒素(N)、酸素(O)等が挙げられる。   It is desirable that the hetero atom contains an atom having a large electronegativity from the viewpoint of increasing the relative dielectric constant of the elastomer and the high dielectric constant liquid compound. An atom with a high electronegativity has a large electron withdrawing force (a force to attract a shared electron pair). For this reason, a molecule containing an atom having a large electronegativity is easily polarized. That is, the relative dielectric constant of the molecule increases. Examples of atoms having a large electronegativity include halogen atoms such as fluorine (F) and chlorine (Cl), nitrogen (N), oxygen (O), and the like.

分子中にヘテロ原子を有するエラストマーとしては、電気抵抗が比較的大きいものが望ましい。なかでも、比誘電率が比較的高いものや、柔軟性を有するものが好適である。例えば、アクリルゴム、シリコーンゴム、アクリルニトリル−ブタジエン共重合体(NBR)、水素化ニトリルゴム(H−NBR)、ヒドリンゴム、クロロプレンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムから選ばれる一種以上を用いるとよい。   As the elastomer having a hetero atom in the molecule, one having a relatively large electric resistance is desirable. Of these, those having a relatively high relative dielectric constant and those having flexibility are preferred. For example, acrylic rubber, silicone rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer (NBR), hydrogenated nitrile rubber (H-NBR), hydrin rubber, chloroprene rubber, chlorinated polyethylene, chlorosulfonated polyethylene rubber, fluorine rubber, urethane rubber One or more selected may be used.

分子中にヘテロ原子を有する高誘電率液状化合物は、上記エラストマーとの相溶性を考慮して選択すればよい。相溶性の良否は、例えば、SP値(溶解度パラメータ)を指標とすることができる。すなわち、高誘電率液状化合物とエラストマーとのSP値が近い場合には、両者の相溶性は良好と考えられる。   The high dielectric constant liquid compound having a hetero atom in the molecule may be selected in consideration of compatibility with the elastomer. The compatibility can be determined using, for example, an SP value (solubility parameter) as an index. That is, when the SP values of the high dielectric constant liquid compound and the elastomer are close, the compatibility between the two is considered good.

高誘電率液状化合物の比誘電率は、20以上であることが望ましい。また、電気抵抗が比較的大きいものが望ましい。なお、高誘電率液状化合物の電気抵抗がそれほど大きくなくても、エラストマーと混合されて誘電膜を構成した場合に、高い絶縁性を維持できるものであればよい。   The relative dielectric constant of the high dielectric constant liquid compound is desirably 20 or more. Moreover, the thing with a comparatively large electrical resistance is desirable. In addition, even if the electrical resistance of the high dielectric constant liquid compound is not so large, it is sufficient if it can maintain high insulation when mixed with an elastomer to form a dielectric film.

このような高誘電率液状化合物としては、例えば塩素化パラフィン、アジピン酸エステル、スルホンアミド等が挙げられる。これらのうちの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して使用すればよい。例えば、塩素化パラフィンのように、主鎖が炭化水素からなり、側鎖に塩素原子(ヘテロ原子)を有する構造の化合物は、主鎖に由来する高絶縁性と、側鎖に由来する比誘電率の高さと、の両方を備えているため好適である。   Examples of such a high dielectric constant liquid compound include chlorinated paraffin, adipic acid ester, and sulfonamide. One of these may be used alone or in combination of two or more. For example, a compound having a structure in which the main chain is composed of hydrocarbons and has a chlorine atom (heteroatom) in the side chain, such as chlorinated paraffin, has a high insulation property derived from the main chain and a dielectric constant derived from the side chain. It is suitable because it has both high rate.

高誘電率液状化合物の配合量は、エラストマーとの相溶性に応じて適宜調整すればよい。誘電膜の比誘電率と柔軟性の向上を図るという観点から、高誘電率液状化合物の配合量を、例えば、エラストマーの100質量部に対して、5質量部以上とすることが望ましい。15質量部以上とするとより好適である。一方、エラストマーとの相溶性によっては、高誘電率液状化合物を多量に配合すると、成膜時にしわ等が生じて均質な膜が成形できないおそれがある。したがって、高誘電率液状化合物の配合量を、例えば、エラストマーの100質量部に対して、400質量部未満とすることが望ましい。300質量部以下とするとより好適である。   What is necessary is just to adjust the compounding quantity of a high dielectric constant liquid compound suitably according to compatibility with an elastomer. From the viewpoint of improving the relative dielectric constant and flexibility of the dielectric film, the blending amount of the high dielectric constant liquid compound is desirably 5 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the elastomer, for example. More preferably, it is 15 parts by mass or more. On the other hand, depending on the compatibility with the elastomer, if a high dielectric constant liquid compound is blended in a large amount, wrinkles or the like may occur during film formation, and a uniform film may not be formed. Therefore, the blending amount of the high dielectric constant liquid compound is desirably less than 400 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the elastomer, for example. More preferably, it is 300 parts by mass or less.

エラストマーと高誘電率液状化合物とを混合して、エラストマー組成物が調製される。エラストマー組成物には、必要に応じて、架橋剤、加硫促進剤、加工助剤、可塑剤、老化防止剤、補強剤、着色剤等を添加してもよい。例えば、架橋剤を添加する場合には、エラストマーの種類に応じて、硫黄、イソシアネート化合物、過酸化物等から適宜選択すればよい。また、架橋剤として、金属アルコキシド化合物を用いると、誘電膜の絶縁性の低下を抑制することができる。すなわち、金属アルコキシド化合物を用いると、架橋体(誘電膜)において、電子の流れが無機物(金属酸化物)により遮断されるため、絶縁性が高くなると考えられる。   An elastomer composition is prepared by mixing an elastomer and a high dielectric constant liquid compound. A cross-linking agent, a vulcanization accelerator, a processing aid, a plasticizer, an anti-aging agent, a reinforcing agent, a colorant, and the like may be added to the elastomer composition as necessary. For example, when a crosslinking agent is added, it may be appropriately selected from sulfur, an isocyanate compound, a peroxide and the like according to the type of elastomer. In addition, when a metal alkoxide compound is used as the cross-linking agent, it is possible to suppress a decrease in insulating properties of the dielectric film. That is, when a metal alkoxide compound is used, in the crosslinked body (dielectric film), the flow of electrons is blocked by the inorganic substance (metal oxide), so that it is considered that the insulating property is increased.

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) ・・・(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、エラストマーとの相溶性や、反応速度等を調整することができる。このため、エラスト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。
A metal alkoxide compound is represented by the following general formula (a), for example.
M (OR) m ... (a)
[In formula (a), M is an atom such as a metal. R is 1 or more types of a C1-C10 alkyl group, an aryl group, and an alkenyl group, and may be same or different. m is the valence of an atom M such as a metal. ]
In addition, a multimer having two or more repeating units [(MO) n ; n is an integer of 2 or more] in one molecule may be used. By changing the number of n, compatibility with the elastomer, reaction rate, and the like can be adjusted. For this reason, a suitable multimer is suitably selected according to the kind of elastomer.

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等が好適である。   Examples of the atom M such as metal include titanium, zirconium, aluminum, silicon, iron, copper, tin, barium, strontium, hafnium, boron, and the like. Among them, those containing at least one selected from titanium, zirconium, and aluminum are desirable because of good reactivity. Specifically, tetra n-butoxy titanium, tetra n-butoxy zirconium, tetra n-butoxy silane, acetoalkoxy aluminum diisopropylate, tetra i-propoxy titanium, tetraethoxy silane and the like are preferable.

エラストマー組成物は、例えば、エラストマー、高誘電率液状化合物、必要に応じて添加剤を、ロールや混練機により混練りして調製することができる。また、架橋剤として金属アルコキシド化合物を用いた場合には、エラストマーおよび高誘電率液状化合物の混合液に対して、金属アルコキシド化合物をそのまま、あるいは所定の溶剤に溶解した状態で混合して、調製することができる。   The elastomer composition can be prepared, for example, by kneading an elastomer, a high dielectric constant liquid compound, and, if necessary, an additive with a roll or a kneader. Further, when a metal alkoxide compound is used as a crosslinking agent, the metal alkoxide compound is mixed with the mixed solution of the elastomer and the high dielectric constant liquid compound as it is or dissolved in a predetermined solvent. be able to.

金属アルコキシド化合物は、空気中や反応系中の水分と反応し、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、金属アルコキシド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。キレート化することにより、金属アルコキシド化合物の加水分解は抑制される。したがって、後にキレート剤を除去することにより、金属アルコキシド化合物の加水分解を促進し、重縮合による架橋反応を進行させればよい。   The metal alkoxide compound reacts with moisture in the air or reaction system, and is hydrolyzed and polycondensed (sol-gel reaction). Therefore, in order to suppress a rapid reaction with water and form a homogeneous film, it is desirable to use a metal alkoxide compound after chelating with a chelating agent. By chelating, hydrolysis of the metal alkoxide compound is suppressed. Therefore, the chelating agent may be removed later to accelerate the hydrolysis of the metal alkoxide compound and advance the crosslinking reaction by polycondensation.

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。   Examples of chelating agents include β-diketones such as acetylacetone, benzoylacetone, and dibenzoylmethane, β-ketoacid esters such as ethyl acetoacetate and ethyl benzoylacetate, triethanolamine, lactic acid, 2-ethylhexane-1,3 Examples include diol and 1,3 hexanediol.

本発明の誘電膜は、調製したエラストマー組成物を、例えば金型に充填して、所定の条件下でプレス架橋することにより、製造することができる。また、金属アルコキシド化合物を使用した場合には、まず、調製したエラストマー組成物を基材等に塗布する。次に、塗膜を乾燥して溶剤(キレート剤)を蒸発させて、架橋反応を進行させることにより、製造することができる。   The dielectric film of the present invention can be produced by filling the prepared elastomer composition into, for example, a mold and press-crosslinking under predetermined conditions. When a metal alkoxide compound is used, first, the prepared elastomer composition is applied to a substrate or the like. Next, it can manufacture by drying a coating film, evaporating a solvent (chelating agent), and making a crosslinking reaction advance.

<トランスデューサ>
本発明のトランスデューサは、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。ここで、誘電膜は、分子中にヘテロ原子を有するエラストマーと、分子中にヘテロ原子を有し該エラストマーと相溶な高誘電率液状化合物と、を含むエラストマー組成物を架橋してなる。
<Transducer>
The transducer of the present invention includes a dielectric film and a plurality of electrodes arranged via the dielectric film. Here, the dielectric film is formed by crosslinking an elastomer composition containing an elastomer having a hetero atom in the molecule and a high dielectric constant liquid compound having a hetero atom in the molecule and compatible with the elastomer.

エラストマー、高誘電率液状化合物等の誘電膜の構成、および製造方法については、上記本発明の誘電膜の実施形態において説明した通りである。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、上記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。   The configuration of the dielectric film such as an elastomer and a high dielectric constant liquid compound, and the manufacturing method are as described in the embodiment of the dielectric film of the present invention. Therefore, the description is omitted here. In the transducer according to the present invention, it is desirable to adopt a preferable aspect of the dielectric film according to the present invention.

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。   What is necessary is just to determine the thickness of a dielectric film suitably according to a use etc. For example, when the transducer of the present invention is used as an actuator, it is desirable that the thickness of the dielectric film is small from the viewpoints of downsizing the actuator, driving at a low potential, and increasing the amount of displacement. In this case, it is desirable that the thickness of the dielectric film be 1 μm or more and 1000 μm (1 mm) or less in consideration of dielectric breakdown properties and the like. A more preferable range is 5 μm or more and 200 μm or less.

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。   In the transducer of the present invention, the material of the electrode is not particularly limited. For example, a conductive material made of carbon material such as carbon black or carbon nanotube or a conductive material made of metal and a paste or paint mixed with oil or elastomer as a binder, or an electrode made by knitting carbon material or metal in a mesh shape, etc. Can be used. It is desirable that the electrode can expand and contract according to the expansion and contraction of the dielectric film. When the electrode expands and contracts together with the dielectric film, the deformation of the dielectric film is not easily disturbed by the electrode. For this reason, when the transducer of the present invention is used as an actuator or the like, a desired amount of displacement can be easily obtained.

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。その結果、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。   Further, when the transducer of the present invention has a laminated structure in which a plurality of dielectric films and electrodes are alternately laminated, a larger force can be generated. Therefore, when the laminated structure is adopted, for example, the output of the actuator can be increased. As a result, the member to be driven can be driven with a greater force.

[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。
[First embodiment]
As a first example of the transducer of the present invention, an embodiment embodied in an actuator will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the actuator of this embodiment. (A) shows an OFF state, and (b) shows an ON state.

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、エラストマーと高誘電率液状化合物とを含むエラストマー組成物の架橋体(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。   As shown in FIG. 1, the actuator 1 includes a dielectric film 10 and electrodes 11a and 11b. The dielectric film 10 is a cross-linked product (dielectric film of the present invention) of an elastomer composition containing an elastomer and a high dielectric constant liquid compound. The electrodes 11a and 11b are fixed to the upper and lower surfaces of the dielectric film 10, respectively. The electrodes 11a and 11b are connected to the power source 12 via a conducting wire. When switching from the off state to the on state, a voltage is applied between the pair of electrodes 11a and 11b. Due to the application of voltage, the thickness of the dielectric film 10 is reduced, and accordingly, the dielectric film 10 extends in the direction parallel to the surfaces of the electrodes 11a and 11b, as indicated by white arrows in FIG. Thereby, the actuator 1 outputs the driving force in the vertical direction and the horizontal direction in the drawing.

誘電膜10は、高い比誘電率と柔軟性との両方を備えている。したがって、誘電膜10は、印加電圧に対する伸縮量が大きい。つまり、アクチュエータ1によると、より低電圧で大きな変位量を得ることができる。また、誘電膜10を面延在方向に延伸した状態で取り付けると、誘電膜10の絶縁破壊強度が向上し、より大きな変位量を得ることができる。   The dielectric film 10 has both a high relative dielectric constant and flexibility. Therefore, the dielectric film 10 has a large amount of expansion and contraction with respect to the applied voltage. That is, according to the actuator 1, a large displacement can be obtained at a lower voltage. Further, when the dielectric film 10 is attached in a state extending in the surface extending direction, the dielectric breakdown strength of the dielectric film 10 is improved, and a larger amount of displacement can be obtained.

[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、エラストマーと高誘電率液状化合物とを含むエラストマー組成物の架橋体(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。
[Second Embodiment]
As a second example of the transducer of the present invention, an embodiment embodied in a capacitive sensor will be described. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the capacitive sensor according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the capacitive sensor 2 includes a dielectric film 20, electrodes 21 a and 21 b, and a substrate 22. The dielectric film 20 is a crosslinked body (dielectric film of the present invention) of an elastomer composition containing an elastomer and a high dielectric constant liquid compound. The dielectric film 20 has a strip shape extending in the left-right direction. The dielectric film 20 is disposed on the upper surface of the substrate 22 via the electrode 21b. The electrodes 21a and 21b have a strip shape extending in the left-right direction. The electrodes 21a and 21b are fixed to the upper and lower surfaces of the dielectric film 20, respectively. Conductive wires (not shown) are connected to the electrodes 21a and 21b. The substrate 22 is an insulating flexible film and has a strip shape extending in the left-right direction. The substrate 22 is fixed to the lower surface of the electrode 21b.

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=εεS/d・・・(I)
[C:キャパシタンス、ε:真空中の誘電率、ε: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。
The capacitance (capacitance) of the capacitance type sensor 2 can be obtained by the following equation (I).
C = ε 0 ε r S / d (I)
[C: capacitance, ε 0 : dielectric constant in vacuum, ε r : relative dielectric constant of dielectric film, S: electrode area, d: distance between electrodes]
For example, when the capacitive sensor 2 is pressed from above, the dielectric film 20 is compressed and correspondingly extends in the direction parallel to the surfaces of the electrodes 21a and 21b. As the film thickness, that is, the inter-electrode distance d decreases, the capacitance between the electrodes 21a and 21b increases. The magnitude, position, etc. of the applied load are detected by this capacitance change.

ここで、誘電膜20は、高い比誘電率と柔軟性との両方を備えている。誘電膜20の比誘電率が高いため、キャパシタンスは大きい。また、誘電膜20は柔軟であるため、外部からの荷重に対して変形しやすい。つまり、電極間距離dの変位量が大きい。したがって、静電容量型センサ2の検出感度は高い。加えて、誘電膜20は、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。したがって、静電容量型センサ2は、耐久性に優れる。   Here, the dielectric film 20 has both a high relative dielectric constant and flexibility. Since the relative dielectric constant of the dielectric film 20 is high, the capacitance is large. Further, since the dielectric film 20 is flexible, it is easily deformed with respect to an external load. That is, the displacement amount of the interelectrode distance d is large. Therefore, the detection sensitivity of the capacitive sensor 2 is high. In addition, the dielectric film 20 is unlikely to deteriorate even after repeated expansion and contraction. Therefore, the capacitance type sensor 2 is excellent in durability.

[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、エラストマーと高誘電率液状化合物とを含むエラストマー組成物の架橋体(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。
[Third embodiment]
An embodiment of a power generation element will be described as a third example of the transducer of the present invention. In FIG. 3, the cross-sectional schematic diagram of the electric power generation element in this embodiment is shown. (A) shows the time of expansion, and (b) shows the time of contraction. As shown in FIG. 3, the power generation element 3 includes a dielectric film 30 and electrodes 31a and 31b. The dielectric film 30 is a crosslinked body (dielectric film of the present invention) of an elastomer composition containing an elastomer and a high dielectric constant liquid compound. The electrodes 31a and 31b are fixed to the upper and lower surfaces of the dielectric film 30, respectively. Conductive wires are connected to the electrodes 31a and 31b, and the electrode 31b is grounded.

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。   As shown in FIG. 3A, when the power generating element 3 is compressed and the dielectric film 30 is extended in a direction parallel to the surfaces of the electrodes 31a and 31b, the thickness of the dielectric film 30 is reduced, and between the electrodes 31a and 31b. The charge is stored in Thereafter, when the compressive force is removed, the dielectric film 30 contracts due to the elastic restoring force of the dielectric film 30 and the film thickness increases as shown in FIG. At that time, electric charges are released and electric power is generated.

ここで、誘電膜30は、高い比誘電率と柔軟性との両方を備えている。誘電膜30の比誘電率が高いため、電極31a、31b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30は柔軟であるため、外部からの荷重に対して変形しやすい。つまり、圧縮による伸長量が大きい。したがって、発電素子3の発電量は大きい。また、誘電膜30は伸縮を繰り返しても劣化しにくい。したがって、発電素子3は、耐久性に優れる。   Here, the dielectric film 30 has both a high relative dielectric constant and flexibility. Since the dielectric constant of the dielectric film 30 is high, a large amount of charges can be stored at the interface with the electrodes 31a and 31b. Further, since the dielectric film 30 is flexible, it is easily deformed with respect to an external load. That is, the expansion amount by compression is large. Therefore, the power generation amount of the power generation element 3 is large. In addition, the dielectric film 30 is unlikely to deteriorate even if the expansion and contraction is repeated. Therefore, the power generating element 3 is excellent in durability.

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。   Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

<誘電膜の製造>
[実施例1〜3の誘電膜]
下記の表1に示す原料から、実施例1〜3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練りし、エラストマー組成物を調製した。次に、調製したエラストマー組成物を薄いシート状に成形した後、金型に充填し、150℃で約30分間プレス架橋した。得られた架橋物を、さらに150℃のオーブン中で約4時間架橋させた。
<Manufacture of dielectric film>
[Dielectric film of Examples 1-3]
Dielectric films of Examples 1 to 3 were manufactured from the raw materials shown in Table 1 below. First, a predetermined raw material was kneaded with a roll kneader to prepare an elastomer composition. Next, the prepared elastomer composition was molded into a thin sheet, filled in a mold, and press-crosslinked at 150 ° C. for about 30 minutes. The obtained crosslinked product was further crosslinked in an oven at 150 ° C. for about 4 hours.

[比較例1〜5の誘電膜]
下記の表1に示す原料から、上記実施例1〜3の誘電膜と同様にして、比較例1〜5の誘電膜を製造した。実施例1〜3の誘電膜と比較例1〜5の誘電膜との主な相違点は、高誘電率液状化合物の配合の有無である。実施例1と比較例1、実施例2と比較例2〜4、実施例3と比較例5は、各々、エラストマーが同じという点で対応している。なお、比較例3、4については、成膜中にブリードが発生し、均質な誘電膜が得られなかった。この原因は、エラストマーと炭化水素系オイルとの相溶性が悪いためと考えられる。
[Dielectric film of Comparative Examples 1 to 5]
Dielectric films of Comparative Examples 1 to 5 were manufactured from the raw materials shown in Table 1 below in the same manner as the dielectric films of Examples 1 to 3. The main difference between the dielectric films of Examples 1 to 3 and the dielectric films of Comparative Examples 1 to 5 is the presence or absence of a high dielectric constant liquid compound. Example 1 and Comparative Example 1, Example 2 and Comparative Examples 2 to 4, Example 3 and Comparative Example 5 correspond to each other in that the elastomers are the same. In Comparative Examples 3 and 4, bleeding occurred during film formation, and a homogeneous dielectric film could not be obtained. This is probably because the compatibility between the elastomer and the hydrocarbon oil is poor.

表1中、各原料については以下のものを使用した。
(1)エラストマー
水素化ニトリルゴム(a):日本ゼオン(株)製「Zetpol(登録商標)0020」
水素化ニトリルゴム(b):日本ゼオン(株)製「Zetpol1010」
水素化ニトリルゴム(c):日本ゼオン(株)製「Zetpol1000L」
(2)高誘電率液状化合物
アジピン酸エステル:[ROCO(CHCOOR]、(株)ADEKA製「アデカサイザー(登録商標)RS107」
(3)炭化水素系オイル(添加剤)
ナフテンオイル:出光興産(株)製「ダイアナ(登録商標)プロセスオイルNM−280」
パラフィンオイル:出光興産(株)製「ダイアナプロセスオイルPW−380」
(4)架橋剤等
ジペンタメチレンチウラムテトラスルフィド:三新化学工業(株)製「サンセラー(登録商標)TRA」
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CZ−G」
硫黄:鶴見化学工業(株)製「サルファックスT−10」
ジクミルパーオキサイド:日油(株)製「パークミル(登録商標)D」

Figure 0005916270
In Table 1, the following were used for each raw material.
(1) Elastomer hydrogenated nitrile rubber (a): “Zetpol (registered trademark) 0020” manufactured by Zeon Corporation
Hydrogenated nitrile rubber (b): “Zetpol 1010” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.
Hydrogenated nitrile rubber (c): “Zetpol 1000L” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.
(2) High dielectric constant liquid compound adipic acid ester: [ROCO (CH 2 ) 4 COOR], “ADEKA SIZER (registered trademark) RS107” manufactured by ADEKA Corporation
(3) Hydrocarbon oil (additive)
Naphthenic oil: “Diana (registered trademark) process oil NM-280” manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd.
Paraffin oil: “Diana Process Oil PW-380” manufactured by Idemitsu Kosan Co., Ltd.
(4) Dipentamethylene thiuram tetrasulfide such as a cross-linking agent: “Sunseller (registered trademark) TRA” manufactured by Sanshin Chemical Industry Co., Ltd.
N-cyclohexyl-2-benzothiazylsulfenamide: “Sunceller CZ-G” manufactured by Sanshin Chemical Industry Co., Ltd.
Sulfur: "Sulfax T-10" manufactured by Tsurumi Chemical Co., Ltd.
Dicumyl peroxide: “Park Mill (registered trademark) D” manufactured by NOF Corporation
Figure 0005916270

[実施例4〜7の誘電膜]
下記の表2に示す原料から、実施例4〜7の誘電膜を製造した。まず、エラストマーと高誘電率液状化合物とアセチルアセトンとを混合した。この溶液に、テトラi−プロポキシチタン(金属アルコキシド化合物)を添加して、混合した。なお、アセチルアセトンは、金属アルコキシド化合物のキレート剤である。次に、混合溶液を基材上に塗布し、乾燥させた後、150℃で約1時間加熱して架橋させた。
[Dielectric films of Examples 4 to 7]
Dielectric films of Examples 4 to 7 were manufactured from the raw materials shown in Table 2 below. First, an elastomer, a high dielectric constant liquid compound, and acetylacetone were mixed. Tetra i-propoxy titanium (metal alkoxide compound) was added to this solution and mixed. Acetylacetone is a chelating agent for metal alkoxide compounds. Next, the mixed solution was applied onto the substrate, dried, and then crosslinked at 150 ° C. for about 1 hour.

[比較例6、7の誘電膜]
下記の表2に示す原料から、上記実施例4〜7の誘電膜と略同様にして、比較例6、7の誘電膜を製造した。比較例6の誘電膜は、高誘電率液状化合物を配合しないという点で、実施例4〜7の誘電膜と相違する。また、比較例7の誘電膜については、実施例5〜7の誘電膜と比較して、高誘電率液状化合物(塩素化パラフィン)の配合量を多くした。なお、比較例7については、基材上の塗膜にしわが発生したため、成膜できなかった。この原因は、エラストマーに対して、高誘電率液状化合物の配合量が多すぎたためと考えられる。
[Dielectric films of Comparative Examples 6 and 7]
Dielectric films of Comparative Examples 6 and 7 were manufactured from the raw materials shown in Table 2 below in substantially the same manner as the dielectric films of Examples 4 to 7. The dielectric film of Comparative Example 6 is different from the dielectric films of Examples 4 to 7 in that no high dielectric constant liquid compound is blended. Moreover, about the dielectric film of the comparative example 7, the compounding quantity of the high dielectric constant liquid compound (chlorinated paraffin) was increased compared with the dielectric film of Examples 5-7. In Comparative Example 7, a film could not be formed because wrinkles occurred in the coating film on the substrate. This is probably because the amount of the high dielectric constant liquid compound was too large for the elastomer.

表2中、各原料については以下のものを使用した。
(1)エラストマー
COOH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」
(2)高誘電率液状化合物
塩素化パラフィン:[C2646.9Cl7.1]、味の素ファインテクノ(株)製「エンパラ(登録商標)40」
スルホンアミド:[CSO−NHC]、大八化学工業(株)製「BM−4」
(3)架橋剤等
テトラi−プロポキシチタン:日本曹達(株)製

Figure 0005916270
In Table 2, the following were used for each raw material.
(1) Elastomer COOH group-containing hydrogenated nitrile rubber: “Telvan (registered trademark) XT8889” manufactured by LANXESS
(2) High dielectric constant liquid compound chlorinated paraffin: [C 26 H 46.9 Cl 7.1 ], “Empara (registered trademark) 40” manufactured by Ajinomoto Fine Techno Co., Ltd.
Sulfonamide: [C 6 H 5 SO 2 —NHC 4 H 9 ], “BM-4” manufactured by Daihachi Chemical Industry Co., Ltd.
(3) Tetra i-propoxy titanium, such as a crosslinking agent: manufactured by Nippon Soda Co., Ltd.
Figure 0005916270

<誘電膜の物性等>
[100%モジュラス、引張強さ、および切断時伸び]
実施例および比較例の誘電膜の100%モジュラス(引張応力:M100)、引張強さ(TS)、および切断時伸び(E)を測定した。これらの測定は、JIS K 6251(2004)に準じて行った。なお、試験片はダンベル状2号形を使用した。測定結果を上記表1、表2にまとめて示す。
<Physical properties of dielectric film>
[100% modulus, tensile strength, and elongation at break]
The dielectric films of Examples and Comparative Examples were measured for 100% modulus (tensile stress: M 100 ), tensile strength (TS), and elongation at break (E b ). These measurements were performed according to JIS K 6251 (2004). In addition, the test piece used dumbbell-shaped No. 2. The measurement results are summarized in Tables 1 and 2 above.

表1中、同種のエラストマー同士で比較すると、実施例1は比較例1に対して、実施例2は比較例2に対して、実施例3は比較例5に対して、いずれも100%モジュラスが小さくなった。同様に、表2中、実施例4〜7は比較例6に対して、100%モジュラスが小さくなった。また、表2中、実施例5〜7の誘電膜の結果から分かるように、同種の高誘電率液状化合物を配合した場合、その配合量が多いほど、100%モジュラスは小さくなった。これらの結果から、高誘電率液状化合物を配合した実施例の誘電膜は、同化合物を配合しなかった比較例の誘電膜と比較して、柔軟であることがわかる。   In Table 1, when the same type of elastomer is compared, Example 1 is 100% modulus with respect to Comparative Example 1, Example 2 is with respect to Comparative Example 2, and Example 3 is with respect to Comparative Example 5. Became smaller. Similarly, in Table 2, Examples 4 to 7 had a 100% modulus smaller than that of Comparative Example 6. Further, as can be seen from the results of the dielectric films of Examples 5 to 7 in Table 2, when the same kind of high dielectric constant liquid compound was blended, the 100% modulus decreased as the blending amount increased. From these results, it can be seen that the dielectric film of the example blended with the high dielectric constant liquid compound is more flexible than the dielectric film of the comparative example not blended with the compound.

また、表1中、実施例1は比較例1に対して、実施例2は比較例2に対して、実施例3は比較例5に対して、いずれも切断時伸びが大きくなった。同様に、表2中、実施例4〜6は比較例6に対して、切断時伸びが大きくなった。なお、実施例7の切断時伸びは、比較例6よりもやや小さくなったが、実用状充分な値である。上述したように、実施例の誘電膜では、高誘電率液状化合物が配合されているため、100%モジュラスが小さくなった。仮に、高誘電率液状化合物とエラストマーとの相溶性が悪い場合には、誘電膜に海島相が形成される。この場合、引張試験において、液状の島相が起点となり、早期に切断されてしまう。この点、実施例の誘電膜によると、所望の切断時伸びが確保されている。これにより、高誘電率液状化合物とエラストマーとの相溶性が良好であることが裏付けられる。   In Table 1, the elongation at break was larger in Example 1 than in Comparative Example 1, in Example 2 in Comparative Example 2, and in Example 3 with respect to Comparative Example 5. Similarly, in Table 2, Examples 4 to 6 were larger in elongation at break than Comparative Example 6. Although the elongation at break in Example 7 was slightly smaller than that in Comparative Example 6, it was a practically sufficient value. As described above, in the dielectric film of the example, since the high dielectric constant liquid compound is blended, the 100% modulus is reduced. If the compatibility between the high dielectric constant liquid compound and the elastomer is poor, a sea-island phase is formed in the dielectric film. In this case, in the tensile test, the liquid island phase is the starting point and is cut early. In this respect, according to the dielectric film of the embodiment, a desired elongation at the time of cutting is ensured. This confirms that the compatibility between the high dielectric constant liquid compound and the elastomer is good.

[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(1995)に準じて測定した。測定結果を上記表1、表2にまとめて示す。表1、表2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。詳しくは、表1中、同種のエラストマー同士で比較すると、実施例1は比較例1に対して、実施例2は比較例2に対して、実施例3は比較例5に対して、いずれも電気抵抗が若干小さくなった。一方、表2中、実施例4〜7と比較例6とを比較すると、電気抵抗は同程度であった。
[Electric resistance]
The electric resistances of the dielectric films of Examples and Comparative Examples were measured according to JIS K 6911 (1995). The measurement results are summarized in Tables 1 and 2 above. As shown in Tables 1 and 2, the dielectric films of the examples all have a large electric resistance. That is, high insulation is maintained. Specifically, in Table 1, when comparing the same types of elastomers, Example 1 is for Comparative Example 1, Example 2 is for Comparative Example 2, and Example 3 is for Comparative Example 5. The electrical resistance was slightly reduced. On the other hand, when Examples 4 to 7 and Comparative Example 6 were compared in Table 2, the electrical resistance was comparable.

[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100Hz)。測定結果を上記表1、表2にまとめて示す。表1中、同種のエラストマー同士で比較すると、実施例1は比較例1に対して、実施例2は比較例2に対して、実施例3は比較例5に対して、いずれも比誘電率が高くなった。同様に、表2中、実施例4〜7は比較例6に対して、比誘電率が高くなった。また、表2中、実施例5〜7の誘電膜の結果から分かるように、同種の高誘電率液状化合物を配合した場合、その配合量が多いほど、比誘電率は大きくなった。
[Relative permittivity]
The relative dielectric constants of the dielectric films of Examples and Comparative Examples were measured. For measurement of relative dielectric constant, each dielectric film is placed in a sample holder (Solartron, type 12962A), and a dielectric constant measurement interface (manufactured by the company, type 1296) and a frequency response analyzer (made by the company, type 1255B) are used in combination. And measured (frequency 100 Hz). The measurement results are summarized in Tables 1 and 2 above. In Table 1, when comparing the same kind of elastomers, Example 1 is relative to Comparative Example 1, Example 2 is relative to Comparative Example 2, and Example 3 is relative to Comparative Example 5. Became high. Similarly, in Table 2, Examples 4 to 7 had higher dielectric constants than Comparative Example 6. In Table 2, as can be seen from the results of the dielectric films of Examples 5 to 7, when the same kind of high dielectric constant liquid compound was blended, the relative dielectric constant increased as the blending amount increased.

<アクチュエータの評価>
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評価した。まず、実験装置および実験方法について説明する。
<Actuator evaluation>
Next, an actuator was configured using each dielectric film of the example and the comparative example, and the displacement amount of the actuator was evaluated. First, an experimental apparatus and an experimental method will be described.

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。   Actuators were constructed by attaching electrodes made of a mixture of acrylic rubber and carbon black to the upper and lower surfaces of each dielectric film of the examples and comparative examples. Hereinafter, the manufactured actuator is referred to as an actuator of an example or a comparative example corresponding to the type of dielectric film. FIG. 4 shows a top view of the manufactured actuator. FIG. 5 shows a VV cross-sectional view in FIG.

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、所定の延伸率で、予め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(以下、「予備延伸率」と称す)。
延伸率(%)={√(S/S)−1}×100・・・(II)
[S:延伸前(自然状態)の誘電膜面積、S: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。
As shown in FIGS. 4 and 5, the actuator 5 includes a dielectric film 50 and a pair of electrodes 51 a and 51 b. The dielectric film 50 has a circular thin film shape with a diameter of 70 mm. The dielectric film 50 is arranged in a state of being stretched in advance in the biaxial direction at a predetermined stretching rate. Here, the stretching ratio is a value calculated by the following formula (II) (hereinafter referred to as “preliminary stretching ratio”).
Stretch rate (%) = {√ (S 2 / S 1 ) −1} × 100 (II)
[S 1 : Dielectric film area before stretching (natural state), S 2 : Dielectric film area after biaxial stretching]
The pair of electrodes 51a and 51b are arranged to face each other in the vertical direction with the dielectric film 50 interposed therebetween. The electrodes 51a and 51b have a circular thin film shape with a diameter of about 27 mm, and are arranged substantially concentrically with the dielectric film 50, respectively. A terminal portion 510a protruding in the diameter increasing direction is formed on the outer peripheral edge of the electrode 51a. The terminal portion 510a has a rectangular plate shape. Similarly, a terminal portion 510b protruding in the diameter increasing direction is formed on the outer peripheral edge of the electrode 51b. The terminal portion 510b has a rectangular plate shape. The terminal portion 510b is disposed at a position facing the terminal portion 510a by 180 °. Terminal portions 510a and 510b are each connected to power supply 52 via a conducting wire.

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。なお、印加電圧は、電界強度50V/μm、周波数1Hzとした。   When a voltage is applied between the electrodes 51a and 51b, an electrostatic attractive force is generated between the electrodes 51a and 51b, and the dielectric film 50 is compressed. Thereby, the thickness of the dielectric film 50 becomes thin and extends in the diameter expansion direction. At this time, the electrodes 51a and 51b are also integrated with the dielectric film 50 and extend in the diameter increasing direction. A marker 530 is attached to the electrode 51a in advance. The displacement of the marker 530 was measured by the displacement meter 53 and used as the displacement amount of the actuator 5. The applied voltage was an electric field strength of 50 V / μm and a frequency of 1 Hz.

次に、実施例および比較例のアクチュエータについての変位量の測定結果を、上記表1、表2にまとめて示す。表1、表2に示した最大変位率は、次式(III)により算出した値である。
最大変位率(%)=(最大変位量/電極の半径)×100・・・(III)
また、各アクチュエータにおける誘電膜の厚さおよび予備延伸率についても、表1、表2に併せて示す。
Next, the measurement results of the displacement amount for the actuators of the example and the comparative example are collectively shown in Tables 1 and 2 above. The maximum displacement rates shown in Tables 1 and 2 are values calculated by the following formula (III).
Maximum displacement rate (%) = (maximum displacement amount / radius of electrode) × 100 (III)
In addition, the thickness of the dielectric film and the prestretch ratio in each actuator are also shown in Tables 1 and 2.

上記表1、表2に示すように、実施例のアクチュエータによると、いずれも最大変位率が大きくなった。詳しくは、表1中、同種のエラストマー同士で比較すると、実施例1は比較例1に対して、実施例2は比較例2に対して、実施例3は比較例5に対して、いずれも最大変位率が大きくなった。同様に、表2中、実施例4〜7は比較例6に対して、最大変位率が大きくなった。以上より、本発明の誘電膜によると、変位量が大きなアクチュエータを構成できることが確認された。なお、本実施例では、誘電膜を予備延伸した状態で配置して、拡径方向の変位量を測定した。しかし、誘電膜を予備延伸せずに配置して、厚さ方向に変位させた実験においても、変位量が大きくなったことを確認している。   As shown in Tables 1 and 2 above, according to the actuators of the examples, the maximum displacement rate was increased. Specifically, in Table 1, when comparing the same types of elastomers, Example 1 is for Comparative Example 1, Example 2 is for Comparative Example 2, and Example 3 is for Comparative Example 5. The maximum displacement rate has increased. Similarly, in Table 2, Examples 4 to 7 had a larger maximum displacement rate than Comparative Example 6. From the above, it was confirmed that according to the dielectric film of the present invention, an actuator with a large displacement can be configured. In this example, the dielectric film was placed in a pre-stretched state, and the amount of displacement in the diameter expansion direction was measured. However, even in an experiment in which the dielectric film was arranged without being pre-stretched and displaced in the thickness direction, it was confirmed that the amount of displacement increased.

本発明の誘電膜は、高い比誘電率と柔軟性とを有する。このため、機械エネルギーと電気エネルギーとの変換や、音響エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うトランスデューサ等に広く用いることができる。例えば、本発明の誘電膜を備えるトランスデューサは、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の他、静電容量型センサ等の柔軟なセンサ、ならびに発電素子等として使用することができる。   The dielectric film of the present invention has a high relative dielectric constant and flexibility. For this reason, it can be widely used for transducers that convert mechanical energy and electrical energy, or convert acoustic energy and electrical energy. For example, the transducer comprising the dielectric film of the present invention is an artificial muscle for industrial, medical, and welfare robots, a small pump for cooling electronic components, medical devices, etc., and a flexible actuator used for medical instruments. It can be used as a flexible sensor such as a capacitive sensor, and a power generation element.

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:電源 53:変位計
510a、510b:端子部 530:マーカー
1: Actuator (transducer) 10: Dielectric film 11a, 11b: Electrode 12: Power supply 2: Capacitance type sensor (transducer) 20: Dielectric film 21a, 21b: Electrode 22: Substrate 3: Power generation element (transducer) 30: Dielectric Film 31a, 31b: Electrode 5: Actuator 50: Dielectric film 51a, 51b: Electrode 52: Power supply 53: Displacement meter 510a, 510b: Terminal part 530: Marker

Claims (1)

水素化ニトリルゴムおよびCOOH基含有水素化ニトリルゴムから選ばれる一種以上のエラストマーと、アジピン酸エステル、塩素化パラフィン、スルホンアミドから選ばれる一種以上の液状化合物と、を含むエラストマー組成物を架橋した誘電膜であって、
該エラストマー組成物における該液状化合物の配合量は、該エラストマーの100質量部に対して5質量部以上300質量部以下であり
00%モジュラスが0.9MPa以下である誘電膜と、
該誘電膜を介して配置されエラストマーと導電材とを含む複数の電極と、
を備えるトランスデューサ。
And one or more e elastomer selected from hydrogenated nitrile rubber and COOH group-containing hydrogenated nitrile rubber, adipic acid esters, chlorinated paraffin, and one or more liquid compounds selected from sulfonamide, an elastomer composition comprising a crosslinked A dielectric film,
The amount of the liquid compound in the elastomer composition is less 300 weight parts 5 parts by mass or more with respect to 100 parts by weight of the elastomer,
A dielectric film having a 100% modulus of 0.9 MPa or less;
A plurality of electrodes disposed through the dielectric film and including an elastomer and a conductive material;
A transducer comprising:
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