KR20180103051A

KR20180103051A - 변환기

Info

Publication number: KR20180103051A
Application number: KR1020187018786A
Authority: KR
Inventors: 노리유키 오야; 히데유키 요코타; 마사토시 혼마; 케이이치 오다기리; 히로미 타케노우치; 토모아키 사이키; 세이키 치바; 미키오 와키
Original assignee: 쿄우리츠 마테리아루 가부시키가이샤; 세이키 치바; 미키오 와키; 가부시키가이샤 아데카
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2017-01-06
Publication date: 2018-09-18
Also published as: WO2017119497A1; US20180375445A1; JPWO2017119497A1; EP3402064A1; CN108476005A

Abstract

변환기는, 제1 전극과, 제2 전극과, 유전성 엘라스토머 막과, 고유전율 막을 구비한다.
유전성 엘라스토머 막은, 제1 전극과 제2 전극의 사이에 배치됨과 아울러, 비유전율 ε1을 가진다.
고유전율 막은, 제1 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이 및 제2 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이 중 적어도 한쪽에 배치됨과 아울러, 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε2를 가진다.

Description

변환기{CONVERTER}

본 발명은, 유전성(誘電性) 엘라스토머 막을 이용하여 물리량을 변환하는 변환기에 관한 것이다.

물리량의 변환 효율이 뛰어난 변환기로서, 유전성 엘라스토머 막을 이용한 변환기(유전 트랜스듀서)가 주목되고 있다. 이 변환기는, 유전성 엘라스토머 막의 변형(신축 및 수축)을 이용하여, 임의의 물리량을 다른 물리량으로 변환한다.

여기서 설명하는 변환기는, 2개의 전극 사이에 폴리머(유전성 엘라스토머 막)가 배치된 구성을 갖고 있다. 이 변환기에서는, 2개의 전극 사이에 전위차가 발생하면, 정전기력(쿨롱력)을 이용하여 2개의 전극이 서로 끌어당기기 때문에, 유전성 엘라스토머 막이 변형된다.

더 구체적으로는, 변환기는, 하기의 (1) 및 (2)에 나타낸 조건 중 한쪽 또는 양쪽을 만족시키고 있다.

(1) 2개의 전극 사이에 배치된 유전성 엘라스토머 막의 비유전율(比誘電率)은, 공기의 비유전율보다 크다. 단, 이과연표(理科年表)에 근거하여, 공기(20℃의 건조 공기)의 비유전율은 1.000536으로 한다.

(2) 2개의 전극의 각각은, 유연성을 가지고 있기 때문에, 유전성 엘라스토머 막의 변형에 추종하면서 자신도 변형(신축 및 수축) 가능하다.

이 변환기의 구성에 관해서는, 다양한 검토가 이루어지고 있다. 구체적으로는, 인가 전압에 대한 변위량을 크게 하기 위해서, 2개의 전극 사이에 유전 탄성체(탄성 절연 재료부/탄성 고유전 재료부/탄성 절연 재료부)가 배치되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조.).

특허문헌 1: 일본 특개 2010-068667호 공보

변환기의 변환 특성을 더 향상시키는 것이 요망되고 있기 때문에, 그 변환기의 구성에 관해서는 아직 개선의 여지가 있다.

따라서, 뛰어난 변환 특성을 얻는 것이 가능한 변환기를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명자는, 상기한 목적을 달성하기 위해서 예의 검토한 결과, 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이에, 그 유전성 엘라스토머의 비유전율보다 큰 비유전율을 가지는 막을 설치하는 것에 의해, 상기한 과제가 해결되는 것을 발견했다.

본 발명은, 상기한 지견에 근거해서 이루어진 것이며, 그 본 발명의 일 실시형태의 변환기는, 제1 전극과, 제2 전극과, 유전성 엘라스토머 막과, 고유전율 막을 구비한 것이다. 유전성 엘라스토머 막은, 제1 전극과 제2 전극의 사이에 배치됨과 아울러, 비유전율 ε1을 가진다. 고유전율 막은, 제1 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이 및 제2 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이 중 적어도 한쪽에 배치됨과 아울러, 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε2를 가진다.

본 발명의 일 실시형태의 변환기의 구성에는, 이하의 3가지 태양(態樣)이 포함된다. 첫째로, 변환기는, 제1 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이에 고유전율 막을 구비하고 있으며, 제2 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이에 고유전율 막을 구비하고 있지 않아도 된다. 둘째로, 변환기는, 제1 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이에 고유전율 막을 구비하지 않고, 제2 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이에 고유전율 막을 구비하고 있어도 된다. 셋째로, 변환기는, 제1 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이에 고유전율 막을 구비하고 있음과 아울러, 제2 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이에 고유전율 막을 구비하고 있어도 된다.

본 발명의 일 실시형태의 변환기에 의하면, 제1 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이 및 제2 전극과 유전성 엘라스토머 막과의 사이 중 한쪽 또는 양쪽에 고유전율 막이 배치되어 있고, 그 고유전율 막이 유전성 엘라스토머 막의 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε2를 가지고 있다. 따라서, 뛰어난 변환 특성을 얻을 수 있다.

[도 1] 본 발명의 일 실시형태의 변환기의 기본 구성 1을 나타내는 단면도이다.
[도 2] 본 발명의 일 실시형태의 변환기의 기본 구성 2를 나타내는 단면도이다.
[도 3] 본 발명의 일 실시형태의 변환기의 기본 구성 3을 나타내는 단면도이다.
[도 4] 변환기의 구체적인 구성(기본 구성 1이 적용된 구성예 1)을 나타내는 단면도이다.
[도 5] 변환기의 구체적인 구성(기본 구성 2가 적용된 구성예 1)을 나타내는 단면도이다.
[도 6] 변환기의 구체적인 구성(기본 구성 3이 적용된 구성예 1)을 나타내는 단면도이다.
[도 7] 변환기의 구체적인 구성(기본 구성 1이 적용된 구성예 2)을 나타내는 단면도이다.
[도 8] 변환기의 구체적인 구성(기본 구성 2가 적용된 구성예 2)을 나타내는 단면도이다.
[도 9] 변환기의 구체적인 구성(기본 구성 3이 적용된 구성예 2)을 나타내는 단면도이다.
[도 10] 비교예의 변환기의 구성을 나타내는 단면도이다.
[도 11] 변환기의 구성에 관한 변형예를 나타내는 단면도이다.
[도 12] 변환기의 구성에 관한 다른 변형예를 나타내는 단면도이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 관하여 상세히 설명한다. 설명하는 순서는, 하기와 같다. 단, 본 발명에 관한 상세는, 이하에서 설명하는 태양으로 한정되지 않고 적당히 변경 가능하다.

1. 변환기

1-1. 기본 구성

1-2. 구체적인 구성예 1

1-3. 구체적인 구성예 2

1-4. 동작

1-5. 제조 방법

1-6. 작용 및 효과

1-7. 변형예

2. 변환기의 용도

2-1. 기계적 소자

2-2. 전기적 소자

2-3. 검출 소자

<1. 변환기>

우선, 본 발명의 일 실시형태의 변환기에 관해서 설명한다.

여기서 설명하는 변환기는, 유전성 엘라스토머 막을 이용하여 물리량을 변환하는 소자이며, 이른바 유전 트랜스듀서이다.

변환기에 의해 변환되는 물리량의 종류는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 임의의 물리량 중의 어느 1종류 또는 2종류 이상이다. 이 물리량은, 예를 들면, 전기적 에너지 및 기계적 에너지 등이다.

변환기의 용도는, 예를 들면, 변환 전의 물리량의 종류 및 변환 후의 물리량의 종류 등에 따라서 결정된다. 변환기의 구체적인 용도에 관해서는, 후술한다.

<1-1. 기본 구성>

변환기의 기본 구성은, 이하와 같다.

도 1은, 변환기의 단면 구성(기본 구성 1)을 나타내고 있다. 이 변환기는, 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제1 전극(1)과, 제2 전극(2)과, 유전성 엘라스토머 막(3)과, 제1 고유전율 막(4)과, 제2 고유전율 막(5)을 구비하고 있다.

또한, 제1 전극(1), 제2 전극(2), 유전성 엘라스토머 막(3), 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)의 각각의 평면 형상은, 특별히 한정되지 않는다. 즉, 평면 형상은, 원형이어도 되고, 사각형이어도 되고, 그 이외의 형상이어도 된다.

[제1 전극 및 제2 전극]

제1 전극(1) 및 제2 전극(2)은, 유전성 엘라스토머 막(3)을 통해서 서로 대향해 있다. 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각의 형성 재료는, 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는, 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각은, 예를 들면, 탄소 재료, 도전성 고분자 화합물 및 금속 재료 등의 도전성 재료 중의 어느 1종류 또는 2종류 이상을 포함하고 있다. 탄소 재료는, 예를 들면, 흑연, 플러렌, 카본나노튜브(CNT) 및 그래핀 등이다. 이 탄소 재료에는, 예를 들면, 금속 도프 처리, 금속 내포(內包) 처리 및 금속 도금 처리 등의 처리 중 어느 1종류 또는 2종류 이상이 실시되어 있어도 된다. 도전성 고분자 화합물은, 예를 들면, 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌비닐렌 및 폴리벤조티아졸 등이다. 금속 재료는, 예를 들면, 은(Ag), 금(Au) 및 알루미늄(Al) 등이며, 합금이어도 된다. 단, 제1 전극(1)의 형성 재료와 제2 전극(2)의 형성 재료는, 서로 동일해도 되고, 서로 달라도 된다.

제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각은, 후술하는 변환기의 동작(유전성 엘라스토머 막(3)의 변형)을 실행시키기 쉽게 하기 위해, 그 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형(신장 및 수축)에 대응하여 변형 가능한 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각은, 이른바 유연성(신축성)을 갖고 있는 것이 바람직하다.

제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각의 두께는, 특별히 한정되지 않는다. 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각의 두께는, 예를 들면, 변환기의 용도 등에 따라서 결정된다. 또한, 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각은, 단층(單層)이어도 되고, 다층이어도 된다.

제1 전극(1)은, 예를 들면, 제1 고유전율 막(4)에 인접되어 있다. 여기서는, 제1 전극(1)은, 예를 들면, 제1 고유전율 막(4)의 표면의 일부에 인접되어 있다.

동일하게, 제2 전극(2)은, 예를 들면, 제2 고유전율 막(5)에 인접되어 있다. 여기서는, 제2 전극(2)은, 예를 들면, 제2 고유전율 막(5)의 표면의 일부에 인접되어 있다.

[유전성 엘라스토머 막]

유전성 엘라스토머 막(3)은, 제1 전극(1)과 제2 전극(2)의 사이에 배치되어 있으며, 비유전율 ε1을 가지고 있다.

비유전율 ε1의 값은, 특별히 한정되지 않는다. 그 중에서도, 비유전율 ε1은, 1.1<ε1≤130을 만족시키고 있는 것이 바람직하며, 1.8<ε1≤100을 만족시키고 있는 것이 더 바람직하다.

이 유전성 엘라스토머 막(3)은, 엘라스토머(고무 모양 탄성을 가지는 고분자 화합물) 중의 어느 1종류 또는 2종류 이상을 포함하고 있다. 엘라스토머의 종류는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 열경화성 엘라스토머, 열가소성 엘라스토머 및 에너지선(線) 경화성 엘라스토머 등이다.

열경화성 엘라스토머의 종류는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 천연고무, 합성고무, 실리콘고무계 엘라스토머, 우레탄고무계 엘라스토머 및 불소고무계 엘라스토머 등이다.

열가소성 엘라스토머의 종류는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 스티렌계 엘라스토머, 올레핀계 엘라스토머, 염화비닐계 엘라스토머, 우레탄계 엘라스토머, 아미드계 엘라스토머 및 에스테르계 엘라스토머 등이다. 염화비닐계 엘라스토머는, 예를 들면, 폴리염화비닐(PVC) 등이다.

에너지선 경화성 엘라스토머는, 임의의 에너지선 중의 어느 1종류 또는 2종류 이상을 이용하여 경화되는 엘라스토머이다. 에너지선의 종류는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 전파, 자외선, 가시광선 및 적외선 등이며, 더 구체적으로는, 전자파 에너지선 및 고에너지선 등이다. 에너지선 중의 빛(파장=200㎚∼700㎚)의 광원은, 예를 들면, 초고압 수은램프, 고압 수은램프, 중압 수은램프, 저압 수은램프, 수은 증기 아크등, 크세논 아크등, 카본 아크등, 메탈핼라이드 램프, 형광등, 텅스텐 램프, 엑시머 램프, 살균등, 발광 다이오드 및 CRT 광원 등이다. 그 중에서도, 파장이 300㎚∼450㎚인 빛을 발생시키는 초고압 수은램프, 수은 증기 아크등, 카본 아크등 및 크세논 아크등 등이 바람직하다. 전파의 주파수대로서는, 예를 들면, 산업과학의료용(ISM)으로서 전파법에 의해 정해져 있는 주파수대 및 유럽과 미국 등에서 사용되고 있는 915㎒대 등을 들 수 있다. 고에너지선은, 예를 들면, 전자선, X선 및 방사선 등이다.

단, 유전성 엘라스토머 막(3)은, 상기한 엘라스토머와 함께, 다른 재료 중의 어느 1종류 또는 2종류 이상을 포함하고 있어도 된다. 이 다른 재료는, 예를 들면, 각종 첨가제 등이다.

유전성 엘라스토머 막(3)의 두께는, 특별히 한정되지 않는다. 이 유전성 엘라스토머 막(3)의 두께는, 예를 들면, 변환기의 용도 등에 따라서 결정된다. 또한, 유전성 엘라스토머 막(3)은, 단층이어도 되고, 다층이어도 된다.

[제1 고유전율 막 및 제2 고유전율 막]

제1 고유전율 막(4)은, 제1 전극(1)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 배치되어 있으며, 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε2를 가지고 있다. 이 제1 고유전율 막(4)은, 예를 들면, 제1 전극(1) 및 유전성 엘라스토머 막(3)의 각각에 인접해 있다.

비유전율 ε2의 값은, 특별히 한정되지 않는다. 그 중에서도, 비유전율 ε2는, 1.1<ε2≤5000을 만족시키고 있는 것이 바람직하며, 1.8<ε2≤5000을 만족시키고 있는 것이 더 바람직하다.

제1 고유전율 막(4)의 구성은, 상기한 바와 같이, 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε2를 가지고 있으면, 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는, 제1 고유전율 막(4)은, 비유전율 ε2를 갖기 위해, 고유전성 재료 중의 어느 1종류 또는 2종류 이상을 포함하고 있다. 이 제1 고유전율 막(4)의 구체적인 구성(고유전성 재료의 상세)에 관해서는, 후술한다.

제2 고유전율 막(5)은, 제2 전극(2)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 배치되어 있으며, 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε2를 가지고 있다. 단, 제1 고유전율 막(4)의 비유전율 ε2의 값과 제2 고유전율 막(5)의 비유전율 ε2의 값은, 서로 동일해도 되고, 서로 달라도 된다. 이 제2 고유전율 막(5)은, 예를 들면, 제2 전극(2) 및 유전성 엘라스토머 막(3)의 각각에 인접해 있다.

제2 고유전율 막(5)의 구성은, 상기한 바와 같이, 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε2를 가지고 있으면, 특별히 한정되지 않는다. 이 제2 고유전율 막(5)의 구성에 관한 상세는, 예를 들면, 제1 고유전율 막(4)의 구성에 관한 상세와 동일하다. 단, 제1 고유전율 막(4)의 구성과 제2 고유전율 막(5)의 구성은, 서로 동일해도 되고, 서로 달라도 된다. 이 제2 고유전율 막(5)의 구체적인 구성에 관해서는, 후술한다.

제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)의 각각의 두께는, 특별히 한정되지 않는다. 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)의 각각의 두께는, 예를 들면, 변환기의 용도 등에 따라서 결정된다. 또한, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)의 각각은, 단층이어도 되고, 다층이어도 된다.

이 변환기는, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5) 중의 어느 한쪽만을 구비하고 있어도 되고, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)의 양쪽을 구비하고 있어도 된다. 도 1에서는, 예를 들면, 변환기가 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)의 양쪽을 구비하고 있는 경우를 나타내고 있다.

이 외에, 변환기는, 예를 들면, 도 1에 대응하는 도 2(기본 구성 2)에 나타낸 바와 같이, 제2 고유전율 막(5)을 구비하지 않고, 제1 고유전율 막(4)만을 구비하고 있어도 된다. 이 경우에는, 제2 전극(2)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 제2 고유전율 막(5)이 배치되어 있지 않기 때문에, 그 제2 전극(2)이 유전성 엘라스토머 막(3)에 인접해 있다. 또한, 도 2에 나타낸 변환기는, 제2 고유전율 막(5)을 구비하고 있지 않은 점을 제외하고, 도 1에 나타낸 변환기와 동일한 구성을 갖고 있다.

또는, 변환기는, 예를 들면, 도 1에 대응하는 도 3(기본 구성 3)에 나타낸 바와 같이, 제1 고유전율 막(4)을 구비하지 않고, 제2 고유전율 막(5)만을 구비하고 있어도 된다. 이 경우에는, 제1 전극(1)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 제1 고유전율 막(4)이 배치되어 있지 않기 때문에, 그 제1 전극(1)이 유전성 엘라스토머 막(3)에 인접해 있다. 또한, 도 3에 나타낸 변환기는, 제1 고유전율 막(4)을 구비하고 있지 않은 점을 제외하고, 도 1에 나타낸 변환기와 동일한 구성을 갖고 있다.

유전성 엘라스토머 막(3)의 비유전율 ε1을 특정하기 위해서는, 예를 들면, 변환기를 해체하는 것에 의해, 그 변환기로부터 유전성 엘라스토머 막(3)을 취출한 후, LCR미터 등이 탑재된 유전체 측정 시스템을 이용하여 유전성 엘라스토머 막(3)의 유전율 ε을 측정하는 것에 의해, 비유전율 ε1(=ε/ε0, 단, ε0은 진공의 유전율이며, 거의 1이다.)을 산출한다. 또한, 제1 고유전율 막(4)의 비유전율 ε2 및 제2 고유전율 막(5)의 비유전율 ε2의 각각을 특정하는 수순은, 예를 들면, 유전성 엘라스토머 막(3)을 대신하여 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)의 각각을 이용하는 점을 제외하고, 상기한 유전성 엘라스토머 막(3)의 비유전율 ε1을 특정하는 수순과 동일하다.

여기서, 상기한 변환기의 구체적인 구성은, 예를 들면, 이하와 같다. 이하에서는, 도 1∼도 3에 나타낸 변환기의 일련의 구성요소를 수시로 인용한다.

<1-2. 구체적인 구성예 1>

도 4는, 변환기의 구체적인 단면 구성(기본 구성 1이 적용된 구성예 1)을 나타내고 있으며, 도 1에 대응하고 있다. 이 변환기는, 예를 들면, 제1 고유전율 막(4)에 대응하는 제1 고유전율 막(6)과, 제2 고유전율 막(5)에 대응하는 제2 고유전율 막(7)을 구비하고 있는 점을 제외하고, 도 1에 나타낸 변환기와 동일한 구성을 갖고 있다.

제1 전극(1)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 배치되어 있는 제1 고유전율 막(6)은, 제1 고유전율 막(4)으로서 기능하기 위해, 비유전율 ε2를 갖고 있다.

이 제1 고유전율 막(6)은, 비유전율 ε2를 갖기 위해서, 예를 들면, 엘라스토머(61)를 포함하고 있다. 이 엘라스토머(61)는, 상기한 고유전성 재료이며, 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε3을 가지고 있다.

비유전율 ε3의 값에 관한 상세는, 상기한 비유전율 ε1의 값에 관한 상세와 동일하다.

엘라스토머(61)의 종류는, 비유전율 ε3을 가지고 있는 점을 제외하고, 유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료(엘라스토머)와 동일하다.

제2 전극(2)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 배치되어 있는 제2 고유전율 막(7)은, 제2 고유전율 막(5)으로서 기능하기 위해, 비유전율 ε2를 갖고 있다.

이 제2 고유전율 막(7)은, 비유전율 ε2를 갖기 위해, 예를 들면, 엘라스토머(71)를 포함하고 있다. 이 엘라스토머(71)는, 상기한 고유전성 재료이며, 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε3을 갖고 있다. 단, 엘라스토머(61)의 비유전율 ε3의 값과 엘라스토머(71)의 비유전율 ε3의 값은, 서로 동일해도 되고, 서로 달라도 된다.

엘라스토머(71)의 종류는, 비유전율 ε3을 갖고 있는 점을 제외하고, 유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료(엘라스토머)와 동일하다. 단, 엘라스토머(61)의 종류와 엘라스토머(71)의 종류는, 서로 동일해도 되고, 서로 달라도 된다.

이 외에, 변환기는, 예를 들면, 도 2에 대응하는 도 5(기본 구성 2가 적용된 구성예 1)에 나타낸 바와 같이, 제2 고유전율 막(7)을 구비하지 않고, 제1 고유전율 막(6)만을 구비하고 있어도 된다. 이 경우에는, 제2 전극(2)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 제2 고유전율 막(7)이 배치되어 있지 않기 때문에, 그 제2 전극(2)이 유전성 엘라스토머 막(3)에 인접해 있다. 또한, 도 5에 나타낸 변환기는, 제2 고유전율 막(7)을 구비하고 있지 않은 점을 제외하고, 도 4에 나타낸 변환기와 동일한 구성을 가지고 있다.

또는, 변환기는, 예를 들면, 도 3에 대응하는 도 6(기본 구성 3이 적용된 구성예 1)에 나타낸 바와 같이, 제1 고유전율 막(6)을 구비하지 않고, 제2 고유전율 막(7)만을 구비하고 있어도 된다. 이 경우에는, 제1 전극(1)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 제1 고유전율 막(6)이 배치되어 있지 않기 때문에, 그 제1 전극(1)이 유전성 엘라스토머 막(3)에 인접해 있다. 또한, 도 6에 나타낸 변환기는, 제1 고유전율 막(6)을 구비하고 있지 않은 점을 제외하고, 도 4에 나타낸 변환기와 동일한 구성을 갖고 있다.

<1-3. 구체적인 구성예 2>

도 7은, 변환기의 구체적인 단면 구성(기본 구성 1이 적용된 구성예 2)을 나타내고 있으며, 도 1에 대응하고 있다. 이 변환기는, 예를 들면, 제1 고유전율 막(4)에 대응하는 제1 고유전율 막(8)과, 제2 고유전율 막(5)에 대응하는 제2 고유전율 막(9)을 구비하고 있는 점을 제외하고, 도 1에 나타낸 변환기와 동일한 구성을 갖고 있다.

제1 전극(1)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 배치되어 있는 제1 고유전율 막(8)은, 제1 고유전율 막(4)으로서 기능하기 위해, 비유전율 ε2를 갖고 있다.

이 제1 고유전율 막(8)은, 비유전율 ε2를 갖기 위해서, 예를 들면, 복수의 입자(81)와, 엘라스토머(82)를 포함하고 있다. 이 복수의 입자(81)는, 엘라스토머(82) 중에 있어서 분산되어 있다. 제1 고유전율 막(8) 중에 있어서의 복수의 입자(81)의 함유량은, 특별히 한정되지 않는다.

복수의 입자(81)는, 상기한 고유전성 재료이며, 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε4를 가지고 있다.

비유전율 ε4의 값은, 특별히 한정되지 않는다. 그 중에서도, 비유전율 ε4는, 1.1<ε4≤5000을 만족시키고 있는 것이 바람직하며, 1.4<ε4≤5000을 만족시키고 있는 것이 더 바람직하다.

복수의 입자(81)의 종류는, 비유전율 ε4를 가진 무기(無機) 재료 등 중의 어느 1종류 또는 2종류 이상을 포함하고 있으면, 특별히 한정되지 않는다.

무기 재료의 종류는, 특별히 한정되지 않는다. 이 무기 재료는, 예를 들면, 세라믹 재료를 포함하고 있으며, 그 세라믹 재료는, 예를 들면, 페로브스카이트 결정 구조를 가진 금속산화물 입자 및 비스무트 층상 구조를 가진 강유전체 입자 등이다. 이 금속산화물 입자는, 예를 들면, 산화규소, 산화알루미늄, 산화아연, 산화철, 산화티탄, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 티탄산납, 티탄산지르콘산납(PZT), 티탄산비스무트, 티탄산비스무트나트륨, 탄탈산비스무트산스트론튬, 티탄산비스무트산란탄, 니오브산칼륨 및 그들의 유도체 등이다. 이 외에, 무기 재료는, 예를 들면, 탄소 재료를 포함하고 있어도 된다. 이 탄소 재료는, 예를 들면, 흑연, 플러렌, 카본나노튜브(CNT), 그래핀 및 그들의 유도체 등이다.

그 중에서도, 세라믹 재료는, 티탄산바륨 및 그 유도체 중의 한쪽 또는 양쪽인 것이 바람직하다. 높은 비유전율 ε4가 얻어지기 때문이다.

티탄산바륨은, 예를 들면, 티탄산바륨(이티탄산바륨:BaTi₂O₅) 및 티탄산바륨(BaTiO₃)과 함께, 그들 티탄산바륨의 환원물 등이다.

티탄산바륨의 유도체는, 예를 들면, 티탄산바륨 중의 일부 금속 원자가 다른 금속 원자에 의해 치환된 화합물이다. 「티탄산바륨 중의 일부」란, A 사이트인 바륨(Ba) 중의 일부 또는 B 사이트인 티탄(Ti) 중의 일부이며, 바륨 및 티탄의 각각의 일부여도 된다. 「다른 금속 원자」란, 티탄 및 바륨 이외의 금속 원자이며, 예를 들면, 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 디스프로슘(Dy), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt) 등이다.

흑연, 플러렌 및 카본나노튜브의 각각의 유도체는, 예를 들면, 흑연, 플러렌 및 카본나노튜브의 각각에 금속 도프 처리, 금속 내포 처리 및 금속 도금 처리 등의 처리 중 어느 1종류 또는 2종류 이상이 실시된 재료 등이다.

엘라스토머(82)는, 비유전율 ε5를 가지고 있으며, 그 비유전율 ε5의 값은, 특별히 한정되지 않는다. 즉, 비유전율 ε5의 값은, 비유전율 ε1의 값보다 작아도 되고, 비유전율 ε1의 값보다 커도 되고, 비유전율 ε1의 값과 동일해도 된다. 단, 비유전율 ε5의 값은, 비유전율 ε1의 값보다 큰 것이 바람직하다.

비유전율 ε5의 값은, 특별히 한정되지 않는다. 그 중에서도, 비유전율 ε5는, 1.1<ε1≤130을 만족시키고 있는 것이 바람직하며, 1.8<ε1≤100을 만족시키고 있는 것이 더 바람직하다.

엘라스토머(82)의 종류는, 비유전율 ε5를 가지고 있는 점을 제외하고, 유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료(엘라스토머)와 동일하다.

제2 전극(2)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 배치되어 있는 제2 고유전율 막(9)은, 제2 고유전율 막(5)으로서 기능하기 위해, 비유전율 ε2를 갖고 있다.

이 제2 고유전율 막(9)은, 비유전율 ε2를 갖기 위해, 예를 들면, 복수의 입자(91)와, 엘라스토머(92)를 포함하고 있다. 이 복수의 입자(91)는, 엘라스토머(92) 중에 있어서 분산되어 있다. 제2 고유전율 막(9) 중에 있어서의 복수의 입자(91)의 함유량은, 특별히 한정되지 않는다.

복수의 입자(91)는, 상기한 고유전성 재료이며, 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε4를 갖고 있다. 단, 복수의 입자(81)의 비유전율 ε4의 값과 복수의 입자(91)의 비유전율 ε4의 값은, 서로 같아도 되고, 서로 달라도 된다.

복수의 입자(91)의 종류는, 비유전율 ε4를 가진 무기 재료 중의 어느 1종류 또는 2종류 이상을 포함하고 있으면, 특별히 한정되지 않는다. 이 무기 재료에 관한 상세는, 상기한 바와 같다. 단, 복수의 입자(81)가 포함하고 있는 무기 재료의 종류와 복수의 입자(91)가 포함하고 있는 무기 재료의 종류는, 서로 같아도 되고, 서로 달라도 된다.

엘라스토머(92)는, 비유전율 ε5를 가지고 있으며, 그 비유전율 ε5의 값은, 특별히 한정되지 않는다. 이 비유전율 ε5의 값에 관한 상세는, 예를 들면, 상기한 바와 같다. 단, 엘라스토머(82)의 비유전율 ε5의 값과 엘라스토머(92)의 비유전율 ε5의 값은, 서로 같아도 되고, 서로 달라도 된다. 또한, 엘라스토머(92)의 종류는, 비유전율 ε5를 가지고 있는 것을 제외하고, 유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료(엘라스토머)와 마찬가지이다. 단, 엘라스토머(82)의 종류와 엘라스토머(92)의 종류는, 서로 같아도 되고, 서로 달라도 된다.

이 외에, 변환기는, 예를 들면, 도 2에 대응하는 도 8(기본 구성 2가 적용된 구성예 2)에 나타낸 바와 같이, 제2 고유전율 막(9)을 구비하지 않고, 제1 고유전율 막(8)만을 구비하고 있어도 된다. 이 경우에는, 제2 전극(2)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 제2 고유전율 막(9)이 배치되어 있지 않기 때문에, 그 제2 전극(2)이 유전성 엘라스토머 막(3)에 인접해 있다. 또한, 도 8에 나타낸 변환기는, 제2 고유전율 막(9)을 구비하고 있지 않은 것을 제외하고, 도 7에 나타낸 변환기와 마찬가지인 구성을 갖고 있다.

또는, 변환기는, 예를 들면, 도 3에 대응하는 도 9(기본 구성 3이 적용된 구성예 2)에 나타낸 바와 같이, 제1 고유전율 막(8)을 구비하지 않고, 제2 고유전율 막(9)만을 구비하고 있어도 된다. 이 경우에는, 제1 전극(1)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 제1 고유전율 막(8)이 배치되어 있지 않기 때문에, 그 제1 전극(1)이 유전성 엘라스토머 막(3)에 인접해 있다. 또한, 도 9에 나타낸 변환기는, 제1 고유전율 막(8)을 구비하고 있지 않은 것을 제외하고, 도 7에 나타낸 변환기와 마찬가지인 구성을 갖고 있다.

<1-4. 동작>

이 변환기는, 예를 들면, 이하와 같이 동작한다.

제1 전극(1)과 제2 전극(2)의 사이에 전압이 인가되면, 정전기력에 기인하여, 전하 입자 사이에 인력 및 척력(斥力)이 발생한다. 구체적으로는, 제1 전극(1)의 내부에 있어서 전하 입자끼리가 서로 반발함과 아울러, 제2 전극(2)의 내부에 있어서 전하 입자끼리가 서로 반발한다. 또한, 제1 전극(1)의 내부의 전하 입자와 제2 전극(2)의 내부의 전하 입자가 서로 끌어당긴다. 이에 의해, 유전성 엘라스토머 막(3)이 변형된다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)은, 두께방향에 있어서 수축함과 아울러, 면방향에 있어서 신장한다. 이 후, 전압의 인가가 정지하면, 유전성 엘라스토머 막(3)이 전압 인가 전의 상태로 복귀한다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)은, 두께방향에 있어서 신장함과 아울러, 면방향에 있어서 수축한다. 또한, 유전성 엘라스토머 막(3)이 변형되는 경우에는, 그 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형에 대응하여 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각도 변형된다.

따라서, 변환기에 전기적 에너지(전압)가 공급되면, 그 변환기에 의해 전기적 에너지가 기계적 에너지(신축 운동)로 변환된다.

또한, 도 1∼도 9에 있어서, 「두께방향」이란, 제1 전극(1)과 제2 전극(2)이 서로 대향해 있는 방향(상하방향)임과 아울러, 「면방향」이란, 상기한 두께방향과 교차하는 방향(좌우방향)이다.

또는, 변환기는, 유연성을 가진 제1 전극(1)과 유연성을 가진 제2 전극(2)에 의해 유전성 엘라스토머 막(3)이 끼인 구성을 갖고 있다. 이 때문에, 변환기는, 외력(외부로부터 공급되는 기계적 에너지)에 따라 정전(靜電) 용량이 변화하는 일종의 가변 용량 콘덴서라고 생각할 수 있다. 단, 정전 용량이 변화할 때, 가변 용량 콘덴서의 체적은 일정하다.

이 변환기에서는, 외력이 공급되면, 그 외력에 따라서 유전성 엘라스토머 막(3)이 변형된다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)이 두께방향에 있어서 수축함과 아울러 면방향에 있어서 신장하면, 그 유전성 엘라스토머 막(3)의 두께가 얇아진다. 이에 의해, 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각의 면적이 확대되기 때문에, 변환기는 고용량(高容量) 상태가 된다. 이 후, 외력의 공급이 정지하면, 유전성 엘라스토머 막(3) 자신의 탄성력에 의해, 그 유전성 엘라스토머 막(3)이 외력의 공급 전의 상태로 복귀한다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)이 두께방향에 있어서 신장함과 아울러 면방향에 있어서 수축하면, 그 유전성 엘라스토머 막(3)의 두께가 두꺼워진다. 이에 의해, 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각의 면적이 축소되기 때문에, 변환기는 저용량 상태가 된다. 이러한 전하의 변화가 전위차를 증가시키기 때문에, 정전 에너지가 증가한다.

따라서, 변환기에 기계적 에너지(외력)가 공급되면, 그 변환기에 의해 기계적 에너지가 전기적 에너지(정전 에너지)로 변환된다.

또는, 임의의 물리량을 가진 외력이 변환기에 공급되면, 그 외력에 따라 유전성 엘라스토머 막(3)이 변형되기 때문에, 제1 전극(1)과 제2 전극(2) 사이의 정전 용량(전기적 에너지)이 변화된다. 이 정전 용량의 변화에 기초하여, 변환기에 대한 외력의 공급이 검출됨과 아울러, 그 외력의 값(물리량)이 특정된다.

따라서, 임의의 물리량을 가진 외력이 공급되면, 그 변환기에 의해 정전 용량의 변화에 기초하여 외력의 공급 등이 검출된다.

여기서 설명하는 변환기는, 더 구체적으로는, 상기한 물리량의 변환을 이용하여, 그 변환기의 용도에 따른 다양한 기능을 발휘한다. 이 변환기의 기능의 상세에 관해서는, 그 변환기의 용도와 병행하여 후술한다.

<1-5. 제조 방법>

다음으로, 변환기의 제조 방법에 관해서 설명한다.

이 변환기는, 예를 들면, 이하의 수순에 따라 제조된다. 또한, 이하에서는, 도 1에 나타낸 변환기를 제조하는 경우를 예로 든다. 또한, 변환기의 일련의 구성요소의 형성 재료 등에 관해서는 이미 상세히 설명했으므로, 이하에서는, 그 설명을 생략한다.

[유전성 엘라스토머 막의 준비]

가장 먼저, 비유전율 ε1을 가진 유전성 엘라스토머 막(3)을 준비한다. 이 유전성 엘라스토머 막(3)은, 서로 대향하는 한 쌍의 면을 갖고 있다. 이 「한 쌍의 면」이란, 한쪽 면(상면) 및 다른쪽 면(하면)이다. 또한, 유전성 엘라스토머 막(3)을 형성하는 수순은, 예를 들면, 이하와 같다.

유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료로서 열경화성 엘라스토머를 이용하는 경우에는, 예를 들면, 열경화성(미경화)의 엘라스토머를 포함하는 페이스트와, 경화용의 촉매와, 필요에 따라 희석용의 용매 등을 혼합한 후, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액(예를 들면, 슬러리)을 얻는다.

희석용 용매의 종류는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 톨루엔, 시클로헥산, 자일렌, 테트라히드로푸란, 클로로포름, 메틸에틸케톤 및 메틸이소부틸케톤 등의 유기 용제 중의 어느 1종류 또는 2종류 이상이다. 이 희석용 용매에 관한 상세는, 이후에 있어서도 마찬가지이다.

이어서, 지지 필름의 일면에 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 가열 건조시키는 것에 의해, 열경화성의 엘라스토머를 반응(열경화)시킨다. 혼합용액을 도포하는 경우에는, 예를 들면, 바 코터, 다이 코터, 커튼 코터, 롤 코터, 스핀 코터 등의 코팅 장치 중의 어느 1종류 또는 2종류 이상을 이용한다. 이 외에, 혼합용액을 도포하기 위해, 예를 들면, 각종 인쇄 방법을 이용해도 되고, 침지법을 이용해도 된다. 이 혼합용액의 도포 방법에 관한 상세는, 이후에 있어서도 마찬가지이다. 지지 필름의 종류는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 플라스틱 필름이다. 이에 의해, 열경화성 엘라스토머의 경화물이 시트(필름) 모양으로 성형되기 때문에, 비유전율 ε1을 가진 유전성 엘라스토머 막(3)이 얻어진다. 이 후, 유전성 엘라스토머 막(3)으로부터 지지 필름을 박리한다.

유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료로서 열가소성 엘라스토머를 이용하는 경우에는, 예를 들면, 열가소성의 엘라스토머를 포함한 페이스트와, 필요에 따라 희석용의 용매 등을 혼합한 후, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액을 얻는다. 이어서, 지지 필름의 일면에 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 건조시킨다. 이 경우에는, 혼합용액을 가열 건조시켜도 되고, 혼합용액을 감압 건조시켜도 된다. 이에 의해, 열가소성 엘라스토머가 시트(필름) 모양으로 성형되기 때문에, 비유전율 ε1을 가진 유전성 엘라스토머 막(3)이 얻어진다. 이 후, 유전성 엘라스토머 막(3)으로부터 지지 필름을 박리한다.

유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료로서 에너지선 경화성 엘라스토머를 이용하는 경우에는, 예를 들면, 에너지선 경화성(미경화)의 엘라스토머를 포함하는 페이스트와, 필요에 따라 희석용 용매 등을 혼합한 후, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액을 얻는다. 이어서, 지지 필름의 일면에 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액에 에너지선을 조사한다. 이에 의해, 에너지선 경화성 엘라스토머의 경화물이 시트(필름) 모양으로 성형되기 때문에, 비유전율 ε1을 가진 유전성 엘라스토머 막(3)이 얻어진다. 이 후, 유전성 엘라스토머 막(3)으로부터 지지 필름을 박리한다.

[제1 고유전율 막 및 제2 고유전율 막의 형성]

이어서, 유전성 엘라스토머 막(3) 중의 한쪽 면에, 비유전율 ε2를 가진 제1 고유전율 막(4)을 형성함과 아울러, 다른쪽 면에, 비유전율 ε2를 가진 제2 고유전율 막(5)을 형성한다.

상기한 <1-2. 구체적인 구성예 1>에 있어서, 제1 고유전율 막(4)에 대응하는 제1 고유전율 막(6)을 형성함과 아울러, 제2 고유전율 막(5)에 대응하는 제2 고유전율 막(7)을 형성하는 수순은, 예를 들면, 이하와 같다.

제1 고유전율 막(6)을 형성하는 경우에는, 예를 들면, 열경화성 엘라스토머를 포함하는 페이스트와, 경화용 촉매와, 필요에 따라 희석용 용매 등을 혼합한 후, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액을 얻는다.

이어서, 유전성 엘라스토머 막(3)의 한쪽 면에 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 가열 건조시키는 것에 의해, 열경화성 엘라스토머를 반응(열경화)시킨다. 이에 의해, 비유전율 ε3을 가진 엘라스토머(61)가 형성되기 때문에, 그 엘라스토머(61)를 포함함과 아울러 비유전율 ε2를 가진 제1 고유전율 막(6)이 형성된다.

제2 고유전율 막(7)을 형성하는 경우에는, 예를 들면, 비유전율 ε3을 가진 엘라스토머(61)를 대신하여, 비유전율 ε3을 가진 엘라스토머(71)를 형성하는 것을 제외하고, 제1 고유전율 막(6)의 형성 수순과 마찬가지의 순서를 이용한다.

한편, 상기한 <1-3. 구체적인 구성예 2>에 있어서, 제1 고유전율 막(4)에 대응하는 제1 고유전율 막(8)을 형성함과 아울러, 제2 고유전율 막(5)에 대응하는 제2 고유전율 막(9)을 형성하는 수순은, 예를 들면, 이하와 같다.

제1 고유전율 막(8)을 형성하는 경우에는, 예를 들면, 비유전율 ε4를 가진 복수의 입자(81)와, 열경화성 엘라스토머를 포함하는 페이스트와, 경화용 촉매와, 필요에 따라 희석용 용매 등을 혼합한 뒤, 그 혼합물을 교반한다. 이에 의해, 복수의 입자(81)가 페이스트 중에 분산된 혼합용액이 얻어진다. 이어서, 유전성 엘라스토머 막(3)의 한쪽 면에 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 가열 건조시키는 것에 의해, 열경화성 엘라스토머를 반응(열경화)시킨다. 이에 의해, 비유전율 ε5를 가진 엘라스토머(82)가 형성됨과 아울러, 그 엘라스토머(82) 중에 있어서 복수의 입자(81)가 분산된다. 따라서, 복수의 입자(81) 및 엘라스토머(82)를 포함함과 아울러 비유전율 ε2를 가지는 제1 고유전율 막(8)이 형성된다.

제2 고유전율 막(9)을 형성하는 경우에는, 예를 들면, 비유전율 ε4를 가진 복수의 입자(81)를 대신하여, 비유전율 ε4를 가진 복수의 입자(91)를 이용함과 아울러, 비유전율 ε5를 가진 엘라스토머(82)를 대신하여, 비유전율 ε5를 가지는 엘라스토머(92)를 형성하는 것을 제외하고, 제1 고유전율 막(8)의 형성 수순과 동일한 수순을 이용한다.

[제1 전극 및 제2 전극의 형성]

마지막으로, 제1 고유전율 막(4)(제1 고유전율 막(6) 또는 제1 고유전율 막(8)) 상에 제1 전극(1)을 형성함과 아울러, 제2 고유전율 막(5)(제2 고유전율 막(7) 또는 제2 고유전율 막(9)) 상에 제2 전극(2)을 형성한다.

제1 전극(1)의 형성 방법은, 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형에 따라서 변형 가능한 제1 전극(1)을 형성할 수 있는 방법이라면, 특별히 한정되지 않는다. 여기서는, 예를 들면, 제1 전극(1)을 형성하기 위해, 유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 공정에 있어서 혼합용액을 도포한 경우와 마찬가지인 방법을 이용하여, 제1 고유전율 막(4)의 표면에, 도전성 재료를 포함하는 도전성 페이스트를 도포한 후, 그 도전성 페이스트를 건조시킨다.

제2 전극(2)의 형성 방법은, 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형에 대응하여 변형 가능한 제2 전극(2)을 형성할 수 있는 방법이라면, 특별히 한정되지 않는다. 여기서는, 예를 들면, 제2 전극(2)을 형성하기 위해, 유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 공정에 있어서 혼합용액을 도포한 경우와 동일한 방법을 이용하여, 제2 고유전율 막(5)의 표면에, 도전성 재료를 포함하는 도전성 페이스트를 도포한 후, 그 도전성 페이스트를 건조시킨다.

이에 의해, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)을 구비한 변환기가 완성된다.

또한, 여기서는 상세히 설명하지 않지만, 도 2 및 도 3의 각각에 나타낸 변환기는, 상기한 도 1에 나타낸 변환기의 제조 수순과 동일한 수순을 이용하여 제조된다.

즉, 도 2에 나타낸 변환기의 제조 수순은, 예를 들면, 제2 고유전율 막(5)(제2 고유전율 막(7) 또는 제2 고유전율 막(9))을 형성하지 않는 것을 제외하고, 도 1에 나타낸 변환기의 제조 수순과 동일하다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)의 다른쪽 면에 제2 전극(2)을 형성한다.

또한, 도 3에 나타낸 변환기의 제조 수순은, 예를 들면, 제1 고유전율 막(4)(제1 고유전율 막(6) 또는 제1 고유전율 막(8))을 형성하지 않는 것을 제외하고, 도 1에 나타낸 변환기의 제조 수순과 동일하다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)의 한쪽 면에 제1 전극(1)을 형성한다.

<1-6. 작용 및 효과>

본 발명의 일 실시형태의 변환기에 의하면, 이하에서 설명하는 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

[주된 작용 및 효과]

본 발명의 변환기는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 유전성 엘라스토머 막(3)(비유전율 ε1)과 함께, 제1 고유전율 막(4)(비유전율 ε2>ε1) 및 제2 고유전율 막(5)(비유전율 ε2>ε1)을 구비하고 있다. 따라서, 이하에서 설명하는 이유에 의해, 뛰어난 변환 특성을 얻을 수 있다.

도 10은, 비교예의 변환기의 단면 구성을 나타내고 있으며, 도 1에 대응하고 있다. 이 비교예의 변환기는, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)을 구비하고 있지 않기 때문에, 제1 전극(1)과 제2 전극(2)의 사이에 유전성 엘라스토머 막(3)(비유전율 ε1)만이 배치되어 있는 것을 제외하고, 본 발명의 변환기와 마찬가지의 구성을 갖고 있다.

비교예의 변환기에 있어서, 변환 효율을 향상시키기 위해서는, 비유전율 ε1을 크게 하는 것에 의해, 변환기 전체의 비유전율을 증가시키면 된다. 그러나 비유전율 ε1이 커지면, 유전성 엘라스토머 막(3)이 딱딱해지기 때문에, 그 유전성 엘라스토머 막(3)이 변형되기 어려워진다. 따라서, 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형능력을 확보하면서 변환 효율을 향상시키는 것이 어렵기 때문에, 뛰어난 변환 특성이 얻어지지 않는다.

이에 대해, 본 발명의 변환기에 있어서, 그 변환기 전체의 비유전율을 증가시키기 위해서는, 비유전율 ε1을 크게 하지 않아도, 비유전율 ε2를 크게 하면 된다. 이에 의해, 변환기 전체의 비유전율이 증가하기 때문에, 변환 효율이 향상되기 쉬워진다. 게다가, 비유전율 ε2를 크게 해도, 비유전율 ε1을 작게 하는 것에 의해, 유전성 엘라스토머 막(3)이 딱딱해지기 어렵다. 이에 의해, 유전성 엘라스토머 막(3), 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)을 포함하는 전체 막이 딱딱해지기 어렵기 때문에, 그 유전성 엘라스토머 막(3)이 변형되기 쉬워진다. 따라서, 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형능력을 확보하면서 변환 효율을 향상시키는 것이 가능하기 때문에, 뛰어난 변환 특성을 얻을 수 있다.

또한, 상기한 본 발명의 변환기에 관한 작용 및 효과는, 도 1에 나타낸 경우에 한정되지 않고, 도 2 및 도 3의 각각에 나타낸 경우에 있어서도 동일하게 얻어진다. 왜냐하면, 변환기가 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5) 중의 어느 한쪽만이라도 구비하고 있으면, 변환기가 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5) 모두를 구비하고 있지 않은 경우와는 달리, 상기한 이유에 의해, 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형능력을 확보하면서 변환 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다. 단, 변환 특성을 더 향상시키기 위해서는, 변환기가 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5) 중의 어느 한쪽만을 구비하고 있는 경우보다, 변환기가 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5) 양쪽을 구비하고 있는 경우가 바람직하다.

특히, 도 4∼도 6에 나타낸 바와 같이, 엘라스토머(61)(비유전율 ε3>ε1)를 포함하는 제1 고유전율 막(6)과, 엘라스토머(71)(비유전율 ε3>ε1)를 포함하는 제2 고유전율 막(7) 중의 한쪽 또는 양쪽을 이용하면, 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형능력을 확보하면서 변환 효율을 충분히 향상시킬 수 있다.

또한, 도 7∼도 9에 나타낸 바와 같이, 복수의 입자(81)(비유전율 ε4>ε1) 및 엘라스토머(82)를 포함하는 제1 고유전율 막(8)과, 복수의 입자(91)(비유전율 ε4>ε1) 및 엘라스토머(92)를 포함하는 제2 고유전율 막(9) 중의 한쪽 또는 양쪽을 이용하면, 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형능력을 확보하면서 변환 효율을 충분히 향상시킬 수 있다.

이 외에, 복수의 입자(81, 91)의 각각이 티탄산바륨 및 그 유도체 중의 한쪽 또는 양쪽을 포함하고 있으면, 비유전율 ε4가 더 커지기 때문에, 더 높은 효과를 얻을 수 있다.

[다른 작용 및 효과]

또한, 본 발명의 변환기에서는, 이하에서 설명하는 이점도 얻어진다.

첫째로, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)을 구비하고 있는 본 발명의 변환기에서는, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)을 구비하고 있지 않은 비교예의 변환기와 비교하여, 내전압성(耐電壓性)이 향상된다. 따라서, 이 관점에 있어서도, 뛰어난 변환 특성을 얻을 수 있다.

둘째로, 비교예의 변환기에서는, 제1 전극(1)과 제2 전극(2)의 사이에 전압이 인가되면, 유전성 엘라스토머 막(3)에 기인하여 누설 전류가 발생하기 쉬워지기 때문에, 변환 효율이 저하하기 쉬워진다. 이 현상은, 특히, 유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료로서 우레탄고무계 엘라스토머 등을 이용한 경우에 있어서 현저해진다.

이에 대해, 본 발명의 변환기에서는, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)의 각각이 전기적인 보호막으로서 기능하기 때문에, 누설 전류가 발생하기 어려워진다. 이에 의해, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)을 이용하여 변환기 전체의 비유전율을 증가시키면서, 그 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)에 의해 누설 전류의 발생이 억제된다. 따라서, 이 관점에 있어서도, 뛰어난 변환 특성을 얻을 수 있다.

셋째로, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)의 각각은, 상기한 전기적인 보호막으로서 기능하는 외에, 수분(水分)에 대한 장벽(보호막)으로서도 기능한다.

구체적으로는, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)을 구비하고 있지 않은 비교예의 변환기에서는, 그 변환기의 내부에 수분이 침입하기 쉬워진다. 변환기의 내부에 수분이 침입하면, 그 수분이 유전성 엘라스토머 막(3)에 흡착되기 때문에, 변환 효율이 저하하기 쉬워짐과 아울러, 유전성 엘라스토머 막(3)도 열화되기 쉬워진다.

이에 대해, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)을 구비하고 있는 본 발명의 변환기에서는, 상기한 바와 같이, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)의 각각이 수분에 대한 장벽으로서 기능하기 때문에, 변환기의 내부에 수분이 침입하기 어려워진다. 이에 의해, 수분이 유전성 엘라스토머 막(3)에 흡착되기 어려워지기 때문에, 변환 효율이 저하하기 어려워짐과 아울러, 유전성 엘라스토머 막(3)도 열화되기 어려워진다. 따라서, 이 관점에 있어서도, 뛰어난 변환 특성을 얻을 수 있다.

넷째로, 비교예의 변환기에서는, 변환 효율을 향상시킴과 아울러 수분의 침입을 방지하기 위해, 유전성 엘라스토머 막(3)(비유전율 ε1)을 다층화하는 것도 생각할 수도 있다. 그러나 유전성 엘라스토머 막(3)을 다층화하면, 각 층에 있어서 분극(分極)이 발생한다. 이에 의해, 분극의 발생 개소(箇所)가 과잉으로 많아지기 때문에, 누설 전류가 현저히 발생하기 쉬워진다.

이에 대해, 본 발명의 변환기에서는, 제1 고유전율 막(4) 및 제2 고유전율 막(5)을 이용하는 것에 의해, 분극의 발생 개소가 과잉으로 많아지는 것을 회피하면서, 변환 효율이 향상됨과 아울러, 수분의 침입이 억제된다. 따라서, 이 관점에 있어서도, 뛰어난 변환 특성을 얻을 수 있다.

다섯째로, 비교예의 변환기에서는, 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각이 유전성 엘라스토머 막(3)에 인접해 있다. 이 경우에는, 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각의 형성 재료인 도전성 페이스트 중에 탄소 재료 및 금속 재료 등의 도전성 입자가 포함되어 있으면, 그 도전성 입자가 유전성 엘라스토머 막(3)에 접촉하기 쉽기 때문에, 그 유전성 엘라스토머 막(3)이 파손되기 쉬워진다. 왜냐하면, 도전성 입자의 형상은, 일반적으로, 예리한 모서리부(角部)를 가진 형상이기 때문에, 그 도전성 입자를 포함하는 도전성 페이스트를 이용한 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)의 각각의 형성 공정에서는, 유전성 엘라스토머 막(3)이 도전성 입자에 의해 손상되기 쉽기 때문이다. 이 유전성 엘라스토머 막(3)의 파손이란, 예를 들면, 유전성 엘라스토머 막(3)이 부분적으로 절단되거나, 또는 유전성 엘라스토머 막(3)이 부분적으로 제거되는 것 등을 의미하고 있다. 변환기의 주요부인 유전성 엘라스토머 막(3)이 파손되면, 제1 전극(1)과 제2 전극(2)이 전기적으로 도통(導通)하기 때문에, 변환기가 근본적으로 구동되지 않는다.

이에 대해, 본 발명의 변환기에서는, 제1 전극(1)과 유전성 엘라스토머 막(3)의 사이에 제1 고유전율 막(4)이 개재되어 있기 때문에, 그 제1 고유전율 막(4)이 물리적인 보호막으로서 기능한다. 또한, 제2 전극(2)과 유전성 엘라스토머 막(3)의 사이에 제2 고유전율 막(5)이 개재되어 있기 때문에, 그 제2 고유전율 막(5)이 물리적인 보호막으로서 기능한다. 이 경우에는, 도전성 페이스트 중에 포함되어 있는 도전성 입자가 유전성 엘라스토머 막(3)에 접촉하기 어려워지기 때문에, 그 유전성 엘라스토머 막(3)이 파손되기 어려워진다. 이에 의해, 제1 전극(1)과 제2 전극(2) 사이의 절연성이 확보되기 때문에, 변환기가 근본적으로 구동되지 않는 것은 방지됨과 아울러, 그 변환기의 수명도 향상된다. 따라서, 이 관점에 있어서도, 뛰어난 변환 특성을 얻을 수 있다.

여섯째로, 본 발명의 변환기에서는, 상기한 바와 같이, 변환 효율이 향상되기 때문에, 예를 들면, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 경우에는, 일정량의 기계적 에너지를 얻기 위해 요구되는 전기적 에너지의 양이 적어도 된다. 상세하게는, 변환 효율이 낮은 경우에는, 일정량의 기계적 에너지를 얻기 위해 요구되는 전기적 에너지의 양은 많아지지만, 변환 효율이 높은 경우에는, 일정량의 기계적 에너지를 얻기 위해 요구되는 전기적 에너지의 양은 적어진다. 따라서, 변환기의 소비 전력을 억제할 수 있다. 또한, 변환기의 소비 전력이 억제됨에 따라, 그 변환기의 수명을 장기화할 수 있다.

<1-7. 변형예>

본 발명의 일 실시형태의 변환기의 구성은, 적절하게, 변경 가능하다.

구체적으로는, 본 발명의 일 실시형태의 변환기의 구성에 관하여, 도 1∼도 3을 참조하면서 기본 구성 1∼3을 설명함과 아울러, 도 4∼도 9를 참조하면서 구체적인 구성예 1, 2를 설명했다. 그러나 도 4∼도 9에 나타낸 일련의 변환기의 구성은, 이하에서 설명하는 바와 같이, 임의로 조합 가능하다. 이 경우에 있어서도, 마찬가지의 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

예를 들면, 도 4에 나타낸 구성예 1과 도 7에 나타낸 구성예 2를 서로 조합해도 된다. 이 경우에는, 예를 들면, 도 11에 나타낸 바와 같이, 변환기는, 제1 고유전율 막(6)과, 제2 고유전율 막(9)을 구비하고 있어도 된다. 또는, 예를 들면, 도 12에 나타낸 바와 같이, 변환기는, 제1 고유전율 막(8)과, 제2 고유전율 막(7)을 구비하고 있어도 된다.

<2. 변환기의 용도>

다음으로, 본 발명의 일 실시형태의 변환기의 용도에 관해서 설명한다.

변환기의 용도는, 상기한 바와 같이, 물리량의 변환을 이용하여 변환기가 소망의 기능을 발휘하는 용도이면, 특별히 한정되지 않는다. 이 소망의 기능은, 변환기의 용도에 따라 요구되는 기능이면, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 변환기의 용도는, 능동적 용도여도 되고, 수동적 용도여도 된다. 또한, 변환기의 용도에서는, 1개의 변환기만이 이용되어도 되고, 2개 이상의 변환기가 이용되어도 된다. 특히, 후자의 경우에는, 2개 이상의 변환기에 의해 변환 시스템 등의 집합체가 구축되어도 된다.

<2-1. 기계적 소자>

변환기의 용도는, 예를 들면, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것에 의해, 그 기계적 에너지를 이용하여 특정 기능을 발휘하는 기계적 소자이다.

기계적 소자의 종류는, 기계적 에너지를 이용하여 특정 기능을 발휘하는 소자이면, 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는, 기계적 소자는, 예를 들면, 액추에이터, 스피커 및 액중(液中) 마이크로 폰 등이다. 액추에이터는, 예를 들면, 인공 근육, 로봇 및 솔레노이드 등이다.

이 기계적 소자는, 상기한 변환기의 동작, 즉 전기적 에너지로부터 기계적 에너지로의 변환 동작을 이용하여, 기계적 기능을 발휘한다.

구체적으로는, 제1 전극(1)과 제2 전극(2)의 사이에 전압이 인가되면, 정전기력을 이용하여 유전성 엘라스토머 막(3)이 변형된다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)은, 두께방향에 있어서 수축함과 아울러, 면방향에 있어서 신장한다. 이 후, 상기한 전압의 인가가 정지하면, 자신의 탄성력을 이용하여 유전성 엘라스토머 막(3)이 다시 변형된다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)은, 두께방향에 있어서 신장함과 아울러 면방향에 있어서 수축하기 때문에, 전압 공급 전의 상태에 복귀한다.

따라서, 기계적 소자는, 상기한 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형을 이용하여, 돌출 동작, 후퇴 동작, 왕복(진동) 동작 및 회전 동작 등의 각종 동작을 실행할 수 있다.

<2-2. 전기적 소자>

또한, 변환기의 용도는, 예를 들면, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것에 의해, 그 전기적 에너지를 이용하여 특정 기능을 발휘하는 전기적 소자이다.

전기적 소자의 종류는, 전기적 에너지를 이용하여 특정 기능을 발휘하는 소자이면, 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는, 전기적 소자는, 예를 들면, 발전기 등이다.

이 전기적 소자는, 상기한 변환기의 동작, 즉 기계적 에너지로부터 전기적 에너지로의 변환 동작을 이용하여, 전기적 기능을 발휘한다.

구체적으로는, 전기적 소자에 외력이 공급되면, 그 외력에 따라 유전성 엘라스토머 막(3)이 변형된다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)은, 면방향에 있어서 신장함과 아울러, 두께방향에 있어서 수축한다. 이에 의해, 유전성 엘라스토머 막(3) 중에 있어서 전하가 발생함과 아울러, 그 전하가 유전성 엘라스토머 막(3) 중에 축적된다. 이 후, 상기한 외력의 공급이 정지되면, 자신의 탄성력을 이용하여 유전성 엘라스토머 막(3)이 다시 변형된다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)은, 면방향에 있어서 수축함과 아울러, 두께방향에 있어서 신장한다. 이에 의해, 유전성 엘라스토머 막(3)으로부터 제1 전극(1) 및 제2 전극(2)을 향하여 전하가 압출(押出)되기 때문에, 제1 전극(1)과 제2 전극(2)의 사이에 전위차(정전 에너지)가 발생한다. 이 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형 및 재변형을 반복하는 것에 의해, 정전 에너지가 증가한다.

따라서, 전기적 소자는, 상기한 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형을 이용하여, 발전 동작 등의 각종 동작을 실행할 수 있다.

<2-3. 검출 소자>

또한, 변환기의 용도는, 예를 들면, 압력 등의 물리량을 전기적 에너지로 변환하는 것에 의해, 그 전기적 에너지의 변화에 기초하여 물리량을 검출(측정을 포함)하는 검출 소자이다.

검출 소자의 종류는, 정전 용량 또는 그 정전 용량을 이용한 전기적 신호의 변화에 기초하여 물리량을 검출하는 소자이면, 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는, 검출 소자는, 예를 들면, 압력 센서, 위치 센서 및 진동 센서 등이다.

이 검출 소자는, 상기한 변환기의 동작, 즉 압력 등의 물리량으로부터 정전 용량으로의 변환 동작을 이용하여, 검출 기능을 발휘한다.

구체적으로는, 임의의 물리량을 가진 외력이 검출 소자에 공급되면, 그 외력에 따라 유전성 엘라스토머 막(3)이 변형되기 때문에, 제1 전극(1)과 제2 전극(2) 사이의 정전 용량이 변화된다. 이 정전 용량의 변화에 기초하여, 검출 소자에 대한 외력의 공급이 검출됨과 아울러, 그 외력의 값(물리량)이 특정된다.

따라서, 검출 소자는, 상기한 유전성 엘라스토머 막(3)의 변형을 이용하여, 검출 동작을 실행할 수 있다.

또한, 변환기의 사이즈는, 특별히 한정되지 않는다. 이 변환기의 사이즈는, 예를 들면, 그 변환기의 용도 등에 따라 임의로 설계 가능하다. 물론, 변환기가 적용되는 기계적 소자 및 전기적 소자의 각각의 사이즈도, 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는, 변환기의 용도로서 액추에이터를 예로 들면, 그 액추에이터의 사이즈는, 인간이 용이하게 취급할 수 있도록 한 비교적 대형 사이즈여도 되고, 인간이 용이하게 취급할 수 없도록 한 비교적 소형 사이즈여도 된다.

본 발명의 변환기가 적용되는 용도에서는, 상기한 바와 같이, 그 변환기에 있어서 뛰어난 변환 특성이 얻어지는 것에 수반하여, 그 변환기가 적용되는 용도에 따른 이점을 얻을 수 있다.

이상과 같이, 예를 들면, 변환기가 액추에이터 등의 기계적 소자에 적용된 경우에는, 저소비 전력으로 큰 변형량 등을 얻을 수 있다. 또한, 예를 들면, 변환기가 발전기 등의 전기적 소자에 적용된 경우에는, 큰 정전 용량 및 발전량 등을 얻을 수 있다. 또한, 예를 들면, 변환기가 압력 센서 등의 검출 소자에 적용된 경우에는, 뛰어난 검출 정밀도를 얻을 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 관해서 설명한다. 설명하는 순서는, 하기와 같다. 단, 본 발명의 태양은, 여기서 설명하는 태양으로 한정되지 않는다.

1. 변환기의 제조

2. 변환기의 평가

3. 고찰

<1. 변환기의 제조>

(실험예 1)

이하의 수순에 따라, 유전성 엘라스토머 막(3)이 면방향에 있어서 신장 및 수축하는 변환기(도 4 참조)를 제조했다.

최초로, 열경화성 엘라스토머(실리콘고무계 엘라스토머 A:SRA)를 포함하는 페이스트와, 경화용 촉매를 혼합한 후, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액을 얻었다. 이 경우에는, 페이스트와 촉매의 혼합비(중량비)를 97:3으로 했다. 이어서, 롤 코터를 이용하여 지지 필름(폴리에틸렌테레프탈레이트)의 일면에 원형 모양이 되도록 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 건조시키는 것에 의해, 원형 모양의 유전성 엘라스토머 막(3)(두께=160㎛, 비유전율 ε1=2.8, 직경=20㎜)을 얻었다. 이 후, 유전성 엘라스토머 막(3)으로부터 지지 필름을 박리했다.

이어서, 열경화성 엘라스토머(플로로실리콘고무계 엘라스토머:FSR)를 포함하는 페이스트와, 경화용 촉매를 혼합한 후, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액을 얻었다. 이 경우에는, 페이스트와 촉매의 혼합비(중량비)를 94:6으로 했다.

이어서, 스핀 코터를 이용하여, 유전성 엘라스토머 막(3) 중의 한쪽 면에 원형 모양이 되도록 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 건조시키는 것에 의해, 열경화성 엘라스토머를 반응(열경화)시켰다. 이에 의해, 엘라스토머(61)(플로로실리콘고무계 엘라스토머, 비유전율 ε3=6.9)가 형성되었기 때문에, 그 엘라스토머(61)를 포함하는 원형 모양의 제1 고유전율 막(6)(두께=20㎛, 비유전율 ε2=6.9, 직경=20㎜)이 형성되었다.

마찬가지로, 스핀 코터를 이용하여, 유전성 엘라스토머 막(3) 중의 다른쪽 면에 원형 모양이 되도록 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 건조시키는 것에 의해, 열경화성 엘라스토머를 반응(열경화)시켰다. 이에 의해, 엘라스토머(71)(플로로실리콘고무계 엘라스토머, 비유전율 ε3=6.9)가 형성되었기 때문에, 그 엘라스토머(71)를 포함하는 원형 모양의 제2 고유전율 막(7)(두께=20㎛, 비유전율 ε2=6.9, 직경=20㎜)이 형성되었다.

최후로, 제1 고유전율 막(6)의 표면에 도전성 페이스트(카본 페이스트)를 원형 모양이 되도록 인쇄한 후, 그 도전성 페이스트를 건조시키는 것에 의해, 원형 모양의 제1 전극(1)(직경=20㎜)을 형성했다. 마찬가지로, 제2 고유전율 막(7)의 표면에 도전성 페이스트(카본 페이스트)를 원형 모양이 되도록 인쇄한 후, 그 도전성 페이스트를 건조시키는 것에 의해, 원형 모양의 제2 전극(2)(직경=20㎜)을 형성했다.

이에 의해, 제1 고유전율 막(6) 및 제2 고유전율 막(7)을 구비한 변환기가 완성되었다.

(실험예 2)

유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 수순을 변경함과 아울러, 제1 고유전율 막(6) 및 제2 고유전율 막(7)을 대신하여 제1 고유전율 막(8) 및 제2 고유전율 막(9)을 형성한 것을 제외하고, 실험예 1과 동일한 수순에 따라, 변환기(도 7 참조)를 제조했다.

유전성 엘라스토머 막(3)을 얻는 경우에는, 열경화성 엘라스토머(실리콘고무계 엘라스토머 B:SRB)를 포함하는 페이스트와 경화용 촉매의 혼합비(중량비)를 페이스트:촉매=97:3으로 했다. 이에 의해, 원형 모양의 유전성 엘라스토머 막(3)(두께=160㎛, 비유전율 ε1=2.7)이 얻어졌다.

제1 고유전율 막(8)을 형성하는 경우에는, 열경화성 엘라스토머(실리콘고무계 엘라스토머 B:SRB)를 포함하는 페이스트와, 경화용 촉매와, 복수의 입자(81)(공립 머티리얼 주식회사 제의 티탄산바륨(BaTiO₃), 메디안 지름=50㎚, 비유전율 ε4=2000)를 혼합한 뒤, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액을 얻었다. 이 경우에는, 페이스트와 촉매와 복수의 입자(81)의 혼합비(중량비)를 86:4:10으로 했다. 이어서, 유전성 엘라스토머 막(3) 중의 한쪽 면에, 원형 모양이 되도록 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 건조시키는 것에 의해, 열경화성 엘라스토머를 반응(열경화)시켰다. 이에 의해, 엘라스토머(82)(실리콘고무계 엘라스토머 B:SRB, 비유전율 ε5=2.7)가 형성되었기 때문에, 그 엘라스토머(82)와 함께 복수의 입자(81)를 포함하는 원형 모양의 제1 고유전율 막(8)(두께=20㎛, 비유전율 ε2=3.1)이 형성되었다.

마찬가지로, 제2 고유전율 막(9)을 형성하는 경우에는, 열경화성 엘라스토머(실리콘고무계 엘라스토머 B:SRB)를 포함하는 페이스트와, 경화용 촉매와, 복수의 입자(91)(공립 머티리얼 주식회사 제의 티탄산바륨, 메디안 지름=50㎚, 비유전율 ε4=2000)를 혼합한 뒤, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액을 얻었다. 이 경우에는, 페이스트와 촉매와 복수의 입자(91)의 혼합비(중량비)를 86:4:10으로 했다. 이어서, 유전성 엘라스토머 막(3) 중의 다른쪽 면에, 원형 모양이 되도록 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 건조시키는 것에 의해, 열경화성 엘라스토머를 반응(열경화)시켰다. 이에 의해, 엘라스토머(92)(실리콘고무계 엘라스토머 B:SRB, 비유전율 ε5=2.7)가 형성되었기 때문에, 그 엘라스토머(92)와 함께 복수의 입자(91)를 포함하는 원형 모양의 제2 고유전율 막(9)(두께=20㎛, 비유전율 ε2=3.1)이 형성되었다.

(실험예 3)

유전성 엘라스토머 막(3), 제1 고유전율 막(8) 및 제2 고유전율 막(9)의 각각의 형성 재료(엘라스토머)를 변경한 점을 제외하고, 실험예 2와 동일한 수순에 따라, 변환기(도 7 참조)를 제조했다.

유전성 엘라스토머 막(3)을 얻는 경우에는, 열경화성 엘라스토머(우레탄고무계 엘라스토머:UR)를 포함하는 페이스트와 경화용 촉매의 혼합비(중량비)를 페이스트:촉매=99:1로 했다. 이에 의해, 원형 모양의 유전성 엘라스토머 막(3)(두께=420㎛, 비유전율 ε1=3.1)이 얻어졌다.

제1 고유전율 막(8)을 형성하는 경우에는, 열경화성 엘라스토머(우레탄고무계 엘라스토머:UR)를 포함하는 페이스트와, 경화용 촉매와, 복수의 입자(81)(공립 머티리얼 주식회사 제의 티탄산바륨, 메디안 지름=50㎚, 비유전율 ε4=2000)를 혼합한 뒤, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액을 얻었다. 이 경우에는, 페이스트와 촉매와 복수의 입자(81)의 혼합비(중량비)를 86:4:10으로 했다. 이어서, 유전성 엘라스토머 막(3) 중의 한쪽 면에, 원형 모양이 되도록 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 건조시키는 것에 의해, 열경화성 엘라스토머를 반응(열경화)시켰다. 이에 의해, 엘라스토머(82)(우레탄고무계 엘라스토머:UR, 비유전율 ε5=3.1)가 형성되었기 때문에, 그 엘라스토머(82)와 함께 복수의 입자(81)를 포함하는 원형 모양의 제1 고유전율 막(8)(두께=40㎛, 비유전율 ε2=3.6)이 형성되었다.

마찬가지로, 제2 고유전율 막(9)을 형성하는 경우에는, 열경화성 엘라스토머(우레탄고무계 엘라스토머:UR)를 포함하는 페이스트와, 경화용 촉매와, 복수의 입자(91)(공립 머티리얼 주식회사 제의 티탄산바륨, 메디안 지름=50㎚, 비유전율 ε4=2000)를 혼합한 뒤, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액을 얻었다. 이 경우에는, 페이스트와 촉매와 복수의 입자(91)의 혼합비(중량비)를 86:4:10으로 했다. 이어서, 유전성 엘라스토머 막(3) 중의 다른쪽 면에, 원형 모양이 되도록 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 건조시키는 것에 의해, 열경화성 엘라스토머를 반응(열경화)시켰다. 이에 의해, 엘라스토머(92)(우레탄고무계 엘라스토머, 비유전율 ε5=3.1)가 형성되었기 때문에, 그 엘라스토머(92)와 함께 복수의 입자(91)를 포함하는 원형 모양의 제2 고유전율 막(9)(두께=40㎛, 비유전율 ε2=3.6)이 형성되었다.

(실험예 4)

제1 고유전율 막(6) 및 제2 고유전율 막(7)을 형성하지 않고, 유전성 엘라스토머 막(3)의 두께를 200㎛로 한 것을 제외하고, 실험예 1과 동일한 수순에 따라, 변환기(도 10)를 제조했다. 이 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3) 중의 한쪽 면에 제1 전극(1)을 형성함과 아울러, 다른쪽 면에 제2 전극(2)을 형성했다.

(실험예 5)

제1 고유전율 막(8) 및 제2 고유전율 막(9)을 형성하지 않고, 유전성 엘라스토머 막(3)의 두께를 200㎛로 한 것을 제외하고, 실험예 2와 동일한 수순에 따라, 변환기(도 10)를 제조했다.

(실험예 6)

제1 고유전율 막(8) 및 제2 고유전율 막(9)을 형성하지 않고, 유전성 엘라스토머 막(3)의 두께를 500㎛로 한 것을 제외하고, 실험예 3과 동일한 수순에 따라, 변환기(도 10)를 제조했다.

(실험예 7)

유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료(엘라스토머)를 변경한 점을 제외하고, 실험예 4와 동일한 수순에 따라, 변환기(도 10)를 제조했다.

유전성 엘라스토머 막(3)을 얻는 경우에는, 열경화성 엘라스토머(플로로실리콘고무계 엘라스토머:FSR)를 포함하는 페이스트와 경화용 촉매의 혼합비(중량비)를 페이스트:촉매=97:3으로 했다. 이에 의해, 원형 모양의 유전성 엘라스토머 막(3)(두께=200㎛, 비유전율 ε1=6.9)이 얻어졌다.

(실험예 8)

유전성 엘라스토머 막(3) 중의 한쪽 면 및 다른쪽 면의 각각에, 비유전율 ε1보다 작은 비유전율 ε6을 가진 막(저유전율 막)을 형성한 것을 제외하고, 실험예 7과 마찬가지 수순에 의해, 변환기를 제조했다.

저유전율 막을 형성하는 경우에는, 열경화성 엘라스토머(실리콘고무계 엘라스토머 A:SRA)를 포함하는 페이스트와, 경화용 촉매를 혼합한 뒤, 그 혼합물을 교반하는 것에 의해, 혼합용액을 얻었다. 이 경우에는, 페이스트와 촉매의 혼합비(중량비)를 97:3으로 했다. 이어서, 유전성 엘라스토머 막(3) 중의 한쪽 면 및 다른쪽 면의 각각에, 원형 모양이 되도록 혼합용액을 도포한 후, 그 혼합용액을 건조시키는 것에 의해, 열경화성 엘라스토머를 반응(열경화)시켰다. 이에 의해, 엘라스토머(실리콘고무계 엘라스토머 A:SRA, 비유전율 ε6=2.8)가 형성되었기 때문에, 그 엘라스토머를 포함하는 원형 모양의 저유전율 막(두께=20㎛, 비유전율 ε2=2.8)이 형성되었다.

또한, 표 1에서는, 비교를 위해, 제1 고유전율 막 및 제2 고유전율 막의 각각의 란에 저유전율 막의 구성(엘라스토머의 종류 및 비유전율 ε6의 값)을 나타내고 있다.

<2. 변환기의 평가>

변환기의 변환 특성을 조사한 바, 표 1에 나타낸 결과가 얻어졌다. 여기서는, 변환기를 기계적 소자(액추에이터)로서 이용한 경우의 변형 특성을 조사함과 아울러, 변환기를 전기적 소자(발전기)로서 이용한 경우의 발전 특성을 조사했다.

변형 특성을 조사하는 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)이 파괴될 때까지 제1 전극(1)과 제2 전극(2)의 사이에 전압을 인가하여, 그 유전성 엘라스토머 막(3)을 면방향으로 신장시키는 것에 의해, 그 신장량(최대 신장량)을 측정했다. 유전성 엘라스토머 막(3)이 파괴되었을 때의 전압(최고 인가 전압:kV/100㎛)은, 표 1에 나타낸 바와 같다.

발전 특성을 조사하는 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)의 신장량이 40%가 되도록 변환기에 외력을 공급하여, 그 유전성 엘라스토머 막(3)을 면방향으로 신장시키는 것에 의해, 그 신장 시에 발생한 발전량을 측정했다.

또한, 변형 특성 및 발전 특성을 조사하는 경우에는, 고전압 대응의 디지털 멀티미터를 이용하여, 누설 전류의 유무도 병행해서 조사했다.

표 1에서는, 신장량 및 발전량의 각각의 값으로서, 규격화한 값(소수점 첫째 자리의 값을 사사오입한 값)을 나타내고 있다. 구체적으로는, 실험예 1의 값은, 실험예 4의 값을 1.00으로서 규격화한 값이다. 실험예 2의 값은, 실험예 5의 값을 1.00으로서 규격화한 값이다. 실험예 3의 값은, 실험예 6의 값을 1.00으로서 규격화한 값이다. 실험예 8의 값은, 실험예 7의 값을 1.00으로서 규격화한 값이다.

<3. 고찰>

표 1로부터 분명한 바와 같이, 변환기의 변형 특성 및 발전 특성은, 이하에서 설명하는 바와 같이, 그 변환기의 구성에 따라 크게 변동했다.

제1 고유전율 막(6) 및 제2 고유전율 막(7)(고유전성 재료인 엘라스토머(61, 71))을 이용한 경우(실험예 1)에는, 그 제1 고유전율 막(6) 및 제2 고유전율 막(7)을 이용하지 않았던 경우(실험예 4)와 비교하여, 신장량 및 발전량이 모두 증가했다.

또한, 제1 고유전율 막(8) 및 제2 고유전율 막(9)(고유전성 재료인 복수의 입자(81, 91))을 이용한 경우(실험예 2)에는, 그 제1 고유전율 막(8) 및 제2 고유전율 막(9)을 이용하지 않았던 경우(실험예 5)와 비교하여, 신장량 및 발전량이 모두 증가했다.

제1 고유전율 막(8) 및 제2 고유전율 막(9)을 이용한 경우에는, 유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료를 변경해도(실험예 3, 6), 동일한 결과가 얻어졌다.

특히, 유전성 엘라스토머 막(3)의 형성 재료로서 우레탄고무계 엘라스토머(UR)를 이용한 경우에는, 제1 고유전율 막(8) 및 제2 고유전율 막(9)을 이용하면(실험예 3), 누설 전류는 발생하지 않았지만, 제1 고유전율 막(8) 및 제2 고유전율 막(9)을 이용하지 않으면(실험예 6), 누설 전류(=20㎂)가 발생했다.

또한, 저유전율 막을 이용한 경우(실험예 8)에는, 그 저유전율 막을 이용하지 않았던 경우(실험예 7)와 비교하여, 신장량 및 발전량이 모두 감소했다.

표 1에 나타낸 결과로부터, 제1 전극(1)과 유전성 엘라스토머 막(3)의 사이에, 그 유전성 엘라스토머 막(3)의 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε2를 가진 제1 고유전율 막(6, 8)이 배치되어 있음과 아울러, 제2 전극(2)과 유전성 엘라스토머 막(3)의 사이에, 그 유전성 엘라스토머 막(3)의 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε2를 가진 제2 고유전율 막(7, 9)이 배치되어 있으면, 신장량 및 발전량이 모두 증가했다. 따라서, 변환기에 있어서 뛰어난 변환 특성이 얻어졌다.

또한, 상기한 실시예에서는, 제1 전극(1)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 제1 고유전율 막(6, 8)이 배치되어 있음과 아울러, 제2 전극(2)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 제2 고유전율 막(7, 9)이 배치되어 있지 않은 경우에 관해서는, 구체적으로 검증하고 있지 않다. 마찬가지로, 제1 전극(1)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 제1 고유전율 막(6, 8)이 배치되어 있지 않음과 아울러, 제2 전극(2)과 유전성 엘라스토머 막(3)과의 사이에 제2 고유전율 막(7, 9)이 배치되어 있는 경우에 관해서는, 구체적으로 검증하고 있지 않다.

그러나 제1 고유전율 막(6, 8) 및 제2 고유전율 막(7, 9)을 이용하는 것에 의해, 그 제1 고유전율 막(6, 8) 및 제2 고유전율 막(7, 9)을 이용하지 않는 경우와 비교하여 변환기의 변환 특성이 향상되는 점은, 기술적으로도 논리적으로도 분명하며, 상기한 실험 결과로부터도 분명하다. 따라서, 제1 고유전율 막(6, 8) 및 제2 고유전율 막(7, 9)의 양쪽을 이용한 경우에 있어서 변환 효율이 향상되는 것이면, 제1 고유전율 막(6, 8)만을 이용한 경우 및 제2 고유전율 막(7, 9)만을 이용한 경우에 있어서도 마찬가지로 변환 효율이 향상될 것이다.

이상, 실시형태 및 실시예를 들면서 본 발명을 설명했지만, 그 본 발명은, 실시형태 및 실시예에 있어서 설명한 태양으로 한정되지 않고, 다양하게 변형시키는 것이 가능하다.

구체적으로는, 본 발명의 변환기는, 상기한 용도로 한정되지 않고, 다른 용도에 적용되어도 된다. 이 경우에 있어서도, 뛰어난 변환 특성이 얻어지기 때문에, 물리량의 변환을 이용한 각종 기능을 효과적으로 발휘할 수 있다.

본 출원은, 일본국 특허청에 대해 2016년 1월 8일에 출원된 일본 특허출원번호 제2016-002330호를 기초로 하여 우선권을 주장하는 것이며, 이 출원의 모든 내용을 참조에 의해 본 출원에 원용한다.

당업자라면, 설계상의 요건이나 다른 요인에 따라, 여러 가지 수정, 콤비네이션, 서브 콤비네이션, 및 변경을 생각해 낼 수 있지만, 그것들은 첨부된 청구범위의 취지나 그 균등물의 범위에 포함되는 것인 점이 이해된다.

Claims

제1 전극과,
제2 전극과,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극과의 사이에 배치됨과 아울러, 비유전율 ε1을 가지는 유전성(誘電性) 엘라스토머 막과,
상기 제1 전극과 상기 유전성 엘라스토머 막과의 사이 및 상기 제2 전극과 상기 유전성 엘라스토머 막과의 사이 중 적어도 한쪽에 배치됨과 아울러, 상기 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε2를 가지는 고유전율 막을 구비한, 변환기.
청구항 1에 있어서,
상기 고유전율 막은, 엘라스토머를 포함하고,
상기 엘라스토머는, 상기 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε3을 가지는, 변환기.
청구항 1에 있어서,
상기 고유전율 막은, 복수의 입자와, 엘라스토머를 포함하고,
상기 복수의 입자는, 상기 비유전율 ε1보다 큰 비유전율 ε4를 가지는, 변환기.
청구항 3에 있어서,
상기 복수의 입자는, 티탄산바륨 및 그 유도체 중 적어도 한쪽을 포함하는, 변환기.