(57)【要約】【課題】発電効率及び耐久性が改善された電場応答性高分子を提供する。【解決手段】２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子において、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有しており、エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられており、補強膜が、エラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されていることにより上記の課題を解決する。【選択図】図２
2010268621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子において、
前記電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることを特徴とする電場応答性高分子。
【請求項２】
前記エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電場応答性高分子。
【請求項３】
前記補強膜が、エラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電場応答性高分子。
【請求項４】
前記電極間にバイアス電圧として高電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された電場応答性高分子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電エラストマーを主成分とする電場応答性高分子（Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）に関するものであって、さらに詳しくは、発電用に用いる電場応答性高分子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過去十数年間、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子の研究は、アクチュエータに焦点を当てたものがほとんどであった。この誘電エラストマーは、強い電場の中に置くと、電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向に膨張する。これは、クーロン力によるものである。
【０００３】
したがって、誘電エラストマーを帯電した２枚の柔軟な電極間に挟むことによって、ゴムのような弾性を持つコンデンサーが構成される。これに電圧をかけると、一方の電極にはプラスの電荷が、反対側の電極にはマイナスの電荷が蓄えられる。その結果、電極間に引力が生じ、この力によって誘電エラストマーが押しつぶされ、面方向に膨張する。この変化をロボットなどのアクチュエータとして用いることが注目を集めている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
一方、本発明者らは、この素材が発電においても顕著な性能を有するという新規な着想を得て、鋭意研究開発を行ったところ、発電機や太陽電池などの既存の発電手法では実現が難しい低周波数帯（例えば、０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）、高負荷、高ストロークなどの条件下においても利用可能な発電装置の開発に成功した（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６７８１２８４号明細書
【特許文献２】米国特許第６８８２０８６号明細書
【特許文献３】特開２００８−１４１８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来の電場応答性高分子の電極には、導電性フィラーとして、通常のカーボンブラックが用いられており、このようなカーボンブラックを主要な導電性フィラーとして用いた電極の場合、３次元のネットワーク構造である、いわゆるパーコレーション構造を形成し、導電性を向上させるため、その厚みは、ある程度の厚さが必要であった。
【０００７】
一方、導電性フィラーを用いた電極の場合、その厚さが厚くなるほど、導電性や放電特性などを均等にすることが難しく、電場応答性高分子を伸縮させ、形状を変化させることにより、導電性や放電特性の不均等性は、さらに顕著になるという課題があった。
【０００８】
この電極特性の不均等性は、電場の不均等性を生じる原因となり、結果的に素材の持つ絶縁耐電圧より低い電圧で絶縁破壊を起こすことで電場応答性高分子の破損につながっていた。
【０００９】
また、シリコンやアクリルなどのエラストマーを用いた誘電性の膜は、一般に、膜の内部に膜厚や架橋構造の不均等などの欠陥が存在しており、素材の持つ絶縁耐電圧より低い電圧で、部分的な絶縁破壊が起きる。あるいは、膜の表面に埃が付着することにより電場の集中が発生し、部分的な絶縁破壊が起きる。そのような絶縁破壊により、エラストマーに大きな破損が発生し、電場応答性高分子の耐久性を低下させていた。
【００１０】
これらの原因で膜が破損することを防ぐため、特許文献３に開示した発電装置においては、素材の持つ絶縁耐電圧より低い電圧で動作させていた。すなわち、この発電装置は、電場応答性高分子を用いて実用的レベルの起電力を得ることに成功した点で各方面から高い評価を受けているが、その一方で、絶縁耐電圧の低下は、印加可能なバイアス電圧の最大電圧を低下させ、その結果、発電効率を低下させる原因となっていた。さらに、発電効率が低下する結果、必要とされる発電量を賄うためには、電場応答性高分子の動作回数（伸張収縮回数）及び／又は変位（ストローク）を多くする必要があるが、このことが電場応答性高分子の疲労劣化を早め寿命を短くする原因になっていた。
【００１１】
また、電場応答性高分子の耐久性は、主材となるエラストマーの性質で大きく左右される。電場応答性高分子を用いた発電では、シリコンやアクリルなどのエラストマーの膜を誘電膜として使用しており、膜の内部に存在する膜厚や架橋構造の不均等や繰り返し伸縮されることにより生じる機械的なダメージや物性的な劣化により、耐久性を向上させることが困難であった。
【００１２】
以上のように、電場応答性高分子を用いた発電において、発電効率を高めるためには、バイアス電圧を上げる必要があり、一方、バイアス電圧を上げると、絶縁破壊を起こし耐久性が低下するというように、発電効率と耐久性にはトレードオフの関係があった。電場応答性高分子を用いた発電を実用化するためには、発電効率と耐久性の両方を向上させることが嘱望されていた。
【００１３】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、発電効率及び耐久性が改善された電場応答性高分子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らが鋭意研究を行った結果、電場応答性高分子の導電性フィラーにカーボンナノチューブを含有させること及び膜の機械的強度を高めること並びに電極の端部近傍で発生する電場集中（エッジ効果）への対策を講ずるが前記課題の解決に有効であるという全く新しい知見を得て、この知見に基づき本発明を完成するに到った。
【００１５】
まず、本請求項１に係る発明は、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子において、前記電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることによって、上記の課題を解決するものである。
【００１６】
ここで、本発明におけるカーボンナノチューブとは、炭素によって作られる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が単層のシングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）と多層のマルチウォールナノチューブ（ＭＷＮＴ）との双方を含んだ広義のカーボンナノチューブを意味している。
【００１７】
そして、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る電場応答性高分子において、前記エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられていることによって、前記課題をさらに解決したものである。
【００１８】
また、本請求項３に係る発明は、請求項２に係る電場応答性高分子において、前記補強膜が、エラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されていることによって、前記課題をさらに解決したものである。
【００１９】
また、本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る電場応答性高分子において、前記電極間にバイアス電圧として高電圧を印加することによって、前記課題をさらに解決したものである。
【００２０】
ここで、「高電圧」とは、具体的に何Ｖ以上と定義されるものではなく、電極の導電性フィラーが主としてカーボンブラックからなりカーボンナノチューブを含有していない従来の電場応答性高分子に印加することができるバイアス電圧に比べて高い電圧であるということを意味している。
【００２１】
なお、本発明における電場応答性高分子とは、誘電エラストマーを主たる構成要素としてクーロン力によって機械的変形から起電力を得たり、逆に電位差を与えることにより機械的な駆動力が得られるエレクトロアクティブポリマー（ＥＡＰ）の総称を意味しており、例えば、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるＳＲＩインターナショナルで開発されたアクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子（誘電体）を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構造をしたＥＰＡＭ（イーパム：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｍｕｓｃｌｅ）という商品名で提供されているものなどがある。
【発明の効果】
【００２２】
本請求項１に係る電場応答性高分子によれば、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じ、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることによって、導電性フィラー間の導電特性や放電特性が向上する。その結果、電極の厚さを、従来よりも薄くすることができ、電極の伸縮動作により生じる膜内の電場の不均等を減少させ、結果的に絶縁破壊を減少させ電場応答性高分子の耐久性を向上させることができるとともに、バイアス電圧の高電圧化を実現することができる。
【００２３】
また、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることによって、エラストマーの膜厚や架橋構造の不均等などの欠陥により生じる絶縁破壊が引き起こす膜の欠陥を、大きな欠陥に波及する前に電気アークによって局所化された絶縁層を形成させる、いわゆる自己修復機能が発揮され、大きな破損につながる前に絶縁破壊が解消され、結果的に、電場応答性高分子の耐久性を向上させることができる。この自己修復機能と呼ばれる現象は、はじめに絶縁破壊された部分を中心に円形に広がり、アークにより絶縁部を形成するものであって、電場応答性高分子の基本的な欠陥、例えば、膜厚の不均等、架橋構造の不均等、膜に付着している埃などに起因する絶縁破壊が大きな欠陥に波及するのを効果的に抑制する。そのため、電場応答性高分子の絶縁耐電圧を高めるのに絶大な高価を奏する。
【００２４】
さらに、自己修復機能により絶縁耐電圧が上昇するため、従来よりも高いバイアス電圧を電場応答性高分子に印加することができ、発電効率の飛躍的な向上が実現できる。
【００２５】
すなわち、電場応答性高分子の発生エネルギーと印加電圧との間には、Ｅ：発生エネルギー（Ｊ）、Ｃ１：変形後の静電容量（Ｆ）、Ｃ２：変形前の静電容量（Ｆ）、Ｖｂ：バイアス電圧（Ｖ）とすると、Ｅ＝０．５Ｃ１Ｖｂ２（Ｃ１／Ｃ２ー１）という関係が成立するので、バイアス電圧を上昇させることができることにより、発電エネルギーＥは、バイアス電圧Ｖｂの二乗に比例して増大するので従来よりきわめて効率の良い発電が可能になる。
【００２６】
また、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることにより、導電性、放電特性が向上し、電極を薄くすることができ、電場応答性高分子の軽量化などが実現できる。
【００２７】
次に、本請求項２に係る電場応答性高分子によれば、請求項１に係る電場応答性高分子において、エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられていることにより、電場応答性高分子の機械的強度が増加するので、電場応答性高分子の耐久性が格段に向上する。
【００２８】
さらに、本請求項３に係る電場応答性高分子によれば、請求項２に係る電場応答性高分子において、補強膜が、エラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されていることによって、電極の縁端部において電場集中が起こり、絶縁破壊が起きやすいと言う、いわゆるエッジ効果（ｅｄｇｅ  ｅｆｆｅｃｔ）による放電現象を効果的に防止し、エラストマー膜の破損を防止することができるとともに、バイアス電圧を高くすることができ、結果として発電効率及び耐久性が格段に向上する。ここで、電場応答性高分子の具体的なバイアス電圧は、膜の材質、膜厚などによって異なるが、例えば、バイアス電圧が４０００ＶのＥＰＡＭと対比した場合、本発明によれば、バイアス電圧を２０００Ｖ以上引き上げることが可能である。
【００２９】
また、本請求項４に係る電場応答性高分子によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る電場応答性高分子において、電極間にバイアス電圧として高電圧を印加することにより、前述の説明のとおり、従来より効率の良い発電が可能になる。その結果、同じ発電量を得るのに必要な変位（ストローク）を小さくすることができ、又、動作回数（伸張収縮回数）を少なくできることから電場応答性高分子の疲労劣化を抑制でき、耐久性が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例１の電場応答性高分子の断面図。
【図２】本発明の実施例２の電場応答性高分子の断面図。
【図３】本発明の電場応答性高分子の第１使用形態を示す正面図。
【図４】本発明の電場応答性高分子の第２使用形態を示す正面図。
【図５】本発明の電場応答性高分子の第３使用形態を示す正面図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の電場応答性高分子は、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じ、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有しているものであって、発電効率及び耐久性が改善されたものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。
【００３２】
なお、電場応答性高分子から起電力を得るための具体的な回路構成については、前述した特許文献３に詳述しているので、ここでは説明を割愛する。
【実施例１】
【００３３】
本発明の実施例１を図１に基づいて説明する。ここで、図１は、本発明の実施例１である電場応答性高分子の断面図である。
【００３４】
本発明の実施例１の電場応答性高分子１００は、図１に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜１２０の両面に、伸び縮み可能な電極１４０を接着している。さらに、この電極に導電性フィラーとして単層カーボンナノチューブなどのカーボンナノチューブ１５０を分散させている。
【００３５】
カーボンナノチューブ１５０を電極に分散させる方法としては、例えば、カーボンナノチューブと界面活性剤である例えばドデシルベンゼンスルフォン酸ナトリウム（ＳＤＳ）との混合物に蒸留水を加え、３０分以上超音波振動を加える方法などを採用することが出来る。膜の成膜には、例えば、クラス１００（1立方フィートあたりの空気に、粒径０．５μｍ以上の塵埃の粒子個数が１００以下）と呼ばれるようなロークラスのクリーンルーム中で行い、膜中あるいは膜表面に塵や埃が混入したり付着したりするのを防止するとともに、雰囲気温度の制御を行うことにより均質な膜を成膜する。
【００３６】
このような構成をとることにより、導電性フィラー間の導電特性が向上し、その結果、電極の厚さを従来より薄くすることができ、電極変形の違いにより生じる電場の不均等が減少し、結果的に絶縁破壊が減少し、電場応答性高分子の耐久性が向上する。
【００３７】
また、エラストマーの膜厚や架橋構造の不均等などの欠陥により生じる絶縁破壊が引き起こす膜の欠損や、電極組成の不均等により生じる電場の集中が引き起こす電極の局所的絶縁破壊が大きな欠損につながる前に絶縁層を形成させる、いわゆる自己修復機能が発揮されることにより、大きな欠損につながる前に絶縁破壊が解消される。その結果、電場応答性高分子の耐久性が格段に向上する。
【００３８】
さらに、絶縁耐電圧が上昇することにより、電場応答性高分子へのバイアス電圧を上げることができる。
【００３９】
電場応答性高分子の発生エネルギーとバイアス電圧との間には、Ｅ：発生エネルギー（Ｊ）、Ｃ１：変形後の静電容量（Ｆ）、Ｃ２：変形前の静電容量（Ｆ）、Ｖｂ：バイアス電圧（Ｖ）とすると、
Ｅ＝０．５Ｃ１Ｖｂ２（Ｃ１／Ｃ２ー１）
という関係が成立するので、バイアス電圧Ｖｂを上昇させることができることにより、発生エネルギーＥは、バイアス電圧Ｖｂの二乗に比例して増大するため、従来より格段に効率の良い発電が可能になる。
【実施例２】
【００４０】
本発明の実施例２を図２に基づいて説明する。ここで、図２は、本発明の実施例２である電場応答性高分子の断面図である。
【００４１】
本発明の実施例２の電場応答性高分子２００は、図２に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜２２０の両面に、補強膜２３０としてネオプレーンゴムなどのエラストマーを薄くコーティングしている。この時、補強膜２３０をエラストマー膜２２０の縁端部近傍において肉厚に形成する。
【００４２】
このような構成にすることにより、電極の縁端部において電界の集中が起こり、絶縁破壊が起きやすいと言う、いわゆるエッジ効果による放電現象を効果的に防止し、エラストマー膜２２０の破損を防止することができるとともに、バイアス電圧をさらに高くすることができ、結果として発電効率のより一層の向上を実現することができる。
【００４３】
次に、前述した本発明の電場応答性高分子を伸縮させるための使用形態について説明する。
【００４４】
（本発明の電場応答性高分子の第１使用形態：平面タイプ）
図３は、電場応答性高分子３００を機械的エネルギーを伝達するための構造部３６０と構造部の固定部３５０との間に平面状に張架して使用する、いわゆる平面タイプの使用形態を示している。
【００４５】
このタイプは、構造部３６０と固定部３５０との距離を変化させることにより電場応答性高分子３００を伸縮させて膜の両面に配設されている２枚の電極３４０間に起電力を発生させる。なお、図３において、符号３２０及び３３０で示した部材は、電場応答性高分子３００の主材であるエラストマー膜と補強膜とを示している。  
【００４６】
（本発明の電場応答性高分子の第２使用形態：ダイアフラムタイプ）
図４は、電場応答性高分子４００を円周状の構造部の固定部４５０と中心に置かれた円形の構造部４６０との間に張架して使用する、いわゆるダイアフラムタイプの使用形態を示している。このタイプは、固定部４５０と構造部４６０との相対的な位置関係を変化させることにより電場応答性高分子４００を伸縮させて膜の両面に配設されている２枚の電極４４０間に起電力を発生させる。なお、図４において、符号４２０及び４３０で示した部材は、電場応答性高分子４００の主材であるエラストマー膜と補強膜を示している。  
【００４７】
（本発明の電場応答性高分子の第３使用形態：ロールタイプ）
図５は、電場応答性高分子５００を離間して配設された円柱状の構造部５６０と構造部の固定部５５０との間に円筒状に張架して使用する、いわゆるロールタイプの使用形態を示している。このタイプは、固定部５５０と構造部５６０との距離を変化させることにより電場応答性高分子５００を伸縮させて膜の両面に配設されている２枚の電極５４０間に起電力を発生させる。なお、図５において、符号５２０及び５３０で示した部材は、電場応答性高分子５００の主材であるエラストマー膜と補強膜を示している。
【００４８】
電場応答性高分子は、折ったり、丸めたり、どのような形にもすることが可能なため、前述のように、多様な形状を有した発電装置を製作することが可能である。
【００４９】
以上のように、本発明の電場応答性高分子によれば、電極に導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有させた薄い電極と、膜の機械的強度を高める補強膜と、電極の端部近傍で発生する電場集中（エッジ効果）に対する対策との相乗効果により、膜の絶縁耐電圧が向上し、それに伴うバイアス電圧の上昇により発電効率が向上し、さらには、発電効率の向上の結果、必要とされる変位（ストローク）及び動作回数（伸張収縮回数）が低減することによって膜の耐久性が向上し、加えて、膜の機械的強度も上げられるなど、各々の要素技術からは予見しがたい絶大な効果が奏される。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の電場応答性高分子は、簡単な構成で、メンテナンスもほとんど必要なく、遅いストロークで発電するさまざまな条件下及びさまざまな分野で利用可能である発電手段を提供するものであって、波力、水力、風力などの自然エネルギーによる発電をはじめ、例えば、電気・電子機器制御用ワイヤレスリモコンの電源スイッチ一体型電源、電気・電子機器の操作に伴う運動エネルギーによる発電装置、携帯電子機器に接続されたストラップの形状変化を利用した発電装置、樹木の幹や枝の揺れを利用した発電装置、排ガスなどの気体圧力を用いた発電装置、排水などの水圧を用いた発電装置、乗り物が走行する時に生じる振動や衝撃により発電する装置、非常用電源として人力によって発電する装置、トンネル内などの狭い空間で生じる圧力変化により発電する装置、衣類に設置することにより人や動物の動きで発電する装置など、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。
【符号の説明】
【００５１】
１００、２００、３００、４００、５００  ・・・  電場応答性高分子
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０  ・・・  エラストマー膜
２３０、３３０、４３０、５３０  ・・・  補助膜
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０  ・・・  電極
３５０、４５０、５５０  ・・・  固定部
３６０、４６０、５６０  ・・・  構造部
【図１】
2010268621.tif 000003
【図２】
2010268621.tif 000004
【図３】
2010268621.tif 000005
【図４】
2010268621.tif 000006
【図５】
2010268621.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成21年8月20日(2009.8.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電エラストマーを主成分とする電場応答性高分子（Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）に関するものであって、さらに詳しくは、発電用に用いる電場応答性高分子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
過去十数年間、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子の研究は、アクチュエータに焦点を当てたものがほとんどであった。この誘電エラストマーは、強い電場の中に置くと、電場の方向に収縮し、電場と垂直な方向に膨張する。これは、クーロン力によるものである。
【０００３】
したがって、誘電エラストマーを帯電した２枚の柔軟な電極間に挟むことによって、ゴムのような弾性を持つコンデンサーが構成される。これに電圧をかけると、一方の電極にはプラスの電荷が、反対側の電極にはマイナスの電荷が蓄えられる。その結果、電極間に引力が生じ、この力によって誘電エラストマーが押しつぶされ、面方向に膨張する。この変化をロボットなどのアクチュエータとして用いることが注目を集めている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
一方、本発明者らは、この素材が発電においても顕著な性能を有するという新規な着想を得て、鋭意研究開発を行ったところ、発電機や太陽電池などの既存の発電手法では実現が難しい低周波数帯（例えば、０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）、高負荷、高ストロークなどの条件下においても利用可能な発電装置の開発に成功した（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６７８１２８４号明細書
【特許文献２】米国特許第６８８２０８６号明細書
【特許文献３】特開２００８−１４１８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来の電場応答性高分子の電極には、導電性フィラーとして、通常のカーボンブラックが用いられており、このようなカーボンブラックを主要な導電性フィラーとして用いた電極の場合、３次元のネットワーク構造である、いわゆるパーコレーション構造を形成し、導電性を向上させるため、その厚みは、ある程度の厚さが必要であった。
【０００７】
一方、導電性フィラーを用いた電極の場合、その厚さが厚くなるほど、導電性や放電特性などを均等にすることが難しく、電場応答性高分子を伸縮させ、形状を変化させることにより、導電性や放電特性の不均等性は、さらに顕著になるという課題があった。
【０００８】
この電極特性の不均等性は、電場の不均等性を生じる原因となり、結果的に素材の持つ絶縁耐電圧より低い電圧で絶縁破壊を起こすことで電場応答性高分子の破損につながっていた。
【０００９】
また、シリコンやアクリルなどのエラストマーを用いた誘電性の膜は、一般に、膜の内部に膜厚や架橋構造の不均等などの欠陥が存在しており、素材の持つ絶縁耐電圧より低い電圧で、部分的な絶縁破壊が起きる。あるいは、膜の表面に埃が付着することにより電場の集中が発生し、部分的な絶縁破壊が起きる。そのような絶縁破壊により、エラストマーに大きな破損が発生し、電場応答性高分子の耐久性を低下させていた。
【００１０】
これらの原因で膜が破損することを防ぐため、特許文献３に開示した発電装置においては、素材の持つ絶縁耐電圧より低い電圧で動作させていた。すなわち、この発電装置は、電場応答性高分子を用いて実用的レベルの起電力を得ることに成功した点で各方面から高い評価を受けているが、その一方で、絶縁耐電圧の低下は、印加可能なバイアス電圧の最大電圧を低下させ、その結果、発電効率を低下させる原因となっていた。さらに、発電効率が低下する結果、必要とされる発電量を賄うためには、電場応答性高分子の動作回数（伸張収縮回数）及び／又は変位（ストローク）を多くする必要があるが、このことが電場応答性高分子の疲労劣化を早め寿命を短くする原因になっていた。
【００１１】
また、電場応答性高分子の耐久性は、主材となるエラストマーの性質で大きく左右される。電場応答性高分子を用いた発電では、シリコンやアクリルなどのエラストマーの膜を誘電膜として使用しており、膜の内部に存在する膜厚や架橋構造の不均等や繰り返し伸縮されることにより生じる機械的なダメージや物性的な劣化により、耐久性を向上させることが困難であった。
【００１２】
以上のように、電場応答性高分子を用いた発電において、発電効率を高めるためには、バイアス電圧を上げる必要があり、一方、バイアス電圧を上げると、絶縁破壊を起こし耐久性が低下するというように、発電効率と耐久性にはトレードオフの関係があった。電場応答性高分子を用いた発電を実用化するためには、発電効率と耐久性の両方を向上させることが嘱望されていた。
【００１３】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、発電効率及び耐久性が改善された電場応答性高分子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らが鋭意研究を行った結果、電場応答性高分子の導電性フィラーにカーボンナノチューブを含有させること及び膜の機械的強度を高めること並びに電極の端部近傍で発生する電場集中（エッジ効果）への対策を講ずるが前記課題の解決に有効であるという全く新しい知見を得て、この知見に基づき本発明を完成するに到った。
【００１５】
まず、本請求項１に係る発明は、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子において、前記電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有しており、前記エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられており、前記補強膜がエラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されていることによって、前記課題を解決するものである。
【００１６】
ここで、本発明におけるカーボンナノチューブとは、炭素によって作られる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が単層のシングルウォールナノチューブ（ＳＷＮＴ）と多層のマルチウォールナノチューブ（ＭＷＮＴ）との双方を含んだ広義のカーボンナノチューブを意味している。
【００１７】
また、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る電場応答性高分子において、前記電極間にバイアス電圧として高電圧を印加することによって、前記課題をさらに解決したものである。
【００１８】
ここで、「高電圧」とは、具体的に何Ｖ以上と定義されるものではなく、電極の導電性フィラーが主としてカーボンブラックからなりカーボンナノチューブを含有していない従来の電場応答性高分子に印加することができるバイアス電圧に比べて高い電圧であるということを意味している。
【００１９】
なお、本発明における電場応答性高分子とは、誘電エラストマーを主たる構成要素としてクーロン力によって機械的変形から起電力を得たり、逆に電位差を与えることにより機械的な駆動力が得られるエレクトロアクティブポリマー（ＥＡＰ）の総称を意味しており、例えば、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるＳＲＩインターナショナルで開発されたアクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子（誘電体）を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構造をしたＥＰＡＭ（イーパム：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｍｕｓｃｌｅ）という商品名で提供されているものなどがある。
【発明の効果】
【００２０】
本請求項１に係る電場応答性高分子によれば、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じ、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有しており、エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられており、補強膜がエラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されていることによって、導電性フィラー間の導電特性や放電特性が向上する。その結果、電極の厚さを、従来よりも薄くすることができ、電極の伸縮動作により生じる膜内の電場の不均等を減少させ、結果的に絶縁破壊を減少させ電場応答性高分子の耐久性を向上させることができるとともに、バイアス電圧の高電圧化を実現することができる。
【００２１】
また、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることによって、エラストマーの膜厚や架橋構造の不均等などの欠陥により生じる絶縁破壊が引き起こす膜の欠陥を、大きな欠陥に波及する前に電気アークによって局所化された絶縁層を形成させる、いわゆる自己修復機能が発揮され、大きな破損につながる前に絶縁破壊が解消され、結果的に、電場応答性高分子の耐久性を向上させることができる。この自己修復機能と呼ばれる現象は、はじめに絶縁破壊された部分を中心に円形に広がり、アークにより絶縁部を形成するものであって、電場応答性高分子の基本的な欠陥、例えば、膜厚の不均等、架橋構造の不均等、膜に付着している埃などに起因する絶縁破壊が大きな欠陥に波及するのを効果的に抑制する。そのため、電場応答性高分子の絶縁耐電圧を高めるのに絶大な効果を奏する。
【００２２】
さらに、自己修復機能により絶縁耐電圧が上昇するため、従来よりも高いバイアス電圧を電場応答性高分子に印加することができ、発電効率の飛躍的な向上が実現できる。
【００２３】
すなわち、電場応答性高分子の発生エネルギーと印加電圧との間には、Ｅ：発生エネルギー（Ｊ）、Ｃ１：変形後の静電容量（Ｆ）、Ｃ２：変形前の静電容量（Ｆ）、Ｖｂ：バイアス電圧（Ｖ）とすると、Ｅ＝０．５Ｃ１Ｖｂ２（Ｃ１／Ｃ２ー１）という関係が成立するので、バイアス電圧を上昇させることができることにより、発電エネルギーＥは、バイアス電圧Ｖｂの二乗に比例して増大するので従来よりきわめて効率の良い発電が可能になる。
【００２４】
また、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有していることにより、導電性、放電特性が向上し、電極を薄くすることができ、電場応答性高分子の軽量化、材料費の削減などが実現できる。
【００２５】
しかも、エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられていることにより、電場応答性高分子の機械的強度が増加するので、電場応答性高分子の耐久性が格段に向上する。
【００２６】
加えて、補強膜がエラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されていることによって、電極の縁端部において電場集中が起こり、絶縁破壊が起きやすいと言う、いわゆるエッジ効果（ｅｄｇｅ  ｅｆｆｅｃｔ）による放電現象を効果的に防止し、エラストマー膜の破損を防止することができるとともに、バイアス電圧を高くすることができ、結果として発電効率及び耐久性が格段に向上する。ここで、電場応答性高分子の具体的なバイアス電圧は、膜の材質、膜厚などによって異なるが、例えば、バイアス電圧が４０００ＶのＥＰＡＭと対比した場合、本発明によれば、バイアス電圧を２０００Ｖ以上引き上げることが可能である。
【００２７】
また、本請求項２に係る電場応答性高分子によれば、請求項１に係る電場応答性高分子において、電極間にバイアス電圧として高電圧を印加することにより、前述の説明のとおり、従来より効率の良い発電が可能になる。その結果、同じ発電量を得るのに必要な変位（ストローク）を小さくすることができ、又、動作回数（伸張収縮回数）を少なくできることから電場応答性高分子の疲労劣化を抑制でき、耐久性が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例１の電場応答性高分子の断面図。
【図２】本発明の実施例２の電場応答性高分子の断面図。
【図３】本発明の電場応答性高分子の第１使用形態を示す正面図。
【図４】本発明の電場応答性高分子の第２使用形態を示す正面図。
【図５】本発明の電場応答性高分子の第３使用形態を示す正面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の電場応答性高分子は、２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じ、電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有しており、エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられており、補強膜がエラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されているものであって、発電効率及び耐久性が改善されたものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。
【００３０】
なお、電場応答性高分子から起電力を得るための具体的な回路構成については、前述した特許文献３に詳述しているので、ここでは説明を割愛する。
【実施例１】
【００３１】
本発明の実施例１を図１に基づいて説明する。ここで、図１は、本発明の実施例１である電場応答性高分子の断面図である。
【００３２】
本発明の実施例１の電場応答性高分子１００は、図１に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜１２０の両面に、伸び縮み可能な電極１４０を接着している。さらに、この電極に導電性フィラーとして単層カーボンナノチューブなどのカーボンナノチューブ１５０を分散させている。
【００３３】
カーボンナノチューブ１５０を電極に分散させる方法としては、例えば、カーボンナノチューブと界面活性剤である例えばドデシルベンゼンスルフォン酸ナトリウム（ＳＤＳ）との混合物に蒸留水を加え、３０分以上超音波振動を加える方法などを採用することが出来る。膜の成膜には、例えば、クラス１００（1立方フィートあたりの空気に、粒径０．５μｍ以上の塵埃の粒子個数が１００以下）と呼ばれるようなロークラスのクリーンルーム中で行い、膜中あるいは膜表面に塵や埃が混入したり付着したりするのを防止するとともに、雰囲気温度の制御を行うことにより均質な膜を成膜する。
【００３４】
このような構成をとることにより、導電性フィラー間の導電特性が向上し、その結果、電極の厚さを従来より薄くすることができ、電極変形の違いにより生じる電場の不均等が減少し、結果的に絶縁破壊が減少し、電場応答性高分子の耐久性が向上する。
【００３５】
また、エラストマーの膜厚や架橋構造の不均等などの欠陥により生じる絶縁破壊が引き起こす膜の欠損や、電極組成の不均等により生じる電場の集中が引き起こす電極の局所的絶縁破壊が大きな欠損につながる前に絶縁層を形成させる、いわゆる自己修復機能が発揮されることにより、大きな欠損につながる前に絶縁破壊が解消される。その結果、電場応答性高分子の耐久性が格段に向上する。
【００３６】
さらに、絶縁耐電圧が上昇することにより、電場応答性高分子へのバイアス電圧を上げることができる。
【００３７】
電場応答性高分子の発生エネルギーとバイアス電圧との間には、Ｅ：発生エネルギー（Ｊ）、Ｃ１：変形後の静電容量（Ｆ）、Ｃ２：変形前の静電容量（Ｆ）、Ｖｂ：バイアス電圧（Ｖ）とすると、
Ｅ＝０．５Ｃ１Ｖｂ２（Ｃ１／Ｃ２ー１）
という関係が成立するので、バイアス電圧Ｖｂを上昇させることができることにより、発生エネルギーＥは、バイアス電圧Ｖｂの二乗に比例して増大するため、従来より格段に効率の良い発電が可能になる。
【実施例２】
【００３８】
本発明の実施例２を図２に基づいて説明する。ここで、図２は、本発明の実施例２である電場応答性高分子の断面図である。
【００３９】
本発明の実施例２の電場応答性高分子２００は、図２に示すように、シリコンやアクリルなどのエラストマー膜２２０の両面に、補強膜２３０としてネオプレーンゴムなどのエラストマーを薄くコーティングしている。この時、補強膜２３０をエラストマー膜２２０の縁端部近傍において肉厚に形成する。
【００４０】
このような構成にすることにより、電極の縁端部において電界の集中が起こり、絶縁破壊が起きやすいと言う、いわゆるエッジ効果による放電現象を効果的に防止し、エラストマー膜２２０の破損を防止することができるとともに、バイアス電圧をさらに高くすることができ、結果として発電効率のより一層の向上を実現することができる。
【００４１】
次に、前述した本発明の電場応答性高分子を伸縮させるための使用形態について説明する。
【００４２】
（本発明の電場応答性高分子の第１使用形態：平面タイプ）
図３は、電場応答性高分子３００を機械的エネルギーを伝達するための構造部３６０と構造部の固定部３５０との間に平面状に張架して使用する、いわゆる平面タイプの使用形態を示している。
【００４３】
このタイプは、構造部３６０と固定部３５０との距離を変化させることにより電場応答性高分子３００を伸縮させて膜の両面に配設されている２枚の電極３４０間に起電力を発生させる。なお、図３において、符号３２０及び３３０で示した部材は、電場応答性高分子３００の主材であるエラストマー膜と補強膜とを示している。  
【００４４】
（本発明の電場応答性高分子の第２使用形態：ダイアフラムタイプ）
図４は、電場応答性高分子４００を円周状の構造部の固定部４５０と中心に置かれた円形の構造部４６０との間に張架して使用する、いわゆるダイアフラムタイプの使用形態を示している。このタイプは、固定部４５０と構造部４６０との相対的な位置関係を変化させることにより電場応答性高分子４００を伸縮させて膜の両面に配設されている２枚の電極４４０間に起電力を発生させる。なお、図４において、符号４２０及び４３０で示した部材は、電場応答性高分子４００の主材であるエラストマー膜と補強膜を示している。  
【００４５】
（本発明の電場応答性高分子の第３使用形態：ロールタイプ）
図５は、電場応答性高分子５００を離間して配設された円柱状の構造部５６０と構造部の固定部５５０との間に円筒状に張架して使用する、いわゆるロールタイプの使用形態を示している。このタイプは、固定部５５０と構造部５６０との距離を変化させることにより電場応答性高分子５００を伸縮させて膜の両面に配設されている２枚の電極５４０間に起電力を発生させる。なお、図５において、符号５２０及び５３０で示した部材は、電場応答性高分子５００の主材であるエラストマー膜と補強膜を示している。
【００４６】
電場応答性高分子は、折ったり、丸めたり、どのような形にもすることが可能なため、前述のように、多様な形状を有した発電装置を製作することが可能である。
【００４７】
以上のように、本発明の電場応答性高分子によれば、電極に導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有させた薄い電極と、膜の機械的強度を高める補強膜と、電極の端部近傍で発生する電場集中（エッジ効果）に対する対策との相乗効果により、膜の絶縁耐電圧が向上し、それに伴うバイアス電圧の上昇により発電効率が向上し、さらには、発電効率の向上の結果、必要とされる変位（ストローク）及び動作回数（伸張収縮回数）が低減することによって膜の耐久性が向上し、加えて、膜の機械的強度も上げられるなど、各々の要素技術からは予見しがたい絶大な効果が奏される。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の電場応答性高分子は、簡単な構成で、メンテナンスもほとんど必要なく、遅いストロークで発電するさまざまな条件下及びさまざまな分野で利用可能である発電手段を提供するものであって、波力、水力、風力などの自然エネルギーによる発電をはじめ、例えば、電気・電子機器制御用ワイヤレスリモコンの電源スイッチ一体型電源、電気・電子機器の操作に伴う運動エネルギーによる発電装置、携帯電子機器に接続されたストラップの形状変化を利用した発電装置、樹木の幹や枝の揺れを利用した発電装置、排ガスなどの気体圧力を用いた発電装置、排水などの水圧を用いた発電装置、乗り物が走行する時に生じる振動や衝撃により発電する装置、非常用電源として人力によって発電する装置、トンネル内などの狭い空間で生じる圧力変化により発電する装置、衣類に設置することにより人や動物の動きで発電する装置など、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。
【符号の説明】
【００４９】
１００、２００、３００、４００、５００  ・・・  電場応答性高分子
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０  ・・・  エラストマー膜
２３０、３３０、４３０、５３０  ・・・  補助膜
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０  ・・・  電極
３５０、４５０、５５０  ・・・  固定部
３６０、４６０、５６０  ・・・  構造部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの柔軟な電極によって挟まれたエラストマー膜から構成され伸縮動作により起電力を生じる電場応答性高分子において、
前記電極が導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを含有しており、
前記エラストマー膜と電極との間に補強膜が設けられており、
前記補強膜がエラストマー膜の端部近傍において肉厚に形成されていることを特徴とする電場応答性高分子。
【請求項２】
前記電極間にバイアス電圧として高電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の電場応答性高分子。