(57)【要約】  変換器は、第１電極と、第２電極と、誘電性エラストマー膜と、高誘電率膜とを備える。誘電性エラストマー膜は、第１電極と記第２電極との間に配置されると共に、比誘電率ε１を有する。高誘電率膜は、第１電極と誘電性エラストマー膜との間及び第２電極と誘電性エラストマー膜との間のうちの少なくとも一方に配置されると共に、比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε２を有する。
2017119497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置されると共に、比誘電率ε１を有する誘電性エラストマー膜と、
前記第１電極と前記誘電性エラストマー膜との間及び前記第２電極と前記誘電性エラストマー膜との間のうちの少なくとも一方に配置されると共に、前記比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε２を有する高誘電率膜と
を備えた、変換器。
【請求項２】
前記高誘電率膜は、エラストマーを含み、
前記エラストマーは、前記比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε３を有する、
請求項１記載の変換器。
【請求項３】
前記高誘電率膜は、複数の粒子と、エラストマーとを含み、
前記複数の粒子は、前記比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε４を有する、
請求項１記載の変換器。
【請求項４】
前記複数の粒子は、チタン酸バリウム及びその誘導体のうちの少なくとも一方を含む、
請求項３記載の変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電性エラストマー膜を用いて物理量を変換する変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理量の変換効率に優れた変換器として、誘電性エラストマー膜を用いた変換器（誘電トランスデューサ）が注目されている。この変換器は、誘電性エラストマー膜の変形（伸縮及び収縮）を利用して、任意の物理量を他の物理量に変換する。【０００３】
ここで説明する変換器は、２つの電極の間にポリマー（誘電性エラストマー膜）が配置された構成を有している。この変換器では、２つの電極の間に電位差が生じると、静電気力（クーロン力）を利用して２つの電極が互いに引き合うため、誘電性エラストマー膜が変形する。【０００４】
より具体的には、変換器は、下記の（１）及び（２）に示した条件のうちの一方又は双方を満たしている。
（１）２つの電極の間に配置された誘電性エラストマー膜の比誘電率は、空気の比誘電率よりも大きい。但し、理科年表に基づいて、空気（２０℃の乾燥空気）の比誘電率は１．０００５３６とする。
（２）２つの電極のそれぞれは、柔軟性を有しているため、誘電性エラストマー膜の変形に追従しながら自らも変形（伸縮及び収縮）可能である。
【０００５】
この変換器の構成に関しては、様々な検討がなされている。具体的には、印加電圧に対する変位量を大きくするために、２つの電極の間に誘電弾性体（弾性絶縁材料部／弾性高誘電材料部／弾性絶縁材料部）が配置されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−０６８６６７号公報
【発明の概要】
【０００７】
変換器の変換特性をより向上させることが要望されているため、その変換器の構成に関しては未だ改善の余地がある。
【０００８】
従って、優れた変換特性を得ることが可能な変換器を提供することが望ましい。
【０００９】
本発明者は、上記した目的を達成するために鋭意検討した結果、電極と誘電性エラストマー膜との間に、その誘電性エラストマーの比誘電率よりも大きい比誘電率を有する膜を設けることにより、上記した課題が解決されることを見出した。
【００１０】
本発明は、上記した知見に基づいてなされたものであり、その本発明の一実施形態の変換器は、第１電極と、第２電極と、誘電性エラストマー膜と、高誘電率膜とを備えたものである。誘電性エラストマー膜は、第１電極と第２電極との間に配置されると共に、比誘電率ε１を有する。高誘電率膜は、第１電極と誘電性エラストマー膜との間及び第２電極と誘電性エラストマー膜との間のうちの少なくとも一方に配置されると共に、比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε２を有する。
【００１１】
本発明の一実施形態の変換器の構成には、以下の３つの態様が含まれる。第１に、変換器は、第１電極と誘電性エラストマー膜との間に高誘電率膜を備えており、第２電極と誘電性エラストマー膜との間に高誘電率膜を備えていなくてもよい。第２に、変換器は、第１電極と誘電性エラストマー膜との間に高誘電率膜を備えておらず、第２電極と誘電性エラストマー膜との間に高誘電率膜を備えていてもよい。第３に、変換器は、第１電極と誘電性エラストマー膜との間に高誘電率膜を備えていると共に、第２電極と誘電性エラストマー膜との間に高誘電率膜を備えていてもよい。
【００１２】
本発明の一実施形態の変換器によれば、第１電極と誘電性エラストマー膜との間及び第２電極と誘電性エラストマー膜との間のうちの一方又は双方に高誘電率膜が配置されており、その高誘電率膜が誘電性エラストマー膜の比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε２を有している。よって、優れた変換特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態の変換器の基本構成１を表す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の変換器の基本構成２を表す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態の変換器の基本構成３を表す断面図である。
【図４】変換器の具体的な構成（基本構成１が適用された構成例１）を表す断面図である。
【図５】変換器の具体的な構成（基本構成２が適用された構成例１）を表す断面図である。
【図６】変換器の具体的な構成（基本構成３が適用された構成例１）を表す断面図である。
【図７】変換器の具体的な構成（基本構成１が適用された構成例２）を表す断面図である。
【図８】変換器の具体的な構成（基本構成２が適用された構成例２）を表す断面図である。
【図９】変換器の具体的な構成（基本構成３が適用された構成例２）を表す断面図である。
【図１０】比較例の変換器の構成を表す断面図である。
【図１１】変換器の構成に関する変形例を表す断面図である。
【図１２】変換器の構成に関する他の変形例を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に関して詳細に説明する。説明する順序は、下記の通りである。但し、本発明に関する詳細は、以下で説明する態様に限定されずに適宜変更可能である。
【００１５】
１．変換器
１−１．基本構成
１−２．具体的な構成例１
１−３．具体的な構成例２
１−４．動作
１−５．製造方法
１−６．作用及び効果
１−７．変形例
２．変換器の用途
２−１．機械的素子
２−２．電気的素子
２−３．検出素子
【００１６】
＜１．変換器＞
まず、本発明の一実施形態の変換器に関して説明する。
【００１７】
ここで説明する変換器は、誘電性エラストマー膜を用いて物理量を変換する素子であり、いわゆる誘電トランスデューサである。
【００１８】
変換器により変換される物理量の種類は、特に限定されないが、例えば、任意の物理量のうちのいずれか１種類又は２種類以上である。この物理量は、例えば、電気的エネルギー及び機械的エネルギー等である。
【００１９】
変換器の用途は、例えば、変換前の物理量の種類及び変換後の物理量の種類等に応じて決定される。変換器の具体的な用途に関しては、後述する。
【００２０】
＜１−１．基本構成＞
変換器の基本構成は、以下の通りである。
【００２１】
図１は、変換器の断面構成（基本構成１）を表している。この変換器は、例えば、図１に示したように、第１電極１と、第２電極２と、誘電性エラストマー膜３と、第１高誘電率膜４と、第２高誘電率膜５とを備えている。
【００２２】
尚、第１電極１、第２電極２、誘電性エラストマー膜３、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のそれぞれの平面形状は、特に限定されない。即ち、平面形状は、円形でもよいし、矩形でもよいし、それ以外の形状でもよい。
【００２３】
［第１電極及び第２電極］
第１電極１及び第２電極２は、誘電性エラストマー膜３を介して互いに対向している。第１電極１及び第２電極２のそれぞれの形成材料は、特に限定されない。具体的には、第１電極１及び第２電極２のそれぞれは、例えば、炭素材料、導電性高分子化合物及び金属材料等の導電性材料のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。炭素材料は、例えば、黒鉛、フラーレン、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）及びグラフェン等である。この炭素材料には、例えば、金属ドープ処理、金属内包処理及び金属鍍金処理等の処理のうちのいずれか１種類又は２種類以上が施されていてもよい。導電性高分子化合物は、例えば、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン及びポリベンゾチアゾール等である。金属材料は、例えば、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）等であり、合金でもよい。但し、第１電極１の形成材料と第２電極２の形成材料とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。
【００２４】
第１電極１及び第２電極２のそれぞれは、後述する変換器の動作（誘電性エラストマー膜３の変形）を実行させやすくするために、その誘電性エラストマー膜３の変形（伸張及び収縮）に応じて変形可能であることが好ましい。言い換えれば、第１電極１及び第２電極２のそれぞれは、いわゆる柔軟性（伸縮性）を有していることが好ましい。
【００２５】
第１電極１及び第２電極２のそれぞれの厚さは、特に限定されない。第１電極１及び第２電極２のそれぞれの厚さは、例えば、変換器の用途等に応じて決定される。また、第１電極１及び第２電極２のそれぞれは、単層でもよいし、多層でもよい。
【００２６】
第１電極１は、例えば、第１高誘電率膜４に隣接されている。ここでは、第１電極１は、例えば、第１高誘電率膜４の表面の一部に隣接されている。
【００２７】
同様に、第２電極２は、例えば、第２高誘電率膜５に隣接されている。ここでは、第２電極２は、例えば、第２高誘電率膜５の表面の一部に隣接されている。
【００２８】
［誘電性エラストマー膜］
誘電性エラストマー膜３は、第１電極１と第２電極２との間に配置されており、比誘電率ε１を有している。
【００２９】
比誘電率ε１の値は、特に限定されない。中でも、比誘電率ε１は、１．１＜ε１≦１３０を満たしていることが好ましく、１．８＜ε１≦１００を満たしていることがより好ましい。
【００３０】
この誘電性エラストマー膜３は、エラストマー（ゴム状弾性を有する高分子化合物）のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。エラストマーの種類は、特に限定されないが、例えば、熱硬化性エラストマー、熱可塑性エラストマー及びエネルギー線硬化性エラストマー等である。
【００３１】
熱硬化性エラストマーの種類は、特に限定されないが、例えば、天然ゴム、合成ゴム、シリコーンゴム系エラストマー、ウレタンゴム系エラストマー及びフッ素ゴム系エラストマー等である。
【００３２】
熱可塑性エラストマーの種類は、特に限定されないが、例えば、スチレン系エラストマー、オレフィン系エラストマー、塩化ビニル系エラストマー、ウレタン系エラストマー、アミド系エラストマー及びエステル系エラストマー等である。塩化ビニル系エラストマーは、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等である。
【００３３】
エネルギー線硬化性エラストマーは、任意のエネルギー線のうちのいずれか１種類又は２種類以上を用いて硬化されるエラストマーである。エネルギー線の種類は、特に限定されないが、例えば、電波、紫外線、可視光線及び赤外線等であり、より具体的には、電磁波エネルギー線及び高エネルギー線等である。エネルギー線のうちの光（波長＝２００ｎｍ〜７００ｎｍ）の光源は、例えば、超高圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、中圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、水銀蒸気アーク灯、キセノンアーク灯、カーボンアーク灯、メタルハライドランプ、蛍光灯、タングステンランプ、エキシマーランプ、殺菌灯、発光ダイオード及びＣＲＴ光源等である。中でも、波長が３００ｎｍ〜４５０ｎｍである光を発生させる超高圧水銀ランプ、水銀蒸気アーク灯、カーボンアーク灯及びキセノンアーク灯等が好ましい。電波の周波数帯としては、例えば、産業科学医療用（ＩＳＭ）として電波法により定められている周波数帯及び欧米等で使用されている９１５ＭＨｚ帯等が挙げられる。高エネルギー線は、例えば、電子線、Ｘ線及び放射線等である。
【００３４】
但し、誘電性エラストマー膜３は、上記したエラストマーと共に、他の材料のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいてもよい。この他の材料は、例えば、各種の添加剤等である。
【００３５】
誘電性エラストマー膜３の厚さは、特に限定されない。この誘電性エラストマー膜３の厚さは、例えば、変換器の用途等に応じて決定される。また、誘電性エラストマー膜３は、単層でもよいし、多層でもよい。
【００３６】
［第１高誘電率膜及び第２高誘電率膜］
第１高誘電率膜４は、第１電極１と誘電性エラストマー膜３との間に配置されており、比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε２を有している。この第１高誘電率膜４は、例えば、第１電極１及び誘電性エラストマー膜３のそれぞれに隣接している。
【００３７】
比誘電率ε２の値は、特に限定されない。中でも、比誘電率ε２は、１．１＜ε２≦５０００を満たしていることが好ましく、１．８＜ε２≦５０００を満たしていることがより好ましい。
【００３８】
第１高誘電率膜４の構成は、上記したように、比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε２を有していれば、特に限定されない。具体的には、第１高誘電率膜４は、比誘電率ε２を有するために、高誘電性材料のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいる。この第１高誘電率膜４の具体的な構成（高誘電性材料の詳細）に関しては、後述する。
【００３９】
第２高誘電率膜５は、第２電極２と誘電性エラストマー膜３との間に配置されており、比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε２を有している。但し、第１高誘電率膜４の比誘電率ε２の値と第２高誘電率膜５の比誘電率ε２の値とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。この第２高誘電率膜５は、例えば、第２電極２及び誘電性エラストマー膜３のそれぞれに隣接している。
【００４０】
第２高誘電率膜５の構成は、上記したように、比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε２を有していれば、特に限定されない。この第２高誘電率膜５の構成に関する詳細は、例えば、第１高誘電率膜４の構成に関する詳細と同様である。但し、第１高誘電率膜４の構成と第２高誘電率膜５の構成とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。この第２高誘電率膜５の具体的な構成に関しては、後述する。
【００４１】
第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のそれぞれの厚さは、特に限定されない。第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のそれぞれの厚さは、例えば、変換器の用途等に応じて決定される。また、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のそれぞれは、単層でもよいし、多層でもよい。
【００４２】
この変換器は、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のうちのいずれか一方だけを備えていてもよいし、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５の双方を備えていてもよい。図１では、例えば、変換器が第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５の双方を備えている場合を示している。
【００４３】
この他、変換器は、例えば、図１に対応する図２（基本構成２）に示したように、第２高誘電率膜５を備えておらずに、第１高誘電率膜４だけを備えていてもよい。この場合には、第２電極２と誘電性エラストマー膜３との間に第２高誘電率膜５が配置されていないため、その第２電極２が誘電性エラストマー膜３に隣接している。尚、図２に示した変換器は、第２高誘電率膜５を備えていないことを除き、図１に示した変換器と同様の構成を有している。
【００４４】
又は、変換器は、例えば、図１に対応する図３（基本構成３）に示したように、第１高誘電率膜４を備えておらずに、第２高誘電率膜５だけを備えていてもよい。この場合には、第１電極１と誘電性エラストマー膜３との間に第１高誘電率膜４が配置されていないため、その第１電極１が誘電性エラストマー膜３に隣接している。尚、図３に示した変換器は、第１高誘電率膜４を備えていないことを除き、図１に示した変換器と同様の構成を有している。
【００４５】
誘電性エラストマー膜３の比誘電率ε１を特定するためには、例えば、変換器を解体することにより、その変換器から誘電性エラストマー膜３を取り出した後、ＬＣＲメータ等が搭載された誘電体測定システムを用いて誘電性エラストマー膜３の誘電率εを測定することにより、比誘電率ε１（＝ε／ε０，但し、ε０は真空の誘電率であり、ほぼ１である。）を算出する。尚、第１高誘電率膜４の比誘電率ε２及び第２高誘電率膜５の比誘電率ε２のそれぞれを特定する手順は、例えば、誘電性エラストマー膜３に代えて第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のそれぞれを用いることを除き、上記した誘電性エラストマー膜３の比誘電率ε１を特定する手順と同様である。
【００４６】
ここで、上記した変換器の具体的な構成は、例えば、以下の通りである。以下では、図１〜図３に示した変換器の一連の構成要素を随時引用する。
【００４７】
＜１−２．具体的な構成例１＞
図４は、変換器の具体的な断面構成（基本構成１が適用された構成例１）を表しており、図１に対応している。この変換器は、例えば、第１高誘電率膜４に対応する第１高誘電率膜６と、第２高誘電率膜５に対応する第２高誘電率膜７とを備えていることを除き、図１に示した変換器と同様の構成を有している。
【００４８】
第１電極１と誘電性エラストマー膜３との間に配置されている第１高誘電率膜６は、第１高誘電率膜４として機能するために、比誘電率ε２を有している。
【００４９】
この第１高誘電率膜６は、比誘電率ε２を有するために、例えば、エラストマー６１を含んでいる。このエラストマー６１は、上記した高誘電性材料であり、比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε３を有している。
【００５０】
比誘電率ε３の値に関する詳細は、上記した比誘電率ε１の値に関する詳細と同様である。
【００５１】
エラストマー６１の種類は、比誘電率ε３を有していることを除き、誘電性エラストマー膜３の形成材料（エラストマー）と同様である。
【００５２】
第２電極２と誘電性エラストマー膜３との間に配置されている第２高誘電率膜７は、第２高誘電率膜５として機能するために、比誘電率ε２を有している。
【００５３】
この第２高誘電率膜７は、比誘電率ε２を有するために、例えば、エラストマー７１を含んでいる。このエラストマー７１は、上記した高誘電性材料であり、比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε３を有している。但し、エラストマー６１の比誘電率ε３の値とエラストマー７１の比誘電率ε３の値とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。
【００５４】
エラストマー７１の種類は、比誘電率ε３を有していることを除き、誘電性エラストマー膜３の形成材料（エラストマー）と同様である。但し、エラストマー６１の種類とエラストマー７１の種類とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。
【００５５】
この他、変換器は、例えば、図２に対応する図５（基本構成２が適用された構成例１）に示したように、第２高誘電率膜７を備えておらずに、第１高誘電率膜６だけを備えていてもよい。この場合には、第２電極２と誘電性エラストマー膜３との間に第２高誘電率膜７が配置されていないため、その第２電極２が誘電性エラストマー膜３に隣接している。尚、図５に示した変換器は、第２高誘電率膜７を備えていないことを除き、図４に示した変換器と同様の構成を有している。
【００５６】
又は、変換器は、例えば、図３に対応する図６（基本構成３が適用された構成例１）に示したように、第１高誘電率膜６を備えておらずに、第２高誘電率膜７だけを備えていてもよい。この場合には、第１電極１と誘電性エラストマー膜３との間に第１高誘電率膜６が配置されていないため、その第１電極１が誘電性エラストマー膜３に隣接している。尚、図６示した変換器は、第１高誘電率膜６を備えていないことを除き、図４に示した変換器と同様の構成を有している。
【００５７】
＜１−３．具体的な構成例２＞
図７は、変換器の具体的な断面構成（基本構成１が適用された構成例２）を表しており、図１に対応している。この変換器は、例えば、第１高誘電率膜４に対応する第１高誘電率膜８と、第２高誘電率膜５に対応する第２高誘電率膜９とを備えていることを除き、図１に示した変換器と同様の構成を有している。
【００５８】
第１電極１と誘電性エラストマー膜３との間に配置されている第１高誘電率膜８は、第１高誘電率膜４として機能するために、比誘電率ε２を有している。
【００５９】
この第１高誘電率膜８は、比誘電率ε２を有するために、例えば、複数の粒子８１と、エラストマー８２とを含んでいる。この複数の粒子８１は、エラストマー８２中において分散されている。第１高誘電率膜８中における複数の粒子８１の含有量は、特に限定されない。
【００６０】
複数の粒子８１は、上記した高誘電性材料であり、比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε４を有している。
【００６１】
比誘電率ε４の値は、特に限定されない。中でも、比誘電率ε４は、１．１＜ε４≦５０００を満たしていることが好ましく、１．４＜ε４≦５０００を満たしていることがより好ましい。
【００６２】
複数の粒子８１の種類は、比誘電率ε４を有する無機材料等のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいれば、特に限定されない。
【００６３】
無機材料の種類は、特に限定されない。この無機材料は、例えば、セラミック材料を含んでおり、そのセラミック材料は、例えば、ペロブスカイト結晶構造を有する金属酸化物粒子及びビスマス層状構造を有する強誘電体粒子等である。この金属酸化物粒子は、例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスナトリウム、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム、チタン酸ビスマス酸ランタン、ニオブ酸カリウム及びそれらの誘導体等である。この他、無機材料は、例えば、炭素材料を含んでいてもよい。この炭素材料は、例えば、黒鉛、フラーレン、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン及びそれらの誘導体等である。
【００６４】
中でも、セラミック材料は、チタン酸バリウム及びその誘導体のうちの一方又は双方であることが好ましい。高い比誘電率ε４が得られるからである。
【００６５】
チタン酸バリウムは、例えば、チタン酸バリウム（二チタン酸バリウム：ＢａＴｉ2 Ｏ5 ）及びチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3 ）と共に、それらのチタン酸バリウムの還元物等である。
【００６６】
チタン酸バリウムの誘導体は、例えば、チタン酸バリウムのうちの一部の金属原子が他の金属原子により置換された化合物である。「チタン酸バリウムのうちの一部」とは、Ａサイトであるバリウム（Ｂａ）のうちの一部又はＢサイトであるチタン（Ｔｉ）のうちの一部であり、バリウム及びチタンのそれぞれの一部でもよい。「他の金属原子」とは、チタン及びバリウム以外の金属原子であり、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、イットリウム（Ｙ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）等である。
【００６７】
黒鉛、フラーレン及びカーボンナノチューブのそれぞれの誘導体は、例えば、黒鉛、フラーレン及びカーボンナノチューブのそれぞれに金属ドープ処理、金属内包処理及び金属鍍金処理等の処理のうちのいずれか１種類又は２種類以上が施された材料等である。
【００６８】
エラストマー８２は、比誘電率ε５を有しており、その比誘電率ε５の値は、特に限定されない。即ち、比誘電率ε５の値は、比誘電率ε１の値よりも小さくてもよいし、比誘電率ε１の値よりも大きくてもよいし、比誘電率ε１の値と同じでもよい。但し、比誘電率ε５の値は、比誘電率ε１の値よりも大きいことが好ましい。
【００６９】
比誘電率ε５の値は、特に限定されない。中でも、比誘電率ε５は、１．１＜ε１≦１３０を満たしていることが好ましく、１．８＜ε１≦１００を満たしていることがより好ましい。
【００７０】
エラストマー８２の種類は、比誘電率ε５を有していることを除き、誘電性エラストマー膜３の形成材料（エラストマー）と同様である。
【００７１】
第２電極２と誘電性エラストマー膜３との間に配置されている第２高誘電率膜９は、第２高誘電率膜５として機能するために、比誘電率ε２を有している。
【００７２】
この第２高誘電率膜９は、比誘電率ε２を有するために、例えば、複数の粒子９１と、エラストマー９２とを含んでいる。この複数の粒子９１は、エラストマー９２中において分散されている。第２高誘電率膜９中における複数の粒子９１の含有量は、特に限定されない。
【００７３】
複数の粒子９１は、上記した高誘電性材料であり、比誘電率ε１よりも大きい比誘電率４を有している。但し、複数の粒子８１の比誘電率ε４の値と複数の粒子９１の比誘電率ε４の値とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。
【００７４】
複数の粒子９１の種類は、比誘電率ε４を有する無機材料のうちのいずれか１種類又は２種類以上を含んでいれば、特に限定されない。この無機材料に関する詳細は、上記した通りである。但し、複数の粒子８１が含んでいる無機材料の種類と複数の粒子９１が含んでいる無機材料の種類とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。
【００７５】
エラストマー９２は、比誘電率ε５を有しており、その比誘電率ε５の値は、特に限定されない。この比誘電率ε５の値に関する詳細は、例えば、上記した通りである。但し、エラストマー８２の比誘電率ε５の値とエラストマー９２の比誘電率ε５の値とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。また、エラストマー９２の種類は、比誘電率ε５を有していることを除き、誘電性エラストマー膜３の形成材料（エラストマー）と同様である。但し、エラストマー８２の種類とエラストマー９２の種類とは、互いに同じでもよいし、互いに異なってもよい。
【００７６】
この他、変換器は、例えば、図２に対応する図８（基本構成２が適用された構成例２）に示したように、第２高誘電率膜９を備えておらずに、第１高誘電率膜８だけを備えていてもよい。この場合には、第２電極２と誘電性エラストマー膜３との間に第２高誘電率膜９が配置されていないため、その第２電極２が誘電性エラストマー膜３に隣接している。尚、図８に示した変換器は、第２高誘電率膜９を備えていないことを除き、図７に示した変換器と同様の構成を有している。
【００７７】
又は、変換器は、例えば、図３に対応する図９（基本構成３が適用された構成例２）に示したように、第１高誘電率膜８を備えておらずに、第２高誘電率膜９だけを備えていてもよい。この場合には、第１電極１と誘電性エラストマー膜３との間に第１高誘電率膜８が配置されていないため、その第１電極１が誘電性エラストマー膜３に隣接している。尚、図９示した変換器は、第１高誘電率膜８を備えていないことを除き、図７に示した変換器と同様の構成を有している。
【００７８】
＜１−４．動作＞
この変換器は、例えば、以下のように動作する。
【００７９】
第１電極１と第２電極２との間に電圧が印加されると、静電気力に起因して、電荷粒子間に引力及び斥力が発生する。具体的には、第１電極１の内部において電荷粒子同士が互いに反発し合うと共に、第２電極２の内部において電荷粒子同士が互いに反発し合う。また、第１電極１の内部の電荷粒子と第２電極２の内部の電荷粒子とが互いに引き合う。これにより、誘電性エラストマー膜３が変形する。この場合には、誘電性エラストマー膜３は、厚さ方向において収縮すると共に、面方向において伸張する。この後、電圧の印加が停止すると、誘電性エラストマー膜３が電圧の印加前の状態に復帰する。この場合には、誘電性エラストマー膜３は、厚さ方向において伸張すると共に、面方向において収縮する。尚、誘電性エラストマー膜３が変形する場合には、その誘電性エラストマー膜３の変形に応じて第１電極１及び第２電極２のそれぞれも変形する。
【００８０】
よって、変換器に電気的エネルギー（電圧）が供給されると、その変換器により電気的エネルギーが機械的エネルギー（伸縮運動）に変換される。
【００８１】
尚、図１〜図９において、「厚さ方向」とは、第１電極１と第２電極２とが互いに対向している方向（上下方向）であると共に、「面方向」とは、上記した厚さ方向と交差する方向（左右方向）である。
【００８２】
又は、変換器は、柔軟性を有する第１電極１と柔軟性を有する第２電極２とにより誘電性エラストマー膜３が挟まれた構成を有している。このため、変換器は、外力（外部から供給される機械的エネルギー）に応じて静電容量が変化する一種の可変容量コンデンサであると考えられる。但し、静電容量が変化する際、可変容量コンデンサの体積は一定である。
【００８３】
この変換器では、外力が供給されると、その外力に応じて誘電性エラストマー膜３が変形する。この場合には、誘電性エラストマー膜３が厚さ方向において収縮すると共に面方向において伸張すると、その誘電性エラストマー膜３の厚さが薄くなる。これにより、第１電極１及び第２電極２のそれぞれの面積が拡大するため、変換器は高容量状態になる。この後、外力の供給が停止すると、誘電性エラストマー膜３自身の弾性力により、その誘電性エラストマー膜３が外力の供給前の状態に復帰する。この場合には、誘電性エラストマー膜３が厚さ方向において伸張すると共に面方向において収縮すると、その誘電性エラストマー膜３の厚さが厚くなる。これにより、第１電極１及び第２電極２のそれぞれの面積が縮小するため、変換器は低容量状態になる。このような電荷の変化が電位差を増加させるため、静電エネルギーが増加する。
【００８４】
よって、変換器に機械的エネルギー（外力）が供給されると、その変換器により機械的エネルギーが電気的エネルギー（静電エネルギー）に変換される。
【００８５】
又は、任意の物理量を有する外力が変換器に供給されると、その外力に応じて誘電性エラストマー膜３が変形するため、第１電極１と第２電極２との間の静電容量（電気的エネルギー）が変化する。この静電容量の変化に基づいて、変換器に対する外力の供給が検出されると共に、その外力の値（物理量）が特定される。
【００８６】
よって、任意の物理量を有する外力が供給されると、その変換器により静電容量の変化に基づいて外力の供給等が検出される。
【００８７】
ここで説明する変換器は、より具体的には、上記した物理量の変換を利用して、その変換器の用途に応じた様々な機能を発揮する。この変換器の機能の詳細に関しては、その変換器の用途と併せて後述する。
【００８８】
＜１−５．製造方法＞
次に、変換器の製造方法に関して説明する。
【００８９】
この変換器は、例えば、以下の手順により製造される。尚、以下では、図１に示した変換器を製造する場合を例に挙げる。また、変換器の一連の構成要素の形成材料等に関しては既に詳細に説明したので、以下では、その説明を省略する。
【００９０】
［誘電性エラストマー膜の準備］
最初に、比誘電率ε１を有する誘電性エラストマー膜３を準備する。この誘電性エラストマー膜３は、互いに対向する一対の面を有している。この「一対の面」とは、一方の面（上面）及び他方の面（下面）である。尚、誘電性エラストマー膜３を形成する手順は、例えば、以下の通りである。
【００９１】
誘電性エラストマー膜３の形成材料として熱硬化性エラストマーを用いる場合には、例えば、熱硬化性（未硬化）のエラストマーを含むペーストと、硬化用の触媒と、必要に応じて希釈用の溶媒等とを混合した後、その混合物を撹拌することにより、混合溶液（例えば、スラリー）を得る。
【００９２】
希釈用の溶媒の種類は、特に限定されないが、例えば、トルエン、シクロヘキサン、キシレン、テトラヒドロフラン、クロロホルム、メチルエチルケトン及びメチルイソブチルケトン等の有機溶剤のうちのいずれか１種類又は２種類以上である。この希釈用の溶媒に関する詳細は、以降においても同様である。
【００９３】
続いて、支持フィルムの一面に混合溶液を塗布した後、その混合溶液を加熱乾燥させることにより、熱硬化性のエラストマーを反応（熱硬化）させる。混合溶液を塗布する場合には、例えば、バーコータ、ダイコータ、カーテンコータ、ロールコータ、スピンコータ等のコーティング装置のうちのいずれか１種類又は２種類以上を用いる。この他、混合溶液を塗布するために、例えば、各種の印刷方法を用いてもよいし、浸漬法を用いてもよい。この混合溶液の塗布方法に関する詳細は、以降においても同様である。支持フィルムの種類は、特に限定されないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート等のプラスチックフィルムである。これにより、熱硬化性のエラストマーの硬化物がシート（フィルム）状に成型されるため、比誘電率ε１を有する誘電性エラストマー膜３が得られる。この後、誘電性エラストマー膜３から支持フィルムを剥離する。
【００９４】
誘電性エラストマー膜３の形成材料として熱可塑性エラストマーを用いる場合には、例えば、熱硬可塑性のエラストマーを含むペーストと、必要に応じて希釈用の溶媒等とを混合した後、その混合物を撹拌することにより、混合溶液を得る。続いて、支持フィルムの一面に混合溶液を塗布した後、その混合溶液を乾燥させる。この場合には、混合溶液を加熱乾燥させてもよいし、混合溶液を減圧乾燥させてもよい。これにより、熱可塑性のエラストマーがシート（フィルム）状に成型されるため、比誘電率ε１を有する誘電性エラストマー膜３が得られる。この後、誘電性エラストマー膜３から支持フィルムを剥離する。
【００９５】
誘電性エラストマー膜３の形成材料としてエネルギー線硬化性エラストマーを用いる場合には、例えば、エネルギー線硬化性（未硬化）のエラストマーを含むペーストと、必要に応じて希釈用の溶媒等とを混合した後、その混合物を撹拌することにより、混合溶液を得る。続いて、支持フィルムの一面に混合溶液を塗布した後、その混合溶液にエネルギー線を照射する。これにより、エネルギー線硬化性のエラストマーの硬化物がシート（フィルム）状に成型されるため、比誘電率ε１を有する誘電性エラストマー膜３が得られる。この後、誘電性エラストマー膜３から支持フィルムを剥離する。
【００９６】
［第１高誘電率膜及び第２高誘電率膜の形成］
続いて、誘電性エラストマー膜３のうちの一方の面に、比誘電率ε２を有する第１高誘電率膜４を形成すると共に、他方の面に、比誘電率ε２を有する第２高誘電率膜５を形成する。
【００９７】
上記した＜１−２．具体的な構成例１＞において、第１高誘電率膜４に対応する第１高誘電率膜６を形成すると共に、第２高誘電率膜５に対応する第２高誘電率膜７を形成する手順は、例えば、以下の通りである。
【００９８】
第１高誘電率膜６を形成する場合には、例えば、熱硬化性のエラストマーを含むペーストと、硬化用の触媒と、必要に応じて希釈用の溶媒等とを混合した後、その混合物を撹拌することにより、混合溶液を得る。
【００９９】
続いて、誘電性エラストマー膜３の一方の面に混合溶液を塗布した後、その混合溶液を加熱乾燥させることにより、熱硬化性のエラストマーを反応（熱硬化）させる。これにより、比誘電率ε３を有するエラストマー６１が形成されるため、そのエラストマー６１を含むと共に比誘電率ε２を有する第１高誘電率膜６が形成される。
【０１００】
第２高誘電率膜７を形成する場合には、例えば、比誘電率ε３を有するエラストマー６１に代えて、比誘電率ε３を有するエラストマー７１を形成することを除き、第１高誘電率膜６の形成手順と同様の手順を用いる。
【０１０１】
一方、上記した＜１−３．具体的な構成例２＞において、第１高誘電率膜４に対応する第１高誘電率膜８を形成すると共に、第２高誘電率膜５に対応する第２高誘電率膜９を形成する手順は、例えば、以下の通りである。
【０１０２】
第１高誘電率膜８を形成する場合には、例えば、比誘電ε４を有する複数の粒子８１と、熱硬化性のエラストマーを含むペーストと、硬化用の触媒と、必要に応じて希釈用の溶媒等とを混合したのち、その混合物を撹拌する。これにより、複数の粒子８１がペースト中に分散された混合溶液が得られる。続いて、誘電性エラストマー膜３の一方の面に混合溶液を塗布した後、その混合溶液を加熱乾燥させることにより、熱硬化性のエラストマーを反応（熱硬化）させる。これにより、比誘電率ε５を有するエラストマー８２が形成されると共に、そのエラストマー８２中において複数の粒子８１が分散される。よって、複数の粒子８１及びエラストマー８２を含むと共に比誘電率ε２を有する第１高誘電率膜８が形成される。
８を形成する。
【０１０３】
第２高誘電率膜９を形成する場合には、例えば、比誘電率ε４を有する複数の粒子８１に代えて、比誘電率ε４を有する複数の粒子９１を用いると共に、比誘電率ε５を有するエラストマー８２に代えて、比誘電率ε５を有するエラストマー９２を形成することを除き、第１高誘電率膜８の形成手順と同様の手順を用いる。
【０１０４】
［第１電極及び第２電極の形成］
最後に、第１高誘電率膜４（第１高誘電率膜６又は第１高誘電率膜８）の上に第１電極１を形成すると共に、第２高誘電率膜５（第２高誘電率膜７又は第２項誘電率膜９）の上に第２電極２を形成する。
【０１０５】
第１電極１の形成方法は、誘電性エラストマー膜３の変形に応じて変形可能である第１電極１を形成することができる方法であれば、特に限定されない。ここでは、例えば、第１電極１を形成するために、誘電性エラストマー膜３の形成工程において混合溶液を塗布した場合と同様の方法を用いて、第１高誘電率膜４の表面に、導電性材料を含む導電性ペーストを塗布した後、その導電性ペーストを乾燥させる。
【０１０６】
第２電極２の形成方法は、誘電性エラストマー膜３の変形に応じて変形可能である第２電極２を形成することができる方法であれば、特に限定されない。ここでは、例えば、第２電極２を形成するために、誘電性エラストマー膜３の形成工程において混合溶液を塗布した場合と同様の方法を用いて、第２高誘電率膜５の表面に、導電性材料を含む導電性ペーストを塗布した後、その導電性ペーストを乾燥させる。
【０１０７】
これにより、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５を備えた変換器が完成する。
【０１０８】
尚、ここでは詳細に説明しないが、図２及び図３のそれぞれに示した変換器は、上記した図１に示した変換器の製造手順と同様の手順を用いて製造される。
【０１０９】
即ち、図２に示した変換器の製造手順は、例えば、第２高誘電率膜５（第２高誘電率膜７又は第２高誘電率膜９）を形成しないことを除き、図１に示した変換器の製造手順と同様である。この場合には、誘電性エラストマー膜３の他方の面に第２電極２を形成する。
【０１１０】
また、図３に示した変換器の製造手順は、例えば、第１高誘電率膜４（第１高誘電率膜６又は第２高誘電率膜８）を形成しないことを除き、図１に示した変換器の製造手順と同様である。この場合には、誘電性エラストマー膜３の一方の面に第１電極１を形成する。
【０１１１】
＜１−６．作用及び効果＞
本発明の一実施形態の変換器によれば、以下で説明する作用及び効果を得ることができる。
【０１１２】
［主な作用及び効果］
本発明の変換器は、図１に示したように、誘電性エラストマー膜３（比誘電率ε１）と共に、第１高誘電率膜４（比誘電率ε２＞ε１）及び第２高誘電率膜５（比誘電率ε２＞ε１）を備えている。よって、以下で説明する理由により、優れた変換特性を得ることができる。
【０１１３】
図１０は、比較例の変換器の断面構成を表しており、図１に対応している。この比較例の変換器は、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５を備えていないため、第１電極１と第２電極２との間に誘電性エラストマー膜３（比誘電率ε１）だけが配置されていることを除き、本発明の変換器と同様の構成を有している。
【０１１４】
比較例の変換器において、変換効率を向上させるためには、比誘電率ε１を大きくすることにより、変換器全体の比誘電率を増加させればよい。しかしながら、比誘電率ε１が大きくなると、誘電性エラストマー膜３が硬くなるため、その誘電性エラストマー膜３が変形しにくくなる。よって、誘電性エラストマー膜３の変形能を確保しながら変換効率を向上させることが困難であるため、優れた変換特性が得られない。
【０１１５】
これに対して、本発明の変換器において、その変換器全体の比誘電率を増加させるためには、比誘電率ε１を大きくしなくても、比誘電率ε２を大きくすればよい。これにより、変換器全体の比誘電率が増加するため、変換効率が向上しやすくなる。しかも、比誘電率ε２を大きくしても、比誘電率ε１を小さくすることにより、誘電性エラストマー膜３が硬くなりにくい。これにより、誘電性エラストマー膜３、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５を含む全体の膜が硬くなりにくいため、その誘電性エラストマー膜３が変形しやすくなる。よって、誘電性エラストマー膜３の変形能を確保しながら変換効率を向上させることが可能であるため、優れた変換特性を得ることができる。
【０１１６】
尚、上記した本発明の変換器に関する作用及び効果は、図１に示した場合に限られず、図２及び図３のそれぞれに示した場合においても同様に得られる。なぜなら、変換器が第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のうちのいずれか一方だけでも備えていれば、変換器が第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のいずれも備えていない場合とは異なり、上記した理由により、誘電性エラストマー膜３の変形能を確保しながら変換効率を向上させることができるからである。但し、変換特性をより向上させるためには、変換器が第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のうちのいずれか一方だけを備えている場合よりも、変換器が第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５の双方を備えている場合が好ましい。
【０１１７】
特に、図４〜図６に示したように、エラストマー６１（比誘電率ε３＞ε１）を含む第１高誘電率膜６と、エラストマー７１（比誘電率ε３＞ε１）を含む第２高誘電率膜７とのうちの一方又は双方を用いれば、誘電性エラストマー膜３の変形能を確保しながら変換効率を十分に向上させることができる。
【０１１８】
また、図７〜図９に示したように、複数の粒子８１（比誘電率ε４＞ε１）及びエラストマー８２を含む第１高誘電率膜８と、複数の粒子９１（比誘電率ε４＞ε１）及びエラストマー９２を含む第２高誘電率膜９とのうちの一方又は双方を用いれば、誘電性エラストマー膜３の変形能を確保しながら変換効率を十分に向上させることができる。
【０１１９】
この他、複数の粒子８１，９１のそれぞれがチタン酸バリウム及びその誘導体のうちの一方又は双方を含んでいれば、比誘電率ε４がより大きくなるため、より高い効果を得ることができる。
【０１２０】
［他の作用及び効果］
尚、本発明の変換器では、以下で説明する利点も得られる。
【０１２１】
第１に、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５を備えている本発明の変換器では、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５を備えていない比較例の変換器と比較して、耐電圧性が向上する。よって、この観点においても、優れた変換特性を得ることができる。
【０１２２】
第２に、比較例の変換器では、第１電極１と第２電極２との間に電圧が印加されると、誘電性エラストマー膜３に起因して漏れ電流が発生しやすくなるため、変換効率が低下しやすくなる。この現象は、特に、誘電性エラストマー膜３の形成材料としてウレタンゴム系エラストマー等を用いた場合において顕著になる。
【０１２３】
これに対して、本発明の変換器では、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のそれぞれが電気的な保護膜として機能するため、漏れ電流が発生しにくくなる。これにより、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５を利用して変換器全体の比誘電率を増加させながら、その第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５により漏れ電流の発生が抑制される。よって、この観点においても、優れた変換特性を得ることができる。
【０１２４】
第３に、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のそれぞれは、上記した電気的な保護膜として機能する他、水分に対する障壁（保護膜）としても機能する。
【０１２５】
具体的には、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５を備えていない比較例の変換器では、その変換器の内部に水分が浸入しやすくなる。変換器の内部に水分が浸入すると、その水分が誘電性エラストマー膜３に吸着するため、変換効率が低下しやすくなると共に、誘電性エラストマー膜３も劣化しやすくなる。
【０１２６】
これに対して、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５を備えている本発明の変換器では、上記したように、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５のそれぞれが水分に対する障壁として機能するため、変換器の内部に水分が浸入しにくくなる。これにより、水分が誘電性エラストマー膜３に吸着しにくくなるため、変換効率が低下しにくくなると共に、誘電性エラストマー膜３も劣化しにくくなる。よって、この観点においても、優れた変換特性を得ることができる。
【０１２７】
第４に、比較例の変換器では、変換効率を向上させると共に水分の浸入を防止するために、誘電性エラストマー膜３（比誘電率ε１）を多層化することも考えられる。しかしながら、誘電性エラストマー膜３を多層化すると、各層において分極が発生する。これにより、分極の発生箇所が過剰に多くなるため、漏れ電流が著しく発生しやすくなる。
【０１２８】
これに対して、本発明の変換器では、第１高誘電率膜４及び第２高誘電率膜５を用いることにより、分極の発生箇所が過剰に多くなることを回避しながら、変換効率が向上すると共に、水分の浸入が抑制される。よって、この観点においても、優れた変換特性を得ることができる。
【０１２９】
第５に、比較例の変換器では、第１電極１及び第２電極２のそれぞれが誘電性エラストマー膜３に隣接している。この場合には、第１電極１及び第２電極２のそれぞれの形成材料である導電性ペースト中に炭素材料及び金属材料等の導電性粒子が含まれていると、その導電性粒子が誘電性エラストマー膜３に接触しやすいため、その誘電性エラストマー膜３が破損しやすくなる。なぜなら、導電性粒子の形状は、一般的に、鋭利な角部を有する形状であるため、その導電性粒子を含む導電性ペーストを用いた第１電極１及び第２電極２のそれぞれの形成工程では、誘電性エラストマー膜３が導電性粒子により傷つけられやすいからである。この誘電性エラストマー膜３の破損とは、例えば、誘電性エラストマー膜３が部分的に切断され、又は誘電性エラストマー膜３が部分的に除去されること等を意味している。変換器の主要部である誘電性エラストマー膜３が破損すると、第１電極１と第２電極２とが電気的に導通するため、変換器が根本的に駆動しなくなる。
【０１３０】
これに対して、本発明の変換器では、第１電極１と誘電性エラストマー膜３との間に第１高誘電率膜４が介在しているため、その第１高誘電率膜４が物理的な保護膜として機能する。また、第２電極２と誘電性エラストマー膜３との間に第２高誘電率膜５が介在しているため、その第２高誘電率膜５が物理的な保護膜として機能する。この場合には、導電性ペースト中に含まれている導電性粒子が誘電性エラストマー膜３に接触しにくくなるため、その誘電性エラストマー膜３が破損しにくくなる。これにより、第１電極１と第２電極２との間の絶縁性が確保されるため、変換器が根本的に駆動しなくなることは防止されると共に、その変換器の寿命も向上する。よって、この観点においても、優れた変換特性を得ることができる。
【０１３１】
第６に、本発明の変換器では、上記したように、変換効率が向上するため、例えば、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する場合には、一定量の機械的エネルギーを得るために要する電気的エネルギーの量が少なくても済む。詳細には、変換効率が低い場合には、一定量の機械的エネルギーを得るために要する電気的エネルギーの量は多くなるが、変換効率が高い場合には、一定量の機械的エネルギーを得るために要する電気的エネルギーの量は少なくなる。よって、変換器の消費電力を抑えることができる。また、変換器の消費電力が抑えられることに伴い、その変換器の寿命を長期化することができる。
【０１３２】
＜１−７．変形例＞
本発明の一実施形態の変換器の構成は、適宜、変更可能である。
【０１３３】
具体的には、本発明の一実施形態の変換器の構成に関して、図１〜図３を参照しながら基本構成１〜３を説明すると共に、図４〜図９を参照しながら具体的な構成例１，２を説明した。しかしながら、図４〜図９に示した一連の変換器の構成は、以下で説明するように、任意に組み合わせ可能である。この場合においても、同様の作用及び効果を得ることができる。
【０１３４】
例えば、図４に示した構成例１と図７に示した構成例２とを互いに組み合わせてもよい。この場合には、例えば、図１１に示したように、変換器は、第１高誘電率膜６と、第２高誘電率膜９とを備えていてもよい。又は、例えば、図１２に示したように、変換器は、第１高誘電率膜８と、第２高誘電率膜７とを備えていてもよい。
【０１３５】
＜２．変換器の用途＞
次に、本発明の一実施形態の変換器の用途に関して説明する。
【０１３６】
変換器の用途は、上記したように、物理量の変換を利用して変換器が所望の機能を発揮する用途であれば、特に限定されない。この所望の機能は、変換器の用途に応じて要求される機能であれば、特に限定されない。尚、変換器の用途は、能動的用途でもよいし、受動的用途でもよい。また、変換器の用途では、１つの変換器だけが用いられてもよいし、２つ以上の変換器が用いられてもよい。特に、後者の場合には、２つ以上の変換器により変換システム等の集合体が構築されてもよい。
【０１３７】
＜２−１．機械的素子＞
変換器の用途は、例えば、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換することにより、その機械的エネルギーを利用して特定の機能を発揮する機械的素子である。
【０１３８】
機械的素子の種類は、機械的エネルギーを利用して特定の機能を発揮する素子であれば、特に限定されない。具体的には、機械的素子は、例えば、アクチュエータ、スピーカ及び液中マイクロフォン等である。アクチュエータは、例えば、人工筋肉、ロボット及びソレノイド等である。
【０１３９】
この機械的素子は、上記した変換器の動作、即ち電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換動作を利用して、機械的機能を発揮する。
【０１４０】
具体的には、第１電極１と第２電極２との間に電圧が印加されると、静電気力を利用して誘電性エラストマー膜３が変形する。この場合には、誘電性エラストマー膜３は、厚さ方向において収縮すると共に、面方向において伸張する。この後、上記した電圧の印加が停止すると、自らの弾性力を利用して誘電性エラストマー膜３が再変形する。この場合には、誘電性エラストマー膜３は、厚さ方向において伸張すると共に面方向において収縮するため、電圧の供給前の状態に復帰する。
【０１４１】
よって、機械的素子は、上記した誘電性エラストマー膜３の変形を利用して、突出動作、後退動作、往復（振動）動作及び回転動作等の各種動作を実行することができる。
【０１４２】
＜２−２．電気的素子＞
また、変換器の用途は、例えば、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することにより、その電気的エネルギーを利用して特定の機能を発揮する電気的素子である。
【０１４３】
電気的素子の種類は、電気的エネルギーを利用して特定の機能を発揮する素子であれば、特に限定されない。具体的には、電気的素子は、例えば、発電機等である。
【０１４４】
この電気的素子は、上記した変換器の動作、即ち機械的エネルギーから電気的エネルギーへの変換動作を利用して、電気的機能を発揮する。
【０１４５】
具体的には、電気的素子に外力が供給されると、その外力に応じて誘電性エラストマー膜３が変形する。この場合には、誘電性エラストマー膜３は、面方向において伸張すると共に、厚さ方向において収縮する。これにより、誘電性エラストマー膜３中において電荷が発生すると共に、その電荷が誘電性エラストマー膜３中に蓄えられる。この後、上記した外力の供給が停止すると、自らの弾性力を利用して誘電性エラストマー膜３が再変形する。この場合には、誘電性エラストマー膜３は、面方向において収縮すると共に、厚さ方向において伸張する。これにより、誘電性エラストマー膜３から第１電極１及び第２電極２に向けて電荷が押し出されるため、第１電極１と第２電極２との間に電位差（静電エネルギー）が発生する。この誘電性エラストマー膜３の変形及び再変形を繰り返すことにより、静電エネルギーが増加する。
【０１４６】
よって、電気的素子は、上記した誘電性エラストマー膜３の変形を利用して、発電動作等の各種動作を実行することができる。
【０１４７】
＜２−３．検出素子＞
また、変換器の用途は、例えば、圧力等の物理量を電気的エネルギーに変換することにより、その電気的エネルギーの変化に基づいて物理量を検出（測定を含む）する検出素子である。
【０１４８】
検出素子の種類は、静電容量又はその静電容量を用いた電気的信号の変化に基づいて物理量を検出する素子であれば、特に限定されない。具体的には、検出素子は、例えば、圧力センサ、位置センサ及び振動センサ等である。
【０１４９】
この検出素子は、上記した変換器の動作、即ち圧力等の物理量から静電容量への変換動作を利用して、検出機能を発揮する。
【０１５０】
具体的には、任意の物理量を有する外力が検出素子に供給されると、その外力に応じて誘電性エラストマー膜３が変形するため、第１電極１と第２電極２との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化に基づいて、検出素子に対する外力の供給が検出されると共に、その外力の値（物理量）が特定される。
【０１５１】
よって、検出素子は、上記した誘電性エラストマー膜３の変形を利用して、検出動作を実行することができる。
【０１５２】
尚、変換器のサイズは、特に限定されない。この変換器のサイズは、例えば、その変換器の用途等に応じて任意に設計可能である。もちろん、変換器が適用される機械的素子及び電気的素子のそれぞれのサイズも、特に限定されない。具体的には、変換器の用途としてアクチュエータを例に挙げると、そのアクチュエータのサイズは、人間が容易に取り扱いできるような比較的大型のサイズでもよいし、人間が容易に取り扱いできないような比較的小型のサイズでもよい。
【０１５３】
本発明の変換器が適用される用途では、上記したように、その変換器において優れた変換特性が得られることに伴い、その変換器が適用される用途に応じた利点を得ることができる。
【０１５４】
以上のように、例えば、変換器がアクチュエータ等の機械的素子に適用された場合には、低消費電力で大きな変形量等を得ることができる。また、例えば、変換器が発電機等の電気的素子に適用された場合には、大きな静電容量及び発電量等を得ることができる。また、例えば、変換器が圧力センサ等の検出素子に適用された場合には、優れた検出精度を得ることができる。
【実施例】
【０１５５】
以下、本発明の実施例に関して説明する。説明する順序は、下記の通りである。但し、本発明の態様は、ここで説明する態様に限定されない。【０１５６】
１．変換器の製造
２．変換器の評価
３．考察
【０１５７】
＜１．変換器の製造＞
（実験例１）
以下の手順により、誘電性エラストマー膜３が面方向において伸張及び収縮する変換器（図４参照）を製造した。【０１５８】
最初に、熱硬化性のエラストマー（シリコーンゴム系エラストマーＡ：ＳＲＡ）を含むペーストと、硬化用の触媒と混合した後、その混合物を撹拌することにより、混合溶液を得た。この場合には、ペーストと触媒との混合比（重量比）を９７：３とした。続いて、ロールコータを用いて支持フィルム（ポリエチレンテレフタレート）の一面に円形状となるように混合溶液を塗布した後、その混合溶液を乾燥させることにより、円形状の誘電性エラストマー膜３（厚さ＝１６０μｍ，比誘電率ε１＝２．８，直径＝２０ｍｍ）を得た。この後、誘電性エラストマー膜３から支持フィルムを剥離した。【０１５９】
続いて、熱硬化性のエラストマー（フロロシリコーンゴム系エラストマー：ＦＳＲ）を含むペーストと、硬化用の触媒とを混合した後、その混合物を撹拌することにより、混合溶液を得た。この場合には、ペーストと触媒との混合比（重量比）を９４：６とした。【０１６０】
続いて、スピンコータを用いて、誘電性エラストマー膜３のうちの一方の面に円形状となるように混合溶液を塗布した後、その混合溶液を乾燥させることにより、熱硬化性のエラストマーを反応（熱硬化）させた。これにより、エラストマー６１（フロロシリコーンゴム系エラストマー，比誘電率ε３＝６．９）が形成されたため、そのエラストマー６１を含む円形状の第１高誘電率膜６（厚さ＝２０μｍ，比誘電率ε２＝６．９，直径＝２０ｍｍ）が形成された。【０１６１】
同様に、スピンコータを用いて、誘電性エラストマー膜３のうちの他方の面に円形状となるように混合溶液を塗布した後、その混合溶液を乾燥させることにより、熱硬化性のエラストマーを反応（熱硬化）させた。これにより、エラストマー７１（フロロシリコーンゴム系エラストマー，比誘電率ε３＝６．９）が形成されたため、そのエラストマー７１を含む円形状の第２高誘電率膜７（厚さ＝２０μｍ，比誘電率ε２＝６．９，直径＝２０ｍｍ）が形成された。【０１６２】
最後に、第１高誘電率膜６の表面に導電性ペースト（カーボンペースト）を円形状となるように印刷した後、その導電性ペーストを乾燥させることにより、円形状の第１電極１（直径＝２０ｍｍ）を形成した。同様に、第２高誘電率膜７の表面に導電性ペースト（カーボンペースト）を円形状となるように印刷した後、その導電性ペーストを乾燥させることにより、円形状の第２電極２（直径＝２０ｍｍ）を形成した。【０１６３】
これにより、第１高誘電率膜６及び第２高誘電率膜７を備えた変換器が完成した。【０１６４】
（実験例２）
誘電性エラストマー膜３の形成手順を変更すると共に、第１高誘電率膜６及び第２高誘電率膜７に代えて第１高誘電率膜８及び第２高誘電率膜９を形成したことを除き、実験例１と同様の手順により、変換器（図７参照）を製造した。【０１６５】
誘電性エラストマー膜３を得る場合には、熱硬化性のエラストマー（シリコーンゴム系エラストマーＢ：ＳＲＢ）を含むペーストと硬化用の触媒との混合比（重量比）をペースト：触媒＝９７：３とした。これにより、円形状の誘電性エラストマー膜３（厚さ＝１６０μｍ，比誘電率ε１＝２．７）が得られた。【０１６６】
第１高誘電率膜８を形成する場合には、熱硬化性のエラストマー（シリコーンゴム系エラストマーＢ：ＳＲＢ）を含むペーストと、硬化用の触媒と、複数の粒子８１（共立マテリアル株式会社製のチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3 ），メジアン径＝５０ｎｍ，比誘電率ε４＝２０００）とを混合したのち、その混合物を撹拌することにより、混合溶液を得た。この場合には、ペーストと触媒と複数の粒子８１との混合比（重量比）を＝８６：４：１０とした。続いて、誘電性エラストマー膜３のうちの一方の面に、円形状となるように混合溶液を塗布した後、その混合溶液を乾燥させることにより、熱硬化性のエラストマーを反応（熱硬化）させた。これにより、エラストマー８２（シリコーンゴム系エラストマーＢ：ＳＲＢ，比誘電率ε５＝２．７）が形成されたため、そのエラストマー８２と共に複数の粒子８１を含む円形状の第１高誘電率膜８（厚さ＝２０μｍ，比誘電率ε２＝３．１）が形成された。【０１６７】
同様に、第２高誘電率膜９を形成する場合には、熱硬化性のエラストマー（シリコーンゴム系エラストマーＢ：ＳＲＢ）を含むペーストと、硬化用の触媒と、複数の粒子９１（共立マテリアル株式会社製のチタン酸バリウム，メジアン径＝５０ｎｍ，比誘電率ε４＝２０００）とを混合したのち、その混合物を撹拌することにより、混合溶液を得た。この場合には、ペーストと触媒と複数の粒子９１の混合比（重量比）を＝８６：４：１０とした。続いて、誘電性エラストマー膜３のうちの他方の面に、円形状となるように混合溶液を塗布した後、その混合溶液を乾燥させることにより、熱硬化性のエラストマーを反応（熱硬化）させた。これにより、エラストマー９２（シリコーンゴム系エラストマーＢ：ＳＲＢ，比誘電率ε５＝２．７）が形成されたため、そのエラストマー９２と共に複数の粒子９１を含円形状のむ第２高誘電率膜９（厚さ＝２０μｍ，比誘電率ε２＝３．１）が形成された。【０１６８】
（実験例３）
誘電性エラストマー膜３、第１高誘電率膜８及び第２高誘電率膜９のそれぞれの形成材料（エラストマー）を変更したことを除き、実験例２と同様の手順により、変換器（図７参照）を製造した。【０１６９】
誘電性エラストマー膜３を得る場合には、熱硬化性のエラストマー（ウレタンゴム系エラストマー：ＵＲ）を含むペーストと硬化用の触媒との混合比（重量比）をペースト：触媒＝９９：１とした。これにより、円形状の誘電性エラストマー膜３（厚さ＝４２０μｍ，比誘電率ε１＝３．１）が得られた。【０１７０】
第１高誘電率膜８を形成する場合には、熱硬化性のエラストマー（ウレタンゴム系エラストマー：ＵＲ）を含むペーストと、硬化用の触媒と、複数の粒子８１（共立マテリアル株式会社製のチタン酸バリウム，メジアン径＝５０ｎｍ，比誘電率ε４＝２０００）とを混合したのち、その混合物を撹拌することにより、混合溶液を得た。この場合には、ペーストと触媒と複数の粒子８１との混合比（重量比）を＝８６：４：１０とした。続いて、誘電性エラストマー膜３のうちの一方の面に、円形状となるように混合溶液を塗布した後、その混合溶液を乾燥させることにより、熱硬化性のエラストマーを反応（熱硬化）させた。これにより、エラストマー８２（ウレタンゴム系エラストマー：ＵＲ，比誘電率ε５＝３．１）が形成されたため、そのエラストマー８２と共に複数の粒子８１を含む円形状の第１高誘電率膜８（厚さ＝４０μｍ，比誘電率ε２＝３．６）が形成された。【０１７１】
同様に、第２高誘電率膜９を形成する場合には、熱硬化性のエラストマー（ウレタンゴム系エラストマー：ＵＲ）を含むペーストと、硬化用の触媒と、複数の粒子９１（共立マテリアル株式会社製のチタン酸バリウム，メジアン径＝５０ｎｍ，比誘電率ε４＝２０００）とを混合したのち、その混合物を撹拌することにより、混合溶液を得た。この場合には、ペーストと触媒と複数の粒子９１の混合比（重量比）を＝８６：４：１０とした。続いて、誘電性エラストマー膜３のうちの他方の面に、円形状となるように混合溶液を塗布した後、その混合溶液を乾燥させることにより、熱硬化性のエラストマーを反応（熱硬化）させた。これにより、エラストマー９２（ウレタンゴム系エラストマー，比誘電率ε５＝３．１）が形成されたため、そのエラストマー９２と共に複数の粒子９１を含円形状のむ第２高誘電率膜９（厚さ＝４０μｍ，比誘電率ε２＝３．６）が形成された。【０１７２】
（実験例４）
第１高誘電率膜６及び第２高誘電率膜７を形成せずに、誘電性エラストマー膜３の厚さを２００μｍとしたことを除き、実験例１と同様の手順により、変換器（図１０）を製造した。この場合には、誘電性エラストマー膜３のうちの一方の面に第１電極１を形成すると共に、他方の面に第２電極２を形成した。【０１７３】
（実験例５）
第１高誘電率膜８及び第２高誘電率膜９を形成せずに、誘電性エラストマー膜３の厚さを２００μｍとしたことを除き、実験例２と同様の手順により、変換器（図１０）を製造した。【０１７４】
（実験例６）
第１高誘電率膜８及び第２高誘電率膜９を形成せずに、誘電性エラストマー膜３の厚さを５００μｍとしたことを除き、実験例３と同様の手順により、変換器（図１０）を製造した。【０１７５】
（実験例７）
誘電性エラストマー膜３の形成材料（エラストマー）を変更したことを除き、実験例４と同様の手順により、変換器（図１０）を製造した。【０１７６】
誘電性エラストマー膜３を得る場合には、熱硬化性のエラストマー（フロロシリコーンゴム系エラストマー：ＦＳＲ）を含むペーストと硬化用の触媒との混合比（重量比）をペースト：触媒＝９７：３とした。これにより、円形状の誘電性エラストマー膜３（厚さ＝２００μｍ，比誘電率ε１＝６．９）が得られた。【０１７７】
（実験例８）
誘電性エラストマー膜３のうちの一方の面及び他方の面のそれぞれに、比誘電率ε１よりも小さい比誘電率ε６を有する膜（低誘電率膜）を形成したことを除き、実験例７と同様の手順により、変換器を製造した。【０１７８】
低誘電率膜を形成する場合には、熱硬化性のエラストマー（シリコーンゴム系エラストマーＡ：ＳＲＡ）を含むペーストと、硬化用の触媒とを混合したのち、その混合物を撹拌することにより、混合溶液を得た。この場合には、ペーストと触媒との混合比（重量比）を９７：３とした。続いて、誘電性エラストマー膜３のうちの一方の面及び他方の面のそれぞれに、円形状となるように混合溶液を塗布した後、その混合溶液を乾燥させることにより、熱硬化性のエラストマーを反応（熱硬化）させた。これにより、エラストマー（シリコーンゴム系エラストマーＡ：ＳＲＡ，比誘電率ε６＝２．８）が形成されたため、そのエラストマーを含む円形状の低誘電率膜（厚さ＝２０μｍ，比誘電率ε２＝２．８）が形成された。【０１７９】
尚、表１では、比較のために、第１高誘電率膜及び第２高誘電率膜のそれぞれの欄に低誘電率膜の構成（エラストマーの種類及び比誘電率ε６の値）を示している。【０１８０】
＜２．変換器の評価＞
変換器の変換特性を調べたところ、表１に示した結果が得られた。ここでは、変換器を機械的素子（アクチュエータ）として用いた場合の変形特性を調べると共に、変換器を電気的素子（発電機）として用いた場合の発電特性を調べた。【０１８１】
変形特性を調べる場合には、誘電性エラストマー膜３が破壊されるまで第１電極１と第２電極２との間に電圧を印加して、その誘電性エラストマー膜３を面方向に伸張させることにより、その伸張量（最大伸張量）を測定した。誘電性エラストマー膜３が破壊された際の電圧（最高印加電圧：ｋＶ／１００μｍ）は、表１に示した通りである。【０１８２】
発電特性を調べる場合には、誘電性エラストマー膜３の伸張量が４０％になるように変換器に外力を供給して、その誘電性エラストマー膜３を面方向に伸張させることにより、その伸張時に発生した発電量を測定した。【０１８３】
尚、変形特性及び発電特性を調べる場合には、高電圧対応のデジタルマルチメータを用いて、漏れ電流の有無も併せて調べた。【０１８４】
表１では、伸張量及び発電量のそれぞれの値として、規格化した値（小数点第一位の値を四捨五入した値）を示している。具体的には、実験例１の値は、実験例４の値を１．００として規格化した値である。実験例２の値は、実験例５の値を１．００として規格化した値である。実験例３の値は、実験例６の値を１．００として規格化した値である。実験例８の値は、実験例７の値を１．００として規格化した値である。【０１８５】
【表１】
2017119497.tif 000003
【０１８６】
＜３．考察＞
表１から明らかなように、変換器の変形特性及び発電特性は、以下で説明するように、その変換器の構成に応じて大きく変動した。【０１８７】
第１高誘電率膜６及び第２高誘電率膜７（高誘電性材料であるエラストマー６１，７１）を用いた場合（実験例１）には、その第１高誘電率膜６及び第２高誘電率膜７を用いなかった場合（実験例４）と比較して、伸張量及び発電量がいずれも増加した。【０１８８】
また、第１高誘電率膜８及び第２高誘電率膜９（高誘電性材料である複数の粒子８１，９１）を用いた場合（実験例２）には、その第１高誘電率膜８及び第２高誘電率膜９を用いなかった場合（実験例５）と比較して、伸張量及び発電量がいずれも増加した。【０１８９】
第１高誘電率膜８及び第２高誘電率膜９を用いた場合には、誘電性エラストマー膜３の形成材料を変更しても（実験例３，６）、同様の結果が得られた。【０１９０】
特に、誘電性エラストマー膜３の形成材料としてウレタンゴム系エラストマー（ＵＲ）を用いた場合には、第１高誘電率膜８及び第２高誘電率膜９を用いると（実験例３）、漏れ電流は発生しなかったが、第１高誘電率膜８及び第２高誘電率膜９を用いないと（実験例６）、漏れ電流（＝２０μＡ）が発生した。【０１９１】
尚、低誘電率膜を用いた場合（実験例８）には、その低誘電率膜を用いなかった場合（実験例７）と比較して、伸張量及び発電量がいずれも減少した。【０１９２】
表１に示した結果から、第１電極１と誘電性エラストマー膜３との間に、その誘電性エラストマー膜３の比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε２を有する第１高誘電率膜６，８が配置されていると共に、第２電極２と誘電性エラストマー膜３との間に、その誘電性エラストマー膜３の比誘電率ε１よりも大きい比誘電率ε２を有する第２高誘電率膜７，９が配置されていると、伸張量及び発電量がいずれも増加した。よって、変換器において優れた変換特性が得られた。【０１９３】
尚、上記した実施例では、第１電極１と誘電性エラストマー膜３との間に第１高誘電率膜６，８が配置されていると共に、第２電極２と誘電性エラストマー膜３との間に第２高誘電率膜７，９が配置されていない場合に関しては、具体的に検証していない。同様に、第１電極１と誘電性エラストマー膜３との間に第１高誘電率膜６，８が配置されていないと共に、第２電極２と誘電性エラストマー膜３との間に第２高誘電率膜７，９が配置されている場合に関しては、具体的に検証していない。【０１９４】
しかしながら、第１高誘電率膜６，８及び第２高誘電率膜７，９を用いることにより、その第１高誘電率膜６，８及び第２高誘電率膜７，９を用いない場合と比較して変換器の変換特性が向上することは、技術的にも論理的にも明らかであり、上記した実験結果からも明らかである。よって、第１高誘電率膜６，８及び第２高誘電率膜７，９の双方を用いた場合において変換効率が向上するのであれば、第１高誘電率膜６，８だけを用いた場合及び第２高誘電率膜７，９だけを用いた場合においても同様に変換効率が向上するはずである。【０１９５】
以上、実施形態及び実施例を挙げながら本発明を説明したが、その本発明は、実施形態及び実施例において説明した態様に限定されず、種々に変形させることが可能である。【０１９６】
具体的には、本発明の変換器は、上記した用途に限られず、他の用途に適用されてもよい。この場合においても、優れた変換特性が得られるため、物理量の変換を利用した各種の機能を効果的に発揮することができる。【０１９７】
本出願は、日本国特許庁において２０１６年１月８日に出願された日本特許出願番号第２０１６−００２３３０号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。【０１９８】
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、及び変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲の趣旨やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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