(57)【要約】【課題】  絶縁耐圧を高めることが可能な誘電エラストマートランスデューサーを提供すること。【解決手段】  誘電エラストマー層１と、誘電エラストマー層１を挟む一対の電極層２と、を備える誘電エラストマートランスデューサーＡ１であって、誘電エラストマー層１は、以下によって定義される限界添加量ｙの０．０２倍〜０．６倍の添加量とされた導電性粒子を含む。限界添加量ｙは、その体積抵抗率が、導電性粒子が添加されていないときの体積抵抗率の１％に低下する導電性材料の添加量である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電エラストマー層と、
前記誘電エラストマー層を挟む一対の電極層と、を備える誘電エラストマートランスデューサーであって、
前記誘電エラストマー層は、以下によって定義される限界添加量ｙの０．０２倍〜０．６倍の添加量とされた導電性粒子を含むことを特徴とする、誘電エラストマートランスデューサー。
限界添加量ｙは、その体積抵抗率が、導電性粒子が添加されていないときの体積抵抗率の１％に低下する導電性材料の添加量である。
【請求項２】
前記導電性粒子は、カーボンブラックである、請求項１に記載の誘電エラストマートランスデューサー。
【請求項３】
前記導電性粒子は、カーボンナノチューブである、請求項１に記載の誘電エラストマートランスデューサー。
【請求項４】
前記一対の電極層は、前記導電性粒子を含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の誘電エラストマートランスデューサー。
【請求項５】
前記誘電エラストマー層と前記一対の電極とは、直接接している、請求項１ないし４のいずれかに記載の誘電エラストマートランスデューサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電エラストマー層を有しエネルギーを変換する誘電エラストマートランスデューサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーの変換効率に優れたトランスデューサーとして、誘電エラストマー層を有する誘電エラストマートランスデューサーが注目されている。この誘電エラストマートランスデューサーは、誘電エラストマー層の変形（伸縮及び収縮）を利用して、任意のエネルギーを他のエネルギーに変換する。
【０００３】
たとえば、外力を受けた際の誘電エラストマー層の変形を用いて発電を行うことにより、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する場合、誘電エラストマートランスデューサーは、発電素子として機能する。また、一対の電極に電荷を付与した際の誘電エラストマー層の変形を利用して駆動力を発揮させる場合、誘電エラストマートランスデューサーは、アクチュエーターとして機能する。このような発電用途や駆動用途においては、それぞれの機能を高める一方策として、一対の電極間の電圧を高めることが好ましい。これにより、発電効率を高めたり、駆動力を増強したりすることが可能となる。
【０００４】
しかしながら、誘電エラストマー層を十分に柔軟な変形を達成させるには、誘電エラストマー層の厚みは比較的薄いものが好ましい。このため、誘電エラストマー層の絶縁耐圧を十分に高めることが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６７４２９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、絶縁耐圧を高めることが可能な誘電エラストマートランスデューサー提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によって提供される誘電エラストマートランスデューサーは、誘電エラストマー層と、前記誘電エラストマー層を挟む一対の電極層と、を備える誘電エラストマートランスデューサーであって、前記誘電エラストマー層は、以下によって定義される限界添加量ｙの０．０２倍〜０．６倍の添加量とされた導電性粒子を含むことを特徴としている。限界添加量ｙは、その体積抵抗率が、導電性粒子が添加されていないときの体積抵抗率の１％に低下する導電性材料の添加量である。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記導電性粒子は、カーボンブラックである。
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記導電性粒子は、カーボンナノチューブである。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記一対の電極層は、前記導電性粒子を含む。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記誘電エラストマー層と前記一対の電極とは、直接接している。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、前記誘電エラストマー層に、前記限界添加量ｘの０．０２倍〜０．６倍の添加量とされた導電性粒子を含むことにより、前記誘電エラストマー層の絶縁耐圧を高めることができる。
【００１３】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に基づく誘電エラストマートランスデューサーを示す断面図である。
【図２】本発明における導電性粒子の添加量と誘電エラストマー層の体積抵抗率との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第２実施形態に基づく誘電エラストマートランスデューサーを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１実施形態に基づく誘電エラストマートランスデューサーを示している。本実施形態の誘電エラストマートランスデューサーＡ１は、誘電エラストマー層１および一対の電極層２を備えている。誘電エラストマートランスデューサーＡ１は、種々のエネルギーを異種のエネルギーに変換するトランスデューサーである。誘電エラストマートランスデューサーＡ１の具体的用途としては、たとえば力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電や、電気エネルギーを力学的エネルギーに変換するアクチュエーター等が挙げられる。
【００１７】
なお、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の外形を規定する誘電エラストマー層１および一対の電極層２の形状は特に限定されず、たとえば円形状、矩形状等であってもよい。
【００１８】
誘電エラストマー層１は、一対の電極層２に挟まれた層であり、弾性変形に富む層であることが望ましい。本実施形態の誘電エラストマー層１は、基材１０および導電性粒子１１からなる。
【００１９】
基材１０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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。電波は、産業科学医療用（ＩＳＭ）として電波法により定められた周波数帯や、欧米などで使われる915ＭＨｚ帯が挙げられる。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。
【００２３】
但し、誘電性エラストマー膜１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。
【００２４】
導電性粒子１１は、基材１０に添加された添加物であり、導電性を有する粒子である。導電性粒子１１の種類は特に限定されず、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、Ａｌ、等を適宜選択できる。
【００２５】
カーボンブラックは、一般的に粒子径が３〜５００ｎｍ程度の無定形炭素の一種である。本発明においては、誘電エラストマー層１への混合の便宜や後述の絶縁耐圧向上の観点から、たとえば粒子径が２０〜１００ｎｍ程度のカーボンブラックが用いられることが好ましい。
【００２６】
カーボンナノチューブは、炭素によって形成された六員環ネットワークを有する同軸管状の物質である。カーボンナノチューブの層構造としては、単層、二層、多層のものが挙げられる。また、後述する絶縁耐圧向上の観点から、カーボンナノチューブに任意の金属元素を添加した材料を採用してもよい。カーボンナノチューブの粒子径は、たとえば２０ｎｍ〜２０００ｎｍ程度である。
【００２７】
Ａｌは、ナノ微粒子化したアルミニウム（Ａｌ）を用いることが好ましく、粒子径は２０ｎｍから５０００ｎｍであり、好ましくは、２０ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００２８】
本実施形態においては、誘電エラストマー層１に添加される導電性粒子１１の添加量は、以下に定義される限界添加量ｘの０．０２倍〜０．６倍の添加量が選択される。
【００２９】
限界添加量ｙは、その体積抵抗率が、導電性粒子が添加されていないときの体積抵抗率の１％に低下する導電性材料の添加量である。
【００３０】
また、導電性粒子が添加されていないときの体積抵抗率を初期体積抵抗率（Ｒ０）と定義し、導電性粒子を限界添加量ｙまで加えたときの体積抵抗率を限界体積抵抗率（ＲＬ）と定義する。すなわちＲＬ＝Ｒ０・０．０１の関係となる。
【００３１】
限界体積抵抗率ＲＬは、たとえば、初期体積抵抗率Ｒ０を２．０×１０16Ω・ｃｍとした場合、２．０×１０14Ω・ｃｍである。なお、添加量の単位は任意に選択可能であり、たとえば重量％が選択される。
【００３２】
一対の電極層２は、誘電エラストマー層１を挟んでおり、誘電エラストマー層１によって互いに絶縁された層である。本実施形態においては、電極層２は、誘電エラストマー層１に直接接している。
【００３３】
電極層２は、導電性を有するとともに、誘電エラストマー層１の弾性変形に追従しうる弾性変形が可能な材質によって形成される。電極層２の材質としては、たとえば、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種類または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、ポリベンゾチアゾールなどである。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、同じでもよいし、異なってもよい。本実施形態においては、電極層２の材質として、導電性高分子化合物が採用された場合を例に説明する。
【００３４】
次に、誘電エラストマートランスデューサーＡ１の実施例について説明する。
【００３５】
本実施形態の実施例を表１に示す。実施例１は、導電性粒子１１としてカーボンブラックを用いた例である。実施例２は、導電性粒子１１としてカーボンナノチューブを用いた例である。実施例３は、導電性粒子１１として、Ａｌを用いた例である。実施例４は、アクリルゴムに導電性粒子１１としてカーボンブラックを用いた例である。
【００３６】
実施例１〜４について、導電性粒子１１の添加量に応じた体積抵抗率の測定結果例を表１に示す。体積抵抗率は、成形圧力：７．８ＭＰａ（８０ｋｇｆ／ｃｍ2）で１２０℃×１０分間プレスキュアし、その後、２００℃×４時間ポストキュア（二次加硫）し、１００ｍｍ角、１ｍｍの試験用硬化物シートを作製し、ＪＩＳ  Ｋ  ６２４９：２００３未硬化及び硬化シリコーンゴムの試験方法  第21項：体積抵抗率試験  に準拠して測定した。なお、試験の種類は常態試験を用いた。また、測定装置として、ヒューレット・パッカー（株）製ＨＩＧＨ  ＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥ  ＭＥＴＥＲ  ４３２９Ａを使用し、ヒューレット・パッカード（株）製１６００８Ａ  ＲＥＳＩＳＴＩＶＩＴＹ  ＣＥＬＬ（主電極５０ｍｍφ、ガード電極７０ｍｍφ）を電極として、５００Ｖを電極間に印加し、１分後の抵抗値を読み取った。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
＜実施例１＞
導電性粒子１１を添加しない場合のシリコーンＡを用いた誘電エラストマー層１の初期体積抵抗率Ｒ０が５×１０15Ω・ｃｍである。導電性粒子１１としてカーボンブラックを用いた場合、初期体積抵抗率Ｒ０の１％の体積抵抗率である限界体積抵抗率ＲＬとなる限界添加量ｙは、２５ｗ％であった。そして、導電性粒子１１の添加量を０．０２ｙ（下限添加量）とした場合、誘電エラストマー層１の体積抵抗率が６．３×１０15Ω・ｃｍであり、０．６ｙ（上限添加量）とした場合、５．３×１０15であった。また、下限添加量と上限添加量との間の値である添加量０．２５ｙの場合、体積抵抗率は、８．５×１０15Ω・ｃｍであった。したがって、導電性粒子１１の添加量を０．０２ｙ〜０．６ｙとすることにより、誘電エラストマー層１の体積抵抗率が５．３×１０15〜８．５×１０15Ω・ｃｍとなった。これは、誘電エラストマー層１に導電性粒子１１を上述の添加量で添加することにより、誘電エラストマー層１の絶縁耐圧を高める効果が発揮されたといえる。
【００３９】
＜実施例２＞
導電性粒子１１としてカーボンナノチューブを用いた場合の限界添加量ｙは、１．１ｗ％であった。そして、導電性粒子１１の添加量を０．０２ｙ〜０．６ｙとすることにより、誘電エラストマー層１の体積抵抗率が５．２×１０15〜１．１×１０16Ω・ｃｍとなった。本例においても、初期体積抵抗率Ｒ０に対して、誘電エラストマー層１の絶縁耐圧を高める効果が確認された。
【００４０】
＜実施例３＞
導電性粒子１１としてアルミを用いた場合の限界添加量ｙは、１．０ｗ％であった。そして、導電性粒子１１の添加量を０．０２ｙ〜０．６ｙとすることにより、誘電エラストマー層１の体積抵抗率が５．０×１０15〜１．０×１０16Ω・ｃｍとなった。本例においても、初期体積抵抗率Ｒ０に対して、誘電エラストマー層１の絶縁耐圧を高める効果が確認された。
【００４１】
＜実施例４＞
導電性粒子１１を添加しない場合のアクリルＡ（アクリルゴム）を用いた誘電エラストマー層１の初期体積抵抗率Ｒ０が１×１０10Ω・ｃｍである。導電性粒子１１としてカーボンブラックを用いた場合、限界添加量ｙは、１０ｗ％であった。そして、導電性粒子１１の添加量を０．０２ｙ〜０．６ｙとすることにより、誘電エラストマー層１の体積抵抗率が１．０×１０10〜６．０×１０10Ω・ｃｍとなった。本例においても、初期体積抵抗率Ｒ０に対して、誘電エラストマー層１の絶縁耐圧を高める効果が確認された。
【００４２】
実施例１〜４に示すように、発明者の研究によれば、限界添加量ｙの０．０２〜０．６倍の添加量における体積抵抗率が、導電性粒子１１が添加されていない場合の誘電エラストマー層１の体積抵抗率である初期体積抵抗率Ｒ０よりも大きくなり、絶縁耐圧が向上するという知見が得られた。また、実施例４から、誘電エラストマー層１にシリコーンゴムを用いた場合に限らずアクリルゴムを用いた場合であっても同様であることが確認された。
【００４３】
図２は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。
【００４４】
図２は、本発明の第２実施形態に基づく誘電エラストマートランスデューサーを示している。本実施形態の誘電エラストマートランスデューサーＡ２においては、電極層２の構成が上述した実施形態と異なっている。
【００４５】
本発明に係る誘電エラストマートランスデューサーは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る誘電エラストマートランスデューサーの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【００４６】
Ａ１，Ａ２：誘電エラストマートランスデューサー
１      ：誘電エラストマー層
２      ：電極層
１０    ：基材
１１    ：導電性粒子
２０    ：基材
２１    ：導電性粒子
ｙ      ：限界添加量
Ｒ０    ：初期体積抵抗率
ＲＬ    ：限界体積抵抗率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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