エラストマートランスデューサーおよび導電性ゴム組成物ならびに誘電性ゴム組成物
【課題】ひずみなどの繰り返し応力に対して優れた耐久性を発揮できる新規なエラストマートランスデューサーおよび導電性ゴム組成物ならびに誘電性ゴム組成物の提供。
【解決手段】一対の電極層１０，１０間に誘電性の中間層２０を介装してなるエラストマートランスデューサー１００であって、前記電極層１０，１０を、ベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物で構成すると共に、前記中間層２０を、ベースゴムに誘電性フィラーを含有する誘電性ゴム組成物で構成する。これによって、ひずみなどの繰り返し応力に対して優れた耐久性を発揮できるため、電極層１０のひび割れや剥離、中間層２０のひび割れや亀裂、破断などを未然に防止することができる。
【解決手段】一対の電極層１０，１０間に誘電性の中間層２０を介装してなるエラストマートランスデューサー１００であって、前記電極層１０，１０を、ベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物で構成すると共に、前記中間層２０を、ベースゴムに誘電性フィラーを含有する誘電性ゴム組成物で構成する。これによって、ひずみなどの繰り返し応力に対して優れた耐久性を発揮できるため、電極層１０のひび割れや剥離、中間層２０のひび割れや亀裂、破断などを未然に防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換するためのトランスデューサ
ー（変換器）に係り、特に誘電性ゴム組成物を用いたエラストマートランスデューサーお
よびこれを構成する導電性ゴム組成物ならびに誘電性ゴム組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換するためのトランスデューサー（変換器）は、例えばモバイル機器、エンジン、人工筋肉などの電源（ジェネレータ）や、ポンプ、スピーカーなどのアクチュエータなどとして多種多様の分野への応用が検討されている。また、トランスデューサー（変換器）を構成する誘電性ゴム組成物は、アンテナコンデンサーなどに応用が検討されている。
このようなトランスデューサー（変換器）は、以下の特許文献１〜５などに示すような構成をした誘電性エラストマー積層体からなるものが殆どとなっている。例えば、以下の特許文献１には、ポリマー（誘電性ゴム）を中間層としてその両端を一対の電極層で挟んだ構造の誘電性エラストマー積層体が開示されており、また、以下の特許文献２には、その中間層に誘電性セラミックスを添加した誘電性エラストマー積層体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５０５８６５号公報
【特許文献２】特開２００６−２９０９３９号公報
【特許文献３】特表２００３−５０６８５８号公報
【特許文献４】特表２００３−５２６２１３号公報
【特許文献５】特表２００７−５１０２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、これら特許文献１〜５などに開示されているような従来の誘電性エラストマー積層体は、電極層として金または白金の蒸着膜や導電性フィラーを含有したゴム膜を用いている。
そのため、この誘電性エラストマー積層体に対してひずみを繰り返し加えると、電極層にひび割れが生じたり、電極層が誘電層から剥離することがある。
そこで、本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、ひずみなどの繰り返し応力に対して優れた耐久性を発揮できる新規なエラストマートランスデューサーおよび導電性ゴム組成物ならびに誘電性ゴム組成物を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために第１の発明は、
一対の電極層間に誘電性ゴム組成物で構成された中間層を介装してなるエラストマートランスデューサーであって、前記電極層がベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物で構成されることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第２の発明は、
第１の発明において、前記導電性ゴム組成物のベースゴムが、シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
【０００６】
また、第３の発明は、
第１または第２の発明において、前記導電性ゴム組成物の導電性フィラーが、
ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかの炭素材料、
または、金、銀、白金のいずれかの金属材料、
または、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、
または、これら誘導体にアニオンまたはカチオンに代表されるドーパントを添加した導電性高分子材料、または、イオン性液体のうちのいずれか１つ以上であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
【０００７】
また、第４の発明は、
第１または第２の発明において、前記導電性ゴム組成物は、体積抵抗率が１×１０Ω・ｃｍ以下の導電性フィラーを含み、かつ前記導電性ゴム組成物自身の体積抵抗率が１×１０２Ω・ｃｍ以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第５の発明は、
第１〜第４のいずれかの発明において、前記誘電性ゴム組成物は、シリコーン系樹脂、変成シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなるベースゴムに、高誘電セラミックス粉末、イオン性液体、チオカルボニル基を有する有機化合物のいずれかの誘電性フィラーを含むことを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
【０００８】
また、第６の発明は、
第１〜第５のいずれかの発明において、前記誘電性ゴム組成物のベースゴムと導電性ゴム組成物のベースゴムとが同一樹脂であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第７の発明は、
第１〜第６のいずれかの発明において、前記中間層の厚さが１０μｍ以上１ｍｍ以下であり、かつ前記各電極層の厚さが０．０５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
【０００９】
また、第８の発明は、
第１〜第７のいずれかの発明において、前記一対の電極層間に前記中間層を介装した後、前記電極層間に生ずる電位差を放電させてから開回路状態で所定時間保存してなることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第９の発明は、
第１〜第７のいずれかの発明において、前記一対の電極層間に前記中間層を介装した後、前記電極層間に所定の電圧を印加してから前記電極層間に生ずる電位差を放電させ、その後、開回路状態で所定時間保存してなることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
【００１０】
また、第１０の発明は、
ベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物であって、
前記ベースゴムが、
シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなると共に、
前記導電性フィラーが、
ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかの炭素材料、
または、金、銀、白金のいずれかの金属材料、
または、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、
または、これら誘導体にアニオンまたはカチオンに代表されるドーパントを添加した導電性高分子材料、または、イオン性液体のうちのいずれか１つ以上からなることを特徴とする誘電性ゴム組成物である。
【００１１】
また、第１１の発明は、
ベースゴムに誘電性フィラーを含有した誘電性ゴム組成物であって、
前記誘電性ゴム組成物のベースゴムが、シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなると共に、
前記誘電性フィラーが、高誘電セラミックス粉末、イオン性液体、チオカルボニル基を有する有機化合物のいずれか１つ以上からなることを特徴とする誘電性ゴム組成物である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る導電性ゴム組成物および誘電性ゴム組成物を、それぞれ電極層および誘電層として用いたエラストマートランスデューサーにおいては、各電極層および中間層が優れた変形能を有し、互いの変形に追随して変形するため、ひずみなどの繰り返し応力に対して優れた耐久性を発揮できる。
これによって、ひずみなどの応力が繰り返されても電極層のひび割れや剥離、中間層のひび割れや亀裂、破断などを未然に防止することができる。
また、作製段階において電極層間に所定の電圧を印可したり、両電極層の電位差をなくしてから所定時間以上保存することでさらに優れた発電能を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るエラストマートランスデューサー１００の実施の一形態を示す構成図である。
【図２】電極層１０，１０と中間層２０との接合（架橋）方法の一例を示す概念図である。
【図３】電圧作動確認方法の一例を示す概念図である。
【図４】発電確認テストを示す概略図である。
【図５】電圧の回復度を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係るエラストマートランスデューサー１００の実施の一形態を示したものである。
図示するようにこのエラストマートランスデューサー１００は、一対の電極層１０，１０間に誘電性の中間層２０を介装（積層）して構成されている。
そして、この電極層１０，１０は、ベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物で構成されると共に、中間層２０は、ベースゴムに誘電性フィラーを含有する誘電性ゴム組成物で構成されている。
【００１５】
ここで、電極層１０，１０を構成する導電性ゴム組成物のベースゴムとしては、中間層２０を構成する誘電性ゴム組成物のベースゴムと同じものを用いることが好ましい。
この導電性ゴム組成物のベースゴムとして好適なベースゴムとしては、例えば、シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂などを用いることができる。
【００１６】
また、このベースゴムに配合される導電性フィラーとして好適な導電性フィラーは、体積抵抗率が１×１０Ω・ｃｍを超えると導電性が低いため全体の応答性が低下することから、少なくとも体積抵抗率が１×１０Ω・ｃｍ以下の導電性フィラーを用いることが望ましく、好ましくは１×１０−３Ω・ｃｍ以下である。これにより、電極層１０，１０を構成する導電性ゴム組成物自身の体積抵抗率を１×１０２Ω・ｃｍ以下にすることができる。体積固有抵抗率が１×１０２Ω・ｃｍ以上であると誘電層ゴム積層体の応答性が良くない。 このような条件を満たす導電性フィラーとしては、例えば以下の表１に示すように導電性カーボンブラックの１種である、ケッチェンブラックやアセチレンブラック、または黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかの炭素材料、または、金、銀、白金のいずれかの金属材料、または、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、または、これら誘導体にアニオンまたはカチオンに代表されるドーパントを添加した導電性高分子材料、または、極性の大きい有機フィラーであるイオン性液体などのうちのいずれか１つ以上を用いることが好ましい。
【００１７】
【表１】
【００１８】
また、これらの導電性フィラーのベースゴムに対する配合比率としては、導電性フィラーの種類によって異なってくるが、例えばカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）の場合ではベースゴム１００重量部に対して５重量部〜７０重量部の範囲が好ましい。すなわち、この範囲外では電極層１０，１０の導電性が低下したり全体のレスポンスが低下するからであり、好ましい導電性フィラーの組成比率は、ベースゴム１００重量部に対して１０重量部〜５０重量部の範囲である。
【００１９】
一方、中間層２０を構成する誘電性ゴム組成物のベースゴムとしては、シリコーン系樹脂、変成シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂のいずれかを用いることができる。好適には電極層１０，１０を構成する導電性ゴム組成物のベースゴムと同じものである。具体的には以下の表２に示すように、イソプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴムなどであり、このなかでも特に好ましいのは、比誘電率３．０以上であるクロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、フロロシリコーンゴムである。
【００２０】
【表２】
【００２１】
また、これらベースゴムに配合される誘電性フィラーとしては、チタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）、チタン酸ストロンチウム、チタン酸鉛、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスバリウムなどの高誘電セラミックス粉末、および極性の大きい有機フィラーであるイオン性液体、ならびにチオウレア誘導体やチオアミド誘導体、チオケトン誘導体、ジチオカルバミン酸エステル誘導体などのチオカルボニル基を有する有機化合物などである。特に、チオカルボニル基を有する有機化合物は、ベースゴムとの相溶性に優れるため、高誘電率とゴム組成物としても可撓性が共に得られ、誘電性ゴム組成物として優れた性質を発揮することができる。
【００２２】
イオン性液体の種類としては特に限定されるものではないが、以下の化式１に示すピリジニウム系イオン性液体、化式２に示すイミダソリウム系イオン性液体、化式３に示す脂環式アミン系イオン性液体、化式４に示す脂肪族アミン系イオン性液体、脂肪族ホスホニウム系イオン性液体などを用いることができる。
また、このイオン液体の含有率は、目的とする発電電圧、化合物自体によって適宜選定されるが、ベースゴム１００重量部に対して概略５〜７０重量部、より好ましくは５〜５０重量部とするのが望ましい。含有量が５重量部未満の場合は、ベースゴム中に存在する絶対量が少なすぎるため、発電電圧がさほど向上せず、発電装置としての性能を充分に発揮できない。反対に、７０重量部を超えて添加した場合、ベースゴムとの相溶性の上限を超えてしまい、ベースゴムの可撓性が大きく損なわれてしまうからである。
【００２３】
【化１】
【００２４】
【化２】
【００２５】
【化３】
【００２６】
【化４】
【００２７】
そして、各電極層１０，１０の厚さとしては、約０．１μｍ〜１００μｍの範囲、好ましくは１〜５０μｍの範囲である。０．１μｍ未満では、膜厚が薄く、膜厚を均一にすることが困難となり変形時に穴や亀裂などの破損が生じる。反対に１００μｍを超えると膜厚が厚すぎて応答性が悪くなる上に、変形に追随することが困難となるからである。また、中間層２０の厚さとしては、約１０μｍ〜１ｍｍであり、１０μｍ未満では、充分な誘電性が得られず、反対に１ｍｍを超えると弾性域を超えてしまうからである。
また、誘電性ゴム組成物のベースゴムと導電性ゴム組成物のベースゴムは同一樹脂でなることが望ましい。中間層２０に電極１０，１０を接合した際に接着性が向上し、中間層２０と電極１０，１０との剥離が発生しなくなるためである。
【００２８】
また、この電極層１０，１０の物性としては、切断時伸びが５０％以上５００％以下であることが好ましい。切断時伸びが５０％未満であると、絶対的な変形能が不足するために、実用性が低くなる。一方、５００％を超えると、変形能は大きくなるものの、機械的強度が不十分となる傾向が強くなるため、実用性が低下する。このような不都合が生じ難くするためには、電極層１０，１０の切断時伸びは１００％以上２５０％以下であることがより好ましい。
誘電性の中間層２０は、ベースゴムと誘電性フィラーとを含有する誘電性ゴム組成物で構成されているが、誘電性ゴム組成物は比誘電率が３以上５０以下であることが好ましく、５以上４０以下であることがより好ましい。また使用される誘電性フィラーは、比誘電率が２００以上であるものが好ましい。
【００２９】
そして、このような構成をした本発明のエラストマートランスデューサー１００にあっては、各電極層１０，１０および中間層２０が優れた変形能を有し、互いの変形に追随して変形するため、ひずみなどの繰り返し応力に対して優れた耐久性を発揮できる。
これによって、ひずみなどの応力が繰り返し掛かっても電極層１０，１０のひび割れや剥離、中間層２０のひび割れや亀裂、破断などを未然に防止することができる。
また、以下の実施例に示すように、このようなエラストマートランスデューサー１００の作製段階において、電極層１０，１０間に所定の電圧を印可したり、両電極層１０，１０の電位差をなくしてから所定時間以上（例えば２４時間以上、大気中）に保存することでさらに優れた発電能を発揮できる。
【実施例】
【００３０】
次に、本発明のエラストマートランスデューサー１００に係る具体的実施例を説明する。
（実施例１）
先ず、フロロシリコーンゴム（信越化学工業株式会社製ＦＥ１２３，ＦＥ−６１）を用いてＫコントロールコーター（松尾製作所製）により薄膜を作製し、中間層となる誘電性のゴム膜を形成した。得られた誘電性ゴム膜の膜厚は均一であり、またその比誘電率は膜厚が２００μｍ程度で６〜８であった。
【００３１】
次に、反応性液状アクリルゴム（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をメチルエチルケトンで溶解し、架橋剤にイソシアネート（トーヨーポリマー株式会社製ポリネート７０、ソフト硬化剤）を添加、攪拌、アクリル溶液を作製した。このアクリル溶液を、アクリルゴムとの配合割合が１００重量部：３０重量部となるようにカーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製ＶＧＣＦＲ−Ｈ）を分散させたメチルエチルケトン中に添加していき、均一なアクリル溶液を作製した。
【００３２】
次に、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）により製膜、電極層となる導電性ゴム層を得た。このようにして得られた導電性ゴム層の抵抗は、長さ５０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ０．０５ｍｍの試験片の両端を測定したところ、４００〜６００Ωであった。
その後、３層構造を作製するために、中間層となる誘電性ゴム層と電極層となる導電性ゴム層を図２に示すような方法で接合した。すなわち、図示するように誘電性ゴム層（中間層２０）の両面を導電性ゴム層（電極層１０，１０）で挟み込むと共に、その両側を絶縁シート３０，３０を介して鉄板４０，４０で加圧した状態で１００℃のホットプレート５０上でこれを３０分間加熱して架橋処理を行い、誘電性ゴム層に導電性ゴム層を接着させて本発明のエラストマートランスデューサー１００に相当する誘電性ゴム積層体を作製した。
【００３３】
そして、図３に示すように、この誘電性ゴム積層体の上下面にそれぞれ薄片状の銅電極６０，６０を導電性接着剤（常温乾燥タイプ：藤倉化成製ドータイトＤ−３６２）を用いて接着してから、この銅電極６０，６０に微小電流計（株式会社エーディーシー製）７０を接続し、その後、この誘電性ゴム積層体を伸長し、そのときの電流値の変化を観察したところ、電流値の変化を観察することができた。
【００３４】
（比較例１）
実施例１で得られた誘電性ゴムの代わりに、アクリルゴム（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をＭＥＫで溶解し、高誘電性フィラーとしてＰＺＴ（富士チタン工業製ＰＥ−６００、比誘電率３３℃で２６８８）、架橋剤にイソシアネート（トーヨーポリマー株式会社製ポリネート７０、ソフト硬化剤）を添加、攪拌してシリコーン溶液を作製した。
そして、この溶液を用いてＫコントロールコーター（松尾製作所製）により製膜、電極層となる導電性ゴム層を作製した。
そして、このような構成では、実施例１と異なり、高誘電性フィラーを添加させるための工程が導入されるだけでなく、アクリル溶液を作製して薄膜を生成しているため、気泡の混入や高誘電性フィラーの分散が不均一となってしまうおそれがあり、脱法処理の工程を踏まなければならないといった不都合がある。
【００３５】
（実施例２）
先ず、反応性液状アクリルゴム（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をメチルエチルケトンで溶解し、架橋剤にイソシアネート（トーヨーポリマー株式会社製ポリネート７０、ソフト硬化剤）および高誘電性フィラーとしてＰＺＴ（富士チタン工業製ＰＥ−６００、比誘電率３３℃で２６８８）を添加、攪拌してアクリル溶液を作製した。この溶液を用いてＫコントロールコーター（松尾製作所製）により薄膜を作製し、中間層となる誘電性のゴム膜を形成した。
【００３６】
次に、反応性液状アクリルゴム（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をメチルエチルケトンで溶解し、架橋剤にイソシアネート（トーヨーポリマー株式会社製ポリネート７０、ソフト硬化剤）および高誘電性フィラーとしてＰＺＴ（富士チタン工業製ＰＥ−６００、比誘電率３３℃で２６８８）を添加、攪拌してアクリル溶液を作製した。このアクリル溶液をアクリルゴムとの配合割合が２０重量％、２５重量％、３０重量％、３５重量％となるようにカーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製ＶＧＣＦＲ−Ｈ）を分散させたメチルエチルケトン中に添加していき、均一なアクリル溶液を作製した。
【００３７】
次に、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）により製膜、電極層となる導電性ゴム層を得た。そして、このようにして得られた導電性ゴム層の抵抗は、長さ５０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ０．０５ｍｍの試験片の両端を測定したところ、４ｋΩ、１〜１．２ｋΩ、０．４〜０．６ｋΩ、０．４〜０．６ｋΩであり、カーボンナノファイバーの添加量が３０重量％超過において抵抗値の変化が殆どなくなった。
その後、３層構造を作製するために、中間層となる誘電性ゴム層と電極層となる導電性ゴム層を実施例１と同様な方法で接合して本発明のエラストマートランスデューサー１００に相当する誘電性ゴム積層体を作製した。
【００３８】
（比較例２）
実施例２で得られた誘電性ゴムの代わりに、中間層となる誘電性ゴム層の両面にスパッタリングによって金を蒸着して電極層となる導電性ゴム層を作製した。比較サンプルとして長さ５０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ３０ｎｍである金蒸着電極の両端の抵抗を測定したところ、３Ωであった。
そして、このようにして得られた実施例２および比較例２の誘電性ゴム積層体の上下面に実施例１と同様にそれぞれ薄片状の銅電極６０，６０を導電性接着剤（常温乾燥タイプ：藤倉化成製ドータイトＤ−３６２）を用いて接着し、この銅電極６０，６０に微小電流計（株式会社エーディーシー製）７０を接続した後、この誘電性ゴム積層体を伸長することによって電流値の変化を観察した。具体的には、この誘電性ゴム積層体に繰り返しひずみを加えて発電し、電流値の変化を観察すると共に、１００％の伸長で２Ｈｚ、１万回のひずみを加えた後の破損状況を観察した。
【００３９】
この結果、実施例２および比較例２の誘電性ゴム積層体は、いずれもひずみが与えられると発電を確認することができた。さらに、実施例２においては、伸長を繰り返し与えても電極には問題が生じず、優れた耐久性を示した。
これに対し、比較例２においては、伸長を与えた結果、電極となる金の表面に亀裂が生じ、表面抵抗値が増大することによって電流の伝わり方が悪くなり、発生電流を取り出すことができないことがあった。
【００４０】
（実施例３）
以下の表３に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８重量％含む反応性液状アクリルゴムを９５重量％を用いると共に、高誘電性フィラーとしてピリジニウム系イオン性液体５重量％を用いた他は、実施例１と同様な方法によって膜厚２５０μｍ、比誘電率１０，引張最大伸２５０％の誘電性ゴム層を作製した。
また、ベースゴムとして架橋剤を８重量％含む反応性液状アクリルゴムを７０重量％を用いると共に、導電性フィラーとしてＣＮＦ３０重量％を用いた他は、実施例１と同様な方法によって、長さ１００ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ５０μｍ、体積抵抗１×１０Ω・ｃｍ、引張最大伸び５０％の物性を有する電極層を形成し、これらを実施例１と同様な方法によって接合して本発明のエラストマートランスデューサー１００に相当する誘電性ゴム積層体を作製した。
【００４１】
（比較例３）
以下の表３に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８重量％含む反応性液状アクリルゴムを１００重量部を用いると共に、高誘電性フィラーとしてＰＺＴ５０重量部を用いた他は、実施例１と同様な方法によって膜厚２５０μｍ、比誘電率６，引張最大伸２００％の誘電性ゴム層を作製した。また、実施例３と同様な組成、サイズ、物性を有する電極層を形成し、これらを実施例１と同様な方法によって接合して誘電性ゴム積層体を作製した。
【００４２】
【表３】
【００４３】
その後、このようにして得られた実施例３および比較例３の誘電性ゴム積層体の上下面に実施例１と同様にそれぞれ薄片状の銅電極６０，６０を介して微小電流計７０を接続した後、この誘電性ゴム積層体の一端を固定し、他方の端を５０％力学的に伸長させた後、力を除去することによって電流値の変化を観察した。
この結果、表３の下欄に示すように、実施例３に係る誘電性ゴム積層体は、比較例３に係る誘電性ゴム積層体に比べて優れた発電量を発揮することができた。
【００４４】
（実施例４、５）
以下の表４に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８重量部、反応性液状アクリルゴムを１００重量部、高誘電性フィラーとしてピリジニウム系イオン性液体（広栄化学工業株式会社製（ＩＬ−Ｐ１４））１０重量部を用いた他は、実施例１と同様な方法によって膜厚２５０μｍ、硬さ、デュロメータＡ３３の誘電性ゴム層を作製した。
また、ベースゴムとして架橋剤を８．０重量部、反応性液状アクリルゴムを１００重量部、導電性フィラーとしてカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）３５重量部を用いた他は、実施例１と同様な方法によって、体積固有抵抗６×１０−１Ω・ｃｍ、硬さ、デュロメータＡ４０の物性を有する電極層を形成した。
そして、これらを実施例１と同様な方法によって接合した後、両電極間に外部電圧（１５０Ｖ）を３０分間印加する処理を行って本発明のエラストマートランスデューサー１００に相当する誘電性ゴム積層体を作製した。なお、実施例５は、このような外部電圧の印加処理を行っていない。
【００４５】
（比較例４）
以下の表４に示すように、誘電性ゴム層を架橋剤を８重量部含む反応性液状アクリルゴムで構成した他は、実施例４および５と同様な方法によって誘電性ゴム積層体を作製した。なお、この比較例４もこのような外部電圧の印加処理を行っていない。
そして、図４に示すように、このようにして得られた実施例４，５および比較例４の誘電性ゴム積層体１００の上下面にそれぞれ電極８０，８０を介して電圧波形測定装置９０を接続して発電材料としての機能を評価した。
【００４６】
この評価方法としては、各電極８０，８０間の電位差を測るものであるが、この測定にあたっては以下のａ〜ｃを繰り返し行った。
ａ．両電極８０，８０を短絡させ、電位差を０Ｖにする。
ｂ．その後両電極８０，８０間の短絡を取り外し、大気中に保存
ｃ．両電極８０，８０間の電位差の時間変化調査
【００４７】
【表４】
【００４８】
この結果、表４の下欄に示すように比較例４に係る誘電性ゴム積層体では、各電極８０，８０間に電位差を得ることができなかった。これに対し、本発明に係る実施例４および５に係るエラストマートランスデューサー１００は、放電後大気中に保存することにより、各電極８０，８０間に電位差を得ることが分かった。
また、図５はその電位差（電圧Ｖ）の経時変化を示したものであるが、時間が経過することによってその電位差が徐々に大きくなることも分かる。
そして、さらに表４の下欄に示すように、本発明に係るエラストマートランスデューサー１００の作成時に外部電圧を印加することによってその回復時の発生電圧値が大幅に上昇することも分かった。
【符号の説明】
【００４９】
１００…エラストマートランスデューサー（導電性ゴム製積層体）
１０…電極層（導電性ゴム組成物）
２０…中間層（誘電性ゴム組成物）
３０…絶縁シート
４０…鉄板
５０…ホットプレート
６０…銅電極
７０…微小電流計
８０…銅電極
９０…電圧波形測定装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換するためのトランスデューサ
ー（変換器）に係り、特に誘電性ゴム組成物を用いたエラストマートランスデューサーお
よびこれを構成する導電性ゴム組成物ならびに誘電性ゴム組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーと機械エネルギーを相互に変換するためのトランスデューサー（変換器）は、例えばモバイル機器、エンジン、人工筋肉などの電源（ジェネレータ）や、ポンプ、スピーカーなどのアクチュエータなどとして多種多様の分野への応用が検討されている。また、トランスデューサー（変換器）を構成する誘電性ゴム組成物は、アンテナコンデンサーなどに応用が検討されている。
このようなトランスデューサー（変換器）は、以下の特許文献１〜５などに示すような構成をした誘電性エラストマー積層体からなるものが殆どとなっている。例えば、以下の特許文献１には、ポリマー（誘電性ゴム）を中間層としてその両端を一対の電極層で挟んだ構造の誘電性エラストマー積層体が開示されており、また、以下の特許文献２には、その中間層に誘電性セラミックスを添加した誘電性エラストマー積層体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５０５８６５号公報
【特許文献２】特開２００６−２９０９３９号公報
【特許文献３】特表２００３−５０６８５８号公報
【特許文献４】特表２００３−５２６２１３号公報
【特許文献５】特表２００７−５１０２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、これら特許文献１〜５などに開示されているような従来の誘電性エラストマー積層体は、電極層として金または白金の蒸着膜や導電性フィラーを含有したゴム膜を用いている。
そのため、この誘電性エラストマー積層体に対してひずみを繰り返し加えると、電極層にひび割れが生じたり、電極層が誘電層から剥離することがある。
そこで、本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、ひずみなどの繰り返し応力に対して優れた耐久性を発揮できる新規なエラストマートランスデューサーおよび導電性ゴム組成物ならびに誘電性ゴム組成物を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために第１の発明は、
一対の電極層間に誘電性ゴム組成物で構成された中間層を介装してなるエラストマートランスデューサーであって、前記電極層がベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物で構成されることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第２の発明は、
第１の発明において、前記導電性ゴム組成物のベースゴムが、シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
【０００６】
また、第３の発明は、
第１または第２の発明において、前記導電性ゴム組成物の導電性フィラーが、
ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかの炭素材料、
または、金、銀、白金のいずれかの金属材料、
または、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、
または、これら誘導体にアニオンまたはカチオンに代表されるドーパントを添加した導電性高分子材料、または、イオン性液体のうちのいずれか１つ以上であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
【０００７】
また、第４の発明は、
第１または第２の発明において、前記導電性ゴム組成物は、体積抵抗率が１×１０Ω・ｃｍ以下の導電性フィラーを含み、かつ前記導電性ゴム組成物自身の体積抵抗率が１×１０２Ω・ｃｍ以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第５の発明は、
第１〜第４のいずれかの発明において、前記誘電性ゴム組成物は、シリコーン系樹脂、変成シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなるベースゴムに、高誘電セラミックス粉末、イオン性液体、チオカルボニル基を有する有機化合物のいずれかの誘電性フィラーを含むことを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
【０００８】
また、第６の発明は、
第１〜第５のいずれかの発明において、前記誘電性ゴム組成物のベースゴムと導電性ゴム組成物のベースゴムとが同一樹脂であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第７の発明は、
第１〜第６のいずれかの発明において、前記中間層の厚さが１０μｍ以上１ｍｍ以下であり、かつ前記各電極層の厚さが０．０５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
【０００９】
また、第８の発明は、
第１〜第７のいずれかの発明において、前記一対の電極層間に前記中間層を介装した後、前記電極層間に生ずる電位差を放電させてから開回路状態で所定時間保存してなることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
また、第９の発明は、
第１〜第７のいずれかの発明において、前記一対の電極層間に前記中間層を介装した後、前記電極層間に所定の電圧を印加してから前記電極層間に生ずる電位差を放電させ、その後、開回路状態で所定時間保存してなることを特徴とするエラストマートランスデューサーである。
【００１０】
また、第１０の発明は、
ベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物であって、
前記ベースゴムが、
シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなると共に、
前記導電性フィラーが、
ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかの炭素材料、
または、金、銀、白金のいずれかの金属材料、
または、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、
または、これら誘導体にアニオンまたはカチオンに代表されるドーパントを添加した導電性高分子材料、または、イオン性液体のうちのいずれか１つ以上からなることを特徴とする誘電性ゴム組成物である。
【００１１】
また、第１１の発明は、
ベースゴムに誘電性フィラーを含有した誘電性ゴム組成物であって、
前記誘電性ゴム組成物のベースゴムが、シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなると共に、
前記誘電性フィラーが、高誘電セラミックス粉末、イオン性液体、チオカルボニル基を有する有機化合物のいずれか１つ以上からなることを特徴とする誘電性ゴム組成物である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る導電性ゴム組成物および誘電性ゴム組成物を、それぞれ電極層および誘電層として用いたエラストマートランスデューサーにおいては、各電極層および中間層が優れた変形能を有し、互いの変形に追随して変形するため、ひずみなどの繰り返し応力に対して優れた耐久性を発揮できる。
これによって、ひずみなどの応力が繰り返されても電極層のひび割れや剥離、中間層のひび割れや亀裂、破断などを未然に防止することができる。
また、作製段階において電極層間に所定の電圧を印可したり、両電極層の電位差をなくしてから所定時間以上保存することでさらに優れた発電能を発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るエラストマートランスデューサー１００の実施の一形態を示す構成図である。
【図２】電極層１０，１０と中間層２０との接合（架橋）方法の一例を示す概念図である。
【図３】電圧作動確認方法の一例を示す概念図である。
【図４】発電確認テストを示す概略図である。
【図５】電圧の回復度を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係るエラストマートランスデューサー１００の実施の一形態を示したものである。
図示するようにこのエラストマートランスデューサー１００は、一対の電極層１０，１０間に誘電性の中間層２０を介装（積層）して構成されている。
そして、この電極層１０，１０は、ベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物で構成されると共に、中間層２０は、ベースゴムに誘電性フィラーを含有する誘電性ゴム組成物で構成されている。
【００１５】
ここで、電極層１０，１０を構成する導電性ゴム組成物のベースゴムとしては、中間層２０を構成する誘電性ゴム組成物のベースゴムと同じものを用いることが好ましい。
この導電性ゴム組成物のベースゴムとして好適なベースゴムとしては、例えば、シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂などを用いることができる。
【００１６】
また、このベースゴムに配合される導電性フィラーとして好適な導電性フィラーは、体積抵抗率が１×１０Ω・ｃｍを超えると導電性が低いため全体の応答性が低下することから、少なくとも体積抵抗率が１×１０Ω・ｃｍ以下の導電性フィラーを用いることが望ましく、好ましくは１×１０−３Ω・ｃｍ以下である。これにより、電極層１０，１０を構成する導電性ゴム組成物自身の体積抵抗率を１×１０２Ω・ｃｍ以下にすることができる。体積固有抵抗率が１×１０２Ω・ｃｍ以上であると誘電層ゴム積層体の応答性が良くない。 このような条件を満たす導電性フィラーとしては、例えば以下の表１に示すように導電性カーボンブラックの１種である、ケッチェンブラックやアセチレンブラック、または黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかの炭素材料、または、金、銀、白金のいずれかの金属材料、または、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、または、これら誘導体にアニオンまたはカチオンに代表されるドーパントを添加した導電性高分子材料、または、極性の大きい有機フィラーであるイオン性液体などのうちのいずれか１つ以上を用いることが好ましい。
【００１７】
【表１】
【００１８】
また、これらの導電性フィラーのベースゴムに対する配合比率としては、導電性フィラーの種類によって異なってくるが、例えばカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）の場合ではベースゴム１００重量部に対して５重量部〜７０重量部の範囲が好ましい。すなわち、この範囲外では電極層１０，１０の導電性が低下したり全体のレスポンスが低下するからであり、好ましい導電性フィラーの組成比率は、ベースゴム１００重量部に対して１０重量部〜５０重量部の範囲である。
【００１９】
一方、中間層２０を構成する誘電性ゴム組成物のベースゴムとしては、シリコーン系樹脂、変成シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂のいずれかを用いることができる。好適には電極層１０，１０を構成する導電性ゴム組成物のベースゴムと同じものである。具体的には以下の表２に示すように、イソプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴムなどであり、このなかでも特に好ましいのは、比誘電率３．０以上であるクロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、フロロシリコーンゴムである。
【００２０】
【表２】
【００２１】
また、これらベースゴムに配合される誘電性フィラーとしては、チタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ランタンドープチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）、チタン酸ストロンチウム、チタン酸鉛、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスバリウムなどの高誘電セラミックス粉末、および極性の大きい有機フィラーであるイオン性液体、ならびにチオウレア誘導体やチオアミド誘導体、チオケトン誘導体、ジチオカルバミン酸エステル誘導体などのチオカルボニル基を有する有機化合物などである。特に、チオカルボニル基を有する有機化合物は、ベースゴムとの相溶性に優れるため、高誘電率とゴム組成物としても可撓性が共に得られ、誘電性ゴム組成物として優れた性質を発揮することができる。
【００２２】
イオン性液体の種類としては特に限定されるものではないが、以下の化式１に示すピリジニウム系イオン性液体、化式２に示すイミダソリウム系イオン性液体、化式３に示す脂環式アミン系イオン性液体、化式４に示す脂肪族アミン系イオン性液体、脂肪族ホスホニウム系イオン性液体などを用いることができる。
また、このイオン液体の含有率は、目的とする発電電圧、化合物自体によって適宜選定されるが、ベースゴム１００重量部に対して概略５〜７０重量部、より好ましくは５〜５０重量部とするのが望ましい。含有量が５重量部未満の場合は、ベースゴム中に存在する絶対量が少なすぎるため、発電電圧がさほど向上せず、発電装置としての性能を充分に発揮できない。反対に、７０重量部を超えて添加した場合、ベースゴムとの相溶性の上限を超えてしまい、ベースゴムの可撓性が大きく損なわれてしまうからである。
【００２３】
【化１】
【００２４】
【化２】
【００２５】
【化３】
【００２６】
【化４】
【００２７】
そして、各電極層１０，１０の厚さとしては、約０．１μｍ〜１００μｍの範囲、好ましくは１〜５０μｍの範囲である。０．１μｍ未満では、膜厚が薄く、膜厚を均一にすることが困難となり変形時に穴や亀裂などの破損が生じる。反対に１００μｍを超えると膜厚が厚すぎて応答性が悪くなる上に、変形に追随することが困難となるからである。また、中間層２０の厚さとしては、約１０μｍ〜１ｍｍであり、１０μｍ未満では、充分な誘電性が得られず、反対に１ｍｍを超えると弾性域を超えてしまうからである。
また、誘電性ゴム組成物のベースゴムと導電性ゴム組成物のベースゴムは同一樹脂でなることが望ましい。中間層２０に電極１０，１０を接合した際に接着性が向上し、中間層２０と電極１０，１０との剥離が発生しなくなるためである。
【００２８】
また、この電極層１０，１０の物性としては、切断時伸びが５０％以上５００％以下であることが好ましい。切断時伸びが５０％未満であると、絶対的な変形能が不足するために、実用性が低くなる。一方、５００％を超えると、変形能は大きくなるものの、機械的強度が不十分となる傾向が強くなるため、実用性が低下する。このような不都合が生じ難くするためには、電極層１０，１０の切断時伸びは１００％以上２５０％以下であることがより好ましい。
誘電性の中間層２０は、ベースゴムと誘電性フィラーとを含有する誘電性ゴム組成物で構成されているが、誘電性ゴム組成物は比誘電率が３以上５０以下であることが好ましく、５以上４０以下であることがより好ましい。また使用される誘電性フィラーは、比誘電率が２００以上であるものが好ましい。
【００２９】
そして、このような構成をした本発明のエラストマートランスデューサー１００にあっては、各電極層１０，１０および中間層２０が優れた変形能を有し、互いの変形に追随して変形するため、ひずみなどの繰り返し応力に対して優れた耐久性を発揮できる。
これによって、ひずみなどの応力が繰り返し掛かっても電極層１０，１０のひび割れや剥離、中間層２０のひび割れや亀裂、破断などを未然に防止することができる。
また、以下の実施例に示すように、このようなエラストマートランスデューサー１００の作製段階において、電極層１０，１０間に所定の電圧を印可したり、両電極層１０，１０の電位差をなくしてから所定時間以上（例えば２４時間以上、大気中）に保存することでさらに優れた発電能を発揮できる。
【実施例】
【００３０】
次に、本発明のエラストマートランスデューサー１００に係る具体的実施例を説明する。
（実施例１）
先ず、フロロシリコーンゴム（信越化学工業株式会社製ＦＥ１２３，ＦＥ−６１）を用いてＫコントロールコーター（松尾製作所製）により薄膜を作製し、中間層となる誘電性のゴム膜を形成した。得られた誘電性ゴム膜の膜厚は均一であり、またその比誘電率は膜厚が２００μｍ程度で６〜８であった。
【００３１】
次に、反応性液状アクリルゴム（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をメチルエチルケトンで溶解し、架橋剤にイソシアネート（トーヨーポリマー株式会社製ポリネート７０、ソフト硬化剤）を添加、攪拌、アクリル溶液を作製した。このアクリル溶液を、アクリルゴムとの配合割合が１００重量部：３０重量部となるようにカーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製ＶＧＣＦＲ−Ｈ）を分散させたメチルエチルケトン中に添加していき、均一なアクリル溶液を作製した。
【００３２】
次に、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）により製膜、電極層となる導電性ゴム層を得た。このようにして得られた導電性ゴム層の抵抗は、長さ５０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ０．０５ｍｍの試験片の両端を測定したところ、４００〜６００Ωであった。
その後、３層構造を作製するために、中間層となる誘電性ゴム層と電極層となる導電性ゴム層を図２に示すような方法で接合した。すなわち、図示するように誘電性ゴム層（中間層２０）の両面を導電性ゴム層（電極層１０，１０）で挟み込むと共に、その両側を絶縁シート３０，３０を介して鉄板４０，４０で加圧した状態で１００℃のホットプレート５０上でこれを３０分間加熱して架橋処理を行い、誘電性ゴム層に導電性ゴム層を接着させて本発明のエラストマートランスデューサー１００に相当する誘電性ゴム積層体を作製した。
【００３３】
そして、図３に示すように、この誘電性ゴム積層体の上下面にそれぞれ薄片状の銅電極６０，６０を導電性接着剤（常温乾燥タイプ：藤倉化成製ドータイトＤ−３６２）を用いて接着してから、この銅電極６０，６０に微小電流計（株式会社エーディーシー製）７０を接続し、その後、この誘電性ゴム積層体を伸長し、そのときの電流値の変化を観察したところ、電流値の変化を観察することができた。
【００３４】
（比較例１）
実施例１で得られた誘電性ゴムの代わりに、アクリルゴム（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をＭＥＫで溶解し、高誘電性フィラーとしてＰＺＴ（富士チタン工業製ＰＥ−６００、比誘電率３３℃で２６８８）、架橋剤にイソシアネート（トーヨーポリマー株式会社製ポリネート７０、ソフト硬化剤）を添加、攪拌してシリコーン溶液を作製した。
そして、この溶液を用いてＫコントロールコーター（松尾製作所製）により製膜、電極層となる導電性ゴム層を作製した。
そして、このような構成では、実施例１と異なり、高誘電性フィラーを添加させるための工程が導入されるだけでなく、アクリル溶液を作製して薄膜を生成しているため、気泡の混入や高誘電性フィラーの分散が不均一となってしまうおそれがあり、脱法処理の工程を踏まなければならないといった不都合がある。
【００３５】
（実施例２）
先ず、反応性液状アクリルゴム（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をメチルエチルケトンで溶解し、架橋剤にイソシアネート（トーヨーポリマー株式会社製ポリネート７０、ソフト硬化剤）および高誘電性フィラーとしてＰＺＴ（富士チタン工業製ＰＥ−６００、比誘電率３３℃で２６８８）を添加、攪拌してアクリル溶液を作製した。この溶液を用いてＫコントロールコーター（松尾製作所製）により薄膜を作製し、中間層となる誘電性のゴム膜を形成した。
【００３６】
次に、反応性液状アクリルゴム（株式会社トウペ製トアアクロンＳＡ−３１０）をメチルエチルケトンで溶解し、架橋剤にイソシアネート（トーヨーポリマー株式会社製ポリネート７０、ソフト硬化剤）および高誘電性フィラーとしてＰＺＴ（富士チタン工業製ＰＥ−６００、比誘電率３３℃で２６８８）を添加、攪拌してアクリル溶液を作製した。このアクリル溶液をアクリルゴムとの配合割合が２０重量％、２５重量％、３０重量％、３５重量％となるようにカーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製ＶＧＣＦＲ−Ｈ）を分散させたメチルエチルケトン中に添加していき、均一なアクリル溶液を作製した。
【００３７】
次に、Ｋコントロールコーター（松尾製作所製）により製膜、電極層となる導電性ゴム層を得た。そして、このようにして得られた導電性ゴム層の抵抗は、長さ５０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ０．０５ｍｍの試験片の両端を測定したところ、４ｋΩ、１〜１．２ｋΩ、０．４〜０．６ｋΩ、０．４〜０．６ｋΩであり、カーボンナノファイバーの添加量が３０重量％超過において抵抗値の変化が殆どなくなった。
その後、３層構造を作製するために、中間層となる誘電性ゴム層と電極層となる導電性ゴム層を実施例１と同様な方法で接合して本発明のエラストマートランスデューサー１００に相当する誘電性ゴム積層体を作製した。
【００３８】
（比較例２）
実施例２で得られた誘電性ゴムの代わりに、中間層となる誘電性ゴム層の両面にスパッタリングによって金を蒸着して電極層となる導電性ゴム層を作製した。比較サンプルとして長さ５０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ３０ｎｍである金蒸着電極の両端の抵抗を測定したところ、３Ωであった。
そして、このようにして得られた実施例２および比較例２の誘電性ゴム積層体の上下面に実施例１と同様にそれぞれ薄片状の銅電極６０，６０を導電性接着剤（常温乾燥タイプ：藤倉化成製ドータイトＤ−３６２）を用いて接着し、この銅電極６０，６０に微小電流計（株式会社エーディーシー製）７０を接続した後、この誘電性ゴム積層体を伸長することによって電流値の変化を観察した。具体的には、この誘電性ゴム積層体に繰り返しひずみを加えて発電し、電流値の変化を観察すると共に、１００％の伸長で２Ｈｚ、１万回のひずみを加えた後の破損状況を観察した。
【００３９】
この結果、実施例２および比較例２の誘電性ゴム積層体は、いずれもひずみが与えられると発電を確認することができた。さらに、実施例２においては、伸長を繰り返し与えても電極には問題が生じず、優れた耐久性を示した。
これに対し、比較例２においては、伸長を与えた結果、電極となる金の表面に亀裂が生じ、表面抵抗値が増大することによって電流の伝わり方が悪くなり、発生電流を取り出すことができないことがあった。
【００４０】
（実施例３）
以下の表３に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８重量％含む反応性液状アクリルゴムを９５重量％を用いると共に、高誘電性フィラーとしてピリジニウム系イオン性液体５重量％を用いた他は、実施例１と同様な方法によって膜厚２５０μｍ、比誘電率１０，引張最大伸２５０％の誘電性ゴム層を作製した。
また、ベースゴムとして架橋剤を８重量％含む反応性液状アクリルゴムを７０重量％を用いると共に、導電性フィラーとしてＣＮＦ３０重量％を用いた他は、実施例１と同様な方法によって、長さ１００ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ５０μｍ、体積抵抗１×１０Ω・ｃｍ、引張最大伸び５０％の物性を有する電極層を形成し、これらを実施例１と同様な方法によって接合して本発明のエラストマートランスデューサー１００に相当する誘電性ゴム積層体を作製した。
【００４１】
（比較例３）
以下の表３に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８重量％含む反応性液状アクリルゴムを１００重量部を用いると共に、高誘電性フィラーとしてＰＺＴ５０重量部を用いた他は、実施例１と同様な方法によって膜厚２５０μｍ、比誘電率６，引張最大伸２００％の誘電性ゴム層を作製した。また、実施例３と同様な組成、サイズ、物性を有する電極層を形成し、これらを実施例１と同様な方法によって接合して誘電性ゴム積層体を作製した。
【００４２】
【表３】
【００４３】
その後、このようにして得られた実施例３および比較例３の誘電性ゴム積層体の上下面に実施例１と同様にそれぞれ薄片状の銅電極６０，６０を介して微小電流計７０を接続した後、この誘電性ゴム積層体の一端を固定し、他方の端を５０％力学的に伸長させた後、力を除去することによって電流値の変化を観察した。
この結果、表３の下欄に示すように、実施例３に係る誘電性ゴム積層体は、比較例３に係る誘電性ゴム積層体に比べて優れた発電量を発揮することができた。
【００４４】
（実施例４、５）
以下の表４に示すように、ベースゴムとして架橋剤を８重量部、反応性液状アクリルゴムを１００重量部、高誘電性フィラーとしてピリジニウム系イオン性液体（広栄化学工業株式会社製（ＩＬ−Ｐ１４））１０重量部を用いた他は、実施例１と同様な方法によって膜厚２５０μｍ、硬さ、デュロメータＡ３３の誘電性ゴム層を作製した。
また、ベースゴムとして架橋剤を８．０重量部、反応性液状アクリルゴムを１００重量部、導電性フィラーとしてカーボンナノファイバー（ＣＮＦ）３５重量部を用いた他は、実施例１と同様な方法によって、体積固有抵抗６×１０−１Ω・ｃｍ、硬さ、デュロメータＡ４０の物性を有する電極層を形成した。
そして、これらを実施例１と同様な方法によって接合した後、両電極間に外部電圧（１５０Ｖ）を３０分間印加する処理を行って本発明のエラストマートランスデューサー１００に相当する誘電性ゴム積層体を作製した。なお、実施例５は、このような外部電圧の印加処理を行っていない。
【００４５】
（比較例４）
以下の表４に示すように、誘電性ゴム層を架橋剤を８重量部含む反応性液状アクリルゴムで構成した他は、実施例４および５と同様な方法によって誘電性ゴム積層体を作製した。なお、この比較例４もこのような外部電圧の印加処理を行っていない。
そして、図４に示すように、このようにして得られた実施例４，５および比較例４の誘電性ゴム積層体１００の上下面にそれぞれ電極８０，８０を介して電圧波形測定装置９０を接続して発電材料としての機能を評価した。
【００４６】
この評価方法としては、各電極８０，８０間の電位差を測るものであるが、この測定にあたっては以下のａ〜ｃを繰り返し行った。
ａ．両電極８０，８０を短絡させ、電位差を０Ｖにする。
ｂ．その後両電極８０，８０間の短絡を取り外し、大気中に保存
ｃ．両電極８０，８０間の電位差の時間変化調査
【００４７】
【表４】
【００４８】
この結果、表４の下欄に示すように比較例４に係る誘電性ゴム積層体では、各電極８０，８０間に電位差を得ることができなかった。これに対し、本発明に係る実施例４および５に係るエラストマートランスデューサー１００は、放電後大気中に保存することにより、各電極８０，８０間に電位差を得ることが分かった。
また、図５はその電位差（電圧Ｖ）の経時変化を示したものであるが、時間が経過することによってその電位差が徐々に大きくなることも分かる。
そして、さらに表４の下欄に示すように、本発明に係るエラストマートランスデューサー１００の作成時に外部電圧を印加することによってその回復時の発生電圧値が大幅に上昇することも分かった。
【符号の説明】
【００４９】
１００…エラストマートランスデューサー（導電性ゴム製積層体）
１０…電極層（導電性ゴム組成物）
２０…中間層（誘電性ゴム組成物）
３０…絶縁シート
４０…鉄板
５０…ホットプレート
６０…銅電極
７０…微小電流計
８０…銅電極
９０…電圧波形測定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極層間に誘電性ゴム組成物で構成された中間層を介装してなるエラストマートランスデューサーであって、
前記電極層がベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物で構成されることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項２】
請求項１に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記導電性ゴム組成物のベースゴムが、シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項３】
請求項１または２に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記導電性ゴム組成物の導電性フィラーが、
ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかの炭素材料、
または、金、銀、白金のいずれかの金属材料、
または、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、
または、これら誘導体にアニオンまたはカチオンに代表されるドーパントを添加した導電性高分子材料、または、イオン性液体のうちのいずれか１つ以上であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項４】
請求項１または２に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記導電性ゴム組成物は、体積抵抗率が１×１０Ω・ｃｍ以下の導電性フィラーを含み、かつ前記導電性ゴム組成物自身の体積抵抗率が１×１０２Ω・ｃｍ以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記誘電性ゴム組成物は、シリコーン系樹脂、変成シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなるベースゴムに、高誘電セラミックス粉末、イオン性液体、チオカルボニル基を有する有機化合物のいずれかの誘電性フィラーを含むことを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記誘電性ゴム組成物のベースゴムと導電性ゴム組成物のベースゴムとが同一樹脂であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記中間層の厚さが１０μｍ以上１ｍｍ以下であり、かつ前記各電極層の厚さが０．０５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記一対の電極層間に前記中間層を介装した後、前記電極層間に生ずる電位差を放電させてから開回路状態で所定時間保存してなることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項９】
請求項請求項１〜７のいずれか１項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、 前記一対の電極層間に前記中間層を介装した後、前記電極層間に所定の電圧を印加してから前記電極層間に生ずる電位差を放電させ、その後、開回路状態で所定時間保存してなることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項１０】
ベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物であって、
前記ベースゴムが、
シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなると共に、
前記導電性フィラーが、
ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかの炭素材料、
または、金、銀、白金のいずれかの金属材料、
または、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、
または、これら誘導体にアニオンまたはカチオンに代表されるドーパントを添加した導電性高分子材料、または、イオン性液体のうちのいずれか１つ以上からなることを特徴とする導電性ゴム組成物。
【請求項１１】
ベースゴムに誘電性フィラーを含有した誘電性ゴム組成物であって、
前記誘電性ゴム組成物のベースゴムが、シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなると共に、
前記誘電性フィラーが、高誘電セラミックス粉末、イオン性液体、チオカルボニル基を有する有機化合物のいずれか１つ以上からなることを特徴とする誘電性ゴム組成物。
【請求項１】
一対の電極層間に誘電性ゴム組成物で構成された中間層を介装してなるエラストマートランスデューサーであって、
前記電極層がベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物で構成されることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項２】
請求項１に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記導電性ゴム組成物のベースゴムが、シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項３】
請求項１または２に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記導電性ゴム組成物の導電性フィラーが、
ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかの炭素材料、
または、金、銀、白金のいずれかの金属材料、
または、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、
または、これら誘導体にアニオンまたはカチオンに代表されるドーパントを添加した導電性高分子材料、または、イオン性液体のうちのいずれか１つ以上であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項４】
請求項１または２に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記導電性ゴム組成物は、体積抵抗率が１×１０Ω・ｃｍ以下の導電性フィラーを含み、かつ前記導電性ゴム組成物自身の体積抵抗率が１×１０２Ω・ｃｍ以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記誘電性ゴム組成物は、シリコーン系樹脂、変成シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなるベースゴムに、高誘電セラミックス粉末、イオン性液体、チオカルボニル基を有する有機化合物のいずれかの誘電性フィラーを含むことを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記誘電性ゴム組成物のベースゴムと導電性ゴム組成物のベースゴムとが同一樹脂であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記中間層の厚さが１０μｍ以上１ｍｍ以下であり、かつ前記各電極層の厚さが０．０５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、
前記一対の電極層間に前記中間層を介装した後、前記電極層間に生ずる電位差を放電させてから開回路状態で所定時間保存してなることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項９】
請求項請求項１〜７のいずれか１項に記載のエラストマートランスデューサーにおいて、 前記一対の電極層間に前記中間層を介装した後、前記電極層間に所定の電圧を印加してから前記電極層間に生ずる電位差を放電させ、その後、開回路状態で所定時間保存してなることを特徴とするエラストマートランスデューサー。
【請求項１０】
ベースゴムに導電性フィラーを含有した導電性ゴム組成物であって、
前記ベースゴムが、
シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなると共に、
前記導電性フィラーが、
ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）のいずれかの炭素材料、
または、金、銀、白金のいずれかの金属材料、
または、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、
または、これら誘導体にアニオンまたはカチオンに代表されるドーパントを添加した導電性高分子材料、または、イオン性液体のうちのいずれか１つ以上からなることを特徴とする導電性ゴム組成物。
【請求項１１】
ベースゴムに誘電性フィラーを含有した誘電性ゴム組成物であって、
前記誘電性ゴム組成物のベースゴムが、シリコーン系樹脂、変性シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、クロロプレン系樹脂、ポリサルファイド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイソブチル系樹脂、フロロシリコーン系樹脂の少なくとも１つからなると共に、
前記誘電性フィラーが、高誘電セラミックス粉末、イオン性液体、チオカルボニル基を有する有機化合物のいずれか１つ以上からなることを特徴とする誘電性ゴム組成物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２２７９８５（Ｐ２００９−２２７９８５Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４４７１０（Ｐ２００９−４４７１０）
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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