JP2011084712A - 誘電膜、およびその製造方法、並びにそれを用いたトランスデューサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 誘電膜は、有機金属化合物と、該有機金属化合物と反応可能な官能基を有し、ポリジメチルシロキサン以外のゴムポリマーと、該有機金属化合物と反応可能な官能基を有する無機フィラーと、から合成された三次元架橋体からなる。この誘電膜を、少なくとも一対の電極間に介装して、トランスデューサを構成する。この誘電膜は、ゴムポリマーが溶解可能であり、かつ、有機金属化合物をキレート化できる溶剤中に、ゴムポリマーと無機フィラーとが含有されている第一溶液を調製し、該第一溶液に有機金属化合物を混合して第二溶液を調製し、該第二溶液から該溶剤を除去し、架橋反応を進行させて製造することができる。
【選択図】 図1
Description
本発明の誘電膜は、有機金属化合物と、該有機金属化合物と反応可能な官能基を有し、ポリジメチルシロキサン以外のゴムポリマーと、該有機金属化合物と反応可能な官能基を有する無機フィラーと、から合成された三次元架橋体からなる。
有機金属化合物の種類は、特に限定されるものではない。有機金属化合物は、液体でも固体でもよい。有機金属化合物としては、金属アルコキシド化合物、金属アシレート化合物、および金属キレート化合物が挙げられる。これらから選ばれる一種を単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。有機金属化合物は、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ケイ素、ホウ素、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ゲルマニウム、イットリウム、ニオブ、ランタン、セリウム、タンタル、タングステン、およびマグネシウムから選ばれる一種以上の元素を含むことが望ましい。
M(OR)m ・・・(a)
[式(a)中、Mは金属等の原子である。Rは炭素数1〜10のアルキル基、アリール基、アルケニル基のいずれか一種以上であり、同一であっても、異なっていてもよい。mは金属等の原子Mの価数である。]
また、一分子中に、二つ以上の繰り返し単位[(MO)n;nは2以上の整数]を有する多量体であってもよい。nの数を変更することにより、ゴムポリマーとの相溶性や、反応速度等を調整することができる。このため、ゴムポリマーの種類に応じて、適宜好適な多量体を選択するとよい。
ゴムポリマーは、ポリジメチルシロキサン以外であって、有機金属化合物と反応可能な官能基を有する。ゴムポリマーは、液体でも固体でもよい。有機金属化合物と反応可能な官能基としては、カルボキシル基(−COOH)、ヒドロキシ基(−OH)、アミノ基(−NH)、アミド(−CONR1R2)、エポキシ基、チオール(−SH)、エステル(R3C(=O)OR4)等が挙げられる。ゴムポリマーは、これらの官能基の一種以上を有することが望ましい。
無機フィラーは、有機金属化合物と反応可能な官能基を有する。有機金属化合物と反応可能な官能基としては、ゴムポリマーの場合と同様に、ヒドロキシ基(−OH)、カルボキシル基(−COOH)、アミノ基(−NH)、アミド(−CONR1R2)、エポキシ基、チオール(−SH)、エステル(R3C(=O)OR4)等が挙げられる。無機フィラーは、これらの官能基の一種以上を有することが望ましい。また、無機フィラーに表面処理を施して、官能基の数を増加させてもよい。こうすることにより、無機フィラーと金属アルコキシドとの反応性が向上する。
本発明における三次元架橋体を合成する際には、上記有機金属化合物、ゴムポリマー、および無機フィラーに加えて、触媒、補強剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等を適宜配合してもよい。例えば、可塑剤を配合することにより、合成される三次元架橋体、すなわち、本発明の誘電膜の柔軟性を向上させることができる。これにより、本発明の誘電膜は、伸縮しやすくなる。したがって、可塑剤を配合した場合には、例えばアクチュエータにおいて、より大きな力および変位量を得ることができる。
本発明の誘電膜の製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、次の(1)または(2)の方法により製造することができる。
(1)第一の方法としては、ゴムポリマー、無機フィラー、および有機金属化合物を、ロールや混練機により混練りして(混練り工程)、所定の条件下で薄膜状に成形する(成膜工程)。
(2)第二の方法としては、まず、所定の溶剤中に、ゴムポリマーと無機フィラーとが含有されている第一溶液を調製する(第一溶液調製工程)。次いで、第一溶液に、有機金属化合物をそのまま、あるいは所定の溶剤に溶解した状態で混合して、第二溶液を調製する(第二溶液調製工程)。その後、第二溶液を基材上に塗布し、所定の条件下で乾燥させる(成膜工程)。
本発明のトランスデューサは、上記本発明の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備える。本発明の誘電膜の構成、および製造方法については、上述した通りである。よって、ここでは説明を割愛する。なお、本発明のトランスデューサにおいても、本発明の誘電膜における好適な態様を採用することが望ましい。
本発明のトランスデューサの第一例として、アクチュエータに具現化した実施形態を説明する。図1に、本実施形態のアクチュエータの断面模式図を示す。(a)はオフ状態、(b)はオン状態を各々示す。
本発明のトランスデューサの第二例として、静電容量型センサに具現化した実施形態を説明する。図2に、本実施形態における静電容量型センサの断面模式図を示す。図2に示すように、静電容量型センサ2は、誘電膜20と電極21a、21bと基板22とを備えている。誘電膜20は、テトラキス(2−エチルヘキシルオキシ)チタン(金属アルコキシド化合物)と、カルボキシル基を有する水素化ニトリルゴム(ゴムポリマー)と、シリカ(無機フィラー)と、から合成された三次元架橋体(本発明の誘電膜)である。誘電膜20は、左右方向に延びる帯状を呈している。誘電膜20は、基板22の上面に、電極21bを介して配置されている。電極21a、21bは、左右方向に延びる帯状を呈している。電極21a、21bは、誘電膜20の上面および下面に、それぞれ固定されている。電極21a、21bには、導線(図略)が接続されている。基板22は絶縁性の柔軟なフィルムであって、左右方向に延びる帯状を呈している。基板22は、電極21bの下面に固定されている。
C=ε0εrS/d・・・(I)
[C:静電容量、ε0:真空中の誘電率、εr:誘電膜の比誘電率、S:電極面積、d:電極間距離]
例えば、静電容量型センサ2が上方から押圧されると、誘電膜20は圧縮され、その分だけ電極21a、21b面に対して平行方向に伸長する。膜厚、すなわち電極間距離dが小さくなると、電極21a、21b間の静電容量は大きくなる。この静電容量変化により、加わった荷重の大きさや位置等が検出される。
本発明のトランスデューサの第三例として、発電素子の実施形態を説明する。図3に、本実施形態における発電素子の断面模式図を示す。(a)は伸長時、(b)は収縮時を各々示す。図3に示すように、発電素子3は、誘電膜30と電極31a、31bとを備えている。誘電膜30は、テトラキス(2−エチルヘキシルオキシ)チタン(金属アルコキシド化合物)と、カルボキシル基を有する水素化ニトリルゴム(ゴムポリマー)と、シリカ(無機フィラー)と、から合成された三次元架橋体(本発明の誘電膜)である。電極31a、31bは、誘電膜30の上面および下面に、それぞれ固定されている。電極31a、31bには、導線が接続されており、電極31bは、接地されている。
[実施例1〜10の誘電膜]
下記の表1に示す原料から、実施例1〜10の誘電膜を製造した。まず、カルボキシル基含有水素化ニトリルゴム(ランクセス社製「テルバン(登録商標)XT8889」)と、所定のシリカと、をロール練り機にて混練りし、ゴム組成物を調製した。次に、調製したゴム組成物を、アセチルアセトンに溶解した。続いて、この溶液に、有機金属化合物のテトラキス(2−エチルヘキシルオキシ)チタンを添加して、混合した。ここで、アセチルアセトンは、カルボキシル基含有水素化ニトリルゴム(ゴムポリマー)を溶解させる溶媒であると共に、テトラキス(2−エチルヘキシルオキシ)チタン(金属アルコキシド化合物)のキレート剤である。その後、混合溶液を基材上に塗布し、乾燥させた後、150℃で約60分間加熱して誘電膜を得た。誘電膜の膜厚は、いずれも約40μmとした。
下記の表1に示す原料から、参考例1、2の誘電膜を製造した。実施例1〜10の誘電膜と参考例の誘電膜との相違点は、シリカ配合の有無である。まず、カルボキシル基含有水素化ニトリルゴム(同上)を、アセチルアセトンに溶解した。続いて、この溶液に、テトラキス(2−エチルヘキシルオキシ)チタンを添加して、混合した。次に、混合溶液を、基材上に塗布し、乾燥させた後、150℃で約60分間加熱して誘電膜を得た。誘電膜の膜厚は、いずれも約40μmとした。
無機フィラーの種類を変更した以外は、実施例1〜10の誘電膜と同様にして、下記の表2に示す原料から、実施例11〜16の誘電膜を製造した。誘電膜の膜厚は、いずれも約40μmとした。
可塑剤を配合した以外は、実施例1〜10の誘電膜と同様にして、下記の表3に示す原料から、実施例17〜21の誘電膜を製造した。まず、カルボキシル基含有水素化ニトリルゴム(同上)と、後述するシリカ(b)と、をロール練り機にて混練りし、ゴム組成物を調製した。次に、調製したゴム組成物を、アセチルアセトンに溶解した。続いて、この溶液に、テトラキス(2−エチルヘキシルオキシ)チタンと、所定の可塑剤と、を添加して、混合した。その後、混合溶液を、基材上に塗布し、乾燥させた後、150℃で約60分間加熱して誘電膜を得た。誘電膜の膜厚は、いずれも約40μmとした。
有機金属化合物の種類を変更した以外は、実施例1〜10の誘電膜と同様にして、下記の表4に示す原料から、実施例22〜25の誘電膜を製造した。誘電膜の膜厚は、いずれも約40μmとした。
下記の表5に示す原料から、比較例1、2の誘電膜を製造した。まず、所定の原料をロール練り機にて混合、分散させて、ゴム組成物を調製した。次に、調製したゴム組成物を薄いシート状に成形し、それを金型に充填して、175℃で約30分間プレス架橋することにより、誘電膜を得た。誘電膜の膜厚は、いずれも約50μmとした。
シリカ(a):東ソー・シリカ(株)製湿式シリカ「Nipsil(登録商標)VN3」、pH5.5〜6.5、比表面積240m2/g
シリカ(b):日本アエロジル(株)製乾式シリカ「Aerosil(登録商標)380」、pH3.7〜4.7、比表面積380m2/g
シリカ(c):東ソー・シリカ(株)製湿式シリカ「Nipsil ER」、pH7〜8.5、比表面積120m2/g
また、表5中、各原料については、以下のものを使用した。
シリコーンゴム:「DMS−V31」(Gelest社製)
ニトリルゴム:「ニポール(登録商標)1042」(日本ゼオン(株)製)
メチルHシロキサン:「TSF484」(GE東芝シリコーン(株)製)
遅延剤:「サーフィノール(登録商標)61」(日信化学工業(株)製)
白金触媒:「SIP6830.0」(Gelest社製)
加硫助剤:酸化亜鉛二種(三井金属(株)製)
ステアリン酸:「ルナック(登録商標)S30」(花王(株)製)
テトラエチルチウラムジスルフィド:「サンセラー(登録商標)TET−G」(三新化学工業(株)製)
N−シクロヘキシル−2−ベンゾチアジルスルフェンアミド:「サンセラーCZ−G」(三新化学工業(株)製)
硫黄:「サルファックスT−10」(鶴見化学工業(株)製)
実施例、参考例、および比較例の各誘電膜の電気抵抗を、JIS K 6911(1995)に準じて測定した。測定結果を上記表1〜表5にまとめて示す。表1〜表4に示すように、実施例の誘電膜は、いずれも大きな電気抵抗を有している。つまり、高い絶縁性が維持されている。例えば、表1中、金属アルコキシド化合物の配合量が同じもの同士で比較すると、実施例1は参考例1に対して、実施例2〜5、8、10は参考例2に対して、電気抵抗が大きくなった。すなわち、シリカ(無機フィラー)を含む実施例の誘電膜では、それを含まない参考例の誘電膜と比較して、電気抵抗が大きくなることが確認された。同様に、金属アルコキシド化合物の配合量が同じである、表2の実施例11〜16と参考例2とを比較すると、実施例11〜16は参考例2に対して、電気抵抗が大きくなった。すなわち、無機フィラーの種類に関わらず、無機フィラーを含む実施例の誘電膜では、それを含まない参考例の誘電膜と比較して、電気抵抗が大きくなることが確認された。また、可塑剤を配合した実施例17〜21についても、電気抵抗は大きかった。なお、表5に示すように、従来のシリコーンゴムを使用した誘電膜(比較例1)の電気抵抗は大きく、ニトリルゴムを使用した誘電膜(比較例2)の電気抵抗は小さいことがわかる。
次に、実施例、参考例、および比較例の各誘電膜を用いてアクチュエータを作製し、アクチュエータの最大発生応力および最大電界強度を測定した。まず、実験装置および実験方法について説明する。
12:電源
2:静電容量型センサ(トランスデューサ) 20:誘電膜 21a、21b:電極
22:基板
3:発電素子(トランスデューサ) 30:誘電膜 31a、31b:電極
5:アクチュエータ 50:誘電膜 51a、51b:電極 52:上側チャック
53:下側チャック
Claims (10)
- トランスデューサにおいて少なくとも一対の電極間に介装される誘電膜であって、
有機金属化合物と、
該有機金属化合物と反応可能な官能基を有し、ポリジメチルシロキサン以外のゴムポリマーと、
該有機金属化合物と反応可能な官能基を有する無機フィラーと、
から合成された三次元架橋体からなることを特徴とする誘電膜。 - 前記有機金属化合物は、金属アルコキシド化合物、金属アシレート化合物、および金属キレート化合物から選ばれる一種以上である請求項1に記載の誘電膜。
- 前記無機フィラーは、シリカである請求項1または請求項2に記載の誘電膜。
- 前記シリカのpHは、8.5以下である請求項3に記載の誘電膜。
- 前記ゴムポリマーの前記官能基は、カルボキシル基、ヒドロキシ基、アミノ基、アミド、エポキシ基、チオール、エステルから選ばれる一種以上である請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の誘電膜。
- 前記ゴムポリマーは、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、水素化ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコーンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、塩素化ポリエチレンから選ばれる一種以上である請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の誘電膜。
- 前記有機金属化合物は、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ケイ素、ホウ素、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ゲルマニウム、イットリウム、ニオブ、ランタン、セリウム、タンタル、タングステン、およびマグネシウムから選ばれる一種以上の元素を含む請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の誘電膜。
- 前記三次元架橋体は、前記有機金属化合物、前記ゴムポリマー、および前記無機フィラーに加えて、さらに可塑剤を含む組成物から合成されている請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の誘電膜。
- 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の誘電膜の製造方法であって、
前記ゴムポリマーが溶解可能であり、かつ、前記有機金属化合物をキレート化できる溶剤中に、該ゴムポリマーと、前記無機フィラーと、必要に応じて前記可塑剤と、が含有されている第一溶液を調製する第一溶液調製工程と、
該第一溶液に、該有機金属化合物を混合して第二溶液を調製する第二溶液調製工程と、
該第二溶液から該溶剤を除去して、架橋反応を進行させる架橋工程と、
を有する誘電膜の製造方法。 - 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の誘電膜と、
該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、
を備えることを特徴とするトランスデューサ。
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