JP2010109121A - Dielectric film, actuator using the same, sensor, and transducer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクチュエータ、センサ、トランスデューサに好適な誘電膜、およびそれを用いたアクチュエータ、センサ、トランスデューサに関する。 The present invention relates to a dielectric film suitable for an actuator, a sensor, and a transducer, and an actuator, sensor, and transducer using the dielectric film.
近年、導電性高分子、イオン導電性高分子(ICPF)、誘電体エラストマー等の高分子材料を利用したアクチュエータが提案されている。この種のアクチュエータは、柔軟性が高く、軽量で小型化し易いため、人工筋肉、医療用器具、流体制御等の様々な分野での使用が検討されている。例えば、特許文献1、2には、誘電体エラストマーからなる誘電膜を一対の電極で狭持した電歪型アクチュエータが紹介されている。 In recent years, actuators using polymer materials such as a conductive polymer, an ion conductive polymer (ICPF), and a dielectric elastomer have been proposed. Since this type of actuator is highly flexible, lightweight, and easy to downsize, its use in various fields such as artificial muscles, medical instruments, and fluid control has been studied. For example, Patent Documents 1 and 2 introduce electrostrictive actuators in which a dielectric film made of a dielectric elastomer is held between a pair of electrodes.
電歪型アクチュエータにおいて、電極間への印加電圧を大きくすると、電極間の静電引力が大きくなる。このため、電極間に挟まれた誘電膜は膜厚方向から圧縮され、誘電膜の膜厚は薄くなる。膜厚が薄くなると、その分、誘電膜は電極面に対して平行方向に伸長する。一方、電極間への印加電圧を小さくすると、電極間の静電引力が小さくなる。このため、誘電膜に対する膜厚方向からの圧縮力が小さくなり、誘電膜の弾性復元力により膜厚は厚くなる。膜厚が厚くなると、その分、誘電膜は電極面に対して平行方向に収縮する。このように、電歪型アクチュエータは、誘電膜を伸長、収縮させることによって、駆動対象部材を駆動させる。
誘電体エラストマーからなる誘電膜は、電歪型アクチュエータだけでなく、センサ、トランスデューサ等にも利用されている。これら電歪型アクチュエータ等に使用される誘電膜に求められる特性として、以下の三つが挙げられる。第一に、比誘電率が大きいことである。誘電膜の比誘電率が大きいと、電極との界面に多くの電荷を蓄えることができる。これにより、例えば、アクチュエータの駆動力や変位量を大きくすることができる。第二に、絶縁破壊強さが大きいことである。誘電膜の絶縁破壊強さが大きいと、大きな電圧を印加することができる。したがって、アクチュエータの駆動力や変位量を大きくすることができると共に、耐久性が向上する。第三に、柔軟性である。誘電膜の柔軟性が高いと、電場応答性に優れると共に、伸縮を繰り返しても劣化が少ない。これにより、アクチュエータの駆動力や変位量を大きくすることができると共に、耐久性が向上する。 A dielectric film made of a dielectric elastomer is used not only for an electrostrictive actuator but also for a sensor, a transducer, and the like. The following three can be cited as characteristics required for dielectric films used in these electrostrictive actuators and the like. First, the relative dielectric constant is large. When the relative dielectric constant of the dielectric film is large, a large amount of charge can be stored at the interface with the electrode. Thereby, for example, the driving force and displacement amount of the actuator can be increased. Second, the dielectric breakdown strength is high. When the dielectric breakdown strength of the dielectric film is large, a large voltage can be applied. Therefore, the driving force and displacement amount of the actuator can be increased, and the durability is improved. Third is flexibility. When the dielectric film is highly flexible, the electric field response is excellent and the deterioration is small even if the expansion and contraction is repeated. Thereby, the driving force and displacement amount of the actuator can be increased, and the durability is improved.
電歪型アクチュエータの誘電膜としては、上記特許文献1、2に示されているように、絶縁破壊強さの大きいシリコーンゴム、イソプレンゴムや、比誘電率の大きいニトリルゴム等が使用されている。 As the dielectric film of the electrostrictive actuator, as shown in Patent Documents 1 and 2, silicone rubber, isoprene rubber having a high dielectric breakdown strength, nitrile rubber having a high relative dielectric constant, or the like is used. .
前者のシリコーンゴムやイソプレンゴム等の極性が低いエラストマーは、電気抵抗が大きく、絶縁破壊電圧が高い。また、大きな電圧を印加した場合でも、発熱が少ないため、誘電膜の耐久性は高い。しかし、シリコーンゴムやイソプレンゴムの比誘電率は小さい。このため、印加電圧に対する静電引力が小さく、電場応答性に劣る。例えば、アクチュエータを構成した場合には、所望の力や変位量を得ることが難しい。 The former elastomers with low polarity such as silicone rubber and isoprene rubber have high electrical resistance and high dielectric breakdown voltage. Further, even when a large voltage is applied, the dielectric film has high durability because it generates little heat. However, the relative dielectric constant of silicone rubber and isoprene rubber is small. For this reason, the electrostatic attraction with respect to the applied voltage is small, and the electric field response is poor. For example, when an actuator is configured, it is difficult to obtain a desired force and displacement.
後者のニトリルゴム等の比誘電率が大きいエラストマーは、印加電圧に対する静電引力が大きい。よって、電場応答性が良好である。しかし、比誘電率が大きいエラストマーは、電界中で分極を生じて大きな双極子モーメントを与える構造を有するため、高極性である。極性が高いエラストマーは、電気抵抗が小さく、絶縁破壊電圧が低い。すなわち、電気抵抗が小さいと、高電界中では微弱な電流が流れ、ジュール熱が発生する。このため、絶縁破壊電圧以上では、発熱に伴う電気抵抗のさらなる低下により発熱が増加して、破壊に至るおそれがある。 The latter elastomer having a large relative dielectric constant such as nitrile rubber has a large electrostatic attraction with respect to an applied voltage. Therefore, the electric field response is good. However, an elastomer having a large relative dielectric constant is highly polar because it has a structure that causes polarization in an electric field to give a large dipole moment. Highly polar elastomers have low electrical resistance and low dielectric breakdown voltage. That is, if the electric resistance is small, a weak current flows in a high electric field, and Joule heat is generated. For this reason, at a dielectric breakdown voltage or higher, heat generation increases due to further reduction in electrical resistance accompanying heat generation, which may lead to breakdown.
このように、従来のエラストマーによると、電場応答性と絶縁破壊強さとを両立させることはできなかった。本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、比誘電率および絶縁破壊強さが大きく、柔軟な誘電膜を提供することを課題とする。また、そのような誘電膜を使用して、電場応答性が良好で耐久性に優れたアクチュエータ、センサ、トランスデューサを提供することを課題とする。 Thus, according to the conventional elastomer, it was impossible to achieve both electric field response and dielectric breakdown strength. The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a flexible dielectric film having a large relative dielectric constant and dielectric breakdown strength. Another object of the present invention is to provide an actuator, a sensor, and a transducer that use such a dielectric film and have excellent electric field response and durability.
(1)上記課題を解決するため、本発明の誘電膜は、アクチュエータ、センサ、トランスデューサのいずれかにおいて複数の電極間に介装され、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなることを特徴とする(請求項1に対応)。 (1) In order to solve the above-mentioned problem, the dielectric film of the present invention is characterized in that it is made of an elastomer containing a vinyl acetate copolymer interposed between a plurality of electrodes in any of an actuator, a sensor, and a transducer. (Corresponding to claim 1).
本発明の誘電膜を構成するエラストマーは、酢酸ビニルの共重合体を含む。すなわち、エラストマーのポリマー分は、酢酸ビニルの共重合体のみでもよく、酢酸ビニルの共重合体と他のポリマーとをブレンドしたものでもよい。「酢酸ビニルの共重合体」は、酢酸ビニルと、それ以外の他のモノマーと、の共重合体である。酢酸ビニルは、側鎖に高極性のアセチル基を有する。このため、他のモノマーの種類や、酢酸ビニル単位の含有割合にもよるが、酢酸ビニルの共重合体の比誘電率は、比較的大きい。したがって、酢酸ビニルの共重合体を含む本発明の誘電膜によると、印加電圧に対する静電引力が大きい。よって、本発明の誘電膜は、良好な電場応答性を有する。 The elastomer constituting the dielectric film of the present invention includes a vinyl acetate copolymer. That is, the polymer content of the elastomer may be only a vinyl acetate copolymer, or may be a blend of a vinyl acetate copolymer and another polymer. The “vinyl acetate copolymer” is a copolymer of vinyl acetate and other monomers. Vinyl acetate has a highly polar acetyl group in the side chain. For this reason, although it depends on the type of other monomers and the content ratio of vinyl acetate units, the relative dielectric constant of the vinyl acetate copolymer is relatively large. Therefore, according to the dielectric film of the present invention including the vinyl acetate copolymer, the electrostatic attraction with respect to the applied voltage is large. Therefore, the dielectric film of the present invention has a good electric field response.
また、酢酸ビニル単位の含有割合を変化させることにより、酢酸ビニルの共重合体の結晶性や、ガラス転移温度(Tg)を調整することができる。したがって、酢酸ビニル単位の含有割合を、用途に応じて好適な範囲に調整することにより、所望の柔軟性、比誘電率等を実現することができる。例えば、ポリエチレン等の結晶性ポリマーを含む場合、酢酸ビニル単位の含有割合が小さすぎると、酢酸ビニルの共重合体の結晶性は高くなる。このため、柔軟性が低下する。また、酢酸ビニルの共重合体の極性が低下して、比誘電率が小さくなる。一方、酢酸ビニル単位の含有割合が大きすぎると、酢酸ビニルの共重合体のTgが高くなる。このため、柔軟性が低下する。また、Tgが高いと、酢酸ビニル単位の側鎖が電界方向へ配向しにくくなるため、比誘電率が小さくなる。 Further, the crystallinity of the vinyl acetate copolymer and the glass transition temperature (Tg) can be adjusted by changing the content ratio of the vinyl acetate unit. Therefore, desired flexibility, relative dielectric constant, etc. can be realized by adjusting the content ratio of the vinyl acetate unit to a suitable range according to the application. For example, when a crystalline polymer such as polyethylene is included, if the content ratio of vinyl acetate units is too small, the crystallinity of the vinyl acetate copolymer increases. For this reason, flexibility falls. In addition, the polarity of the vinyl acetate copolymer decreases, and the relative dielectric constant decreases. On the other hand, if the content ratio of the vinyl acetate unit is too large, the Tg of the vinyl acetate copolymer increases. For this reason, flexibility falls. On the other hand, when Tg is high, the side chain of the vinyl acetate unit is difficult to be oriented in the electric field direction, so that the relative dielectric constant becomes small.
また、酢酸ビニルの共重合体の体積抵抗率は、比較的大きい。このため、絶縁破壊電圧が比較的高い。したがって、酢酸ビニルの共重合体を含む本発明の誘電膜の絶縁破壊強さは大きい。つまり、大きな電圧を印加した場合でも、誘電膜における発熱が少ない。よって、本発明の誘電膜は耐久性に優れる。このように、本発明の誘電膜は、電場応答性と絶縁破壊強さとの両方を備える。したがって、アクチュエータ、センサ、トランスデューサに有用である。 The volume resistivity of the vinyl acetate copolymer is relatively large. For this reason, the dielectric breakdown voltage is relatively high. Therefore, the dielectric breakdown strength of the dielectric film of the present invention containing the vinyl acetate copolymer is large. That is, even when a large voltage is applied, heat generation in the dielectric film is small. Therefore, the dielectric film of the present invention is excellent in durability. Thus, the dielectric film of the present invention has both electric field response and dielectric breakdown strength. Therefore, it is useful for actuators, sensors, and transducers.
(2)また、本発明のアクチュエータは、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備え、該電極間への印加電圧に応じて該誘電膜が伸縮する(請求項5に対応)。 (2) Moreover, the actuator of this invention is equipped with the dielectric film which consists of an elastomer containing the copolymer of vinyl acetate, and the some electrode arrange | positioned through this dielectric film, The application between these electrodes The dielectric film expands and contracts according to the voltage (corresponding to claim 5).
本発明のアクチュエータは、上記本発明の誘電膜を備える。このため、本発明のアクチュエータによると、比較的小さな印加電圧で、大きな力および変位量を得ることができる。また、誘電膜の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、本発明のアクチュエータは、耐久性、安定性に優れる。 The actuator of the present invention includes the dielectric film of the present invention. For this reason, according to the actuator of the present invention, a large force and displacement can be obtained with a relatively small applied voltage. In addition, the dielectric breakdown strength of the dielectric film is large. In addition, since the dielectric film is flexible, it does not easily deteriorate even if the expansion and contraction is repeated. For this reason, the actuator of this invention is excellent in durability and stability.
(3)また、本発明のセンサは、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備え、該電極間の静電容量変化に基づいて変形を検出することを特徴とする(請求項6に対応)。 (3) In addition, the sensor of the present invention includes a dielectric film made of an elastomer containing a vinyl acetate copolymer, and a plurality of electrodes arranged via the dielectric film. Deformation is detected based on a change in capacitance (corresponding to claim 6).
本発明のセンサは、上記本発明の誘電膜を備える。誘電膜の比誘電率が大きいため、静電容量が大きくなる。したがって、本発明のセンサの検出感度は高い。また、誘電膜の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、本発明のセンサは、耐久性、安定性に優れる。 The sensor of the present invention includes the dielectric film of the present invention. Since the relative dielectric constant of the dielectric film is large, the capacitance is increased. Therefore, the detection sensitivity of the sensor of the present invention is high. In addition, the dielectric breakdown strength of the dielectric film is large. In addition, since the dielectric film is flexible, it does not easily deteriorate even if the expansion and contraction is repeated. For this reason, the sensor of this invention is excellent in durability and stability.
(4)また、本発明のトランスデューサは、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる誘電膜と、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(請求項7に対応)。 (4) Further, the transducer of the present invention includes a dielectric film made of an elastomer containing a vinyl acetate copolymer, and a plurality of electrodes arranged via the dielectric film (claims). Corresponds to item 7).
本発明のトランスデューサは、上記本発明の誘電膜を備える。本発明のトランスデューサによると、誘電膜の比誘電率が大きいため、電極との界面により多くの電荷を蓄えることができる。また、誘電膜の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、本発明のトランスデューサは、耐久性、安定性に優れる。 The transducer of the present invention includes the dielectric film of the present invention. According to the transducer of the present invention, since the relative dielectric constant of the dielectric film is large, more electric charges can be stored at the interface with the electrode. In addition, the dielectric breakdown strength of the dielectric film is large. In addition, since the dielectric film is flexible, it does not easily deteriorate even if the expansion and contraction is repeated. For this reason, the transducer of the present invention is excellent in durability and stability.
本発明によると、比誘電率および絶縁破壊強さが大きく、柔軟な誘電膜を提供することができる。また、電場応答性が良好で耐久性に優れたアクチュエータ、センサ、トランスデューサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a flexible dielectric film having a large relative dielectric constant and dielectric breakdown strength. In addition, it is possible to provide an actuator, a sensor, and a transducer that have excellent electric field responsiveness and excellent durability.
以下、本発明の誘電膜、およびそれを用いたアクチュエータ、センサ、トランスデューサについて、それぞれ詳細に説明する。 Hereinafter, the dielectric film of the present invention, and the actuator, sensor, and transducer using the same will be described in detail.
<誘電膜>
本発明の誘電膜は、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる。上述したように、エラストマーのポリマー分は、酢酸ビニルの共重合体のみでもよく、酢酸ビニルの共重合体と他のポリマーとをブレンドしたものでもよい。いずれの場合でも、エラストマーにおける酢酸ビニル単位の含有割合は、エラストマーのポリマー分全体を100質量%とした場合の20質量%より大きいことが望ましい。20質量%以下の場合には、酢酸ビニルの共重合体の結晶性が高くなり、柔軟性が低下する。また、酢酸ビニルの共重合体の極性が低下して、比誘電率が小さくなる。酢酸ビニル単位の含有割合を、30質量%以上とすると好適である。一方、酢酸ビニル単位の含有割合は、エラストマーのポリマー分全体を100質量%とした場合の85質量%以下であることが望ましい。85質量%より大きい場合には、酢酸ビニルの共重合体のTgが高くなり、柔軟性が低下する。また、Tgが高いと、酢酸ビニル単位の側鎖が電界方向へ配向しにくくなるため、酢酸ビニルの共重合体の比誘電率が小さくなる。酢酸ビニル単位の含有割合を、80質量%以下とすると好適である。なお、酢酸ビニル単位等の含有割合は、例えば、質量分析法(Mass Spectrometry)により測定することができる。
<Dielectric film>
The dielectric film of the present invention comprises an elastomer containing a vinyl acetate copolymer. As described above, the polymer content of the elastomer may be only a vinyl acetate copolymer, or may be a blend of a vinyl acetate copolymer and another polymer. In any case, the content of vinyl acetate units in the elastomer is desirably larger than 20% by mass when the total polymer content of the elastomer is 100% by mass. In the case of 20% by mass or less, the crystallinity of the vinyl acetate copolymer becomes high and the flexibility is lowered. In addition, the polarity of the vinyl acetate copolymer decreases, and the relative dielectric constant decreases. The content of vinyl acetate units is preferably 30% by mass or more. On the other hand, the content ratio of the vinyl acetate unit is desirably 85% by mass or less when the entire polymer content of the elastomer is 100% by mass. When it is larger than 85% by mass, the Tg of the vinyl acetate copolymer becomes high and the flexibility is lowered. Further, when the Tg is high, the side chain of the vinyl acetate unit is difficult to be oriented in the electric field direction, so that the relative dielectric constant of the vinyl acetate copolymer is reduced. It is preferable that the content ratio of the vinyl acetate unit is 80% by mass or less. In addition, content rates, such as a vinyl acetate unit, can be measured by the mass spectrometry (Mass Spectrometry), for example.
他のポリマーをブレンドする場合、例えば、比誘電率の大きいアクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム(NBR)、水素化ニトリルゴム(H−NBR)、ヒドリンゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴム、塩素化ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム等、および絶縁破壊強さの大きいイソプレンゴム(IR)、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ブチルゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)等から選ばれる一種以上が好適である。 When blending other polymers, for example, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber (NBR), hydrogenated nitrile rubber (H-NBR), hydrin rubber, urethane rubber, chloroprene rubber, chlorinated polyethylene, polyvinyl chloride having a high relative dielectric constant Chlorosulfonated polyethylene, acrylic rubber, fluorine rubber, etc., isoprene rubber (IR), natural rubber, styrene butadiene rubber (SBR), butyl rubber, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), etc. having high dielectric breakdown strength One or more are preferred.
また、酢酸ビニルの共重合体を構成する酢酸ビニル以外のモノマーとしては、例えば、エチレン、ブタジエン、アクリル酸エステル、塩化ビニル等が挙げられる。これらのうち一種を単独で、または二種以上を併せて用いればよい。なかでも、次の理由からエチレンが好適である。すなわち、エチレンは低極性であり、高極性の酢酸ビニルと併用することで、他のポリマーとの相溶性が向上する。また、エチレンの結晶性は高いため、酢酸ビニルの共重合体における剛性と柔軟性とのバランスがよい。 Examples of the monomer other than vinyl acetate constituting the vinyl acetate copolymer include ethylene, butadiene, acrylic acid ester, and vinyl chloride. Of these, one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination. Of these, ethylene is preferred for the following reasons. That is, ethylene has a low polarity, and compatibility with other polymers is improved by using it together with a highly polar vinyl acetate. Further, since ethylene has high crystallinity, the vinyl acetate copolymer has a good balance between rigidity and flexibility.
酢酸ビニルの共重合体を、エチレン−酢酸ビニル共重合体とした場合には、エチレン単位と酢酸ビニル単位との質量比率を、60:40〜15:85(エチレン単位:酢酸ビニル単位)とすることが望ましい。すなわち、エチレン−酢酸ビニル共重合体における酢酸ビニル単位の含有割合が、40質量%未満の場合には、エチレン−酢酸ビニル共重合体の結晶性が高くなり、柔軟性が低下する。また、エチレン−酢酸ビニル共重合体の極性が低下して、比誘電率が小さくなる。反対に、酢酸ビニル単位の含有割合が、85質量%より大きくなると、エチレン−酢酸ビニル共重合体のTgが高くなり、柔軟性が低下する。また、Tgが高いと、酢酸ビニル単位の側鎖が電界方向へ配向しにくくなるため、エチレン−酢酸ビニル共重合体の比誘電率が小さくなる。 When the vinyl acetate copolymer is an ethylene-vinyl acetate copolymer, the mass ratio of ethylene units to vinyl acetate units is 60:40 to 15:85 (ethylene units: vinyl acetate units). It is desirable. That is, when the content ratio of the vinyl acetate unit in the ethylene-vinyl acetate copolymer is less than 40% by mass, the crystallinity of the ethylene-vinyl acetate copolymer increases, and the flexibility decreases. In addition, the polarity of the ethylene-vinyl acetate copolymer is lowered and the relative dielectric constant is reduced. On the other hand, when the content ratio of the vinyl acetate unit is greater than 85% by mass, the Tg of the ethylene-vinyl acetate copolymer increases and the flexibility decreases. On the other hand, when Tg is high, the side chain of the vinyl acetate unit is difficult to be oriented in the electric field direction, so that the relative dielectric constant of the ethylene-vinyl acetate copolymer becomes small.
本発明の誘電膜は、酢酸ビニルの共重合体、または必要に応じて酢酸ビニルの共重合体と他のポリマーとをブレンドした原料ポリマーに、架橋剤、加硫促進剤、加工助剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等を必要に応じて添加してエラストマー組成物を調製し、当該エラストマー組成物を架橋して製造すればよい。具体的には、第一の方法として、まず、原料ポリマーに、架橋剤、加工助剤等を添加して混練りし、エラストマー組成物を調製する。次に、調製したエラストマー組成物を成形し、それを金型に充填して、所定の条件下でプレス架橋する。また、第一の方法と同様に調製したエラストマー組成物を、フィルム状あるいはチューブ状に押し出し成形等した後、架橋してもよい。また、第二の方法として、まず、原料ポリマーを、所定の溶媒に溶解する。この溶液へ架橋剤等を加え、攪拌、混合してエラストマー組成物を調製する。次に、調製したエラストマー組成物を基材上に塗布し、乾燥させて溶媒を蒸発させた後、架橋する。 The dielectric film of the present invention comprises a copolymer of vinyl acetate, or a raw material polymer blended with a copolymer of vinyl acetate and other polymers as necessary, with a crosslinking agent, vulcanization accelerator, processing aid, plasticizer. An elastomer composition may be prepared by adding an agent, an anti-aging agent, a colorant, and the like as necessary, and the elastomer composition may be crosslinked to produce. Specifically, as a first method, first, a crosslinking agent, a processing aid, and the like are added to a raw material polymer and kneaded to prepare an elastomer composition. Next, the prepared elastomer composition is molded, filled in a mold, and press-crosslinked under predetermined conditions. Further, the elastomer composition prepared in the same manner as in the first method may be cross-linked after being extruded into a film or tube. As a second method, first, the raw material polymer is dissolved in a predetermined solvent. A cross-linking agent or the like is added to this solution, and the mixture is stirred and mixed to prepare an elastomer composition. Next, the prepared elastomer composition is applied on a substrate, dried to evaporate the solvent, and then crosslinked.
架橋剤としては、有機過酸化物から選ばれる一種以上を使用することが望ましい。この場合、架橋助剤を併用するとよい。有機過酸化物を使用すると、不純物の残存量が少ない。このため、得られるエラストマーの電気抵抗が大きくなり、絶縁破壊強さをより大きくすることができる。有機過酸化物としては、例えば、α,α’−ジ(t−ブチルパーオキシ)ジイソプロピルベンゼン、1,1−ジ(t−ブチルペルオキシ)シクロヘキサン、ジクミルパーオキサイド、2,5−ジメチル−2,5−ジ(t−ブチルペルオキシ)ヘキサン等が挙げられる。 As the crosslinking agent, it is desirable to use one or more selected from organic peroxides. In this case, a crosslinking aid may be used in combination. When organic peroxide is used, the remaining amount of impurities is small. For this reason, the electrical resistance of the obtained elastomer is increased, and the dielectric breakdown strength can be further increased. Examples of the organic peroxide include α, α′-di (t-butylperoxy) diisopropylbenzene, 1,1-di (t-butylperoxy) cyclohexane, dicumyl peroxide, and 2,5-dimethyl-2. , 5-di (t-butylperoxy) hexane and the like.
本発明の誘電膜を用いてアクチュエータ、センサ、トランスデューサを構成する場合、本発明の誘電膜を挟んで少なくとも一対の電極を配置すればよい。以下、本発明の誘電膜を用いたアクチュエータ、センサ、トランスデューサの実施形態を説明する。 When an actuator, a sensor, or a transducer is configured using the dielectric film of the present invention, at least a pair of electrodes may be disposed with the dielectric film of the present invention interposed therebetween. Hereinafter, embodiments of actuators, sensors, and transducers using the dielectric film of the present invention will be described.
<アクチュエータ>
図1に、本実施形態における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。図1に示すように、アクチュエータ10は、誘電膜20と電極30a、30bとを備えている。電極30a、30bは、誘電膜20の表裏に、それぞれ固定されている。電極30a、30bは、導線を介して電源40に接続されている。オフ状態からオン状態に切り替える際は、一対の電極30a、30b間に電圧を印加する。電圧の印加により、誘電膜20の膜厚は薄くなり、その分だけ、図1(b)中白抜き矢印で示すように、電極30a、30b面に対して平行方向に伸長する。これにより、アクチュエータ10は、図中横および上下方向の駆動力を出力する。
<Actuator>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an actuator according to this embodiment. (A) shows an OFF state, and (b) shows an ON state. As shown in FIG. 1, the
ここで、誘電膜20は、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる。誘電膜20の比誘電率は大きい。したがって、アクチュエータ10によると、印加電圧が比較的小さくても、所望の力および変位量を得ることができる。また、誘電膜20の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜20は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、アクチュエータ10は耐久性、安定性に優れる。
Here, the
本発明のアクチュエータにおいても、上述した本発明の誘電膜の好適な態様を採用することが望ましい。また、誘電膜の厚さは、アクチュエータの用途等に応じて適宜決定すればよい。例えば、アクチュエータの小型化、低電位駆動化、および変位量を大きくする等の観点からは、誘電膜の厚さは薄い方が望ましい。この場合、絶縁破壊性等をも考慮して、誘電膜の厚さを、1μm以上1000μm(1mm)以下とすることが望ましい。より好適な範囲は、5μm以上200μm以下である。また、アクチュエータの変位量をより大きくするためには、誘電膜を面延在方向に延伸した状態で取り付けることが望ましい。 Also in the actuator of the present invention, it is desirable to adopt the above-described preferred embodiment of the dielectric film of the present invention. Further, the thickness of the dielectric film may be appropriately determined according to the use of the actuator. For example, the thickness of the dielectric film is desirably thinner from the viewpoints of downsizing the actuator, driving at a low potential, and increasing the amount of displacement. In this case, it is desirable that the thickness of the dielectric film be 1 μm or more and 1000 μm (1 mm) or less in consideration of dielectric breakdown properties and the like. A more preferable range is 5 μm or more and 200 μm or less. In order to further increase the amount of displacement of the actuator, it is desirable to attach the dielectric film in a state of extending in the surface extending direction.
誘電膜の表面に配置される電極の材質等は、特に限定されるものではない。例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の炭素材料や金属からなる導電材に、バインダーとしてオイルやエラストマーを混合したペーストまたは塗料を塗布した電極、あるいは炭素材料や金属等をメッシュ状に編んだ電極等を使用することができる。電極は、誘電膜の伸縮に応じて伸縮可能であることが望ましい。電極が、誘電膜と共に伸縮すると、誘電膜の変形が電極によって妨げられにくく、所望の変位量を得やすくなる。 The material of the electrode disposed on the surface of the dielectric film is not particularly limited. For example, a conductive material made of carbon material such as carbon black or carbon nanotube or a conductive material made of metal and a paste or paint mixed with oil or elastomer as a binder, or an electrode made by knitting carbon material or metal in a mesh shape, etc. Can be used. It is desirable that the electrode can expand and contract according to the expansion and contraction of the dielectric film. When the electrode expands and contracts together with the dielectric film, the deformation of the dielectric film is not easily disturbed by the electrode, and a desired amount of displacement is easily obtained.
また、複数の誘電膜と電極とを交互に積層させた積層構造とすると、より大きな力を発生させることができる。これにより、アクチュエータの出力が大きくなり、駆動対象部材をより大きな力で駆動させることができる。 Further, when a laminated structure in which a plurality of dielectric films and electrodes are alternately laminated, a larger force can be generated. As a result, the output of the actuator is increased, and the driven member can be driven with a greater force.
<センサ>
本発明の誘電膜を用いたセンサの一例として、静電容量型センサの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11は、誘電膜21と電極31a、31bと基材41とを備えている。誘電膜21は、左右方向に延びる帯状を呈している。誘電膜21は、基材41の上面に、電極31bを介して配置されている。電極31a、31bは、左右方向に延びる帯状を呈している。電極31a、31bは、誘電膜21の表裏に、それぞれ固定されている。電極31a、31bには、導線(図略)が接続されている。基材41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。基材41は、電極31bの下面に固定されている。
<Sensor>
As an example of a sensor using the dielectric film of the present invention, an embodiment of a capacitive sensor will be described. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the capacitive sensor according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the
静電容量型センサ11の静電容量(キャパシタンス)は、次式(I)により求めることができる。
C=ε0εrS/d・・・(I)
[C:キャパシタンス、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11が上方から押圧されると、誘電膜21は圧縮され、その分だけ長手方向に伸長する。膜厚dが小さくなると、電極31a、31b間のキャパシタンスは大きくなる。このキャパシタンス変化により、加わった荷重の大きさ、位置等が検出される。ここで、誘電膜21は、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる。誘電膜21の比誘電率が大きいため、キャパシタンスは大きい。したがって、静電容量型センサ11の検出感度は高い。また、誘電膜21の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜21は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、静電容量型センサ11は、耐久性、安定性に優れる。なお、本発明のセンサにおいても、上述した本発明の誘電膜の好適な態様を採用することが望ましい。
The capacitance (capacitance) of the
C = ε 0 ε r S / d (I)
[C: capacitance, ε 0 : dielectric constant in vacuum, ε r : relative dielectric constant of dielectric film, S: electrode area, d: distance between electrodes]
For example, when the
<トランスデューサ>
本発明の誘電膜を用いたトランスデューサの一例として、発電トランスデューサの実施形態を説明する。図3に、本実施形態における発電トランスデューサ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、発電トランスデューサ12は、誘電膜22と電極32a、32bとを備えている。電極32a、32bは、誘電膜22の表裏に、それぞれ固定されている。電極32a、32bには、導線が接続されており、電極32bは、接地されている。
<Transducer>
An embodiment of a power generation transducer will be described as an example of a transducer using the dielectric film of the present invention. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the power generation transducer in the present embodiment. (A) shows the time of expansion, and (b) shows the time of contraction. As shown in FIG. 3, the
図3(a)に示すように、発電トランスデューサ12を圧縮し、誘電膜22を電極32a、32b面に対して平行方向に伸長すると、誘電膜22の膜厚は薄くなり、電極32a、32b間に電荷が蓄えられる。その後、圧縮力を除去すると、誘電膜22の弾性復元力により誘電膜22は収縮し、膜厚が厚くなる。その際、電荷が放出され発電される。ここで、誘電膜22は、酢酸ビニルの共重合体を含むエラストマーからなる。誘電膜22の比誘電率が大きいため、電極32a、32bとの界面に多くの電荷を蓄えることができる。また、誘電膜22の絶縁破壊強さは大きい。加えて、誘電膜22は柔軟であるため、伸縮を繰り返しても劣化しにくい。このため、発電トランスデューサ12は、耐久性、安定性に優れる。なお、本発明のトランスデューサにおいても、上述した本発明の誘電膜の好適な態様を採用することが望ましい。
As shown in FIG. 3A, when the
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。 Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
<誘電膜の製造>
[実施例1]
まず、エチレン−酢酸ビニル共重合体A(ランクセス社製「レバプレン(登録商標)450」、エチレン単位:酢酸ビニル単位=55:45(質量比率、以下同じ。))100質量部と、加工助剤のステアリン酸(花王(株)製「ルナック(登録商標)S30」)2質量部と、架橋剤の有機過酸化物、α,α’−ジ(t−ブチルパーオキシ)ジイソプロピルベンゼン(日本油脂(株)製「パーブチル(登録商標)P−40」)6.4質量部と、架橋助剤のトリアリルイソシアヌレート(日本化成(株)製「TAIC(登録商標)M−60」)1.2質量部と、をロール練り機にて混合し、エラストマー組成物を調製した。調製したエラストマー組成物を金型に充填して、170℃で約15分間プレス架橋することにより、誘電膜を得た。得られた誘電膜を、実施例1とした。なお、誘電膜は、厚さを変えて二種類製造した。一方の厚さは0.5mm、他方の厚さは0.2mmとした(以下、実施例2〜4、比較例1〜3について同じ)。
<Manufacture of dielectric film>
[Example 1]
First, 100 parts by mass of ethylene-vinyl acetate copolymer A (“Levaprene (registered trademark) 450” manufactured by LANXESS, ethylene unit: vinyl acetate unit = 55: 45 (mass ratio, the same applies hereinafter)) and a processing aid. 2 parts by weight of stearic acid (“LUNAC (registered trademark) S30” manufactured by Kao Corporation) and an organic peroxide as a crosslinking agent, α, α′-di (t-butylperoxy) diisopropylbenzene (Nippon Yushi ( 6.4 parts by mass of “Perbutyl (registered trademark) P-40” manufactured by Co., Ltd.) and triallyl isocyanurate as a crosslinking assistant (“TAIC (registered trademark) M-60” manufactured by Nippon Kasei Co., Ltd.) 1.2 An elastomer composition was prepared by mixing parts by mass with a roll kneader. The prepared elastomer composition was filled in a mold and press-crosslinked at 170 ° C. for about 15 minutes to obtain a dielectric film. The obtained dielectric film was referred to as Example 1. Two types of dielectric films were manufactured with different thicknesses. One thickness was 0.5 mm, and the other thickness was 0.2 mm (hereinafter, the same applies to Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 to 3).
[実施例2]
エチレン−酢酸ビニル共重合体の種類以外は、上記実施例1と同様にして、誘電膜を製造した。すなわち、実施例1とは酢酸ビニル単位の含有割合が異なるエチレン−酢酸ビニル共重合体B(ランクセス社製「レバプレン600HV」、エチレン単位:酢酸ビニル単位=40:60)を使用した。得られた誘電膜を、実施例2とした。
[Example 2]
A dielectric film was produced in the same manner as in Example 1 except for the type of ethylene-vinyl acetate copolymer. That is, ethylene-vinyl acetate copolymer B (“Levaprene 600HV” manufactured by LANXESS, ethylene unit: vinyl acetate unit = 40: 60) having a different vinyl acetate unit content from Example 1 was used. The obtained dielectric film was referred to as Example 2.
[実施例3]
エチレン−酢酸ビニル共重合体の種類以外は、上記実施例1と同様にして、誘電膜を製造した。すなわち、実施例1とは酢酸ビニル単位の含有割合が異なるエチレン−酢酸ビニル共重合体C(ランクセス社製「レバプレン800HV」、エチレン単位:酢酸ビニル単位=20:80)を使用した。得られた誘電膜を、実施例3とした。
[Example 3]
A dielectric film was produced in the same manner as in Example 1 except for the type of ethylene-vinyl acetate copolymer. That is, ethylene-vinyl acetate copolymer C (“Levaprene 800HV” manufactured by LANXESS, ethylene unit: vinyl acetate unit = 20: 80) having a different content of vinyl acetate units from Example 1 was used. The obtained dielectric film was referred to as Example 3.
[実施例4]
ポリマー分として、実施例2と同様のエチレン−酢酸ビニル共重合体B50質量部と、水素化ニトリルゴム(日本ゼオン(株)製「ゼットポール(登録商標)0020」)50質量部と、を使用した。これ以外は、上記実施例1と同様にして、誘電膜を製造した。得られた誘電膜を、実施例4とした。
[Example 4]
As the polymer component, 50 parts by mass of the same ethylene-vinyl acetate copolymer B as in Example 2 and 50 parts by mass of hydrogenated nitrile rubber (“Zetpol (registered trademark) 0020” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) are used. did. A dielectric film was manufactured in the same manner as in Example 1 except for the above. The obtained dielectric film was referred to as Example 4.
[比較例1]
エチレン−酢酸ビニル共重合体の種類以外は、上記実施例1と同様にして、誘電膜を製造した。すなわち、実施例1とは酢酸ビニル単位の含有割合が異なるエチレン−酢酸ビニル共重合体D(ランクセス社製「レバプレン900HV」、エチレン単位:酢酸ビニル単位=10:90)を使用した。得られた誘電膜を、比較例1とした。
[Comparative Example 1]
A dielectric film was produced in the same manner as in Example 1 except for the type of ethylene-vinyl acetate copolymer. That is, ethylene-vinyl acetate copolymer D (“Levaprene 900HV” manufactured by LANXESS, ethylene unit: vinyl acetate unit = 10: 90) having a different content of vinyl acetate units from Example 1 was used. The obtained dielectric film was referred to as Comparative Example 1.
[比較例2]
エチレン−酢酸ビニル共重合体に替えて、ニトリルゴム(日本ゼオン(株)製「ニポール(登録商標)DN202」)を使用して、誘電膜を製造した。すなわち、まず、ニトリルゴム100質量部と、加工助剤のステアリン酸(同上)1質量部および酸化マグネシウム(協和化学工業(株)製「#150」)10質量部と、架橋剤の硫黄(鶴見化学工業(株)製「サルファックスT−10」)0.5質量部と、加硫促進剤のテトラエチルチウラムジスルフィド(三新化学工業(株)製「サンセラー(登録商標)TET−G」)2質量部、およびN−シクロヘキシル−2−ベンゾチアジルスルフェンアミド(同社製「サンセラーCZ−G」)1質量部と、をロール練り機にて混合し、エラストマー組成物を調製した。調製したエラストマー組成物を金型に充填して、150℃で約15分間プレス架橋することにより、誘電膜を得た。得られた誘電膜を、比較例2とした。
[Comparative Example 2]
In place of the ethylene-vinyl acetate copolymer, a dielectric film was manufactured using nitrile rubber (“NIPOL (registered trademark) DN202” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.). That is, first, 100 parts by mass of nitrile rubber, 1 part by mass of stearic acid (same as above) as a processing aid and 10 parts by mass of magnesium oxide (“# 150” manufactured by Kyowa Chemical Industry Co., Ltd.) and sulfur (Tsurumi) as a crosslinking agent 0.5 parts by mass of “Sulfax T-10” manufactured by Chemical Industry Co., Ltd., and tetraethylthiuram disulfide as a vulcanization accelerator (“Sunseller (registered trademark) TET-G” manufactured by Sanshin Chemical Industry Co., Ltd.) 2 Part by mass and 1 part by mass of N-cyclohexyl-2-benzothiazylsulfenamide (“Sunceller CZ-G” manufactured by the same company) were mixed in a roll kneader to prepare an elastomer composition. The prepared elastomer composition was filled in a mold and press-crosslinked at 150 ° C. for about 15 minutes to obtain a dielectric film. The obtained dielectric film was referred to as Comparative Example 2.
[比較例3]
エチレン−酢酸ビニル共重合体に替えて、イソプレンゴム(日本ゼオン(株)製「ニポールIR2200」)を使用して、誘電膜を製造した。すなわち、まず、イソプレンゴム100質量部と、加工助剤のステアリン酸(同上)2質量部と、架橋剤の硫黄(同上)2.5質量部と、加硫促進剤のN−シクロヘキシル−2−ベンゾチアジルスルフェンアミド(同上)1質量部と、をロール練り機にて混合し、エラストマー組成物を調製した。調製したエラストマー組成物を金型に充填して、150℃で約15分間プレス架橋することにより、誘電膜を得た。得られた誘電膜を、比較例3とした。
[Comparative Example 3]
A dielectric film was produced using isoprene rubber (“NIPOL IR2200” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) instead of the ethylene-vinyl acetate copolymer. That is, first, 100 parts by mass of isoprene rubber, 2 parts by mass of stearic acid (same as above) as a processing aid, 2.5 parts by mass of sulfur (as above) of a crosslinking agent, and N-cyclohexyl-2-yl as a vulcanization accelerator. 1 part by mass of benzothiazylsulfenamide (same as above) was mixed with a roll kneader to prepare an elastomer composition. The prepared elastomer composition was filled in a mold and press-crosslinked at 150 ° C. for about 15 minutes to obtain a dielectric film. The obtained dielectric film was referred to as Comparative Example 3.
<評価方法>
製造した誘電膜について、柔軟性、比誘電率、体積抵抗率、破壊時の電界強度、最大変位率の五項目により評価した。以下、各々の評価方法について説明する。
<Evaluation method>
The manufactured dielectric film was evaluated according to five items: flexibility, relative dielectric constant, volume resistivity, electric field strength at break, and maximum displacement rate. Hereinafter, each evaluation method will be described.
[柔軟性]
誘電膜(膜厚0.5mm)について、JIS K6251(2004)に準じた引張試験を行い、切断時伸び(Eb)を求めた。試験片の形状はダンベル状2号形とした。切断時伸びが大きいほど、柔軟性が高いことを示す。
[Flexibility]
The dielectric film (film thickness 0.5 mm) was subjected to a tensile test according to JIS K6251 (2004), and the elongation at break (E b ) was determined. The shape of the test piece was dumbbell No. 2. The larger the elongation at cutting, the higher the flexibility.
[比誘電率]
誘電膜(膜厚0.5mm)の比誘電率を測定した。比誘電率の測定は、各誘電膜をサンプルホルダー(ソーラトロン社製、12962A型)に設置し、誘電率測定インターフェイス(同社製、1296型)、および周波数応答アナライザー(同社製、1255B型)を併用して測定した(周波数100Hz)。
[Relative permittivity]
The relative dielectric constant of the dielectric film (film thickness 0.5 mm) was measured. For measurement of relative permittivity, each dielectric film is placed in a sample holder (Solartron, type 12962A), and a dielectric constant measurement interface (manufactured by the company, type 1296) and a frequency response analyzer (made by the company, type 1255B) are used in combination. And measured (frequency 100 Hz).
[体積抵抗率]
誘電膜(膜厚0.5mm)の体積抵抗率を、JIS K6271(2008)に準じて測定した(印加電圧100V)。電極には、東亜電波工業(株)製「SME−8311」を使用した。
[Volume resistivity]
The volume resistivity of the dielectric film (film thickness 0.5 mm) was measured according to JIS K6271 (2008) (applied voltage 100 V). “SME-8411” manufactured by Toa Denpa Kogyo Co., Ltd. was used as the electrode.
[破壊時の電界強度および最大変位率]
製造した誘電膜(膜厚0.2mm)を用いてアクチュエータを構成し、印加電圧に対するアクチュエータの変位量を測定した。以下に、実験装置および実験方法について説明する。
[Electric field strength and maximum displacement rate at breakdown]
An actuator was configured using the manufactured dielectric film (film thickness 0.2 mm), and the displacement of the actuator with respect to the applied voltage was measured. Below, an experimental apparatus and an experimental method are demonstrated.
誘電膜の上下面に、アクリルゴムにカーボンブラックが混合されてなる電極を各々貼着して、アクチュエータを構成した。図4に、作製したアクチュエータの上面図を示す。図5に、図4中V−V断面図を示す。 Electrodes made by mixing carbon black and acrylic rubber were attached to the upper and lower surfaces of the dielectric film to form an actuator. FIG. 4 shows a top view of the manufactured actuator. FIG. 5 shows a VV cross-sectional view in FIG.
図4、図5に示すように、アクチュエータ5は、誘電膜50と一対の電極51a、51bとを備えている。誘電膜50は、直径70mmの円形の薄膜状を呈している。誘電膜50は、延伸率50%で二軸方向に延伸された状態で配置されている。ここで、延伸率は、次式(II)により算出した値である。
延伸率(%)={√(S2/S1)−1}×100・・・(II)
[S1:延伸前(自然状態)の誘電膜面積、S2:二軸方向延伸後の誘電膜面積]
一対の電極51a、51bは、誘電膜50を挟んで上下方向に対向するよう配置されている。電極51a、51bは、直径約27mmの円形の薄膜状を呈しており、各々、誘電膜50と略同心円状に配置されている。電極51aの外周縁には、拡径方向に突出する端子部510aが形成されている。端子部510aは矩形板状を呈している。同様に、電極51bの外周縁には、拡径方向に突出する端子部510bが形成されている。端子部510bは矩形板状を呈している。端子部510bは、端子部510aに対して、180°対向する位置に配置されている。端子部510a、510bは、各々、導線を介して電源52に接続されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
Stretch rate (%) = {√ (S 2 / S 1 ) −1} × 100 (II)
[S 1 : Dielectric film area before stretching (natural state), S 2 : Dielectric film area after biaxial stretching]
The pair of electrodes 51a and 51b are arranged to face each other in the vertical direction with the
電極51a、51b間に電圧を印加すると、電極51a、51b間に静電引力が生じて、誘電膜50を圧縮する。これにより、誘電膜50の厚さは薄くなり、拡径方向に伸長する。この時、電極51a、51bも、誘電膜50と一体となって拡径方向に伸長する。電極51aには、予め、マーカー530が取り付けられている。マーカー530の変位を、変位計53により測定し、アクチュエータ5の変位量とした。
When a voltage is applied between the electrodes 51a and 51b, an electrostatic attractive force is generated between the electrodes 51a and 51b, and the
測定された変位量から、次式(III)により誘電膜50の変位率を算出した。そして、変位率の最大値を最大変位率とした。
変位率(%)=(変位量/電極の半径)×100・・・(III)
また、誘電膜50が破断するまで、印加電圧を大きくしていき、誘電膜50が破断した時の電界強度を求めた。
From the measured displacement, the displacement rate of the
Displacement rate (%) = (displacement amount / radius of electrode) × 100 (III)
Further, the applied voltage was increased until the
<評価結果>
誘電膜の評価結果を、誘電膜の組成と併せて、表1に示す。
The evaluation results of the dielectric film are shown in Table 1 together with the composition of the dielectric film.
表1に示すように、実施例1〜4の誘電膜については、切断時伸び、および比誘電率が大きいことに加えて、体積抵抗率も大きくなった。このため、実施例1〜4の誘電膜を使用したアクチュエータにおいて、印加電圧を大きくすることができると共に、大きな変位量を得ることができた。つまり、実施例1〜4の誘電膜を使用した場合には、良好な電場応答性が得られた。また、実施例1〜3の誘電膜を比較すると、エラストマー中の酢酸ビニル単位の含有割合が大きくなるに従って、切断時伸びおよび比誘電率は、大きくなる傾向が見られた。なお、実施例4の誘電膜については、エチレン−酢酸ビニル共重合体に加えて比誘電率の大きな水素化ニトリルゴムも含まれているため、切断時伸びおよび比誘電率がより大きくなった。 As shown in Table 1, the dielectric films of Examples 1 to 4 had a large volume resistivity in addition to a large elongation at break and a high relative dielectric constant. For this reason, in the actuator using the dielectric films of Examples 1 to 4, it was possible to increase the applied voltage and obtain a large amount of displacement. That is, when the dielectric films of Examples 1 to 4 were used, good electric field responsiveness was obtained. Moreover, when the dielectric films of Examples 1 to 3 were compared, the elongation at break and the relative dielectric constant tended to increase as the content of vinyl acetate units in the elastomer increased. The dielectric film of Example 4 contained a hydrogenated nitrile rubber having a large relative dielectric constant in addition to the ethylene-vinyl acetate copolymer, so that the elongation at break and the relative dielectric constant were higher.
一方、酢酸ビニル単位が90質量%のエチレン−酢酸ビニル共重合体を使用した比較例1の誘電膜については、体積抵抗率は大きいものの、切断時伸びおよび比誘電率はいずれも小さくなった。また、比較例2の誘電膜については、ニトリルゴムが使用されているため、比誘電率は大きいものの、体積抵抗率が小さい。このため、最大電界強度が小さく、充分な変位量を得られなかった。また、比較例3の誘電膜については、イソプレンゴムが使用されているため、体積抵抗率は大きいものの、比誘電率が小さい。このため、最大電界強度は大きくなったが、充分な変位量を得られなかった。 On the other hand, the dielectric film of Comparative Example 1 using an ethylene-vinyl acetate copolymer having a vinyl acetate unit of 90% by mass had a large volume resistivity but a small elongation at break and a relative dielectric constant. Moreover, since the dielectric film of Comparative Example 2 uses nitrile rubber, the volume resistivity is small although the relative dielectric constant is large. For this reason, the maximum electric field strength is small, and a sufficient amount of displacement cannot be obtained. Moreover, since the isoprene rubber is used for the dielectric film of Comparative Example 3, although the volume resistivity is large, the relative dielectric constant is small. For this reason, the maximum electric field strength increased, but a sufficient amount of displacement could not be obtained.
以上より、本発明の誘電膜は、柔軟で、比誘電率および絶縁破壊強さが大きいことが確認された。また、本発明の誘電膜によると、電場応答性が良好なアクチュエータを構成できることが確認された。 From the above, it was confirmed that the dielectric film of the present invention is flexible and has a high relative dielectric constant and high dielectric breakdown strength. In addition, according to the dielectric film of the present invention, it was confirmed that an actuator with good electric field response can be configured.
本発明の誘電膜は、例えば、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉、電子部品冷却用や医療用等の小型ポンプ、医療用器具等に用いられる柔軟なアクチュエータに好適である。本発明の誘電膜を用いたアクチュエータは、モータ等機械式アクチュエータおよび圧電素子アクチュエータ等のすべてのアクチュエータの代替として利用することができる。また、静電容量型センサ等のセンサ、発電トランスデューサの他、発光、発熱、発色等を行う柔軟なトランスデューサにも好適である。 The dielectric film of the present invention is suitable for flexible actuators used in, for example, artificial muscles for industrial, medical, and welfare robots, small pumps for cooling electronic components, medical devices, and the like. The actuator using the dielectric film of the present invention can be used as a substitute for all actuators such as a mechanical actuator such as a motor and a piezoelectric element actuator. In addition to a sensor such as a capacitive sensor and a power generation transducer, it is also suitable for a flexible transducer that emits light, generates heat, and develops color.
10:アクチュエータ 20:誘電膜 30a、30b:電極 40:電源
11:静電容量型センサ 21:誘電膜 31a、31b:電極 41:基材
12:発電トランスデューサ 22:誘電膜 32a、32b:電極
5:アクチュエータ 50:誘電膜 51a、51b:電極 52:電源 53:変位計
510a、510b:端子部 530:マーカー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Actuator 20:
Claims (7)
該エチレン−酢酸ビニル共重合体におけるエチレン単位と酢酸ビニル単位との質量比率は、60:40〜15:85(エチレン単位:酢酸ビニル単位)である請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の誘電膜。 The vinyl acetate copolymer is an ethylene-vinyl acetate copolymer,
4. The mass ratio of ethylene units to vinyl acetate units in the ethylene-vinyl acetate copolymer is 60:40 to 15:85 (ethylene units: vinyl acetate units). 5. Dielectric film.
該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備え、
該電極間への印加電圧に応じて該誘電膜が伸縮するアクチュエータ。 A dielectric film made of an elastomer containing a vinyl acetate copolymer;
A plurality of electrodes disposed via the dielectric film,
An actuator in which the dielectric film expands and contracts according to the voltage applied between the electrodes.
該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、を備え、
該電極間の静電容量変化に基づいて変形を検出するセンサ。 A dielectric film made of an elastomer containing a vinyl acetate copolymer;
A plurality of electrodes disposed via the dielectric film,
A sensor that detects deformation based on a change in capacitance between the electrodes.
該誘電膜を介して配置されている複数の電極と、
を備えるトランスデューサ。 A dielectric film made of an elastomer containing a vinyl acetate copolymer;
A plurality of electrodes disposed via the dielectric film;
A transducer comprising:
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