介電膜及其製造方法、以及使用其的轉換器的製作方法
2023-05-21 17:16:46
專利名稱：介電膜及其製造方法、以及使用其的轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於致動器、傳感器等轉換器的介電膜及其製造方法，以及使用其的轉換器(transducer)。
背景技術：
轉換器中，有進行機械能與電能的轉換的致動器、傳感器、發電元件等，或者進行聲能與電能的轉換的揚聲器、話筒等。為了構成柔軟性高、小型且較輕的轉換器，介電彈性體等高分子材料是有用的。例如，可通過在由介電彈性體所形成的介電膜的厚度方向的兩面配置一對電極， 從而構成致動器。對於這種致動器而言，如果增加電極間的施加電壓，那麼電極間的靜電引力變大。因此，夾在電極間的介電膜從厚度方向被壓縮，介電膜的厚度變薄。如果膜厚變薄， 那麼相應地介電膜在平行於電極面的方向伸長。另一方面，如果減小電極間的施加電壓，那麼電極間的靜電引力變小。因此，從厚度方向對介電膜的壓縮力變小，在介電膜的彈性回復力的作用下膜厚變厚。如果膜厚變厚，那麼相應地介電膜在平行於電極面的方向收縮。像這樣，致動器通過使介電膜伸長、收縮，從而使驅動對象部件驅動。作為介電膜的材料，可以使用矽橡膠、丙烯酸酯橡膠、丁腈橡膠、聚氨酯橡膠等(例如參照專利文獻1、2)。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特表2003-505865號公報專利文獻2 日本特表2001-5M278號公報專利文獻3 日本專利第3295023號公報
發明內容
發明要解決的問題例如，矽橡膠以矽氧烷鍵為骨架，因此電阻較大。因此，由矽橡膠所形成的介電膜， 即使施加較大電壓也不易被擊穿。然而，聚二甲基矽氧烷系的矽橡膠的極性小。即，相對介電常數小。因此，使用聚二甲基矽氧烷系的矽橡膠製的介電膜構成致動器時，施加電壓所對應的靜電引力小。因此，無法獲得充分的力和位移量。另一方面，使用相對介電常數大的介電膜構成致動器時，可在介電膜與電極的界面貯存很多電荷。因此，施加電壓所對應的靜電引力變大。例如，公知的丙烯酸酯橡膠、丁腈橡膠的相對介電常數比矽橡膠大。因此，它們適合用於介電膜。然而，丙烯酸酯橡膠等的電阻比矽橡膠小。因此，將丙烯酸酯橡膠等用作介電膜時，如果施加電壓變大，那麼電流流到介電膜中，電荷難以積存。因此，儘管相對介電常數大，但是靜電引力變小，無法獲得充分的力和位移量。另外，如果電流在介電膜中流動，那麼存在產生的焦耳熱使得介電膜被破壞的可能。另外，由於電阻小，因此也存在介電膜易被擊穿的問題。本發明鑑於這樣的實際情況而進行，其目的在於提供一種電阻大、耐久性優異的介電膜及其製造方法。另一目的在於提供一種使用這樣的介電膜並且位移量大、耐久性優異的轉換器。用於解決問題的方案(1)本發明的介電膜的特徵在於，其為在轉換器中夾設於至少一對電極間的介電膜，其由三維交聯體構成，所述三維交聯體由下列物質合成有機金屬化合物；具有可與該有機金屬化合物反應的官能團並且不為聚二甲基矽氧烷的橡膠聚合物；和，具有可與該有機金屬化合物反應的官能團的無機填料。上述專利文獻3中公開了一種陶瓷複合橡膠，所述陶瓷複合橡膠由橡膠聚合物、 以及，具有與橡膠聚合物反應的有機官能團的有機金屬化合物通過化學鍵合而得到。該陶瓷複合橡膠中不含有用於構成三維交聯體的無機填料。即，根據該陶瓷複合橡膠，由未反應的有機金屬化合物的水解而生成的金屬氧化物僅僅分散於橡膠中。與此相對，本發明中的三維交聯體具有無機填料。另外，橡膠聚合物和無機填料都具有可與有機金屬化合物反應的官能團。因此，在合成三維交聯體時，橡膠聚合物與有機金屬化合物、以及無機填料與有機金屬化合物，分別進行反應並化學鍵合。即，本發明中的三維交聯體具有以下結構橡膠聚合物通過有機金屬化合物而交聯，同時無機填料嵌入到所生成的交聯鍵中。在本發明的三維交聯體中，通過無機填料、有機金屬化合物來源的金屬氧化物這兩者從而阻斷電子的流動。因此，三維交聯體的電阻大。即，本發明的介電膜的電阻大。因此，將本發明的介電膜配置於一對電極間並施加電壓時，電流難以在介電膜中流動。因此， 可在介電膜中貯存很多電荷。其結果，靜電引力變大，例如在致動器中可獲得較大的力和位移量。另外，由於電流難以在介電膜中流動，因此可抑制焦耳熱的產生。因此，使用本發明的介電膜時，由熱所導致的介電膜被破壞的可能性小。此外，由於本發明的介電膜的電阻大，因此不易擊穿。這樣，本發明的介電膜的耐久性優異。另外，可以對本發明的介電膜施加更大的電壓。因此，如果使用本發明的介電膜，例如在致動器中，可獲得較大的力和位移量。另外，本發明的介電膜使用不為聚二甲基矽氧烷的橡膠聚合物。即，使用與以往所使用的聚二甲基矽氧烷系的矽橡膠相比極性更大、也即相對介電常數大的橡膠聚合物。因此，根據本發明的介電膜，即使施加電壓比較小，也產生較大的靜電引力。因此，如果使用本發明的介電膜，那麼例如在致動器中，容易獲得所期望的力和位移量。(2)另外，適合於製造上述本發明的介電膜的本發明的介電膜的製造方法具有以下工序第一溶液製備工序製備在可溶解前述橡膠聚合物並且可將前述有機金屬化合物螯合化的溶劑中含有該橡膠聚合物、前述無機填料以及根據需要含有前述增塑劑的第一溶液；第二溶液製備工序在該第一溶液中混合該有機金屬化合物而製備第二溶液；交聯工序從該第二溶液中去除該溶劑，進行交聯反應。有機金屬化合物在與水反應進行水解的同時，通過脫水反應或脫醇反應而縮聚 (溶膠凝膠反應)，形成三維交聯體。一般而言，有機金屬化合物與水的反應性高，處理困難。在這一點上，根據本發明的製造方法，通過將有機金屬化合物螯合化，從而可抑制與水的急劇反應。即，在本發明的製造方法中，溶劑溶解橡膠聚合物、分散無機填料，同時還發揮
4作為螯合劑的作用。第二溶液製備工序中，在溶解有橡膠聚合物、分散有無機填料的第一溶液中混合有機金屬化合物，則有機金屬化合物在溶劑中被螯合。由此抑制有機金屬化合物的水解。此後，在交聯工序中去除溶劑。即，去除螯合劑。於是，有機金屬化合物的脫醇反應得到促進， 進行基於縮聚的交聯反應。這樣，根據本發明的製造方法，由於可減緩有機金屬化合物的反應速度，因此可得到均質的介電膜。另外，溶劑同時可發揮作為可溶解橡膠聚合物並且可分散無機填料的溶劑的作用以及作為螯合劑的作用。因此，不需要分別準備溶劑和螯合劑。因此，製造工序被簡化，並且實用。另外，在第一溶液製備工序中，預先準備溶解有橡膠聚合物並分散有無機填料的第一溶液。由此，可提高第二溶液中無機填料的分散性，並得到均質的介電膜。另外， 根據需要可配合增塑劑。即，在第一溶液中可以含有增塑劑，也可以不含增塑劑。(3)另外，本發明的轉換器的特徵在於，具有上述本發明的介電膜和夾著該介電膜而配置的多個電極。本發明的轉換器具備上述本發明的介電膜。如上所述，本發明的介電膜的電阻大。 因此，可在介電膜中貯存很多電荷。因此，例如如果將本發明的轉換器用作致動器時，那麼可獲得較大的力和位移量。另外，本發明的介電膜因熱而被破壞的可能性小，不易擊穿。因此，本發明的轉換器的耐久性優異。
圖1為本發明的轉換器的第一實施方式的致動器的截面示意圖，(a)表示關閉狀態，(b)表示開啟狀態。圖2為本發明的轉換器的第二實施方式的電容型傳感器的截面示意圖。圖3為本發明的轉換器的第三實施方式的發電元件的截面示意圖，(a)表示伸長時，(b)表示收縮時。圖4為實驗裝置上安裝的致動器的主視圖。圖5為圖4的V-V方向剖視圖。附圖標記說明1 致動器(轉換器)，10 介電膜，IlaUlb 電極，12 電源；2:電容型傳感器(轉換器)，20 介電膜，2la、21b 電極；22 基板；3 發電元件(轉換器)，30 介電膜，31a、31b 電極；5 致動器，50 介電膜，51a、51b 電極，52 上側卡盤，53 下側卡盤；
具體實施例方式以下，對本發明的介電膜、其製造方法以及轉換器的實施方式進行說明。予以說明，本發明的介電膜、其製造方法以及轉換器並不限定於以下的實施方式，在不偏離本發明的主旨的範圍內，本領域技術人員可進行各種變更、改良等。〈介電膜〉本發明的介電膜由三維交聯體構成，所述三維交聯體由下述物質合成有機金屬化合物；具有可與該有機金屬化合物反應的官能團並且不為聚二甲基矽氧烷以外的橡膠聚合物；和，具有可與該有機金屬化合物反應的官能團的無機填料。(1)有機金屬化合物有機金屬化合物的種類沒有特別限定。有機金屬化合物可以為液體也可以為固體。作為有機金屬化合物，可列舉出金屬醇鹽化合物、金屬醯化物以及金屬螯合物。可以單獨使用選自它們的一種，也可以將兩種以上合併使用。理想的是，有機金屬化合物包含選自鈦、鋯、鋁、矽、硼、釩、錳、鐵、鈷、鍺、釔、鈮、鑭、鈰、鉭、鎢以及鎂的中一種以上元素。金屬醇鹽化合物例如以以下通式(a)來表示。M(OR)m(a)[式(a)中，M為金屬等原子。R為碳原子數1 10的烷基、芳基、烯基的任意一種以上，可以相同也可以不同。m為金屬等原子M的價數。]另外，也可以是一分子中具有兩個以上重複單元[(MO)n :n為2以上的整數]的多聚物。通過改變η的數目，可以調整與橡膠聚合物的相容性、反應速度等。因此，優選根據橡膠聚合物的種類適當選擇適合的多聚物。作為金屬等原子Μ，例如可列舉出鈦、鋯、鋁、矽、鐵、銅、錫、鋇、鍶、鉿、硼等。其中， 出於反應性良好這樣的理由，而優選包含選自鈦、鋯、鋁中的一種以上。具體優選四正丁氧基鈦、四正丁氧基鋯、四正丁氧基矽烷、乙醯烷氧基鋁二異丙酯、四異丙氧基鈦、四乙氧基矽烷、四(2-乙基己醇)鈦、鈦酸四丁酯(Titanium butoxide) 二聚體等。另外，作為金屬醯化物，列舉出多羥基硬脂酸鈦(polyhydroxy titanium stearate)、三丁氧基單硬脂酸鋯等。另外，作為金屬螯合物，列舉出二異丙氧基-雙(乙醯丙酮)鈦、四乙醯丙酮鈦、 二辛氧基-雙(辛二酉享)鈦(Titanium dioctyloxide bis (octylene glycolate))、二異丙氧基-雙(乙醯乙酸乙酯基)鈦、二異丙氧基-雙(三乙醇胺)鈦、二丁氧基-雙(三乙醇胺)鈦等鈦螯合物；四乙醯丙酮鋯、三丁氧基單乙醯丙酮鋯、單丁氧基乙醯丙酮化-雙(乙醯乙酸乙酯基)鋯、二丁氧基-雙(乙醯乙酸乙酯基)鋯等鋯螯合物等。(2)橡膠聚合物橡膠聚合物不為聚二甲基矽氧烷，且具有可與有機金屬化合物反應的官能團。橡膠聚合物可以是液體也可以是固體。作為可與有機金屬化合物反應的官能團，列舉出羧基 (-C00H)、羥基(-0H)、氨基(-NH)、醯胺基(-CONR1R2)、環氧基、硫醇基(-SH)，酯基(R3C(= 0)0R4)等。橡膠聚合物優選具有這些官能團的一種以上。從以較小的施加電壓卻獲得大的位移量這樣的觀點出發，優選極性大的、也就是相對介電常數大的橡膠聚合物。例如，優選相對介電常數為2.8以上(測定頻率100Hz) 的橡膠聚合物。作為相對介電常數大的橡膠聚合物，例如列舉出丙烯腈-丁二烯共聚物 (NBR)、氫化丁腈橡膠(H-NBR)、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠、氟橡膠、氟矽橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、氯丁橡膠、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、氯化聚乙烯等。優選單獨使用它們的一種，或者混合二種以上使用。另外，從在施加了大的電壓的情況下不易擊穿的觀點，以及從耐候性的觀點考慮，優選主鏈為不飽和的橡膠聚合物。(3)無機填料無機填料具有可與有機金屬化合物反應的官能團。作為可與有機金屬化合物反應的官能團，與橡膠聚合物的情況同樣，列舉出羥基(-0H)、羧基(-C00H)、氨基(-NH)、醯胺基(-CONR1R2)、環氧基、硫醇基(-SH)、酯基(R3C( = 0)0R4)等。無機填料優選具有這些官能團中的一種以上。另外，可對無機填料實施表面處理，也可增加官能團的數目。由此，無機填料與金屬醇鹽的反應性提高。作為無機填料，例如列舉出二氧化矽、氧化鈦、鈦酸鋇、碳酸鈣、粘土、滑石等。其中，出於官能團的數多、較便宜這樣的理由，而優選使用二氧化矽。無機填料中殘存的離子性的雜質存在降低介電膜的電阻的可能。因此，作為無機填料，優選儘可能地使用離子性的雜質少的無機填料。例如，在二氧化矽的情況下，有時會因製造方法而殘存源自原料的鈉。如果鈉的殘存量多，那麼存在因鈉離子而導致電阻降低的可能。此處，鈉的殘存量與二氧化矽的PH值相關。即，如果鈉的殘存量多，那麼pH值傾向於變大。因此，在使用二氧化矽的情況下，優選儘可能地選擇PH值小的二氧化矽。例如， pH值為10.5以下即可。優選pH值為8. 5以下、進一步優選為6. 5以下。在本說明書中，作為二氧化矽的PH值，採用通過以下的測定方法測定了的值。首先，將二氧化矽分散於水中， 從而製備二氧化矽濃度為4質量％的分散液。接著，充分攪拌分散液，通過pH計來測定分散液的PH值。(4)其它的添加劑在合成本發明中的三維交聯體時，在上述有機金屬化合物、橡膠聚合物、以及無機填料的基礎上，還可適宜配合催化劑、補強劑、增塑劑、抗老化劑、著色劑等。例如，通過配合增塑劑，可提高所合成的三維交聯體即本發明的介電膜的柔軟性。由此，本發明的介電膜易於伸縮。因此，在配合了增塑劑的情況下，例如在致動器中可獲得較大的力以及位移量。作為配合的增塑劑，從不易降低介電膜的電阻這樣的觀點考慮，優選絕緣性高並且難以揮發的增塑劑。例如優選磷酸三甲酚酯、三(2-乙基己基)偏苯三酸酯、氯化烷烴、 三正辛基偏苯三酸酯、三異壬基偏苯三酸酯、三異癸基偏苯三酸酯、二季戊四醇酯、均苯四甲酸辛酯等。〈介電膜的製造方法〉本發明的介電膜的製造方法沒有特別限定。例如可通過以下的⑴或(2)的方法
來製造。(1)第一方法為，通過輥、混煉機而混煉橡膠聚合物、無機填料、以及有機金屬化合物(混煉工序)，從而在規定的條件下成型為薄膜狀(成膜工序)。(2)第二方法為，首先製備在規定的溶劑中含有橡膠聚合物和無機填料的第一溶液(第一溶液製備工序)。接著，將有機金屬化合物直接混合，或者以溶解於規定的溶劑的狀態混合於第一溶液中，製備第二溶液(第二溶液製備工序)。其後，將第二溶液塗布於基材上，並在規定的條件下乾燥(成膜工序)。在上述第二方法之中，可通過將橡膠聚合物以及無機填料、以預先通過輥、混煉機而混煉了的狀態而添加於溶劑，從而製備第一溶液。通過事先混煉橡膠聚合物及無機填料， 從而提高無機填料的分散性。另一方面，可通過將橡膠聚合物溶解於溶劑而得到的溶液、使無機填料分散於溶劑而得到的分散液進行混合，從而製備第一溶液。另外，在將有機金屬化合物以溶解於規定溶劑的狀態混合的情況下，該溶劑與第一溶液的製備用的溶劑可以相同也可不同。另外，在第一方法之中，在混煉工序中，根據需要可添加催化劑、補強劑、增塑劑、抗老化劑、著色劑等。另外，在第二方法之中，在第一溶液製備工序、第二溶液製備工序中，根據需要可添加催化劑、補強劑、增塑劑、抗老化劑、著色劑等。有機金屬化合物的配合比例優選相對於橡膠聚合物100質量份為0. 5質量份以上且40質量份以下。如果不足0.5質量份那麼交聯不充分，難以生成三維交聯體。優選為 1. 5質量份以上。相反地，如果超過40質量份，那麼存在交聯過度進行而使介電膜變硬，介電膜的柔軟性受損的可能。優選為30質量份以下。無機填料的配合比例優選相對於橡膠聚合物100質量份為1質量份以上且40質量份以下。如果不足1質量份，那麼無法充分阻斷電子的流動，增大電阻的效果小。優選為 5質量份以上。相反地，如果超過40質量份，那麼存在介電膜變硬、介電膜的柔軟性受損的可能。優選為30質量份以下。另外，在配合增塑劑的情況下，相對於橡膠聚合物與有機金屬化合物的總量100 質量份，增塑劑的配合比例優選為1質量份以上且200質量份以下。如果不足1質量份，那麼柔軟性的提高效果小。更優選為5質量份以上。相反地，如果超過200質量份，那麼與橡膠成分的相容性降低，存在發生滲出的可能。更優選為150質量份以下。有機金屬化合物與空氣中、反應體系(橡膠聚合物、溶液)中的水分反應，水解而縮聚(溶膠凝膠反應)。因此，為了抑制與水的急劇的反應，形成均質的膜，優選通過螯合劑使有機金屬化合物螯合化後使用。其中，金屬醇鹽化合物的反應性高。因此，優選將金屬醇鹽化合物螯合化後使用。另一方面，關於金屬醯化物，相比較於金屬醇鹽化合物而言，反應性不那樣高。因此，螯合化的必要性小。在將有機金屬化合物螯合化後使用的情況下，例如，優選採用以下的方法。首先， 製備在規定的溶劑中含有橡膠聚合物和無機填料的第一溶液(第一溶液製備工序)。接著， 在第一溶液中混合螯合化了的有機金屬化合物，而製備第二溶液(第二溶液製備工序)。其後，將第二溶液塗布於基材上，並在規定的條件下乾燥，同時通過去除螯合劑而進行交聯反應(交聯工序)。由此，製造薄膜狀的介電膜。作為螯合劑，例如列舉出乙醯丙酮、苯甲醯丙酮、二苯甲醯基甲烷等β-二酮，乙醯乙酸乙酯、苯甲醯乙酸乙酯等β-酮酸酯，三乙醇胺，乳酸，2-乙基己烷-1，3 二醇，1，3己二醇等。所使用的螯合劑的量優選為相對於有機金屬化合物100質量份為10質量份以上且100000質量份以下。如果不足10質量份，那麼無法充分地螯合化。優選為50質量份以上。相反地，如果超過100000質量份，那麼難以去除。因此，例如，需要過度地進行乾燥。優選為8000質量份以下。例如，在螯合劑可溶解橡膠聚合物的情況下，也可將螯合劑用作溶解橡膠聚合物的溶劑。此情況下，例如優選採用以下的方法。首先，製備在可溶解橡膠聚合物、且可將有機金屬化合物螯合化的溶劑中含有橡膠聚合物和無機填料的第一溶液(第一溶液製備工序)。接著，在第一溶液中混合有機金屬化合物，而製備第二溶液(第二溶液製備工序)。其後，通過從第二溶液去除溶劑，而進行交聯反應(交聯工序)。溶劑可以全部為螯合劑，也可以為螯合劑和除此以外的溶劑的混合物。在交聯工序中，將第二溶液塗布於基材上，並乾燥即可。由此，製造薄膜狀的介電膜。交聯工序的溫度可通過考慮反應速度等，並根據溶劑的種類來適宜決定即可。例如，可以為常溫，但優選為溶劑的沸點以上。另外，在將有機金屬化合物螯合化後使用的情況下，在上述第一溶液製備工序、第二溶液製備工序中，也可根據需要而添加催化劑、補強劑、增塑劑、抗老化劑、著色劑等。作為一個實例，在添加增塑劑的情況下，可由以下的三個工序來構成介電膜的製造方法。首先，製備在可溶解橡膠聚合物、且可將有機金屬化合物螯合化的溶劑中含有橡膠聚合物、無機填料、增塑劑的第一溶液(第一溶液製備工序)。接著，在第一溶液中混合有機金屬化合物，從而製備第二溶液(第二溶液製備工序)。其後，通過從第二溶液去除溶劑，而進行交聯反應(交聯工序)。本發明的轉換器具備上述本發明的介電膜、夾著該介電膜配置的多個電極。本發明的介電膜的結構以及製造方法，如上所述。因此，此處捨棄說明。予以說明，本發明的轉換器中，優選採用本發明的介電膜的優選實施方式。介電膜的厚度可根據用途等來適宜決定。例如，在將本發明的轉換器用作致動器的情況下，從致動器的小型化、低電位驅動化、以及位移量增大等觀點考慮，優選厚度薄的介電膜。此情況下，考慮到擊穿性等，優選介電膜的厚度為ι μ m以上且1000 Um(Imm)以下。 更優選的範圍為5μπι以上且200 μ m以下。在本發明的轉換器中，電極的材質沒有特別限定。例如可使用如下電極塗布有在包含炭黑、碳納米管等碳材料、金屬的導電劑中混合了作為粘合劑的油、彈性體的糊料或塗料的電極；或者網目狀地編織了碳材料、金屬等的電極等。優選電極可根據介電膜的伸縮而伸縮。如果電極隨著介電膜而伸縮，那麼電極不易妨礙介電膜的變形。因此，在將本發明的轉換器用作致動器等的情況下，便易於獲得所希望的位移量。另外，如果將本發明的轉換器製成交替層疊多個介電膜和電極而得到的層疊結構，那麼可產生更大的力。因此，在採用層疊結構的情況下，例如可增大致動器的輸出功率。 由此，可以以更大的力來驅動驅動對象部件。[第一實施方式]作為本發明的轉換器的第一個實例，說明具體為致動器的實施方式。圖1表示本實施方式的致動器的截面示意圖。(a)表示關閉狀態，(b)表示開啟狀態。如圖1所示，致動器1具備有介電膜10和電極lla、llb。介電膜10為由四Q-乙基己醇)鈦(金屬醇鹽化合物)、具有羧基的氫化丁腈橡膠(橡膠聚合物)、二氧化矽(無機填料)合成的三維交聯體(本發明的介電膜)。電極IlaUlb各自固定於介電膜10的上表面和下表面。電極IlaUlb介由配線而連接於電源12。在從關閉狀態轉換為開啟狀態時， 對一對電極IlaUlb間施加電壓。通過電壓的施加，介電膜10的厚度變薄，如圖1(b)中空心箭頭所示那樣，相應地，其在平行於電極IlaUlb面的方向伸長。由此，致動器1輸出圖中上下方向以及左右方向的驅動力。此處，介電膜10的電阻大。因此，即使對電極IlaUlb間施加大的電壓，電流也難以在介電膜10中流動。因此，介電膜10中可蓄積較多的電荷。其結果，產生大的靜電引力， 而可獲得大的力以及位移量。另外，由於電流難以在介電膜10中流動，因此焦耳熱的產生得以抑制。因此，介電膜10因熱而被破壞的可能性小。另外，介電膜10不易被擊穿。這樣， 致動器1的耐久性優異。予以說明，如果以在面延長方向拉伸了的狀態而配置介電膜10，那麼介電膜10的擊穿強度提高。因此，可施加較大的電壓，因而力以及位移量變大。
[第二實施方式]作為本發明的轉換器的第二例，說明具體為電容型傳感器的實施方式。圖2表示本實施方式中的電容型傳感器的截面示意圖。如圖2所示，電容型傳感器2具備有介電膜20 和電極21a、21b以及基板22。介電膜20為由四乙基己醇)鈦(金屬醇鹽化合物)、 具有羧基的氫化丁腈橡膠(橡膠聚合物)、二氧化矽(無機填料)合成的三維交聯體(本發明的介電膜)。介電膜20呈現在左右方向延伸的帶狀。介電膜20介由電極21b而配置在基板22的上表面。電極21a、21b呈現在左右方向延伸的帶狀。電極21a、21b分別固定於介電膜20的上表面及下表面。電極21a、21b上連接有配線(圖略)。基板22為絕緣性的柔軟的薄膜，呈現在左右方向延伸的帶狀。基板22固定於電極21b的下表面。電容型傳感器2的電容(capacitance)，可通過下式(I)來求出。C = ε 0 ε rS/d(I)[C:電容，ε 「真空中的介電常數，、介電膜的相對介電常數，S:電極面積，d:電極間距]例如，如果從上方按壓電容型傳感器2，那麼介電膜20被壓縮，在與電極21a、21b 面平行的方向相應地伸長。如果膜厚、即電極間距d變小，那麼電極21a、21b間的電容變大。 通過這一電容變化，從而檢測所施加的載荷的大小、位置等。此處，介電膜20的電阻大。因此，即使在以大的力進行按壓，電極21a、21b間的電容變大的情況下，電流也難以在介電膜20中流動。因此，可準確地檢測所施加的載荷的大小、位置等。另外，由於電流難以在介電膜20中流動，因此焦耳熱的產生得以抑制。因此， 介電膜20因熱而被破壞的可能性小。另外，介電膜20不易被擊穿。這樣地，電容型傳感器 2的耐久性優異。[第三實施方式]作為本發明的轉換器的第三例，說明發電元件的實施方式。圖3表示本實施方式中的發電元件的截面示意圖。(a)表示伸長時，(b)表示收縮時。如圖3所示，發電元件3 具備有介電膜30和電極31a、31b。介電膜30為由四O-乙基己醇)鈦(金屬醇鹽化合物)、具有羧基的氫化丁腈橡膠(橡膠聚合物)、二氧化矽(無機填料)合成的三維交聯體 (本發明的介電膜)。電極31a、31b分別固定於介電膜30的上表面以及下表面。在電極 31a、31b上連接有配線，電極31b接地。如圖3(a)所示，如果壓縮發電元件3，介電膜30在平行於電極31a、31b面的方向伸長，那麼介電膜30的厚度變薄，在電極31a、31b間蓄積電荷。其後，如果去除壓縮力，那麼如圖3(b)所示，介電膜30由於介電膜30的彈性回復力而收縮，並且膜厚變厚。此時，電荷放出並發電。此處，介電膜30的電阻大。因此，即使在壓縮量大的情況下，電流也難以在介電膜 30中流動，並可在電極31a、31b間蓄積較多的電荷。因此，可獲得大的發電量。另外，由於電流難以在介電膜30中流動，因此焦耳熱的產生得以抑制。因此，介電膜30因熱而被破壞的可能性小。另外，介電膜30不易被擊穿。這樣，發電元件3的耐久性優異。實施例接著，通過列舉實施例來更具體地說明本發明。〈介電膜的製造〉
[實施例1 10的介電膜]由下述的表1所示的原料製造實施例1 10的介電膜。首先，利用輥煉機將含羧基的氫化丁腈橡膠(LANXESS公司制「Therban(註冊商標)XT8889」)、規定的二氧化矽進行混煉，製備了橡膠組合物。接著，將所製備的橡膠組合物溶解於乙醯丙酮。接著，向此溶液中添加有機金屬化合物的四O-乙基己醇)鈦並混合。此處，乙醯丙酮為溶解含羧基的氫化丁腈橡膠(橡膠聚合物)的溶劑，同時也是四O-乙基己醇)鈦(金屬醇鹽化合物)的螯合劑。其後，將混合溶液塗布於基材上，乾燥後，在150°C加熱約60分鐘而獲得了介電膜。 介電膜的膜厚都為約40 μ m。[參考例1、2的介電膜]由下述的表1所示的原料製造參考例1、2的介電膜。實施例1 10的介電膜與參考例的介電膜的不同點在於是否配合有二氧化矽。首先，將含羧基的氫化丁腈橡膠(同上)溶解於乙醯丙酮。接著，向此溶液中添加四O-乙基己醇)鈦並混合。接著，將混合溶液塗布於基材上，乾燥後，在150°C加熱約60分鐘從而獲得了介電膜。介電膜的膜厚都為約 40 μ m0[實施例11 16的介電膜]除了變更了無機填料的種類以外，與實施例1 10的介電膜同樣地操作，由下述的表2所示的原料製造了實施例11 16的介電膜。介電膜的膜厚都為約40 μ m。[實施例17 21的介電膜]除了配合了增塑劑以外，與實施例1 10的介電膜同樣地操作，由下述的表3所示的原料製造實施例17 21的介電膜。首先，利用輥煉機將含羧基的氫化丁腈橡膠(同上)、後述的二氧化矽(b)混煉，製備了橡膠組合物。接著，將所製備的橡膠組合物溶解於乙醯丙酮。接著，向此溶液中添加四O-乙基己醇)鈦、規定的增塑劑並混合。其後，將混合溶液塗布於基材上，乾燥後，在150°C加熱約60分鐘從而獲得了介電膜。介電膜的膜厚都為約 40 μ m0[實施例22 25的介電膜]除了變更了有機金屬化合物的種類以外，與實施例1 10的介電膜同樣地操作， 由下述的表4所示的原料製造實施例22 25的介電膜。介電膜的膜厚都為約40 μ m。[比較例1、2的介電膜]由下述的表5所示的原料製造了比較例1、2的介電膜。首先，利用輥煉機將規定的原料混合、分散，從而製備了橡膠組合物。接著，將所製備的橡膠組合物成型為薄片狀，將其填充於模具，在175°C擠壓交聯約30分鐘，從而獲得了介電膜。介電膜的膜厚都為約50 μ m。表1 表5表示所使用的原料的種類以及配合量。表1、表3、表4中，二氧化矽使用了以下的物質。二氧化矽(a) =Tosoh Silica Corporation 制溼式二氧化矽「Nipsil (註冊商標) VN3」，ρΗ5· 5 6. 5，比表面積 240m2/g二氧化矽(b) =NIPPON AEROSIL CO.，LTD 制乾式二氧化矽「Aerosil (註冊商標)380」，pH3. 7 4. 7，比表面積 380m2/g二氧化矽(C) =Tosoh Silica Corporation 制溼式二氧化矽 「Nipsil ER」，pH7 8. 5，比表面積120m2/g
另外，表5中，各原料使用了以下的物質。矽橡膠「DMS-V31」(Gelest 公司制)丁腈橡膠「NIP0L (註冊商標)1042」 (ZEON CORPORATION 制)甲基氫矽氧燒「TSF484」 (Ge Toshiba Silicones Co.，Ltd.制)阻抑劑(retarder) :「SAFIN0L (註冊商標)61 」 (日信化學工業株式會社制)鉬催化劑:"SIP6830.0，，(Gelest 公司制)硫化助劑第二種氧化鋅(三井金屬(株)制)硬脂酸「 LUNAC (註冊商標)S30」(花王(株)制)二硫化四乙基秋蘭姆ZSanceler (註冊商標)TET-G」(三新化學工業株式會社制)N-環己基-2-苯並噻唑基次磺醯胺「Sanceler CZ-G"(三新化學工業株式會社制)硫「Suffix T-10」 (鶴見化學工業株式會社制)[表1]
權利要求
1.一種介電膜，其特徵在於，其為在轉換器中夾設於至少一對電極間的介電膜，由三維交聯體構成，所述三維交聯體由下列物質合成 有機金屬化合物；具有可與該有機金屬化合物反應的官能團並且不為聚二甲基矽氧烷的橡膠聚合物；和，具有可與該有機金屬化合物反應的官能團的無機填料。
2.根據權利要求1所述的介電膜，其中，所述有機金屬化合物為選自金屬醇鹽化合物、 金屬醯化物以及金屬螯合物中的一種以上。
3.根據權利要求1所述的介電膜，其中，所述無機填料為二氧化矽。
4.根據權利要求3所述的介電膜，其中，所述二氧化矽的pH為8.5以下。
5.根據權利要求1所述的介電膜，所述橡膠聚合物的所述官能團為選自羧基、羥基、氨基、醯胺基、環氧基、硫醇基、酯基中的一種以上。
6.根據權利要求1所述的介電膜，其中，所述橡膠聚合物為選自丙烯腈-丁二烯共聚物、氫化丁腈橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠、氟橡膠、氟矽橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、氯丁橡膠、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、氯化聚乙烯中的一種以上。
7.根據權利要求1所述的介電膜，其中，所述有機金屬化合物包含選自鈦、鋯、鋁、矽、 硼、釩、錳、鐵、鈷、鍺、釔、鈮、鑭、鈰、鉭、鎢以及鎂中的一種以上元素。
8.根據權利要求1所述的介電膜，其中，所述三維交聯體由包含所述有機金屬化合物、 所述橡膠聚合物、所述無機填料、以及增塑劑的組合物合成。
9.一種介電膜的製造方法，其為權利要求1 8中任一項所述的介電膜的製造方法，其包含以下工序第一溶液製備工序製備在可溶解所述橡膠聚合物並且可將所述有機金屬化合物螯合化的溶劑中含有該橡膠聚合物和所述無機填料、以及根據需要含有所述增塑劑的第一溶液；第二溶液製備工序在該第一溶液中混合該有機金屬化合物而製備第二溶液； 交聯工序從該第二溶液中去除該溶劑，進行交聯反應。
10.一種轉換器，其特徵在於，其具備權利要求1 8中任一項所述的介電膜和夾著該介電膜而配置的多個電極。
全文摘要
本發明提供一種電阻大、耐久性優異的介電膜及其製造方法。另外，提供一種位移量大、耐久性優異的轉換器。介電膜由三維交聯體構成，所述三維交聯體由有機金屬化合物、具有可與該有機金屬化合物反應的官能團並且不為聚二甲基矽氧烷的橡膠聚合物、具有可與該有機金屬化合物反應的官能團的無機填料而合成。將該介電膜夾設於至少一對電極間，構成轉換器。該介電膜可如下製造製備在可溶解橡膠聚合物並且可將有機金屬化合物螯合化的溶劑中含有橡膠聚合物和無機填料的第一溶液，在該第一溶液中混合有機金屬化合物而製備第二溶液，從該第二溶液中去除該溶劑，並進行交聯反應，從而製造介電膜。
文檔編號H04R19/01GK102405590SQ201080017239
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月6日 優先權日2009年9月18日
發明者吉川均, 小久保陽太, 小林淳, 谷口峻祐, 飯尾真治, 高松成亮 申請人:東海橡膠工業株式會社