特開 2019-6887 誘電体粒子含有誘電エラストマー及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-6887(P2019-6887A)

(43)【公開日】2019年1月17日

(54)【発明の名称】誘電体粒子含有誘電エラストマー及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C08L 21/00 20060101AFI20181214BHJP

   C08K 9/04 20060101ALI20181214BHJP

   C08K 3/24 20060101ALI20181214BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20181214BHJP

   H02N 1/00 20060101ALI20181214BHJP

【ＦＩ】

   C08L21/00

   C08K9/04

   C08K3/24

   H02N11/00 Z

   H02N1/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-122922(P2017-122922)

(22)【出願日】2017年6月23日

(71)【出願人】

【識別番号】514285911

【氏名又は名称】千葉 正毅

(71)【出願人】

【識別番号】510244754

【氏名又は名称】和氣 美紀夫

(71)【出願人】

【識別番号】000162205

【氏名又は名称】共立マテリアル株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】591005006

【氏名又は名称】クレハエラストマー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100160657

【弁理士】

【氏名又は名称】上吉原 宏

(72)【発明者】

【氏名】千葉 正毅

(72)【発明者】

【氏名】和氣 美紀夫

(72)【発明者】

【氏名】天竺桂 洋

(72)【発明者】

【氏名】大屋 紀之

(72)【発明者】

【氏名】栗田 翔

(72)【発明者】

【氏名】岩谷 晃之

【テーマコード（参考）】

4J002

【Ｆターム（参考）】

4J002AC001

4J002AC011

4J002AC061

4J002AC071

4J002AC081

4J002AC091

4J002BB151

4J002BB271

4J002BD031

4J002BG041

4J002BP011

4J002BP021

4J002CH041

4J002CK021

4J002CL001

4J002CP031

4J002DE186

4J002FB086

4J002FD206

4J002GQ00

4J002GT00

(57)【要約】

【課題】従来における課題解決のために誘電率を向上させるといったことは主たる目的とせず、絶縁耐電圧性能を向上させるとともに、漏れ電流を減少させることによって、耐久性と効率を向上させた誘電エラストマートランスデューサ用の誘電エラストマー材料の提供を課題とする。
【解決手段】チタン酸バリウムと、表面活性剤と、有機分散剤と、有機溶媒と、を混合してチタン酸バリウムスラリーを得る混合工程と、該混合工程で得られた前記チタン酸バリウムスラリーに超音波による衝撃を与えて分散の均一化を図る超音波処理工程と、該超音波処理工程で得られた前記チタン酸バリウムスラリーを誘電エラストマーに配合する配合工程と、前記配合工程により得られた前記チタン酸バリウムスラリーを乾燥する乾燥工程と、からなる手段を採用する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘電エラストマートランスデューサ（２０）に用いられる誘電エラストマー（１０）に、有機分散剤（１４）により表面修飾した誘電体粒子（１１）を分散状態で含有させたことを特徴とする誘電体粒子含有誘電エラストマー（１）。

【請求項2】

前記誘電エラストマー（１０）に分散状態で含有される前記誘電体粒子（１１）がチタン酸バリウム（１２）であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体粒子含有誘電エラストマー（１）。

【請求項3】

前記誘電エラストマー（１０）に分散状態で含有される前記チタン酸バリウム（１２）の粒径が５ｎｍから５００ｎｍであり、平均粒径を５０ｎｍとしたことを特徴とする請求項２に記載の誘電体粒子含有誘電エラストマー（１）。

【請求項4】

前記誘電エラストマー（１０）に分散状態で含有される前記チタン酸バリウム（１２）の配合比率が１．０ｗｔ％から５０．０ｗｔ％の範囲内であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の誘電体粒子含有誘電エラストマー（１）。

【請求項5】

チタン酸バリウム（１２）と、
表面活性剤（１３）と、
有機分散剤（１４）と、
有機溶媒（１５）と、
を混合してチタン酸バリウムスラリー（５０）を得る混合工程（Ａ）と、
該混合工程（Ａ）で得られた前記チタン酸バリウムスラリー（５０）に超音波による衝撃を与えて分散の均一化を図る超音波処理工程（Ｂ）と、
該超音波処理工程（Ｂ）で得られた前記チタン酸バリウムスラリー（５０）を誘電エラストマー（１０）に配合する配合工程（Ｃ）と、
前記配合工程（Ｃ）により得られた前記チタン酸バリウムスラリー（５０）を乾燥する乾燥工程（Ｄ）と、
からなる誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法（２）。

【請求項6】

前記混合工程（Ａ）における混合条件が、ビーズミルを用い、５ｍｍ以下のビーズを使用し、アジテータの周速が３ｍ／ｓから１５ｍ／ｓで行なうことを特徴とする請求項５に記載の誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法（２）。

【請求項7】

前記超音波処理工程（Ｂ）による分散処理が周波数を１８ｋＨｚから２００ｋＨｚの超音波を１０秒以上照射させたことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法（２）。

【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トランスデューサに用いる誘電性材料に関し、詳しくは、強誘電性材料であるチタン酸バリウムを誘電エラストマーなどの誘電性高分子ポリマーに分散させることで絶縁耐圧性を向上させ、漏れ電流を少なくするとともに、劣化を防止して耐久性を向上させた誘電エラストマートランスデューサに用いる誘電エラストマー材料の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、誘電エラストマートランスデューサの研究開発が進められている。係る誘電エラストマートランスデューサは、２つの電極間に誘電エラストマーを挟んだ構造を有し、この２つの電極間に電圧を印加すると電極同士をクーロン力で引き合わされ、誘電エラストマーが伸張し、印加を止めることによって収縮させる動作を利用するものであり、電気的エネルギーを機械的エネルギーへと変換する変換器である。近年では人工筋肉などにも利用されるようになり、今後、益々利用の途は広がりを見せる技術といえる。

【0003】

しかしながら、誘電エラストマートランスデューサの性能は、誘電エラストマーの伸縮量や伸縮力に大きく影響され、大きな機械的エネルギーを得るためには高い電圧の印加が必要となり、耐久性や漏れ電流の問題が生じている。また、誘電率を高くしても、電極への電圧印加による誘電エラストマーの伸びがあまり増加せず、場合によっては却って減少することもある。

【0004】

そこで、このような問題を解決すべく、従来からも種々の技術が提案されている。例えば、特許文献１には、発明の名称を「誘電アクチュエータ」とする技術が開示されている（特許文献１参照）。具体的には、「印加電圧に対する変異量の大きな誘電アクチュエータを提供する」ことを課題とし、その解決手段は、「弾性高誘電材料部が弾性絶縁材料部によって挟持されており、さらにその外側から電極で挟持された構造となり、弾性高誘電材料部の基材はシリコーンゴムからなり、導電性を付与するためにグラファイト粉が混合されている」というものである。

【0005】

また、特許文献２には、発明の名称を「誘電膜およびそれを用いたトランスデューサ」とする技術が公開されている（特許文献２参照）。具体的には、「柔軟で比誘電率が大きく薄膜化しても絶縁破壊度が大きい誘電膜を提供する」ことを課題とし、エラストマーと誘電粒子とを含み、基準直線当りの平均個数と、各粒子の大きさの平均値と、単位領域当りのエラストマーの面積割合を特定するものである。

【0006】

また、特許文献３には、発明の名称を「絶縁性組成物、絶縁性物品、それらの調整方法及び電気ケーブルアクセサリ」とする技術が開示さている（特許文献３参照）。具体的には、「約７０〜１００体積部のポリマー材料と、約５〜３０体積部のセラミック充填剤と、約０．１〜５体積部の架橋剤と、約０〜６体積部の導電性粉末と、約０〜６体積部のＺｎＯウィスカーと、を含み、前記セラミック充填剤が、該セラミック充填剤の約０．１ｗｔ％〜約４ｗｔ％の量の二官能性カップリング剤で表面処理されている」というものである。

【0007】

しかしながら、上記何れに記載された文献も、誘電エラストマーに誘電体粒子を混合して誘電率を大きくする技術であるが、誘電体粒子を誘電エラストマーに混合させると誘電エラストマーが硬くなって伸張し難くなり、場合によっては却って伸縮量が減少するという問題もあり、前記何れの先行技術も解決には至っていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第５３７４９８４号公報

【特許文献2】特開２０１５−１８９７７６号公報

【特許文献3】特表２０１６−５１１９１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明は、従来における課題解決のために誘電率を向上させるといったことは主たる目的とせず、絶縁耐電圧性能を向上させるとともに、漏れ電流を減少させることによって、耐久性と効率を向上させた誘電エラストマートランスデューサ用の誘電エラストマー材料の提供を課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、誘電エラストマートランスデューサに用いられる誘電エラストマーに、有機分散剤により表面修飾した誘電体粒子を分散状態で含有させた構成を採用する。

【0011】

また、本発明は、前記誘電エラストマーに分散状態で含有される前記誘電体粒子がチタン酸バリウムである構成を採用することもできる。

【0012】

また、本発明は、前記誘電エラストマーに分散状態で含有される前記チタン酸バリウムの粒径が５ｎｍから５００ｎｍであり、平均粒径を５０ｎｍとした構成を採用することもできる。

【0013】

また、本発明は、前記誘電エラストマーに分散状態で含有される前記チタン酸バリウムの配合比率が１．０ｗｔ％から５０．０ｗｔ％の範囲内である構成を採用することもできる。

【0014】

また、本発明は、チタン酸バリウムと、表面活性剤と、有機分散剤と、有機溶媒と、を混合してチタン酸バリウムスラリーを得る混合工程と、該混合工程で得られた前記チタン酸バリウムスラリーに超音波による衝撃を与えて分散の均一化を図る超音波処理工程と、該超音波処理工程で得られた前記チタン酸バリウムスラリーを誘電エラストマーに配合する配合工程と、前記配合工程により得られた前記チタン酸バリウムスラリーを乾燥する乾燥工程とからなる手段を採用することもできる。

【0015】

また、本発明は、前記混合工程における混合条件が、ビーズミルを用い、５ｍｍ以下のビーズを使用し、アジテータの周速が３ｍ／ｓから１５ｍ／ｓで行なう手段を採用することもできる。

【0016】

また、本発明は、前記超音波処理工程による分散処理が周波数を１８ｋＨｚから２００ｋＨｚの超音波を１０秒以上照射させる手段を採用することもできる。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー及びその製造方法によれば、誘電エラストマーにチタン酸バリウム等の誘電体粒子が含まれることで絶縁耐電圧性能を向上させ、従来の誘電エラストマーと比較して耐久性の大幅な向上を図ることを可能とする有利な効果を発揮するものである。

【0018】

また、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー及びその製造方法によれば、前記絶縁耐電圧性を向上させることによって、より低い電圧で誘電エラストマーの伸縮力を得ることが可能となるため、漏れ電流を小さく抑えることが可能となり、エネルギーの変換効率も向上するといった有利な効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマーを用いた誘電エラストマートランスデューサの基本構成断面図である。

【図2】本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマートランスデューサの無電加状態を示す説明図である。

【図3】本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマートランスデューサにおける電圧印加状態を示す説明図である。

【図4】本発明に係る絶縁耐電圧性能試験装置の構成説明図である。

【図5】本発明に係る誘電率測定装置の構成説明図である。

【図6】本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー１の実施形態について、図面及び表を用いて説明する。本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー１及び誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法２は、チタン酸バリウム１２を誘電エラストマー１０に分散状態で含有させて成ることを最大の特徴とするものである。なお、本発明において数値その他範囲を「〜」を用いて表した場合は、数値範囲の上限も下限も両方とも数値範囲内に入るものとする。

【0021】

図１は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー１を用いた誘電エラストマートランスデューサ２０の基本構成断面図である。図１に示すように、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー１は、誘電エラストマー１０に誘電体粒子１１を分散させて成るものである。以下、本発明に用いる誘電エラストマー１０及び誘電体粒子１１についてそれぞれ説明する。

【0022】

誘電エラストマー１０は、高誘電率材料として多種多様な種類が存在するが、一般的には弾性を有するゴム状物質またはゴム等のエラストマーであり、シリコーン樹脂系エラストマーやアクリル樹脂系エラストマー等が考えられる。具体的には、アクリルゴム、シリコーンゴム、天然ゴム、ポリウレタンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、塩化ビニル系エラストマー、アミド系エラストマー、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等を材料として用いることができる。

【0023】

また、誘電エラストマー１０の種類について分類すると、熱可塑性エラストマー、熱硬化性エラストマー、及びエネルギー線硬化性エラストマーに分けられる。係る分類のうち何れかに限定されるものではなく、例えば、熱可塑性エラストマーでは、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の多くの種類が存在する。なお、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。

【0024】

また、熱硬化性エラストマーの種類においても、前記熱可塑性エラストマーと同様に多くの種類が存在し、例えば天然ゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、フッ素ゴム、水素化ニトリルゴム、エピクロロヒドリンゴム等があり、特にこれらの何れかに限定されるものではない。

【0025】

なお、エネルギー線硬化性エラストマーは、シリコーンゴム、アクリルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴム等の他、エポキシ樹脂のように通常は弾性を有していなくてもエネルギー線により弾性を持たせることが可能な材料等がある。これらは任意のエネルギー線のうち何れか１種類または２種類以上を用いて硬化されるエラストマーであり、エネルギー線の種類は特に限定されるものではないが、例えば電磁波や放射線等であり、より具体的にはガンマ線や電子線等の電離放射線や、電波、紫外線、赤外線等の非電離放射線等である。

【0026】

誘電エラストマー１０は、厚みや大きさを使用目的に応じて適宜決定するものであり、例えばアクチュエータとして使用する場合であれば、機械的な動力として求められる出力に必要な電気的エネルギーを変換する変換器としての機能を発揮する厚みや大きさを必要とする。また、誘電エラストマー１０の耐久性については、電子線架橋によって作られた誘電エラストマー１０は、それ以前の熱架橋や紫外線架橋等によって作られた誘電エラストマー１０と比べて耐久性が高いことが既に本発明者らによって確認されている。

【0027】

誘電体粒子１１は、強誘電性を呈する添加物の全てを意味しており、チタン酸バリウム１２のみならず、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３）のような強誘電体を広く含むものであって、特にこれらに限定されるものではなく、外部に電場がなくても電気双極子が整列しており、かつ双極子の方向が電場によって変化できる物質を指すものである。但し、本発明の説明においては主としてチタン酸バリウム１２を用いて説明する。

【0028】

チタン酸バリウム１２は、基本的に粒子の大きさや形状（略球状）が一定で、粒度分布が狭く、また、結晶性が高く、分散性に優れた粒子が求められる。但し、微細化に伴ってサイズ効果と呼ばれる結晶性の低下という問題があるため、結晶性を比較的大きく取りやすい合成法である、固相法や蓚酸塩法によるチタン酸バリウム１２がより望ましい。

【0029】

チタン酸バリウム１２は、ＢａＴｉＯ３、ＢａＴｉ２Ｏ５、Ｂａ２ＴｉＯ４等の酸化チタン（ＩＶ）と酸化バリウムとからなる化合物であり、ＢａＴｉＯ３は常温では正方晶で強誘電体となるが、常温から高温にかけて相転移し立方晶となるものである。

【0030】

また、誘電体粒子１１の誘導体には、例えば、チタン酸バリウム１２のうちの一部の金属原子が他の金属原子により置換された化合物もあり、係るチタン酸バリウム１２のうちの一部とは、Ａサイトであるバリウム（Ｂａ）のうちの一部、又はＢサイトであるチタン（Ｔｉ）のうちの一部であり、バリウム及びチタンのそれぞれの一部でもよい。前記他の金属原子とは、チタン及びバリウム以外の金属原子であり、例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、イットリウム（Ｙ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、スズ（Ｓｎ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）等である。

【0031】

表面活性剤１３は、界面活性剤と同種の特性を備え、誘電体粒子１１の表面に付着して界面張力を低下させて接触角を小さくし、有機溶媒１５と粉体との濡れを改善することで分散性を向上させる効果がある。また、表面活性剤１３は、例えば、耐熱性に優れたシリコーン系が用いられ、望ましくは、ポリエーテル変性シリコーン活性剤が用いられる。

【0032】

有機分散剤１４は、分散を行なう際に添加され、分散機能を発現させる薬剤の総称であり、分散を容易に行い、安定した優れたスラリーを得るために重要な働きをする添加剤である。本発明では、有機分散剤１４を用い、粒子の表面に吸着した分散剤によって、粒子同士の接近を防ぎ、分散体を安定化させる。また、有機分散剤１４は、アニオン系が望ましく、特に吸着基にカルボン酸を有するものが良い。

【0033】

有機溶媒１５は、誘電体粒子１１を取り込むための溶液であり、特に限定されるものではないが、例えば２−プロパノールなどを示すことができる。また、誘電エラストマー１０にスチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム等の非極性エラストマーを使用する際は、トルエンやヘキサン等に代表される低極性溶媒が好ましく、誘電エラストマー１０の種類に応じて有機溶剤１５は適宜選択される。

【0034】

図２は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー１に電圧を印加していない無電加状態を示す説明図であり、図３は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー１に電圧供給された電圧印加状態を示す説明図である。

【0035】

誘電エラストマートランスデューサ２０は、誘電エラストマー１０に誘電体粒子１１を含有させた本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー１を利用するものであり、図示した通り、誘電エラストマー１０の両面に電極２２を備え、電圧の印加による伸張と、電圧を取り除くことによる収縮によって、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するトランスデューサとして、アクチュエータ等の駆動力として用いることもできるものである。また、これとは逆に機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電装置とし実用的な利用への可能性も有するものである。

【0036】

電圧供給手段２４は、電圧を制御可能な電源を用いて適切な電圧を印加することを可能とするものを用いる。電極２２の素材には、カーボンを好適に使用することができるが、電極２２として通常用いられる材料を用いて形成すればよく、特にカーボンに限定されるものではない。アクチュエータ等への応用例については省略し、以下、図２及び図３を用い、動作について説明する。

【0037】

電極２２は、誘電エラストマートランスデューサ２０において誘電エラストマー１０の両面に配置し、電圧を印加するための電極２２であり、係る電極２２を介してクーロン力Ｋ１を誘電エラストマー１０に作用させるものである。図３に示すように、電圧供給手段２４から電極２２に電圧が供給されることにより、対向する２つの電極２２には、クーロン力Ｋ１（符号Ｋ１で示す矢印の方向の力）によって互いに引きつけ合う力が発生する。これにより、誘電エラストマー１０は、２つの電極２２に押しつぶされることになり、伸張方向Ｋ２へ伸張することになる。

【0038】

この際、２つの電極２２に印加する電圧の大きさによって、係る電極２２に発生するひきつけ合う力も変化し、誘電エラストマー１０の伸びる量も変化する。そして、電圧供給手段２４からの電圧の供給を停止することにより、２つの電極２２に発生していた互いに引きつけ合う力も消滅する。これにより、誘電エラストマー１０は、自らの弾性力により形状を回復し、図３に示すように伸びた状態から、図２に示すような伸びる前の状態に戻る。なお、係る変化によって得られる力は、両極間の距離に反比例し、印加する電圧の二乗に比例して発生する。また、電極面積と誘電率の大きさに比例する。従って、誘電率の向上を図ることも必要であるが、大きな電圧を加えることによる耐圧の向上が、よりトランスデューサとしての性能向上を図る上で、重要なポイントとなる。

【0039】

以下に、誘電性高分子を動作させるために生じる圧力ｐとバイアス電圧Ｖｂとの関係式を下記に示す。

【0040】

「式１」

【0041】

という式１の関係が成立するので、バイアス電圧Ｖｂを上昇させるとともに、ポリマーの厚さｔを薄くすることができることにより、誘電高分子を動作させるために生じる圧力ｐは、バイアス電圧Ｖｂの二乗及び厚さｔの逆数の二乗に比例して増大するので従来に比べてきわめて性能の良い駆動が可能になる。

【0042】

更に、発電デバイスとしては、発電エネルギーＥは、誘電エラストマー１０の静電容量の変化と関係しており、

【0043】

「式２」

【0044】

の式２で表される。ここで、Ｃ１及びＣ２は、それぞれ伸張及び収縮した状態における誘電高分子の静電容量であり、Ｖｂはバイアス電圧である。発電エネルギーは、より大きな伸張・収縮により増加し、バイアス電圧Ｖｂの二乗で増加するので従来に比べてきわめて性能の良い発電が可能になるとともに、絶縁耐電圧が上昇することによって、従来と同じバイアス電圧で動作させた場合では、負担が少なくなるため、寿命が向上する。

【0045】

このように、誘電エラストマートランスデューサ２０は、電圧の変化を形状の変化に変換することができ、人工筋肉等様々な製品に応用することができるが、大きな駆動力を発生させるためには、前記両極間距離を広げて伸縮量を得るとともに、印加する電圧を大きくする必要がある。しかしながら、電圧を大きくすると両極間に挟持される誘電エラストマー１０が絶縁破壊を起こしやすくなり、誘電体粒子１１にチタン酸バリウム１２を用いたて誘電エラストマー１０に含有させた本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー１の優れた耐圧性能が必要となる。

【0046】

図４は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー１についての絶縁耐電圧性能試験を行なう絶縁耐電圧性能試験装置３０の全体構成を示す構成説明図である。

【0047】

絶縁耐電圧性能試験装置３０は、高圧電圧計３１と、高圧電源３２と、高圧電流計３３と、オシロスコープ（電圧電流モニター）３４と、タイマー３５と、高圧スイッチ３６とから構成され、試験は大きな試験片の表面に放電し、絶縁体が導体となる構造変化が生ずるまで段階的に電圧を高めていき、破壊されない最も高い電圧を測定するものである。

【0048】

高圧電圧計３１は、電圧を測定する装置であり、印加する電圧が高いため高電圧用のものを用いる。

【0049】

高圧電源３２は、絶縁耐電圧性能試験装置３０に必要な電源を供給する装置であり、試験片が破壊するまで２００Ｖ間隔で電圧を上昇させる装置である。

【0050】

高圧電流計３３は、電流を測定する装置であり、流れる電流自体は低いものの、電圧が高いため、漏れ電流の測定には電流が安定した状態で測定する必要があるため、高電圧に対応した電流計を用いることが望ましい。

【0051】

オシロスコープ（電圧電流モニター）３４は、絶縁破壊が発生したと判断するための状態を測定する測定装置であり、高圧電源３２からの段階的な電圧の上昇に伴い、各電圧毎での安定した状態から計測される絶縁破壊の有無を測定する装置である。

【0052】

タイマー３５は、所定時間毎に２００Ｖ上昇させるための時間を測定する装置である。

【0053】

高圧スイッチ３６は、オンにすることで被測定物に電圧を印加し、急激に過大な電流が流れた時に絶縁破壊が発生したと判断し、電源供給をオフにする。

【0054】

耐圧評価は、前記の絶縁耐電圧性能試験装置３０を用い、段階破壊法による絶縁破壊電圧試験により行った。係る試験方法は、自由に動き回れる電荷担体をほとんど持たない絶縁体に高電圧を負荷することにより、絶縁体内に電荷担体が急増して導体になる構造変化が生ずるまで高電圧を負荷して測定する試験方法により評価を行なうものである。絶縁破壊電圧の評価には、まず短時間破壊法で得られた絶縁破壊が起こる電圧を基準とし、その約４０％の電圧から段階的に２００Ｖ毎に電圧を上げて行き、破壊するまで続けて破壊しなかった最大電圧から評価するものであり、下記の表１に示すように、誘電エラストマー１０にチタン酸バリウム１２を５ｗｔ％含有させた方が、チタン酸バリウム１２を含有させないものと比較して明らかに耐圧性能が向上していることを確認した。

【0055】

以下に、シリコーン系の誘電エラストマー１０にチタン酸バリウム１２を含有させたものと、含有させていない同種のシリコーン系の誘電エラストマー１０のみと比較した絶縁耐電圧性能についての実験結果を下記表１から表３に示す。なお、表内のＢＴはチタン酸バリウム１２を意味する。

【0056】

【表1】

【0057】

【表2】

主材：シリコーン

【0058】

【表3】

【0059】

上記表１から表３に、本発明の誘電体粒子含有誘電エラストマー１に係る主材である樹脂に誘電体粒子１１の配合比率を変化させたものなどについて、それぞれの誘電率を測定し、また、係る装置により誘電体粒子１１を配合しないもの、その他、配合比率を変化させたものを行った実験結果から、誘電体粒子１１の有無が耐圧性能に影響するか否かの結果を示す。実際の実験では、基準となる含有０ｗｔ％から５０ｗｔ％まで計測し、５０ｗｔ％以上については表３において示す通り、途中から破線で示した部分は予測値として示したものである。次に、耐圧テストに用いた主材にはシリコーンを用い、誘電粒子にチタン酸バリウム１２を５ｗｔ％含有させたものと、まったく含有させないシリコーンのみで実験を行ったものとの比較を上記表１に示す。

【0060】

表１から表３に示す通り、誘電エラストマー１０の特性を利用して誘電エラストマー１０に誘電体粒子１１を含ませると、全く含ませないものと比較して明らかに耐圧が向上していることが分かる。また、その配合比率についても１ｗｔ％から５０ｗｔ％の範囲内で耐圧性能が向上していることが分かる。より具体的には、配合比率が０％のときの場合と比較して、５ｗｔ％、１０ｗｔ％、３０ｗｔ％、５０ｗｔ％の何れの割合においても大きく耐圧性能は向上した。

【0061】

更に詳しくは、チタン酸バリウム１２を含有させたほうが５，４００Ｖと高く、含有させないほうでは４，８００Ｖで破壊してしまった。従って、表１から表３は、わずかな配合であっても誘電体粒子１１を含有させたほうが、耐圧性能が向上することを示している。なお、５０ｗｔ％以降は、予想に基づく結果であるが、チタン酸バリウム１２の配合比率が大きくなると、チタン酸バリウム１２自体の硬さにより主材の伸長及び伸縮に影響し、主材の変形を阻害することにもなりかねない。好適な結果として、耐圧を向上させるには、少なくとも１ｗｔ％から５０ｗｔ％の範囲においては良好な効果を示し、より好ましくは１０ｗｔ％から３０ｗｔ％の範囲内で特にその優れた効果を発揮するものといえる。

【0062】

図５は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマー１の比誘電率測定において使用した誘電率測定装置４０の構成説明図である。

【0063】

誘電率測定装置４０は、インピーダンス・アナライザー４１と、テストフィクスチャ４２と、主電極４３と、被試験体４４と、対電極４５とから構成される。

【0064】

インピーダンス・アナライザー４１は、２端子の受動素子であるインダクタやコンデンサ、或いは抵抗などの特性を測定する装置であり、能動素子であるトランジスタの寄生容量を測定する際に使用される装置である。

【0065】

テストフィクスチャ４２は、インピーダンス・アナライザー４１を用いた誘電率評価に用いられる端子である。

【0066】

主電極４３は、インピーダンス・アナライザー４１を動作させるための電源装置、及びテストフィクスチャ４２へ高電圧を供給する装置である。

【0067】

被試験体４４は、本実験において外形５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ１００μｍの薄板のものを用いた。

【0068】

対電極４５は、エッジ容量から生じる測定誤差を除去するためにガード電極を用いる３端子構成のものを用いた。

【0069】

比誘電率の評価は、係るインピーダンス・アナライザー４１を用いた平行板による誘電率測定法による実験から行った。前記平行板法は、２つのテストフィクスチャ４２電極の間に、外形５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み１００μｍの被試験体４４を挟んでキャパシタを形成し、インピーダンス・アナライザー４１により測定した静電容量や損失のベクトル成分から、下記の（式３）により比誘電率を算出した。

【0070】

「式３」

【0071】

図６は、本発明に係る誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法２を示すフローチャートである。

【0072】

混合工程Ａは、チタン酸バリウム１２と、表面活性剤１３と、有機分散剤１４と、有機溶媒１５とを混合してチタン酸バリウムスラリー５０を得る工程である。例えば、商品名を「ＢＴ−ＨＰ９ＤＸ」とする共立マテリアル株式会社のチタン酸バリウム３００ｇと、組織名を「２−プロパノール（２−ｐｒｏｐａｎｏｌ）分子式Ｃ３Ｈ８Ｏ、示性式ＣＨ３ＣＨＣＨ３」とする和光純薬工業の「２−プロパノール」３００ｇと、分子構造中に、親水性基であるポリオキシアルキレン基と疎水性のポリオルガノシロキサン鎖とを有する共重合体からなる、ポリエーテル変性シリコーンである、信越化学工業株式会社製の「ＫＦ―６０１１」０．６ｇと、主鎖にイオン性基を持ち、グラフト鎖にポリオキシアルキレン鎖を有する多官能櫛型のポリマーからなる分散剤である日油株式会社の「ＡＦＢ−１５２１」９ｇを、粉砕用ビーズとともにビーズミル装置に封入し、平均粒子径を０．０３ミクロンから０．８ミクロンのサブミクロンレベルにする分散スラリー化処理後のチタン酸バリウムスラリー５０を得る。

【0073】

本発明の要部ともいえる均一な平均粒径に分散した分散状態でチタン酸バリウム１２等の誘電体粒子１１を誘電エラストマー１０に含有させる製造方法において、粒子径が小さくなると粉体同士の付着力が大きくなり、分散性が悪くなる。そこで、本発明に係る製造方法においては、誘電体粒子１１同士の付着凝集性を弱める必要があり、ポリマーを用いて粒子表面の改善を行なうことが重要である。

【0074】

係る良好な分散状態とする分散スラリー化処理条件を例示すると、ビーズミル装置を用い、周速を８ｍ／ｓ、運転時間を１８０ｍｉｎの循環運転を行なう。ビーズと格納容器の壁の衝突に加え、ビーズとビーズによるせん断やビーズへの衝突により、平均粒子径を０．０３ミクロンから０．８ミクロンの範囲となるように調整した分散スラリー化処理後のチタン酸バリウムスラリー５０を得たものである。係る装置に使用した容器の材質はジルコニアであり、ビーズ径は直径１ｍｍ、ビーズ材質は部分安定化ジルコニア、ビーズ重量は４００ｇである。但し、分散スラリー化処理条件は、上記の例示に限定されるものではなく、５ｍｍ以下のビーズを使用し、アジテータの周速が３ｍ／ｓから１５ｍ／ｓであればよい。

【0075】

超音波処理工程Ｂは、配合工程Ｃの直前に行う。混合工程Ａで得られたチタン酸バリウムスラリー５０に超音波による衝撃を与えて経時変化による粒子沈降を解し、均一化の促進を図る工程である。混合工程Ａで得られたチタン酸バリウムスラリー５０を超音波ホモジナイザーにより２０ｋＨｚの超音波を１２０秒間１５０Ｗの出力で照射し、超音波による衝撃波を溶液中の物質に繰り返し与えることで圧力差による微小な気泡（キャビテーション）を発生させ、平均粒径を０．０３ミクロンから０．８ミクロンの範囲となるように、解砕する。

【0076】

配合工程Ｃは、超音波処理工程Ｂで得られたチタン酸バリウムスラリー５０を誘電エラストマー１０に配合する工程である。塗工法による製膜を例に挙げると、溶剤に溶解した誘電エラストマー１０に超音波処理工程Ｂで得られたチタン酸バリウムスラリー５０を添加し均一に撹拌した後、所定の大きさの篩目によりろ過し塗工液を得る。ここで誘電エラストマー１０を溶解させるのに使用する溶剤は、誘電エラストマー１０の溶解性やチタン酸バリウムスラリー５０の分散状態を解さないものから適宜選択され、例えばトルエンがある。また撹拌方法については特に限定されないが、例えばパドル型、プロペラ型等のインペラを用いた撹拌により行うことができる。

【0077】

乾燥工程Ｄは、配合工程Ｃにより得られた塗工液（チタン酸バリウムスラリー５０と誘電エラストマー１０の分散溶液）を乾燥により製膜する工程である。塗工方法に制限はなく、公知の塗工方法、例えばロールコーターやコンマコーター、ナイフコーター、ダイコーター等によって任意の厚みに塗工し、続いてオーブンに導入して乾燥する。乾燥条件は基材フィルム、塗工液の種類等によって選択されるが、例えば基材フィルムとしてＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート：ペット）フィルム、塗工液の溶媒としてトルエンを用いた場合、６０度から１３０度で５分から３０分間乾燥することが好ましい。

【符号の説明】

【0078】

１ 誘電体粒子含有誘電エラストマー
２ 誘電体粒子含有誘電エラストマーの製造方法
１０ 誘電エラストマー
１１ 誘電体粒子
１２ チタン酸バリウム
１３ 表面活性剤
１４ 有機分散剤
１５ 有機溶媒
２０ 誘電エラストマートランスデューサ
２２ 電極
２４ 電圧供給手段
３０ 絶縁耐電圧性能試験装置
３１ 高圧電圧計
３２ 高圧電源
３３ 高圧電流計
３４ オシロスコープ（電圧電流モニター）
３５ タイマー
３６ 高圧スイッチ
４０ 誘電率測定装置
４１ インピーダンス・アナライザー
４２ テストフィクスチャ
４３ 主電極
４４ 被試験体
４５ 対電極
５０ チタン酸バリウムスラリー
Ｋ１ クーロン力
Ｋ２ 伸張方向
Ａ 混合工程
Ｂ 超音波処理工程
Ｃ 配合工程
Ｄ 乾燥工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】