特許 6207325 イオン成分共重合ポリマー材料およびそれを用いたトランスデューサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6207325

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】イオン成分共重合ポリマー材料およびそれを用いたトランスデューサ

(51)【国際特許分類】

   H04R 23/00 20060101AFI20170925BHJP

   C08F 220/18 20060101ALI20170925BHJP

   C08L 33/12 20060101ALI20170925BHJP

   C08K 5/00 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   H04R23/00 310

   C08F220/18

   C08L33/12

   C08K5/00

【請求項の数】8

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2013-201430(P2013-201430)

(22)【出願日】2013年9月27日

(65)【公開番号】特開2015-67662(P2015-67662A)

(43)【公開日】2015年4月13日

【審査請求日】2016年6月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000219602

【氏名又は名称】住友理工株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(74)【代理人】

【識別番号】100115657

【弁理士】

【氏名又は名称】進藤 素子

(74)【代理人】

【識別番号】100115646

【弁理士】

【氏名又は名称】東口 倫昭

(72)【発明者】

【氏名】高松 成亮

(72)【発明者】

【氏名】小久保 陽太

(72)【発明者】

【氏名】橋本 和信

(72)【発明者】

【氏名】吉川 均

(72)【発明者】

【氏名】松野 亮介

(72)【発明者】

【氏名】高原 淳

【審査官】 松元 洋

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０３７５３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２８５６７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０５５３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１３８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１００４８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０８Ｆ ２２０／００ − ２２０／７０

Ｈ０４Ｒ ２３／００ − ２３／０２

ＣＡ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポリマー製の誘電層と、該誘電層を介して配置される複数の電極と、を備えるトランスデューサであって、
該誘電層と該電極との間には、イオン成分共重合ポリマー材料を含むイオン固定層が介装されており、
該イオン成分共重合ポリマー材料は、（メタ）アクリル酸エステルと、（メタ）アクリル酸と、イオン液体と、が共重合されてなる共重合体の架橋物であり、該イオン液体のカチオンおよびアニオンのうちの一方はポリマーに共重合され、他方は対イオンとして含まれることを特徴とするトランスデューサ。

【請求項2】

前記イオン成分共重合ポリマー材料においては、前記イオン液体のアニオンがポリマーに共重合され、カチオンが対イオンとして含まれる請求項１に記載のトランスデューサ。

【請求項3】

前記アニオンは、重合性不飽和基を有するスルホン酸イオン含有化合物およびカルボン酸イオン含有化合物から選ばれる一種であり、前記カチオンは、イミダゾリウムイオン化合物、モルフォリニウムイオン化合物、ピペリジニウムイオン化合物、テトラアルキルアンモニウムイオン化合物、およびテトラアルキルホスホニウムイオン化合物から選ばれる一種である請求項２に記載のトランスデューサ。

【請求項4】

前記イオン成分共重合ポリマー材料においては、前記イオン液体のカチオンがポリマーに共重合され、アニオンが対イオンとして含まれる請求項１に記載のトランスデューサ。

【請求項5】

前記カチオンは、重合性不飽和基を有するイミダゾリウムイオン化合物、モルフォリニウムイオン化合物、ピペリジニウムイオン化合物、テトラアルキルアンモニウムイオン化合物、およびテトラアルキルホスホニウムイオン化合物から選ばれる一種であり、前記アニオンは、スルホン酸イオン含有化合物およびカルボン酸イオン含有化合物から選ばれる一種である請求項４に記載のトランスデューサ。

【請求項6】

前記共重合体は、さらに、アクリロニトリルが共重合されてなる請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のトランスデューサ。

【請求項7】

前記共重合は、乳化重合である請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のトランスデューサ。

【請求項8】

前記乳化重合には、非イオン性界面活性剤が用いられる請求項７に記載のトランスデューサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン成分が共重合されてなるポリマー材料、およびそれを用いたトランスデューサに関する。

【背景技術】

【0002】

トランスデューサとしては、機械エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うアクチュエータ、センサ、発電素子等、あるいは音響エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うスピーカ、マイクロフォン等が知られている。柔軟性が高く、小型で軽量なトランスデューサを構成するためには、誘電体エラストマー等の高分子材料が有用である。

【0003】

例えば、誘電体エラストマーからなる誘電層の厚さ方向両面に、一対の電極を配置して、電歪型アクチュエータを構成することができる。この種のアクチュエータは、電極間に印加する電圧の大小により誘電層を伸長、収縮させることにより、駆動対象部材を駆動する。アクチュエータの出力および変位量は、印加電圧の大きさと、電極間に生じる静電引力の大きさと、により決定される。すなわち、大きな電圧を印加することができ、かつ、電極間に生じる静電引力が大きいほど、アクチュエータの出力および変位量は大きくなる。

【0004】

例えば、シリコーンゴムは、耐絶縁破壊性に優れるが比誘電率が小さい。このため、シリコーンゴムから誘電層を形成した場合には、印加電圧に対する静電引力が小さく、所望の発生力および変位量を得ることは難しい。一方、アクリルゴムやニトリルゴムにおいては、シリコーンゴムよりも比誘電率が大きいが、電気抵抗が小さい。このため、アクリルゴムやニトリルゴムから誘電層を形成した場合には、誘電層が絶縁破壊しやすい。このように、一つの材料により、耐絶縁破壊性に優れ、かつ静電引力が大きい誘電層を実現することは、難しい。

【0005】

これに対して、本発明者は、電気抵抗が大きい誘電層と、該誘電層に積層されるイオン固定層と、を備えるトランスデューサを提案した（特許文献１、２参照）。イオン固定層は、イオン成分が金属酸化物粒子を介してエラストマーに固定化されたエラストマー材料からなる。以下、模式図を用いて、従来のトランスデューサの構成および動作を説明する。図７に、トランスデューサの電圧印加前の状態における断面模式図を示す。図８は、同トランスデューサの電圧印加時の状態における断面模式図を示す。

【0006】

図７に示すように、トランスデューサ９は、誘電層９０と、イオン固定層としてのカチオン固定層９１およびアニオン固定層９２と、プラス電極９３と、マイナス電極９４と、を備えている。

【0007】

カチオン固定層９１は、誘電層９０の上面に配置されている。プラス電極９３は、カチオン固定層９１の上面に配置されている。つまり、カチオン固定層９１は、誘電層９０とプラス電極９３との間に介装されている。カチオン固定層９１は、エラストマー９１０と、カチオン固定粒子９１１と、アニオン成分９１２と、を有している。カチオン固定粒子９１１は、カチオン成分が固定化された金属酸化物粒子である。カチオン固定粒子９１１は、エラストマー９１０に化学結合されている。

【0008】

同様に、アニオン固定層９２は、誘電層９０の下面に配置されている。マイナス電極９４は、アニオン固定層９２の下面に配置されている。つまり、アニオン固定層９２は、誘電層９０とマイナス電極９４との間に介装されている。アニオン固定層９２は、エラストマー９２０と、アニオン固定粒子９２１と、カチオン成分９２２と、を有している。アニオン固定粒子９２１は、アニオン成分が固定化された金属酸化物粒子である。アニオン固定粒子９２１は、エラストマー９２０に化学結合されている。

【0009】

図８に示すように、プラス電極９３とマイナス電極９４との間に電圧が印加されると、カチオン固定層９１においては、アニオン成分９１２がプラス電極９３側へ移動する。一方、カチオン固定粒子９１１は、エラストマー９１０に結合されている。このため、カチオン成分は、ほとんど移動しない。同様に、アニオン固定層９２においては、カチオン成分９２２がマイナス電極９４側へ移動する。一方、アニオン固定粒子９２１は、エラストマー９２０に結合されている。このため、アニオン成分は、ほとんど移動しない。また、誘電層９０においては、分極により、カチオン固定層９１との界面付近にプラス電荷が、アニオン固定層９２との界面付近にマイナス電荷が、各々蓄えられる。このように、トランスデューサ９においては、カチオン固定層９１、アニオン固定層９２、およびこれらと接する誘電層９０の界面付近に、多くの電荷が蓄えられる。したがって、プラス電極９３およびマイナス電極９４から、誘電層９０、カチオン固定層９１、アニオン固定層９２を圧縮するように、大きな静電引力が発生する。これにより、誘電層９０、カチオン固定層９１、アニオン固定層９２は上下方向に圧縮され、その分だけ、図８中白抜き矢印で示すように、左右方向に伸長する。

【0010】

また、カチオン固定層９１におけるカチオン成分は、誘電層９０側（プラス電極９３と反対方向）に移動しにくい。同様に、アニオン固定層９２におけるアニオン成分は、誘電層１０側（マイナス電極９４と反対方向）に移動しにくい。このため、カチオン固定層９１およびアニオン固定層９２から誘電層９０へ、イオン成分が移動するおそれは小さい。したがって、誘電層９０の電気抵抗は低下しにくく、高い耐絶縁破壊性を維持することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２０１３−１０２４２２号公報

【特許文献2】国際公開２０１３／０５４６５７号

【特許文献3】特開２００６−２３２８８２号公報

【特許文献4】特開２０１１−１２２１６９号公報

【特許文献5】特開２０１３−１００４８２号公報

【特許文献6】特開２００８−２８５６７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかしながら、上記トランスデューサのイオン固定層（カチオン固定層およびアニオン固定層）は、金属酸化物粒子を含む。このため、エラストマーのみからなる層と比較して、イオン固定層の弾性率は大きくなり、柔軟性が低下する。これにより、印加電圧に対するイオン固定層の変形量が小さくなり、誘電層の変形を阻害するおそれがある。したがって、誘電層とイオン固定層とを積層することにより、静電引力が大きくなりトランスデューサの変位量は向上するものの、まだ充分とはいえない。

【0013】

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、トランスデューサの材料や二次電池の固体電解質として用いることができ、イオン成分を含む柔軟なポリマー材料を提供することを課題とする。また、当該ポリマー材料を用いて、大きな変位量が得られるトランスデューサを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

（１）本発明のイオン成分共重合ポリマー材料は、（メタ）アクリル酸エステルと、（メタ）アクリル酸と、イオン液体と、を共重合して得られる共重合体を架橋してなり、該イオン液体のカチオンおよびアニオンの一方はポリマーに共重合されており、他方は対イオンとして含まれることを特徴とする。

【0015】

本発明のイオン成分共重合ポリマー材料（以下適宜、「本発明のポリマー材料」と称す）は、（メタ）アクリル酸エステルと、（メタ）アクリル酸と、イオン液体のカチオンおよびアニオンのうちの一方と、の共重合体を架橋したものである。イオン液体のカチオンおよびアニオンのうちの共重合されない他方は、イオン成分共重合ポリマー材料中に、対イオンとして含まれる。本発明のポリマー材料においては、イオン成分がポリマーに共重合される。すなわち、イオン成分は、金属酸化物粒子を介してではなく、直接ポリマーに固定化される。本発明のポリマー材料は、金属酸化物粒子を含まないため、金属酸化物粒子を含む上述したエラストマー材料と比較して、弾性率は小さく、柔軟である。したがって、本発明のポリマー材料から形成されたイオン固定層を誘電層に積層してトランスデューサを構成すると、イオン固定層と誘電層との界面付近に多くの電荷が蓄えられ大きな静電引力が発生すると共に、印加電圧に対してイオン固定層が変形しやすいため、変位量が大きくなる。このように、本発明のポリマー材料によると、変位量が大きなトランスデューサを実現することができる。

【0016】

ちなみに、上記特許文献３〜５には、（メタ）アクリル系ポリマーとイオン液体とを含む粘着剤組成物を架橋してなる粘着剤が開示されている。しかしながら、特許文献３〜５に記載の粘着剤組成物において、イオン液体はブレンドされているに過ぎず、ポリマーに重合されていない。この点において、イオン液体のカチオンまたはアニオンがポリマーに共重合されている本発明のポリマー材料と異なる。また、上記特許文献６には、アクリル系樹脂を含有する粘着剤組成物を架橋してなる粘着剤が、開示されている。アクリル系樹脂は、（メタ）アクリル酸エステルと、イオン液体と、（メタ）アクリル酸等の不飽和単量体が共重合されてなる。しかしながら、特許文献６に記載の粘着剤は、電子機器の表面保護フィルム等に用いられる。このため、アクリル系樹脂には、帯電防止性が要求される。したがって、使用されるイオン液体は、特許文献６の段落［００２１］−［００２４］に記載されているように、帯電防止性の観点から選択される。また、同段落［００２４］には、イオン液体のアニオンが列挙されている。列挙されたアニオンは、不飽和結合を持たないため、他の共重合成分と重合することはできない。このように、特許文献６には、イオン液体のカチオンがポリマーに共重合されてなるアクリル系樹脂しか、記載されていない。

【0017】

（２）本発明のトランスデューサは、ポリマー製の誘電層と、該誘電層を介して配置される複数の電極と、を備えるトランスデューサであって、該誘電層と該電極との間に、上記本発明のイオン成分共重合ポリマー材料を含むイオン固定層が介装されることを特徴とする。

【0018】

本発明のトランスデューサにおいて、上記本発明のポリマー材料を含むイオン固定層は、誘電層と電極との間に介装される。イオン固定層は、誘電層を挟むように誘電層の厚さ方向両面に配置されてもよく、どちらか一方の面に配置されてもよい。いずれの場合においても、イオン固定層は、ポリマーに共重合されているイオン成分の電荷が、隣接する電極の極性と同じになるように配置される。すなわち、カチオンがポリマーに共重合されているイオン固定層は、プラス側の電極と誘電層との間に配置される。反対に、アニオンがポリマーに共重合されているイオン固定層は、マイナス側の電極と誘電層との間に配置される。

【0019】

イオン固定層においては、隣接する電極の極性と同じ電荷を持つイオン成分が、ポリマーに固定される。したがって、電極間に電圧を印加すると、フリーのイオン成分（ポリマーに固定されたイオン成分の対イオン成分）は、電極方向へ移動するが、ポリマーに固定されたイオン成分は、ほとんど移動しない。つまり、イオン固定層中のイオン成分は、誘電層へ移動しにくい。したがって、誘電層の電気抵抗を低下させることなく、大きな静電引力を発生させることができる。また、イオン固定層は、金属酸化物粒子を含まないため、柔軟である。したがって、本発明のトランスデューサによると、実用的な電圧範囲において、大きな静電引力を発生させて、大きな変位量を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第一実施形態のトランスデューサの断面模式図である。

【図2】第二実施形態のトランスデューサの断面模式図である。

【図3】第三実施形態のトランスデューサの断面模式図である。

【図4】測定装置に取り付けられたアクチュエータの表側正面図である。

【図5】図４のＶ−Ｖ断面図である。

【図6】実施例および比較例のアクチュエータにおける印加電圧に対する変位率を示すグラフである。

【図7】従来のトランスデューサの電圧印加前の状態における断面模式図である。

【図8】同トランスデューサの電圧印加時の状態における断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明のイオン成分共重合ポリマー材料およびトランスデューサの実施形態について説明する。なお、本発明のイオン成分共重合ポリマー材料およびトランスデューサは、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。

【0022】

＜イオン成分共重合ポリマー材料＞
本発明のイオン成分共重合ポリマー材料は、（メタ）アクリル酸エステルと、（メタ）アクリル酸と、イオン液体と、を共重合して得られる共重合体を架橋してなる。

【0023】

（メタ）アクリル酸エステルとは、アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルを意味する。（メタ）アクリル酸エステルとしては、（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸ブチル、（メタ）アクリル酸イソブチル、（メタ）アクリル酸ｔ−ブチル、（メタ）アクリル酸ヘキシル、（メタ）アクリル酸シクロヘキシル、（メタ）アクリル酸オクチル、（メタ）アクリル酸イソオクチル等が挙げられる。なかでも、ガラス転移点が低いという理由から、炭素数４〜８のアルキル基を有するものが望ましい。

【0024】

（メタ）アクリル酸とは、アクリル酸およびメタクリル酸を意味する。（メタ）アクリル酸は、共重合体を架橋させる役割を果たす。（メタ）アクリル酸の配合量は、共重合体の骨格を形成する原料全体を１００質量％とした場合の、１質量％以上１０質量％以下であることが望ましい。（メタ）アクリル酸の配合量が１質量％未満の場合、架橋構造が充分に形成されず、得られるポリマー材料の伸縮性が低下する。反対に（メタ）アクリル酸の配合量が１０質量％を超えると、得られるポリマー材料の弾性率が大きくなる。

【0025】

イオン液体としては、本発明のイオン成分共重合ポリマー材料の用途に応じて、適宜選択すればよい。本発明のイオン成分共重合ポリマー材料において、イオン液体のカチオンおよびアニオンの一方はポリマーに共重合され、他方は対イオンとして含まれる。例えば、アニオンをポリマーに共重合する場合、重合性不飽和基を有するスルホン酸イオン含有化合物およびカルボン酸イオン含有化合物から選ばれるアニオンと、イミダゾリウムイオン化合物、モルフォリニウムイオン化合物、ピペリジニウムイオン化合物、テトラアルキルアンモニウムイオン化合物、およびテトラアルキルホスホニウムイオン化合物から選ばれるカチオンと、からなるイオン液体が好適である。より具体的には、アクリル酸イオン、メタクリル酸イオン、ビニルスルホン酸イオン、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸イオン等から選ばれるアニオンと、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムイオン、１−プロピル−３−メチルイミダゾリウムイオン等のイミダゾリウムイオン、モルフォリニウムイオン、ピペリジニウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、テトラアルキルホスホニウムイオンから選ばれるカチオンと、からなるイオン液体が好適である。また、カチオンをポリマーに共重合する場合、重合性不飽和基を有するイミダゾリウムイオン化合物、モルフォリニウムイオン化合物、ピペリジニウムイオン化合物、テトラアルキルアンモニウムイオン化合物、およびテトラアルキルホスホニウムイオン化合物から選ばれるカチオンと、スルホン酸イオン含有化合物およびカルボン酸イオン含有化合物から選ばれるアニオンと、からなるイオン液体が好適である。より具体的には、１−メチル−３−ビニルイミダゾリウムイオン、１−エチル−３−ビニルイミダゾリウムイオン、１−プロピル−３−ビニルイミダゾリウムイオン、１−ブチル−３−ビニルイミダゾリウムイオン等のイミダゾリウムイオン、モルフォリニウムイオン、ピペリジニウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、テトラアルキルホスホニウムイオンから選ばれるカチオンと、ベンゼンスルホン酸イオン、トルエンスルホン酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、酢酸イオン等から選ばれるアニオンと、からなるイオン液体が好適である。

【0026】

例えば、本発明のイオン成分共重合ポリマー材料を、トランスデューサの構成部材として用いる場合、イオン対間の相互作用エネルギーが、イオン液体を選択する一つの指標になる。大きな静電引力を発生させるという観点から、例えば、アニオンをポリマーに共重合する場合、イオン対間の相互作用エネルギーが７９ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上９８ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下イオン液体を採用することが望ましい。また、カチオンをポリマーに共重合する場合、イオン対間の相互作用エネルギーが７６ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上９２ｋｃａｌ／ｍｏｌ以下イオン液体を採用することが望ましい。

【0027】

本明細書においては、イオン液体のイオン対間の相互作用エネルギーを、汎用量子化学計算プログラム「Ｇａｕｓｓｉａｎ０９」およびグラフィカルインターフェイス「ＧａｕｓｓＶｉｅｗ５．０」を用いて、次のようにして算出した。まず、密度汎関数理論（ＤＦＴ）に基づくＢ３ＬＹＰ法により、カチオンのみ、アニオンのみ、これら両方からなる構造体、の各々について、分子の最安定構造エネルギーを計算した。次に、次式（１）により、分子の最安定構造エネルギーの差を求め、得られた値を単位変換して、イオン対間の相互作用エネルギーを算出した。
（カチオンの分子の最安定構造エネルギー＋アニオンの分子の最安定構造エネルギー）−（構造体の分子の最安定構造エネルギー）・・・（１）
イオン液体の配合量は、共重合体の骨格を形成する原料全体を１００質量％とした場合の、５質量％以上２０質量％以下であることが望ましい。イオン液体の配合量が５質量％未満の場合、静電引力の増加効果が充分に得られない。反対にイオン液体の配合量が２０質量％を超えると、ポリマー材料のガラス転移点が高くなり、吸湿しやすくなる。よって、当該ポリマー材料をトランスデューサの構成部材として用いると、トランスデューサの性能の低下を招く。

【0028】

共重合体は、上述した（メタ）アクリル酸エステル、（メタ）アクリル酸、イオン液体に加えて、さらにアクリロニトリルが共重合されたものでもよい。アクリロニトリルが加わることにより、ポリマー材料の比誘電率が大きくなる。このため、当該ポリマー材料をトランスデューサの構成部材として用いると、トランスデューサの発生力が大きくなる。アクリルニトリルの配合量は、共重合体の骨格を形成する原料全体を１００質量％とした場合の、５質量％以上４５質量％以下であることが望ましい。アクリルニトリルの配合量が５質量％未満の場合、比誘電率の増加効果を充分に得られない。反対に、アクリルニトリルの配合量が４５質量％を超えると、ポリマー材料のガラス転移点が高くなり、弾性率が大きくなる。

【0029】

＜イオン成分共重合ポリマー材料の製造方法＞
本発明のイオン成分共重合ポリマー材料は、（メタ）アクリル酸エステルと、（メタ）アクリル酸と、イオン液体と、必要に応じて配合されるアクリロニトリルと、を共重合して得られる共重合体を、架橋して製造される。共重合するには、溶液重合、懸濁重合、乳化重合等の公知の方法を用いることができる。なかでも、乳化重合は、共重合体の分子量を大きくできることから、好適である。

【0030】

乳化重合の場合、重合開始剤としては、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム等の過硫酸塩、過酸化水素等の過酸化物を用いればよい。また、乳化剤としては、公知の界面活性剤を用いればよいが、なかでも非イオン性界面活性剤を用いることが望ましい。例えば、イオン性界面活性剤を用いると、得られるイオン成分共重合ポリマー材料中に、界面活性剤由来のイオン成分が残留する。このイオン成分共重合ポリマー材料からイオン固定層を形成し、当該イオン固定層を誘電層と積層させてトランスデューサを構成した場合、イオン固定層中のイオン成分が、誘電層に移動してしまう。その結果、誘電層の電気抵抗が低下して、絶縁破壊を招くおそれがある。このため、イオン成分共重合ポリマー材料中に界面活性剤由来のイオン成分を残留させないという観点から、非イオン性界面活性剤を用いることが望ましい。非イオン性界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアリルエーテル等が挙げられる。

【0031】

また、共重合体を基材の表面にブラシ状に成長させてもよい（ポリマーブラシ）。ブラシの形成は、重合開始点を有するラジカル重合開始剤を基材の表面に固定した後、ニトロキシドラジカル重合、原子移動ラジカル重合、可逆的付加開裂連鎖移動重合等を用いて行えばよい。

【0032】

得られた共重合体を架橋する際に用いる架橋剤、架橋促進剤、架橋助剤については、（メタ）アクリル酸のカルボキシル基と反応可能な化合物から適宜選択すればよい。例えば、アミノ基、アクリロイル基等を有する化合物や有機金属化合物等が挙げられる。また、本発明のポリマー材料は、共重合体の架橋物以外に、必要に応じて他の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、可塑剤、加工助剤、老化防止剤、軟化剤、着色剤等が挙げられる。

【0033】

＜トランスデューサ＞
本発明のトランスデューサは、ポリマー製の誘電層と、該誘電層を介して配置される複数の電極と、該誘電層と該電極との間に介装されるイオン固定層と、を備える。イオン固定層は、上記本発明のイオン成分共重合ポリマー材料を含む。以下に、本発明のトランスデューサの三つの実施形態を説明する。

【0034】

［第一実施形態］
図１に、本発明のトランスデューサの第一実施形態の断面模式図を示す。図１に示すように、トランスデューサ１は、誘電層１０と、アニオン固定層２０と、一対のプラス電極３０ａおよびマイナス電極３０ｂと、を備えている。誘電層１０は、水素化ニトリルゴム製である。アニオン固定層２０は、誘電層１０の下面に配置されている。マイナス電極３０ｂは、アニオン固定層２０の下面に配置されている。つまり、アニオン固定層２０は、誘電層１０とマイナス電極３０ｂとの間に介装されている。

【0035】

アニオン固定層２０は、アニオン（ＣＨ_２＝ＣＨＣＯＯ⁻）がアクリルポリマーに共重合されたアニオン共重合ポリマー材料からなる。アニオン共重合ポリマー材料は、アニオンと対になるカチオンとして、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムイオンを含んでいる。アニオン共重合ポリマー材料は、乳化重合により得られた共重合体から薄膜状に製造されている。アニオン固定層２０は、本発明のイオン固定層の概念に含まれる。

【0036】

アニオン固定層２０においては、隣接するマイナス電極３０ｂの極性と同じ電荷を持つアニオンが、アクリルポリマーに固定されている。したがって、一対の電極３０ａ、３０ｂ間に電圧を印加すると、フリーのイオン成分（カチオン）は、電極３０ｂ方向へ移動するが、アクリルポリマーに固定されたアニオンは、ほとんど移動しない。つまり、アニオン固定層中２０のアニオンは、誘電層１０へ移動しにくい。したがって、誘電層１０の電気抵抗を低下させることなく、一対の電極３０ａ、３０ｂ間に大きな静電引力を発生させることができる。また、アニオン固定層２０においては、アニオンが、金属酸化物粒子を介してではなく、直接アクリルポリマーに固定化されている。つまり、アニオン固定層２０は、金属酸化物粒子を含まない。このため、アニオン固定層２０は、柔軟である。したがって、トランスデューサ１によると、実用的な電圧範囲において、大きな変位量を得ることができる。

【0037】

［第二実施形態］
図２に、本発明のトランスデューサの第二実施形態の断面模式図を示す。図２中、図１と対応する部材については同じ符号で示す。図２に示すように、トランスデューサ１は、誘電層１０と、アニオン固定層２０と、カチオン固定層２１と、一対のプラス電極３０ａおよびマイナス電極３０ｂと、を備えている。本実施形態のトランスデューサの構成は、カチオン固定層２１を備えている点を除いて、第一実施形態のトランスデューサの構成と同じである。カチオン固定層２１は、誘電層１０の上面に配置されている。プラス電極３０ａは、カチオン固定層２１の上面に配置されている。つまり、カチオン固定層２１は、誘電層１０とプラスス電極３０ａとの間に介装されている。

【0038】

カチオン固定層２１は、カチオン（１−メチル−３−ビニルイミダゾリウムイオン）がアクリルポリマーに共重合されたカチオン共重合ポリマー材料からなる。カチオン共重合ポリマー材料は、カチオンと対になるアニオンとして、ベンゼンスルホン酸イオン（Ｃ₆Ｈ₅ＳＯ_３⁻）を含んでいる。カチオン共重合ポリマー材料は、乳化重合により得られた共重合体から薄膜状に製造されている。カチオン固定層２１は、本発明のイオン固定層の概念に含まれる。

【0039】

カチオン固定層２１においては、隣接するプラス電極３０ａの極性と同じ電荷を持つカチオンが、アクリルポリマーに固定されている。したがって、一対の電極３０ａ、３０ｂ間に電圧を印加すると、フリーのイオン成分（アニオン）は、電極３０ａ方向へ移動するが、アクリルポリマーに固定されたカチオンは、ほとんど移動しない。つまり、カチオン固定層中２１のカチオンは、誘電層１０へ移動しにくい。したがって、アニオン固定層２０およびカチオン固定層２１を誘電層１０に積層させることにより、誘電層１０の電気抵抗を低下させることなく、一対の電極３０ａ、３０ｂ間に大きな静電引力を発生させることができる。また、カチオン固定層２１においては、カチオンが、金属酸化物粒子を介してではなく、直接アクリルポリマーに固定化されている。つまり、カチオン固定層２１は、アニオン固定層２０と同様に、金属酸化物粒子を含まない。このため、カチオン固定層２１は、柔軟である。したがって、トランスデューサ１によると、実用的な電圧範囲において、大きな変位量を得ることができる。

【0040】

［第三実施形態］
本実施形態のトランスデューサと、第二実施形態のトランスデューサと、の相違点は、アニオン固定層のアニオン共重合ポリマー材料およびカチオン固定層のカチオン共重合ポリマー材料が、乳化重合により得られた共重合体から製造されているのではなく、ブラシ状に成長させた共重合体から製造されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。

【0041】

図３に、本発明のトランスデューサの第三実施形態の断面模式図を示す。図３中、図２と対応する部材については同じ符号で示す。図３に示すように、トランスデューサ１は、誘電層１０と、アニオン固定層２０と、カチオン固定層２１と、一対のプラス電極３０ａおよびマイナス電極３０ｂと、を備えている。

【0042】

アニオン固定層２０は、アニオン（ＣＨ_２＝ＣＨＣＯＯ⁻）がアクリルポリマーに共重合されたアニオン共重合ポリマー材料からなる。アニオン共重合ポリマー材料は、アニオンと対になるカチオンとして、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムイオンを含んでいる。アニオン共重合ポリマー材料は、誘電層１０の上面に、共重合体を上方に伸びるブラシ状に成長させて、製造されている。

【0043】

カチオン固定層２１は、カチオン（１−メチル−３−ビニルイミダゾリウムイオン）がアクリルポリマーに共重合されたカチオン共重合ポリマー材料からなる。カチオン共重合ポリマー材料は、カチオンと対になるアニオンとして、ベンゼンスルホン酸イオン（Ｃ₆Ｈ₅ＳＯ_３⁻）を含んでいる。カチオン共重合ポリマー材料は、誘電層１０の下面に、共重合体を下方に伸びるブラシ状に成長させて、製造されている。

【0044】

［イオン固定層］
柔軟性を向上させて印加電圧に対して変形しやすくするという観点から、イオン固定層の弾性率は、３ＭＰａ以下であるとよい。イオン固定層は、誘電層の厚さ方向両面のうちの少なくとも一方に積層される。例えば、第一実施形態のように、誘電層の厚さ方向一面のみにイオン固定層を積層して、トランスデューサを構成すればよい。あるいは、第二、第三実施形態のように、誘電層の厚さ方向両面にイオン固定層を積層して、トランスデューサを構成すればよい。誘電層の厚さ方向両面において電荷の供給を均一化するという観点から、第二、第三実施形態が望ましい。また、本発明のトランスデューサは、複数の誘電層を備えていてもよい。すなわち、誘電層と電極とを交互に積層させた積層構造を有していてもよい。この場合、少なくとも一つの誘電層−電極間に、イオン固定層を介装させればよい。

【0045】

イオン固定層は、本発明のイオン成分共重合ポリマー材料からなる薄膜の形態でも、ポリマーブラシの形態でもよい。後者の場合、イオン固定層が配置される側の誘電層の表面、あるいはイオン固定層が配置される側の電極の表面に、本発明のイオン成分共重合ポリマー材料を構成する共重合体を、ブラシ状に成長させればよい。イオン液体のカチオンおよびアニオンのうちの共重合されないイオン成分は、イオン成分共重合ポリマー材料中に、対イオンとして含まれる。

【0046】

イオン固定層は、本発明のイオン成分共重合ポリマー材料に加えて、エラストマーを含んでいてもよい。エラストマーは、架橋ゴムおよび熱可塑性エラストマーを含む。例えば、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、イソプレンゴム、天然ゴム、フッ素ゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体等が好適である。また、エポキシ化天然ゴム、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ＸＨ−ＮＢＲ）等のように、官能基を導入するなどして変性したエラストマーを用いてもよい。

【0047】

［誘電層］
誘電層は、ポリマー製である。「ポリマー製」とは、誘電層のベース材料が、ポリマー、すなわち樹脂またはエラストマーであることを意味する。よって、誘電層は、ポリマー以外に、添加成分を含んでいても構わない。誘電層のベース材料としては、伸縮性に優れるエラストマーが好適である。エラストマーは、架橋ゴムおよび熱可塑性エラストマーを含む。例えば、ＥＰＤＭ、イソプレンゴム、天然ゴム、フッ素ゴム、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ、シリコーンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体等が好適である。また、エポキシ化天然ゴム、ＸＨ−ＮＢＲ等のように、官能基を導入するなどして変性したエラストマーを用いてもよい。

【0048】

添加成分としては、絶縁性が高い無機フィラー等が挙げられる。無機フィラーを配合することにより、誘電層の体積抵抗率を大きくすることができる。無機フィラーとしては、例えば、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、チタン酸バリウム、炭酸カルシウム、クレー、焼成クレー、タルク等が挙げられる。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。例えば、後述する官能基の数が多く、比較的安価であるという理由から、シリカが好適である。また、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、チタン酸バリウムについては、有機金属化合物の加水分解反応（ゾルゲル法）により製造したものを用いてもよい。

【0049】

電子の流れを遮断して、より絶縁性を高くするためには、ポリマーと無機フィラーとが、化学結合されていることが望ましい。こうするためには、ポリマーおよび無機フィラーの両方が、互いに反応可能な官能基を有することが望ましい。官能基としては、水酸基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、無水マレイン酸基等が挙げられる。例えば、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム等のように、官能基を導入するなどして変性したエラストマーが好適である。また、無機フィラーにおいては、製造方法により、あるいは製造後に表面処理を施すことにより、官能基を導入したり、官能基の数を増加させることができる。官能基の数が多いほど、ポリマーと無機フィラーとの反応性が向上する。

【0050】

無機フィラーの配合割合は、誘電層の体積抵抗率等を考慮して、決定すればよい。例えば、ポリマーの１００質量部に対して、５質量部以上５０質量部以下とすることが望ましい。５質量部未満であると、電気抵抗を大きくする効果が小さい。反対に、５０質量部を超えると、誘電層が硬くなり、柔軟性が損なわれるおそれがある。

【0051】

誘電層の厚さは、成膜精度を確保して膜の欠陥を低減するという観点から、５μｍ以上であることが望ましい。一方、誘電層の厚さが大きくなると、駆動に大きな電圧が必要になりコスト高になる。このため、誘電層の厚さは、５０μｍ以下であることが望ましい。

【0052】

［電極］
本発明のトランスデューサにおいて、複数の電極は、誘電層およびイオン固定層に追従して変形可能であることが望ましい。このような電極は、バインダーおよび導電材を用いて形成することができる。伸縮しても電気抵抗が増加しにくい電極を形成するという観点から、バインダーとしては、エラストマーが好適である。エラストマーとしては、シリコーンゴム、ＮＢＲ、ＥＰＤＭ、天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリルゴム、ウレタンゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン等の架橋ゴム、およびスチレン系、オレフィン系、塩ビ系、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリアミド系等の熱可塑性エラストマーが挙げられる。また、エポキシ基変性アクリルゴム、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム等のように、官能基を導入するなどして変性したエラストマーを用いてもよい。

【0053】

導電材の種類は、特に限定されない。カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン等の導電性炭素粉末、銀、金、銅、ニッケル、ロジウム、パラジウム、クロム、チタン、白金、鉄、およびこれらの合金等の金属粉末等から、適宜選択すればよい。また、銀被覆銅粉末など、金属で被覆された粒子からなる粉末を用いてもよい。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。

【0054】

電極は、バインダーおよび導電材に加えて、必要に応じて分散剤、補強剤、可塑剤、老化防止剤、着色剤等の添加剤を含んでいてもよい。例えば、バインダーとしてエラストマーを用いる場合、当該エラストマー分のポリマーを溶剤に溶解したポリマー溶液に、導電材、必要に応じて添加剤を添加して、攪拌、混合することにより、導電塗料を調製することができる。調製した導電塗料を、誘電層あるいはイオン固定層の一面に直接塗布することにより、電極を形成すればよい。あるいは、離型性フィルムに導電塗料を塗布して電極を形成し、形成した電極を、誘電層あるいはイオン固定層の一面に転写してもよい。

【0055】

導電塗料の塗布方法としては、既に公知の種々の方法を採用することができる。例えば、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、パッド印刷、リソグラフィー等の印刷法の他、ディップ法、スプレー法、バーコート法等が挙げられる。例えば、印刷法を採用すると、塗布する部分と塗布しない部分との塗り分けを、容易に行うことができる。また、大きな面積、細線、複雑な形状の印刷も容易である。印刷法の中でも、高粘度の塗料が使用でき、塗膜厚さの調整が容易であるという理由から、スクリーン印刷法が好適である。

【0056】

［製造方法］
本発明のトランスデューサは、以下の方法により製造することができる。第一の製造方法としては、まず、誘電層を、エラストマーの架橋前ポリマー等の原料を所定の溶剤中に溶解した溶液を基材上に塗布し、塗膜を加熱して架橋させることにより製造する。次に、本発明のイオン成分共重合ポリマー材料を含むイオン固定層を製造する。そして、誘電層とイオン固定層とを積層して、積層体を製造する。最後に、積層体の厚さ方向両面に電極を形成する。

【0057】

第二の方法としては、まず、所定の原料から、誘電層を製造するための未架橋の予備成形体を製造する。次に、本発明のイオン成分共重合ポリマー材料を製造するための共重合体を製造する。そして、金型中に、未架橋の予備成形体と、必要に応じてエラストマーの架橋前ポリマーをブレンドした共重合体と、を積層し、プレス架橋することにより積層体を製造する。最後に、積層体の厚さ方向両面に電極を形成する。

【0058】

第三の方法としては、まず、誘電層および電極を製造する。次に、誘電層または電極の表面に、本発明のイオン成分共重合ポリマー材料を構成する共重合体をブラシ状に成長させる。ブラシの形成は、重合開始点を有するラジカル重合開始剤を基材の表面に固定した後、ニトロキシドラジカル重合、原子移動ラジカル重合、可逆的付加開裂連鎖移動重合等を用いて行えばよい。その後、誘電層と電極とを、形成されたイオン固定層を挟むようにして積層すればよい。

【実施例】

【0059】

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

【0060】

＜イオン成分共重合ポリマー材料の製造＞
［アニオン共重合ポリマー材料］
アニオンがポリマーに共重合されたアニオン共重合ポリマー材料を二種類製造した。

【0061】

（１）実施例Ａ
まず、精製水１６７ｇおよび非イオン性界面活性剤２ｇ（三洋化成工業（株）製「ナロアクティー（登録商標）ＣＬ−１２０」）を三つ口フラスコに入れ、羽根付き撹拌機で撹拌した。そこへ、アクリル酸ブチル８０ｇ、アクリル酸５ｇ、およびイオン液体１５ｇを加えて、アルゴンバブリングを３０分間行った。それから、過硫酸アンモニウム０．１ｇを加えて７０℃に昇温し、４時間撹拌することにより乳化重合を行った。得られた液を室温まで放冷した後、金網でろ過した。ろ液を精製水、アセトンで洗浄し、６０℃で５時間、減圧乾燥を行って共重合体を得た。イオン液体としては、アクリル酸イオン（ＣＨ_２＝ＣＨＣＯＯ⁻）と、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムイオンと、からなるイオン液体を使用した。当該イオン液体のイオン対間の相互作用エネルギーは、９６ｋｃａｌ／ｍｏｌである。共重合の反応式を次式（２）に示す。

【化1】

【0062】

得られた共重合体をエタノールに溶解したポリマー溶液に、架橋剤としてテトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンを添加して、混合液を調製した。架橋剤は、共重合体の１００質量部に対して５質量部添加した。調製した混合液を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で６０分間加熱することにより架橋して、厚さ５μｍの薄膜状のアニオン共重合ポリマー材料を製造した。

【0063】

（２）実施例Ｂ
まず、精製水１６７ｇおよび非イオン性界面活性剤２ｇ（同上）を三つ口フラスコに入れ、羽根付き撹拌機で撹拌した。そこへ、アクリル酸ブチル８０ｇ、アクリロニトリル１０ｇ、アクリル酸５ｇ、および実施例Ａと同じイオン液体５ｇを加えて、アルゴンバブリングを３０分間行った。それから、過硫酸アンモニウム０．３ｇを加えて７５℃に昇温し、５時間撹拌することにより乳化重合を行った。得られた液を室温まで放冷した後、メタノール、ヘキサン、精製水で洗浄し、６０℃で５時間、減圧乾燥を行って共重合体を得た。共重合の反応式を次式（３）に示す。

【化2】

【0064】

得られた共重合体をＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）に溶解したポリマー溶液に、架橋剤としてテトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンを添加して、混合液を調製した。架橋剤は、共重合体の１００質量部に対して５質量部添加した。調製した混合液を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で６０分間加熱することにより架橋して、厚さ５μｍの薄膜状のアニオン共重合ポリマー材料を製造した。

【0065】

［カチオン共重合ポリマー材料］
カチオンがポリマーに共重合されたカチオン共重合ポリマー材料を一種類製造した。

【0066】

（１）実施例Ｃ
まず、精製水１６７ｇおよび非イオン性界面活性剤２ｇ（同上）を三つ口フラスコに入れ、羽根付き撹拌機で撹拌した。そこへ、アクリル酸ブチル８０ｇ、アクリル酸５ｇ、およびイオン液体１５ｇを加えて、アルゴンバブリングを３０分間行った。それから、過硫酸アンモニウム０．１ｇを加えて７０℃に昇温し、４時間撹拌することにより乳化重合を行った。得られた液を室温まで放冷した後、金網でろ過した。ろ液を精製水、アセトンで洗浄し、６０℃で５時間、減圧乾燥を行って共重合体を得た。イオン液体としては、１−メチル−３−ビニルイミダゾリウムイオンと、ベンゼンスルホン酸イオン（Ｃ₆Ｈ₅ＳＯ_３⁻）と、からなるイオン液体を使用した。当該イオン液体のイオン対間の相互作用エネルギーは、８８ｋｃａｌ／ｍｏｌである。共重合の反応式を次式（４）に示す。

【化3】

【0067】

得られた共重合体をＤＭＦに溶解したポリマー溶液に、架橋剤としてテトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンを添加して、混合液を調製した。架橋剤は、共重合体の１００質量部に対して５質量部添加した。調製した混合液を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で６０分間加熱することにより架橋して、厚さ５μｍの薄膜状のカチオン共重合ポリマー材料を製造した。

【0068】

＜アクチュエータの製造＞
誘電層と表側ポリマー層、裏側ポリマー層とを積層して三層の積層体を作製し、積層体の厚さ方向両面に電極を形成して、アクチュエータを製造した。

【0069】

［誘電層］
次のようにして、誘電層を製造した。まず、有機金属化合物のテトラｉ−プロポキシチタン０．０１ｍｏｌに、アセチルアセトン０．０２ｍｏｌを加えてキレート化した。このキレート化物に、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）０．０８３ｍｏｌ、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）０．１３９ｍｏｌ、および水０．０４ｍｏｌを添加して、ＴｉＯ_２粒子のゾルを得た。得られたゾルを、４０℃下で２時間静置して、エージング処理した。製造したゾルを、ＴｉＯ_２ゾルと称す。

【0070】

ＴｉＯ_２ゾルの製造において、テトラｉ−プロポキシチタンのキレート化物に、ジルコニウムアルコキシドの０．００５ｍｏｌにアセチルアセトン０．０１ｍｏｌを加えてキレート化したキレート化物を添加した。その後、ＩＰＡ、ＭＥＫ、および水を添加して、ＴｉＯ_２／ＺｒＯ_２複合粒子のゾルを得た。得られたゾルを、４０℃下で２時間静置して、エージング処理した。製造したゾルを、ＴｉＯ_２／ＺｒＯ_２ゾルと称す。

【0071】

次に、カルボキシル基変性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」）を、アセチルアセトンに溶解して、固形分濃度が１２質量％のポリマー溶液を調製した。調製したポリマー溶液１００質量部に、ＴｉＯ_２ゾル２０．５７質量部およびＴｉＯ_２／ＺｒＯ_２ゾル１４．３５質量部を混合し、さらに架橋剤として、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンのアセチルアセトン溶液（濃度２０質量％）を３質量部添加して、混合液を調製した。調製した混合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、誘電層を得た。誘電層の厚さは５μｍである。

【0072】

［実施例１のアクチュエータ］
誘電層の厚さ方向一面に、表側ポリマー層として、実施例Ｃのカチオン共重合ポリマー材料を配置し、誘電層の厚さ方向他面に、裏側ポリマー層として、実施例Ａのアニオン共重合ポリマー材料を配置して、三層の積層体を作製した。また、アクリルゴムポリマー溶液にカーボンブラックを混合、分散させて導電塗料を調製した。そして、導電塗料を、作製した積層体の厚さ方向両面（表側ポリマー層および裏側ポリマー層の表面）にスクリーン印刷して、電極を形成した。このようにして、実施例１のアクチュエータを製造した。実施例１のアクチュエータの表側ポリマー層（カチオン固定層）、裏側ポリマー層（アニオン固定層）は、本発明のイオン固定層の概念に含まれる。実施例１のアクチュエータは、本発明のトランスデューサの概念に含まれる。

【0073】

［比較例１のアクチュエータ］
誘電層の厚さ方向一面に、表側ポリマー層として、カチオン固定粒子を含有するカチオン固定層を配置し、誘電層の厚さ方向他面に、裏側ポリマー層として、アニオン固定粒子を含有するアニオン固定層を配置して、三層の積層体を作製した。そして、積層体の厚さ方向両面に、実施例１と同様に電極を形成した。このようにして、比較例１のアクチュエータを製造した。

【0074】

（１）カチオン固定層の製造
まず、有機金属化合物のテトラｉ−プロポキシチタン０．０１ｍｏｌに、アセチルアセトン０．０２ｍｏｌを加えてキレート化した。次に、得られたキレート化物に、実施例Ｃのカチオン共重合ポリマー材料の製造に使用したイオン液体（１−メチル−３−ビニルイミダゾリウムイオンと、ベンゼンスルホン酸イオン（Ｃ₆Ｈ₅ＳＯ_３⁻）と、からなるイオン液体、上記式（４）参照）２．７１ｍｍｏｌ、ＩＰＡ５ｍｌ（０．０８３ｍｏｌ）、ＭＥＫ１０ｍｌ（０．１３９ｍｏｌ）、および水０．０４ｍｏｌを添加して、カチオンが固定されたＴｉＯ_２粒子（カチオン固定粒子）、およびアニオンを含むゾルを得た。そして、得られたゾルを、４０℃下で２時間静置して、エージング処理した。

【0075】

次に、エージング後のゾル２０質量部と、誘電層の製造に用いた、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴムをアセチルアセトンに溶解したポリマー溶液１００質量部と、を混合し、さらに架橋剤として、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンのアセチルアセトン溶液（濃度２０質量％）を５質量部添加して、混合液を調製した。そして、調製した混合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、カチオン固定層を得た。カチオン固定層の厚さは５μｍである。

【0076】

（２）アニオン固定層の製造
イオン液体の種類を、実施例Ａのアニオン共重合ポリマー材料の製造に使用したイオン液体（アクリル酸イオン（ＣＨ_２＝ＣＨＣＯＯ⁻）と、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムイオンと、からなるイオン液体、上記式（２）参照）に変更した以外は、上記カチオン固定層と同様にして、アニオン固定層を製造した。製造過程で得られたゾルは、アニオンが固定されたＴｉＯ_２粒子（アニオン固定粒子）、およびカチオンを含む。

【0077】

［比較例２のアクチュエータ］
誘電層に積層される表側ポリマー層、裏側ポリマー層として、イオン成分を含まないポリマー層を配置して、三層の積層体を作製した。そして、積層体の厚さ方向両面に、実施例１と同様に電極を形成した。このようにして、比較例２のアクチュエータを製造した。イオン成分を含まないポリマー層は、次のように製造した。

【0078】

まず、精製水１００ｇおよび非イオン性界面活性剤１ｇ（同上）を三つ口フラスコに入れ、羽根付き撹拌機で撹拌した。そこへ、アクリル酸ブチル９５ｇ、アクリル酸５ｇ、および過硫酸アンモニウム０．１ｇを加えて、アルゴンバブリングを３０分間行った。それから、７０℃に昇温し、５時間撹拌することにより乳化重合を行った。得られた液を室温まで放冷した後、メタノール、ヘキサンで洗浄し、６０℃で５時間、減圧乾燥を行った。さらに、精製水で洗浄し、再度、６０℃で５時間、減圧乾燥を行うことにより、共重合体を得た。得られた共重合体をアセチルアセトンとエタノールとの混合溶媒（アセチルアセトン：エタノール＝９０：１０（質量％））に溶解したポリマー溶液に、架橋剤としてテトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンを添加して、混合液を調製した。架橋剤は、共重合体の１００質量部に対して５質量部添加した。調製した混合液を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で６０分間加熱することにより架橋して、厚さ５μｍの薄膜状のポリマー層を製造した。

【0079】

表１に、製造したアクチュエータにおける積層体の構成、各層の弾性率、および８００Ｖの電圧印加時の変位率を示す。弾性率については、ＪＩＳ Ｋ６２５４：２０１０に準じて引張試験を行い、２５％歪みの静的せん断弾性率を測定した。測定には、短冊状１号形の試験片を用い、引張速度は１００ｍｍ／ｍｉｎとした。変位率の測定方法については、後述する。

【表1】

【0080】

表１に示すように、実施例１のアクチュエータを構成する表側ポリマー層および裏側ポリマー層は、金属酸化物粒子（カチオン固定粒子、アニオン固定粒子）を含まない。したがって、実施例１のアクチュエータを構成する表側ポリマー層および裏側ポリマー層の弾性率は、比較例１のアクチュエータを構成する表側ポリマー層および裏側ポリマー層の弾性率と比較して、小さいことが確認された。

【0081】

＜アクチュエータの評価＞
作製した三種類のアクチュエータについて、印加電圧に対する変位率を測定した。まず、測定装置および測定方法について説明する。図４に、測定装置に取り付けられた実施例１のアクチュエータの表側正面図を示す。図５に、図４のＶ−Ｖ断面図を示す。

【0082】

図４、図５に示すように、アクチュエータ５の上端は、測定装置における上側チャック５２により把持されている。アクチュエータ５の下端は、下側チャック５３により把持されている。上側チャック５２の上方には、ロードセル（図略）が配置されている。

【0083】

アクチュエータ５は、積層体５０と一対の電極５１ａ、５１ｂとからなる。積層体５０は、自然状態で、縦３０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ１５μｍの矩形板状を呈している。積層体５０は、誘電層５００と、表側ポリマー層５０１と、裏側ポリマー層５０２と、からなる。表側ポリマー層５０１は、誘電層５００の表面の全体を覆うように、配置されている。同様に、裏側ポリマー層５０２は、誘電層５００の裏面の全体を覆うように、配置されている。電極５１ａ、５１ｂは、積層体５０を挟んで表裏方向に対向するよう配置されている。電極５１ａ、５１ｂは、自然状態で、各々、縦２９ｍｍ、横１５ｍｍ、厚さ５μｍの矩形板状を呈している。電極５１ａ、５１ｂは、上下方向に１ｍｍずれた状態で配置されている。つまり、電極５１ａ、５１ｂは、積層体５０を介して、縦２８ｍｍ、横１５ｍｍの範囲で重なっている。電極５１ａの下端には、配線（図略）が接続されている。同様に、電極５１ｂの上端には、配線（図略）が接続されている。電極５１ａ、５１ｂは、各々の配線を介して、電源（図略）に接続されている。電圧印加時には、電極５１ａがプラス極、電極５１ｂがマイナス極になる。

【0084】

アクチュエータ５を、上下方向に２５％延伸した状態で９０秒静置する。それから、電極５１ａ、５１ｂ間に電圧を印加する。すると、電極５１ａ、５１ｂ間に静電引力が生じて、積層体５０を圧縮する。これにより、積層体５０の厚さは薄くなり、延伸方向（上下方向）に伸長する。積層体５０の伸長により、上下方向の延伸力は減少する。電圧印加時に減少した延伸力を、ロードセルにより測定して、発生力とした。そして、測定された発生力と、積層体５０の弾性率と、に基づいて、次式（５）により変位率を算出した。
変位率（％）＝発生力（ＭＰａ）／弾性率（ＭＰａ）×１／２×１００・・・（５）
次に、測定結果を説明する。図６に、各アクチュエータにおける電圧と変位率との関係を示す。図６に示すように、同じ電圧値で比較した場合、実施例１のアクチュエータの方が、比較例１、２のアクチュエータよりも、変位率が大きくなった。前出表１に示すように、例えば印加電圧８００Ｖの時の変位率は、実施例１のアクチュエータでは８．６％、比較例１のアクチュエータでは６％であった。以上より、本発明のイオン成分共重合ポリマーからなるイオン固定層を誘電層に積層することにより、より大きな変位量が得られることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0085】

本発明のトランスデューサは、機械エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うアクチュエータ、センサ、発電素子等、あるいは音響エネルギーと電気エネルギーとの変換を行うスピーカ、マイクロフォン、ノイズキャンセラ等として、広く用いることができる。なかでも、産業、医療、福祉ロボットやアシストスーツ等に用いられる人工筋肉、電子部品冷却用や医療用等の小型ポンプ、および医療用器具等に用いられる柔軟なアクチュエータとして、好適である。

【符号の説明】

【0086】

１：トランスデューサ、１０：誘電層、２０：アニオン固定層、２１：カチオン固定層、３０ａ：プラス電極、３０ｂ：マイナス電極。
５：アクチュエータ、５０：積層体、５１ａ、５１ｂ：電極、５２：上側チャック、５３：下側チャック、５００：誘電層、５０１：表側ポリマー層、５０２：裏側ポリマー層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】