(57)【要約】  トランスデューサの誘電層としての高抵抗層に接して形成されるイオン含有層に含まれ、電圧印加時に高抵抗層への移動が抑えられるイオン成分としての反応性イオン液体を提供する。  以下のアニオン成分とカチオン成分のイオン対よりなる反応性イオン液体とする。ただし、（ａ）アニオン成分は、（ａ１）反応性基としてアルコキシシリル基を有する。（ａ２）アニオン基としてカルボキシレート基（−ＣＯＯ−基）またはスルホネート基（−ＳＯ３−基）を有する。（ｂ）カチオン成分は、（ｂ１）イミダゾリウムカチオン、アンモニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、モルホリニウムカチオン、ホスホニウムカチオンのいずれかよりなる。（ｂ２）Ｎ−Ｈ基またはＰ−Ｈ基を有さない。
2013146357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下のアニオン成分とカチオン成分のイオン対よりなることを特徴とする反応性イオン液体。
（ａ）アニオン成分
（ａ１）反応性基としてアルコキシシリル基を有する
（ａ２）アニオン基としてカルボキシレート基（−ＣＯＯ−基）またはスルホネート基（−ＳＯ３−基）を有する
（ｂ）カチオン成分
（ｂ１）イミダゾリウムカチオン、アンモニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、モルホリニウムカチオン、ホスホニウムカチオンのいずれかよりなる
（ｂ２）Ｎ−Ｈ基またはＰ−Ｈ基を有さない
【請求項２】
前記アニオン成分が、下記の一般式（１）または（２）に記載の構造よりなることを特徴とする請求項１に記載の反応性イオン液体。
【化１】
2013146357.tif 000032
【化２】
2013146357.tif 000033
式（１）において、Ｒ１〜Ｒ３は、直鎖状または分鎖状のアルキル基を示す。式（２）において、Ｒ４〜Ｒ７は、直鎖状または分鎖状のアルキル基を示す。
【請求項３】
前記カチオン成分が、下記の一般式（３）〜（６）のいずれかに記載の構造よりなることを特徴とする請求項１または２に記載の反応性イオン液体。
【化３】
2013146357.tif 000034
【化４】
2013146357.tif 000035
【化５】
2013146357.tif 000036
【化６】
2013146357.tif 000037
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の反応性イオン液体のアニオン成分が、前記反応性基によるシラノール基を介して金属酸化物粒子に固定化されていることを特徴とするイオン固定化金属酸化物粒子。
【請求項５】
請求項４に記載のイオン固定化金属酸化物粒子が、該イオン固定化金属酸化物粒子に含まれる水酸基と反応可能な官能基を有するエラストマーに、前記イオン固定化金属酸化物粒子の水酸基と前記エラストマーの官能基との反応により固定化されていることを特徴とするイオン固定化エラストマー。
【請求項６】
エラストマーを含み体積抵抗率が１０１２Ω・ｃｍ以上の高抵抗誘電層と、該高抵抗誘電層の表裏両側に配置される一対の電極と、を備えたトランスデューサであって、
前記高抵抗誘電層とマイナス電極との間に、請求項５に記載のイオン固定化エラストマーで形成されたイオン固定化誘電層が介装されていることを特徴とするトランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応性イオン液体およびこれを用いたイオン固定化金属酸化物粒子、イオン固定化エラストマーならびにトランスデューサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トランスデューサには、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ある。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膜の厚さ方向両面に、一対の電極を配置して、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では、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厚さ方向から圧縮され、誘電膜の厚さは薄くなる。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、誘電膜に対する厚さ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、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。【０００４】
アクチュエータから取り出される力および変位量を大きくするという観点から、誘電膜は、以下の特性を有することが望ましい。すなわち、電圧印加時に、誘電膜の内部に多くの電荷を蓄えられるように比誘電率が大きいこと、高電界に耐えられるように耐絶縁破壊性に優れること、繰り返し伸縮可能なように柔軟性が高いこと、等である。したがって、誘電膜の材料としては、耐絶縁破壊性に優れるシリコーンゴムや、比誘電率が大きいアクリルゴム、ニトリルゴム等が用いられることが多い（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００３−５０６８５８号公報
【特許文献２】特表２００１−５２４２７８号公報
【特許文献３】特開２０１１−２０１１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、シリコーンゴムは、シロキサン結合を骨格とする。このため、電気抵抗が大きい。よって、シリコーンゴムからなる誘電膜は、大きな電圧を印加しても絶縁破壊しにくい。しかしながら、シリコーンゴムの極性は小さい。つまり、比誘電率が小さい。このため、シリコーンゴムからなる誘電膜を用いてアクチュエータを構成した場合には、印加電圧に対する静電引力が小さい。よって、実用的な電圧により、所望の力および変位量を得ることができない。【０００７】
一方、アクリルゴムやニトリルゴムの比誘電率は、シリコーンゴムの比誘電率よりも大きい。このため、誘電膜の材料にアクリルゴム等を用いると、印加電圧に対する静電引力が、シリコーンゴムを用いた場合と比較して大きくなる。しかしながら、アクリルゴム等の電気抵抗は、シリコーンゴムと比較して小さい。このため、誘電膜が絶縁破壊しやすい。また、電圧印加時に電流が誘電膜中を流れてしまい（いわゆる漏れ電流）、誘電膜と電極との界面付近に電荷が溜まりにくい。したがって、比誘電率が大きいにも関わらず、静電引力が小さくなり、充分な力および変位量を得ることができない。さらに、電流が誘電膜中を流れると、発生するジュール熱により、誘電膜が破壊されるおそれがある。【０００８】
このように、一つの材料により、発生力と耐絶縁破壊性とを満足する誘電膜を実現することは、難しい。そこで、複数の材料により、発生力と耐絶縁破壊性とを満足する誘電膜を実現することが検討されている。【０００９】
例えば特許文献３には、誘電膜の構成として、エラストマーとイオン成分とを含むイオン含有層と、エラストマーを含み該イオン含有層よりも大きな体積抵抗率を有する高抵抗層と、が積層されてなるものが提案されている。【００１０】
しかしながら、特許文献３に記載の技術においては、イオン含有層のイオンが高抵抗層に移動しやすいため、高抵抗層の絶縁破壊が生じるおそれがある。したがって、このような構成においては、イオン含有層のイオンが高抵抗層に移動しないような方策が求められる。【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、トランスデューサの誘電層としての高抵抗層に接して形成されるイオン含有層に含まれ、電圧印加時に高抵抗層への移動が抑えられるイオン成分としての反応性イオン液体を提供することにある。また、これを用いたイオン固定化金属酸化物粒子、イオン固定化エラストマーならびにトランスデューサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明に係る反応性イオン液体は、以下のアニオン成分とカチオン成分のイオン対よりなることを要旨とするものである。
（ａ）アニオン成分
（ａ１）反応性基としてアルコキシシリル基を有する
（ａ２）アニオン基としてカルボキシレート基（−ＣＯＯ−基）またはスルホネート基（−ＳＯ３−基）を有する
（ｂ）カチオン成分
（ｂ１）イミダゾリウムカチオン、アンモニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、モルホリニウムカチオン、ホスホニウムカチオンのいずれかよりなる
（ｂ２）Ｎ−Ｈ基またはＰ−Ｈ基を有さない【００１３】
ここで、アニオン成分としては、下記の一般式（１）または（２）に記載の構造よりなるものを好適なものとして示すことができる。
【化１】
2013146357.tif 000003
【化２】
2013146357.tif 000004
式（１）において、Ｒ１〜Ｒ３は、直鎖状または分鎖状のアルキル基を示す。式（２）において、Ｒ４〜Ｒ７は、直鎖状または分鎖状のアルキル基を示す。【００１４】
また、カチオン成分としては、下記の一般式（３）〜（６）のいずれかに記載の構造よりなるものを好適なものとして示すことができる。
【化３】
2013146357.tif 000005
【化４】
2013146357.tif 000006
【化５】
2013146357.tif 000007
【化６】
2013146357.tif 000008
【００１５】
そして、本発明に係るイオン固定化金属酸化物粒子は、上記の反応性イオン液体のアニオン成分が、上記の反応性基によるシラノール基を介して金属酸化物粒子に固定化されていることを要旨とするものである。【００１６】
また、本発明に係るイオン固定化エラストマーは、上記のイオン固定化金属酸化物粒子が、イオン固定化金属酸化物粒子に含まれる水酸基と反応可能な官能基を有するエラストマーに、イオン固定化金属酸化物粒子の水酸基とエラストマーの官能基との反応により固定化されていることを要旨とするものである。【００１７】
さらに、本発明に係るトランスデューサは、エラストマーを含み体積抵抗率が１０１２Ω・ｃｍ以上の高抵抗誘電層と、該高抵抗誘電層の表裏両側に配置される一対の電極と、を備えたトランスデューサであって、高抵抗誘電層とマイナス電極との間に、請求項５に記載のイオン固定化エラストマーで形成されたイオン固定化誘電層が介装されていることを要旨とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る反応性イオン液体によれば、アニオン成分に反応性基としてアルコキシシリル基を有することから、水酸基を有する金属酸化物粒子にアニオン成分を固定化することができる。この反応性イオン液体のアニオン成分が固定化された金属酸化物粒子は、水酸基と反応可能な官能基を有するエラストマーに、イオン固定化金属酸化物粒子の水酸基とエラストマーの官能基との反応により固定化することができる。これにより、反応性イオン液体のアニオン成分が金属酸化物粒子を介して固定化されたエラストマーを得ることができる。このエラストマーには、反応性イオン液体のアニオン成分が固定化されているため、トランスデューサの誘電層としての高抵抗層に接して形成されるイオン含有層をこのエラストマーで形成することにより、イオン含有層のイオンが高抵抗層に移動するのを抑えることができる。これにより、高抵抗層が絶縁破壊するのを抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るトランスデューサの断面模式図である。
【図２】図１のトランスデューサの電圧印加時における断面模式図である。
【図３】測定装置に取り付けられたアクチュエータの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明について詳細に説明する。
【００２１】
本発明に係る反応性イオン液体は、特定のアニオン成分と、特定のカチオン成分と、のイオン対よりなるものである。
【００２２】
反応性イオン液体のアニオン成分は、反応性基としてアルコキシシリル基（−Ｓｉ（ＯＲ）３）を有する。また、アニオン基としてカルボキシレート基（−ＣＯＯ−基）またはスルホネート基（−ＳＯ３−基）を有する。
【００２３】
反応性イオン液体のアニオン成分は、反応性基としてアルコキシシリル基を有するため、水酸基を有する化合物などと容易に反応してシラノール結合を形成する。したがって、反応性イオン液体のアニオン成分は、反応性基を有することにより、水酸基を有する金属酸化物粒子にシラノール基を介して固定化することができる。
【００２４】
反応性イオン液体のアニオン成分は、上記の反応性基およびアニオン基を有していれば良いが、反応性基の反応性を高めるなどの観点から、芳香環などの立体障害となりやすい置換基を有さないことが好ましい。また、反応性基の反応性を高めるなどの観点から、分子量が小さいことが好ましい。同時に、電子吸引性を有する元素（酸素原子等）がアニオン電荷を弱め、カチオンとの結合性を弱くするため、イオン的挙動を強く示す。アニオン成分の分子量の上限としては、５００以下であることが好ましい。より好ましくは４５０以下、さらに好ましくは４００以下である。アニオン成分の分子量の下限は、特に限定されるものではないが、電荷を維持するなどの観点から、２５０以上であることが好ましい。
【００２５】
このようなアニオン成分の好適な例としては、下記の一般式（１）または（２）に記載の構造よりなるものを示すことができる。
【化７】
2013146357.tif 000009
【化８】
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【００２６】
式（１）において、Ｒ１〜Ｒ３は、直鎖状または分鎖状のアルキル基を示す。アルキル基の炭素数としては、１〜４の範囲内であることが好ましい。また、式（２）において、Ｒ４〜Ｒ７は、直鎖状または分鎖状のアルキル基を示す。アルキル基の炭素数としては、１〜４の範囲内であることが好ましい。
【００２７】
そして、式（１）のアニオン成分のより具体的なものとしては、例えば式（７）のものなどが挙げられる。また、式（２）のアニオン成分のより具体的なものとしては、式（８）のものなどが挙げられる。これらのうちでは、より分子量の小さい式（７）のアニオン成分を有する反応性イオン液体が、比較的反応性に優れる点で好ましい。
【化９】
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【化１０】
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【００２８】
反応性イオン液体のカチオン成分は、イミダゾリウムカチオン、アンモニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、モルホリニウムカチオン、ホスホニウムカチオンのいずれかよりなるものである。そして、Ｎ−Ｈ基またはＰ−Ｈ基を有さないものである。
【００２９】
Ｎ−Ｈ基を有さないイミダゾリウムとしては、１，３−ジアルキルイミダゾリウムや、１，２，３−トリアルキルイミダゾリウムなどが挙げられる。Ｎ−Ｈ基を有さないアンモニウムとしては、第四級アンモニウムが挙げられる。Ｎ−Ｈ基を有さないピロリジニウムとしては、１，１−ジアルキルピロリジニウムなどが挙げられる。Ｎ−Ｈ基を有さないモルホリニウムとしては、１−アルキルモルホリニウムなどが挙げられる。Ｐ−Ｈ基を有さないホスホニウムとしては、第四級ホスホニウムが挙げられる。
【００３０】
イミダゾリウムカチオン、アンモニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、モルホリニウムカチオンにおいて、Ｎ−Ｈ基を有すると、イオンが解離しにくく、イオン的挙動を示さないため、イオン液体として機能することができない。また、ホスホニウムカチオンにおいても、Ｐ−Ｈ基を有すると、イオンが解離しにくく、イオン的挙動を示さないため、イオン液体として機能することができない。
【００３１】
このようなカチオン成分の好適な例としては、下記の一般式（３）〜（６）のいずれかに記載の構造よりなるものを示すことができる。これらのうちでは、式（４）〜（６）のカチオン成分を有する反応性イオン液体が、比較的反応性に優れる点で好ましい。
【化１１】
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【化１２】
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【化１３】
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【化１４】
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【００３２】
本発明に係る反応性イオン液体は、例えば、酸エステル法あるいはアニオン交換方法によりイオン液体モノマーを合成し、得られたイオン液体モノマーとアルコキシシリル基を有するチオール化合物とのエン−チオール反応により合成することができる。エン−チオール反応は、効率的で副反応の少ない反応方法である。また、白金などの金属触媒を用いるものではないため、金属の残留によるトランスデューサなどの製品の性能への影響のおそれがない。
【００３３】
酸エステル法は、炭酸エステルをアニオン成分とするイオン液体にカルボン酸あるいはスルホン酸構造を有するモノマーを反応させることにより、アニオン成分がモノマーに置き換わる方法である。アニオン交換方法は、ハロゲンをアニオン成分とするイオン液体にカルボン酸あるいはスルホン酸構造を有するモノマーを反応させることにより、アニオン成分がモノマーに置き換わる方法である。モノマー側がナトリウム塩、カリウム塩の場合でも、同様のアニオン交換法を用いることが可能である。
【００３４】
カルボン酸構造を有するモノマーとしてアクリル酸を例に挙げて、酸エステル法を用いてイオン液体モノマーを合成する例を反応式１に示す。また、アニオン交換法を用いてイオン液体モノマーを合成する例を反応式３に示す。そして、アルコキシシリル基を有するチオール化合物として３−メルカプトプロピルトリメトキシシランを例に挙げて、得られたイオン液体モノマーを用いてエン−チオール反応により反応性イオン液体を合成する例を反応式２に示す。
【００３５】
【化１５】
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【００３６】
反応式１では、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム炭酸水素塩（化合物（９））とアクリル酸（化合物（１０））とからイオン液体モノマー（化合物（１１））が得られる。反応式３では、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムクロリド（化合物（１４））とアクリル酸（化合物（１０））とからイオン液体モノマー（化合物（１１））が得られる。反応式２では、イオン液体モノマー（化合物（１１））と３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン（化合物（１２））とから反応性イオン液体（化合物（１３））が得られる。
【００３７】
反応式１の酸エステル法においては、上記の例に限られず、炭酸エステルをアニオン成分とする各種イオン液体を用いることができる。また、反応式１の酸エステル法においては、上記の例に限られず、カルボン酸あるいはスルホン酸構造を有する各種モノマーを用いることができる。
【００３８】
反応式１の酸エステル法において、化合物（９）に代えて用いることができる、炭酸エステルをアニオン成分とするイオン液体としては、１，３−ジメチルイミダゾリウム炭酸水素塩、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム炭酸水素塩、１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム炭酸水素塩、1−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム炭酸メチル塩、トリエチルメチルアンモニウム炭酸メチル塩、トリブチルメチルアンモニウム炭酸メチル塩、トリブチルメチルホスホニウム炭酸メチル塩、１−ブチル−１−メチルピロリジニウム炭酸メチル塩、１−エチル−１−メチルピペリジニウム炭酸メチル塩、４−エチル−４−メチルモルフォリニウム炭酸メチル塩(メタノール／水混合溶液品)などが挙げられる。
【００３９】
反応式１の酸エステル法において、化合物（１０）に代えて用いることができる、カルボン酸あるいはスルホン酸構造を有するモノマーとしては、メタクリル酸、３−ブテン酸、４−ペンテン酸、５−ヘキセン酸、２−デセン酸、３−デセン酸、９−デセン酸、１０−ウンデセン酸、３，７−ジメチル−６−オクテン酸、２−メチル−４−ペンテン酸、３−シクロペンテン−１−カルボン酸、プロピオール酸、 ２−ブチン酸、２−ヒドロキシ−３−ブチン酸、５−ヘキシン酸、１０−ウンデシン酸、ビニルスルホン酸、ビニルホスホン酸などが挙げられる。
【００４０】
また、反応式３のアニオン交換法においては、上記の例に限られず、ハロゲンをアニオン成分とする各種イオン液体を用いることができる。また、反応式３のアニオン交換法においては、上記の例に限られず、カルボン酸あるいはスルホン酸構造を有する各種モノマーを用いることができる。
【００４１】
反応式３のアニオン交換法において、化合物（１４）に代えて用いることができる、カルボン酸あるいはスルホン酸構造を有するモノマーとしては、反応式１の酸エステル法において、化合物（１０）に代えて用いることができるものとして挙げられたものが挙げられる。
【００４２】
反応式３のアニオン交換法において、化合物（１４）に代えて用いることができる、ハロゲンをアニオン成分とするイオン液体としては、塩化１−ブチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、ヨウ化１−ブチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、臭化１−エチル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、臭化１−ヘキシル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、塩化１−ヘキシル−２，３−ジメチルイミダゾリウム、臭化１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、塩化１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、ヨウ化１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム、塩化1，３−ジメチルイミダゾリウム、ヨウ化１，3−ジメチルイミダゾリウム、ヨウ化１，２−ジメチル３−プロピルイミダゾリウム、臭化１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、塩化１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、ヨウ化１−エチル−３−メチルイミダゾリウム、臭化１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウム、塩化１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウム、ヨウ化１−ヘキシル−３−メチルイミダゾリウム、塩化１−ヘキサデシル−３−メチルイミダゾリウム、塩化１−メチル−３−ｎ−オクチルイミダゾリウム、臭化１−メチル−３−ｎ−オクチルイミダゾリウム、ヨウ化１−メチル−３−プロピルイミダゾリウム、塩化１−オクタデシル−３−メチルイミダゾリウム、臭化１−ブチル−１−メチルピロリジニウム、塩化１−ブチル−１−メチルピロリジニウム、ヨウ化１−ブチル−１−メチルピロリジニウム、臭化テトラブチルアンモニウム、塩化テトラブチルアンモニウム、臭化テトラブチルホスホニウム、臭化テトラオクチルアンモニウム、臭化テトラペンチルアンモニウム、臭化トリブチルヘキサデシルホスホニウム、臭化１−ブチル−１−メチルピペリジニウム、臭化１−ブチル−４−メチルピリジニウム、臭化１−ブチル−３−メチルピリジニウム、塩化１−ブチル−３−メチルピリジニウム、塩化１−ブチル−４−メチルピリジニウム、臭化１−ブチルピリジニウム、塩化１−ブチルピリジニウム、臭化1-エチルピリジニウム、塩化１−エチルピリジニウム、臭化１−ヘキシルピリジニウム、塩化１−ヘキシルピリジニウム、ヨウ化１−アリル−３−エチルイミダゾリウム、臭化１−アリル−３−エチルイミダゾリウム、塩化１−アリル−３−メチルイミダゾリウム、ヨウ化１−アリル−３−メチルイミダゾリウム、臭化１−アリル−３−ブチルイミダゾリウム、臭化１，３−ジアリルイミダゾリウムなどが挙げられる。
【００４３】
反応式２のエン−チオール反応において、化合物（１２）に代えて用いることができる、アルコキシシリル基を有するチオール化合物としては、３−メルカプトプロピルトリエトキシシランなどが挙げられる。また、トリアルコキシシリル基以外にモノアルコキシシリル基をもつ３−メルカプトプロピルメトキシシランやジアルコキシシリル基をもつ３−メルカプトプロピル（ジメトキシ）メチルシランなども挙げられる。
【００４４】
次に、本発明に係るイオン固定化金属酸化物粒子について説明する。
【００４５】
本発明に係るイオン固定化金属酸化物粒子は、本発明に係る反応性イオン液体のアニオン成分が、反応性基によるシラノール基を介して金属酸化物粒子に固定化されたものからなる。
【００４６】
金属酸化物粒子は、絶縁性が高いという観点から、チタン、ジルコニウム、およびケイ素から選ばれる一種以上の元素を含むものが望ましい。例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、シリカ（ＳｉＯ２）、チタン酸バリウム等、各々単独の酸化物粒子や、これらの複合粒子（ＴｉＯ２／ＺｒＯ２、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２等）が挙げられる。金属酸化物粒子としては、イオン固定化金属酸化物粒子を製造しやすいなどの観点から、有機金属化合物の加水分解反応（ゾルゲル法）により製造されるものが好ましい。
【００４７】
本発明に係るイオン固定化金属酸化物粒子は、例えば、ゾルゲル法により得られる金属酸化物粒子に、本発明に係る反応性イオン性液体を反応させることにより合成することができる。
【００４８】
ゾルゲル法の原料としては、有機金属化合物が挙げられる。有機金属化合物は、ゾルゲル反応に際し、キレート化されていることが好ましい。有機金属化合物をキレート化することにより、水との急激な反応を抑制し、粒子径の小さな金属酸化物粒子を、凝集させることなく製造することができる。
【００４９】
有機金属化合物は、目的とする金属酸化物粒子の種類に応じて、金属アルコキシド化合物や金属アシレート化合物の中から、適宜選択すればよい。金属アルコキシド化合物としては、テトラn−ブトキシチタン、テトラn−ブトキシジルコニウム、テトラn−ブトキシシラン、テトラi−プロポキシチタン、テトラエトキシシラン、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタン、チタンブトキシドダイマー等が挙げられる。また、金属アシレート化合物としては、ポリヒドロキシチタンステアレート、ジルコニウムトリブトキシモノステアレート等が挙げられる。
【００５０】
キレート剤としては、アセチルアセトン、ベンゾイルアセトン、ジベンゾイルメタン等のβ−ジケトン、アセト酢酸エチル、ベンゾイル酢酸エチル等のβ−ケト酸エステル、トリエタノールアミン、乳酸、２−エチルヘキサン−１，３−ジオール、１，３−ヘキサンジオール等を用いることができる。
【００５１】
ゾルゲル反応に際し、有機金属化合物のキレート化物に対し、反応性イオン性液体と、所定の有機溶剤と、水とを添加する。有機金属化合物の加水分解反応が進行すると、金属酸化物粒子が生成される。生成される金属酸化物粒子は、水酸基を有しており、この水酸基が、反応性イオン液体のアニオン成分の反応性基であるアルコキシシリル基と反応することにより、反応性イオン液体のアニオン成分がシラノール基を介して金属酸化物粒子に固定化される。反応性イオン液体のアニオン成分は、金属酸化物粒子の表面や内部に化学結合されたものとなる。
【００５２】
有機溶剤は、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等のアルコール類、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）等のケトン類、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）等のエーテル類等を使用すればよい。例えば、ＩＰＡを添加すると、キレート化物と水との親和性が向上し、金属酸化物粒子の核が生成されやすくなる。
【００５３】
本発明に係るイオン固定化金属酸化物粒子は、例えばエラストマーなどの有機高分子に固定化することにより、トランスデューサの誘電層の材料や、固体高分子電解質の材料などとして用いることができる。
【００５４】
例えばトランスデューサの誘電層の材料として用いる場合には、誘電層の透明性や耐絶縁破壊性を考慮すると、イオン固定化金属酸化物粒子は、エラストマー中にできるだけ均一に分散されていることが望ましい。また、イオン固定化金属酸化物粒子の粒子径はできるだけ小さい方が望ましい。このような観点から、イオン固定化金属酸化物粒子を構成する金属酸化物粒子のメジアン径は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが望ましい。３０ｎｍ以下、なかでも、１０〜２０ｎｍ程度がより好適である。金属酸化物粒子の粒子径については、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた観察により測定することができる。また、小角Ｘ線散乱法により測定してもよい。
【００５５】
生成される金属酸化物粒子の粒子径は、使用する有機溶剤の種類や添加量によって変化する。例えば、メジアン径が１０〜２０ｎｍ程度の金属酸化物粒子を生成したい場合には、ＩＰＡとＭＥＫとを、ＩＰＡのモル数／ＭＥＫのモル数＝０．６程度になるように添加し、かつ、ＩＰＡの添加量を、使用した有機金属化合物のモル数の７〜１０倍量にするとよい。水は、有機金属化合物の加水分解に必要な量を添加すればよい。
【００５６】
金属酸化物粒子が有機金属化合物の加水分解反応により製造される場合、ゾル中の金属酸化物粒子の粒子径と、誘電層中の金属酸化物粒子の粒子径とは等しくなると推定される。したがって、ゾル中の金属酸化物粒子の粒子径を、誘電層中の金属酸化物粒子の粒子径として採用してもよい。ゾル中の金属酸化物粒子の粒子径は、例えば、日機装（株）製のレーザー回折・散乱式粒子径・粒度分布測定装置を用いて測定することができる。また、ゾルを乾固して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた観察により測定することができる。
【００５７】
有機金属化合物の加水分解反応により得られたゾルには、イオン固定化金属酸化物粒子と、金属酸化物粒子に固定化されたアニオン成分の対イオンとなるカチオン成分とが含まれる。
【００５８】
得られたゾルには、エージング処理が施されても良い。エージング処理は、ゾルを４０℃程度の温度下で、数時間静置することにより行うことができる。エージング処理を行うと、金属酸化物粒子の内部に残存する水酸基の数を減少させることができる。これにより、ゾルの保存時におけるイオン固定化金属酸化物粒子同士の凝集が抑えられる。
【００５９】
次に、本発明に係るイオン固定化エラストマーについて説明する。
【００６０】
本発明に係るイオン固定化エラストマーは、本発明に係るイオン固定化金属酸化物粒子が、固定化金属酸化物粒子に含まれる水酸基と反応可能な官能基を有するエラストマーに、固定化金属酸化物粒子の水酸基とエラストマーの官能基との反応により固定化されたものからなる。
【００６１】
イオン固定化エラストマーは、上記のように作製した、イオン固定化金属酸化物粒子と金属酸化物粒子に固定化されたアニオン成分の対イオンとなるカチオン成分とが含まれるゾルを用いて形成することができる。すなわち、このゾルと、水酸基と反応可能な官能基を有するエラストマーと、を溶剤に溶解させて混合液を調製し、これを基材上に塗布し、塗膜を加熱することにより、イオン固定化金属酸化物粒子の表面の水酸基とエラストマーの官能基とが反応し、イオン固定化金属酸化物粒子がエラストマーに固定化される（化学結合される）。これにより、イオン固定化エラストマーを形成することができる。このとき、イオン固定化金属酸化物粒子は、エラストマーの架橋剤としても機能し、イオン固定化金属酸化物粒子によりエラストマーは架橋される。なお、エラストマーは、他の架橋剤によってさらに架橋されても良い。溶剤としては、アセチルアセトン単独や、アセチルアセトンを主成分とする、２−メトキシエタノール、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ＴＨＦなどの極性溶媒との混合溶媒などが挙げられる。
【００６２】
エラストマーは、水酸基と反応可能な官能基を有するものであれば、特に限定されない。このような官能基としては、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ）、エポキシ基等が挙げられる。例えば、比誘電率が大きいという観点から、カルボキシル基変性ニトリルゴム（Ｘ−ＮＢＲ）、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ＸＨ−ＮＢＲ）等が好適である。なかでも、アクリロニトリル含有量（結合ＡＮ量）が３３質量％以上のものが望ましい。結合ＡＮ量は、ゴムの全体質量を１００質量％とした場合のアクリロニトリルの質量割合である。
【００６３】
本発明に係るイオン固定化エラストマーは、トランスデューサの誘電層の材料や、固体高分子電解質の材料などとして用いることができる。
【００６４】
次に、本発明に係るトランスデューサについて説明する。
【００６５】
本発明に係るトランスデューサは、高抵抗誘電層と、イオン固定化誘電層と、一対の電極と、を備える。
【００６６】
図１には、本発明の一実施形態に係るトランスデューサの層構成を示している。一実施形態に係るトランスデューサ１０は、高抵抗誘電層１２と、高抵抗誘電層１２の表裏両側に配置される一対の電極１４，１６と、を備え、高抵抗誘電層１２とマイナス電極１４との間に、本発明に係るイオン固定化エラストマーで形成されたイオン固定化誘電層１８が介装されている。一方、プラス電極１６は、高抵抗誘電層１２と直接接しており、高抵抗誘電層１２とプラス電極１６との間には、他の誘電層は介装されていない。
【００６７】
高抵抗誘電層１２は、エラストマーを含み、１０１２Ω・ｃｍ以上の体積抵抗率を有する。高抵抗誘電層１２は、エラストマーのみから構成されていてもよく、エラストマーに加えて他の成分を含んで構成されていてもよい。
【００６８】
高抵抗誘電層１２のエラストマーとしては、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。エラストマーとしては、一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。
【００６９】
高抵抗誘電層１２にエラストマーに加えて配合される他の成分としては、絶縁性の高い無機フィラー等が挙げられる。絶縁材料を配合することにより、高抵抗誘電層１２の電気抵抗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、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、層状粘土鉱物等が挙げられる。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、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。
【００７０】
電子の流れを遮断して、より絶縁性を高くするためには、エラスト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、エラスト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。この場合、エラストマーとしては、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ものが好適である。また、無機フィラーの場合、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、エラストマーと無機フィラーとの反応性が向上する。
【００７１】
無機フィラーの配合割合は、エラストマーの体積抵抗率等を考慮して、決定すればよい。例えば、エラストマーの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、高抵抗誘電層１２が硬くなり、柔軟性が損なわれるおそれがある。
【００７２】
イオン固定化誘電層１８において、イオン固定化金属酸化物粒子の含有量は、エラストマーの１００質量部に対して１質量部以上１０質量部以下であることが望ましい。イオン固定化金属酸化物粒子の含有量が１質量部未満の場合には、静電引力を大きくする効果が小さい。一方、イオン固定化金属酸化物粒子の含有量が１０質量部を超えると、静電引力を大きくする効果が飽和して、いわゆる漏れ電流が多くなる。
【００７３】
一対の電極１４，１６は、高抵抗誘電層１２およびイオン固定化誘電層１８の変形に追従して、伸縮可能であることが望ましい。これにより、高抵抗誘電層１２およびイオン固定化誘電層１８の変形が、電極１４，１６により規制されにくくなるため、トランスデューサ１０は所望の出力を得やすくなる。
【００７４】
電極１４，１６の材質は、特に限定されない。例えば、オイル、エラストマー等のバインダーに導電材を混合した導電ペースト、あるいは導電塗料から形成することができる。導電材としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン等の炭素材料、銀等の金属粉末を使用すればよい。また、炭素繊維や金属繊維をメッシュ状に編んで、電極を形成してもよい。
【００７５】
トランスデューサ１０は、例えば、次のように製造することができる。まず、イオン固定化誘電層１８を形成するための混合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、イオン固定化誘電層１８を形成する。同様に、高抵抗誘電層１２を形成するための材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形成する。次に、形成した高抵抗誘電層１２とイオン固定化誘電層１８とを貼り合わせ、基材を剥離することにより、高抵抗誘電層１２とイオン固定化誘電層１８との積層体を作製する。そして、作製された積層体の表裏両面に電極１４，１６を貼着することにより、トランスデューサ１０を製造することができる。
【００７６】
以上の構成のトランスデューサ１０においては、図２に示すように、プラス電極１６とマイナス電極１４との間に電圧が印加されると、イオン固定化誘電層１８においては、反応性イオン液体のカチオン成分２０ａがマイナス電極１４側へ移動する。一方、イオン固定化金属酸化物粒子はエラストマーに固定化されているため、反応性イオン液体のアニオン成分２０ｂはほとんど移動しない。高抵抗誘電層１２においては、分極により、プラス電極１６との界面付近にプラス電荷が蓄えられ、イオン固定化誘電層１８との界面付近にマイナス電荷が蓄えられる。したがって、プラス電極１６およびマイナス電極１４から、イオン固定化誘電層１８および高抵抗誘電層１２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、イオン固定化誘電層１８および高抵抗誘電層１２は電極１４，１６間で圧縮され、誘電層の面に沿った方向（白抜き矢印で示す方向）に伸長する。
【００７７】
高抵抗誘電層１２においては、高抵抗誘電層１２の電気抵抗が大きいため、蓄えられた電荷は高抵抗誘電層１２内を移動しにくい。したがって、いわゆる漏れ電流は少なく、それによるジュール熱も発生しにくい。そして、イオン固定化誘電層１８においては、隣接するマイナス電極１４の極性と同じアニオン成分２０ｂが金属酸化物粒子を介してエラストマー１８ａに固定されているので、高抵抗誘電層１２側（マイナス電極１４と反対方向）に移動しにくい。
【００７８】
つまり、イオン成分として反応性イオン液体を用いたことでイオン成分がイオン固定化誘電層１８のエラストマー１８ａに金属酸化物粒子を介して固定されたため、イオン固定化誘電層１８から高抵抗誘電層１２へイオン成分の移動が抑えられている。これにより、高抵抗誘電層１２の電気抵抗の低下が抑えられ、高抵抗誘電層１２は、経時劣化しにくく、高い耐絶縁破壊性を維持することができる。
【００７９】
上記実施形態のトランスデューサ１０では、高抵抗誘電層１２とマイナス電極１４との間にはイオン固定化誘電層１８が介装されているが、プラス電極１６は、高抵抗誘電層１２と直接接しており、高抵抗誘電層１２とプラス電極１６との間には、他の誘電層は介装されていない。
【００８０】
そこで、静電引力をより大きくするという観点から、高抵抗誘電層１２の表裏両面にイオン固定化誘電層が配置されていても良い。この場合、高抵抗誘電層１２とプラス電極１６との間に介装されるイオン固定化誘電層には、金属酸化物粒子を介して他の反応性イオン液体のカチオン成分が固定されている必要がある。このような他の反応性イオン液体としては、下記の式（１５）に示す構造のものなどが挙げられる。
【化１６】
2013146357.tif 000018
【００８１】
なお、本発明に係るトランスデューサは、これらの実施形態に限定されるものではなく、このほかに、例えば高抵抗誘電層１２とプラス電極１６との間に、エラストマーには固定化されていないカチオンが含まれるイオン含有層が介装されていても良い。
【実施例】
【００８２】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。【００８３】
（実施例１）
＜反応性イオン液体（１３）の合成＞
１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム炭酸水素塩の溶液５．０ｇ（溶剤：メタノール／水＝３：２混合液、濃度５０質量％、０．０１２５ｍｏｌ）中に、等モルのアクリル酸モノマー（０．０１２５ｍｏｌ）を氷浴上で滴下した。その際、気泡が出るのを確認した。３０分後に室温に戻し、６時間撹拌した。 溶媒を減圧留去した後、メタノール(超脱水)(和光純薬工業)を加えて、再度溶媒を減圧留去した。以上により、酸エステル法からイオン液体モノマーを得た。次いで、得られたイオン液体モノマー２．１０ｇ（１０．０ｍｍｏｌ）と３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン１．８７ｍＬ（１０．１ｍｍｏｌ）をメタノール（超脱水）２０ｍＬへ溶解した。触媒として、３−メルカプトプロピルトリメトキシシランに対して１０ｍｏｌ％のジイソプロピルアミンを加えて室温で２０時間撹拌し、エバポレーション後、下記の構造式で示される反応性イオン液体（１３）を得た。【００８４】
【化１７】
2013146357.tif 000019
【００８５】
（実施例２）
＜反応性イオン液体（１６）の合成＞
酸エステル法において、１−エチル−１−メチルモルホリウム炭酸メチル塩の溶液９．７５ｇ（溶剤：メタノール／水＝２：３混合液、濃度５０質量％、０．０２３８ｍｏｌ）と、等モルの２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（０．０２３８ｍｏｌ）を用いた以外は反応性イオン液体（１３）の合成と同様にして、下記の構造式で示される反応性イオン液体（１６）を得た。【００８６】
【化１８】
2013146357.tif 000020
【００８７】
（実施例３）
＜反応性イオン液体（１７）の合成＞
酸エステル法において、トリブチルメチルアンモニウム炭酸メチル塩の溶液１０．１１ｇ（溶剤：メタノール／水＝２：３混合液、濃度５０質量％、０．０２４４ｍｏｌ）と、等モルの２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（０．０２４４ｍｏｌ）を用いた以外は反応性イオン液体（１３）の合成と同様にして、下記の構造式で示される反応性イオン液体（１７）を得た。【００８８】
【化１９】
2013146357.tif 000021
【００８９】
（実施例４）
＜反応性イオン液体（１８）の合成＞
酸エステル法において、１−ブチル−１−メチルピロリジニウム炭酸メチル塩の溶液１０．６４ｇ（溶剤：メタノール／水＝２：３混合液、濃度５０質量％、０．０２４４ｍｏｌ）と、等モルの２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（０．０２４４ｍｏｌ）を用いた以外は反応性イオン液体（１３）の合成と同様にして、上記の構造式で示される反応性イオン液体（１８）を得た。【００９０】
【化２０】
2013146357.tif 000022
【００９１】
（実施例５）
＜反応性イオン液体（１９）の合成＞
酸エステル法において、トリブチルメチルホスホニウム炭酸メチル塩の溶液１５．１１ｇ（溶剤：メタノール／水＝２：３混合液、濃度５０質量％、０．０２５８ｍｏｌ）と、等モルの２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（０．０２５８ｍｏｌ）を用いた以外は反応性イオン液体（１３）の合成と同様にして、下記の構造式で示される反応性イオン液体（１９）を得た。【００９２】
【化２１】
2013146357.tif 000023
【００９３】
（実施例６）
＜反応性イオン液体（２０）の合成＞
酸エステル法において、１−エチル−１−メチルモルホリウム炭酸メチル塩の溶液１０．００ｇ（溶剤：メタノール／水＝２：３混合液、濃度５０質量％、０．０２４４ｍｏｌ）と、等モルのアクリル酸モノマー（０．０２４４ｍｏｌ）を用いた以外は反応性イオン液体（１３）の合成と同様にして、下記の構造式で示される反応性イオン液体（２０）を得た。【００９４】
【化２２】
2013146357.tif 000024
【００９５】
（実施例７）
＜反応性イオン液体（２１）の合成＞
酸エステル法において、トリブチルメチルアンモニウム炭酸メチル塩の溶液１０．９５ｇ（溶剤：メタノール／水＝３：２混合液、濃度５０質量％、０．０１９８ｍｏｌ）と、等モルのアクリル酸モノマー（０．０１９８ｍｏｌ）を用いた以外は反応性イオン液体（１３）の合成と同様にして、下記の構造式で示される反応性イオン液体（２１）を得た。【００９６】
【化２３】
2013146357.tif 000025
【００９７】
（実施例８）
＜反応性イオン液体（２２）の合成＞
酸エステル法において、１−ブチル−１−メチルピロリジニウム炭酸メチル塩の溶液１０．１４ｇ（溶剤：メタノール／水＝２：３混合液、濃度５０質量％、０．０２３３ｍｏｌ）と、等モルのアクリル酸モノマー（０．０２３３ｍｏｌ）を用いた以外は反応性イオン液体（１３）の合成と同様にして、上記の構造式で示される反応性イオン液体（２２）を得た。【００９８】
【化２４】
2013146357.tif 000026
【００９９】
（実施例９）
＜反応性イオン液体（２３）の合成＞
酸エステル法において、トリブチルメチルホスホニウム炭酸メチル塩の溶液１５．１１ｇ（溶剤：メタノール／水＝２：３混合液、濃度５０質量％、０．０２５８ｍｏｌ）と、等モルのアクリル酸モノマー（０．０２５８ｍｏｌ）を用いた以外は反応性イオン液体（１３）の合成と同様にして、上記の構造式で示される反応性イオン液体（２３）を得た。【０１００】
【化２５】
2013146357.tif 000027
【０１０１】
（実施例１０）
＜反応性イオン液体（１３）の合成＞
１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムクロリド１０．０ｇ（０．０５７ｍｏｌ）とアクリル酸モノマー６．１９ｇ（０．０８６ｍｏｌ）を蒸留水２５ｍｌへ溶解させた。室温で２４時間撹拌後、減圧ポンプにより溶媒留去した。酢酸エチルにより、過剰量に加えたアクリル酸モノマーを洗浄除去し、イオン液体モノマーを得た。以後、エン−チオール反応は、同じモル比で実施例１と同様に行った。【０１０２】
（比較例２）
＜イオン液体（２４）の合成＞
エチルイミダゾール０．９６ｍＬ（１０ｍｍｏｌ）および２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸２．０７ｇ（１０ｍｍｏｌ）を４０ｍＬアセトン中、室温で２時間撹拌した。未反応の２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸をろ過し、ろ液をエバポレーションにより留去し、粘性液体化合物を得た。得られた化合物３．００ｇ(１０ｍｍｏｌ)と３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン１．８７ｍＬ(１０．１ｍｍｏｌ)をメタノール(超脱水）(和光純薬工業）２０ｍＬへ溶解し、３−メルカプトプロピルトリメトキシシランに対してジイソプロピルアミン４ｍｏｌ％を加えて室温で２０時間撹拌し、エバポレーション後、イオン液体（２４）を得た。【０１０３】
【化２６】
2013146357.tif 000028
【０１０４】
（比較例３）
＜イオン液体（２５）の合成＞
エチルイミダゾールをトリヘキシルアミン３．３６ｍＬ（１０ｍｍｏｌ）に変更した以外は、比較例２と同様に行った。【０１０５】
【化２７】
2013146357.tif 000029
【０１０６】
（比較例４）
＜イオン液体（２６）の合成＞
ジメチルアミノエチルメタクリレート２５ｍＬ（０．１４８ｍｏｌ）をアセトン１００ｍＬに溶解した。その溶液にプロパンスルトン１３ｍＬ（０．１４８ｍｏｌ）をアセトン２０ｍＬに溶解した溶液を窒素雰囲気下で滴下した。室温で１４時間撹拌後、ろ過し白色沈殿物を回収した。減圧乾燥してモノマーを得た。得られたモノマー（１０ｍｍｏｌ）と３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン（１０．１ｍｍｏｌ）をメタノール５０ｍＬ中に溶解し、ジイソプロピルアミン４ｍｏｌ％を加えて室温で１６時間撹拌し、エバポレーション後、イオン液体（２６）を得た。トリフルオロエタノールを加えて保存した。【０１０７】
【化２８】
2013146357.tif 000030
【０１０８】
＜イオン固定化金属酸化物粒子の合成＞
実施例１〜１０、比較例２〜４について、得られた反応性イオン液体を、チタンテトライソプロポキシドとアセチルアセトンの１：１混合液（モル比）に溶解させた。さらにイソプロピルアルコールを添加した後、チタンテトライソプロポキシドのモル数の４倍量の水を滴下して加水分解反応を行うことにより、チタン酸化物粒子に反応性イオン液体のアニオン成分を固定化したゾル液を得た。なお、比較例１は、イオン液体を添加しなかった以外は、実施例１と同様にした。【０１０９】
＜イオン固定化エラストマーの合成＞
実施例１〜１０、比較例１〜４について、作製したゾル液を、カルボキシル基変性水素化ニトリルゴム（ＨＸ−ＮＢＲ、ランクセス社製「テルバンＴＸ８８８９」）の１２質量％溶液（溶媒：アセチルアセトン）に、ＨＸ−ＮＢＲ１００質量部に対してＴｉＯ２換算で２．４質量部入るように混合し、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。得られた混合液を基材上に厚さ９μｍになるように成膜し、１５０℃×１時間乾燥を行った。これにより、イオン固定化エラストマーを得た。【０１１０】
＜アクチュエータの作製＞
（高抵抗誘電層）
次のようにして、高抵抗誘電層を作製した。まず、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」）１００質量部と、シリカ（日本アエロジル（株）製「Ａｅｒｏｓｉｌ（登録商標）３８０」）１０質量部と、をロール練り機にて混練りした。次に、混練りした材料を、アセチルアセトンに溶解した。続いて、この溶液に、有機金属化合物のテトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタン１５質量部を混合して、液状の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の固形分濃度は、１２質量％である。ここで、アセチルアセトンは、カルボキシル基含有水素化ニトリルゴムを溶解させる溶媒であると共に、テトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンのキレート剤である。その後、エラストマー組成物を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で約６０分間加熱して、高抵抗誘電層を得た。高抵抗誘電層の膜厚は約２０μｍ、体積抵抗率は２×１０１２Ω・ｃｍであった。【０１１１】
（アクチュエータの作製）
純粋にイオン固定化エラストマーの能力を測定するため、誘電層（誘電膜）を、高抵抗誘電層とイオン固定化誘電層の２層構造とせずに、イオン固定化エラストマーよりなるイオン固定化誘電層のみの構成とした。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、導電塗料を誘電層の表裏両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、アクチュエータを製造した。【０１１２】
実施例および比較例の誘電材料（イオン固定化エラストマー）について、体積抵抗率、比誘電率、およびアクチュエータ特性を評価した。以下、各々の評価方法および評価結果について説明する。【０１１３】
（体積固有抵抗率）
ＪＩＳ  Ｋ６２７１（２００８）に準じて、体積抵抗率を測定した。測定は、直流電圧１００Ｖを印加して行った。【０１１４】
（比誘電率）
誘電材料をサンプルホルダー（ソーラトロン社製、１２９６２Ａ型）に設置して、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、比誘電率を測定した（周波数１００Ｈｚおよび０．０１Ｈｚ）。【０１１５】
（アクチュエータ特性）
作製したアクチュエータの発生応力を測定した。アクチュエータ特性における発生応力は、電界強度３０Ｖ／μｍの直流電圧を印加させた時の測定値を示す。図３に、測定装置に取り付けられたアクチュエータの断面図を示す。【０１１６】
図３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。アクチュエータ５は、予め上下方向に延伸された状態で、上側チャック５２と下側チャック５３との間に、取り付けられている（延伸率２５％）。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。【０１１７】
アクチュエータ５は、誘電膜５０と一対の電極５１ａ、５１ｂとからなる。電極５１ａ、５１ｂは、誘電膜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４０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ約１０μｍの矩形板状を呈している。電極５１ａ、５１ｂは、上下方向に１０ｍｍずれた状態で配置されている。つまり、電極５１ａ、５１ｂは、誘電膜５０を介して、縦３０ｍｍ、横２５ｍｍ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。【０１１８】
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、延伸方向（上下方向）に伸長する。誘電膜５０の伸長により、上下方向の延伸力は減少する。電圧を印加した時に減少した延伸力を、ロードセルにより測定して、発生応力とした。【０１１９】
（抽出処理後の発生応力）
上記特性評価において発生応力が高い実施例について、イオン液体が溶解する溶剤（エタノール）に、作製したアクチュエータを一晩浸漬し、取り出した後、同じ溶剤を用いて洗った後、再度、同じ条件でアクチュエータの発生応力を測定した。【０１２０】
（保持率の測定）
抽出前後での発生応力を比較することにより、イオン液体の保持率を求めた。【０１２１】
【表１】
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【０１２２】
比較例１と比べて、実施例１〜１０では、体積固有抵抗率が大きく低下しており、イオン液体がイオン的挙動を示すことがわかる。また、低周波数で比誘電率が大きくなっている。これに対し、比較例２〜４では、体積固有抵抗率がそれほど低下しておらず、イオン液体がほとんどイオン的挙動を示さないことがわかる。また、低周波数でも比誘電率が小さい。そして、比較例１と比べて、実施例１〜１０では、アクチュエータの発生応力が大きくなったが、比較例２〜４では、比較例１と比べて発生応力がほとんど変わっていない。したがって、比較例２〜４では、イオン液体の添加効果がほとんどないことがわかる。【０１２３】
次に、発生応力が高い実施例のみについて、抽出処理後に再度、発生応力を測定したところ、いずれも発生応力が高く、保持していることがわかる。このことから、実施例のイオン液体は、金属酸化物粒子に固定されていることがわかる。これにより、電圧印加時にはイオン固定化誘電層から高抵抗誘電層へのイオンの移動が抑えられることが確認された。保持率の高かった実施例１，３，４，９では、特に金属酸化物粒子への固定化率が高いことがわかる。そして、このような本願発明の構成としたことにより、大きな出力が得られることも確認された。【０１２４】
本発明に係る誘電膜は、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のトランスデューサに広く用いることができる。なかでも、産業、医療、福祉ロボット用の人工筋肉、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に好適である。【０１２５】
以上、本発明の実施形態、実施例について説明したが、本発明は上記実施形態、実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能なものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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