(57)【要約】【課題】  比誘電率が大きく、柔軟な誘電エラストマー材料を提供する。当該誘電エラストマー材料を用いて柔軟なトランスデューサを提供する。【解決手段】  誘電エラストマー材料は、モノマーＡと、架橋可能な官能基を有するモノマーＣと、の少なくとも一方と、極性基を有するモノマーＢと、がランダムまたは交互に共重合された構造を有する共重合体を含む。該共重合体中、該モノマーＢからなる構成単位において、該極性基は直鎖状に繋がる３つ以上の原子を介してポリマー主鎖に結合されている。トランスデューサ１は、誘電エラストマー材料からなる誘電層１０と、誘電層１０を介して配置される複数の電極１１ａ、１１ｂと、を備える。【選択図】  図１
2018059042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノマーＡと、架橋可能な官能基を有するモノマーＣと、の少なくとも一方と、極性基を有するモノマーＢと、がランダムまたは交互に共重合された構造を有する共重合体を含み、
該共重合体中、該モノマーＢからなる構成単位において、該極性基は直鎖状に繋がる３つ以上の原子を介してポリマー主鎖に結合されていることを特徴とする誘電エラストマー材料。
【請求項２】
前記極性基の含有量は、前記共重合体の全体を１００質量％とした場合の１０質量％以上２５質量％以下である請求項１に記載の誘電エラストマー材料。
【請求項３】
前記モノマーＢの含有量は、前記共重合体の全体を１００ｍｏｌ％とした場合の５０ｍｏｌ％以上９８ｍｏｌ％以下である請求項１または請求項２に記載の誘電エラストマー材料。
【請求項４】
前記極性基と前記ポリマー主鎖との間に介在する前記原子は、炭素、酸素、窒素、硫黄から選ばれる一種以上である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の誘電エラストマー材料。
【請求項５】
前記極性基は、シアノ基、エーテル基、エステル基、フッ素基、トリフルオロメチル基、カーボネート基から選ばれる一種以上である請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の誘電エラストマー材料。
【請求項６】
前記共重合体の重量平均分子量は、１万以上５００万以下である請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の誘電エラストマー材料。
【請求項７】
前記共重合体のガラス転移点は、０℃以下である請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の誘電エラストマー材料。
【請求項８】
前記モノマーＣの前記官能基は、ヒドロキシ基、アミノ基、チオール基、カルボキシル基、シラノール基、エポキシ基、ビニル基から選ばれる一種以上である請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の誘電エラストマー材料。
【請求項９】
前記モノマーＡは、（メタ）アクリレートモノマー、シリコーンモノマー、ウレタンモノマーから選ばれる一種以上である請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の誘電エラストマー材料。
【請求項１０】
さらに、絶縁フィラーを含む請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の誘電エラストマー材料。
【請求項１１】
前記共重合体は、架橋構造を有する請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の誘電エラストマー材料。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の誘電エラストマー材料からなる誘電層と、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、トランスデューサの誘電層などに好適な誘電エラストマー材料に関する。
【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、発電素子など、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、マイクロフォンなどが知られている。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、誘電エラストマーなどの高分子材料が有用である。
【０００３】
例えば、誘電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。アクチュエータの発生力および変位量は、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、アクチュエータの発生力および変位量は大きくなる。
【０００４】
同様に、誘電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、センサおよび発電素子を構成することができる。センサおよび発電素子においては、誘電層が伸長、収縮することにより、起電力が生じる。起電力の発生量は、電極間距離の変位量と、誘電層の比誘電率と、に比例する。すなわち、電極間距離の変位量が大きく、誘電層の比誘電率が大きいほど、起電力は大きくなる。
【０００５】
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、アクチュエータにおいて所望の発生力および変位量を得ることは難しい。また、センサおよび発電素子においても所望の起電力を得ることが難しい。一方、アクリルゴムやニトリルゴムの場合、シリコーンゴムと比較して比誘電率は大きいがまだ充分とはいえない。このため、母材となるエラストマーに極性基を導入したり、比誘電率が大きい粒子を分散したりして、誘電層の比誘電率を向上させる試みがなされている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、シリコーンゴムなどの側鎖に極性基を導入した電歪ポリマーからなる伸縮性薄膜と伸縮性電極とを含む人工筋肉が記載されている。特許文献２には、（メタ）アクリル酸エステル、（メタ）アクリル酸、イオン液体、およびアクリロニトリルの共重合体を架橋したポリマー材料が記載されている。特許文献３には、メタクリル酸メチルの重合体ブロック（Ｂ１）と、アクリル酸アルキルエステルの重合体ブロック（Ｂ２）と、を有するブロック共重合体（Ａ）からなる高分子アクチュエータ用誘電体が記載されている。特許文献３の段落［００４０］には、比誘電率を向上させることを目的として、重合体ブロック（Ｂ１）、（Ｂ２）が極性基を有するモノマーを副成分として含む形態が記載されている。特許文献４には、極性化合物がグラフト結合されているエラストマー製の誘電膜が記載されている。特許文献５には、シアノ基を有するナノ粒子が分散されているエラストマー製の誘電膜が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１９９７８４号公報
【特許文献２】特開２０１５−６７６６２号公報
【特許文献３】国際公開２００９／０２５１８７号
【特許文献４】特開２０１１−０７２１１２号公報
【特許文献５】特開２０１５−１８７９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
エラストマーに極性基が導入されると、エラストマーの極性は高くなり比誘電率は大きくなる。この場合、次式（ｉ）により、電圧印加時に得られる発生力は大きくなる。このため従来は、誘電層の比誘電率を大きくするために、いかに極性基を多く含有させるかという観点で検討がなされてきた。
Ｆ＝ε０εｒ×（Ｖ／ｄ）２  ・・・（ｉ）
［Ｆ：発生力、ε０：真空の誘電率、εｒ：誘電層の比誘電率、Ｖ：印加電圧、ｄ：誘電層の厚さ］
しかしながら、本発明者が鋭意研究を重ねたところ、単にエラストマー中の極性基量を増加させても、弾性率が大きくなるだけで比誘電率の向上効果を充分には得られないという知見を得た。この理由は、極性基量が増えると、極性基同士あるいは極性基とポリマー鎖とが干渉したり、極性基同士が相互作用により凝集化するためと考えられる。例えば、アクリロニトリルは、極性基（シアノ基：−ＣＮ）を有している。しかし、これを重合したポリアクリロニトリルは、硬く、比誘電率も４程度であり高くはない。上記特許文献２に記載されているポリマー材料は、アクリロニトリルが共重合されている。しかし、これだけでは、比誘電率の向上効果は充分とはいえない。また、同文献の段落［００２８］には、アクリロニトリルの含有量が４５質量％を超えると、弾性率が大きくなる旨記載されている。
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、比誘電率が大きく、柔軟な誘電エラストマー材料を提供することを課題とする。また、当該誘電エラストマー材料を用いて、柔軟な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】
【００１０】
（１）本発明の誘電エラストマー材料は、モノマーＡと、架橋可能な官能基を有するモノマーＣと、の少なくとも一方と、極性基を有するモノマーＢと、がランダムまたは交互に共重合された構造を有する共重合体を含み、該共重合体中、該モノマーＢからなる構成単位において、該極性基は直鎖状に繋がる３つ以上の原子を介してポリマー主鎖に結合されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の誘電エラストマー材料を構成する共重合体は、極性基を有するモノマーＢからなる構成単位を含む。極性基は、極性が高い官能基である。モノマーＢからなる構成単位において、極性基は、直鎖状に繋がる３つ以上の原子を介してポリマー主鎖に結合されている。換言すると、極性基とポリマー主鎖との間には、直列に結合する少なくとも３つの原子が介在している。極性基とポリマー主鎖との間を離間させることにより、極性基がポリマー鎖と干渉しにくくなり、極性基の動きがポリマー鎖により規制されにくくなる。これにより、極性基が動きやすくなり、共重合体、ひいては誘電エラストマー材料の柔軟性を高めることができる。また、極性が高いという極性基の特性が存分に発揮されるため、共重合体、ひいては誘電エラストマー材料の比誘電率を高めることができる。
【００１２】
本発明の誘電エラストマー材料を構成する共重合体は、モノマーＡとモノマーＣとの少なくとも一方と、モノマーＢと、によるランダム共重合体または交互共重合体の構造を有する。共重合体の構成単位は、Ａ−Ｂ、Ｂ−Ｃ、Ａ−Ｂ−Ｃのいずれかである（繰り返し単位の並び順は限定されない）。各構成単位がランダムまたは交互に結合されているため、ブロック共重合体の構造と比較して、極性基を有するモノマーＢからなる構成単位が連続しにくい。すなわち、極性基を有するモノマーＢからなる構成単位が、隣り合わせになりにくい。これにより、極性基同士の干渉が抑制され、極性基が動きやすくなる。したがって、共重合体、ひいては誘電エラストマー材料の柔軟性を高めることができる。また、極性が高いという極性基の特性が存分に発揮されるため、共重合体、ひいては誘電エラストマー材料の比誘電率を高めることができる。
【００１３】
上記特許文献３に記載されているのはブロック共重合体である。同文献の段落［００５６］−［００６０］に記載されているように、ブロック共重合体（Ａ）は、第一の重合体ブロック（Ｂ１）を製造した後、第二の重合体ブロック（Ｂ２）を製造し、それを第一の重合体ブロック（Ｂ１）に連結させて製造されている。製造された重合体ブロック（Ｂ１）、（Ｂ２）においては、同じモノマーが連続している。このため、極性基を有するモノマーを加えて重合体ブロックを製造した場合には、極性基同士が干渉し合い、比誘電率の向上効果は小さい。
【００１４】
（２）本発明のトランスデューサは、上記本発明の誘電エラストマー材料からなる誘電層と、該誘電層を介して配置される複数の電極と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
上述したように、本発明の誘電エラストマー材料の比誘電率は大きい。このため、本発明のトランスデューサの誘電層においては、印加電圧に対する静電引力が大きい。加えて、本発明の誘電エラストマー材料は柔軟である。したがって、本発明のトランスデューサによると、印加電圧が比較的小さい場合においても、大きな力および変位量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のトランスデューサの一実施形態であるアクチュエータの断面模式図である。
【図２】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３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】変位量測定用のアクチュエータの上面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の誘電エラストマー材料およびトランスデューサの実施の形態について説明する。なお、本発明の誘電エラストマー材料およびトランスデューサは、以下の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、改良などを施した種々の形態にて実施することができる。
【００１８】
＜誘電エラストマー材料＞
本発明の誘電エラストマー材料は、モノマーＡと、架橋可能な官能基を有するモノマーＣと、の少なくとも一方と、極性基を有するモノマーＢと、がランダムまたは交互に共重合された構造を有する共重合体を含む。
【００１９】
［モノマーＡ］
モノマーＡは特に限定されない。本発明の誘電エラストマー材料をトランスデューサの誘電層として用いる場合には、柔軟性を発現でき、比誘電率が比較的大きいモノマーを選択することが望ましい。また、モノマーＢと共重合可能であり、共重合体としてのガラス転移点（Ｔｇ）が常温（２０℃）以下になるモノマーを選択することが望ましい。例えば、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、フッ素ゴム、熱可塑性エラストマー、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムに用いるモノマーが挙げられる。なかでも、モノマーＢと共重合しやすいという観点から、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムに用いるモノマー、すなわち、（メタ）アクリレートモノマー、シリコーンモノマー、ウレタンモノマーが好適である。モノマーＡは、一種でも二種以上でもよい。
【００２０】
「（メタ）アクリレート」の表記は、アクリレートとメタクリレートとの両方を含むことを意味する。（メタ）アクリレートモノマーは、（メタ）アクリロイル基を有するモノマーを意味する。「（メタ）アクリロイル基」の表記は、アクリロイル基とメタクリロイル基との両方を含むことを意味する。（メタ）アクリレートモノマーとしては、メチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、ブチル（メタ）アクリレート、イソブチル（メタ）アクリレート、ｔ−ブチル（メタ）アクリレート、ヘキシル（メタ）アクリレート、２−エチルヘキシル（メタ）アクリレート、シクロヘキシル（メタ）アクリレート、オクチル（メタ）アクリレート、イソオクチル（メタ）アクリレート、ドデシル（メタ）アクリレート、テトラデシル（メタ）アクリレート、ヘキサデシル（メタ）アクリレート、オクタデシル（メタ）アクリレートなどのアルキル（メタ）アクリレートが好適である。
【００２１】
アルキル（メタ）アクリレートを採用する場合、アルキル基の炭素原子数は１以上１２以下であることが望ましい。８以下であるとより好適である。炭素原子数が多くなると、アルキル基が長くなったり大きくなる。この場合、モノマーＢの極性基がモノマーＡのアルキル基と干渉しやすくなり、比誘電率の向上効果が小さくなるおそれがある。また、アルキル基が長くなると結晶性が増加して、柔軟性が低下する。
【００２２】
シリコーンモノマーは、シロキサン結合が可能なモノマーを意味する。シリコーンモノマーとしては、２官能のアルコキシ基を有するジエトキシジメチルシラン、ジエトキシメチルシラン、ジエトキシメチルビニルシラン、ジメトキシジメチルシラン、ジメトキシ（メチル）シラン、ジメトキシメチルビニルシランなどが好適である。ウレタンモノマーは、ウレタン結合が可能なモノマーを意味する。
【００２３】
［モノマーＢ］
モノマーＢは極性基を有する。極性基は、比誘電率と相関している高い双極子モーメントを有する結合からなる官能基であることが望ましい。具体的には、既知の高極性基であるシアノ基、エーテル基、エステル基、フッ素基、トリフルオロメチル基、カーボネート基などが挙げられる。
【００２４】
共重合体中、モノマーＢからなる構成単位において、極性基は直鎖状に繋がる３つ以上の原子を介してポリマー主鎖に結合されている。極性基とポリマー主鎖との間に直列に介在する原子数は、柔軟性および重合制御の観点から、４つ以上であるとより好適である。なお、極性基が複数ある場合には、ポリマー主鎖に最も近い極性基とポリマー主鎖との間に介在する原子数を数えることとする。極性基とポリマー主鎖との間に直列に介在する原子は、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）から選ばれる一種以上であることが望ましい。例えば、極性基を除くモノマーＢの骨格は、アルキル基の炭素原子数が２以上のアルキル（メタ）アクリレート、２官能のアルコキシ基と、炭素原子数が２以上のアルキル基と、を有するシランなどが挙げられる。
【００２５】
以上を総合すると、モノマーＢは、シアノメチル（メタ）アクリレート（ポリマー主鎖−シアノ基間の原子数３）、シアノエチル（メタ）アクリレート（ポリマー主鎖−シアノ基間の原子数４）、シアノプロピル（メタ）アクリレート（ポリマー主鎖−シアノ基間の原子数５）、シアノブチル（メタ）アクリレート（ポリマー主鎖−シアノ基間の原子数６）などが好適である。また、ジメトキシ−３−メルカプトプロピルメチルシランにアクリロニトリルを反応させたシアノ基修飾シラン（ポリマー主鎖−シアノ基間の原子数６）、ジメトキシ−３−メルカプトプロピルメチルシランに、２−メチレングルタロニトリルを反応させたシアノ基修飾シラン（ポリマー主鎖−シアノ基間の原子数６）などが好適である。これらの一種を単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
【００２６】
極性基の含有量が多くなると、共重合体の柔軟性が低下する。一方、極性基が少な過ぎると、比誘電率の向上効果が得られない。このような理由から、極性基の含有量は、共重合体の全体を１００質量％とした場合の１０質量％以上、好適には１２質量％以上であることが望ましい。また、極性基の含有量は、共重合体の全体を１００質量％とした場合の２５質量％以下、好適には２２質量％以下であることが望ましい。同様の理由から、モノマーＢの含有量は、共重合体の全体を１００ｍｏｌ％とした場合の５０ｍｏｌ％以上、好適には６０ｍｏｌ％以上であることが望ましい。また、モノマーＢの含有量は、共重合体の全体を１００ｍｏｌ％とした場合の９８ｍｏｌ％以下、好適には９０ｍｏｌ％以下であることが望ましい。
【００２７】
［モノマーＣ］
モノマーＣは、架橋可能な官能基（架橋基）を有し、共重合体を架橋させる役割を果たす。架橋可能な官能基としては、ヒドロキシ基、アミノ基、チオール基、カルボキシル基、シラノール基、エポキシ基、ビニル基などが挙げられる。本発明の誘電エラストマー材料をトランスデューサの誘電層として用いる場合には、モノマーＣとして、柔軟性を発現でき、比誘電率が比較的大きいモノマーを選択することが望ましい。例えば、（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリル酸ヒドロキシエチル、（メタ）アクリルアミド、（メタ）アクリル酸グリシジル、３−アミノプロピルジメトキシメチルシラン、ジメトキシメチルビニルシラン、３−グリシジルオキシプロピル（ジメトキシ）メチルシラン、３−メルカプトプロピル（ジメトキシ）メチルシラン、３−アミノプロピルジエトキシメチルシラン、ジエトキシ（３−グリシジルオキシプロピル）メチルシラン、ジエトキシメチルビニルシランなどが挙げられる。モノマーＣは、一種でも二種以上でもよい。
【００２８】
［共重合体］
本発明の誘電エラストマー材料を構成する共重合体は、モノマーＡとモノマーＣとの少なくとも一方と、モノマーＢと、によるランダム共重合体または交互共重合体の構造を有する。共重合体の製造方法は特に限定されない。例えば、モノマーＡおよびモノマーＢのランダム共重合体または交互共重合体、モノマーＢおよびモノマーＣのランダム共重合体または交互共重合体、モノマーＡ、モノマーＢ、およびモノマーＣのランダム共重合体または交互共重合体のいずれかが挙げられる。また、モノマーＡおよびモノマーＣの少なくとも一方と、モノマーＢの前駆体（極性基を有しないモノマーＢ’）と、をランダムまたは交互に共重合した後に、極性基を有するモノマーをモノマーＢ’の構成単位に反応させて、極性基を有するモノマーＢからなる構成単位を合成してもよい。すなわち、モノマーＡおよびモノマーＣの少なくとも一方と、モノマーＢ’とから共重合体を製造した後で、モノマーＢ’に極性基を付与する修飾処理を施してもよい。例えば、シアノ基を付与する場合には、アクリロニトリル、２−メチレングルタロニトリル、テトラシアノエチレンなどのシアノ基含有モノマーを用いればよい。
【００２９】
共重合体の重量平均分子量は、柔軟性を確保するという観点から、１万以上であるとよい。より好適には５万以上、さらには８万以上である。一方、製膜時に必要な溶剤に対する均一な溶解性を確保するという観点から、５００万以下であるとよい。より好適には２００万以下である。重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）装置を用いて測定すればよい。
【００３０】
共重合体のガラス転移点（Ｔｇ）は、常温（２０℃）以下であり、柔軟性を確保するという観点から５℃以下であるとよい。より好適には０℃以下である。ガラス転移点は、示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて測定すればよい。
【００３１】
共重合体の比誘電率は、１０以上であるとよい。本明細書においては、共重合体のサンプル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、比誘電率を測定している（測定周波数１００Ｈｚ）。
【００３２】
共重合体は、架橋構造を有すること、すなわち架橋体であることが望ましい。架橋構造を有すると、弾性率が大きくなり機械的強度が大きくなる。また、絶縁破壊強度も大きくなる。共重合体を架橋させるには、モノマーＣの架橋基に応じて公知の架橋剤、架橋促進剤、架橋助剤などを用いればよい。例えば硫黄を用いると、架橋後の共重合体中に、未反応の硫黄、加硫促進剤やこれらの分解物などからなる反応残渣が残存することが多い。反応残渣はイオン化して、共重合体、ひいては誘電エラストマー材料の絶縁破壊強度を低下させる一因となる。したがって、共重合体中のイオン成分を少なくするという理由から、架橋剤として有機金属化合物またはイソシアネート化合物を用いることが望ましい。有機金属化合物を用いた場合、有機金属化合物から生成した金属酸化物粒子が共重合体中に分散される。よって、共重合体の絶縁破壊強度をより大きくすることができる。有機金属化合物としては、金属アルコキシド化合物、金属アシレート化合物、および金属キレート化合物が挙げられる。これらから選ばれる一種を単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。有機金属化合物は、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ケイ素、ホウ素、バナジウム、マンガン、鉄、コバルト、ゲルマニウム、イットリウム、ニオブ、ランタン、セリウム、タンタル、タングステン、およびマグネシウムから選ばれる一種以上の元素を含むことが望ましい。
【００３３】
本発明の誘電エラストマー材料は、共重合体に加えて他の成分を含んでいてもよい。例えば、電気絶縁性を有する絶縁フィラーを含む場合には、誘電エラストマー材料の絶縁破壊強度が大きくなる。絶縁フィラーとしては、体積抵抗率が１０８Ω・ｃｍ以上の無機粒子が好適である。例えば、酸化チタン、シリカ、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、タルクなどの粒子が挙げられる。絶縁フィラーとしては、一種を単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
【００３４】
また、圧電フィラーを含む場合には、本発明の誘電エラストマー材料を、圧電機能を有するトランスデューサ素子の圧電層として用いることができる。圧電フィラーとしては、圧電性を有する化合物を用いればよい。圧電性を有する化合物としては、有機物、無機物の制限はなく、例えばペロブスカイト型の結晶構造を有する強誘電体が望ましい。例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、チタン酸ビスマスランタン（ＢＬＴ）、タンタル酸ビスマスストロンチウム（ＳＢＴ）などが挙げられる。圧電フィラーとしては、一種を単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
【００３５】
［誘電エラストマー材料の製造方法］
本発明の誘電エラストマー材料は、モノマーＡとモノマーＣとの少なくとも一方と、モノマーＢと、をランダムまたは交互に共重合して製造することができる。あるいは、モノマーＡとモノマーＣとの少なくとも一方と、モノマーＢの前駆体（極性基を有しないモノマーＢ’）と、をランダムまたは交互に共重合した後に、極性基を有するモノマーをモノマーＢ’の構成単位に反応させて製造することができる。この際、得られた共重合体に架橋剤などを加えて、共重合体を架橋させてもよい。また、機能を損なわない程度に、他のポリマーをブレンドしても構わない。また、得られた共重合体に絶縁フィラー、圧電フィラー、可塑剤、加工助剤、老化防止剤、軟化剤、着色剤などの他の成分を配合してもよい。
【００３６】
＜トランスデューサ＞
本発明のトランスデューサは、上記本発明の誘電エラストマー材料からなる誘電層と、該誘電層を介して配置される複数の電極と、を備える。
【００３７】
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、２００μｍ以下であることが望ましい。
【００３８】
複数の電極は、誘電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、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム、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などの架橋ゴム、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、ポリアミド系など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などのように、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。
【００３９】
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、グラフェンなどの導電性炭素粉末、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などの金属粉末などから、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。また、π電子を共役させた構造の導電性ポリマーを用いてもよい。これらの一種を単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。
【００４０】
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、着色剤など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、誘電層の一面に転写してもよい。
【００４１】
本発明のトランスデューサを、複数の誘電層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。また、本発明のトランスデューサにおいては、最外層に保護層を配置してもよい。保護層を配置することにより、絶縁性を確保したり、外部からの機械的応力に対してトランスデューサを保護することができる。保護層は、柔軟で伸縮性を有することが望ましい。保護層は、例えば、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲ、エチレン−プロピレン共重合ゴム、ＥＰＤＭ、天然ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリルゴムなどを含んで形成するとよい。また、本発明のトランスデューサにおいては、同種のあるいは異種の層を積層して誘電層を構成してもよい。さらに、電荷増幅の機能を有するイオン固定層などを誘電層に積層させてもよい。
【００４２】
以下に、本発明のトランスデューサの一実施形態を説明する。図１に、アクチュエータの断面模式図を示す。図１に示すように、アクチュエータ１は、誘電層１０と、一対の電極１１ａ、１１ｂと、配線１２ａ、１２ｂと、を備えている。誘電層１０は、ブチルアクリレート（モノマーＡ）とシアノエチルアクリレート（モノマーＢ）とアクリル酸（モノマーＣ）とのランダム共重合体の架橋体からなる。ランダム共重合体の構造式を次式（１）に示す。
【化１】
2018059042.tif 000003
【００４３】
モノマーＢは、極性基としてシアノ基（−ＣＮ）を有している。モノマーＣは、架橋基としてカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有している。式（１）に示すように、共重合体中、モノマーＢからなる構成単位において、極性基（−ＣＮ）は、自身が結合されている炭素原子を１つ目の原子として、直鎖状に繋がる４つの原子（Ｃ−Ｃ−Ｏ−Ｃ）を介してポリマー主鎖に結合されている。ランダム共重合体の比誘電率は１５であり、弾性率は０．８ＭＰａである。ランダム共重合体の架橋体は、本発明の誘電エラストマー材料に含まれる。アクチュエータ１は、本発明のトランスデューサに含まれる。
【００４４】
電極１１ａは、誘電層１０の上面の略全体を覆うように、配置されている。同様に、電極１１ｂは、誘電層１０の下面の略全体を覆うように、配置されている。電極１１ａ、１１ｂは、いずれもアクリルゴムとカーボンブラックとを含んでいる。電極１１ａ、１１ｂは、各々、配線１２ａ、１２ｂを介して電源１３に接続されている。
【００４５】
一対の電極１１ａ、１１ｂ間に電圧を印加すると、誘電層１０の厚さは薄くなり、その分だけ電極１１ａ、１１ｂ面に対して平行方向に伸長する。これにより、図中上下方向および左右方向の駆動力が出力される。
【００４６】
誘電層１０を構成する共重合体のモノマーＢからなる構成単位において、極性基とポリマー主鎖との間には直鎖状に繋がる４つの原子が介在している。つまり、極性基とポリマー主鎖とは所定の間隔で離間している。このため、極性基がポリマー鎖と干渉しにくくなり、極性基の動きがポリマー鎖により規制されにくくなる。また、モノマーＡ、Ｂ、Ｃがランダムに共重合されているため、ブロック共重合されている場合と比較して、極性基を有するモノマーＢからなる構成単位が連続しにくい。これにより、極性基同士の干渉が抑制され、極性基が動きやすくなる。したがって、共重合体の柔軟性が高くなる。また、極性が高いという極性基の特性が存分に発揮されるため、共重合体の比誘電率が高くなる。したがって、誘電層１０は柔軟であり誘電層１０の比誘電率は大きい。これにより、アクチュエータ１によると、大きな力および変位量を得ることができる。また、アクチュエータ１の構造をセンサとして用いると、高感度のセンサを実現することができる。
【実施例】
【００４７】
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４８】
＜共重合体の製造＞
（１）共重合体１
まず、モノマーＡのブチルアクリレート３７．２ｇ（０．２９ｍｏｌ）と、モノマーＢのシアノエチルアクリレート８６．３ｇ（０．６９ｍｏｌ）と、モノマーＣのアクリル酸１．４ｇ（０．０２ｍｏｌ）と、を三つ口フラスコに入れ、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド２００ｍｌに溶解させた。次に、窒素バブリングを３０分間行った。それから、ラジカル開始剤のアゾビスイソブチロニトリルをモノマー全体質量の０．１質量％添加し、窒素雰囲気下、６５℃で１４時間加熱還流した。反応終了後、メタノールを用いて再沈殿、洗浄を行い、減圧乾燥して共重合体１を得た。得られた共重合体を核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置で分析したところ、共重合体１は、上記式（１）に示した構造を有するランダム共重合体であることを確認した（以下、共重合体２、３において同じ）。モノマーＣからなる構成単位においてカルボキシル基が存在することは、フェノールフタレイン溶液を指示薬とし、０．１Ｎ水酸化カリウムメタノール溶液を用いた中和滴定により確認した（以下、共重合体２〜１２、１８〜２１において同じ）。
【００４９】
（２）共重合体２
ブチルアクリレートの配合量を２５．６ｇ（０．２０ｍｏｌ）、シアノエチルアクリレートの配合量を９７．６ｇ（０．７８ｍｏｌ）に変更した以外は、共重合体１と同様にして共重合体２を製造した。
【００５０】
（３）共重合体３
ブチルアクリレートの配合量を１２．８ｇ（０．１０ｍｏｌ）、シアノエチルアクリレートの配合量を１１０．１ｇ（０．８８ｍｏｌ）に変更した以外は、共重合体１と同様にして共重合体３を製造した。
【００５１】
（４）共重合体４
モノマーＡを２−エチルヘキシルアクリレートに変更した以外は、共重合体１と同様にして共重合体４を製造した。２−エチルヘキシルアクリレートの配合量は、５３．４ｇ（０．２９ｍｏｌ）である。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体４は、次式（２）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した（以下、共重合体５、６において同じ）。
【化２】
2018059042.tif 000004
【００５２】
（５）共重合体５
２−エチルヘキシルアクリレートの配合量を３６．９ｇ（０．２０ｍｏｌ）、シアノエチルアクリレートの配合量を９７．６ｇ（０．７８ｍｏｌ）に変更した以外は、共重合体１と同様にして共重合体５を製造した。
【００５３】
（６）共重合体６
２−エチルヘキシルアクリレートの配合量を１８．４ｇ（０．１０ｍｏｌ）、シアノエチルアクリレートの配合量を１１０．１ｇ（０．８８ｍｏｌ）に変更した以外は、共重合体１と同様にして共重合体６を製造した。
【００５４】
（７）共重合体７
モノマーＡをオクチルアクリレートに変更した以外は、共重合体１と同様にして共重合体７を製造した。オクチルアクリレートの配合量は、５３．４ｇ（０．２９ｍｏｌ）である。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体７は、次式（３）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した（以下、共重合体８において同じ）。
【化３】
2018059042.tif 000005
【００５５】
（８）共重合体８
オクチルアクリレートの配合量を３６．９ｇ（０．２０ｍｏｌ）、シアノエチルアクリレートの配合量を９７．６ｇ（０．７８ｍｏｌ）に変更した以外は、共重合体７と同様にして共重合体８を製造した。
【００５６】
（９）共重合体９
モノマーＡをエチルアクリレートに変更した以外は、共重合体１と同様にして共重合体９を製造した。エチルアクリレートの配合量は、２９．０ｇ（０．２９ｍｏｌ）である。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体９は、次式（４）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した。
【化４】
2018059042.tif 000006
【００５７】
（１０）共重合体１０
まず、モノマーＢとしてのＤＣＥＡを製造した。２−メチレングルタロニトリル１０．６ｇ（０．１０ｍｏｌ）と、３−メルカプト−１−プロパノール９．２ｇ（０．１０ｍｏｌ）と、ジイソプロピルアミン０．６２ｍｌと、をナスフラスコに入れ、メタノール１００ｍｌに溶解させた後、室温にて６時間撹拌した。反応終了後、減圧乾燥し、さらにトルエン１００ｍｌ、アクリル酸７．２ｇ（０．１０ｍｏｌ）、ｐトルエンスルホン酸０．５ｇ、およびハイドロキノン０．０１ｇを添加して、６時間加熱還流した。反応終了後、精製水を用いた分液操作で有機相を回収し、減圧乾燥して次式（５）に示す構造のＤＣＥＡを得た。
【化５】
2018059042.tif 000007
【００５８】
次に、モノマーＢのシアノエチルアクリレート９７．６ｇ（０．７８ｍｏｌ）と、モノマーＢのＤＣＥＡ５０．５ｇ（０．２０ｍｏｌ）と、モノマーＣのアクリル酸１．４ｇ（０．０２ｍｏｌ）と、を三つ口フラスコに入れ、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド２００ｍｌに溶解させた。続いて、窒素バブリングを３０分間行った。それから、ラジカル開始剤のアゾビスイソブチロニトリルをモノマー全体質量の０．１質量％添加し、窒素雰囲気下、６５℃で１４時間加熱還流した。反応終了後、メタノールを用いて再沈殿、洗浄を行い、減圧乾燥して共重合体１０を得た。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体１０は、次式（６）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した。
【化６】
2018059042.tif 000008
【００５９】
（１１）共重合体１１
まず、モノマーＢとしてのＣＥＶＥを製造した。エチレングリコールモノビニルエーテル８．８ｇ（０．１０ｍｏｌ）と、アクリロニトリル５．３ｇ（０．１０ｍｏｌ）と、をナスフラスコに入れ、２Ｍの水酸化ナトリウム水溶液１００ｍｌに溶解させた後、室温にて６時間撹拌した。反応終了後、ジクロロメタンおよび精製水を用いた分液操作で有機相を回収し、減圧乾燥して次式（７）に示す構造のＣＥＶＥを得た。
【化７】
2018059042.tif 000009
【００６０】
次に、モノマーＢのアクリルニトリル１８．０ｇ（０．３４ｍｏｌ）と、モノマーＢのＣＥＶＥ９０．４ｇ（０．６４ｍｏｌ）と、モノマーＣのアクリル酸１．４ｇ（０．０２ｍｏｌ）と、を三つ口フラスコに入れ、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド２００ｍｌに溶解させた。続いて、窒素バブリングを３０分間行った。それから、ラジカル開始剤のアゾビスイソブチロニトリルをモノマー全体質量の０．１質量％添加し、窒素雰囲気下、６５℃で１４時間加熱還流した。反応終了後、メタノールを用いて再沈殿、洗浄を行い、減圧乾燥して共重合体１１を得た。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体１１は、次式（８）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した。
【化８】
2018059042.tif 000010
【００６１】
（１２）共重合体１２
モノマーＡを用いず、シアノエチルアクリレートの配合量を１２２．６ｇ（０．９８ｍｏｌ）に変更した以外は、共重合体１と同様にして共重合体１２を製造した。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体１２は、次式（９）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した。
【化９】
2018059042.tif 000011
【００６２】
（１３）共重合体１３
モノマーＣを用いず、ブチルアクリレートの配合量を３８．５ｇ（０．３０ｍｏｌ）、シアノエチルアクリレートの配合量を８７．６ｇ（０．７０ｍｏｌ）に変更した以外は、共重合体１と同様にして共重合体１３を製造した。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体１３は、次式（１０）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した。
【化１０】
2018059042.tif 000012
【００６３】
（１４）共重合体１４
まず、モノマーＢとしてのシアン基修飾シラン１とシアン基修飾シラン２とを製造した。
【００６４】
［シアン基修飾シラン１］
アクリロニトリル５．３ｇ（０．１０ｍｏｌ）と、ジメトキシ−３−メルカプトプロピルメチルシラン１９．８ｇ（０．１１ｍｏｌ）とジイソプロピルアミン０．６２ｍｌと、をナスフラスコに入れ、メタノール１００ｍｌに溶解させた後、室温にて６時間撹拌した。反応終了後、減圧乾燥して、次式（１１）に示す構造のシアン基修飾シラン１を得た。
【化１１】
2018059042.tif 000013
【００６５】
［シアン基修飾シラン２］
２−メチレングルタロニトリル１０．６ｇ（０．１０ｍｏｌ）と、ジメトキシ−３−メルカプトプロピルメチルシラン１９．８ｇ（０．１１ｍｏｌ）とジイソプロピルアミン０．６２ｍｌと、をナスフラスコに入れ、メタノール１００ｍｌに溶解させた後、室温にて６時間撹拌した。反応終了後、減圧乾燥して、次式（１２）に示す構造のシアン基修飾シラン２を得た。
【化１２】
2018059042.tif 000014
【００６６】
次に、モノマーＣを用いずにモノマーＡとモノマーＢとから共重合体を製造した。まず、モノマーＡのジエトキシジメチルシラン４０．９ｇ（０．３４ｍｏｌ）と、モノマーＢとしてシアン基修飾シラン１の７７．０ｇ（０．３３ｍｏｌ）およびシアン基修飾シラン２の９４．５ｇ（０．３３ｍｏｌ）と、をナスフラスコに入れ、室温にて１時間撹拌した。続いて、触媒のジブチルスズジアセタートを全モノマー質量に対して１０質量％添加し、大気圧下、１１０℃で６時間加熱撹拌した。反応終了後、メタノールを用いて再沈殿、洗浄を行い、減圧乾燥して共重合体１４（シアノ基修飾シリコーンゴム）を得た。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体１４は、次式（１３）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した。なお、ここではジエトキシジメチルシランをモノマーＡとして扱った。しかし、ジエトキシジメチルシランは架橋可能な官能基であるシラノール基を有する。このため、ジエトキシジメチルシランをモノマーＣとして扱ってもよい（以下、共重合体１５〜１７においても同じ）。
【化１３】
2018059042.tif 000015
【００６７】
（１５）共重合体１５
モノマーＢとしてシアン基修飾シラン２のみを１８９．１ｇ（０．６６ｍｏｌ）用いたこと以外は、共重合体１４と同様にして共重合体１５を製造した。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体１５は、次式（１４）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した。
【化１４】
2018059042.tif 000016
【００６８】
（１６）共重合体１６
まず、モノマーＢとしてのカーボネート基修飾シランを製造した。ビニルエチレンカーボネート１１．４ｇ（０．１０ｍｏｌ）と、ジメトキシ−３−メルカプトプロピルメチルシラン１９．８ｇ（０．１１ｍｏｌ）とジイソプロピルアミン０．６２ｍｌと、をナスフラスコに入れ、メタノール１００ｍｌに溶解させた後、室温にて６時間撹拌した。反応終了後、減圧乾燥して、次式（１５）に示す構造のカーボネート基修飾シランを得た。
【化１５】
2018059042.tif 000017
【００６９】
次に、モノマーＢとしてカーボネート基修飾シランのみを１９４．３ｇ（０．６６ｍｏｌ）用いたこと以外は、共重合体１４と同様にして共重合体１６を製造した。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体１６は、次式（１６）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した。
【化１６】
2018059042.tif 000018
【００７０】
（１７）共重合体１７
モノマーＢとして、シアン基修飾シラン２を９４．５ｇ（０．３３ｍｏｌ）、カーボネート基修飾シランを９７．２ｇ（０．３３ｍｏｌ）用いたこと以外は、共重合体１４と同様にして共重合体１７を製造した。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体１７は、次式（１７）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した。
【化１７】
2018059042.tif 000019
【００７１】
（１８）共重合体１８
まず、カルボキシル基含有ＮＢＲ（ＪＳＲ（株）製「ＸＥＲ−３２」）１．２５ｇをテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）１００ｍｌに溶解させた後、０．５Ｍの９−ボラビシクロ［３．３．１］ノナン（９−ＢＢＮ）のＴＨＦ溶液１８．４ｍｌと、５−クロロバレロニトリル０．９５ｇと、を添加して、０．５時間撹拌した。続いて、水浴中で、ポタシウム  ２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール１．９０ｇを加えて、２時間撹拌した。反応終了後、メタノールを用いて再沈殿、洗浄を行い、減圧乾燥して共重合体１８（シアノ基修飾ＮＢＲ）を得た。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体１８は、次式（１８）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した。
【化１８】
2018059042.tif 000020
【００７２】
（１９）共重合体１９
まず、モノマーＡのブチルアクリレート８８．４ｇ（０．６９ｍｏｌ）と、極性基を有するモノマーのアクリロニトリル１５．４ｇ（０．２９ｍｏｌ）と、モノマーＣのアクリル酸１．４ｇ（０．０２ｍｏｌ）と、を三つ口フラスコに入れ、窒素バブリングを３０分間行った。次に、ラジカル開始剤のアゾビスイソブチロニトリルをモノマー全体質量の０．１質量％添加し、窒素雰囲気下、６５℃で３時間加熱還流した。反応終了後、メタノールを用いて再沈殿、洗浄を行い、減圧乾燥して共重合体１９を得た。得られた共重合体をＮＭＲ装置で分析したところ、共重合体１９は、次式（１９）に示す構造を有するランダム共重合体であることを確認した（以下、共重合体２０、２１において同じ）。
【化１９】
2018059042.tif 000021
【００７３】
（２０）共重合体２０
ブチルアクリレートの配合量を６９．２ｇ（０．５４ｍｏｌ）、アクリロニトリルの配合量を２３．３ｇ（０．４４ｍｏｌ）に変更した以外は、共重合体１９と同様にして共重合体２０を製造した。
【００７４】
（２１）共重合体２１
ブチルアクリレートの配合量を６２．８ｇ（０．４９ｍｏｌ）、アクリロニトリルの配合量を２６．０ｇ（０．４９ｍｏｌ）に変更した以外は、共重合体１９と同様にして共重合体２１を製造した。
【００７５】
＜共重合体の物性測定＞
製造した共重合体の重量平均分子量をＧＰＣ装置を用いて測定し、ガラス転移点をＤＳＣを用いて測定した。また、共重合体の比誘電率、体積抵抗率、弾性率の測定には、次のようにして製造した測定用サンプルを用いた。まず、共重合体をアセチルアセトンに溶解し、固形分濃度が２０質量％のポリマー溶液を調製した。次に、調製したポリマー溶液を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で６０分間加熱して、薄膜状の測定用サンプルを得た。
【００７６】
［比誘電率］
比誘電率については、上述したように、ソーラトロン社製の装置を使用して周波数１００Ｈｚにて測定した。
【００７７】
［体積抵抗率］
体積抵抗率については、ＪＩＳ  Ｋ６２７１：２００８に規定される平行端子電極法に準じて測定した。測定は、直流電圧１００Ｖを印加して行った。
【００７８】
［弾性率］
弾性率については、ＪＩＳ  Ｋ６２５４：２０１０に規定される静的せん断弾性率の測定方法に準じて測定した。測定には、短冊状１号形の試験片を用い、引張試験における引張速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ、引張歪みは２５％とした。
【００７９】
表１、表２に、共重合体の組成、物性をまとめて示す。共重合体１〜１８は、本発明の誘電エラストマー材料を構成する共重合体に含まれる。比較のため、市販のアクリルゴム（日本ゼオン（株）製「Ｎｉｐｏｌ（登録商標）ＡＲ５３Ｌ」）、シリコーンゴム（信越化学工業（株）製「ＫＥ−１９３５」）、およびカルボキシル基含有ＮＢＲ（ＪＳＲ（株）製「ＸＥＲ−３２」）の物性も併せて示す。
【表１】
2018059042.tif 000022
【表２】
2018059042.tif 000023
【００８０】
実施例１〜１３と比較例１〜４、実施例１４〜１７と比較例５、実施例１８と比較例６、というように、ベースポリマーが同じもの同士を比較すると、実施例の比誘電率は、比較例のそれより大きくなった。実施例１〜１３（共重合体１〜１３）と比較例１〜３（共重合体１９〜２１）との主な違いは、モノマーＢの種類である。比較例１〜３においては、モノマーＢとしてアクリロニトリルを使用した。この場合、共重合体１９〜２１のモノマーＢからなる構成単位において、シアノ基はポリマー主鎖の炭素に直接結合されている。すなわち、シアノ基とポリマー主鎖との間には、原子が１つも介在していない。したがって、シアノ基がポリマー鎖と干渉して、極性基としての特性が発揮されにくいと考えられる。
【００８１】
実施例の共重合体１〜３、４〜６、７、８に着目すると、モノマーＢの種類が同じ場合、その配合量が増加するにつれて、比誘電率および弾性率が大きくなることが確認された。これに対して、比較例の共重合体１９〜２１においては、モノマーＢの配合量を増加してシアノ基の含有量を多くしても、弾性率は大きくなるが、比誘電率は大きくならなかった。この理由も、シアノ基がポリマー主鎖の炭素に直接結合されていることにより、シアノ基がポリマー鎖と干渉して、極性基としての特性が発揮されにくいためと考えられる。
【００８２】
実施例の共重合体１０〜１７は、モノマーＢ、ＣまたはモノマーＡ、Ｂからなる二元共重合体である。これらについても、モノマーＡ、Ｂ、Ｃからなる三元共重合体と同じように、比誘電率の向上効果が見られた。
【００８３】
＜アクチュエータ特性１＞
共重合体１、２、１１、１４、１９を用いて誘電層を製造し、当該誘電層を備える電歪型のアクチュエータを製造した。まず、共重合体をアセチルアセトンに溶解し、固形分濃度が２０質量％のポリマー溶液を調製した。次に、ポリマー溶液１００質量部に対して、架橋剤のテトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンのアセトン溶液（濃度２０質量％）を５質量部、絶縁フィラーの酸化チタン粒子を１２．４２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６０分間加熱することにより、厚さ１０μｍの薄膜状の誘電層を製造した。これとは別に、アクリルゴムポリマー溶液１００質量部に対してカーボンブラックを１０質量部添加して導電塗料を調製した。調製した導電塗料を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で６０分間加熱して、厚さ５μｍの薄膜状の電極を製造した。電極の体積抵抗率は、５Ω・ｃｍである。製造した電極を、誘電層の厚さ方向の表裏両面に貼り付けて、一対の電極を形成した。このようにして、誘電層が異なる四種類のアクチュエータを製造した。共重合体１、２、１１、１４は、本発明の誘電エラストマー材料を構成する共重合体に含まれる。共重合体１、２、１１、１４から製造された誘電層を備える実施例１、２、１１、１４のアクチュエータは、本発明のトランスデューサに含まれる。また、上述した市販のアクリルゴム、シリコーンゴムからも各々誘電層を製造し、同じようにして誘電層の厚さ方向の表裏両面に電極を形成して、アクチュエータを製造した。そして、各アクチュエータについて、絶縁破壊強度、発生力、および変位量を測定した。
【００８４】
まず、絶縁破壊強度の測定装置および測定方法について説明する。図２に、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を示す。図３に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図を示す。
【００８５】
図２、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。
【００８６】
アクチュエータ５は、誘電層５０と一対の電極５１ａ、５１ｂとからなる。誘電層５０は、自然状態で、縦５０ｍｍ、横２５ｍｍの矩形板状を呈している。電極５１ａ、５１ｂは、誘電層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、誘電層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。
【００８７】
絶縁破壊強度の測定は、電極５１ａ、５１ｂ間に印加する電圧を段階的に増加して、誘電層５０が破壊されるまで行った。そして、誘電層５０が破壊される寸前の電圧値を誘電層５０の厚さで除した値を、絶縁破壊強度とした。
【００８８】
次に、発生力の測定装置および測定方法について説明する。発生力の測定は、絶縁破壊強度の測定と同じ装置を用いて行った（図２、図３参照）。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、誘電層５０を圧縮する。これにより、誘電層５０の厚さは薄くなり、延伸方向（上下方向）に伸長する。誘電層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。発生力の測定は、電界強度を３０Ｖ／μｍにして行った。  次に、変位量の測定装置および測定方法について説明する。図４に、アクチュエータの上面図を示す。図５に、図４のＶ−Ｖ断面図を示す。図４、図５に示すように、アクチュエータ６は、誘電層６０と一対の電極６１ａ、６１ｂとからなる。誘電層６０は、直径７０ｍｍの円形の薄膜状を呈している。誘電層６０は、縦横の二軸方向に２５％延伸された状態で配置されている。一対の電極６１ａ、６１ｂは、誘電層６０を挟んで厚さ方向に対向するよう配置されている。電極６１ａ、６１ｂは、直径約２７ｍｍの円形の薄膜状を呈しており、各々、誘電層６０と略同心円状に配置されている。電極６１ａの外周縁には、拡径方向に突出する端子部６１０ａが形成されている。端子部６１０ａは矩形板状を呈している。同様に、電極６１ｂの外周縁には、拡径方向に突出する端子部６１０ｂが形成されている。端子部６１０ｂは矩形板状を呈している。端子部６１０ｂは、端子部６１０ａに対して、１８０°対向する位置に配置されている。端子部６１０ａ、６１０ｂは、各々、導線を介して電源６２に接続されている。
【００８９】
電極６１ａ、６１ｂ間に電圧を印加すると、電極６１ａ、６１ｂ間に静電引力が生じて、誘電層６０を圧縮する。これにより、誘電層６０の厚さは薄くなり、拡径方向に伸長する。この時、電極６１ａ、６１ｂも、誘電層６０と一体となって拡径方向に伸長する。電極６１ａには、予め、マーカー６３０が取り付けられている。マーカー６３０の変位を、変位計６３により測定し、アクチュエータ６の変位量とした。変位量の測定は、電界強度を３０Ｖ／μｍにして行った。そして、測定された変位量から、次式（ｉｉ）により変位率を算出した。
変位率（％）＝（変位量／電極の半径）×１００  ・・・（ｉｉ）
表３および表４に、各アクチュエータの発生力、変位率、および絶縁破壊強度の測定結果を示す。
【表３】
2018059042.tif 000024
【表４】
2018059042.tif 000025
【００９０】
上述したように、共重合体１、２と共重合体１９とにおいては、モノマーＢの種類が異なり、共重合体１、２の方が比誘電率が大きい。その結果、表３および表４に示すように、共重合体１、２から製造された誘電層を備える実施例１、２のアクチュエータにおいては、共重合体１９から製造された誘電層を備える比較例１のアクチュエータと比較して、発生力および変位率が大きくなった。また、アクリルゴムまたはシリコーンゴムから製造された誘電層を備える比較例４、５のアクチュエータと比較すると、実施例１、２、１１、１４のアクチュエータの方が、発生力および変位率が大きくなった。
【００９１】
＜アクチュエータ特性２＞
共重合体１、１１を用いて誘電層を製造し、当該誘電層を備える電歪型のアクチュエータを製造した。製造したアクチュエータの構成は、誘電層の厚さ方向の表裏両面にイオン固定層が積層されている点以外は、＜アクチュエータ特性１＞におけるそれと同じである。すなわち、製造したアクチュエータにおいては、カチオン固定層／誘電層／アニオン固定層からなる積層体の表裏両面に電極が配置されている。誘電層および電極の製造方法は、＜アクチュエータ特性１＞におけるそれと同じである。以下、アニオン固定層およびカチオン固定層（イオン固定層）について説明する。
【００９２】
［アニオン固定層］
まず、反応性イオン液体を製造した。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。このようにして、イオン液体モノマーを得た。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）と、をメタノール（超脱水）２０ｍｌに溶解した。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触媒として加えて、室温で２０時間撹拌し、溶媒を減圧留去して、次式（２０）に示される反応性イオン液体を得た。
【化２０】
2018059042.tif 000026
【００９３】
次に、アニオン固定層を製造した。製造し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とをモル比で１：１で混合した混合液に溶解させた。この混合液にイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を添加し、さらに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った。このようにして、反応性イオン液体のアニオン成分が固定されたＴｉＯ２粒子と、反応性イオン液体のカチオン成分と、を含むゾルを得た。得られたゾルを、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（登録商標）ＸＴ８８８９」）の１２質量％溶液（溶媒：アセチルアセトン）に混合した。ゾルは、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た。ゾルを混合した混合液に、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、液状のエラストマー組成物を調製した。エラストマー組成物を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で１時間加熱して、アニオン固定層を得た。アニオン固定層の厚さは１０μｍであった。
【００９４】
［カチオン固定層］
まず、反応性イオン液体を製造した。１−メチル−３−ビニルイミダゾリウム炭酸メチル塩の溶液１６．２ｇ（溶剤：メタノール／水＝３：２混合液、濃度２５質量％、０．０２２ｍｏｌ）中に、等モルのベンゼンスルホン酸・一水和物３．８０（０．０２２ｍｏｌ）を滴下した。室温で１時間撹拌した後、溶媒を減圧留去し、減圧乾燥を２時間行った。このようにして、イオン液体モノマーを得た。得られたイオン液体モノマー３．００ｇ（１１．３ｍｍｏｌ）と、３−メルカプトトリメトキシシラン２．４３ｇ（１２．４ｍｍｏｌ）と、をメタノール（超脱水）４０ｍｌに溶解した。３−メルカプトトリメトキシシランに対して１５ｍｏｌ％のアゾビスイソブチリロニトリルをラジカル発生剤として加えて、アルゴンバブリングを３０分間行った後、温度７５℃、アルゴン下において７時間還流した。溶媒を減圧留去し、ジエチルエーテルで洗浄した後、減圧乾燥して、次式（２１）に示される反応性イオン液体を得た。
【化２１】
2018059042.tif 000027
【００９５】
次に、カチオン固定層を製造した。製造し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とをモル比で１：１で混合した混合液に溶解させた。この混合液にＩＰＡを添加し、さらに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った。このようにして、反応性イオン液体のカチオン成分が固定されたＴｉＯ２粒子と、反応性イオン液体のアニオン成分と、を含むゾルを得た。得られたゾルを、ＨＸ−ＮＢＲ（同上）の１２質量％溶液（溶媒：アセチルアセトン）に混合した。ゾルは、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た。ゾルを混合した混合液に、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、液状のエラストマー組成物を調製した。エラストマー組成物を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で１時間加熱して、カチオン固定層を得た。カチオン固定層の厚さは１０μｍであった。
【００９６】
誘電層の表面にカチオン固定層を、裏面にアニオン固定層を貼り付けて、各々から基材を剥離することにより、三層構造の積層体を製造した。製造した積層体の表裏両面に電極を貼り付けてアクチュエータを製造した。共重合体１、１１から製造された誘電層を備える実施例１、１１のアクチュエータは、本発明のトランスデューサに含まれる。各アクチュエータについて、＜アクチュエータ特性１＞で行ったのと同様にして、絶縁破壊強度、発生力、および変位量を測定した。
【００９７】
先の表３に、各アクチュエータの発生力、変位率、および絶縁破壊強度の測定結果を併せて示す。表３に示すように、共重合体１、１１から製造された誘電層にイオン固定層を積層することにより、発生力、変位率、絶縁破壊強度のいずれも大幅に大きくなった。
【００９８】
＜センサ特性＞
共重合体１〜２１を用いて誘電層を製造し、当該誘電層を備える静電容量型センサを製造した。まず、共重合体をアセチルアセトンに溶解し、固形分濃度が２０質量％のポリマー溶液を調製した。次に、ポリマー溶液１００質量部に対して、架橋剤のテトラキス（２−エチルヘキシルオキシ）チタンのアセトン溶液（濃度２０質量％）を５質量部添加して、混合液を調製した。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、厚さ１０μｍの薄膜状の誘電層を製造した。これとは別に、アクリルゴムポリマー溶液１００質量部に対してカーボンブラックを１０質量部添加して導電塗料を調製した。調製した導電塗料を基材上に塗布し、乾燥させた後、１５０℃で６０分間加熱して、厚さ５μｍの薄膜状の電極を製造した。電極の体積抵抗率は、５Ω・ｃｍである。製造した電極を、誘電層の厚さ方向の表裏両面に貼り付けて、一対の電極を形成した。このようにして、誘電層が異なる十五種類のセンサを製造した。共重合体１〜１８は、本発明の誘電エラストマー材料を構成する共重合体に含まれる。共重合体１〜１８から製造された誘電層を備える実施例１〜１８のセンサは、本発明のトランスデューサに含まれる。また、上述した市販のアクリルゴム、シリコーンゴム、カルボキシル基含有ＮＢＲからも誘電層を製造し、同じようにして製造した電極を誘電層の厚さ方向の表裏両面に貼り付けて、センサを製造した。
【００９９】
製造したセンサについて、まずは初期（未伸長時）の静電容量を測定した。次に、センサを面方向の一方向に伸長し、伸長率１００％下での静電容量を測定した。そして、伸長時の静電容量から初期の静電容量を差し引いて、静電容量変化量を算出した。静電容量は、ＬＣＲメータ（Ｋｅｙｓｉｇｈｔ社製「Ｅ４９８０ＡＬ」）を用いて測定した。
【０１００】
表３および表４に、各センサの初期および伸長時の静電容量、静電容量変化量の測定結果を併せて示す。表３および表４に示すように、実施例１〜１３と比較例１〜４、実施例１４〜１７と比較例５、実施例１８と比較例６、というように、ベースポリマーが同じもの同士を比較すると、実施例のセンサの方が比較例のセンサよりも、静電容量および静電容量変化量が大きくなった。実施例１２のセンサにおいては、静電容量変化量が比較例１のセンサよりも若干小さくなったが、比較例２〜４のセンサと比較すると大きくなった。静電容量変化量が大きいほど、感度が高く、より小さな変位を検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
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、発電素子など、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、ノイズキャンセラなどとして、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などに用いられる人工筋肉、電子部品冷却用や医療用などの小型ポンプ、振動による触覚機能（ハプティスク）素子、および医療用器具などに用いられる柔軟なアクチュエータとして好適である。また、ウエアラブルな生体情報センサや、ロボットの人工皮膚、医療用、介護用などのマットレス、車椅子のシートなどに配置される圧力センサとして好適である。
【符号の説明】
【０１０２】
１：アクチュエータ（トランスデューサ）、１０：誘電層、１１ａ、１１ｂ：電極、１２ａ、１２ｂ：配線。
５：アクチュエータ、５０：誘電層、５１ａ、５１ｂ：電極、５２：上側チャック、５３：下側チャック。
６：アクチュエータ、６０：誘電層、６１ａ、６１ｂ：電極、６２：電源、６３：変位計、６１０ａ、６１０ｂ：端子部、６３０：マーカー。
【図１】
2018059042.tif 000028
【図２】
2018059042.tif 000029
【図３】
2018059042.tif 000030
【図４】
2018059042.tif 000031
【図５】
2018059042.tif 000032