CN103444069B

CN103444069B - 转换器

Info

Publication number: CN103444069B
Application number: CN201280012458.8A
Authority: CN
Inventors: 高松成亮; 熊谷信志; 小久保阳太
Original assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Riko Co Ltd
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: WO2013054614A1; CN103444069A; EP2654196B1; US9397589B2; US20130293063A1; EP2654196A1; EP2654196A4

Abstract

转换器（1）具备：包含弹性体且体积电阻率为10¹²Ω·cm以上的高电阻层（10），和配置在高电阻层（10）的表里两侧并包含粘合剂和导电材料的一对电极（30a）、（30b），和位于高电阻层（10）的表里至少一侧、夹装在电极（30a）和高电阻层（10）之间、包含弹性体且比高电阻层（10）的体积电阻率小2位数以上的中电阻层（20）。根据转换器（1），通过将中电阻层（20）夹装在至少一侧的电极（30a）和高电阻层（10）之间，活化高电阻层（10）原本具有的耐介质击穿性，从而可以施加更大的电压，获得更大的力。

Description

转换器

技术领域

本发明涉及使用了弹性体材料的柔软的转换器。

背景技术

作为转换器，已知有进行机械能与电能的转换的致动器、传感器等，或者进行声能与电能的转换的扬声器、话筒等。为了构成柔软性高、小型且较轻的转换器，介电弹性体等高分子材料是有用的。

例如，于介电弹性体形成的片状的介电层的厚度方向的两面配置即使伸缩也难以增加电阻的一对电极，可以构成柔软的致动器。对于这种致动器而言，若增加电极间的施加电压，则电极间的静电引力变大。因此，夹在电极间的介电层从厚度方向被压缩，介电层的厚度变薄。若膜厚变薄，则相应的，介电层沿平行于电极面的方向伸长。另一方面，若减小电极间的施加电压，则电极间的静电引力变小。因此，对介电层的厚度方向的压缩力变小，在介电层的弹性回复力的作用下膜厚变厚。如果膜厚变厚，那么相应地介电层沿平行于电极面的方向收缩。像这样，致动器通过使介电层伸长、收缩，从而将驱动对象部件驱动。

由致动器输出的力和位移量由施加电压的大小和介电层的相对介电常数决定。即，施加电压越大且介电层的相对介电常数越大，致动器的产生力和位移量就变得越大。因此，作为介电层的材料，使用耐介质击穿性高的硅橡胶、相对介电常数大的丙烯酸（酯）橡胶、丁腈橡胶等（例如参照专利文献1、2）。

现有技术文献

专利文献:

专利文献1：日本特表2003-506858号公报

专利文献2：日本特表2001-524278号公报

专利文献3：日本特开2011-201104号公报

专利文献4：日本特开2005-51949号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是硅橡胶的相对介电常数小。因此，将硅橡胶用于介电层的材料时，相对于施加电压的静电引力小，难以得到期望的产生力和位移量。另外，硅橡胶的耐介质击穿性不能说是充分，可以施加的电压存在界限。

另一方面，丙烯酸（酯）橡胶、丁腈橡胶的相对介电常数比硅橡胶的相对介电常数大。因此，将丙烯酸（酯）橡胶等用于介电层的材料时，相对于施加电压的静电引力与使用硅橡胶时相比较变大。然而，丙烯酸（酯）橡胶等的电阻比硅橡胶小。因此，介电层易发生介质击穿。另外，在电压施加时，电流流过介电层中（所谓的泄漏电流），在介电层和电极的界面附近电荷难以积存。因此，尽管相对介电常数大，但是静电引力变小，难以获得期望的产生力和位移量。进而，如果电流在介电层中流动，则存在由于产生的焦耳热使得介电层被破坏的可能。如此，现下没有可耐受高电场强度的弹性体。因此，将弹性体用于介电层的材料时，难以实现增大施加电压而使得产生力和位移量较大的致动器。

本发明是鉴于这样的实际情况而进行的，其目的在于提供一种转换器，其具备包含弹性体的介电层，施加大的电压可输出大的力。

用于解决问题的方案

弹性体的介质击穿强度可以使用例如Mckeown电极测定。Mckeown电极是将试料夹在一对不锈钢钢球电极间，用环氧树脂固定试料和电极而形成的。另一方面，在上述柔软的致动器中，按照覆盖介电层的表里两面的方式配置柔软的电极。如专利文献3所述那样，柔软的电极是使导电材料分散到弹性体中形成的。本发明人研究后得知，构成致动器时，介电层在比用Mckeown电极测定的介质击穿电压小的电压下发生介质击穿。其理由认为如下。

在用Mckeown电极的测定方法中，夹着弹性体（试料）各配置一个直径10mm的球状的电极。此时，电极与弹性体通过一点相接触。弹性体仅在与电极的接触点间形成导通路径。另一方面，致动器中，按照覆盖弹性体（介电层）的表里两面的方式配置电极。电极通过已分散的导电材料的电子导电而表现导电性。从微观上来看由导电材料的多个点向弹性体供给电荷。因此，难以对与电极相接的弹性体的界面施加均匀的电压。另外，在弹性体具有某些缺陷的情况下，电荷集中在缺陷部分时，导致流过大电流，易击穿介电层。如此，在使用Mckeown电极的测定方法与实际的致动器中，电极构成不同。因此，认为在构成致动器的情况下，弹性体的介质击穿强度比使用Mckeown电极测定的介质击穿强度小。

基于这样的认识的本发明的转换器的特征在于，其具备包含弹性体的、体积电阻率为10¹²Ω·cm以上的高电阻层，和配置在该高电阻层的表里两侧、包含粘合剂和导电材料的一对电极，和位于该高电阻层的表里至少一侧、夹装在该电极和该高电阻层之间、包含弹性体且比该高电阻层的体积电阻率小2位数以上的中电阻层。

在本发明的转换器中，将体积电阻率不同的高电阻层和中电阻层夹装在一对电极间。中电阻层配置在高电阻层的表里的至少一面。即，中电阻层层叠在高电阻层的表面或里面的任一侧，或按照夹持高电阻层的方式层叠在高电阻层的表里两面。通过将中电阻层夹装于电极和高电阻层之间，从电极以多个点来供给的电荷在中电阻层被均匀化之后，向高电阻层供给。由此，可以对高电阻层施加均匀的电压。由此，高电阻层容易发挥原本具有的耐介质击穿性。即，转换器中的高电阻层的介质击穿强度与上述使用Mckeown电极测定的结果变得几乎相同。

图1为本发明的转换器的第一实施方式的截面示意图。如图1所示，转换器1具备高电阻层10、中电阻层20和一对电极30a、30b。此处，将施加在一对电极30a、30b间的电压设为V，一对电极30a、30b间流过的电流设为I，高电阻层10的体积电阻率设为R1，厚度设为t1，施加于高电阻层10的电压设为V1，中电阻层的体积电阻率设为R2，厚度设为t2，施加于中电阻层的电压设为V2。此时，施加于高电阻层10的电压V1是通过式（1）算出的。

V 1 = I \times R 1 = \frac{V}{R 1 + R 2} \times R 1 = \frac{V}{1 + \frac{R 2}{R 1}} \cdot \cdot \cdot (1)

中电阻层20的体积电阻率R2比高电阻层10的体积电阻率R1小2位数以上。即，式（1）中R2/R1为1/100以下。例如，R2/R1为0.01时，由式（1）可得，V1=V/1.01，施加在一对电极30a、30b间的电压V之中的99%施加于高电阻层10。因此，中电阻层20的体积电阻率R2比高电阻层10的体积电阻率R1小2位数以上时，施加在一对电极30a、30b间的电压V之中的99%以上施加于高电阻层10。

此处示出仅在高电阻层的单侧配置中电阻层的实施方式，在高电阻层的两侧（表里两面）配置中电阻层的实施方式中，施加于高电阻层的电压同样由式（1）算出。

通过本发明的转换器，高电阻层的体积电阻率为10¹²Ω·cm以上。因此高电阻层耐介质击穿性优异。因此，通过将中电阻层夹装在电极和高电阻层之间，活化高电阻层原本具有的耐介质击穿性，可以施加更大的电压，从而获得更大的力。

附图说明

图1为第一实施方式的转换器的截面示意图。

图2为第二实施方式的转换器的截面示意图。

图3为第三实施方式的转换器的电压施加前的状态的截面示意图。

图4为该转换器的电压施加时的状态的截面示意图。

图5为生成的阳离子固定颗粒的示意图。

图6为测定装置上安装的致动器的表侧主视图。

图7为图6的VⅡ-VⅡ剖视图。

图8为表示实施例1～3和比较例1的致动器的表观电场强度与施加于高电阻层的电场强度的关系的图。

图9为表示实施例1、4、5和比较例2的致动器的表观电场强度与产生力的关系的图。

附图标记说明

1：转换器，10：高电阻层，20、21、22：中电阻层，23：阳离子固定层（中电阻层），24：阴离子固定层（中电阻层），30a、30b：电极，31：正极，32：负极，230：弹性体，231：阳离子固定颗粒，232：阴离子成分，240：弹性体，241：阴离子固定颗粒，242：阳离子成分。

5：致动器，50：层叠体，51a、51b：电极，52：上侧卡盘，53：下侧卡盘。

具体实施方式

以下对本发明的转换器的实施方式进行说明。需要说明的是，本发明的转换器并不限定于以下的实施方式，在不偏离本发明的主旨的范围内，本领域技术人员可进行各种变更、改良等从而实施。本发明的转换器具备高电阻层、中电阻层和一对电极。

<高电阻层>

高电阻层包含弹性体，具有10¹²Ω·cm以上的体积电阻率。高电阻层可以仅由弹性体构成，也可以在弹性体的基础上包含其他成分构成。本说明书中，弹性体包含交联橡胶和热塑性弹性体。

作为弹性体，可适宜的举出例如乙烯-丙烯-二烯共聚物（EPDM）、异戊二烯橡胶、天然橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶（NBR）、氢化丁腈橡胶(H-NBR)、硅橡胶、聚氨酯橡胶、丙烯酸（酯）橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、乙烯-乙酸乙烯酯-丙烯酸酯共聚物等。另外，也可以使用环氧化天然橡胶、羧基改性氢化丁腈橡胶（XH-NBR）等这样的，导入官能团等而改性了的弹性体。作为弹性体，可以单独使用一种或将两种以上混合使用。

作为在弹性体的基础上配混的其它的成分，可例举出绝缘性高的无机填料等。通过配混绝缘材料可以增大高电阻层的体积电阻率。作为无机填料，例如列举出二氧化硅、氧化钛、钛酸钡、碳酸钙、粘土、烧成粘土、滑石等。可以单独使用它们的一种，或者混合二种以上使用。例如，从后述的官能团的数量多、相对便宜的理由出发，二氧化硅是适宜的。另外，对于二氧化硅、氧化钛、钛酸钡也可以使用通过有机金属化合物的水解反应（溶胶凝胶法）制造的物质。

为了阻断电子的流动，进一步提高绝缘性，期望弹性体与无机填料通过化学键合。为了如此，期望弹性体与无机填料两者具有可互相反应的官能团。作为官能团，可例举出羟基（-OH）、羧基（-COOH）、马来酸酐基等。此时，作为弹性体，羧基改性氢化丁腈橡胶等这样的、导入官能团等而改性了的物质是适宜的。另外，无机填料的情况下，可以根据制造方法或制造后实施表面处理，将官能团导入、或使官能团的数量增加。官能团的数量越多弹性体与无机填料的反应性越提高。

无机填料的配混比例可以考虑到弹性体的体积电阻率等来决定。例如，相对于100质量份弹性体，期望为5质量份以上且50质量份以下。不足5质量份时，增大电阻的效果减小。相反地，如果超过50质量份，那么存在高电阻层变硬、柔软性受损的可能。

从确保成膜精度并且降低膜的缺陷的观点出发，高电阻层的厚度期望为5μm以上。另一方面，高电阻层的厚度变大，则驱动时需要大的电压，从而成本变高。因此高电阻层的厚度期望为50μm以下。施加在高电阻层的电场强度通过用对高电阻层的施加电压V1除以厚度t1算出（参照前述图1）。因此，高电阻层的厚度越小，越可以增大电场强度。

另外，相对于高电阻层和中电阻层的总体厚度，高电阻层的厚度比率期望为0.1以上且0.75以下(0.1≤t1/（t1＋t2）≤0.75、参照前述图1)。高电阻层的厚度比率不足0.1时，由于中电阻层的厚度变大，因此，转换器的厚度变大。此时有增大施加电压的必要，在实用上不期望。另一方面，高电阻层的厚度比率超过0.75时，高电阻层的厚度减小到5μm左右时，难以形成比其厚度小的中电阻层。

<中电阻层>

中电阻层层叠在高电阻层的表面或里面的至少一侧。例如，可如上述第一实施方式那样，在一对电极间各层叠一层高电阻层和中电阻层构成转换器。另外，从使电荷的供给在高电阻层的表里两面均匀化的观点出发，期望中电阻层配置在高电阻层的表里两面的实施方式。图2为本发明的转换器的第二实施方式的截面示意图。如图2所示，转换器1具备高电阻层10和中电阻层21、22和一对电极30a、30b。中电阻层21层叠在高电阻层10的上表面（表面）。电极30a配置在中电阻层21的上表面。即，中电阻层21夹装在高电阻层10与电极30a之间。中电阻层22层叠在高电阻层10的下表面（里面）。电极30b配置在中电阻层22的下表面。即，中电阻层22夹装在高电阻层10与电极30b之间。

中电阻层的体积电阻率比高电阻层的体积电阻率小2位数以上。中电阻层的适宜的体积电阻率为10⁹Ω·cm以上。更适宜为10¹⁰Ω·cm以上。

中电阻层包含弹性体。弹性体可以与高电阻层的弹性体相同也可以不同。另外，在中电阻层包含后述离子固定颗粒时，期望使用可与离子固定颗粒化学键合的弹性体。例如，在离子固定颗粒具有羟基（-OH）时，作为弹性体使用具有可与该羟基反应的官能团的物质即可。作为这样的官能团可列举出羧基（-COOH）、氨基（-NH）、环氧基等。例如，从相对介电常数大的观点来看，羧基改性丁腈橡胶（X-NBR）、羧基改性氢化丁腈橡胶（XH-NBR）等是适宜的。其中，期望丙烯腈的含量（结合AN量）为33质量%以上者。结合AN量为以橡胶总体质量为100质量%时的丙烯腈的质量比例。

从进一步增大由转换器输出的力的观点来看，期望中电阻层包含离子成分。施加电压时，由于离子成分的极化，中电阻层的内部产生大量电荷。因此，中电阻层的内部、与高电阻层的界面附近蓄积大量电荷。由此，产生压缩高电阻层和中电阻层的较大的静电引力，可以得到更大的输出。

顺带说一下，上述专利文献4中公开了将导电性聚合物层和含有离子电解质的层夹装于一对电极间而成的致动器。根据专利文献4的致动器，施加电压使含有离子电解质的层的离子掺杂或反掺杂于导电性聚合物层中。由此，使导电性聚合物层伸缩，产生力。专利文献4的致动器在使离子在邻接的层间移动这一点上，与本发明的转换器不同。

离子成分在室温下既可以为固体也可以为液体（离子性液体）。尤其离子性液体是适宜的。另外，离子成分的一部分可以固定化于构成中电阻层的聚合物。例如，可以将固定有阳离子或阴离子的聚合物混合到弹性体中。另外，也可以使将阳离子或阴离子固定化于金属氧化物颗粒而成的离子固定颗粒化学键合于弹性体。以下，对后者的实施方式，即中电阻层包含离子固定颗粒的实施方式进行说明。

本实施方式的中电阻层具有弹性体、和在金属氧化物颗粒上使第一离子成分固定化而成的离子固定颗粒、和带有与该第一离子成分相反电荷的第二离子成分，该离子固定颗粒被化学键合于弹性体，期望该第一离子成分的电荷与邻接的电极的极性相同。

固定于离子固定颗粒的第一离子成分的电荷与邻接的电极的极性相同。即，在配置在正极侧的电极与高电阻层之间的中电阻层中，第一离子成分具有正电荷。即，该中电阻层包含阳离子被固定化于金属氧化物颗粒而成的离子固定颗粒。同样的，在配置在负极侧的电极与高电阻层之间的中电阻层中，第一离子成分具有负电荷。即，该中电阻层包含阴离子被固定化于金属氧化物颗粒而成的离子固定颗粒。以下，用示意图对本实施方式的具备中电阻层的转换器的构成和工作进行说明。

图3为表示第三实施方式的转换器的电压施加前的状态的截面示意图。图4为表示该转换器的电压施加时的状态的截面示意图。但图3、图4为示意地表示第三实施方式的转换器的图，并不对本发明的转换器进行任何限定。

如图3所示，转换器1具备高电阻层10、阳离子固定层23、阴离子固定层24、正极31和负极32。阳离子固定层23配置于高电阻层10的上表面。正极31配置于阳离子固定层23的上表面。即，阳离子固定层23夹装在高电阻层10与正极31之间。阳离子固定层23具有弹性体230、阳离子固定颗粒231和阴离子成分232。阳离子固定颗粒231为固定有阳离子成分的金属氧化物颗粒。阳离子固定颗粒231被化学键合于弹性体230。

同样的，阴离子固定层24配置于高电阻层10的下表面。负极32配置于阴离子固定层24的下表面。即，阴离子固定层24夹装于高电阻层10与负极32之间。阴离子固定层24具有弹性体240、阴离子固定颗粒241和阳离子成分242。阴离子固定颗粒241为固定有阴离子成分的金属氧化物颗粒。阴离子固定颗粒241被化学键合于弹性体240。阳离子固定层23和阴离子固定层24的体积电阻率比高电阻层10的体积电阻率小2位数以上。阳离子固定层23和阴离子固定层24包含于本发明的中电阻层中。

如图4所示，向正极31和负极32之间施加电压时，阳离子固定层23中阴离子成分232向正极31侧移动。另一方面，阳离子固定颗粒231被键合于弹性体230。因此，阳离子成分几乎不移动。同样的，在阴离子固定层24中，阳离子成分242向负极32侧移动。另一方面，阴离子固定颗粒241被键合于弹性体240。因此，阴离子成分几乎不移动。另外，在高电阻层10中，由于极化，正电荷蓄积在其与阳离子固定层23的界面附近，负电荷蓄积在其与阴离子固定层24的界面附近。这样，转换器1中，在阳离子固定层23、阴离子固定层24和与它们相接的高电阻层10的界面附近蓄积了大量电荷。因此，由正极31和负极32按照使高电阻层10、阳离子固定层23和阴离子固定层24压缩的方式产生较大的静电引力。由此，高电阻层10、阳离子固定层23和阴离子固定层24沿上下方向被压缩，与此相应地，如图4中空心箭头所示那样沿左右方向伸长。

此处，高电阻层10的电阻大。因此，积蓄的电荷难以在高电阻层10内移动。因此，所谓的泄漏电流少，难以产生由其产生的焦耳热。另外，在阳离子固定层23中，与邻接的正极31的极性相同的阳离子成分介由金属氧化物颗粒固定于弹性体230。因此，阳离子成分难以向高电阻层10侧（与正极31相反方向）移动。同样的，在阴离子固定层24中，与邻接的负极32的极性相同的阴离子成分介由金属氧化物颗粒固定于弹性体240。因此，阴离子成分难以向高电阻层10侧（与负极32相反方向）移动。这样，离子成分由阳离子固定层23和阴离子固定层24向高电阻层10移动的可能小。因此，高电阻层10的电阻不易降低。即，高电阻层10难以经时劣化、可以维持高耐介质击穿性。这样，根据第三实施方式的转换器，中电阻层由于具有固定于弹性体的离子成分，因此产生大的静电引力，产生力变大。

从绝缘性高的观点来看，期望构成离子固定颗粒的金属氧化物颗粒包含选自钛、锆和硅的一种以上的元素。例如可列举出二氧化钛（TiO₂）、二氧化锆（ZrO₂）、二氧化硅（SiO₂）等各自单独的氧化物颗粒、或它们的复合颗粒（TiO₂/ZrO₂、TiO₂/SiO₂等）。如后述那样，作为金属氧化物颗粒，期望为通过有机金属化合物的水解反应（溶胶凝胶法）制造的物质。

考虑到中电阻层的透明性、耐介质击穿性，离子固定颗粒期望尽量均匀地分散于弹性体中。另外，期望离子固定颗粒的粒径尽量小。从这样的观点来看，构成离子固定颗粒的金属氧化物颗粒的中值粒径期望为5nm以上且100nm以下。更优选30nm以下，其中更适宜为10～20nm左右。对于金属氧化物颗粒的粒径，可以通过使用透射型电子显微镜（TEM）进行观察从而测定。另外，也可以通过小角X射线散射法测定。

需要说明的是，金属氧化物颗粒通过有机金属化合物的水解反应制造时，推定溶胶中的金属氧化物颗粒的粒径与中电阻层中的金属氧化物颗粒的粒径相等。因此，也可以采用溶胶中的金属氧化物颗粒的粒径作为中电阻层中的金属氧化物颗粒的粒径。溶胶中的金属氧化物颗粒的粒径可以使用例如日机装株式会社制造的激光衍射·散射式粒径·粒度分布测定装置测定。另外，可以将溶胶干燥，使用扫描电子显微镜（SEM）观察从而测定。

构成离子固定颗粒的第一离子成分为第二离子成分的抗衡离子。离子固定颗粒可以通过使例如由溶胶凝胶法得到的金属氧化物颗粒与具有固定化前的第一离子成分和第二离子成分的反应性离子性液体反应，从而合成。以下对离子固定颗粒的制造方法的一个例子进行说明。

首先，将有机金属化合物进行螯合化（螯合化工序）。通过螯合化抑制与水的激烈的反应，可以使粒径小的金属氧化物颗粒不凝集地进行制造。有机金属化合物只要根据目标金属氧化物颗粒的种类从金属醇盐化合物、金属酰化物之中适宜的选择即可。作为金属醇盐化合物，可例举出四正丁氧基钛、四正丁氧基锆、四正丁氧基硅烷、四异丙氧基钛、四乙氧基硅烷、四(2-乙基己氧基)钛、丁氧基钛（Titaniumbutoxide）二聚体等。另外，作为金属酰化物，列举出多羟基硬脂酸钛(polyhydroxytitaniumstearate)、三丁氧基单硬脂酸锆等。

作为螯合剂，可以使用乙酰丙酮、苯甲酰丙酮、二苯甲酰基甲烷等β-二酮，乙酰乙酸乙酯、苯甲酰乙酸乙酯等β-酮酸酯，三乙醇胺，乳酸，2-乙基己烷-1,3二醇，1,3己二醇等。螯合剂期望为与制造中电阻层时用于溶解弹性体的交联前聚合物的溶剂相同的物质。

接着，向有机金属化合物的螯合物中添加反应性离子性液体、规定的有机溶剂和水（离子固定化工序）。由此，进行有机金属化合物的水解反应，生成金属氧化物颗粒，并且生成的金属氧化物颗粒与反应性离子性液体中的第一离子成分反应，使第一离子成分被固定化于金属氧化物颗粒。在离子固定化工序中，在有机金属化合物的水解反应的同时，进行与反应性离子液体的反应。因此，反应性离子性液体中的第一离子成分不仅被固定于生成的金属氧化物颗粒的表面，也被固定于内部。在这一点上，与以往的将离子成分仅固定化于颗粒表面的方法不同。

反应性离子性液体中包含的第一离子成分具有可与生成的金属氧化物颗粒的羟基（-OH）反应的反应基。作为反应基，例如可例举出烷氧基甲硅烷基（-Si（OR）₃：R为烷基）。作为这样的包含第一离子成分的反应性离子性液体，例如可列举出下式（2）、（3）所示的物质。在式（2）的反应性离子性液体中，阳离子为第一离子成分，阴离子为第二离子成分。另外，在式（3）的反应性离子性液体中阳离子为第二离子成分，阴离子为第一离子成分。

例如，在本工序中，作为金属氧化物颗粒生成二氧化钛（TiO₂）时，TiO₂与上述式（2）的反应性离子性液体反应，生成式（2）的阳离子固定于TiO₂上的阳离子固定颗粒。此时生成的阳离子固定颗粒的示意图示于图5（符号参照前述图3）。需要说明的是，在阳离子固定颗粒231中，阳离子（第一离子成分）既可以被化学键合于TiO₂（金属氧化物颗粒）的表面，也可以被化学键合于内部。

有机溶剂可以使用甲醇、乙醇、异丙醇（IPA）等醇类，甲乙酮（MEK）、甲基异丁基酮（MIBK）等酮类，四氢呋喃（THF）等醚类。例如，添加IPA则提高螯合物与水的亲和性，变得易生成金属氧化物颗粒的核。另外，添加MEK则可以在制造中电阻层时，使包含离子固定颗粒的溶胶与溶解了弹性体的交联前聚合物的溶液的相容性提高。另外，根据使用的有机溶剂的种类、添加量的不同，生成的金属氧化物颗粒的粒径随之变化。例如欲生成中值粒径为10～20nm左右的金属氧化物颗粒时，按照IPA的摩尔数/MEK的摩尔数=0.6左右的方式添加IPA和MEK，且使IPA的添加量为使用的有机金属化合物的摩尔数的7～10倍的量。水只要添加有机金属化合物的水解所需的量即可。

如以上说明的那样，经过螯合化工序、离子固定化工序，可得到包含离子固定颗粒和第二离子成分的溶胶。得到的溶胶既可以保持原样用于中电阻层的制造，也可以进一步施加熟化处理后用于中电阻层的制造。熟化处理可将溶胶在40℃左右的温度下静置数小时来进行。进行熟化处理时，可以将残存于金属氧化物颗粒内部的羟基的数量减少。因此，可以抑制溶胶保存时离子固定颗粒之间的凝集。

将包含离子固定颗粒和第二离子成分的溶胶与溶解了弹性体的交联前聚合物的溶液混合而成的混合溶液成膜，形成包含离子固定颗粒的中电阻层。即，将混合液涂布于基材（也可以是高电阻层）上，通过将涂膜加热使之交联从而可以形成中电阻层。根据需要，也可以向混合溶液中配混交联剂等。交联时，通过离子固定颗粒的表面的羟基与弹性体的官能团的反应使离子固定颗粒化学键合于弹性体。

在中电阻层中，相对于100质量份弹性体，离子固定颗粒的含量期望为1质量份以上且10质量份以下。离子固定颗粒的含量不足1质量份时，增大静电引力的效果小。另一方面离子固定颗粒的含量超过10质量份时，增大静电引力的效果饱和，所谓的泄漏电流变多。

<电极>

本发明的转换器中的一对电极包含粘合剂和导电材料。作为粘合剂，可以使用树脂、弹性体。从形成即使伸缩也难以增加电阻的电极的观点出发，作为粘合剂，弹性体是适宜的。作为弹性体，可列举出硅橡胶、NBR、EPDM、天然橡胶、丁苯橡胶(SBR)、丙烯酸（酯）橡胶、聚氨酯橡胶、表氯醇橡胶、氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯等交联橡胶和苯乙烯系、烯烃系、氯乙烯系、聚酯系、聚氨酯系、聚酰胺系等热塑性弹性体。另外，也可以使用环氧基改性丙烯酸（酯）橡胶、羧基改性氢化丁腈橡胶等这样的导入官能团等而改性了的弹性体。

对导电材料的种类没有特别的限定。只要适宜地从炭黑、碳纳米管、石墨等导电性炭粉末、银、金、铜、镍、铑、钯、铬、钛、铂、铁和它们的合金等金属粉末等中选择即可。另外，也可以使用银覆盖铜粉末等、以金属覆盖的颗粒形成的粉末。可以单独使用它们的一种，或者混合二种以上使用。

例如，以金属覆盖的颗粒为金属以外的颗粒时，与仅以金属构成时相比较，可以减小导电材料的比重。因此，在涂料化时，抑制导电材料的沉淀、提高分散性。另外，通过将颗粒进行加工，可以容易地制造各种形状的导电材料。另外，可以减低导电材料的成本。作为用于覆盖的金属，可以使用之前列举的银等金属材料。另外，作为金属以外的颗粒，可使用炭黑等炭材料，碳酸钙、二氧化钛、氧化铝、钛酸钡等金属氧化物，二氧化硅等无机物，丙烯酸酯、聚氨酯等的树脂等。

电极在包含粘合剂和导电材料的基础上，根据需要还可以包含分散剂、增强剂、增塑剂、抗老化剂、着色剂等添加剂。例如，使用弹性体作为粘合剂时，可以在将该弹性体成分的聚合物溶解到溶剂中而成的聚合物溶液中，添加导电材料、并根据需要添加添加剂，通过搅拌、混合来制备导电涂料。制备而成的导电涂料可通过直接涂布于高电阻层或者中电阻层的一面从而形成电极。或者，也可将导电涂料涂布于脱模性薄膜形成电极，将形成的电极转印于高电阻层或者中电阻层的一面。

作为导电涂料的涂布方法可以采用既已公知的各种方法。例如除喷墨印刷、柔性印刷、照相凹版印刷、丝网印刷、移印印刷、光刻等印刷法以外，可列举出浸涂法、喷雾法、棒涂法等。例如，采用印刷法时可以容易地将涂布部分和未涂布部分进行区分涂布。另外，大面积、细线、复杂的形状的印刷也容易。印刷法中，可以使用高粘度的涂料，从涂膜厚度的调整容易的理由来看，丝网印刷法是适宜的。

<转换器的制造方法>

本发明的转换器可以如下制造。作为第一制造方法，首先分别制造高电阻层和中电阻层。接着，将高电阻层与中电阻层贴合制造层叠体。最后，于层叠体的表里两面形成电极即可。

作为第二方法，首先，关于高电阻层、中电阻层分别制备包含规定的原料的弹性体组合物。接着，在模具中层叠高电阻层的弹性体组合物和中电阻层的弹性体组合物，通过加压交联制造层叠体。最后，于层叠体的表里两面形成电极即可。

作为第三方法，首先于基材上涂布在规定的溶剂中溶解了弹性体的交联前聚合物等原料而成的溶液，加热涂膜使其交联从而形成高电阻层。接着，将用于形成中电阻层的原料液涂布于基材上，加热涂膜使其交联从而形成中电阻层。然后，使形成的高电阻层与中电阻层贴合，剥离基材从而制造层叠体。最后，于层叠体的表里两面形成电极。

如上述第三实施方式那样，在中电阻层包含固定于聚合物上的离子成分时，按照使电极的极性与和电极邻接的中电阻层中固定的离子成分的电荷相同的方式施加电压。

实施例

接着，通过列举实施例来更具体地说明本发明。

<致动器的制造>

[高电阻层]

如下制作高电阻层。首先，用辊炼机将100质量份羧基改性氢化丁腈橡胶（LANXESS公司制造“Therban(注册商标)XT8889”）与10质量份二氧化硅（NIPPONAEROSILCO.，LTD制造“Aerosil（注册商标）380”）混炼。接着将混炼成的材料溶解于乙酰丙酮。接着，将15质量份有机金属化合物的四(2-乙基己氧基)钛混合于该溶液，制备液状的弹性体组合物。制备的弹性体组合物的固体成分浓度为12质量%。此处，乙酰丙酮为使含羧基的氢化丁腈橡胶溶解的溶剂，同时也是四(2-乙基己氧基)钛的螯合剂。其后，将弹性体组合物涂布于基材上，干燥后，在150℃加热约60分钟而获得高电阻层。作为高电阻层，制造膜厚不同的三种。膜厚分别为36μm、18μm、9μm。高电阻层的体积电阻率为2×10¹⁴Ω·cm。

[中电阻层]

（1）不包含离子成分的中电阻层

作为中电阻层之一，制作不包含离子成分的未含有离子层。未含有离子层除了不配混二氧化硅、将有机金属化合物的四(2-乙基己氧基)钛的配混量变更为5质量份以外，与上述高电阻层同样制作。制作的未含有离子层的体积电阻率为2×10¹²Ω·cm。

（2）阳离子固定层

作为中电阻层之一，如下制作阳离子固定层。首先，于0.01mol有机金属化合物的四异丙氧基钛中加入0.02mol乙酰丙酮进行螯合化。接着，于得到的螯合物中加入0.002mol上述式（2）所示的反应性离子性液体、5ml（0.083mol）异丙醇（IPA）、10ml（0.139mol）甲乙酮(MEK)和0.04mol水，得到包含固定了阳离子的TiO₂颗粒（阳离子固定颗粒）和阴离子的溶胶。然后，将得到的溶胶于40℃下静置2小时，进行熟化处理。溶胶中的TiO₂颗粒的中值粒径为8nm。

接着，混合20质量份熟化后的溶胶、和100质量份用于高电阻层的制作的羧基改性氢化丁腈橡胶的乙酰丙酮溶液（含有二氧化硅），进而添加3质量份四(2-乙基己氧基)钛的乙酰丙酮溶液（浓度20质量%）作为交联剂，制备混合溶液。然后，将制备的混合液涂布于基材上，干燥后，在150℃加热约60分钟而获得阳离子固定层。阳离子固定层中阳离子固定颗粒的含量为6.6质量份。作为阳离子固定层，制造膜厚不同的二种。一者膜厚为18μm、另一者为9μm。阳离子固定层的体积电阻率为9×10¹¹Ω·cm。

（3）阴离子固定层

作为中电阻层之一，制作阴离子固定层。除了将反应性离子性液体的种类变更为上述式（3）所示的种类以外，与上述阳离子固定层同样制作阴离子固定层。制作过程中得到的溶胶包含固定了阴离子的TiO₂颗粒（阴离子固定颗粒）和阳离子。制作的阴离子固定层的膜厚为9μm。阴离子固定层的体积电阻率为2×10¹¹Ω·cm。

[实施例1的致动器]

按照覆盖由基材剥离的高电阻层（膜厚9μm）的表面的方式贴合阳离子固定层（膜厚9μm）、按照覆盖高电阻层的背面的方式贴合阴离子固定层（膜厚9μm）。然后，通过将基材从阳离子固定层、阴离子固定层分别剥离从而制作三层层叠体。另外，将炭黑混合并分散于丙烯酸（酯）橡胶聚合物溶液中，制备导电涂料。然后，将导电涂料丝网印刷于制作的三层层叠体的表里两面，制成电极。如此制造实施例1的致动器。实施例1的致动器的高电阻层的厚度的比率为0.33。实施例1的致动器属于本发明的转换器。

[实施例2的致动器]

除了将高电阻层的膜厚变更为18μm以外，与实施例1同样地制造实施例2的致动器。实施例2的致动器的高电阻层的厚度的比率为0.5。实施例2的致动器属于本发明的转换器。

[实施例3的致动器]

仅在由基材剥离的高电阻层(膜厚18μm)的表面贴合阳离子固定层(18μm)，通过将基材从阳离子固定层剥离制作二层层叠体。然后，将与实施例1相同的导电涂料丝网印刷于制作的二层层叠体的表里两面，形成电极。如此制造实施例3的致动器。实施例3的致动器的高电阻层的厚度的比率为0.5。实施例3的致动器属于本发明的转换器。

[实施例4的致动器]

除了将高电阻层和阳离子固定层的膜厚分别变更为9μm以外，与实施例3同样地制造实施例4的致动器。实施例4的致动器的高电阻层的厚度的比率为0.5。实施例4的致动器属于本发明的转换器。

[实施例5的致动器]

按照覆盖由基材剥离的高电阻层(膜厚9μm)的表里两面的方式贴合不含有离子层(膜厚9μm)，通过将基材从不含有离子层剥离而制作三层层叠体。然后，将与实施例1相同的导电涂料丝网印刷于制作的三层叠体的表里两面，制成电极。如此制造实施例5的致动器。实施例5的致动器的高电阻层的厚度的比率为0.33。实施例5的致动器属于本发明的转换器。

[比较例1的致动器]

不使用中电阻层，制造致动器。即，将与实施例1相同的导电涂料直接丝网印刷于高电阻层(膜厚36μm)的表里两面，形成电极。如此制造比较例1的致动器。

[比较例2的致动器]

除了将高电阻层的膜厚变更为9μm以外，与比较例1同样地制造比较例2的致动器。

表1表示制造的致动器的层叠体（比较例1、2中仅为高电阻层的单层）的构成。

[表1]

<致动器的评价>

[介质击穿强度的测定]

测定实施例1～3、比较例1的致动器的介质击穿强度。首先，对测定装置以及测定方法进行说明。图6表示安装于测定装置的致动器的表侧主视图。图7表示图6的VⅡ-VⅡ方向剖视图。

如图6、图7所示，致动器5的上端通过测定装置中的上侧卡盘52而夹住。致动器5的下端通过下侧卡盘53而夹住。致动器5，以预先在上下方向上拉伸的状态而安装于上侧卡盘52和下侧卡盘53之间(拉伸率25%)。在上侧卡盘52的上方，配置有负荷传感器(loadcell)(图略)。

致动器5由层叠体（比较例1中仅为高电阻层的的单层）50和一对电极51a、51b形成。层叠体50在自然状态下呈现长50mm、宽25mm的矩形板状。层叠体50的构成在每个致动器中不同（参照表1）。电极51a、51b夹着层叠体50按照在表里方向上相对的方式配置。电极51a、51b在自然状态下，各自呈现长40mm、宽度25mm、厚度约10μm的矩形板状。电极51a、51b，以在上下方向上错开10mm的状态来配置。即，电极51a、51b隔着层叠体50，并在长30mm、宽度25mm的范围重叠。在电极51a的下端，连接有配线(图略)。同样的，在电极51b的上端连接有配线(图略)。电极51a、51b介由各自的配线而连接于电源(图略)。在施加电压时，表侧的电极51a为正极，背侧的电极51b为负极。

介质击穿强度的测定为逐级增加施加在电极51a、51b之间的电压直至层叠体50被击穿。然后，以施加电压除以层叠体50的总体厚度的值作为表观电场强度。另外，由上述式（1）算出施加于高电阻层的电压，将该电压除以高电阻层厚度的值作为施加于高电阻层的电场强度。图8为表示实施例1～3和比较例1的致动器的表观电场强度与施加于高电阻层的电场强度的关系。

如图8所示，比较例1的致动器在表观电场强度为100V/μm下发生介质击穿。比较例1的致动器不具备中电阻层。因此，表观电场强度与施加于高电阻层的电场强度一致。与之相对，实施例1～3的致动器具备中电阻层。因此，即使表观电场强度为100V/μm，实际上施加于高电阻层的电场强度比其大。在实施例1的致动器中，施加于高电阻层的电场强度直至变为300V/μm也没有发生介质击穿。在实施例2的致动器中，施加于高电阻层的电场强度直至变为200V/μm也没有发生介质击穿。在实施例3的致动器中，施加于高电阻层的电场强度直至变为170V/μm也没有发生介质击穿。

如此，通过将中电阻层夹装在电极和高电阻层之间，从而可以发挥高电阻层原本具有的耐介质击穿性，其结果，确认致动器的耐介质击穿性提高。

[产生力的测定]

对于实施例1、4、5和比较例2的致动器测定相对于施加电压的产生力。产生力的测定使用与介质击穿强度的测定相同的装置进行（参照图6、图7）。将电压施加于电极51a、51b之间时，电极51a、51b之间产生静电引力，将层叠体（比较例2中仅为高电阻层的单层）50压缩。由此，层叠体50的厚度变薄，在拉伸方向(上下方向)伸长。由于层叠体50的伸长，上下方向的拉伸力减少。通过负荷传感器测定在施加电压时减少的拉伸力，作为产生力。产生力的测定如下进行：逐级增加所施加的电压，直至层叠体50被击穿。图9表示实施例1、4、5和比较例2的致动器的表观电场强度与产生力的关系。

如图9所示，相同电场强度下相比较时，实施例1、4、5的致动器比比较例2的致动器的产生力大。另外，实施例1、4、5的致动器可施加的电压变大。尤其是具备包含离子成分的中电阻层的实施例1、4的致动器，可以得到大的产生力。其中，三层构造的实施例1的致动器即使电场强度小也可得到大的产生力。

这样，可确认通过将中电阻层夹装在电极与高电阻层之间，从而可得到更大的力。另外，在中电阻层包含离子成分时，确认到产生力变得更大。

产业上的可利用性

本发明的转换器可广泛应用于进行机械能与电能的转换的致动器、传感器等，或者进行声能与电能的转换的扬声器、话筒、噪音消除器等。其中，尤其适用于产业、医疗、福利机器人、救援套件等中使用的人工肌肉，电子部件冷却用、医疗用等的小型泵，以及医疗用器具等中使用的柔软的致动器。

Claims

1.一种转换器，其特征在于，其具备：

包含弹性体且体积电阻率为10¹²Ω·cm以上的高电阻层，和

配置在该高电阻层的表里两侧的包含粘合剂和导电材料的一对电极，和

位于该高电阻层的表里至少一侧、夹装在该电极和该高电阻层之间、包含弹性体且比该高电阻层的体积电阻率小2位数以上的中电阻层。

2.根据权利要求1所述的转换器，其中，所述中电阻层配置在所述高电阻层的表里两面。

3.根据权利要求1或2所述的转换器，其中，相对于所述高电阻层和所述中电阻层的总体厚度，该高电阻层的厚度比率为0.1以上且0.75以下。

4.根据权利要求1或2所述的转换器，其中，所述高电阻层的厚度为5μm以上且50μm以下。

5.根据权利要求1或2所述的转换器，其中，所述中电阻层包含离子成分。

6.根据权利要求5所述的转换器，其中，所述中电阻层具有所述弹性体、和使第一离子成分固定化于金属氧化物颗粒而成的离子固定颗粒、和带有与该第一离子成分相反电荷的第二离子成分，该离子固定颗粒化学键合于该弹性体，该第一离子成分的电荷与邻接的该电极的极性相同。

7.根据权利要求6所述的转换器，其中，所述金属氧化物颗粒的中值粒径为5nm以上且100nm以下。

8.根据权利要求6或7所述的转换器，其中，所述离子固定颗粒是使通过有机金属化合物的水解反应得到的所述金属氧化物颗粒与具有固定化前的所述第一离子成分、和所述第二离子成分的反应性离子性液体反应而合成的。

9.根据权利要求8所述的转换器，其中，包含于所述反应性离子性液体的第一离子成分具有烷氧基甲硅烷基，通过该烷氧基甲硅烷基与所述金属氧化物颗粒的羟基反应，从而使该第一离子成分固定化。

10.根据权利要求6或7所述的转换器，其中，所述离子固定颗粒具有羟基，

所述中电阻层的所述弹性体具有可与该羟基反应的官能团。

11.根据权利要求6或7所述的转换器，其中，所述金属氧化物颗粒含有选自钛、锆和硅的一种以上的元素。

12.根据权利要求6或7所述的转换器，其中，相对于100质量份所述弹性体，所述中电阻层中的所述离子固定颗粒的含量为1质量份以上且10质量份以下。