JP2015521366A - 性能を向上させたｅａｐ変換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、性質を向上させた電場応答性高分子（「ＥＡＰ」）変換器を提供する。この向上は、フィルム厚を減少させずに、または、高誘電率および高電界を使用することによって実現され、その結果、この手法は、得られる誘電性フィルムの信頼性および物理的性質に悪影響を及ぼすことはない。流動性の電気的活性添加剤を電極配合物に添加すると、電場応答性高分子変換器の性能が著しく向上される。このような添加剤は、イオン性である必要はない。これらの電気的活性添加剤により、より高い性能の装置、使用する活性領域を減らしたより小型の装置、より低い電圧／電力操作、およびこれらの向上の組合せが可能になり得る。

Description

本出願は、米国特許分類（ＵＳＣ）の分類３５、細分類１１９（ｅ）に基づき、２０１２年４月１２日出願の米国仮特許出願第６１／６２３，１１２号、発明の名称「性能を向上させたＥＡＰ変換器（ＥＡＰ ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ ＷＩＴＨ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ）」、および２０１２年１０月４日出願の米国仮特許出願第６１／７０９，３６９号、発明の名称「性能を向上させたＥＡＰ変換器（ＥＡＰ ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ ＷＩＴＨ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ）」の利益を主張し、参照によりその全体を本明細書に援用する。

本発明は、一般に、電場応答性高分子に関し、より詳細には、性能を向上させた電場応答性高分子（「ＥＡＰ」）変換器を製造するための製造プロセスに関する。

今日使用されている極めて多様な装置は、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換するために何らかの作動器に依存している。これに対して、多くの発電用途は、機械的動作を電気エネルギーに変換することによって動作する。この方式で機械的エネルギーを取り入れるために使用する場合、この同種の装置を発電器と呼ぶことができる。同様に、その構造を、振動または圧力などの物理的刺激を測定目的の電気信号に変換するために使用する場合、センサと見なすことができる。さらに、用語「変換器」は、一般に、これらのあらゆる装置を指すために使用することができる。

設計上の多数の検討項目が、変換器の製作のために、「電場応答性高分子」とも呼ばれる先進的な誘電性エラストマー材料の選択および使用を支持している。これらの検討項目には、ポテンシャル力、出力密度、電力変換／消費、大きさ、重量、コスト、応答時間、負荷サイクル、サービス要件、環境影響などが含まれる。したがって、多くの用途において、電場応答性高分子技術は、圧電性の形状記憶合金、ならびにモータおよびソレノイドなどの電磁気装置の理想的な代替品を提供する。

電場応答性高分子変換器は、変形可能な特性を有し、かつ薄いエラストマー誘電性材料によって分離された２個の電極を備えている。これらの電極間に電圧差を印加すると、逆帯電した電極が互いに引き合って、その間でポリマー誘電体層が圧迫される。電極が互いに距離を縮めるように引き合うので、誘電性ポリマー・フィルムは、平面方向に（Ｘ軸およびＹ軸に沿って）延びながら、より薄くなる（Ｚ軸成分が減少）。つまり、このフィルムの変位は、面内である。電場応答性高分子・フィルムはまた、（Ｚ軸に沿って）フィルム構造体に対して直角方向に動くように構成することができる。つまり、このフィルムの変位は、面外である。米国特許第７，５６７，６８１号は、このような面外変位をもたらす電場応答性高分子・フィルム構造物を開示している。面外変位は、表面変形または厚みモードの偏向とも呼ばれる。

電場応答性高分子・フィルムの材料および物理的性質は、変換器により受ける変形をカスタマイズするために変更し、制御することができる。より詳細には、ポリマー・フィルムと電極材料との間の相対的弾性、ポリマー・フィルムと電極材料との間の相対的厚さ、および／または、ポリマー・フィルムおよび／または電極材料の厚さの変化、（局在する活性領域および非活性領域をもたらす）ポリマー・フィルムおよび／または電極材料の物理的パターン、電場応答性高分子・フィルム全体に配置されている張力もしくは予歪み、ならびにフィルムに印加される電圧量もしくはフィルム上に誘起される電気容量などの要因は、活性モードにおいてフィルムの特徴をカスタマイズするために制御し、変更することができる。

フィルムのみを使用するか、または電場応答性高分子作動器の中にフィルムを使用するかに係らず、このような電場応答性高分子・フィルムによりもたらされる利点から利益を得る多数の用途が存在する。多数の用途の１つには、ユーザー・インターフェース装置内に触覚フィードバック（ユーザーの身体に加えられた力を通して、ユーザーに情報を伝達すること）を作り出すための作動器としての電場応答性高分子変換器の使用がある。一般に、ユーザーにより引き起こされた力に応じて、触覚フィードバックを使用する周知のユーザー・インターフェース装置は数多く存在する。触覚フィードバックを使用できるユーザー・インターフェース装置の例には、キーボード、キーパッド、ゲーム・コントローラ、リモート・コントロール、タッチ・スクリーン、コンピュータ・マウス、トラックボール、スタイラス・スティック、ジョイスティックなどがある。このユーザー・インターフェース面は、装置からのフィードバックまたは情報について、ユーザーが操る、係合する、および／または観察するいかなる面も含むことができる。このようなインターフェース面の例には、キー（例えば、キーボードのキー）、ゲーム・パッドまたはボタン、ディスプレイ・スクリーンなどがあるが、これらに限定されない。

これらのタイプのインターフェース装置が与える触覚フィードバックは、振動、脈動、スプリング力などの物理的感覚の形であり、ユーザーは、直接的に（例えば、スクリーンをタッチすることによって）、間接的に（例えば、携帯電話がハンドバッグまたはかばんの中で振動するときのような振動の効果によって）、またはその他の感覚で（例えば、ユーザーによって感知される圧力変動を作り出す運動体の動きによって）感知する。スマートフォン、パーソナル・メディア・プレイヤー、ポータブル・コンピュータ装置、ポータブル・ゲームシステム、電子リーダーなどの民生用電子メディア装置の普及により、一部の顧客が電子メディア装置における触覚効果の向上で恩恵を受ける状況、またはその向上を望むと思われる状況を生み出し得る。しかし、電子メディア装置のすべてのモデルにおいて触覚性能を増大させることは、装置コストの増加または装置外形の大型化をまねくので、妥当ではない場合がある。さらに、特定の電子メディア装置の顧客は、特定の活動のために電子メディア装置の触覚性能を一時的に向上させることを望むことがある。

民生用電子メディア装置ならびに他の多数の市販の消費者用用途における電場応答性高分子変換器の使用の増加により、性能を向上させた電場応答性高分子変換器を提供する必要性が高まっている。

したがって、本発明は、性質を向上させた電場応答性高分子（「ＥＡＰ」）変換器を提供する。この向上は、フィルム厚を減少させずに、または、誘電率もしくは印加電界を増加させることによって実現され、その結果、この手法は、得られる誘電性フィルムの信頼性および物理的性質に悪影響を及ぼすことはない。

電極配合物に添加する流動性の電気的活性添加剤は、電場応答性高分子変換器の性能を著しく向上させることができる。このような添加剤は、イオン性である必要はない。これらの電気的活性添加剤を使用すると、より高い性能の装置、使用する活性領域がより少ないより小型の装置、より低い電圧／電力操作、およびこれらの向上の組合せが可能になり得る。任意の特定の理論に拘泥するものではないが、本発明者らは、これらの電気的活性添加剤の一部が誘電体層に拡散すると推測している。これらの拡散物は、特に光の暴露または熱の暴露後、誘電体層材料の官能基と化学的に相互作用する可能性がある。ポリマーマトリクスと電気的活性添加剤との間の相互作用を増大させる誘電性フィルムの化学修飾が、性能および長期間安定性を増大させる可能性がある。電気的活性添加剤およびそれらの断片の存在および拡散は、ＦＴＩＲ−ＡＴＲ、ＮＭＲ、およびラマンマッピングなどの化学分析によって追跡することができる。電気的活性添加剤およびそれらの断片の拡散率は、分子サイズ、またそれらの電荷または誘導電荷に関係がある可能性がある。電気的活性添加剤およびそれらの断片は、それらの拡散率を制限するために、誘電体マトリクスと反応するか、または相互作用することができる官能基を有してもよい。これにより、誘電体層中に不変の濃度勾配を作製することが可能になり、性能が強化され得る。

電気的活性添加剤の拡散を調整するための封止および抵抗加熱を低減させるために向上させたバス線などの装置設計における変更は、経年変化または循環操作で生じ得る性能劣化を軽減し、長期間安定性を高めることができる。また、より低い電界における操作、または操作間にドウェル時間を備えた操作により、長期間性能を向上させることができる。

本発明の上記その他の利点および利益は、本明細書の以下の発明を実施するための形態から明らかであろう。

次に、本発明を、例示のために図面と併せて説明するが、限定するものではない。

６０℃での５７００時間エージング前後のフレームレス誘電性エラストマー装置に関する７５Ｈｚのパルス応答を示す図である。 エージング前後のフレームレス誘電性エラストマー装置の相対性能を比較する図である。 フレームレス誘電性エラストマー装置の断面を示す図である。 強化電極および標準電極の性能（ストローク対周波数）を比較する図である。 強化電極および標準電極の性能（ストローク対時間）を比較する図である。 フィルム厚に対する力の依存性を示す図である。 本発明の方法で作製した装置の性能向上を示すグラフである。 本発明の方法で作製した装置のより小さな活性領域を示す図である。 本発明の方法で作製した装置で起こり得るより低い操作電圧を示す図である。 サイクル・エージングの影響を示す図である。 封止のエージング安定性に対する影響を示す図である。 より高い電気的活性添加剤濃度がエージング安定性も向上させることを示す図である。 信頼性および応答時間に対する拡散速度論的性質の役割を示す図である。 超電場応答性高分子に関する二重空乏層概念を詳述する図である。 超電場応答性高分子の不透過性中間層概念を示す図である。 図１５の概念の変形を示す図である。 多層を作製する代替法を示す図である。 不透過性誘電性フィルムを有する多層を作製する方法を詳述する図である。 不透過性層を作製する方法を示す図である。 超電場応答性高分子の二重層概念を示す図である。

電場応答性高分子装置およびそれらの用途の例は、例えば、米国特許第６，３４３，１２９号；同第６，３７６，９７１号；同第６，５４３，１１０号；同第６，５４５，３８４号；同第６，５８３，５３３号；同第６，５８６，８５９号；同第６，６２８，０４０号；同第６，６６４，７１８号；同第６，７０７，２３６号；同第６，７６８，２４６号；同第６，７８１，２８４号；同第６，８０６，６２１号；同第６，８０９，４６２号；同第６，８１２，６２４号；同第６，８７６，１３５号；同第６，８８２，０８６号；同第６，８９１，３１７号；同第６，９１１，７６４号；同第６，９４０，２２１号；同第７，０３４，４３２号；同第７，０４９，７３２号；同第７，０５２，５９４号；同第７，０６２，０５５号；同第７，０６４，４７２号；同第７，１６６，９５３号；同第７，１９９，５０１号；同第７，１９９，５０１号；同第７，２１１，９３７号；同第７，２２４，１０６号；同第７，２３３，０９７号；同第７，２５９，５０３号；同第７，３２０，４５７号；同第７，３６２，０３２号；同第７，３６８，８６２号；同第７，３７８，７８３号；同第７，３９４，２８２号；同第７，４３６，０９９号；同第７，４９２，０７６号；同第７，５２１，８４０号；同第７，５２１，８４７号；同第７，５６７，６８１号；同第７，５９５，５８０号；同第７，６０８，９８９号；同第７，６２６，３１９号；同第７，７５０，５３２号；同第７，７６１，９８１号；同第７，９１１，７６１号；同第７，９１５，７８９号；同第７，９５２，２６１号；同第８，１８３，７３９号；同第８，２２２，７９９号；同第８，２４８，７５０号；ならびに米国特許出願公開第２００７／０２００４５７号；同第２００７／０２３０２２２号；同第２０１１／０１２８２３９号；および同第２０１２／０１２６９５９号に記載されており、参照によりその全体を本明細書に援用する。

本発明は、誘電性エラストマー材料と、誘電性エラストマー材料の少なくとも片側上の電極材料と、少なくとも１種の電気的活性添加剤とを含む変換器フィルムを提供する。

多くの変形形態が本開示の範囲内にあり、例えば、装置の変形形態では、電場応答性高分子変換器は、慣性触覚感覚を作り出す質量を動かすように実施することができる。あるいは、電場応答性高分子変換器は、本明細書に記載のアセンブリに連結したとき、電子メディア装置の動きを作り出すことができる。本明細書に開示した方法を用いて製造した電気活性変換器は、流体ハンドリングシステム、動作制御、適応光学装置、振動制御システム、および環境発電システムを含むが、それらだけに限らない他の多くの用途において作動器、発電器、またはセンサとして使用することができる。

いずれの用途においても、電場応答性高分子変換器によって生じる変位は、側方運動として感知される面内だけでもよく、または（垂直方向の変位として感知される）面外でもよい。あるいは、ハウジングもしくは電子メディア装置の角変位、または他のタイプの変位の組合せが得られるように、電場応答性高分子変換器材料を、単独で指定可能／移動可能な区画を与えるように分割することができる。さらに、任意の数の電場応答性高分子変換器またはフィルム（本明細書に列挙した出願および特許に開示されるようなもの）を、ユーザーインターフェース装置などの装置に組み込むことができる。

電場応答性高分子変換器は、印加電圧により変位するように構成することができ、それにより、触覚フィードバック装置などの装置と共に使用される制御システムのプログラミングが容易になる。電場応答性高分子変換器は、いくつかの理由からこのような用途に理想的である。例えば、軽量であって、構成要素が最小数であるために、電場応答性高分子変換器は、非常に扁平なものとなり、したがって、知覚／触覚フィードバック用途での使用に理想的である。

電場応答性高分子変換器は、弾性特性を有し、かつ薄いエラストマー誘電性材料によって分離された２個の薄膜電極を備えている。これらの電極間に電圧差を印加すると、逆帯電した電極が互いに引き合って、その間でポリマー誘電体層が圧迫される。電極が互いに距離を縮めるように引き合うので、誘電性ポリマーフィルムは、平面方向に延びながら（Ｘ軸およびＹ軸成分が増大）、より薄くなる（Ｚ軸成分が減少）。

本明細書で説明する図は、電場応答性高分子フィルムを使用する装置、またはこのような電場応答性高分子フィルムを有する変換器の例示的な構成を概略的に示すことに留意されたい。本発明に有用なフィルムとしては、シリコーン、ポリウレタン、アクリレート、炭化水素ゴム、オレフィンコポリマー、ポリフッ化ビニリデンコポリマー、フルオロエラストマー、スチレンコポリマー、および粘着性エラストマーなどのポリマーからできるものが挙げられるが、それらだけに限らない。

一般に、電場応答性高分子変換器の性能、例えば、誘起歪み変化（ｓ）は、誘電体に対するマクスウェル圧力（ｐ）を増大させることによって向上させることができ、−誘電性フィルムの誘電率（ε）を増加させることによって、または電界を増大（フィルム厚（ｔ）の減少および／または印加電圧（Ｖ）の増加による）させることによって−、またはフィルムのモジュラス（Ｙ）を減少させることによって実施することができ、これは作動の静電モデルによって説明される通りである。
ｓ＝−ｐ／Ｙ＝−ε_０ε（Ｖ／ｔ）^２／Ｙ

本発明は、性能を大きく向上させた電場応答性高分子変換器を提供する。これは、フィルム厚を減少させずに、誘電率を増加させるか、またはより高い電界を使用することで実現される。その結果、この手法は、誘電性フィルムの信頼性または物理的性質に影響を及ぼすことはない。

誘電性フィルムの誘電率（ε）を増加させるために、充填材−ポリマー複合体または官能性修飾を試みた。この方法は、誘電率を増加させることができるが、一般に、モジュラスの増加を引き起こし、絶縁破壊強度を減少させる。その結果、得られる歪み変化（ｓ）は、ほとんど増加しない可能性がある。フィルム厚（ｔ）およびモジュラス（Ｙ）を減少させると、フィルムおよび装置の製造において取扱いおよび収率問題を引き起こす可能性があり、モジュラスは共鳴周波数に影響を与えるので、触覚型用途のモジュラスの低下には限界がある。最後に、高電圧は、装置に対する信頼性の問題を引き起こす可能性がある。

本発明は、電場応答性高分子変換器の設計または誘電性フィルムの製造性に影響を及ぼさない電気的活性添加剤を含めることにより、電場応答性高分子変換器の向上を可能にする。これにより、性能を、電気的活性添加剤を含まない同じ材料構造よりも最大で３倍増大させることができる。性能の向上は、電気的活性添加剤の濃度および種類にさらに大きく依存している可能性がある。また、この向上により、電気的活性添加剤を含まない同じ変換器の操作電圧を著しく低下させることが可能になる。

図１は、６０℃での５７００時間エージング前後のフレームレス装置に関する７５Ｈｚにおけるパルス応答を示している。エージング後に性能がほぼ２倍になったのは予想外の結果であった。標準的なフレームレス装置の性能は、図２に示すようにエージング後に通常低減する。

この結果は、変換器の一構成要素に、４−イソプロピル−４’−メチルジフェニルヨードニウム・テトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート（Ｉ−３）の電気的活性添加剤を添加したことに起因していた。この仮説を試験するために、強化電極を、酢酸エチル中に電気的活性添加剤Ｉ−３を１０ｗｔ％溶解させ、電極配合物に電極１００部に対してその溶液１部を添加（電気的活性添加剤Ｉ−３の全固体濃度＝電極に対して０．１ｗｔ％）し、電極を印刷し、それを１５０℃で４分間硬化させることによって構築した。印加電界が１ｋＶの場合の、このように構築した変換器の応答を図４に示している。図４を参照して分かるように、光開始剤分子を添加した結果、約２倍向上した。図５は、１ｋＶにおける経時的な強化電極の性能を比較している。菱形（◆）は強化電極の値、三角形（▲）は標準電極の値である。この場合も、電気的活性添加剤Ｉ−３を添加した結果、約２倍の向上が見られた。同様の効果を示す、電気的活性添加剤の他の候補を特定し、評価した。

図６に示されるように、変換器の性能は、誘電性フィルムの厚みに依存する。特定の理論に拘泥するものではないが、本発明者らは、印加電圧の使用の際に、電気的活性添加剤の一部が分離し、シリコーン基板の両側に沿って整列し、それにより、誘電体層の厚みが本質的に低減され、効果的な印加電界が増大され、ＥＡＰ装置の性能が高められると仮定した。このメカニズムを図１３に概略的に示している。理想的には、空乏層は、一定に保たれるべきであり、電界による変化はない。電界を除去し、再印加した後、これにより信頼性および素早い応答時間がもたらされるであろう。空乏層が薄いほど、性能はより高くなる。電気的活性添加剤および／またはその断片はまた、材料全体の誘電率に影響を及ぼす。

ＮａＣｌなどの小分子塩が性能を向上させることが示されているが、本発明のいくつかの実施形態は、電場応答性高分子変換器の性能を向上させるために電気的活性添加剤として比較的大きな重イオン塩を使用することを含む。電気的活性添加剤またはその断片のサイズは、性能を強化させる空乏層の形成および拡大につながる拡散速度論的性質に影響を与えることができる。本発明で使用する大きなイオンは、空乏層の急速な形成と空乏層の最大寿命との間の良好な平衡を可能にする。

ヨードニウム塩、スルホニウム塩、およびフタロシアニンを含有する添加剤が、本発明における電気的活性添加剤として特に好ましい。ヨードニウム塩として、フェニルヨードニウムヘキサフルオロホスファート、ジフェニルヨードニウムヘキサフルオロアンチモナート、ジフェニルヨードニウムテトラフルオロボラート、ジフェニルヨードニウムテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート、ビス（ドデシルフェニル）ヨードニウムヘキサフルオロホスファート、ビス−（ドデシルフェニル）ヨードニウムヘキサフルオロアンチモナート、ビス（ドデシルフェニル）ヨードニウムテトラフルオロボラート、ビス（ドデシルフェニル）ヨードニウムテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート、４−メチルフェニル−４−（１−メチル−エチル）フェニルヨードニウムヘキサフルオロホスファート、４−メチルフェニル−４−（１−メチルエチル）フェニルヨードニウムヘキサフルオロアンチモナート、４−メチルフェニル−４−（１−メチルエチル）フェニルヨードニウムテトラフルオロボラート、および４−メチルフェニル−４−（１−メチルエチル）フェニルヨードニウム・テトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラートを挙げることができる。

スルホニウム塩として、例えば、ビス［４−（ジフェニルスルホニオ）フェニル］スルフィドビスヘキサフルオロホスファート、ビス［４−（ジフェニルスルホニオ）フェニル］スルフィドビスヘキサフルオロアンチモナート、ビス［４−（ジフェニルスルホニオ）フェニル］スルフィドビステトラフルオロボラート、ビス［４−（ジフェニルスルホニオ）フェニル］スルフィドテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート、ジフェニル−４−（フェニルチオ）フェニルスルホニウムヘキサフルオロホスファート、ジフェニル−４−（フェニルチオ）フェニルスルホニウムヘキサフルオロアンチモナート、ジフェニル−４−（フェニルチオ）フェニルスルホニウムテトラフルオロボラート、ジフェニル−４−（フェニルチオ）フェニルスルホニウムテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート、トリフェニルスルホニウムヘキサフルオロホスファート、トリフェニルスルホニウムヘキサフルオロアンチモナート、トリフェニルスルホニウムテトラフルオロボラート、トリフェニルスルホニウムテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート、ビス［４−（ジ−（４−（２−ヒドロキシエトキシ））フェニルスルホニオ）フェニル］スルフィドビスヘキサフルオロホスファート、ビス［４−（ジ−（４−（２−ヒドロキシエトキシ））フェニルスルホニオ）フェニル］スルフィドビスヘキサフルオロアンチモナート、ビス［４−（ジ−（４−（２−ヒドロキシエトキシ））フェニルスルホニオ）フェニル］スルフィドビステトラフルオロボラート、およびビス［４−（ジ−（４−（２−ヒドロキシエトキシ））フェニルスルホニオ）フェニル］スルフィドテトラキス（ペンタフルオロ−フェニル）ボラート、トリス（｛４−［（４−アセチルフェニル）スルファニル］フェニル｝）スルファニウムヘキサフルオロホスファート（ＢＡＳＦからＩＲＧＡＣＵＲＥ ＰＡＧ２７０として市販）、トリス（｛４−［（４−アセチルフェニル）スルファニル］フェニル｝）スルファニウムテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート（ＢＡＳＦからＩＲＧＡＣＵＲＥ ＰＡＧ２９０として市販）が挙げられるが、それらだけに限らない。

本明細書で調査する電気的活性添加剤には、イオン性光開始剤、例えば、

（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）ジフェニル・スルホニウム・トリフラート（式Ｉ−１）

非イオン性化合物の一例のトリス（ペンタフルオロフェニル）ボロン（式Ｉ−２）

４−イソプロピル−４’−メチルジフェニルヨードニウム・テトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート（式Ｉ−３）

ナトリウム・テトラフェニルボラート（式Ｉ−４）

ナトリウム・テトラキス［３，５−ビス（トリフルオロメチル）フェニル］ボラート（式Ｉ−５）

ビス（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）ヨードニウム・トリフラート（式Ｉ−６）

トリス（｛４−［（４−アセチルフェニル）スルファニル］フェニル｝）スルファニウム・ヘキサフルオロホスファート（Ｉ−７）

トリス（｛４−［（４−アセチルフェニル）スルファニル］フェニル｝）スルファニウム・テトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート（Ｉ−８）などが挙げられ、

フタロシアニン添加剤には、Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｌｕｅ １９９（Ｉ−９）が挙げられる。

いくつかの実施形態では、特定の用途の必要に応じて、性能、時間応答、および長期間安定性の平衡を保つために、電気的活性添加剤の混合物を使用することができる。また、これらの化合物の多くは、光および熱に不安定であり、いくつかの実施形態では、変換器フィルムを光処理または熱処理して、電気的活性添加剤としてより効果的である断片、または誘電体マトリクス材料中の官能基と反応させることができる断片を遊離させることができる。いくつかの実施形態では、拡散効果を弱めるために、光処理または熱処理を使用して、誘電体層内に不変組成勾配を作製することができる。

図７を参照して分かるように、本発明の電場応答性高分子変換器は、標準装置の２．５〜３倍の性能を有する。本発明の電場応答性高分子変換器は、図８に示すように、標準装置と同じ性能にするために５０％の活性領域を必要とする。図９を参照して分かるように、本発明の装置は、標準電場応答性高分子変換器と同じ性能にするために６０％の操作電界を必要とする。

図１０は、強化電極を有する電場応答性高分子変換器のサイクルエージングが性能を低下させる可能性があることを示している。受動エージングは、それほど問題ない。８５℃にて９５時間後、または６５℃／８５％相対湿度にて１００時間後、１０％低下し、１００℃にて９５時間後、２０％低下である。図１１に示されるように、封止は、エージング安定性を向上させることができる。初期性能は約１０％低いが、両側封止した電場応答性高分子変換器は、周囲条件での１０００万回サイクル後にほとんど変化を示さない。より高い電気的活性添加剤濃度はまた、図１２に示すように、エージング安定性を向上させることができる。

図１３は、超電場応答性高分子の二重空乏層概念を詳述している。構造全体の厚みは現用フィルムと同じであるが、これは中間に導電層を含む多層構造を有する。中間（埋込み）導電層と外面の電極との間に電界を課すと、有効電界は、各誘電体層において、全体厚が同じ単一誘電体層の２つの外側電極の両端に同じ電圧を印加した場合の２倍になる。この場合、性能は、次式で示すように、標準変換器構造の４倍になり得る。
ストローク∝Ｅ^２＊ε＊ε_０／Ｙ
力∝Ｅ^２＊ε＊ε_０＊ｔ

外側電極および／または中間導電層を電気的活性添加剤で強化すると、性能はさらに、誘電体層の各々に空乏層が生じることで高められる。埋込み導電層を交互にするように電気的相互接続を作製することに注意しなければならないが、多層積層装置は、３層以上の埋込み導電層で製造することができ、そのいくつかまたはすべてを電気的活性添加剤で強化する。

より薄いフィルムと比べた多層構造の利益は、多層構造が著しく低い操作電圧で現用フィルムと同じ性能を提供できるが、製造プロセスではより薄いフィルムよりもはるかに使用が簡単なことである。強化電極を用いると、電気的活性添加剤が空乏層を形成する際の拡散距離および時間がより短くなるので、変換器応答はより速くなるであろう。

図１５は、超電場応答性高分子の不透過性中間層概念を示す。この設計は、誘電性エラストマー層間に埋め込んだ不透過性誘電体層（複数可）を有する多層を含む。これらの不透過性層は、電気的活性添加剤またはそれらの断片は透過せず、したがって、それらまたは空間電荷が、その不透過性誘電性フィルムの両側に集まることになり得る。複数の誘電性エラストマー層の有効な厚みはより薄くなり、同じ全体厚の単層フィルムよりも高い電気容量を示すことができる。また、不透過性誘電体層が薄く、かつ適合している場合、その不透過性誘電体層は活性層として作用することができる。場合によっては、必ずしも電気的活性添加剤を添加しなくとも、空間電荷の形成に頼るだけでよいこともある。電気的活性添加剤を用いると、性能をさらにより大きく強化するためにより薄い誘電性エラストマー層内に空乏層を得ることができる。埋込み導電層の場合と同様に、この構造の利益は、拡散距離がより短いので、変換器の応答時間が電気的活性添加剤の拡散速度論的性質によって向上することである。さらに、複合フィルムにとって、個々のより薄い層を取り扱うよりも製造がより容易である。不透過性誘電体積層構造のための電気的相互接続は、外側電極に接触させることしか必要としないので、はるかに単純である。

この概念の変形形態を図１６に示す。この場合、多層構造を作製し、最初の電界を印加して、アニオンおよびカチオンを分離する。次いで、不透過性誘電性フィルムを、イオンが移動して戻るのを阻止するように形成する。この構造の利益は、埋め込んだ誘電性フィルムが明確に画定されているので、性能および信頼性が電気的活性添加剤の拡散速度論的性質による影響を受けないことである。不透過性誘電性フィルムは、活性層として働くように十分に適合させるべきである。多層構造は図１５に示すものよりも複雑であるが、電気的活性添加剤Ｉ−３などの化学的反応性を有する添加剤は、図１７に示すような多層の作製に、より簡単な方法を提供する。

図１７では、電気的活性添加剤Ｉ−３は、光開始剤として使用される。フィルムは、電気的活性添加剤Ｉ−３を樹脂に添加することにより形成し、紫外線に暴露する。カチオンは分解されて、樹脂のカチオン重合が開始され、アニオンのみが残ることができる。プラズマ処理またはより緻密な構造を形成することができる表面部分により、図１９に示すような非常に薄い不透過性層が形成される。さらに、空乏層として働く薄い誘電性フィルムをコーティングすることができる。ＵＶ成形フィルム、誘電性フィルム、および不透過性層は、適合させるべきである。この構造では、添加剤を含まない電極を付着してもよい。これは現用フィルム（ＵＶ成形フィルム＋誘電性フィルム）と同じ厚みを有するので、全体厚が同じ単層作動器と同じ力を有するであろう。

図１８は、埋込み不透過性誘電性フィルムを有する多層変換器を作製する方法を詳述している。図１９は、不透過性層を作製する方法を示している。

図２０は、超電場応答性高分子の二重層概念を示す。当業者なら知っているように、スーパーキャパシタ（ＳＣ）とも呼ばれる電気化学的二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）は、２個の炭素系電極（通常、表面積が非常に大きい活性炭）、電解質（水性または有機性）、およびセパレータ（イオンの移動は可能にするが、電極間に電子絶縁性を与える）から構成される。電圧を印加すると、電解質溶液中のイオンは、セパレータを横切り、反対電荷の電極の空隙に拡散する。電荷は、電極と電解質との間の界面に蓄積し（導電性固体と液体溶液界面との間に生じる二重層現象）、数オングストローム離れた２つの電荷層を形成する（図２０のｄ）。二重層電気容量は、界面の電荷分離によるものである。電気容量は表面積に比例し、２層間の距離の逆数なので、高い電気容量値が実現される（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｅｌｌｅｒｇｙｃａｐ．ｃｏｍ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ？ｏｐｔｉｏｎ＝ｃｏｍ＿ｃｏｎｔｅｎｔ＆ｖｉｅｗ＝ａｒｔｉｃｌｅ＆ｉｄ＝１７＆Ｉｔｅｍｉｄ＝３）。図２０に示すような最高の作動器を提供するために、このスーパーキャパシタ概念を本発明に適用することができる。空乏層に対する二重層の利益は、拡散距離が短いために、電気容量がより高く、応答時間がより速くなることである。

本発明の前述の例は、例示のために提供するものであり、限定するものではない。当業者には明らかなように、本明細書に記載の実施形態は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な方法で改変または修正することができる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって判断されるものである。

本発明の前述の例は、例示のために提供するものであり、限定するものではない。当業者には明らかなように、本明細書に記載の実施形態は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な方法で改変または修正することができる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって判断されるものである。以下、特許請求の範囲の内容を記す。
（項目１）誘電性エラストマー材料と、前記誘電性エラストマー材料の少なくとも片側にある電極材料と、少なくとも１種の電気的活性添加剤と、を含む変換器フィルム。
（項目２）封止材料をさらに含む、項目１に記載の変換器フィルム。
（項目３）前記電気的活性添加剤が、前記電極材料の構成要素である、項目１または２に記載の変換器フィルム。
（項目４）前記電気的活性添加剤が、前記封止材料の構成要素である、項目１から３のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
（項目５）前記電極材料が、前記誘電性エラストマー材料の両側にある、項目１から４のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
（項目６）前記電気的活性添加剤が、イオン性塩、ヨードニウム塩、およびスルホニウム塩からなる群から選択される１種または複数種の化合物を含む、項目１から５のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
（項目７）前記電気的活性添加剤が、（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）ジフェニルスルホニウムトリフラート、トリス（ペンタフルオロフェニル）ボロン、４−イソプロピル−４’−メチルジフェニルヨードニウムテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート、ナトリウムテトラフェニルボラート、ナトリウムテトラキス［３，５−ビス（トリフルオロメチル）フェニル］ボラート、ビス（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）ヨードニウムトリフラート、トリス（｛４−［（４−アセチルフェニル）スルファニル］フェニル｝）スルファニウムテトラキス（ペンタ−フルオロフェニル）ボラート、塩化ナトリウム、およびフタロシアニンからなる群から選択される１種または複数種の化合物を含む、項目１から６のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
（項目８）分離層によって最初の誘電性エラストマー層から分離された少なくとも１層の他の誘電性エラストマー層をさらに含む、項目１から７のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
（項目９）前記分離層が、導電性材料である、項目１から８のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
（項目１０）前記分離層が、電荷またはイオンを透過させない不透過性誘電体層である、項目１から８のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
（項目１１）項目１から１０のいずれか一項に記載の変換器フィルムを含む変換器装置。
（項目１２）前記電気的活性添加剤の添加後に光処理または熱処理するステップを含む、項目１１に記載の変換器装置を作製する方法。

Claims (12)

1. 誘電性エラストマー材料と、
   前記誘電性エラストマー材料の少なくとも片側にある電極材料と、
   少なくとも１種の電気的活性添加剤と、
   を含む変換器フィルム。
2. 封止材料をさらに含む、請求項１に記載の変換器フィルム。
3. 前記電気的活性添加剤が、前記電極材料の構成要素である、請求項１または２に記載の変換器フィルム。
4. 前記電気的活性添加剤が、前記封止材料の構成要素である、請求項１から３のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
5. 前記電極材料が、前記誘電性エラストマー材料の両側にある、請求項１から４のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
6. 前記電気的活性添加剤が、イオン性塩、ヨードニウム塩、およびスルホニウム塩からなる群から選択される１種または複数種の化合物を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
7. 前記電気的活性添加剤が、（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）ジフェニルスルホニウムトリフラート、トリス（ペンタフルオロフェニル）ボロン、４−イソプロピル−４’−メチルジフェニルヨードニウムテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボラート、ナトリウムテトラフェニルボラート、ナトリウムテトラキス［３，５−ビス（トリフルオロメチル）フェニル］ボラート、ビス（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）ヨードニウムトリフラート、トリス（｛４−［（４−アセチルフェニル）スルファニル］フェニル｝）スルファニウムテトラキス（ペンタ−フルオロフェニル）ボラート、塩化ナトリウム、およびフタロシアニンからなる群から選択される１種または複数種の化合物を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
8. 分離層によって最初の誘電性エラストマー層から分離された少なくとも１層の他の誘電性エラストマー層をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
9. 前記分離層が、導電性材料である、請求項１から８のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
10. 前記分離層が、電荷またはイオンを透過させない不透過性誘電体層である、請求項１から８のいずれか一項に記載の変換器フィルム。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の変換器フィルムを含む変換器装置。
12. 前記電気的活性添加剤の添加後に光処理または熱処理するステップを含む、請求項１１に記載の変換器装置を作製する方法。

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