(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己回復特性を有する柔軟な構造体を製造する方法において、
１００ＭＰａ未満の弾性係数を有するエラストマー材料を含む誘電体薄膜を設けるステップと、
機械的疲労に起因する欠陥を伴うことなく０．１％を超える繰り返しひずみに耐え得る柔軟な導電性材料を含む電極層を、前記誘電体薄膜の各面に設けるステップと、
を含んでおり、
前記導電性材料は、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、ポリアニリン、カーボン、またはそれらの組み合わせを含み、
前記エラストマー材料は、アクリルおよびポリウレタンのうちの１つを含み、
欠陥自己排除の際に、前記誘電体薄膜が除去されるよりも速く前記電極層が絶縁されるかまたは除去される
ことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記電極層を設けるステップは、前記電極層の断面寸法において起伏を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電極層を設けるステップは、前記電極層中に微小クラックを形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記電極層を封入するステップをさらに含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
自己回復特性を有する容量性構造体において、
１００ＭＰａ未満の弾性係数を有するエラストマー材料を含む誘電体薄膜と、
前記誘電体薄膜の各面上に設けられ、機械的疲労に起因する欠陥を伴うことなく０．１％を超える繰り返しひずみに耐え得る柔軟な導電性材料を含む電極層と、
を備え、
前記導電性材料は、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、ポリアニリン、カーボン、またはそれらの組み合わせを含み、
前記エラストマー材料は、アクリルおよびポリウレタンのうちの１つを含み、
欠陥自己排除の際に、前記誘電体薄膜が除去されるよりも速く前記電極層が絶縁されるかまたは除去される、
ことを特徴とする、容量性構造体。
【請求項６】
前記誘電体薄膜は、非平面形状を有する、請求項５に記載の容量性構造体。
【請求項７】
前記電極層は、封入されている、請求項５または６に記載の容量性構造体。
【請求項８】
前記構造体は、トランスデューサの一部分を形成する、請求項５から７のいずれか１項に記載の容量性構造体。
【請求項９】
前記トランスデューサは、アクチュエータ、ジェネレータまたはセンサの一部分を形成する、請求項８に記載の容量性構造体。
【請求項１０】
自己回復特性を有する容量性構造体と、
電流を供給するための電源回路と、
を備えており、
前記容量性構造体は、
１００ＭＰａ未満の弾性係数を有するエラストマー材料を含む誘電体薄膜と、
前記誘電体薄膜の各面上に設けられ、機械的疲労に起因する欠陥を伴うことなく０．１％を超える繰り返しひずみに耐え得る柔軟な導電性材料を含む電極層と、
を備え、
欠陥自己排除の際に、前記誘電体薄膜が除去されるよりも速く前記電極層が絶縁されるかまたは除去され、
供給される電流は、容量性構造体内の欠陥の自己排除の発生の際に、選択された最大電流より大きく、なお、該最大電流は、該容量性構造体の前記電極層の温度を、前記導電性材料が除去または絶縁される温度まで上げるために十分なものであり、
前記エラストマー材料は、温度による損傷が実質的にないままである、
ことを特徴とする、システム。
【請求項１１】
前記電源によって供給される電流を、前記選択された最大電流に制限するように適合された電流制限回路をさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記電流制限回路は、電流制限抵抗器を備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記容量性構造体内の欠陥を検出するために構成され、かつ、該欠陥の自己排除を遅延化させるために、供給される電流を調整するために構成された回路をさらに備える、請求項１０から１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
請求項５に記載の容量性構造体と、
電流を供給するための電源回路と、
を備えており、
供給される電流は、一連の電流パルスを含み、
前記容量性構造体内の欠陥の自己排除の電気アーク放電は、パルス間で無くされ、
前記欠陥への電力送達の正味速度は、十分に低く、
前記エラストマー材料は、前記電気アーク放電の温度による損傷が実質的にないままである、
ことを特徴とする、システム。
【請求項１５】
前記電源は、スポットノッキング回路を備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記電源の平均出力電力は、０．２５Ｗ未満である、請求項１４または１５に記載のシステム。
【請求項１７】
請求項５に記載の容量性構造体の作動方法において、
電流を前記容量性構造体に供給するステップと、
欠陥自己排除の発生の際に、前記電流を選択された最大電流に維持するステップと、を含み、
前記最大電流は、前記電極層の温度を、前記導電性材料が除去または絶縁される温度であり、かつ、前記エラストマー材料が温度による損傷が実質的にないままである温度まで上げるのに十分である、
ことを特徴とする、方法。
【請求項１８】
前記供給される電流を、前記選択された最大電流に制限するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
自己回復特性を有する容量性構造体の作動方法において、
前記容量性構造体は、
１００ＭＰａ未満の弾性係数を有するエラストマー材料を含む誘電体薄膜と、
前記誘電体薄膜の各面上に設けられ、機械的疲労に起因する欠陥を伴うことなく０．１％を超える繰り返しひずみに耐え得る柔軟な導電性材料を含む電極層と、
を備え、
欠陥自己排除の際に、前記誘電体薄膜が除去されるよりも速く前記電極層が絶縁されるかまたは除去され、
前記方法は、
動作電流を前記容量性構造体に供給するステップと、
欠陥の自己排除の開始の際に、前記動作電流を該動作電流から一連の電流パルスに変えるステップと、
を含み、
前記容量性構造体内の前記欠陥自己排除の電気アーク放電はパルス間で無くされ、
前記欠陥自己排除に対して送達される電力の平均速度は十分に低く、
前記エラストマー材料は、前記電気アークの温度による損傷が実質的にないままである、
ことを特徴とする、方法。
【請求項２０】
各電流パルスの持続期間は、１０マイクロ秒未満であり、パルス間隔は、１０ミリ秒から１秒までである、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、自己回復または自己排除（ｃｌｅａｒｉｎｇ）特性を促進する、調整可能な導電性および／あるいは物理的構造または形状を有する材料の分野に関する。特定の用途において、本発明は、そのような特性を有する、柔軟な（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）または伸長可能な材料、すなわち電極および誘電体で作られた薄膜コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
コンデンサは、電荷または電気的なエネルギーを蓄積するために用いられ、その蓄積されたエネルギーはその後必要なときに即時に放出され得る。コンデンサはまた、直流（ＤＣ）を遮断する一方で、交流（ＡＣ）を通過させることによってフィルタとして動作可能であり、電流および電圧の過渡現象を防止するためにも有用である。
【０００３】
一般に、コンデンサは、互いに向き合う２つの電極または電極板を備え、それらの間に絶縁誘電体を有している。電極は、高導電性材料（しばしば、金属）で作られ、誘電体は、ポリマー材料でしばしば作られる。非常に薄いポリマー薄膜のコンデンサは広く用いられており、特に空間制約のある高電圧用途において有用である。これらのコンデンサについての現在の課題は、これらのコンデンサが経年化する速度を遅くすること、すなわち、有効寿命を延ばすことである。薄膜ポリマーコンデンサにおいて生じる経年化のプロセスについてより深く理解されるにつれ、有意な改良が、それらの構造に加えられている。すなわち、アルミニウム箔電極から、アルミニウム、金または亜鉛で通常作られた非常に薄い（すなわち、２０ｎｍ〜１００ｎｍの桁数の）金属薄膜の蒸着によってポリマー薄膜上に形成された電極へと移行している。例えば、本明細書中に参照により含まれる、非特許文献１を見られたい。
【０００４】
金属被覆された薄膜コンデンサは、「自己回復（ｓｅｌｆ−ｈｅａｌｉｎｇ）」能力（または「自己排除（ｓｅｌｆ−ｃｌｅａｒｉｎｇ）」と呼ばれる）、すなわち絶縁破壊から回復する能力を示すように構築され得る。絶縁破壊は、外来的な影響（例えば、材料の欠陥または有孔性）または内在的な影響（例えば、熱暴走）のいずれかに起因する。絶縁破壊が発生するときに、電気アーク放電がコンデンサの金属被覆電極の間に短絡を引き起こし、誘電体材料内の欠陥を通る電流突入が生じる。この短絡はナノ秒またはマイクロ秒の範囲の速度において非常に高速に発生する（コンデンサ内のこのような欠陥およびもたらされる絶縁破壊は、図１の最初の２つのフレームにおいて概略的に例示されている）。自己回復能力がなければ、ただ一つの絶縁破壊が破局的破壊をもたらし、コンデンサ全体がもはや電荷を保持または蓄積し得ない。多くの用途で、この破壊は回路内の他の構成要素に有害であり、回路全体への破局的損害をもたらし得る。最悪の事態において、短絡部分において発生する局所的加熱は、誘電体材料を発火させ、回路を燃え上がらせてしまう。
【０００５】
いわゆる自己回復特性を有するコンデンサによって、破局的破壊は未然に防止される。上記されたように短絡が発生するとき、それを通る電流が短絡部分の周囲の金属被覆された層の小さな領域を蒸発し、それによって、電流の流れが遮断され（図１の最後のフレームにおいて概略的に例示されている）、通常はわずかなキャパシタンスの低減だけでコンデンサは正常な機能に戻る。従って、自己回復プロセスによって、大きなキャパシタンスの減少が生じるまで、コンデンサにおける複数の個別の破壊が許容される。これによってより良好な回路安定性が得られ、コンデンサおよびそれが用いられる回路の有効寿命が延びる。これらのタイプのコンデンサの典型的な最期は、破局的なものではなくむしろ、反復される「自己排除」によって電極材料が次第に減少し、最終的に開回路状態となることによる、ゆるやかなものである。
【０００６】
この自己排除プロセスは、金属被覆薄膜コンデンサにおいて非常に高速に、一般にナノ秒からマイクロ秒までの桁数で発生し、この速度においては、コンデンサ性能におけるどのような低下もごくわずかである。このような「速い自己排除」を発生させるために、電極材料は高導電性でなければならない。高導電性によって、欠陥における高電流密度が生じ、電極は急速に加熱される。速い自己排除を発生させるための別の要件は、電極材料が、蒸発および／または酸化するために十分に薄くできなければならないことである。アルミニウムおよび金などの金属は、この要件を満たし、そのため、薄い薄膜誘電体を金属被覆するために一般的に用いられる。
【０００７】
自己回復特性の利点とは無関係に、反復された自己排除の累積的効果によって、自己回復コンデンサにおけるキャパシタンスは次第に減少する。そのため、金属被覆コンデンサの寿命を延ばす代替的または付加的なアプローチが開発されてきた。このアプローチは、金属被覆された薄膜をセグメント化することを伴う。例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３を見られたい。そのようなセグメント化は、金属薄膜に金属被覆されていないパターンを形成して、複数の金属被覆されたセグメントを形成することを伴う。金属被覆されていないパターンにより、金属被覆されたセグメントを小さなヒューズによって相互連結する金属被覆されていないマージンが設けられる。短絡がセグメント内で発生すると、そのセグメントを隣接するセグメントに相互連結するヒューズがオープンし、そしてそのセグメントがコンデンサから除かれ、これによって、コンデンサおよびコンデンサが用いられている回路の破局的破壊を防止する。
【０００８】
しかしながら、このアプローチにおける大きな欠点は、デバイスに高い程度の冗長性を設ける必要があることであり、これによって、信頼性問題の尤度が増大する。さらに、電極のセグメント化は、含まれる材料の減少と、電極をセグメント化するために必要な追加的プロセスとにより、コンデンサを製造するためのコストを大きく増大させ得る。
【０００９】
それでもなお、上記の欠点を最小化する、自己排除および薄い金属電極のセグメント化に対する改良が、継続して行われている。例えば、特許文献３および特許文献４を見られたい。しかしながら、これらの改良はこれまで、比較的堅いまたは剛性の金属被覆された薄膜に限定されており、柔軟なまたは伸長可能な薄膜材料に適用されていなかった。内部の容量性構造体が約５％より大きい作動ひずみを受けるような、誘電体エラストマーアクチュエータなどの用途において、平坦な金属被覆された薄膜は、一般にほんの数回の作動サイクルでクラックを生じる。最初、クラックが短くそしてつながっていない場合でさえも、例えばスパッタリングされた金属被覆の場合において、商業用途では一般に数百万回のひずみサイクルが要求され、この過程で、クラックが拡大しそして連結され、その結果電気的連続性が遮断される。
【００１０】
そのため、「電気活性ポリマー」（ＥＡＰ）とも呼ばれる誘電体エラストマー材料の出現が、真の技術的な進歩を提供する。ＥＡＰトランスデューサは、薄いエラストマー誘電体ポリマーによって分離された、弾性特性を有する２つの薄い薄膜電極を備える。電位差が電極に印加されるときに、逆に荷電された電極は互いを引き付け、それによって電極間のポリマー誘電体層を圧縮する。電極が互いにより接近して引かれるとき、誘電体ポリマー薄膜は、平面方向に拡張する（ｘ軸およびｙ軸成分が拡張する）ため、より薄くなる（ｚ軸成分が収縮する）。さらに、弾性的な各薄膜電極にわたって分散された同様の（同じ）電荷は、その電極内に埋め込まれた導電性粒子を互いに反発させ、それによって弾性的な電極および誘電体薄膜の拡張に寄与する。
【００１１】
特に、アクチュエータおよびジェネレータの用途に関して、多くの設計的考慮においては、高度な電気活性ポリマー技術に基づくトランスデューサの選択および使用が好まれる。これらの考慮には、ポテンシャル力、電力密度、電力変換／消費、寸法、重量、コスト、応答時間、デューティサイクル、サービス要件、環境影響などが含まれる。電気活性ポリマー技術は、他の利用可能な技術と比較してこれらのカテゴリのそれぞれにおいて卓越しており、そのため、圧電素子、形状記憶合金（ＳＭＡ）ならびにモータおよびソレノイドなどの電磁気デバイスを理想的に置き換えるものである。ＥＡＰデバイスおよびそれらの用途の例は、米国特許である、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６、特許文献１７、特許文献１８、特許文献１９、特許文献２０、特許文献２１、特許文献２２、特許文献２３、および米国特許出願公開である、特許文献２４、特許文献２５、特許文献２６、特許文献２７、特許文献２８、特許文献２９、特許文献３０、特許文献３１、特許文献３２において記載されている。これらの特許文献の全体は、本明細書中に参照により含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４，４３３，３５９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７１７，５６３号明細書
【特許文献３】米国特許第６，６３１，０６８号明細書
【特許文献４】米国特許第７，０９９，１４１号明細書
【特許文献５】米国特許第６，９４０，２２１号明細書
【特許文献６】米国特許第６，９１１，７６４号明細書
【特許文献７】米国特許第６，８９１，３１７号明細書
【特許文献８】米国特許第６，８８２，０８６号明細書
【特許文献９】米国特許第６，８７６，１３５号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，８１２，６２４号明細書
【特許文献１１】米国特許第６，８０９，４６２号明細書
【特許文献１２】米国特許第６，８０６，６２１号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，７８１，２８４号明細書
【特許文献１４】米国特許第６，７６８，２４６号明細書
【特許文献１５】米国特許第６，７０７，２３６号明細書
【特許文献１６】米国特許第６，６６４，７１８号明細書
【特許文献１７】米国特許第６，６２８，０４０号明細書
【特許文献１８】米国特許第６，５８６，８５９号明細書
【特許文献１９】米国特許第６，５８３，５３３号明細書
【特許文献２０】米国特許第６，５４５，３８４号明細書
【特許文献２１】米国特許第６，５４３，１１０号明細書
【特許文献２２】米国特許第６，３７６，９７１号明細書
【特許文献２３】米国特許第６，３４３，１２９号明細書
【特許文献２４】米国特許出願公開第２００５／０１５７８９３号明細書
【特許文献２５】米国特許出願公開第２００４／０２６３０２８号明細書
【特許文献２６】米国特許出願公開第２００４／０２１７６７１号明細書
【特許文献２７】米国特許出願公開第２００４／０１２４７３８号明細書
【特許文献２８】米国特許出願公開第２００４／００４６７３９号明細書
【特許文献２９】米国特許出願公開第２００４／０００８８５３号明細書
【特許文献３０】米国特許出願公開第２００３／０２１４１９９号明細書
【特許文献３１】米国特許出願公開第２００２／０１７５５９８号明細書
【特許文献３２】米国特許出願公開第２００２／０１２２５６１号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｒｅｅｄ他、「Ｔｈｅ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ａｇｉｎｇ ｉｎ ＨＶ Ｐｏｌｙｍｅｒ−ｆｉｌｍ Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ、Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．５、Ｏｃｔ．１９９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
柔軟なまたは伸長可能な電気活性材料を利用するデバイスの実現された利点を考慮すると、これらの種類の材料における自己回復特性の必要性は必須である。本発明の発明者らは、商業的に存立可能な製品寿命と一致する、反復可能な自己回復および信頼できる長期の導電性を示す従来技術の電気活性ポリマーアクチュエータを全く知らない。それどころか、従来技術のデバイスの破壊モードは、予測不可能であり、そして破局的なものである。従って、従来技術の限界を克服する自己回復特性を有する柔軟なまたは伸長可能な薄い薄膜構造体の電気活性材料およびデバイスを製造し、そして提供することは非常に有利である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（発明の概要）
本発明は、欠陥耐性特性、すなわち自己回復／自己排除特性を示す、新規の電気活性材料およびこれを有するデバイスを含んでおり、これは従来技術の材料およびデバイスを大いに改善し、そして従来技術の用途よりも広い範囲の用途を可能にする。本発明はまた、本材料および／またはデバイスを含むシステム、および本材料およびデバイスを製造する方法を提供する。
【００１６】
本材料は、一般に柔軟なおよび／または伸長可能な電気活性薄膜の形態である。一実施形態において、薄膜は、柔軟な誘電体層が一対の柔軟な電極層にはさまれている柔軟な容量性構造体を形成するために用いられる。別の実施形態において、電極層は、自己排除特性を提供するようなやり方で電極を伸長または拡張可能にする物理的な構造または形状を有している。
【００１７】
電極および誘電体材料は、このような柔軟な／伸長可能な薄膜に要求される高い動作特性を保持する一方で、欠陥耐性を最適化するように選択される。特に、電極および／または誘電体材料はエラストマーポリマーを含み、このエラストマーポリマーは、効果的かつ効率的に欠陥を絶縁させることができ、これによって有効絶縁耐力を向上させるという特性を有する。より大きな絶縁耐力によって、より高い電界が利用可能であり、これによりデバイス（すなわち、トランスデューサ）の性能が改善可能となる。
【００１８】
本デバイスは、アクチュエータ、ジェネレータ、センサなどの用途のためのトランスデューサとしてか、またはそれらの構成要素として利用可能である。そのようなデバイスおよび／または構成要素は、本発明のシステムを構成可能であり、このシステムは電源をさらに含んでもよい。該電源は、トランスデューサによる最高の性能を可能にするための最適な電流を供給するように選択可能である。付加的にまたは代替的に、このシステムは、本デバイスに供給される電流の量を制限するように構成された電流制限デバイスを備えてもよい。
【００１９】
本発明のこれらの特徴および他の特徴、目的および利点は、以下でさらに十分に記載されている本発明の詳細を読む際に当業者に対して明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明は、添付の概略図面とともに読まれるときに以下の詳細な説明から最もよく理解され、図に示される本発明の実施形態が記載されている。本発明の説明の理解を容易にするために、同じ参照数字は、図面に共通の同様な要素を明示するために（実用的に）用いられる。以下の図が図面に含まれる。
【図１】金属被覆された誘電体薄膜に生じる自己回復／自己排除プロセスの概略的な図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に従った、電圧の印加前および印加後のトランスデューサの上面透視図を例示する。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態に従った、電圧の印加前および印加後のトランスデューサの上面透視図を例示する。
【図３】本発明の柔軟な容量性構造体の表面抵抗率プロファイルのグラフである。
【図４】シリコーン誘電体上の単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）電極を備える、本発明の容量性構造体において発生した自己排除を示す顕微鏡画像である。
【図５】構造に生じた欠陥を通る測定電流に関する、本発明の柔軟な容量性構造体の自己排除プロファィルのグラフである。
【図６】様々な温度条件下で動作したときの、本発明の柔軟な容量性構造体の有効寿命のグラフの例示である。
【図７】波形の金属電極を備える、本発明の容量性構造体の自己排除を示す顕微鏡画像である。
【図８Ａ】本発明の容量性構造体に電力を供給するために適切な電源の概略的な例示である。
【図８Ｂ】本発明の容量性構造体に電力を供給するために適切な別の電源の概略的な例示である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（発明の詳細な説明）
本発明の材料、デバイスおよびシステムの特定の例を記載する前に、柔軟な電気活性な容量性構造体とそれらの材料特性と動作特性とについての議論が提供される。
【００２２】
図２Ａおよび図２Ｂは、電気活性薄膜または膜１０という形態の容量性構造体を例示する。薄いエラストマー誘電体薄膜または層１２は、柔軟なまたは伸長可能な電極板または層１４と１６との間にはさまれ、それによって容量性構造体または薄膜を形成する。誘電体層の長さ「ｌ」および幅「ｗ」ならびにその複合構造は、誘電体層の厚さ「ｔ」よりもずっと大きい。一般に、誘電体層は、約１μｍから約１００μｍまでの範囲の厚さを有し、約１μｍから約１０ｃｍまでの範囲の構造全体の厚さを有する。さらに、電極１４、１６の弾性係数、厚さ、および／または微細形状を、アクチュエータに寄与する付加的な剛性が、誘電体層１２の剛性未満であるように、できれば選択することが望ましく、このような誘電体層は概して比較的低い弾性係数（すなわち、約１００ＭＰａ未満）を有するけれども、おそらく電極のそれぞれよりも厚い。これらの柔軟な容量性構造体との使用に適した電極は、機械的疲労に起因する破壊を伴わずに、０．１％を超える繰り返しひずみに耐え得る電極である。
【００２３】
図２Ｂに示されるように、電圧が電極にわたって印加されるときに、２つの電極１４、１６における異なる電荷は互いに引き付けられ、これらの静電引力は、誘電体薄膜１２を（Ｚ軸に沿って）圧縮する。さらに、各電極中の同じ電荷間の反発力は、（Ｘ軸およびＹ軸に沿った）平面内で誘電体を伸ばす傾向があり、それによって薄膜の厚さを低減させる。したがって、誘電体薄膜１２は、電界の変化によって歪められる。電極１４、１６が柔軟なので、電極は誘電体層１２とともに形状を変える。一般的には、歪み（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）とは、誘電体薄膜１２の一部分の任意の変位、拡張、収縮、ねじり、線ひずみまたは領域ひずみ、あるいは任意の他の変形を指す。容量性構造体１０が用いられる、例えばフレーム（「トランスデューサ」と集合的に呼ばれる）のような形状に適合した構造に依存して、この歪みは、機械的作用を形成するために用いられ得る。様々な異なるトランスデューサ構造が、上記特許文献において開示され、記載されている。
【００２４】
印加電圧によって、トランスデューサ薄膜１０は、機械的力が歪みをもたらす静電気力とつり合うまで歪み続ける。機械的力には、誘電体層１２の弾性的な復元力と、電極１４、１６の柔軟性または伸長と、トランスデューサ１０に連結されたデバイスおよび／または負荷によってもたらされる任意の外部の抵抗とが含まれる。印加電圧によってトランスデューサ１０に結果生じる歪みはまた、エラストマー材料の誘電率およびその寸法および剛性などの多くの他の因子に依存し得る。電位差および誘導電荷を除けば逆の効果が引き起こされる。
【００２５】
場合によっては、電極１４および１６は、誘電体薄膜１２の全領域に対して薄膜の限定された部分のみを覆っている。これは、たとえば、誘電体の端部周辺における電気的絶縁破壊を防止するか、またはその特定部分における調整された歪みを実現するために行われる。活性領域の外側の誘電体材料（活性領域とは、その部分を歪ませるために十分な静電気力を有する誘電体材料の一部分である）は、歪む間に、活性領域上への外部のバネ力として作用し得る。より具体的には、活性領域の外側の材料は、その収縮または拡張によって活性領域の歪みに抵抗し得る。
【００２６】
誘電体薄膜１２には、予ひずみが付与されていてもよい。予ひずみは、電気エネルギーと機械エネルギーとの間の変換を改善し、すなわち、予ひずみによって、誘電体薄膜１２はさらに歪められ、そしてより大きな機械的仕事が得られる。薄膜の予ひずみは、予ひずみ付与前の所定方向における寸法に対する予ひずみ付与後の当該方向における寸法の変化として表すことができる。予ひずみは、誘電体薄膜の弾性変形を含み、例えば、張力をかけて薄膜を伸ばし、伸ばしたままで少なくとも一方の端部を固定することによって形成することができる。予ひずみは、剛体のフレームを用いて薄膜の境界に与えられてもよく、または薄膜の一部分だけに対して実施されてもよい。
【００２７】
図２Ａおよび図２Ｂのトランスデューサ構造と、他の同様な柔軟な構造と、それらの構造体の詳細とは、上記された特許文献の多くにおいてより十分に記載されている。
【００２８】
電気活性トランスデューサの動作特性、すなわち、力およびストローク（変位）は、トランスデューサに印加される電界の強さの二乗によって増大する。最高の性能を達成するためには、可能な限り高い電界を印加しなければならない。しかしながら、誘電体によって達成可能な電界の上限は、材料の絶縁耐力によって決定される。絶縁耐力は、材料の自然特性（いわゆる「内在的耐力」）と、材料内の欠陥（ｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎ）または汚染物質（総じて「欠陥（ｆａｕｌｔ）」という）の導入などの材料の調製または製造との両方によって決定される。これらの欠陥は、たとえば初めに存在し、または潜在的であってたとえば誘電体が反復使用によって応力が加えられたときに経時的に発現する。本明細書中の背景セクションにおいて論じたように、これらの欠陥を絶縁するために何も行われない場合には、破局的破壊は不可避である。自己回復能力がなければ、柔軟な薄い薄膜の電気活性薄膜における破局的破壊を防止するには、最適よりもかなり低い電界を使用する必要がある。
【００２９】
本発明者らによる高性能の柔軟なまたは伸長可能な容量性構造体の開発は、互いを相殺し合うことが知られているいくつかの望ましい材料特性と動作特性との間でバランスをとることによって部分的に実現されている。例えば、本電極に関して、望ましいけれども相殺し合う２つの特性とは、高い導電性と低い機械的剛性（すなわち、低い弾性係数）である。導体の厚さが大きいほど、電流を伝導する能力が高いことはよく理解されている。しかしながら、導体が厚いほど、より柔軟ではない。そのため、これらの特性により、電極の厚さの上限および下限の組がまとめて定められる。
【００３０】
ＥＡＰ用途において必要でありかつ望ましい特性（たとえば、高導電性、低弾性係数）を示すことに加えて、容量性構造体は、例えば、長期の使用に耐えることができなければならない。従って、本発明は、高い動作特性を保証するために必要な電極の厚さの要件を保持しながら、望ましい自己回復特性を有する、このような柔軟なまたは伸長可能な容量性構造体を提供する。
【００３１】
上記されたように、自己回復する容量性構造体の主要な特徴は、柔軟なまたは伸長可能な電極を「自己排除する（ｃｌｅａｒ）」能力である。しかしながら、この能力と、電気活性ポリマーにおける電極の厚さおよび構成との関係は、当業者によってこれまでよく理解されていなかった。
【００３２】
高度に「自己排除可能（ｃｌｅａｒａｂｌｅ）」である柔軟なまたは伸長可能な電極材料を含むことに加えて、本発明の容量性構造体の別の特徴は、加熱の際の最小の「トラッキング」を示す誘電体材料を提供することである。トラッキングとは、スス状の導電性の燃焼副産物、例えば、炭素の堆積であり、これは、誘電体材料内の欠陥部分における高電界の結果として、誘電体を間に挟む電極間にわたって「アーク放電」（プラズマ生成）が生じるときに、誘電体表面上に堆積する。トラッキングは、導電性のススが欠陥発生中に電極間の短絡を長続きさせるので、望ましくない。従って、電極材料が十分な自己排除能力を有する場合であっても、過度のトラッキングが発生する場合には、自己回復は最適化されない。
【００３３】
本発明者らは、トラッキングが電極材料の適切な選択によって最小化可能であることを見出した。自己排除プロセスの間に導電性を失う（すなわち、絶縁される）が、これらの条件下では燃焼しない電極材料により、炭素微粒子の生成は最小化される。例えば、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）またはポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）からなる電極は、高温において酸化が加速され、導電性を失う。単層カーボンナノチューブ電極（ＳＷＣＮＴ）に適用可能な別のメカニズムは、微粒子の生成に利用され得る炭素の余裕量を制限するために、電極材料を元々少ない量とすることに基づく。誘電体材料はまたトラッキングを制限する役割を果たし、一部のポリマー誘電体が炭素微粒子の生成を制限することが知られている。この基準を満たすエラストマー誘電体の３つの例示的な分類には、シリコーン、アクリル、およびポリウレタンが含まれるが、これらに限定されない。
【００３４】
本発明者らによって行われた一実験では、ポリアニリン電極およびシリコーン誘電体から形成された薄い薄膜の容量性構造体を用いた。容量性薄膜を活性化するために適切な電圧を作用的に印加し、薄膜を、自己排除を開始するために意図的に損傷させた。自己排除された領域の表面抵抗率を次いで測定し、成功した自己排除、すなわち、誘電体材料上の過度のトラッキングを伴うことのない、電極材料の十分な除去を検証した。図３のグラフが示すように、欠陥の中心から約３ｍｍ内で、電極の表面抵抗率は効果的に絶縁性（すなわち、１ｘ１０６オーム／スクエアを超える）になり、したがって、他の構造部分から欠陥は効果的に絶縁されている。
【００３５】
本容量性構造体の一実施形態における自己回復能力の別の特徴は、電極材料が自己排除される（すなわち、非導電性にされる）速度と、誘電体材料が除去（ａｂｌａｔｅ）される速度との相対速度である。より具体的には、本発明者らは、電極材料が、誘電体材料よりも速くエッチバックされるかまたは絶縁性にされるときに、自己排除により良い影響が与えられることを見出した。単層カーボンナノチューブならびにポリアニリンおよびＰＥＤＯＴなどの導電性ポリマーは、シリコーンまたはアクリル誘電体のいずれかが除去されるよりも速い速度で自己排除される。シリコーン誘電体上のＳＷＣＮＴ電極におけるこの現象の実験による検証が、図４の顕微鏡画像において示されている。画像は、相対的にはるかに大きく除去された電極領域２０によって取り囲まれている、相対的に小さく除去された誘電体領域１８を明瞭に示し、これは、誘電体材料よりも速くエッチバックされた電極材料を示し、その両方は同じ時間量にわたって発生したものである。
【００３６】
電極と誘電体との間の自己排除の相対速度を制御することに加えて、本発明者らは、薄膜構造全体のエッチングまたは自己排除の全体の速度を制御することが、自己排除プロセスの成功に影響し得ることを見出した。特に、（金属被覆薄膜に生じる相対的に「速い」自己排除と比べて）「遅い自己排除」アプローチ、すなわち数ミリ秒から数秒の桁数の速度で生じる自己排除において、欠陥部位における電極材料の温度は、電極の酸化を加速させるけれども、電極のバインダまたは誘電体材料の燃焼が生じる温度よりも低いレベルに維持される。誘電体材料の燃焼を防止することによりトラッキングは低減され、その利点は上述されている。
【００３７】
この遅い自己排除プロセスが図５のグラフに例示されており、これは本発明の柔軟な容量性構造体、すなわち、シリコーン誘電体およびＰＥＤＯＴ電極を備える容量性構造体の自己排除プロファィル（経時的な欠陥部位における電流）を示す。ここで、自己排除は短絡開始の約２秒後まで完了せず、すなわち、欠陥を通る電流は短絡が開始された約２秒後まで完全に遮断されておらず、速度は金属電極で作られた容量性構造体の自己排除速度よりも少なくとも約１００倍の桁数で遅い。
【００３８】
欠陥の自己排除速度は、欠陥を通過する電流の量を制限することによって制御可能である。このことは、容量性構造体に電力を供給するために用いられる電源によって供給される電流の量を制限することによって行うことができる。従って、本発明のシステムは電源を備え、この電源は、本容量性構造体（例えば、トランスデューサ）を最適に動作させるために十分（一般に、ＥＰＡＭ用途に対して約０．５ｍＡ）であるけれども、容量性構造体内の欠陥の発生の際に、「遅い」自己排除を発生させるために許容される最大の電流未満の電流を供給する。別の実施形態において、本発明のシステムは、高電流出力が可能な電源を備え、遅い自己排除速度を不可能とする過大電流の状況を防止するための、付加的な回路（例えば、電流制限抵抗器）をさらに備える。あるいは、システムまたは電源は、容量性構造体／デバイス内の欠陥状態を検出し、欠陥の遅い自己排除を提供するようなレベルに電流出力を調整するための回路を備えてもよい。
【００３９】
容量性構造体への電流がどのように制限されるかにかかわらず、電極材料が遅い自己排除速度で絶縁されるけれども、熱によって誘電体材料が損傷が実質的にないままである最適なレベルまたは範囲まで電極温度を上げるような動作範囲内に、このような電流は維持される。図６は、電流に起因するジュール加熱によって達成される標的温度の範囲を、電極および誘電体材料の機能上の有効寿命に対する電流によって例示する。ここで、電極材料が所望の速度で自己排除可能であり、かつ、誘電体材料が実質的に損傷のないままである標的温度は、約３００℃から約４３０℃の範囲にある。この範囲より低い温度は、適時に自己排除に影響させるには不十分である。この範囲より高いと、シリコーン誘電体が損傷され、そのことが、破局的破壊につながり得る。
【００４０】
本発明の別の実施形態には、薄膜構造の全体の自己回復能力を提供するかまたは向上させるために、活性化中に電極を伸長可能または延長可能にする物理的構成または微細形状を有する１つ以上の電極層を有する容量性の薄膜構造が含まれる。電極材料の平面状の表面に沿って微細な形状、すなわち微細形状を導入することによって、電極は伸長可能にされる。このような微細な、非平面状の（フラットまたは平滑ではない）形状は、たとえば、互いに電気的に接触された導電性粒子などの多孔質集合体によって構成される複数の突起またはテクスチュアリングを有する。例えば、金属ナノクラスタが金属塩低減プロセスか、または静電気的自己集合によって電極表面上に堆積される。他の実施形態において、ニッケルのナノフィラメントなどの導電性ストランドの無秩序なマットを用いることができる。あるいは、微細形状は、波形の電極の場合のような、電極層の断面における起伏を含んでもよい。非平面形状はまた、複数の微小クラック（どれも電極の導電経路を完全には離断しない）を電極層内に導入することによって作り出すことができる。そのような微小クラックは、約５％を超える引張ひずみを付与することによって金属材料中に導入可能である。０．５％を超える引張ひずみの複数のサイクルが行われるときには、クラックが望ましくないように拡がり得ることが理解される。
【００４１】
金属電極材料のすべてのそのような伸長可能な構成は十分に薄くすなわち約２００ｎｍ未満であり、欠陥付近に高電流密度を達成するために十分に導電性であり、これにより、欠陥領域は、物理的に除去されるかまたは非導電形態へと化学的に反応するように十分に加熱される。誘電体エラストマーアクチュエータにおける使用のための、伸長可能で、自己排除可能な電極に適した金属材料は、有機または金属であってよい。そのような金属材料には、銀、金、プラチナ、アルミニウム、ニッケル、銅などが含まれるが、これらに限定されない。図７は、スパッタリングされた波形の銀電極を備える、本発明の容量性構造体の自己排除２２の実験による検証を例示する。
【００４２】
任意選択的に、環境から、すなわち欠陥が発生したときに欠陥付近から電極を絶縁するために、伸長可能な電極層上に絶縁封入体が設けられても良い。封入体が、大気よりも大きい絶縁破壊耐力を有するときには、トランスデューサの動作電圧をサポートするために必要な火花ギャップのサイズは小さいものとなる。従って、自己排除の半径が最小化され、トランスデューサ性能の低下は各自己排除について最小化される。電極材料の大気への露出を防止することはオゾンの生成をも抑制する。一旦発生した欠陥を物理的に封止することによって、表面のトラッキングおよび大気のオゾンによって欠陥を流れる漏れ電流は最小化される。本電極との使用に適切な封入体には、シリコーン（ＰＤＭＳ）およびフェニル基置換シリコーンゲルが含まれるが、これらに限られない。フェニル基置換ゲルは、より高い芳香族性（すなわち、非炭素原子対炭素原子の比率）が、より少ない炭素微粒子と、より少ないトラッキングと、より小さな火花ギャップと、従ってより小さな自己排除とを伴うより完全な燃焼をもたらしやすいという点において有利である。他の適切な封入体材料には、シリコーングリース、ポリウレタン、ＰＤＭＳオイル、および鉱油が含まれるが、これらに限定されない。欠陥の環境から大気を除く別のアプローチとしては、六フッ化硫黄ガスのエンベロープ中で容量性構造体を封入することが挙げられる。
【００４３】
ポリウレタンおよびアクリルのエラストマーなどの上記エラストマー誘電体材料のすべては、本容量性構造体の提供において、伸長可能な金属電極との使用に適している。その耐熱性により、ポリジメチルシロキサンもまた、伸長可能な電極材料との使用に適したエラストマー誘電体材料である。
【００４４】
誘電体エラストマーアクチュエータが、欠陥を自己排除するために蓄積された十分なエネルギーを有しない場合があり得る。例えば、トランスデューサが充電中のときなどの低電圧において欠陥が発生する場合には、蓄積されたエネルギーが最小な場合がある。または、デバイスが小さい場合には、全体のキャパシタンスが、欠陥を自己排除するのに十分なエネルギー（すなわち、単一パルスで火花ギャップを作り出すために十分なエネルギー）を蓄積するために十分でない場合があり得る。従って、そのため、複数回の放電が自己排除を行うために必要となる。
【００４５】
本発明者らは、電極を効果的に自己排除するために、本容量性構造体を用いるトランスデューサへエネルギーまたは電流が入る平均速度が、誘電体材料の大部分が破壊的な温度まで上がらないように、十分に低くなければならないことを見出した。そのため、本発明の別のシステムは、一連の瞬間的なエネルギーのバースト、すなわち、例えば各バーストが約０．１ｍＪから約１０ｍＪのエネルギーを蓄積しているコンデンサの放電により供給される電流スパイクまたはパルスを供給するように構成された電源を用いる。パルスの比較的短い持続期間（例えば、約１０マイクロ秒未満）にわたってエネルギーを放電することによって、隣接する誘電体材料への熱伝達は無視でき、そして破壊的な温度に瞬間的に上昇するのは、誘電体ではなく主として電極である。本電力回路は、パルス間隔を十分に長く（例えば、約１０ミリ秒から約１秒まで）設定し、これにより、欠陥の付近に伝達される平均電力は隣接する誘電体材料のより大きな体積を過熱させない。平均電力を約０．２５Ｗ未満に制限することで、誘電体材料を保護するためには十分である。このような電源回路の例は、おおよそ、１０ミリ秒ごとに１ｍＪのパルス（すなわち、約０．１Ｗの平均出力電力を有する）を供給するものである。
【００４６】
上記された仕様を満たす電源回路の一実施形態が、図８Ａにおいて概略的に示されている。電源回路３０は、陰極線管における金属電極の表面の不完全性を除去するために当該分野で慣例的に用いられる「スポットノッキング（ｓｐｏｔ−ｋｎｏｃｋｉｎｇ）」回路設計を有する。これらの回路は、例えば、米国特許第４，３２６，７６２号明細書において開示されているので見られたい。回路３０は、電流パルス間における欠陥のアーク放電の発生を無くし、欠陥付近における熱エネルギーの流入速度を制限する電流制限器３２を含む。コンデンサ３４は、各パルスによって欠陥に伝達されるエネルギー（火花ギャップ３８として概略的に示されている）を増大させ、かつ、パルス間隔を拡げるために用いることができる。場合によっては、トランスデューサ３６自体が固有のキャパシタンスを有するため、このコンデンサは必要ではない。例えば４つのパルスでの金属電極の自己排除に関する電流応答が、火花ギャップ３８の隣に概略的に示されている。欠陥付近の電極部分が除去されているので、電荷が飛び越さなければならない絶縁ギャップは長くなる。対応して、より高い電圧に、次のノッキングの前に達する。コンデンサの充電速度が、例えば抵抗器３２によって制限されているので、ノッキングの間隔はより長くなる。火花ギャップは、トランスデューサの動作電圧をサポートするために十分になるまで増大し続け、その時点でノッキングが止まる。そのため、効果的なスポットノッキング回路は、電極の一部を除去するために、またはこれらを絶縁するために十分な電流パルスを印加し、かつ、パルス間の電気アーク放電を無くすための手段も有する。
【００４７】
柔軟なまたは伸長可能な本電極の自己排除に適した電源の別の実施形態が図８Ｂに例示されている。電源回路５０は、高電圧動作電源５２と、補助的な「スポットノッキング」電源５４とを含み、電源５４は欠陥検出器６０による容量性負荷５８における欠陥５６の検出の際に、一時的に作動するように構成されている。例示的な欠陥検出器６０は、ダイオード電圧降下または電圧比較器などのしきい値処理手段と組み合わされた、漏れ電流積分器回路を含む。欠陥に伴う過電流が検知されると（１）、欠陥検出器は、単安定バイブレータまたは「ワンショット」などの回路要素をトリガし（２）、これは次に信号を送信し（３）、当該信号は一時的に動作電源５２を動作不能にし（４）、かつ、スポットノッキング電源５４を動作可能にする。システムは、約０．１秒〜約１０秒の間、この「欠陥ノッキング」モードにある。一旦スポットノッキング回路が動作可能にされると、その回路は、上記のような欠陥の自己排除に適した一連の電流パルスを送信する（５）。これらの２つの回路要素の複合動作（６）は、入力６０から動作電源５２への電流信号を追跡し、次いで欠陥が発生した後に、欠陥を自己排除する一連のパルスを送信する。自己排除の際に、動作電源５２への入力が再開する。
【００４８】
本発明によって提供される欠陥耐性における改善によって、柔軟な容量性デバイスの有効絶縁耐力が向上され、それによって容量性構造体およびデバイスの性能が改善される。改善された絶縁耐力によって、より薄い薄膜を例えば柔軟なトランスデューサを構築するために用いることができ、より薄い薄膜により所望の力およびストローク出力を達成するために要求され得る誘電体薄膜の予ひずみの量が低減される。さらに、このことによって、より低い絶対電圧による所望の作動フィールド（ａｃｔｕａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ）の実現が可能となる。
【００４９】
本発明は、本発明の各実施形態に関して企図されるように、記載または示されたことに制限されない。様々な変更が、記載された本発明およびその均等物（本明細書中に記載されるか、または一部の簡潔さのために含まれないかにかかわらず）に行われ得、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく置き換えられ得る。また、記載された発明の実施形態のあらゆる随意の特徴が、独立してか、または本明細書中に記載された特徴のうちの１つ以上との組み合わせにおいて記述され、主張され得ることが企図される。
【００５０】
本明細書中の単数の用語への参照は、複数の同じ用語の提示が存在する可能性を含む。より具体的には、本明細書中および添付の特許請求の範囲において用いられるように、特に異なる形で述べられない場合には、単数形「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」、「該（ｓａｉｄ）」、および「それ（ｔｈｅ）」は、複数の指示対象を含む。換言すると、項目の使用は、上記の説明および添付の特許請求の範囲における対象の用語の「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」を考慮に入れる。特許請求の範囲は、あらゆる随意的な要素を除外するように起草され得ることがさらに注目される。そのため、この陳述は、請求項の要素の記載に関連した「単独で（ｓｏｌｅｌｙ）」、「単に（ｏｎｌｙ）」などのようなそのような排他的な用語の使用か、または「否定的な（ｎｅｇａｔｉｖｅ）」制限の使用に対する根拠として役立つことを意図している。そのような排他的な用語の使用がなければ、特許請求の範囲における用語「包含する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、要素の所与の数字が請求項において列挙されるか、または特徴の追加が、特許請求の範囲に記述された要素の性質を変質させるとみなされるかにかかわらず、あらゆる追加の要素の包含を考慮に入れる。異なる形で述べられ、本明細書中で特に規定されない限り、本明細書中に用いられたすべての技術用語および科学用語は、請求項の合法性を維持しながら、可能な限り広く一般的に理解されている意味が与えられる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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