(57)【要約】電気機械変換器およびその製造方法  本発明は、内部に形成されるボイド（５）を備えるポリマー層複合体を少なくとも含む電気機械変換器に関し、ここでポリマー層複合体は軟化温度ＴｇＡを有するキャリア層（１ａ）、およびそのキャリア層に広く接着され、軟化温度ＴｇＥを有するエレクトレット層（１ｂ）を含むポリマー層基盤エレメント（１）、但しＴｇＡ＞ＴｇＥであって、ならびに第２ポリマー層エレメント（２）を少なくとも含有し、ここでポリマー層基盤エレメント（１）は、エレクトレット層（１ｂ）で第２ポリマー層要素（２）と少なくとも部分的に接着し、ボイド（５）を形成する。本発明はさらに、電気機械変換器、例えば圧電変換器の製造方法およびその使用に関する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に形成されるボイド（５）を備えるポリマー層複合体を少なくとも含有する電気機械変換器であって、
ポリマー層複合体は
軟化温度ＴｇＡを有するキャリア層（１ａ）、およびそのキャリア層に広く接着され、軟化温度ＴｇＥを有するエレクトレット層（１ｂ）を含有するポリマー層基盤エレメント（１）、但しＴｇＡ＞ＴｇＥであって、ならびに
第２ポリマー層エレメント（２）
を少なくとも含有し、
前記ポリマー層基盤エレメント（１）は少なくとも部分的にエレクトレット層（１ｂ）によって第２ポリマー層エレメント（２）と接着され、ボイド（５）を形成することを特徴とする、電気機械変換器。
【請求項２】
キャリア層（１ａ）は、ポリカーボネートおよびそれらのポリマーの混合物からなる群から選択される少なくとも１つのポリマーを含む、またはこれから形成されることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械変換器。
【請求項３】
エレクトレット層（１ｂ）は、ポリカーボネート；ペルフルオロ化または部分フルオロ化ポリマーおよびコポリマー、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フルオロエチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）；ポリエステル、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）；ポリイミド、特にポリエーテルイミド；ポリエーテル；ポリメチルメタクリレート；シクロオレフィンポリマー；シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）；ポリオレフィン、例えばポリプロピレン；ならびにそれらのポリマーの混合物からなる群から選択される少なくとも１つのポリマーを含む、またはこれから形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気機械変換器。
【請求項４】
完成した電気機械変換器において、
キャリア層（１ａ）は６μｍ〜１２５μｍの厚さを有し、および／または
完成した電気機械変換器のエレクトレット層（１ｂ）は６μｍ〜１２５μｍの厚さを有し、および／または
キャリア層（１ａ）およびエレクトレット層（１ｂ）を含むポリマー層基盤エレメント（１）は６μｍ〜２５０μｍの全体の厚さを有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の電気機械変換器。
【請求項５】
完成した電気機械変換器において、エレクトレット層（１ｂ）の厚さはキャリア層（１ａ）の厚さより薄いことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の電気機械変換器。
【請求項６】
第２ポリマー層エレメント（２）は、開孔（４）を備える第１ポリマー層（３）を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の電気機械変換器。
【請求項７】
第２ポリマー層エレメント（２）は、軟化温度ＴｇＡを有するキャリア層（１ａ、１０ａ）、およびそのキャリア層に広く接着され、軟化温度ＴｇＥを有するエレクトレット層（１ｂ、１０ｂ）を含む第２ポリマー層基盤エレメント（１）を少なくとも含む、またはこれの形状であって、但しＴｇＡ＞ＴｇＥであることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の電気機械変換器。
【請求項８】
ポリマー層基盤エレメント（１）および／または第２ポリマー層エレメント（２）は、ポリマー層複合体中にボイド（５）を形成するために、突起および／または陥没の形成によって構造化および／または三次元形状化されることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の電気機械変換器。
【請求項９】
内部に形成されたボイド（５）を備えるポリマー層複合体を少なくとも含む電気機械変換器の製造方法であって、
Ａ）軟化温度ＴｇＡを有するキャリア層（１ａ）、およびそのキャリア層に広く接着され、軟化温度ＴｇＥを有するエレクトレット層（１ｂ）を含むポリマー層基盤エレメント（１）を提供し、但しＴｇＡ＞ＴｇＥである工程、
Ｂ）第２ポリマー層エレメント（２）を提供する工程、
Ｃ）エレクトレット層（１ｂ）が第２ポリマー層エレメント（２）と面するように、ポリマー層基盤エレメント（１）を第２ポリマー層エレメント（２）に配置する工程；ならびに
Ｄ）ポリマー層基盤エレメント（１）を第２ポリマー層エレメント（２）とラミネート加工により接着させ、内部に形成されるボイド（５）を備えるポリマー層複合体を形成し、ここで選択されるラミネート温度ＴＬは軟化温度ＴｇＡ未満であり、および軟化温度ＴｇＥ以上である工程
によることを特徴とする、電気機械変換器の製造方法。
【請求項１０】
ラミネート温度ＴＬとエレクトレット層（１ｂ）の軟化温度ＴｇＥの温度差ΔＴ（ＴＬ、ＴｇＥ）は≦１０℃であることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
キャリア層（１ａ）およびそのキャリア層に広く接着されるエレクトレット層（１ｂ）を含むポリマー層基盤エレメント（１）の工程Ａ）における提供は、共押出または溶媒キャスト技術により行われることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
工程Ａ）および／または工程Ｂ）は、ポリマー層基盤エレメント（１）および／または第２ポリマー層エレメント（２）の構造化および／または三次元形状化を含むことを特徴とする、請求項９乃至１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれかに記載の方法であって、
該方法は、さらなる工程として
Ｅ）ポリマー層複合体中に形成されるボイド（５）の内部表面を逆の電荷で帯電することを含むことを特徴とする、方法。
【請求項１４】
請求項９乃至１３のいずれかに記載の方法であって、
該方法は、形成されるボイド（５）の内部表面の工程Ｅ）における帯電前および／または後に、
Ｆ）電極（６）をポリマー層基盤エレメント（１）および／または第２ポリマー層エレメント（２）に適用する工程
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれかに記載の方法であって、
該方法は、処理工程として、
Ｇ）処理工程Ｄ）、Ｅ）および／またはＦ）において得られる２以上の構成を互いに積み重ねる工程
を含むことを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２層のポリマー層基盤エレメントを有する電気機械変換器、およびその製造方法に関する。さらに本発明は、かかる電気機械変換器の使用にも関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械変換器は、印加された機械的負荷に応じて一部の材料が電位を生じる能力を利用している。この特性は圧電性と呼ばれる。確立されている圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）およびポリフッ化ビニリデン（ＰＤＦ）等のフルオロ化ポリマーである。圧電挙動は、独立気泡発泡ポリプロピレン（ＰＰ）でも観測されている。圧電性を達成するために、かかる発泡ポリプロピレンは強電場で帯電される。その結果、電気絶縁破壊が気泡内で起き、マクロ双極子を生成し、材料を巨視的に分極させる。かかるポリプロピレン強誘電エレクトレットは、１ニュートンあたり数百ピコクーロンの圧電係数を有してもよい。センサー作用の感度をさらに高めるため、上下に積み重ねられた多数の発泡体を含む複層システムが開発されている。
【０００３】
Ｇｅｒｈａｒｄら（２００７年  Ａｎｎｕａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ、第４５３〜４５６頁）には、機械的穿孔またはレーザー穿孔によって多数の均一な貫通孔が設けられたポリテトラフルオロエチレンフィルムが２つの均一なフルオロエチレンプロピレンフィルムの間に配置された３層の強誘電エレクトレットが開示されている。
【０００４】
均一のサイズおよび構造のチューブ状ボイドを備える強誘電エレクトレットの有利で単純な製造方法は、Ｒ．Ａ．Ｐ．  Ａｌｔａｆｉｍ、Ｘ．  Ｑｉｕ、Ｗ．  Ｗｉｒｇｅｓ、Ｒ．  Ｇｅｒｈａｒｄ、Ｒ．Ａ．Ｃ．  Ａｌｔａｆｉｍ、Ｈ．Ｃ．  Ｂａｓｓｏ、Ｗ．  ＪｅｎｎｉｎｇｅｒおよびＪ．  Ｗａｇｎｅｒによって、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓにて出版される、Ｔｅｍｐｌａｔｅ−ｂａｓｅｄ  ｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅｐｒｏｐｙｌｅｎｅ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｅｔｓ  ｗｉｔｈ  ｔｕｂｕｌａｒ  ｃｈａｎｎｅｌｓ  ｆｏｒ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓの論文に開示されている。そこに開示されている方法には、２つのＦＥＰ薄片（ＦＥＰ：ペルフルオロエチレンプロピレンコポリマー）および中間のＰＴＦＥマスク薄片のサンドウィッチ構成をまず調製する。得られた薄片の積層体をラミネート加工し、その薄片は互いに接着させ、次にボイドを遊離させるためにマスク薄片を除去する。
【０００５】
電気機械変換器、特に圧電変換器は、例えばセンサーおよびアクチュエーターシステム等の商業的応用で注目され続けている。経済性の観点から、製造方法は工業的規模で利用可能でなければならない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｇｅｒｈａｒｄら、２００７年  Ａｎｎｕａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ、第４５３〜４５６頁
【非特許文献２】Ｒ．Ａ．Ｐ．  Ａｌｔａｆｉｍ、Ｘ．  Ｑｉｕ、Ｗ．  Ｗｉｒｇｅｓ、Ｒ．  Ｇｅｒｈａｒｄ、Ｒ．Ａ．Ｃ．  Ａｌｔａｆｉｍ、Ｈ．Ｃ．  Ｂａｓｓｏ、Ｗ．  ＪｅｎｎｉｎｇｅｒおよびＪ．  Ｗａｇｎｅｒ、Ｔｅｍｐｌａｔｅ−ｂａｓｅｄ  ｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅｐｒｏｐｙｌｅｎｅ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｅｔｓ  ｗｉｔｈ  ｔｕｂｕｌａｒ  ｃｈａｎｎｅｌｓ  ｆｏｒ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、初めに述べた種類の電気機械変換器、ならびに商業的規模および工業的規模でも単純で安価に実施可能であるその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、内部に形成されるボイドを備えるポリマー層複合体を含む電気機械変換器を用いて、その目的は達成され、ここでポリマー層複合体は
軟化温度ＴｇＡを有するキャリア層、およびそのキャリア層に広く接着され、軟化温度ＴｇＥを有するエレクトレット層を含有するポリマー層基盤エレメント、但しキャリア層の軟化温度ＴｇＡ＞ＴｇＥエレクトレット層の軟化温度（ＴｇＡ＞ＴｇＥ）であり、ならびに
第２ポリマー層エレメント
を少なくとも含有し、前記ポリマー層基盤エレメントは、エレクトレット層によって第２ポリマー層エレメントと少なくとも部分的に接着され、ボイドを形成する。
【０００９】
言い換えれば、本発明によるポリマー層複合体は、層状に上下に配置されたポリマーフィルム、特にポリマー薄片、および少なくともそれぞれ２つのポリマー薄片の間で形成されるボイドを含有する。ポリマー薄片は、ボイドの間で互いに接着される。少なくともポリマー層基盤エレメントはキャリア層とエレクトレット層を含む２層のポリマー複合体であることが、本発明の基本的な構成要素である。
【００１０】
軟化温度は、ガラス転移温度とも呼ばれており、非晶質のポリマーが液体またはゴム弾性可撓性状態からガラス状または硬質弾性脆性状態へと変化する温度である。本発明によれば、適切な場合には、ポリマー層の軟化温度Ｔｇの指示値および範囲は混合相ポリマー層、特に半結晶性ポリマー材料の融点も含む。
【００１１】
本発明によるポリマー層基盤エレメントは、異なるポリマー材料の２つのポリマー層、特にポリマーフィルムを含む２層構造であり、エレクトレット層のポリマー材料はキャリア層のポリマー材料より低い軟化温度ＴｇＥを有する。ポリマー層基盤エレメントは、本発明によると基盤エレメントとも呼ばれる。基盤エレメントは、好ましくは連続ポリマー層、特にポリマーフィルムから形成される。しかし、基盤エレメントは、例えばエレクトレット層に、開孔を有してもよい。
【００１２】
本発明によれば、キャリア層は、エレクトレット層に対してキャリア機能およびサポート機能を発揮し、任意に構造化された基盤エレメントおよび第２ポリマー層エレメントを有する生成したポリマー層複合体に対する十分な機械的および熱的安定性を有利に示す。
【００１３】
本発明によれば、エレクトレット層はキャリア層に広く、例えばその表面全体のわたり、接着され、本発明によれば良好な電荷蓄積特性を備えるポリマー材料から形成される。キャリア層のサポート機能により、キャリア層を備えない構造よりエレクトレット層を薄く調製することができる。
【００１４】
驚くべきことに、本発明による構造を有し、圧電特性も有する電気機械変換器は、ポリマー層間の特に良好な接着性および特に良好な機械的安定性を有利に示すことが見出された。本発明による構造において、キャリア層は必要な機械的および熱的安定性を提供する。有利なことに、複合体中にキャリア層を用いることで、電気変換器を形成するために、ポリマー層基盤エレメントにおいて良好なエレクトレット特性を有する脆性材料を使用することも可能である。したがって、必要な機械的安定性はキャリア層から得られるため、本発明によればエレクトレット層をその特に適当な電荷蓄積特性により選択することができる。そのため、本発明による電気機械変換器に対して特に有利な特性の組合せは単純な方法によって達成することができる。
【００１５】
本発明の実施態様では、本発明による基盤ポリマー層エレメントのポリマー層用の材料を、キャリア層の軟化温度ＴｇＡがエレクトレット層の軟化温度ＴｇＥより少なくとも≧５℃、例えば１０℃、高くなるように選択してもよい。これにより、特にラミネート工程によって、ポリマー層基盤エレメントを第２ポリマー層エレメントに接着させ易くなる。有利なことに、エレクトレット層は同時に接着層として機能することができる；また一方で、キャリア層は十分な機械的安定性を維持でき、適切な場合には、基盤エレメントの三次元構造をサポートすることもできる。
【００１６】
本発明によれば、キャリア層は原理上、エレクトレット層に好適に接着可能で、かつ十分なキャリア機能、従って機械的および熱的安定性を示すポリマーまたはポリマー混合物から形成され、またはこれを含有してもよい。例えば、本発明の有利な実施態様においてキャリア層は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリカーボネートおよびこれらの混合物からなる群から選択される少なくとも１つのポリマーを含有し、またはこれから形成されてもよい。
【００１７】
本発明において、エレクトレット層は原理上、長期間、例えば数ヶ月または数年にわたって電荷を蓄積するのに適した任意のポリマーまたはポリマー混合物から形成されてもよい。本発明によれば、エレクトレット層は好ましくは、ポリカーボネート、ペルフルオロ化または部分フルオロ化ポリマーおよびコポリマー、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フルオロエチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）等、ポリエステル、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等、ポリイミド、特にポリエーテルイミド、ポリエーテル、ポリメチルメタクリレート、シクロオレフィンポリマー、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリオレフィン、例えばポリプロピレン等、ならびにそれらのポリマーの混合物からなる群から選択される少なくとも１つのポリマーを含有し、またはこれから形成されてもよい。かかるポリマーは、長期間にわたって導入される分極を有利に維持することができる。
【００１８】
本発明のさらなる実施態様において、完成した電気機械変換器では、キャリア層は６μｍ〜１２５μｍ、好ましくは１０μｍ〜１００μｍ、例えば１５μｍ〜７５μｍの厚さを有してよく、および／またはエレクトレット層は６μｍ〜１２５μｍ、好ましくは１０μｍ〜１００μｍ、例えば１５μｍ〜７５μｍの厚さを有してよく、および／またはキャリア層およびエレクトレット層を含むポリマー層基盤エレメントは２０μｍ〜２５０μｍ、好ましくは３０μｍ〜１５０μｍ、例えば５０μｍ〜１００μｍの全体の厚さを有してよい。
【００１９】
別の実施態様においては、エレクトレット層の厚さはキャリア層の厚さと比べて薄くできる。また、キャリア層はより安価な材料から調製されてもよい。キャリア層を備えず、単一でサポートされていないエレクトレット層と比較すると、必要な安定性はキャリア層により供されるため、キャリア層を備えない実施態様よりも本発明によるそれぞれのエレクトレット層を薄くすることが本発明ではさらに可能である。したがって、エレクトレット層は、本発明により著しく材料を節約できる方法で構成されてもよい。そのため、完成した電気機械変換器は、より費用がかからずに製造することができ、一方で、同じく良好な電気機械特性および機械特性を有し、またはさらに電気機械特性および機械特性が改良される。
【００２０】
本発明の別の実施態様では、第２ポリマー層エレメントは、開孔を備える第１ポリマー層および連続ポリマー層、すなわち層内に開孔またはボイドを備えないポリマー層を少なくとも含有してもよい。言い換えれば、本発明によれば、ポリマー層構造は、ポリマー層基盤エレメント、連続ポリマー層および開孔を備える中間ポリマー層を少なくとも含むサンドウィッチ構成の形状で提供される。開孔を備えるポリマー層は、構造全体に柔軟性を与え、その厚さに沿ってより柔軟にすることができる。そのため、圧電定数ｄ３３、従って電気機械変換器の感度を上昇させることができる。
【００２１】
本発明のさらなる実施態様では、第２ポリマー層エレメントは、軟化温度ＴｇＡを有するキャリア層、およびそのキャリア層に広く接着され、軟化温度ＴｇＥを有するエレクトレット層を少なくとも含む第２ポリマー層基盤エレメントを含有し、またはこれから構成されてもよく、但しＴｇＡ＞ＴｇＥである。言い換えると、本発明によれば、例えば２つのポリマー層基盤エレメントは、内部に形成されるボイドを備えるポリマー複合体を互いに形成することができる。エレクトレット層は、好ましくは互いに直接接着される。
【００２２】
本発明によれば、この実施態様では、２つの同一のポリマー層基盤エレメントがポリマー複合体を一緒に形成することができる。この場合、その対応するポリマー層はそれぞれ同一のポリマー材料から構成される。したがって、例えば２つの基盤エレメントのエレクトレット層は、同じ材料から調製される。この実施態様において、これはキャリア層に対しても同様に適用される。エレクトレット層が互いに面する場合が本発明では好ましく、この場合、特に良好に層を接着することができ、それに応じて接着の機械的安定性を改良することができる。
【００２３】
同じく本発明は、異なるポリマー層、すなわちキャリア層および／またはエレクトレット層からなる２つの異なるポリマー層基盤エレメントがポリマー層複合体を一緒に形成する構成を含む。例えば、同一のキャリア層であるが、同一のまたは異なる軟化温度ＴｇＥを有する異なるエレクトレット層を２つの基盤エレメントに用いることができ、その逆も可能である。その結果、本発明によれば、必要な所望の特性、例えば得られる電気機械変換器の特別な応用についての必要な所望の特性を容易に調整することが有利に可能となる。本発明によれば、例えば第１基盤エレメントは、正電荷を特に良好に帯電できるエレクトレット層を有することができ、一方で第２基盤エレメントは負電荷の帯電に特に適当であるエレクトレット層を有することができ、その逆も可能である。したがって、得られる電気機械変換器の電気特性をこのように最適化することができる。
【００２４】
別の実施態様では、本発明によるポリマー層複合体として、例えば開孔を備える中間ポリマー層を有する２つのポリマー層基盤エレメントを含むサンドウィッチ構成も提供することができる。言い換えれば、第２ポリマー層エレメントは、開孔を備えるポリマー層および第２基盤エレメントにより形成される。この場合、それぞれのエレクトレット層を、好ましくは開孔を備える中間ポリマー層と接着させる。したがって、結果として開孔は閉じられ、好ましくはエレクトレット層によって閉じられ、ボイドを形成する。そのため、かかるポリマー層複合体では、キャリア層は、開孔を備える層から離れたポリマー層基盤エレメントの端部を形成する。この実施態様においても、基盤エレメントは同一または異なっていてよい。
【００２５】
開孔を備えるポリマー層は、例えば、熱可塑性ポリウレタンまたは熱可塑性ポリエステル等の熱可塑性エラストマーを含み、またはこれらから形成されてもよい。有利なことに、かかる材料は、ボイドでの分極工程を可能とし、帯電工程後にポリマーフィルムに形成される帯電層を引き離すのに特に適当であり、例えばこれらは低い電気伝導性を有する。したがって、構成全体において柔軟性を改善することができる。さらに、その柔らかさについて、ポリマー層複合体を調整することができる。その結果、圧電定数ｄ３３およびそれに応じて電気機械変換器の感度をさらに向上することができる。
【００２６】
本発明のさらなる実施態様において、開孔を備えるポリマー層は、基盤エレメントの隣接したポリマー層のそれぞれの軟化温度より低い軟化温度ＴｇＢ、例えばエレクトレット層のそれぞれの軟化温度ＴｇＥより低い軟化温度ＴｇＢを有することができ、その結果、開孔を備える中間層は、接着のための、例えばエレクトレット層との接着のための接着層として役割をさらに果たす。
【００２７】
本発明による電気機械変換器のさらなる実施態様では、開孔を備える第１ポリマー層は１０μｍ〜２５０μｍの厚さを有してもよい。特に、開孔を備える第１ポリマー層は５０μｍ〜１５０μｍ、好ましくは７５μｍ〜１００μｍの厚さを有してもよい。
【００２８】
開孔を備えるポリマー層の開孔は、本発明によれば同一のまたは異なる形状を有してよい。本発明による電気機械変換器の実施態様では、開孔のうち少なくとも一部は円状断面領域を有さない形状である。
【００２９】
異なる形状の開孔を組み合わせることで、一方では、生じるボイドの全ボイド容積を最大化し、他方では、電気機械変換器の電気機械的特性、特に圧電特性を特別な応用に必要に応じて適用させることが有利に可能となる。
【００３０】
電気機械変換器の開孔を備えるポリマー層において、開孔を均一または不均一に配置することができる。特に、開孔を備える第１ポリマー層の開孔を均一に配置することができる。しかし、製造されるべき電気機械変換器の応用分野に応じては、開孔を備えるポリマー層における開孔を空間分解法によって不均一に配置することがまた非常に有利であり得る。
【００３１】
開孔を備えるポリマー層の開孔は、開孔を備えるポリマー層を通じて、連続ポリマー層、特にポリマー層基盤エレメントのエレクトレット層の方向に特に光を通すように形成される。少なくとも開孔を備える第１ポリマー層は、多数の第１形状の開孔および多数の第２形状の開孔、および適切な場合には多数の第３形状の開孔等を有してもよい。
【００３２】
本発明において、一部または全ての開孔は、例えば実質的円形、例えば円形、楕円形、または長円形等、多角形、例えば三角形、長方形、台形、菱形、五角形、六角形等、特にハニカム形状、十字形状、星型形状および部分円形および部分多角形、例えばＳ形状等の断面領域からなる群から選択される断面領域を有する形状であってもよい。開孔を備える層の開孔は、例えばハニカム形状の断面領域も有し、またはハニカム状に構成され、および／もしくは配置される。開孔のハニカム構成および配置により、一方ではボイド容積が非常に大きくなる。他方では、開孔のハニカム構成および配置により特に高い機械的安定性を達成することができる。
【００３３】
断面領域のサイズは、開孔を備えるポリマー層のすべての開孔で同一または異なってもいてもよい。開孔および開孔から形成されるボイドは、狭い表面領域、例えば線状、例えば曲線状もしくは直線状、一本線状もしくは混線状等、もしくは幾何学図形の環状線、例えば十字の円状線もしくは環状線等を有する形状で構成されていてもよく、または広い表面領域、例えば長方形、円形、十字形等を有する構造の形状で構成されてもよい。第１および第２連続ポリマー層、特にポリマー薄片がボイド内で互いに層の連続と垂直に接触できないように、および／または電気機械変換器の製造後に得られる全ボイド容積が可能な限り大きくなるように、ボイドの形状および寸法を好ましく調整する。言い換えれば、分極によってボイドの内部表面に帯電された正電荷および負電荷は、特に接触することができないはずである。
【００３４】
本発明による電気機械変換器の別の実施態様では、ポリマー層基盤エレメントおよび／または第２ポリマー層エレメントは、突起または／陥没を有する垂直プロファイルを形成すると共にポリマー層複合体中でボイドを形成するために構造化され、特に三次元形状化されてもよい。ボイドの様々な構造が可能であるため、特定の応用に対して共鳴周波数およびピエゾ活性、および特に圧電定数ｄ３３を可変的に調整することができる。有利なことに、本発明により製造されるポリマー層複合体システムを用いて、より大きな表面領域に対してさえも、高く不変の圧電係数を達成することができる。これは原理上、これらの電気機械変換器の応用を大きく拡げる。
【００３５】
本発明による電気機械変換器は好ましくは、２つの電極、特に電極層をさらに含有してもよく、１つの電極はポリマー層基盤エレメントのキャリア層と接触しており、他方の電極は第２ポリマー層エレメントと接触しており、それぞれの場合、ポリマー層基盤エレメントから離れた表面側で接触している。
【００３６】
本発明による電気機械変換器はまた、互いに積み重ねられた、内部に形成されたボイドを有する２以上のポリマー層複合体を含有してもよく、それぞれのポリマー層複合体はポリマー層基盤エレメントおよび第２ポリマー層エレメントを含有する。すなわち、単独構成の形状の２以上の本発明によるポリマー複合体からスタックが形成され、ポリマー複合体は必要に応じて電極を有し、および／または逆の電荷で分極されていてもよい。
【００３７】
例えば、スタックにおいて上下に配置された個々のポリマー層複合体は、サンドウィッチ構成であってもよく、その場合、第２ポリマー層エレメントは開孔を備えるポリマー層および第２ポリマー層基盤エレメントから形成され、開孔を備えるポリマー層は第１および第２ポリマー層基盤エレメントのエレクトレット層の間に配置される。開孔を備えるポリマー層の開孔は、第１ポリマー層基盤エレメントのエレクトレット層により一方を閉じられ、第２ポリマー層基盤エレメントのエレクトレット層により他方を閉じられ、ボイドを形成する。したがって、スタックの第１ポリマー層複合体のキャリア層および第２ポリマー層複合体のキャリア層はそれぞれ電極に接触することができる。好ましくは、異なる個々の構成の２つの隣接するポリマー層は同一の電荷分極を示す。特に、異なる個々の構成の２つの隣接するポリマー層、例えばキャリア層は同一の電極と接触する。
【００３８】
本発明によれば、上述した様々な実施態様は、必要に応じて互いに組み合わせて用いることができる。本発明による電気機械変換器のさらなる特徴については、本発明による方法および本発明による使用に関連して明確に説明される。
【００３９】
本発明はさらに、電気機械変換器、特に、上述した様々な実施態様による電気機械変換器の単独、またはこれらを互いに組み合わせたものの製造方法に関する。
【００４０】
内部に形成されたボイドを備えるポリマー層複合体を少なくとも含む電気機械変換器を製造するための本発明による方法は、
Ａ）軟化温度ＴｇＡを有するキャリア層、およびそのキャリア層に広く接着され、軟化温度ＴｇＥを有するエレクトレット層を含むポリマー層基盤エレメントを提供し、但しＴｇＡ＞ＴｇＥである工程、
Ｂ）第２ポリマー層エレメントを提供する工程、
Ｃ）エレクトレット層が第２ポリマー層エレメントと面するように、ポリマー層基盤エレメントを第２ポリマー層エレメントに配置する工程；ならびに
Ｄ）ラミネート加工によりポリマー層基盤エレメントを第２ポリマー層エレメントに接着させ、内部に形成されるボイドを備えるポリマー層複合体を形成し、ここで選択されるラミネート温度ＴＬは軟化温度ＴｇＡ未満であり、および軟化温度ＴｇＥ以上である工程
を含む。
【００４１】
本発明による方法は、確立されている工程手順をほとんど調整することなく使用できるため、実施に費用がかからず、単純である。驚くべきことに、特に機械的安定性があり、良好な圧電特性を有する電気機械変換器を、本発明による方法によって得ることができる。有利なことに、本発明によってポリマー層を選択することにより、特にキャリア層と比較して低い軟化温度ＴｇＥを有する、ポリマー層基盤エレメントのエレクトレット層を選択することにより、ポリマー層複合体のラミネート加工が容易となり、ポリマー層を特に良好に互いに接着することができる。
【００４２】
ラミネート温度を、エレクトレット層の軟化温度ＴｇＥと近くなるように好ましく選択する。ラミネート温度ＴＬとエレクトレット層の軟化温度ＴｇＥの間の温度差ΔＴ（ＴＬ、ＴＥ）は、１０℃未満、好ましくは５℃未満であってよい。本発明によれば、ＴＬ＜ＴｇＡおよびＴＬ≧ＴｇＥがラミネート温度に適用される。
【００４３】
本発明による他の方法では、キャリア層、およびそのキャリア層に広く接着されるエレクトレット層を含むポリマー層基盤エレメントの工程Ａ）での提供を、共押出または溶媒キャスト技術によって行うことができる。本発明によれば、これらの基本的に確立されたフィルム製造方法を容易に用いることができ、さらに有利に自動化することができる。
【００４４】
本発明による方法の別の実施態様では、工程Ａ）および／または工程Ｂ）は、垂直プロファイルを形成するために、すなわち突起および陥没を形成するために、ポリマー層基盤エレメントおよび／または第２ポリマー層エレメントの構造化および／または三次元形状化を含んでもよい。例えば、これをエンボス工程によって行ってもよい。エンボス工程は同じく、好ましくは構造化ローラーを用いて、またはエンボススタンプによって行ってもよい。構造化ローラーを用いる場合および構造化エンボススタンプを用いる場合はいずれも、それぞれポリマー層に垂直プロファイルを伝えてもよい。凸型もしくは凹型形状をエンボス機、すなわちローラーまたエンボススタンプの表面に適用し、ならびに／または三次元構造化をポリマー層基盤エレメントおよび／もしくは第２ポリマー層エレメントもしくはポリマー層の１つの表面側だけに、例えばエレクトレット層だけに伝えることもまた可能である。構造化は、ポリマー層の押出直後に行ってもよく、または別の工程、例えばホットプレスにより行ってもよい。それぞれのポリマー層エレメントおよび／またはそれぞれのポリマー薄膜の両表面をエンボス機によって処理することも含まれる。例えば、ポリマー層基盤エレメントおよび／または第２ポリマー層エレメントを、エンボス加工し、それによって構造化ローラーを用いてそれぞれ上面および下面から構造化してもよい。
【００４５】
該方法のまた別の実施態様では、工程Ａ）または工程Ｂ）におけるポリマー層エレメントおよび／またはポリマー薄膜の構造化を、任意に加熱したポリマー層またはポリマー層エレメント、すなわち基盤エレメントまたは第２ポリマーエレメントを、必要に応じて予め調整し成形したインサートを備えた成形型中で、例えば圧縮空気または別のガスによって、圧力を適用し、変形させることにより行なってもよい。例えばポリマー層エレメントを、少なくとも１つのそのポリマー層、例えばキャリア層の軟化温度（ガラス転移温度）に近い温度まで加熱してもよく、その後２０〜３００バールの圧縮空気にさらすことで急激に変形させてもよい。例えば、ポリカーボネート薄膜（例えばＢａｙｅｒ  ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅ  ＡＧ製のＭａｃｒｏｆｏｌ）を、１３０〜１４０℃でガラス転移温度直下まで加熱してもよい。その後、薄膜を２５０バールの圧縮空気にさらして成形型に押付けてもよく、成形型の外形に合わせ、普遍的に変形させることができる。本発明によれば、これを２層ポリマー層基盤エレメントおよび／または第２ポリマー層エレメントに伝えてもよい。
【００４６】
上述した構造化の別例では、ポリマー層、特にポリマー薄膜に対して正確な位置に所望の外形を伝えることができるという利点がある。その際にポリマー層複合体中に形成されるボイドの形状および寸法はいずれも、上述した方法でほぼ自由に有利に選択することができ、選択したポリマー層材料およびその特性およびそれぞれの厚さに応じて、所望の応用についての所望の機械的および電気的要件に適合させることができる。ポリマー層の特性ならびに形成されるボイドの形状および寸法の組合せを、薄膜部分が離れた状態で保たれ、任意の応用において接触できないように選択する。上述した構造化の方法には、自動化でき、必要に応じて連続工程として行うことができるというさらなる利点がある。
【００４７】
別の実施態様では、該方法は処理工程Ｅ）：処理工程Ｄ）で得られる構成、特にポリマー層複合体中に形成されるボイドの内部表面に、逆の電荷を帯電する工程をさらに含有してもよい。帯電は、例えば摩擦帯電、電子線衝撃、既存の電極への電圧の印加、またはコロナ放電によって行ってもよい。特に、二電極コロナ構成によって帯電を行なってもよい。スタイラス電圧は、少なくとも≧２０ｋＶ、例えば少なくとも≧２５ｋＶ、特に少なくとも≧３０ｋＶであってよい。帯電時間は、少なくとも≧２０秒、例えば少なくとも≧３０秒、特に少なくとも≧１分であってよい。有利なことに、コロナ処理はまた大規模にうまく行うことができる。
【００４８】
工程Ｅ）における、ポリマー層複合体中に形成されるボイドの内部表面の帯電前および／または後に、該方法は処理工程Ｆ）：電極をポリマー層基盤エレメントに、特に好ましくは連続キャリア層に適用し、および電極を第２ポリマー層エレメントに適用する工程をさらに含有してもよい。しかし、本発明においては、電極はポリマー層基盤エレメントおよび／または第２ポリマー層エレメントと共にすでに適用されていてもよく、特にそれぞれの場合でその上に形成されていてもよい。
【００４９】
電極は当業者に既知の方法で提供されてよい。例えば適当な方法は、スパッタ法、スプレー法、蒸着法、化学蒸着法（ＣＶＤ）、プリント法、ドクターブレード法、スピンコーティング法等の既存の方法である。電極は既存の形式で接着されてもよい。
【００５０】
電極材料は当業者に既知の導電性材料でもよい。その目的に適当であるのは、例えば金属、金属合金、半導体、導電性オリゴマーもしくはポリマー、例えばポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール等、導電性酸化物もしくは混合酸化物、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等、または導電性フィラー充填ポリマーである。導電性フィラー充填ポリマーに適当なフィラーの例は、金属、導電性カーボンに基づく材料、例えばカーボンブラック、カーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）等、または導電性オリゴマーもしくはポリマーを含む。該ポリマーのフィラー含有量は、好ましくは浸透閾値以上であり、ここで、浸透閾値は導電性フィラーが連続導電性パスを形成することを特徴としている。
【００５１】
本発明では、電極はまた構造化されていてもよい。構造化電極は、例えばストライプ状または格子状の電導皮膜形状であってもよい。したがって、電気機械変換器の感度に影響を与え、それを特別な応用に適用することもまた可能である。例えば電極は、変換器が活性領域および受動領域を有するように構造化されてもよい。特に電極は、特にセンサーモードにおいてシグナルが空間分解測定法により検出され、および／または特にアクチュエーターモードにおいて活性領域が目的に合うように引き起こされるように構造化されてもよい。これは、例えば受動領域が電極を有さないが、活性領域が電極を有することで達成することができる。
【００５２】
本発明による方法の別の実施態様では、工程Ａ）、Ｂ）、Ｃ）、Ｄ）、Ｅ）および／またはＦ）は特に連続ロールツーロール法として行われてよい。したがって、有利なことに、少なくとも部分的に連続法として、好ましくはロールツーロール法として、電気機械変換器の製造を行うことができる。これは、商業的および工業的規模の方法を使用するのに特に有利である。少なくとも一部の製造方法を自動化することは、提供される方法を単純化し、電気機械変換器、特に圧電変換器の安価な製造を可能とする。本発明によれば、有利なことに、全ての処理工程を自動化することができる。
【００５３】
本発明のさらなる方法の例では、処理工程Ｇ）は処理工程Ｄ）、Ｅ）またはＦ）で得られる２以上の構成を互いに積み重ねることも含まれてもよい。言い換えれば、必要に応じてすでに電極を提供し、分極させた２以上の本発明によるポリマー複合体から、スタックを有利に形成してもよい。
【００５４】
本発明による方法のさらなる特徴については、本発明による電気機械変換器およびその使用に関連して明確に説明される。
【００５５】
本発明はさらに、本発明による電気機械変換器、特に圧電変換器の、センサー、ジェネレーターおよび／またはアクチュエーターとしての、例えば電気機械センサーおよび／または電気音響センサーでの使用を提供する。特に、本発明による電気機械変換器は、機械振動からエネルギーを得る分野（環境発電）、音響学、超音波、医療診断、超音波顕微鏡、機械センサーシステム、特に圧力、力および／または歪みセンサーシステム、ロボット工学および／またはコミュニケーション技術、特に拡声器、振動変換器、光偏向器、薄膜、繊維光学用のモジュレータ、焦電検出器、キャパシタならびに制御システムで用いられてもよい。
【００５６】
本発明による使用のさらなる特徴に関しては、本発明による方法および本発明による電気機械変換器に関連して明確に説明される。
【００５７】
本発明による製造および本発明による電気機械変換器、例えば圧電変換器の構造を、図面、以下の図面の説明および以下の実施例の説明によってさらに詳細に説明する。図面および実施例の説明は、本質的に説明を意図したものにすぎず、決して本発明を限定するためのものではないことに留意すること。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】ポリマー層基盤エレメントの概略断面図。
【００５９】
【図２】第２ポリマー層エレメントの実施態様の概略断面図。
【００６０】
【図３ａ】２つのポリマー層基盤エレメントおよび開孔を備える中間ポリマー層を有するサンドウィッチ構成の形状のポリマー層複合体の概略断面図。
【００６１】
【図３ｂ】図３ａで示された構成の帯電工程後の概略断面図。
【００６２】
【図３ｃ】図３ｂで示された構成の帯電工程後および電極適用後の概略断面図。
【００６３】
【図４】非構造化基盤エレメントに接着する三次元構造化基盤エレメントを含む電気機械変換器の概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
図１は、軟化温度ＴｇＡを有するキャリア層１ａ、およびそのキャリア層に広く接着され、軟化温度ＴｇＥを有するエレクトレット層１ｂを含むポリマー層基盤エレメント１の概略断面図を示す。図１は、ポリマー層基盤エレメント１は２層ポリマーエレメントであることを示し、ここでポリマー層、すなわちキャリア層１ａおよびエレクトレット層１ｂは、好ましくは連続的に形成され、言い換えれば実質的に開孔またはガス内包物を有していない。本発明によれば、エレクトレット層１ｂの軟化温度ＴｇＥは、キャリア層１ａの軟化温度ＴｇＡより低い。したがって、キャリア層１ａのポリマー材料は、熱的および機械的安定性を提供することができ、さらにエレクトレット層１ｂは、一方でさらなるポリマー層エレメントへの接着層としての機能を有利に果たすことができるように、また一方で良好な電荷蓄積特性を提供できるように、形成されてよい。したがって、本発明によるこの２層基盤エレメント１によって、互いに組み合わされた有利な特性をポリマー複合体、特に圧電変換器に導入することができる。
【００６５】
図２は、第２ポリマー層エレメント２の実施態様の概略断面図を示す。このポリマー層エレメント２は、ポリマー層基盤エレメント１、およびそのポリマー層基盤エレメント１に接着され、開孔４を備えるポリマー層３を含むポリマー層複合体を形成する。図２は、第２ポリマー層エレメント２のこの実施態様におけるポリマー層基盤エレメント１はエレクトレット層１ｂによって開孔４を備えるポリマー層３と接着されることを示す。
【００６６】
図３ａは、２つのポリマー層基盤エレメント１および開孔４を備える中間ポリマー層を含むサンドウィッチ構成の形状のポリマー層複合体の概略断面図を示す。言い換えれば、本発明によるこの実施態様の第２ポリマー層エレメント２は、開孔４を備えるポリマー層３、およびそのポリマー層３に接着される第２ポリマー層基盤エレメント１を含む。図３ａは、ポリマー層複合体におけるポリマー層基盤エレメント１はいずれも、そのエクトレット層１ｂによって開孔４を備えるポリマー層３と接着されることを示す。ポリマー層３の開孔４は、第１基盤エレメント１のエレクトレット層１ｂにより片側で閉じられ、第２基盤エレメント１のエレクトレット層１によりもう一方の側が閉じられ、ボイド５を形成する。
【００６７】
図３ｂは、図３ａで示された構造の、本発明による方法の工程Ｅ）による分極後の概略断面図を示す。図３ｂは、第１連続エレクトレット層１ｂの負電荷および第２連続エレクトレット層１ｂの正電荷が互いに分離され、局在化されていることを示す。本発明によれば、エレクトレット層１ｂをその良好な電荷蓄積特性のために選択することができるため、完成する電気機械変換器について、特に良好な圧電特性を達成することができる。これに関しては、２つのエレクトレット層１ｂについて異なる材料を用いることで最適化が可能であり、２つのエレクトレット層１ｂのうちの１つは特に良好な正電荷の電荷蓄積手段であり、それに応じてもう１つは特に良好な負電荷の電荷蓄積手段である。
【００６８】
図３ｃは、図３ａで示された構成の帯電工程後および電極６適用後の概略断面図を示す。第１および第２基盤エレメント１のキャリア層１ａは電極６とそれぞれ接する。電極６はそれぞれ、開孔４を備えるポリマー層３から離れたポリマー層基盤エレメント１の側に構成された第１および第２キャリア層の表面側に接して、電極層の形状をしている。
【００６９】
図４は、非構造化基盤エレメント１に接着される三次元構造化基盤エレメント１０を含む本発明による電気機械変換器の概略断面図を示す。図４は、２つの基盤エレメント１、１０が互いに面するそのエレクトレット層１ｂ、１０ｂと互いに接着され、好ましくはラミネート加工によって接着され、ボイド５を形成することを示す。本発明によれば、２つの基盤エレメント１、１０のキャリア層１ａ、１０ａおよび／またはエレクトレット層１ｂ、１０ｂを、同一または異なるポリマー材料から作ることができる。同一のポリマー材料のエレクトレット層１ｂ、１０ｂを用いる場合、エレクトレット層１ｂ、１０ｂを互いに特に良好に接着させることができる。また一方で、異なるエレクトレット層１ｂ、１０ｂの場合、第１構造化基盤エレメント１０について、例えば特に良好に正電荷を貯蔵することが可能なポリマー材料のエレクトレット層１０ｂを選択し、対照的に第２基盤エレメント１のエレクトレット層１ｂを特に良好に負電荷を貯蔵することが可能なポリマー材料から作るならば、完成する電気機械変換器の電気特性を最適化させることができる。第１基盤エレメント１０の構造化は、例えばエンボス工程によって達成させることができる。
【実施例】
【００７０】
実施例１
圧電変換器の製造
６０μｍの全体の厚さを有する第１および第２連続ポリマー層基盤エレメントについて、軟化温度ＴｇＡ＝１８０℃および５０μｍの厚さを有するキャリア層としてそれぞれ同じポリカーボネートＡＰＥＣ、および軟化温度ＴｇＥ＝１５０℃および１０μｍの厚さを有するエレクトレット層としてそれぞれ同じポリカーボネートＭａｋｒｏｌｏｎ（登録商標）３１０８の共押出を製造した。第１ポリマー層基盤エレメントは、垂直プロファイルを形成するためにローラーエンボス加工により三次元構造化させ、一方で、第２基盤エレメントは第２ポリマー層エレメントとして、平面のままで構造化させなかった。互いに面するそのエレクトレット層を備える２つの基盤エレメントを、１４０℃でラミネート加工によって互いに接着させ、ボイドを形成させ、その結果図３に示されるようなポリマー層複合体を得た。該構成を帯電させるため、３０ｋＶ、６０秒間のコロナ処理を選択した結果、形成したボイド中でパッシェン放電が生じ、逆のポリマー層に逆の電荷が形成した。本発明による該構成に圧力を加える場合、電圧が生じる。７０ｐＣ／Ｎの圧電定数ｄ３３を達成した。ポリマー層複合体は、驚くほど良好な機械的安定性、ポリマー層同士の良好な接着性、および良好な圧電特性を示した。
【００７１】
実施例２
本発明によるポリマー層基盤エレメントの製造
基盤エレメントを製造するため、軟化温度ＴｇＡ＝１８０℃を有するポリカーボネートフィルムＡＰＥＣおよび軟化温度ＴｇＥ＝１７０℃を有するシクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）のポリマーフィルムの共押出を行った。６０μｍの全体の厚さを有する基盤エレメントが得られ、キャリア層は５０μｍの厚さを有し、エレクトレット層は１０μｍの厚さを有した。シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）は特に良好な電荷蓄積特性を有するが、脆弱性であり、そのためその使用性は通常限定される。驚くべきことに、本発明によれば、ポリマー層基盤エレメント中のキャリア層を用いることでこれを克服することができ、その結果、シクロオレフィンコポリマーの極めて優れた電気特性を、良好な機械的および熱的特性を併せ持つ本発明による電気機械変換器に転換することができる。
【図１】
2013544048.tif 000003
【図２】
2013544048.tif 000004
【図３ａ】
2013544048.tif 000005
【図３ｂ】
2013544048.tif 000006
【図３ｃ】
2013544048.tif 000007
【図４】
2013544048.tif 000008
【国際調査報告】
2013544048.tif 000009
2013544048.tif 000010
2013544048.tif 000011
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