(57)【要約】装置は、第１および第２の電極間に配置される分極性材料の層を含む。分極性材料は、エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含むブロック・コポリマー組成物を有する。方法は、エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含むブロック・コポリマー組成物を有する分極性材料の層を提供するステップを含み、第１および第２の電極は、層の反対面上にある。方法は、電極間に電圧差を印加し、層の寸法を変化させるステップも含む。
2011527173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の電極と、
前記第１および第２の電極間に配置される分極性材料の層とを含む装置であって、
前記分極性材料は、エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含むブロック・コポリマー組成物を有する、装置。
【請求項２】
前記第１および第２の電極ならびに前記層は、平行板コンデンサを形成するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記分極性材料の前記層は、前記第１および第２の電極間への電圧差の印加に応答して、前記層の寸法を変化させるように配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１および第２の電極ならびに前記分極性材料の前記層は、内部チャネルを画定する互いに同心の形状を有し、前記装置は、前記電圧差の印加に応答して前記内部チャネルに沿って流体を推進させるように適合する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記エラストマー・ドメイン・ブロックは、エラストマー系オリゴマーを含み、前記エラストマー系オリゴマーは、約１ギガパスカルよりも小さい特性ヤング率を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記コポリマーは、櫛形コポリマーであり、前記コポリマーの骨格は、前記エラストマー・ドメイン・ブロックを含み、前記コポリマーは、前記骨格上の離間する位置に固定される歯を有し、前記歯は、前記伝導性ドメイン・ブロックを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含むブロック・コポリマー組成物を有する分極性材料の層を提供し、第１および第２の電極は、前記層の反対面上にあるステップと、
前記第１および第２の電極間に電圧差を印加し、前記層の寸法を変化させるステップとを含む、方法。
【請求項８】
前記印加は、層厚さを収縮させ、前記２つの反対面のそれぞれの寸法を伸張させる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
流体または物体を動かすために、前記層寸法の変化を利用するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１および第２の電極ならびに前記分極性材料の前記層は、内部チャネルを画定する互いに同心の形状を有し、前記印加は、流体を前記内部チャネルに沿って推進させる、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本願に組み込まれている、２００８年６月３０日に出願した「電気機械アクチュエータ」という名称の米国特許出願第１２／１６５，６２６号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、電気機械アクチュエータ、および電気機械アクチュエータを実装する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
このセクションは、本発明をより良く理解することを容易にする助けとすることができる態様を紹介する。したがって、このセクションの記述は、この観点から読まれるべきであり、先行技術であるか、または先行技術でないかに関する認定として理解されるべきでない。
【０００４】
様々な種類の電気機械アクチュエータが開発されてきた。様々な性能特性を有する電気機械アクチュエータが、様々な最終使用用途に必要とされる。電気機械アクチュエータは、永久変形を受けることなしに反復作動を容易にする十分な構造的完全性、作動に十分な誘電率、および過加熱を引き起こさない印加電圧のもとで作動させるのに十分な感度などの特徴を備えることが意図されている。電気機械アクチュエータにこれらおよびその他の特徴を提供することは、製作者にとっての課題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第１２／１６５，６２６号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＡＳＴＭ  Ｅ１１１−０４「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｙｏｕｎｇ’ｓ  ｍｏｄｕｌｕｓ，Ｔａｎｇｅｎｔ  ｍｏｄｕｌｕｓ  ａｎｄ  Ｃｈｏｒｄ  ｍｏｄｕｌｕｓ」
【非特許文献２】ＡＳＴＭ  Ｄ−４４９６−０４ｅｌ「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄ−Ｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｏｒ  Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」
【非特許文献３】Ｊｉｎｓｏｎｇ  Ｌｉｕ他「Ｔｕｎｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｏｆ  Ｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ  Ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ  ｂｙ  Ｂｌｏｃｋ  Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ：Ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ  ｉｎ  Ｎｅｗ  Ｄｉ−  ａｎｄ  Ｔｒｉｂｌｏｃｋ  Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ」、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．編、Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．２、３２９〜３３２頁（２００２）
【発明の概要】
【０００７】
一実施形態の例において、装置が提供される。この装置は、第１および第２の電極と、電極間に配置される分極性材料の層とを含む。この分極性材料は、エラストマー・ドメイン・ブロック（ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ  ｄｏｍａｉｎ  ｂｌｏｃｋ）および伝導性ドメイン・ブロック（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｄｏｍａｉｎ  ｂｌｏｃｋ）を含むブロック・コポリマー組成物を有する。分極性材料の層は、一例として、第１および第２の電極間への電圧差の印加に応答して、層の寸法を変化させるように配置することができる。
【０００８】
一実施形態の別の例として、方法が提供される。この方法は、エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含むブロック・コポリマー組成物を有する分極性材料の層を提供するステップを含み、この層は、層の反対面上の第１および第２の電極間にある。それに加えて、この方法は、第１および第２の電極間に電圧差を印加し、層の寸法を変化させるステップを含む。一例において、層の寸法を変化させるステップは、層厚さを収縮させるステップを含むことができる。別の例として、寸法を変化させるステップは、２つの反対面のそれぞれの寸法を伸張させるステップを含むことができる。さらに別の例として、この方法は、流体または物体を動かすために層寸法の変化を利用するステップを含むことができる。
【０００９】
以下の図および詳細な説明を検討すれば、本発明のその他の装置、方法、特徴、および利点は、当業者には明らかであるか、または明らかになる。そのような全ての付加的な装置、方法、特徴、および利点は、本説明内に含まれ、本発明の範囲内とされ、添付の特許請求の範囲により保護されるものとする。
【００１０】
本発明は、以下の図を参照すればより良く理解することができる。図内の要素は、必ずしも原寸に比例しておらず、その代わりに、実施形態の例の原理を説明することに重点が置かれている。さらに、図では、様々な図を通して、同様の参照番号は、対応する部品を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】装置の実施形態の例を示す斜視図である。
【図２】図１の装置の例を示す別の斜視図である。
【図３】別の装置の実施形態の例を示す半径方向断面図である。
【図４】図３の装置を示す、線Ａ−Ａに沿って切り取られた軸方向断面図である。
【図５】第１および第２の電極間に電圧差を印加するために外部回路に電圧を印加する、線Ａ−Ａに沿って切り取られた図３〜４の装置の例を示す図である。
【図６】方法の実施形態の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
電気エネルギーを機械エネルギーに変換することができる電気機械アクチュエータは、小型および超小型ロボット、超小型飛行機、フラットパネルスピーカ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、マイクロモータ、ディスクドライブ、人工器官、および微小流体素子などを含む広い範囲の最終使用用途に必要とされる。本明細書では、高い精度および速度での広範な運動性、高い弾性エネルギー密度、適度な電圧差での作動のための高い誘電率、ならびに耐久性および信頼性のための低い機械的疲労速度などを含む複数の高性能基準を満たすことができる電気機械アクチュエータが提供される。さらに、本明細書では、電気機械作動を実行する方法が提供される。
【００１３】
図１は、装置の実施形態の例１００を示す斜視図である。装置１００は、第１の電極１０２および第２の電極１０４を含む。さらに、装置１００は、第１および第２の電極１０２、１０４間に配置される分極性材料の層１０６を含む。分極性材料の層１０６は、２つの反対面１０３、１０５間に、たとえば、平均厚さとすることができる矢印１０８によって示される厚さを有する。分極性材料の層１０６は、エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含むブロック・コポリマー組成物を有する。このブロック・コポリマー組成物において、エラストマー・ドメイン・ブロックは、伝導性ドメイン・ブロックが厚さ１０８の橋渡しをして第１および第２の電極１０２、１０４間に導電性経路を形成することができないように、伝導性ドメイン・ブロックを物理的に遮断する。
【００１４】
以下の取決めが、本明細書を通して理解される。「層」は、例として、単一層として構成され、または複数の副層を含むことができるあらゆる形成された材料の本体のことを示す。第１の層が第２の層の「上」にあるというとき、第１の層は、第２の層の表面全体、または第２の層の表面の一部分だけを覆う可能性がある。「上に形成される」などの用語は、材料輸送、堆積、形成、表面処理、または物理的、化学的もしくはイオンの結合または相互作用などの層形成の特定の方法に関するいかなる限定をもたらすことを意図するものではない。
【００１５】
例において、分極性材料の層１０６は、中性状態で、約１０マイクロメートルから約２００マイクロメートルの間の範囲内の平均厚さ１０８を有する可能性がある。本明細書では、中性状態は、分極性材料の層１０６の反対面１０３、１０５上の２つの電極１０２、１０４にわたって電圧差が印加されていない状態のことをいう。
【００１６】
例として、第１および第２の電極１０２、１０４のそれぞれは、それら自体が、矢印１０８によって示されるものと同じ方向に測定して、約２５マイクロメートルまたはそれ未満の厚さを有する可能性がある。
【００１７】
一例として、第１および第２の電極１０２、１０４ならびに分極性材料の層１０６は、平行板コンデンサを形成するように共に構成することができる。いくつかの例において、分極性材料の層１０６は、層厚さ１０８が第１および第２の電極１０２、１０４間の電圧差の印加または除去に応答して変化するように、第１および第２の電極１０２、１０４間に配置することができる。一例では、第１および第２の電極１０２、１０４は、導電性カーボングリースを含む組成物から形成することができる。適当な導電性カーボングリース組成物は、たとえば、Ｋｅｎｎｅｓａｗ、Ｇｅｏｒｇｉａ、ＵＳＡのＩＴＷ  Ｃｈｅｍｔｒｏｎｉｃｓから市販されている可能性がある。
【００１８】
装置の例１００の作動時に、第１および第２の電極１０２、１０４は、電圧源を有する外部回路（図示せず）に導体１１０、１１２によって接続することができる。図１は、外部回路に電圧を印加していない中性状態の装置の例１００を示すことができる。図２は、図１の装置の例１００を示す別の斜視図である。図２は、第１および第２の電極１０２、１０４間に電圧差を印加するために外部回路に電圧が印加される作動状態の装置の例１００を示すことができる。図２に示されるように、たとえば、印加電圧差は、分極性材料の層１０６を矢印２０２、２０４によって示される方向に収縮させることができる。電圧差が除去されるとき、装置１００は、図１に示される中性状態に戻ることができる。したがって、装置の例１００において、分極性材料の層１０６は、図２に示されるように、図１に示される平均層厚さ１０８よりも小さい平均層厚さ２０６を有することができる。さらに、図２に示されるように、たとえば、印加電圧差は、分極性材料の層１０６を矢印２０８、２１０、２１２、２１４によって示される方向の１つまたは複数へ横方向に膨張により伸張させることができる。一例では、分極性材料の層１０６の１つまたは複数の端部１１４、１１６の膨張を障壁（図示せず）によって抑えることができる。したがって、第１および第２の電極１０２、１０４間への電圧差の印加に応答する分極性材料の層１０６の横方向の伸張は、例として、２０８および２１０の方向、２１２および２１４の方向、または方向２０８〜２１４のうちの１つに限定することができる。装置１００の変化する寸法における厚さ収縮および横方向の伸張の両方は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、電気機械アクチュエータとして装置１００を利用することを可能にするように機能する。たとえば、層１０６の厚さ収縮は、方向２０２、２０４のいずれか、または両方へ装置１００の変位をもたらすために利用することができるが、層１０６の横方向の伸張は、方向２０８〜２１４のうちの１つまたは複数へ装置１００の変位をもたらすために利用することができる。最終使用の例において、方向２０２、２０４の１つもしくは両方への収縮およびもたらされる変位、または方向２０８〜２１４のうちの１つもしく複数への膨張による横方向の伸張、またはその両方は、流体または物体（図示せず）を動かすために利用することができる。たとえば、そのような物体（図示せず）は、小型もしくは超小型ロボット、超小型飛行機、フラットパネルスピーカ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、マイクロモータ、ディスクドライブ、人工器官、または微小流体素子などの素子の構成要素とすることができる。
【００１９】
たとえば、装置１００を作動させるとき、増大した蓄積弾性エネルギー密度Ｕｓを有する、エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含む分極性材料の層１０６のブロック・コポリマー組成物を選択することができる。この弾性エネルギー密度は、電気機械アクチュエータの応力および歪み発生能力の両方に関係する。ほぼ線形の誘電および弾性特性を有する電気機械アクチュエータにおいて、蓄積弾性エネルギー密度Ｕｓは、たとえば、以下の式（１）によって表現することができる。
【数１】
2011527173.tif 000003
ここで、Ｙはパスカル単位のヤング率であり、Ｓは無次元の歪みであり、Ｋは無次元の材料誘電率であり、Ｅはボルト／メートル（Ｖ／ｍ）の電界強度であり、ε０は８．８５ｘ１０−１２ファラッド／メートル（Ｆ／ｍ）の真空誘電体誘電率である。
【００２０】
さらに、たとえば、エラストマー系オリゴマー（ｅｌａｓｔｏｍｅｒｉｃ  ｏｌｉｇｏｍｅｒ）を含む、分極性材料の層１０６のブロック・コポリマー組成物のエラストマー・ドメイン・ブロックを選択することができる。例として、エラストマー系オリゴマーは、アクリレート、シロキサン、ウレタン、およびオレフィンから選択されるモノマーを含むことができる。たとえば、アクリレートは、アクリル酸ブチルを含むことができる。別の例として、オレフィンは、ブタジエン、イソプレン、およびイソブチレンを含むことができる。一例では、約１ギガパスカル未満の特性ヤング率を有するエラストマー系オリゴマーを選択することができる。ヤング率は、材料の剛性の尺度であり、材料がフックの法則に従う領域において、圧力単位の引張応力と無次元の引張歪みとの比として定義される。ヤング率は、材料の試料に関して実行される引張試験中に作成される応力歪み曲線の傾きから実験的に決定することができる。エラストマー系オリゴマーのヤング率は、参照によってその全体がこれにより本明細書に組み込まれている、ＡＳＴＭ  Ｅ１１１−０４「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｙｏｕｎｇ’ｓ  ｍｏｄｕｌｕｓ，Ｔａｎｇｅｎｔ  ｍｏｄｕｌｕｓ  ａｎｄ  Ｃｈｏｒｄ  ｍｏｄｕｌｕｓ」の現行版に従って、エラストマー系オリゴマーの重合体を調製し、エラストマー系オリゴマーの重合体の試験を行うことによって決定することができることが本明細書を通して理解される。
【００２１】
それに加えて、たとえば、伝導性オリゴマー（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｏｌｉｇｏｍｅｒ）を含む、分極性材料の層１０６のブロック・コポリマー組成物の伝導性ドメイン・ブロックを選択することができる。例として、伝導性オリゴマーは、チオフェン、アルキン、ピロール、アニリン、フルオロン、およびフェニレンサルファイドから選択されるモノマーを含むことができる。ポリチオフェンは、たとえば、ポリ３−アルキルチオフェンを含むことができる。ポリアルキンは、たとえば、ポリアセチレンを含むことができる。一例では、約１ｘ１０−２ジーメンス／センチメートル（Ｓ／ｃ）から約１ｘ１０４Ｓ／ｃの間の範囲内の特性体積導電率を有する伝導性オリゴマーを選択することができる。伝導性オリゴマーの体積導電率は、参照によってその全体がこれにより本明細書に組み込まれている、ＡＳＴＭ  Ｄ−４４９６−０４ｅｌ「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｄ−Ｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｏｒ  Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」の現行版に従って、伝導性オリゴマーの重合体を調製し、伝導性オリゴマーの重合体の試験を行うことによって決定することができることが本明細書を通して理解される。
【００２２】
分極性材料の層１０６の組成物のエラストマーおよび伝導性のドメイン・ブロックは、ブロック・コポリマー内に含まれる。たとえば、それぞれのエラストマー・ドメイン・ブロックは、エラストマー系オリゴマーによって形成することができ、それぞれの伝導性ドメイン・ブロックは、伝導性オリゴマーによって形成することができる。一例では、ブロック・コポリマーは、エラストマー・ドメイン・ブロックを含む骨格を有し、その骨格上の離間する位置に固定される歯を有する櫛形コポリマーとすることができ、それらの歯は、伝導性ドメイン・ブロックを含む。このブロック・コポリマーは、エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含む２ブロック・コポリマーとすることができ、また、ブロックまたは非ブロックの構造形態の付加的な共重合体（ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｅ）を含むことができる。エラストマーおよび伝導性のドメイン・ブロックの共重合の変形形態が企図される。そのような変形形態は、例として、エラストマーおよび伝導性のドメイン・ブロックを伴うモノマー、オリゴマー、および／またはポリマーの共重合、それらの共重合が後に続くエラストマーもしくは伝導性のドメイン・ブロックの予備重合（ｐｒｅ−ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）、エラストマーおよび伝導性のドメイン・ブロックの架橋結合、エラストマーおよび伝導性のドメイン・ブロック上への配位子結合、ならびに／あるいはエラストマーおよび伝導性のドメイン・ブロックとのその他の化学反応を含むことができる。ブロック・コポリマーは、例として、直鎖および分枝鎖のブロック・コポリマー、交互ブロック・コポリマー、ならびにその他の種類のブロック・コポリマーを含むことができる。一例では、層１０６の組成物は、それぞれが層１０６内に検出可能な内部導電率を発生させるのに十分な数の平均数のモノマーを含む、伝導性ドメイン・ブロックを有することができる。層１０６内のこの内部導電率は、一例として、層１０６の寸法を変化させるのに十分な第１および第２の電極１０２、１０４間の最小電圧差を低減することができる。モノマーは、エラストマー・ドメイン・ブロックまたは伝導性ドメイン・ブロック内の最小の繰返し単位であることが本明細書を通して理解される。別の例として、層１０６の組成物は、それぞれが平均約２５以上のモノマーを含む伝導性ドメイン・ブロックを有することができる。さらに別の例として、層１０６の組成物は、層寸法を変化させるのに十分な電圧差の印加時に第１および第２の電極１０２、１０４間で絶縁破壊短絡が起こらないために十分な数の平均数のモノマーをそれぞれが含むエラストマー・ドメイン・ブロックを有することができる。
【００２３】
分極性材料の層１０６は、たとえば、第１および第２の電極１０２、１０４ならびに層１０６が共に大きい静電容量を有する平行板コンデンサを形成することができるように、大きい誘電率を有することができる。一例では、分極性材料の層１０６は、１，０００ヘルツで測定される約８よりも大きい誘電率を有することができる。
【００２４】
エラストマー・ドメイン・ブロックの低いヤング率は、層１０６に機械的柔軟性をもたらし、装置１００を作動状態に設定するのに必要な電界の最小強度を低減する。ゆえに、そのような電界を発生させるために第１および第２の電極１０２、１０４間に必要な最小電圧差は、同様に、そのようなエラストマー・ドメイン・ブロックを使用することによって低減される。伝導性ドメイン・ブロックの高い体積導電率は、装置１００を作動させるために十分な強度の電界を発生させるのに必要な最小印加電圧差を低減することができる。それに加えて、エラストマー・ドメイン・ブロックと伝導性ドメイン・ブロックとの組合せによって、装置１００が高い誘電率を有することが可能になる。
【００２５】
エラストマーおよび伝導性のドメイン・ブロックを含む分極性材料の層１０６内のブロック・コポリマー組成物は、たとえば、アクリル酸ブチルなどの適当なエラストマー・モノマーと、ポリ（チオフェン）オリゴマーなどの適当に末端官能基化した伝導性オリゴマーとの原子移動ラジカル重合によって合成することができる。適当な原子移動ラジカル重合技術は、たとえば、参照によってその全体がこれにより本明細書に組み込まれている、Ｊｉｎｓｏｎｇ  Ｌｉｕ他の「Ｔｕｎｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｏｆ  Ｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ  Ｐｏｌｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ  ｂｙ  Ｂｌｏｃｋ  Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ：Ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ  ｉｎ  Ｎｅｗ  Ｄｉ−  ａｎｄ  Ｔｒｉｂｌｏｃｋ  Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ」（Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．編、Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．２、３２９〜３３２頁（２００２））に開示されている。
【００２６】
図３は、別の装置の実施形態の例３００を示す半径方向断面図である。装置３００は、第１の電極３０２および第２の電極３０４を含む。さらに、装置３００は、第１および第２の電極３０２、３０４間に配置される分極性材料の層３０６を含む。分極性材料の層３０６は、２つの反対面３０３、３０５間に、たとえば、平均厚さとすることができる矢印３０８によって示される厚さを有する。分極性材料の層３０６は、エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含むブロック・コポリマー組成物を有する。第１および第２の電極３０２、３０４ならびに分極性材料の層３０６は、たとえば、内部チャネル３０９を画定する互いに同心の形状を有することができる。一例として、互いに同心の形状および内部チャネル３０９は、円筒状または菱形とすることができる。
【００２７】
図４は、図３の装置３００を示す、線Ａ−Ａに沿って切り取られた軸方向断面図である。図４に示されるように、装置３００は、第１および第２の電極３０２、３０４ならびに第１および第２の電極３０２、３０４間に配置される分極性材料の層３０６を含む。さらに、図４は、第１および第２の電極３０２、３０４ならびに分極性材料の層３０６が、たとえば、内部チャネル３０９を画定する互いに同心の形状を有することができることを示す。
【００２８】
分極性材料の層３０６は、たとえば、第１および第２の電極３０２、３０４間の電圧差の印加または除去に応答して層３０６の寸法を変化させるように、第１および第２の電極３０２、３０４間に配置することができる。たとえば、層３０６の厚さ３０８を収縮させることができる。一例では、第１および第２の電極３０２、３０４は、導電性カーボングリースを含む組成物を有することができる。
【００２９】
別の例において、装置３００は、内部誘電体層３１０を含むことができる。内部誘電体層３１０は、電極３０４を内部チャネル３０９から電気的に絶縁させることができる。別の例において、装置３００は、外部誘電体層３１２を含むことができる。外部誘電体層３１２は、電極３０２を電気的に絶縁させることができる。
【００３０】
装置の例３００の作動中、第１および第２の電極３０２、３０４は、導体３１４、３１６によって電圧源を有する外部回路（図示せず）に接続することができる。図３および４は、外部回路が中性状態にあり、電極３０２、３０４に電圧を印加していない装置の例３００を示すことができる。図５は、第１および第２の電極３０２、３０４間に電圧差を印加するために外部回路に電圧を印加する作動状態における線Ａ−Ａに沿って切り取られた図３〜４の装置の例３００を示す。図５に示されるように、たとえば、印加電圧差は、分極性材料の層３０６を矢印５０２、５０４によって示される方向に収縮させることができる。電圧差が除去されるとき、装置３００は、図３および４に示される中性状態に戻ることができる。したがって、装置の例３００は、図５に示されるように、平均層厚さ３０８よりも小さい、層３０６の平均層厚さ５０６を有することができる。それに加えて、たとえば、作動状態の装置３００の矢印５０７によって示される直径は、中性状態の装置３００の矢印３０７によって示される直径よりも小さくすることができる。さらに、図５に示されるように、たとえば、印加電圧差は、分極性材料の層３０６を矢印５０８、５１０によって示される方向のいずれか、または両方へ軸方向に膨張により伸張させることができる。別の例として、分極性材料の層３０６の端部４０６、４０８の一方の軸方向伸張を障壁（図示せず）によって抑えることができる。したがって、第１および第２の電極３０２、３０４間への電圧差の印加に応答する分極性材料の層３０６の軸方向伸張は、方向５０８、５１０の一方向の膨張に限定することができる。装置３００の形状の平均層厚さ収縮および直径収縮ならびに軸方向伸張の両方は、層３０６の寸法を変化させることによって電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、電気機械アクチュエータとして装置３００を利用することを可能にする。
【００３１】
たとえば、平均層厚さ収縮は、内部チャネル３０９に含まれる流体（図示せず）を圧縮するために利用することができる。そのような流体の圧縮は、例として、方向５０８、５１０のいずれか、または両方へ流体を推進させることができる。それに加えて、たとえば、装置３００の直径収縮は、物体（図示せず）の運動用に、または流体バルブの作動中に、流体を強く圧縮するのに利用することができる。たとえば、装置３００は、入力および出力ポート（図示せず）に接続され、バルブ（図示せず）と共に構成され、超小型流体ポンプを形成することができる。さらに、たとえば、軸方向伸張は、方向５０８、５１０のいずれか、または両方へ装置３００自体の変位をもたらすために利用することができる。最終使用の例において、矢印４０２、４０４の方向の直径収縮、または方向５０８、５１０のいずれか、もしくは両方への装置３００の軸方向伸張は、物体（図示せず）を動かすために利用することができる。たとえば、そのような物体（図示せず）は、小型もしくは超小型ロボット、超小型飛行機、フラットパネルスピーカ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、マイクロモータ、ディスクドライブ、人工器官、または微小流体素子などの素子の構成要素とすることができる。
【００３２】
たとえば、装置１００に関連して先に説明された作動状態における高い蓄積弾性エネルギー密度Ｕｓを有する、エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含む分極性材料の層３０６のブロック・コポリマー組成物を選択することができる。たとえば、装置１００に関連して先に説明されたものと同様に、エラストマー系オリゴマーを含む、分極性材料の層３０６のブロック・コポリマー組成物のエラストマー・ドメイン・ブロックを選択することができる。それに加えて、たとえば、装置１００に関連して先に説明されたものと同様に、伝導性オリゴマーを含む、分極性材料の層３０６のブロック・コポリマー組成物の伝導性ドメイン・ブロックを選択することができる。例において、ブロック・コポリマーは、装置１００の層１０６に関連して先に説明されたものと同じ構造の変形形態を含むことができる。たとえば、層３０６は、エラストマー・ドメイン・ブロックを含む骨格を有し、その骨格上の離間する位置に固定される歯を有する櫛形コポリマーを含む組成物を有することができ、それらの歯は、伝導性ドメイン・ブロックを含む。さらに、ブロック・コポリマーは、例として、直鎖および分枝鎖のブロック・コポリマー、交互ブロック・コポリマー、ならびにその他の種類のブロック・コポリマーを含むことができる。
【００３３】
一例では、層３０６の組成物は、それぞれが層３０６内に検出可能な内部導電率を発生させるのに十分な数の平均数のモノマーを含む、伝導性ドメイン・ブロックを有することができる。層３０６内のこの内部導電率は、一例として、層３０６の寸法を変化させるのに十分な第１および第２の電極３０２、３０４間の最小電圧差を低減することができる。別の例として、層３０６の組成物は、それぞれが平均約２５以上のモノマーを含む伝導性ドメイン・ブロックを有することができる。さらに別の例として、層３０６の組成物は、層寸法を変化させるのに十分な電圧差の印加時に第１および第２の電極３０２、３０４間で絶縁破壊短絡が起こらないために十分な数の平均数のモノマーをそれぞれが含むエラストマー・ドメイン・ブロックを有することができる。
【００３４】
さらに、たとえば、分極性材料の層３０６は、第１および第２の電極３０２、３０４と共に、平行板コンデンサを形成するように構成することができる。一例では、分極性材料の層３０６は、１，０００ヘルツで測定される約１０よりも大きい誘電率を有することができる。
【００３５】
図６は、方法６００の実施形態の例を示すフローチャートである。この方法は、ステップ６０５で開始する。ステップ６１０は、エラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含むブロック・コポリマー組成物を有する分極性材料の層１０６、３０６と、層１０６、３０６の面１０３上にある第１の電極１０２、３０２と、層１０６、３０６の他方の面１０５、３０５上にある第２の電極１０４、３０４とを提供するステップを含む。たとえば、この層は、２つの反対面１０３、１０５、３０３、３０５間に厚さ１０８、３０８を有することができる。ステップ６１５は、第１および第２の電極１０２、１０４、３０２、３０４間に電圧差を印加し、層の寸法を変化させるステップを含む。次に、この方法は、ステップ６２０で終了することができる。
【００３６】
一例では、ステップ６１０は、約１ギガパスカルよりも小さい特性ヤング率を有するエラストマー系オリゴマーを含むエラストマー・ドメイン・ブロックを選択するステップを含むことができる。別の例として、ステップ６１０は、アクリレート、シロキサン、ウレタン、およびオレフィンから選択されるモノマーのエラストマー系オリゴマーを含むエラストマー・ドメイン・ブロックを選択するステップを含むことができる。さらに別の例として、ステップ６１０は、約１ｘ１０−２Ｓ／ｃから約１ｘ１０４Ｓ／ｃの間の範囲内の体積導電率を有する伝導性オリゴマーを含む伝導性ドメイン・ブロックを選択するステップを含むことができる。さらに、たとえば、ステップ６１０は、チオフェン、アルキン、ピロール、アニリン、フルオロン、およびフェニレンサルファイドから選択されるモノマーの伝導性オリゴマーを含む伝導性ドメイン・ブロックを選択するステップを含むことができる。
【００３７】
一例として、ステップ６１０は、第１および第２の電極１０２、１０４、３０２、３０４と、平行板コンデンサとして構成される層１０６、３０６とを提供するステップを含むことができる。別の例として、ステップ６１０は、共に内部チャネル３０９を画定し、互いに同心の形状を有する第１および第２の電極３０２、３０４と分極性材料の層３０６とを提供するステップを含むことができる。
【００３８】
別の例において、ステップ６１５は、平均層厚さ１０８、３０８を収縮させるステップと、２つの面１０３、１０５、３０３、３０５のそれぞれの寸法を伸張させるステップとを含むことができる。さらに、たとえば、ステップ６１５は、流体または物体を動かすために、平均層厚さ１０８、３０８の変化を利用するステップを含むことができる。ステップ６１０が内部チャネル３０９を提供するステップを含む場合に、ステップ６１５は、一例として、電圧差の印加に応答して、内部チャネル３０９に沿って流体を推進させるステップを含むことができる。
【００３９】
本明細書において、ＭＥＭＳ素子は、運動が電気制御信号に対する機械応答に基づく、互いに動くように適合する２つ以上の部品を有する素子である。ＭＥＭＳ素子は、必ずしも限定しないが、（１）自己集合モノレイヤー、所望の化学物質に対する高い親和性を有する化学コーティング、ならびに未化学結合手の生成および飽和などを使用する自己集合技術と、（２）リソグラフィ、化学蒸着、材料のパターン形成および選択エッチング、ならびに表面の処理、成形、めっき、およびテクスチャリングなどを使用するウエハ／材料処理技術とを含むことができる従来の微小または微細の製作技術（ナノ製作技術を含む）を使用して製作される。ＭＥＭＳ素子の例は、限定はしないが、ＭＯＥＭＳ（超小型光電気機械システム）素子および微小電気機械機構を含む。
【００４０】
装置１００、３００は、通常、電気機械アクチュエータとして利用することができる。たとえば、装置１００、３００は、電極１０２、１０４、３０２、３０４に電圧差を印加するのに適した導体１１０、１１２、３１４、３１６と共に利用することができ、また、作動時に起こる運動を導き、かつ受け取るために構成された付加的な構造要素を含むことができる。同様にして、方法６００は、第１および第２の電極間にエラストマー・ドメイン・ブロックおよび伝導性ドメイン・ブロックを含むブロック・コポリマー組成物を有する分極性材料の層を含む適当な装置を作動させるステップにおいて利用することができるが、その装置１００、３００は、例にすぎない。装置１００に関する以上の教示は、装置３００に同様に適用でき、装置３００に関する以上の教示は、装置１００に同様に適用できる。方法６００に関する以上の教示は、装置１００、３００に同様に適用でき、装置１００、３００に関する以上の教示は、方法６００に同様に適用できる。したがって、装置１００、装置３００、および方法６００のそれぞれに関する以上の説明は、方法６００および両装置１００、３００の以上の説明の全てに組み込まれているものと見なされる。以上の説明は、いくつかの例において、装置１００、３００に言及したが、主題は、これらの構成に限定されず、本明細書で説明した構成にも限定されないことを理解されたい。装置のその他の構成は、本明細書の教示と矛盾することなく利用することができる。同様に、方法６００は、付加的なステップおよび示されたステップの修正を含むことができる。
【００４１】
さらに、数々の例の以上の説明は、例示および説明のために提供されてきたことを理解されたい。本説明は、包括的なものではなく、主張される発明を開示された詳細な形態に限定するものではない。修正および変形は、以上の説明を踏まえれば可能であり、または、本発明を実施することにより得ることができる。特許請求の範囲およびそれらの均等範囲は、本発明の範囲を定義する。
【図１】
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【図２】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成23年2月24日(2011.2.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の電極と、
前記第１および第２の電極間に配置される分極性材料の層とを含む装置であって、
前記分極性材料は、伝導性ドメイン・ブロックと直線状に配置されるエラストマー・ドメイン・ブロックを有するブロック・コポリマーを含む組成物を有する、装置。
【請求項２】
前記第１および第２の電極ならびに前記分極性材料の前記層は、平行板コンデンサを形成するように共に構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記分極性材料の前記層は、前記第１および第２の電極間への電圧差の印加に応答して、前記分極性材料の前記層の寸法を変化させるように配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１および第２の電極ならびに前記分極性材料の前記層は、内部チャネルを画定する互いに同心の形状を有し、前記装置は、前記第１および第２の電極間への電圧差の印加に応答して前記内部チャネルに沿って流体を推進させるように適合する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記エラストマー・ドメイン・ブロックはエラストマー系オリゴマーを含み、前記エラストマー系オリゴマーは、約１ギガパスカルよりも小さい特性ヤング率を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記伝導性ドメイン・ブロックは、チオフェン、アルキン、ピロール、アニリン、フルオロン、およびフェニレンサルファイドからなる群から選択される伝導性オリゴマーを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
伝導性ドメイン・ブロックと直線状に配置されるエラストマー・ドメイン・ブロックを有するブロック・コポリマーを含む組成物を有する分極性材料の層を提供し、第１および第２の電極は、前記分極性材料の前記層の反対面上にあるステップと、
前記第１および第２の電極間に電圧差を印加し、前記分極性材料の前記層の寸法を変化させるステップとを含む、方法。
【請求項８】
前記印加は、前記分極性材料の前記層の厚さを減少させ、前記２つの反対面のそれぞれの寸法を伸張させる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
流体または物体を動かすために、前記分極性材料の前記層の寸法の変化を利用するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１および第２の電極ならびに前記分極性材料の前記層は、内部チャネルを画定する互いに同心の形状を有し、前記印加は、流体を前記内部チャネルに沿って推進させる、請求項７に記載の方法。
【国際調査報告】
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