(57)【要約】  本発明は、第１導電性層（１２）と第２導電性層（１４）との間に配置した少なくとも２つの電気活性層（４，６）を含んでなる多層複合材料（２，２．１，２．２，１８）に関し、ここで、少なくとも１つの導電性副層（８）は、少なくとも２つの電気活性層（４，６）の間に配置され、少なくとも２つの電気活性層（４，６）の少なくとも１つは圧電性層（６）であり、ここで、少なくとも２つの電気活性層（４，６）の少なくとも１つの他のものは、誘電性のエラストマー層（４）である。
2014515704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
・第１導電性層（１２）と第２導電性層（１４）との間に配置された少なくとも２つの電気活性層（４，６）
を含んでなり、
・少なくとも１つの導電性副層（８）は、少なくとも２つの電気活性層（４，６）の間に配置され、および
・少なくとも２つの電気活性層（４，６）の少なくとも１つは、圧電性層（６）である
多層複合材料（２，２．１，２．２，１８）であって、
少なくとも２つの電気活性層（４，６）の少なくとも１つの他のものは、誘電性エラストマー層（４）であることを特徴とする、多層複合材料。
【請求項２】
・少なくとも１つの更なる圧電性層（６）は、第１導電性層（１２）と第２導電性層（１４）との間に配置され、および／または
・少なくとも１つの更なる誘電性エラストマー層（４）は、第１導電性層（１２）と第２導電性層（１４）との間に配置される
ことを特徴とする、請求項１に記載の多層複合材料（２，２．１，２．２，１８）。
【請求項３】
圧電性層（６）は、フェロエレクトレット層であることを特徴とする、請求項１または２に記載の多層複合材料（２，２．１，２．２，１８）。
【請求項４】
・圧電性層（６）は、ポリカーボネート、パーフッ素化または部分的フッ素化ポリマーおよびコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロエチレンプロピレン、パーフルオロアルコキシエチレン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテル、ポリメチル（メタ）アクリレート、環状オレフィンポリマー、環状オレフィンコポリマーおよび／またはポリオレフィンを含んでなる群から選択される物質を含んでなり、および／または
・誘電性エラストマー層（４）は、ポリウレタンエラストマー、シリコーンエラストマーおよび／またはアクリレートエラストマーを含んでなる群から選択される物質を含んでなる
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の多層複合材料（２，２．１，２．２，１８）。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の多層複合材料（２，２．１，２．２，１８）を含んでなる電気機械変換器装置（１６）。
【請求項６】
多層複合材料（２，２．１，２．２，１８）は、ユーザーインターフェース（２０）に作用する機械力変化が電気的信号および／または電気エネルギーへ変換することができるようにユーザーインターフェース（２０）へ接続されることを特徴とする、請求項５に記載の電気機械変換器装置（１６）。
【請求項７】
多層複合材料（２，２．１，２．２，１８）へ接続可能な電気的回路配置（２２）が供給されることを特徴とする、請求項５または６に記載の電気機械変換器装置（１６）。
【請求項８】
・回路配置（２２）は、電気エネルギーへ変換される機械エネルギーによって自律的に動作することができるか、または
・回路配置（２２）は、電源（２６）を含んでなり、ここで、回路配置（２２）は、電気エネルギーへ変換される機械エネルギーにより停止状態から動作状態へ変わることができる
ことを特徴とする、請求項５〜７のいずれかに記載の電気機械変換器装置（１６）。
【請求項９】
回路配置（２２）は、伝達要素（２４）を、信号を送信するために含んでなることを特徴とする、請求項５〜８のいずれかに記載の電気機械変換器装置（１６）。
【請求項１０】
触覚フィードバックのために、電圧は、少なくとも０．１μｍの多層複合材料（２，２．１，２．２，１８）の厚みの変化が、所定の頻度で生成されるように少なくとも１つの誘電性エラストマー層（４）へ適用されることを特徴とする、請求項９に記載の電気機械変換器装置（１６）。
【請求項１１】
ユーザーインターフェース（２０）は、第１セグメント（２０．１）を、第１作用を引き起こすために、および少なくとも第２セグメント（２０．２）を、第２作用を引き起こすために含んでなることを特徴とする、請求項５〜１０のいずれかに記載の電気機械変換器装置（１６）。
【請求項１２】
電気機械変換器装置（１６）は、機械的圧力検出器、特に触覚検出器、平坦検出器または床検出器であることを特徴とする、請求項５〜１１のいずれかに記載の電気機械変換器装置（１６）。
【請求項１３】
第１導電性層（１２）と第２導電性層（１４）との間に配置した少なくとも２つの電気活性層（４，６）を有する多層複合材料（２，２．１，２．２，１８）の製造方法であって、少なくとも１の導電性副層（８）を、少なくとも２つの電気活性層（４，６）の間に配置し、少なくとも２つの電気活性層（４，６）の少なくとも１つは、圧電性層（６）であり、および少なくとも２つの電気活性層（４，６）の少なくとも１つの他のものは、誘電性エラストマー層（４）であり、
・少なくとも１つの圧電性層（６）の供給、
・少なくとも１つの誘電性エラストマー層（４）の供給、
・誘電性エラストマー層（４）への圧電性層（６）の接続
を含んでなり、
・圧電性層（６）を誘電性エラストマー層（４）へ接続する前に、少なくとも１つの導電性副層（８）を、圧電性層（６）および／または誘電性エラストマー層（４）へ適用する、
方法。
【請求項１４】
誘電性エラストマー層（４）または圧電性層を、導電性副層（８）へ積層することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
誘電性エラストマー層（４）または圧電性層（６）を、少なくとも部分的に導電層（１２、１４）で印刷することを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１導電性層と第２導電性層との間に配置された少なくとも２つの電気活性層を含んでなる多層複合材料に関し、ここで、少なくとも１つの導電性副層は少なくとも２つの電気活性層の間に配置され、少なくとも２つの電気活性層の少なくとも１つは圧電性層である。本発明はまた、この多層複合材料を含んでなる電気機械変換器装置および多層複合材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック複合材料は多くの応用に使用される。例えば適切な多層複合材料は、包装材料、絶縁材料または建設材料として用いられる。この慣例的用法に加えて、多層複合材料は、活性成分としてセンサー応用において、または環境発電として知られるエネルギー回収またはエネルギー変換のためにますます使用されている。
【０００３】
例えばＷＯ２０１０／０６６３４７Ａ２は、複数の圧電性層、換言すれば圧電材料から作られた層を有する多層複合材料を開示する。圧電材料は、多層複合材料に直線的に作用する機械力変化を電気的信号へ変換するために使用することができる。機械力変化を電気的な量、例えば電流、電圧あるいはエネルギー等へ変換する能力に起因して、圧電性層はセンサー応用あるいは環境発電に適している。
【０００４】
最近では、多層複合材料は、例えばキーボードまたはタッチパッドのための構造化圧力検出器、加速度検出器、マイクロホン、ラウドスピーカー、医療工学における応用のための超音波変換器、船舶工学において、または材料試験のために使用される。
【０００５】
変換装置として圧電要素を有する高周波送信機は、例えば欧州特許ＥＰ１３１２１７１Ｂ１から知られる。ここで、圧電素子に作用する機械力変化は、電気エネルギーに変換され、高周波送信機の自律的動作に使用される。
【０００６】
しかしながら、先行技術の欠点は、高い圧電定数での圧電性層を有する多層複合材料は、検出器応用および環境発電に適しているが、対応する圧電性層は、可能な移動ストロークが余りに小さいので、作動装置応用については適合性がほとんどないことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０６６３４７号パンフレット
【特許文献２】欧州特許第１３１２１７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は、検出器と環境発電の応用だけでなく作動装置応用についても適した多層複合材料を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上で誘導されおよび記載された目的は、第１導電性層と第２導電性層との間に配置された少なくとも２つの電気活性層を含んでなる多層複合材料において本発明の第１態様によって達成されるが、ここで、少なくとも１つの導電性副層は少なくとも２つの電気活性層の間に配置され、および少なくとも２つの電気活性層の少なくとも１つは圧電性層であり、ここで、少なくとも２つの電気活性層の少なくとも１つの他のものは、誘電性エラストマー層である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の多層複合材料の第１の実施態様例の概略図を示す。
【図２】図２は、本発明の多層複合材料の第２の実施態様例の概略図を示す。
【図３】図３は、本発明の多層複合材料の第３の実施態様例の概略図を示す。
【図４】図４は、本発明の電磁気変換器装置の第１の実施態様例の概略図を示す。
【図５】図５は、本発明の多層複合材料の製造方法の第１の実施態様例のフローチャートを示す。
【図６】図６は、本発明の多層複合材料の製造方法の第２の実施態様例のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
先行技術とは対照的に、本発明の教示によれば、検出器、作動装置および環境発電の機能は、少なくとも２つの異なった型の電気活性層を用いることにより本発明の単一多層複合材料において組み合わされる。
【００１２】
圧電性層は、例えば適当な圧電性ポリマーから形成され、および圧電性ポリマーフィルムであってよい。好ましい実施態様によれば、圧電性層は、フェロエレクトレット層、例えばフェロエレクトレットフィルム等であってよい。圧電性層は、持続性圧電特性を有し得る。これらは、例えば圧電性層を帯電または分極することにより製造することができる。高い圧電性定数で、圧電性層は、特に検出器応用および／または環境発電のために用いることができる。圧電性層は、例えば１０００ｐＣ／Ｎまでの圧電定数を有し得る。
【００１３】
本発明による多層複合材料は、更なる少なくとも１つの誘電性エラストマー層を含む。誘電性エラストマー層は、好ましくは比較的高い誘電率を有する。更に、誘電性エラストマー層は、好ましくは低い機械的剛性を有する。これらの特性は、約３００％までの可能な伸張値をもたらす。誘電性エラストマー層は、特に作動装置応用に用いることができる。
【００１４】
少なくとも１つの導電性副層は、圧電性層と誘電性エラストマー層との間に配置される。副層は、導電性物質が少なくとも２つの電気活性層間において部分的にのみ存在することを意味すると理解される。例えば構造化またはセグメント化層を形成することができる。この層は完全層であってもよいことが理解される。
【００１５】
更に、導電性層は、多層複合材料の上側に配置され、導電性層は、多層複合材料の下側に配置される。
【００１６】
導電性層は、特に電極として設計することができる。下側または上側は、部分的にのみ導電性層で被覆し得ることが理解される。
【００１７】
好ましくは、導電性層は、金属、金属合金、導電性オリゴマーまたはポリマー、導電性酸化物および／または導電性充填剤で充填されたポリマーを含んでなる群から選択される材料から形成することができる。
【００１８】
少なくとも１つの誘電性エラストマー層および少なくとも１つの圧電性層の本発明による組み合わせによって、個々の層型の特定の特性を、多層複合材料に組み合わせることができる。その結果、検出器、作動装置および環境発電機能を有するハイブリッドコンパクト多層複合材料が得られる。
【００１９】
多層複合材料は、原則として、少なくとも１つの圧電性層および少なくとも１つの誘電性エラストマー層が含まれていれば、多くの電気活性層を有することができる。本発明の多層複合材料の第１実施態様によれば、少なくとも１つの更なる圧電性層は、第１導電性層と第２導電性層との間に配置することができる。より大きい機械エネルギーは、例えば２以上の圧電性層の供給により電気エネルギーに変換することができる。圧電性層は、同一または異なった材料から形成することができる。これらは、好ましくはフェロエレクトレット層であってよい。
【００２０】
あるいは、またはさらに、少なくとも１つの更なる誘電性エラストマー層を、第１導電性層と第２導電性層との間に配置することができる。作動装置応用では、多層複合材料の厚みの可能な変化は、調節すること、特に増加させることができる。複数の電気活性層の場合には、導電性層は好ましくは、全ての隣接層の間に少なくとも部分的に配置し得ることに注目すべきである。
【００２１】
圧電性層は、発泡ポリマーフィルムとして、またはポリマーフィルムまたはポリマー編織布から成る多層系として設計してよく、および気泡質中空構造を含んでよい。更に、好ましい実施態様によれば、圧電性層は、ポリマー薄板状構造から形成することができる。ポリマー薄板状構造は空洞を含んでよい。例えば、空洞は、窒素、一酸化二窒素および／または六弗化硫黄を含んでなる群から選択されるガスを含有することができる。構造化圧電性層は、少なくとも２つの閉じた外側層、および例えば多孔質または穿孔中間層を含んでよい。
【００２２】
圧電性層の電気的帯電または分極化の後に、異なった極性の電荷は、空洞の反対面上に分布することができる。空洞はそれぞれ双極子を形成することができる。機械力が圧電性層で発揮される場合には、双極子寸法、従って双極子モーメントは変化する。電流の流れは、圧電性層の２つの表面へ付けられた２つの電極間で生成される。対応するポリマー薄板状構造を有する圧電性層は、特に検出器応用および環境発電のために適当である。
【００２３】
本発明による多層複合材料の更なる実施態様によれば、圧電性層は、有利には、ポリカーボネート、パーフッ素化または部分的フッ素化ポリマーおよびコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロエチレンプロピレン、パーフルオロアルコキシエチレン、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテル、ポリメチル（メタ）アクリレート、環状オレフィンポリマー、環状オレフィンコポリマーおよび／またはポリオレフィンを含んでなる群から選択される材料を含んでよい。
【００２４】
更に、本発明の好ましい実施態様によれば、誘電性エラストマー層は、例えばポリウレタンエラストマー、シリコーンエラストマーおよび／またはアクリレートエラストマーを含んでなる群から選択される材料を含んでよい。
【００２５】
本発明の更なる態様は、上記の多層複合材料を含んでなる電気機械変換器装置である。本発明による変換器装置は、特に、それに作用する機械力変化を電気エネルギーあるいは電気的信号へ変換し、および従って、電気的信号、特に電場の適用により幾何学的形状を変化させるために構成される。既に述べた通り、作動装置、検出器および環境発電機能は、上記の多層複合材料を有する電気機械変換器装置において単一装置中で組み合わされる。電気機械変換器は、２以上の多層複合材料を有し得ると理解される。
【００２６】
本発明による電気機械変換器装置の第１実施態様によれば、多層複合材料は、ユーザーインターフェースに作用する機械力変化が電気的信号へ変換されるように、ユーザーインターフェースへ接続することができる。換言すれば、検出器機能を提供することができる。ユーザーインターフェースの作動装置は、多層複合材料の形状を変化させる。多層複合材料の形状の変化は、電圧を生成し、例えば、適切な手段によって検出することができる。
【００２７】
あるいは、または更に、多層複合材料は、ユーザーインターフェースに作用する機械力変化が電気的エネルギーへ変換されるように、ユーザーインターフェースへ接続することができる。ユーザーインターフェースは、特に、ユーザーにより作動することができる表面、例えばスイッチの押しボタン等であってよい。ユーザーインターフェースは、ユーザーインターフェースに作用する力もまた多層複合材料に作用するように、多層複合材料へ、特に多層複合材料の電極へ接続することができる。その後、機械力変化、例えばユーザーの指からの圧力を、電気エネルギーまたは電気的信号へ変換することができる。  
【００２８】
本発明による電気機械変換器装置の更なる実施態様によれば、多層複合材料へ電気的に連結可能な回路配置を、生成された電気的信号をさらに処理するかあるいは生成された電気エネルギーを使用するために供給することができる。回路配置は、適切な方法で導電性層へ接続することができる。回路配置は、電気的信号、例えば電圧あるいは電流等を処理するために、および／または電気エネルギーを少なくとも一時的に貯蔵するために類似および／またはデジタル成分を有し得る。例えば適当な容量性要素は、貯蔵装置として回路配置に供給することができる。回路配置は、多層複合材料の少なくとも幾つかの電極へ電圧を適用することができるように更に構成することができる。回路配置は、電気機械変換器装置の所望の機能により設計することができると理解される。
【００２９】
本発明による電気機械装置の好ましい実施態様によれば、回路配置が電気エネルギーへ変換された機械エネルギーによって自律的に動作可能となることを提供し得る。換言すれば、回路配置は、特に更なるエネルギー供給と独立して、装置に作用する機械力変化で専ら操作することができる。付加的なエネルギー供給のための付加的なエネルギー貯蔵装置は必要ではない。しかしながら、貯蔵、特に機械力変化によって生成された電気エネルギーの一時的貯蔵のためにエネルギー貯蔵装置を供給し得ることは理解される。例えば、生成電気エネルギーを、貯蔵装置、例えばコンデンサー、スーパーコンデンサーおよび／または、バッテリー等に集めることができる。これは、不足したエネルギーを、電気機械変換器装置の単一作動装置により供給することができ、複数の作動装置が代わりに必要となる場合に必要になることがある。十分なエネルギーが集められると、所望の作用を行なうことができる。
【００３０】
あるいは、回路配置は、エネルギー供給を含んでよい。例えばエネルギー貯蔵装置の形態での付加的なエネルギー供給は、多層複合材料によって生成することができる電気エネルギーが一以上の所望の作用を実行するのに不十分な場合に必要になることがある。例えば、エネルギーは、多層複合材料の所定のコンパクトな特に平坦な設計に起因して、および／または実行される機能に起因して不十分となることがある。
【００３１】
回路配置は好ましくは、回路配置を、電気エネルギーへ変換された力学的エネルギーにより停止状態から動作状態へ変えることができるように構成することができる。換言すれば、回路配置は、休止状態から起動することができる。その後、これは、エネルギー貯蔵装置、例えばバッテリー等からエネルギーを供給することができる。少なくとも１つの作用を実行した後に、回路配置は、停止状態に戻すことができる（自動的に）。このように、エネルギー貯蔵装置の寿命を著しく延長することができる。例えば、２０年の寿命を得ることができる（例えばリチウムマンガンジオキシドバッテリーを用いて）。低い維持費で、長い寿命を有する、プロセッサ、貯蔵装置などを含んでなるより広範囲な回路配置を製造することができる。
【００３２】
有利な実施態様によれば、回路配置は、信号を送信するために伝達要素を含んでよい。伝達要素は、例えばアンテナ配置を有することができる。例えば無線信号は、遠隔レシーバーへ送ることができる。前記レシーバーは、作動装置を含んでよく、コンシューマー、例えばヒーターまたは点燈装置等をコントロールすることができる。
【００３３】
無線信号は、固有の識別子を更に有してよく、これは、発信機、換言すれば電気機械変換器装置を識別することを可能とする。対応する装置は、例えばセキュリティーシステムあるいはパーソナルモニタリングシステムに用いることができる。オペレーターを、識別子から位置付けることができる。
【００３４】
コンバーター装置では、作用を機械的圧力により引き起こすことが可能である。しかしながら、ユーザーは、特にコンバーター装置が非常に短い作動装置ストロークを有する場合、ユーザーのタッチが実際に登録されたかどうかを確信することができない。ユーザーに電気機械変換器装置の作動が実際に起きたというフィードバックを与えるために、触覚フィードバックがユーザーインターフェースによって与えられるように、電気機械変換器装置の多層複合材料を好ましい実施態様によって設計することができる。触覚フィードバックは、例えば振動および／または（カウンター）圧力により与えることができる。
【００３５】
本発明の電気機械変換器装置の更なる好ましい実施態様によれば、触覚フィードバックのために、少なくとも０．１μｍ、好ましくは少なくとも１０μｍのエラストマー層の厚みの変化があらかじめ定めることができる頻度で生成されるように、電圧を少なくとも１つの誘電性エラストマー層へ適用することができる。電場、特に交番磁界は、少なくとも１つの誘電性エラストマー層の表面に配置した２つの電極へ少なくとも適用することができる。ユーザーの指で電気機械変換器装置を作動する場合、適切な触覚フィードバックの達成が厚みの変化および頻度に依存することが認識された。特に、２００〜２５０Ｈｚの間の周波数範囲では、人間の指は、約０．１μｍの感知閾値で最も敏感であることが認識された。他の周波数範囲では、厚みのより大きな変化は、例えば複数の誘電性エラストマー層の供給により達成することができる。ユーザーは、短い作動装置またはストロークでさえ良好な触覚フィードバックを受け取る。
【００３６】
ユーザーインターフェースは、一以上の作動を引き起こすためのセグメントとして更に設計することができる。別の実施態様によれば、ユーザーインターフェースは、第１の作動を引き起こすための第１セグメントおよび少なくとも第２の作動を引き起こすための第２セグメントを含んでよい。例えば各セグメントは、別々に作用を引き起こすために、別個の多層複合材料へ接続することができる。オペレーターの制御は、例えば更なる作用を実行するために、３つ以上のセグメントに分割することができることが理解される。
【００３７】
更なる実施態様によれば、電気機械変換器装置は、検出器装置、例えばスイッチ装置等であってよい。例えば電気機械変換器装置は、触覚検出器、平坦検出器または床検出器であってよい。
【００３８】
従来の設計の触覚検出器は、好ましくは２つ以上の圧電性層で形成することができる。これは、例えば約２ｍｍまでの作動装置ストロークを可能とする。更に、２つ以上の圧電性層が、例えば約５Ｎまでの力を可能とする。例えば約２ｍｍまでの作動装置ストロークおよび約５Ｎまでの力で、十分に大きく、一時的に貯蔵された電気エネルギーが、機械的および電気的調整により生成することができるが、これにより、自律触覚検出器、例えば、無線ロッカーボタン等を操作することができる。
【００３９】
視覚的な魅力および特に平坦な設計のために、平坦検出器は、単に１つの圧電性層および１つの誘電性エラストマー層を有し得る。そのような平坦検出器では、５００μｍ未満の（微細）検出器ストロークが得られる。平坦検出器は、１Ｎ未満の力で作動することができる。平坦検出器の動作の確認としての触覚フィードバックは、特に誘電性エラストマー層により供給することができる。触覚フィードバックに加えて、フィードバック信号は、ユーザーへ作動する要素から転送することができる。例えば無線信号を送ることができる。
【００４０】
更なる可能性のある電気機械装置の応用は、床検出器、例えば知的床要素（スマートカーペット）等である。この装置は、例えばタイルの形態で形成することができるが、１００ｃｍ２以上の表面積を有することができる。タイルは、更に約１ｍｍの深さを有し得る。この床要素は、特に複数の圧電性層を有してよい。約１００Ｎ以上の動作力が可能である。こうして、３００μＪを超えるエネルギー量を得ることができる。エネルギー回収機能に加えて、多層複合材料は、例えばタイルを踏むオペレーターを位置付けるために検出器要素として使用することができる。
【００４１】
触覚センサー、平坦検出器あるいは床検出器は、建物自動化システムにおいて、あるいはパーソナルモニタリング、例えば患者モニタリング等において使用することができる。例えば、機械的負荷下では、対応する検出器は、信号を一以上のレシーバーへ送ることができる。その後、受け取った信号を処理することが可能であり、引き起こされた作用、例えばアラーム等またはコンシューマーを活性化するか、または非活性化することができる。
【００４２】
例えば多くの床検出器を、建物および各検出器に割り当てられた固有の識別子に供給することができる。監視システムでは、ユーザーは、検出器が作動する場合に制御演算装置へその識別子を送る方法により位置付けられてよく、検出器、従ってオペレーターの位置を推測することを可能にする。
【００４３】
例えば電気的出力変数が再現可能であり、長期間安定性および人あるいは物体の重量との相関を示す場合には、計測「重量」を無線電信へ統合して知的床上の人または車両についての追加情報を提供することができる。これは、例えば老年学における興味深い応用をＡＡＬ（周囲の介護生活）のすべての形態で生じさせる。
【００４４】
触覚検出器も、例えばワイヤレスによって対応する装置を開けるために順に、鍵、例えば自動車の鍵あるいは扉の鍵等に用いることができる。例えば対応する自動車の鍵は、自律的に用いることができる。
【００４５】
更なる変形により、本発明による多層複合材料あるいは本発明による電気機械装置はまた、他の応用のために、例えばキーボードまたはタッチパッドのための構造化圧力検出器、加速度検出器、マイクロホン、ラウドスピーカー、医療工学おける応用のための超音波変換器、船舶工学において、または材料試験のために使用することができる。さらに、機械的圧力検出器としての応用はまた、一般に、自動化工学および自動車工学において、例えば後者の場合にはステアリングホイール検出器あるいはシート検出器として可能である。
【００４６】
また、好ましく用いられる材料の高感度により、検出器を、わずかに曲がるだけの、あるいは硬質なプレートの下で使用することが可能となる。この特徴は、例えば、Ｓｃｒｅｅｎｔｅｃ（フィンランド）によって製造されるように、薄い鋼板を有する抗破壊キーパッドに使用されるが、例えば前述の「スマートカーペット」検出器応用に使用することができる。
【００４７】
本発明の更なる態様は、第１導電性層と第２導電性層の間で少なくとも２つの電気活性層が配置される多層複合材料を製造する方法であり、ここで、少なくとも１つの導電性副層を少なくとも２つの電気活性層間に配置し、および少なくとも２つの電気活性層の少なくとも１つは圧電性層であり、および少なくとも２つの電気活性層の少なくとも１つの他のものは、誘電性エラストマー層である。この方法は、少なくとも１つの圧電性層の供給、少なくとも１つの誘電性エラストマー層の供給、圧電性層の誘電性エラストマー層への接続の工程を含んでなり、ここで圧電性層を誘電性エラストマー層に接続する前に、少なくとも１つの導電性層は、圧電性層および／または誘電性エラストマー層へ適用される。
【００４８】
好ましくは、供給される圧電性層には、例えば導電性層を少なくとも部分的に両側上に供給する。その後、誘電性エラストマー層は、好ましくは、これらの導電性層の少なくとも１つに直接接続することができる。更なる工程において、誘電性エラストマー層に、更なる導電性層を少なくとも部分的に更に供給することができる。誘電性エラストマー層は、好ましくはまず、両側上において導電性層で被覆することができると理解される。その後、圧電性層を続いて適用することができる。
【００４９】
本発明の更なる変形によれば、更なる圧電性層および／または更なる誘電性エラストマー層を、更なる工程において配置することができると更に理解される。例えば、２つの導電性層の間に配置される少なくとも１つの圧電性層および１つの誘電性エラストマー層を含んでなる多層複合材料を、同一の構成の多層複合材料で直列的に連結することができる。
【００５０】
更に、本発明による方法の第１実施態様によれば、誘電性エラストマー層あるいは圧電性層は、導電性層へ積層することができる。これは、単純な方法で対応する層間において特に良好な接触を生じさせる。
【００５１】
本発明による方法の好ましい実施態様によれば、誘電性エラストマー層あるいは圧電性層は、導電層で少なくとも部分的に印刷することができる。例えば構造化電極を印刷することができる。印刷方法は、簡単な方法で行なうことができる。特に、多層複合材料の大量製造は、速い製造速度で可能である。
【００５２】
本発明による多層複合材料、本発明による電気機械変換器装置および本発明による多層複合材料を製造するための本発明による方法を装飾し、および開発するための多くの可能性が存在する。これについて、まず、独立請求項に従う従属請求項、および次に図面と共に実施態様例の記載を参照する。図面は以下の通りである：
【００５３】
図１は、本発明の多層複合材料の第１の実施態様例の概略図を示す。
【００５４】
図２は、本発明の多層複合材料の第２の実施態様例の概略図を示す。
【００５５】
図３は、本発明の多層複合材料の第３の実施態様例の概略図を示す。
【００５６】
図４は、本発明の電磁気変換器装置の第１の実施態様例の概略図を示す。
【００５７】
図５は、本発明の多層複合材料の製造方法の第１の実施態様例のフローチャートを示す。
【００５８】
図６は、本発明の多層複合材料の製造方法の第２の実施態様例のフローチャートを示す。
【００５９】
同一の参照番号は、同一の要素について今後使用される。
【００６０】
図１は、本発明の多層複合材料２の第１の実施態様例の概略図を示す。示された多層複合材料２は、２つの電気活性層４および６を含んでなる。
【００６１】
電気活性層４は、誘電性エラストマー層４である。誘電性エラストマー層４は、有利には、比較的高い誘電率を有する。更に、誘電性エラストマー層４は、有利には、低い機械的剛性を有する。これらの特性は、約３００％までの可能な伸張値をもたらす。誘電性エラストマー層４は、特に作動装置応用に用いることができる。
【００６２】
第２電気活性層６は、圧電性層６として形成される。示された圧電性層６は、例えば適当な圧電性ポリマーから形成することが可能であり、例えば圧電性ポリマーフィルムあるいはフェロエレクトレットフィルムであってよい。示された圧電性層６は、ポリマー薄板状構造を有する。ポリマー薄板状構造は、空洞１０を組み込んだ（故意に）。
【００６３】
空洞１０を製造するために、例えば平坦ポリマー層および波形ポリマー層を供給し、これらを互いに波の谷において接続する。圧電性層６の他の実施形態では、２つの平坦ポリマー層を、空洞１０を形成するためにリブを用いて接続することができる。
【００６４】
圧電性層６は、圧電性層６を多層複合材料２に配置する前に電気的に電荷を帯びることができる。帯電または分極は、圧電性層６に持続性圧電特性を与える。圧電性層６は、特に検出器応用のためにおよび／または環境発電のために用いることができる。
【００６５】
少なくとも１つの導電性副層８を、誘電性エラストマー層４と圧電性層６との間に配置することは、図１から更に推測することができる。複数の層および／または完全な層を配置することもできることが理解される。好ましくはこの導電層８は、誘電性エラストマー層４および／または圧電性層６へ向い合せて接続することができる。導電性副層８は、特に電極として設計することができる。電極は、例えば金属、金属合金、導電性オリゴマーあるいはポリマー、導電性酸化物および／または導電性充填剤で充填されたポリマーから形成することができる。
【００６６】
２つの電気活性層４および６は、２つの更なる導電性層１２と１４との間に更に配置する。
【００６７】
層１４は、圧電性層６の上に適用され、および特に、圧電性層６の全表面を実質的に覆うことができる。導電性層１２は、誘電性エラストマー層４の上に適用することができる。例えばセグメント化層１２を供給することができる。好ましくは、導電性層１２および１４もまた、金属に基づいて形成される。
【００６８】
少なくとも１つの誘電性エラストマー層４および少なくとも１つの圧電性層６を含んでなるハイブリッド多層複合材料２は、特に３つの機能を組み合わせ、および単一多層複合材料において利用可能とすることができることを特徴とする。特に、作動装置、環境発電および検出器の機能は、単一多層複合材料によって提供される。
【００６９】
誘電エラストマー層では、層の表面積は、電場が適用される場合に変化するが、フェロエレクトレットフィルム（だけ）では、層の厚みは本質的に変化する。２つの型の層の配置は、形の変化が層４および６の表面に垂直な方向Ｘにのみ本質的に達成可能であることを意味する。従って、多層複合材料２の厚みは、形状が別の方向に実質的に変化することができずに変化、換言すれば増加または減少し得る。別の方向における形状の変化が、応用に応じて許容可能となることは注目されるべきである。
【００７０】
図２は、本発明による多層複合材料２．１の更なる実施態様を更に示す。図２から推測することができる通り、多層複合材料２．１は、図１の２つの多層複合材料２を有する。特に、多層複合材料２は、鏡面反対配置に重なり合って配置する。１つの導電性層１２だけを供給し得るか、または多層複合材料２の２つの層１２を、１つの層１２を形成するために互いに接続することができると理解される。
【００７１】
図３は、本発明による多層複合材料２．２の第３の実施態様例を示す。多層複合材料２．２は、例えば図２の２つの直列的に連結した多層複合材料２．１を含んでなる。更なる直列的連結が可能であることが理解される。１つの層１４だけを供給し得るか、または多層複合材料２．２の２つの層１４を、１つの層１４を形成するために互いに接続し得ることがさらに理解される。
【００７２】
本発明の他の変形によれば、複合層は、少なくとも１つの誘電性エラストマー層および少なくとも１つの圧電性層が供給される場合に他の形態で構築することができることも理解される。例えば、１つの（あるいはより多くの）エラストマー層を有する２つ以上の圧電性層を提供することができる。
【００７３】
図４は、本発明の電気機械変換器装置１６の実施態様例についての簡略化図を示す。例えば、電気機械変換器装置１６は、スイッチ、例えば触覚センサー、平坦検出器等として、あるいは知的床要素として設計することができる。特に、変換器装置１６は、建物自動化システムに使用することができる。したがって、変換器装置１６は、ヒーター、照明、日よけ設備など、あるいは老年学（活性および落下検出）において、あるいはセキュリティ技術においてコントロールするために使用することができる。
【００７４】
電気機械変換器装置１６は、より良好な説明のために詳細に示されていない多層複合材料１８を含んでなる。例えば多層複合材料２、２．１または２．２は、図１〜３に従って使用することができる。
【００７５】
多層複合材料１８の設計は、特に電気機械変換器装置１６の応用により管理し得る。
【００７６】
従来の設計の触覚検出器は、好ましくは２つ以上の圧電性層６で形成することができる。これは、例えば約２ｍｍまでの作動装置ストロークを可能とする。更に、２つ以上の圧電性層６は、例えば約５Ｎまでの機械力を電気エネルギーへ変換することができることを意味する。
【００７７】
対照的に、平坦検出器は、可能な限り小さい多くの層および／または薄い厚みを有する層を有し得る。例えば、平坦検出器は、１つの圧電性層および１つの誘電性エラストマー層を有し得る。そのような平坦検出器では、５００μｍ未満の（微細）検出器ストロークが達成される。平坦検出器は、１Ｎ未満の力で作動することができる。平坦検出器のオペレーションの確認としての触覚フィードバックは、特に電圧を誘電性エラストマー層へ供給することができる。触覚フィードバックに加えて、フィードバック信号は、ユーザーへ作動する要素から転送することができる。例えば、これは無線信号によって行うことができる。
【００７８】
コンバーター装置１６の更なる可能な応用は、床検出器、例えば知的床要素等である。この変換器装置１６は、例えばタイルの形態で形成することができるが、１００ｃｍ２以上の表面積を有することができる。タイルは、更に約１ｍｍの深さを有し得る。この床要素は、特に複数の圧電性層を有してよい。１００Ｎ以上の操作力が可能である。こうして、３００μＪを超えるエネルギー量を得ることができる。
【００７９】
多層複合材料１８、特に上部電極はユーザーインターフェース２０に接続することができる。ユーザーインターフェースは、ユーザーにより作動することができる、換言すれば例えば所望の機能をもたらすためにそれに適用された圧力を有する表面であると理解される。
【００８０】
ユーザーインターフェース２０は、原則として任意の方法で設計することができる。例えばユーザーインターフェース２０は、第１セグメント２０．１および第２セグメント２０．１を有し得るが、これらは例えば視覚的に互いに異なっていてよい。第１セグメント２０．１は、第１作用のために供給され、および第２セグメント２０．２は、第２作用のために供給することができる。単に２を超えるセグメントあるいは単に１を超えるセグメントを供給することができると理解される。
【００８１】
回路配置２２は、多層複合材料１８に接続することができる。回路配置２２は、多層複合材料１８の電極に接続することができる。回路配置２２および多層複合材料１８は、枠組（図示せず）に統合するか、あるいはモジュール工法になり得る。モジュール工法は、例えば異なった要素の柔軟な組み合わせが異なった機能を達成することを可能とする。
【００８２】
回路配置２２は、電気機械変換器装置の作動の原因となる電気的信号に基づく作用をもたらすために設定することができる。例えば伝送要素２４を回路配置２２に供給することができる。多層複合材料１８からの電気的信号の受取により、この伝送要素２４は、情報のアイテムを発信することができる。無線信号を、特に送ることができる。代替として、あるいは追加で有線インターフェースを提供することができると理解される。
【００８３】
発信される情報は、一以上のレシーバー２８．１、２８．２により受け取ることができる。レシーバー２８．１、２８．２は、作動装置を含んでよく、あるいは受け取った情報によって、コンシューマー（図示せず）をコントロールするために作動装置に接続してよい。既に記載した通り、例えばヒーター等をコントロールすることができる。更に、例えば、受け取った情報、例えば固有識別子等は、オペレーターの位置を推測することを可能とすることができる。
【００８４】
例えば無線信号を生成するエネルギーを回路配置２２に供給する１つの可能性は、ユーザーインターフェース２０に作用する機械力を用いるときである。既に記載された通り、特に圧電性層６は環境発電に適している。上記の触覚センサーでは、電気エネルギーに変換される機械エネルギーは、無線信号を送るのに十分であり得る。特に、生成された電気エネルギーを集めて、コンデンサー、スーパーコンデンサーあるいはバッテリーによって一時的に例えばそれを貯蔵することは可能である。一旦十分なエネルギー量が作用を行なうために貯蔵されると、この作用を実行することができる。自律電気機械変換器装置１６を提供することができる。
【００８５】
回路配置２２は、任意にエネルギー貯蔵装置２６、例えばバッテリー等を含んでよい。エネルギー貯蔵装置２６は、特に機械力変化によって生成することができる電気エネルギーが回路配置２２の自律動作に十分でない場合に必要となることがある。これは、例えば１つの圧電性層６だけを含み得る平坦検出器での場合である。約１００ｐＪのエネルギーは、例えば利用可能空間を考慮して生成することができる。このエネルギーは、停止状態から作動状態へシフトするために、換言すれば起動するために用いることができる。その後、回路配置２２は、少なくとも１つの所要の機能を実行するためにエネルギー貯蔵装置２６によってエネルギーを供給することができる。その後、回路配置は、好ましくは停止状態へ自動的に変えることができる。
【００８６】
そのような電気機械変換器装置１６では、スタンバイ電流消費は、エネルギー貯蔵装置２６の自己放電に近い。起動エネルギーは、もっぱら機械力変化によって生成することができる。例えば２０年以上の寿命を達成することができる（例えばリチウムマンガンジオキシドバッテリーを用いて）。
【００８７】
エネルギー貯蔵装置は、回路配置によって行なわれる操作が機械力変化によって提供することができるより多くのエネルギーを要求する場合、さらに必要となることがある。ここで、回路配置は、更なる成分、例えばプロセッサ、貯蔵装置あるいはインターフェース等を含むことができると理解される。
【００８８】
回路配置２２は、厚みの変化をもたらすために作動装置応用のために電場を適用することができるような方法で少なくとも誘電性エラストマー層４の電極に更に接続することができる。例えば、触覚フィードバックを、電気機械変換器装置１６の作動装置機能によりユーザーへ与えることができる。したがって、２００〜２５０Ｈｚの周波数での交番磁界を生成することができる。少なくとも０．１μｍ、好ましくは１０μｍの電気機械変換器装置１６の厚みの変化は、例えばこの交番磁界によって生成することができる。人間の指は、ちょうどこれらのパラメータ値において特に敏感であることが認識された。
【００８９】
図５は、本発明による多層複合材料を生産する方法の第１の実施態様例を示す。
【００９０】
第１工程６０１では、圧電性層６、例えばフェロエレクトレットフィルム等を供給することができる。第２工程６０２では、導電性副層８は、例えば被覆することにより圧電性層６の少なくとも１つの面に適用することができる。その後、工程６０３では、供給される誘電体エラストマー層４は、例えば積層により、少なくとも１つの導電性層８へ適用することができる。圧電性層４を有する多層複合材料２．１および誘電性エラストマー層６は、簡単な方法で製造することができる。
【００９１】
処理工程の順序は、原則として任意であってよいことが理解される。特に、代替として、誘電性エラストマー層４は、第１工程において供給することができるが、その後、これに、導電性層８をまず供給することができる。その後、圧電性層６を続いて供給することができる。
【００９２】
図６は、本発明による多層複合材料を製造する方法の更なる実施態様例を示す。
【００９３】
第１工程７０１では、圧電性層６、例えばフェロエレクトレットフィルム等をまず供給することができる。
【００９４】
第２工程７０２では、圧電性層６は、好ましくは両面上で導電性層８および１４で覆うことができる。特に、圧電性層６は、両面上の全表面にわたり覆うことができる。完全な表面被覆に加えて、圧電性層も、部分的にのみ導電性層８あるいは１４でそれぞれ覆うことができる。構造化電極は、生産することができる。特に、このようにして、活性および受動領域を作成することができる。
【００９５】
この場合には、工程７０３では、誘電性エラストマー層４、特にエラストマーフィルムを、上部または下部の導電性層８および１４上へ積層することができる。
【００９６】
誘電性エラストマー層４を部分的に（のみ）積層することが好ましいことがある。これは、誘電性エラストマー層４および圧電性層６の異なった伸張値に起因して特に有利であり得る。
【００９７】
次の工程７０４では、誘電性エラストマー層４は、今度は、その上側において好ましくはセグメント化導電性層１２、例えば構造化電極等で印刷することができる。構造化電極は、特に受動および活性な領域を特徴とする。こうして、多層複合材料２の引き続きの操作において、接地ポイントから分離することができる。
【００９８】
この多層複合材料２は、更に鏡面反転配置において、同一の構成の多層複合材料２へ、特に積層により接続することができる。層１２は、例えば互いに接続することができる。
【００９９】
多層複合材料は、これらの多層複合材料２．１（工程７０７）の２つ以上を直列に連結することにより任意に製造することができる。例えば２つの多層複合材料２．１は、積重ね、固着あるいは積層することにより直列的に連結することができる。
【０１００】
更なる工程７０８では、製造された多層複合材料は、所定の寸法を有する所望の形状へもたらすことができる。例えば、個々の多層複合材料は打ち抜くことができる。
【０１０１】
次いで、更なる方法では、製造された多層複合材料を、回路配置に電気的に接続することができる。特に、回路配置は電極として設計された導電性層に接続することができる。
【０１０２】
ここでまた、本発明の他の変形によれば、工程の異なった順序が可能であること、およびこれは、特に多層複合材料の特定の実施態様に依存し得ることが理解される。例えば、２つの同一の層は、まず互いに接続し、その後でのみ適用した層の別の型へ接続することができる。
【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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【国際調査報告】
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2014515704.tif 000010
2014515704.tif 000011
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