(57)【要約】自己回復／自己クリア特性を示す順応的な／伸長可能な電気活性材料が開示される。標準的な動作条件下において自己回復特性を有する順応的な構造を製作する方法であって、該方法は、約１００ＭＰａ未満の弾性係数を有するエラストマーの材料を備える誘電体薄膜を提供することと、電極層を該誘電体薄膜の各面に適用することであって、該電極層は、機械的疲労に起因する破壊を伴うことなく０．１％を超える繰り返しのひずみに耐えることが可能な順応的な伝導性の材料を備える、こととを包含し、該構造内の欠陥は、該欠陥の開始の際に、数ミリ秒から数秒までのオーダーでの速度においてクリア可能である、方法。
2010514164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標準的な動作条件下において自己回復特性を有する順応的な構造を製作する方法であって、該方法は、
約１００ＭＰａ未満の弾性係数を有するエラストマーの材料を備える誘電体薄膜を提供することと、
電極層を該誘電体薄膜の各面に適用することであって、該電極層は、機械的疲労に起因する破壊を伴うことなく０．１％を超える繰り返しのひずみに耐えることが可能な順応的な伝導性の材料を備える、ことと
を包含し、
該構造内の欠陥は、該欠陥の開始の際に、数ミリ秒から数秒までのオーダーでの速度においてクリア可能である、
方法。
【請求項２】
前記エラストマーおよび伝導性の材料は、欠陥のクリア化イベントの間に、前記電極層が、前記誘電体薄膜が除去されるよりも速く絶縁になるかまたは除去されるように選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記伝導性の材料は、金属を備え、前記方法は、該金属を伸長可能にすることをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記伸長可能な金属にすることは、伝導性のナノクラスタを該金属上に堆積することを包含する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記伸長可能な金属にすることは、伝導性のナノフィラメントのマットを該金属上に提供することを包含する、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記伸長可能な金属にすることは、該金属の断面的な寸法において起伏を形成することを包含する、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記伸長可能な金属にすることは、該金属において微小クラックを形成することを包含する、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記電極層をカプセル化することをさらに包含する、請求項３に記載の方法。
【請求項９】
標準的な動作条件下において自己回復特性を有する容量性の構造であって、該構造は、
約１００ＭＰａ未満の弾性係数を有するエラストマーの材料を備える誘電体薄膜と、
該誘電体薄膜の各面上の電極層であって、該電極層は、機械的疲労に起因する破壊を伴うことなく０．１％を超える繰り返しのひずみに耐えることが可能な順応的な伝導性の材料を備える、電極層と
を備え、
該構造内の欠陥は、該欠陥の開始の際に、数ミリ秒から数秒までのオーダーでの速度においてクリア可能である、
容量性構造。
【請求項１０】
前記エラストマーの材料は、シリコーン、アクリルおよびポリウレタンのうちの１つを備える、請求項９に記載の容量性構造。
【請求項１１】
前記伝導性の材料は、ポリ３，４−エチレンジオキシチオフェン、ポリアニリン、カーボンナノチューブまたはそれらの組み合わせを備える、請求項９に記載の容量性構造。
【請求項１２】
前記伝導性の材料は、伸長可能な金属を備える、請求項９に記載の容量性構造。
【請求項１３】
前記伝導性の材料は、平らでない形状を備える、請求項９に記載の容量性構造。
【請求項１４】
前記平らでない形状は、前記金属内のナノクラスタ、微小フィラメント、波形のしわ、および微小クラックのうちの１つの供給を備える、請求項１３に記載の容量性構造。
【請求項１５】
前記電極層は、カプセル化される、請求項９に記載の容量性構造。
【請求項１６】
前記構造は、トランスデューサの一部分を形成する、請求項９に記載の容量性構造。
【請求項１７】
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１６に記載の容量性構造。
【請求項１８】
請求項９に記載の容量性構造と、
電流を供給するための電源回路であって、該供給される電流は、容量性構造内の欠陥のクリア化イベントの発生の際に、選択された最大の電流を超え、該最大の電流は、該容量性構造の前記電極層の温度を、前記伝導性の材料が除去または絶縁される温度まで上げることに対して十分であり、そして前記エラストマーの材料は、該温度による損傷が実質的にないままである、電源回路と
を備える、システム。
【請求項１９】
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の電流に制限するように適合された電流制限回路網をさらに備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記電流制限回路網は、電流制限抵抗器を備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記容量性構造内の欠陥を検出するように、そして該欠陥の遅いクリア化を可能にするために、前記供給される電流を調整するように構成された回路網をさらに備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２２】
請求項９に記載の容量性構造と、
電流を供給するための電源回路であって、該供給される電流は、一連の電流パルスを備え、該容量性構造内の欠陥のクリア化イベントの電気アークは、パルス間で消され、該欠陥への電力送達の正味速度は、十分に低く、前記エラストマーの材料は、該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、電源回路と
を備える、システム。
【請求項２３】
前記電源は、スポットノッキング回路を備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記電源の平均出力電力は、約０．２５Ｗ未満である、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
請求項９に記載の容量性構造を動作する方法であって、該方法は、
電流を該容量性構造に供給することと、
欠陥のクリア化イベントの発生の際に、選択された最大の電流において該電流を維持することであって、該最大の電流は、前記電極層の温度を、前記伝導性の材料が除去または絶縁される温度まで上げることに対して十分であり、そして前記エラストマーの材料は、該温度による損傷が実質的にないままである、ことと
を包含する、方法。
【請求項２６】
前記供給される電流を、前記選択された最大の電流に制限することをさらに包含する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
請求項９に記載の容量性構造を動作する方法であって、該方法は、
動作電流を該容量性構造に供給することと、
欠陥のクリア化イベントの発生の際に、該動作電流を該動作電流から一連の電流パルスに変更することであって、該容量性構造内の該欠陥のクリア化イベントの電気アークは、パルス間で消され、該欠陥のクリア化イベントに送達される電力の平均速度は、十分に低く、前記エラストマーの材料は、該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、ことと
を包含する、方法。
【請求項２８】
各電流パルスの持続期間は、約１０マイクロ秒未満であり、相互のパルス間隔は、約１０ミリ秒から約１秒までである、請求項２７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、自己回復またはクリア化特性を促進する、調整可能な伝導性および／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、順応的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】
（背景）
コンデンサは、電気的な電荷または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次いで、必要に応じて即座に放出され得る。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作用し得、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、非常に伝導性のある材料（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、特にスペース制約を有す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進行中の挑戦は、それらが経年変化する速度を遅くし、従って、コンデンサの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よって経験された経年変化のプロセスについてのより大きな理解によって、有意な改良が、それらの構造に加えられている。すなわち、アルミホイルの電極構造から離れて、アルミニウム、金または亜鉛で通常作られた非常に薄い金属薄膜（すなわち、２０ｎｍ〜１００ｎｍのオーダー）の堆積物によってポリマー薄膜の上に形成された電極構造へと進展している。例えば、参考として本明細書中に援用される、非特許文献１を見られたい。
【０００４】
金属被覆薄膜コンデンサは、「自己回復」能力（または「自己クリア化（ｓｅｌｆ−ｃｌｅａｒｉｎｇ）」と呼ばれる）、すなわち絶縁破壊イベント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、外来的な効果（例えば、材料の欠陥または有孔性）または内在的な効果（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、電気アークがコンデンサの金属被覆された電極の間で短絡を引き起こし、誘電体材料内の欠陥を通る電流の流入が存在する。この短絡イベントは、ナノ秒またはマイクロ秒の範囲の速度において非常に迅速に発生する。（コンデンサ内のそ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る）。自己回復能力がなければ、単一の絶縁破壊は、破局的破壊をもたらし、コンデンサ全体は、もはや電荷を保持または蓄積し得ない。多くの用途に対して、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、短絡において発生する局部的発熱は、回路を燃え上がらせ、誘電体材料に点火し得る。
【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に、それを通る電流が、短絡を取り囲む金属被覆された層の小さな領域を蒸発させ、それによって、電流の流れを中断し（図１の最後のフレームにおいて概略的に例示される）、コンデンサを、通常はキャパシタンスの小さな低減だけを伴う正常な機能に戻す。従って、自己回復プロセスは、キャパシタンスの感知できる損失が経験される前に、複数の孤立した破壊イベントがコンデンサ内で発生することを可能にする。これはよりよい回路安定性を与え、コンデンサおよびそれが利用される回路の有効寿命を延ばす。これらのタイプのコンデンサの典型的な最期は、破局的ではなくむしろ、開回路の状態をやがてもたらす、反復された「自己クリア化」イベントによる電極材料の漸進的な損失に起因し、ゆるやかである。
【０００６】
この自己クリア化プロセスは、金属被覆薄膜コンデンサにおいて非常に迅速に発生し、一般にナノ秒からマイクロ秒までのオーダーであり、その速度において、コンデンサ動作におけるどのような妨害もごくわずかである。そのような「速いクリア化」を発生させるために、電極材料は非常に伝導性がなければならない。高い伝導性は、欠陥における高電流密度を可能にし、次に電極が急速に熱くなることを引き起こす。発生する速いクリア化に対する別の要件は、電極材料が、蒸発および／または酸化するように十分に薄くされることができる必要があることである。アルミニウムおよび金などの金属は、このプロフィールに合致し、そのようなものとして、薄い薄膜誘電体を被覆するために一般的に用いられる。
【０００７】
自己回復特性の恩恵とは無関係に、反復されたクリア化イベントの累積的効果は、自己回復コンデンサにおけるキャパシタンスの漸進的な損失をもたらす。そのようなものとして、金属被覆コンデンサの寿命を延ばす代替または追加の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、複数の金属被覆されたセグメントを形成するために、金属薄膜内に金属非被覆のパターンを形成することを伴う。金属非被覆のパターンは、金属被覆されたセグメントを小さなヒューズによって連結する金属被覆されていないマージンを提供する。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連結するヒューズが、オープンし、そしてそのセグメントをコンデンサから除去し、それによって、コンデンサおよびコンデンサが用いられる回路の破局的破壊を防止する。
【０００８】
しかしながら、このアプローチに対する有意なマイナス面は、デバイスに組み込まれる高い程度の冗長性を必要とすることであり、それによって、信頼性問題の尤度を増大させる。さらに、電極のセグメント化は、関係する材料の損失と、電極をセグメント化するために必要な追加の工程段階とに起因する、コンデンサを製作するためのコストを有意に増大させ得る。
【０００９】
それでもなお、上記の欠点を最小化する、薄い金属電極の自己クリア化および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、相対的に堅いかまたは剛体の金属被覆された薄膜に限定されており、順応的または伸長可能な薄膜材料に適用されていない。容量性構造が約５％より大きい作動のひずみを受けるような、誘電体のエラストマーアクチュエータなどの用途において、扁平な金属被覆された薄膜は、一般にほんのわずかの作動サイクル内でクラックが生じる。例えばスパッタリングされた金属被覆の場合において、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、商用用途では、それによって電気的連続性を中断するクラックを伝播させて接続する規則的過程であるひずみサイクルを、一般的に数百万回は必要とする。
【００１０】
そのようなものとして、「電気活性ポリマー」（ＥＡＰ）とも呼ばれる誘電体の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、薄いエラストマーの誘電体ポリマーによって分離された、弾性的な特性を有する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、逆に充電された電極は、互いを引き付け、それによって電極の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ので、誘電体のポリマー薄膜は、平面の方向に拡張する（ｘ軸およびｙ軸成分が拡張する）ときに、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をわたって分散された同様な（同じ）電荷は、その電極内に埋め込まれた伝導性のある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対して、多くの設計の考慮が、先進の電気活性ポリマー技術ベースのトランスデューサの選択および使用を援助する。これらの考慮は、電気力、電力密度、電力変換／消費、サイズ、重量、コスト、応答時間、デューティサイクル、サービス要件、環境影響などを含む。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、そのようなものとして、圧電性物質、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の理想的な置き換えを提供する。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において記載される。これらの特許文献の全体は、参考として本明細書中に援用される。
【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】
順応的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。主題発明の本発明者らは、商用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伝導性を示す任意の従来技術の電気活性ポリマーアクチュエータを知らない。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順応的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作し、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、フォールトトレラントな特性、すなわち自己回復／自己クリア化特性を示す、新規の電気活性材料およびそれから構成されたデバイスを含んでおり、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、主題の材料および／またはデバイスを組み込むシステム、および主題の材料およびデバイスを製作する方法を提供する。
【００１６】
主題の材料は、一般に順応的および／または伸長可能な電気活性薄膜の形態である。一変形において、薄膜は、順応的な誘電体の層が一対の順応的な電極の層にはさまれる、順応的な容量性構造を形成するために用いられる。別の変形において、電極の層は、クリア特性を提供する方法において、それらの電極が伸ばされるかまたは延ばされることを可能にする物理的な構造体または形状を有している。
【００１７】
電極および誘電体材料は、そのような順応的／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、フォールトトレランス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、エラストマーのポリマーを備え、該エラストマーのポリマーは、効果的および効率的に欠陥を分離し、それによって有効な絶縁耐力を増大させることを可能にする特性を有する。より大きな絶縁耐力によって、より高い電界が利用され得、次に、その電界が改善されたデバイス（すなわち、トランスデューサ）動作を可能にする。
【００１８】
主題のデバイスは、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され得る。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形成し得、そこでは、システムが電源をさらに含み得る。該電源は、トランスデューサによる最大の性能を可能にするために、最適の電流を提供するように選択され得る。さらにまたは代替案として、システムは、主題の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得る。
【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、以下でさらに完全に記載され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、示される図から本発明の変形が企図される添付の概略の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（実際的に）用いられる。以下の図が図面に含まれる。
【図１】図１は、金属被覆された誘電体薄膜によって経験される自己回復／自己クリア化プロセスの概略的な表現である。
【図２Ａ】図２Ａおよび図２Ｂは、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】図２Ａおよび図２Ｂは、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】図３は、本発明の順応的な容量性構造の表面抵抗率プロフィールのグラフである。
【図４】図４は、シリコーン誘電体上の単一壁の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において発生したクリア化の顕微鏡画像である。
【図５】図５は、構造によって経験された欠陥を介して測定された電流による、本発明の順応的な容量性構造のクリア化プロフィールのグラフである。
【図６】図６は、様々な温度条件下で動作したときの、本発明の順応的な容量性構造の実用的な寿命のグラフの例示である。
【図７】図７は、波形の金属電極を備える、本発明の容量性構造のクリア化の顕微鏡画像である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の容量性構造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】図８Ｂは、本発明の容量性構造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、順応的な電気活性な容量性構造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という形態における容量性構造を例示する。薄いエラストマーの誘電体薄膜または層１２は、順応的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追加の剛性が、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い。これらの順応的な容量性構造との使用に適切な電極は、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ることが可能な電極である。
【００２３】
図２Ｂに示されるように、電圧が電極を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、これらの静電気引力は、誘電体薄膜１２を（Ｚ軸に沿って）圧縮する。さらに、各電極における同じ電荷間の反発力は、（Ｘ軸およびＹ軸に沿った）平面において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する。誘電体薄膜１２は、それによる電界の変化によって偏向させられる。電極１４、１６が順応的なので、電極は誘電体層１２とともに形状を変える。一般的には、偏向は、任意の変位、拡張、収縮、ねじり、線または面の変形、または誘電体薄膜１２の一部分の任意の他の変形を指す。容量性構造１０が利用される、例えばフレーム（「トランスデューサ」と集合的に呼ばれる）のようなアーキテクチャに適合した形状に依存して、この偏向は、機械的仕事量を作り出すために用いられ得る。様々な異なるトランスデューサアーキテクチャが、上記で識別された特許文献において開示され、記載される。
【００２４】
印加電圧によって、トランスデューサ薄膜１０は、機械的力が偏向を駆動する静電気力とつり合うまで偏向し続ける。機械的力は、誘電体層１２の弾性的な復元力と、電極１４、１６の順応性または伸長性と、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提供される任意の外部の抵抗とを含む。印加電圧の結果としてトランスデューサ１０にもたらされる偏向はまた、エラストマー材料の誘電率およびそのサイズ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の除去は、逆の効果を引き起こす。
【００２５】
場合によっては、電極１４および１６は、誘電体薄膜１２の全領域と比較して薄膜の限定された部分を被覆し得る。このことは、誘電体のエッジのまわりの電気的絶縁破壊を防止するか、またはそれの特定の部分においてカスタマイズされた偏向を達成するために行われ得る。活性領域の外側の誘電体材料（活性領域は、その部分の偏向を可能にするための十分な静電気力を有する誘電体材料の一部分である）は、偏向の間、活性領域上の外部のバネ力として作動させられ得る。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偏向に抵抗し得る。
【００２６】
誘電体薄膜１２は、事前ひずみを付与され得る。事前ひずみは、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、事前ひずみは、誘電体薄膜１２がさらに偏向し、そしてより大きな機械的仕事量を提供することを可能にする。薄膜の事前ひずみは、事前ひずみ付与前のある方向における寸法に対する事前ひずみ付与後のその方向における寸法の変化として説明され得る。事前ひずみは、誘電体薄膜の弾性変形を備え、例えば、張力において薄膜を伸ばし、伸ばしたままエッジの１つ以上を固定することによって形成され得る。事前ひずみは、剛体のフレームを用いて、薄膜の境界において与えられ得るか、または薄膜の一部分だけに対して実施され得る。
【００２７】
図２Ａおよび図２Ｂのトランスデューサ構造と、他の同様な順応的な構造と、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完全に記載される。
【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た電界の強さの二乗によって増大する。最大性能を達成するために、可能な限り高い電界が与えられるべきである。しかしながら、誘電体によって達成可能な電界上の上限は、材料の絶縁耐力によって設定される。絶縁耐力は、材料の自然の特性（いわゆる「内在的耐力」）と、材料内の不完全度または汚染物質（一般的に「欠陥」と呼ばれる）の導入などの材料の調整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、初めに存在し得るか、または潜在し、誘電体が反復使用によって応力を加えられるときに、時間とともに発現し得る。これらの欠陥を分離するために何も行われない場合には、本明細書中の背景セクションにおいて論じられたように、破局的破壊は不可避である。自己回復能力がなければ、順応的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ことは、最適よりもかなり低い電界の使用を必要とする。
【００２９】
本発明者らによる高性能な順応的または伸長可能な容量性構造の開発は、互いを相殺することが既知であ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ある程度達成されている。例えば、主題の電極に関して、２つの望ましいけれども相殺する特性は、高い伝導性と低い機械的剛性（すなわち、低い弾性係数を有する）とである。導体の厚さがより大きいほど、電流を伝導するその能力がよりよいことはよく理解されている。しかしながら、導体がより厚いほど、それはより柔軟ではない。そのようなものとして、これらの特性は、電極の厚さにおける上限および下限の組を集合的に規定する。
【００３０】
ＥＡＰ用途に対して必要であり、そして望ましい特性（高い伝導性、低い弾性係数）を示すことに加えて、容量性構造は、例えば、延長された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要件の内に保持しながら、望ましい自己回復特性を有するそのような順応的または伸長可能な容量性構造を提供する。
【００３１】
上記されたように、自己回復する容量性構造の主要な局面は、「クリアする」ための順応的または伸長可能な電極の能力である。しかしながら、この能力ならびに電気活性ポリマーのコンテキストにおける電極の厚さおよび構成とのその関係は、当業者によって以前によく理解されていない。
【００３２】
高度に「クリア可能」である順応的または伸長可能な電極材料を備えることに加えて、本発明の容量性構造の別の特徴は、加熱の際に最小の「トラッキング」を示す誘電体材料の供給である。トラッキングは、誘電体材料内の欠陥部位における高い電界の結果として、誘電体が位置決めされた箇所の間の電極をわたって「アーク（ａｒｃｉｎｇ）」（プラズマの作成）が発生するときに、誘電体の表面の上に堆積するスス状の伝導性の燃焼副産物、例えば、炭素の堆積物である。トラッキングは、故障イベントの間に伝導性のススが電極の間の短絡を永続させるので、望ましくない。従って、電極材料が十分なクリア能力を有する場合でさえも、あまりにも多く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され得ることを見出した。クリア化プロセスの間に伝導性を失う（すなわち、絶縁になる）電極材料は、これらの条件下では燃焼するのではなく、炭素微粒子の産生を最小化する。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、高められた温度において加速された酸化を受け、そして伝導性を失う。単一壁の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、微粒子の産生に対して利用可能な炭素の余裕量を制限するために、電極材料の本来的に低い体積に頼る。誘電体材料はまた、一部のポリマー誘電体が炭素微粒子の産生を制限することが知られており、トラッキングを制限する役割を果たす。この基準を満たすエラストマー誘電体の３つの例示的なクラスは、シリコーン、アクリル、およびポリウレタンを含むが、これらに限定はされない。
【００３４】
本発明者らによって遂行された一実験において、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が用いられた。適切な電圧が、容量性薄膜を活性化するために作用するように印加され、薄膜は、クリア化イベントを開始するために意図的に損傷されている。クリアされた領域の表面抵抗率は次いで、成功したクリア化（すなわち、誘電体材料における過度のトラッキングを伴うことなく、電極材料の十分な除去）を検証するために測定された。図３のグラフが示すように、欠陥の中心から約３ｍｍ内において、電極の表面抵抗率は、効果的に絶縁状態（すなわち、１ｘ１０６オーム／スクエアを超える）になり、それによって、構造の残りから欠陥を効果的に分離する。
【００３５】
主題の容量性構造の一変形における自己回復能力の別の特徴は、電極材料がクリアされる（すなわち、非伝導性にされる）ことと、誘電体材料が除去されること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、エッチバックされるかまたは誘電体材料よりも速く絶縁されるときに、クリア化がより良好にもたらされることを見出した。単一壁のカーボンナノチューブと、伝導性ポリマーのポリアニリンと、ＰＥＤＯＴとは、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クリアされる。シリコーン誘電体上のＳＷＣＮＴ電極に対するこの現象の実験的な検証は、図４の顕微鏡画像において示される。画像は、相対的に小さく除去された誘電体の領域１８が、かなり大きく除去された電極の領域２０によって取り囲まれていることを明瞭に示し、それは、電極材料が、誘電体材料よりも迅速にエッチバックされたことを示し、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クリア化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クリア化の全体の速度を制御することが、クリア化プロセスの成功に影響し得ることを見出した。特に、「遅いクリア化」アプローチ（金属被覆薄膜が受ける相対的に「速い」クリア化と比べて）、すなわち数ミリ秒から数秒のオーダーにおける速度で発生するクリア化は、欠陥部位における電極材料の温度を、電極の加速された酸化を可能にするけれども、電極の接着剤または誘電体材料の燃焼をもたらすよりも低いレベルに維持する。誘電体材料の燃焼を防止することは、トラッキングを低減し、その利益は上記されてきた。
【００３７】
図５のグラフに例示されるこの遅いクリア化プロセスは、本発明の順応的な容量性構造、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のクリア化プロフィールを（時間にわたる欠陥部位の電流によって）図表で示す。ここで、クリア化は、短絡イベントの開始の約２秒後まで完了せず、すなわち、欠陥を通る電流は、それが開始された約２秒後まで完全に中断されておらず、速度は、金属電極で作られた容量性構造のクリア化速度よりも少なくとも約１００倍のオーダーで遅い。
【００３８】
欠陥クリア化の速度は、欠陥を通過する電流の量を制限することによって制御され得る。このことは、容量性構造に電力を供給するために用いられる電源によって放たれた電流の量を制限することによって遂行され得る。従って、本発明のシステムは、主題の容量性構造（例えば、トランスデューサ）を最適に動作するために十分（一般に、ＥＰＡＭ用途に対して約０．５ｍＡ）であるけれども、容量性構造内の欠陥の発生の際に、「遅い」クリア化が発生することを可能にするために受容可能な最大の電流よりも大きくない電流を供給する電源を備える。別の変形において、本発明のシステムは、遅いクリア化速度を可能にし得ない過大電流状況を防止するために、追加の回路網（例えば、電流制限抵抗器）をまださらに備える高電流出力が可能であり得る電源を備える。あるいは、システムまたは電源は、容量性の構造／デバイス内の欠陥状態を検出し、欠陥の遅いクリア化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網を備え得る。
【００３９】
容量性構造への電流がどのように制限されるかにかかわらず、そのような電流は、電極材料が遅いクリア化速度において絶縁されるけれども、熱による誘電体材料の損傷が実質的にないままである最適のレベルまたは範囲まで電極温度を上げるように動作範囲内に維持される。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実用的な有効寿命によって例示する。ここで、標的温度は、電極材料が所望の速度においてクリアすることが可能であり、誘電体材料が実質的に損傷のないままである約３００℃から約４３０℃の範囲にある。この範囲より低いと、温度は、適時の方法においてクリア化をもたらすために十分ではない。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、破局的破壊をもたらし得る。
【００４０】
本発明の別の変形は、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、活性化の間に電極を伸ばすかまたは延ばすことを可能にする物理的形態または微細形状を有する電極層のうちの１つ以上を有する容量性の薄膜構造を含む。電極材料の平らな表面に沿って微細スケールの形状、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。そのような微細スケール、平らでない（フラットまたは平滑ではない）形状は、互いとの電気的接触における伝導性の粒子などの多孔性のアセンブリによって提供される突起またはテクスチュアリングを備え得る。例えば、金属のナノクラスタは、金属塩低減プロセスか、または静電気的な自己集合によって電極表面上に堆積され得る。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伝導性のより線の無秩序なマットが用いられ得る。あるいは、波形の電極の場合のように、微細形状は、電極層の断面寸法における起伏を備え得る。平らでない形状はまた、複数の微小クラック（どれも電極の伝導性経路を完全には横断しない）を電極層内に提供することによって作り出され得る。そのような微小クラックは、金属材料において、約５％を超える引張ひずみを付与することによって引き起こされ得、０．５％を超える引張ひずみの複数のサイクルにさらされるときに、クラックが望ましくないように伝播し得ることが理解されている。
【００４１】
金属電極材料のすべてのそのような伸長可能な形態は、十分に薄く、すなわち約２００ｎｍ未満であり、そして欠陥の近くにおいて高電流密度を達成するために十分に伝導性であることにより、非伝導性の形状へと物理的に除去されるかまたは化学的に反応するために、欠陥領域が十分に加熱される。誘電体エラストマーのアクチュエータにおける使用に対して伸長可能で、クリア化可能な電極に適切な金属材料は、有機または金属性であり得る。そのような金属材料は、銀、金、プラチナ、アルミニウム、ニッケル、銅などを含むが、それらに限定はされない。図７は、波形のスパッタリングを行われた銀電極を備える、本発明の容量性構造のクリア化２２の実験的な検証を例示する。
【００４２】
選択的に、絶縁カプセル用材料が、欠陥が発生するときに、電極を大気から分離し、そしてそれゆえに電極を欠陥の付近から分離するために伸長可能な電極層上に提供され得る。カプセル用材料が、周囲の空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維持するために必要とされる火花ギャップのサイズが低減される。従って、クリア化の半径が最小化され、トランスデューサ性能における損失は、各クリア化イベントとともに最小化される。電極材料の大気曝露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密封することによって、表面トラッキングおよび大気のオゾンによって伝導される欠陥を通る漏れ電流は最小化される。主題の電極との使用に対して適切なカプセル用材料は、シリコーン（ＰＤＭＳ）およびフェニル基で置換されたシリコーンゲルを含む。フェニル基で置換されたゲルは、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、従ってより小さなクリア化とによって、より完全な燃焼をもたらす傾向があるという点において有利である。他の適切なカプセル用の材料は、シリコーングリース、ポリウレタン、ＰＤＭＳオイル、および鉱油を含むが、それらに限定はされない。欠陥の環境から大気を除外する別のアプローチは、硫黄六フッ化物ガスの気密容器に容量性構造を封入することを伴う。
【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されたエラストマーの誘電体材料のすべては、主題の容量性構造を提供することにおいて、伸長可能な金属電極との使用に対して適切である。その耐熱性に起因して、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対して適切なエラストマーの誘電体材料である。
【００４４】
誘電体のエラストマーアクチュエータが、欠陥をクリアするために蓄積された十分なエネルギーを有しない例が存在し得る。例えば、トランスデューサが充電する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は最小であり得る。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、欠陥をクリアするに足るエネルギー（すなわち、単一パルスにおいて火花ギャップを作り出すための十分なエネルギー）を蓄積することに対して十分でないことがあり得る。そのようなものとして、複数の放電が、従って、クリア化を行うために必要とされる。
【００４５】
本発明者らは、電極を効果的にクリアするために、主題の容量性構造を利用するトランスデューサへのエネルギーまたは電流入力の平均速度が、誘電体材料の大部分が破壊的な温度に上がらないように、十分に低くなければならないことを見出した。そのようなものとして、本発明の別のシステムは、一連の瞬間のエネルギーのバースト（すなわち、各バーストが、例えば約０．１ｍＪから約１０ｍＪのエネルギーを蓄積するコンデンサの放電によって供給され得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利用する。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の伝達は無視でき、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。主題の電力回路網は、相互の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）し、それにより、欠陥の付近に伝達される平均の電力は、隣接する誘電体材料の大きな体積を過熱させない。平均の電力を約０．２５Ｗ未満に制限することは、誘電体材料を保護することに対して十分である。そのような電源回路の例は、おおよそ１０ミリ秒ごとに１ｍＪのパルスを供給し、従って、約０．１Ｗの平均出力電力を有するものである。
【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度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。それらの回路が、例えば、米国特許第４，３２６，７６２号明細書において開示されるので見られたい。回路３０は、電流パルス間における欠陥のアーク発生を消し、欠陥の付近における熱エネルギー入力の速度を制限する電流制限器３２を含む。コンデンサ３４は、火花ギャップ３８として概略的に示された欠陥に対して、各パルスによって伝達されるエネルギーを増大させ、そしてパルス間隔を延ばすために用いられ得る。場合によっては、このコンデンサは必要でないことがあり得る。なぜならば、トランスデューサ３６自体が、固有のキャパシタンスを提供するからである。金属電極のクリア化に対する電流応答が、例えば、４つのパルスにおいて火花ギャップ３８の隣に概略的に示される。欠陥の近くの電極の一部分が後ろに除去されるので、電荷が飛び越さなければならない絶縁ギャップは、長さが増大する。対応して、より高い電圧に、次のノックの前に達する。コンデンサ充電の速度が、例えば抵抗器３２によって制限されるので、ノックの間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作業用電圧をサポートすることに対して十分になるまで増大し続け、そのポイントにおいて、ノッキングが止まる。そのようなものとして、効果的なスポットノッキング回路は、電極の一部分を除去するか、または絶縁を電極に与えることに対して十分な電流パルスを印加し、またパルス間の電気アークを消すための対策を有する。
【００４７】
主題の順応的または伸長可能な電極のクリア化に対して適切な電源の別の実施形態が図８Ｂに例示される。電源回路５０は、高電圧の作業用電源５２と、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る補助的な「スポットノッキング」電源５４とを含む。例示的な欠陥検出器６０は、ダイオード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、漏れ電流の積分器回路を含む。欠陥と関連づけられた過大電流が感知されるときに（１）、欠陥検出器は、単安定バイブレータまたは「ワンショットバイブレータ」などの回路要素をトリガし（２）、それは次に、一時的に作業用電源５２をディセーブルにし（４）、スポットノッキング電源５４をイネーブルにする信号を提供する（３）。システムは、約０．１秒〜約１０秒の間、この「欠陥ノッキング」モード内にある。一旦スポットノッキング回路がイネーブルにされると、その回路は、上記されたように、欠陥をクリアすることに対して適切な一連の電流パルスを提供する（５）。これらの２つの回路要素の複合動作（６）は、入力６０から作業用電源５２への電流信号を追跡し、次いで欠陥が発生した後に、欠陥をクリアする一連のパルスを提供する。クリア化イベントの際に、作業用電源５２への入力が再開する。
【００４８】
主題の発明によって提供されるフォールトトレランスにおける改善によって、順応的な容量性デバイスの有効な絶縁耐力が増大され、それによって容量性構造およびデバイスの性能を改善する。改善された絶縁耐力によって、より薄い薄膜が、例えば、順応的なトランスデューサを構築するために用いられ得、より薄い薄膜は次に、所望の力およびストローク出力を達成することが要求され得る誘電体薄膜の事前ひずみの量を低減する。さらに、このことは、より低い絶対電圧が所望の作動フィールド（ａｃｔｕａｔｉｏｎ  ｆｉｅｌｄ）を達成することを可能にする。
【００４９】
本発明は、本発明の各変形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、記載された発明の変形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。そのようなものとして、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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【国際調査報告】
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