(57)【要約】  部分放電およびコロナを生じさせる高い電場勾配を最小化するように配置された誘電エラストマーまたは電気活性ポリマーフィルム変換器。
2012503341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約１００ＭＰａより少ない弾性率を有する誘電エラストマー材料、
該誘電エラストマー材料の少なくとも片側上に電極材料、および
該誘電エラストマー材料または電極材料の少なくとも１つの少なくとも一部と接触する部分放電抑制剤
を含み、該部分放電抑制剤は、空気の誘電率を越える誘電率および該誘電エラストマーの弾性率以下の弾性率を有する、変換器フィルム。
【請求項２】
部分放電抑制剤は、電極材料とのみ接触する、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項３】
部分放電抑制剤は、電極材料の外側部分と接触する、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項４】
部分放電抑制剤は、電極材料の内側部分と接触する、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項５】
部分放電抑制剤は、誘電エラストマー材料のみと接触する、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項６】
部分放電抑制剤は、誘電エラストマー材料の外側部分と接触する、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項７】
部分放電抑制剤は、誘電エラストマー材料の内側部分と接触する、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項８】
部分放電抑制剤は、誘電エラストマー材料および電極材料の間にある、請求項７に記載の変換器フィルム。
【請求項９】
部分放電抑制剤は、誘電エラストマー材料の少なくとも一部および電極材料の少なくとも一部と接触する、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項１０】
電極材料は、誘電エラストマー材料の両側上にあり、部分放電抑制剤の接触の範囲は、誘電エラストマー材料の両側上で実質的に同一である、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項１１】
電極材料は、誘電エラストマー材料の両側上にあり、部分放電抑制剤の接触の範囲は、誘電エラストマー材料の各側上で異なっている、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項１２】
部分放電抑制剤は、１以上の低弾性固体、粘弾性ゲルおよび誘電性液体を含む、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項１３】
部分放電抑制剤は、誘電率の上昇、抑制剤の抵抗率の低下、水蒸気の除去および酸素の除去の１以上を行う粒子を含む、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項１４】
部分放電抑制剤は、約５％を越える最小線形歪みを有する、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項１５】
部分放電抑制剤の弾性率は約１ＭＰａより小さい、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項１６】
部分放電抑制剤の抵抗率は、約１Ｅ５〜約１Ｅ１４Ω・ｍの範囲である、請求項１に記載の変換器フィルム。
【請求項１７】
請求項１に記載の変換器フィルムを含む変換器デバイス。
【請求項１８】
請求項１に記載の変換器フィルムの製造方法であって、
誘電エラストマー材料を供給する工程、
１以上の電極を形成し、次いで誘電エラストマー材料上に形成する工程、および
誘電エラストマー材料または電極材料の少なくとも１つの少なくとも一部を覆う部分放電抑制剤の層を形成する工程
を含む、方法。
【請求項１９】
部分放電抑制剤の層を、１以上の電極を形成する前に形成する、請求項１８に記載の変換器フィルム。
【請求項２０】
部分放電抑制剤を、型抜き染め、噴霧、浸漬被覆、スクリーン印刷、パッド印刷、フレキソ印刷、ナイフオーバーコートおよびメーターロッド被覆の１つにより形成する、請求項１８に記載の変換器フィルム。
【請求項２１】
前記方法の少なくとも幾つかの工程を、ウェブベース製造技術により行う、請求項１８に記載の変換器フィルム。
【請求項２２】
請求項１８に記載の変換器フィルムを包装する方法であって、該変換器フィルムを封止して不活性雰囲気を供給する工程を含む、方法。
【請求項２３】
請求項１８に記載の変換器フィルムを包装する方法であって、該変換器フィルムを、化学反応性固体を組み込むことにより変性させた空気内で封止する工程を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電性エラストマーまたは電気活性ポリマーフィルム変換器および部分放電およびコロナを生じさせる電場勾配を最小化することによりその性能を最適化することに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日用いられる非常に様々なデバイスは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する何らかの作動装置に依存する。反対に、多くの発電用途は、機械動作を電気エネルギーに変換することにより作用する。このように機械エネルギーを収穫するために用いられる作動装置の同一種類を、発電機と称し得る。同様に、該構造物を、物理的刺激、例えば振動または圧力などを測定目的のための電気信号に変換するために用いる際、該構造物は、センサーと称し得る。用語「変換器」は一般に、任意のデバイスについて用い得る。
【０００３】
多くの設計検討は、変換器の製造のために、「電気活性ポリマー（ＥＡＰ）」とも称される進歩した誘電エラストマー材料の選択および使用に恩恵を与える。該検討には、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、負荷サイクル、サービス要件、環境影響等が含まれる。同様に、多くの用途では、ＥＡＰ技術は、圧電物質、形状記憶合金（ＳＭＡ）および電磁気デバイス、例えばモーターおよびソレノイド等について望ましい置き換えを提供する。
【０００４】
ＥＡＰ変換器は、弾性特性を有し、および薄い弾性誘電材料により分けられる２つの薄いフィルム電極を含む。電圧差を電極に適用すると、逆帯電した電極は、その間でポリマー誘電層を圧縮しながら互いに引き付け合う。電極は、互いにより近くに引っ張られ、誘電ポリマーフィルムは、平面方向に広がり（ｘ軸およびｙ軸成分に広がる）、より薄くなる（ｚ軸成分が縮小する）。
【０００５】
ＥＡＰデバイスの例およびその用途は、米国特許第７，３９４，２８２号、同７，３７８，７８３号、同７，３６８，８６２号、同７，３６２，０３２号、同７，３２０，４５７号、同７，２５９，５０３号、同７，２３３，０９７号、同７，２２４，１０６号、同７，２１１，９３７号、同７，１９９，５０１号、同７，１６６，９５３号、同７，０６４，４７２号、同７，０６２，０５５号、同７，０５２，５９４号、同７，０４９，７３２号、同７，０３４，４３２号、同６，９４０，２２１号、同６，９１１，７６４号、同６，８９１，３１７号、同６，８８２，０８６号、同６，８７６，１３５号、同６，８１２，６２４号、同６，８０９，４６２号、同６，８０６，６２１号、同６，７８１，２８４号、同６，７６８，２４６号、同６，７０７，２３６号、同６，６６４，７１８号、同６，６２８，０４０号、同６，５８６，８５９号、同６，５８３，５３３号、同６，５４５，３８４号、同６，５４３，１１０号、同６，３７６，９７１号および同６，３４３，１２９号および米国特許出願公開第２００８／０１５７６３１号、同２００８／０１１６７６４号、同２００８／００２２５１７号、同２００７／０２３０２２２号、同２００７／０２００４６８号、同２００７／０２００４６７号、同２００７／０２００４６６号、同２００７／０２００４５７号、同２００７／０２００４５４号、同２００７／０２００４５３号、同２００７／０１７０８２２号、同２００６／０２３８０７９号、同２００６／０２０８６１０号、同２００６／０２０８６０９号および同２００５／０１５７８９３号に記載されている（これらをそのまま参照によってここに組み込む）。
【０００６】
多くのＥＡＰ変換器は、例えば約０．５ｋＶ〜約５０ｋＶの範囲での高電圧で操作する。任意の高電圧デバイスと同様に、ＥＡＰ変換器は、部分放電に影響を受けやすい。エネルギーは、高い電位の領域からより低い電位の領域へ、例えば高い電圧電極から接地電極へ移動する。部分放電は、少量の電荷（ピコクーロン）が電極間の全空間を繋げない場合に発生する。電位における急勾配の領域は、部分放電に有利に働く。これらには、電極端部、電極から伸びる突起、電極への内部クラックおよび誘電材料内のガス充填微小空洞が含まれる。通常、電極の曲率半径が小さいと、部分放電を開始させ、維持するのに必要な電圧は低くなる。言い換えれば、電極表面が滑らかであると、部分放電は少なく生じる。
【０００７】
空気による部分放電は特に、誘電エラストマー変換器へ悪影響を及ぼす。該放電は、電極から、仮想接地として働く空気へ、「コロナ放電」と一般に称される現象であり得る。あるいは、電荷は、空気を通過し得、電極から誘電表面の隣接領域へ飛躍する。いずれの場合にも、空気による電荷の移動は、エネルギー的であり、蛍光、イオン化ガスおよび約数千セルシウス度のアーク内で温度を生じさせる。イオン化ガスは反応して、高湿度の条件下でオゾンおよび酸化窒素のような腐食性材料を生じさせる。これらの反応種は、電気アーク内の高い温度との組み合わせにより、電極および誘電材料を浸食し、変換器の寿命を短くする。
【０００８】
本発明の発明者によれば、部分放電およびコロナを防止または低減するために設計された先行技術による誘電エラストマー／電気活性ポリマー変換器は知られていない。従って、こうした特徴を有するＥＡＰ変換器の製造および提供は、非常に有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，３９４，２８２号明細書
【特許文献２】米国特許第７，３７８，７８３号明細書
【特許文献３】米国特許第７，３６８，８６２号明細書
【特許文献４】米国特許第７，３６２，０３２号明細書
【特許文献５】米国特許第７，３２０，４５７号明細書
【特許文献６】米国特許第７，２５９，５０３号明細書
【特許文献７】米国特許第７，２３３，０９７号明細書
【特許文献８】米国特許第７，２２４，１０６号明細書
【特許文献９】米国特許第７，２１１，９３７号明細書
【特許文献１０】米国特許第７，１９９，５０１号明細書
【特許文献１１】米国特許第７，１６６，９５３号明細書
【特許文献１２】米国特許第７，０６４，４７２号明細書
【特許文献１３】米国特許第７，０６２，０５５号明細書
【特許文献１４】米国特許第７，０５２，５９４号明細書
【特許文献１５】米国特許第７，０４９，７３２号明細書
【特許文献１６】米国特許第７，０３４，４３２号明細書
【特許文献１７】米国特許第６，９４０，２２１号明細書
【特許文献１８】米国特許第６，９１１，７６４号明細書
【特許文献１９】米国特許第６，８９１，３１７号明細書
【特許文献２０】米国特許第６，８８２，０８６号明細書
【特許文献２１】米国特許第６，８７６，１３５号明細書
【特許文献２２】米国特許第６，８１２，６２４号明細書
【特許文献２３】米国特許第６，８０９，４６２号明細書
【特許文献２４】米国特許第６，８０６，６２１号明細書
【特許文献２５】米国特許第６，７８１，２８４号明細書
【特許文献２６】米国特許第６，７６８，２４６号明細書
【特許文献２７】米国特許第６，７０７，２３６号明細書
【特許文献２８】米国特許第６，６６４，７１８号明細書
【特許文献２９】米国特許第６，６２８，０４０号明細書
【特許文献３０】米国特許第６，５８６，８５９号明細書
【特許文献３１】米国特許第６，５８３，５３３号明細書
【特許文献３２】米国特許第６，５４５，３８４号明細書
【特許文献３３】米国特許第６，５４３，１１０号明細書
【特許文献３４】米国特許第６，３７６，９７１号明細書
【特許文献３５】米国特許第６，３４３，１２９号明細書
【特許文献３６】米国特許出願公開第２００８／０１５７６３１号明細書
【特許文献３７】米国特許出願公開第２００８／０１１６７６４号明細書
【特許文献３８】米国特許出願公開第２００８／００２２５１７号明細書
【特許文献３９】米国特許出願公開第２００７／０２３０２２２号明細書
【特許文献４０】米国特許出願公開第２００７／０２００４６８号明細書
【特許文献４１】米国特許出願公開第２００７／０２００４６７号明細書
【特許文献４２】米国特許出願公開第２００７／０２００４６６号明細書
【特許文献４３】米国特許出願公開第２００７／０２００４５７号明細書
【特許文献４４】米国特許出願公開第２００７／０２００４５４号明細書
【特許文献４５】米国特許出願公開第２００７／０２００４５３号明細書
【特許文献４６】米国特許出願公開第２００７／０１７０８２２号明細書
【特許文献４７】米国特許出願公開第２００６／０２３８０７９号明細書
【特許文献４８】米国特許出願公開第２００６／０２０８６１０号明細書
【特許文献４９】米国特許出願公開第２００６／０２０８６０９号明細書
【特許文献５０】米国特許出願公開第２００５／０１５７８９３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ＥＡＰフィルム、変換器フィルムおよび部分放電を抑制または最小化するために配置または設計された変換器、およびこのような変換器の製造方法を提供する。これらのフィルムは、空気を除去してコロナ効果を最小化し、および／または電気応力勾配の高い濃度を低減し、それにより、部分放電による誘電性の低下を最小化するために、フィルムの少なくとも１部を部分放電抑制剤で被覆またはカプセル化することにより部分的に製造される。
【００１１】
通常、カプセル材料または被覆物とほとんど同じ意味で用いられる部分放電抑制剤または部分放電抑制性材料は、急な電気勾配を有するフィルムの領域に設置され、それにより電場を分散し、フィルムの１以上の位置または領域で電気応力を最小化する。
【００１２】
本発明のフィルムは、作動装置、発電機、センサーなどまたはその成分における用途のための変換器として用い得る。
【００１３】
本発明のこれらおよび他の特徴、目的および優位性は、以下、より完全に説明される本発明の詳細から当業者に明らかとなる。
【００１４】
本発明は、図に示される変形から本発明の変形を考慮する場合、以下の詳細な説明と添付の概略図との組み合わせから最も理解される。本発明の理解を助けるのに、図と共通する同一要素を指定するために、同一の参照数字を用いた。断面図を提供する場合（図２Ｂ〜７Ｂ）、その断面図は、上部からの図（図２Ｂ〜７Ｂ）において線Ｂ−Ｂに沿ったものである。以下の図が図面に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ１Ｂ】図１Ａおよび１Ｂは、本発明のある実施態様に従う電圧の印加前後の変換器の上面斜視図を示す。
【図２Ａ２Ｂ】図２Ａおよび２Ｂは、電極の露出部分または外側部分の全体および誘電エラストマーの一部を覆う部分放電抑制剤を有する本発明の変換器に用いるためのＥＡＰフィルムの上面図および断面図である。
【図３Ａ３Ｂ】図３Ａおよび３Ｂは、電極および誘電エラストマーの露出部分または外側部分の全体を覆う部分放電抑制剤を有する本発明の変換器に用いるためのＥＡＰフィルムの上面図および断面図である。
【図４Ａ４Ｂ】図４Ａおよび４Ｂはそれぞれ、電極および誘電エラストマーの両側の大部分を覆う、誘電材料および電極の間に堆積された部分放電抑制剤を有する本発明の変換器に用いるためのＥＡＰフィルムの上面図および断面図である。
【図５Ａ５Ｂ】図５Ａおよび５Ｂはそれぞれ、電極の露出部分または外側部分の全体および誘電エラストマーの少なくとも最小部分を、電極の端部を横切って繋げるために部分放電抑制剤で覆った本発明の変換器に用いるためのＥＡＰフィルムの上面図および断面図である。
【図６Ａ６Ｂ】図６Ａおよび６Ｂはそれぞれ、上部電極の露出部分または外側部分およびＥＡＰフィルムの底部側の一部ではない誘電エラストマーの上部側の一部を覆う部分放電抑制剤を有する本発明の変換器に用いるためのＥＡＰフィルムの上面図および断面図である。
【図７Ａ７Ｂ】図７Ａおよび７Ｂはそれぞれ、電極の端部および誘電エラストマーの両側の比較的小さい部分のみを覆う部分放電抑制剤を有する本発明の変換器に用いるためのＥＡＰフィルムの断面図である。
【図８】図８は、本発明による部分放電抑制剤を有するＥＡＰ変換器を製造するための工程フローを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の材料、デバイスおよびシステムの具体的態様を説明する前に、適合性電気活性容量性構造物およびその材料特性および性能特性の議論を行う。
【００１７】
図１ＡおよびＩＢは、電気活性フィルムまたは電気活性膜の形態での容量性構造を示す。薄い弾性誘電フィルムまたは層１２は、適合性または伸縮性電極板または層１４および１６の間に挟まれ、これにより、容量性構造物または容量性フィルムを形成する。誘電層の長さ「Ｉ」および幅「ｗ」ならびに複合材料構造物の「Ｉ」および幅「ｗ」は厚み「ｔ」よりかなり大きい。通常、誘電層は、約１０μｍ〜約１００μｍの範囲の厚みを有し、構造の全厚みは、約２５μｍ〜約１０ｃｍの範囲である。
【００１８】
さらに、作動装置に寄与する更なる剛性が、比較的低い弾性率、すなわち約１００ＭＰａおよび通常約１０ＭＰａを有するが、各電極より厚いであろう誘電層１２の剛性より大きくなるように、必要に応じて、電極１４、１６の弾性率、厚みおよび／または微小形状を選択することが望ましい。これらの適合性容量性構造での使用に適した電極は、機械的疲労により失敗することなく、１％より大きい周期的な応力に耐えることができる電極である。
【００１９】
図１Ｂに見られるように、電圧を、電極を横切って印加する場合、２つの電極１４、１６における異なった電荷は、互いに引き付け合い、これらの静電引力は、誘電フィルム１２を圧縮する（Ｚ軸に沿って）。誘電フィルム１２は、電場における変化を伴って歪みを生じさせる。一般には歪みとは、任意の配置、拡大、縮小、ねじれ、線形もしくは面積伸長、または誘電フィルム１２の一部の任意の他の変形のことである。容量性構造１０（正確には「変換器」と呼ばれる）を用いる形態フィット構造、例えばフレームに応じて、この歪みを用いて、機械的作業を生じさせ得る。種々の異なった変換器構造物は開示され、上記の特許文献に記載されている。
【００２０】
印加電圧により、変換器フィルム１０は、機械力が歪みを制御する静電力と平衡を保つ限り歪み続ける。機械力としては、誘電層１２の弾性復元力、電極１４、１６の適合性または伸縮性および変換器１０に連結しているデバイスおよび／または荷重により与えられる任意の外部抵抗が挙げられる。印加電圧により得られる変換器１０の歪みは、他の多くの要素、例えば弾性材料の誘電定数およびその大きさおよび剛性等に依存し得る。電圧差および誘導電荷の除去は、逆の作用を生じさせる。
【００２１】
場合により、電極１４および１６は、フィルムの全面積に対して誘電フィルム１２の限られた割合を覆い得る。これにより、電気絶縁破壊が誘電体の端部周辺で防止され、またはカスタマイズされた歪みがその特定の割合で得られる。活性領域の外側の誘電材料（後者の場合、その割合の歪みを可能とするのに十分な静電力を有する誘電材料の割合である）は、活性領域上で歪みを生じさせる間、外部スプリング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、縮小または伸長による活性領域の歪みに耐え得る。
【００２２】
誘電フィルム１２は、予備伸長し得る。予備伸長は、電気エネルギーおよび機械エネルギーの間の変換を向上させ、すなわち、予備伸長により、誘電フィルム１２をより歪ませることができ、より大きい機械的作業が得られる。フィルムの予備伸長は、予備伸長前の方向における寸法に対する予備伸長後の方向における寸法変化として表し得る。予備伸長は、誘電フィルムの弾性変形を含み、例えば張力によりフィルムを伸長すること、および１以上の端部を伸長させながら固定することにより形成し得る。予備伸長は、硬質フレームを用いるフィルムの境界で与えられるか、またはフィルムの一部だけのために行われる。
【００２３】
図１Ａおよび１Ｂの変換器構造および他の同様の適合性構造およびその建造物の詳細は、上記の引用特許および出版物の多くにより完全に記載される。
【００２４】
本発明は、ＥＡＰフィルム、変換器フィルムおよび部分放電を抑制または最小化するように配置または設計された変換器、および該変換器の製造方法を提供する。これらのＥＡＰ変換器フィルムは、空気を除去して、コロナ効果を最小化し、部分放電による誘電体の勾配を最小化するために、変換器を形成するＥＡＰフィルムの少なくとも１部を部分放電抑制剤で被覆またはカプセル化することにより部分的に製造される。
【００２５】
通常、部分放電抑制剤または部分放電抑制性材料は、本明細書ではカプセルの材料または被覆物とほとんど同じ意味を有し、急な電気勾配を有するフィルムの領域に、例えば電極材料の端部に設置され、これにより、電場を分散し、フィルムの１以上の位置または領域で電気応力を最小化する。抑制材料は、ＥＡＰフィルムを形成する電極の全体またはその一部、例えば電極材料の端部を覆い得る。抑制材料は、ＥＡＰフィルムの片側または両側上の外側層として付与し得るか、または電極および誘電材料の間に挿入し得る。さらに、被覆物またはカプセル材料は、ＥＡＰフィルムを形成する誘電材料の全体または一部を覆い得る。あるいは、被覆物またはカプセル材料は、電極部分を覆わず、誘電材料のみを覆い得る。さらに、電極および誘電材料の全体を、抑制材料で被覆し得る。必要に応じて、被覆物、特に高い絶縁破壊強度を有する被覆物は、例えば下層の誘電体へのカプセル材料からの変圧器級誘電オイルの移行により、誘電および／または電極材料中へ部分的に含浸し得る。
【００２６】
図２〜７は、部分放電抑制性材料、カプセル材料または共形被覆物を本発明によるＥＡＰフィルムへ適用する、部分放電抑制剤について設計されたＥＡＰ変換器の典型的な種々の配置を示す。これらの図のそれぞれのＥＡＰフィルムは、上部と底部電極２４ａ、２４ｂの間に配置された誘電エラストマー層２２を含む。カプセル材料／被覆物は、片側または両側の電極の作動性表面および／または電極材料の端部の少なくとも一部を覆う。各電極は、変換器と電力源（示されていない）を電気的に接合するためにカプセル化または被覆されていない半径方向に広がるタブ２６（各上面図から見ることが可能）を有する。説明を明確にするために、変換器ＥＡＰを保持するフレーム構成物は、図中に示されていない。
【００２７】
図２Ａおよび２Ｂは、両側上でカプセル材料／被覆物２８ａ、２８ｂによりカプセル化／被覆された変換器フィルム２０を示す。カプセル材料は、電極表面２４ａ、２４ｂ（電極タブ２６を除く）の露出部分または外側部分の全体および誘電電極２２の両側の一部を覆い、すなわち、カプセル材料は、変換器フィルムの両側上に部分的な外側層を形成する。完全カプセル化は、電極端で部分放電を抑制し、電極体の内側の欠陥（例えばクラック、ピット、包含されるダスト等で）において生じ得る放電を抑制するのに適している。さらに、完全被覆物は、空気中での腐食に弱い電極（例えば薄いフィルム金属）を保護し、適切な場合には厚くおよび頑丈な、人間との直接接触に適した他の包装のないデバイスを製造し得る電気絶縁層を形成する。
【００２８】
図３Ａおよび３Ｂは、両電極の全体で変換器フィルム３０を示す。図３Ａおよび３Ｂは、両電極２４ａ、２４ｂの全体および誘電エラストマー層２２の両側の全体をカプセル材料／被覆物３８ａ、３８ｂでカプセル化／被覆した変換器フィルム３０を示し、すなわち、カプセル材料は、変換器フィルムを覆う完全な外側フィルムを形成する。この変形は、変換器を密閉して封止する恩恵を与える可能性を提供する。
【００２９】
図４Ａおよび４Ｂは、誘電エラストマー２２の両側の大部分を、カプセル材料／被覆物４８ａ、４８ｂにより覆い、電極２４ａ、２４ｂの露出部分または外側部分の一部をカプセル化または被覆しない変換器フィルム４０を示す。正確には、カプセル材料のプライマー層は、一方または両方の電極と、すなわち電極の内側と接触して、誘電層の表面との間に存在する。必要に応じて、カプセル材料／被覆物の層を、フィルム４０の片側または両側上の電極材料の上部に適用し得る。この配置により、誘電層をより均一にする利益が得られる。これは、まず、誘電層を、電極材料および必要に応じて被覆物の上部層を付加する前に被覆物中に浸漬することにより得られる。プライマー層が、十分に薄い場合には（例えば誘電体の厚みの約１０分の１）、プライマー層は誘電体より硬いので、軟質誘電体と比較的硬い電極との間で機械応力勾配として働く。機械応力勾配は、金属にクラックを発生させ得る応力集中を空間的に低減ろ過するので、金属電極にとって有用であり得る。あるいは、プライマー層が、良好な応力勾配特性を有する金属、すなわち、約３より大きい誘電定数を有し、および約１Ｅ６〜１Ｅ１３オーム・ｍの範囲の抵抗率を有する場合には、プライマー層は、電気応力勾配の働きをすることができる。
【００３０】
図５Ａおよび５Ｂは、電極２４ａ、２５ｂの全体および誘電エラストマー２２の少なくとも最小部分を、電極の端部を横切って繋ぐために、部分放電抑制剤５８ａ、５８ｂでカプセル化／被覆した変換器フィルム５０を示す。この変形は、移行し、誘電体への硬質成分の接着を妨げる傾向を有するカプセル剤、例えばオイルを含有するカプセル剤に適している。活性領域とデバイス周辺上の剛性成分との間でのカプセル剤を含まない領域は、オイル移行により影響を受ける領域を越えて、他の成分、例えばフレーム（図には示されていない）との適切な接着を確保する。
【００３１】
図６Ａおよび６Ｂ５Ｂは、電極２４ａの上部電極の外側の全体および誘電エラストマー２２の上側の一部を、ＥＡＰフィルムの底部側の一部をカプセル化／被覆することなく、部分放電剤６８でカプセル化／被覆した変換器フィルム６０を示す。ＥＡＰフィルムの非カプセル化側／非被覆側は、部分放電に曝され得るが、ＥＡＰフィルムの片側のみカプセル化／被覆化することは、両側をカプセル化／被覆化ことより容易であり、より少ない工程および少ない時間を必要とする。さらに、片側カプセル化フィルムは、適合性および柔軟性が抑制される可能性が低い。
【００３２】
図７Ａおよび７Ｂ５Ｂは、電極２４ａ、２４ｂの端部のみを部分放電抑制剤７８ａ、７８ｂでカプセル化／被覆化し、露出した誘電エラストマー２２の最小割合をカプセル化／被覆する変換器フィルム７０を示す。この設計は、寄生性剛性を活性面積のほとんどに付与せず、電極端で部分放電を抑制する。この取り組みは、活性領域内での欠陥を比較的含まない電極に適している。
【００３３】
本発明の変換器フィルムの他の実施態様では、ＥＡＰフィルムは、１以上の活性領域または各活性領域が誘電エラストマー上に少なくとも２つの電極を有する複数の活性領域を形成する。各活性面積はいずれも、各活性面積の電極により形成される電場において電荷に応答して歪むか、各活性領域の歪みに応答して電場において電荷を生じさせる。これらの変換器実施態様では、活性領域の１以上は、カプセル材料を任意の電極誘電カプセル化配置または本発明の配置に用いてもよい。
【００３４】
ＥＡＰ変換器フィルムは、高度に適合性かつ伸縮性であり、被覆物／カプセル材料も適合性でなければならず、すなわち、約５％を越える最小直線応力を有し、変換器隔膜の配置が妨げられないように電気活性ポリマーフィルムに比較的小さい剛性を付与する。このように、カプセル材料を、所望の厚みで被覆する場合、少なくとも誘電体のバネ定数と同程度に低いバネ定数を有すべきである。低弾性カプセル材料は、低い剛性を付加し、比較的厚い層として被覆される場合でさえ、欠陥を含まない製造を容易にする。この目的のために、少なくとも、誘電材料と同程度に低い弾性率を有するカプセル材料を用いることが望ましい。多くの用途では、被覆物の弾性率は、通常約１ＭＰａより低い（例えば低架橋性を有するＰＤＭＳゲル）。所望の機械応答が主に粘性である用途では、被覆物は弾性率ゼロを本質的に有する（例えば高分子量ＰＤＭＳグリース）。
【００３５】
本発明のための適当な被覆物／カプセル材料としては、これらに限定されないが、低弾性固体、粘弾性ゲル、および誘電性液体が挙げられ、これらは必要に応じて誘電定数を上昇させおよび／または抵抗を低下させる粒子で充填される。適当な低弾性固体の例としては、ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）、スチレン−エチレン／ブチレン−スチレンブロックコポリマー（ＳＥＢＳ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリ（ｎ−ブチルアクリレート）、ポリ（イソブテン）が挙げられる。これらの固体の弾性率は、架橋密度を低減することによりまたは相溶性誘電性液体を粘弾性ゲルに添加することによりさらに低下させることができる。適当な非誘電液体としては、例えばＰＤＭＳオイルおよび鉱油が挙げられる。完全な未架橋誘電性液体を、これが十分に粘性（例えば長鎖ＰＤＭＳグリース）であるか、またはペースト状にするのに十分な粒子で充填する場合に用いることも可能である。
【００３６】
任意の充填剤を添加せずとも、ポリマーおよび／または誘電性液体から構成される部分放電抑制剤は、空気の誘電定数（ε）（ε空気≒１．０）より大きい誘電定数（ε）を有する。高い誘電定数が望ましく、材料の誘電定数を上昇させるので、電極端部に近い材料の誘電定数の上昇は、電場の勾配をあまり急峻なものにせず、電荷が電極から飛び出す傾向を低下させる。未充填ポリマーは通常、誘電定数≒２．５〜４．５を有する。被覆物はまた、半導体性乃至絶縁性または約１Ｅ５〜約１Ｅ１４Ω・ｍの範囲の抵抗を好ましく有する。被覆物材料の誘電定数は、例えば高誘電定数を有する材料の粒子、例えば二酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、炭化ケイ素などを組み込むことにより、上昇させ得る。同様に、実質的に非導電性被覆物の伝導性は、導体性である粒子（例えばカーボンブラック、ナノチューブ、ＰＥＤＯＴ、ＰＡＮＩ、金属フレーク等）または半導体性粒子（例えばシリコン、炭化ケイ素等）の添加により所望の値へ上昇させることができる。
【００３７】
いくつかの構造物、特に、ＥＡＰ変換器の後の梱包が水蒸気および酸素の侵入を実質的に防止する構造物では、充填剤をカプセル化層へ添加して、組立後にパッケージ中に残存する水蒸気または酸素を隔離することが望ましい。水蒸気を除去するのに適した充填剤としては、モレキュラーシーブ４Ａ、シリカゲル、モンモリロナイト粘度、ゼオライトなどが挙げられる。酸素を除去するのに適当な充填剤としては、例えば、鉄粉、亜硫酸ナトリウム、ブチル化ヒドロキシトルエンおよびブチル化ヒドロキシアニソールが挙げられる。
【００３８】
本発明のＥＡＰフィルムおよび変換器を製造する方法および技術は、変換器設計および用途の幅広い範囲を非常に大きくし、電極、誘電体および部分放電抑制剤材料の広い範囲から選択される。
【００３９】
本発明の変換器は、変換器が単独または平面アレイにおいて製造される回分式処理および／または連続的ウェブ製造技術により全体または一部において製造し得る。図８は、本発明の１つの製造方法に従って少なくとも１つの誘電エラストマー層を有するＥＡＰデバイスを製造するための工程フロー８０を示す。本発明に従う方法は、本明細書に記載または示されていない幾つかの更なる工程を含み得る。場合によっては、本発明の製造方法は、従来法による材料および技術、例えば市販の誘電エラストマーおよび電極材料ならびにマイクロエレクトロニクスおよびエレクトロニクス技術の製造に用いられる技術等を含み得る。
【００４０】
工程フロー８０は、誘電エラストマー（８２）の供給、受け取りまたは製造により始まる。誘電エラストマーは、幾つかの方法に従って供給または製造され得る。ある実施態様では、誘電エラストマーは、市販製品、例えば市販のシリコーンまたはアクリルエラストマーフィルム等である。他の実施態様では、誘電エラストマーは、被覆、キャスト法、浸漬法または噴霧法技術により製造されるフィルムである。例えば、ロールツーロール法またはウェブベース被覆法は、離型剤で被覆された硬質支持体上に未硬化ポリマーの層の形成工程を含む。典型的な被覆法（例えばリバースロール、ナイフ法、スロットダイ法、カーテン法等）は、約１０〜約１００ミクロンの厚みの範囲でフィルムを製造し、これらはトンネル炉を通過させることにより硬化させる。次いで、ポリマーフィルムを、機械剥離により取り外し得る。好ましくは、誘電エラストマーは、誘電エラストマーを横切って適用することができる最大電場を低下させ、従って性能を低下させ得る厚みにおける変化または任意の他の欠陥を最小にしながら製造する。
【００４１】
上記の通り、誘電材料は、１以上の指示（８４）で予備伸長し得る。ある実施態様では、予備伸長は、１以上の指示におけるポリマーを機械伸長することおよび１以上の固体構成物（例えば硬質プレート）へ伸長しながら固定することにより行う。予備伸長を維持するための他の技術としては１以上の補強材の使用が挙げられる。補強材は、伸長状態のポリマー上に設置された長い硬質構造である。補強材は、軸に沿って予備伸長を維持する。補強材は、平衡または他の配置に設置して、変換器の方向柔軟性が得られる。注目すべき点は、補強材軸に沿う増加した剛性は、補強材材料により付与された増加した剛性ならびに予備伸長方向におけるポリマーの増加した剛性を含むことである。
【００４２】
予備伸長誘電材料の表面は、テクスチャー加工され材料の方向適合性を供給し得る。通常、テクスチャー表面は、任意の統一性（例えば、波形）を含み得るかまたはポリマーを所望の方向に偏向させる地形的に非統一性（例えば粗面）表面を含み得る。テクスチャーを付与するある方法は、動作させた場合に伸長できなくなるまでポリマー材料を伸長し、次いで剛性材料の薄い層を伸長したポリマー表面上に置く。剛性材料は、例えば、堆積後に硬化するポリマーであり得る。緩和により、複合材料構造は湾曲し、テクスチャー表面を形成する。他の実施態様では、テクスチャー表面は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により製造される。
【００４３】
特定の変換器フィルム実施態様では、部分放電抑制剤のプライマー層、例えば図４Ａおよび４Ｂのフィルム実施態様等を提供する。これらの実施態様では、部分放電抑制剤は、電極材料（８８）を付与する前に堆積させる（８６）。プライマー層を用いない場合には、次いで１以上の電極を誘電材料（８８）上に直接形成する。誘電体がテクスチャー加工または波形加工された場合、適当な金属（例えばクロム、アルミニウム、インジウム、錫、銀、金等）の１以上の薄い層を表面にスパッタ堆積してテクスチャー電極を形成し得る。他の実施態様では、カーボン充填電極は、パターン化し、適当な方法、例えば捺染、スクリーン印刷、パッド印刷、フレキソグラフ印刷等を用いて堆積させ得る。変換器フィルム実施態様、図２Ａ／Ｂ、３Ａ／Ｂ、５Ａ／Ｂ、６Ａ／Ｂおよび７Ａ／Ｂの実施態様等のために、次いで、部分放電抑制剤の層を、電気接触２６を除いて電気活性ポリマー表面の一部または実質的に全体に堆積させる。適当な抑制剤塗布／被覆法としては、これらに限定されないが、捺染法、噴霧法、浸漬法、スクリーン印刷法、パッド印刷法、フレキソグラフ印刷法、ナイフオーバーコーティング、メーターロッド被覆物等が挙げられ、これらの後に硬化工程が続く。カプセル材料中におけるボイドを最小化するために、被覆する前にカプセル材料を脱ガスし、封入空気を最小化する方法でこれを適用することが望ましい。
【００４４】
硬質フレーム、硬質構成物または他の電気および機械コネクタは、変換器用途に応じて、ＥＡＰフィルムに、電極材料の堆積前または堆積後に結合して変換器構造を形成する（示されていない工程）。次いで、１以上のＥＡＰフィルム層を含む変換器を、選択形態要素（９０）内に、例えば作動装置、発電機、センサーなどとしての操作のために包装または設置する。また、包装には、多層として機械的に結合または積層した多層変換器の組立を含ませ得る。また、包装には、不活性大気（例えばＮ２、ＳＦ６、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ）を有する空間における変換器を封止するバリア層の組立を含ませ得るか、または円錐花序固体、すなわち乾燥剤を組み込むことにより変性した乾燥剤空気をパッケージ内またはカプセル材料自体に含ませ得る。このような乾燥剤材料としては、化学反応性錯化剤、例えばＯ２除去、Ｈ２Ｏ除去のための鉄粉等を挙げることができる。上記物質は、モレキュラーシーブまたはゼオライトであり得る。あるいは、含まれる粒子は、発泡剤、例えばＣＯ２を生成するＣａｌｏｇｅｎまたはＳａｆｏａｍ（例えば米国特許第７３１４８９５号を参照。参照によりここに組み込む）等、および／または湿潤性緩衝材、例えばアクリルアミドゲル等（例えばＷＯ１９９１／０００３１６を参照。参照によりここに組み込む）であり得る。
【００４５】
本発明のＥＡＰ変換器および変換器フィルムの製造を、幾つかの特定の例について短く説明したが、本発明の製造方法および技術は、上記の任意の作動装置または用途について変化し得る。例えば、特定の実施態様に従う隔膜作動装置の製造方法としては、幾つかの剛性包装性成分を電極（８６）の形成前に添加することを挙げることができる。同様に、伸長状態の金属電極の堆積は、波形テクスチャーを、誘電／電極接合部分に、工程（８４）および（８６）を組み合わせて行い得る。
【００４６】
本発明の他の詳細としては、配置に関する材料および代替物を、関連技術の当業者の水準内として用い得る。同じことが、共通してまたは論理的に用いられる更なる作用に関する本発明の方法系態様について当てはまる。さらに、本発明は、幾つかの例に関して種々の特徴を必要に応じて組み込みながら記載されるが、本発明は、本発明の各変形について考慮される通り、記載または示されたものに限定されない。種々の変更を、記載の本発明に加えることができ、同等物（本明細書に記載されているか幾つかの簡潔さのために含まれないかに拘わらず）に、本発明の精神および範囲から逸脱せずに置き換え得る。示された個々の部品または部品組み立て品の多くをその設計において統合し得る。このような変更または他の変更は、アセンブリのための設計の原則により行われるかまたは誘導され得る。
【００４７】
また、記載された本発明の変形の任意の特徴は、記載され、単独にまたは本明細書に記載の特徴の任意の１以上を組み合わせて特許請求され得ることが考慮される。単数の物品については、存在する同一の物品が複数である可能性が含まれる。より具体的には、本明細書に用いる通り、添付の請求項において、単一形態「一つの（ａ）」、「一つの（ａｎ）」、「前記」、および「該」は、特記のない限り、複数の指示対象を含む。言い換えれば、物品の使用は、上記の並びに以下の請求項における本発明の物品の「少なくとも１つの」について可能とする。さらなる注目点は、請求項は、任意の選択的要素を除くように選択され得る点である。このように、この記載は、請求項要素の記載または「消極的」制限の使用に関連して、「単なる」、「のみ」のような排他的専門用語の使用について先行詞として働くことが意図される。このような排他的専門用語を使用することなく、請求項における用語「含む」は、任意の追加的要素の包含（一定数の要素が請求項に列挙されるか、特徴の添加が、請求項に記載の要素の性質を変換するとみなされるかどうかに拘わらず）を可能とする。例えば、請求項に示されている通り、ファスナーまたはボス、複雑な表面形状または他の特徴を「変換器」に付加することは、請求項用語を対象構造に読めることから防止することにならない。他に特記のない限り、本明細書に用いる全ての技術用語および科学用語は、請求項の有効性を維持しながら可能な限り広い共通に理解される意味を与える。
【００４８】
全体で、本発明の広さは、与えられる実施例により制限されることはない。以下のように特許請求する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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