JP2008118852A - 直動容量性変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、誘電体材料を介挿配置した電極群を備える容量性変換器を提供するものである。
【解決手段】電極と誘電体材料は、それによりコンデンサを形成している。コンデンサは、電極に供給された電気エネルギが変換器による駆動する機械的仕事へ直接に、すなわち蓄積されたエネルギを逃がすことなく少なくとも一部変換することができる。かくして、電気エネルギの印加が予荷重質量体やばねや別種の弾性可変形要素に蓄積された潜在エネルギの放出結果としてではなく誘電体の変形結果として変換器を直接動かす。このことは利点であり、何故ならそれが駆動方向に変換器に対する予歪の印加を強いられることなく変換器の設計を可能にし、変換器におけるエネルギ損失を低減できるからである。
【選択図】図１ｃ

Description

本発明は、電気エネルギと機械エネルギの間での変換を可能にする容量性変換器に関する。より詳しくは、本発明は波形電極群を有する容量性変換器に係り、波形は電極を保持する材料に予歪を付与することなく得られる。本発明の容量性変換器は、都合よくは電極群を保持する誘電体材料からなるウェブを巻回することで形成することができ、誘電体材料は好ましくはエラストマーの特性に類似の電気的特性及び機械的特性を有する。

所定電圧に応答して偏向を行わせることのできる電場応答ポリマーは公知技術であり、それは米国特許第６，３７６，９７１号（特許文献１）に記載された可撓性電極の如く、ポリマーに当接配置され、電極間に電位差を印加したときに、ポリマーの厚さ両端に生ずる電界が電極を互いに収縮させ、それによってポリマーを偏向させる。電極は実質剛性材料からなるため、それらを可撓性とすべくそれらにテクスチャを作成しなければならない。

電極は、「面内」或いは「面外」可撓性を有すると説明されている。米国特許第６，３７６，９７１号では、駆動中に通常伸長可能であろう量を上回ってポリマーを伸長させることで面外可撓性電極を配設し、伸長ポリマー面上に剛性材料層を堆積する。例えば、剛性材料は電場応答ポリマーを引っ張っている間に硬化するポリマーとすることができる。硬化後、電場応答ポリマーは弛緩し、その構造はテクスチャ付きの面となる。剛性材料の厚さは、μｍ未満のレベルを含む任意の寸法のテクスチャを具備するよう変更することができる。さもなくば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりテクスチャ付きの面を生成することもできる。一例を挙げるに、ＲＩＥは、９０％の四弗化炭素と１０％の酸素からなるＲＩＥガスでもってシリコンからなる予歪付与ポリマー上に施し、深さ４〜５μｍの山谷のある波を有する面を形成することができる。別の代替例として、電極をポリマーの面に付着させることもできる。ポリマーに付着させる電極は、好ましくはポリマーの変形形状に合致して順応する。テクスチャ付き電極は、複数方向に可撓性を持たせることができる。粗いテクスチャを有する電極は、直交面方向に可撓性を持たせることができる。

また、米国特許第６，３７６，９７１号には構造化対象である平面可撓電極と一方向可撓性の具有が開示されており、ここで金属配線路は電荷分布層上に平行な線路にてパターン化してあり、両線路ともポリマーの活性領域を覆っている。金属配線路と電荷分布層が、ポリマー両面に適用されている。電荷分布層が金属配線路間の電荷分布を促し、可撓性を有する。その結果、構造化電極は平行な金属配線路に垂直な可撓方向の偏向を可能にしている。一般に、電荷分布層は電場応答ポリマーを上回る導電性を有するが、それは金属配線路よりは小さい。

ポリマーは、１以上の方向において予歪を付与することができる。予歪はポリマーを１以上の方向に機械的に伸長させ、それを歪ませたまま１以上の中実部材（例えば、堅牢なプレート）へ固定することで得られる。予歪を維持する別の技法には、１以上の補剛材の使用が含まれる。補剛材は、予歪状態にある間、例えば伸長している間にポリマーに対し配置する長い剛体構造である。補鋼材が、それらの軸に沿う予歪を維持する。補剛材は、変換器の指向的可撓性を達成すべく平行に或いは他の構造に従って配置することができる。

米国特許第６，３７６，９７１号に開示された可撓性電極は多方向に可撓性をもたらす炭素グリースや銀グリース等の導電性グリースを具備させるか、或いはこの電極を炭素原繊維や炭素ナノチューブやイオン導電材料の混合物やコロイド状懸濁液で構成することができる。コロイド状懸濁液は、液体媒体中の炭素繊維や銀や金等のμｍ未満の大きさの粒子を含む。

ポリマーは、市場で入手可能なアクリルエラストマー薄膜等の市販製品とすることができる。それは、鋳造や浸漬やスピンコーティングやスプレー処理により製造される薄膜とすることができる。

先行技術に公知のテクスチャ付き電極は、或いはリソグラフィによりパターン形成することもできる。この場合、フォトレジストを予歪付与ポリマーに堆積し、マスクを用いてパターン形成する。プラズマエッチングは、マスクにより保護されていない電場応答ポリマー部分を所望方向に取り除くことができる。マスクは、適切な湿式エッチングにより実質取り除くことができる。ポリマーの作動面は、そこで例えばスパッタリングにより蒸着した金の薄層でもって被覆することができる。

巻回電場応答ポリマー装置は米国特許第６，８９１，３１７号に記載されており、ここではそれは巻回電場応答ポリマーと機械／電気エネルギ変換をもたらす少なくとも二つの電極とを含む。巻回電場応答ポリマー装置は、予歪付与ポリマーに対し力を供給するばね等の機構を用いることができる。

かくして、米国特許第６，８９１，３１７号は巻回電場応答ポリマー、例えばそれ自体に巻回或いはその上に巻き付ける（例えば、ポスターの如く）か別の物体（例えば、ばね）に巻回させた電極を持つか或いは持たない電場応答ポリマーを開示している。このポリマーは反復巻回させることができ、最低でも少なくともポリマーの内層部分に重複するポリマーの外層部分を含む。単一の電場応答ポリマー層構成では、巻回電場応答ポリマーに約２乃至約２００の間の層を設けることができる。この場合、一つの層は巻回ポリマーの半径方向断面にて遭遇する所定数のポリマー薄膜或いはシートを指す。ばねは、ポリマーに付与する周縁方向と軸方向の両方の予歪をもたらす力を与える。

巻回電場応答ポリマーは多層構造を用いることができ、ここで複数のポリマー層は巻回或いは巻き付けの前に互いに配置する。例えば、その上に電極がパターン化されていない第２の電場応答ポリマー層を、両面にパターン化された電極を有する電場応答ポリマー上に配置することができる。二つのポリマー間の中にあるこの電極は、両ポリマー面を直に当接させる役割を果たす。巻回後、電場応答ポリマーの底面上の電極はそこで非電場応答ポリマーの上面に当接する。こうして、パターン化電極をその上に持たない第２の電場応答ポリマーは第１の電場応答ポリマー上の二つの電極を使用する。

他の多層構造体も、可能である。例えば、多層構造体は奇数個のポリマー層に電極が形成され、偶数個のポリマー層はそうでない任意の偶数個のポリマー層で構成することができる。頂部非電極ポリマーの上面は、巻回後の積層体底部の電極に頼ることになる。２，４，６，８等の数の層を有する多層構造体は、この技法を用いて可能である。一部事例では、多層構造体に使用する層数はロールの寸法とポリマー層の厚さにより制約されることがある。ロール半径が減るにつれ、許容可能な層数もまた一般に減ることになる。使用する層数によらず、巻回変換器は所与の極性の電極が反対極性の電極に触れないよう構成する。多層はそれぞれ個別に電極を付与し、他の各ポリマー層を巻回前に振り分け、巻回後は互いに当接する電極が同一電圧或いは同一極性となるようにすることができる。

米国特許第６，３７６，９７１号や米国特許第６，８９１，３１７号に記載された技術を用いて電場応答ポリマー、特に巻回変換器を製造することは、波形電極の可撓方向の制御が非常に困難である欠点を有する。

さらに、誘電体材料からなるウェブ、例えばその上に電極を配置したポリマーウェブを巻回することで変換器を作成することが望ましく、それは装置の信頼性がそれによって改善され、巻回構造の巻回数が増大するにつれより大きな駆動力が得られるからである。かくして、大きな駆動力が望まれる場合、そのときは多数の巻回体を配設しなければならない。しかしながら、米国特許第６，３７６，９７１号や米国特許第６，８９１，３１７号に記載された先行技術を用いると、可能な巻回数はポリマー性薄膜の必要な最小厚さのために制限される。

最後に、先行技術を用いて必要な可撓性を獲得する上で、電極には比較的高い電気抵抗を有する材料を使用する必要がある。多数の巻回体を有する巻回アクチュエータは非常に長い電極を暗示的に有することになるため、電極に関する総電気抵抗は非常に高いものとなろう。この種アクチュエータに関する応答時間はτ＝Ｒ・Ｃで与えられ、ここでＲは電極の総電気抵抗であり、Ｃはこの複合体の容量である。かくして、高い総合電気抵抗がアクチュエータにとって非常に長い応答時間を招く。かくして、受容可能な応答時間を得るため、巻回数は制限しなければならず、それによって駆動力もまた制限し、すなわち応答時間と駆動力はアクチュエータの設計時に調和をとらねばならない。

誘電体ポリマー原理に基づく従来設計の電場応答ポリマーアクチュエータはこれまで、４個の異なる構造、すなわち寸法制限された単一アクチュエータシートと、寸法及び数の制限された単一アクチュエータシート積層体と、寸法が制限され巻回数が非常に制限された単一アクチュエータシートと、寸法制限された単一アクチュエータシート及び数の非常に限られた巻回体の巻回積層体であった。

上記に掲載したアクチュエータは全て、それらが質量体を用いた予荷重（一般に垂直変位向けの一定の荷重）をもって予荷重付与するか或いは圧縮状態或いは伸長状態にあるばね或いはばね様要素を用いて予荷重付与するかのいずれかで予歪付与モードにて動作させねばならないという共通の動作原理を有する。これらの予歪付与構造は、共に駆動方向にこれらの非常に柔らかい電場応答材料構造の剛性欠如を補償を企図するものである。事実、それらに電気エネルギを供給すると、質量体やばねが機械的仕事の大半をもたらす。電場応答材料は、電気エネルギをそこから除去したとき、すなわち電場応答材料が蓄えた潜在エネルギの返還のために、放電時にのみ動作する。予荷重を欠く場合、この種電場応答アクチュエータは電気エネルギをそれらの供給時に実質軸方向の駆動力を及ぼすのではなく、張力歪が原因で屈曲し或いは曲がる傾向がある。

米国特許第６，３７６，９７１号明細書 米国特許第６，８９１，３１７号明細書

かくして、本発明の一つの目的は類似の先行技術容量性変換器に比べ著しく増大した駆動力を有する容量性変換器を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、類似の先行技術の容量性変換器に比べ改善された応答時間を有する容量性変換器を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、応答時間と駆動力とを釣り合わせる必要のない容量性変換器を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、駆動方向に変換器に対し予歪を付与する必要のない容量性変換器を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、簡単な方法で、曲げを防止し或いは少なくとも低減する容量性変換器を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、上記ならびに他の目的は誘電体材料を介挿配置した電極群を備え、電極と誘電体材料がそれによってコンデンサを形成し、そのコンデンサが変換器による駆動に向けて電極に供給された電気エネルギを少なくとも一部機械的仕事へ直接変換できるようにした容量性変換器を提供することで実現される。

本文脈では、用語「変換器」は機械エネルギと電気エネルギの間での変換が可能な装置を意味すると解釈されたい。すなわち、変換器は、例えば変換器へ力を印加することで供給される機械エネルギを例えば電気信号の形の電気エネルギへ変換し、例えば変換器に供給された力の大きさを指示し、それによって検出するセンサとすることができる。さもなくば、或いはこれに加え、変換器は例えば電極間に印加された電位差の形での電気エネルギを特定の方向に沿う変換器の収縮及び／又は特定の方向に沿う変換器の伸長の機械エネルギへ変換することのできるアクチュエータとすることができる。すなわち、この場合、誘電体材料の両面に位置する二つの電極間の電位差が吸引力に通ずる電界を生成する。その結果、電極間の距離が変化し、この変化が誘電体材料の圧縮に通じ、この材料はそれによって変形する。筋肉との幾つかの類似性のために、この種アクチュエータは時に人造筋肉と呼ばれる。

本文脈では、用語「誘電体材料」は２以上の相対的誘電率ε_rを有する材料を意味すると解釈されたい。

コンデンサは、電極に供給される電気エネルギが変換器による駆動向けに機械的仕事へ少なくとも一部直接変換できるような仕方で配置する。

本文脈では、「直接」は電気エネルギの印加が誘電体材料の変形の結果として、ただし予荷重質量体やばねや別種の弾性的可変形要素に蓄えられた潜在エネルギの解放の結果としてではなく、変換器を直接動かすことを意味する。すなわち、「直接」は「貯蔵エネルギを放出することなく」と解釈されたい。他方で、電極に電気エネルギを供給すると、誘電体材料の変形が潜在エネルギを積み上げ、電極間電位差の消失時に誘電体材料がその以前の形状に復帰する際に潜在エネルギを放出する。かくして、本発明によれば、印加された電気エネルギは少なくとも一部機械的仕事へ変換され、この仕事が予荷重質量体やばねや他の手段から蓄積潜在エネルギを放出することなく直接変換器を動かす。換言すれば、電気エネルギはそのまま機械的仕事へ変換され、すなわちそれは電気エネルギが供給されている間変換される。これは利点であり、何故なら駆動方向に変換器へ予歪の付与を強いられることなく変換器が設計できるようになるからである。すなわち、本発明によれば、電場応答材料、すなわち誘電体材料を介挿配置した電極が、電気エネルギを供給した時とそこから電気エネルギを除去した時の両方で機械的仕事をもたらす唯一の要素となる。従って、曲がりは非常に簡単な方法で防止或いは少なくとも実質低減される。

本発明によれば、それによって変換器を製造する上でより少数の部品しか必要とせず、変換器のより高い設計自由度、例えば他のパラメータを考慮することが可能になる点が得られる。製造コストもまた、低減される。さらに、供給された電気エネルギを、それを機械的仕事へ変換する前に、例えば潜在エネルギの形で貯蔵する必要はないという事実が、変換器におけるエネルギ損失を相当低減し、それによってより効率的な変換器を提供することができる。最後に、変換器の摩耗が減り、それによって変換器の寿命を引き延ばし、動作中の変換器のノイズレベルを低減することができる。

好ましくは、供給された電気エネルギの相当部分が機械的仕事へ直接変換される。従って、電極へ電気エネルギを供給したときに、供給エネルギの５０％を超えるか或いは８０％や９０％を超えるような少なくとも相当部分が電気エネルギが供給されている間に機械的仕事へそのまま変換される。

コンデンサはさらに、電極に供給された電気エネルギが一部潜在エネルギへ変換され、該潜在エネルギを誘電体材料に貯蔵する仕方で、かつ貯蔵された潜在エネルギがコンデンサの放電中に変換器による駆動向けに仕事へ変換できる仕方でもって構成することができる。

本実施態様によれば、供給電気エネルギの一部、好ましくは相当部分が前記した如く直接機械的仕事へ変換される。しかしながら、同時に、供給された電気エネルギの一部、好ましくは少量部分が先行技術変換器が動作する仕方同様に潜在エネルギへ変換される。電極間の電位差が続いて低減すると、電気エネルギの供給期間中に充電されたコンデンサが放電を開始する。コンデンサの放電期間中、貯蔵潜在エネルギが放出され、機械的仕事へ変換される。かくして、本発明の本実施態様によれば、変換器は電極に一切電気エネルギが供給されない期間中だけでなく、電極へ電気エネルギが供給される期間中もまた動作可能である。本実施態様によれば、変換器に負荷を及ぼすことが可能になり、続いて、この負荷を取り除いたときに負荷付き変換器は機械的仕事を遂行することが可能となる。このように変換器は変形可能であるため、それはこの場合に可変ばね特性付きのばねと見なされる。この種変換器は、例えばばねとしての減衰目的に合わせ使用することができる。

誘電体材料はポリマー、例えば弱接着性シリコン等のシリコンエラストマー等のエラストマーとすることができる。適切なエラストマーは、Ｗａｃｋｅｒ−Ｃｈｅｍｉｅ社が製造するＥｌａｓｔｏｓｉｌ ＲＴ ６２５である。さもなくば、同様にＷａｃｋｅｒ−Ｃｈｅｍｉｅ社が製造するＥｌａｓｔｏｓｉｌ ＲＴ ６２２ やＥｌａｓｔｏｓｉｌ ＲＴ ６０１を用いることもできる。代替例として、他種のポリマーを選択することもできる。

エラストマーではない誘電体材料を使用する場合、例えば弾性の点で誘電体材料にエラストマー様特性を持たせねばならないことに留意すべきである。すなわち、誘電体材料は誘電材料の変形のために生成された変換器が押し及び／又は引きができるようになる範囲まで変形可能としなければならない。

電極は、誘電体材料からなる薄膜上に被覆することができる。この場合、極薄電極を配設することができる。

誘電体材料の少なくとも一方の面に、波形パターンを設けることができる。本実施態様によれば、誘電体材料の面の波形パターンがコンデンサ、特に波形パターンを備える誘電体材料の面に配置された電極に所望の可撓性を付与することができる。肉薄電極を波形面に適用した本事例では、電極は波形パターンに追従し、波形面の可撓性はそれによって電極に取り込まれることになる。

波形パターンは一つの共通方向に延びる山と谷を形成する波を含み、異方性を形成している波が共通方向に垂直な方向の動きを促進する。本実施態様によれば、波の山と谷は実質平行な波頭を持った定在波に類似する。しかしながら、この波は必ずしも正弦波とは限らず、山と谷が形成される限り任意の適切な形状を持たせることもできる。一実施態様によれば、山（又は谷）は少なくとも実質的な直線を形成することもある。この少なくとも実質的な直線は他の山或いは谷が形成する同様の輪郭線に少なくとも実質的に平行であり、少なくとも実質的な直線の方向が共通方向を決める。こうして決められた共通方向は異方性を生ずる結果を有し、共通方向に垂直な方向における複合体の動きが助長され、すなわちコンデンサ或いは少なくとも波形面上に配置された電極は共通方向に垂直な方向に可撓性を有する。好ましくは、可撓方向におけるコンデンサの可撓性は、共通方向すなわち可撓性方向に垂直な方向のその可撓性の少なくとも５０倍は大である。

波には、周期的に反復する形状を持たせることができる。一実施態様では、これは各山と各谷が少なくとも実質同一であることを意味する。さもなくば、この周期性はより大きな寸法で得ることができ、すなわち反復パターンは幾つかの「波長」の長さとすることができる。例えば、この波長、振幅すなわち山／谷の形状等は周期的に反復させることができる。代替例として、波形は非周期的とすることもできる。

各波は、山と隣接する谷との間の最短距離である高さを持っている。この場合、各波は最大で平均波高値の１１０％の高さを有する最大波を形成することがあり、かつ／又は各波には平均波高値の少なくとも９０％の高さを有する最小波を形成することがある。本実施形態によれば、波の高さのばらつきは非常に小さく、すなわち極めて一様なパターンが得られる。

一実施態様によれば、波の平均波高値は例えば１／３μｍ〜２０μｍ、例えば１μｍ〜１５μｍ、例えば２μｍ〜１０μｍ、例えば４μｍ〜８μｍとすることができる。

さもなくば、或いは加えて、この波は二つの山の間の最短距離として特定することもでき、波の平均波高値と平均波長の間の比は例えば１／３０〜２、例えば１／２０〜１．５、例えば１／１０〜１とすることができる。

この波には、例えば１μｍ〜２０μｍの範囲、例えば２μｍ〜１５μｍの範囲、例えば５μｍ〜１０μｍの範囲の平均波長を持たせることができる。

誘電体材料には、誘電体材料の一面上の一点から誘電体材料の波形面の山と谷との間の中途に位置する中間点までの最短距離として規定される厚さを持たせることができ、この厚さは１０μｍ〜２００μｍ、例えば２０μｍ〜１５０μｍ、例えば３０μｍ〜１００μｍ、例えば４０μｍ〜８０μｍとすることができる。

波の平均波高値と誘電体材料の平均厚さとの間の比は、例えば１／５０〜１／２、例えば１／４０〜１／３、例えば１／３０〜１／４、例えば１／２０〜１／５とすることができる。

電極の平均厚さと波の平均高さとの間の比は、例えば１／１０００〜１／５０、例えば１／８００〜１／１００、例えば１／７００〜１／２００とすることができる。

電極の少なくとも一方に、波形面パターンを配設することができる。これは、下記に記載する如く、例えば誘電体材料の波形面に電極を配設し、この電極がそれよって面の波形パターンを取り込むようにすることで都合よく得ることができる。さもなくば、電極の波形面パターンは他の適切な方法、例えば誘電体材料に予歪を付与し、予歪を付与した誘電体材料の面に電極を配設し、予歪を取り除くことで得ることもできる。得られる電極は、波形面パターンを有することになる。この手法は、先行技術に記載されている。

本発明の好適な実施態様では、コンデンサは導電層材料の特性だけでなく薄膜の誘電体特性と機械特性もまた考慮し、所望特性を有するコンデンサが得られるような仕方で上記のパラメータを最適化して設計する。かくして、誘電材料の平均厚さは一方で相対誘電率と破壊電界に対し、他方で電極間の電位差に対する妥当な考慮をもって選択することができる。同様に、山の高さは電極間に配置する誘電体材料からなる薄膜全体の比較的一様な電界分布を得るべく誘電材料の厚さに対し最適化することができる。さらに、電極の厚さや平均波長や波高値は所望の可撓性が得られるよう最適化することができる。このことは、図面を参照して下記にさらに説明する。

好適な実施態様によれば、コンデンサを巻回して誘電体材料と電極からなる巻回パターンを形成し、この巻回コンデンサがそれによって変換器を形成する。本文脈では、用語「巻回パターン」は変換器の断面が電極と誘電体材料からなる平坦な螺旋様パターンを呈するものと解釈されたい。すなわち、巻回コンデンサはロールカステラ或いはロールカステラの一部に類似する。

本実施態様によれば、変換器は好ましくは厚肉壁の柱状の自己支持構造をなす潜在的に無制限の長さのコンデンサを巻回／スプール巻装することで設計するものであり、自己支持構造は十分強固であって通常の動作期間中の曲げを阻止する。

コンデンサは軸方向に延びる軸周りに巻き付け、軸方向に延びる伸長形状からなる変換器を形成することができる。

巻回コンデンサは、管状部材を形成することができる。これは巻回コンデンサが外面とこの巻回コンデンサの中空の内腔を向く内面とを有するものとして理解されたい。かくして、この場合のコンデンサは「管」を形成するが、この「管」には任意の適切な形状を持たせることができる。

巻回コンデンサが管状部材を形成する場合、巻回コンデンサは実質筒状或いは筒状形状からなる部材を形成することができる。本文脈では、「筒状形状」は長手方向軸を有する形状を意味し、かつこの長手方向軸に少なくとも実質垂直な平面に沿うこの部材の断面が長手方向に沿う位置とは少なくとも実質無関係の大きさと形状を有することになると解釈されたい。すなわち、本実施態様によれば、断面は少なくとも実質円形形状を有し、それによって筒状の管状部材を形成することができる。しかしながら、この断面は楕円形状や卵形状や矩形形状や或いは非対称形状までもの非円形形状を有することが好ましい。非円形形状が好ましいのは、少なくとも実質一定の断面周縁を保ったまま動作期間中に変換器の断面積を変化させることが望ましいからである。断面が円形形状を有する場合、このことは不可能であり、何故なら一定の周縁を有する円形形状はその面積を変えることができないからである。従って、非円形形状が好ましい。

巻回コンデンサはこの巻回コンデンサを形成する材料を配置した巻回コンデンサの断面の一部の面積である断面積Ａを特定でき、Ａは１０ｍｍ²〜２００００ｍｍ²の範囲内、例えば５０ｍｍ²〜２０００ｍｍ²の範囲内、例えば７５ｍｍ²〜１５００ｍｍ²の範囲内、例えば１００ｍｍ²〜１０００ｍｍ²の範囲内、例えば２００ｍｍ²〜７００ｍｍ²の範囲内とすることができる。すなわち、Ａはコンデンサが「占有」する巻回コンデンサの総断面の一部の大きさと見なすことができる。換言すれば、Ａは一側を外面により、また他側を巻回構造の中空内腔を向く内面により境界付けられた断面積である。

巻回コンデンサはｒ_g＝（Ｉ／Ａ）^1/2で与えられる旋回半径ｒ_gを特定しており、ここでＩは巻回コンデンサの断面二次モーメントであり、ｒ_gは５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内、例えば１０ｍｍ〜７５ｍｍの範囲内、例えば２５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内とすることができる。旋回半径ｒ_gは管状部材の長手方向軸に沿って走る中心軸からの距離を反映しており、この管状部材は巻回コンデンサの全断面を中心軸からその距離に配置した場合に、同じ二次モーメントＩを生ずる筈である。

さらに、巻回コンデンサはλ＝Ｌ／ｒ_gで与えられる細長比λを特定しており、ここでＬは巻回コンデンサの軸長であり、λは２０未満、例えば１０未満とすることができる。細長比λは、巻回コンデンサの軸長と前記に特定した半径との間の比を反映する。従って、λが大きい場合、軸長は半径に比べて大きく、巻回コンデンサはそれによって「痩身」物体に見える。他方で、λが小さい場合は、長さは半径に比べ小さく、巻回コンデンサはそれによって「肥満」物体に見え、これ故に用語「細長比」となる。小細長比を有する物体は、大きな細長比を有する物体よりもより大きな剛性を呈する傾向がある。従って、小さな細長比を有する巻回コンデンサでは駆動期間中の曲げが回避され、或いは少なくとも相当に低減される。

巻回コンデンサは壁厚ｔを特定することができ、比ｔ／ｒ_gは１／１０００〜２の範囲内、例えば１／５００〜１の範囲内、例えば１／３００〜２／３の範囲内とすることができる。この比は、巻回コンデンサ全体の大きさに比べ巻回コンデンサが特定する壁が如何に薄いか或いは厚いかを反映する。この比が大きい場合、壁厚は大きく、巻回コンデンサが画成する中空内腔は比較的小さいものとなる。他方で、この比が小さい場合、壁厚は小さく、巻回コンデンサが画成する中空内腔は比較的大きなものとなる。

さもなくば、或いは加えて、巻回コンデンサは壁厚ｔを持たせることができ、かつ１ｍｍの壁厚当り５〜１００巻きの範囲、例えば１ｍｍの壁厚当り１０〜５０巻きの範囲にある巻回数ｎを持たせることができる。この数が大きいほど、非巻回コンデンサはより薄くしなければならない。肉薄の薄膜の大きな巻回数により、より小さな巻回数のより厚肉の薄膜を有する、すなわち同一或いは類似の断面積を有する類似の変換器に比べ、電極間のより低い電位差でもって所与の駆動力が可能になる。このことは、大きな利点である。

上記に特定したパラメータは、発明者が開発した設計規準に従って最適化することができる。これらの設計規準により、アクチュエータの性能仕様に基づき巻回アクチュエータの最適寸法が決定できるようになる。この設計規準は、好ましくは下記の如く適用することができる。

電場応答ウェブの機械的ならびに電気的特性を、単位面積及びストロークごとのアクチュエータ力を推定する基本として用いる。前述の巻回変換器は極めて肉薄の電場応答ウェブ、例えばμｍ範囲内の厚さを有するウェブにより作成する。この種の典型的変換器は、数千巻きにて作成することができる。

駆動時に、直動／押動(direct/push)アクチュエータは電気エネルギを機械エネルギへ変換する。このエネルギの一部は変換器材料の潜在エネルギの形にて保存され、コンデンサを放電させたときに使用に向け再度利用できるようになる。機械エネルギの残りの部分は、駆動用に効果的に利用可能となる。駆動エネルギへの機械的エネルギのこの残りの部分の完全な変換は、変換器構造を軸方向の圧縮のために公知の曲げ等の機械的不安定さに対し補強した場合にのみ可能とされる。これは、他方で変換器の断面積を補強し、続いてオイラーの定理に従って変換器の長さを最適化することで行うことができる。

最適化工程は、所与の適用に必要な力のレベルを決めることで始まる。次に単位面積当りの駆動力に基づき、そのレベルの力に至るのに必要な断面積を推定することが可能である。

何らかの機械的不安定さに対抗するアクチュエータの安定化には、断面二次モーメントＩを増大させることでその断面を寸法決めする必要がある。低い値のＩはより安定性の乏しい構造に帰結し、高い値のＩは曲げに対し非常に安定した構造に帰結する。

構造を補強する設計パラメータは、断面積Ａと断面二次モーメントＩに関係する旋回半径ｒ_g（ｒ_g＝｛Ｉ／Ａ｝^1/2）である。低い値のｒ_gはより安定性の乏しいアクチュエータに帰結し、高い値のｒ_gは非常に安定したアクチュエータに帰結する。面積Ａと旋回半径ｒ_gの両方について最適範囲を決めると、ｒ_gに関する巻回変換器壁厚についての最適範囲をｔ／ｒ_gの形で決めることが可能になる。面積Ａと半径ｒ_gと壁の厚さｔは、最大安定性に向け変換器断面を補強する設計パラメータとなる。低い値のｔ／ｒ_gはより極めて安定した変換器構造に帰結し、高い値のｔ／ｒ_gはより安定しない変換器構造に帰結する。

断面パラメータの範囲が一旦決まると、所要レベルの力に対し軸方向の圧縮による曲げが発生しない変換器の最大長さＬを推定する必要がある。前記の如く特定される細長比λが、オイラーの定理に関するパラメータとして一般に用いられる。低い値のλは極めて安定した変換器構造に帰結し、高い値のλは曲げに対しより安定しない変換器構造に帰結する。

最適能動直動アクチュエータに関する全ての設計パラメータが一旦決まると、μｍ範囲の特定の厚さを有する所与の電場応答ウェブについての変換器壁厚ｔと１ｍｍ当りの巻数ｎとに基づき、変換器を構築するのに必要な総巻数を推定することが可能になる。

巻回コンデンサにはその周りにコンデンサを巻き付けるようにして配置する中心ロッドを設けることができ、この中心ロッドが誘電体材料の弾性係数に満たない弾性係数を有する。本実施態様によれば、管状部材が形成する中空内腔は中心ロッドを充填するか、或いは中心ロッドを中空とし、すなわちそれが管状態構造を有するようにできる。中心ロッドが、巻回コンデンサを支持することができる。しかしながら、中心ロッドが変換器の機能を抑制するよう、中心ロッドの弾性係数を誘電体材料の弾性係数未満とすることが重要である。

さもなくば、或いは加えて、巻回コンデンサはその周りにコンデンサを巻き付けるようにして配置する中心ロッドを設けることができ、中心ロッドには巻回コンデンサに当接する外面を持たせることができ、前記外面は巻回コンデンサが変換器の駆動中に該外面に沿って摺動できるようにする摩擦を有する。中心ロッドは、この場合、例えばばねとすることができる。巻回コンデンサは中心ロッドの外面に沿って摺動できるようにしてあるため、中心ロッドの存在が中心ロッドが特定する長手方向に沿う変換器の伸長を抑制することはなく、中心ロッドの低摩擦特性のために変換器の動作がそれによって中心ロッドの存在により抑制されることはなくなる。

巻回コンデンサは、非巻回コンデンサの断面二次モーメントの少なくとも５０倍、例えば少なくとも７５倍、例えば少なくとも１００倍の断面二次モーメントを持たせることができる。本発明によれば、この増大した断面二次モーメントは好ましくは十分な巻回数をもってコンデンサを巻回することで巻回構造の所望の断面二次モーメントを得る。かくして、非巻回コンデンサを好ましくは極薄とし、それによって極めて小さな断面二次モーメントを有するよう期さねばならないとしても、巻回コンデンサの所望の断面二次モーメントは単に十分な巻回数をもってコンデンサを巻回するだけで得ることができる。巻回コンデンサの断面二次モーメントは、好ましくは通常の動作期間中の変換器の曲がりを阻止するに十分としなければならない。

かくして、巻回コンデンサには非巻回コンデンサの断面二次モーメントの少なくとも５０倍、例えば少なくとも７５倍、例えば少なくとも１００倍の断面二次モーメントを得るに十分な巻回数を持たせることができる。

一実施態様によれば、正電極と負電極は所定パターン内の誘電体材料の同一面上に配置することができ、コンデンサはその上に配置した電極を有する誘電体材料を巻回して巻回コンデンサが層を形成するようにし、各層において誘電体材料を両者間に介挿した状態で正電極を負電極に対向させて配置することで巻回コンデンサを形成することができる。本実施態様によれば、コンデンサは好ましくは長尺の誘電体材料薄膜を設け、薄膜の一面に電極を配置することで製造することができる。電極は、例えば長尺の薄膜の長手方向に沿って交互配置する仕方で配置することができる。長尺の薄膜はそこで、その上に正電極を配置した薄膜の一部を、直前の巻回に属しその上に負電極を有する薄膜の一部に隣接させるようにして巻回することができる。それによって、正電極と負電極は誘電体薄膜の一部を中間に配した状態で互いに対向配置されることになる。従って、コンデンサは薄膜巻回時に形成される。

コンデンサは、電極に印加する電気エネルギの関数として変化する容量を持たせることができる。電極に電気エネルギを印加すると、誘電体材料にかかる電界が電極をお互いに向けて収縮させ、それによって誘電体材料を偏向させる。これが電極間の距離を変えるため、コンデンサの容量もまた電極に印加した電気エネルギの関数として変化することになる。この場合、変換器はアクチュエータとして機能する。

同様に、コンデンサは、このコンデンサに印加される機械エネルギの関数として変化する容量を持つ。例えばコンデンサを特定の方向に沿って押すか引くかしてコンデンサに機械エネルギを印加すると、その結果は誘電体材料及び好ましくは電極の可撓性のために、電極が特定するコンデンサの面積だけでなく電極間の距離もまた変化する。従って、コンデンサの容量はこのコンデンサに印加する機械エネルギの関数として変化する。容量値はそれによって印加した機械エネルギの測定に使用することができ、変換器はそれ故にこの場合はセンサとして使用することができる。

電極には、１０^-4Ω・ｃｍ未満の抵抗を持たせることができる。非常に低い抵抗を有する導電層を配設することで、たとえ非常に長い電極を使用したとしても電極の総抵抗が過剰となることはない。それによって変換器のための応答時間は受容可能なレベルに維持でき、その一方で大きい巻線数を可能にし、それによって所与の薄膜の厚さに対して大きな駆動力と電極間の電位が得られるようにできる。先行技術では、十分に低い電気抵抗を有する波形導電層を提供することが出来ず、その主な理由は可撓性を提供するには材料の他の特性に対する妥当な検討をもって先行技術電極向けに材料を選択する必要があったからである。本発明の利点によれば、かくして非常に低い抵抗を有する材料から可撓性導電層が配設できるようになり、何故ならこれにより変換器の受容可能な応答時間を維持したまま大きな駆動力が得られるようになるからある。

誘電体材料の厚さを横切って電流が流れ、それによってコンデンサに損傷を招かないようにすべく、誘電体材料には１０¹⁰Ω・ｃｍを上回る抵抗を持たすようにする。好ましくは、誘電体材料の抵抗は導電層の抵抗を大幅に上回るものとする。

電極は、好ましくは金属或いは導電性合金、例えば銀と金とニッケルからなる群から選択した金属から作成することができる。さもなくば、他の適切な金属或いは導電性合金を選択することもできる。金属や導電性合金は通常極めて低い抵抗を有するため、前記した利点は電極を金属或いは導電性合金から作成することで得られる。

電極には、それぞれ０．０１μｍ〜０．１μｍの範囲、例えば０．０２μｍ〜０．０９μｍの範囲、例えば０．０５μｍ〜０．０７μｍの範囲の厚さを持たせることができる。かくして、電極は好ましくは極薄の層内の誘電体材料へ配設する。従って、誘電体材料の面に波形パターンが備わる事例では、その面に配設した肉薄の電極は面の波形パターンに追従しやすくなり、電極はそれ故に同様に波形となる。このことは前に説明してある。

変換器は、電気エネルギと機械エネルギの間で変換する電気的制御手段に接続して配置されることができる。電気的制御手段は、好ましくは電極へ接続する。それによって、電極へ供給する電気エネルギが前記したごとく変換器が行う機械的仕事が生み出されることになる。同様に、変換器へ供給される機械エネルギは電気的制御手段へ供給される電気信号を生み出す。このこともまた、前記してある。従って、変換器はアクチュエータとして又はセンサとして、或いはセンサだけでなくアクチュエータとしても使用することができる。さらに、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換は前記した如く直接行わせることができる。このことは、大きな利点である。

変換器は、静電力の使用により圧力を生み出すよう配置することができる。この圧力は、好ましくは前記した如く直接生み出される。この場合、変換器は押動アクチュエータとして使用することができる。

一実施態様によれば、電極を誘電体材料の第１と第２の面に配置することができ、この電極は、
変換器の能動部で、電極部が誘電体材料の両面を被覆する前記能動部と、
第１の受動部と第２の受動部で、誘電体材料の片方の面だけを電極の一方で被覆した前記受動部とを形成し、
第１の受動部は第１の面上の電極の接点部により形成され、第２の受動部は第２の面の電極の接点部により形成される。

変換器の能動部は、誘電体材料の両面に電極部を有する。それ故、能動部はコンデンサを形成し、前記した如く偏向可能とされる。従って、能動部は変換器への電気接点についての位置を選択しようとするときに適切な選択肢とはならず、何故なら変換器の比較的可撓性の材料と比較的堅牢な電気的接続部材、例えば接点電極との間の作動領域内の接続が変換器が接点にて「動作」している場合に疲労骨折に通ずることがあるからである。

他方で、受動部だけが誘電体材料の一面の電極が覆う誘電体材料を有しており、この受動部がそれ故にコンデンサとしては機能せず、それらは従って変換器の動作期間中に偏向可能とはならず、すなわち誘電体材料は受動部内の静電力にはされない。このことで、接点のための位置を選択すべきときに受動部は適切な選択肢となる。

それ故に、受動部を配設し、かつこの受動部を電極の接点部により形成することは、本発明の本実施態様の利点となる。それによって、疲労骨折の危険性は著しく軽減される。

接点部は、電極部への延長部を形成することができる。これは、例えば誘電体材料の第１の面上の電極を材料の第２の面上の電極に対し変位させ、それによって変換器の周縁に受動部を配設することで得られる。さもなくば、それは電極に電極材料の小突起を設けることで得ることができ、この突起は誘電体材料の長手方向軸に沿って離間配置させ、誘電体材料の第１の面の突起を誘電体材料の第２の面の突起から変位させる。この場合、この突起が受動部を形成することになる。

変換器は、少なくとも２層の誘電体材料からなる多層複合体で構成することができ、第１層の誘電体材料が第１の電極を含み、第２層の電極が第２の電極を含み、これらの層を距離を置いた構造に合体させ、多層複合体の各面に接点部を形成することができる。これは、誘電体材料の第１の面上の電極を誘電体材料の第２の面上の電極に対し変位させた前述の状況に類似するものである。しかしながら、この場合、能動部と受動部は積層工程の結果として形成される。

前記した接点部を備える変換器を積層して平坦構造或いは巻回構造からなる多層複合体を形成すると、多層複合体の一端或いは両端での受動部生起を得ることができる。管状態変換器の場合、受動部は一端面或いは両端面に配置することができ、それ故に接点部は一端面或いは両端面に都合よく配置することができる。

少なくとも一つの電気的コネクタを、誘電体材料の各面の接点部に取り付けることができる。電気的コネクタは、好ましくはそれ自体公知で先行技術において他の目的に使用されていた標準的コネクタとすることができる。すなわち、電気的コネクタには金属帯片及び／又は金属要素及び／又は金属被覆ポリマー要素及び／又は導電ポリマー帯片を含めることができる。さもなくば、電気的コネクタには導電性接着剤及び／又は導電ポリマーを含めることもできる。この場合、導電性接着剤及び／又は導電ポリマーは好ましくは液体形状で塗布し、続いて硬化させて安定な接続をもたらす。

本発明の第２の態様によれば、上記ならびに他の目的は、容量性変換器の作成方法を提供することで実現され、この方法は、
一対の電極を設ける工程と、
電極間に誘電体材料を配設する工程で、電極と誘電体材料とがそれによってコンデンサを形成する前記工程と、
変換器が形成されるよう、かつ電極に供給される電気エネルギを変換器による駆動用の機械エネルギへ少なくとも一部変換することができるようコンデンサを配置する工程とを含む。

本発明の第１の態様と組み合わせて記載した全ての特徴を本発明の第２の態様に等しく組み合わせるか、或いはその逆のことは当業者が容易に認識する筈であることに、留意されたい。

本発明の第２の態様になる方法は、本発明の第１の態様になる容量性コンデンサの作成に極めて適しており、本発明の第１の態様を参照し前記した注釈はそれ故に等しく適用可能である。

本方法はさらに、軸方向に延びる軸周りに前記コンデンサを巻回し、前記軸方向に延びる伸長形状からなる変換器を形成する工程を含む。本実施態様によれば、例えば管状構造を有する前記した巻回コンデンサが得られる。

コンデンサの巻回工程は、非巻回コンデンサの断面二次モーメントの平均値の少なくとも５０倍、例えば少なくとも１００倍の巻回コンデンサの断面二次モーメントを得るのに十分な巻回数だけ巻回する工程を含む。前記した如く、得られる変換器は、この場合好ましくは通常の動作期間中に変換器の曲がりを回避するに十分な「剛性」を有する。

誘電体材料の配設工程は、
隆起面部分と陥凹面部分とからなる面パターンを有する形状特定要素を配設する工程と、
面パターン上へ液体組成誘電体材料を配設する工程と、
隆起面部分と陥凹面部分からなる複製パターンを持った表面を有する誘電体材料薄膜を形成するために、液体組成を硬化させる工程とを含む。

本実施態様によれば、誘電体薄膜の面に波形パターンを形成する。波形パターンは、製造工程中に面に直接形成する。

形状特定要素は、金型或いは金型様物体とするか、或いは他の任意の適切な形状や或いは面パターンを誘電体材料の薄膜、例えばウェブ上へ複製することのできる物体とすることができる。

液体組成の誘電体材料を面パターン上に配設し、続いて硬化させ、それによって誘電体材料からなる薄膜を形成する。誘電体材料は形状特定要素内に配置したまま硬化させるため、形状特定要素の面パターンは形状特定要素に対向する誘電体薄膜の面に複製される。

液体組成の誘電体材料は、使用する特定の誘電体材料と誘電体材料の生成薄膜の所望厚さを考慮して適切な仕方でもって面パターン上へ配設する。好適な実施態様によれば、液体組成の誘電体材料を面パターン上へ被覆し、それによって極めて薄い誘電体材料を形成する。しかしながら、この液体組成は、任意の適切な被覆や或いはこれらに限定はしないがダイ成形や射出成形やスプレー被覆や標準塗装等を含む成形法等の任意の製法にて配設することができる。

電極群の配設工程は、複製パターンの少なくとも一部へ導電層を堆積する工程を含む。本実施態様によれば、複製パターン上へ堆積させる電極は好ましくは複製面パターンを受け入れ、波形電極はそれによって前記した如く配設される。

前記した如く波形電極を配設することは非常に好都合であり、何故ならそれは誘電体材料に予歪を付与することなく配設できるからである。それによって、得られる可撓方向を含む波形電極のパターンに対する高度の制御が得られる。さらに、前記した製造工程により非常に低い抵抗を有する電極材料、例えば金属の使用が可能になり、この点で前記した利点がそれによって得られる。最後に、その上に配設するより肉薄の均一な電極を有する誘電体材料からなる極薄薄膜を配設することができる。このことは非常に好都合であり、何故ならそれが比較的大きな駆動力と比較的小さな応答時間を有する変換器の製造可能性をもたらすからである。

導電層は、物理的蒸着法にて薄膜上に蒸着することもできる。さもなくば、他の任意の適切な製法、例えば導電性粒子を含む溶液を用いたスプレー被覆を用いることもできる。

導電層は、０．０１μｍ〜０．１μｍ、例えば０．０２μｍ〜０．０９μｍ、例えば０．０５μｍ〜０．０７μｍの厚さで薄膜に堆積することができ、すなわち導電層は好ましくは極薄とする。この厚さは、水晶微量天秤により制御することができる。

水晶微量天秤は、一般に物理的蒸着に使用する厚さ計測技法である。それにより、蒸着被覆の厚さ、例えば金属被覆や同様の被覆がナノメートル未満の範囲の精度でもって制御できるようになる。

導電層は、スパッタリング法や電子ビーム法や他の適切な任意種の方法にて作成することができる。

導電層の接着性を改善すべく、薄膜をプラズマを用いて処理するが、この処理は低刺激プラズマを生成するとして知られるグロー放電を用いて行うことができ、この処理はアルゴンプラズマ中で行うことができる。加えて、プラズマ処理工程後でかつその上への導電層の堆積前に、密着促進剤を薄膜の少なくとも前記部分へ塗布することができる。密着促進剤は、この場合、薄膜と導電層との間にクロム層やチタン層を適用することで配設することができる。密着促進剤は、好ましくは物理的蒸着法にて誘電体材料からなる薄膜へ塗布するとよい。さもなくば、密着促進剤は他の任意種の工程を用いて塗布することもできる。

プラズマ洗浄は、エラストマー性薄膜の金属被覆加工における不可欠の工程である。それは、堆積材料の接着性を高める。しかしながら、全てのプラズマがエラストマー薄膜の処理に適するものではなく、プラズマはそれ故に慎重に選択しなければならない。前述の如く、アルゴンプラズマが好適である。プラズマ処理は、エラストマー境界に薄く極めて堅牢な珪酸塩「ガラス状」層を形成することが知られている。続いて導電層を設けると、得られるのは限定された可撓性を有する波形電極と、堅牢な電極に亀裂を生ずる危険性のために極めて大きくは伸長させることの出来ない複合体である。ここでアルゴンプラズマ処理を選択するが、この処理はアルゴンが希ガスであるのために反応性を持たない。しかしながら、アルゴンプラズマに組み合わさった真空蒸着チャンバ内の残る酸素や他の反応性ガスが僅かな反応の原因となる。処理持続期間だけでなく真空チャンバ内のアルゴン圧力や低刺激性のグロー放電のパラメータもまた最適化し、蒸着金属被覆をエラストマー薄膜に極めて良好に固着させる。得られる波形電極は極めて可撓性があり、複合体は電極を損

ここで、添付図面を参照し、本発明をさらに詳しく説明することにする。

図１ａと図１ｂは、本発明の実施形態になるスプール付き複合体１の連続ロールを示し、図１ｃは複合体１の一部の斜視図である。複合体の均整は、複合体１の異なる要素を図解する上で歪めてある。複合体１は、隆起面部分と陥凹面部分とからなるパターンを備える面３を有し、その面３の設計波形輪郭を形成する誘電体材料で出来ている薄膜２からなる。導電層４が面３に適用してあり、隆起面部分と陥凹面部分とからなるパターンに従って導電層が形成されるよう導電材料が堆積してある。有形日用品で言えば、薄膜２は一部形態において家庭用包装フィルムに類似するものである。それは、同様の厚さを有し、比較的曲げやすく柔らかいものである。しかしながら、それはこの種フィルムよりも弾性的であり、下記に説明することにする顕著な機械的異方性を有する。

誘電体材料は、エラストマー或いは同様の特性を有する別の材料とすることができる。

隆起面部分と陥凹面部分からなるパターンの故に、導電層４は薄膜２が延びる際に均一化され、矢印５が示す方向に沿って薄膜２が収縮する際に導電層４に対する損傷を引き起こすことなくその元々の形状を回復し、この方向がそれによって可撓性の方向を規定する。従って、複合体１は大きな歪に耐えることのできる可撓性構造の一部を形成するようにしてある。

上記した如く、波形面輪郭は導電層を堆積する前に誘電体薄膜２内へ直に型押し或いは成形する。波形により高弾性係数からなる電極材料、例えば金属電極を用いた可撓性複合体の製造が可能になる。これは、導電層４を適用しつつ誘電体薄膜２へ予伸長或いは予歪の適用を迫られることなく得ることができ、完成した複合体１の波形輪郭は誘電体薄膜２の歪に依存はせず、また導電層４の弾性や他の特性に依存もしない。従って、波形輪郭は一貫した仕方で誘電体薄膜２の実質全面３に亙り複製され、この複製を制御することが可能になる。さらに、この手法は標準的な複製とリール間被覆を用いる可能性を提供し、それによってこの製法は大量生産に適したものとなる。例えば、導電層４は標準的な市販の物理的蒸着（ＰＶＤ）技法を用いて誘電体薄膜２の面３に適用することができる。この手法の利点は、異方性が設計によって決まることであり、現実の異方性が誘電体薄膜２の面３に配設された波形輪郭と波形輪郭に従う導電層４の特性の結果として得られる。

図１ｃに示す複合体１は、矢印５が規定する方向に誘電体薄膜２の可撓性の範囲内の可撓性と、矢印６が規定する方向に導電層４の剛性の範囲内の剛性とを有するよう設計してある。図１では可撓方向が複合体１の長さに沿うのに対し、図１ｂの可撓方向は複合体１を横切るものとなる。このことは図１ａ内の複合体１を横切る細線により図１ｂの複合体１沿いに示してあり、細線は波形輪郭を形成する隆起面部分と陥凹面部分からなるパターンを表している。複合体１は、極めて長い長さの図１ａと図１ｂに示したスプールとして保存できるいわゆる「無端」複合体にて製造することができる。この種の半完成品は、変換器等、例えばアクチュエータの製造に使用することができる。

図２ａ〜図２ｆは、明瞭さに配慮して網掛けを省略した本発明の実施形態になる複合体１の断面図の一部を示す。各部の底部の対称線１０が示す如く、各部は複合体１の半分を示すだけである。さらに、導電層４は誘電体薄膜２の下面に堆積させることができ、この下面は波形面もまた形成し、それによって電場応答複合体、すなわち誘電体薄膜により仕切られた少なくとも二つの導電層を形成することができる。さらに、各部は各複合体の長さ方向の小部分を示すだけである。図示目的に合わせ、図２ａ〜図２ｇの比は一定していない。図２ｇは、図２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆの拡大断面図である。図２ａ〜図２ｇに示した複合体１は、例えば図１ａの複合体である。すなわち、複合体１は、隆起面部分と陥凹面部分とからなるパターンを持った面３を有する誘電体材料で出来た薄膜２を備え、それによって面３の波形輪郭を形成している。面３は、前記した指向的可撓性複合体を形成する導電層（図２ｇに示す）を備える。図２ａ〜図２ｆに示す如く、隆起面部分と陥凹面部分からなるパターンは様々な形状を持たせて設計することができる。

波形輪郭は、一連の良好な周期的正弦波様の三次元微細構造により表すことができる。さもなくば、波形輪郭には三角輪郭や四角輪郭を持たせることができる。波形電極の機械的撓み係数Ｑは、波形の深さｄと導電層４の厚さｈ（図２ｇ参照）との間の寸法比と、波形の深さｄとその周期Ｐとの間の寸法比とにより決まる。最も支配的な要因は、波形の高さｄと導電層４の厚さｈとの間の寸法比である。撓み係数が大きくなるほど、構造はより可撓性を有することになる。完全な可撓性を想定した場合、波形の深さｄとその周期Ｐとの間の寸法比について、理論的には元の長さに比べ湾曲輪郭は約３２％、三角輪郭は約２８％、四角輪郭は約８０％伸長させることもできる。しかしながら、実際にはこれは事実ではなく、何故なら四角輪郭は垂直梁と水平梁を備え、そのことが異なる可撓性をもたらし、何故なら垂直梁は屈曲し、それによって変位方向に極めて順応する動きが生まれ、一方で水平梁はずっと剛性があり、何故ならそれらは変位方向に延びるからである。それ故、湾曲輪郭を選択することがしばしば望ましい。

図２ａ〜図２ｆに示す複合体１では、誘電体薄膜２内に押し込み或いは成形した波形パターンは一連の良好に形成された周期的な正弦波状三次元微細構造により表すことができる。波形輪郭は、図２ａ〜図２ｆに示す如く薄膜２の上面３に形成してある。対称線１０が示す如く、第２の波形輪郭が薄膜の下面（図示せず）に形成してある。図２ａ〜図２ｆ中、断面は可撓性の方向に沿って走っている。可撓方向に垂直に平行な直線は隆起面部分と陥凹面部分の頂部と底部、すなわち正弦波状微細構造の波の山と谷を表す。これは、図１ａと図１ｃにより明瞭に見て取れる。これらの平行な直線に沿って可撓性は極めて低く、すなわちあらゆる実用目的にとって複合体１はこの方向に可撓性がない。換言すれば、この設計は一次元的な波を表し、それが導電層の適用時に誘電体薄膜２を異方性可撓性を有する電場応答複合体１へ変形し、ここで薄膜は自由に収縮或いは伸長し、一方で垂直方向に配置された断面方向は導電層４の機械抵抗がもたらす内蔵境界条件のお陰で「凍結」される。

図２ａ〜図２ｇにおいて、ｄは平均の或いは代表的な波形の深さ、すなわちこのパターンの隆起部分と隣接陥凹部分との間の平均の或いは代表的な距離を表す。Ｈは、誘電体薄膜２の平均厚さを表し、ｈは誘電体層４の平均厚さを表す。好適な実施形態では、誘電体薄膜２の平均厚さＨは１０μｍ〜１００μｍの範囲にある。図２ａ〜図２ｃは異なる波形の深さｄを有する複合体１を示すものであるが、波形周期Ｐは図示の３個の複合体について実質同一である。図２ｄと図２ｅの複合体１を比較するに、波形深さｄは実質同一であるが、図２ｅの複合体１の波形周期Ｐは図２ｄに示した複合体１の波形周期Ｐよりも大である。ここで比較するに、図２ｆの複合体１はより小さな波形深さｄとより大きな波形周期Ｐとを有する。

本発明に従い説明した導電層４の形をなす異方性波形可撓性金属電極を有する誘電体薄膜２の特性は、発明者が開発した設計規準に従う設計により最適化される。これらの設計規準は、誘電体材料および導電層の材料の誘電体特性と機械特性を考慮した。

一方で誘電体材料の相対的誘電率と破壊電界と、他方で電極間の電位差が、誘電体薄膜２の平均厚さＨの範囲を決める設計パラメータとなる。誘電体材料の特徴的特性は、通常Ｗａｃｋｅｒ−Ｃｈｅｍｉｅ社やＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ社等の誘電体製造業者等により提供されている。

波形深さｄは、電極間に位置する誘電体薄膜全体の比較的一様の電界分布を得るべく誘電体薄膜厚さＨについて最適化する。この種最適化工程は、有限要素模擬法を用いて行われる。高ｄ／Ｈ比は非一様電界分布に対応し、低ｄ／Ｈ比は比較的一様な電界分布に対応する。

異方性特性と可撓性特性は、一方で成形加工と他方で波形形状を取り込む導電層とにより誘電体薄膜、例えばエラストマー薄膜の面に与えられる形状と幾何構造の複合結果となる。電極層厚さｈと波形周期Ｐは、「面内」方向に可撓性があって横断方向「面内」方向に殆ど可撓性のない金属電極を有する誘電体薄膜を得るべく、波形深さｄについて最適化する。一方向に非常に可撓性のある薄膜は、電極に損傷する危険を伴うことなくこの方向に比較的低レベルの力を印加することでこの方向に大幅に引き伸ばす、すなわち伸長させることのできる薄膜であり、横断方向に力を印加したときに横断方向に非常に制限された伸長を有する薄膜である。電極の可撓性を最適化すべく、ｄ／Ｐ比とｈ／ｄ比を最適化しなければならない。高ｄ／Ｐ比は頗る可撓性のある電極をもたらし、低ｄ／Ｐ比は可撓性のより少ない電極をもたらす。高ｈ／ｄ比はより可撓性の少ない電極をもたらし、低ｄ／Ｐ比は頗る可撓性のある電極をもたらす。波形電極付きの誘電体薄膜の異方性の程度は、複合体が撓む方向と複合体が殆ど撓まない横断方向との間の可撓性比により決まる。高い可撓性比は頗る異方性のある構造に帰結し、低い比は等方性に近い構造に帰結する。

設計パラメータ（Ｈ，ｄ，ｈ，Ｐ）に関する範囲が前記説明に従って一旦特定されると、可撓性の程度とそれが受けることのできる可撓性の方向の最大の伸長と駆動力の如何の点で、導電層の形態において金属電極付きの誘電体の性能を予測することが可能となる。横断方向の剛性もまた、予測することができる。これらのパラメータに関する精製工程は、必要に応じて行うことができる。

所与の駆動力について、本発明に従って製造、すなわちその上に電極を堆積した誘電体材料から作成したアクチュエータは、ずっと小さな重量を有し、すなわち相当の駆動力を供給することのできる磁気アクチュエータ等の従来のアクチュエータよりも少なくとも５分の１の小さな重量を有することに、留意されたい。このことは、アクチュエータの容積と重量が関連する場合の応用にとって非常に重要である。

全ての設計パラメータを一旦最適化すると、波形の幾何構造向けの厳密な仕様に従い金型を設計する。

有限要素法静電模擬に基づき、本発明の発明者は比ｄ／Ｈを１／３０〜１／２の範囲とすべきことが分かった。例えば、１／５の比と約４μｍの波形深さを持たせることで、誘電体薄膜２の厚さはほぼ２０μｍとなる。さらに、波形深さｄと波形周期Ｐとの間の比ｄ／Ｐと導電層の厚さｈと波形の深さｄとの間の比ｈ／ｄは、電極の可撓性に直接影響する重要な比となる。好適な実施形態では、比ｄ／Ｐは１／５０〜２の範囲とし、比ｈ／ｄは１／１０００〜１／５０の範囲とする。

誘電体薄膜２の平均厚さＨを決めるときに検討する別の問題は、誘電体材料に関連するいわゆる破壊電界である。導電層４を誘電体薄膜２の各面に堆積し、それによって電場応答複合体を形成すると、所与の材料厚さＨに対しこれらの導電層間の電圧Ｖ、すなわち材料の破壊電界Ｖ／Ｈを超えないようにすべく、誘電体薄膜２の厚さＨに対応する距離に関する最大値が存在する。誘電体薄膜２が面積３全体に厚さの大きなばらつきを呈すると、導電層間の所与の電圧について電界と厚さのばらつきは同じ水準となろう。その結果、より高い局所電界を有する誘電体薄膜２の一部はより小さな局所電界を有するものよりも伸長しよう。さらに、複合体１が破壊電界近くで動作する変換器の状況にあっては、この種ばらつきが変換器を損傷することがある。何故なら誘電体薄膜２の一部が破壊電界を上回る電界にさらされることになるからである。従って、誘電体薄膜２を加工するときに最大に可能な範囲への平均厚さのばらつきを低減させることが非常に重要である。加工上の理由から、１０％の平均厚さのばらつきは受容可能と考えられる。設計により、すなわち本発明に従って波形電極を有する変換器を製造するときに、これらの値は比較的正確な仕方で制御することができる。

図３ａと図３ｂは、ゼロ電位差にさらされ（図３ａ）、高電位差にさらされる（図３ｂ）誘電体薄膜２により仕切られた二つの導電層４からなる電場応答複合体１を示す。図３ｂに示す如く、誘電体薄膜２を延ばし、その一方で電位差にさらしたときに、導電層４は均一化される。このことは、明瞭さに配慮し網掛けを省いて、経時的に異なる段階における電場応答複合体１の断面の一部を示す図４ａ〜図４ｃに詳しく図示してある。対称線１０が、複合体１が各面に堆積された導電層４を有する電場応答複合体である各図の下部に示してある。図４ａはゼロ電位差にさらされる電場応答複合体１を示すものであり、波形深さは設計深さｄであり、波形周期は設計周期Ｐである。図４ｂには、誘電体薄膜２が可撓方向に延び、低減された厚さＨ’の薄膜が得られることが図解されている。さらに、導電層４はより小さな波形深さｄ’とより大きな波形周期Ｐ’をもたらすよう均一化してある。図４ｃは、時間経過した段階での電場応答複合体１を示し、薄膜２の厚さＨ”はさらにもっと低減してあり、波形深さｄ”はさらに小さくしてあり、波形周期Ｐ”はより大きくしてある。

本発明に従って生成されるコンデンサが「自己回復」機構を呈することに、留意されたい。自己回復機構は、極薄電極付きコンデンサの特性である。コンデンサからなる誘電体材料が含有物やピンホール等の欠陥を有するときに、それが行われる。所与の厚さを有するこの種コンデンサについては、電極間の印加電位差が前記に規定されたいわゆる破壊電圧に近づくと、平均電界は危険な破壊電界に近づく。しかしながら、欠陥を有する領域では、この危険な破壊電界を超え、欠陥箇所の誘電体薄膜厚さにかかる加速された衝突電荷のためにカスケード効果が発生し、それによって誘電体材料にかかる大きな突入過渡電流が誘起される。このことでマイクロ秒範囲或いはそれをずっと下回る特性時間でもって局所的過渡的過熱が生じる。それは欠陥箇所とそれらのごく近傍の極薄の対向電極の材料を「減少／消滅」させるに十分となる。これにより、電極材料がそれ以上存在しない欠陥を囲む領域が生まれる。さらに、減少した電極材料を有する領域の寸法は局部電界に合わせ増大する。しかしながら、この種コンデンサは破損せず、連続して動作する。かくして、「自己回復」と呼ばれる。減少領域が全体としてコンデンサの全面積のごく無視可能な一部を表す限り、このことはコンデンサの性能に対しごく僅かな影響力しか与えないことになる。自己回復はコンデンサが厚肉の電極で出来ている場合には生じないが、それは局所的な過熱レベルが欠陥箇所において厚肉電極材料を減少させるに十分でないからである。その場合、致命的な破壊に至ると、コンデンサに必然的な瞬時的破損が発生する。実際、本発明の発明者は最大０．２μｍまでの厚さを有する金属電極を作成し、故障した状態においてコンデンサを動作させたときでさえ、自己回復を常に観察した。これはコンデンサに対するどんな実質的損傷も引き起こさず、コンデンサはそれ故に作動し続ける。

図５乃至図９は、それによって多層複合体を作成する複合体１の波形の例を示すものである。図５ａと図６ａに示す如く、電場応答多層複合体１５，１６はそれぞれの複合体１が前面２０と背面２１を有する誘電体薄膜２を備え、背面２１が前面２０に対向する少なくとも二つの複合体１を備える。前面２０は隆起部分と陥凹部分からなる面パターン３と面部分３の少なくとも一部を被覆する第１の導電層（図示せず）とを備える。図５ａと図６ａは多層複合体１５，１６の一部だけを示すものであり、その部分は図解目的に合わせ別次元の均整を有する。

図５ａと図５ｂは、その前面２０を下記において一般に前面−背面間多層複合体１５と呼ぶ隣接複合体１の背面２１に対向する状態で配置した第１の複合体１を有する電場応答多層複合体１５を示す。この種積層工程では、第１の複合体１の導電層は第２の複合体１の背面と直接当接する状態にある。複合体１は、誘電体薄膜２の生成に使用するのと同種のエラストマーの使用或いはさもなくば二つの複合体１を接着剤を使用しないで積層するかのいずれかで積層してある。一部目的に合わせ、多層複合体を接着剤を用いない積層複合体で作成することが好ましい。これらの場合、波の谷は単純に空気で充たされる。

隆起面部分と陥凹面部分からなるパターン３のために、薄膜が延びる際に各複合体の導電層を均一化することができ、薄膜が矢印５（図５ｂ参照）が規定する方向に沿って収縮する際に導電層に対し損傷を招くことなくその元々の形状を回復し、この方向がそれによって可撓方向を決める。すなわち、図５ｂに示した多層複合体１５は矢印５の方向に頗る可撓性を有するよう設計してあり、矢印６の横方向に頗る剛性を有するよう設計してある。

図５ｃと図５ｄは、ゼロ電位差にさらし、高電位差にさらす電場応答多層複合体１５を示す。図５ｄから判るように、この誘電体薄膜を延び、その一方で電位差にさらしたときに導電層は均一化する。さらに、多層複合体を電位差にさらしたときに波の谷の深さ（波の深さｄ）を低減させることが理解できる。複合体は、高電位差を積層複合体へ印加することで結合でき、それによって一つの複合体の薄膜と隣接複合体の導電層は追加の接着剤を使用することなく互いに密着させることができる。かくして、それらは静電力により緊密に当接する状態に持ち込むことができる。さもなくば、エラストマーで作成したときに若干粘着性となる誘電体薄膜の特性のために、それらは例えばローラの使用によりそれらを互いに押圧することで相互に密着させることができる。

これまでの代替例として、図６ａと図６ｂは、その背面２１を下記において一般に背面−背面間多層複合体１６と呼ぶ隣接複合体１の背面２１に対向する状態で配置した第１の複合体１を有する電場応答多層複合体１６を示す。複合体１は、複合体１の誘電体薄膜２に類似の特性を有するエラストマー接着剤の使用によっても密着結合させられる。さもなくば、二つの複合体１は接着剤の使用によらずに積層させる。

図６ａに示した電場応答多層複合体１６では、波形面３を複合体１を波形化する前或いは後に導電層でもって被覆することができる。背面−背面多層複合体１６は、誘電体薄膜２内の欠陥や導電層内のピンホール等の影響を隣接層がごく近傍に同様の瑕疵が持たない場合により危険でないものにできる利点を有する。

個別複合体１は同一の生産工程において作成した場合、各複合体１の同一場所に同一の瑕疵が存在する増大した危険性が存在することになろう。この種瑕疵の影響を低減させる上で、一つの複合体１の位置を隣接複合体１に対しシフトさせ、或いは複合体１を相互に回動させることが好都合であろう。

積層加工は、製造工程における不可欠の工程を表す。かくして、張力制御付きの精密な波形成形機を使用すべきである。

多層複合体１５と同様、図６ｂに示す複合体１５と複合体１６は矢印５の方向に頗る可撓性を持たせて設計し、矢印６の横断方向に頗る剛性を持たせて設計してある。

図６ｃと図６ｄは、ゼロ電位差へさらし、高電位差へさらす電場応答多層複合体１６を示す。図６ｄから判るように、電位差にさらしたときに、誘電体薄膜は延び、その一方で導電層は均一化される。

図７ａは、図５ａに示した種の電場応答多層複合体１５が具体的要請に応じて無制限の数の複合体１をさらに収容できることを示すものである。図５ａの多層複合体は作動しない二つの誘電体薄膜２の中の一つの誘電体薄膜２を含み、すなわち二つの誘電体薄膜２の一方だけを二つの導電層（図示せず）間に配置してある。図７ａは多数の複合体がこのような電場応答多層複合体１５に対する非作動層の影響を低減させることを示すものであり、何故なら最低部の複合体１５を除く全てが電極間に位置するからである。

図７ｂは、数に制限のない複合体１を含む電場応答多層構造１５を形成する代替法を示すものである。複合体１は、複合体１が互いに直接当接しないような仕方で複合体１間に配置した接着剤層２２により積層してある。接着剤層２２の材料は、伸長能力の点で複合体１の誘電体材料のそれと類似の特性を有する。これは、多層構造１５が作動するときに誘電体材料と共に接着剤層２２が伸長できるようにするためである。かくして、接着剤層２２は都合よくはエラストマーから、すなわちエラストマー様特性を持った材料から作成することができる。

図８中、図６ａにも示した同種の二つの電場応答多層複合体１６、すなわち背面−背面複合体を互いの上に積層してある。この電場応答多層複合体では、導電層は互いに当接する２個一組をなす。二つの誘電体薄膜２が、二つの導電層からなるこの種組のうちの二つの間に配置してある。この積層体は、個別層において製造欠陥の低減された影響をもたらす。さらに、第３のもしくはよりさらなる一（又は複数）の電場応答多層複合体１６を多層複合体に追加することができる。

図９は、図８に示した積層体に類似の多層複合体１６の積層体を示す。しかしながら、図９に示す状態では、背面−背面多層複合体１６は２個一組で積層してあり、この２個一組で積層した多層複合体１６をそこで併せ積層してある。図９に示す積層体では、互いに対向する２個一組の隣接積層体からなる導電層が同一の極性を有することが保証される。従って、この種積層体は電極を短絡させる危険性を伴うことなく巻回することができ、それ故に積層体は例えば管状変換器を形成する上で巻回に適したものとなる。

図１０ａは、巻回する図５ａに示す前面−背面電場応答多層複合体１５を示す。複合体１は非常に長い長さ、いわゆる「無端」の複合体で製造できるため、多層複合体１５は非常に長い長さで製造し、それによって多数の巻回体からなる巻回多層複合体の製造を可能にすることができる。

図１０ｂは、ロッド２３周りの多層複合体１５の巻回を示すものである。ロッド２３は多層複合体１５の端部に配置してあり、複合体１５はそこで図示の如くロッド２３周りに巻回する。それによって、多層複合体１５は巻回管形状が得られる。

図１１ａと図１１ｂは、巻回し或いはさもなくば積層した変換器を形成するのに適した複合体２４の一部を示す。複合体２４は隆起面部分と陥凹面部分からなるパターンを持った面を有する誘電体材料で出来た薄膜２を備え、それにより設計された波形輪郭の面を形成し、すなわち薄膜２は図１ｃの複合体の薄膜２に類似する。この場合、薄膜２は交互介挿パターンにて配置した負電極部２５と正電極部２６を有する導電層を備え、すなわち負電極部２５と正電極部２６はその間の空隙に交互に出現する。空隙内では、導電層は誘電体薄膜上に堆積されていない。矢印２７は、複合体２４が図１３ａに示す非常に長い「無端」複合体や図１３ｂに示す折り畳まれた複合体にできることを示している。

図１２ａ〜図１２ｃは、図１１の複合体２４の一つの可能な作成方法を示す。図１２ａは、二つのロール３０上の非常に長い薄膜である薄膜２を示す。導電層（図示せず）は、非連続蒸着ロール間法を用いて薄膜２上に堆積させる。矢印３１は、加工方向を示す。導電層は、電極部２５，２６間に空隙を配設すべくシャドーマスク３２を介して堆積する。導電層を薄膜２の一領域に堆積すると、薄膜２は矢印３１の方向に巻かれ、停止する。シャッタ（図示せず）が開き、導電層が薄膜２の隣りの領域に堆積され、この領域は先の領域に隣接しており、同一の極性を持った電極間の連続する過渡的当接を保証する。このシャッタは、導電層の所要厚さが達成されたときに閉じる。電極がシャドーマスクを介して堆積されるという電極堆積原理は、実用上の理由から一定の幅と空隙を有する電極の製造により適したものである。代替例として、空隙はレーザ切除により作成することもできる。事実、レーザ切除により空隙を作成することは好ましく、何故ならこの種技法を用いると、各空隙とかくして導電層の各部分の可変幅との間に可変距離を持たすことが非常に簡単になるからである。このことを、下記により詳細に説明することにする。

図１３ａは、巻回複合体３５として形成した図１１ａと図１２ａ，１２ｂの複合体２４ａを示す。ＤとＲは、複合体２４をその上に巻回するロール３６の直径と半径を表す。実線は正電極を表し、対して点線は負電極を表す。明瞭さに配慮し、巻回複合体は同心円により図示してあることに留意されたい。しかしながら、実際には巻回複合体が螺旋パターンを形成していることは理解されたい。電極２５，２６の幅ｗとこれら電極部間の空隙（ｇａｐ）の幅は、下記の如くロール３６の断面積に基づき決定される。すなわち、２π（Ｒ）＝ｗ＋ｇａｐであり、ここで空隙はｗに比し非常に小さいものである。さらに、複合体２４ａの厚さｔが空隙よりも小さいことが好ましい。さもなくば、この巻回加工により形成される変換器の効率は小さくなる。複合体２４ａを転動させることで巻回体を作成すると、空隙は先の巻回体に対し薄膜厚さの水準２πｔ・ｎで接線方向にシフトする。かくして、空隙シフトが空隙幅を超えた場合、同極性を有する電極は重複しがちとなり、これがコンデンサの対応部分を非作動とする。本方法は、限定された巻回数を有するアクチュエータを構築し、予歪構造すなわち電極部と空隙を平坦な管状アクチュエータの平坦部分に対応する誘電体ウェブの一部に堆積する平坦な管状アクチュエータにおいて動作させるのに好適である。可変幅ながら一定の空隙幅を有する電極の設計にレーザ切除を用いる場合の代替方法は、ロール状にした管状アクチュエータにとってより適切なものとなる。この場合、空隙と減少させた領域の幅はレーザスポット寸法を動かすことで決まり、アクチュエータの成長周縁の所与の巻回体に関連する所与の電極幅が幅と空隙を巻回体周縁に合致させるようにする。

同様に、図１３ｂは折り畳まれた複合体３７としての図１１ｂの複合体２４ｂを示す。対向極性の電極２５，２６が直接当接しないよう保証されるよう複合体２４ｂを慎重に折り畳むことは、図１３ｂから明白である。

図１４ａと図１４ｂは、複合体２４の折り畳みによる図１１に示す複合体の積層体を示す。さもなくば、複合体は図１ａと図２に示す種とすることもできる。複合体１，２４は長い構造にて製造し、それによって複合体１，２４の長さと幅を決め、隆起面部分と陥凹面部分からなるパターンを有する面３を持たせる。こパターンが共通方向に延びる波の山と谷を形成しており、共通方向は長尺構造の幅に実質沿って配置される。従って、複合体１，２４は共通方向に垂直な方向、すなわち長尺構造の長さ沿いに可撓性を有する。

図１４ａの複合体１，２４は、長さに沿って長尺構造を折り畳むことで、すなわち得られる電場応答多層複合体４０の幅が複合体１の幅に同一となるよう積層してある。複合体１，２４の可撓方向の向きのために、電場応答多層複合体４０は矢印４１で示す方向に可撓性を有することになる。

図１４ｂは、本発明の別の実施形態になる複合体１，２４の積層体を示す。これは、図１４ａに示す実施形態に極めて類似するものである。しかしながら、この場合共通方向は長尺構造の長さに実質沿って配置され、複合体１，２４はそれ故に図１ｂの複合体として長尺構造の幅に沿う方向に可撓性を有する。従って、得られる電場応答積層体４２は矢印４３で示す方向に撓むことになる。

かくして、図１４ａに示す積層複合体は積層複合体の長さ沿いに撓む。これは、図１４ａの構造が任意の長さ、すなわち任意の所望のストローク長にすることができることを意味する。同様に、図１４ｂの積層複合体は積層複合体の幅に沿って撓む。このことは、図１４ｂの構造が任意の幅で作成できることを意味する。かくして、意図した応用例の幾何学的要件に従い任意の適切な寸法をもって変換器を設計することが可能となる。

図１５ａ〜図１５ｃは、本発明の一実施形態になる直動(direct actuating)変換器５０の斜視図である。図１５ａ〜１５ｃの直動変換器５０は多層複合体、例えば図１ａ或いは図５に示した種を巻回させることで製造してある。図１５ａの変換器５０ａは中実であるのに対し、図１５ｂの変換器５０ｂは中空である。変換器５０は任意の伸長形状、例えば実質的に円形や楕円形の或いは図１５ｃに示す如く形成した湾曲する断面を有する実質筒状体形状を持たせることができる。

図１５ａ〜図１５ｃでは、柱体状の変換器５０を形成するよう巻回した複合体は矢印５１で示す方向に平行な可撓方向を有する。従って、電気エネルギを直動変換器５０の電極へ印加したときに、変換器５０は矢印５１の方向に軸方向に伸長する。変換器５０を本発明の所定形態に従って適切に作成し寸法を持たせた場合、それらは軸方向伸長に抗しがちな軸方向負荷に対し相当の力を作用させることができる。

本明細書に先に示したように、本発明の電場応答複合体は極めて柔軟で曲げやすく、その曲げやすさにおいて通常の家庭用粘着フィルムやポリエチレン買い物バッグ用シート材料に類似する。複合体は、先に説明した如く、一つの方向に頗る伸長性があり、垂直方向には伸長性が極めて乏しいそのより高い弾性ならびにその機械的異方性によりそれらの材料とは異なる。

発明者は、ここで複合体の柔軟性や可撓性や弾性にも拘らず、十分な長さの複合体を巻き上げることで形成したロールは非常に剛性のあるものとなろうことを了解している。薄膜の機械的異方性についてロールを適切に巻回した場合、機械的異方性が持ち込む軸方向可撓性を有することになり、また依然としてそれは軸方向負荷の下で曲げに十分に抗することができる。

従って、導電電極層を有する波形異方性誘電体薄膜層の複合体は、管状要素の生成構造を、曲げを防止すべく十分堅牢にする上で十分な巻回数をもって管状形状へ巻回することができる。本文脈では、用語「曲げ」は印加された軸方向負荷のために屈曲することで伸長構造が変形する状態を意味する。伸長構造内部の何らかの剛性強化ロッド或いはばね等の追加の構成要素は、軸方向負荷の技術的な有用レベルの下で曲げを排除する上で十分な剛性を取得する必要の全くないことが分かっている。要求剛性は、単に複合材料からなる十分な数の巻回体を巻き上げることで得られる。

図１５ａ〜１５ｃに示した巻回構造は、剛性が曲げを排除するに十分な負荷の具体的な最大負荷レベルに耐えるよう設計してある。この具体的な最大レベルは、例えば所定レベルの伸長での所定レベルの力とすることができ、或いはそれを最大レベルの駆動力や遮断力或いは変換器を矢印５１の方向に対しより短い長さへ圧縮したときに発生するより高い力レベルとすることもできる。

本出願に記載した直動変換器用の設計パラメータは、発明者が開発した設計規準に従い最適化する。これらの設計規準により、アクチュエータ性能仕様に基づく巻回アクチュエータ（変換器）の最適寸法の決定が可能になる。

電場応答複合体の機械的特性と静電特性は、単位面積当りの駆動アクチュエータ力とストロークを推定する根拠として使用する。本発明に従って記載された巻回アクチュエータは、例えば１μｍ範囲に厚さを有する図１ａと図１ｂに示した極薄の電場応答複合体を巻回／スプール巻装することで作成する。この種の典型的なアクチュエータは数千の巻回体で作成でき、アクチュエータ壁厚の１ｍｍ当り１００巻回ほどを含ませることができる。

駆動時に、直動／押動アクチュエータは電気エネルギを機械エネルギへ変換する。このエネルギの一部はアクチュエータ材料の潜在エネルギの形にして保存され、アクチュエータを放電させたときの使用に向け再度利用できるようになる。機械エネルギの残りの部分は、駆動用に効果的に利用可能となる。駆動エネルギへの機械的エネルギのこの残りの部分の完全な変換は、アクチュエータ構造が軸方向の圧縮のために公知の欠陥屈曲モードのように機械的に不安定とならない場合にのみ可能とされる。このことは、アクチュエータ長に関連してアクチュエータの断面積に適切に寸法を持たせることで達成できる。数学的には、これはオイラーの柱体安定性定理に対応するものである。本発明によれば、この定理は電場応答多層複合体の十分な巻数まで巻き上げることで形成される柱体アクチュエータにも当てはまる。

最適化工程は、所与の適用に必要な力のレベルを規定することで始まる。次に単位面積当りの駆動力に基づき、そのレベルの力に至るのに必要な断面積を推定することが可能である。

筒状構造については、筒状体の長さと半径の間の所与の比に対する限界軸方向負荷すなわち力Ｆｃは、
Ｆｃ＝ｃ・π²・Ｅ・Ａ／（Ｌ／Ｒ）²
により与えられる。ここで、
ｃは境界条件依存定数、
Ｅは弾性係数、
Ａは筒状体の断面積、
Ｌは筒状体の長さ、
Ｒは筒状体の半径である。

ここで、その電極に電圧Ｖを印加することで駆動する筒形電場応答ポリマー変換器を考察する。非負荷状態では、変換器は単に細長いだけである。軸方向負荷が抑制されている場合、変換器は電圧Ｖと共に増大する負荷に対し力を作用させることになる。変換器を駆動させることのできる最大力Ｆ_maxは、変換器の構成に依存する。

所与の長さＬと断面Ａについて、このことはＦ_max＜Ｆ_cよりも大きな力を許容しない仕方でもって電圧を制御する必要があることを意味する。所与の断面について、このことは筒状体の長さを限界の長さＬ_c、すなわちＬ＜Ｌ_cよりも小さくしなければならないことを意味し、Ｌ_cは下記の如く定義される。

所与の断面積と選ばれた最大力レベルを有する変換器５０について、最大電圧レベルに関連する最大力レベル、すなわち限界の長さＬｃは公式
Ｌ_c≦｛ｃ・ｒ²・π²・Ｅ／（Ｆ_max／Ａ）｝^1/2
から導出することができ、設計規範は、Ｌ＜Ｌ_cとなる。

選択された電圧レベルでは、所要の断面を有する変換器５０は所与の最大力、いわゆる０％伸長時の遮断力Ｆ_blをもって駆動することができる。この状況では、設計規範は、
Ｌ_c＝｛ｃ・ｒ²・π²・Ｅ／（Ｆ_bl／Ａ）｝^1/2
となる。

Ｅ＝１ＭＰａ、Ｆ_bl／Ａ＝２０Ｎ／ｃｍ²、ｃ＝２を有するエラストマーで出来た変換器５０についてこれらの設計規範を適用するに、Ｆ_max＝Ｆ_blの設計規準はＬ_bl＝１０・ｒ、すなわちいわゆる細長比λは、遮断力に等しい負荷において非屈曲構造を得る上で下記の条件を満たさねばならない。
λ≦Ｌ／ｒ＝１０

同じ変換器５０に対する駆動力に関する、すなわち同じ半径ｒを有する筒状の対称的変換器５０について代替的に選択されたより低いレベルでは、長さＬに関する設計規範は下記の式
Ｌ≦Ｌ_bl・（Ｆ_bl／Ｆ）^1/2
から導出することができる。

これは、例えば１０％伸長の駆動レベルが（１／４）・Ｆ_blの場合、そのときは１０％伸長時の変換器の長さＬが、
Ｌ≦Ｌ_bl・｛１／（１／４）｝^1/2＝Ｌ_bl・２
となることを意味する。

オイラーの定理は、変換器ストロークに対する具体的必要性をもって変換器５０と誘電体薄膜の選択された百分率の伸長の設計に適用することができる。増大した数の巻回数のお陰で筒状の対称変換器５０ａ，５０ｂの断面積Ａの増大に対する制約は一切存在せず、オイラーの定理から導出された設計規準が実現されるのために、単純に所要レベルの駆動力を得るのに必要な巻回数を決めることが可能になる。従って、上記に記載された技術により所与の力レベルと直動用の所与のストロークにて非屈曲特性を有する誘電体変換器を構築することが可能となる。

直動型容量性変換器の設計時に、曲げに対抗してその機械構造を寸法決めする必要がある。これは通常、Ｉとして知られるその断面二次モーメントを増大させることで果たされる。一例として、所与の厚さ（ｈ）と幅（ｗ）と長さ（Ｌ）を有する一片の紙面はその長さに平行な方向に紙面に僅かな力が印加されたときに屈曲することになる。しかしながら、それを幅方向に巻回させることで、それを曲げるのに非常に大きな力が必要となろう。巻回−平坦屈曲剛性比は、そこで（３／２）・｛１＋［ｗ／（ｈ／π）］²｝により与えられる。この種の一例は、ｗ＝４０ｍｍ、ｈ＝１ｍｍとすることで、そこで比は約２４５となる。

何らかの機械的不安定さに対抗するアクチュエータの安定化には、断面二次モーメントＩを増大させることでその断面を寸法決めする必要がある。低い値のＩはより安定性の乏しい構造に帰結し、高い値のＩは曲げに対し非常に安定した構造に帰結する。構造を寸法決めする設計パラメータは、断面積Ａに関する旋回半径ｒ_gと断面モーメントＩである。低い値のｒ_gはより安定性の乏しいアクチュエータに帰結し、高い値のｒ_gは非常に安定したアクチュエータに帰結する。面積Ａと旋回半径ｒ_gの両方について最適範囲を決めると、ｒ_gに関する巻回アクチュエータ壁厚についての最適範囲をｔ／ｒ_gの形で決めることが可能になる。面積Ａと半径ｒ_gと壁の厚さｔは、最大安定性に向けアクチュエータ断面を寸法決めする設計パラメータとなる。低い値のｔ／ｒ_gは極めて安定したアクチュエータ構造に帰結し、高い値のｔ／ｒ_gはより安定性のないアクチュエータ構造に帰結する。

断面パラメータの範囲が一旦決まると、所要レベルの力に対し軸方向の圧縮による曲げが発生しないアクチュエータの最大長さを推定する必要がある。旋回半径ｒ_gの半径に対する長さＬの比として規定される細長比が、オイラーの定理に関するパラメータとして一般に用いられる。低い値のＬ／ｒ_gは極めて安定したアクチュエータ構造に帰結し、高い値のＬ／ｒ_gは曲げに対しより安定しないアクチュエータ構造に帰結する。

最適能動直動アクチュエータに関する全ての設計パラメータが一旦決まると、μｍ範囲の特定の厚さを有する所与の電場応答複合体についてのアクチュエータ壁厚ｔと１ｍｍ当りの巻数ｎとに基づき、アクチュエータを構築するのに必要な総巻数を推定することが可能になる。

好適な実施形態では、変換器の巻数ｎと壁厚ｔとの間の比ｎ／ｔは、１０巻回数／ｍｍ〜５０巻回数／ｍｍの範囲とすべきである。さらに、変換器の長さＬと変換器の旋回半径ｒ_gとの間の比である細長比は２０未満とすべきである。旋回半径ｒ_gは、Ｉを断面の面積モーメントとし、Ａを変換器の断面積とすると、ｒ_g＝（Ｉ／Ａ）^1/2となる。

かくして、本発明に従って変換器を慎重に設計することで、たとえ非常に柔らかな誘電体材料を使用したとしても、大きな駆動力を得ることが可能になる。駆動力は、より硬い材料から作られた従来の変換器、例えば磁気変換器に比肩するレベルに到達しさえする。このことは、大きな利点である。

図１６ａは、本発明の一実施形態になる直動変換器におけるストロークの関数としての力を示すグラフである。変換器の異方可撓性導電層に電圧を印加すると、薄膜厚さ全体にかかる電界誘導圧縮は変換器の可撓方向に沿う伸長／ストロークへ変換される。圧縮歪はマクスウェル歪Ｐと呼ばれ、対応駆動力は静電力Ｆ_{electrostatic}と呼ばれる。伸長時に、誘電体材料は図１６ａに示す如く変換器ストロークと共に増大する対向力Ｆ_elastomerを及ぼす。

その結果、直動に利用可能な実効的力Ｆａｃｔは記述した二つの力から導かれ、図１６ｂに示す如くＦ_act＝Ｆ_{electrostatic}−Ｆ_elastomerとなる。直動アクチュエータの力対ストロークを表す特性曲線は力変換器にとって一般的であり、ここでは駆動力は増大するストロークの関数として減少し、最後に図１６ｂに表したようにストロークの最大値が「ゼロ」駆動力に対応するものに達する。

図１６ｃは、直動容量性変換器、すなわち巻回型変換器の異なる外径ごとに変換器ストロークの関数としての算出直動力の範囲を示すものである。数百乃至数千ニュートンの範囲の大きな駆動力を、発生させることができる。遮断力は、１０％変換器ストロークにて規定される公称駆動力よりも通常４桁は大きなものとなる。０．５〜１ＭＰａの範囲の弾性係数を備える４０μｍの厚さの誘電体材料で出来た直動容量性変換器は、一般的な駆動電圧３０００ボルトについて単位面積当り０．１〜０．２Ｎ／ｍｍ²の範囲の力を発生することになる。大型変換器の断面を考えたときに、これは図１６ｃに示す大きな駆動力に相応するものとなる。

図１７ａと図１７ｂは、本発明の代替実施形態になる直動変換器５２の斜視図である。図１７ａと図１７ｂの変換器５２は、筒状体の接線に沿う撓み方向を有する。従って、変換器５２の伸長は矢印５３が示す管状構造の周縁で発生し、すなわち変換器５２は半径方向に伸長と収縮をさせられる。

図１８ａは、平坦な管状構造６０を形成する複合体１の積層体を示す。複合体１は、都合よくは図１ａと図２に示す種とすることができる。変換器６０は変換器の剛性を保証すべく十分に多数の密着結合複合体の積層体からなり、その剛性は予歪を与えることなく変換器が作動できるようにするに十分なものとしてある。変換器６０は、例えば非常に平坦な管状構造にて図１ａと図２に示す種の連続複合体を巻回することで製造してある。この設計を用いることで、前記した層の数に関する制約は取り除かれる。それによって、変換器６０は図１５ａ〜図１５ｃを参照して前記したもの同様、必要なだけ強力に作成することができる。

図１８ａに示した平坦な管状構造の変換器６０は、二つの離間するロッド６１の周りに複合体１を転動させて複合体１の巻回パターンを形成することで得られる。複合体１の可撓方向の向きのために、平坦な管状構造６０は矢印６２が示す方向に可撓性を有することになる。図１８ｂは、二つのばね６３により予歪を持たせた図１８ａの変換器を示す。

図１９ａ〜図１９ｃは、平坦な構造を有する変換器７０の斜視図である。変換器７０は変換器の剛性を保証すべく十分多くの密着結合複合体からなる多層複合体であり、その剛性は予歪を与えずとも変換器がアクチュエータとして作動できるようにするに十分なものとしてある。変換器７０は、例えば図１ａと図２に示した種の連続する複合体を平坦な構造にて積層することで製造する。この設計を用いることで、前記した所定数の層に関する制約は取り除かれる。それによって、変換器７０は図１５ａ〜図１５ｃを参照して前記したものと同様、必要に応じただけ強力に作成することができる。変換器７０ａは変換器の剛性を保証する十分多くの密着結合複合体からなる多層複合体であり、その剛性は予歪を与えずとも変換器がアクチュエータとして作動できることを保証するに十分である。変換器７０ｂは、幾つかの変換器７０ａを積層することで所定寸法としてある。これに対する代替例として、変換器７０ｃはばね７１により或いは他の弾性的に変形可能な要素により予歪を与えることもできる。

変換器７０ａと７０ｂには、応用例において変換器を取り付けるべく、例えば変換器をアクチュエータとして作動させるべく、固定フランジ７２が配設してある。矢印７３は、撓み方向を示す。

図２０ａ〜図２０ｅは、予荷重を付与した駆動中の変換器８０を示している。図２０ａは、固定フランジ８１を配設した平坦な変換器８０の斜視図である。図２０ａの平坦な変換器８０は、ばね８２により予歪付与してある。従って、平坦な変換器８０は矢印８３が示す駆動方向を有する。図２０ｂは、ばねを類似の第２の平坦な変換器８０により置き換えた類似の平坦な変換器８０を示す。図２０ｃは変換器の半分を示すものであり、この変換器は図２０ｂの変換器に類似しており、同一の変換器の所定数（その半分だけを図示）使用により寸法決めする。図２０ｄと図２０ｅは二つの代替変換器８４，８５を示すものであり、そのそれぞれは図１８ｂの変換器に類似の隣接変換器により予歪を与える一定数の平坦な変換器８０を備える。変換器８４，８５は、カーペット様構造内の図２０ｄと壁様構造内の図２０ｅにおいて交差方向に駆動する。

図１８〜図２０の変換器は、一方向、すなわち可撓方向に予歪を必要とするだけであることに留意されたい。かくして、可撓方向を横断する方向の予歪は先行技術変換器には必要であるが、本発明になる変換器には必要ない。

図２１は、平坦な管状構造を有する二つの予歪付き変換器９０を示すものであり、変換器９０は長手方向に作動し、それによって駆動軸９１を回動させる。

図２１ｂは、摺動目的に合わせガイド要素により支持される機械的接続体９４を備える二つの機械的予歪付きの平坦な変換器９２，９３を示す。変換器９２，９３は、三つの状態にて図示してある。第１の状態では、変換器９２，９３は共に作動していない。しかしながら、それらには共に機械的に予歪を付与してある。第２の状態では、変換器９３は作動している。変換器９２は非作動状態にあるため、変換器９３が変換器９２を弛緩させ、それによって変換器９２の機械的予歪の一部は解放される。第３の状態では、変換器９２は作動しているが、変換器９３は非作動である。変換器９２はそれによって変換器９３を弛緩させ、それによって変換器９３の機械的予歪の一部を解放する。かくして、変換器９２，９３は機械的接続体９４と組み合わさって二重能動変換器を形成し、ここでは変換器の一方が他方の変換器を弛緩させて機械的予歪を解放する。

図２２は、第１の面１００とこの第１の面１００に対向する第２の面１０１とを備える誘電体薄膜２を備える電場応答複合体を示す。誘電体薄膜２の両面は、導電層でもって一部被覆してある。導電層の形状と位置のために作動部Ａが存在し、ここでは導電層の電極部１０２，１０３が誘電体薄膜２の両面１００，１０１を被覆している。導電層はさらに、誘電体薄膜２の第２の面１０１だけを一方の導電層の接点部１０４により被覆した第１の受動部Ｂと、電源誘電体薄膜２の第１の面１００だけを他方の導電層の接点部１０５により被覆した第２の受動部Ｃとを形成している。その外観の如く、電場応答複合体は電源に電気的に接続するか、或いは導体を接点部１０４，１０５を結合することで複合体の駆動を制御する制御手段に接続することができる。たとえ図示した複合体が積層したり巻回したり折り畳んで多数の層を有する変換器を形成していたとしても、電極部１０２，１０３は例えば各接点部１０４，１０５内の層に導電性のワイヤやロッドを貫通させ、ワイヤやロッドを電源へ接続することで簡単に電源へ接続することができる。誘電体薄膜２の厚さと導電層の厚さとの間の比は、単に例示目的に過ぎない。図２２に示す加工法は「オフセット」と呼ぶことができるが、それは相互に「オフセット」させた誘電体薄膜２の面１００，１０１上に電極部１０２，１０３を適用することで接点部１０４，１０５を配設するからである。

図２３ａ〜２３ｃは変換器を形成する多層複合体の二つの複合体１を空間シフトさせる三つの異なる方法を示すものであり、ここで各複合体１は誘電体薄膜上に導電層を備える。図示した複合体１は、変換器を駆動したときに延び或いは収縮する可撓方向を有する。図２３ａでは、接点部は図２３ｂの可撓方向に沿ってシフトさせた空間となり、接点部は可撓方向に垂直にシフトさせてあり、図２３ｃでは、接点部は可撓方向とこの可撓方向に垂直な方向の両方にシフトさせた空間となる。いずれの構造においても、多層複合体と何らかの歪の元すなわち可動部から離間する接続ワイヤやロッドや同様の導体との間に物理的接点が作成される領域を維持することが望ましい。図２３ｄは、側面から見た多層複合体を示す。

かくして、図２２と図２３ａ〜２３ｃは接点部１０４，１０５を配設する二つの異なる原理、すなわち図２２の「オフセット」原理と図２３ａ〜２３ｃの「空間シフト」原理とを示す。これらの原理は様々な積層法と組み合わせることができ、意図する応用例にとって適切な原理をしかるべく選択することができる。

図２４は、接点部１０４，１０５が導電層の一部を形成し、電極部１０２，１０３の一側に延長孤立部を形成することを示すものである。多層複合体内の二つの隣接する複合体の孤立部を異なる配置としてあり、これにより隣接複合体の接点部１０４，１０５は互いに距離を置くことになる。

図２５は、それぞれ導電層を備える二つの複合体を示す。複合体を多層複合体に合体させると、それらは互いにオフセットし、これにより各複合体上の導電層の一部が他方の複合体上の対応接点部１０５から離れた接点部１０４を形成する。

図２６と図２７は、同様に図１５ａと図１５ｂに示した管状変換器５０を示す。管状変換器は、指示した接点部１０４，１０５にて電源へ接続してある。

図２８は、平坦な管状構造を有する変換器１１０を示す。変換器は、内面に接点部１０４，１０５を備える。接点部は、例えば導電接点部を有する細長いロッド１１１の一つを介して電源へ接続することができる。ロッド１１１は図２９の拡大図に示してあるが、そこではロッド１１１が二つの接点部１１２，１１３を備えており、ロッド１１１を管状構造内へ挿入したときにこの接点部が管状構造の接点部１０４，１０５に当接するようになる。ロッド１１１は、変換器がそこで動作する装置の一部を形成することもできる。空間シフト原理とオフセット電極原理の両方を、上記の変換器構造との当接に適用することができる。

図３０は３種の異なるコネクタ、すなわち軟質コネクタ１２０と金属被覆プラスチックコネクタ１２１と金属又は金属被覆把持用帯片コネクタ１２２を示す。軟質コネクタ１２０は、導電材料１２４の層で被覆されたエラストマー薄膜１２３を備える。同様に、金属被覆プラスチックコネクタ１２１は金属層１２６を被覆したプラスチック部１２５を備える。

図３１〜図３５は、電気接点を備える複合体１を示す。本発明の複合体１は非常に柔らかいため、複合体１をワイヤや帯片や格子等の若干より剛性のある通常の電気コネクタに合体させることは難題である。

図３１は、導電材料４の層を備える波形面３を有する誘電体薄膜２を備える複合体１に接続した軟質コネクタ１２０を示す。軟質コネクタ１２０と複合体１の導電部１２４，４は、それぞれ導電性接着剤１２７の層を介して合体してあり、それによって複合体１と軟質コネクタ１２０は電気的に接続してある。

図３２は、前記した如く、すなわち導電性接着剤１２７からなる層を介して合体した二つの複合体１を示し、頂部に配置した複合体１は電源に対する主電極として使用する。

図３３は、複合体１に接続した金属や金属被覆ワイヤ或いは帯片１２８を示す。金属や金属被覆ワイヤ或いは帯片１２８は、主電源へ接続するようにしてある。上記に記載したのと同様、金属や金属被覆ワイヤ或いは帯片１２８は導電性接着剤１２７により複合体１の導電層４へ合体してある。しかしながら、この場合、導電性接着剤１２７はそれが金属や金属被覆ワイヤ或いは帯片１２８の周縁を囲繞し、それよって金属や金属被覆ワイヤ或いは帯片１２８と複合体１のワイヤ層４との間の極めて効率的な電気接点を提供するような仕方で配置してある。

図３４は、導電性接着剤１２７を介して複合体１へ接続した金属又は金属被覆把持帯片コネクタ１２２を示す。図３３を参照して前記した如く、導電性接着剤１２７は、金属又は金属被覆把持帯片コネクタ１２２の一部が完全に囲繞され、それによって非常に良好な電気接点を提供するよう配置してある。

図３５は、導電性接着剤１２７の層を介して複合体１へ接続した金属被覆プラスチックコネクタ１２１を示す。図３１と図３２を参照して前述した如く、導電性接着剤１２７の層は金属被覆プラスチックコネクタ１２１の金属層１２６と複合体１の導電層４との間に配置し、それによって両者間に電気接点を設ける。

図３６ａは、複合体、例えば図１に示した複合体１等を作成する製法のための工具或いは金型の製造工程を示す。図３６ｂは、工具の使用により複合体を製造する製法を示すものであり、図３６ｃは複合体から変換器を作成する製法を示すものである。

かくして、所望の波形輪郭を有する親金型を作成することで製法が始まる。この金型は、フォトレジスト被覆ガラス上へのレーザ干渉リソグラフィ或いはシリコンウェーハ上への標準的なリソグラフィにより作成することができる。

シリコンウェーハ上の標準的なリソグラフィにとって露光マスクは比較的単純であり、好ましくは例えば５μｍの幅と５μｍの間隔を有する等間隔平行線を呈示できるようにする。標準的なシリコン微細加工法を用い、いわゆるＶ溝構造、すなわち「Ｖ」に似た断面形状を有する溝を形成するようシリコンをエッチングする。一連の酸化および弗化水素酸エッチング工程をそこで実行し、Ｖ溝構造をそれが所望形状である場合に疑似正弦波波形へ変形させる。

ここで、レーザ干渉リソグラフィにより最大で３２ｃｍ×３２ｃｍ等の比較的大きな寸法の親金型を作成することができる。レーザ干渉リソグラフィでは、二つのレーザビーム、すなわちそれぞれが拡大したスポット寸法とビーム断面を横切る一様なエネルギ分布を有するビームをフォトレジスト被覆ガラス基板上へ干渉させる。この種工程は如何なる露光マスクも必要とせず、光学分野で公知の干渉現象に頼る。露光と現像と最後の硬焼きの結果はフォトレジスト上へ書き込まれた直接的な湾曲波形輪郭であり、ここで輪郭周期と振幅はレーザビームの波長とフォトレジスト上へのレーザビームの入射角度とフォトレジストの厚さとによって決まる。

図３６に示す工程の次の工程では、標準的な歪のない電気メッキ工程を用い、プラスチックロール上への波形微細構造の複製を得るのに必要な十分な数のニッケル複製品或いは金型を作成する。これらの楔と呼ばれるニッケル複製は、１００μｍの範囲の厚さを有する。これらの楔は一連の構造にて機械的に取り付けられ、エンボス加工用ドラムの周縁に合致するよう精密に設定された全長を有する「ベルト」を形成する。肉薄の楔の使用が、過大な歪を築くことなくそれらの屈曲を容易にし続くドラム周縁周りの「ベルト」の巻回を容易にする。各楔は、その隣接に対し配置し、波形をμｍ精度でもって調整して隣接楔の線間の角度上の不整列を最小化するようにする。次に、ニッケル金型から得られるエンボス加工用ドラムの波形の微細構造をプラスチックロール上に正確に複製する。ロール間微細エンボス加工（紫外光或いは熱硬化）により、斯くすることができる。ロール間エンボス加工により、数百メートルの範囲の長さを有する微細エンボス加工プラスチック材料のロールの製造が可能になる。微細エンボス加工プラスチックロールを、担体ウェブ、例えば単一面或いは両面波形を有する誘電体薄膜、例えば数百メートルの範囲の長さを有するエラストマー薄膜製造用のベルト或いは金型の形で使用する。

公知のスピンコーティングにより限定された大きさの波形エラストマー薄膜或いはシートを製作する。それは不連続工程であり、薄膜或いはシートの最大寸法は金型の大きさにより決まる。製造工程の代替種は、「ロール間被覆」或いは「ウェブ被覆」と通常呼ばれる接着テープや塗装等のポリマー産業用に発展した種である。これらの製造工程は大寸法で大容量であり、かつ連続工程となる。

続くステップでは、微細エンボス加工ロールを用い、例えばロール間リバースロールやグラビアやスロットダイや或いは他の任意の適切な種の被覆技法を用いてエラストマー薄膜を製作する。その結果、エラストマー被覆プラスチック薄膜が得られる。この目的に合わせ、リバースロール被覆技法とグラビアロール被覆技法は他の公知の技法の中でも最も有望と考えられ、何故ならそれらは一様な被覆を提供し、比較的良好にされた厚さを有するからである。エンボス加工したプラスチックロール或いは金型とエラストマー材料により加湿できるようにする仕方でのエンボス加工用樹脂の面特性を選択する。ピンホールの無い高品質のエラストマー薄膜を製造するには、清浄室環境内でエラストマー薄膜の製造工程を遂行する。

上述の金型上に形成された非硬化エラストマー薄膜は、エラストマー薄膜を硬化させるべく熱や紫外光や或いは架橋を開始させることのできる他の任意のソースにさらす。選択されるソースは使用するエラストマー材料種、特に使用材料の硬化機構に依存することになる。

次に、層状剥離法にて、成形体から硬化薄膜を取り除く。この目的に合わせ、適切な解放仕上げ細工を用いる。好ましくは、除去処理を容易にすべく成形材料とエラストマー材料を選択する。基板モジュールに対する硬化エラストマーの非常に脆弱な密着が、好ましい。良好な密着が生じている場合、解放工程が失敗して薄膜を損傷することもある。単一側面波形エラストマー薄膜ロールは、この層状剥離法の製品である。

次の工程で、真空ウェブ金属皮膜形成によりエラストマー薄膜の波形面上に金属電極を堆積する。従って、金属被覆、例えば銀やニッケルや金等を波形面に付着させる。かくして、複合体が形成される。

キロメートルの範囲の長さを有するエラストマー薄膜の大量製造における難題は、平坦な薄膜の製造にあるのではないが、むしろ精密で非常に良好に形成された微細構造を持った片面側或いは両面側の波形の製造にある。別の難題は、ポリマー工業に通常生起する制御張力よりも大きさが数乗分の１である制御された張力を用いて非常に柔らかい材料を取り扱うことにある。被覆層の厚さが波形パターンの深さのたったの１／１００であるとき、信頼に足る被覆層を持った波形エラストマー薄膜の金属被覆の製造方法がさらに別の難題となる。

次に、被覆エラストマー薄膜、すなわち複合体を積層し、それによって前述の如く多層複合体を形成する。次に、多層複合体を巻回して最終の巻回変換器構造を形成する。巻回された変換器は、仕上げと裁断を経て電気結線を適用する。

最後に、完成した変換器を制御電子系と共に最終製品に一体化できるようにし、かくして変換器は即使用できるようになる。

本発明の実施形態になるスプール懸架複合体の連続ロールを示す図である。 本発明の実施形態になるスプール懸架複合体の連続ロールを示す図である。 本発明の一実施形態になる複合体の一部の斜視図である。 本発明の実施形態になる複合体の一部の断面図である。 本発明の実施形態になる複合体の一部の断面図である。 本発明の実施形態になる複合体の一部の断面図である。 本発明の実施形態になる複合体の一部の断面図である。 本発明の実施形態になる複合体の一部の断面図である。 本発明の実施形態になる複合体の一部の断面図である。 図２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆの拡大図である。 図３ａと図３ｂはゼロ電位差にさらした電場応答複合体と高電位差にさらした電場応答複合体を示す図である。 図４ａ〜図４ｃは図３ａの電場応答複合体を図３ｂに示した高電位差へさらす効果を示す図である。 電場応答多層複合体を形成する本発明の一実施形態になる複合体の波形の一例を示す図である。 電場応答多層複合体を形成する本発明の一実施形態になる複合体の波形の一例を示す図である。 ゼロ電位差にさらすものと高電位差にさらす電場応答多層複合体を示す図である。 ゼロ電位差にさらすものと高電位差にさらす電場応答多層複合体を示す図である。 電場応答多層複合体を形成する本発明の一実施形態になる複合体の積層体の別の例を示す図である。 電場応答多層複合体を形成する本発明の一実施形態になる複合体の積層体の別の例を示す図である。 ゼロ電位差にさらすのと高電位差にさらす電場応答多層複合体を示す図である。 ゼロ電位差にさらすのと高電位差にさらす電場応答多層複合体を示す図である。 本発明の実施形態になる複合体の波形原理の一例を示す図である。 本発明の実施形態になる複合体の波形原理の一例を示す図である。 本発明の実施形態になる複合体の波形原理の一例を示す図である。 図１０ａと図１０ｂは巻回した電場応答複合体の例を示す図である。 図１１ａは本発明の一実施形態になる複合体の一部の一例を示す図であり、複合体は巻回構造を有する複合体に特に適しており、図１１ｂは本発明の一実施形態になる複合体の一部の一例を示す図であり、複合体は折り畳む構造を有する複合体に特に適している。 図１１の複合体の作成法とその製造に必要な工具の一部を示す図である。 図１３ａは巻回複合体として形成した図１１ａの複合体を示す図であり、図１３ｂは折り畳んだ複合体として形成した図１１ｂの複合体を示す図である。 図１４ａと図１４ｂは複合体を折り畳むことによる図１１に示した複合体の波形を示す図である。 図１５ａ〜図１５ｃは本発明の実施形態になる軸方向直動変換器の斜視図である。 本発明の一実施形態になる直動変換器におけるストロークの関数としての力を示すグラフである。 本発明の一実施形態になる直動変換器におけるストロークの関数としての力を示すグラフである。 本発明の一実施形態になる直動変換器におけるストロークの関数としての力を示すグラフである。 図１７ａ〜図１７ｂは、本発明の実施形態になる半径方向直動変換器の斜視図である。 図１８ａは平坦な管状構造を形成する複合体の波形を示す図であり、図１８ｂは予歪を持たせた図１８ａの平坦な管構造を示す図である。 図１９ａ〜図１９ｃは平坦な構造を有する駆動変換器の斜視図である。 予負荷を与えた駆動変換器を示す図である。 予負荷を与えた駆動変換器を示す図である。 予負荷を与えた駆動変換器を示す図である。 予負荷を与えた駆動変換器を示す図である。 予負荷を与えた駆動変換器を示す図である。 図２１ａと図２１ｂは平坦な管構造を有する二つの駆動変換器で、機械的接続体を有する駆動変換器を示す図である。 複合体の空間シフト波形層の原理を示す図である。 電気接点部と電気コネクタとを備える波形電場応答多層複合体を示す図である。 電気接点部を備える電場応答多層複合体の一例を示す図である。 電気接点部を備える電場応答多層複合体の一例を示す図である。 電気接点部を備える変換器の一例を示す図である。 電気接点部を備える変換器の一例を示す図である。 電気接点部を備える変換器の一例を示す図である。 電気接点部を備える変換器の一例を示す図である。 異なる電気コネクタを示す図である。 接点電極を備える電場応答複合体を示す図である。 接点電極を備える電場応答複合体を示す図である。 接点電極を備える電場応答複合体を示す図である。 接点電極を備える電場応答複合体を示す図である。 接点電極を備える電場応答複合体を示す図である。 本発明の一実施形態になる変換器の製造工程を説明する工程線図である。

符号の説明

１ 電場応答複合体、２ 薄膜、３ 上面、４ 導電層、１０ 対称線、１５，１６，４０ 電場応答多層複合体、２０ 前面、２１ 背面、２２ 接着剤層、２３ ロッド、２４，２４ａ，２４ｂ，３５，３７ 複合体、２５ 負電極部、２６ 正電極部

Claims (68)

1. 誘電体材料を介挿配置した電極群を備え、該電極と前記誘電体材料がコンデンサを形成した容量性変換器であり、前記コンデンサが、前記電極に供給する電気エネルギを少なくとも一部前記変換器の駆動に向けた機械的仕事へ直接変換できるように、かつ支持されない状態での前記変換器がトランジスタの通常の動作範囲内で安定性に対するオイラーの定理を満たすように前記コンデンサを配置したことを特徴とする変換器。
2. 前記電極に加えられた電気的エネルギーの少なくとも一部が、前記変換器によって駆動に向けて機械的仕事に直接変換される請求項１に記載の変換器。
3. 前記電極に供給する電気エネルギが潜在的エネルギへ一部変換され、該潜在的エネルギが前記誘電体材料に貯蔵され、かつ該貯蔵された潜在的エネルギが前記コンデンサの放電中に前記変換器による駆動に向けた仕事に変換されるよう前記コンデンサをさらに配置した請求項１に記載の変換器。
4. 前記誘電体材料はポリマーである請求項１乃至３いずれか１項に記載の変換器。
5. 前記誘電体材料はエラストマーである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の変換器。
6. 前記電極は誘電体材料の薄膜上に被覆した請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変換器。
7. 前記誘電体材料の少なくとも一方の面に波形パターンを配設した請求項１乃至６のいずれか１項に記載の変換器。
8. 前記波形パターンは一つの共通方向に延びる山と谷を形成する波を備え、該波が前記共通方向に垂直な方向の動きを促す異方性特性を特定する請求項７に記載の変換器。
9. 前記波は周期的に反復する形状を有する請求項８に記載の変換器。
10. 前記波が共通方向に対して直角である方向に沿って周期的に変化する形状と大きさのいずれか又は双方を有する請求項８又は９に記載の変換器。
11. 各波が山と隣接する谷との間の最短距離である高さを有する請求項８乃至１０に記載の変換器。
12. 各波が最大で平均波高値の１１０％の高さを有する最大波を有する請求項１１に記載の変換器。
13. 各波が少なくとも平均波高値の９０％の高さを有する最小波を有する請求項１１又は１２に記載の変換器。
14. 前記波の平均波高値は１／３μｍ乃至２０μｍの間にある請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の変換器。
15. 前記波は二つの山の間の最短距離として特定された波長を有し、前記波の平均波高値と平均波長との間の比は１／３０乃至２の間にある請求項８乃至１４のいずれか１項に記載の変換器。
16. 前記波は１μｍ乃至２０μｍの範囲の平均波長を有する請求項１５に記載の変換器。
17. 前記誘電体材料は該誘電体材料の一つの面上の点から前記誘電体材料の波形面上の山と谷の間の中途に位置する中間点までの最短距離として特定される厚さを有し、該厚さが１０μｍ乃至２００μｍの間にある請求項８乃至１６のいずれか１項に記載の変換器。
18. 波の平均波高値と誘電体材料の平均厚さとの間の比は１／５０乃至１／２の間にある請求項１７に記載の変換器。
19. 前記電極の平均厚さと前記波の平均高さとの比は１／１０００乃至１／５０の間にある請求項８乃至１８のいずれか１項に記載の変換器。
20. 前記電極のうちの少なくとも一つが波形面パターンを備える請求項１乃至１９のいすれか１項に記載の変換器。
21. 前記コンデンサは巻回して誘電体材料と電極の巻回パターンを形成し、該巻回コンデンサがそれによって変換器を形成する請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の変換器。
22. 前記コンデンサは軸方向に延びる軸周りに巻回し、該軸方向に延びる伸長形状からなる変換器を形成する請求項２１に記載の変換器。
23. 前記巻回コンデンサは管状部材を形成する請求項２１又は２２に記載の変換器。
24. 前記巻回コンデンサは実質筒状或いは筒状形状の部材を形成する請求項２３に記載の変換器。
25. 前記巻回コンデンサは、該巻回コンデンサを形成する材料を配置する箇所の該巻回コンデンサの断面の一部の面積である断面積Ａを有しており、Ａは１０ｍｍ²乃至２００００ｍｍ²の範囲にある請求項２４に記載の変換器。
26. 前記巻回コンデンサは、ｒ_g＝（Ｉ／Ａ）^1/2で与えられる旋回半径ｒ_gを有しており、ここでＩは巻回コンデンサの面積慣性モーメントであり、ｒ_gは５ｍｍ乃至１００ｍｍの範囲にある請求項２５に記載の変換器。
27. 巻回コンデンサは、λ＝Ｌ／ｒ_gで与えられる細長比λを有しており、ここでＬは巻回コンデンサの軸方向長さであり、λは２０未満である請求項２６に記載の変換器。
28. 前記巻回コンデンサは壁厚ｔを有しており、ここで比ｔ／ｒ_gは１／１０００乃至２の範囲にある請求項２６又は２７に記載の変換器。
29. 前記巻回コンデンサは壁厚ｔを有し、１ｍｍの壁厚当り５乃至１００巻きの範囲の巻回数ｎを備える請求項２１又は２８に記載の変換器。
30. 前記巻回コンデンサはこれをその周囲に巻回する中心ロッドを備え、該中心ロッドが前記誘電体材料の弾性係数よりも低い弾性係数を有する請求項２１乃至２９のいずれか１項に記載の変換器。
31. 前記巻回コンデンサはこれをその周囲に巻回する中心ロッドを備え、該中心ロッドは該巻回コンデンサに当接する外面を有し、該外面が前記変換器の駆動中に前記コンデンサが該外面に沿って摺動できるようにする摩擦を有する請求項２１乃至３０のいずれか１項に記載の変換器。
32. 前記巻回コンデンサは非巻回コンデンサの断面二次モーメントの少なくとも５０倍の断面二次モーメントを有する請求項２１乃至３１のいずれか１項に記載の変換器。
33. 前記巻回コンデンサは非巻回コンデンサの断面二次モーメントの平均値の少なくとも５０倍の巻回コンデンサの断面二次モーメントを得るのに十分な巻回数を有する請求項２１乃至３２のいずれか１項に記載の変換器。
34. 前記正電極と負電極は所定パターンにて前記誘電体材料の同一面上に配置してあり、前記コンデンサは前記巻回コンデンサが層を形成し、各層において両者間に誘電体材料を介挿した状態で正電極を負電極に対向配置するようその上に配置した電極を有する誘電体材料を巻回することで形成する請求項２１乃至３３のいずれか１項に記載の変換器。
35. 前記コンデンサは前記電極に印加する電気エネルギの関数として変化する容量を有する請求項１乃至３４のいずれか１項に記載の変換器。
36. 前記コンデンサは該コンデンサに印加する機械エネルギの関数として変化する請求項１乃至３５のいずれか１項に記載の変換器。
37. 前記電極はそれぞれ１０^-4Ωｃｍ未満の抵抗を有する請求項１乃至３６のいずれか１項に記載の変換器。
38. 前記誘電体材料は１０¹⁰Ωｃｍを上回る抵抗を有する請求項１乃至３７のいずれか１項に記載の変換器。
39. 前記電極は金属又は導電性合金から作成した請求項１乃至３８のいずれか１項に記載の変換器。
40. 前記電極は銀と金とニッケルからなる群から選択される金属から作成した請求項３９に記載の変換器。
41. 前記電極はそれぞれ０．０１μｍ乃至０．１μｍの範囲の厚さを有する請求項１乃至４０のいずれか１項に記載の変換器。
42. 前記変換器は電気エネルギと機械エネルギとの間で変換する電気的制御手段に接続して配置した請求項１乃至４１のいずれか１項に記載の変換器。
43. 前記変換器は静電力の使用により圧力を生み出すよう配置した請求項４２に記載の変換器。
44. 前記電極は前記誘電体材料の第１と第２の面に配置してあり、該電極が、
    前記変換器の能動部で、電極部分が前記誘電体材料の両面を被覆する前記能動部と、
    第１の受動部及び第２の受動部で、前記誘電体材料の片方の面だけを前記電極の一方で被覆した前記受動部とを形成しており、
    前記第１の受動部は前記第１の面上の前記電極の接点部により形成し、前記第２の受動部は前記第２の面の前記電極の接点部により形成した請求項１乃至４３のいずれか１項に記載の変換器。
45. 前記接点部が前記電極部分への延出部分を形成する請求項４４に記載の変換器。
46. 前記変換器は少なくとも２層の誘電体材料からなる多層複合体からなり、第１層の誘電体材料が前記第１の電極を備え、第２層の誘電体材料が第２の電極を備え、前記層どうしを離間構造にて合体させて前記多層複合体の各面に接点部を形成した請求項４４又は４５に記載の変換器。
47. 少なくとも一つの電気コネクタを前記誘電体材料の各面上の接点部に取り付けた請求項４４乃至４６のいずれか１項に記載の変換器。
48. 前記電気コネクタは金属帯片及び／又は金属要素及び／又は金属被覆ポリマー要素及び／又は導電性ポリマー帯片を備える請求項４７に記載の変換器。
49. 前記電気コネクタは導電性接着剤及び／又は導電性ポリマーを備える請求項４７に記載の変換器。
50. 容量性変換器の作成方法であって、
    一対の電極を設ける工程と、
    前記電極と誘電体材料とによってコンデンサを形成するために、前記電極間に前記誘電体材料を配設する工程と、
    変換器が形成されるよう、かつ前記電極に供給される電気エネルギを前記変換器による駆動用の機械エネルギへ少なくとも一部変換することのできるように、かつ支持されていない状態での前記変換器が、その変換器の通常の動作範囲内での安定性に対するオイラーの定理を満たすように前記コンデンサを配置する工程とを含む、ことを特徴とする方法。
51. 前記コンデンサを配置する工程が、前記電極に加えられた電気的エネルギーの少なくとも一部が、前記変換器によって駆動に向けて機械的仕事に直接変換されるように実施される請求項５０記載の方法。
52. 前記軸方向に延びる伸長形状からなる変換器を形成するために、軸方向に延びる軸周りに前記コンデンサを巻回する工程をさらに含む請求項５０又は５１に記載の方法。
53. 前記コンデンサの巻回工程は、非巻回コンデンサの断面二次モーメントの平均値の少なくとも５０倍の巻回コンデンサの断面二次モーメントを得るに十分な巻回数だけ巻回する工程を含む請求項５２に記載の方法。
54. 前記誘電体材料の配設工程は、
    隆起面部分と陥凹面部分とからなる面パターンを有する形状特定要素を配設する工程と、
    前記面パターン上へ液体組成誘電体材料を配設する工程と、
    前記液体組成を硬化させて前記隆起面部分と陥凹面部分からなる複製パターンを持った表面を有する誘電体材料薄膜を形成する工程とを含む請求項５０乃至５３のいずれか１項にに記載の方法。
55. 前記電極群の配設工程は前記複製パターンの少なくとも一部に導電層を堆積させる工程を含む請求項５４に記載の方法。
56. 前記導電層は物理的蒸着法にて前記薄膜上に堆積する請求項５５記載の法。
57. 前記導電層は０．０１μｍ乃至０．１μｍの厚さでもって前記薄膜上に堆積させる請求項５５又は５６に記載の方法。
58. 前記厚さは水晶微量天秤により制御する請求項５７に記載の方法。
59. 前記導電層はスパッタリング法により作成する請求項５７又は５８に記載の方法。
60. 前記導電層は電子ビーム法により作成する請求項５７又は５８に記載の方法。
61. 前記導電層を堆積させる工程が第１導電層を堆積させ、その第１導電層の上に第２導電層を堆積させる請求項５５乃至６０記載の方法。
62. 前記第１導電層を堆積させることと第２導電層を堆積させることが異なる堆積速度で行われる請求項６１記載の方法。
63. 前記第１導電層を堆積させる際に第１物質を堆積させ、前記第２導電層を堆積させる際に第２導電層を堆積させる請求項６１又は６２記載の方法。
64. 前記薄膜はプラズマ処理して前記導電層の密着性を改善する請求項５５乃至６３のいずれか１項に記載の方法。
65. 前記処理は低刺激プラズマを生成するとして知られるグロー放電を用いて行う請求項６４に記載の方法。
66. 前記プラズマ処理工程後でかつその上への前記導電層の堆積工程前に、前記薄膜の少なくとも一部へ密着促進剤を適用する請求項６４又は６５に記載の方法。
67. 前記密着促進剤は前記薄膜と前記導電層との間にクロム又はチタンからなる層を付与することで供給する請求項６６に記載の方法。
68. 前記密着促進剤は物理的蒸着法にて前記誘電体材料薄膜に塗布する請求項６６又は６７に記載の方法。

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