JP7467966B2

JP7467966B2 - 電界駆動型の機能素子、固体冷媒サイクル、および、アクチュエータ

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Publication number: JP7467966B2
Application number: JP2020022628A
Authority: JP
Inventors: 敬佐藤; 健二中村; 祐樹藤田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2040-02-13
Also published as: JP2021129016A

Description

この明細書における開示は、電界駆動型の機能素子、固体冷媒サイクル、および、アクチュエータに関する。

特許文献１は、弾性的なエラストマ応答を利用する素子を開示する。特許文献２は、静電気的に変形する素子を開示する。これらの素子は、電気熱量効果を発揮している。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特表２０１８－５３０７２８号公報国際公開第２０１８／２０８６８０号パンフレット

特許文献１が開示する素子は、それ自身がエラストマを含むため、分極密度に制限がある。特許文献２が開示する素子は、それ自身が静電気的に変形可能であるため、分極密度に制限がある。電界駆動型の機能素子において、分極密度は、引き出される機能の大きさに影響する。ひとつの例示的な観点において、電界駆動型機能素子が発揮する機能が、機械的な変位の提供である場合、分極密度は機械的な変位の大きさに影響する。他の例示的な観点において、電界駆動型機能素子が発揮する機能が、電気熱量効果の提供である場合、分極密度は電気熱量効果の大きさに影響する。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、電界駆動型の機能素子、固体冷媒サイクル、および、アクチュエータにはさらなる改良が求められている。

開示されるひとつの目的は、分極密度が改良された電界駆動型の機能素子、固体冷媒サイクル、および、アクチュエータを提供することである。

ここに開示された電界駆動型の機能素子は、一対の電極（１２、１３）の間に作用する電界の方向を指向する第１双極子（Ｄｆ）を提供する第１分子を有する第１材料（１５）と、第１分子の運動性を高める第２分子であって、電界の方向を指向する第２双極子（Ｄｒ）を提供する第２分子を有する第２材料（１６）とを備え、第１材料、および／または、第２材料は、液晶ポリマーである。
ここに開示された電界駆動型の機能素子は、一対の電極（１２、１３）の間に作用する電界の方向を指向する第１双極子（Ｄｆ）を提供する第１分子を有する第１材料（１５）と、第１分子の運動性を高める第２分子であって、電界の方向を指向する第２双極子（Ｄｒ）を提供する第２分子を有する第２材料（１６）とを備え、第１材料、および、第２材料は、強誘電体であり、かつ、液晶ポリマーであり、自発分極によって第１双極子、および、第２双極子を発現している。
ここに開示された電界駆動型の機能素子は、一対の電極（１２、１３）の間に作用する電界の方向を指向する第１双極子（Ｄｆ）を提供する第１分子を有する第１材料（１５）と、第１分子の運動性を高める第２分子であって、電界の方向を指向する第２双極子（Ｄｒ）を提供する第２分子を有する第２材料（１６）とを備え、第２材料は、液体である。
ここに開示された電界駆動型の機能素子は、一対の電極（１２、１３）の間に作用する電界の方向を指向する第１双極子（Ｄｆ）を提供する第１分子を有する第１材料（１５）と、第１分子の運動性を高める第２分子であって、電界の方向を指向する第２双極子（Ｄｒ）を提供する第２分子を有する第２材料（１６）とを備え、第２分子のアスペクト比は、６．０以上である。

開示される電界駆動型の機能素子によると、電界駆動型の機能素子は、第１材料と第２材料とを含む。第２材料は、第１材料に含まれる第１分子の運動性を高めるための第２分子を有する。さらに、第２分子は、電界の方向を指向する第２双極子を提供している。第１材料は、電極の方向を指向する第１双極子を提供する。よって、機能素子における分極密度は、第１双極子と、第２双極子との両方によって提供される。この結果、分極密度が改良された電界駆動型の機能素子が提供される。

ここに開示された固体冷媒サイクルは、上記電界駆動型の機能素子（１０）と、機能素子の電気熱量効果を出力する出力部材とを備える。

ここに開示されたアクチュエータは、上記電界駆動型の機能素子（１０）と、機能素子の機械的な変位を出力する出力部材とを備える。

この明細書において開示された複数の形態は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

第１実施形態の電界駆動型の機能素子を示すブロック図である。電界駆動型の機能素子を示すブロック図である。機能材料における双極子を示す断面図である。機能材料における双極子を示す断面図である。電界Ｅと分極Ｐとを示すグラフである。第１材料の実施例を列挙する表である。第２材料の実施例を列挙する表である。第２材料のサンプルを示す特性表である。測定装置を示す回路図である。アスペクト比ＡＲと抗電圧ＣＶとを示すグラフである。第２実施形態の電界駆動型の機能素子を示すブロック図である。電界駆動型の機能素子を示すブロック図である。

複数の実施形態が、図面を参照しながら説明される。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

第１実施形態
図１および図２において、固体冷媒サイクル１が図示されている。固体冷媒サイクル１は、低温部材２から高温部材３へ熱を移動させる。なお、固体冷媒の語は、蒸気圧縮式の冷媒サイクルにおける冷媒と対比した語である。固体冷媒の語は、後述の機能材料１１が固体であることを限定的に意味するものではない。事実、後述の機能材料１１は、少なくとも流動可能であって、液体のようにふるまう性状を有している。

固体冷媒サイクル１は、対象物の温度を調節する。対象物は、気体、液体、または、固体である。固体冷媒サイクル１が低温を利用するサイクルである場合、固体冷媒サイクル１は、低温部材２によって対象物を冷却する。この場合、固体冷媒サイクル１は、冷房、冷蔵、または、冷凍のためのサイクルを提供する。固体冷媒サイクル１が高温を利用するサイクルである場合、固体冷媒サイクル１は、高温部材３によって対象物を加熱する。この場合、固体冷媒サイクル１は、暖房、温蔵、または、加熱のためのサイクルを提供する。固体冷媒サイクル１が低温と高温との両方を利用するサイクルである場合、固体冷媒サイクル１は、低温部材２によって対象物を冷却し、かつ、高温部材３によって対象物を加熱する。この場合、固体冷媒サイクル１は、例えば、除湿のためのサイクルを提供する。低温部材２は、固体冷媒サイクル１における吸熱部材、または、熱源部材でもある。高温部材３は、固体冷媒サイクル１における放熱部材、または、熱供給部材でもある。この明細書において、冷媒サイクルの語は、低温を利用する冷凍サイクル、および、高温を利用するヒートポンプサイクルの両方を包含する語として解釈されるべきである。

固体冷媒サイクル１は、電界駆動型の機能素子１０を備える。機能素子１０は、提供されるべき機能として、電気熱量効果（ＥＣＥ：ＥｌｅｃｒｔｒｏＣａｌｏｒｉｃＥｆｆｅｃｔ）を提供する。固体冷媒サイクル１は、機能素子１０が発揮する電気熱量効果によって得られる高温だけ、低温だけ、または高温と低温との両方を利用する。機能素子１０は、電気熱量効果によって吸熱と放熱との両方の作用を発揮する。機能素子１０は、電気熱量効果によって、低温部材２から高温部材３への熱移動を生成する。機能素子１０は、電気熱量効果によって、高温部材３の温度が、低温部材２の温度より高くなるように、熱移動を生成する。機能素子１０は、機能材料１１を備える。機能素子１０は、一対の電極１２、１３を備える。

機能材料１１は、多くの部分を有機材料が占めている。機能材料１１は、樹脂材料製である。機能材料１１は、無機材料を含む場合がある。機能材料１１は、例えば、無機フィラーを備える場合がある。

機能材料１１は、電極１２、１３に印加される電界の変化に応答して、電気熱量効果を発揮する材料製である。機能材料１１は、電極１２、１３に印加される電界の変化に応答して、厚さ方向ＴＨＤにおける厚さを変化させる材料製である。厚さ方向ＴＨＤにおける厚さを変化は、電極１２、１３間における静電気的な力によって生成されてもよい。厚さ方向ＴＨＤにおける厚さを変化は、電歪効果的な力によって生成されてもよい。よって、この実施形態における機能素子１０は、機能として、電気熱量効果と、機械的な変位との両方を提供している。

機能材料１１は、ポリマーフィルムとして提供されている。ポリマーフィルムは、通常のフィルムの製造方法によって提供することができる。機能材料１１は、容器を備える場合がある。容器は、機能材料１１を収容する。容器は、厚さ方向ＴＨＤにおける厚さを維持するために貢献する。機能材料１１は、容器を備えない場合がある。この場合、機能材料１１自身が厚さを維持する。

機能材料１１は、電場の印加により発熱し、電場の除去により吸熱する。機能材料１１は、所定値を超える電場が印加されるとき、分子が提供する電気的な双極子の配列が整列する。このとき、機能材料１１は、エントロピーが減少し、熱を放出する。この結果、機能材料１１の温度が上昇する。機能材料１１は、電場が除去されるとき、双極子の配列がランダムに戻る。このとき、機能材料１１は、エントロピーが増加し、熱を吸収する。この結果、機能材料１１の温度が低下する。言い換えると、機能材料１１は、外部から電場が加えられたエントロピーの小さい状態から、電場を除去すると吸熱してエントロピーが大きくなる。機能材料１１は、エントロピーが大きな状態から、電場を印加すると放熱してエントロピーが小さくなる。

機能材料１１は、電極１２と電極１３との間に配置されている。電極１２、１３は、電界変調回路２０から供給される電圧によって、機能材料１１に電界を印加することができる。電界変調回路２０は、一対の電極１２、１３の間に作用する電界の強度を、強弱に変調する。電界変調回路２０は、電界の強さを、０（ゼロ）と最大値とに変調する。電極１２、１３は、機能材料１１の厚さ方向ＴＨＤにおける両側に配置されている。電極１２、１３は、厚さ方向ＴＨＤに直交する直交方向ＰＰＤに沿って面状に広がっている。電極１２、１３は、機能材料１１の両面に接している。電極１２、１３は、直接的に機能材料１１に接触している場合がある。電極１２、１３は、容器を介して間接的に機能材料１１に接触している場合がある。

機能材料１１は、低温部材２だけ、または、高温部材３だけ、または、低温部材２と高温部材３との両方に対して、高熱伝達状態と、低熱伝達状態とに切替可能である。高熱伝達状態は、所定の高い熱伝達率を提供する。低熱伝達状態は、高熱伝達状態より低い熱伝達率を提供する。図示の例では、機能材料１１は、電極１２、１３を介して、間接的に、低温部材２、または、高温部材３に対して熱伝達する。これに代えて、機能材料１１は、電極１２、１３を介することなく、直接的に、低温部材２、または、高温部材３に対して熱伝達してもよい。図示される機能材料１１は、厚さ方向ＴＨＤに関して熱移動を提供している。これに代えて、機能材料１１は、直交方向ＰＰＤに関して熱移動を提供してもよい。

この観点において、機能材料１１と低温部材２との間、または、機能材料１１と高温部材３との間には、熱的なスイッチが提供されている。熱的なスイッチは、高熱伝達状態と、低熱伝達状態とを提供する。熱的なスイッチは、機能素子１０における熱的な作用に同期して、熱伝達状態を切替える。この実施形態では、熱的なスイッチは、機能材料１１へ作用する電界変調に同期して、熱伝達状態を切替える。熱的なスイッチは、機能素子１０が吸熱するときに、低温部材２と機能素子１０との間に高熱伝達状態を提供する。熱的なスイッチは、機能素子１０が発熱するときに、高温部材３と機能素子１０との間に高熱伝達状態を提供する。熱的なスイッチは、機能素子１０が発熱するときに、低温部材２と機能素子１０との間に低熱伝達状態を提供することが望ましい。熱的なスイッチは、機能素子１０が吸熱するときに、高温部材３と機能素子１０との間に低熱伝達状態を提供することが望ましい。この実施形態では、後述の機能素子１０の変位によって、熱的なスイッチが提供されている。熱的なスイッチは、低温部材２、または、高温部材３における、流体成分の流動状態の切り替えによって実現されてもよい。

電極１２、１３は、機能材料１１の両側に配置されている。この観点において、電極１２、１３は、端部電極とも呼ばれる。端部電極としての電極１２、１３は、機能材料１１の厚さ方向ＴＨＤにおける全長にわたって、機能材料１１に電界を印加する。

電極１２は、低温部材２に対して、高熱伝達状態と、低熱伝達状態とに切替可能である。図示される例では、２つの状態の切替は、機能材料１１の厚さ変化によって提供されている。高熱伝達状態は、電極１２と低温部材２とが接触している接触状態である。低熱伝達状態は、電極１２と低温部材２とが離れている非接触状態である。電極１２は、低温部材２に対して、接触状態と、非接触状態とを切替可能に提供するように可動である。接触状態と、非接触状態とは、熱伝達の方向を規定している。この観点において、電極１２は、可動電極である。

電極１３は、高温部材３に対して、接触状態に置かれている。この観点において、電極１３は、固定電極である。電極１３は、高温部材３に対して、継続的に、高熱伝達状態にある。これに代えて、電極１３は、高温部材３に対して、高熱伝達状態と、低熱伝達状態とに切替可能に構成されてもよい。

固体冷媒サイクル１は、電界変調回路２０を備える。電界変調回路２０は、電極１２、１３に電圧を供給する。電界変調回路２０は、一対の電極１２、１３の間に電界を作用させる。言い換えると、電界変調回路２０は、一対の電極１２、１３の間に位置する機能材料１１に電界を作用させる。さらに、電界変調回路２０は、電界の強度を、強弱に変調する。電界変調回路２０は、電界の強さを、０（ゼロ）と供給可能な極大値とに変調する。

電界変調回路２０は、電極１２、１３に電圧を供給する回路部材２１を備える。回路部材２１は、電線、導体膜、バスバーなどによって提供されている。電界変調回路２０は、直流電圧を供給する直流電源２２を備える。電界変調回路２０は、電極１２、１３への電圧供給を断続するためのスイッチ素子２３を備える。スイッチ素子２３は、スイッチ装置とも呼ぶことができる。スイッチ素子２３は、オン状態とオフ状態とに切替可能である。スイッチ素子２３は、制御装置２４によって制御可能な素子である。電界変調回路２０は、制御装置２４（ＥＣＵ）を備える。制御装置２４は、スイッチ素子２３を制御する。制御装置２４は、機能素子１０が機能を発揮するようにスイッチ素子２３をオン状態とオフ状態とに交互に切替える。制御装置２４がスイッチ素子２３をオフ状態に制御するとき、機能素子１０は非活性状態に制御される。制御装置２４がスイッチ素子２３をオン状態に制御するとき、機能素子１０は活性状態に制御される。

この明細書における制御装置は、電子制御装置（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）とも呼ばれる場合がある。制御装置、または制御システムは、（ａ）ｉｆ－ｔｈｅｎ－ｅｌｓｅ形式と呼ばれる複数の論理としてのアルゴリズム、または（ｂ）機械学習によってチューニングされた学習済みモデル、例えばニューラルネットワークとしてのアルゴリズムによって提供される。制御装置は、少なくともひとつのコンピュータを含む制御システムによって提供される。制御システムは、データ通信装置によってリンクされた複数のコンピュータを含む場合がある。コンピュータは、ハードウェアである少なくともひとつのプロセッサ（ハードウェアプロセッサ）を含む。ハードウェアプロセッサは、下記（ｉ）、（ｉｉ）、または（ｉｉｉ）により提供することができる。

（ｉ）ハードウェアプロセッサは、少なくともひとつのメモリに格納されたプログラムを実行する少なくともひとつのプロセッサコアである場合がある。この場合、コンピュータは、少なくともひとつのメモリと、少なくともひとつのプロセッサコアとによって提供される。プロセッサコアは、ＣＰＵ：ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ、ＧＰＵ：ＧｒａｐｈｉｃｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ、ＲＩＳＣ－ＣＰＵなどと呼ばれる。メモリは、記憶媒体とも呼ばれる。メモリは、プロセッサによって読み取り可能な「プログラムおよび／またはデータ」を非一時的に格納する非遷移的かつ実体的な記憶媒体である。記憶媒体は、半導体メモリ、磁気ディスク、または光学ディスクなどによって提供される。プログラムは、それ単体で、またはプログラムが格納された記憶媒体として流通する場合がある。

（ｉｉ）ハードウェアプロセッサは、ハードウェア論理回路である場合がある。この場合、コンピュータは、プログラムされた多数の論理ユニット（ゲート回路）を含むデジタル回路によって提供される。デジタル回路は、ロジック回路アレイ、例えば、ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ、ＦＰＧＡ：ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ、ＳｏＣ：ＳｙｓｔｅｍｏｎａＣｈｉｐ、ＰＧＡ：ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ、ＣＰＬＤ：ＣｏｍｐｌｅｘＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅなどとも呼ばれる。デジタル回路は、プログラムおよび／またはデータを格納したメモリを備える場合がある。コンピュータは、アナログ回路によって提供される場合がある。コンピュータは、デジタル回路とアナログ回路との組み合わせによって提供される場合がある。

（ｉｉｉ）ハードウェアプロセッサは、上記（ｉ）と上記（ｉｉ）との組み合わせである場合がある。（ｉ）と（ｉｉ）とは、異なるチップの上、または共通のチップの上に配置される。これらの場合、（ｉｉ）の部分は、アクセラレータとも呼ばれる。

図１は、機能素子１０の非活性状態を示す。非活性状態において、一対の電極１２、１３の間の機能材料１１には、電界が作用していない。非活性状態は、非励起状態とも呼ばれる。非活性状態において、機能材料１１は、非活性形状ＤＳである。非活性形状ＤＳにおいて、機能材料１１は、厚さｔ１を有する。非活性形状ＤＳにおいて、機能材料１１は、低温部材２から吸熱する。非活性形状ＤＳにおいて、機能材料１１は、高温部材３からも吸熱する。

図２は、機能素子１０の活性状態を示す。活性状態において、一対の電極１２、１３の間の機能材料１１には、電界が作用している。活性状態は、励起状態とも呼ばれる。活性状態において、機能材料１１は、活性形状ＡＳである。活性形状ＡＳにおいて、機能材料１１は、厚さｔ２を有する。活性形状ＡＳにおいて、機能材料１１は、高温部材３へ放熱する。活性形状ＡＳにおいて、機能材料１１は、低温部材２と低熱伝達状態に置かれている。よって、活性形状ＡＳにおいて、機能材料１１は、低温部材２へほとんど放熱しない。

固体冷媒サイクル１の作動状態において、制御装置２４は、図１に図示される状態と、図２に図示される状態とを交互に実現するようにスイッチ素子２３を制御する。この結果、機能素子１０は、低温部材２から高温部材３へ向かう熱移動を提供する。固体冷媒サイクル１は、低温部材２にあらわれる低温、および／または、高温部材３にあらわれる高温を利用する。

図３および図４は、機能材料１１に含まれる分子のモデルを示している。機能材料１１は、高分子材料である。機能材料１１は、全体として、高分子鎖が並んだ液晶のような性状を有している。機能材料１１は、液晶ポリマーとも呼ばれる。機能材料１１は、少なくとも流動可能である。機能材料１１は、液体としての性状を示す。機能材料１１は、第１材料１５の第１分子と、第２材料１６の第２分子とを含む。

機能材料１１は、第１材料１５を備える。第１材料１５は、高分子材料である。第１材料１５は、機能素子１０が提供するべき機能、この実施形態では、電気熱量効果を発揮する材料である。第１材料１５は、機能材料１１における主材料とも呼ばれる。第１材料１５は、高分子鎖が並んだ液晶のような性状を有している。第１材料１５は、液晶ポリマーとも呼ばれる。

機能材料１１は、第２材料１６を備える。第２材料１６は、高分子材料である。第２材料１６は、第１材料１５と高分子鎖を作ることがない材料である。第２材料１６は、機能材料１１における添加剤とも呼ばれる。第２材料１６は、高分子鎖が並んだ液晶のような性状を有している。第２材料１６は、液晶ポリマーとも呼ばれる。

第２材料１６は、第１材料１５の可塑性を高める材料である。この観点において、第２材料１６は、機能材料１１における可塑剤、または、リラクサとも呼ばれる。第２材料１６は、第１材料１５に対する可塑化成分として添加されている。第２材料１６の存在は、機能材料１１に流動性を与える。第２材料１６の存在は、機能材料１１にゲルとしての性質を発現させている。第２材料１６は、ゲル化剤とも呼ばれる。第２材料１６の存在は、機能材料１１に流体的な性質を与えている。

第２材料１６は、液体成分である。第２材料１６は、機能材料１１の使用温度域において、液体である。使用温度域は、機能材料１１の使用状態における最高温度と最低温度とに基づいて規定されている。第２材料１６は、機能材料１１における０．１重量％以上、６００重量％以下の範囲を占める場合がある。第２材料１６は、高分子を主成分として、無機フィラーを備えていてもよい。無機フィラーは、第２材料１６に分散的に配置されている。

図３および図４は、電気的な双極子を矢印記号によってモデル的に示している。機能材料１１は、誘電性を備えている。第１材料１５は、誘電性を備えている。第２材料１６は、誘電性を備えている。機能材料１１を構成する第１材料１５、および、第２材料１６は、自発分極によって双極子が発現する強誘電体である。第１材料１５の第１分子は、所定の双極子モーメントをもつ第１双極子Ｄｆを備えている。第２材料１６の第２分子は、それ自身が、所定の双極子モーメントをもつ第２双極子Ｄｒを備えている。

なお、第１材料１５と第２材料１６とは、両方が自発分極をもたない常誘電体でもよい。また、第１材料１５と第２材料１６とは、一方が常誘電体であり、他方が強誘電体でもよい。第１材料１５が常誘電体である場合、第１材料１５は電界の中において誘電分極し、電界の方向（厚さ方向ＴＨＤ）を指向する双極子を発現する。第２材料１６が常誘電体である場合、第２材料１６は電界の中において誘電分極し、電界の方向（厚さ方向ＴＨＤ）を指向する双極子を発現する。望ましい形態においては、第１材料１５と第２材料１６との少なくとも一方が強誘電体である。

機能材料１１は、強誘電体としての性質と、液晶ポリマーとしての性質とを併せ持っている。第１材料１５は、強誘電体としての性質と、液晶ポリマーとしての性質とを併せ持っている。第２材料１６は、強誘電体としての性質と、液晶ポリマーとしての性質とを併せ持っている。これらの観点から、第１材料１５、および、第２材料１６は、強誘電体液晶ポリマーと呼ばれている。

図３は、非活性状態における複数の双極子を示す。非活性状態においては、第１双極子Ｄｆと第２双極子Ｄｒとの両方がランダムな方向を指向している。液体としての性状を示す機能材料１１は、分子配列がランダムになりやすい。

図４は、活性状態における複数の双極子を示す。活性状態においては、第１双極子Ｄｆと第２双極子Ｄｒとの両方が、一対の電極１２、１３の間に作用する電界によって、電界の方向（厚さ方向ＴＨＤ）を指向している。言い換えると、機能材料１１は、一対の電極１２、１３の間に作用する電界によって、電界の方向（厚さ方向ＴＨＤ）に沿うように指向する第１双極子Ｄｆ、および、第２双極子Ｄｒを備える。液体としての性状を示す機能材料１１は、外部電界の作用によって、分子配列が所定方向を指向しやすい。

第２材料１６は、可塑剤としての性質によって、第１材料１５の高分子鎖の間に、隙間を提供する。言い換えると、第２材料１６の存在は、第２材料１６を備えない第１材料１５だけの素体よりも、複数の第１双極子Ｄｆの間に隙間を提供する。この結果、第２材料１６は、第１材料１５の第１分子、すなわち第１双極子Ｄｆの運動性を高める。第２材料１６は、第１双極子Ｄｆを動きやすくする作用を提供する。第２材料１６は、第１双極子Ｄｆの運動性を高めることにより、機能材料１１における分極Ｐを向上させる。

さらに、第２材料１６の第２分子は、それ自身が、所定の双極子モーメントをもつ第２双極子Ｄｒを備えている。第２双極子Ｄｒは、機能材料１１における分極密度を高め、機能材料１１における分極Ｐを向上する。

図５は、電界Ｅと分極Ｐとが示すヒステリシス曲線を示している。破線ＣＭＰ１は、第１材料１５だけを含む比較例のヒステリシス曲線である。破線ＣＭＰ２は、第２材料１６の可塑剤としての作用を示す比較例のヒステリシス曲線である。実線ＥＭＢは、機能材料１１のヒステリシス曲線である。第２材料１６は、可塑剤、または、リラクサとしての性質によって、機能材料１１における抗電圧を低下させる。さらに、第２材料１６は、自らが第２双極子Ｄｒを備えることによって、機能材料１１における分極密度を高めている。言い換えると、機能材料１１における分極Ｐは、第２双極子Ｄｒによって、増加量Ｉｄだけ向上する。

抗電圧の低さは、機能材料１１における双極子モーメントの等方化を可能とする。この結果、高いエントロピー変化量ΔＳを実現することができるから、高い電気熱量効果（冷却能力）を実現することができる。さらに、同じ電界における分極Ｐが高くなるから、機能材料１１の厚さを相対的に大きくすることができる。機能材料１１の厚さを大きくすることにより、低温端と高温端との間における温度差ΔＴを大きくすることができる。この結果、固体冷媒サイクル１としての高い効率を実現することができる。効率は、例えば、成績係数ＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＯｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）によって評価することができる。

図６は、第１材料１５の実施例Ｉ－ＶＩＩを示している。第１材料１５は、図６に図示される複数の材料Ｉ－ＶＩＩのいずれかひとつを含むことができる。第１材料１５は、実施例Ｉ－ＶＩＩのコポリマー、または、混合物でもよい。主たる実施例においては、第１材料１５は、ＰＶｄＦ系の樹脂（ポリフッ化ビニリデン樹脂）によって提供されている。これに代えて、第１材料１５は、図６に図示される複数の材料ＩＩ－ＶＩＩのいずれかひとつを含むことができる。第１材料１５は、例えば、ポリフッ化ビニリデンＰＶｄＦに、トリフルオロエチレン（ＴｒＦＥ）および／または１－クロロ－１－フルオロ－エチレン（ＣＦＥ）を添加物として含む、ＰＶｄＦ－ＴｒＦＥ、またはＰＶｄＦ－ＴｒＦＥ－ＣＦＥによって提供されてもよい。

図７は、第２材料１６の実施例１－１２を示している。第２材料１６は、図７に図示される複数の材料１－１２のいずれかひとつを含むことができる。第２材料１６のアルキル鎖の数は、２－１２である。第２材料１６は、実施例１－１２の混合物であってもよい。第２材料１６は、第１材料１５に対して強く相互作用する官能基と、弱く相互作用する官能基とを有している。

図８は、実施例における第２材料１６のサンプルＳ１、Ｓ２、Ｓ３を示す。図８において、第２材料１６の分子構造ＭＯＬ、沸点Ｔｂ、アスペクト比ＡＲ、双極子モーメントＤＭ、および、誘電率ε（イプシロン）が示されている。アスペクト比ＡＲは、第２材料１６を提供する高分子鎖の長辺／短辺である。サンプルＳ１は、フタル酸エステルである。サンプルＳ２は、アジピン酸系ポリエステルである。サンプルＳ３は、環状炭酸エステルである。サンプルＳ１、Ｓ２、または、Ｓ３は、エステル系添加剤とも呼ばれている。

実施形態において、機能材料１１の製造方法は、第１材料１５と第２材料１６とを混合する混合工程を含む。第１材料１５は、ＰＶｄＦ－ＴｒＦＥである。第２材料１６は、図８に示されるサンプルＳ１、Ｓ２、または、Ｓ３である。機能材料１１の製造方法は、機能材料１１を膜状に成形する成膜工程を含む。成膜工程は、スピンコート法によって提供することができる。さらに、機能材料１１の製造方法は、成膜工程において製造された膜をアニーリングするアニーリング工程を含む。アニーリング工程は、膜を、１２０℃の雰囲気中に、３０ｍｉｎにわたって置くことによって提供されている。機能材料１１の製造方法は、アニーリング工程の後に、分極工程を含む。分極工程は、ポーリング工程とも呼ばれる。ポーリング工程は、膜を、１００Ｖ／μｍ、０．０５Ｈｚの電界中に置くことによって提供されている。

図９は、電界－分極特性を測定するための測定装置５０を示す。実施例における機能材料１１の試料の電界－分極特性は、図示されるソーヤタワー回路によって測定されている。測定装置５０において、ファンクションジェネレータ５１と、増幅器５２とが測定用の交流電圧を提供する。試料５３は、電極５４と電極５５との間に配置されている。電極５４、５５は、平均膜厚１００ｎｍのアルミニウム膜によって提供されている。試料５３は、基準容量素子５６と直列に配置されている。この実施例では、基準容量素子５６は、１μＦである。交流電圧は、試料５３と、基準容量素子５６との直列回路に印加される電界－分極特性は、オシロスコープ５７にあらわれる波形を観測することにより測定される。

図１０は、サンプルＳ１、Ｓ２、Ｓ３のアスペクト比ＡＲと、試料の抗電圧ＣＶとを示している。第１材料１５としてのＰＶｄＦ－ＴｒＦＥだけの試料Ｓ０の抗電圧が丸印によって示されている。第１材料１５として利用可能なＰＶｄＦ－ＴｒＦＥ－ＣＦＥだけの抗電圧Ｖｔが破線によって示されている。ＰＶｄＦ－ＴｒＦＥ－ＣＦＥは、比較的望ましいヒステリシス曲線を示す。このことから、抗電圧Ｖｔは、利用可能な機能材料１１が実現するべき目標抗電圧として利用することができる。第２材料１６として、サンプルＳ１を用いた試料Ｓ０＋Ｓ１の抗電圧は、三角形印によって示されている。第２材料１６として、サンプルＳ２を用いた試料Ｓ０＋Ｓ２の抗電圧は、二重丸印によって示されている。第２材料１６として、サンプルＳ３を用いた試料Ｓ０＋Ｓ３の抗電圧は、四角形印によって示されている。サンプルＳ３は、比較的大きいアスペクト比ＡＲ＝７．８を有している。

上述のように、第２材料１６は、第１材料１５の高分子鎖の運動性を高める。典型的な例においては、第１材料１５の高分子鎖の運動性は、回転性によって評価される。さらに、上述のように、第２材料１６は、自らの第２双極子Ｄｒによって、機能材料１１における分極密度を向上させる。加えて、図１０に示されるように、第２材料１６は、アスペクト比ＡＲが大きいほど、第１材料１５の高分子鎖の運動を助けると考えられる。

複数のサンプルＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に基づいて、アスペクト比ＡＲと抗電圧ＣＶとの関係を示す想定ラインＬＮを想定することができる。この想定ラインＬＮに基づき、目標抗電圧Ｖｔを満足するために、第２材料１６のアスペクト比ＡＲは、６．０以上であることが望ましい。第２材料１６の第２分子のアスペクト比ＡＲを６．０以上に設定することにより、低い抗電圧を実現できる。抗電圧の低さは、ヒステリシスの抑制を可能とする。

以上に述べた実施形態によると、第２材料１６によって、機能材料１１の分極密度が改良された電界駆動型の機能素子が提供される。この改良は、第２材料１６による第１材料１５の運動性（可動性）の向上と、第２材料１６それ自身の第２双極子Ｄｒによる分極密度の向上とによってもたらされる。

第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、電界駆動型の機能素子１０は、固体冷媒サイクル１を提供する。機能素子１０は、電界の変動によって熱移動を生成する固体冷媒として機能する。これに代えて、この実施形態では、電界駆動型の機能素子１０は、アクチュエータ２０１を提供する。機能素子１０は、電界の変動によって機械的な変位を出力する動力源として機能する。

図１１、および、図１２において、機能素子１０は、アクチュエータ２０１を提供する。アクチュエータ２０１は、外部エネルギとしての電界の変調によって、機能素子１０の変位Ｌａを出力する。アクチュエータ２０１は、端部片２０２と、端部片２０３とを備える。端部片２０２は、電極１３と機械的に連結されている。端部片２０３は、電極１２と機械的に連結されている。端部片２０２は、可動片とも呼ばれる。端部片２０２は、機械的な変位Ｌａを出力するための出力部材を提供する。端部片２０３は、変位の基準を規定する部材に固定されている。端部片２０３は、固定片とも呼ばれる。

この実施形態では、端部片２０２が専ら機械的な変位Ｌａを出力する。これに代えて、端部片２０２を固定片とし、端部片２０３を可動片としてもよい。この場合、端部片２０３が出力部材を提供する。また、端部片２０２と、端部片２０３との両方を可動片としてもよい。この場合、端部片２０２と、端部片２０３との両方が出力部材を提供する。機能素子１０は、機能材料１１の変形を直接的に出力することができる。機能素子１０は、静かに機械的な変位を出力することができる。アクチュエータ２０１は、例えば、人工筋肉として利用することができる。

この実施形態によると、機能材料１１の全体の分極密度が改良された電界駆動型機能素子、すなわち、アクチュエータを提供することができる。この実施形態によると、例えば、取り出される変位量の増加、または、取り出される変位力の増加、または、変位量の増加と変位力の増加との両方を達成することができる。

他の実施形態
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形形態を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

上記実施形態では、機能素子１０は、単段である。これに代えて、機能素子１０は、直列的に配列されることにより、直列多段素子を提供してもよい。これに代えて、機能素子１０は、並列的に配列されることにより、並列多段素子を提供してもよい。また、機能素子１０は、直列的かつ並列的に配列されることにより、直並列多段素子を提供してもよい。

１固体冷媒サイクル、２低温部材、３高温部材、
１０機能素子、１１機能材料、１２、１３電極、
１５第１材料、１６第２材料、２０電界変調回路、
２１回路部材、２２直流電源、２３スイッチ素子、
２４制御装置（ＥＣＵ）、５０測定装置、
５１ファンクションジェネレータ、５２増幅器、
５３試料、５４、５５電極、５７オシロスコープ、
ＡＳ活性形状、ＤＳ非活性形状、ｔ１、ｔ２厚さ、
Ｄｆ第１双極子、Ｄｒ第２双極子、
２０１アクチュエータ。

Claims

一対の電極（１２、１３）の間に作用する電界の方向を指向する第１双極子（Ｄｆ）を提供する第１分子を有する第１材料（１５）と、
前記第１分子の運動性を高める第２分子であって、前記電界の方向を指向する第２双極子（Ｄｒ）を提供する第２分子を有する第２材料（１６）とを備え、
前記第１材料、および／または、前記第２材料は、液晶ポリマーである電界駆動型の機能素子。
前記第１材料、および／または、前記第２材料は、強誘電体である請求項１に記載の電界駆動型の機能素子。
一対の電極（１２、１３）の間に作用する電界の方向を指向する第１双極子（Ｄｆ）を提供する第１分子を有する第１材料（１５）と、
前記第１分子の運動性を高める第２分子であって、前記電界の方向を指向する第２双極子（Ｄｒ）を提供する第２分子を有する第２材料（１６）とを備え、
前記第１材料、および、前記第２材料は、強誘電体であり、かつ、液晶ポリマーであり、自発分極によって前記第１双極子、および、前記第２双極子を発現している電界駆動型の機能素子。
前記第２材料は、液体である請求項１から請求項３のいずれかに記載の電界駆動型の機能素子。
一対の電極（１２、１３）の間に作用する電界の方向を指向する第１双極子（Ｄｆ）を提供する第１分子を有する第１材料（１５）と、
前記第１分子の運動性を高める第２分子であって、前記電界の方向を指向する第２双極子（Ｄｒ）を提供する第２分子を有する第２材料（１６）とを備え、
前記第２材料は、液体である電界駆動型の機能素子。
前記第１材料、および／または、前記第２材料は、強誘電体である請求項５に記載の電界駆動型の機能素子。
前記第２分子のアスペクト比は、６．０以上である請求項１から請求項６のいずれかに記載の電界駆動型の機能素子。
一対の電極（１２、１３）の間に作用する電界の方向を指向する第１双極子（Ｄｆ）を提供する第１分子を有する第１材料（１５）と、
前記第１分子の運動性を高める第２分子であって、前記電界の方向を指向する第２双極子（Ｄｒ）を提供する第２分子を有する第２材料（１６）とを備え、
前記第２分子のアスペクト比は、６．０以上である電界駆動型の機能素子。
前記第１材料、および／または、前記第２材料は、強誘電体である請求項８に記載の電界駆動型の機能素子。
さらに、前記電界を変調する電界変調回路（２０）を備える請求項１から請求項９のいずれかに記載の電界駆動型の機能素子。
前記第２材料は、前記第１材料に対する可塑化成分として添加されている請求項１から請求項１０のいずれかに記載の電界駆動型の機能素子。
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の電界駆動型の機能素子（１０）と、
前記機能素子の電気熱量効果を出力する出力部材とを備える固体冷媒サイクル。
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の電界駆動型の機能素子（１０）と、
前記機能素子の機械的な変位を出力する出力部材とを備えるアクチュエータ。