(57)【要約】      （修正有）【課題】バルブのような流体フローを制御するデバイスを提供する。【解決手段】このデバイスは、電界の変化に応答して撓む電気活性ポリマーを持つ１つ以上のトランスデューサを含みえる。電気活性ポリマーは、流体と接触しえ、電気活性ポリマーの撓みは流体の特性を変えるのに用いられえる。変化させられえる流体の特性のいくつかには以下に限定されないが、フローレート、フローの方向、フローの渦度、フローの運動量、フローの混合率、フローの乱流レート、フローエネルギー、フローの熱力学的特性が含まれる。電気活性ポリマーは、航空機の翼の表面のような外部流体フロー内に浸される構造の表面の一部でありえ、または電気活性ポリマーは、流体導管の境界表面のような内部フロー３０６内で用いられる構造の表面の一部でありえる。【選択図】図２Ｎ
2010004736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体フローを制御するデバイスであって、
流体が入り口から出口へと流れる流体導管と、
前記流体導管に配置され管状をなす１つ以上のトランスデューサであって、それぞれのトランスデューサは、少なくとも２つの電極、および前記少なくとも２つの電極と電気的に接続される電気活性ポリマーを備え、電界の変化に応答して前記電気活性ポリマーの一部は第１位置から第２位置に撓むよう構成される、１つ以上のトランスデューサ、
前記流体導管において流体に接触し、前記１つ以上のトランスデューサに動作可能に結合される少なくとも１つの表面であって、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記表面を介して前記流体に伝達され、前記入り口から前記出口へ流動させられる前記流体の特性の変化を引き起こす、少なくとも１つの表面
を備えるデバイス。
【請求項２】
バルブであって、
１つ以上の管状のトランスデューサであって、それぞれの管状のトランスデューサは、少なくとも２つの電極、および前記少なくとも２つの電極と電気的に接続される電気活性ポリマーを備え、電界の変化に応答して前記電気活性ポリマーの一部は第１位置から第２位置に撓むよう構成される、１つ以上の管状のトランスデューサ、
流体が前記バルブに入り、前記バルブから出ることを可能にする入り口および出口、    前記流体が前記バルブを通って流れることを可能にする前記入り口および出口の間のフローパス、
前記１つ以上の管状のトランスデューサと結合された管状の構造体であって、前記電気活性ポリマーの一部の撓みによってその動作位置を変化させ、前記動作位置の変化は前記フローパスを変化させる、管状の構造体
を備えるバルブ。
【請求項３】
請求項２に記載のバルブであって、前記バルブは、チェックバルブ、バタフライバルブ、プレッシャーリリーフバルブ、ニードルバルブ、制御バルブ、スロットバルブ、ロータリバルブ、エンジンの吸気バルブ、およびエンジンの排気バルブからなるグループから選択されるバルブ。
【請求項４】
請求項２に記載のバルブであって、前記バルブは自動車システムにおいて用いられるバルブ。
【請求項５】
請求項４に記載のバルブであって、前記自動車システムは、燃料噴射システム、冷却システム、吸気制御システム、燃焼システム、およびエミッション制御システムからなるグループから選択されるバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
米国政府の権利
本願は、Office of Naval Researchによって承認された契約番号N00014-00-C-0497の下で部分的に政府援助でなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
関連出願との相互参照
本願は、Electroactive Polymer Devices for Controlling Fluid Flowと題されたHeim, et al.による２００２年３月５日に出願された同時係属中の米国特許仮出願第60/362, 560号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００３】
本願は、Electroactive Polymer Thermal Electric Generatorsと題された２００１年２月２３日に出願された同時係属中の米国特許出願第09/792,431号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、ELECTROELASTOMERS AND THEIR USE FOR POWER GENERATIONと題されたQ. Pei et al.を発明者とする２０００年２月２３日に出願された米国特許仮出願第60/184,217号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願はまた、ARTIFICIAL MUSCLE GENERATORと題されたJ. S. Eckerle et al.を発明者とする２０００年３月１７日に出願された米国特許仮出願第60/190,713号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００４】
本願は、Rolled Electroactive Polymersと題された２００２年５月２１日に出願された同時係属中の米国特許出願第10/154,449号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、２００１年５月２２日に出願された米国特許仮出願第60/293,003号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００５】
本願は、Variable Stiffness Electroactive Polymer Systemsと題された２００２年１月１６日に出願された同時係属中の米国特許出願第10/553,511号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、２００１年５月２２日に出願された米国特許仮出願第60/293,005号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Enhanced Multifunctional Footwearと題された米国特許仮出願第60/327,846号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００６】
本願は、Improved Electroactive Polymersと題された２０００年７月２０日に出願された同時係属中の米国特許出願第09/619,847号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、High-speed Electrically Actuated Polymers and Method of Useと題されたR. E. Pelrine et al.を発明者とする１９９９年７月２０日に出願された米国特許仮出願第60/144,556号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Electrostrictive Polymers As Microactuatorsと題されたR. E. Pelrine et al.を発明者とする１９９９年９月１０日に出願された米国特許仮出願第60/153,329号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Artificial Muscle Microactuatorsと題されたR. E. Pelrine et al.を発明者とする１９９９年１０月２５日に出願された米国特許仮出願第60/161,325号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Field Actuated Elastomeric Polymersと題されたR. D. Kornbluh et al.を発明者とする２０００年２月９日に出願された米国特許仮出願第60/181,404号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Polymer Actuators and Materialsと題されたR. E. Pelrine et al.を発明者とする２０００年３月８日に出願された米国特許仮出願第60/187,809号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Polymer Actuators and Materials IIと題されたR. D. Kornbluh et al.を発明者とする２０００年３月２７日に出願された米国特許仮出願第60/192,237号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Electroelastomers and their use for Power Generationと題されたR. E. Pelrine et al.を発明者とする２０００年２月２３日に出願された米国特許仮出願第号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００７】
本願は、Electroactive Polymer Sensorsと題された２００１年１２月６日に出願された同時係属中の米国特許出願第10/007,705号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、と題されたを発明者とする２００１年５月２２日に出願された米国特許仮出願第60/293,004号の優先権を35 U.S.C.§119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記本願は、２０００年４月５日に出願された米国特許仮出願第60/194,817号から優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００８】
本願は、Devices and Methods for Controlling Fluid Flow Using Elastic Sheet Deflectionと題された２００２年１月３１日に出願された同時係属中の米国特許出願第10/066,407号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００９】
本発明は、電気エネルギーおよび機械エネルギー間で変換する電気活性ポリマーデバイスに大きくは関する。より具体的には、本発明は、１つ以上の電気活性ポリマートランスデューサを備える流体連通制御デバイスおよびシステムに関する。
【背景技術】
【００１０】
流体システムは広く存在する。自動車産業、配管産業、化学プロセス産業、および宇宙産業は、流体システムが非常に重要ないくつかの例である。流体システムにおいては、流体システムのパフォーマンスまたは効率を改善するために、または流体システムを適切に動作させることを可能にするように流体システム中の流体を制御するために、流体システム中の流体フローの特性を制御することがしばしば望ましい。例として、自動車産業においては、より高い出力、よりよい燃料経済、および自動車からの低減されたエミッションに対する要求があるので、自動車部品は継続的に改良が求められ、特に「フードの下」の自動車部品のサイズ、重さ、およびコストを低減することが求められる。さらに出力、燃料経済および低減されたエミッションへの要求はしばしばエンジンパフォーマンスの相反する要求につながる。例えばより高い出力は、ふつう燃料経済および／またはエミッションの犠牲のもとに得られる。したがってエンジン要素は、異なるスピード範囲においてパフォーマンスを達成するために柔軟な動作特性を持たなければならない。
【００１１】
自動車のフードの下の要素のかなりの数のものは、エンジンパフォーマンスおよびエミッションに関するかたちで流体フローを制御する機能を果たす。フロー制御デバイスは、燃料噴射システム、吸気システム、冷却システム、および排気システムを含むエンジンおよびさまざまなエンジンサブシステムのさまざまな部分に見つかる。
【００１２】
例えば、燃焼室の吸気および排気バルブの動作特性はエンジンパフォーマンスに対して重要である。吸気バルブは、空気／燃料の混合気を燃焼室内に入れるために適切なタイミングで開き、排気バルブは、排気を外に出すために適切なタイミングで開く。エンジンのバルブタイミングおよびリフト（バルブの開放の量）特性は、異なるスピード範囲においてエンジンパフォーマンスに大きな影響を有する。現在のエンジンは、固定されたバルブタイミングおよびリフトを有するので、パフォーマンスは出力および燃料経済の間の妥協の産物である。異なるスピードにおけるエンジンパフォーマンスは、可変タイミングおよびバルブリフトを採用することによって最適化されえる。しかしソレノイドおよびハイドロリックのような従来のアクチュエータ技術は、吸気および排気バルブを駆動するのに必要とされる出力レベルでは高価で、重く、複雑である。よって、可変タイミングおよびバルブリフトは、自動車産業では多用はされてきていない。コストおよび重さのような従来のアクチュエータ技術の限界は、自動車産業以外の多くの流体制御の応用例では重要である。例えば、宇宙用の応用例では重量およびコストがふつうは非常に重要な考慮事項である。
【００１３】
電気エネルギーを機械エネルギーに、またはその逆に変換できる新しいハイパフォーマンスポリマーがさまざまなエネルギー変換応用例について今や利用可能である。これらポリマーの一つの種類である電気活性エラストマー（誘電体エラストマー、電気エラストマー、またはＥＰＡＭとも呼ばれる）がますます注目されてきている。電気活性エラストマーは、高エネルギー密度、応力、および電気機械結合効率を示しえる。これらポリマーのパフォーマンスは、ポリマーが面積で予め歪みを与えられる（prestrained in area）とき顕著によくなる。例えば、面積が１０倍から２５倍に増加すると多くの電気活性エラストマーのパフォーマンスは改善する。これら材料を用いて作られたアクチュエータおよびトランスデューサは、流体制御の応用例で用いられる従来の技術に比較すると、大幅に安く、軽く、より広い動作範囲を有しえる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
よって流体制御応用例におけるこれら高パフォーマンスポリマーを実現する改良された技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、バルブのような流体フローを制御するデバイスを記載する。デバイスは、電界の印加に応答して撓む電気活性ポリマーを持つ１つ以上の電気活性ポリマートランスデューサを含みえる。電気活性ポリマーは流体と接触しえ、ここで電気活性ポリマーの撓みは流体の特性を変えるために用いられえる。変化させられえる流体の特性のいくつかには以下に限定されないが、１）流体フローレート、２）流体フローの方向、３）流体フローの渦度、４）流体フローの運動量、５）流体フローの混合率、６）流体フローの乱流レート、７）流体フローエネルギー、８）流体フローの熱力学的特性が含まれる。電気活性ポリマーは、航空機の翼の表面のような外部流体フロー内に浸される構造の表面の一部でありえ、または電気活性ポリマーは、流体導管の境界表面のような内部フロー内で用いられる構造の表面の一部でありえる。
【００１６】
本発明のある局面は、流体を制御するデバイスを提供する。このデバイスは、以下のものを備えるとして大きくは特徴付けられえる。すなわち、１）１つ以上のトランスデューサであって、それぞれのトランスデューサは、少なくとも２つの電極、および前記少なくとも２つの電極と電気的に通信する電気活性ポリマーを備え、電界の変化に応答して前記電気活性ポリマーの一部は第１位置から第２位置に撓むよう構成される、１つ以上のトランスデューサ、２）流体に接触し、前記１つ以上のトランスデューサに動作可能に結合される少なくとも１つの表面であって、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記１つの表面を介して前記流体に伝達される前記流体の特性の変化を引き起こす、少なくとも１つの表面である。変化させられえる流体の特性のいくつかには以下に限定されないが、１）流体フローレート、２）流体フローの方向、３）流体フローの渦度、４）流体フローの運動量、５）流体フローの混合率、６）流体フローの乱流レート、７）流体フローエネルギー、８）流体フローの熱力学的特性が含まれる。
【００１７】
特定の実施形態において、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記１つの表面を第１形状から第２形状に変える。例えば、前記１つの表面は、風船形状、半球形状、円筒形状、または半円筒形状のうちの１つを形成するように伸長しえる。前記１つの表面は、前記１つ以上のトランスデューサに機械的結合を介して動作可能に結合されえる。さらに、前記１つの表面は、前記電気活性ポリマーの前記一部の外側表面でありえる。
【００１８】
前記流体は、圧縮性、非圧縮性、またはそれらの組み合わせのうちの１つでありえる。流体はまた同質または異質のうちの１つでありえる。さらに、前記流体は、ニュートン流体または非ニュートン流体として振る舞いえる。前記流体は、混合物、スラリー、懸濁液、２つ以上の不混和液体の混合物、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される。流体は、液体、気体、プラズマ、固体、相変化、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される状態の１つ以上の成分を含みえる。
【００１９】
特定の実施形態において、前記流体は前記１つの表面上を流れえる。前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記１つの表面の形状を変化させることによって前記流体の粘性流レイヤの特性を変えるか、または前記流体の非粘性流レイヤの特性を変えうる。さらに前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記１つの表面の形状を変化させることによって前記流体内の成分の混合を促進するか、または前記流体フローをブロックしえる。加えて、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記１つの表面の温度変化、または前記１つの表面の表面粗さの変化を引き起こしえる。例えば、前記１つの表面はさらに微視的電気活性ポリマー要素の圧力を備え、前記微視的電気活性ポリマー要素の第１位置から第２位置への撓みは、前記１つの表面の表面粗さを変えうる。さらに前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記１つの表面を伸長または収縮させ、それによって前記１つの表面の相対的滑らかさを変え、前記相対的滑らかさは、前記１つの表面上の前記流体フローに対する抗力に影響を与えうる。
【００２０】
他の実施形態において、前記デバイスは、流体が流体導管の入り口から流体導管の出口へ流れ、前記入り口および前記出口の間の前記１つの表面上を通ることを可能にするよう構成される流体導管をさらに備え、前記流体導管の境界表面は前記流体を外部環境から分離する。この場合、前記１つの表面は、前記電気活性ポリマーの前記部分の外側表面でありえ、また前記流体導管の前記境界表面の一部でありえる。前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記流体導管の前記境界表面の形状の変化を引き起こしえる。例えば、前記流体導管の前記形状は、前記入り口から前記出口へ前記流体が移動する距離を増すように変化させられえる。さらに前記流体導管の前記形状は、時間の関数として動的に変化させられえる。例えば、前記流体導管の前記境界表面の前記形状は、前記流体導管の一部の断面積を増加または減少させるよう変化させられえ、前記断面の形状は、円形、楕円、長方形、および多角形からなるグループから選択されえる。前記流体導管の前記境界表面の２つ以上の形状は、前記１つ以上のトランスデューサ内の前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みに応答して独立に変えられえる。また、前記電気活性ポリマーの前記一部内の前記撓みは、前記ポリマーの境界表面をねじれて回転させる。
【００２１】
さらに他の実施形態において、前記流体導管の前記境界表面は、空洞の中心を持つ巻かれた電気活性ポリマートランスデューサで構成されえる。さらに、前記流体導管の一部を絞って、前記電極内の前記流体フローをブロックするように、１つ以上のトランスデューサが撓むよう構成されえる。ここで前記１つ以上のトランスデューサは、前記流体導管の前記部分の外周にフィットするよう設計されたスリーブ内に構成されえる。他の実施形態においては、前記電気活性ポリマーの前記一部内の前記撓みは、前記１つの表面が、前記流体導管内の前記フローをブロック、増加、または減少のうちのいずれかを行うように膨張するようにしえ、前記電気活性ポリマーの前記一部内の前記撓みは、前記１つの表面が、前記流体導管内のフローを、前記流体導管に接続された第１チャネルから第２チャネルへ転送するようにしえる。
【００２２】
特定の実施形態において、前記流体導管の一部は、前記流体を前記流体導管内のスロート領域から前記ノズルボディの出口へと膨張させるノズルボディでありえる。前記電気活性ポリマーの前記一部内の前記撓みは、前記ノズルボディを伸長または収縮させることによって、前記ノズルボディ内の前記流体の膨張レート、および前記ノズルボディの前記出口における前記流体の速度プロファイルを変化させえる。さらに、前記電気活性ポリマーの前記一部内の前記撓みは、前記ノズルボディの断面形状を第１形状から第２形状へ変化させえる。加えて、前記電気活性ポリマーの前記一部内の前記撓みは、前記スロート領域の断面形状を第１形状から第２形状へ変化させえる。さらに、前記電気活性ポリマーの前記一部内の前記撓みは、前記ノズルボディを曲げて、前記ノズルから出る前記流体の方向を変えうる。
【００２３】
このデバイスは、前記流体の特性を計測する、前記デバイスに接続される１つ以上のセンサをさらに備え、前記流体の前記特性は、温度、圧力、密度、粘性、熱伝導率、フローレート、および前記流体の成分の濃度からなるグループから選択されえる。さらに前記デバイスはまた、前記ポリマーの前記部分の前記撓み、前記ポリマーの前記部分上の電荷、および前記電気活性ポリマーの前記部分にわたる電圧のうちの１つ以上をモニタする前記デバイスに接続される１つ以上のセンサをさらに備えうる。加えて、前記デバイスは、１）前記トランスデューサの動作の制御すること、２）１つ以上のセンサをモニタすること、３）他のデバイスと通信すること、および４）それらの組み合わせのうちの少なくとも１つのための論理デバイスをさらに備えうる。また、前記デバイスは、前記１つ以上のトランスデューサについて、電圧ステップアップ、電圧ステップダウンおよび電荷制御の機能のうちの１つ以上を実行するよう設計または構成された調整電子回路をさらに備えうる。
【００２４】
他の実施形態において、前記電気活性ポリマーは、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ポリウレタン、ＰＶＤＦを含む共重合体、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択されえる。前記デバイスは、前記１つの表面を前記１つの表面と接触する前記流体の成分から保護するよう設計または構成される絶縁バリアと共に、前記１つ以上のトランスデューサに固定するよう設計または構成される１つ以上の支持構造
をさらに備えうる。前記電気活性ポリマーは、前記第１位置において弾性的に予歪みが与えられることによって、前記第１位置および第２位置の間の前記電気活性ポリマーの機械的応答を改善しえる。前記電気活性ポリマーは、約１００ＭＰａ未満の弾性率を有しえ、前記第１位置および前記第２位置の間で少なくとも約１０パーセントの弾性領域歪みを有しえる。
【００２５】
他の実施形態において、前記電気活性ポリマーは多層構造を備ええて、前記多層構造は、電気活性ポリマーの２つ以上のレイヤを備えうる。前記デバイスは半導体基板上に製造されえる。前記デバイスは、バルブでありえる。さらに前記１つの表面は、前記流体フローの方向を制御するベーンの表面の一部であって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記流体フロー中の前記ベーンの向きを変える。
【００２６】
本発明の他の局面はバルブを提供する。このバルブは、以下のものを備えることによって大きくは特徴付けられえる。すなわち、１）１つ以上のトランスデューサであって、それぞれのトランスデューサは、少なくとも２つの電極、および前記少なくとも２つの電極と電気的に通信する電気活性ポリマーを備え、電界の変化に応答して前記電気活性ポリマーの一部は第１位置から第２位置に撓むよう構成される、１つ以上のトランスデューサ、２）流体が前記バルブに入り、前記バルブから出ることを可能にする入り口および出口、３）前記流体が前記バルブを通って流れることを可能にする前記入り口および出口の間のフローパス、４）前記１つ以上のトランスデューサに動作可能に結合された構造体であって、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記構造体の動作位置を変化させ、前記構造体の前記動作位置の変化は前記フローパスを変化させる、構造体を備える。構造体は、２つの動作位置を有するよう設計されえ、前記構造体が第１動作位置にあるときには前記フローパスは閉じられ、前記構造体が第２動作位置にあるときには前記フローパスは開かれる。また構造体は、複数の動作位置を有するように設計されえる。前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記構造体を第１形状から第２形状へ変化させる。
【００２７】
特定の実施形態において、前記構造体の前記動作位置の前記変化は、前記フローパスに沿った少なくとも１つの位置における前記フローパスの断面積を変化させえる。前記バルブはバルブシートをさらに備え、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記構造体が前記バルブシートに接触するようにする。バルブはダイアフラムバルブでありえ、構造体はダイアフラムでありえる。バルブがダイアフラムバルブであるとき、構造体はダイアフラムの形状をした電気活性ポリマーでありえる。大きくは電気活性ポリマーは、構造体の一部でありえる。バルブは、ニードルバルブでありえ、構造体は円錐形状でありえる。前記バルブはボールバルブであり、前記構造体は球形の形状でありえる。前記バルブはプラグバルブであり、前記構造体はプラグ形状でありえる。大きくは、このバルブは、チェックバルブ、バタフライバルブ、プレッシャーリリーフバルブ、ニードルバルブ、制御バルブ、スロットバルブ、ロータリバルブ、エンジンの吸気バルブ、およびエンジンの排気バルブのうちの１つでありえる。
【００２８】
他の実施形態においては、前記構造体は、前記フローパスの部分である流体導管をさらに備えうる。前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記構造体を第１動作位置から第２動作位置へ回転させ、前記第１動作位置において前記流体導管は前記構造体の外の前記フローパスとアラインされ、前記バルブを通る前記フローパスは開かれえる。前記第２動作位置において前記流体導管は前記構造体の外の前記フローパスとアラインされず、前記バルブを通る前記フローパスはブロックされえる。加えて、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記構造体を第１動作位置から第２動作位置へ直線的に移動させえ、前記第１動作位置において前記流体導管は前記構造体の外の前記フローパスとアラインされ、前記バルブを通る前記フローパスは開かれえる。前記第２動作位置において前記流体導管は前記構造体の外の前記フローパスとアラインされず、前記バルブを通る前記フローパスはブロックされえる。前記バルブはスロットバルブであって、前記流体導管はスロットでありえる。
【００２９】
さらに他の実施形態において、前記構造体は電気活性ポリマーロールでありえ、前記フローパスの部分は、前記ポリマーロールの中心を通りえる。さらに前記電気活性ポリマーの前記部分は、前記フローパスに沿った境界表面でありえる。前記バルブは、１つ以上のセンサをさらに備え、前記１つ以上のセンサからの入力信号は前記構造体の前記動作位置を決定するために用いられえる。前記バルブはマルチポートバルブであって、前記構造体の前記動作位置は、前記フローパスが複数のポートのうちの１つとアラインすることを可能にしえる。前記バルブは、１）前記バルブの動作を制御すること、２）１つ以上のセンサをモニタすること、３）他のデバイスと通信すること、および４）それらの組み合わせのうちの少なくとも１つのための論理デバイスをさらに備えるか、または電圧ステップアップ、電圧ステップダウンおよび電荷制御の機能のうちの１つ以上を実行するよう設計または構成された調整電子回路をさらに備えうる。前記バルブは、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みによって前記構造体に加えられる第２の力の方向と反対の方向の力を提供する加圧メカニズムをさらに備えうる。前記加圧メカニズムはスプリングでありえる。
【００３０】
本発明のこれらおよび他の特徴および優位性は、本発明の以下の説明および関連付けられた図面を参照して記載される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】本発明のある実施形態による電圧の印加の前のトランスデューサ部の上面図である。
【図１Ｂ】本発明のある実施形態による電圧の印加の後のトランスデューサ部の上面図である。
【図２Ａ】ＥＰＡＭデバイスが流体導管の表面の境界表面の部分をなす電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）フロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｂ】ＥＰＡＭデバイスが流体導管の表面の境界表面の部分をなす電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）フロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｃ】ＥＰＡＭデバイスが流体導管の表面の境界表面の部分をなす電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）フロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｄ】ＥＰＡＭデバイスが流体導管の表面の境界表面の部分をなす電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）フロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｅ】ＥＰＡＭデバイスが流体導管の表面の境界表面の部分をなす電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）フロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｆ】ＥＰＡＭデバイスが流体導管の表面の境界表面の部分をなす電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）フロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｇ】ＥＰＡＭデバイスが流体導管内のフローレートを制御するのに用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｈ】ＥＰＡＭデバイスが流体導管内のフローレートを制御するのに用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｉ】ＥＰＡＭデバイスが流体導管内のフローレートを制御するのに用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｊ】ＥＰＡＭデバイスが流体導管内のフローレートを制御するのに用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｋ】流体の混合および分注を行うＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｌ】導管を通って流れる流体の方向を制御するのに用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｍ】導管を通って流れる流体の方向を制御するのに用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｎ】流体導管の表面粗さを変え、流体導管内のフローに波状パターンを与え、または流体導管をブロックするのに用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｏ】ノズル応用例に用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｐ】ノズル応用例に用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｑ】ノズル応用例に用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図２Ｒ】ノズル応用例に用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ａ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｂ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｃ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｄ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｅ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｆ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｇ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｈ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｉ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｊ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｋ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｌ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図３Ｍ】さまざまな異なるバルブ応用例において用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す図である。
【図４Ａ】本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマーデバイスを示す図である。
【図４Ｂ】本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマーデバイスを示す図である。
【図４Ｃ】本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマーデバイスを示す図である。
【図４Ｄ】本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマーデバイスを示す図である。
【図４Ｅ】本発明のある実施形態による図２Ａの巻かれた電気活性ポリマーデバイスのエンドピースを示す図である。
【図４Ｆ】本発明のある実施形態によるポリマー撓みに関連する構造変化に基づいた可変剛性を提供する曲げトランスデューサを示す図である。
【図４Ｇ】９０度の曲げ角を持つ図４Ａのトランスデューサを示す図である。
【図４Ｈ】本発明の他の実施形態による可変剛性を提供するのに適するボウデバイスを示す図である。
【図４Ｉ】駆動後の図４Ｃのボウデバイスを示す図である。
【図４Ｊ】本発明のある実施形態による単一のポリマー上の複数のアクティブ領域を備えるモノリシックトランスデューサを示す図である。
【図４Ｋ】本発明のある実施形態による巻かれる前の単一のポリマー上の複数のアクティブ領域を備えるモノリシックトランスデューサを示す図である。
【図４Ｌ】本発明のある実施形態による２次元出力を作る巻かれたトランスデューサを示す図である。
【図４Ｍ】半径方向にアラインされたアクティブ領域の１つのセットについての駆動がなされる図４Ｌの巻かれたトランスデューサを示す図である。
【図４Ｎ】本発明のある実施形態による開ループ可変剛性／制動システムの電気ブロック図である。
【図５Ａ】パワー調整電子回路に接続された１つ以上のアクティブ領域のブロック図である。
【図５Ｂ】本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマートランスデューサを採用するデバイスの回路ブロック図である。
【図６】本発明のある実施形態による電気活性ポリマートランスデューサを採用するセンサのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明は、添付の図面に図示されるいくつかの好ましい実施形態を参照して詳細に記載される。以下の記載においては多くの特定の詳細が述べられるが、これは本発明の完全な理解を促すためである。しかし当業者には明らかなように、本発明は、これら具体的な詳細の一部または全てがなくても実施できる。あるいは既知のプロセスステップおよび／または構造は本発明の趣旨を不必要にぼかさないために詳細には記載されていない。
【００３３】
１．電気活性ポリマー
本発明の電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）フロー制御デバイスを記載する前に、電気活性ポリマーの構成および動作の基本原理が図１Ａおよび図１Ｂを参照してまず説明される。以下のセクションでは本発明のフロー制御デバイスおよびシステムの実施形態が図２Ａ〜２Ｍおよび３Ａ〜３Ｍを参照して記載される。本発明のデバイスにおける電気および機械エネルギー間の変換は、電気活性ポリマーの１つ以上の活性領域のエネルギー変換に基づく。電気活性ポリマーは、機械エネルギーおよび電気エネルギーの間で変換できる。場合によっては、電気活性ポリマーは、変化する機械的歪みによって電気的特性（例えばキャパシタンスおよび抵抗）を変化させることができる。
【００３４】
電気エネルギーおよび機械エネルギーの間の変換における電気活性ポリマーのパフォーマンスを示すのを助けるため、図１Ａは、本発明のある実施形態によるトランスデューサ部１０の上透視図である。トランスデューサ部１０は、電気エネルギーおよび機械エネルギー間の変換を行う電気活性ポリマー１２の部分を含む。ある実施形態において、電気活性ポリマーとは、２つの電極間の絶縁誘電体として機能し、２つの電極間の電圧差の印加に応じて撓みえるポリマー（「誘電体エラストマー」）を指す。上部および下部電極１４および１６は、それぞれ電気活性ポリマー１２にその上部および下部表面上で取り付けられ、ポリマー１２にわたり電圧差を提供するか、またはポリマー１２から電気エネルギーを受け取る。ポリマー１２は、上部および下部電極１４および１６によって提供される電界の変化で撓みえる。電極１４および１６によって提供される電界の変化に応じたトランスデューサ部１０の撓み（deflection）は、「駆動」（actuation）と呼ばれる。駆動は典型的には電気エネルギーの機械エネルギーへの変換を伴う。ポリマー１２がサイズの点で変化すると、撓みは機械的仕事を作りだすのに用いられえる。
【００３５】
特定の理論に縛られたいわけではないが、ある実施形態においてはポリマー１２は、電わい的に振る舞うと考えられえる。電わい（electrostrictive）という語は、電界の二乗に対する材料の応力（stress）および歪み（strain）応答を記述するために一般的な意味でここでは用いられる。この語は、しばしば電界によって誘導された分子内力から起きる電界中の材料の歪み応答を指すのに専ら用いられるが、ここではこの語はもっと一般に電界の二乗に対する応答を起こす他のメカニズムを指す。電わいは、応答が電界に比例するのではなく、電界の二乗に比例するという点で圧電的振る舞いとは区別される。伸展性電極を持つポリマーの電わいは、電極上の自由電荷間で発生する静電力（「マクスウェル応力」と呼ばれることもある）から生じえ、電界の二乗に比例する。この場合の実際の歪み応答は、ポリマーの内部および外部力に依存してかなり複雑でありえるが、この静電圧力および応力は電界の二乗に比例する。
図１Ｂは、撓みを含むトランスデューサ部１０の上透視図である。一般に撓みとは、任意の変位、伸長、収縮、ねじれ、直線または面歪み、またはポリマー１２の一部の任意の他の変形を言う。駆動のために電極１４および１６に印加された、または電極によって印加された電位差に対応する電界の変化は、ポリマー１２内に機械的圧力を作る。この場合、電極１４および１６によって作られた異極の電荷は、互いに引きつけられ、電極１４および１６の間に圧縮力を提供し、ポリマー１２上に平面方向１８および２０に伸長力を提供し、ポリマー１２が電極１４および１６間で圧縮し、平面方向１８および２０で伸長するように作用する。
【００３６】
電極１４および１６は伸展性があり、ポリマー１２と共に形状を変化させる。ポリマー１２および電極１４および１６の構成は、歪みに対するポリマー１２の応答を増すよう働く。より具体的にはトランスデューサ部１０が撓むと、ポリマー１２の圧縮は、電極１４および１６の反対の電荷をより近くし、ポリマー１２の伸長は、それぞれの電極における同じ電荷を分離する。ある実施形態において、電極１４および１６のうちの一つはグラウンドに接続される。駆動のため、トランスデューサ部１０は、機械的応力が、撓みを駆動する静電力とバランスするまで一般に撓み続ける。機械的応力には、ポリマー１２材料の弾性回復力、電極１４および１６のコンプライアンス、およびトランスデューサ部１０に結合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抵抗が含まれる。印加された電圧の結果としてのトランスデューサ部１０の撓みは、ポリマー１２の誘電体定数およびポリマー１２のサイズのような多くの他のファクタにも依存する。
【００３７】
本発明による電気活性ポリマーは、任意の方向に撓むことが可能である。電極１４および１６間に電圧を印加した後、電気活性ポリマー１２は、平面方向１８および２０の両方においてサイズが増す。場合によっては電気活性ポリマー１２は非圧縮性であり、例えば応力の下で実質的に一定体積を有する。この場合、ポリマー１２は、平面方向１８および２０における膨張の結果、厚さが減る。本発明は、非圧縮性ポリマーに限定されず、ポリマー１２の撓みはそのような単純な関係に従わないかもしれない。
【００３８】
比較的大きな電圧差を図１Ａに示されるトランスデューサ１０の電極１４および１６間に印加することによって、トランスデューサ部１０は図１Ｂに示されるようにより薄く、大きな面積の形状に変化させられる。このようにしてトランスデューサ部１０は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。トランスデューサ部１０はまた、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するのにも用いられえる。
【００３９】
駆動するにはトランスデューサ部１０は、機械的力が撓みを駆動する静電力と釣り合いがとれるまで一般に撓み続ける。機械的力には、ポリマー１２材料の弾性回復力、電極１４および１６のコンプライアンス、およびトランスデューサ部１０に結合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抵抗が含まれる。印加された電圧の結果としてのトランスデューサ部１０の撓みは、ポリマー１２の誘電体定数およびポリマー１２のサイズのような多くの他のファクタにも依存する。
【００４０】
ある実施形態において電気活性ポリマー１２は予歪みが与えられる（pre-strained）。ポリマーの予歪みは、１つ以上の方向における、予歪みの前のある方向における寸法に対する予歪み後のその方向における寸法の変化として記述されえる。予歪みは、ポリマー１２の弾性変形を含みえ、例えばポリマーを張力下で伸長し、伸長させながらも１つ以上のエッジを固定することによって形成されえる。以下に詳述されるようにあるいは、スプリングのようなメカニズムが電気活性ポリマーの異なる部分に結合されえ、ポリマーの部分に歪みを与える力を提供しえる。多くのポリマーについて、予歪みは電気および機械エネルギー間の変換を改善する。改善された機械応答は、電気活性ポリマーについてのより大きな機械的仕事、例えばより大きな撓みおよび駆動圧力を可能にする。ある実施形態において予歪みは、ポリマーの誘電体強度を改善する。他の実施形態においては予歪みは弾性的である。駆動の後、弾性的に予歪みが与えられたポリマーは原理的には固定されず、その元の状態に戻る。
【００４１】
ある実施形態において、予歪みは、等方性予歪みポリマーを作るためにポリマー１２の部分にわたって均一に加えられる。例として、アクリル弾性ポリマーは、２００から４００パーセントだけ両方の方向において伸長されえる。他の実施形態において予歪みは、異方性予歪みポリマーを作るために、不均一に、ポリマー１２の部分について異なる方向で与えられる。この場合、ポリマー１２は駆動されると、ある方向においては他の方向よりもより大きく撓みえる。理論に縛られたいのではないが、ポリマーにある方向で予歪みを与えることは、予歪み方向においてポリマーの剛性を増しえる。これに対応しポリマーは、高予歪み方向において比較的、剛性が高く、低予歪み方向においてはよりコンプライアンスが高く、駆動されると、低予歪み方向においてより大きい撓みが発生する。ある実施形態において、トランスデューサ部１０の方向１８の撓みは、垂直な方向２０における大きな予歪みを利用することによって向上されえる。例えばトランスデューサ部１０として用いられるアクリル弾性的ポリマーは、方向１８において１０％だけ伸長されえ、方向２０においては５００％だけ伸長されえる。ポリマーの予歪みの量は、ポリマー材料、およびある応用例でのポリマーの所望のパフォーマンスに依存しえる。本発明と共に用いるのに適した予歪みは、共通して所有された、同時係属中の米国特許出願第０９／６１９，８４８号にさらに記載され、全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００４２】
一般にポリマーに予歪みが与えられた後、それは１つ以上の物体または機構に固定されえる。剛性のある物体については、その物体は好ましくは適当に剛性があり、ポリマーに所望の予歪みのレベルを維持する。ポリマーを歪ませるための力を提供するスプリングまたは他の適切な機構が、ポリマーにおいてそのスプリングまたは機構に取り付けされる前の以前に確立された任意の予歪みに加えられえるか、またはポリマー中の予歪みの全てについて原因となりえる。化学的接着、接着層または材料、機械的固定などのようなこの技術で知られる任意の従来の方法によって、ポリマーは１つ以上の物体または機構に固定されえる。
【００４３】
本発明のトランスデューサおよび予歪みが与えられたポリマーは、特定の巻き取られた幾何学的構成または撓みのタイプに限定されない。例えば、ポリマーおよび電極は、円筒および多層巻き取り円筒、複数の堅い構造物間に取り付けられた巻かれたポリマー、曲面または複雑な幾何学的構成を含む任意の幾何学的構成のフレームにわたって取り付けられた巻かれたポリマーなどを含む任意の幾何学的構成および形状に形成されえる。同様の構造は、平坦なシートのポリマーと共に用いられえる。本発明によるトランスデューサの撓みは、１つ以上の方向における直線的膨張または圧縮、屈曲、ポリマーが巻かれているときは軸方向撓み、ポリマーの周りの外側円筒上に設けられた穴から出る撓みなどを含む。トランスデューサの撓みは、ポリマーが、そのポリマーに取り付けられたフレームまたは堅い構造によってどの程度制約を受けるかによって影響を受ける。
【００４４】
本発明の電気活性ポリマーとして用いられるのに適した材料には、静電力に応答して変形する、またはその変形が電界の変化につながる任意の実質的に絶縁性のポリマーまたはラバー（またはそれらの組み合わせ）が含まれる。ある適切な材料は、カリフォルニア州、CarpenteriaのNuSil Technologyによって提供されるNuSil CF19-2186である。予歪みが与えられたポリマーとして用いられるのに適する他の例示的材料には、シリコーンエラストマー、ミネソタ州、St. Paulの3M Corporationによって製造されるアクリルエラストマーのようなアクリルエラストマー、熱可塑性エラストマー、ＰＶＤＦを含む共重合体、圧力に敏感な接着材料、フッ化エラストマー、シリコーンおよびアクリル成分を含むポリマーなどが含まれる。シリコーンおよびアクリル成分を含むポリマーには、シリコーンおよびアクリル成分を含む共重合体、シリコーンエラストマーおよびアクリルエラストマーを含むポリマー混合物などが含まれる。これら材料のいくつかの組み合わせも本発明のトランスデューサ中の電気活性ポリマーとして用いられえる。
【００４５】
電気活性ポリマーとして用いられる材料は、高電気絶縁破壊強度、低弾性率（大きいまたは小さい変形について）、高誘電率などの１つ以上の材料特性に基づいて選択されえる。ある実施形態においては、多くても約１００ＭＰａの弾性率を有するようにポリマーは選択される。他の実施形態においてポリマーは、それが約０．０５ＭＰａおよび約１０ＭＰａの間の、好ましくは約０．３ＭＰａおよび約３ＭＰａの間の最大駆動圧力を有するように選択される。他の実施形態においてポリマーは、それが約２および約２０の間の、好ましくは約２．５および約１２の間の誘電率を有するように選択される。
【００４６】
本発明のトランスデューサの電気活性ポリマーレイヤは、広い範囲の厚みを持ちえる。ある実施形態において、ポリマーの厚さは、約１マイクロメートルおよび２ミリメートルの間の範囲にある。ポリマー厚さは、１つまたは両方の平面方向においてフィルムを伸長することによって小さくされえる。多くの場合、本発明の電気活性ポリマーは、薄膜として製造および実現される。これら薄膜に適した厚さは、５０マイクロメートル未満でありえる。
【００４７】
本発明の電気活性ポリマーは高い歪みにおいて撓みえるので、ポリマーに取り付けられた電極も機械的または電気的パフォーマンスで妥協することなく撓む必要がある。一般に本発明と共に用いるのに適する電極は、それらが適切な電圧を電気活性ポリマーに印加し、または適切な電圧をそれから受け取ることができる任意の形状および材料でありえる。電圧は、一定または時間とともに可変のいずれでもありえる。ある実施形態において、電極はポリマーの表面に接着する。ポリマーに接着する電極は、好ましくはコンプライアンスがあり、ポリマーの形状変化に追従する。対応して、本発明は、それらが取り付けられた電気活性ポリマーの形状に適合するコンプライアンスを持つ電極を含みえる。電極は、電気活性ポリマーの一部分だけに適用されえ、その幾何学的形状によってアクティブ領域を定義しえる。電気活性ポリマーの一部だけを覆う電極のいくつかの例は、以下に詳述される。
【００４８】
本発明と共に用いるのに適するさまざまなタイプの電極は、共有された同時係属中の米国特許出願第０９／６１９，８４８号に記載され、上ですでに参照によって援用された。そこで記載された本発明とともに用いるのに適した電極には、金属トレースおよび電荷分配レイヤを含む構造化電極、さまざまな平面外寸法を含む模様付き電極、カーボングリースまたはシルバーグリースのような導電グリース、コロイド懸濁液、カーボン微小繊維およびカーボンナノチューブのような高アスペクト比導電材料、およびイオン導電材料の混合物が含まれる。
【００４９】
本発明の電極に用いられる材料はさまざまである。電極として用いられる適切な材料には、グラファイト、カーボンブラック、コロイド懸濁液、銀および金を含む薄い金属、銀が満たされた、またはカーボンが満たされたゲルまたはポリマー、イオン的にまたは電子的に導電性を有するポリマーが含まれる。特定の実施形態において、本発明と共に用いられるのに適切な電極は、ペンシルバニア州のPhiladelphiaのStockwell Rubber Co. Inc.によって製造されるStockwell RTV60-CONのようなシリコーンラバーバインダ中の８０パーセントカーボングリースおよび２０パーセントカーボンブラックを含む。カーボングリースは、マサチューセッツ州のFairhavenのNye Lubricant Inc.によって提供されるNyoGel 756Gのようなタイプである。導電グリースはまた、ニューヨーク州、WaterfordのGeneral Electricによって製造されるRTV 118のようなエラストマーと混合され、ゲル状の導電グリースを提供しえる。
【００５０】
ある種の電極材料は特定のポリマーとうまく働き、他のものとはうまく働かないということもありえることが理解されよう。例として、カーボン微小繊維は、アクリルエラストマーポリマーとはうまく働くが、シリコーンポリマーとはうまく働かない。たいていのトランスデューサについて、コンプライアンスを有する電極について望ましい特性は、以下のうちの１つ以上を含みえる。すなわち低弾性率、低機械的減衰、低表面抵抗、均一な抵抗、化学的および環境的安定性、電気活性ポリマーとの化学的適合性、電気活性ポリマーへの良好な接着性、および滑らかな表面を形成できる性能である。場合によっては、本発明のトランスデューサは、例えばそれぞれのアクティブ領域についての異なる電極タイプ、またはポリマーの反対側上の異なる電極タイプのような２つの異なるタイプの電極を利用しえる。
【００５１】
２．ＥＰＡＭフロー制御デバイス
現在、ＥＰＡＭフロー制御デバイスは、導管を通って移動する流体のフローのような内部流、または航空機の翼上のフローのような外部流の１つ以上の特性を変えために用いられる。ＥＰＡＭフロー制御デバイスは、１つ以上の構造体を通る、またはその周りの気体、液体および／または疎な粒子の流体的連通を制限し、影響を与え、または制御するデバイスを指し、１つ以上のＥＰＡＭトランスデューサを含む。フローの特性は、その流体と接触する１つ以上の表面の特性を、１つ以上のＥＰＡＭトランスデューサの動作を介して変化させることによって変化させられえる。変化させられえる流体のいくつかの特性には、以下に限定されないが、１）フローレート、２）フローの方向、３）フローの渦度、４）フローの運動量または速度、５）フローの混合率、６）フローの乱流レート、７）フローエネルギーおよび８）フローの熱力学的特性が含まれる。典型的には本発明において記載されるＥＰＡＭフロー制御デバイスは、位置間でバルク流体を移動させる圧力勾配のような駆動力を提供しない。しかし本発明はそのようには限定されず、流体への駆動力を提供するように用いられえる。
【００５２】
本発明の流体には、液体、気体、プラズマ、相変化、固体またはそれらの組み合わせの状態の材料を含みえる。この流体は、非ニュートン流体またはニュートン流体として振る舞いえる。さらに流体は、同質または異質でありえる。また流体は、非圧縮性または圧縮性でありえる。本発明の流体の例には、以下に限定されないが、１）混合物、２）スラリー、３）懸濁液および４）２つ以上の不混和性液体のフローが含まれる。
【００５３】
図２Ａ〜２Ｆは、内部流システムにおいて用いられる流体導管の表面の境界表面の一部をＥＰＡＭがなすＥＰＡＭフロー制御デバイスを示す。流体導管は、導管内の流体を外部環境から分離する。図示されないが、ＥＰＡＭフロー制御デバイスは、外部流中の構造の境界表面をＥＰＡＭがなす外部流中でも用いられえる。
【００５４】
図２Ａにおいて、流体導管３００の一部が示される。流体導管３００は、入り口３０４および出口３０５を含む。導管内の流体のフローの全体的な方向は、矢印３０６によって示される。流体導管３００は、より大きい流体システム中の一要素でありえる。流体導管は、導管３００内を流れる流体を外部環境から分離する境界表面３０３を含む。入り口における流体導管の断面３０１は円形である。しかし一般に断面は円形である必要はなく、多角形またはさまざまな長さの側面を持つ他の一般的な形状でありえる。加えて、断面形状は、流体導管３００中の位置の関数として変化しえる。さらに境界表面３０３は、必ずしも閉じていなければならないわけではない。例えば、導管の一部が外部環境に開いている溝が流体導管として用いられえる。
【００５５】
境界表面３０３の１つ以上の部分は、ＥＰＡＭデバイスで構成されえる。ＥＰＡＭデバイスの部分は、流体導管３００の境界表面３０３の部分として機能する。ある実施形態において、境界表面３０３の全体がＥＰＡＭ材料を含みえる。他の実施形態において、ＥＰＡＭ材料は、１つ以上の他の材料と組み合わされて、境界表面３０３を形成する。ＥＰＡＭ材料は、導管内を流れる流体とのＥＰＡＭ材料の適合性、またはＥＰＡＭ材料の外部環境との適合性に依存して１つ以上のレイヤまたは表面コーティングを含みえる。流体導管３００は、それが適用される流体システム中の他の流体導管または要素に取り付けることを可能にする境界を含みえる。本発明のＥＰＡＭデバイスは、シリコンチップ上の移動流体のようなマイクロスケールから、大きな化学プラント中の移動流体のようなマクロスケールまでさまざまなサイズの流体応用例に対して適用されえる。
【００５６】
境界表面３０３を形成するＥＰＡＭ材料の部分は、ＥＰＡＭ材料の部分がＥＰＡＭトランスデューサとして振る舞うようにするために導管と共に構成されえる。ポリマーのようなＥＰＡＭ材料に印加される電界に応答して、ＥＰＡＭ材料は撓みえる。それぞれのＥＰＡＭトランスデューサデバイスは、その撓みにおいて独立に制御されえる。よって境界表面３０３は、流体導管３００中のフロー特性のうちの１つ以上を時間の関数として変えるために形状を変化させえる。
【００５７】
図において、２つのＥＰＡＭフロー制御デバイス３０８および３０９が示される。ＥＰＡＭフロー制御デバイスは、１つ以上のＥＰＡＭトランスデューサを含む。３１０および３１１のような破線によって示されるＥＰＡＭフロー制御デバイスのさまざまな撓み位置が示される。休んでいるときは、アクティブＥＰＡＭ領域は、周囲の表面とほとんど接線方向でありえる。電圧が印加されるとき、ＥＰＡＭ領域は、内側に膨らむ。内側への膨張（電圧がＥＰＡＭに印加されるときの外側への膨張と対照的に）は、内側圧力よりも外側圧力を高くすることによって確実にされえる。あるいは、電圧が印加されるときにＥＰＡＭが内側に膨張するようにバイアスをかけるためには、スプリング、発泡体、他のポリマーの積層物、または従来技術で知られる技術を用いることができる。例えば、フロー制御デバイス３０８および３０９が非動作時であるときには、ＥＰＡＭフロー制御デバイス間の導管の断面積３０７は、入り口の断面積３０１と等しくてもよい。あるいは通常は縮小しており、電圧が印加されるときにそれがフローの増加を可能にするように外側に膨張するようなＥＰＡＭ円環を設計しえる。外側膨張は、この場合、もし内部流圧力が外側環境の圧力よりも高い、排気型フローのふつうの状況なら確実になる。
【００５８】
デバイス３０８および３０９が撓むとき、例えば初期位置から位置３１０および３１１へ撓むとき、ＥＰＡＭフロー制御デバイス間の円形断面領域３０７は減少しえる。断面３０７は、円形で留まる必要はなく、境界表面３０３上のＥＰＡＭフロー制御デバイスの構成に依存して任意の形状でありえる。デバイス３０８および３０９の撓みの後、フロー中の駆動力に依存して、ＥＰＡＭフロー制御デバイス３０８間の導管３００の狭窄は、出口における導管内のフローレートを減少させえる。例えばフローは、３０７において完全に詰まりえる。フローの駆動力は、導管内のフローレートを制御するために狭窄と合わせて減少されえる。ある実施形態において、デバイス３０８および３０９は、充分に互いに収縮し導管３００内のフローを停止させえる。
【００５９】
他の実施形態において、ＥＰＡＭフロー制御デバイス３０８および３０９は、特定の規定された間隔において一度に一つずつ撓みえる。ＥＰＡＭデバイスが交互に撓むことによって、撓んだ表面近傍のフローは、主流内へと上方にランプ状に導かれ、混合が望ましいなら導管３００内で流体の混合が促進されえる。他の例として、特定の周波数におけるＥＰＡＭフロー制御デバイス３０８および３０９の振動は、乱流が望ましいならフロー中の乱流量を増すのに用いられえる。増加された乱流は、流体導管内の速度プロファイルを変更しえ、乱流混合を提供しえる。
【００６０】
さらに他の実施形態において、境界表面３０３上の３０８または３０９のような１つ以上のＥＰＡＭフロー制御デバイスは、導管３００内のフローからエネルギーを加えたり除去したりするための熱交換機として振る舞いえる。例えば、外側の導管３００を囲む環境が導管中の流れよりも冷たく、導管３００内のフローを冷却するのが望ましいとき、ＥＰＡＭフロー制御デバイスは、エネルギーが流体導管３００中の流体から除去されることを可能にする熱交換機を含みえる。フローからエネルギーを加えたり、除去したりすることは、圧力および温度のような流体フローの熱力学的特性を変更しえる。例としてＥＰＡＭフロー制御デバイス３０８および３０９の撓みは、流体導管３００からエネルギーを加えたり除去したりするために、流体導管と共に用いられる第２の閉鎖流体システム中で流体を循環しえる。本発明と共に用いられえる熱交換機のいくつかの例は、２００１年２月２３日に出願されたPelrine, et al.による「Electroactive Polymer Thermal Generators」と題された同時係属中の米国特許出願第０９／７９２，４３１号に記載され、その全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００６１】
図２Ｂにおいて、入り口３０４および２つの出口３１２および３１３を持つ流体導管が示される。この流体導管は「Ｙ」字形状である。単一のチャネルから２つのチャネルに分岐する導管内の点において、２つのＥＰＡＭアクティブ領域３１０および３１１が示される。ＥＰＡＭ領域３１０および３１１は、流体導管の境界表面３０３の一部である。ＥＰＡＭアクティブ領域３１０および３１１の撓みは、破線で示される。ＥＰＡＭアクティブ領域３１０および３１１の撓みは、１）２つのチャネルのそれぞれにおけるフローレートを制御し、２）導管中のフローを一方の部分から他方の部分へと転送し、または３）両方のチャネルをブロックするために用いられえる。一方のチャネルから他方のチャネルへのフロー転送は、アクティブ領域３１０または３１１のうちのいずれかを撓ませて一方のチャネルをブロックさせることによって実行されえる。他方のチャネルは、そのＥＰＡＭアクティブ領域が撓まないか、または一部撓むので開放を維持し、それにより導管内のフローが開放導管を通って移動できる。一部撓んだＥＰＡＭアクティブ領域は、ブロックされないチャネル内のフローレートを制御するのに用いられえる。
【００６２】
図２Ｃ〜２Ｆは、流体導管の境界表面３０３として用いられる中空ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５を示す。ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５は、直径３１７、入り口３０４、出口３０５、および入り口３０４から出口３０５へと向かうフロー方向を移動する流体を有する。ある実施形態においてＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５は、流体導管の直径を大きくしたり小さくしたりするために撓まされえる。図２Ｄにおいて、ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５は、軸３１６に沿って直線上に伸びる。流体導管の伸びは、導管の長さに依存する摩擦力のような粘性消散力、断面積に依存する導管内のフローレート、およびパイプの長さに依存しえる導管の音響的および振動的特性を変更しえる。
【００６３】
ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５の音響的特性に関して、特定の長さの流体導管は、特定の周波数の圧力波を収容しえる。例えばパイプオルガンによって発生された音は、パイプの長さに比例する。ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５内のＥＰＡＭ材料を撓ませることによって導管の長さを長くしたり短くしたりすることによって、流体導管を通って伝わるフローの音響的特性が変更されえる。例えばＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５は、エンジンから排気ガスを通すのに用いられるテールパイプ内のような自動車のコンテキストで用いられえる。ＥＰＡＭフロー制御デバイスを用いてテールパイプの長さをアクティブに変化させることによって、ＥＰＡＭテールパイプの音響的特性は変えられえる。ある実施形態において、ＥＰＡＭテールパイプは、エンジンから排気される排気ガスの圧力によって長くされたり短くされたりしえ、この圧力はエンジンの運転条件に依存して変わりえる。
【００６４】
ある実施形態において、３１５のような本発明のＥＰＡＭフロー制御デバイスは、以下に限定されないが、導管内のフローレートを計測するフローレートセンサ、フローの温度を計測する温度センサ、フローの１つ以上の成分を計測する濃度センサ、フローの総圧、またはフロー中の１つ以上の成分の分圧を計測する圧力センサ、フロー中の音響波を計測する音響センサ、および流体導管内の振動を計測する振動センサのような導管内のフローの条件を測定するのに用いられる１つ以上のセンサを含みえる。これらセンサから得られた出力は、ＥＰＡＭフロー制御デバイスの動作（例えば時間の関数としてのＥＰＡＭフローデバイス３１５のアクティブ領域の撓み）を制御するために制御アルゴリズムで用いられえる。ＥＰＡＭフローデバイス３１５は、デバイスの動作を制御するマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサのような論理デバイスを含みえる。
【００６５】
フローデバイス３１５の動作を制御するのに用いられるフローセンサは、流体システム中で用いられるＥＰＡＭフローデバイス３１５の上流または下流のようなＥＰＡＭフロー制御デバイスの外のフロー特性を計測するのに用いられえる。さらに時間の関数としてのその長さのようなＥＰＡＭフロー制御デバイスの動作は、フロー特性とは関係のないセンサ入力によって影響を受けえる。例えばＥＰＡＭテールパイプの長さは、テールパイプを通るエンジン排気ガスのＲＰＭレートに相関されえる。
【００６６】
特定の実施形態において、３１５のような本発明のＥＰＡＭフロー制御デバイスは、直径３１７、または非円形断面については断面積を大きく変化させることなく長さを伸ばすように設計されえる。他の実施形態においては、ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５の直径３１７は、フローデバイス３１５の長さを大きく変化させることなく、その長さに沿って大きくされたり小さくされたりしえる。
【００６７】
直径の変化なしに長さを伸ばすことは、Ｐｅｉの以下の引用（米国特許出願第１０／１５４，４４９号）において記載されるようなスプリングロールを用いて実行されえる。スプリングおよび円周予歪みがないＥＰＡＭの単純なチューブは、自然に伸びたり、その直径を大きくしたりしえる。長くし、同時に直径を減らすためには、スプリングロールアクチュエータ内部に自由エラストマーチューブを備えればよい。ここでスプリングロールが伸びるとき、内部エラストマーチューブは伸び、直径は収縮するが、スプリングロールは単に長くなるだけである。さらに他の実施形態において、複数の３１５のようなＥＰＡＭフロー制御デバイスがある種のインタフェースメカニズムを介していっしょに結合され、独立に長くされたり短くされたりしえる複数の部分を持つ流体導管を形成する。さらにそれぞれの結合された部分の直径は、独立に大きくされたり小さくされたりする。巻かれたＥＰＡＭトランスデューサは、これらリンクとして用いられるのに適切でありえる。スプリングロールのようなロールタイプのトランスデューサの詳細は、Ｐｅｉらによる「Rolled Electroactive Polymers」と題された２００２年５月２１日出願の同時係属中の米国特許出願第１０／１５４，４４９号に開示されており、その全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００６８】
さらに他の実施形態においてＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５は、図２Ｄのように直線上で長さが伸びるのに限定されない。図２Ｅ〜２Ｆにおいて、ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５は、軸３１６の上または下にそれを撓ませることによって長くされえる。例えば図２Ｅにおいて、ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５は、軸３１６から距離３１８だけ下向きに撓まされる。ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５の両端が固定され、ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５は撓みで長くされるとき、ＥＰＡＭフロー制御デバイスは下向きまたは上向きに撓みえる。ＥＰＡＭフロー制御デバイスの撓みによって流体導管が伸ばされ、これは長さに比例する粘性消散力および音響特性に影響を与ええる。下向きまたは上向きの撓みは、フローの方向を変更しえ、これはフローが曲がるときにフロー内の運動量の損失を引き起こしえる。上向きまたは下向きにＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５を動的に撓ませることによって、流体導管内のフローの混合を行いえる。
【００６９】
ＥＰＡＭ流体導管の形状は複雑でありえる。図２Ｆにおいて流体導管は、軸３１６の上および下への撓みを持つように示される。フロー方向３０６は、軸に平行に入り口３０４において始まり、軸より下に下向きに動き、それから上向きに曲がり、出口３０５において軸に平行に終わる。導管の形状、ＥＰＡＭフロー制御デバイスのその長さおよび断面領域は、時間の関数として動的に変化しえる。前述のように、フローおよび他のセンサおよびフローセンサからの入力を用いたアクティブ制御アルゴリズムは、ＥＰＡＭフロー制御デバイス３１５の領域の形状、長さ、および断面領域を時間の関数として制御するのに用いられえる。
【００７０】
ある実施形態において、流体導管における１つ以上の表面は、なんらかの方法でうねが設けられ、つまりリッジが設けられてもよい。流体導管が長くされたり、収縮されたりするとき、１つ以上の表面は、うねまたはリッジの高さを変えるために伸ばされたり、縮められたりする。伸長することによってリブまたはリッジの高さを増加または減少させることは、表面の相対的滑らかさまたは粗さを変更しえる。この滑らかさまたは粗さの変化は、表面近傍の境界層の粘性特性を変更しえ、それによって流体が表面上を流れるときに流体の抵抗を増加または減少させえる。
【００７１】
図２Ｇ〜２Ｎは、１つ以上の流体フロー特性を変えるために流体導管内に挿入されえるＥＰＡＭフロー制御デバイスの例を示す。これらの例においてＥＰＡＭフロー制御デバイスは、流体導管の境界表面の一部としては主には用いられない。図２Ｇは、本発明のＥＰＡＭバルブ３２５の一例を示す。図３Ａ〜３Ｍにおいて本発明のＥＰＡＭバルブのさらなる例が記載される。
【００７２】
ＥＰＡＭバルブ３２５は、延伸されたＥＰＡＭポリマー３２７を支持するフレーム３２６を含みえる。ＥＰＡＭポリマーは、ポリマー３２７の撓みが、矢印によって示された円形フレーム３２６の中心に向かう平面内の動きを主に生むよう充分に予歪みが与えられえ、この動きはバルブの中心において円の直径を減らす。他の実施形態において、ポリマーは、バルブの中心において円の直径を増加または減少させるために円の中心から外に、または中心に向かって両方に撓ませられえる。４つの電極３２８は、ポリマー３２７の撓みを制御しえる。ある実施形態において、４つの電極３２８は、異なる領域を持つバルブの中心において非円形形状を持たせるために、ポリマーの４つのアクティブ部分を独立して撓ませるために用いられえる。
【００７３】
例えば球形または円筒形として形作られえる絞り３３０は、ＥＰＡＭバルブ３２５の中心に配置されえる。絞り３３０は、ポリマー３２７、フレーム３２６またはそれらの両方に接続された支持部材３２９によって支持されえる。ＥＰＡＭバルブ３２５は、ポリマー３２７をデバイスの中心に向けて撓ませ、絞り３３０の周りで閉じるよう設計されえる。
【００７４】
図２Ｈにおいて、ＥＰＡＭバルブ３２５は流体導管内に挿入されているよう示される。流体導管は、入り口３０４および出口３０５を有し、フロー方向３０６は入り口から出口へと向かう。ＥＰＡＭバルブのフレームは、境界表面３０３の小さい部分を構成しえ、またはＥＰＡＭバルブは境界表面３０３内に挿入されえる。図２Ｈにおいて、バルブはフローに対して直角に挿入されるよう示されるが、本発明はフローに対して垂直に方向付けられたバルブには限定されない。
【００７５】
ＥＰＡＭバルブ３２５の面積を増加または減少させることによって、流体導管内のフローレートは制御されえる。絞り３３０の周囲で閉じられるとき、フローレートはゼロにまで減少されえる。ある実施形態においては、ＥＰＡＭバルブ３２５は、絞り３３０または支持構造をその中心において含まないかもしれない。この実施形態において、バルブの中心における断面積は、最大および最小の間で変化しえ、最大および最小フローレートが特定されることを可能にする。ポリマー３２７の撓みの量は、ポリマーに印加された電界の強度の関数であり、バルブの断面積を決定し、よってバルブを通るフローレートを決定するのに用いられえる。
【００７６】
図２Ｉは、正方形のマウントプレート３３１内の４つのＥＰＡＭバルブ３２５のアレイ３４３を示す。４つのバルブ３２５は、独立に制御されえる。ある実施形態において、マウントプレート３３１は、ダクト内のフローレートを制御するため正方形ダクト内で用いられえる。他の実施形態において、４つのバルブ３２５は、４つの異なるフィードラインに接続されることによって、ラインのそれぞれの中のフローを独立に制御しえ、そのような実施形態は図２Ｊに示される。フレーム３２６およびマウントプレート３３１は、剛性があるか、またはそれら自体は柔軟性がありえ、もし多くのＥＰＡＭバルブ３２５が組み合わされるなら、フレームおよびマウントプレート構造の実効的空隙率は、ＥＰＡＭ要素を用いて電子的に変えられえる。
【００７７】
図２Ｊにおいて、２つのフィードライン３３２および３３３は、マウントプレート３３１内のバルブ３２５に接続されるよう示される。バルブは２つのノズル３３４および３３５に接続される。バルブ３２５は、ノズル３３４および３３５内のフローレートを制御することによって、それぞれのノズルからの噴霧量、またはそれぞれのノズルからの液滴のサイズを作りだすよう用いられえる。例えばＥＰＡＭバルブ３２５は、ヘッド内で液滴サイズを制御するためにインクジェットプリンタヘッド内で用いられえる。ある実施形態において、ノズル３３５および３３６もＥＰＡＭポリマーから構成されえる。ノズルの長さおよびその断面積は、ノズルのＥＰＡＭポリマーを撓ませることによって変えられえる。ノズルの長さおよびその断面積を変えることは、ノズルを出るときの速度または結果として生じるフローパターンのような、ノズルを出るときのフローの特性を変えるために用いられえる。さらにポリマーを撓ませることによって、ノズルの方向、およびよってノズルを出る流体のフロー方向も変えられえる。ＥＰＡＭノズルの詳細は、図２Ｏ〜２Ｒについてより詳細に記載される。
【００７８】
本発明のＥＰＡＭフロー制御デバイスは、流体の混合および分注のために用いられえる。図２Ｋにおいて、ＥＰＡＭ混合デバイス３４１が示される。ＥＰＡＭ混合デバイス３４１は、混合室３４０を作るために支持構造３３９に接続されたＥＰＡＭダイアフラム３４２を備える。２つのフィードライン３３２および３３３は、チャンバ３４０のための流体入力を提供し、出力ライン３３７は、混合物のためのチャンバ３４０の出力を提供する。ＥＰＡＭバルブ３２５は、チャンバ３４０への、およびそれからの流体の入力および出力を制御するように用いられる。
【００７９】
ある実施形態において、フィードライン３３２および３３３のそれぞれへのＥＰＡＭバルブは、フィードラインのそれぞれの中の異なる流体が混合室に入るのを可能にするよう開けられる。出力フィードラインは、閉じられえる。それぞれのフィードライン内の流体の比は、バルブ直径を変化させてそれぞれのフィードライン内のフローレートを増加または減少させることによって、またはフィードラインへのそれぞれのバルブが開放である時間の長さによって変化させられえる。ある実施形態において、ＥＰＡＭダイアフラム３４２は、混合室３４０内に流体を引き込むことを助けるように膨張しえる。他の実施形態において、フィードライン内の流体は、圧力が加えられており、この圧力を介して混合室内に入る。本発明は、２つのフィードラインに限定されず、複数のラインが混合室３４０に接続されえる。例えば塗料ミキサのためには、それぞれが３原色のうちの１つを提供する３つのフィードラインが用いられえる。
【００８０】
フィードラインからの流体が混合室３４０内に入った後、ＥＰＡＭダイアフラムは、チャンバ内で流体を混合するために変化する周波数において上下に撓みえる。ダイアフラム３４２に加えられる撓みのパターンは、かなり複雑でありえる。例えば、ダイアフラムの複数の部分が異なるレートで撓み、混合を促進しえる。混合の所定の期間の後、出力フィードライン３３７へのバルブ３２５は開けられて、ダイアフラムは撓み、混合された流体を混合室３４１から分注しえる。ある実施形態において、混合デバイス３４１は、パージ流体フィードラインおよびパージ流体出力ラインを含みえる。パージ流体は、混合室３４０内に残る流体残留物を洗浄するのに用いられえる。
【００８１】
ある実施形態において、混合デバイス３４１は入力フィードラインを含まなくてもよい。混合室は、デバイスから分注されるだけの予め混合された流体を含みえる。例えば、抗生物質がＩＶラインにある。デバイス３４１をＩＶ分注器として用いて、チャンバ内の流体は、流体をチャンバから分注するために重力に頼ることなく制御されたやりかたで分注されえ、ＩＶバッグを患者より上の持ち上げられた位置に保持しなければならない必要性がなくなる。他の実施形態において、混合デバイスは、未混合のまま残るか分離される傾向にある多くの流体要素を含みえる。例として、混合室３４１は、薬剤のようなパケット内に封止される多くの流体および固体要素を含みえる。混合デバイス３４１がアクティブにされるとき、シールされたパケットは破られ、混合室内で混合される。混合物はそれから出力ライン３３７を介して分注される。
【００８２】
図２Ｌおよび２Ｍにおいて、フロー中の流体の方向を変えるのに用いられるＥＰＡＭフロー制御デバイスが示される。図２ＬにおいてＥＰＡＭデバイス３４８および３４９は、流体導管内で支持構造３４７にマウントされたベーン３４５に取り付けられる。ＥＰＡＭデバイス３４８または３４９のペアのうちの１つが長くなるとき、他のＥＰＡＭデバイスは収縮する。ベーン３４５は、ＥＰＡＭデバイスのうちの１つを伸ばすことによって上に向かって、または下に向かって撓まされる。流体フロー中のベーン３４５の位置は、ベーンにわたって流れる流体の方向を変化させるのに用いられえる。ＥＰＡＭデバイス３４８および３４９は、よってベーン３４５のそれぞれの方向は、独立して制御されえる。それぞれの平面内で独立して屈曲が制御される１つまたは２つの平面で曲がるＥＰＡＭデバイスは、ユニモルフおよびバイモルフＥＰＡＭトランスデューサと呼ばれる。しかし本発明は、ユニモルフおよびバイモルフＥＰＡＭトランスデューサに限定されない。
【００８３】
図２Ｌにおいて、ＥＰＡＭデバイス３５０および３５１は、支持構造３４７に接続され、流体中に挿入される。ＥＰＡＭデバイス３５０および３５１は比較的平坦であり、１つ以上のＥＰＡＭポリマーレイヤを含みえる。ＥＰＡＭデバイス中のＥＰＡＭポリマーは、印加された電界に応答して１つ以上の方向に変形（例えば、屈曲、ねじれ、および伸長）するよう設計されえる。撓まされたＥＰＡＭデバイスの形状、およびフローに対するそれらの方向は、フロー方向を変えるために用いられえる。例えば、図２Ｍに示されるように、ＥＰＡＭデバイス３５０および３５１は、導管内のフローを下向きに曲げるように、それぞれ下向きに撓みえる。他の実施形態においてＥＰＡＭデバイス３５０および３５１は、フロー内の混合および／または乱流を促進するために、ある周波数において反対の方向に撓みえる。さらに他の実施形態において、ＥＰＡＭデバイス３５０および３５１は、フロー中の振動を静かにさせ、制動させるためにある所定の周波数で撓みえる。
【００８４】
図２Ｎにおいて、ＥＰＡＭフロー制御デバイスとして用いられるダイアフラムアレイ３５３は、１つ以上の部分の周囲、または流体導管の円周全体に配置される。ダイアフラムアレイ３５３内のダイアフラムを異なるパターンにおいて異なる周波数で撓ませることによって、異なる波パターンがフロー場中に導入されえる。例えば、ダイアフラムがフローに平行に撓まされるとき、３５４のような横波パターンがフローに加えられる。他の例として、円形ダクトの円周の周りのような、ダイアフラム３５３がフロー３０６の方向に垂直な平面内のパターンで撓まされるとき、フロー中の渦度は増加されえる。１つのダイアフラムを撓ませ、それを元に戻し、それから隣接するダイアフラムについて繰り返し、などと導管の周囲について行うことによって、フロー中に角運動量が導入されえる。
【００８５】
ダイアフラムは、いろいろな高さでありえる。微小なスケールにおいて、流体導管、または外部フロー中の構造の表面粗さを変えるためにダイアフラムのアレイが用いられえる。表面近傍のフロー境界層の特性は、３５３のようなダイアフラムアレイ中の撓みを介して表面粗さを変化させることによって変えられえる。より大きいスケールでは、表面上の非粘性フローレイヤの特性は、境界層高さのかなりの部分にあたるか、またはそれぞれのダイアフラムの位置における境界層高さよりも高い高さまでダイアフラムを撓ませることによって変えられえる。
【００８６】
本発明において、ダイアフラムの撓まされた高さは、半球の高さよりも大きいこともありえる。例として、他のデバイス、ＥＰＡＭバルーンバルブ３５２が図２Ｎに示される。ＥＰＡＭバルーンバルブは、支持構造３４７に取り付けられる。バルーンバルブは、それが膨張して流体導管をブロックするように撓まされえる。ＥＰＡＭバルーンバルブ３５２の膨張された形状は、球形に近く、破線によって示される。
【００８７】
図２Ｏ〜２Ｒは、ＥＰＡＭノズルボディおよびＥＰＡＭ収縮器４１９によって制御される可変スロート領域を持つノズル４１５の例を示す。フローはノズルスロート４１７にフィードライン４２０を介して入る。フローはＥＰＡＭノズルボディ４１６内で広がり、ノズルボディ４１６からノズル出口４１８を介して出る。ＥＰＡＭノズルボディ４１６は、ノズルボディ４１６を構成するＥＰＡＭ材料上に電界をかけることによって、ノズルボディ４１６を広げて延ばすよう設計されえる。ノズルボディ４１６の長くされた長さは、ノズルボディ４１６中を出口４１８へ移動する流体内で起こる膨張の量を変えうる。増加された膨張は、ノズルを出るときの流体の速度を減らしえる。図２Ｏにおいて、撓まされたノズルボディの一例が破線で示され、他のものは実線で示される。
【００８８】
ＥＰＡＭ収縮器４１９は、ノズル４１５のスロート領域を変えるのに用いられえ、このノズルもノズル中の流体の膨張を変化させる。ノズルのスロート領域における変化は、出口４１８における流体速度プロファイルを変化させえる。ある実施形態において、図２ＧのＥＰＡＭバルブ３２５（絞りなしで）は、ノズルのスロート領域を変化させるために収縮器４１９として用いられえる。他のタイプの収縮器も用いられえる（図３Ｋおよび３Ｌを参照）。ノズルが発生する推力について、最大推力のための最適膨張は、ノズル出口における圧力に関連する。もしノズル出口における圧力が変化するなら、ノズルの幾何学的形状はＥＰＡＭノズルボディ４１６およびＥＰＡＭ収縮器４１９を用いてノズル４１５を最適化し、それによりノズル出口における圧力に対応する最大推力を発生しえる。
【００８９】
図２Ｐにおいて、図２Ｏの実線および破線によって表される出口断面は、２つのノズルボディ幾何学的形状について示される。第１撓み位置における第１実施形態は、円形断面４２１を有する。第２撓み位置における第２実施形態は、楕円断面を有する。ノズルが長くされるとき、断面プロファイルは円形のままであるか、または形状が変化する。多くの断面形状が可能であり、楕円断面に限定されない。
【００９０】
図２Ｑは、スロートの２つの撓まされた位置についての２つの断面４２３および４２４を示す。スロート領域４２４は、第２撓み位置においては、第１撓み位置におけるスロート領域４２３よりも小さい。スロート領域における変化は、例示的目的のためだけに与えられる。ある実施形態において（図２Ｒ参照）、ＥＰＡＭノズルボディ４１６は、スロート領域における変化なしで撓まされえる。本発明は、円形スロート断面に限定されない。ある実施形態においては、ＥＰＡＭ収縮器デバイスは、非円形断面をノズルスロート４１７において作るために不均一に収縮されえる。
【００９１】
図２Ｒにおいて、フローの方向をそれがノズルボディを出るときに変えるためにＥＰＡＭノズルボディ４１６が撓まされる実施形態が示される。その第１撓み位置（実線によって示される）において、ノズルの中心を通る軸方向にアラインしてフローはノズルを出る。その第２撓み位置（破線によって示される）において、ＥＰＡＭノズルボディは、下に向かって曲げられ、ノズルを出るフローを下向きの方向に導く。ノズルボディを下向きに曲げるために、ＥＰＡＭノズルボディの下部との対比でより大きな電界がＥＰＡＭノズルボディの上部のＥＰＡＭポリマーに印加されえる。追加の電界は、ノズルボディの上部がノズルボディの下部よりも長くなるようにしえ、よってノズルボディを下向きに曲げえる。
【００９２】
この機能は、従来ノズルでは容易に得られない、ＥＰＡＭノズルの制御のさらなる量を提供しえる。従来ノズルならノズルを撓ませるための追加のメカニズムが必要だった。ＥＰＡＭノズルは、すでにＥＰＡＭデバイスの要素である、適合する電極パターンおよびチャージ制御メカニズムを必要とするだけである。
【００９３】
図３Ａ〜Ｍにおいて、ＥＰＡＭポリマー要素を採用する多くのバルブ設計が示される。これら図に示されるバルブ設計の例には、ダイアフラムバルブ（図３Ａ）、ゲートバルブ（図３Ｂおよび３Ｃ）、ニードルバルブ（図３Ｄ）、スロットバルブ（図３Ｆおよび３Ｇ）、マルチポート付きロータリバルブ（図３Ｇ〜３Ｊ）、ピンチバルブ（図３Ｋおよび３Ｍ）、および燃焼室のための吸気／排気バルブ（図３Ｍ）が含まれる。本発明は、これらのタイプのバルブに限定されないが、これは本発明のＥＰＡＭポリマーは、示されない多くの他のタイプのバルブ設計にも適用可能だからである。
【００９４】
ここで用いられるように、「バルブ」とはフロー制御デバイスの一実施形態である。フロー制御デバイスと共に、バルブは、１つ以上の構造を通る気体、液体および／または疎な粒子の流体連通を制限し、影響を与え、または制御するデバイスを指す。例えば、バルブは、内燃エンジンの燃焼室のようなチャンバ内への、または燃焼室につながる吸気ポートのような導管からの気体のフローを制御しえる。ＥＰＡＭトランスデューサによって駆動される１つ以上の排気バルブは、チャンバの出口上に配置されてもよい。あるいはバルブは、バルブの反対側の間の圧力を制御することによって、バルブから下流の圧力を制御するために導管（例えばパイプ）内に配置されえる。
【００９５】
ここで記載されるバルブおよびフロー制御デバイスは、１つ以上の電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）トランスデューサを備える。ある実施形態において、ＥＰＡＭトランスデューサは、バルブを駆動するか、または機械的エネルギーを与えて、バルブを通る気体、液体、および／または疎な粒子（loose particles）の流体連通を制御するために用いられる。リニアＥＰＡＭトランスデューサは、制御の増分および精密レベル（比例制御）と共に、バルブのオン／オフ制御を提供するのに特に適する。ＥＰＡＭトランスデューサの高速な応答時間が与えられるなら、本発明のバルブはしたがって時間に敏感な流体制御が必要な応用例に適する。場合によっては、ＥＰＡＭトランスデューサは、直接に流体に接触しない（図３Ｍ参照）かもしれない。例えば、リニアＥＰＡＭトランスデューサは、ＥＰＡＭトランスデューサの駆動によって影響を受ける１つ以上の可動部を有する導管内のゲートのような（図３Ｂおよび３Ｃ参照）、流体に働く封止された流体インタフェースに結合されえる。この場合、ＥＰＡＭトランスデューサは、流体インタフェースを用いてバルブを駆動する。他の実施形態において、ＥＰＡＭトランスデューサは、ダイアフラムの表面にわたって流体のフローを制御するために導管内に配置されたダイアフラムＥＰＡＭトランスデューサ（図３Ａ参照）のような、流体に接触する表面を含みえる。ダイアフラムＥＰＡＭトランスデューサの駆動は、流体フローレートを減少させるために導管の断面積を減少しえ、または導管を完全に閉鎖するために導管内の流体フローをブロックしえる。
【００９６】
図３Ａにおいて、ダイアフラムバルブ設計が示される。従来のダイアフラムバルブは、コンプレッサに取り付けられた可撓性ダイアフラムを用いて閉じる。コンプレッサは、ダイアフラムを、フローの流れの中の突出平面であるせきに押し付けるように、またはバルブシートに押し付けるように用いられえる。ダイアフラムがせきまたはバルブシートに押し付けられるとき、封止が形成され、フローは遮断される。
【００９７】
図３Ａにおいて、ＥＰＡＭダイアフラムバルブ３６０の設計が示される。ＥＰＡＭダイアフラム３６０は、支持構造３４７に取り付けられる。スプリング、発泡剤カットオフ（foam cut-off）または気体圧力のようなバイアスメカニズム３６４が、外側への撓みを持つダイアフラムを提供するために用いられえる。支持構造そのものは、フローが浸透しえ、もしポンプ圧力が加えられた流体の圧力が、出口側におけるよりもバルブ側において高いなら（下流よりも上流の圧力が高い、ポンプで加圧された流体の応用例ではふつう）、ポンプで加圧されたフローそのものの圧力差は、バイアスメカニズムとして働きえる。第１撓み位置（実線によって示される）において、流体はバルブ３６０を通り、オリフィスを含みえるバルブシート３６３を通って流れえる。ダイアフラム３６３内のＥＰＡＭポリマーに電界が印加され、ダイアフラムを第２位置にまで撓ませて、バルブシート３６３と接触し、オリフィスを覆う。第２位置においてバルブを通るフローはブロックされる。
【００９８】
他の実施形態において、ＥＰＡＭダイアフラム３６３は、流体導管内でせきに対して押し付けられるよう撓まされえる。封止を改善するためにＥＰＡＭダイアフラムは、バルブシート３６３と接触するダイアフラムの側に追加の材料レイヤを持ちえる。バルブ３６０の優位性は、コンプレッサおよびダイアフラムの機能が組み合わされていることである。従来のダイアフラムバルブにおいては別個のコンプレッサ要素が典型的には必要とされる。
【００９９】
図３Ｂおよび３Ｃにおいて、バルブカバー３６６（すなわちゲート）を制御するのに用いられるＥＰＡＭアクチュエータを持つゲートバルブ３６５が示される。ゲートバルブにおいてはフローは、バルブを通して平行に下がることによってフローをブロックする平坦な面、垂直なディスクまたはゲートによって制御されえる。図３Ｂにおいてゲートバルブ３６５は、開放位置で示される。２つのＥＰＡＭアクチュエータ３６７および３６８がバルブカバー３６６に取り付けられるよう示される。あるいは３６７および３６８は、巻かれたＥＰＡＭアクチュエータのような単一のＥＰＡＭアクチュエータの２つの側面（断面において）でありえる。ＥＰＡＭアクチュエータは、電界の印加によってアクチュエータ内のＥＰＡＭポリマーが長くなり、バルブカバー３６６をバルブシート３６３から遠ざけるように押すように構成される。スプリングまたは磁気デバイスのような加圧メカニズムが、バルブカバー３６６をバルブシーティングに向けて、バルブシート３６３に対して押すように構成される。ＥＰＡＭアクチュエータへの電界が減少またはオフにされるとき、ＥＰＡＭポリマーの長さは短くなり、バルブカバー３６６はバルブシート上で閉じ、フローをブロックする。
【０１００】
バルブ３６５は、較正されることが可能でありえる。較正プロシージャにおいて、アクチュエータ３６７および３６８内のＥＰＡＭポリマーへ印加される電界が、加圧メカニズム３６４によって加えられる圧力にしたがって調整され、バルブ３６５の適切な閉鎖が得られる。較正プロセスは、加圧メカニズムによって加えられる圧力が時間と共に変化するときに有用である。例えば、スプリングによって加えられる圧力は、スプリングを繰り返し伸長および収縮させた後には時間と共に変化しえる。
【０１０１】
ダイアフラムバルブ３６０およびゲートバルブ３６５は、コントロールバルブとしても用いられえる。コントロールバルブは、バルブを通る流体の正確な割合制御を確実にするよう設計される。コントロールバルブは、連続的プロセスにおいて、検出デバイスからそれが受け取る信号に基づいて、バルブを通るフローレートを自動的に変化させえる。直線または回転の動きを用いるバルブのたいていのタイプは、パワーアクチュエータ、位置決め装置、センサ、および他のアクセサリを追加すればコントロールバルブとして用いられえる。例として図３Ａにおいて、バルブ３６０中のフローを制御するために、フローレートおよび／またはダイアフラム３６４の位置を検出するセンサが用いられえる。ＥＰＡＭそれ自身は、検出と題された以下のセクションで記載されるセンサとして用いられえる。ダイアフラムは、決定された、所望のバルブを通るフローレートに依存して、異なる位置に撓まされえる。
【０１０２】
図３Ｄにおいて、ニードルバルブ３７０の例が示される。ニードルバルブは、小さいライン内の流体のフローを制限するためにしばしば用いられる量制御バルブである。流体３７１は、バルブカバー３６６のためのシート３６３であるオリフィスを通って通る。インラインバルブにおいて流体は、ニードルバルブを含む９０度の方向変換を通して流されえる。バルブカバー３６６は、典型的には円錐形状である。シート３６３に対してバルブカバー３６６を位置付けることによって、オリフィスのサイズは変更されえる。
【０１０３】
図３Ｄにおいて、ＥＰＡＭアクチュエータ３７２は、支持構造３４７に取り付けられる。電界がアクチュエータ中のＥＰＡＭポリマーに印加されるとき、ＥＰＡＭポリマーは長くなり、バルブカバーはバルブシート３６３に向かって押され、流体フローを許すオリフィスのサイズを変化させる。スプリングでありえる２つの加圧メカニズムは、ＥＰＡＭポリマーによってバルブシート３６３に伝達される力の向きと反対の方向に力を加える。ＥＰＡＭポリマー上の電界が減らされるとき、加圧メカニズムは、バルブカバー３６６をシート３６３から離すように引きえる。
【０１０４】
図３Ｅおよび３Ｆにおいて、スロットバルブ３７５の例が示される。スロットバルブは、入力ポートおよび出力ポートとアラインされたり、アラインされなかったりするチャネルを含む。スロットバルブが入力ポートおよび出力ポートとアラインされるとき、流体は、入力ポートから出力ポートへとスロットカバー内のチャネルを通って移動しえる。スロットバルブがアラインされないとき、入力ポートはブロックされ、スロットを通る流体フローはブロックされる。
【０１０５】
図３Ｅにおいて、スロットバルブはアラインされた位置で示される。支持構造に固定されたＥＰＡＭアクチュエータ３７７は、スロットカバー３７６を押して入力および出力ポートとアラインするように駆動する。スロットカバー３７６は、スロット内に常駐しえ、このスロットがその動きをガイドする。スロットカバーは、支持構造３４７に取り付けられている加圧メカニズム３６４に取り付けられている。加圧メカニズム３６４は、駆動されるときにＥＰＡＭアクチュエータ３７７によって加えられる力の反対の方向に力を加える。アクチュエータ３７７内のＥＰＡＭポリマーに印加される電界が減少またはオフされるとき、加圧メカニズム３６４は、スロットカバーをアラインされない位置に押し、よって入力ポートおよびスロットカバー３７６内のチャネルを通るフローをブロックする。スロットバルブ３７５のアラインされない位置は、図３Ｆに示される。
【０１０６】
図３Ｇ〜３Ｊにおいて、ロータリバルブのいくつかの例が示される。バルブは複数のポートを含む。ロータリバルブの従来の例は、プラグバルブまたはボールバルブを含む。これらのタイプのバルブにおいて、チャネルを持つプラグまたはボールは、フローパスに並ぶように、またはフローパスをブロックするように回転される。チャネルをフローパスにアラインさせ、またはアラインさせないためには、典型的には、９０度回転のようなバルブの回転が必要とされる。バルブをオンおよびオフするために必要とされる回転のために、これらバルブは回転バルブと呼ばれる。
【０１０７】
図３Ｈおよび３Ｉにおいて、ロータリマルチポートバルブ３８０のある実施形態が示される。マルチポートロータリバルブは、中心を通る流体導管３８２を持つ、部分的に空洞のあるＥＰＡＭロールアクチュエータ３８１を備える。ＥＰＡＭ３８１の側面を通るポート３８３は、流体導管３８２に接続する。ポートは、複数のフィードライン３８４のうちの１つに接続するよう設計される。
【０１０８】
ＥＰＡＭロール３８１は、曲線パスに沿って駆動するよう設計される。バルブ３８０は、ＥＰＡＭロールをそれが駆動するときに設定されたパスに沿って導くのを助けるガイドを含みえる。図３Ｇにおいて、ロールを長くするようにＥＰＡＭロールは駆動されていないとき、ポート３８３はフィードライン３８４のどれにもアラインしない。例えばＥＰＡＭロール３８１は、直径が膨らむよう撓まされ、フィードラインをブロックしえる。さらにＥＰＡＭロール３８１の側面は、フィードライン３８４をブロックするためにも用いられえる。他の実施形態において、ポート３８３は、開き、フィードライン上のバルブと噛み合うメカニズムを含みえる。３Ｈにおいて、ＥＰＡＭロール３８１が曲がったパスに沿って長くなるよう駆動されるとき、ポート３８３は、パスに沿って回転し、３つのフィードラインのうちの中央のものとアラインする。この位置において流体は、中央のフィードラインから導管に入り、ＥＰＡＭロールの中心にある流体導管３８２を通って流れる。この撓まされた位置において、他の２つのフィードラインへの開口は、ＥＰＡＭロールの側面によってブロックされえ、またはバルブのような他のメカニズムを用いて閉鎖されえる。
【０１０９】
図３Ｉおよび３Ｊにおいて、ＥＰＡＭマルチポートバルブ３９０の他の実施形態が示される。この実施形態において、２つの流体導管がＥＰＡＭロール３９３を通って走る。２つのポート３９１および３９２は、それぞれ２つの流体導管の前方端上にあり、固定された位置において２つのフィードラインに接続するよう設計される。マルチポートロータリバルブ３９０の２つのポート３９１および３９２を持つ側からの図は図３Ｉに示される。
【０１１０】
ＥＰＡＭロール３９３の断面は図３Ｊに示される。ＥＰＡＭロール３９３は、ポート３９１および３９２に対向するポート３９６および３９７を２つのフィードライン３８５および３８６とアラインさせるようにねじれさせて回転するよう設計される。ポート３９６がポート３８５とアラインされるとき、流体はＥＰＡＭロール３９３内の第１流体導管を通ってポート３９２に流れえる。同様に、ポート３９７がポート３８６とアラインされるとき、流体はＥＰＡＭロール３８３内の第２流体導管を通ってポート３９１に流れえる。第１および第２流体導管は、ＥＰＡＭロール内で異なる高さにある。ＥＰＡＭロールは、ロールの上部が、ＥＰＡＭロールの下部とは独立してねじれて回転するように設計されえる。よってポート３９６および３９７は、ポート３８５および３８６と独立して接続されたり、接続されなかったりしえる。
【０１１１】
図３Ｋおよび３Ｌにおいて、ピンチバルブの実施形態が示される。ピンチバルブは、ゴム管のような可撓性導管上で押されることによって封止するが、それは導管内の流体フローを遮断するために挟んで閉められる。ピンチバルブは、スラリーまたは懸濁した固体を大量に含む液体のためにしばしば用いられる。図３Ｋにおいて、可撓性流体導管４０２の周りのＥＰＡＭ収縮器デバイス４００の断面が示される。ＥＰＡＭ収縮器デバイスは、複数のＥＰＡＭアクチュエータ４０１を含む。ＥＰＡＭアクチュエータは、電界の印加の下で流体の中心に向かって撓むように設計されたＥＰＡＭポリマーを含む。
【０１１２】
ＥＰＡＭアクチュエータは、流体導管の中心に向かってそれを締めるために押し、直径３０３を減らす。図３Ｌにおいて、側面からの流体導管４０２の断面が示される。破線は、収縮器４００および流体導管４０２の両方の撓まされた部分を示す。収縮器デバイスの撓みが増すと、導管４０２の直径４０３は減る。ある実施形態において、収縮器デバイス４００は、収縮器が撓まされるときに腕や脚の血管内の血液流を締めて止めるための、腕や脚のような人間の四肢の周りのカフまたはスリーブとして用いられえる。他の例として、カフまたはスリーブは、人間の臓器の周りに、その人間の臓器内の血液流を収縮させるために用いられえる。ＥＰＡＭフロー制御として用いられえる図示されない他のタイプのバルブには、以下に限定されないが、１）逆流を阻止するよう設計されたチェックバルブ、２）過剰圧力から保護するよう設計されたプレッシャーリリーフバルブ、および３）フローの方向と直角なピボット軸を持つ円形ディスクまたはベーンを用いてフローを制御するバタフライバルブが含まれる。
【０１１３】
それ自身は簡単なダイアフラムは、可変透過性（構成は不図示）を用いたフロー制御デバイスとして機能しえる。例えば、もし圧力下の流体がＥＰＡＭダイアフラムの一方の側にあり、ＥＰＡＭダイアフラムが流体に対して透過性であるなら、ＥＰＡＭダイアフラムを駆動して、面積が大きくなり、厚さが縮小するようにさせることで、その透過性を増加させ、圧力のかかった流体がＥＰＡＭダイアフラムを通してより高いレートで拡散することを可能にする。気体および小さい液体分子のような多くの流体は圧力下ではＥＰＡＭエラストマーおよびＥＰＡＭ電極を通して拡散しえる。
【０１１４】
ある実施形態において、ＥＰＡＭアクチュエータは、ロールタイプの電気活性ポリマートランスデューサ４１０を用いて内燃エンジン内の燃焼室４１４への吸気４１３および排気バルブ４１２を駆動する。この実施形態は図３Ｍに示される。ＥＰＡＭアクチュエータは、シリンダヘッドにボルトで止められた支持構造４１５を介してシリンダヘッド４１１にマウントされる。ＥＰＡＭアクチュエータ４１０は、吸気および排気バルブの開閉を制御しえる。
【０１１５】
ＥＰＡＭトランスデューサは、多くの従来の駆動技術の制限を克服し、エンジンバルブの駆動を独立して、可変タイミングおよびリフトで行いえる。ＥＰＡＭトランスデューサは、直線的な力特性、本来的に比例制御（可変リフトについて）、高効率、低雑音、良好なパッケージング可撓性、および「ソフトランディング」（soft landing）機能を有する。例えば、ソレノイドは、その動程の終端において、急激に閉まるため雑音を発生し、バルブの摩耗を加速する。しかしＥＰＡＭトランスデューサは、「ソフトランディング」を提供できるので雑音および摩耗を低減できる。ＥＰＡＭトランスデューサはまた、ソレノイドや油圧よりもより高い出力対重量比を提供する。
【０１１６】
ＥＰＡＭトランスデューサを用いて吸気／排気バルブを駆動することによって、バルブタイミングおよびリフトは、異なる速度におけるエンジン要件によりよく適合されえ、出力および環境のより広い範囲がエンジンから達成される。ＥＰＡＭトランスデューサの使用は、カムシャフトおよび関連する駆動ハードウェアの必要をなくし、カムレスエンジンのための無限可変バルブ動作を可能にする。さらにＥＰＡＭトランスデューサは、現在は不可能である内燃エンジン内の個別シリンダ制御を達成するのに用いられえる。個別シリンダは、吸気／排気バルブを駆動したり駆動しなかったりのいずれかによってオンデマンドでイネーブルまたはディセーブルされえる。例えば、８つのシリンダエンジンは、４つのまたは６つのシリンダとして必要に応じて動作しえる。これはエンジンパワー出力および燃料経済の柔軟性を大きく増す。
【０１１７】
本発明のＥＰＡＭ駆動バルブの制御は、高い周波数の信号のそれぞれのサイクルのうち特定のパーセンテージだけバルブが開く、パルス幅変調（ＰＷＭ）でありえる。開放パーセンテージ（またはデューティサイクル）は、フロー要件によって変化させられる。バルブはまた、バルブの位置が制御され、フロー要件に基づいて可変されるように比例して制御されえる。この比例制御は、現在用いられる従来のソレノイドでは困難である。ＥＰＡＭ駆動されたバルブはまた周波数変調（ＦＭ）でありえる。駆動の周波数およびスプリングレートは、共振して動作するように設計されえ、これはアクチュエータのパワー要件を低減しえる。フロー制御は、共振周波数から離れるよう周波数を可変させることによってなされえる。
【０１１８】
流体フローの制御および／または圧力の制御のためのＥＰＡＭ駆動されたバルブにはさまざまな応用例が存在する。ＥＰＡＭトランスデューサは、従来のフロー制御システムに比較して、低減された重量、コスト、および複雑さ、および大きくされた動作柔軟性の優位性を有する。自動車において、ＥＰＡＭ駆動されたバルブは、燃料噴射制御、吸気制御（スロットル位置）、冷却システムおよびエミッション制御に用いられえる。例えば、ここで記載されたＥＰＡＭ駆動されたバルブは、内燃エンジン内のキャニスタパージバルブ（ＣＰＶ）として用いられえる。このＣＰＶは、大気圧の燃料蒸気キャニスタおよび半分真空の内燃エンジンの吸気システム間のフローを制御する。ＥＰ駆動されたバルブは、燃料蒸気フローの比例制御を可能にするが、これはソレノイドタイプのバルブでは達成するのが困難である。他の例として、ＥＰＡＭ駆動されたバルブは、マフラーへの排気のフローを制御するための従来の空気圧で駆動されるバルブシステムに取って代わることができる。ここで記載された実施形態および多くの他の応用例において、ＥＰＡＭ駆動されたバルブは、容易にその周りの構造体に組み込むことができる。
【０１１９】
３．電気活性ポリマーデバイス
３．１  トランスデューサ
【０１２０】
図４Ａ〜２Ｅは、本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマーデバイス２０を示す。巻かれた電気活性ポリマーデバイスは、ＥＰＡＭフロー制御デバイス（図２Ｃ〜２Ｆ、または３Ｇ〜３Ｉを例えば参照）の駆動のために用いられえ、流体導管、または外部または内部流体場の中に浸された他のタイプの構造体の一部として機能しえる。巻かれた電気活性ポリマーデバイスは、ＥＰＡＭフロー制御デバイスを動作させる直線および／または回転／ねじれ動きを提供しえる。図４Ａは、デバイス２０の側面図を示す。図４Ｂは、デバイス２０を上部端から見た軸上の図を示す。図４Ｃは、断面Ａ−Ａを通して取られたデバイス２０の軸上の図を示す。図４Ｄは、巻かれる前のデバイス２０の要素を示す。デバイス２０は、巻かれた電気活性ポリマー２２、スプリング２４，エンドピース２７および２８、およびデバイス２０を組み立てるさまざまな製造要素を備える。
【０１２１】
図４Ｃに示されるように、電気活性ポリマー２２は巻かれる。ある実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーは、電極あり、または電極なしで丸くそれ自身の上に巻かれた（例えばポスターのように）、または他の物体（例えばスプリング２４）の周りに巻かれた電気活性ポリマーを指す。ポリマーは、繰り返し巻かれえ、少なくともポリマーの内側レイヤの一部において重なるポリマーの外側レイヤの部分を少なくとも備えうる。ある実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーは、ある物体または中心の周りに螺旋状に巻かれた電気活性ポリマーを指す。ここで使われるように巻かれたという語は、ポリマーがその巻かれた構成をどのようにして達成するかとは独立している。
【０１２２】
図４Ｃおよび４Ｄによって示されるように、電気活性ポリマー２２は、スプリング２４の外側の周りに巻かれえる。スプリング２４は、ポリマー２２の少なくとも一部を引っ張る力を与える。スプリング２４の上端２４ａは、堅いエンドピース２７に取り付けられる。同様にスプリング２４の上端２４ｂは、堅いエンドピース２８に取り付けられる。ポリマー２２（図４Ｄ）の上部エッジ２２ａは、エンドピース２７の周りに巻かれ、適切な接着剤を用いてそれに取り付けられる。ポリマー２２の下部エッジ２２ｂは、エンドピース２８の周りに巻かれ、適切な接着剤を用いてそれに取り付けられる。よってスプリング２４の上端２４ａは、ポリマー２２の上部エッジ２２ａに動作可能に結合され、上端２４ａの撓みはポリマー２２の上部エッジ２２ａの撓みに対応する。同様にスプリング２４の下端２４ｂは、ポリマー２２の下部エッジ２２ｂに動作可能に結合され、下端２４ｂの撓みはポリマー２２の下部エッジ２２ｂの撓みに対応する。ポリマー２２およびスプリング２４は、それらのそれぞれの上下部分の間で撓むことが可能である。
【０１２３】
上述のように、多くの電気活性ポリマーは、予歪みが与えられるときによりよく機能する。例えばある種のポリマーは、予歪みが与えられるとき、より高い絶縁破壊電界強度、電気的に駆動された歪み、およびエネルギー密度を示す。デバイス２０のスプリング２４は、ポリマー２２に円周および軸方向の予歪みを起こすような力を与える。
【０１２４】
スプリング２４は、ポリマー２２を軸方向に伸ばし、軸方向にポリマー２２を引っ張る反対の軸方向（図４Ａ）で外側に向かう力を与える圧縮スプリングである。よってスプリング２４は、ポリマー２２を軸方向３５に引っ張った状態に維持する。ある実施形態において、ポリマー２２は、約５０から約３００パーセントの、方向３５の軸方向の予歪みを有する。製造について以下により詳細に記載されるように、デバイス２０は、スプリングが圧縮されたままで、予歪みが与えられた電気活性ポリマーフィルムをスプリング２４の周りに巻くことによって製造されえる。いったん解放されると、スプリング２４は、軸方向の予歪みを達成するためにポリマー２２を引っ張り歪みの状態に維持する。
【０１２５】
スプリング２４はまた、ポリマー２２上の円周方向の予歪みを維持する。予歪みは、ポリマーがスプリング２４の周りに巻かれる前に、ポリマー２２内で方向３３（図４Ｄ）の長手方向に確立されえる。製造中にこの方向の予歪みを確立する技術は、以下により詳細に記載される。スプリング２４について実質的に一定の外周寸法と共に、巻かれた後にポリマーを固定または固着させることは、スプリング２４についての外周方向の予歪みを維持する。ある実施形態においてポリマー２２は、約１００から約５００パーセントの円周方向予歪みを有する。多くの場合、スプリングは、ポリマー２２上の異方性予歪みを発生する力を与える。
【０１２６】
エンドピース２７および２８は、巻かれた電気活性ポリマー２２およびスプリング２４の反対端に取り付けられる。図４Ｅは、本発明のある実施形態によるエンドピース２７の側面図を示す。エンドピース２７は、外側フランジ２７ａ、インタフェース部２７ｂ、および内側ホール２７ｃを備える円形構造体である。インタフェース部２７ｂは、好ましくはスプリング２４と同じ外径を有する。インタフェース部２７ｂのエッジはまた、ポリマーのダメージを防ぐために丸くされえる。内側ホール２７ｃは、円形であり、エンドピース２７の中心を通って上端から外側フランジ２７ａを含む下部外側端まで貫通する。特定の実施形態において、エンドピース２７は、アルミニウム、マグネシウム、または他の機械用金属を備える。内側ホール２７ｃは、エンドピース２７内で機械加工または同様に製造されたホールによって規定される。特定の実施形態において、エンドピース２７は、３／８インチ内側ホール２７ｃを持つ１／２インチエンドキャップを備える。
【０１２７】
ある実施形態において、ポリマー２２は、外側フランジ２７ａまではずっと伸びず、ギャップ２９がポリマー２２の外側部分エッジおよび外側フランジ２７ａの内側表面の間に残される。以下にさらに詳細に記載されるように、接着剤または糊が巻かれた電気活性ポリマーデバイスに加えられてその巻かれた構造を維持しえる。ギャップ２９は、巻かれたデバイスの外径への積み重ねの代わりに、エンドピース２７上に接着剤または糊のための専用のスペースを与え、ロール中の全てのポリマーレイヤがエンドピース２７に固定されるようにする。特定の実施形態において、ギャップ２９は約０ｍｍから約５ｍｍの間である。
【０１２８】
エンドピース２７および２８の間の電気活性ポリマー２２およびスプリング２４の部分は、その機能的な目的についてアクティブであると考えられえる。よってエンドピース２７および２８は、デバイス２０のアクティブ領域３２（図４Ａ）を規定する。エンドピース２７および２８は、スプリング２４との固定、およびポリマー２２との固定のための共通構造を与える。加えて、それぞれのエンドピース２７および２８は、デバイス２０に対する外部の機械的および取り外し可能な結合を許す。例えばデバイス２０は、エンドピース２７がロボットのアップストリームリンクに取り付けられ、エンドピース２８がロボットのダウンストリームリンクに取り付けられる、ロボット応用例において採用されえる。電気活性ポリマー２２の駆動は、それから、２つのリンク間の自由度（例えばリンク１上のピンジョイントの周りのリンク２の回転）によって決定されるように、アップストリームリンクに対してダウンストリームリンクを動かす。
【０１２９】
特定の実施形態において、内側ホール２７ｃは、ネジまたはネジが切られたボルトのようなネジが切られた部材とのネジによるインタフェースが可能な内部ネジ山を備える。内部ネジ山は、デバイス２０の一端への取り外し可能な機械的固定を可能にする。例えばネジは、ロボット要素に対する外部取り付けのために、エンドピース２７内の内側ネジ山にネジが切られえる。デバイス２０の内部での取り外し可能な機械的固定のために、エンドピース２７および２８にそれぞれネジが切られるナットまたはボルトは、スプリング２４の軸のコアを通って貫通し、それにより２つのエンドピース２７および２８を互いに固定する。これによりデバイス２０は、巻かれる間に有用な完全に圧縮された状態のような、任意の撓み状態に保持されることができる。これはまた、ポリマー２２が格納中に歪まされないようデバイス２０を格納するあいだも有用である。
【０１３０】
ある実施形態において、堅い部材または直線ガイド３０がスプリング２４のスプリングコア内に配置される。スプリング２４内のポリマー２２は、実質的にエンドピース２７および２８間でコンプライアンスを持つので、デバイス２０は、方向３５に沿った軸方向撓み、およびその直線軸（スプリング２４の中心を通る軸）から離れるポリマー２２およびスプリング２４の屈曲の両方を可能にする。ある実施形態においては、軸方向撓みだけが望ましい。リニアガイド３０は、デバイス２０がエンドピース２７および２８間で直線軸について屈曲することを防ぐ。好ましくはリニアガイド３０は、デバイス２０の軸方向の撓みに干渉しない。例えばリニアガイド３０は、好ましくはそれ自身およびスプリング２４の任意の部分の間で摩擦抵抗を起こさない。リニアガイド３０または軸方向３５以外の動きを防ぐ他の任意の拘束物があると、デバイス２０は、厳密に方向３５の出力を持つリニアアクチュエータまたはジェネレータとして機能しえる。リニアガイド３０は、木、プラスチック、金属などのような任意の適切に堅い材料で構成されえる。
【０１３１】
ポリマー２２は、繰り返しスプリング２２の周りに巻かれる。単一の電気活性ポリマーレイヤ構成については、本発明の巻かれた電気活性ポリマーは、約２および約２００レイヤの間で構成されえる。この場合、レイヤとは、巻かれたポリマーの半径方向の断面において重なるポリマーフィルムまたはシートの数を言う。場合によっては、巻かれたポリマーは、約５および約１００レイヤの間で構成される。特定の実施形態においては、巻かれた電気活性ポリマーは約１５および約５０レイヤの間で構成される。
【０１３２】
他の実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーは、多層レイヤ構造を採用する。多層レイヤ構造は、ロール状にされたり巻かれたりされる前に、互いの上に配置された複数のポリマーレイヤを備える。例えば、その上にパターン付けされた電極なしの第２電気活性ポリマーレイヤは、両面にパターン付きの電極を有する電気活性ポリマー上に配置されえる。２つのポリマー間に直接に接する電極は、直接接触するポリマー表面の両面に対して機能する。巻かれた後、電極付きのポリマーの下側の電極は、電極なしのポリマーの上側に接触する。このようにして、その上にパターン付けされた電極がない第２電気活性ポリマーは、第１電気活性ポリマー上の２つの電極を使う。
【０１３３】
他の多層構造も可能である。例えば多層構造は、奇数番目のポリマーは電極が付けられ、偶数番目のポリマーは電極が付けられない任意の数のポリマーレイヤを備えうる。電極なしポリマーの上部の上側表面は、巻かれた後、積層物の下部の電極に頼る。２、４、６、８などを有する多層構造がこの技術で可能である。場合によっては、多層構造中で用いられるレイヤの数は、ロールの寸法およびポリマーレイヤの厚さによって制限されえる。ロールの半径が減ると、許容できるレイヤの数も典型的には減る。用いられるレイヤの数に関係なく、巻かれたトランスデューサは、与えられた極性の電極が反対の極性の電極に接触しないように構成される。ある実施形態において、多層レイヤは、それぞれ個別に電極が付けられ、１つおきのポリマーレイヤは巻かれる前に反対にされ、巻かれた後には互いに接触する電極が同じ電圧または極性になるようにされる。
【０１３４】
多層ポリマー積層体はまた、１つより多いタイプのポリマーを備えうる。例えば、１つ以上の第２ポリマーが用いられて、巻かれた電気活性ポリマーレイヤの弾性または剛性を変更しえる。ポリマーは、駆動中に充電／放電するのにアクティブでもアクティブでなくてもよい。非アクティブポリマーレイヤが採用されるとき、ポリマーレイヤの数は奇数である。第２ポリマーはまた、巻かれた製品のパフォーマンスを変化させる他のタイプの電気活性ポリマーでありえる。
【０１３５】
ある実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーの最外層は、その上に配置された電極を備えていない。これは機械的保護のレイヤを提供するため、または次に内側のレイヤ上の電極を電気的に絶縁するためになされえる。例えば、内側および外側レイヤおよび表面コーティングは、前述のように流体適合性を提供するように選択されえる。上述の多層レイヤ特性は、前述のＥＰＡＭダイアフラムのような巻かれていない電気活性ポリマーにも適用されえる。
【０１３６】
デバイス２０は、コンパクトな電気活性ポリマーデバイス構造を提供し、従来の電気活性ポリマーデバイスに対して全体的な電気活性ポリマーデバイスのパフォーマンスを改善する。例えばデバイス２０の多層構造は、個々のポリマーレイヤのそれぞれに比較してデバイスの全体的なバネ定数を調整する。加えて、スプリング２４を介して達成されたデバイスの増された剛性は、デバイス２０の剛性を増し、望まれる場合には駆動においてより速い応答を可能にする。
【０１３７】
特定の実施形態において、スプリング２４は、カリフォルニア州、ロサンゼルスのCentury Springによって提供されるカタログ番号１１４２２のような圧縮バネである。このスプリングは、０．９１ｌｂ／インチのスプリング力、および４．３８インチの自由長、１．１７インチの密着高さ、０．３６０インチの外径、０．３インチの内径によって特徴付けられる。この場合、巻かれた電気活性ポリマーデバイス２０は、約５から約７ｃｍの高さ３６、約０．８から約１．２ｃｍの直径３７、および約４から約５ｃｍのエンドピース間のアクティブ領域を有する。このポリマーは、約３００から約５００パーセントの円周方向の予歪み、および約１５０から約２５０パーセントの軸方向の予歪み（スプリング２４による力の寄与も含む）によって特徴付けられる。
【０１３８】
デバイス２０は、巻かれたポリマーの内部に配置された単一のスプリング２４を持つように示されるが、ポリマーの外部にある他のスプリングのような追加の構造も歪みおよび予歪み力を提供するのに用いられえる。これらの外部構造は、エンドピース２７および２８を例えば用いてデバイス２０に取り付けられえる。
【０１３９】
図４Ｆは、本発明のある実施形態による構造変化に基づいて可変剛性を提供する曲げトランスデューサ１５０を示す。この場合、トランスデューサ１５０は、ある方向における剛性を他の方向ににおけるポリマー撓みを用いて変化させ制御する。ある実施形態において、このデバイスは、図２Ｋおよび２Ｌを参照して記載された流体フロー内のベーンを用いえる。トランスデューサ１５０は、一端において堅い支持体１５２によって固定されたポリマー１５１を含む。ポリマー１５１に取り付けられているのは、例えば接着レイヤを用いるポリイミドまたはマイラのような可撓性のある薄い材料１５３である。可撓性のある薄い材料１５３は、ポリマー１５１よりも大きい弾性率を有する。トランスデューサ１５０の上部および下部側１５６および１５７の弾性率の差は、駆動されるとトランスデューサを曲げる。電極１５４および１５５は、ポリマー１５１の反対側に取り付けられ、ポリマー１５１およびトランスデューサ１５０の撓みを制御するのに用いられる制御電子回路間の電気的通信を提供する。トランスデューサ１５０は、示されるように平面ではなく、むしろ軸１６０についてわずかに曲面をなす。方向１６０は、堅い支持物１５２からポリマー１５１を通って軸上に伸びる線についての回転または屈曲として定義される。この曲率は、矢印１６１によって示される方向の任意のものに沿って先端に与えられた力に応答して、トランスデューサ１５０を剛性あるものにする。力の代わりに、またはそれに加えて、トルクがトランスデューサに加えられてもよい。これらトルクは、方向１６１ａおよび１６１ｂの矢印によって示される軸について与えられる。
【０１４０】
図４Ｇは、電圧を電極１５４および１５５に印加することによって発生された、方向１６１ｂにおける撓みを持つトランスデューサ１５０を示す。この電圧は、曲げ力が非駆動状態の曲率によって示される抵抗を克服することを可能にするために印加される。実効的に、トランスデューサ１５２は、初期曲率によって生じたキンクを伴って曲がる。この状態において、方向１６１によって示される力またはトルクに応答した剛性はずっと少ない。
【０１４１】
機械的インタフェースがトランスデューサ１５０の遠端部１５９に取り付けられえる。あるいは機械的取り付けは、機械的装置内にトランスデューサ１５０を実現できるようにするため可撓性の薄い材料１５３に対してなされえる。例えばトランスデューサ１５０は、格納されたり、展開されたりされえるように構造を折り畳むことが有用である、軽量の宇宙用構造体のような応用例において用いられるのに適する。この例では、個別トランスデューサ（構造中でリブを形成する）の剛性条件は、構造が展開されるときに起こる。格納を許すために、トランスデューサは駆動されリブは折り曲げされえる。他の応用例において、トランスデューサは空気入りタイヤの側壁内のリブを形成しえる。この応用例において、リブの剛性の変化は、タイヤの剛性に影響し、よってそのタイヤを使う車の結果として生じるハンドリングに影響しえる。同様にデバイスは、靴の中に実現されえ、リブの剛性の変化は、靴の剛性に影響しえる。
【０１４２】
トランスデューサ１５０は、電気活性ポリマーの駆動が、デバイスの剛性に影響を与える構成または形状における低エネルギー変化を引き起こす一例を提供する。この技術を用いて、トランスデューサ１５０を用いて、直接的な機械的または電気的エネルギー制御よりも大きなレベルで剛性を変化させることが実際に可能である。他の実施形態において、電気活性ポリマートランスデューサの撓みは、トランスデューサがその中に組み込まれる装置の剛性を変化させることに直接に寄与する。
【０１４３】
図４Ｈは、本発明の他の実施形態による、可変剛性を提供するボウデバイス（bow device）２００を示す。ボウデバイス２００は、ポリマー２０６に取り付けられた可撓性フレーム２０２を備える平面的機構である。フレーム２０２は、ジョイント２０５においてピボットで接続された６つの堅い部材２０４を含む。部材２０４およびジョイント２０５は、平面方向２０８におけるポリマーの撓みを、直角な平面方向２１０における機械出力に結合する。ボウデバイス２００は、図４Ｈに示される休止位置にある。ポリマー２０６の反対（上部および底部）表面に取り付けられているのは、電極２０７（ポリマー２０６の底部側上の底部電極は不図示）であり、ポリマー２０６と電気的通信を提供する。図４Ｉは、駆動後のボウデバイス２００を示す。
【０１４４】
図４Ｈの休止位置において、堅い部材２０４は、その材料の剛性によって、方向２０８の力２０９に大きな剛性を与える。しかし図４Ｉに示されるボウデバイス２００の位置については、方向２０８の剛性は、ポリマー２０２のコンプライアンスおよびジョイント２０５によって与えられる任意の回転弾性抵抗に基づく。よって電極２０７と電気的に通信する制御電子回路は、図４Ｈに示されるポリマー２０６の撓み、およびそれに対応する高い剛性を提供するような電気的状態、および図４Ｉに示されるポリマー２０６の撓み、およびそれに対応する低い剛性を提供するような電気的状態を与えるために用いられえる。これにおいて、デバイス２００を用いて大きな剛性変化を与えるためには、単純なオン／オフ制御が用いられえる。
【０１４５】
デバイス２００中の堅い部材の構成を変えることによって達成される剛性変化に加えて、図４Ｉの位置についての剛性は、「Variable Stiffness Electroactive Polymers」と題されたKornbluhらによる２００２年１月１６日に出願された同時係属中の米国特許出願第１０／０５３，５１１号に詳細に記載されたオープンまたはクローズループ剛性技術のうちの１つを用いてさらに変化されえ、上記出願は、その全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０１４６】
３．２  複数のアクティブ領域
【０１４７】
場合によっては、電極は、ポリマーの全領域ではなく、電気活性ポリマーの限定された部分をカバーする。これはポリマーのエッジ周辺の電気絶縁破壊を防ぐため、ポリマー部分が巻かれた構成（例えば外側ポリマーバリアレイヤ）を促進することを可能にするため、多機能性を提供するため、またはポリマーの１つ以上の部分についてカスタム化された撓みを達成するためになされえる。ここで使われる語として、アクティブ領域は、電気活性ポリマーの部分、およびその部分に、またはそこから電気的エネルギーを提供したり受け取ったりする１つ以上の電極を備えるトランスデューサの部分として定義される。アクティブ領域は、後述の機能の任意のものについて用いられえる。駆動のためには、アクティブ領域は、その部分の撓みを可能にする充分な静電力を有するポリマーの部分を含む。発電または検出のためには、アクティブ領域は、静電エネルギーの変化を可能にするために充分な撓みを有するポリマーの部分を含む。本発明のポリマーは複数のアクティブ領域を有しえる。
【０１４８】
本発明によれば、「モノリシック」という語は、ここでは電気活性ポリマーおよび複数のアクティブ領域を単一のポリマー上に備えるトランスデューサを指すのに用いられる。図４Ｊは、本発明のある実施形態によって単一のポリマー１５１上に複数のアクティブ領域を備えるモノリシックトランスデューサ１５０を示す。モノリシックトランスデューサ１５０は、電気エネルギーおよび機械エネルギーの間で変換をする。モノリシックトランスデューサ１５０は、２つのアクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂを有する電気活性ポリマー１５１を備える。ポリマー１５１は、例えばポリマーのエッジに取り付けられた堅いフレーム（不図示）を用いて所定の場所に保持されえる。アクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂに結合されるのは、アクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂ間の電気的通信を可能にし、通信電子回路１５５との電気的通信を可能にするワイヤ１５３である。
【０１４９】
アクティブ領域１５２ａは、その上部および下部表面１５１ｃおよび１５１ｄ上でそれぞれポリマー１５１に取り付けられた上部および下部電極１５４ａおよび１５４ｂを有する。電極１５４ａおよび１５４ｂは、ポリマー１５１の部分１５１ａにわたって電気エネルギーを与えたり、受け取ったりする。部分１５１ａは、電極１５４ａおよび１５４ｂによって与えられた電界の変化によって撓みえる。駆動については、部分１５１ａは、電極１５４ａおよび１５４ｂの間のポリマー１５１、および電極１５４ａおよび１５４ｂを用いた電圧の印加による撓みを可能にするのに充分な静電力を有するポリマー１５１の任意の他の部分を備える。アクティブ領域１５２ａが、電気エネルギーから機械エネルギーへ変換する発生器として用いられるとき、部分１５１ａの撓みは、部分１５１ａ中の電界に変化を発生し、これは電極１５４ａおよび１５４ｂによって電位差として受け取られる。
【０１５０】
アクティブ領域１５２ｂは、その上部および下部表面１５１ｃおよび１５１ｄ上でそれぞれポリマー１５１に取り付けられた上部および下部電極１５６ａおよび１５６ｂを有する。電極１５６ａおよび１５６ｂは、ポリマー１５１の部分１５１ｂにわたって電気エネルギーを与えたり、受け取ったりする。部分１５１ｂは、電極１５６ａおよび１５６ｂによって与えられた電界の変化によって撓みえる。駆動については、部分１５１ｂは、電極１５６ａおよび１５６ｂの間のポリマー１５１、および電極１５６ａおよび１５６ｂを用いた電圧の印加による撓みを可能にするのに充分な静電力を有するポリマー１５１の任意の他の部分を備える。アクティブ領域１５２ｂが、電気エネルギーから機械エネルギーへ変換する発生器として用いられるとき、部分１５１ｂの撓みは、部分１５１ｂ中の電界に変化を発生し、これは電極１５６ａおよび１５６ｂによって電位差として受け取られる。
【０１５１】
電気活性ポリマーのアクティブ領域は、従来の電気活性ポリマー電極製造技術を用いて容易にパターン付けされ、構成されえる。複数アクティブ領域ポリマーおよびトランスデューサは、０９／７７９，２０３においてさらに記載され、これは全ての目的のためにここで参照によって援用される。複数のアクティブ領域をパターン付けし、独立に制御できる機能により、本発明の巻かれたトランスデューサは、既存の応用例において新しいやりかたで採用されるのと同時に、多くの新しい応用例において採用されえる。
【０１５２】
図４Ｋは、本発明のある実施形態による、巻かれる前の、単一のポリマー１７２上に複数のアクティブ領域を備えるモノリシックトランスデューサ１７０を示す。本発明において、モノリシックトランスデューサ１７０は、巻かれたまたは巻かれない構成で利用されえる。トランスデューサ１７０は、対向するポリマーサイド１７７上に個別電極１７４を備える。ポリマー１７２の反対側（不図示）は、電極１７４の位置に対応する個別電極を含みえるか、または領域内にまたがり電極１７４の複数のもの、または全てに対して機能し、電気通信を簡略化する共通電極を含みえる。アクティブ領域１７６はそれから、アクティブ領域の動作モードによって決定される、それぞれの個別電極１７４、およびポリマー１７２の反対側の電極間のポリマー１７２の部分を備える。例えば駆動のときは、電極１７４ａのアクティブ領域１７６ａは、上述のようにその部分の撓みを可能にするのに充分な静電力を有するポリマー１７２の部分を含む。
【０１５３】
トランスデューサ１７０上のアクティブ領域１７６は、１つ以上の機能のために構成されえる。ある実施形態において、全てのアクティブ領域１７６は、駆動のために構成される。ロボットの応用例に用いられるのに適する他の実施形態においては、１つ以上のアクティブ領域１７６は、アクティブ領域１７６が駆動のために構成されながらも、検出するよう構成される。このようにして、トランスデューサ１７０を用いた巻かれた電気活性ポリマーデバイスは、駆動および検出の両方が可能である。検出のために指定された任意のアクティブ領域は、後述の検出電子回路への専用の配線を含みえる。
【０１５４】
示されるように、電極１７４ａ〜ｄは、それぞれ、専用の外部電気通信を行い、それぞれのアクティブ領域１７６ａ〜ｄのための個別制御を許す、それに取り付けられたワイヤ１７５ａ〜ｄを含む。電極１７４ｅ〜ｉは、共通電極１７７およびアクティブ領域１７６ｅ〜ｉと共通電気的通信を行うワイヤ１７９との全ての電気的通信である。共通電極１７７は、同様に動作するよう採用される巻かれた電気活性ポリマーの複数のアクティブ領域との電気的通信を簡略化する。ある実施形態において、共通電極１７７は、巻かれる前にポリマー１７２上に配置されたアルミニウム箔を備える。ある実施形態において、共通電極１７７は、例えばカーボングリースのような電極１７４ａ〜ｉのために用いられるのと同様の材料のパターン付き電極である。
【０１５５】
例えば、アクティブ領域のセットは、駆動、発電、検出、剛性変化および／または制動、またはそれらの組み合わせの１つ以上のために採用されえる。適切な電気制御はまた、単一のアクティブ領域が１つ以上の機能のために用いられることを可能にする。例えば、アクティブ領域１７４ａは、流体導管の駆動および可変剛性制御のために用いられえる。同じアクティブ領域はまた、流体導管の動きに基づいて電気エネルギーを作る発電のために用いられえる。これら機能のそれぞれのために適切な電子回路は、後でさらに詳細に記載される。アクティブ領域１７４ｂはまた、駆動、発電、検出、剛性変化、またはそれらの組み合わせのために柔軟に用いられえる。１つのアクティブ領域によって発生されたエネルギーは、応用例に望ましいなら、他のアクティブ領域に提供されえる。よって本発明の巻かれたポリマーおよびトランスデューサは、電気から機械エネルギーに変換するアクチュエータ、機械から電気エネルギーに変換する発電機、パラメータを検出するセンサ、または剛性および／または制動、またはそれらの組み合わせを制御するのに用いられる可変剛性および／または制動デバイスとして用いられるアクティブ領域を含みえる。
【０１５６】
ある実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーデバイスからの力および／または撓み出力の段階的な電気制御を提供するために、駆動のために採用される複数のアクティブ領域はグループで配線される。例えば、巻かれた電気活性ポリマートランスデューサは、５０のアクティブ領域を持ちえ、ここで２０のアクティブ領域は１つの共通電極に結合され、１０のアクティブ領域は第２共通電極に結合され、さらに１０のアクティブ領域は第３共通電極に結合され、５つのアクティブ領域は第４共通電極に結合され、残りの５つは個別に配線されえる。それぞれの共通電極についての適切なコンピュータ管理およびオン・オフ制御がそれから、バイナリのオン・オフスイッチングを用いて巻かれたトランスデューサのための段階的な力および撓み制御を可能にする。このシステムの生物学的な類似は、多くの哺乳類の筋肉制御システムに見られる運動単位である。明らかに、適切な機械的出力または段階的制御システムを提供するためにアクティブ領域および共通電極の任意の個数がこのようにして実現されえる。
【０１５７】
３．３  複数自由度デバイス
【０１５８】
他の実施形態において、電気活性ポリマー上に複数のアクティブ領域が配置され、そのようなアクティブ領域のサブセットは巻かれた後、半径方向にアラインする。例えば、複数のアクティブ領域は、巻かれた後に、ロール中で９０度毎に配置される。これらの半径方向にアラインされた電極は、それから、巻かれた電気活性ポリマーデバイスのための運動の複数の自由度を許すために統一して駆動されえる。同様に運動の複数の自由度は、図４Ｆおよび４Ｇについて記載されたもののような、巻かれていない電気活性ポリマーデバイスについても獲得されえる。よって巻かれたポリマーデバイスは、本発明のトランスデューサ構成で獲得されえる複数自由度の一実施形態である。
【０１５９】
図４Ｌは、本発明のある実施形態による２次元出力の可能な巻かれたトランスデューサ１８０を示す。トランスデューサ１８０は、巻かれて１０レイヤを提供する電気活性ポリマー１８２を備える。それぞれのレイヤは、４つの半径方向にアラインされたアクティブ領域を備える。それぞれのアクティブ領域の中心は、その隣接するものに対して９０度ずつの増分で配置される。図４Ｌは、ポリマー１８２の最外層、および半径方向にアラインされたアクティブ領域１８４、１８６、および１８８を示し、これらは互いに対してそれらの中心が９０度の増分を示すように配置される。ポリマー１８２の裏側上の４つ目の半径方向にアラインされたアクティブ領域（不図示）は、半径方向にアラインされたアクティブ領域１８６からほぼ１８０度離れて位置する中心を有する。
【０１６０】
半径方向にアラインされたアクティブ領域１８４は、同じ半径方向アライメントを有する内側ポリマーレイヤ上のアクティブ領域と共通する電気的な通信を含みえる。同様に、他の３つの半径方向にアラインされた外側アクティブ領域１８２、１８６、および図示されない背面のアクティブ領域も、それらの対応する内側レイヤと共通の電気的通信を含みえる。ある実施形態において、トランスデューサ１８０は、４つの半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットのうちのそれぞれのための共通駆動を提供する４つのリード線を備える。
【０１６１】
図４Ｍは、駆動された、半径方向にアラインされたアクティブ領域１８８、およびその対応する半径方向にアラインされた内側レイヤアクティブ領域を持つトランスデューサ１８０を示す。アクティブ領域１８８、および対応する内側レイヤアクティブ領域の駆動は、ポリマー１８２の反対側のトランスデューサ１８８の軸方向の伸長を引き起こす。結果は、アクティブ領域１８８の中心点からほぼ１８０度の、トランスデューサ１８０の水平屈曲になる。この効果は、トランスデューサ１８０の上部１８９の撓みによって計測されえ、これは図４Ｌに示される休止位置から図４Ｍに示されるその位置までの半径方向の円弧を描く。アクティブ領域１８８、および対応する内側レイヤアクティブ領域に与えられる電気エネルギーの量を可変することは、この円弧に沿った上部１８９の撓みを制御する。よってトランスデューサ１８０の上部１８９は、図４Ｌに示される撓み、またはそれより大きい撓み、あるいは図４Ｌに示される位置から最小限に離れた撓みを持ちえる。同様に他の方向に曲がることは、他の半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットのうちの１つを駆動することによって達成されえる。
【０１６２】
半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットの駆動を組み合わせることは、上部１８９の撓みについての２次元空間を作る。例えば半径方向にアラインされたアクティブ領域のセット１８６および１８４は、図４Ｌに示される座標系に対応する４５度の角度で上部が撓みを作るために同時に駆動されえる。半径方向にアラインされたアクティブ領域のセット１８６に与えられる電気エネルギーの量を減らし、半径方向にアラインされたアクティブ領域のセット１８４に与えられる電気エネルギーの量を増すことは、上部１８９をゼロ度のマークにより近く移動させる。適切な電気制御はそれから、上部１８９が０から３６０度の任意の角度のパスを描くこと、またはこの２次元空間内の可変パスを追随することを可能にする。
【０１６３】
トランスデューサ１８０はまた、３次元撓みも可能である。トランスデューサ１８０の４つの側面上のアクティブ領域の同時駆動は、上部１８９を上方に向かって移動させる。言い換えれば、トランスデューサ１８０はまた、トランスデューサ１８０の全ての側面上のアクティブ領域の同時駆動に基づいて軸方向の撓みも可能なリニアアクチュエータである。この直線駆動を、半径方向にアラインされたアクティブ領域の差動駆動およびすぐ前で述べたそれらの結果として生じる２次元撓みと組み合わせることは、トランスデューサ１８０の上部の３次元撓み空間を生む。よって適切な電気制御は、上部１８９が、この直線軸に沿った２次元パスを描くのと共に、上下の両方に移動することを可能にする。
【０１６４】
トランスデューサ１８０は、簡単のために９０度の増分で配置された４つの半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットとしてしか示されないが、２次元および３次元運動が可能な本発明のトランスデューサは、より複雑な代替設計を備えうることが理解されよう。例えば、４５度の増分で配置された８つの半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットである。あるいは１２０度の増分で配置された３つの半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットは２Ｄおよび３Ｄ運動に適切でありえる。
【０１６５】
加えて、トランスデューサ１８０は、軸方向アクティブ領域の１つのセットしか示されないが、図４Ｌの構造はモジュラーである。言い換えれば、９０度の増分で配置された４つの半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットは、軸方向において複数回現れてもよい。例えば、２次元および３次元運動を可能にする半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットは、流体フローに加えられえる波形パターンを与えるために、１０回繰り返されえる。
【０１６６】
４．検出
本発明の電気活性ポリマーは、センサとしても構成されえる。一般に本発明の電気活性ポリマーセンサは、「パラメータ」および／またはパラメータの変化を検出しえる。このパラメータは、温度、密度、歪み、変形、速度、位置、接触、加速度、振動、体積、圧力、質量、不透明度、濃度、化学状態、伝導度、磁化、誘電率、大きさなど、大きくは物体の物理的特性である。場合によっては、検出されるパラメータは物理的「イベント」に関連付けられる。検出される物理的イベントは、物理または化学特性の特定の値または状態の達成でありえる。
【０１６７】
電気活性ポリマーセンサは、検出されるパラメータの変化に応答して電気活性ポリマーの一部が撓むよう構成される。ポリマーの電気エネルギー状態および撓み状態は関連する。電気エネルギーの変化、または撓みから生じるアクティブ領域の電気インピーダンスの変化は、それから、アクティブ領域電極と電気的に通信する検出電子回路によって検出されえる。この変化は、ポリマーのキャパシタンス変化、ポリマーの抵抗変化、および／または電極の抵抗変化、またはこれらの組み合わせを構成しえる。電極と電気的に通信する電子回路は、電気的特性の変化を検出する。もし例えばトランスデューサのキャパシタンスまたは抵抗の変化が計測されるなら、電気エネルギーをトランスデューサに含まれる電極に印加し、電気的パラメータの変化を観測することになる。
【０１６８】
ある実施形態において、なんらかの方法で１つ以上の結合メカニズムを介して撓みがアクティブ領域センサに入力される。ある実施形態と、センサによって計測される変化する特性またはパラメータは、電気活性ポリマーの変化する特性、例えばポリマー中の変位またはサイズ変化に対応し、結合メカニズムが用いられない。電極と電気的通信をする検出電子回路は、アクティブ領域によって出力される変化を検出する。場合によっては、センサの検出電子回路と電気通信する論理デバイスが、その電気的変化を定量化することによって、検出される変化するパラメータのディジタルまたは他の計測値を与える。例えば、論理デバイスは、検出電子回路によって作られた情報を処理するシングルチップコンピュータまたはマイクロプロセッサでありえる。電気活性ポリマーセンサは１０／００７，７０５にさらに記載され、これは全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０１６９】
アクティブ領域は、そのアクティブ領域の駆動と同時に検出が実行されるように構成されえる。モノリシックトランスデューサについて、１つのアクティブ領域は駆動を担当し、他の領域は検出を担当しえる。あるいは、ポリマーの同じアクティブ領域は、駆動および検出を担当する。この場合、低い振幅の高い周波数のＡＣ（検出）信号が、駆動（アクチュエーション）信号に重畳されえる。例えば、１０００Ｈｚの検出信号は、１０Ｈｚの駆動信号に重畳されえる。駆動信号は、応用例、またはどのくらい速くアクチュエータが動くかに依存するが、０．１Ｈｚ未満から約１メガＨｚまでの範囲の駆動信号が多くの応用例に適する。ある実施形態において、検出信号は、検出される動きより少なくとも約１０倍速い。検出電子回路はそれから、ポリマーの高周波応答を検出および計測することによって、ポリマー駆動に影響を与えないセンサパフォーマンスを可能にする。同様に、もし電気活性ポリマートランスデューサが発電機としても用いられていながらも、インピーダンス変化が検出および計測されるなら、小さい高周波ＡＣ信号が、低周波発電電圧信号上に重畳されえる。それからフィルタリング技術が計測値およびパワー信号を分離しえる。
【０１７０】
本発明のアクティブ領域はまた、可変剛性および制動機能を提供するために構成されえる。ある実施形態において、開ループ技術が用いられて、電気活性ポリマートランスデューサを採用するデバイスの剛性および／または制動を制御し、それによってセンサフィードバックなしで所望の剛性および／または制動パフォーマンスを達成する簡単な設計が提供できる。例えば、トランスデューサの電極と電気的に通信する制御回路は、実質的に一定の電荷を電極に供給しえる。あるいは、制御回路は、実質的に一定の電圧を電極に供給しえる。電気活性ポリマートランスデューサを採用するシステムは、剛性および／または制動制御を提供するいくつかの技術を提供する。剛性／制動制御を提供する例示的回路は、以下に示される。
【０１７１】
詳細は記載されないが、本発明の全ての図面および説明中のアクティブ領域およびトランスデューサは、電気エネルギーおよび機械エネルギーの間で双方向に変換しえる（適切な電子回路と共に）ことに注意することが重要である。よって巻かれたポリマー、アクティブ領域、ポリマー構成、トランスデューサ、およびここで記載されたデバイスの任意のものは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換（発電、可変剛性または制動、または検出）する、または電気エネルギーを機械エネルギーに変換（駆動、可変剛性または制動、または検出）するトランスデューサでありえる。典型的には、本発明の発電機またはセンサアクティブ領域は、ポリマーの一部の撓みに応答する電界の変化を生じるようなやりかたで構成されたポリマーを備える。電界の変化は、電界の方向におけるポリマー寸法の変化と共に、電圧の変化を作り、よって電気エネルギーの変化を生む。
【０１７２】
しばしばトランスデューサは、他の構造および／または機能要素を備えるデバイス内で採用される。例えば、外部機械エネルギーがなんらかの方法で１つ以上の機械的伝達結合メカニズムを介してトランスデューサに入力されえる。例えば、伝達メカニズムは、フローによって発生された機械的エネルギーを受け取り、そのフローによって発生された機械的エネルギーの一部をポリマーの一部に伝達し、そこでフローによって発生された機械的エネルギーはトランスデューサの撓みを生じるように設計または構成されえる。フローによって発生された機械的エネルギーは、慣性力または直接的力を作りえ、そこでは慣性力の一部または直接的力の一部は伝達メカニズムによって受け取られる。
【０１７３】
５．調整電子回路
本発明のデバイスはまた、上述の電気活性ポリマー機能のうちの１つについてのアクティブ領域の電極から電気エネルギーを供給または受け取りを行う調整電子回路に頼りえる。１つ以上のアクティブ領域と電気的通信をする調整電子回路は、剛性制御、エネルギー消費、電気エネルギー発生、ポリマー駆動、ポリマー撓み検出、制御論理などのような機能を含みえる。
【０１７４】
駆動について、電子ドライバは、電極に接続されえる。アクティブ領域の電極に供給される電圧は、応用例の明細に依存する。ある実施形態において、本発明のアクティブ領域は、印加される電圧をＤＣバイアス電圧の周辺で変調することによって電気的に駆動される。ＤＣバイアス電圧の周辺での変調は、印加された電圧に対するトランスデューサの改善された感度および直線性を可能にする。例えば、オーディオの応用例において用いられるトランスデューサは、約７５０から２０００ボルトＤＣに範囲するバイアス電圧の上に乗った２００から１００ボルトピーク・ツー・ピークの信号によって駆動されえる。
【０１７５】
電気活性ポリマー、またはその一部のための適切な駆動電圧は、ポリマーフィルムの厚さのようなポリマーの寸法と共に、誘電率のような電気活性ポリマーの材料的特性に基づいて変わりえる。例えば、図２Ａにおけるポリマー１２を駆動するのに用いられる駆動電界は、約０Ｖ／ｍから約４４０ＭＶ／ｍの大きさに範囲する。このレンジの駆動電界は、約０Ｐａから約１０ＭＰａの範囲の圧力を作りえる。トランスデューサがより大きな力を作るためには、ポリマーレイヤの厚さが増されなければならない。特定のポリマーについての駆動電圧は、誘電率を増し、ポリマー厚さを減らし、かつ弾性率を減らすことによって例えば低減されえる。
【０１７６】
図４Ｎは、本発明のある実施形態による開ループ可変剛性／制動システムの電気ブロック図を示す。システム１３０は、電気活性ポリマートランスデューサ１３２、電圧源１３４、可変剛性／制動回路１３６および開ループ制御１３８を備える制御電子回路、およびバッファキャパシタ１４０を備える。
【０１７７】
電圧源１３４は、システム１３０内で用いられる電圧を供給する。この場合、電圧源１３４は、トランスデューサ１３２のための最小電圧を設定する。開ループ制御１３８と共にこの最小電圧を調整することは、トランスデューサ１３２によって提供される剛性を調整する。電圧源１３４はまたシステム１３０に電荷を供給する。電圧源１３４は、約１〜１５ボルトの範囲の電圧を供給する低電圧バッテリ、およびバッテリの電圧を昇圧するステップアップ回路のような商業的に入手可能な電圧源を含みえる。この場合、トランスデューサ１３２の電極と電気的に通信するステップダウン回路によって実行される電圧ステップダウンは、トランスデューサ１３２からの電気出力電圧を調整するのに用いられえる。あるいは電圧源１３４は、バッテリから可変高電圧出力を作りえる可変ステップアップ回路を含みえる。以下にさらに詳細に記載されるように、電圧源１３４は、特定の剛性領域でポリマーを動作させるために、後述のスレッショルド電界を印加するのに用いられえる。
【０１７８】
システム１３０の所望の剛性または制動は、可変剛性／制動回路１３６によって制御され、これはシステム１３０内の制御電子回路によって提供される電気的状態を設定および変化させることによって、トランスデューサ１３２によって与えられる所望の剛性／制動を提供する。この場合、剛性／制動回路３６は、所望の電圧を電圧源１３４に入力し、および／またはパラメータを開ループ制御１３８に入力する。あるいはもし電圧源１３４を昇圧するためにステップアップ回路が用いられるなら、回路１３６は電圧制御を可能にするための信号をステップアップ回路に入力しえる。
【０１７９】
トランスデューサ１３２が撓むとき、その変化する電圧は、電荷がトランスデューサ１３２およびバッファキャパシタ１４０間で移動するようにさせる。よって例えば振動する機械的インタフェースからの、外部から誘起されたトランスデューサ１３２の膨張および収縮は、電荷が開ループ制御１３８を通してトランスデューサ１３２およびバッファキャパシタ１４０の間で行ったり来たりするようにさせる。トランスデューサ１３２へ、またはそれから動かされる電荷のレートおよび量は、バッファキャパシタ１４０の特性、トランスデューサ１３２に印加される電圧、電気回路中の任意の他の電気的要素（電流がその中を通るときに制動機能を与える開ループ制御１３８として用いられる抵抗のような）、トランスデューサ１３２の機械的構成、およびトランスデューサ１３２に、またはそれによって与えられる力に依存する。ある実施形態においてバッファキャパシタ１４０は、トランスデューサ１３２のそれと実質的に等しい電圧を有し、システム１３０の電圧は電圧源１３４によって設定され、開ループ制御１３８はワイヤであり、このとき、トランスデューサ１３２の撓みについて実質的に自由な電荷の流れがトランスデューサ１３２およびバッファキャパシタ１４０の間で起こる。
【０１８０】
開ループ制御１３８は、トランスデューサ１３２によって与えられる剛性のための受動（供給される外部エネルギーなしで）動的応答を提供する。すなわち、トランスデューサ１３２によって提供される剛性は、制御電子回路および電圧源１３４のようなシステム１３０内に含まれる電気要素によって、または電気要素のうちの１つに働く制御回路１３６からの信号によって設定されえる。いずれの場合も、トランスデューサ１３２の応答は、それに与えられる外部の機械的撓みに対して受動的である。ある実施形態において、開ループ制御１３８は抵抗である。抵抗の抵抗値は、例えばトランスデューサが実現される機械的システム中の振動の周期のような関心のある時間に対してＲＣ時定数を提供するために設定しえる。ある実施形態において抵抗は、直列に接続された開ループ制御１３８およびトランスデューサ１３２のＲＣ時定数が、関心のある周波数に比較して長いように、高抵抗を有する。この場合、トランスデューサ１３２は、関心のある時間のあいだ、実質的に一定の電荷を有する。ある応用例については、関心のある周波数の周期の約５から約３０倍の範囲の抵抗およびトランスデューサのＲＣ時定数を作る抵抗が適切でありえる。巡回的運動を含む応用例については、関心のある機械的周期よりもはるかに大きくＲＣ時定数を増すことは、１サイクルのあいだのトランスデューサ１３２の電極上の電荷の量が実質的に一定に留まることを可能にする。トランスデューサが制動のために用いられる場合においては、関心のある周波数の周期の約０．１から約４倍の範囲の抵抗およびトランスデューサのＲＣ時定数を作る抵抗が適切でありえる。当業者なら抵抗に用いられる抵抗値が応用例に基づいて、特に関心のある周波数およびトランスデューサ１３２のサイズ（および、よってキャパシタンスＣ）について変わりえることが理解されよう。
【０１８１】
開ループ技術を用いて剛性および／または制動を制御するのに用いられる適切な電気状態のある実施形態においては、制御電子回路は、電流に最小限の影響を与える電気的不正確さまたは回路の詳細から来るものを除いて、実質的に一定の電荷をトランスデューサ１３２の電極に与える。実質的に一定の電荷は、トランスデューサ１３２の撓みに抵抗するポリマーの増加された剛性につながる。実質的に一定の電荷を達成するある電気的構成は、上述のように高いＲＣ時定数を有するものである。開ループ制御１３８およびトランスデューサ１３２のＲＣ時定数の値が関心のある周波数に比較して長いとき、トランスデューサ１３２の電極上の電荷は実質的に一定である。剛性および／または制動制御のさらなる記載は、共通して所有された特許出願第１０／０５３，５１１号にさらに記載され、これは全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０１８２】
発電について、機械エネルギーは、電気エネルギーの変化がポリマーと接触する電極から取り除かれることを可能にするようなやりかたで、ポリマーまたはアクティブ領域に印加されえる。機械エネルギーを印加し、電気エネルギー変化をアクティブ領域から取り除く多くの方法が可能である。巻かれたデバイスは、電気エネルギー変化を受け取るためにこれらの方法の１つ以上を利用するよう設計されえる。発電および検出について、電気エネルギーの発電および利用は、ある種の調整電子回路を必要とする。例えば少なくとも、電気エネルギーをアクティブ領域から取り除くために最小限の量の回路が必要とされる。さらに他の例として、特定のアクティブ領域における電気発生の効率または量を増すために、または出力電圧をより有用な値に変換するために、複雑さの度合いがさまざまである回路が用いられえる。
【０１８３】
図５Ａは、パワー調整電子回路６１０に接続されるトランスデューサ上の１つ以上のアクティブ領域６００のブロック図である。パワー調整電子回路６１０によって実行されえる本質的な機能は、以下に限定されないが、１）電圧をアクティブ領域６００に印加するときに用いられえるステップアップ回路６０２によって実行される電圧ステップアップ、２）特定の時にアクティブ領域６００から電荷を追加または除去するために用いられえる電荷制御回路６０４によって実行される電荷制御、３）トランスデューサへの電気出力電圧を調整するのに用いられえるステップダウン回路６０８によって実行される実行される電圧ステップダウンを含みえる。これら機能の全ては、調整電子回路６１０内には必要とされないかもしれない。例えばいくつかのトランスデューサデバイスは、ステップアップ回路６０２を使用しないかもしれないし、他のトランスデューサデバイスはステップダウン回路６０８を使用しないかもしれないし、またはいくつかのトランスデューサデバイスはステップアップ回路およびステップダウン回路を使用しないかもしれない。またいくつかの回路機能は集積されえる。例えば１つの集積回路が、ステップアップ回路６０２および電荷制御回路６０８の両方の機能を実行しえる。
【０１８４】
図５Ｂは、本発明のある実施形態によるトランスデューサ６００を採用する巻かれたデバイス６０３の回路ブロック図である。上述のように本発明のトランスデューサは、可変キャパシタとして電気的には振る舞いえる。トランスデューサ６０３の動作を理解するために、２つの時刻ｔ1およびｔ2における巻かれたトランスデューサ６０３の動作パラメータが比較されえる。任意の特定の理論に拘束されることを望まないが、発電機６０３の電気的パフォーマンスに関する多くの理論的関係が展開される。これらの関係は、記載されるデバイスが動作されるやりかたを制限するように意図されたものではなく、例示的目的のみで提供される。
【０１８５】
第１時刻ｔ1において、巻かれたトランスデューサ６００はキャパシタンスＣ1を持ち、トランスデューサ６００間の電圧は、電圧６０１、ＶBでありえる。電圧６０１、ＶBは、ステップアップ回路６０２によって提供されえる。時刻ｔ1より後の第２時刻ｔ2において、トランスデューサ６００は、キャパシタンスＣ1より低いキャパシタンスＣ2を持ちえる。一般に言って、より高いキャパシタンスＣ１は、ポリマートランスデューサ６００が面積において伸長されるときに起こり、より低いキャパシタンスＣ２は、ポリマートランスデューサ６００が面積において収縮または緩和されるときに起こる。任意の特定の理論に拘束されることを望まないが、電極付きのポリマーフィルムのキャパシタンスの変化は、キャパシタンスをフィルムの面積、厚さ、および誘電率に関連付けるよく知られた公式によって推定されえる。
【０１８６】
ｔ1およびｔ2間のトランスデューサ６００のキャパシタンスの減少は、トランスデューサ６００間の電圧を増す。増加された電圧は、ダイオード６１６を通る電流を駆動するのに用いられえる。ダイオード６１５は、そのような時に電荷がステップアップ回路に逆流するのを阻止するのに用いられえる。２つのダイオード６１５および６１６は、トランスデューサ６００のための電荷制御回路６０４として機能し、これはパワー調整電子回路６１０（図５Ａ参照）の一部である。発電機６０３および１つ以上のトランスデューサ６００の構成に依存して、より複雑な電荷制御回路が開発されえ、これらは図５Ｂの設計に限定されない。
【０１８７】
トランスデューサはまた、検出される対象のパラメータの変化を計測するための電気活性ポリマーセンサとしても用いられえる。典型的にはパラメータ変化は、トランスデューサ内の撓みを誘起し、これはトランスデューサに取り付けられた電極によって出力される電気的変化に変換される。ポリマーを撓ませるために機械的または電気的エネルギーを与える多くの方法が可能である。典型的にはトランスデューサからの電気エネルギーの検出は、ある種の電子回路を用いる。例えば、電極間の電気的状態の変化を検出するために最小限の量の回路は必要とされる。
【０１８８】
図６は、本発明のある実施形態によるトランスデューサ４５１を採用するセンサ４５０のブロック図である。図７に示されるように、センサ４５０は、トランスデューサ４５１およびトランスデューサ４５１に含まれる電極に電気的に通信するさまざまな電子回路４５５を備える。電子回路４５５は、トランスデューサ４５１から電気的エネルギーを追加、除去、および／または検出するよう設計または構成される。電子回路４５５の要素の多くは個別ユニットとして記載されるが、いくつかの回路機能は集積されえることが理解されよう。例えば、１つの集積回路が論理デバイス４６５および電荷制御回路４５７の両方の機能を実行しえる。
【０１８９】
ある実施形態においては、トランスデューサ４５１は、最初はその電極間に電圧を印加することによって検出の準備をする。この場合、電圧ＶIが電圧４５２によって提供される。一般に電圧ＶIは、トランスデューサ４５１を駆動するのに必要とされる電圧より低い。ある実施形態において、低電圧バッテリは、約１〜１５ボルトの範囲にある電圧ＶIを供給しえる。特定の実施形態においては、電圧ＶIの選択は、ポリマー誘電率、ポリマーのサイズ、ポリマーの厚さ、環境ノイズ、および電磁的干渉、センサ情報を使用または処理しえる電子回路との適合性など多くのファクタに依存する。初期電荷が電子制御サブ回路４５７を用いてトランスデューサ４５１上に与えられる。電子制御サブ回路４５７は、典型的には、シングルチップコンピュータまたはマイクロプロセッサのような電圧および／または電荷制御機能をトランスデューサ４５１に対して実行するための論理デバイスを含みえる。電子制御サブ回路４５７はそれから、初期的に比較的低い電圧をトランスデューサ４５１に印加するために、電圧４５２によって提供される電圧を変化する働きを担う。
【０１９０】
検出電子回路４６０は、トランスデューサ４５１の電極と電気的通信をし、トランスデューサ４５１の電気エネルギーまたは特性の変化を検出する。検出に加えて、検出電子回路４６０は、トランスデューサ４５１の電気エネルギーまたは特性の変化を検出、計測、処理、伝達、および／または記録するよう構成された回路を含みえる。本発明の電気活性ポリマートランスデューサは、なんらかの方法で電気活性ポリマートランスデューサの撓みに応答するよう電気的に振る舞いえる。したがって、トランスデューサ４５１の電気的エネルギーの変化を検出するために、多くの単純な電気的計測回路およびシステムが計測電子回路４６０内で実現されえる。例えばもしトランスデューサ４５１がキャパシタンスモードで動作するなら、トランスデューサ４５１のキャパシタンスの変化を検出するためには単純なキャパシタンスブリッジが用いられえる。他の実施形態において、高抵抗の抵抗器がトランスデューサ４５１と直列に配置され、高抵抗抵抗器の両端の電圧降下がトランスデューサ４５１が撓むときに計測される。より具体的には、電気活性ポリマーの撓みによって誘起されたトランスデューサ４５１の電圧の変化は、高抵抗抵抗器を通る電流を駆動するのに用いられる。抵抗器にわたる電圧変化の極性がそれから電流の方向、およびポリマーが伸長または収縮しているかを決定する。抵抗検出技術も、ポリマーに含まれた抵抗の変化、または電極の抵抗の変化を計測するのに用いられえる。これら技術のある例は、共通して所有された特許出願第１０／００７，７０５号に記載され、これは先に参照によって援用された。
【０１９１】
６．結論
本発明はいくつかの好ましい実施形態について記載されてきたが、簡潔さのために省略された、本発明の範囲に入る代替物、組み合わせ、および等価物が存在する。例えば、本発明はいくつかの具体的な電極材料について記載されてきたが、本発明はこれらの材料に限定されず、場合によっては空気を電極として含みえる。加えて、本発明は円形に巻かれた幾何学的形状について記載されてきたが、本発明はこれら形状には限定されず、正方形、長方形、または楕円の断面およびプロファイルを持つ巻かれたデバイスを含みえる。したがって本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきであることが意図される。
【図１Ａ】
2010004736.tif 000003
【図１Ｂ】
2010004736.tif 000004
【図２Ａ】
2010004736.tif 000005
【図２Ｂ】
2010004736.tif 000006
【図２Ｃ】
2010004736.tif 000007
【図２Ｄ】
2010004736.tif 000008
【図２Ｅ】
2010004736.tif 000009
【図２Ｆ】
2010004736.tif 000010
【図２Ｇ】
2010004736.tif 000011
【図２Ｈ】
2010004736.tif 000012
【図２Ｉ】
2010004736.tif 000013
【図２Ｊ】
2010004736.tif 000014
【図２Ｋ】
2010004736.tif 000015
【図２Ｌ】
2010004736.tif 000016
【図２Ｍ】
2010004736.tif 000017
【図２Ｎ】
2010004736.tif 000018
【図２Ｏ】
2010004736.tif 000019
【図２Ｐ】
2010004736.tif 000020
【図２Ｑ】
2010004736.tif 000021
【図２Ｒ】
2010004736.tif 000022
【図３Ａ】
2010004736.tif 000023
【図３Ｂ】
2010004736.tif 000024
【図３Ｃ】
2010004736.tif 000025
【図３Ｄ】
2010004736.tif 000026
【図３Ｅ】
2010004736.tif 000027
【図３Ｆ】
2010004736.tif 000028
【図３Ｇ】
2010004736.tif 000029
【図３Ｈ】
2010004736.tif 000030
【図３Ｉ】
2010004736.tif 000031
【図３Ｊ】
2010004736.tif 000032
【図３Ｋ】
2010004736.tif 000033
【図３Ｌ】
2010004736.tif 000034
【図３Ｍ】
2010004736.tif 000035
【図４Ａ】
2010004736.tif 000036
【図４Ｂ】
2010004736.tif 000037
【図４Ｃ】
2010004736.tif 000038
【図４Ｄ】
2010004736.tif 000039
【図４Ｅ】
2010004736.tif 000040
【図４Ｆ】
2010004736.tif 000041
【図４Ｇ】
2010004736.tif 000042
【図４Ｈ】
2010004736.tif 000043
【図４Ｉ】
2010004736.tif 000044
【図４Ｊ】
2010004736.tif 000045
【図４Ｋ】
2010004736.tif 000046
【図４Ｌ】
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【図４Ｍ】
2010004736.tif 000048
【図４Ｎ】
2010004736.tif 000049
【図５Ａ】
2010004736.tif 000050
【図５Ｂ】
2010004736.tif 000051
【図６】
2010004736.tif 000052