(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体によって生成される機械エネルギを電気エネルギに変換するためのジェネレータであって、
ｉ）１つまたはそれ以上のトランスデューサであって、それぞれが、
少なくとも２つの電極と、
１００ＭＰａ未満の弾性率を有し弾性的にプリストレインされた絶縁性のポリマであって、前記生体によって生成される機械エネルギを受けて前記ポリマの厚みを変更するように変形し、前記変形に応じて電場の変化を生じるように構成されたポリマと
を備えるトランスデューサと、
ｉｉ）前記少なくとも２つの電極に接続され、前記１つまたはそれ以上のトランスデューサに対して電気エネルギの追加及び除去を行うように設計または構成された電荷制御回路と、
iii）前記生体によって生成される機械エネルギを受け取り、前記生体によって生成される機械エネルギの一部を前記ポリマに移すように設計または構成された１つまたはそれ以上の伝達機構であって、前記生体によって生成される機械エネルギのうち前記移された部分は、前記ポリマの前記部分に変形を生じさせる、伝達機構と
を備え、
前記ジェネレータは、
（１）前記生体によって生成される機械エネルギを使用して前記ポリマの厚みを減小させるように前記ポリマを変形することにより、前記ポリマと前記電極の面積を初期状態から拡大する第１の動作と、
（２）前記第１の動作の後に、前記電荷制御回路が、前記電極に電圧を印加する第２の動作と、
（３）前記第２の動作の後に、前記ポリマの変形を解放して前記電極の面積を前記初期状態に戻すことによって、前記電極上に蓄積された電荷密度を前記変形の解放前後の前記電極の面積の比に応じて増大させる第３の動作と、
（４）前記第３の動作の後に、前記電荷制御回路が、前記電極上に蓄積された電荷を電気エネルギとして取り出す第４の動作と、
を実行する、ジェネレータ。
【請求項２】
請求項１に記載のジェネレータであって、
前記ポリマには、前記ポリマの表面に平行な２次元的方向である２つの方向に互いに異なる大きさのプリストレインが加えられている、ジェネレータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のジェネレータであって、
前記１つまたはそれ以上の伝達機構は、前記生体によって生成される機械エネルギの一部によって動かされて慣性力に応じて移動するように設計または構成された慣性質量を備え、前記慣性質量の移動によって生成される機械エネルギは、電気エネルギを生成するために使用される、ジェネレータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のジェネレータであって、
前記生体によって生成される機械エネルギは、慣性力または直接力を生成し、前記慣性力の一部または前記直接力の一部は、前記伝達機構によって受け取られ、
前記直接力は、踵の接地、手の収縮、手の衝撃、指の衝撃、胸の膨張、胸の収縮、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、ジェネレータ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のジェネレータであって、
前記１つまたはそれ以上の伝達機構は、前記生体によって生成される機械エネルギの前記一部を前記ポリマに移すように設計または構成された流体を備える、ジェネレータ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のジェネレータであって、さらに、
前記１つまたはそれ以上のトランスデューサと、前記１つまたはそれ以上の伝達機構と、を取り囲むハウジングを備えるジェネレータ。
【請求項７】
請求項６に記載のジェネレータであって、
前記ハウジングは履物に組み込まれている、ジェネレータ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のジェネレータであって、
前記伝達機構は、流体またはゲルで満たされた容器を含み、前記容器は、前記生体によって生成される機械エネルギの前記一部を移すように設計または構成される、ジェネレータ。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のジェネレータであって、さらに、
前記伝達機構は、前記生体によって生成される機械エネルギの前記一部を前記ポリマに移すように設計または構成された１つまたはそれ以上の支持部材を備えるジェネレータ。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のジェネレータであって、
前記電荷制御回路は、昇圧、降圧、および電荷制御のうちの１つまたはそれ以上の機能を果たすように設計または構成される、ジェネレータ。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のジェネレータであって、さらに、
前記電気エネルギを出力するように設計または構成された電気インターフェースを備えるジェネレータ。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のジェネレータであって、
前記電気エネルギは、携帯用電子機器に電力を供給するために使用される、ジェネレータ。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のジェネレータであって、さらに、
前記１つまたはそれ以上のトランスデューサから除去された電気エネルギを蓄えるため、または前記ポリマの前記電荷を増大させるための１つまたはそれ以上の電池を備えるジェネレータ。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれかに記載のジェネレータであって、
前記ポリマの伸張と弛緩の各サイクルにおいて、前記１つまたはそれ以上のトランスデューサから除去される電気エネルギの総量は、前記１つまたはそれ以上のトランスデューサに追加される電気エネルギの総量より多く、
前記ジェネレータから出力される電気エネルギは、前記１つまたはそれ以上のトランスデューサから除去される電気エネルギの総量と、前記１つまたはそれ以上のトランスデューサに追加される電気エネルギの総量の差分である、ジェネレータ。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載のジェネレータであって、さらに、
前記ジェネレータに接続された１つまたはそれ以上のセンサを備えるジェネレータ。
【請求項１６】
請求項１ないし請求項１５のいずれかに記載のジェネレータであって、さらに、
論理素子を備えるジェネレータ。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項１６のいずれかに記載のジェネレータであって、
前記ポリマは、少なくとも１０％の最大弾性面ひずみを有する、ジェネレータ。
【請求項１８】
請求項１ないし請求項１７のいずれかに記載のジェネレータであって、さらに、
入力電圧レベルで入力信号を受信し、出力電圧レベルで出力信号を出力するように設計または構成された降圧回路であって、前記出力電圧レベルは前記入力電圧レベルよりも低い、降圧回路を備えるジェネレータ。
【請求項１９】
請求項１ないし請求項１８のいずれかに記載のジェネレータであって、さらに、
変圧器を備えるジェネレータ。
【請求項２０】
請求項１９に記載のジェネレータであって、さらに、
前記変圧器の一次変圧巻線を駆動するための変圧一次駆動回路を備えるジェネレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、一般に、電気エネルギと機械エネルギを変換する電気活性ポリマ（ＥＡＰ）に関する。本発明は、特に、二足歩行中に人の足が接地して生成される力など、生体によって生成される未使用のエネルギ源から電気エネルギを収集するための、ポリマおよびこれらのポリマの用途に関する。
【背景技術】
【０００２】  電気エネルギと機械エネルギの変換は、多くの用途において必要とされている。電気エネルギから機械エネルギへの変換を必要とする代表的な用途としては、ロボット、ポンプ、スピーカ、一般オートメーション、ディスクドライブ、そして人工器官などが挙げられる。これらの用途には、マクロまたはミクロのレベルで電気エネルギを機械的作用に変換するアクチュエータが、１つまたはそれ以上含まれる。また、電磁モータやソレノイドなどの一般的な電気アクチュエータ技術は、例えば小型の機器を必要とする用途など（例えばミクロマシンや中規模マシンなど）、多くの用途に対して適切でない。機械エネルギから電気エネルギへの変換を必要とする代表的な用途としては、機械的特性センサや踵接地ジェネレータなどが挙げられる。これらの用途には、機械エネルギを電気エネルギに変換するトランスデューサが、１つまたはそれ以上含まれる。また、電磁ジェネレータなどの一般的な電気ジェネレータ技術も、例えば小型の機器を必要とする用途など（例えば靴の中など）、多くの用途に対して適切でない。これらの技術は、１つの構造内に多数の機器を組み込まなければならない場合や、低めの周波数で高めの出力密度を得ることを必要とするような様々な性能条件のもとでも、やはり理想的ではない。【０００３】  多くの「スマート材料」が、電気エネルギと機械エネルギの変換に使用されてきたが、こうして得られる成果には限度があった。これらのスマート材料としては、圧電セラミック、形状記憶合金、そして磁わい材料などが挙げられる。しかしながら、これらのスマート材料にはそれぞれ限界があり、広く一般に使用することができない。電磁エネルギを機械エネルギに変換するためには、ジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）などの特定の圧電セラミックが使用されてきた。このような圧電セラミックは、限られた用途では適切な効率を達成しえるものの、ひずみが一般に１．６％未満の場合に限られ、必要なひずみが１．６％を超える用途では多くの場合に適切でなくなる。また、これらの材料は高密度であるため、低重量であることが求められる用途では使用できない場合が多い。照射ポリジフロロビニリデン（ＰＶＤＦ）は、電気エネルギから機械エネルギへの変換に必要なひずみが４％以下であるとされている電気活性ポリマである。圧電セラミックと同様に、ＰＶＤＦも、４％より大きいひずみを必要とする用途では適切でない場合が多い。ニチノールなどの形状記憶合金は、ひずみや力の出力が大きい場合にも対応することができる。しかしながら、これらの形状記憶合金は、エネルギ効率や応答時間に問題があり、高コストであるため、広く一般に使用することができない。【０００４】  圧電セラミックおよび照射ＰＶＤＦは、性能限界を有するだけでなく、その製造でも問題を生じる場合が多い。単結晶の圧電セラミックは、高温で成長させた後に非常にゆっくりと冷却しなければならない。照射ＰＶＤＦの場合は、電子ビームを照射しなければならない。これらの処理は、いずれも高価で複雑であり、これらの材料の受容性に限界が生じる。【０００５】  マイクロチップ製造の進歩にともなって、論理素子は、そのコストおよびサイズが減少するとともに計算能力が向���している。したがって、これらの論理素子を使用した新しい携帯用電子機器が、常に開発され続けている。また、既存の電子機器の機能を高めたり、場合によってはその可搬性を高めたりするため、これらの論理素子を、既存の電子機器に組み込むこともなされている。新しい携帯用電子機器の例として、携帯電話、ポケットベル、携帯情報端末、ＭＰ３プレイヤ、ナビゲーション機器、ロケータ機器などが挙げられる。これらの携帯用電子機器は、懐中電灯、電気ツール、クレジットカードリーダ、ラジオなどの従来の携帯用電子機器とともに、多くの活動において利用される。いずれの機器を作動させるためにも、電気エネルギ源が必要である。これらの機器は、一般に、電力の供給源として使い捨てまたは充電式の電池を利用する。コスト、重量、寿命などの電池の性能パラメータは、これらの機器の設計および動作において重要な要素を占める。【０００６】  上述した携帯用電子機器においては、機器に電力を供給する電池を定期的に充電したり取り替えたりする必要性を、低減するまたは排除することが望ましい。この必要性を満たすためのアプローチの１つには、未使用の生体および環境エネルギ源からエネルギを収集することである。例えば、太陽エネルギを電気エネルギに変換することによって電源を提供しても良い。しかしながら、太陽エネルギの利用には、太陽熱のエネルギ密度が低いためにソーラコレクタの可搬性が制限されるという不都合がある。さらに、太陽熱は、夜間または曇りの日には電力を供給できない。携帯用電子機器に電力を供給するもう１つのアプローチは、生体エネルギ源または環境エネルギ源から生成される未使用の機械エネルギを変換することである。例えば、人が歩くことによって生成される機械エネルギは、そのほとんどが一般に未使用である。以上から、未使用の生体エネルギ源または未使用の環境エネルギ源を効率的に電気エネルギに変換する代替機器が必要とされていることがわかる。
【発明の概要】
【０００７】  本発明は、電気活性ポリマ膜を使用して機械エネルギを電気エネルギに変換する１つまたはそれ以上のトランスデューサを備えたジェネレータを用意することによって、上述した必要性に対処する。ジェネレータは、未使用の生体エネルギ源、未使用の環境エネルギ源、またはこれらを組み合わせたもののうち、いずれかの一部を、ジェネレータの中に設けられた１つまたはそれ以上のトランスデューサに移す、１つまたはそれ以上の伝達機構を備えて良い。トランスデューサによって受け取られたエネルギは、ジェネレータの中に設けられた調整用エレクロトニクスと連動するトランスデューサによって、電気エネルギに変換して良い。本発明による一実施形態では、履物の踵部分に組み込まれ、人の二足歩行中に生成される機械エネルギを電気エネルギに変換する踵接地ジェネレータを用意する。
【０００８】
本発明による一態様では、生体によって生成される機械エネルギを電気エネルギに変換するジェネレータを用意する。ジェネレータは、一般に、１）少なくとも２つの電極と、そのポリマの一部に加えられる変形に応じて電場の変化を生じるように構成されたポリマと、をそれぞれ備えた１つまたはそれ以上のトランスデューサと、２）少なくとも２つの電極に接続され、１つまたはそれ以上のトランスデューサから電気エネルギを除去するように設計または構成され、昇圧、降圧、電荷制御のうちの１つまたはそれ以上の機能を果たすように設計または構成された調整用のエレクトロニクスと、３）生体によって生成される機械エネルギを受け取り、生体によって生成される機械エネルギの一部を、それが一部の変形となって現れるポリマに移すように設計または構成された１つまたはそれ以上の伝達機構と、を含むことを特徴として良い。生体によって生成される機械エネルギは、人、動物、またはその両方からなる群より選択される生体システムから生成して良い。ポリマは、シリコンエラストマ、アクリルエラストマ、ポリウレタン、およびこれらを組み合わせたものからなる群より選択される材料であって良い。積層された多層構造のポリマを構成することによって、アクティブ領域を増やし、運動ごとに得られる電気エネルギを増大させて良い。
一態様において、前記ジェネレータは、
（１）前記生体によって生成される機械エネルギを使用して前記ポリマの厚みを減小させるように前記ポリマを変形することにより、前記ポリマと前記電極の面積を初期状態から拡大する第１の動作と、
（２）前記第１の動作の後に、前記電荷制御回路が、前記電極に電圧を印加する第２の動作と、
（３）前記第２の動作の後に、前記ポリマの変形を解放して前記電極の面積を前記初期状態に戻すことによって、前記電極上に蓄積された電荷密度を前記変形の解放前後の前記電極の面積の比に応じて増大させる第３の動作と、
（４）前記第３の動作の後に、前記電荷制御回路が、前記電極上に蓄積された電荷を電気エネルギとして取り出す第４の動作と、
を実行する。
【０００９】  生体によって生成される機械エネルギは、伝達機構に受け取られる慣性力または直接力の一部を生成して良い。一実施形態では、直接力は、踵の接地、手の収縮、手の衝撃、指の衝撃、胸の膨張、胸の収縮、およびこれらの組み合わせからなる群より選択して良い。慣性力は、生体によって生成される運動から得て良い。このとき、１つまたはそれ以上の伝達機構は、慣性力に応じて移動するように設計または構成された慣性質量を備え、慣性質量の移動によって生成される機械エネルギは、電気エネルギを生成するために使用される。慣性質量は、機器の一部を構成しても良いし、他の目的のために運ばれるまたは移動されるバックパックなどの既存の質量であっても良い。
【００１０】  具体的な実施形態では、ジェネレータは、１つまたはそれ以上のトランスデューサおよび１つまたはそれ以上の伝達機構を取り囲むハウジングを含んでいて良い。実施形態によっては、ハウジングが履物に組み込まれていても良い。ジェネレータは、また、１）携帯用電子機器に電力を供給するために使用される電気エネルギを出力するように設計または構成された電気的インターフェースと、２）１つまたはそれ以上のトランスデューサから除去された電気エネルギを蓄えるための１つまたはそれ以上の電池であって、そのうちの少なくとも１つがポリマの充電を増大させるために使用される電池と、を含んで良い。
【００１１】  具体的な実施形態では、１つまたはそれ以上の伝達機構は、生体によって生成される機械エネルギの一部を移すように設計または構成された、流体、１つもしくはそれ以上の支持部材、またはこれらの組み合わせを含んで良い。伝達機構は、生体によって生成される機械エネルギの一部を移すように設計または構成された、流体またはゲルで満たされた容器を含んで良い。流体またはゲルを満たされた容器は、ベローズまたはブラダであって良い。
【００１２】  さらに別の実施形態では、ジェネレータは、１つまたはそれ以上のトランスデューサに取り付けるように設計または構成された、１つまたはそれ以上の支持構造を含んで良い。支持構造は、ポリマの１つまたは複数の部分を変形させるように設計または構成された、流体またはゲルで満たされた容器を含んで良い。また、ポリマは、少なくとも一方に加えられる変形に応じて電場の変化を生じるように構成された第１の部分および第２の部分を含んで良い。具体的な一実施形態では、１つまたはそれ以上のセンサをジェネレータに接続して良い。
【００１３】  本発明による別の一態様では、機械エネルギを電気エネルギに変換するジェネレータを用意する。ジェネレータは、一般に、１）電気的インターフェースに接続された少なくとも２つの電極と、そのポリマの一部に加えられた変形に応じて電場の変化を生じるように構成されたポリマと、をそれぞれ備えた１つまたはそれ以上のトランスデューサと、２）少なくとも２つの電極に接続され、１つまたはそれ以上のトランスデューサから電気エネルギを除去するように設計または構成された電荷制御回路と、を含むことを特徴として良い。ジェネレータは、サイクル中の特定の時点にポリマに電荷を加える回路を含んでいて良い。また、ジェネレータは、入力信号を入力電圧レベルで受信し、出力信号を出力電圧レベルで出力するように設計または構成され、出力電圧レベルが入力電圧レベルよりも低いような、降圧回路を含んでも良い。降圧回路への入力信号は、電荷制御回路から受信して良い。
【００１４】  具体的な実施形態では、ジェネレータは、降圧回路から出力信号を出力するように設計または構成された電気出力インターフェースを含んで良い。電気的出力インターフェースは、電池または携帯用電子機器に接続して良い。出力信号の出力電圧レベルは、約１．５ボルトから約４８ボルトまその範囲で良い。また、ジェネレータは、降圧回路の中で信号の電圧レベルを下げるように設計または構成された、１つまたはそれ以上の電力変換回路部を含んでも良い。さらには、１つまたはそれ以上の電力変換回路部で受信された信号の電圧レベルを、１つまたはそれ以上のコンデンサによって下げても良い。
【００１５】  別の一実施形態では、ジェネレータは、入力信号を入力電圧レベルで受信し、出力信号を出力電圧レベルで出力するように設計または構成され、入力電圧レベルが出力電圧レベルよりも低いような、昇圧回路を含んでいても良い。出力信号は、電荷制御回路で受信して良い。さらに、入力信号は、電池に接続された電気入力インターフェースで受信して良い。電池の電圧は、約１．５ボルトから約１２ボルトまでの範囲で良い。昇圧回路は、変圧器と、変圧器を制御するための変圧器一次駆動回路と、を含んで良い。
【００１６】
本発明による別の一態様では、人の二足歩行中に生成される機械エネルギを電気エネルギに変換するためのジェネレータを用意する。ジェネレータは、一般に、１）少なくとも２つの電極と、そのポリマの一部に加えられる変形に応じて電場の変化を生じるように構成されたポリマと、をそれぞれ備え、履物の中に搭載された１つまたはそれ以上のトランスデューサと、２）人の二足歩行中に生成される機械エネルギを受け取り、機械エネルギの一部を、それが一部の変形として現れるポリマに移すように設計または構成された１つまたはそれ以上の伝達機構と、３）少なくとも２つの電極に接続され、１つまたはそれ以上のトランスデューサから電気エネルギを除去するように設計または構成された調整用のエレクトロニクスと、を含むことを特徴として良い。さらに、調整用エレクトロニクスは、昇圧、降圧、電荷制御（ポリマ電極に対して電荷の追加または除去を行う）のうちの１つまたはそれ以上の機能を果たすように設計または構成して良い。トランスデューサの中に設けられたポリマは、少なくとも一方に加えられる変形に応じて電場を変化させるように構成された第１の部分および第２の部分を含んでいて良く、ポリマは、シリコンエラストマ、アクリルエラストマ、ポリウレタン、およびこれらの組み合わせたものからなる群より選択される材料である。
【００１７】  具体的な実施形態では、１つまたはそれ以上の伝達機構は、人の二足歩行中に履物の一部が接地するときに機械エネルギを受け取って良い。また、ジェネレータは、１つまたはそれ以上のトランスデューサのうち少なくとも１つと、１つまたはそれ以上の伝達機構のうち少なくとも１つと、調整用のエレクトロニクスと、を取り囲むハウジングを含んでも良い。ハウジングは、防水性であって良い。また、ジェネレータは、１つまたはそれ以上のトランスデューサに取り付けるように設計または構成された１つまたはそれ以上の支持構造を含んでも良い。
【００１８】  具体的な実施形態では、履物は、１つまたはそれ以上のトランスデューサと、１つまたはそれ以上の伝達機構のうち少なくとも１つと、調整用エレクトロニクスと、を取り囲むハウジングを組み込まれた少なくとも１つの踵を含む。踵は、靴から取り外すことが可能なように設計または構成して良い。伝達機構の中には、機械エネルギの一部を移す１つまたはそれ以上の支持部材を搭載して良い。さらには、１つまたはそれ以上の支持構造を少なくとも１つのトランスデューサに取り付けて良い。具体的な一実施形態では、１つまたはそれ以上の支持構造をポリマに取り付けて１つまたはそれ以上のダイヤフラムを形成する。
【００１９】  伝達機構は、人の二足歩行中に踵の一部が接地したときに機械エネルギを受け取って良い。伝達機構は、機械エネルギの一部を移すように設計または構成された、流体またはゲルで満たされた容器を含んでいて良い。具体的な実施形態では、流体またはゲルで満たされた容器はベローズまたはブラダであって良い。流体またはゲルで満たされた容器は、機械エネルギを加えられると収縮し、機械エネルギを除去されると非収縮するように設計または構成して良く、このとき、機械エネルギを加えられるときと機械エネルギを除去されるときとの間のストローク距離は、約１ｍｍから約１０ｍｍの範囲である。
【００２０】  本発明による別の一態様では、環境によって生成される機械エネルギを電気エネルギに変換するためのジェネレータを用意する。ジェネレータは、一般に、１）少なくとも２つの電極と、そのポリマの一部に加えられる変形に応じて電場の変化を生じるように構成されたポリマと、をそれぞれ備えた１つまたはそれ以上のトランスデューサと、２）少なくとも２つの電極に接続され、１つまたはそれ以上のトランスデューサから電気エネルギを除去するように設計または構成された調整用のエレクトロニクスと、３）環境によって生成される機械エネルギを受け取り、環境によって生成される機械エネルギの一部を、それが一部の変形として現れるポリマに移すように設計または構成された１つまたはそれ以上の伝達機構と、を含むことを特徴として良い。環境によって生成される機械エネルギは、風、波、水流からなる群より選択される環境エネルギ源から生成して良い。
【００２１】  本発明の一態様は、電気エネルギと機械エネルギとの変換を行うための機器に関する。機器は、少なくとも１つのトランスデューサを備える。各トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、発電および機械作動のうちの一方をサポートする方法で少なくとも２つの電極と電気通信を行う関係にあるポリマと、を備える。また、機器は、トランスデューサの第１の領域に結合された近心端と、遠心端と、を有した第１の部材を備えても良い。機器は、また、トランスデューサの第２の領域に結合された近心端と、第１の部材の遠心端に結合された遠心端と、を有した第２の部材を備えて良い。平面に沿ったポリマの変形は、第１の部材および第２の部材の近心端を、上記平面に沿って移動させ、第１および第２の部材の遠心端を、ともに、上記平面と同一平面上にない方向に移動させる。
【００２２】  添付の図面に関連して行う以下の説明から、本発明のさらなる特徴および利点が明らかになる。
【発明を実施するための形態】
【００２３】  以下では、添付の図面に示された好ましい幾つかの実施形態を参照にしながら、本発明の詳しい説明を行う。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、多くの詳細が具体的に示されている。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細の一部または全てがなくても実現できることは、当業者にとって明らかである。また、本発明を不必要に不明瞭化しないように、周知のプロセス工程および／または構造の説明は省略してある。
【００２４】１．概要
電気活性ポリマは、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を双方向に行うことができる。本発明の一態様は、生体システムから生成される未使用の機械エネルギを収集すること、そしてそれを電気活性ポリマを利用したジェネレータによって電気エネルギに変換すること、に関する。例えば、人の二足歩行中に踵の接地によって得られる力を、本発明によるジェネレータを使用して電気エネルギに変換して良い。もう１つの実施例としては、人の腕の振りによって得られる慣性力を、手首に装着された本発明によるジェネレータによって電気エネルギに変換して良い。さらに、生体システムは、その環境と相互作用するのが一般的なので、未使用の生体エネルギ源と組み合わせた形または区別した形で、未使用の環境エネルギ源を電気エネルギに変換しても良い。例えば、自動車に乗っている人が、その手首にジェネレータ機器を装着している場合は、ジェネレータ機器は、自動車の振動から得られるエネルギを電気エネルギに変換して良い。ジェネレータ機器が自動車から振動エネルギを受け取りつづけている限りは、ジェネレータ機器が装着されているかいないかにかかわらず、自動車からの振動エネルギから電気への変換は行われる。上述した方法で収集された電気エネルギは、携帯電話、ラジオ、ＭＰ３プレイヤ、携帯情報端末、ロケータビーコンなどのいくつかの電子機器を作動させるために使用して良い。以下では、踵接地ジェネレータや、エネルギ収集を実施するために電気活性ポリマを使用したジェネレータ機器コンポーネントなどのジェネレータ機器の詳細に関して説明する。
【００２５】  本発明の一態様は、複数のアクティブ領域を備えた電気活性ポリマトランスデューサに関する。これら複数のアクティブ領域は、１つのポリマ上に配置して良い。複数のアクティブ領域を１つのポリマ上に配置できると、多数のトランスデューサを構成することが可能になる。複数のアクティブ領域を使用する方法は、様々であって良い。これらの複数のアクティブ領域を使用する能力は、電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う際の電気活性ポリマの柔軟性を高めること、そして、生体によって動力を供給される本発明による機器などの多数の新しい用途でポリマを使用することを、それぞれ独立に可能にする。
【００２６】  理解を容易にするため、一方向のエネルギ変換に着目して本発明を説明することにする。具体的に言うと、本発明では、機械エネルギを電気エネルギに変換すること、すなわちジェネレータ中のトランスデューサが作動している場合を中心に扱う。機械エネルギは、人の二足歩行などの生体エネルギ源から収集して良い。しかしながら、本発明の図面および説明において取り上げられるポリマおよび機器が、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を双方向に行い得ること、そして、トランスデューサがアクチュエータとして作動しても良いことに、注意する必要がある。したがって、ここで説明するあらゆるポリマ材料、ポリマ構成、トランスデューサ、機器は、電気エネルギから機械エネルギへの変換を行うトランスデューサ（アクチュエータ）でもある。同様に、ここで取り上げるあらゆる代表的な電極は、本発明によるジェネレータとともに使用しても良い。ジェネレータは、一般に、そのポリマの一部の変形に応じて電場の変化を生じるように構成されたポリマを備える。電場が変化し、それにともなって電場の方向に沿ってポリマの寸法が変化すると、電圧が変化され、それとともに電気エネルギも変化される。
【００２７】  したがって、本発明によるポリマおよびトランスデューサは、電気エネルギから機械エネルギへの変換を行うアクチュエータとして、または機械エネルギから電気エネルギへの変換を行うジェネレータとして使用して良い。ほぼ一定の厚さを有したトランスデューサに関し、トランスデューサの性能が、または１つのアクティブ領域と連携したトランスデューサの一部の性能が、アクチュエータであるかあるいはジェネレータであるかを区別するメカニズムとしては、１つには、トランスデューサの厚さに直交した純面積が、ポリマの変形に関連してどのように変化するかにある。これらのトランスデューサまたはアクティブ領域において、変形がトランスデューサ／アクティブ領域の純面積を減少させ、電極上に電荷が存在するときは、このトランスデューサ／アクティブ領域は、機械エネルギを電気エネルギに変換するジェネレータとして作用する。反対に、変形がトランスデューサ／アクティブ領域の純面積を増大させ、電極上に電荷が存在するときは、このトランスデューサ／アクティブ領域は、電気エネルギを機械エネルギに変換するアクチュエータとして作用する。いずれの場合も、面積の変化は膜の厚さの逆変化に対応している。すなわち、二次元の面積が膨張すると厚さは収縮し、二次元の面積が収縮すると厚さは膨張する。電気から機械へと変換されるエネルギの量は、面積の変化および厚さの変化の両方によって決定される。面積の変化とそれに対応した厚さの変化とによる作用は相補的であるので、簡単のため、ここでは面積の変化のみを取り上げることにする。また、機械エネルギを生成するアクチュエータとしてポリマを使用するときは、電気活性ポリマの変形を、主としてポリマの面積の純増加として扱って議論するが、純面積は、場合によっては（すなわちローディングに依存する）減少して機械的作用を生じることもあることに、注意が必要である。したがって、本発明による機器は、ポリマをどのように構成して適用するかによって、アクチュエータモードおよびジェネレータモードの両方を含んで良い。
【００２８】２．電気活性ポリマを利用した、生体によって動力を供給されるジェネレータの一般構造
図１は、生体によって生成される機械エネルギ５０１を収集するための、生体によって動力を供給されるジェネレータ機器５００を示したブロック図である。生体によって生成される機械エネルギ５０１は、１つまたはそれ以上の伝達継手機構５０５（図３を参照のこと）を通して何らかの方法でジェネレータ５００に入力される。機械的作用５０１は、電気活性ポリマ（図４Ａ〜５Ｏを参照のこと）を利用し調整用エレクトロニクス５１５（図６Ａ〜６Ｅを参照のこと）と連動する１つまたはそれ以上のトランスデューサによって、電気エネルギに変換される。調整用エレクトロニクス５０５は、収集された電気エネルギ５１６を、電気エネルギ出力に移して良い。
【００２９】  生体によって生成される機械的作用５０１は、一般に、生きている生体システムから生成される未使用の機械エネルギである。例えば、本発明によるジェネレータを履物の踵の中に設け、二足歩行中に踵が接地することによって生成される機械エネルギの一部を電気エネルギに変換して良い（図７Ａ〜７Ｂを参照のこと）。もう１つの実施例としては、本発明によるジェネレータを、猫や犬などの動物の首輪に装着しても良い。犬または猫が歩いて上下動するなどの動物の運動によって生成される慣性力を、その動物の首輪に装着された本発明によるジェネレータによって収集し、電気エネルギ５１６を生成して良い（図８）。具体的な一実施形態では、電気エネルギを、やはり動物の首輪に装着されたロケータ機器に電力を供給するために使用して良い。生体によって生成される機械エネルギ５０１は、一般に、本発明によるジェネレータに何らかの形で結合された任意の動物から収集して良い。
【００３０】  生体システムは、その環境と相互作用する場合が多く、このときは、環境によって生成されるエネルギを、生体によって生成される機械エネルギ５０１に追加して良い。環境によって生成されるエネルギは、生体によって生成される機械エネルギとは別に収集しても良いし、生体によって生成される機械エネルギと一緒に収集しても良い。例として、本発明によるジェネレータ５００によって作動する携帯電話を、人が携帯している場合を考える。ジェネレータ５００は、人が歩くことによって生成される慣性力からエネルギを収集するとともに、その環境において遭遇する他の慣性力からもエネルギを収集するように設計して良い（図２Ａを参照のこと）。例えば、携帯電話のジェネレータ５００を、移動中の人に加わる自動車の振動から得られる慣性力または人が背負っているバックバックの動きから得られる慣性力をもとにしてエネルギを収集するように設計して良い。自動車の振動から得られるエネルギは、ジェネレータ５００が人に携帯されている状態で収集しても良いし、ジェネレータ５００が人とは離れているが人とともに自動車で移動している状態で収集しても良い。別の例として、人がボートで移動しているときに波から得られる慣性力をもとにしてエネルギを収集するように、ジェネレータ５００を設計して良い。人がボートの上で歩き回っている場合は、波による慣性力と人の歩行による慣性力との組み合わせが、ジェネレータによって収集される。さらに別の例として、ジェネレータ５００を携帯している人に当たる風からエネルギを収集するように、ジェネレータ５００を設計して良い。
【００３１】  １つのジェネレータ５００は、複数の生体エネルギ源および環境エネルギ源を収集するように設計された、複数の伝達機構５０５および複数のトランスデューサ５１０を含んでいて良い。例えば、人が携帯する携帯用ジェネレータ５００は、それぞれが特定の伝達機構に結合された２つのトランスデューサを含んでいて良く、各トランスデューサは、歩行中に生成される慣性力や自動車による移動中に生成される慣性力など、人がジェネレータを携帯している際に遭遇しえる特定範囲内の慣性力を収集するように設計される。
【００３２】  本発明による一実施形態では、トランスデューサ５１０またはジェネレータ内の他のコンポーネントの機能特性を、ジェネレータの中に設けられたセンサによって検知される様々なパラメータにしたがって調整して良い。例えば、踵接地ジェネレータを装着された履物を履いている人が歩く速度にしたがって、ジェネレータに対するエネルギの入力頻度を変化させて良い。踵接地ジェネレータ５００は、人が移動する頻度を検知し、所定の入力頻度でもってより効率的にエネルギ収集できるように、動作サイクルなど１つまたはそれ以上のトランスデューサ５１０の機能特性を調整して良い。本発明によるトランスデューサの動作サイクルに関しては、図２Ｂを参照にしながら説明する。これらの動作を実施するため、ジェネレータ５００は、ジェネレータ５００の動作を制御するように設計または構成されたマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサなどの論理素子を含んでいて良い。
【００３３】  図２Ａは、二足歩行中の人４００によって生成される複数の直接力および慣性力を示したブロック図である。猫や犬などの他の動物に関しても、類似の力を示した図を作成できる。さらに、図示されてはいないが、本発明によるジェネレータは、風や水などの環境エネルギ源から得られる他の力を使用しても良い。これらの直接力および慣性力を、本発明による生体作動式のジェネレータによって収集し、電気エネルギを生成して良い。これらの力の大きさは、人または他の任意の適切な基準系の重心４０５にしたがって測定して良い。本発明によるジェネレータによって収集される直接力の例として、人の足または履物が地面４２２に接したときに生成される力４１６および４１８や、人の胸が膨張または収縮したときに生成される力４０４が挙げられる。直接力の他の例としては、手の収縮、手の衝撃、指の衝撃などが挙げられる。指の衝撃は、例えば、人がキーボード上の１つまたはそれ以上のキーを打つ結果として得られる。その他の直接力は、相対運動している身体の複数部分に継手機構を固定することによって生成して良い。例えば、上腕と前腕との間に取り付けられたウェッビング４０８、太腿と脹脛との間に取り付けられたウェッビング４１２、または脛と足との間に取り付けられたウェッビング４２０を、伸張させたり収縮させたりすることによって直接力を生成し、生体作動式のジェネレータに入力して良い。そして、上述した任意の力の一部を、何らかの伝達機構によって（図３を参照のこと）ジェネレータ内のトランスデューサに移して良い。
【００３４】  腕の振り４０６、頭の上下動４０２、足の振り４１４、足の上下動４１０などは、本発明によるジェネレータによって収集できる慣性力のほんの数例である。慣性力を使用して、ジェネレータの中に設けられた慣性質量を運動させて良い（図３を参照のこと）。そして、本発明による１つまたはそれ以上のトランスデューサによって、ジェネレータ内の慣性質量の運動を電気エネルギに変換して良い。
【００３５】  また、本発明によるジェネレータによって収集された電気エネルギを生成するために、人４００によって携帯されている物体の動きを使用しても良い。例として、人４００が、歩行とともに上下動するバックパックを背負っている場合を考える。この場合は、バックバックの上下動の一部を電気エネルギに変換するように、ジェネレータを設計して良い。また、環境エネルギ源からエネルギを収集しても良い。例として、人４００が、風によって動くウィンド機器を携帯している場合を考える。この場合は、ウィンド機器の動きから生成されるエネルギの一部を電気エネルギに変換するように、本発明によるジェネレータを設計して良い。
【００３６】  上述した動きは、低サイクル頻度の大きな動きである場合が多い。本発明によるポリマトランスデューサ機器の利点は、１つには、人の動きによくある低サイクル頻度の大きな動きによって生成されるエネルギを効率的に収集できるように、トランスデューサを調整できることにある。さらに、人の動きは、かなり広い範囲で頻度を変動させる可能性がある。したがって、広い頻度範囲に渡って人の動きから効率的にエネルギを収集できるように、ポリマトランスデューサを設計して良い。圧電セラミックなど、機械エネルギの変換に使用されてきた他の材料は、高頻度の短い動きに対しては優れた作用を示すが、広範囲のエネルギ入力頻度に渡って効率的に作用するように調整することは容易でない。
【００３７】  図２Ｂは、電気活性ポリマ機器を利用したジェネレータからエネルギを収集するサイクルを、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。本発明では、何らかの電気活性ポリマ膜を含んだジェネレータを使用して電気を生成するために、例えば生体エネルギ源、環境エネルギ源、またはこれらを組み合わせたエネルギ源を収集する。一般に、エネルギ源は、ＥＡＰポリマ膜を何らかの形で変形させるまたは伸張させるために使用される（図４Ａ〜５Ｑを参照のこと）。長い期間に渡って電気エネルギを生成するためには、ポリマ膜の伸張および弛緩を多数回のサイクルに渡って繰り返せば良い。例えば人が歩くことによって収集されるエネルギなど、本発明によるジェネレータによって収集されるほとんどの生体エネルギ源は時間とともに変化するので、サイクルも一般に時間とともに変化する。
【００３８】  図２Ｂには、ポリマ膜が伸張して弛緩し、機械エネルギを電気エネルギに変換する１回のサイクルを示した。このサイクルは、例示のみを目的としたものである。本発明によるジェネレータでは、様々なタイプのサイクルを利用して良く、図２Ｂに示したサイクルに限定されない。１では、０の電場圧力をポリマに加え、ＥＡＰポリマ膜を伸張させる。この伸張は、機械的力を膜に加えることによって生じて良い。この機械的力は、外部エネルギ源から生成されてジェネレータに入力される。外部エネルギ源は、例えば人の足の踵を接地させることによって供給して良い。２では、ポリマ膜に加えられる電場圧力を何らかの最大値まで増大させる。この機能を実施するのに必要な調整用エレクトロニクスに関しては、図６Ａ〜６Ｅを参照にして説明する。この例では、電場圧力の最大値はポリマの破壊強度より僅かに小さく、ポリマの破壊強度を変化させ得るポリマの環境および寿命を変化させることが可能である。３では、電場圧力を最大値の付近に維持しつつポリマを弛緩させる。弛緩のプロセスは、接地した足を持ち上げる動作に対応して良い。ポリマが弛緩すると、それにともなってポリマ膜上の電荷の圧力が増大する。電圧の増大によって示される、ポリマ膜上の電荷の電気エネルギの増加は、電気エネルギを生成するために収集される。４では、電場圧力を０まで減少させるとともにポリマ膜が完全に弛緩する。そして、サイクルが繰り返される。サイクルは、例えば、歩いている人が次の足を踏み出したときに再度スタートして良い。
【００３９】  図２Ｂを参照にして説明したサイクルのＥＡＰ膜を使用したトランスデューサは、サイクルの特定時点においてＥＡＰ膜に電気エネルギを加えられ、やはりサイクルの他の特定時点においてＥＡＰ膜から電気エネルギを除去されて良い。一般に、ＥＡＰ膜トランスデューサを利用した本発明によるジェネレータは、何らかのタイプのサイクル中にＥＡＰ膜に加えられる電気エネルギの総量が、同サイクル中にＥＡＰ膜から除去される電気エネルギの総量よりも小さいように、設計される。また、調整用エレクトロニクスなどのジェネレータコンポーネントは、電気損を最小限に抑え、ジェネレータから出力される電気エネルギの純量を正にするように、設計される。
【００４０】  図３Ａ〜３Ｃは、本発明で使用される伝達継手機構の実施形態を側面から示した図である。本発明によるジェネレータは、電気活性ポリマ膜を利用したトランスデューサに、外部エネルギ源の一部を移す、１つまたはそれ以上の伝達機構を含んで良い。上述したように、外部エネルギ源は、生体エネルギ源と環境エネルギ源との組み合わせてあって良い。図３Ａは、慣性力の一部を２枚の電気活性ポリマ膜に移す伝達機構４７０の一例を示している。例えば、伝達機構４７０が人の手首に装着されているとき、慣性質量４７３は、人の腕４７５の振り動作にともなって線４７５に沿って前後に直線運動する。ハウジング４７４に取り付けられた電気活性ポリマ４７１，４７２は、慣性質量４７３の前後運動にともなって伸張したり弛緩したりする。そして、図２Ｂを参照にして説明したように、電気活性ポリマ膜の伸張および弛緩をもとにして電気エネルギが収集される。
【００４１】  慣性力の結合は、直線運動に限定されない。例えば、球状のハウジングの中心に、電気活性ポリマ膜からなる複数のひもで慣性質量を吊るしても良い。三次元の慣性力ベクトルに応じて、慣性質量は、電気活性ポリマ膜からなるあちこちのひもを伸張させたり弛緩させたりしながら、球状ハウジングの中心付近を移動して良い。そして、あちこちのひもが伸縮したり弛緩したりするのにともなって、各ひもから電気エネルギを収集すれば良い。
【００４２】  図３Ｂは、直接力４８５の一部を２枚の電気活性ポリマ膜４８１，４８２に移す伝達機構４８０の一例を示している。直接力４８５の一部は、支持部材４８３によってハウジング４８４に取り付けられた電気活性ポリマ膜に移される。直接力４８５は増大したり減少したりして良く、それによって、電気活性ポリマ膜４８１，４８２が伸張したり弛緩したりする。この実施形態では、ポリマ膜４８１および４８２の動きが、直接力を加えられる支持部材４８３の動きに１：１で対応している。つまり、直接力４８５を加えられる支持部材４８３の地点が１ミリ変位することに、ポリマ４８１，４８２も１ミリ変位する。直接力の使用は、電磁石や圧電セラミックなどの代替技術を使用した他の多くの機器とは対照的である。これらの技術では、ジェネレータの性能を高めるために複雑な伝達機構を必要とする。図２Ｂを参照にして説明したように、電気活性ポリマ膜の伸張および弛緩は、電気エネルギを収集するために使用して良い。
【００４３】  直接力４８５は、複数の外部エネルギ源をもとにして得て良い。例として、足の接地によって得られる直接力４８５を伝達機構４８０に入力し、支持部材４８３をハウジング４８４の底部に向けて押して良い。別の例として、図３Ｂで示したのと反対方向に直接力４８５を加えると電気活性ポリマ膜４８１，４８２が伸張するように、これらの電気活性ポリマ膜を固定して良い。例えば、人の腕振りにともなって、支持部材４８３に取り付けられた弾性のストラップと人の腕とによって支持部材４８３を引っ張り、これによって、ポリマ膜４８１，４８２を伸張させたり弛緩させたりして良い。
【００４４】  本発明は、直接力から直線運動を生じる場合に限定されない。多次元の直接力を、電気活性ポリマ膜の多次元変形または直線変形に変換して良い。さらに、本発明は、伝達機構４８０内での支持部材４８３と電気活性ポリマ膜構成との機械的連結に限定されない。様々な方向性および様々な取り付けスキームを使用した複数のトランスデューサを有した電気活性ポリマ膜構成に、様々な機械的連結を使用した伝達機構を接続して良い。
【００４５】  図３Ｃは、ハウジング４９４の中に設けられた伝達機構４８０を示した側面図である。伝達機構４８０は、機械−流体継手機構を使用し、直接力４９５の一部をモノリシックポリマ膜４９２（図４Ｃおよび４Ｄを参照のこと）に移して良い。直接力４９５を受けた支持部材４９３は、力４９５の方向に移動して流体４９１に力を及ぼす。流体４９１は、水などの実質的に非圧縮性の流体であって良いが、これに限定されず、例えばソフトゲルであっても良い。力は、モノリシック電気活性ポリマ膜に移され、膜４９２の複数の部分を変形させる。力４９５が減少するまたは除去されると、膜４９２の複数の部分は弛緩する。力４９５を繰り返し加えることによって、膜４９２の複数の部分が周期的に伸張および弛緩され、膜４９２を繰り返す変形させることによって得られる周期的な機械エネルギの一部が電気エネルギに変換される。機械−流体継手機構は、直接力、慣性力、またはこれらの組み合わせを本発明による電気活性ポリマトランスデューサに移す目的で適用して良い。図８では、本発明によるＥＡＰトランスデューサに慣性力を移すために機械−流体継手機構を利用したジェネレータ機器に関して説明している。
【００４６】  伝達機構は、図３Ａ〜３Ｃを参照にして説明した例に限定されない。本発明では、電気エネルギの収集を目的として、直接力の一部または慣性力の一部をＥＡＰトランスデューサに移す、任意の機器を使用して良い。このような伝達機構は、剛性材料、弾性材料、または剛性材料と弾性材料との組み合わせなどの様々な材料を利用した、単純なおよび複雑な機械的連結を含んで良い。また、様々な機械的連結とともに様々な複数の流体連結を使用しても良い。例えば、機械エネルギを移す目的で、流体で満たされたブラダを様々な機械的連結と組み合わせて使用して良い。
【００４７】３．電気活性ポリマの一般構造
本発明による機器で行われる電気エネルギと機械エネルギとの変換は、電気活性ポリマ（ＥＡＰ）の１つまたはそれ以上のアクティブ領域のエネルギ変換に基づく。電気活性ポリマは、電気エネルギによって作動されると変形を生じる。電気エネルギを機械エネルギに変換する際の電気活性ポリマの性能を示すため、本発明の一実施形態にしたがって、トランスデューサ部分１００の上面図を図４Ａに示した。トランスデューサ１００は、電気エネルギと機械エネルギとの間で変換を行うポリマ１０２を備える。一実施形態において、電気活性ポリマは、２つの電極間の絶縁誘電体として作用し且つ２つの電極間に電圧差を加えると変形するようなポリマを指す。電気活性ポリマ１０２の上面および下面には、トップ電極１０４およびボトム電極１０６がそれぞれ取り付けられており、ポリマ１０２の一部に電圧差を提供する。ポリマ１０２は、トップ電極１０４およびボトム電極１０６によって提供される電場の変化によって変形する。電極１０４，１０６による電場の変化に応じてトランスデューサ１００が変形することを、作動と称する。ポリマ１０２のサイズ変化にともない、この変形を、機械的作用の生成に使用して良い。
【００４８】  図４Ｂは、電場の変化に応じて変形するトランスデューサ１００の上面図である。一般に、変形とは、あらゆる変位、膨張、収縮、捩れ、線もしくは面ひずみ、またはポリマ１０２の一部で生じる他のあらゆる変形を指す。電極１０４，１０６に加えられた電圧差または電極１０４，１０６によって生じた電圧差に対応する電場の変化によって、ポリマ１０２の中に機械的圧力が生じる。この場合は、電極１０４，１０６よって生成される相対する電荷が引き合い、電極１０４，１０６間では圧縮力を、そしてポリマ１０２上では二次元方向１０８，１１０への膨張力をそれぞれ生じるので、ポリマ１０２は、電極１０４，１０６間では圧縮され、二次元方向１０８，１１０では伸張される。
【００４９】  電極１０４，１０６は、ポリマ１０２の全面積ではなく一部のみを覆っている場合もある。これは、ポリマ１０２の周囲で電気的破壊が生じるのを防ぐこと、またはポリマの１つまたはそれ以上の部分のみを選択して変形させることを目的とする。ここでは、アクティブ領域を、ポリマ材料１０２と少なくとも２つの電極とを備えたトランスデューサの一部として規定する。電気エネルギから機械エネルギへの変換に使用されるとき、アクティブ領域はポリマ１０２の一部を含み、この一部は自身を変形させるのに十分な静電力を有する。機械エネルギから電気エネルギへの変換に使用されるとき、アクティブ領域はポリマの一部を含み、この一部は静電エネルギを変化させるのに十分な変形を有する。以下で説明するように、本発明によるポリマは、複数のアクティブ領域を有して良い。アクティブ領域の外に位置するポリマ１０２材料は、場合によっては、変形時にアクティブ領域に対して働くスプリング外力として作用して良い。具体的に言うと、アクティブ領域の外のポリマ材料は、その収縮または膨張によってアクティブ領域の変形に抵抗して良い。電圧差が排除され電荷が誘導されると、逆の作用が生じる。
【００５０】  電極１０４，１０６は適合性があり、ポリマ１０２とともに形状を変化させる。ポリマ１０２および電極１０４，１０６は、変形に対するポリマ１０２の反応を増大させるように構成される。具体的に言うと、トランスデューサ１００の変形によってポリマ１０２が圧縮されると、電極１０４，１０６の相対する電荷が近づき、トランスデューサ１００の変形によってポリマ１０２が伸張されると、各電極の同一の電荷が引き離される。一実施形態では、電極１０４，１０６の一方が接地されている。
【００５１】  一般に、トランスデューサ１００は、変形をもたらす静電力が機械的力によって相殺されるまで変形を続ける。機械的力としては、ポリマ１０２材料の弾性復元力や、電極１０４，１０６の適合性や、トランスデューサ部分１００に結合された機器および／または負荷によって提供される外部抵抗などが挙げられる。また、電圧を印加することによって生じるトランスデューサ部分１００の変形は、ポリマ１０２の誘電率やポリマ１０２の大きさなど他の複数の要因に依存して良い。
【００５２】  本発明にしたがった電気活性ポリマは、あらゆる方向に変形することができる。電極１０４，１０６間に電圧を印加すると、ポリマ１０２は、二次元方向１０８，１１０の両方向に膨張する（伸張する）。ポリマ１０２は、非圧縮性である場合があり、例えば、応力下での体積が実質的に一定である場合がある。ポリマ１０２が非圧縮性である場合は、二次元方向１０８，１１０への膨張の結果として厚さが減少する。ただし、本発明は非圧縮性のポリマに限定されないし、ポリマ１０２の変形はこのような単純な関係にしたがうものでもない。
【００５３】  図４Ａのトランスデューサ部分１００の電極１０４，１０６に大きめの電圧差を加えると、トランスデューサ部分１００は、図４Ｂに示すように面積の大きい薄い状態に変化する。トランスデューサ部分１００は、このようにして電気エネルギを機械エネルギに変換する。トランスデューサ部分１００は、機械エネルギを電気エネルギに変換するのに使用しても良い。
【００５４】  図４Ａおよび図４Ｂは、トランスデューサ部分１００によって機械エネルギを電気エネルギに変換する方法の１つを示すために使用しても良い。例えば、トランスデューサ部分１００が外力によって機械的に伸張され、図４Ｂに示すような大面積の薄い形状に変化したとき、電極１０４，１０６間に小さめの電圧差（膜を作動させて図４Ｂの構成にするために必要な大きさよりも小さい）を加えると、トランスデューサ部分１００は、外力を取り除かれたときに、電極間の領域で収縮して図４Ａのような形状になる。トランスデューサの伸張とは、一般に、トランスデューサをもとの静止位置から変形させ、例えば方向１０８，１１０によって規定される電極間平面の純面積が大きいような形状に変化させることを指す。静止位置とは、外からの電気的または機械的な入力が何もない状態でのトランスデューサ１００の位置を指し、ポリマ内の任意のプリストレインを含んでいて良い。トランスデューサ部分１００が伸張されたら、加える電圧差を小さめにし、静電力の大きさが伸長による弾性復元力を相殺するのに不十分になるようにする。したがって、トランスデューサ部分１００は収縮し、方向１０８，１１０（電極間の厚さに直交する）によって定義された二次元面積が減少する分厚い形状へと変化する。ポリマ１０２が厚くなると、電極１０４，１０６およびそれらに対応する相対する電荷どうしが引き離されるので、電荷の電気エネルギおよび電圧は増大する。さらに、電極１０４，１０６が収縮して小面積になると、各電極において同一の電荷どうしが圧縮されるので、電荷の電気エネルギおよび電圧はやはり増大する。したがって、電極１０４，１０６が、それぞれ相対する電荷を有した状態で、図４Ｂに示す形状から図４Ａに示す形状に収縮すると、電荷の電気エネルギは増大する。すなわち、機械的変形が電気エネルギに変換されるので、トランスデューサ部分１００はジェネレータとして機能する。
【００５５】  トランスデューサ１００は、可変コンデンサとして電気的に記述される場合もある。静電容量は、図４Ｂから図４Ａへの形状変化にともなって減少する。一般に、電極１０４，１０６間の電圧差は収縮によって増大する。これは、収縮プロセスの最中に、電極１０４，１０６に対して電荷の追加または除去が行われなかった場合の話しである。電気エネルギＵの増加は、式：Ｕ＝０．５Ｑ2／Ｃによって表して良い。ここで、Ｑは陽極上の正電荷の量であり、Ｃはポリマ１０２に固有な誘電特性とその形状寸法とに関連した可変容量である。電気エネルギＵは、Ｑを固定した状態でＣを減少させると増大する。電気エネルギおよび電圧の増加は、電極１０４，１０６と電気通信を行う適切な機器または電子回路において回復させて使用することができる。また、ポリマを変形させて機械エネルギを提供する機械的入力に、トランスデューサ部分１００を機械的に結合しても良い。
【００５６】  トランスデューサ１００は、収縮時には、機械エネルギから電気エネルギへの変換を行う。トランスデューサ部分１００が、方向１０８，１１０によって規定された平面で完全に収縮したときは、電荷およびエネルギの一部または全部を除去することができる。あるいは、収縮の最中に、電荷およびエネルギの一部または全部を除去することができる。収縮中にポリマの電場圧力が増大し、機械的な弾性復元力および外的負荷と相殺し合うレベルに達すると、収縮は途中で停止するので、弾性機械エネルギから電気エネルギへの変換も停止する。電荷および蓄えられた電気エネルギの一部を除去すれば、電場電圧が減少するので、収縮を続けさせることが可能である。したがって、電荷の一部を除去することによって、機械エネルギから電気エネルギへの変換をさらに行って良い。ジェネレータとして動作するトランスデューサ部分１００の電気的作用は、厳密には、ポリマ１０２および電極１０４，１０６に固有な特性はもちろん、あらゆる電気的負荷および機械的負荷にも依存する。
【００５７】  一実施形態では、電気活性ポリマ１０２はプリストレインされている。ポリマのプリストレインは、プリストレイン前後の寸法が１つまたはそれ以上の方向で変化することとして理解して良い。プリストレインは、ポリマ１０２を弾性変形させることを備えて良く、例えば、１つまたはそれ以上のエッジを固定した状態でポリマを伸張させることによって形成して良い。ポリマの多くは、プリストレインによって電気エネルギと機械エネルギとの変換を改善される。機械的な応答が改善されると、例えば変形および作動圧力の増大など、より大きな機械的作用を電気活性パリマにもたらすことが可能になる。一実施形態では、プリストレインによってポリマの絶縁耐力を改善する。別の一実施形態では、プリストレインは弾性的である。弾性的にプリストレインされたポリマは、原則的に、作動後に緩められてもとの状態に戻ることができる。プリストレインは、剛性フレームを使用してポリマの境界に課しても良いし、ポリマの一部に局所的に課しても良い。
【００５８】  一実施形態では、ポリマ１０２の一部に均一にプリストレインを加え、等方性のプリストレインドポリマを形成する。例えば、アクリルのエラストマポリマを、二次元の両方向に２００〜４００％だけ伸張させて良い。別の一実施形態では、ポリマ１０２の一部に対して複数の異なる方向に不均一にプリストレインを加え、異方性のプリストレインドポリマを形成する。この場合のポリマ１０２は、作動時に、ある一方向にだけ別の一方向よりも大きく変形し得る。理論に縛られることは本望ではないが、ポリマを一方向にプリストレインすると、その方向におけるポリマの剛性が増すと考えられる。すると、ポリマは、より大きくプリストレインされた方向には剛性が大きく、より小さくプリストレインされた方向には適合性が大きくなるので、作動時における変形の大半が、より小さくプリストレインされた方向に生じる。一実施形態では、垂直方向１１０に大きなプリストレインを加えることによって、方向１０８へのトランスデューサ部分１００の変形を促進することができる。例えば、トランスデューサ部分１００として使用されるアクリルのエラストマポリマを、方向１０８には１００％伸張させ、そして垂直方向１１０には５００％伸張させて良い。ポリマに加えられるプリストレインの量は、ポリマの材料と、用途において所望されるそのポリマの性能とに基づいて良い。本発明で使用するのに適したプリストレインに関しては、共同所有された同時係属の米国特許出願第０９／６１９，８４８号にさらに記載されており、本文献を引用によって本明細書に組み込むものとする。
【００５９】  また、異方性のプリストレインは、機械エネルギを電気エネルギに変換するジェネレータモードでのトランスデューサの性能をも向上させ得る。大きなプリストレインを加えると、ポリマの絶縁破壊強度を増大させ、より多量の電荷をポリマ上に配置できるだけでなく、小さくプリストレインされる方向への機械−電気結合をも向上させ得る。つまり、小さくプリストレインされた方向への機械的入力のうち、よりたくさんの入力を電気的出力に変換し、ジェネレータの効率を向上させることができる。
【００６０】  ポリマに対して加えられるプリストレインの量は、電気活性ポリマと、アクチュエータまたは用途において所望されるそのポリマの性能とに基づいて良い。本発明によるポリマのいくつかでは、１つまたはそれ以上の方向へのプリストレインは−１００％〜６００％の範囲であって良い。例えば、異方性のプリストレインを有したＶＨＢアクリルエラストマに関しては、各方向に少なくとも約１００％、好ましくは約２００〜４００％のプリストレインを使用して良い。一実施形態では、もとの面積の約１．５倍〜５０倍にする係数によって、ポリマをプリストレインする。適合性の方向への作動を促進する目的でプリストレインされた異方性のアクリルに対しては、剛性強化された方向へは約４００〜５００％のプリストレインを、そして適合性の方向へは約２０〜２００％のプリストレインを、それぞれ使用して良い。場合によっては、ある一方向へのプリストレインによって別の一方向に負のプリストレインが生じるように、プリストレインを加えても良い。例えば、ある一方向に６００％のプリストレインを加え、直交する方向に−１００％のプリストレインを生じても良い。このとき、プリストレインによる純面積の変化は一般に正である。
【００６１】  プリストレインは、ポリマ１０２の他の性質にも影響を及ぼし得る。ポリマを大きくプリストレインさせると、ポリマの弾性が変化し、粘弾性のロスが小さく剛性が大きい体制になる可能性がある。また、いくつかのポリマでは、プリストレインによって電気破壊強度が増大するので、ポリマ内で使用される電場が増大し、作動圧力および変形を増大させることが可能になる。
【００６２】  線ひずみや面ひずみを使用して、プリストレインドポリマの変形を表しても良い。ここで、プリストレインドポリマの線ひずみとは、非作動状態と比べた場合の１単位長さ（変形の線に沿った）あたりの変形を指す。本発明によるプリストレインドポリマでは、線ひずみ（引張りまたは圧縮）の最大値は、一般に少なくとも約５０％である。一実施形態では、面ひずみの最大値は少なくとも約５％である。ポリマの変形は、もちろん上記の最大値より小さくても良く、印加電圧を調整することによって調整して良い。いくつかのプリストレインドポリマでは、線ひずみの最大値は一般に少なくとも約１００％である。米国ミネソタ州セントポール所在の３Ｍコーポレーションによって製造されたＶＨＢ４９１０のようなポリマでは、線ひずみの最大値は一般に４０〜２１５％の範囲である。電気活性ポリマの面ひずみとは、非動作状態から作動状態に移行する際に、ポリマが平面の単位面積あたりで変化した量を指す。この平面は、例えば、図１Ａおよび図１Ｂにおいて方向１０８，１１０によって規定された平面である。本発明によるプリストレインドポリマでは、面ひずみの最大値として少なくとも約１００％が可能である。いくつかのプリストレインドポリマでは、面ひずみの最大値は一般に７０〜３３０％の範囲である。一実施形態では、弾性面ひずみの最大値は少なくとも約１０％である。
【００６３】  プリストレインされたポリマは、一般に、１つまたはそれ以上の物体に固定して良い。各物体は、ポリマのプリストレインを所望レベルに維持できるように、適切な剛性を有していて良い。ポリマは、化学的接着、接着層または材料、機械的な取り付けなどの、当該分野において既知の任意の方法にしたがって、１つまたはそれ以上の物体に固定して良い。
【００６４】  本発明によるトランスデューサおよびプリストレインドポリマは、どんな特定の形状寸法または線変形にも限定されない。例えば、ポリマおよび電極を、チューブ状やロール状、複数の剛性構造間に取り付けられた伸張されたポリマ、任意の形状寸法（カーブ状または複雑なものを含む）を有したフレームまたは１つもしくはそれ以上のジョイントを有したフレームに取り付けられた伸張されたポリマなどを含む、任意の形状寸法または形状になるように形成して良い。本発明にしたがったトランスデューサの変形は、１つまたはそれ以上の方向への線膨張および圧縮、曲げ、ポリマを巻く際の軸方向変形、ならびに基板に設けられた穴に向けた変形などを含む。トランスデューサの変形は、ポリマに取り付けられたフレームまたは剛性構造が、ポリマをどのように制約するかによって影響される可能性がある。一実施形態では、ポリマより伸び率の小さい可撓性材料をトランスデューサの一側面に取り付けることによって、ポリマの作動時に曲げを導入する。別の一実施形態では、平面からそれて変形するトランスデューサをダイヤフラムと称する。
【００６５】  プリストレインされたポリマは、一般に、１つまたはそれ以上の物体に固定して良い。各物体は、ポリマのプリストレインを所望レベルに維持できるように、適切な剛性を有していることが好ましい。ポリマは、化学的接着、接着層または材料、機械的な取り付けなどの、当該分野において既知の任意の方法にしたがって、１つまたはそれ以上の物体に固定して良い。本発明によるトランスデューサおよびプリストレインドポリマは、どんな特定の形状寸法またはどんな特定の線変形にも限定されない。例えば、ポリマおよび電極を、チューブ状やロール状、複数の剛性構造間に取り付けられた伸張されたポリマ、任意の形状寸法（カーブ状または複雑な形状寸法を含む）を有したフレームまたは１つもしくはそれ以上のジョイントを有したフレームに取り付けられた伸張されたポリマなどを含む、任意の形状寸法または形状になるように形成して良い。本発明にしたがったトランスデューサの変形は、１つまたはそれ以上の方向への線膨張および圧縮、曲げ、ポリマを巻く際の軸方向変形、ならびに基板に設けられた穴に向けた変形などを含む。トランスデューサの変形は、ポリマに取り付けられたフレームまたは剛性構造が、ポリマをどのように制約するかによって影響される可能性がある。一実施形態では、ポリマより伸び率の小さい可撓性材料をトランスデューサの一側面に取り付けることによって、ポリマの作動時に曲げを導入する。
【００６６】  本発明によるトランスデューサで使用するのに適したポリマは、一般に、静電力に応じて変形する、またはその変形の結果として電場が変化する、実質的に絶縁であるポリマまたはゴム（またはこれらの組み合わせ）を含む。ポリマの変形は、幅広い範囲のひずみに対して可逆的であることが好ましい。エラストマポリマの多くは、これを目的として良い。適切なポリマを設計または選択する際には、最適な材料と、最適な物理的および化学的な特性とを考慮する必要がある。このような特性は、モノマ（あらゆる側鎖を含む）、添加物、橋かけ度、結晶度、分子量などを適切に選択することによって調整することができる。
【００６７】  本発明によるトランスデューサポリマは、様々な物理的状態および化学的状態を想定していて良い。例えば、可塑剤などの添加物を加えても加えなくても良い。また、モノリシックポリマシートであったり、あるいはラミネートやパッチワークなどのポリマの組み合わせであったりしても良い。さらに、単相または複相の中にポリマが存在していても良い。複相材料の一例として、無機充填微粒子を混入されたポリママトリックスが挙げられる。
【００６８】
トランスデューサポリマは、最終的な化学的および物理的状態が如何にかかわらず、ポリママトリックスを含む。マトリックスは、ホモポリマまたはコポリマ、橋かけされているまたは橋かけされていない、線状または枝分れなどである。さらに、本発明によるトランスデューサとともに使用するのに適した代表的なポリマとして、シリコンエラストマ、アクリルエラストマ、ポリウレタン、熱可塑性エラストマ、圧感接着剤、フルオロエラストマ、シリコン成分およびアクリル成分を備えるポリマなどが挙げられる。これらの材料をいくつか組み合わせ、本発明によるトランスデューサに含まれるポリママトリックスとして使用して良いことは、明らかである。コポリマおよびブレンドも、適切なポリマの分類に含まれる。一例として、シリコンエラストマとアクリルエラストマとのブレンドが挙げられる。
【００６９】  ポリマの特性は、明らかに、ポリマの生成に使用されるモノマによって大方を決定される。各タイプ（例えばアクリル、スチレン、シリコン、ウレタンなど）のポリマは、それぞれが周知のタイプのモノマを有する。いくつかの実施形態では、単独重合することによってポリマを形成することができる不飽和のモノエチレン系モノマ（またはモノマの組み合わせ）をもとにして、本発明で使用するのに適したポリマを形成して良い。好ましい不飽和モノエチレン系モノマとしては、イソオクチルアクリラート、アクリロニトリル、２−エチルヘキシルアクリラート、デシルアクリラート、ドデシルアクリラート、ヘキシルアクリラート、イソノニルアクリラート、イソオクチルメタクリラート、２−エチルヘキシルメタクリラートなどが挙げられる。また、これらのいずれのモノマも、フッ素などの１つまたはそれ以上のハロゲンによってハロゲン化して良い。
【００７０】  ポリマの製造に利用して良い触媒の種類は、最終的に望ましいポリマの状態に依存する。例として、ポリマ構造に依存して選択される早期遷移金属のシングルサイト触媒や、ポリマ構造に依存しない後期遷移金属の触媒が挙げられる。
【００７１】  コポリマも考慮すると、可能なポリマの範囲が大幅に広がる。本発明によるいくつかの実施形態に適した、広く一般に使用されているコポリマの１つは、熱可塑性エラストマのスチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ）ブロックコポリマである。別の適切なコポリマとしては、シリコンエラストマ成分およびアクリルエラストマ成分の両方を含んだものが挙げられる。さらに別の例としては、アクリル成分、シリコン成分、スチレン／ブタジエン成分を含んだものが挙げられる。好ましい特定のコポリマブロックの１つは、アクリル酸とイソオクチルアクリラートとを含有する。別の特定のコポリマは、アクリロニトリルと、アクリル酸と、イソオクチルアクリラートとを備える。さらに別の特定のコポリマは、別のシリコン鎖に橋かけ結合された鎖の中に、これら３種類のアクリル成分を備える。他の可能性も数多く存在する。
【００７２】  コポリマ成分の部分のモル比は、所望の結果を得られるように調整することができる。イソオクチルアクリラートとアクリル酸とからなる好ましい１つのコポリマでは、イソオクチルアクリラートが優勢であることが一般に好ましい。具体的な一実施形態では、イソオクチルアクリラート対アクリル酸のモル比はおよそ８５／１５である。
【００７３】  橋かけ結合の使用は、非常に好都合である場合がある。詳しく言うと、橋かけ結合の特性（物理的対化学的）およびその密度を制御することによって、所望の弾性特性および熱的特性を得ることができる。化学的な橋かけ結合は、共有結合によって形成される。これらは、たとえば、水素の引き抜きまたは多官能性モノマの使用によって生成して良い。物理的な橋かけ結合は、スチレンに含まれるフェニル成分などの、剛性の基を凝集させることによって得られる。
【００７４】  ポリマの側鎖を適切に選択すれば、ニーズに合った物理特性および材料特性を提供することができる。具体例では、ポリマの基幹の側基を変更することによって、より多量の電荷を塊で蓄積させることを可能にしている。これは、例えば、側鎖をリチウムイオンおよび／または遷移金属の有機配位子錯体で変更することによって達成することができる。これとは別にあるいはこれに加えて、側基を加えてポリマの誘電率を増大させることもできる。このように機能する一例として、シアノ基が挙げられる。このような基は、例えばフェニルニトリル基などの様々な形で提供して良い。別の実施形態では、側鎖または部分鎖に含まれた共役オリゴマを加え、分極率および絶縁耐力を増大させる。
【００７５】
本発明にしたがって使用される材料は、市販のポリマである場合が多い。このようなポリマとしては、例えば、市販の任意のシリコンエラストマ、ポリウレタン、接着性のエラストマが挙げられる。市販の材料を使用することによって、本発明によるトランスデューサおよび関連の機器に対し、コスト有効度の高い代替物を提供することができる。また、市販材料を使用すると、製造の簡略化を図ることも可能である。特定の一実施形態では、市販のポリマとして、製造時に光硬化された脂肪族アクリートの混合物を含む市販のアクリルエラストマを使用する。
【００７６】  このような市販のポリマの１つは、米国カリフォルニア州カーペンテリア所在のＮｕＳｉｌテクノロジーによるＮｕＳｉｌ  ＣＦ１９−２１８６である。適切なシリコンエラストマの一例は、米国ディラウェア州ウィルミントン所在のダウコーニング社によるダウコーニング  ＨＳ３である。適切なフルオロシリコンの一例は、米国ディラウェア州ウィルミントン所在のダウコーニング社によるダウコーニング  ７３０である。適切なアクリルの例としては、米国ミネソタ州セントポール所在の３Ｍコーポレーションによる４９００  ＶＨＢ  アクリルシリーズの任意のアクリルが挙げられる。
【００７７】  また、本発明による電気活性ポリマは、様々な物理的特性および化学的特性を改善する目的で、１つまたはそれ以上の添加物を含んでいても良い。適切な材料の例としては、可塑剤、抗酸化剤、そして高誘電率の微粒子などが挙げられる。添加物によって制御／変更することができる特性の例として、ポリマの接着性や、ポリマが有する機械エネルギと電気エネルギとの変換能力などが挙げられる。ポリマが有する機械エネルギと電気エネルギとの変換能力に関連した、ポリマ材料の特性およびパラメータには、例えば、絶縁破壊強度、ひずみの最大値、誘電率、弾性率、粘弾性に関連した特性、クリープに関連した特性、応答時間、そして作動電圧などが含まれる。
【００７８】  絶縁破壊強度を改善すれば、ポリマに対し、より大きな電動ひずみを使用することが可能になる。例えば、可塑剤をポリマに添加し、ポリマの絶縁破壊強度を増大させても良い。あるいは、この目的のために特定の合成樹脂を添加しても良い。例えば、スチレンブタジエンスチレンブロックコポリマを添加して、特定のポリマの絶縁破壊強度を向上させて良い。例として、米国テキサス州ヒューストン所在のシェルケミカル社によるＫｒａｔｏｎ  Ｄ２１０４の絶縁破壊強度を向上させる目的で、Ｋｒａｔｏｎ  Ｄ２１０４に、米国ディラウェア州ウィルミントン所在のハーキュール社によるペンタリン−Ｈを添加した場合が挙げられる。この具体例では、添加するペンタリン−Ｈの割合は、重量にして約０から２：１の範囲で良い。別のアプローチとして、ＳＦ６などの電子捕獲基を添加し、破壊電場を増大させることによって、絶縁破壊強度を増大させても良い。
【００７９】  ポリマの誘電率を増大させる添加物には、例えば、ファインセラミックス粉末などの高誘電率の微粒子（例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、二酸化チタンなど）がある。あるいは、ポリウレタンなどのポリマを部分的にフッ素化して誘電率を増大させても良い。さらには、共役ポリマ、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンナノチューブなどの高分極性または高弾性率の材料からなる層を、この目的のために添加しても良い。
【００８０】  弾性率を減少させることを目的として、ポリマに添加物を含ませて良い。弾性率を減少させると、ポリマを大きくひずませることが可能になる。特定の一実施形態では、Ｋｒａｔｏｎ  Ｄの弾性率を減少させる目的で、その溶液にミネラルオイルを添加した。この場合に添加されるミネラルオイルの割合は、重量にして約０から２：１の範囲で良い。本発明によるアクリルポリマの弾性率を減少させるために含められる具体的な材料としては、任意のアクリル酸、アクリル接着剤、イソオクチル基や２−エチルヘキシル基などの可撓性の側基を含んだアクリル酸、そしてアクリル酸とイソオクチルアクリラートとの任意のコポリマなどが挙げられる。
【００８１】  上述したように、ポリマには、可塑剤が添加されることが多い。本発明において可塑剤を添加すると、例えば、ポリマの弾性率を減少させることによって、そして／またはポリマの絶縁破壊強度を増大させることによって、本発明によるトランスデューサの機能が向上される。適切な可塑剤の例として、高分子量の炭化水素オイル、高分子量の炭化水素グリース、Ｐｅｎｔａｌｙｎｅ  Ｈ、Ｐｉｃｃｏｖａｒ（登録商標）  ＡＰ  炭化水素樹脂、Ａｄｍｅｘ  ７６０、Ｐｌａｓｔｏｌｅｉｎ  ９７２０、シリコーンオイル、シリコングリース、Ｆｌｏｒａｌ  １０５、シリコンエラストマ、非イオン性表面活性剤等などが挙げられる。もちろん、これらの材料を組み合わせたものを使用しても良い。
【００８２】  最後に、１つまたはそれ以上の材料特性を向上させる目的で、複数の添加物をポリマに含ませて良い。一実施形態では、Ｋｒａｔｏｎ  Ｄ２１０４の絶縁破壊強度を増大させて且つその弾性率を減少させるため、その溶液にミネラルオイルおよびペンタリン−Ｈの両方を添加した。なお、ペンタリン−Ｈは、Ｋｒａｔｏｎ  Ｄ２１０４の接着力を向上させることも可能である。
【００８３】  第１の添加物によって生じた問題を解決するために、第２の添加物を加えることもできる。例えば、誘電率を増大させる目的で使用されたファインカーボン粉末によって剛性を増した市販のシリコンゴムに対しては、炭素または銀で満たされたシリコングリースを添加することによって、その剛性を減少させて良い。この場合、この添加物は機械エネルギと電気エネルギとの変換にも有用である。特定の一実施形態では、Ｋｒａｔｏｎ  Ｄ２１０４、ペンタリン−Ｈ、ミネラルオイルを備え且つ酢酸ブチルを使用して製造されたポリマに、接着性ポリマと、約７０〜２００％の最大線ひずみと、を加えた。
【００８４】  本発明によるトランスデューサに含まれる電気活性ポリマ層の厚さは、広い範囲に渡って良い。一実施形態でのポリマの厚さは、約１マイクロメートル〜２ミリメートルの範囲で良い。ポリマの厚さは、片方または両方の二次元方向に膜を伸張させることによって薄くして良い。本発明による電気活性ポリマは、薄膜として製造および実現して良い場合が多い。これらの薄膜の厚さとしては、５０マイクロメートル未満が適切である。
【００８５】  電気活性ポリマまたはその一部に適した作動電圧は、誘電率などの電気活性ポリマの材料特性はもちろんのこと、ポリマ膜の厚さなどのポリマの寸法に基づいても変化して良い。例えば、図４Ａのポリマ１０２の作動電場の大きさは、約０Ｖ／ｍ〜約４４０ＭＶ／ｍの範囲で変化して良い。この範囲にある作動電圧は、約０Ｐａから約１０ＭＰａの範囲の圧力を生じ得る。トランスデューサがより大きい力を発揮できるようにするためには、ポリマ層の厚さを増大させて良い。特定のポリマの作動電圧を減少させるためには、例えば、誘電率を増大させたり、ポリマの厚さを薄くしたり、弾性率を減少させたりすれば良い。いくつかの実施形態では、ポリマの弾性率が約１００ＭＰａより小さくても良い。
【００８６】  また、機械エネルギと電気エネルギとの変換を行うための本発明によるトランスデューサは、多層ラミネートを含む。一実施形態では、多層ラミネートとは、１つの電気活性ポリマおよびそれに対応する電極に加えて１つまたはそれ以上の層を含んだ構造を意味する。一実施形態では、多層ラミネートとは、電気活性ポリマとそれに対応する電極とを含んだトランスデューサを有し、電極およびポリマのうちの少なくとも一方に１枚の層が積層され、その層がトランスデューサの一部に機械的に結合されている構造を意味する。多層ラミネートは、外側または内側のいずれかで修飾して良い。外側の多層ラミネートである場合は、１つまたはそれ以上の層が設けられるのは電極間ではない。内側の多層ラミネートである場合は、１つまたはそれ以上の層は電極間に設けられる。いずれの場合であっても、例えば接着層やのり層を使用して層を接着して良い。
【００８７】  内側の多層ラミネートは、多様な目的に使用して良い。また、例えば剛性、電気抵抗、引裂き抵抗などの、トランスデューサの任意の機械的特性または電気的特性を改善する目的で、内側の多層ラミネートの中に１枚の層を含ませても良い。内側の多層ラミネートは、絶縁破壊強度が大きい１枚の層を含んで良い。内側の多層ラミネートは、ラミネートトランスデューサの破壊強度を増大させる目的で、適合性の材料からなり且つ導体層または半導体層（例えば金属層またはポリマ層）によって分離された複数の層を含んで良い。適合性の材料とは、全くもしくは実質的に同じ材料からなる材料、または全くもしくは実質的に同じ特性（例えば機械的および／または電気的に）を有した材料からなる材料を意味する。ポリマに対して適合性の材料からなる内側のラミネートは、ポリマ内で製造欠陥を生じにくくし且つトランスデューサの均一性を増大させる目的で使用して良い。例えば、厚さが１００マイクロメートルの１枚の層からなるポリマは、厚さ１００マイクロメートルの全体に影響を及ぼす欠陥を生じ得る。この場合は、厚さがそれぞれ１０マイクロメートルである１０枚の層からなるラミネートを使用し、あらゆる製造欠陥を厚さが１０マイクロメートルのポリマ内に局在させて良い。このようにして、１００マイクロメートルに匹敵する厚さを有し、且つ１枚の層からなるポリマよりも均一性および故障の許容性に優れたラミネート構造が提供される。また、ポリマに対して適合性の内側のラミネートは、暴走によるあらゆる引込み現象を阻止する目的で使用しても良い。暴走による引込み現象とは、電極間の距離が狭まるにつれて、電極間の静電力がポリマの弾性抵抗力よりも急速に増大する現象を意味する。このような場合は、トランスデューサが電気機械的に不安定になるので、厚さが局所的に急速に減少し、電気破壊を生じる恐れがある。また、複合体内の別の層から（電気的にまたは機械的に）保護する目的で、１枚の層を内側に設けても良い。一実施形態では、ポリマ内で生じるあらゆる局所的な破壊によって及ぼされる影響を最小限に抑えるために、電極とポリマとの間に電気的な障壁層を機械的に結合する。破壊は、ポリマが印加電圧に耐えられなくなった瞬間として定義して良い。障壁層は、一般にポリマより薄くて且つポリマより高誘電率であるので、電圧降下は、主にポリマの厚さ範囲において生じる。障壁層の絶縁破壊強度は、大きいことが好ましい場合が多い。
【００８８】  外側の多層ラミネートは、多様な目的に使用して良い。一実施形態では、剛性やクリープを制御するため、変形時において負荷をより均一に分散させるため、引裂き抵抗を増大させるため、または暴走による引込み現象を阻止するために、外側の多層複合体に１枚の層が含まれる。電極を含み且つ適合性のポリマからなる外側のラミネートは、各ポリマ層に負荷を分散させる目的で、または変形時におけるポリマの均一性を増大させる目的で使用して良い。また、ポリマよりも剛性が大きい外側のラミネートに、例えば、ポリマよりも剛性が大きい材料、または適合性の材料に対するプリストレインの値がポリマと異なる材料などを含ませることによって、ダイヤフラム、ポンプ、または曲がり梁をバイアスしても良い。ジェネレータモードにあるとき、伸張されたトランスデューサは、電場の応力が弾性復元力より小さい限りにおいて、収縮して電気エネルギを生成し得る。この場合は、補強用の層を追加し、より大きい場の応力に対してもトランスデューサが収縮できるようにして、１ストロークごとのエネルギ出力を増大させても良い。また、複合体内の別の層から（電気的にまたは機械的に）保護する目的で、１枚の層を外側に設けても良い。別の特定の一実施形態では、外側の複合体が、小型のポンプまたはダイヤフラムをバイアスする目的で１枚のフォーム層を含む。フォーム層は、フォームへの流体の出入りを可能にする通気孔フォームを備えて良い。また、余分な機械エネルギ損失を生じずに静電遮蔽を実現する目的で、剛性が小さい１枚の層を外側に設けても良い。
【００８９】  一実施形態では、ポリマを巻くまたは折ることによって複合体を形成し、高密度にパッケージングされたトランスデューサを作成する。ラミネートの層が折りたたまれている場合は、相対する電極が折り畳みのひだ附近で重なることのないように、ポリマ上に電極を配置することによって、折り畳みのひだ附近に有害な電場が生じるのを回避して良い。また、ポリマおよび電極を巻いたり折ったりすることによって、外側に露出される１つまたはそれ以上の電極が同じ極性を有するようにしても良い。製造は、相対する極性を有した電極がポリマによって分離されるように行って良い。例えば、ポリマからなる２枚の層を電極とともに巻くことによって、あるいは１枚の層を先ず折って次いで巻くことによって、ロール状のアクチュエータを作成しても良い。また、トランスデューサの安全性を高める目的で、外側に露出された電極を接地しても良い。また、安全性をさらに高める目的で、外側のラミネートに外皮層を追加しても良い。
【００９０】  本発明による電気活性ポリマは、大きいひずみを加えられると変形するので、ポリマに取り付けられた電極も、やはり、機械的特性または電気的特性を損なうことなく変形する必要がある。一般に、本発明で使用するのに適した電極は、電気活性ポリマに対して適切な電圧の受け渡しをできる限りは、任意の形状および材料を有して良い。電圧は一定でも良いし、時間とともに変化しても良い。一実施形態では、電極はポリマの表面に接着される。ポリマに接着された電極は、ポリマの形状変化に適合してしたがうことが好ましい。したがって、本発明は、取り付けられた電気活性ポリマの形状にしたがう適合性の電極を含んで良い。電気活性ポリマの一部にのみ電極を適用し、その形状寸法にしがたってアクティブ領域を規定して良い。以下では、電気活性ポリマの一部のみを被覆する電極の実施例を、詳細に説明する。
【００９１】  共同所有された同時係属の米国特許出願第０９／６１９，８４８号には、本発明で使用するのに適した様々な電極が記載されており、本文献は、引用によってすでに本明細書に組み込まれている。この文献に記載され且つ本発明での使用に適した電極として、金属トレースおよび電荷分布層を備えた構造化電極、二次元以外の様々な寸法を備えたテキスチャ加工電極、ガーボングリースまたはシルバグリースなどの導電性グリース、コロイド懸濁液、カーボンフィブリルやカーボンナノチューブなどの高アスペクト比の導電性材料、およびイオン伝導性材料の混合物などが含まれる。
【００９２】  本発明の電極として、様々な材料を使用して良い。電極に使用される適切な材料は、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、銀およびカーボンで満たされたゲルおよびポリマ、そしてイオンもしくは電子工学的に導電性を持つポリマを含んで良い。具体的な一実施形態では、本発明での使用に適した電極は、ペンシルバニア州フィラデルフィア所在のストックウェルラバー社によるストックウェル  ＲＴＶ６０−ＣＯＮのように、シリコンラバー結合剤の中に８０％のカーボングリースと２０％のカーボンブラックを含むものである。カーボングリースは、マサチューセッツ州フェアヘイブン所在のナイ・ラブリカント社によるＮｙｏＧｅｌ  ７５６Ｇなどのタイプであって良い。導電性グリースは、また、ゲル状の導電性グリースを提供するために、ニューヨーク州をウォーターフォード所在のジェネラル・エレクトリック社によって生産されるシリコンエラストマ  ＲＴＶ１１８のようなエラストマと混合されても良い。
【００９３】  電極材料のなかには、特定のポリマとは上手く作用するが、それ以外とは上手く作用しないものがあることが知られている。例えばカーボンフィブリルは、アクリルエラストマポリマとは上手く作用するが、シリコンポリマとは上手く作用しない。ほとんどのトランスデューサでは、適合性電極として、低弾性率であること、低機械的減衰であること、低表面抵抗であること、抵抗が均一であること、化学的および環境的に安定であること、電気活性ポリマに対して化学的に互換性であること、電気活性ポリマに対する接着性が良好であること、そして滑らかな表面を形成できること、などのうち、１つまたはそれ以上の特性を所望して良い。場合によっては、本発明によるトランスデューサに、異なる２つの種類の電極を導入して良い。例として、アクティブ領域ごとに異なる種類の電極を設けたり、あるいはポリマの両側面に異なる種類の電極を設けたりして良い。
【００９４】  一般に、電子ドライバが電極に接続される。電気活性ポリマに印加される電圧は、用途の詳細によって異なるだろう。一実施形態では、本発明によるトランスデューサは、印加電圧をＤＣバイアス電圧付近に調節することによって、電気的に駆動される。バイアス電圧付近に調節することにより、印加電圧に対するトランスデューサの感度と線形性が改善される。例えば、オーディオに使用されるトランスデューサは、約７５０〜２０００ボルトのＤＣバイアス電圧範囲でのピークツーピーク電圧が２００〜１０００ボルトまでの信号によって駆動して良い。
【００９５】４．複数のアクティブ領域
本発明にしたがうと、ここで使用する「モノリシック」という用語は、複数のアクティブ領域を備えた電機活性ポリマ、トランスデューサ、および機器を意味する。図４Ｃは、複数のアクティブ領域を備えたモノリシックトランスデューサ１５０を、本発明の一実施形態にしたがって示している。モノリシックトランスデューサ１５０は、電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う。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，１５２ｂを有した電気活性ポリマ１５１を備える。ポリマ１５１は、例えば、ポリマの端に取り付けられた剛性フレーム（図示せず）を使用して場所を固定して良い。
【００９６】  アクティブ領域１５２ａは、トップ電極１５４ａおよびボトム電極１５４ｂを有し、これらは、上面１５１ｃおよび底面１５１ｄにおいてそれぞれポリマ１５１に取り付けられている。電極１５４ａ，１５４ｂは、ポリマ１５１の部分１５１ａにまたがる電圧差を提供する。部分１５１ａは、電極１５４ａ，１５４ｂによって提供される電場の変化によって変形する。部分１５１ａは、電極１５４ａと電極１５４ｂとの間に位置するポリマ１５１と、電極１５４ａ，１５４ｂを使用して電圧を印加する際に変形を生じるのに十分な静電力を有するポリマ１５１の任意の他の部分と、を備える。機器１５０が、電気エネルギを機械エネルギに変換するジェネレータとして使用される場合は、部分１５１ａの変形によって部分１５１ａの電場が変化するが、これは、電極１５４ａ，１５４ｂによって提供される電圧差の変化として現れる。
【００９７】  アクティブ領域１５２ｂは、トップ電極１５６ａおよびボトム電極１５６ｂを有し、これらは、上面１５１ｃおよび底面１５１ｄにおいてそれぞれポリマ１５１に取り付けられている。電極１５６ａ，１５６ｂは、ポリマ１５１の部分１５１ｂにまたがる電圧差を提供する。部分１５１ｂは、電極１５６ａ，１５６ｂによって提供される電場の変化によって変形する。部分１５１ｂは、電極１５６ａと電極１５６ｂとの間に位置するポリマ１５１と、電極１５６ａ，１５６ｂを使用して電圧を印加する際に変形を生じるのに十分な静電力による応力を有するポリマ１５１の任意の他の部分と、を備える。機器１５０が、電気エネルギを機械エネルギに変換するジェネレータとして使用される場合は、部分１５１ｂの変形によって部分１５１ｂの電場が変化するが、これは、電極１５６ａ，１５６ｂによって提供される電圧差の変化として現れる。
【００９８】  本発明によるモノリシックのポリマおよびトランスデューサのアクティブ領域は、柔軟に配置して良い。一実施形態では、ポリマのアクティブ領域を、その弾力性がバランスされるように配置する。別の実施形態では、本発明によるトランスデューサは、対称的に配置された複数のアクティブ領域を備える。以下では、本発明の一実施形態を機器として説明するが、当業者ならばわかるように、本発明は、以下で説明する機器の様々なパーツによって実施される動作を工程として有する方法をも網羅している。図４Ｄは、対称的に配置された複数のアクティブ領域を備えたモノリシックトランスデューサ１６０を、本発明の具体的な一実施形態にしたがって示している。機器１６０は、４つのアクティブ領域１６２ａ〜ｄを備えたモノリシックトランスデューサを備える。
【００９９】  アクティブ領域１６２ａ〜ｄのそれぞれは、ポリマ１６１の上面および底面にそれぞれ取り付けられたトップ電極およびボトム電極：１６４ａ〜ｄを備える（図中には、ポリマの表側の面上に設けられた電極１６４ａ〜ｄのみを示した）。電極１６４ａ〜ｄのそれぞれは、ポリマ１６１の一部にまたがる電圧差を提供する。電極１６４ａ〜ｄおよびこれらに対応するアクティブ領域１６２ａ〜ｄは、環状ポリマ１６１の中心を取り囲むように、対称的に且つ半径方向に配置される。このようにして、アクティブ領域１６２ａ〜ｄに含まれるポリマ材料の弾力性がバランスされる。
【０１００】  第１のアクティブ領域１６２ａは、２つの第１のアクティブ領域電極１６４ａと、電気活性ポリマの第１の部分１６１ａと、によって形成される。第１の部分１６１ａは、第１のアクティブ領域電極１６４ａによって提供される電場の変化に応じて変形するように配置される。部分１６１ａは、電極１６２ａの間に位置するポリマ１６１と、電極１６２ａを使用して電圧を印加する際に変形を生じるのに十分な静電力による応力を有するポリマ１６１の任意の他の部分と、を備える。同様に、第２のアクティブ領域１６２ｃは、２つの第２のアクティブ領域電極１６４ｃと、電気活性ポリマの第２の部分１６１ｃと、によって形成される。第２の部分１６１ｃは、第２のアクティブ領域電極１６４ｃによって提供される電場の変化に応じて変形するように配置される。アクティブ領域１６２ｂ，１６２ｃに関しても、同様の構成が当てはまる。
【０１０１】  環状のポリマ１６１の周囲には、実質的に剛性のフレーム１６７が、接着剤を使用して固定される。ポリマ１６１の中央部分１６３には、実質的に剛性の部材１６８が取り付けられ、機器１６０の機械的出力を可能にしている。剛性部材１６８は、剛性フレーム１６７に対する中央部分１６３の変形に基づいて、機器１６０の機械的出力を提供する。中央部分１６３は、アクティブ領域１６２ａとアクティブ領域１６２ｃとの間に少なくとも部分的に、そしてアクティブ領域１６２ｂとアクティブ領域１６２ｄとの間に少なくとも部分的に、設けられる。図中では、中央部分１６３を、中心に設けられた円の形で示してあるが、中央部分１６３は、アクティブ領域１６２ａ〜ｄの間に位置する任意の部分のポリマ１６１であって良い。したがって、剛性部材１６８を、アクティブ領域１６２ａ〜ｄの間に位置する任意の部分のポリマ１６１に取り付け、その部分の変形を、機器１６０の機械的出力として移して良い。
【０１０２】  また、本発明は、複数のアクティブ領域を有した１つまたはそれ以上の電気活性ポリマを変形させる方法を備える。これらの方法は、ポリマへの電気エネルギの入力（作動）およびポリマからの電気エネルギの出力（発電）の結果として生じる変形を含む。アクチュエータとしてモノリシックトランスデューサを使用する方法は、一般に、２つの第１のアクティブ領域電極による電場の変化を提供し、モノリシックトランスデューサの第１の部分を変形させる工程と、２つの第２のアクティブ領域電極による電場の変化を提供し、モノリシックトランスデューサの第２の部分を変形させる工程と、を備える。このモノリシックトランスデューサでは、他のアクティブ領域を使用しても良い。一実施形態では、１つまたはそれ以上の電気活性ポリマ上のアクティブ領域を、個別にまたは累積的に順次作動させることによって、ポリマの一部に所望の変形を生じさせる。具体的な一実施形態では、モノリシックポリマ上のアクティブ領域を順次作動させることによって、ポリマの一部を経路に沿って移動させる。
【０１０３】  例えば、アクティブ領域１６２ａ〜ｄを順次作動させることによって、中央部分１６３を環状経路１６９に沿って移動させて良い。アクティブ領域１６２ａの作動は、中央部分１６３を下方に移動させる。アクティブ領域１６２ｂの作動は、中央部分１６３を左方に移動させる。アクティブ領域１６２ｃの作動は、中央部分１６３を上方に移動させる。アクティブ領域１６２ｄの作動は、中央部分１６３を右方に移動させる。電気エネルギが電極１６４ａから除去されると、中央部分１６３は、アクティブ領域１６２ａが作動される以前の位置まで弾性的に復元される。他のアクティブ領域１６４ｂ〜ｄにおいても、同様に弾性復元が生じる。環状経路１６９を達成するためには、アクティブ領域１６２ａ〜ｄを、時計回りに且つ適時に順次作動させる。具体的に言うと、アクティブ領域１６２ａの収縮と同時に電極１６４ｂに電気エネルギを供給する。そして、アクティブ領域１６２ｂの収縮と同時に電極１６４ｃに電気エネルギを供給する。
【０１０４】  他のアクティブ領域を作動させる場合も、同様のタイミングでエネルギを供給し、環状経路１６９を生成する。このような時計回りの順次作動を繰り返し、中央部分１６３を環状経路１６９に沿って連続して移動させて良い。中央部分１６３からの連続的な環状出力は、モータを駆動するために使用して良い。具体的な一実施形態では、剛性部材１６８を、ロータリクランクモータのクランクとして使用して良い。別の具体的な実施形態では、剛性部材１６８をベアリング付きのプレートとして使用し、プレートがその両二次元方向に移動できるようにして良い。すると、モノリシック機器１６０は、ｘ−ｙ（自由度が２の）変換テーブルとして機能する。
【０１０５】  ここで説明したモノリシックトランスデューサ１５０，１６０は、類似の形状寸法を有した対称的な構成のアクティブ領域を備える。本発明によるモノリシックポリマは、それぞれが非対称的で且つカスタムな形状寸法を有した１つまたはそれ以上のアクティブ領域を備えていて良い。また、モノリシックポリマ上のアクティブ領域を組み合わせ、任意の構成にして良いことも知られている。これらカスタムな形状寸法のアクティブ領域および構成は、あらゆるカスタムな二次元経路またはあらゆるカスタムなポリマ部分の出力を生成するために使用して良い。別の一実施形態では、対をなす上述したアクティブ領域を膨張させたり弛緩させたりすることなく、２つのアクティブ領域のみを使用して、図示したような二次元の経路を達成して良い。この場合は、１つのアクティブ領域の作動およびそれに対応する弾性復元を、ある長さ寸法に沿った変形を制御するために使用して良い。そして、もう１つのアクティブ領域の作動およびそれに対応する弾性復元を、直交する長さ寸法に沿った変形を制御するために使用して良い。
【０１０６】  モノリシックトランスデューサおよび機器は、二次元方向の変形に限定されない。具体的な一実施形態では、二次元以外の方向への変形および制御を行うために、モノリシックトランスデューサを使用して良い。例えば、４つのアクティブ領域１６２ａ〜ｄを同時に作動させると、中心に取り付けられた剛性部材１６８の二次元上の位置は変化しないが、剛性部材１６８を膜の平面内に保持しているポリマ１６１からの力は減少する。したがって、剛性部材１６８が、バネまたは重力などの二次元以外の力によって適切に取り付けられている場合は、４つのアクティブ領域１６２ａ〜ｄを全て同時に作動させることによって、剛性部材１６８を、その二次元方向以外の力の方向へと、平面から逸れるように移動させることができる。アクティブ領域１６２ａ〜ｄのそれぞれにおけるエネルギ化の量を制御する（例えば電圧を制御する）ことによって、適切に取り付けられた剛性部材１６８の位置を、３の並進自由度でもって制御することが可能になる。
【０１０７】５．アクチュエータ機器およびジェネレータ機器
電気活性ポリマの変形を様々な形で使用することによって、機械エネルギを生成したり受け取ったりすることができる。一般に、本発明によるモノリシック電気活性ポリマは、モノリシックポリマによって改良された従来のアクチュエータおよびジェネレータや、１つまたはそれ以上のモノリシックポリマために特別に設計されたカスタムアクチュエータおよびカスタムジェネレータを含む、様々な形のアクチュエータおよびジェネレータに使用して良い。従来のアクチュエータおよびジェネレータは、エクステンダ、曲がり梁、スタック、ダイヤフラムなどを含む。以下では、本発明で使用するのに適したいくつかの代表的なアクチュエータおよびジェネレータに関して説明する。共同所有された同時係属の米国特許出願第０９／６１９，８４８号には、本発明による様々な実施形態で使用するのに適した他のアクチュエータが記載されており、本文献は、引用によって本明細書にすでに組み込まれている。
【０１０８】  図５Ａは、モノリシックポリマ１３１を含んだモノリシックダイヤフラム機器１３０が作動される前の状態を、本発明の一実施形態にしたがって示した横断面図である。ポリマ１３１は、フレーム１３２に取り付けられている。フレーム１３２は、アパチャ１３３ａ，１３３ｂを含み、これらは、ポリマ部分１３１ａ，１３１ｂをアパチャ１３３ａ，１３３ｂの領域で垂直な方向にそれぞれ変形させることを可能にする。ダイヤフラム機器１３０は、部分１３１ａにまたがる電圧差を供給する目的で部分１３１ａの両側に取り付けられた電極１３４ａ，１３４ｂを備える。電極１３６ａ，１３６ｂは、部分１３１ｂにまたがる電圧差を供給する目的で部分１３１ｂの両側に設けられている。外部のエレクトロニクスへの接続を提供するためには、電極１３４ａ〜ｂ，１３６ａ〜ｂを、ポリマ１３１の他の部分に経路付けることができる。いくつかの実施形態では、外部のエレクトロニクスを電極１３４ａ〜ｂ，１３６ａ〜ｂに直接接続することができる。他の実施形態では、他の様々な接続方法を使用することができる。好ましい一実施形態では、例えば、アパチャ１３３ａ〜ｂから離れたフレーム１３２上の領域に、それぞれの電極を経路付けることができる。そして、図５では図示せざる第２のフレームを、フレーム１３２に設けられた、やはり図５では図示せざるネジ穴を通してフレーム１３２にねじ込む。これらのネジによって、ポリマ１３１および１つまたはそれ以上の電極１３４ａ〜ｂ，１３６ａ〜ｂ（所望の接続構成によって異なる）に穴が開けられ、この穴開けプロセスによって、電極１３４ａ〜ｂ，１３６ａ〜ｂに対する電気的な接続が形成される。これらのネジは、外部への電気的な接続に使用することができる。好ましい一実施形態では、ネジよりも僅かに小さい穴を有したブラスの薄片（または導電性ポリマのテープ）を、ポリマ１３１上に横たわって設けられた接続の中に含ませる。このとき、ネジはブラスと接続し、ブラスは適切な電極に接触する。電極１３４，１３６は適合性であるので、ポリマ１３１の変形にともなって形状を変化させる。電圧が印加されていない図５Ａの状態では、ポリマ１３１を伸張させてフレーム１３２に固定し、プリストレインを達成している。
【０１０９】  電極１３４，１３６を使用して、部分１３１ａ，１３１ｂを個々に変形させることができる。図５Ｂに示すように、例えば電極１３４ａと電極１３４ｂとの間に適切な電圧を印加すると、部分１３１ａは、フレーム１３２の平面から離れる方向に膨張する。部分１３１ａ，１３１ｂは、平面から離れるいずれの垂直方向にもそれぞれ膨張することができる。一実施形態では、ポリマ１３１の片側に、ポリマ膜１３１の膨張に作用するバイアス電圧を含ませることによって、ポリマ膜１３１を、矢印１４３（図５Ｂ）の方向に向かって上向きに作動させる。別の一実施形態では、少量のシリコーンオイルなどの膨張剤を下面側に加えることによって、矢印１４３の方向へのポリマ１３１の膨張に作用させる。膨張剤は、バイアス圧力を使用しなくても、ダイヤフラムを所望の方向に作動させ続けることを可能にする。例えば、膨張剤を加える際に僅かな圧力を下面側に加えることによって、ポリマを、製造時に決定した一方向に永久的に僅かに変形させることができる。
【０１１０】  ダイヤフラム機器１３０は、ジェネレータとして使用して良い。この場合は、ポリマ１３１を、アパチャ１３３ａ，１３３ｂの付近で伸張させるために、流体圧力などの圧力を、ダイヤフラム機器１３０の片側への機械的入力として作用させる。伸張させた後は、部分１３１ａの伸張と同時に電圧１３４間に電圧差を加える。この結果として生じる電極１３４の電場の変化量は、ポリマ１３１ａをさらに伸張させるのに必要な電場より小さい。部分１３１ｂを伸張させる場合も、やはりそれと同時に電極１３６間に電圧差を加える。圧力を開放することによって、部分１３１ａ，１３１ｂを収縮させ、電極１３４，１３６に蓄えられた電気エネルギを増大させることが可能になる。
【０１１１】  図示して説明したモノリシックダイヤフラム機器１３０は、垂直方向にポリマ部分を変形させることを可能にするアパチャを２つのみ有しているが、モノリシックダイヤフラム機器１３０は、任意の二次元配列状に配置された多数のアパチャを含んで良い。モノリシックポリマの配列とは、一般に、任意の形態および構成を有した状態でポリマ上に配置された複数のアクティブ領域を意味する。例えば、ダイヤフラム機器１３０は、６×６の格子状に配置された３６のアクティブ領域からなる配列を含んでいて良い。あるいは、モノリシックポリマ上の配列は、カスタムな形状寸法のアクティブ領域を組み合わせたものを含んで良い。アクティブ領域の形状寸法は、例えば円形またはスロット状であって良い。しかしながら、本発明によるダイヤフラムには、このような形状の多くが適用可能であり、円形またはスロット状のダイヤフラムに限定されない。これらの個々のアクティブ領域は、機械的または電気的に相互に作用してもしなくても良い。一実施形態では、配列に含まれる少なくとも２つのアクティブ領域に対し、電気通信および電気制御を独立して行うことができる。
【０１１２】  図５Ｄおよび図５Ｅは、電気エネルギと機械エネルギとの変換を行うための直線運動機器２３０の作動前および作動後における状態を、本発明による具体的な一実施形態にしたがって示した図である。直線運動機器２３０は、一方向への機械的変換を有した二次元機構である。直線運動機器２３０は、幅２３４よりも実質的に大きい長さ２３３を有した（例えばアスペクト比が少なくとも約４：１以上の）ポリマ２３１を備える。ポリマ２３１は、その長さ２３３に沿って、フレームの剛性部材２３２の相対する二面に取り付けられている。剛性部材２３２の剛性は、ポリマ２３１の剛性より大きい。剛性部材２３２によって提供される幾何学的なエッジ制約が、長さ２３３に沿った方向２３６へのポリマの変位を実質的に阻止するので、変形が促進されるのは、ほとんどが方向２３５に向けてである。直線運動機器２３０が、異方性のプリストレインを有したポリマ２３１によって形成される場合、すなわち、例えば方向２３６へのプリストレインが方向２３５へのプリストレインより大きい場合などは、ポリマ２３１の方向２３６への剛性が方向２３５へのそれより大きいので、方向２３５に大きく変形する結果となる。このような構成は、例えば異方性のプリストレインを有したアクリルに対し、少なくとも約２００％の線ひずみを生じ得る。
【０１１３】  電気活性ポリマまたはアクチュエータの集合を機械的に結合するととによって、例えば力および／または変位などに関して共通の出力を有する大きいアクチュエータを形成して良い。この場合は、一集合体内の基本単位として小さな電気活性ポリマを使用し、用途に応じて電気エネルギから機械エネルギへの変換を大小させて良い。例えば、複数の直線運動機器２３０を方向２３５に直列に組み合わせ、これら全ての直線運動機器の累積変形を有するアクチュエータを形成して良い。電気エネルギを機械エネルギに変換する場合は、個別にまたは機械的に繋がれて一集合体を構成する電気活性ポリマを「人工筋肉」と称して良い。ここで、人工筋肉は、力および／または変位に関して単一の出力を有した１つまたはそれ以上のトランスデューサおよび／またはアクチュエータとして定義される。人工筋肉は、ミクロまたはマクロなレベルで形成して良く、ここで説明した任意の１つまたはそれ以上のアクチュエータを備えて良い。
【０１１４】  図５Ｆは、人工筋肉の一例として、電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う多層機器２４０を、本発明による具体的な一実施形態にしたがって示した横断面図である。多層機器２４０は、並列に配置された４つのプリストレインドポリマ２４１を含み、これらのプリストレインドポリマ２４１は、同じ変形を有するようにそれぞれ剛性フレーム２４２に取り付けられている。電極２４３，２４４は、各ポリマ２４１の相対する二面に設けられ、４つのプリストレインドポリマを同時に静電作動させる。多層機器２４０は、個々のポリマ層２４１の力の出力を累積させたものを提供する。
【０１１５】  トランスデューサがジェネレータモードで動作する場合は、個々のポリマ層を並列および直列のいずれの形で組み合わせても、同様な効果が得られる。一般に、層を並列に繋げると、機器の最大ストロークを変化させなくても機器の剛性および最大入力を増大させられ、層を直列に繋げると、最大入力を増大させなくても最大ストロークを増大させられる。このため、層を直列および並列に組み合わせることによって、ジェネレータを、入力される機械的負荷に適合するように設計することができる。
【０１１６】  別の一実施形態では、単一のポリマに代わって複数の電気活性ポリマ層を使用することによって、アクチュエータからの力または圧力の出力を増大させたり、あるいはジェネレータから生成される電気エネルギを増大させたりして良い。例えば、１０の電気活性ポリマを積層させることによって、図５Ａに示したダイヤフラム機器から出力される圧力を増大させて良い。図５Ｇは、人工筋肉の別の一例として、電気エネルギと機械エネルギとの変換を行うための積層形の多層ダイヤフラム機器２４５を、本発明による一実施形態にしたがって示した図である。積層形の多層機器２４５は、互いに積層された３枚のポリマ層２４６を含み、これらのポリマ層は、接着層２４７によって取り付けて良い。
【０１１７】  好ましい一実施形態では、ポリマ積層体の粘弾性流を阻止する目的で、ポリマ層の取り付け領域にマイラまたはアセテートの薄片を挿入する。マイラまたはアセテートの支持薄片は、一般に厚さが１０〜１００ミクロンであり、交互配置された支持構造として機能し、膜のプリストレインが大きい場合にプリストレインの負荷を分散させるのに特に有用である。そうでないと、プリストレインが大きい多層は、膜の端部分で反ったり引きが弱くなったりする可能性がある。交互配置された支持構造は、ポリマ２４６の層ごとに加えても良いし、プリストレインの大きさ、膜の弾性率、膜の厚さ、具体的な形状寸法などに基づいて、２〜５層ごとに加えても良い。交互配置された支持構造は、一般に、ポリマ層２４６のうち不活性の外端に接合されるまたは積層される。接着層２４７の中には、ポリマ層２４６に電気機械結合を提供する電極２４８，２４９が設けられている。最も外側のポリマ層には、剛性の強いプレート２５０が取り付けられており、このプレートは、積層された多層ダイヤフラム機器２４５の変形を可能にする複数の穴２５１を含むように、パターン形成されている。ポリマ層２４６を組み合わせることによって、積層形の多層機器２４５は、アクチュエータとして機能する場合は個々のポリマ層２４６の力的出力を累積させたものを、そしてジェネレータとして機能する場合は個々のポリマ層２４６の電気出力を累積させたものを、それぞれ提供する。
【０１１８】  本発明の別の一実施形態にしたがった機器は、電気活性ポリマの複数方向への変形を使用することによって、出力方向への変形を生成し得る。図５Ｈ〜５Ｋは、電気エネルギと機械エネルギとの変換を行うための三次元機器３７０を、本発明による一実施形態にしたがって示した上面図および側面図である。機器３７０は、電気活性ポリマの複数の二次元方向への変形を使用することによって、非二次元方向である出力方向への変形を生成する。
【０１１９】  図５Ｈおよび図５Ｉに示すように、機器３７０は、トランスデューサとフレーム３７４とを備える。トランスデューサは、ポリマ３７３を含む。ポリマ３７３は、発電および機械作動のうちの一方をサポートする方法で電極３７５と電気通信を行う関係にある。電極３７５ａ，３７５ｂは、ポリマ３７３の相対する二面に取り付けられている。電極３７５ａ，３７５ｂは、ポリマ３７３に対する電気エネルギの受け渡しを行う。二次元方向３７２ａ，３７２ｂは、ポリマ３７３の最大表面に対応する平面３７２において規定される。方向３７６は、平面３７２と同一平面上になく、平面３７２に対して実質的に垂直である。機器３７０は、二次元方向３７２ａ，３７２ｂへのポリマ３７３の変形を可能にすることによって、同一平面上でない方向３７６への変位を生成する。
【０１２０】  フレーム３７４は、ベース３８０と４つの剛性部材３８２ａ〜ｄとを備える。必要に応じ、４を超える数の剛性部材３８２ａ〜ｄを使用することも可能である。対称構成の剛性部材３８２ａ〜ｄを、図示した４を超える数だけ使用すると、ポリマ３７３に対しより均一なひずみを提供できるが、複雑度および質量も増す。好ましい実施形態では、一般に、４〜８の剛性部材３８２ａ〜ｄを使用する。部材３８２ａ〜ｄは、ポリマ３７３の二次元方向の変形と同一平面上でない方向３７６への変形との間で変換を行う。４つの部材３８２ａ〜ｄは、それぞれの近心端３８３ａ〜ｄにおいて、ポリマ３７３の各角部分にヒンジ運動または回動可能なように結合されている。各剛性部材３８２ａ〜ｄは、また、ベース３８０にヒンジ運動または回動可能なように結合された遠心端３８４を含む。ベース３８０は、部材３８２ａ〜ｄのうち任意の一部材の運動を、ベース３８０を中心とした回転に制限している。また、ポリマ３７３は、その形状寸法および弾性に応じ、部材３８２ａ〜ｄのうち任意の一部材の運動を制限している。具体的な一実施形態では、各部材３８２とポリマ３７３との間の結合が、部材３８２およびポリマ３７３の両方に取り付けられた可撓性アセテートの薄片（または他の薄い可撓性材料）を備える。別の具体的な一実施形態では、各部材３８２とベース３８０との間の結合が、部材３８２とベース３８０の両方に取り付けられた可撓性アセテートの薄片を備える。さらに別の一実施形態では、ベース３８０を使用せずに、部材３８２ａ〜ｄを、それぞれの遠心端３８４ａ〜ｄにおいて共通のアセテート製ジョイントによって接続して良い。トータルで見ると、ポリマ３７３と部材３８２ａ〜ｄとの間の相互接続は、機器３７０に対して同時的な機械的応答を提供する。この同時的な応答の結果、ポリマ３７３またはその一部の二次元変形が、機器３７０の同一平面上でない方向３７６への非二次元変形に変換される。
【０１２１】  ポリマ３７３の作動時には、ポリマ３７３が膨張し、２つの隣接する部材３８２ａ〜ｄの近心端３８３ａ〜ｄが、二次元方向３７２ａ，３７２ｂの一方向に沿って引き離される。例えば、ポリマ３７３の作動時には、ポリマ３７３の二次元方向への膨張によって、部材３８２ａ，３８２ｂの近心端３８３ａ，３８３ｂが、図５Ｊに示すように二次元方向３７２ａに沿ってそれぞれ引き離される。同様に、ポリマ３７３の二次元方向への膨張によって、部材３８２ｂ，３８２ｃの近心端３８３ｂ，３８３ｃが、二次元方向３７２ｂに沿ってそれぞれ引き離される。ベース３８０と、ポリマ３７３と、部材３８２ａ〜ｄ間の相互接続性と、によって受ける変形の制約によって、部材３８２ａ〜ｄの近心端３８３ａ〜ｄの引き離しは、図５Ｋに示すように、ベース３８０とポリマ３７３との間の距離の減少にともなった垂直高さ３８５の減少へと変換される。したがって、平面３７２上でのポリマ３７３の変形は、部材３８２ａ〜ｄの近心端３８３ａ〜ｄを平面３７２に沿って平行移動させ、部材３８２ａ〜ｄの遠心端３８４ａ〜ｄをともに同一平面上でない方向３７６へと平行移動させる。
【０１２２】  各剛性部材３８２は、機器３７０の機械的倍率を高めるレバーアームとして機能しても良い。各部材３８２ａ〜ｄによって提供されるレバーアームは、ポリマ３７３の二次元変形から同一平面上でない方向３７６への変換およびその逆の変換を向上させる。具体的に言うと、同一平面上でない方向３７６への変形は、部材３８２ａ〜ｄを、外向きに且つポリマ３７３に向かって下向きに膨張させる（図５Ｊおよび図５Ｋ）。したがって、剛性部材３８２ａ〜ｄが、ほぼ同一平面上でない方向３７６であるが、完全には同一平面上でない方向３７６ではない方向からスタートする場合は、同一平面上でない方向３７６への少量の下向きの変形が、ポリマ３７３の平面上での大きな膨張となって現れる。このテコ作用は、機器３７０をジェネレータとして使用し、外部からの機械作用を方向３７６に供給する場合に好都合である。部材３８２ａ〜ｄによって提供されるテコ作用によって、機器３７０は、同一平面上でない方向３７６への少量の変形をもとにして、比較的多量の電気エネルギ変化を提供することができる。
【０１２３】  部材３８２ａ〜ｄは、ベース３８０に対して錐体状に構成される。部材３８２ａ〜ｄが対称であることから、ポリマ３７３では均一な伸張配分がなされる。ポリマ３７３での均一な伸張配分によって、外部からの機械的入力から生じる電気エネルギを、ポリマ３７３の一部からのみでなくポリマ３７３を大きく占める二次元領域から収集できるので、ジェネレータとして使用する際の機器３７０の性能が向上される。図中の機器３７０は４つの部材３８２ａ〜ｄを有しているが、４以外の数の部材３８２ａ〜ｄを使用しても良い。具体的な一実施形態では、４つの部材３８２ａ〜ｄの代わりに、ポリマ３７３の二次元変形を同一平面上でない方向３７６に変換する２つの実質的に幅広な部材を使用する。一般に、部材３８２ａ〜ｄの数が増大するにつれて、ポリマ３７３の伸張の均一性が高まり、これによってポリマ３７３の伸張配分の均一性も増大するので、性能も向上される場合が多い。
【０１２４】  ベース３８０は、外部からの機械的な取り付け部品として使用しても良い。例えば、機器３７０をアクチュエータとして使用する際に、ポリマ３７３の変形を受け取る機械的出力を、ベース３８０に取り付けて良い。同様に、機器３７０をジェネレータとして使用する際には、機械エネルギを入力する機械的入力を、ベース３８０に取り付けて良い。
【０１２５】  一実施形態では、静止位置にあるとき、ポリマ３７３が部材３８２ａ〜ｄによって予荷重を加えられているように、フレーム３７４を構成する。予荷重の組み込みは、例えば、最初から取り付けられているバネ状の可撓性材料を使用して、ポリマ３７３を剛性部材３８２ａ〜ｄのそれぞれに結合し、ポリマ３７３に二次元の予荷重力を作用させることによって行うことができる。予荷重を加えると、ポリマ３７３がプリストレインされる。つまり、フレーム３７４は、機器３７０が静止位置にある一方で、ポリマ３７３は弾性的に変形されて伸張された状態にあるように、構成される。ポリマ３７３の張力は、部材３８２ａ〜ｄを互いに近づく方向に収縮させる傾向にある。上述したように、電気活性ポリマのプリストレインは、トランスデューサとしての電気活性ポリマの性能を高める目的で使用して良い。ポリマ３７３をプリストレインしておくと、機器３７０は、ポリマ３７３に印加する作動電圧が低くても、所定の変形を得ることができる。機器３７０は、平面上では小さい有効弾性率を有することから、フレーム３７４によって提供される機械的な制約によって、機器３７０を平面内で作動させ、小さい電圧から大きい変形を得ることが可能になる。また、平面内で大きくプリストレインさせることによって、ポリマ３７３の破壊強度が増すことから、機器３７０に対し、大きい電圧および大きい変形を加えることが可能になる。
【０１２６】  機器３７０は、具体的な用途に適合させて設計して良い。例えば、複数のポリマ層およびそれにともなう電極を並列に積層させ、機器３７０の力的出力または電気的復元率を増大させて良い。
【０１２７】  別の一実施形態では、４を超える数の部材３８２を、ポリマ３７３の周囲に結合させる。また、部材３８２のそれぞれの間に、可撓性の材料を取り付けても良い。可撓性材料がベース３８０でも連続していて、使用している部材３８２が多数である場合は、カップケーキ・ライナに似た構造が得られる。ポリマ３７３に、密封する形で可撓性材料が取り付けられている場合は、この構造を、流体を閉じ込める目的で使用しても良い。可撓性材料とポリマとの組み合わせによって、流体を閉じ込めるチャンバを形成して良い。カバー内の圧力を変化させる機械的入力が外部から入力されると、ポリマ３７３は変形される。この変形は、上述したジェネレータ技術にしたがって電気エネルギを生成するために使用して良い。
【０１２８】  機器３７０は、モジュール式である。図５Ｌは、本発明による一実施形態にしたがって、機器３９０を示した側面図である。機器２９０は、図５Ｈ〜５Ｋに示した機器３７０と、ポリマ３７３の反対側に取り付けられたフレーム３９１とを備える。フレーム３７４，３９１は、相対する形で組み合わされて、機器３９０を形成している。
【０１２９】  フレーム３９１は、ベース３９３と、４つの対抗剛性部材３９２ａ〜ｄとを備える。対抗部材３９２ａ〜ｄは、ポリマ３７３の二次元方向への変形と同一平面上でない方向３９４への変形との間で変換を行う。４つの対抗部材３９２は、それぞれの近心端３９５において、ポリマ３７３の各角部分であって部材３８２ａ〜ｄとは反対の面上にある各角部分に結合されている。各対抗剛性部材３９２は、また、ベース３９３に結合された遠心端３９６ａ〜ｄを含む。部材３８２ａ〜ｄに関して上述したように、ポリマ３７３と対抗部材３９２との間の相互接続によって、同時的な機械的応答が機器３９０に提供される。この同時的な応答によって、ポリマ３７３またはその一部の二次元変形は、部材３９２ａ〜ｄの近心端３９５ａ〜ｄを平面３７２に沿って平行移動させ、部材３９２ａ〜ｄの遠心端３９６ａ〜ｄをともに同一平面上でない方向３９４へと平行移動させる。
【０１３０】  ベース３８０とベース３９３との間の距離は、ポリマ３７３の任意の部分の変形によって変化する。具体的に言うと、ポリマ３７３と部材３８２との間の相互接続に、ポリマ３７３と部材３９２との間の相互接続を結合することによって、同時的な機械的応答が機器３９０に提供される。結果として、ポリマ３７３の任意の部分の二次元変形が、ベース３８０とベース３９３との間の垂直変形を含む機器３９０の変形に変換される。例えば、電極３７５によって提供される電場の変化に応じて生じるポリマ３７３の変形によって、ベース３８０とベース３９３との間の距離が減少される。
【０１３１】  機械エネルギを電気エネルギに変換させるジェネレータとしては、スパイダ機器３９０も上手く機能する。一実施形態では、外部からの機械エネルギを使用して、ベース３８０とベース３９３との間の距離を減少させる。ベース３８０とベース３９３との間の距離を減少させると、ポリマ３７３は二次元方向に膨張する。そして、外部からの機械エネルギまたはその一部が、ポリマ３７３の弾性エネルギとして蓄えられる。外部からの機械エネルギによる変形の前または最中のどこかの時点で、比較的小さい電圧差を電極３７５の間に加える。比較的小さい電圧差を加えるのは、その結果として得られる静電力が、外部からの機械エネルギによって提供される最終的な伸張の弾性復元力と相殺し合わないようにするためである。外部からの機械エネルギを除去すると、機器３９０は、弾性的に収縮して静止位置またはその近くに達する。したがって、ベース３８０とベース３９３との間の距離が増大され、ポリマ３７３の収縮にともなってトランスデューサの電気エネルギが増大される。そして、電極３７５と電気通信関係にあるポリマ３７３の一部を使用して、ポリマ３７３の収縮から電気エネルギを生成して良い。
【０１３２】  静止位置にあるポリマを予荷重によってプリストレインする別の一実施形態では、外部からの機械エネルギを使用して、ベース３８０とベース３９３との間の距離を増大させる。この場合は、ベース３８０とベース３９３との間の距離が増大する際に、機器３９０から電気エネルギを収集する。そして、予荷重によるポリマの弾性復元を使用して、機器３９０を静止位置まで復元させて良い。
【０１３３】  ポリマ３７３が完全に収縮されたら、電荷およびエネルギの一部または全部を、電極３７５から除去することができる。あるいは、収縮の最中に、電荷およびエネルギの一部または全部を除去することができる。収縮中にポリマ３７３の電場の圧力が増大し、弾性復元力と相殺し合うようになると、途中で収縮が停止されるので、弾性機械エネルギから電気エネルギへの変換も停止される。電荷および蓄えられた電気エネルギの一部を除去すると、電場電圧が減少するので、収縮を続けさせることが可能になる。したがって、電荷の一部を除去することによって、機械エネルギから電気エネルギへの変換をさらに行うことが可能になる。ポリマ３９７，３９８の収縮にともなって、ポリマ３９７，３９８から電気エネルギが除去されると、機器３９０は、外部から機械エネルギを加えられるときまで、静止位置に向かって弾性的に復元し続ける。
【０１３４】  機器３９０の機械的結合は、機械エネルギから電気エネルギへの変換を向上させる。具体的に言うと、部材３８２，３９２によって提供されるレバーアームが比較的長い場合（静止位置にあるレバーアームが同一平面上でない方向３９４に完全ではないが、実質的に一致している場合）は、ベース３８０とベース３９３との間で生じる所定量の高さ変化に応じて生じるポリマ３７３の二次元膨張が増大される。したがって、ベース３８０とベース３９３との間で生じる変形が比較的短くても、機器３９０は外側に向かってかなり湾曲する。このように、ベース３８０とベース３９３との間の少量の収縮が、ポリマ３７３では比較的大きな膨張となって現れる。したがって、機器３９０は、機械的入力のストロークが小さいジェネレータとして使用するのに適している。あるいは、部材３８２，３９２によって提供されるレバーアームを比較的短くとり、静止位置にあるレバーアームが、同一平面上でない方向３９４に対して完全ではないが、実質的に垂直になるようにして良い。この場合は、ベース３８０とベース３９３との間の比較的大きな変形が、ポリマ３７３では小さな膨張となって現れる。したがって、機器３９０は、所望のポリマ変形よりも大きな変形を提供されるジェネレータとして使用するのに適している。したがって、部材３８２，３９２によって提供されるレバーアームを設計することによって、用途の種類および所望のポリマに応じて様々な力−ストローク入力に対応できるように、機器３９０を設計して良い。
【０１３５】  図５Ｎおよび図５Ｏは、電気エネルギと機械エネルギとの変換を行うための機器３００を、本発明による別の一実施形態にしたがって示した図である。機器３００は、電場の変化に応じて一部が変形するように構成された且つ／または変形に応じて電場の変化を生じるように構成されたポリマ３０２を備える。電極３０４は、ポリマ３０２の相対する２面に設けられ（図には手前の電極のみを示した）、ポリマ３０２のかなりの部分を覆っている。２つの剛性部材３０８，３１０は、ポリマ３０２の相対する２エッジ３１２，３１４に沿って設けられる。湾曲部分３１６，３１８は、ポリマ３０２の残りの２エッジに沿って設けられる。湾曲部分３１６，３１８は、機器３００における電気エネルギと機械エネルギとの変換を向上させる。
【０１３６】  湾曲部分３１６，３１８は、一方向へのポリマ３０２の変形を別の一方向への変形に結合する。一実施形態では、各湾曲部分３１６，３１８が、ポリマ３０２の平面内で約４５度の角度で湾曲している。ポリマ３０２の作動時において、ポリマ３０２が方向３２０に膨張すると、剛性部材３０８，３０２は、図５Ｏに示すように、互いから離れる方向に移動する。また、ポリマ３０２の方向３２２への膨張によって、湾曲部分３１６，３１８が真直ぐに伸ばされるので、剛性部材３０８，３１０は、さらに互いから離れる方向に移動する。このようにして、機器３００は、二次元方向３２０，３２２の両方へのポリマ３０２の膨張を、方向３２０への機械的な出力に結合する。
【０１３７】  一実施形態では、ポリマ３０２は、直交する方向３２０，３２２のそれぞれに、互いに異なる程度のプリストレインを有するように構成される。具体的に言うと、ポリマ３０２は、方向３２０へのプリストレインが大きく、方向３２０に垂直な二次元方向３２２へのプリストレインが小さいまたは皆無であるように構成される。この異方性のプリストレインは、湾曲部分３１６，３１８の形状寸法に対応するように構成される。
【０１３８】  機器３００の利点の１つは、全体が二次元構造であることである。機器３００の二次元構造は、製造を簡略化するだけでなく、機械的な結合を容易にし、多層設計を可能にする。例えば、剛性部材３０８，３１０を、第２の機器３００の対応部分に機械的に結合する（例えば糊付けするまたは同様に固定する）ことによって、２つの機器３００を並列に繋ぎ、機器３００を単独で使用する場合と比べて力の出力を増大させても良い。同様に、第１の機器の剛性部材３０８を第２の機器の剛性部材３１０に取り付けることによって、複数の機器を直列に繋き、機器３００を単独で使用する場合と比べて変形の出力を増大させても良い。
【０１３９】  機器３００は、電気エネルギを機械エネルギに変換させるアクチュエータとして優れた性能を有するだけでなく、ジェネレータとしての使用にも良く適している。例えば、ポリマ３０２を伸張させるのと同時にその上に電荷を置くと、機器３００の収縮によって機械エネルギが電気エネルギに変換される。次いで、電極３０４と電気通信関係にある回路が、電気エネルギを回収する。
【０１４０】６．エレクトロニクス
本発明では、トランスデューサから電気エネルギを除去できる方法で、トランスデューサに機械エネルギを加えて良い。図２Ｂに関連して説明したように、トランスデューサに機械エネルギを加え、トランスデューサから電気エネルギを除去するためには、数多くの方法が可能である。ジェネレータ機器は、これらの方法のうちの１つまたはそれ以上の方法を利用して電気エネルギを生成するように設計して良い。ジェネレータ機器から電気エネルギを生成し利用するためには、何らかのタイプの調整用エレクトロニクスが必要である。例えば、トランスデューサから電気エネルギを除去する最小限の回路が最低限必要である。さらに、別の一例として、様々な複雑度の回路を使用することによって、特定タイプのジェネレータ機器における発電の効率または発電の量を増大させたり、ジェネレータ機器の用途に対する有用度が高い値に出力電圧を変換したりして良い。
【０１４１】  図６Ａは、出力調整用エレクトロニクス６１０に接続された１つまたはそれ以上のトランスデューサ６００を示したブロック図である。出力調整用エレクトロニクス６１０の回路によって果たし得る機能は、１）昇圧回路６０２によって果たされる昇圧機能であって、トランスデューサ６００に電圧を印加する際に使用して良い機能と、２）電荷制御回路６０４によって果たされる電荷制御機能であって、サイクルの特定の時点においてトランスデューサ６００に対して電荷の出し入れを行うために使用して良い機能と、３）降圧回路６０８によって果たされる降圧機能であって、電気出力６１２への電気出力電圧を調整するために使用して良い機能と、を含むがこれらに限定されない。図６Ｂ〜６Ｅを参照にしながら、これらの機能に関して詳述する。調整用エレクトロニクス６１０は、必ずしもこれらの機能の全てを必要としない。例えば、ジェネレータ機器によっては、昇圧回路６０２を使用しなかったり、降圧回路６０８を使用しなかったり、昇圧回路と降圧回路との両方を使用しなかったりして良い。また、いくつかの回路機能を統合しても良い。例えば、１つの集積回路が、昇圧回路６０２と電荷制御回路６０８の両方の機能を果たすようにしても良い。
【０１４２】  図６Ｂは、トランスデューサ６００を利用した電気ジェネレータ６０３を、本発明による一実施形態として示した回路図である。図４Ａおよび図４Ｂに関連して説明したように、本発明によるトランスデューサは、電気的には可変コンデンサとしてふるまって良い。ジェネレータ６０３の動作を理解するためには、ジェネレータ６０３の作動パラメータを二度：ｔ1およびｔ2において比較すれば良い。どんな特定の理論に制約されることも望ましくないが、ジェネレータ６０３の電気的性能に関しては、いくつかの理論的関係が見出されている。これらの関係は、上述した機器の動作をいかように限定するものでもなく、単に例示を目的としている。
【０１４３】  第１の時点：ｔ１では、トランスデューサ６００は容量Ｃ1を有して良く、トランスデューサ６００にまたがる電圧は電圧６０１：ＶBであって良い。電圧６０１：ＶBは、昇圧回路６０２によって供給して良い。時点ｔ1より後の第２の時点ｔ2では、トランスデューサ６００は、容量Ｃ1より小さい容量Ｃ2を有して良い。一般に、ポリマトランスデューサ６００の面積が伸張された際には大きい容量Ｃ1が生じ、ポリマトランスデューサ６００の面積が収縮されたまたは弛緩された際には小さい容量Ｃ2が生じる。特定の理論に制約されることは望ましくないが、電極を有したポリマ膜の容量の変化は、容量を膜の面積、厚さ、および誘電率に関係付ける周知の式によって概算して良い。
【０１４４】  ｔ1とｔ2との間にトランスデューサ６００の容量が減少すると、トランスデューサ６００にまたがる電圧が増大される。増大された電圧は、ダイオード６１６に電流を流すために使用して良い。このようなときは、ダイオード６１５を使用し、電荷が昇圧回路に戻るのを阻止して良い。２つのダイオード６１５，６１６は、トランスデューサ６００の電荷制御回路６０４として機能するが、これは、出力調整用エレクトロニクス６１０の一部を占める（図６Ａを参照のこと）。ジェネレータ６０３および１つまたはそれ以上のトランスデューサ６００の構成によっては、より複雑な電荷制御回路を開発しても良く、図６Ｂの設計に限定されない。
【０１４５】  ダイオード６１６を流れる電流は、また、蓄積コンデンサ６１９を容量ＣSに充電するために使用したり、機器負荷抵抗６１８：ＲLによって表される何らかの機器に動力を供給するために使用したりして良い。具体的な実施形態では、この機器は、携帯電話、衛星電話、ＧＰＳレシーバを使用したナビゲーション機器、ヒータ、ラジオ、電池などの、何らかの携帯用電子機器であって良いが、これらに限定されない。電池は、携帯用電子機器に動力を供給するために使用して良い。
【０１４６】  一般に、ジェネレータは、特定の出力電圧Ｖ0で動作する。ｔ1とｔ2との間にダイオード６１６を電荷が流れないとき、ｔ2の時点でのトランスデューサ上の電圧Ｖ2は、ｔ1の時点でのトランスデューサ上の電荷Ｑ2によって次式で表される。
【０１４７】Ｖ2＝Ｑ1／Ｃ2＝Ｃ1ＶB／Ｃ2，ｗｈｅｒｅ  Ｑ1＝Ｑ2
【０１４８】  このとき、Ｃ1がトランスデューサの最大容量であってＣ2がトランスデューサの最小容量であると仮定すると、Ｖ2は、ジェネレータ６０３によって生成できる最大出力電圧に近くなる。ｔ1とｔ2との間にダイオード６１６を電荷が流れるときは、Ｑ2がＱ1より小さくなるので、電圧Ｖ2は、ｔ1とｔ2との間にダイオードを電荷が流れない場合を下回る。したがって、最大出力電圧は減少する。
【０１４９】  ＶBとジェネレータの最大出力電圧との間に、一定の作動電圧Ｖ0を仮定することによって、ジェネレータ６０３から除去される電荷を、単純に計算して良い。本発明によるジェネレータは一定の電圧値Ｖ0に限定されることはなく、この例は例示を目的として挙げたに過ぎない。例えば、ジェネレータの作動電圧が一定であり、最大出力電圧とＶBとの平均値であると仮定する。
【０１５０】Ｖ0＝１／２（Ｖ2＋ＶB）＝１／２（ＶB＋Ｃ1ＶB／Ｃ2），
ｗｈｅｒｅ  Ｑ1＝Ｑ2
【０１５１】  このとき、ｔ2でのトランスデューサ６００上の電荷Ｑ0は、Ｃ2Ｖ0＝１／２ＶB（Ｃ1＋Ｃ2）である。この例では、ｔ1とｔ2との間にダイオード６１６を通る電荷Ｑoutは、ｔ1での電荷Ｑ1とｔ2での電荷Ｑ0との差である。トランスデューサ６００の各膨張−収縮サイクルのＱoutは、次の式をもとにして計算して良い。
【０１５２】Ｑout＝Ｑ1−Ｑ0＝ＶB（Ｃ1−Ｃ2）／２
【０１５３】  トランスデューサ６００が実質的に一定の周波数ｆで動作するとき、ジェネレータ６０３によって機器負荷抵抗ＲL：６１８に供給される電流ＩLは、次のように表される。
【０１５４】ＩL＝ｆＱout＝ｆＶB（Ｃ1−Ｃ2）／２
【０１５５】  そして、負荷抵抗６１８に供給される電力ＰLは、次のように表される。
【０１５６】ＰL＝Ｖ0ＩL＝ｆＶ0ＶB（Ｃ1−Ｃ2）／２
【０１５７】  上述した例では、例示を目的として一定の周波数ｆを使用しただけであり、本発明は、一定の周波数または時間とともに変化する周波数のいずれで動作しても良い。したがって、電流ＩLも時間とともに変化して良い。例えば、踵の接地によって作動するトランスデューサを使用したジェネレータでは、トランスデューサの作動周波数ｆは、ジェネレータを利用している人の歩行状態および物理的特徴にしたがって時間とともに変化し得る。したがって、トランスデューサの作動周波数ｆは、人が走っているかあるいは歩いているかによっても変化し得る。
【０１５８】  図６Ｂでは、電荷を維持して回路を動作させるために、ＩLに等しい電流を昇圧回路６０２から流す必要がある。昇圧回路６０２は、電池のように単純であって良い。電池を使用する場合は、ＩLに等しい電流を生じる電力を、電池から供給する。電池の出力電圧がＶBを下回る場合は、電池の出力電圧をＶBまで上げるために、追加の回路（例えば昇圧回路６０２）を使用して良い。図６Ｄを参照にしながら、昇圧回路の一実施形態の詳細を説明する。
【０１５９】  図６Ｃは、トランスデューサ６００を利用した電気ジェネレータを、本発明による別の一実施形態として示した回路図である。図６Ｃの回路は、昇圧回路６０２から供給する必要がある電流の量を減少させることを目的としている。図６Ｃでは、負端子６０５に電流ＩLを流す必要がある。図６Ｃの接続図を使用すると、負端子６０５を流れる電流ＩLが、昇圧回路６０２から必要な電流の量を、図６Ｂの回路で必要な量と比べて減少させる。機器負荷抵抗ＲL：６１８に供給される電力ＰLは、図６Ｂで説明したのと同じ方法で計算して良い。しかしながら、接続図が異なるので、負荷６１８に印加される電圧ＶLは、ＶL＝Ｖ0−ＶB＝ＶB（Ｃ1／Ｃ2−１）／２に等しい。したがって、負荷に供給される電力ＰLは、次の式で表される。
【０１６０】ＰL＝ＩLＶL＝ｆＶB2（Ｃ1−Ｃ2）2／（４Ｃ2）
【０１６１】  図６Ｃの回路設計では、昇圧回路６０２で使用される電池の所要出力が減少し、ジェネレータ６０３動作時の電池の寿命が延びるという利点が得られる。
【０１６２】  具体的に言うと、図６Ｂの実施形態では、ＩLに等しい電流を昇圧回路６０２から供給するが、図６Ｃの実施形態では、トランスデューサ漏れ電流ＩDに等しい電流を昇圧回路から供給する。一般に、ＩDはＩLの１％より大幅に小さい。ＶBは両方の実施形態に共通なので、図６Ｃの昇圧回路に供給される電力は、一般に、図６Ｂの昇圧回路に供給される電力の１％より小さい。
【０１６３】  図６Ａおよび図６Ｂでは、トランスデューサ６００に印加される電圧６０１：ＶBが大きくて良い（例えば数千ボルトでも良いが、この範囲に限定されない）。高電圧電池を使用してＶBを直接供給することは、望ましくない。代わりに、低電圧電池を昇圧回路６０２とともに使用して、ＶBを供給して良い。いくつかの実施形態では、低電圧電池によって、約１〜１５ボルトの範囲の電圧を供給して良い。
【０１６４】  図６Ｄは、低電圧電池に接続され、トランスデューサ６０３にＶBを供給する昇圧回路６０２を、本発明による一実施形態として示した回路図である。変圧一次駆動回路６３０は、電気入力インターフェース６３６に接続された低電圧電池から電圧を受け取るように設計して良い。変圧一次駆動回路６３０は、一次変圧巻線６３４を動作させ、電気入力インターフェース６３６の電圧より大きい電圧を二次巻線６３５に供給する。二次巻線６３５は、ダイオード６３１，６３２を通してコンデンサ６３３を充電する。コンデンサ６３３は、ＩLに等しい電流（図６Ｃを参照のこと）が正の負荷端子６３７に流れ込んだときに電荷を蓄えるように設計して良い。コンデンサ６３３に電流が流れ込むと、ダイオード６３１，６３２はバックバイアスされるので、電荷が二次巻線６３５を流れてコンデンサ６３３から漏れ出すことはない。昇圧回路６０２の利点は、トランスデューサ６００のサイクル時に（図６Ｃを参照のこと）コンデンサ６３３を充電するのに必要な電池電力が少量のみである点にある。
【０１６５】  図６Ｅは、トランスデューサ６００を利用した電気ジェネレータ６０３を、本発明によるさらに別の一実施形態として示した回路図である。電荷制御回路６０４および昇圧回路６０２の具体的な実施形態に関しては、図６Ｂ，６Ｃ，６Ｄを参照にしてすでに説明した。図６Ｂおよび図６Ｃでは、蓄積コンデンサ６１９の電圧が大きくて良く、例えば２０００〜８０００ボルトであって良い。約５００〜２５００ボルトを超える電圧で動作する電子回路の構築は、一般に比較的困難である。例えば、降圧真空管コンポーネント（高価で壊れやすく非効率的である）を必要とする場合がある。蓄積コンデンサ６１９の作動電圧を減少させ、多くの一般的な電子機器に適合する出力電圧６６２を供給するためには、蓄積コンデンサ６１９の代わりに降圧回路６０８を使用して良い。
【０１６６】  降圧回路６０８では、蓄積コンデンサ６１９を、直列に繋がれた３つのコンデンサ６６４，６６６，６６８で置き換えている。各コンデンサは、電力変換回路６５０，６５２，６５４の１つにそれぞれ接続されている。コンデンサの数は、３に限定されない。直列に繋がれたコンデンサの数が増大するにつれて、６５０，６５２，６５４などの電力変換回路に入力される電圧は減少する。電力変換回路の所要電圧および１つまたはそれ以上のトランスデューサ６００の電圧出力に一致する入力電圧を各電力変換回路に供給するため、任意の数のコンデンサを使用して良い。電力変換回路（例えば６５０，６５２，６５４）は、適切な出力電圧を生成するように設計して良い。例えば、電力変換回路の出力電圧６６２は、３，５，１２，または１２０ボルトであって良いが、これらの値に限定されない。さらに、いくつかの実施形態では、昇圧を使用して出力電圧６６２を増大させて良い。例えば、送電には一般に高電圧が使用される。電力変換回路は、出力インターフェース６１２（図６Ａを参照のこと）に接続して良い。
【０１６７】  電力変換回路は、６０８で示したように、出力を並列に接続して上手く機能するように設計して良い。電力変換回路の設計は、当業者に周知の回路位相および回路コンポーネントを利用した従来のものであって良い。本発明によるいくつかの実施形態では、電力変換回路がそれらの入力端子と出力端子とを電気的に分離して良い。電気的な分離を提供できるものとして、様々な複雑度の各種の回路が当該分野において知られている。電気的な分離を提供できる電力変換回路の一例として、マサチューセッツ州トーントン所在のアストロダインによって製造されたモデル  ＡＰＣ−５５が挙げられる。
【０１６８】  それ以外にも、様々な種類の昇圧、降圧、電荷制御の回路が従来技術として知られており、本発明で使用するために適用して良い。既知の種類として、インダクタとトランジスタスイッチとダイオードとを利用したブースト回路およびバック回路、各種の昇圧変圧回路および降圧変圧回路、コンデンサとダイオードとを使用した昇圧用のコンデンサ型電圧増倍器などが挙げられる。
【０１６９】  また、ジェネレータ６０３は、様々なジェネレータパラメータをモニタするように設計されたセンサおよびセンサモニタ回路６０７を含んでも良い。これらの測定値は、ジェネレータの動作性能をモニタするおよび／または高めるために使用して良い。例えば、センサモニタ回路に接続されたセンサを使用して、ジェネレータ６０３の電力出力を決定して良い。別の一例として、昇圧回路６０２の電池にセンサを接続し、いつ電池が減少して取り替えが必要かを示して良い。さらに別の一例として、６００などのトランスデューサが動作したサイクルの回数を、センサおよびセンサモニタ回路で測定して良い。サイクルの回数は、機器がその作動寿命の終わりに近づいているかを示すために使用して良い。さらに別の一例として、トランスデューサ６００の変形率または変形距離を、センサおよびセンサモニタ回路によって測定し、その測定値を、６０３などのジェネレータの性能を高めるために使用される制御回路への入力として使用して良い。制御回路は、特に回路６５０，６５２，６５４の動作に対して同期化および制御を行って良い。さらに別の一例として、ジェネレータ６０３内の１つまたはそれ以上の位置における温度を、熱電対などのセンサおよびセンサモニタ回路を使用して測定して良い。さらに別の一例として、ジェネレータ６０３は、例えばエネルギ入力周波数など、エネルギジェネレータ６０３に入力される生体的力または環境的力の特徴を検出するように設計された、１つまたはそれ以上のセンサを含んで良い。入力された力から検出された特徴は、ジェネレータの性能を調整し、入力された力からより効率的にエネルギ収集できるようにするために使用して良い。本発明による機器では様々なセンサを使用して良く、上述したセンサに限定されない。
【０１７０】  センサモニタ回路は、センサモニタインターフェース６６７に対して信号を出力して良い。センサモニタインターフェース６６７は、６０３などのジェネレータのユーザによってモニタされる一定数のディスプレイを含んで良い。例えば、センサモニタインターフェースディスプレイは、ジェネレータの電力出力にしたがって起動される有色のＬＥＤを積層させたものであって良い。最大電力出力は、発光されているＬＥＤの出力の合計として表して良い。別の一例として、センサモニタインターフェース６６７の赤ライトを起動させ、昇圧回路６０２の電池が交換を必要としていることを示して良い。赤ライトは、何らかの方法で点滅しても良いし、あるいは固定していても良い。さらに別の一例として、センサモニタインターフェースの緑ライトによって、ジェネレータ６０３に接続された充電式電池が完全に充電されていることを示して良い。デジタルディスプレイなど他の多くの種類のディスプレイをセンサモニタインターフェース６６７とともに使用して良く、上述した例に限定されない。
【０１７１】  上述したように、昇圧回路６０２は電池によって動力を供給される。しかしながら、多くの用途では、この目的で電池を使用すると不都合を生じる。例えば、いくつかの実施形態では、電池を交換することが望ましくない。さらに別の一実施形態では、出力インターフェース６１２に接続された図示されない低電圧電池を、ジェネレータ６０３を使用して充電するために使用して良い。この電池は、同時に、６０２などの昇圧回路に入力電力を供給するために使用しても良い。この昇圧回路の出力は、電圧６０１：ＶBである。したがって、電池交換の頻度が大幅に減少される。
【０１７２】  コンデンサ６６４，６６６，６６８の電圧は、状況によっては互いに異なる場合があり、これは、回路故障または他の問題を生じ得る。別の一実施形態では、電力変換回路６５０，６５２，６５４のそれぞれに、入力電圧が一定の所定レベルを下回った場合に回路の動作を停止させる制御回路を含ませて良い。これは、直列に繋がれたコンデンサ６６４，６６６，６６８の電圧を等しく維持するのに役立つ。
【０１７３】  図６Ｆは、本発明によるＥＡＰ膜に対して電荷の追加および除去を行う回路７００を示した図である。回路７００は、ＥＡＰ膜上の電荷プロフィルを確立するため、すなわちＥＡＰ膜上の電荷の量を時間の関数として確立するために使用して良い。以下では、図６Ｆの回路７００の動作に関して説明する。可変コンデンサ７０２として図６Ｆに示したＥＡＰ膜は、およその「接地」状態（０Ｖと定義する）から高電圧Ｖh：７０４までの範囲で動作するが、効率を高めるためには、０ＶおよびＶｈのレールからいくらかオフセットすることが可能である。膜７０２には、漸増コンバータ（例として図６Ｄを参照のこと）を含むことができるエレクトロニクス制御サブ回路７０６を使用して、初期電荷を配置する。エレクトロニクス制御サブ回路７０６は、一般に、シングルチップコンピュータまたはマイクロコンピュータなどの論理素子を、ＥＡＰ膜７０２上で電荷制御および電圧制御の機能を実施するために含んで良い。あるいは、回路７００は、始動時には比較的低い電圧をコンデンサＣ1：７０８上に印加したうえで、上述したように、ＥＡＰ膜７０２の機械−電気変換の特性（例えば膨張ガスによって駆動される）によって電圧を増大させて良い。ＥＡＰ膜の電圧は、例えば抵抗器Ｒ：７１０を使用し、エレクトロニクス制御サブ回路７０６によってモニタすることができる。抵抗器Ｒ：７１０は、ＥＡＰ電圧をモニタするのにごく少量の電力のみを使用すれば良いように、十分に大きい抵抗を有するように選択して良い。
【０１７４】  膜上にいくらかの初期電荷が存在し、膜の電圧を０ＶからＶh：７０８の範囲にしている場合は、スイッチ７１２（通常は、図示したＦＥＴまたはＩＧＢＴなどの高速のトランジスタスイッチである）を「オン」または「導電状態」に手短に切り替えることによって、その電荷を全て接地へと放出することができる。電流は、ＥＡＰ膜７０２から接地へと流れる。スイッチ７１２が切られると、インダクタＬ1：７１４は、ダイオード７１６を通ってコンデンサＣ1：７０８の高電位側へと電荷を流す。したがって、ＥＡＰ膜７０２の電荷を放出させることによって、いくらかの電荷がＣ1：７０８に向かって押し出される。理想的な回路では、接地に流れる電荷の電圧の減少によって失われるエネルギの量が、Ｃ1：７０８に加えられるエネルギの量に等しい。スイッチ７１８を入れることによってＥＡＰ膜７０２に電荷が加えられると、Ｃ1：７０８からＥＡＰ膜７０２へと電荷が流れる。スイッチ７１８が切られると、インダクタとダイオードとの組み合わせすなわち７２０，７２２が、さらなる電荷を接地からＥＡＰ膜７０２へと引き入れる。このときも、電荷がＣ1：７０８からＥＡＰ膜７０２に流れることによって失われるエネルギの量は、電荷を接地から引き入れることによって得られるエネルギの量に等しい。ＥＡＰ膜７０２の放電および充電のいずれの場合も、電荷は、インダクタ７１４，７２０によって低電圧側から高電圧側へと流れる。つまり、放電時にはＥＡＰ膜７０２からＣ1：７０８へと、そして充電時には接地からＥＡＰ膜７０２へと流れる。したがって、ブースト回路のように、常に高電圧側へと電荷が流れる。
【０１７５】  Ｃ1：７０８にまたがって接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ７２４は、高電圧エネルギを１２ＶのＤＣ出力：７２６に変換する際に、電荷を接地へと戻す。ＤＣ−ＤＣコンバータ７２４は、Ｃ1：７０８の電圧が所望の値に到達した場合にのみ動作するように設計しても良いし、あるいは、エレクトロニクス制御サブ回路７０６によって制御し、必要な場合にのみ高電圧から低電圧への変換を開始するようにしても良い。例えば、始動時にはＣ1：７０８を比較的低電圧に充電しておさ、ポリマを適切に機械的にサイクルさせスイッチ７１２，７１８を適切に使用することによって、Ｃ1：７０８の電圧を高いレベルに到達させて良い。初期の充電プロセス中は、Ｃ1：７０８のエネルギが初期の低電圧レベルから最適なレベルへと構築されるのを可能にするため、ＤＣ−ＤＣコンバータ７２４による変換は行われない。
【０１７６】  ＥＡＰ膜７０２が、固定コンデンサのような純粋な受動素子である場合は、回路７００は、電気エネルギを動かすにすぎない。しかしながら、ＥＡＰ膜７０２は、受動素子ではなく可変コンデンサである。したがって、電荷の移動のタイミングを計ることによって、サイクルごとに、ＥＡＰ膜７０２からコンデンサＣ1：７０８へのエネルギの純移動が生じる。平均すると、電荷はそれが加えられたときよりも高い電圧でＥＡＰ膜７０２から除去されるので、最終的なエネルギの差はＣ1：７０８である。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ７２４は、適切な率でエネルギを除去することによって、Ｖh：７０４が任意の高電圧まで増大して電気破壊を生じるのを阻止する必要がある。電気破壊を阻止できる適切なエネルギ除去率は、回路へのフィードバック（ＤＣ−ＤＣコンバータ７２４の中に内在させても良いし、ＤＣ−ＤＣコンバータ７２６への制御線を追加で設けてエレクトロニクス制御サブ回路７０６によって制御しても良い）によって実現して良い。
【０１７７】  図６Ｆに示したスイッチ７１２，７１８は、次のように設計または構成して良い。スイッチ７１６は、ソースが接地されているので、簡単な設計を使用して良い。したがって、エレクトロニクス制御回路７０６は、スイッチ７１２を容易に直接切り替えることができる。一方で、スイッチ７１８は高電圧でフローティングするので、一般に、制御回路から分離する必要がある。図６Ｆでは、この機能のために小型の分離変圧器７２８を使用しているが、容量結合および光遮断器など従来技術において既知の他の技術を適切な回路とともに使用することもできる。
【０１７８】  回路７００では、必要に応じ、負のバイアス電圧を追加のコンデンサとともに組み込んで良い。なお、図６Ｆの回路では、充電制御の中に昇圧機能がすでに組み込まれている。回路の初期充電がなされると、電荷が連続的にＶh：７０４へと流れる。そして、ＥＡＰ膜７０２を通して生じる少量の漏れ電流によって、サイクルごとにＶh：７０４に流れる電荷の量が、漏れを生じない場合と比べて僅かに減少する。
【０１７９】７．生体によって動力を供給されるジェネレータ
図７Ａおよび図７Ｂは、本発明による踵接地ジェネレータ５０５の一実施形態を示した上面図および側面図である。図７Ａは、履物の踵５００に組み込まれたジェネレータ機器５０５の上面図である。履物は、踵５００を取り付けられた靴、ブーツ、サンダル、ソックス、または任意の他のタイプのフットカバーであって良い。踵５００は、取り外し可能な形で履物に取り付けて良い。したがって、履物に取り付けた第１の踵を取り外し、第２の踵と交換して良い。踵５００は、履物に対する取り付けおよび取り外しを容易に行えるように、履物に固定するための取り付け手段を含んで良い。
【０１８０】  湿気が踵接地ジェネレータ５０５に浸入するのを防ぐため、踵５００は、防水材料で構成して密封して良い。また、踵接地ジェネレータ５０５も防水性にして良い。踵接地ジェネレータは、１つまたはそれ以上のＥＡＰトランスデューサ５２０を取り囲んだハウジング５１０と、伝達機構５５５（図７Ｂを参照のこと）と、出力調整用エレクトロニクス（図示せず）とを含んで良い。出力調整用エレクトロニクスは、図６Ａ〜６Ｅを参照にして説明したように本発明とともに使用して良く、何らかの方法でハウジング５１０に組み込んで良い。出力調整用エレクトロニクスは、電荷制御回路と、昇圧回路と、降圧回路とを含んで良い。
【０１８１】  ジェネレータ５０５は、複数の円筒形アパチャ５２０を有した格子板５１５を含む。アパチャ５２０の数、サイズ、および形状は、可変であって良い。例えば、一部が楕円形であって一部が円形であっても良い。アパチャのサイズ、形状、および数は、履物を装着している人の大きさなどの複数のパラメータにしたがって、ジェネレータの性能を最適化するように、設計または構成して良い。
【０１８２】  図７Ｂは、履物の踵に組み込まれたジェネレータ機器を、本発明による一実施形態として示した側面図である。靴５００の踵に格子板５１５を固定し、ＥＡＰ膜５６２を伸張させて格子板５１５の底面に取り付ける。ＥＡＰ膜５６２は、第２の板５１６によって格子板５１５に取り付けて良い。ＥＡＰ膜５６２と、格子板５１５と、第２の板５１６との間での取り付け手段は、糊、エポキシ、ネジ、ボルト、およびこれらの組み合わせを含んで良いが、これらに限定されない。格子板５１６の下部には、流体で満たされた容器を固定して良い。一実施形態では、流体で満たされた容器５５５は可撓性のベローズ５５５である。ベローズ５５５は、ステンレス鋼、アセタール（デルリンとして知られる）、ナイロン、ポリカーボネート、およびＡＢＳなどの材料から構築して良い。他の実施形態では、流体で満たされた容器はブラダまたは薄膜であって良い。容器の中の流体５６４は、液体、ゲル、またはガスであって良い。本発明で利用して良い流体５６４の例として、作動油（ポンプ作動液）、空気、および水が挙げられる。
【０１８３】  ベローズ５５５は、人の二足歩行中に力５５２，５５４が踵５００に加わると収縮し、これらの力が除去されると非収縮するように設計される。踵５００の側壁は、湾曲する、撓む、または圧縮してベローズの収縮を可能にするように設計される。ストローク距離は、力が加えられたときと力が取り除かれたときとの間にベローズが移動する距離に対応し、ベローズ５５５の収縮距離と非収縮距離とを含む。ストローク距離は、一歩ごとに異なって良く、約１ｍｍから１０ｍｍの範囲で良い。ベローズ５５５は、ベローズ５５５の最大収縮距離に制約を加える支持部材５５６を含んで良い。
【０１８４】  ベローズ５５５が収縮すると、流体５６４によってＥＡＰ膜５６２が変形され、複数のダイヤフラム（図５Ａを参照のこと）としての複数のアパチャ５２０に食い込む。ベローズ５５５が収縮するとき、複数のアパチャ５２０の各ダイヤフラムの変形量は様々であって良い。力５５２，５５４の減少または除去にともなってベローズ５５５が非収縮するとき、ＥＡＰ膜５６２は弛緩して良い。ＥＡＰ膜５６２の変形およびそれに続く弛緩は、電気を生成するために使用して良い（例として図２Ｂを参照のこと）。一歩ごとに収集される電気の量は、その人の体重、歩き方、快適度、そして機器の設計などに依存し、約０．１Ｊから５．０Ｊの範囲であって良い。ポリマ１ｇあたりから収集される電気エネルギは、１ｇあたり約２Ｊを上回って良い。
【０１８５】  力５５２，５５４は、踵５６０の上面および下面に対して垂直に示されている。しかしながら、本発明は、踵の表面に対して垂直な力５５２，５５４に限定されない。歩行中は、踵の表面に対する力５５４の角度が変動し、力が踵５６０の上面および下面に不均一に分配される。
【０１８６】  本発明による履物ジェネレータは、履物の踵に設けられたトランスデューサに限定されない。トランスデューサは、例えば爪先など、二足歩行時に足の接地によって直接力を受ける、履物表面上の任意の場所に設けて良い。さらには、慣性力から電気を生成するトランスデューサを使用して良い。これらのトランスデューサを履物の様々な位置に固定し、二足歩行中の足の運動をもとにしてエネルギを収集して良い。また、履物とともに使用される中敷などの機器の中に、履物ジェネレータを組み込んでも良い。
【０１８７】  図８は、本発明による一実施形態として自己充電式電池４５０を示した側面図である。自己充電式電池４５０は、ハウジング４５２に包まれた慣性質量４５６を含む。慣性質量４５６は、何らかの充電式電池であって良い。慣性質量４５６は、慣性質量４５６が受け取る何らかの慣性力に応じ、方向４６４に沿って前後に移動して良い。慣性質量４５６がＥＡＰ膜４５９に向かって移動するときは、流体４６２は、ＥＡＰ膜４５９の１つまたはそれ以上の部分を方向４６０に変形させ、ＥＡＰ膜４５３の１つまたはそれ以上の部分を弛緩させる。慣性質量４５６がＥＡＰ膜４５３に向かって移動するときは、流体４６６は、ＥＡＰ膜４５９の１つまたはそれ以上の部分を方向４５１に変形させ、ＥＡＰ膜４５９の１つまたはそれ以上の部分を弛緩させる。そして、ＥＡＰ膜４５３，４５９が変形を繰り返すのをもとにして、調整用エレクトロニクス４５８によって電気を収集して良い。電気は、電池４５６に蓄えて良い。挿入部４５４は、電池４６４が方向４６４に上下に摺動することを可能にし、流体４６６が流体４６２と混ざり合うことを阻止し、そして、電池４６４に電力を蓄えることまたは電池４６４から電力を引き出すことを可能にする電気接点を含んでいて良い。
【０１８８】  慣性力は、生体源または環境源から生成して良い。例えば、生体エネルギ源としては、本発明による自己充電式電池４５０を含んだ首輪を犬または猫に装着させて良い。電池４５６は、犬または猫が動き回るとともに充電される。電池は、首輪に設けられたロケータビーコンなどの電子機器に電力を供給するために使用して良い。環境源の一例として、波の運動をもとにして慣性力を生成して良い。例えば、４５０などの本発明によるジェネレータを、救命ボート、救命胴衣、または救命スーツなどに含ませて良い。波の運動によって慣性力が生成され、それをジェネレータ４５０によって電気に変換し、そしてそれを電池４６４に蓄えて良い。電池から得られる電力は、ロケータビーコン、通信機器、ライト、ヒータなどの１つまたはそれ以上の携帯用電子機器を作動するために使用して良い。
【０１８９】８．結論
本発明は、いくつかの好ましい実施形態に即して説明されており、簡単のために省略したが、本発明の範囲内の変更、置換、等価物が存在する。例えば、本発明は、様々な多数の応用材料の電極に即して説明されたが、本発明は、これらの材料に限定されず、空気を電極として備える場合もある。さらに、本発明は、特定の性能範囲を持ついくつかの好ましいポリマの材料および形状寸法に即して説明されたが、本発明は、これらの材料および形状寸法に限定されず、挙げられた範囲外の性能を持つ場合もある。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項を参照して決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  生体によって生成されるエネルギを収集するためのジェネレータ機器を示したブロック図である。
【図２Ａ】  人の二足歩行中に生成される複数の直接力および慣性力を示したブロック図である。
【図２Ｂ】  電気活性ポリマトランスデューサを利用したジェネレータからエネルギを収集するサイクルを示した図である。
【図３Ａ】  本発明による伝達継手機構の実施形態を示した側面図である。
【図３Ｂ】  本発明による伝達継手機構の実施形態を示した側面図である。
【図３Ｃ】  本発明による伝達継手機構の実施形態を示した側面図である。
【図４Ａ】  電圧を印加される前および後におけるトランスデューサを、本発明による一実施形態にしたがって示した斜視図である。
【図４Ｂ】  電圧を印加される前および後におけるトランスデューサを、本発明による一実施形態にしたがって示した斜視図である。
【図４Ｃ】  複数のアクティブ領域を備えたモノリシックトランスデューサを、本発明による一実施形態にしたがって示した図である。
【図４Ｄ】  対称的に配置された複数のアクティブ領域を備えた機器を、本発明による具体的な一実施形態にしたがって示した図である。
【図５Ａ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行うモノリシックトランスデューサを備えた機器を、本発明による別の一実施形態にしたがって示した図である。
【図５Ｂ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行うモノリシックトランスデューサを備えた機器を、本発明による別の一実施形態にしたがって示した図である。
【図５Ｄ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う機器の作動前における状態を、本発明による具体的な一実施形態にしたがって示した図である。
【図５Ｅ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う機器の作動後における状態を、本発明による具体的な一実施形態にしたがって示した図である。
【図５Ｆ】  複数のポリマ層を含んだトランスデューサを、本発明による一実施形態にしたがって示した横断面図である。
【図５Ｇ】  人工筋肉の一例としての積層形の多層デバイスを、本発明による一実施形態にしたがって示した図である。
【図５Ｈ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う三次元機器を、本発明による一実施形態にしたがって示した上面図である。
【図５Ｉ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う三次元機器を、本発明による一実施形態にしたがって示した側面図である。
【図５Ｊ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う三次元機器を、本発明による一実施形態にしたがって示した上面図である。
【図５Ｋ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う三次元機器を、本発明による一実施形態にしたがって示した側面図である。
【図５Ｌ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う三次元機器を、本発明による一実施形態にしたがって示した側面図である。
【図５Ｎ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う機器を、本発明による別の一実施形態にしたがって示した図である。
【図５Ｏ】  電気エネルギと機械エネルギとの変換を行う機器を、本発明による別の一実施形態にしたがって示した図である。
【図６Ａ】  調整用エレクトロニクスに接続されたトランスデューサを示したブロック図である。
【図６Ｂ】  トランスデューサを利用した電気ジェネレータを、本発明による一実施形態として示した回路図である。
【図６Ｃ】  トランスデューサを利用した電気ジェネレータを、本発明による別の一実施形態として示した回路図である。
【図６Ｄ】  本発明による一実施形態として昇圧回路を示した回路図である。
【図６Ｅ】  トランスデューサを利用した電気ジェネレータを、本発明によるさらに別の一実施形態として示した回路図である。
【図６Ｆ】  本発明によるＥＡＰ膜に対して電荷の追加および除去を行う回路を示した図である。
【図７Ａ】  履物の踵に組み込まれたジェネレータ機器を、本発明による一実施形態として示した上面図である。
【図７Ｂ】  履物の踵に組み込まれたジェネレータ機器を、本発明による一実施形態として示した側面図である。
【図８】  本発明による一実施形態として自己充電式の電池を示した側面図である。
【符号の説明】１００…トランスデューサ部分
１０２…ポリマ
１０４…トップ電極
１０６…ボトム電極
１０８，１１０…二次元方向
１３０…モノリシックダイヤフラム機器
１３１…モノリシックポリマ
１３１ａ，１３１ｂ…ポリマ部分
１３２…フレーム
１３３ａ，１３３ｂ…アパチャ
１３４ａ，１３４ｂ…電極
１３６ａ，１３６ｂ…電極
１４３…方向
１５０…モノリシックトランスデューサ
１５１…電気活性ポリマ
１５１ａ，１５１ｂ…ポリマの一部
１５１ｃ…ポリマの上面
１５１ｄ…ポリマの底面
１５２ａ，１５２ｂ…アクティブ領域
１５４ａ…トップ電極
１５４ｂ…ボトム電極
１５６ａ…トップ電極
１５６ｂ…ボトム電極
１６０…モノリシックトランスデューサ
１６１…ポリマ
１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄ…ポリマの部分
１６２ａ，１６２ｂ，１６２ｃ，１６２ｄ…アクティブ領域
１６３…中央部分
１６４ａ，１６４ｂ，１６４ｃ，１６４ｄ…トップ電極およびボトム電極
１６７…剛性フレーム
１６８…剛性部材
１６９…環状経路
２３０…直線運動機器
２３１…ポリマ
２３２…剛性部材
２３３…ポリマの長さ
２３４…ポリマの幅
２３５，２３６…方向
２４０…多層機器
２４１…プリストレインドポリマ
２４２…剛性フレーム
２４３，２４４…電極
２４５…積層形の多層機器
２４６…ポリマ層
２４７…接着層
２４８，２４９…電極
２５０…剛性プレート
２５１…穴
３００…機器
３０２…ポリマ
３０４…電極
３０８，３１０…剛性部材
３１２，３１４…エッジ
３１６，３１８…湾曲部分
３２０，３２２…二次元方向
３７０…三次元機器
３７２…ポリマ平面
３７２ａ，３７２ｂ…二次元方向
３７３…ポリマ
３７４…フレーム
３７５…電極
３７６…非共平面方向
３８０…ベース
３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ，３８２ｄ…剛性部材
３８３ａ，３８３ｂ，３８３ｃ，３８３ｄ…近心端
３８４…遠心端
３８５…垂直高さ
３９０…スパイダ機器
３９１…フレーム
３９２ａ，３９２ｂ，３９２ｃ，３９２ｄ…対抗剛性部材
３９３…ベース
３９４…同一平面上でない方向
３９５ａ，３９５ｂ，３９５ｃ，３９５ｄ…対抗剛性部材の近心端
３９６ａ，３９６ｂ，３９６ｃ，３９６ｄ…対抗剛性部材の遠心端
３９７，３９８…ポリマ
４００…二足歩行中の人
４０２…頭の上下動
４０４，４１６，４１８…直接力
４０５…重心
４０６…腕の振り
４１０…足の上下動
４１４…足の振り
４０８，４１２，４２０…ウェッビング
４２２…地面
４５０…自己充電式電池
４５２…ハウジング
４５３，４５９…ＥＡＰ膜
４５４…挿入部
４５６…慣性質量
４５８…調整用エレクトロニクス
４６０…方向
４６２，４６６…流体
４６４…方向，電池
４７０…伝達機構
４７１，４７２…電気活性ポリマ膜
４７３…慣性質量
４７４…ハウジング
４７５…人の腕
４８０…伝達機構
４８１，４８２…電気活性ポリマ膜
４８３…支持部材
４８４…ハウジング
４８５…直接力
４９０…伝達機構
４９１…流体
４９２…モノリシックポリマ膜
４９３…支持部材
４９４…ハウジング
４９５…直接力
５００…生体によって動力を供給されるジェネレータ機器
５０１…機械的作用
５０５…伝達継手機構
５１０…トランスデューサ
５１５…調整用エレクトロニクス
５１６…収集された電気エネルギ
５００…履物の踵部分
５０５…踵接地ジェネレータ
５１０…ハウジング
５１５…格子板
５１６…第２の板
５２０…ＥＡＰトランスデューサ，アパチャ
５５２，５５４…力
５５５…伝達機構，ベローズ
５５６…支持部材
５６２…ＥＡＰ膜
５６４…流体
６００…トランスデューサ
６０１…トランスデューサにまたがる電圧
６０２…昇圧回路
６０３…電気ジェネレータ
６０４…電荷制御回路
６０５…負端子
６０７…センサモニタ回路
６０８…降圧回路
６１０…出力調整用エレクトロニクス
６１２…電気出力
６１５，６１６…ダイオード
６１８…機器負荷抵抗
６１９…蓄積コンデンサ
６３０…変圧一次駆動回路
６３１，６３２…ダイオード
６３３…コンデンサ
６３４…一次変圧巻線
６３５…二次巻線
６３６…電気入力インターフェース
６３７…正の負荷端子
６５０，６５２，６５４…電力変換回路
６６２…出力電圧
６６４，６６６，６６８…コンデンサ
６６７…センサモニタインターフェース
７００…回路
７０２…可変コンデンサとしてのＥＡＰ膜
７０４…高電圧Ｖh
７０６…エレクトロニクス制御サブ回路
７０８…コンデンサ
７１０…抵抗器
７１２，７１８…スイッチ
７１４，７２０…インダクタ
７２２…ダイオード
７２４…ＤＣ−ＤＣコンバータ
７２６…ＤＣ出力
７２８…分離変圧器
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図５Ｉ】
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【図５Ｊ】
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【図５Ｋ】
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【図５Ｌ】
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【図５Ｎ】
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【図５Ｏ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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