(57)【要約】生理学的センサ装置は、ヒト組織受容面に対する生理学的検知面の自動調整を提供する。装置は、重ね合わされた作動信号及びＡＣ検知信号の印加により同時に作動及び圧力検知を行うよう動作可能な電気活性高分子（ＥＡＰ）構造体を含む。作動は、組織受容面に対する検知面のポジショニングの制御された調整を可能にする。検知は、受容面によって検知面に加えられる復旧力の大きさの同時の実時間測定又は指標を提供する。この復旧力は、検知面のポジショニングの状態に関するフィードバックを提供する。コントローラは、検知データに応じて作動信号を調整してリアルタイムで検知面のポジショニングを調整するよう構成される。
2019532698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの生理的パラメータを測定し、且つ、ヒト組織受容面に対する検知面のポジショニングを制御する生理学的センサ装置であって、
前記検知面と、
電気信号の印加に応答して変形して前記検知面のポジショニングを操作するよう構成される電気活性高分子構造体と、
コントローラと
を有し、
前記コントローラは、
重ね合わされた作動信号及びＡＣ検知信号から成る電気信号を前記電気活性高分子構造体へ供給し、前記作動信号が、前記受容面へ作動力を加えるよう前記電気活性高分子構造体の変形を活性化して前記検知面を操作するための信号であり、前記ＡＣ検知信号が、圧力検知を助けるための信号であり、前記電気活性高分子構造体の共振又は反共振周波数のどちらかの高調波に属するＡＣ周波数を有し、
時間にわたって前記電気活性高分子構造体によって示されるインピーダンスをモニタして、時間にわたって前記受容面によって前記電気活性高分子構造体に及ぼされる復旧力の指標を供給し、
前記モニタされたインピーダンス及び／又は前記復旧力に応じて前記供給される作動信号の大きさを調整して、前記受容面に対する前記検知面のポジショニングを調整する
よう構成される、
センサ装置。
【請求項２】
前記コントローラは、前記受容面に対して加えられる定常作動力を維持するために及び／又は前記検知面に加えられる定常復旧力若しくはその成分を維持するために、前記作動信号の大きさを調整するよう構成される、
請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記コントローラは、前記検知面と前記受容面及び／又は前記受容面の下にある点若しくは物体との間の定常相対距離を維持するために、前記作動信号の大きさを調整するよう構成される、
請求項１又は２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記コントローラは、下降若しくは上昇するインピーダンス値に応答して前記作動信号の大きさを減らすよう、及び／又は上昇若しくは下降するインピーダンス値に応答して前記作動信号の大きさを増やすよう構成される、
請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記コントローラは、インピーダンス値が定義された閾値を下回ること若しくは上回ることに応答して前記作動信号の大きさを減らすよう、及び／又はインピーダンス値が定義された閾値を上回ること若しくは下回ることに応答して前記作動信号の大きさを増やすよう構成される、
請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記受容面の固有弾性によって及ぼされる力を表す反力成分、及び／又は１つ以上の生理現象の結果として及ぼされる力を表す生理的成分を取り出すために、前記モニタされたインピーダンス値にフィルタをかけるよう構成されるフィルタ回路を更に有し、
任意に、前記生理的成分は、血圧及び／又は心臓血管脈波に関連する力を表す、
請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記コントローラは、前記モニタされたインピーダンス値の前記反力成分又は前記生理的成分のどちらかに応じて前記作動信号の大きさを調整するよう構成される、
請求項６に記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記検知面は、前記電気活性高分子構造体の表面であるか、あるいは、
前記検知面は、前記電気活性高分子構造体との機械的な連携において配置され、１つ以上の生理的パラメータを測定するよう構成される更なる検知コンポーネントの表面である、
請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項９】
前記コントローラは、定義された期間にわたって大きさが徐々に低下する作動信号を印加するよう構成され、更には、前記期間にわたって前記モニタされたインピーダンス値を処理して、時間にわたる該値の振動性変化を検出及び測定するよう構成され、該変化は、血圧によって引き起こされる血管壁の振動を示す、
請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１０】
当該装置は、電気活性高分子構造体のアレイを有し、該電気活性高分子構造体の夫々は、各々の検知面を操作して前記受容面上の各々の点で力を加えるよう、且つ、該点で前記受容面によって及ぼされる復旧力を測定するよう前記コントローラによって独立して制御可能である、
請求項１乃至９のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１１】
前記電気活性高分子構造体及び／又は前記コントローラは、前記受容面の領域への適用のために可撓キャリアに取り付けられる、
請求項１乃至１０のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１２】
前記電気活性高分子構造体へ及び／又は前記受容面へ機械的に固着され、前記コントローラと電気的に結合された圧電材料の層を更に有し、該層は、前記受容面によって該層に及ぼされる印加力を測定するよう動作する、
請求項１乃至１１のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１３】
前記電気活性高分子構造体は、リラクサ強誘電性高分子を有する、
請求項１乃至１２のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１４】
前記検知信号の大きさは、前記作動信号の大きさの１０パーセントよりも小さく、望ましくは１パーセントよりも小さい、
請求項１乃至１３のうちいずれか一項に記載のセンサ装置。
【請求項１５】
ヒト組織受容面に対する検知面のポジショニングを最適化するよう生理学的検知装置を調整する方法であって、前記装置が、前記検知面と、電気信号の印加に応答して変形するよう構成される電気活性高分子構造体とを有する、前記方法において、
重ね合わされた作動信号及びＡＣ検知信号から成る電気信号を前記電気活性高分子構造体へ供給することであり、前記作動信号が、前記受容面へ作動力を加えるよう前記電気活性高分子構造体の変形を活性化して前記検知面を操作するための信号であり、前記ＡＣ検知信号が、圧力検知を助けるための信号であり、前記電気活性高分子構造体の共振又は反共振周波数のどちらかの高調波に属するＡＣ周波数を有する、前記供給することと、
時間にわたって前記電気活性高分子構造体によって示されるインピーダンスをモニタして、時間にわたって前記受容面によって前記電気活性高分子構造体に及ぼされる復旧力の指標を供給することと、
前記モニタされたインピーダンスに応じて前記供給される作動信号の大きさを調整して、前記受容面に対する前記検知面のポジショニングを調整することと
を有する方法。
【請求項１６】
コンピュータ可読コードを記録しているコンピュータ可読媒体を有するコンピュータプログラム製品であって、
前記コンピュータ可読コードは、適切なコンピュータ又は処理ユニットによる実行時に、該コンピュータ又は処理ユニットに、請求項１５に記載の方法を実行させる、
コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生理的パラメータを測定する装置及び方法に関し、特に、ヒト組織受容面に対する検知面のポジショニングを最適化するよう構成された装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイタルサインの測定は、メンタルヘルスのモニタリングにおいて及び潜在的な内科病理を検出することにおいて中心的重要性を持つ。バイタルサインは、人体の最も基本的な機能の指標である。体温及び呼吸数（呼吸率）に加えて、医療専門家によって定期的にモニタされるおそらく最も重要なバイタルサインは、脈拍数及び血圧である。それらは、医療機関で、家で、救急の現場で、又は他の場所で測定され得る。設定及び環境にかかわらず、信頼性及び正確性をもってそれらを測定する能力は、従って、非常に重要である。
【０００３】
バイタルサインに加えて、例えば、脳に関連したＥＥＧ（脳波記録）、心臓に関連したＥＣＧ（心電図）、及びＳｐＯ２（末梢酸素飽和度）のような、他のより複雑な生理的身体パラメータが、人体及びその機能性に関するより詳細な情報を得るために、専門的な医療分野でしばしば必要とされる。
【０００４】
一連の手段は、それらの様々なバイタルサイン及び生理的パラメータの指標を得るために存在する。典型的に、それらは、電気、光／視覚、機械、又は音響領域のうちの１つ以上で行われる測定から得られる。しばしば、測定原理は、得られる結果の精度及び品質を改善するよう組み合わされることがある。それらの測定を行うことは、多種多様な専用の、しばしば特殊化されたセンサ又は測定デバイスを用いて達成される。
【０００５】
１つの、特に一般的なタイプのデバイスは、フォトプレチィスモグラフィ（ＰＰＧ）法を使用する。これは、全身で示される心臓血管脈波を測定するための電気光学技術である。それは、動脈血液量における周期脈動によって引き起こされ、これが誘発する光吸収の必然の変化によって測定される。ＰＰＧ測定デバイスは、典型的に、光源（通常は、赤外線ＬＥＤ）と、反射又は透過光を検出するフォトダイオード検出器と、信号回復／プロセッサ／表示システムとから成る。ＰＰＧは、脈拍、末梢かん流、脈動的動脈血液量、非脈動的動脈血液量、並びに静脈及び毛細血管の血液量又は流量を含め、単一デバイスを用いて取得される多数のバイタルサインの測定を可能にするので、それは人気のある技術である。
【０００６】
一連のデバイスで実装される他の非常に一般的なアプローチは、トノメトリ（tonometry）法である。トノメトリは、血圧の測定を可能にし、そして、光刺激の適用を伴わない。方法は、浅腹壁動脈を隣接する骨に押し付けるように浅腹壁動脈の壁に直交に印加される制御された力に基づく。これは、動脈の局所的な圧迫をもたらし、その場合に、力センサが接触点での圧力を測定するために用いられる。接触点は、心周期にわたって保たれ、そして、最良の結果のために、印加される（咬合）力は、脈圧波の変化する位相と並行して変化すべきである。
【０００７】
図１は、動脈圧平トノメトリの原理を説明する。この原理において、動脈１２は、円筒形の薄壁管としてモデル化される。測定の位置で、圧力センサ１４は、動脈１２に圧力を加え、動脈を部分的に平らにする。動脈の経壁圧（Ｐｔ）は、動脈の内圧（Ｐｉ）と、動脈に加えられている外圧（Ｐｅ）との間の差に等しい（Ｐｔ＝Ｐｉ−Ｐｅ）。ラプラスの法則に従って、円筒形の薄壁管の壁の張力（Ｔ）は、経壁圧（Ｐｔ）、壁の厚さ（μ）及び壁の湾曲の半径（ｒ）によって決定される：
Ｔ＝Ｐｔｒ／μ        （１）
経壁圧は、従って：
Ｐｔ＝Ｐｉ−Ｐｅ＝μＴ／ｒ        （２）
と表され得る。
【０００８】
圧力センサ１４が動脈壁に圧力を加える場合に、動脈１２は部分的に平らにされ、結果として、動脈壁の湾曲の半径（ｒ）は、事実上無限に近似され得る。式（２）から分かるように、ｒが無限に近づくにつれて、Ｐｔはゼロに近づき、従って、動脈の内圧は、動脈が平らにされる場合に、圧力センサによって測定される外圧と等しく近似され得る。
【０００９】
図１は、骨１６に対して平らにされる動脈１２を示す。動脈は、部分的にのみ平らされている。動脈の内腔を完全に閉じることは必要でも望ましくもない。この部分的に平らにされた状態になると、圧力センサ１４によって動脈壁に加えられた外圧は、動脈の内圧とほぼ等しいと見なすことができる。従って、圧力センサ１４の出力は、被験者の血圧を反映していると見なすことができる。
【００１０】
測定アプローチ及び測定されるパラメータに応じて、生理的パラメータセンサは、多種多様な構成においてユーザに取り付けられ得る。特に、被験者に対する取り付けられた生理的パラメータセンサの位置は、測定されるパラメータ、生理的パラメータセンサのタイプ、及び／又は生理学的検知が行われる状況に従って様々であり得る。いくつかの場合に、生理的パラメータセンサは、ユーザの身体と接しているべきである。他の場合では、生理的パラメータセンサは、被験者の身体から離れているべきである。
【００１１】
そのようなセンサに関する重大な困難は、生理的パラメータセンサとユーザの身体との間の接触圧又は分離が一定レベルに保たれることを確実にすることである。これは、生理学的検知の間に得られる信号が、ユーザに対するセンサのポジショニングによって影響を及ぼされるからである。いわゆる‘動きアーチファクト’は、センサが皮膚に対して動かされる場合に生じる可能性があり、これは、得られた測定結果に有意な不正確さをもたらす可能性がある。
【００１２】
例えば、ＰＰＧモニタリングにおいて、光センサと皮膚との間の定常距離は、センサ信号の最適安定性のために望ましい。超音波トランスデューサパッチの場合に、皮膚との良好な接触は、高品質の画像にとって必須である。同様に、ＥＣＧモニタリングデバイスの電極は、接触圧に敏感である。
【００１３】
トノメトリの場合に、動脈の中心に対するトノメータのポジショニングも非常に重要である。正確な配置と不正確な配置との間の差は、ミリメートルの大きさであり得る。センサ配置が不正確である場合には、それは、得られた血圧測定に非線形性をもたらす可能性がある。トノメトリはまた、動きにも大いに敏感であるから、静止ポジショニングが重要である。その上、トノメトリ法において動脈壁に加えられる圧力は、極めて正確に制御されなければならない。これは、小さすぎると不正確な測定をもたらす可能性があり、大きすぎると動脈を一度に閉じて、局所貧血のリスクをもたらす可能性があるからである。
【００１４】
従って、多くの場合に、検知デバイスは、不測の動きによって引き起こされる問題を確実に且つ正確に防止又は是正する手段から恩恵を受けるであろう。好ましい手段は、潜在的な動きアーチファクトに対する補償を可能にするよう、リアルタイムで、皮膚に対するセンサ位置の信頼できる正確な再調整を可能にしたものであろう。
【００１５】
不測の動きに対する補償を可能にするよう１つ以上のメカニトロニックアクチュエータを検知デバイスに組み込むことが提案されてきた。斯様なアプローチはまた、測定プロセス自体を支援又は改善するよう、特定の刺激圧力又は力が皮膚に又はセンサに加えられることを可能にするという利点を与える。特定の圧力は、特定の相互作用又は反応を促すよう身体上の点に加えられてよい。次いで、特定の相互作用又は反応は、何らかの生理的パラメータの直接的な指標を提供するよう、あるいは、パラメータの代理的指標を提供するよう、検知され得る。例えば、トノメトリの場合に、アクチュエータの組み込みは、手動によるのとは対照的に、動脈の最初の平坦化が機械的に行われることを可能にする。
【００１６】
更に、電気、光／視覚又は機械信号が測定される必要がある如何なる場合においても（例えば、血圧、心拍又はＳｐＯ２の場合）、検知素子が皮膚に適用される力及びポジショニングは、多くの場合に、誤った結果を回避するために相当に正確に行われなければならない。
【００１７】
米国特許出願公開第２００８／００３３２７５号（特許文献１）には、被験者に対するセンサモジュールの再ポジショニングを可能にするための電気機械アクチュエータの使用が開示されている。斯様なアプローチは、動きアーチファクトを補償することに関していくらかの利点を提供し、一方で、それは、多数の有意な欠点を持っている。特に、電気活性アクチュエータは、一般に、それらの動き及びポジショニングに関して利用可能な制御の程度において限られた精度を提供する。これは、それらが、一般に、それらの作動範囲に関して固有のフィードバックを提供する如何なる手段も欠いているからである。特に、トノメトリ用途についての、他の困難は、電気機械アクチュエータ及び圧力センサ（図１中の１４）の位置が同じでなく一致しないことである。それら２つは、お互いに横方向にずれている。結果として、動脈圧Ｐｉの正確な測定が妥協されることになるか、あるいは、動脈の平坦化が完全には均一でないことになる。電気機械ソリューションもまた、概して大きいフォームファクタ、高いノイズレベル、及び高いエネルギ消費量により不満足である。
【００１８】
被験者の身体に対する１つ以上の測定コンポーネントの操作を可能にするよう電気活性高分子に基づくアクチュエータを生理学的検知デバイスに組み込むことが提案されてきた。しかし、既知のアプローチは多数の改善（フォームファクタ、ノイズ、エネルギ消費、信頼性及び応答速度を含む。）を提供するが、一方で、それらは依然として、アクチュエータの正確なポジショニング及び作動範囲がリアルタイムで知られることを可能にするよう、如何なる固有のフィードバック機能も提供しないという同じ困難を持ち続けている。その上、斯様なアクチュエータを組み込むデバイスは、何らかの機械的な生理的パラメータ（例えば、血圧）が確認されることを可能にするよう、及び／又はアクチュエータ位置若しくは作動範囲に関するフィードバックを提供するよう、別個の専用の力又は圧力センサが設けられることを依然として必要とする。特に、正確なポジショニング及び印加される圧力が非常に重要であるところのトノメトリの場合に、作動素子及び検知素子のずれは、デバイスの精度を制限する。センサのずれは、これを危うくし、動きアーチファクトの有効性を低下させる可能性がある。
【００１９】
従って、少なくとも、改善された精度で動きアーチファクトを補償するよう、ヒト組織表面に対する生理的センサのポジショニング又は印加圧力を調整することができる検知装置が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／００３３２７５号
【発明の概要】
【００２１】
本発明は、特許請求の範囲によって定義される。
【００２２】
本発明の態様に従う例によれば、少なくとも１つの生理的パラメータを測定する生理学的センサ装置であって、ヒト組織受容面に対する検知面のポジショニングを制御するよう構成される前記生理学的センサ装置において、
前記検知面と、
電気信号の印加に応答して変形して前記検知面のポジショニングを操作するよう構成される電気活性高分子構造体と、
コントローラと
を有し、
前記コントローラは、
重ね合わされた作動信号及びＡＣ検知信号から成る信号（例えば、電気信号）を前記電気活性高分子構造体へ供給（又は印加）し、前記作動信号が、前記受容面へ作動力を加えるよう前記電気活性高分子構造体の変形を活性化して前記検知面を操作するための信号であり、前記ＡＣ検知信号が、圧力検知を助けるための信号であり、前記電気活性高分子構造体の共振又は反共振周波数のどちらかの高調波に属するＡＣ周波数を有し、
時間にわたって前記電気活性高分子構造体によって示されるインピーダンスをモニタして、時間にわたって前記受容面によって前記電気活性高分子構造体に及ぼされる復旧力の指標を供給し、
前記モニタされたインピーダンス及び／又は前記復旧力に応じて前記供給される作動信号の大きさを調整して、前記受容面に対する前記検知面のポジショニングを調整する
よう構成される、
生理学的センサ装置が提供される。
【００２３】
本発明は、同時の作動及び検知を達成するよう電気活性高分子（ＥＡＰ）構造体の使用に基づく。これは、構造体の作動の及ぶ限りにおいて実時間のフィードバックが得られることを可能にする。フィードバックは、次いで、構造体に供給される作動信号を調整するために使用されてよい。作動及び検知は同時であり、空間的に重なり合うから、圧力印加及び位置調整に対するより正確な制御が達成される。
【００２４】
電気活性高分子（ＥＡＰ）は、電気的に反応する材料の分野内の新たに現れた種類の材料である。ＥＡＰは、センサ又はアクチュエータとして働くことができ、様々な形状に容易に加工可能であって、多種多様なシステムへの容易な組み込みを可能にする。ＥＡＰの利点には、低電力、小スモールファクタ、柔軟性、ノイズレス動作、正確さ、高分解能の可能性、高速な応答時間、及び周期的作動がある。
【００２５】
特定の種類のＥＡＰへの小さい力の印加は、それに応じて電気信号を生成する。これは、単一のＥＡＰ構造体が、作動のために且つ検知のために使用されることを可能にする。しかし、最新のＥＡＰに基づくアクチュエータ／センサは、典型的に、物理的に（デバイスの異なる領域若しくは部分が、例えば、夫々への別々に設けられた電気接続を有して、検知のために及び作動のために使用される。）又は時間的に（単一デバイスが検知機能と作動機能との間を順次に行ったり来たりする。）お互いから分離される検知機能及び作動機能を提供してきた。
【００２６】
低い振幅の高周波検知信号を、より高い振幅の一次作動信号の上に重ね合わせることによって、検知機能及び作動機能は同時に実現され得る。検知信号の振幅は、作動信号の振幅よりも有意に小さく、例えば、作動信号の振幅の１０％未満、例えば、作動信号の振幅の１％未満であってよい。このように、電気活性高分子（ＥＡＰ）構造体における変形応答は、作動信号によって刺激されるものと比べて、検知信号については無視できるほどである。よって、アクチュエータとしてのデバイスの精度、正確度、及び安定性は、妥協されない。
【００２７】
作動信号は、例えば、ＤＣ信号である（なお、ＤＣレベルは、望まれる作動に応じて変化し得る。）。なお、作動信号はＡＣ信号であってもよいが、ＡＣ周波数は検知信号のそれよりもずっと低い。
【００２８】
検知信号がＥＡＰ構造体の機械共振又は反共振周波数（あるいは、それらの高調波の１つ）と一致する周波数で印加される場合に、機械的定常波が材料内で確立され、これは材料の電気特性に作用する。特に、材料のインピーダンスは、駆動信号が共振周波数と一致する場合に、機械振動が電気駆動信号と同相であることにより、より低い。対照的に、材料のインピーダンスは、駆動信号が材料の反共振周波数と一致する場合に、機械振動が電気駆動信号と位相がずれていることにより、より高い。本願の文脈において、語ＡＣ周波数“高調波”は、基本周波数（電気活性高分子構造体の共振又は反共振周波数）を含め、基本周波数の正整数の倍数の連続を含む。従って、圧力検知を助けるためのＡＣ検知信号は、共振周波数又は反共振周波数のどちらかの高調波によって定義された周波数範囲、すなわち、共振又は反共振周波数のどちらかである基本周波数の正整数の倍数の連続（基本周波数を含む。）に属するＡＣ周波数を有する。
【００２９】
デバイスに加えられる如何なる圧力又は他の機械的負荷も、材料において減衰を引き起こして、その共振又は反共振周波数をそれらの通常の非減衰値からシフトさせて、高周波駆動信号と機械振動の周波数との間に差を含める可能性がある。この差は、ＥＡＰ構造体にわたって示されるインピーダンス値の変化において検出され得る。
【００３０】
駆動信号が、（非減衰）反共振周波数と一致する周波数で印加される場合に、例えば、加えられた負荷によって引き起こされる突然の不一致は、次いで、ＥＡＰ構造体にわたって測定されるインピーダンスの結果として起こる減少として検出され得る。代替的に、駆動信号が（非減衰）共振周波数と一致して印加される場合に、不一致は、ＥＡＰ構造体にわたって測定されるインピーダンスの結果として起こるジャンプとして検出され得る。いずれの場合にも、より高い周波数の信号は、このようにして、作動と同時にデバイスに加えられる外圧及び負荷の検知を可能にする。
【００３１】
このように、示されるインピーダンスのモニタは、ＥＡＰ構造体に及ぼされる復旧力の指標が得られることを可能にする。より具体的に、それは、印加される力の大きさの指標が得られることを可能にし得る。これは、例えば、直接的又は間接的な指標であってよい。インピーダンスのモニタは、このようにして、加えられる復旧力の指標を提供し得る。指標は、加えられる力のレベル又は大きさ又は程度の（直接的又は間接的な）指標を示唆するものとして広く解釈されるべきである。力の指標は、この意味において、定量的な指標又は尺度であってよい。定量的な指標又は尺度は、例えば、数値尺度であってよく、あるいは、力の数値指標が抽出可能であるところのより間接的な情報を提供してよい。
【００３２】
ＥＡＰ構造体のインピーダンスは、例となる実施形態では、時間にわたって検知信号の電圧及び電流をモニタすることによってモニタされてよい。代替的に、インピーダンスは、高振幅作動信号の電圧及び電流をモニタすることによってモニタされてもよい。なお、代替的に、インピーダンスは、インピーダンスを決定するための解析回路及び構造体と接続する別個の専用の測定電極を備えている別個のモニタ回路を用いてモニタされてもよい。
【００３３】
加えられる力、圧力又は負荷の数値尺度は、例において、何らかのプレキャリブレーション処理を用いて取得されてもよく、これによって、一連の大きさにわたる力が、異なる作動電圧の範囲で、アクチュエータに加えられ、対応する示されるインピーダンスが記録される。それらのインピーダンスは、次いで、加えられる力又は負荷に所与の作動電圧での測定されたインピーダンス値を関連付ける手段を提供するよう、動作中に基準として使用されてよい。
【００３４】
作動と同時に復旧力を測定することは、瞬時フィードバックが作動の状態で又はＥＡＰ構造体と受容面との間の相互作用時に捕捉されることを可能にする。アクチュエータのポジショニング及び運動に対するよりずっと正確な制御が、従って達成可能であり、皮膚に対するセンサ表面のポジショニングの調整（例えば、動きアーチファクトを補正すること）がよりずっと高い精度で行われることを可能にする。同時の作動及び検知はまた、単一のＥＡＰ構造体が同じ場所で負荷検知及び作動を提供することも可能にし、よって、トノメトリ用途の場合に特に、改善された正確さを提供する。
【００３５】
コントローラは、示されたインピーダンス値を時間にわたってモニタし、それらの値に、又は値によって示される復旧力の大きさに応じて、印加される作動電圧（ひいては、ＥＡＰ構造体によって受容面に加えられる力）を調整するよう構成される。このようにして、本発明の実施形態は、集積フィードバックシステムを実装し、これによって、ＥＡＰ構造体の誘起される作動レベルは、ヒト組織受容面と検知メントの間の検知される接触力に応じて自動的に調整される。
【００３６】
コントローラは、受容面によって及ぼされる接触力の変化を検出し、それらに応じて作動信号を調整するよう構成されてよい。
【００３７】
斯様な変化は、典型的に、受容面に対する検知面のポジショニングの変化を示すことができる。この変化は、動きアーチファクトを引き起こす可能性がある。本発明によって提供される集積フィードバックシステムは、斯様な動きに対する自動補償を、動きに応じて作動信号を自動的に調整することによって実現し得る。
【００３８】
少なくともひと組の実施形態に従って、前記コントローラは、前記受容面に対して加えられる定常作動力を維持するために及び／又は前記検知面に加えられる定常復旧力若しくはその成分を維持するために、前記作動信号の大きさを調整するよう構成されてよい。
【００３９】
これは、受容面に対する検知面の動きが通常は、受容面によって及ぼされた測定される復旧力に変化を生じさせ得るので、動きアーチファクトに対する補償を提供し得る。一定の復旧力を維持するための調整は、一様なポジショニングの維持を確かにし得る。
【００４０】
定常力は、例えば、一定、略一定、特定の許容範囲若しくはパラメータ内で一定、あるいは、一様又は略一様である力を示唆し得る。
【００４１】
上述されたように、力は、プレキャリブレーション処理を用いてインピーダンス値から導出されてよい。物理モデル、すなわち、基準値の標準セットも、印加された力の値を、測定されたインピーダンス値から導出するために使用されてよい。
【００４２】
代替の例では、作動電圧が、測定されたインピーダンス値に直接に応じて、調整されてよく、インピーダンス値は、印加される力の代理指標を提供する。
【００４３】
実施形態の更なる組に従って、前記コントローラは、前記検知面と前記受容面及び／又は前記受容面の下にある点若しくは物体との間の定常相対距離を維持するために、前記作動信号の大きさを調整するよう構成されてよい。
【００４４】
受容面の下にある点又は物体は、例えば、静脈、動脈、骨、筋肉、又は構造の何らかの他の解剖学的特徴であってよい。これは、血圧又は脈拍が関心のあるパラメータである場合に有利であり得る。
【００４５】
前記コントローラは、下降若しくは上昇するインピーダンス値に応答して前記作動信号の大きさを減らすよう、及び／又は上昇若しくは下降するインピーダンス値に応答して前記作動信号の大きさを増やすよう構成されてよい。
【００４６】
ＡＣ検知信号がＥＡＰ構造体の反共振周波数と一致する周波数を有する場合に、作動信号は、下降するインピーダンス値に応答して低減され、且つ／あるいは、上昇するインピーダンス値に応答して増大されてよい。反共振で印加されるＡＣ信号の場合に、インピーダンスは、構造体に作用する外力が増す場合に低下する。インピーダンス値を低減することは、従って、検知面が（例えば、ユーザによる偶発的運動の結果として）より大きい力で受容面に適用されていることを示し得る。それに応じて作動レベルを下げることによって、この変化は、低減された力で受容面に検知面を適用することによって、補償され得る。
【００４７】
共振でのＡＣ信号の場合に、インピーダンス応答は逆さにされ、よって、この場合に、上昇するインピーダンス値は、検知面がより大きい力で受容面に適用されており、従って、作動電圧がそれに応じて低減されるべきであることを示し得る。
【００４８】
更なる組の例に従って、前記コントローラは、インピーダンス値が定義された閾値を下回ること若しくは上回ることに応答して前記作動信号の大きさを減らすよう、及び／又はインピーダンス値が定義された閾値を上回ること若しくは下回ることに応答して前記作動信号の大きさを増やすよう構成されてよい。
【００４９】
いずれの実施形態でも、受容面によって及ぼされた測定される復旧力は、概して、複数の成分から成ってよい。それは最初に、運動の第３法則（Newton’s  third  law）の結果として現れる、印加される作動力に対して受容面によって加えられる力を表す反力成分を有してよい。これは、典型的に、印加される力にほぼ等しい逆向きの大きさを有していると期待される。
【００５０】
第２に、何らかの生理的作用、相互作用又は現象によって引き起こされる力又は力のパターンを表す生理的成分が存在してよい。特に、測定される復旧力は、例えば、血圧によって又は受容面の下にある静脈若しくは動脈を流れる血液の脈動によって引き起こされる変動又は振動力成分を含んでよい。これは特に、力が動脈又は静脈に直接に加えられ、受容面によって加えられる復旧力が、典型的に、血管の下を通る血液フローによって引き起こされる成分を含むトノメトリ用途に当てはまる。
【００５１】
多くの場合に、それら２つの成分を分離し、それによって、ベースライン反力から切り離して生理的パラメータの測定を提供するようにすることが望ましい。然るに、少なくとも一部の実施形態に従って、当該センサ装置は、前記受容面の固有弾性によって及ぼされる力を表す反力成分、及び／又は１つ以上の生理現象の結果として及ぼされる力を表す生理的成分を取り出すために、前記モニタされたインピーダンス値にフィルタをかけるよう構成されるフィルタ回路を更に有してよい。
【００５２】
フィルタ回路は特に、反力成分を抽出するためのローパスフィルタ、及び／又は生理的成分を抽出するためのハイパスフィルタを含んでよい。示される反力は、典型的に、時間にわたっておおよそ安定し、従って、低い周波数又はゼロに近い周波数を有している。ローパスフィルタは、この成分の抽出を可能にする。生理的成分は、少なくともいくつかの場合に、事実上振動又は時間変化し得る。これは特に、血圧又は脈拍について当てはまる。従って、ハイパスフィルタがこの成分の抽出を可能にする。フィルタ回路は、両方の成分が取り出されることを可能にするようハイパス及びローパスの両方のフィルタ（並列に接続される。）を含んでよい。
【００５３】
生理的成分は、例において、血圧及び／又は心臓血管脈波に関連する力を表し得る。
【００５４】
前記コントローラは、例に従って、前記モニタされたインピーダンス値の前記反力成分又は前記生理的成分のどちらかに応じて前記作動信号の大きさを調整するよう構成されてよい。
【００５５】
上述されたように、反力成分は、典型的に、加えられる作動力と大きさが等しく相反すると期待され得る。従って、反力成分は、加えられる作動力自体の代理指標を提供し得る。これは、従って、ＥＡＰ構造体の作動の範囲及び受容面に対するそのポジショニングに関する直接的なフィードバックを取得する手段を提供する。
【００５６】
インピーダンス値の反力成分は、特定の他の値を除く特定の組のインピーダンス値を有してよい。更には、前記コントローラは、この期待されるインピーダンス値の組にのみ応じて、前記作動信号の大きさを調整するよう構成されてよい。‘上昇するインピーダンス値’又は‘下降するインピーダンス値’との上記の言及は、従って、これに関連して、インピーダンス値の期待される組のみが考慮される場合を潜在的に含むと理解されるべきである。
【００５７】
ＥＡＰ構造体自体は、いくつかの場合において、１つ以上の生理的パラメータの測定を取得するよう構成されてよい。それは、例えば、トノメトリ法に従って血圧及び関連するパラメータを測定するために適用され得る。生理的成分及び反力成分はいくつかの実施形態において分離され得るので、ＥＡＰ構造体は、（反力成分によって）作動フィードバックを提供すると同時に、（生理的成分によって）例えば、脈拍又は血圧の生理パラメータ測定を提供し得る。これは、作動と同時に受容面上の同じ場所で実現され得る。
【００５８】
従って、少なくともひと組の例に従って、検知面は、ＥＡＰ構造体自体の面であってよく、このとき、構造体は、生理的パラメータを決定するための測定を直接に取得するよう構成される。
【００５９】
代替の組の例では、検知面は、電気活性高分子構造体との機械的な連携において配置され、１つ以上の生理的パラメータを測定するよう構成された更なる検知コンポーネントの表面であってよい。
【００６０】
これは、ＰＰＧデバイスのような、光ベースのデバイスであってよい。それは更に、例において、ＥＥＧ（脳波）、ＥＣＧ（心電図）、及び／又はＳｐＯ２（末梢酸素飽和度）センサのような、１つ以上の生理的パラメータを測定又は検知するための如何なるデバイス又はモジュールであってもよい。ＥＡＰ構造体は、受容面に対するこの更なるセンサのポジショニングを操作し、且つ／あるいは、それが受容面に加える力又は圧力を変えるよう動作可能であるように、配置されてよい。
【００６１】
少なくともひと組の実施形態に従って、前記コントローラは、定義された期間にわたって大きさが徐々に低下する作動信号を印加又は供給するよう構成されてよく、更には、前記期間にわたって前記モニタされたインピーダンス値を処理して、時間にわたる該値の振動性変化を検出及び測定するよう構成され、該変化は、血圧によって引き起こされる血管壁の振動を示す。
【００６２】
当該センサ装置は、例において、電気活性高分子構造体のアレイを有してよく、該電気活性高分子構造体の夫々は、各々の検知面を操作して前記受容面上の各々の点で力を加えるよう、且つ、該点で前記受容面によって及ぼされる復旧力を測定するよう前記コントローラによって独立して制御可能である。
【００６３】
１つ以上の実施形態に従って、前記電気活性高分子構造体及び／又は前記コントローラは、前記受容面の領域への適用のために可撓キャリアに取り付けられてよい。可撓キャリアは、当該装置が前記受容面にしっかりと押し付けられ、適用され、又は付着されることを可能にし得る。それは、例えば、ウェアラブルデバイスの一部を成してよく、この場合に、当該センサ装置は、被験者の皮膚の一部分に固定され又は取り付けられ得る。ウェラブルデバイスは更に、動作中にデバイスの意図的でない動きを防止してよく、あるいは、作動力が加えられ得る確固たる支持（支援）表面を設けることを補助してよい。
【００６４】
１つ以上の実施形態において、当該センサ装置は、前記電気活性高分子構造体へ及び／又は前記受容面へ機械的に固着され、前記コントローラと電気的に結合された圧電材料の層を更に有してよく、該層は、前記受容面によって該層に及ぼされる印加力を測定するよう動作する。これは、受容面によって加えられる力を測定するための追加手段を提供し得る。これは、生理的パラメータを測定すること又は受容面によって加えられる反力を測定することを補助し得る更なる情報を提供するか又は感度を改善し得る。
【００６５】
他の検知素子、例えば、ひずみゲージ、又は圧力セル若しくは集積ＳＭＤコンポーネントのような小型の固体圧力センサが、追加的に、又は代替的に組み込まれてもよい。
【００６６】
前記電気活性高分子構造体は、例において、リラクサ強誘電性高分子を有してよい。それらは、印加ＤＣ電圧がない場合に非強誘電性であり、従って、この状態では、電気機械結合を示さない。ＤＣ電圧が印加される場合に、電気機械結合は非ゼロになり、ＤＣバイアスの上に小振幅高周波信号を印加（又は供給）ことによって測定され得る。リラクサ強誘電材料は、従って、理想的には、本発明の実施形態に適する。
【００６７】
本発明の更なる態様に従う例は、ヒト組織受容面に対する検知面のポジショニングを最適化するよう生理学的検知装置を調整する方法であって、前記装置が、前記検知面と、電気信号の印加に応答して変形するよう構成される電気活性高分子構造体とを有する、前記方法において、
重ね合わされた作動信号及びＡＣ検知信号から成る電気信号を前記電気活性高分子構造体へ供給（又は印加）することであり、前記作動信号が、前記受容面へ作動力を加えるよう前記電気活性高分子構造体の変形を活性化して前記検知面を操作するための信号であり、前記ＡＣ検知信号が、圧力検知を助けるための信号であり、前記電気活性高分子構造体の共振又は反共振周波数のどちらかの高調波に属するＡＣ周波数を有する、前記供給することと、
時間にわたって前記電気活性高分子構造体によって示されるインピーダンスをモニタして、時間にわたって前記受容面によって前記電気活性高分子構造体に及ぼされる復旧力の指標を供給することと、
前記モニタされたインピーダンスに応じて前記供給される作動信号の大きさを調整して、前記受容面に対する前記検知面のポジショニングを調整することと
を有する方法を提供する。
【００６８】
本発明の更なる態様に従う例はまた、コンピュータで実行される場合に、生理学的検知装置を調整する上記方法を実施するよう構成されるコンピュータプログラムコード手段を有するコンピュータプログラムを提供する。
【００６９】
本発明のそれら及び他の態様は、以降で記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明される。
【００７０】
当業者に明らかなように、本発明の上記の選択肢、実施、及び／又は態様のうちの２つ以上は、有用と考えられる如何なる方法でも組み合わされてよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
本発明に従うアプリケータデバイス、システム及び方法のそれら及び他の態様は、添付の図面を参照して更に説明及び記載される。
【００７２】
【図１】トノメトリに基づく血圧測定の一般原理を表す。
【図２】クランプされていない既知の電気活性高分子デバイスを示す。
【図３】バッキング層によって拘束される既知の電気活性高分子デバイスを示す。
【図４】簡単なキャパシタ抵抗回路を表す。
【図５】本発明の１つ以上の実施形態に従う検知装置の簡単な第１の例を表す。
【図６】例となるＥＡＰ構造体について周波数による抵抗及びキャパシタンスの変化を示す。
【図７】２つの異なった一定の作動電圧についてセンサ信号に対する（例となるＥＡＰ構造体の）直列抵抗を表すグラフを示す。
【図８】図７の２つの信号トレース間の差を表すグラフを示す。
【図９】センサ信号の周波数の範囲にわたって測定された抵抗値に対する印加された負荷力の影響を表すグラフを示す。
【図１０】２つの異なる時点で負荷が印加される場合に、（例となるＥＡＰアクチュエータの）時間にわたる測定される抵抗値を表すグラフを示す。
【図１１】更なる検知素子を有するセンサ装置の第２の例を示す。
【図１２】トノメトリに基づく血圧測定を行うセンサ装置の第３の例の応用を示す。
【図１３】可撓キャリアに取り付けられたＥＡＰ構造体のアレイを有するセンサ装置の第４の例を示す。
【図１４】補助的な圧電検知層を有するセンサ装置の第５の例のＥＡＰ構造体を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７３】
本発明は、ヒト組織受容面に対する生理学的検知面の自動調整を提供する生理学的センサ装置を提供する。装置は、重ね合わされた作動信号及びＡＣ検知信号から成る電気信号の印加により、作動と圧力検知とを同時に実行するよう動作可能な電気活性高分子（ＥＡＰ）構造体を含む。作動は、組織受容面に対する検知面のポジショニングの制御された調整を可能にする。検知は、受容面によって検知面に加えられる復旧力の大きさの同時の実時間の指標を提供する。この復旧力は、検知面のポジショニングの状態に関するフィードバックを提供する。コントローラは、検知データに応じて作動信号を調整し、それによって、リアルタイムで検知面のポジショニングを調整するよう構成される。
【００７４】
実施形態において、復旧力は、生理的パラメータの直接的又は間接的な指標を更に提供し得る。これは、例において、フィルタ回路によって抽出されてよい。
【００７５】
本発明は、同時の一体化された作動及び圧力／負荷検知を提供するよう電気活性高分子の使用に基づく。同じ位置での同時の作動及び検知は、作動の程度に関する実時間のフィードバックを可能にすることによって、作動の正確さを改善し、且つ、刺激圧力が印加されているのとまさに同じ場所で測定が実行され得るということで、如何なる生理的パラメータの測定においても正確性を改善する。これは特に、（上記の）トノメトリ法の場合において適切である。
【００７６】
電気活性高分子（ＥＡＰ）は、電気的に反応する材料の分野内の新たに現れた種類の材料である。ＥＡＰは、センサ又はアクチュエータとして働くことができ、様々な形状に容易に加工可能であって、多種多様なシステムへの容易な組み込みを可能にする。
【００７７】
材料は、過去１０年にわたって相当に改善した作動応力及びひずみのような特性とともに発展してきた。技術リスクは、製品開発の許容レベルにまで低減されており、それにより、ＥＡＰは、商業的及び技術的にますます関心を持たれるようになっている。ＥＡＰの利点には、低電力、小スモールファクタ、柔軟性、ノイズレス動作、正確さ、高分解能の可能性、高速な応答時間、及び周期的作動がある。
【００７８】
ＥＡＰ材料の改善された性能及び特定の利点は、新しい用途への適用可能性をもたらす。
【００７９】
ＥＡＰデバイスは、電気駆動に基づき、部品又は機構の小幅な動きが望まれる如何なる用途でも使用可能である。同様に、技術は、小さな動きを検知するために使用可能である。
【００８０】
ＥＡＰの使用は、一般的なアクチュエータと比較して、以前は不可能でなった機能を可能にし、あるいは、小さい容量又は薄いフォームファクタにおける比較的に大きい変形及び力の組み合わせにより、一般的なセンサ／アクチュエータソリューションに対して大きな利点を提供する。ＥＡＰはまた、ノイズレス動作、正確な電子制御、速い応答、及び広範なとり得る作動周波数（例えば、０〜１ＭＨｚ、最も一般的な２０ｋＨｚを下回る。）を与える。
【００８１】
電気活性高分子を使用するデバイスは、電界駆動材料とイオン駆動材料とに分けられ得る。
【００８２】
電界駆動型ＥＡＰの例には、圧電高分子（Piezoelectric  polymers）、電歪高分子（Electrostrictive  polymers）（例えば、ＰＶＤＦに基づくリラクサ高分子）及び誘電エラストマー（Dielectric  Elastomers）がある。他の例には、電歪グラフト高分子（Electrostrictive  Graft  polymers）、電歪ペーパー（Electrostrictive  paper）、エレクトレット（Electrets）、電気粘弾性エラストマー（Electroviscoelastic  Elastomers）及び液晶エラストマー（Liquid  Crystal  Elastomers）がある。
【００８３】
イオン駆動されるＥＡＰの例には、共役（conjugated）／導電（conducting）高分子、イオン交換ポリマーメタル複合体（Ionic  Polymer  Metal  Composites）（ＩＰＭＣ）及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ポリマー複合体がある。他の例には、イオン高分子ゲルがある。
【００８４】
電界駆動されるＥＡＰは、直接的な電気機械結合を通じて電界によって作動される。それらは、通常は、高い電界（ボルト毎メートル）、しかし、低い電流を必要とする。高分子層は、通常は、駆動電圧を可能な限り低く保つよう薄い。イオンＥＡＰは、イオン及び／又は溶剤の電気的に誘導された位相によって作動される。それらは、通常は、低い電圧、しかし、高い電流を必要とする。それらは、液体／ゲル電界媒質を必要とする（なお、いくつかの材料システムは、固体電解質を用いても動作可能である。）。いずれの種類のＥＡＰも、夫々がそれら自体の利点及び欠点を有している複数のファミリーメンバーを有している。
【００８５】
電界駆動されるＥＡＰの第１の注目に値する下位分類は、圧電及び電歪高分子である。従来の圧電高分子の電気機械性能は制限されているが、この性能を向上させることにおける画期的な進歩により、自発分極（電界駆動配向）を示すＰＶＤＦリラクサ高分子がもたらされた。これらの材料は、ひずみ方向の性能を向上させるために、予ひずみを与えられ得る（予ひずみはより良好な分子配向をもたらす）。標準的に、ひずみが通常は中程度の範囲（１〜５％）にあるということで、金属電極が使用される。他の種類の電極（導電性ポリマー、カーボンブラックベースのオイル、ゲル又はエラストマーなど）もまた使用可能である。電極は連続的でもセグメント化されていてもよい。
【００８６】
電界駆動されるＥＡＰの他の下位分類は、誘電エラストマーのそれである。この材料の薄膜は、平行板キャパシタを形成するよう、対応した電極の間に挟まれ得る。誘電エラストマーの場合に、印加された電界によって引き起こされるマクスウェル応力は、フィルムに対する応力をもたらして、その厚さを縮め、その面積を広げる。ひずみ性能は、典型的に、エラストマーに予ひずみを与えることによって広げられる（予ひずみを保つようフレームを必要とする。）。ひずみは相当であることができる（１０〜３００％）。これはまた、使用され得る電極のタイプを制約し、低度及び中度のひずみの場合に、金属電極及び導電性ポリマー電極が考えられ得、高度のひずみ範囲の場合に、カーボンブラックベースのオイル、ゲル又はエラストマーが典型的には使用される。電極は連続的でもセグメント化されていてもよい。
【００８７】
イオンＥＡＰの第１の注目に値する下位分類は、イオン交換ポリマーメタル複合体（ＩＰＭＣ）である。ＩＰＭＣは、２つの、薄い金属又はカーボンに基づく電極間に積層された溶媒膨張イオン交換高分子膜から成り、電解質の使用を必要とする。典型的な電極材料は、Ｐｔ、Ｇｄ、ＣＮＴｓ、ＣＰｓ、Ｐｄである。典型的な電解質は、Ｌｉ＋及びＮａ＋水に基づく溶液である。電界が印加される場合に、カチオンは、典型的に、水とともにカソード側へ移動する。これは、親水性クラスタの再編成及びポリマー膨張を生じさせる。カソードエリアにおけるひずみは、高分子マトリクスの残りにおける応力をもたらして、アノードの方への曲げを生じさせる。印加電圧を反転させることは、曲げを反対にする。よく知られた高分子膜はナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標））及びフレミオン（ＦＬＥＭＩＯＮ（登録商標））である。
【００８８】
イオン高分子の他の注目に値する下位分類は、共役／導電性生理的成分ポリマーである。共役ポリマーアクチュエータは、典型的に、共役ポリマーの２つの層によって挟まれた電解質から成る。電解質は、酸化状態を変えるために使用される。電位が電解質を通じてポリマーに印加される場合に、電子は、ポリマーへ加えられるか又はポリマーから取り除かれて、酸化及び還元を駆動する。還元は収縮をもたらし、酸化は拡張をもたらす。
【００８９】
いくつかの場合に、ポリマー自体が十分な導電性（次元ワイズ）を欠いている場合に、薄膜電極が加えられる。電解質は、液体、ゲル又は固体材料（すなわち、高分子量ポリマー及び金属塩の複合体）であることができる。最も一般的な共役ポリマーは、ポリピロール（ＰＰｙ）、ポリアニリン（ＰＡＮｉ）、及びポリチオフェン（ＰＴｈ）である。
【００９０】
アクチュエータはまた、電解質中に浮遊するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から形成されてもよい。電解質は、ナノチューブとともに二重層を形成し、電界の注入を可能にする。この二重層電荷注入は、ＣＮＴアクチュエータにおける一次機構と見なされる。ＣＮＴは、ＣＮＴに注入された電荷とともに電極キャパシタとして動作する。電荷は、その場合に、電解質の動きによって形成される電気二重層によってＣＮＴ表面に対してバランスを取られる。炭素原子に対して電荷を変えることは、Ｃ−Ｃ結合長さの変化をもたらす。結果として、単一ＣＮＴの拡張及び収縮が観測され得る。
【００９１】
図２及び図３は、ＥＡＰデバイスのための２つのとり得る動作モードを示す。
【００９２】
デバイスは電気活性高分子層２６を有する。電気活性高分子層２６は、その層の両側にある電極２２、２４に挟まれている。
【００９３】
図２は、クランプされていないデバイスを示す。電圧は、電気活性高分子層を、図示されるように、全ての方向において広げさせるために使用される。
【００９４】
図３は、広がりが一方向においてのみ起こるように設計されているデバイスを示す。デバイスは、キャリア層２８によって支持されている。電圧は、電気活性高分子層を、曲げさせる又はたまわせるために使用される。
【００９５】
電極、電気活性高分子層、及びキャリアはともに、電気活性高分子構造体の全体を構成すると見なされてよい。
【００９６】
この動きの性質は、例えば、作動される場合に広がるアクティブ層と、パッシブなキャリア層との間の相互作用により生じる。図示されるように軸周りの非対称な湾曲を得るよう、分子配向（フィルム延伸）が例えば加えられてよく、一方向における動きを強いる。
【００９７】
一方向における広がりは、ＥＡＰポリマーにおける非対称性の結果として起こり得るか、あるいは、それは、キャリア層の特性における非対称性、又はそれら両方の組み合わせの結果として起こり得る。
【００９８】
上記の電気活性高分子構造体は、作動及び検知の両方のために使用されてよい。最も顕著な検知機構は、力測定及びひずみ検出に基づく。誘電エラストマーは、例えば、外力によって容易に伸ばされ得る。低電圧をセンサに置くことによって、ひずみは、電圧の関数として計測可能である（電圧は面積の関数である。）。
【００９９】
電界駆動型システムによる検知の他の方法は、ひずみの関数として電極抵抗の変化を測定すること、又はキャパシタンス変化を直接測定することである。
【０１００】
圧電及び電歪高分子センサは、（結晶化度の量が検出可能な電荷を発生させるほど十分に高いならば、）印加される機械応力に応答して電荷を発生させることができる。共役ポリマーは、圧電イオン効果を使用することができる（機械的な応力がイオンの発揮をもたらす。）。ＣＮＴは、応力を受けるときにＣＮＴ表面上の電荷の変化を経験し、この変化は測定可能である。また、ガス状分子（例えば、Ｏ２、ＮＯ２）と接触するときにＣＮＴの抵抗が変化することも示されており、ＣＮＴをガス検出器として使用可能にする。
【０１０１】
本発明は、特に、異なる検知機構を使用し、これによって、ＥＡＰは、重なり合った高振幅作動信号及び低振幅ＡＣ検知信号の印加に基づき、同時の作動及び圧力／負荷検知を実現するよう動作可能である。同時の検知及び作動が本発明の実施形態において実現される原理が、これより詳細に記載されることになる。
【０１０２】
よく知られているように、ＤＣバイアス（又はゆっくりと変化するＡＣバイアス）の印加は、ＥＡＰの変形を活性化し、変形の範囲は、印加される電気信号の大きさに応じて変化する。バイアスの上に高周波ＡＣ信号を重ね合わせることはまた、材料における機械的な変形応答を活性化するが、変形応答は、一定ではなくむしろ周期的である（すなわち、発振）。高周波信号の最大振幅は、バイアス信号の大きさよりもずっと低いレベルに保たれるべきである（例えば、バイアス信号の大きさよりも二桁小さい大きさ、例えば、バイアス信号の振幅の１％）。結果として、活性化される変形の対応する変位振幅は、一次作動変位と比較して事実上無視できるほどである。従って、作動の正確さ及び安定性は、検知信号の重ね合わせによって影響を受けない。
【０１０３】
バイアスの上への低振幅発振信号のオーバーレイは、電気フィードバック機構が一次アクチュエータ駆動機構自体の中に組み込まれることを可能にする。ある周波数で、特に、ＥＡＰ構造体の機械共振周波数と一致する又はその高調波である周波数で、小さい機械定在波がアクチュエータの材料において確立される。これは、次いで、材料の電気特性に影響を及ぼす。検知信号が材料の共振周波数で駆動される場合に、材料の対応するインピーダンスは、機械振動が電気駆動信号と同相であることにより、（非共振で駆動される場合と比べて）より低い。
【０１０４】
構造体の機械共振周波数は、構造体がその平衡位置からずらされるときに必然的に振動する傾向を有することになる周波数であり、構造体の固有の構造特性（例えば、ジオメトリ、サイズ、形状、厚さ、など）によって決定される。ＥＡＰ構造体の機械振動は、必ずしも、それに印加される電気信号の駆動周波数に追随せず、その固有共振周波数に戻る傾向があり、駆動周波数は、駆動周波数がこの固有周波数と同相であるか又は位相がずれているに応じて、建設的に又は破壊的にその振動と干渉する。
【０１０５】
高周波信号がＥＡＰ構造体の反共振周波数で駆動される場合に、材料の機械振動が駆動信号の発振と位相がずれている（電気的に誘発された機械ひずみは、電機励起と位相がずれている。）ことに起因して、ＥＡＰのインピーダンスはより高い。すなわち、例えば、正電流が駆動信号によってＥＡＰに印加されているときはいつでも、位相がずれた機械ひずみは、同時に、逆方向における電流（すなわち、位相がずれた挙動）を誘発している。理想的な（モデル）ケースの場合に、それらの相対する電流はお互いに相殺し合い、電流は全く流れない（すなわち、無限インピーダンス）が、現実世界のシナリオでは、完全な相殺は起こらず、この効果は、電流の（実効的な）より高い抵抗（すなわち、より高いインピーダンス）として測定される。特に、信号がアクチュエータ材料の反共振周波数で駆動される場合に、ＥＡＰのインピーダンスは最大になる。
【０１０６】
関係は、以下の式（３）を考えることによって、更に理解され得る。共振及び反共振での理想的なＥＡＰのインピーダンスは、特定のタイプ又はモードの変形に依存する。ＥＡＰを横方向共振（すなわち、長さ又は幅）に至らせることが最も一般的である。ＥＡＰのインピーダンスは、材料の誘電特性及び電気機械結合並びに電気及び機械損失によって支配される。簡単のために、電気及び機械損失を無視すると、長さｌ、幅ｗ及び厚さｔを有するＥＡＰが横方向の伸長において変形する場合に、ＥＡＰのインピーダンスは：
【数１】
2019532698.tif 000003
によって与えられる。εＴ３３は誘電定数であり、ｋ３１は横方向の機械結合係数であり、ｐはＥＡＰの密度であり、ｓＥ１１は横方向におけるコンプライアンスである。反共振周波数ωａで、ｔａｎ（（ωｌ／２）・（ρｓＥ１１）１／２）＝０且つＺは最大である。
【０１０７】
実際のＥＡＰは損失を有し、直列に抵抗器を伴ったキャパシタによってモデル化又は表現され得る。抵抗器の抵抗は反共振周波数で最大である。これは図４において表されている。続く説明において、従って、‘インピーダンス’及び‘直列抵抗’（Ｒｓ）は、デバイスを参照して同義的に使用されてよい。なお、直列抵抗は、アクチュエータ／センサが抵抗Ｒｓを有する抵抗器と直列なキャパシタによって電子的に表現されるところのモデルを単に参照するものとして本文脈では理解されるべきである。
【０１０８】
インピーダンスと共振との間の上記の関係の結果として、駆動信号が反共振周波数で駆動されているときに、反共振から離れてその周波数で起こる如何なる小さい偏差も、ＥＡＰ構造の測定可能なインピーダンスにおける対応する急落において検出可能である。この物理的な効果は、機械的な検知が実現されることを可能にするものである。ＥＡＰ構造体への圧力又は負荷の印加は、材料内で起こる如何なる共振効果の減衰ももたらす。負荷が印加されるときに材料の反共振又は共振周波数で駆動信号が発振している場合に、減衰効果は、共振の突然の中断がインピーダンスにおける結果として生じる急落をもたらすということで、ＥＡＰインピーダンス（すなわち、直列抵抗Ｒｓ）の実時間測定内で識別可能である。従って、時間にわたって構造体のインピーダンスをモニタすることによって、アクチュエータが動作中であるときに、構造体に印加される圧力及び負荷は検知可能であり、いくつかの場合に、定量的に測定され得る（後述される。）。
【０１０９】
特に、ＥＡＰ構造体のインピーダンスは、例となる実施形態では、時間にわたって高周波検知信号の電圧及び電流をモニタすることによってモニタされてよい。代替的に、インピーダンスは、高振幅作動信号の電圧及び電流をモニタすることによってモニタされてもよい。更に代替的には、インピーダンスは、別個の専用の測定電極及び解析回路を有している別個のモニタ回路を用いてモニタされてもよい。
【０１１０】
高周波検知信号の周波数は、通常、アクチュエータの特定のジオメトリに応じて、１ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲にあってよい。アクチュエータ駆動信号がＡＣ駆動信号を有する場合に、この信号の周波数は、交流検知信号のそれよりも相当に低い点に留意されたい。（低周波）作動電圧は、この場合に、アクチュエータと測定信号との干渉を回避するよう、高周波信号電圧よりも少なくとも二桁低くなり得る。
【０１１１】
図５は、本発明の実施形態において実装され得るＥＡＰ構造体のための第１の構成例を概略的に表す。下方にあるパッシブキャリア層３８の上に配置されたＥＡＰ材料層３６を有するＥＡＰ構造体３４は、筐体５４の中に保持され、コントローラ４２と電気的に結合されている。図５の例におけるコントローラは、信号発生要素並びに信号処理及び解析要素の両方を有する。
【０１１２】
アクチュエータ制御要素５６は、信号増幅器デバイス５８へ送られる高振幅アクチュエータ駆動信号（例えば、一定ＤＣバイアス電圧）を生成する。センサ制御要素６０は、高周波検知信号を生成するドライバ要素６２、及びＥＡＰ構造体を通った後の検知信号の電気特性を解析する処理要素６４の両方を有する。センサ制御要素６０（及び、特に、センサ制御要素の処理要素６４）は、アクチュエータ駆動信号の大きさを制御することにおいてアクチュエータ制御要素によって使用されるよう信号解析情報をアクチュエータ制御要素へ送るために、アクチュエータ制御要素５６と信号結合される。
【０１１３】
検知信号の電気特性の解析を容易にするよう、コントローラ４２は、ＥＡＰ構造体３４の両端に接続された電圧計６６と、アクチュエータの出線電気端子７２とセンサ制御要素６０との間に直列に接続された電流計６８とを更に有する。電圧計６６及び電流計６８は両方とも、センサ制御要素６０と信号接続され、それにより、それらによって生成されたデータは、ＥＡＰ構造体３４のインピーダンス（すなわち、等価直列抵抗Ｒｓ。ここで、デバイスは、直列に抵抗、すなわち、複素インピーダンスの実数部分を伴った理想的なキャパシタとしてモデル化される。）を決定するために処理要素６４によって利用され得る。
【０１１４】
アクチュエータ制御要素５６によって生成された（増幅器５８によって一旦増幅された）駆動信号と、センサ制御要素６０によって生成された駆動信号とは、結合器要素８２によって重ね合わされる。結合器要素は、例えば、アクチュエータ駆動信号がＤＣ信号である場合にＤＣバイアスブロックを有してよい。結合器要素は、更なる例では、増幅器５８とセンサ制御要素６０との間の直列接合を単に有してもよい。
【０１１５】
センサ制御要素６０は、生成された検知信号を結合器要素へ出力することに先立って、検知信号を局所的に増幅するよう構成されてもよい。
【０１１６】
結合された駆動信号は、次いで、ＥＡＰ構造体３４の入線端子７４へ送られる。ＥＡＰ構造体は、ＥＡＰ層にわたる電界の発生のために上下の平面表面に電極を有してよい。結合された駆動信号の高振幅ＤＣ成分は、図５に表されるように、ＥＡＰ構造体における変形応答を活性化する。ＥＡＰ構造体は、示される筐体５４の中に保持される。最も再現可能な（すなわち、信頼できる／正確な）結果のために、ＥＡＰ構造体は位置を留められてよい。例えば、ＥＡＰ構造体は、筐体５４の中でクランプされてよく、筐体は次いで、デバイスをヒト組織受容面７８の目標の作動及び検知面とアライメントするように位置合わせされる。
【０１１７】
例示のために、受容面７８の目標エリアが図５に示されており、ＥＡＰ構造体３４は、圧力を目標エリアに印加するようＤＣ（又はゆっくりと変化するＡＣ）駆動信号によって変形される。例において、目標エリアは、例えば、被験者の皮膚の領域を有してよい。ＥＡＰ構造体は、ユーザの皮膚の領域に直接圧力を印加するよう示されている。しかし、これは、作動及び検知原理のほんの一例であり、更なる例（以下で更に詳細に記載される。）では、ＥＡＰ構造体は、代替的に、更なる検知要素の二次検知面に圧力を印加してよく、この更なる検知要素が受容面に押し付けられる。
【０１１８】
ＥＡＰ構造体（又は配置が更なる検知要素を含む場合には、更なる検知面）に対して皮膚によって加えられる復旧力は、作動と同時に測定され得る。
【０１１９】
駆動信号の低振幅ＡＣ成分は、ＥＡＰ層３６における低振幅周期応答を活性化して、例えば、構造体をその共振又は反共振周波数で振動させる。
【０１２０】
結合された駆動信号の電圧、及び結果として現れる電流は、センサ制御要素６０へ供給される。通常、ＡＣ電流は０．１ｍＡから１ｍＡの範囲であってよいが、最大１０ｍＡでまでであってよい。より高い電流は過熱を引き起こす可能性がある。
【０１２１】
センサ制御要素６０の処理要素６４は、印加される駆動信号が受けるアクチュエータにわたるインピーダンス、例えば、複素インピーダンスを決定するために、電圧計６６及び電流計６８によって供給された測定を使用してよい。簡単な例では、直列抵抗のみが決定されてよく、あるいは、直列抵抗は、決定された複素インピーダンスから取り出されてよい。更なる例では、リアクタンスも、例えば、決定された複素インピーダンスからの取り出しによって、決定されてよい。リアクタンスは、多くの場合に、特に、ＥＡＰ構造体がＥＡＰ材料の薄層を特に有し、従って、比較的高いリアクタンス値を示しやすい場合に、関心が持たれ得る。
【０１２２】
簡単及び明りょうのために、この例の場合に、直列抵抗のみが決定されるとする。なお、続く説明は、インピーダンスが決定される場合に対して一般性の喪失なしで適用可能であると理解されるべきである。
【０１２３】
直列抵抗は、リアルタイムで決定され、例えば、抵抗の突然の変化をモニタされてよい。この抵抗の変化は、上述されたように、ＥＡＰ構造体３４に印加される負荷及び圧力の存在及び大きさを示すために使用され得る。検知要素は、直列抵抗によって示される対応する印加力及び圧力の数値を、決定された直列抵抗値から導出するよう構成されてよい。それらの値、又は代替の例では抵抗値のみが、信号出力部８４を介して出力される。
【０１２４】
ある例に従って、センサ制御要素６０及び／又はアクチュエータ制御要素５６は、ユーザ制御信号を通信する信号入力部を更に設けられてもよい。ユーザ制御信号は、例えば、センサ装置のモード又は動作設定を調整するためであってよい。
【０１２５】
センサ制御要素６０（及び、特に、センサ制御要素の処理要素６４）は更に、アクチュエータ制御要素５６と信号結合され、そして、決定された直列抵抗又は計算された力の値がアクチュエータ制御要素へ送られる。アクチュエータ制御要素は、抵抗又は力の値に応じてアクチュエータ駆動信号の大きさを制御するよう構成される。このようにして、ＥＡＰ構造体又は追加の補助検知デバイスの検知面の適用は、印加された信号の直列抵抗の解析を通じて供給された力フィードバックデータに応じて調整及び制御される。
【０１２６】
いくつかの場合に、センサ制御要素６０は、得られた抵抗又は力の指標の異なる成分を取り出すための１つ以上のフィルタ回路を更に有してもよい。例えば、作動力の印加に対する皮膚表面７８の弾性反力に対応する成分を取り出すようローパスフィルタが含まれてもよい。血圧又は脈拍数のような１つ以上の生理的パラメータに対応する成分を取り出すようローパスフィルタが含まれてもよい。この場合に、装置は、例えば、動脈又は静脈の上の適切な位置で被験者の皮膚に適用され得る。これは、以下で更に詳細に記載されることになる。
【０１２７】
コントローラは、例において、マイクロプロセッサを有するか又はそれから成ってよい。図５に表されているコントローラの様々なコンポーネントは、この場合に、そのようなマイクロプロセッサの機能の単に名目上別個の部分を表していると理解され得る。物理構造は、図５によって表されている機能構造を組み込みながら、様々であってよい。
【０１２８】
上述されたように、センサドライバ要素６２は、ＥＡＰ構造体の共振又は反共振周波数で共振する周波数を有してＥＡＰ構造体３４に適用されるＡＣ信号を生成するよう構成される。反共振周波数で、ＥＡＰ構造体のインピーダンスは最小になる。共振周波数で、ＥＡＰ構造体のインピーダンスは最大になる。同等に、ＥＡＰは、直列に抵抗器を有しているキャパシタによってモデル化又は表現され得る（図４に図示あり。）。抵抗器の抵抗は、反共振周波数で最大であり、共振周波数で最小である。
【０１２９】
これは、特に反共振について、図６に表されている。グラフは、異なった適用されるＡＣ信号周波数の連続スイープにわたってサンプルＥＡＰについての直列抵抗及びキャパシタンスの両方の測定値を示す。測定された直列抵抗（単位オーム）は１つのｙ軸上に示され、測定されたキャパシタンス（単位ファラッド）は他のｙ軸上に示され、センサ信号周波数（単位Ｈｚ）はｘ軸上に示される。
【０１３０】
プロット９２は抵抗であり、プロット９４はキャパシタンスである。矢印９６は、測定された抵抗における強い局所ピークを示し、約２９．８ｋＨｚの周波数で現れる。約２０ｋＨｚの周波数で現れる任意のオフ（反）共振（off-(anti)resonance）点は、比較として、矢印９８によって示される。ピーク９６は、標本とされた特定のＥＡＰについての反共振ピークを表し、その抵抗は極大になる。反共振周波数は、従って、このサンプルＥＡＰについては２９．８ｋＨｚである。プロットは、２００Ｖのバイアス電圧に関する。
【０１３１】
力及び圧力が検出可能であるように、共振又は反共振の状態でＥＡＰ構造体３４を最初に構成するために、デバイスの共振又は反共振周波数を決定する目的でアクチュエータ動作に先行して１つ以上のキャリブレーションステップを実行することが必要又は好適であり得る。このために、‘スイープ’は、２つ以上の一定作動電圧の夫々について、センサ信号周波数の範囲にわたって実行されてよく、対応する直列抵抗が、センサ周波数の夫々について測定される。
【０１３２】
図７は、一例としてのスイープについてのひと組の結果を表し、測定された直列抵抗（単位オーム）はｙ軸１０４上に示され、センサ信号周波数（単位Ｈｚ）はｚ軸１０６上に示され、プロット１０８は、０Ｖの作動電圧（すなわち、非作動）についての対応するトレースを示し、プロット１１０は、１５０Ｖの作動電圧についてのトレースを示す。グラフから明らかなように、１５０Ｖスイープの場合の抵抗値は、スイープに沿った２つの点で、すなわち、約２４ｋＨｚで及び約４０ｋＨｚでわずかのジャンプを示す。
【０１３３】
０Ｖスイープの場合の抵抗値は、ＡＣ周波数が変化するにつれて、一次曲線に関して変動を示さない（単純に容量性の複素インピーダンス関数を反映する。）。ＥＡＰ材料における電気機械結合の効果は、ＤＣバイアス電圧の大きさに依存する（ＤＣバイアスが大きければ大きいほど、結合はますます良い。）。０Ｖバイアスで、結合はほとんど又は全くなく、よって、ＡＣ信号に対する材料内の変形応答はゼロである（又は計り知れないほど小さい）。従って、０Ｖスイープは、より高い（作動誘発）ＤＣ電圧でのＡＣ周波数スイープと比較すべき都合の良いベースラインを提供する。
【０１３４】
デバイスの反共振周波数は、２つのＤＣ電圧についての測定された抵抗値間の差が最大であるところのＡＣ周波数を見つけることによって、特定され得る。図８には、２つの信号トレース１０８及び１１０の間の差がより明りょうに表されており、測定された抵抗における差１１２がｙ軸上に示され、対応するセンサ信号周波数１０６がｘ軸上に示される。抵抗における２つのより大きいジャンプは、このグラフで明確に視認でき、２つのうちの大きい方は２４ｋＨｚで現れるジャンプである。従って、例となるデバイスについての、図７及び８によって表される反共振周波数は、２４ｋＨｚである。これは、デバイスの最大感度の点、すなわち、直列抵抗が印加される駆動信号の周波数の変化に（又は、一定の印加駆動電圧については、構造体の反共振周波数の変化に）最も敏感である点である。
【０１３５】
０ＶのＤＣバイアスは、図７及び８の例では第１スイープのために使用されているが、代替の例では、異なった（非ゼロの）第１バイアスが使用されてもよい。この場合に、第１電圧の大きさに応じて、第１スイープは、中心曲線に関する変化又はピークを示し得る。なお、反共振周波数は依然として、２つのＤＣバイアスについての測定された抵抗値間の差が最大であるところの周波数を特定することによって見つけられ得る。
【０１３６】
負荷をデバイスに加える効果を説明するよう、図９は、同じ一定（１５０Ｖ）ＤＣバイアスに関するが、アクチュエータに加えられた異なる負荷に対応する、周波数１０６‘スイープ’に対する２つの抵抗１２０を示す。線１２２は、デバイスに負荷が印加されない場合のスイープを表す。この線は、従って、図７の線１１０と同じであるが、周波数及び抵抗のより狭い範囲について示されている。線１２４は、アクチュエータに０．０１Ｎの負荷が印加される場合のスイープを表す。明らかなように、負荷の効果は、〜２４ｋＨｚのデバイス共振周波数での抵抗の隆起を有効に‘取り除く’ことである。デバイスへの０．０１Ｎの印加は、印加される高周波信号によって引き起こされた共振効果の大部分を減衰させるのに十分である。この減衰は、小さな負荷の存在でさえ検出されることを可能にする。
【０１３７】
減衰効果は、印加される負荷力の大きさが大きければ大きいほどますます大きい。この関係は、印加される負荷が検出されることだけでなく、定量的に測定されることも可能にする。負荷の測定を実現するよう、アクチュエータの動作に先行して追加のキャリブレーションステップを実行することが必要であり得る。このキャリブレーションステップは、反共振周波数の決定後に実行される（上記を参照。）。反共振周波数が知られると、デバイスに対して印加される負荷の関数として直列抵抗を測定すること以外に、スイープが、一定ＤＣバイアス電圧について及び一定ＡＣ周波数（すなわち、反共振周波数）について実行され得る。この関係が知られると、所与の一定周波数信号について、それは、デバイスが動作中であるときに、測定された直列抵抗が、印加された負荷の大きさのほぼ直接的な指標を提供することを可能にするために、利用されてよい。
【０１３８】
これを説明するよう、図１０には、例えば、アクチュエータデバイスが１５０Ｖの一定ＤＣバイアスで及び２４ｋＨｚの一定ＡＣ周波数（問題となっているデバイスの共振周波数）で駆動される場合に、時間（任意単位）１３２に対して、測定された直列抵抗１３０（単位オーム）を表す信号１２８が示されている。時間ｔ＝３５０及び時間ｔ＝５００で、アクチュエータは０．０１Ｎ負荷をかけられている。これは、夫々の場合で、抵抗１３０の急激な減少をもたらす。減少は、印加されている負荷の夫々の持続期間中続く。図１０からは、デバイスが印加される負荷に対して高速且つ非常に正確な応答を提供することが明らかである。このことは、センサ用途にとって理想的である。印加される力の大きさはこの場合に既に知られているが、動作に先行して上記のキャリブレーションステップを実行することを通じて、図１０に示される種類のグラフは、負荷イベントのタイミングだけでなく、それらの正確な大きさも決定するために容易に使用され得る。
【０１３９】
上述されたように、多種多様な構成オプションが、ヒト組織受容面に対する生理学的検知面のポジショニングの自動調整を提供するよう、本発明に従って達成可能である。
【０１４０】
少なくとも第１の組の例となる実施形態に従って、上記のＥＡＰ構造体は、更なる追加の生理学的センサデバイスの検知面を操作するよう配置及び適応されてよい。このセンサデバイスは、理想的に、検知装置自体の一部として組み込まれる。一例が、図１１における実例を用いて示されており、センサ装置は、被験者の皮膚１４４の表面の入射領域に面するよう配置された検知面を備えている更なる生理学的センサ要素１４０を有する。
【０１４１】
センサ要素１４０は、広範な種々の原理又は方法のいずれかに従って生理学的検知機能を提供するよう構成されてよい。それらは、ＥＥＧ、ＥＣＧ、心拍、血中酸素濃度（ＳｐＯ２）、及び血圧を含むが限られない。１つの有利な組の実施形態において、ＰＰＧデバイスに基づく検知要素が検知装置に組み込まれてよい。そのようなＰＰＧに基づくデバイスの１つ以上の光学検知面は、皮膚の表面に対するその面のポジショニングの調整を可能にするよう、ＥＡＰ構造体と協調して配置されてよい。
【０１４２】
検知要素は、生理学的検知データを出力する信号出力部（有線又は無線）を含んでもよい。
【０１４３】
図示されるように、ＥＡＰ構造体３４は、筐体５４の中にクランプされて設けられている。図１１の左側は、アイドル状態にある構造体、すなわち非作動状態を示す。図１１の右側は、作動している構造体、すなわち作動状態を示す。作動信号の印加時に、構造体は上方向に変形し、それによって、皮膚又は組織１４４の領域の表面に対して生理学的検知要素１４０を押し付ける。ＡＣ検知信号の印加及びインピーダンス又は抵抗値の測定を通じて、皮膚受容面１４４によって検知要素１４０に加えられる復旧力の指標が取得され得る。センサ要素に印加されるとしても、要素はＥＡＰ構造体と直接に機械連通して配置されるので、この力は要素を通じて伝えられ、ＥＡＰ構造体によって測定可能である。
【０１４４】
検知された復旧力の値は、印加される作動信号の大きさを調整するためにコントローラ（図示せず。）によって使用される。例えば、コントローラは、検知されたインピーダンス、抵抗又は力の値を略一定又は一様に保つように、作動信号を調整するよう構成されてよい。
【０１４５】
少なくとも第２の組の例に従って、ＥＡＰ構造体自体が、１つ以上の生理的パラメータの測定を提供するよう構成されてもよい。この場合に、ＥＡＰ構造体自体の表面が、ヒト組織受容面に対するそのポジショニングを調整するために装置によって操作される検知面を提供する。図１２は、ＥＡＰ構造体３４が血圧のトノメトリに基づく測定を提供するよう実装される一例を示す。
【０１４６】
図は、動脈１５２の直ぐ上にある被験者の皮膚の表面１４４に対して適用されるＥＡＰ構造体３４を例示する。動脈１５２は、その直ぐ下に位置する骨１５０と整列されている。図の左側は、アイドル状態にある構造体、すなわち非作動状態を示す。右側は、作動している構造体、すなわち作動状態を示す。図示されるように、ＥＡＰ構造体３４の作動は、圧力を動脈１５２に加え、それによって、動脈１５２を下にある骨１５０に押し付ける。圧力がＥＡＰ構造体によって皮膚表面１４４に加えられる場合に、復旧力は、反対にＥＡＰ構造体の接触面の方へ皮膚表面によって及ぼされる。この復旧力は、重ね合わされた共振又は反共振ＡＣ検知信号の印加と、時間にわたる示されるインピーダンス又は抵抗値の測定（上記を参照。）とによって検知され得る。
【０１４７】
得られた力又はインピーダンスの値は、通常、２つの成分から成ってよい。第１の成分は、作動力の印加に応答して生成された反力成分であり、印加された作動力と大きさがほぼ等しく方向が逆である。この成分は、ニュートンの第３法則の結果として現れ、作動力と等しく且つ逆向きであるということで、ＥＡＰ構造体３４によって皮膚に加えられる作動力の代理指標を提供し得る。第２の成分は、動脈１５２を流れる血液の圧力の結果として現れる生理的成分である。
【０１４８】
この実施形態のために、コントローラ（図示せず。）は、ハイパスフィルタ及びローパスフィルタの一方又は両方を含むフィルタ回路を有してよい。フィルタ回路は、得られたインピーダンス又は抵抗値から、反力成分及び生理的成分の夫々を表す値のサブセットを取り出すことを可能にする。ローパスフィルタは、反力成分が、通常は、比較的に静的であり、ほとんど又は全く変動を示さないということで、この反力成分の取り出しを可能にする。反力成分の周波数は、事実上、ゼロに近い。ハイパスフィルタは、例えば、血圧又は脈拍数に対応する生理的成分が、当然に、動脈を流れる血圧の周期的な脈動に従って振動するということで、この生理的成分の取り出しを可能にする。
【０１４９】
前の項で論じられたように、トノメトリの場合に、動脈に加えられる力は、動脈の完全な閉塞でなく少なくとも部分的な圧縮を提供するよう注意深く制御されることが重要である。ＥＡＰ構造体３４の組み込まれた力検知機能は、動脈１５２に加えられている力の大きさに関するフィードバックを供給するために利用されてよい。特に、コントローラは、検知された復旧力の取り出された反力成分に応じて、ＥＡＰ構造体に加えられる作動電圧を調整するよう構成されてよい。コントローラは、例えば、反力成分が特定の組の定義された閾値の中にとどまることを確かにするよう、プログラムされてよい。
【０１５０】
必要とされる圧力又は力が実現されると、コントローラは、例えば、制御ループ機能を実装するよう構成されてよく、これによって、検知された反力の変化は、反力（ひいては、印加される作動力）を必要とされるレベルに保つために、印加される作動電圧の適切な調整を促す。
【０１５１】
この機能はまた、装置が、偶発的な外部からの影響によって、又はユーザの動作によって引き起こされた如何なる意図的でない動きアーチファクトも補償することを可能にする。
【０１５２】
適切なフィルタ回路が含まれる場合に、この調整制御ループは、動脈１５２を流れる血液の血圧の測定を得ることと同時に実装され得る。
【０１５３】
効率又は正確さを改善するよう、この実施形態に対する変形に従って、タイミングスキームが実装されてよく、生理学的測定及び反力測定が、交互に又は順次的に、異なる時点で取得される。生理学的測定が必要とされる場合に、制御ループ機能は、インピーダンス信号がそれらの指標を得るよう解析される間、中断又は一時停止され得る。生理学的指標が取得されると、制御ループは再開され得る。これは、両方の信号を同時に取得する必要性を回避して、制御処理を簡単化し、例えば、必要な処理電力を低減する。
【０１５４】
更なる変形例では、コントローラは、測定された復旧力の生理的成分にのみ応じて、印加される作動電圧（ひいては、作動力）の大きさを調整するよう構成されてよい。特に、動脈１５２における血圧の変化によって引き起こされる圧力変動は、検知される復旧力をおおよそ一様に保つように、アクチュエータ駆動信号の調整によって補償される。生理的成分のみがＥＡＰ作動範囲の調整を制御すること、及び生理学的指標を得ることの両方のために使用されるので、単一のフィルタ（ローパスフィルタ）しか必要とされず、ただ１つの信号しか取り出される必要がない。これは、制御エレクトロニクスの複雑さを低減して、製造の費用及び複雑さを低減し、更には、必要とされる処理電力及び処理複雑さを制限する。
【０１５５】
更なる例となる組の実施形態に従って、検知装置は、振動する血圧変化の検出のために構成されてよい。この場合に、コントローラは、最初に初期圧力を皮膚表面１４４に印加し、それによって、動脈１５２を、真下にある骨１５０に押し付けるように、ＥＡＰ構造体３４を制御するよう構成される。この初期圧力のレベルは、例えば、復旧力の反力成分の測定によって制御され得る。この圧力は、次いで、その後にゆっくりと低減される。圧力の低減中に、検知されたインピーダンス、抵抗又は力の値の生理的成分は、収縮期血圧と拡張期血圧との間の血流によって引き起こされる血管壁の振動結果として現れるインピーダンス（示された力）の振動する変化を検出及び記録するようモニタされる。
【０１５６】
この又は他のトノメトリに基づく実施形態に従って、コントローラは、検知された血圧（又は他の生理的パラメータ）に応じて作動信号を調整するよう構成されてよい。例えば、コントローラは、検知された血圧の変化を検出し、それらの変化を補償して、一定の接触力が皮膚表面とＥＡＰ表面との間で保たれることを確かにするよう構成されてよい。例えば、血圧がより高くなる場合に、ＥＡＰ作動力は（作動電圧を下げることによって）低減され得、その逆も同様である。これは、検出されるインピーダンスを安定に保つためにＥＡＰ作動電圧を制御することとして現れ得る。
【０１５７】
更なる組の実施形態に従って、ＥＡＰ構造体３４のアレイが、可撓キャリア１６０に取り付けられてセンサ装置の部分として提供されてよい。夫々のＥＡＰ構造体は、上記の方法及び原理に従って制御される。一例が図１３に示されている。
【０１５８】
夫々の構造体３４は、ユーザの皮膚の異なる特定の位置での特定の生理的パラメータの独立した指標を提供するよう動作可能であってよい。これは、指標の正確さ及び信頼性を改善し、更には、更なる生理学的情報、例えば、生理的パラメータの局所的変化、又は方向情報が導出されることを可能にする。
【０１５９】
その上、斯様な複数配置は、複数の異なるエリアが一度に検知可能であり、例えば、データが見逃されないことを確かにするということで、ＥＡＰ構造体３４の非常に正確なポジショニングの必要性を低減し得る。
【０１６０】
複数のＥＡＰ構造体３４は、可撓キャリア１６０の上に２次元構成において配置されてよい。これは、規則的なアレイ又は不規則なアレイ若しくはフォーメーションを形成し得る。
【０１６１】
ＥＡＰは、本質的に可撓である。これは、構造体が可撓キャリア１６０に容易に組み入れられることを可能にする。可撓キャリアは、装着可能な生理学的センサ装置を提供するよう、可撓バンド／包袋又は他のウェラブル構造体に組み込まれ得る。これは、例において、例えば、腕（例えば、手首）、指に適用されるか、あるいは、人体のいずれかの所望の部分に取り付けられ得る石膏様の接着剤に埋め込まれてもよい。
【０１６２】
更なる例となる実施形態に従って、追加の力また発力検知要素が、ＥＡＰ構造体の検知機能を改善又は増補するよう設けられてもよい。一例が図１４に示されている。ここで、センサ装置は、電気活性高分子構造体に機械的に取り付けられ且つコントローラと電気的に結合されている圧電材料１７０の層を電極の形で更に有する。その層は、受容面によって自身に及ぼされた印加力を測定するよう動作可能である。これは、受容面によって及ぼされた力を測定する追加手段を提供し得る。これは感度を改善するか又は更なる情報を提供し得る。これにより、受容面によって加えられた反力を測定すること又は生理的パラメータを測定することが支援され得る。
【０１６３】
圧電材料１７０は、ポリフッ化ビニリデン樹脂（polyvinylidene  fluoride）（ＰＶＤＦ）の層であってよい。この材料は、例えば、多層構成を生成するよう任意に成形及び積層され得る薄く、非常に柔軟なシート又はフィルムを形成することができる。これは、図１４の例で示されるように、それをＥＡＰ構造体３４の上への組み込みに適合するようにする。
【０１６４】
ＰＶＤＦ電極１７０は、１つよりも多いＰＶＤＦの層を有してよい。電極は、機械的にＥＡＰ構造体３４に取り付けられ（例えば、接着され）てよい。圧電電極の検知出力は、ＥＡＰ構造体に供給される作動信号を調整又は規制するためにコントローラによって利用されてよい。作動信号は、それによって、少なくとも部分的に圧電層１７０の出力に応じて、制御されてよい。圧電層／電極は、追加的に、又は代替的に、血圧又は脈拍数のような１つ以上の生理的パラメータ又は現象の結果として印加された圧力を検知又は測定するために利用されてもよい。
【０１６５】
ひずみゲージ、又は圧力セル若しくは集積ＳＭＤコンポーネントのような他の小型の固体圧力センサのような、他の検知要素が、追加的に、又は代替的に、組み込まれてもよい。
【０１６６】
更なる例となる実施形態に従って、ＥＡＰ構造体は、負荷／圧力測定に加えて温度測定を提供するよう更に構成されてもよい。それらは両方とも、作動と同時に提供され得る。温度検知は、実施形態において、第１の（一次的な）検知信号（圧力／負荷を検知するための信号）の周波数とは異なる周波数で、作動信号の上への第２の低振幅ＡＣ検知信号の重ね合わせを通じて直接的に実現可能である。
【０１６７】
第２の周波数は、ＥＡＰ構造体によって示されたインピーダンス又は直列抵抗が印加される負荷に対しては一定であるが、インピーダンス又は直列抵抗が温度に対しては周期的に変化するところの周波数である。
【０１６８】
第１及び第２の検知信号は、例えば、交互に印加されてよく、それによって、圧力信号に対する温度の影響を切り離す。２つの検知信号の交互の印加は、比較的速い交番周波数で実行されてよく、それにより、負荷／圧力測定及び温度測定は実質的に同時に実現される。信号印加時間は、このようにして、温度と圧力／力検知との間で有効に分けられるが、夫々の測定は、高度な規則正しさで依然として取得され得る。
【０１６９】
温度測定を得るよう、第２の（温度）検知信号は、示されるインピーダンスが、ＥＡＰ構造体３４（又はＥＡＰ構造体の周囲環境）の温度に応じて信頼できる周期的な様態で変化するところの周波数になければならない。夫々の所与の温度での示されるインピーダンスはまた、測定の時点での印加される作動電圧にも概して依存する。
【０１７０】
キャリブレーション処理は、動作に先行して実行されてよく、ＥＡＰ構造体にかかるインピーダンスは、所望の範囲の異なる温度の夫々で、予想されたとり得る範囲にある印加作動信号の夫々について測定される。夫々の異なる温度での印加作動信号についての対応する示されたインピーダンスのルックアップテーブルが、然るべく生成され得る。このルックアップテーブルは、実施形態の動作中に、測定されたインピーダンス及び既知の印加される作動信号に基づき、ＥＡＰ構造体（又はその環境）の予測温度を決定するために使用されてよい。
【０１７１】
力／負荷測定に加えて、温度測定の確認は、更に有用な生理学的情報を提供し得る。温度測定は、更なる又は更に詳細な若しくは正確な生理学的情報が取得されることを可能にし得る。それは、例において、圧力データをより深く又は詳細にするよう、例えば、トノメトリ血圧測定と組み合わされてよい。
【０１７２】
更なる例において、温度測定は、１つ以上の生理学的構造又は機能に対するデバイスのポジショニングを決定又は誘導する手段として使用されてもよい。これは、生理学的構造又は機能が、（それらを流れる血液の容量に起因して）周囲組織に対して昇温を通常示す、例えば、静脈対動脈のような、強い温度特性を示す場合に特に当てはまる。この温度‘信号’又は指標は、装置の実施形態において、所与の生理学的機能に対するＥＡＰ構造体のポジションの決定を可能にために、且つ、例えば、ＥＡＰ構造体の初期ポジショニング又は構造体の作動位置調整のいずれかを誘導又は報告するために、使用されてよい。
【０１７３】
好適な実施形態においては、アクチュエータ層は、同時の検知及び作動機能に特に適しているリラクサ強誘電性材料の層を有してよい。リラクサ強誘電性材料は、ゼロＤＣ電圧が印加されるときに非強誘電性である。よって、材料内には電気機械結合が存在しない。電気機械結合は、ＤＣバイアス電圧が印加される場合に非ゼロになり、上記のプロシージャに従って、ＤＣバイアスの上に小振幅高周波信号を印加することにより測定され得る。リラクサ強誘電性材料は更に、非ゼロＤＣバイアスでの高い電気機械結合及び優れた作動特性の独自の組み合わせから恩恵を受ける。
【０１７４】
ＥＡＰ層のための適切な材料は、
ポリフッ化ビニリデン樹脂（Polyvinylidene  fluoride）−三フッ化エチレン（trifluoroethylene）−クロロフルオロエチレン（chlorofluoroethylene）（PVDF-TrFE-CFE）、ポリフッ化ビニリデン樹脂（Polyvinylidene  fluoride）−三フッ化エチレン（trifluoroethylene）−クロロトリフルオロエチレン（chlorotrifluoroethylene）（PVDF-TrFE-CTFE）、ポリフッ化ビニリデン樹脂（Polyvinylidene  fluoride）−三フッ化エチレン（trifluoroethylene）−ヘキサフルオロプロピレン（hexafluoropropylene）（PVDF-TrFE-HFP）、又はそれらの混合
を含むが限られない。
【０１７５】
追加のパッシブ層が、印加電界に応答してＥＡＰ層の挙動に作用するよう設けられてもよい。
【０１７６】
ＥＡＰ層は、電極間に挟まれてよい。電極は、それらがＥＡＰ材料層の変形に追随するように伸縮可能であってよい。電極に適した材料も知られており、例えば、金、銅、若しくはアルミニウムのような金属薄膜、又はカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホン酸塩）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）のような有機導体から成るグループから選択されてもよい。例えば、アルミニウムコーティングを使用したメタライズドポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような、メタライズドポリエステルフィルムも使用されてよい。
【０１７７】
種々の層のための材料は、例えば、種々の層の弾性率（ヤング率）を考慮しながら選択される。
【０１７８】
追加の高分子層のような、上述されたものに対する追加の層が、デバイスの電気的又は機械的な挙動を適合させるために使用されてもよい。
【０１７９】
デバイスは、単一のアクチュエータとして使用されてよく、あるいは、例えば、２Ｄ又は３Ｄ外観の制御を提供するよう、デバイスのライン又はアレイが存在してもよい。
【０１８０】
本発明は、アクチュエータの受動マトリクスアレイが関心を持たれている例を含め、多数のＥＡＰ生理学的センサ用途において適用可能である。斯様な用途のために、低電圧動作が望まれ、作動電圧は、望ましくは、３００Ｖを下回る。より小さいＡＣ検知電圧は、通常、２０Ｖを下回り得る。
【０１８１】
上述されたように、実施形態はコントローラを使用する。コントローラは、必要とされる様々な機能を実行するよう、ソフトウェア及び／又はハードウェアにより、多数の方法で実装され得る。プロセッサは、必要とされる機能を実行するようソフトウェア（例えば、マイクロコード）を用いてプログラムされ得る１つ以上のマイクロプロセッサを用いるコントローラの一例である。コントローラは、しかしながら、プロセッサを用いても又は用いなくても実装されてよく、いくつかの機能を実行する専用のハードウェアと、他の機能を実行するプロセッサ（例えば、１つ以上のプログラムされたマイクロプロセッサ及び関連する回路）との組み合わせとしても実装されてよい。
【０１８２】
本開示の様々な実施形態で用いられ得るコントローラ構成要素の例は、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含むが限られない。
【０１８３】
様々な実施において、プロセッサ又はコントローラは、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、及びＥＥＰＲＯＭのような、揮発性及び不揮発性のコンピュータメモリのような１つ以上の記憶媒体に関連してよい。記憶媒体は、１つ以上のプロセッサ及び／又はコントローラで実行される場合に、必要とされる機能を実行する１つ以上のプログラムにより符号化されてよい。様々な記憶媒体が、プロセッサ又はコントローラ内に固定されてよく、あるいは、可搬型であってよく、それにより、それに記憶された１つ以上のプログラムがプロセッサ又はコントローラにロードされ得る。
【０１８４】
開示されている実施形態に対する他の変形例は、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求される発明を実施する際に当業者によって理解及び達成され得る。特許請求の範囲において、語“有する”（comprising）は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞（a又はan）は、複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項で挙げられているという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すものではない。特許請求の範囲における如何なる参照符号も、適用範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
2019532698.tif 000004
【図２】
2019532698.tif 000005
【図３】
2019532698.tif 000006
【図４】
2019532698.tif 000007
【図５】
2019532698.tif 000008
【図６】
2019532698.tif 000009
【図７】
2019532698.tif 000010
【図８】
2019532698.tif 000011
【図９】
2019532698.tif 000012
【図１０】
2019532698.tif 000013
【図１１】
2019532698.tif 000014
【図１２】
2019532698.tif 000015
【図１３】
2019532698.tif 000016
【図１４】
2019532698.tif 000017
【国際調査報告】
2019532698.tif 000018
2019532698.tif 000019
2019532698.tif 000020