(57)【要約】  アクチュエータ装置は、制御可能な剛性プロファイルを有するように提供される。アクチュエータ部材（12）は、埋設された光吸収フィラー素子（20）を有する電気活性ポリマー材料（16）を有する。フィラー素子は、入射光（206）を吸収して、熱エネルギーにす変換するように適合され、電気活性材料の周囲区画が加熱される。アクチュエータ部材に誘導される光源（24）の強度レベルまたは空間組成を選択的に制御することにより、部材にわたって特定の度合いおよび広がりの加熱が達成され、その結果、アクチュエータ部材にわたって、特定の所望の剛性または可撓性プロファイルが実現される。
2019536404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
調整可能な剛性プロファイルを有するアクチュエータ装置であって、
アクチュエータ部材を有し、
該アクチュエータ部材は、
電気的刺激の印加に応答して変形するように適合された電気活性材料、および
入射光エネルギーを吸収し熱エネルギーに変換するように適合された、前記電気活性材料内の光吸収フィラー素子、
を有し、
当該アクチュエータ装置は、
前記アクチュエータ部材に光学的に結合され、前記アクチュエータ部材に光出力を提供するように作動する、制御可能な光源であって、前記光出力は、前記アクチュエータ部材の剛性プロファイルを制御可能に調整するように、異なる強度レベルおよび／またはスペクトル組成の範囲の間で制御可能である、光源と、
前記アクチュエータ部材において、少なくとも3つの異なる剛性プロファイルの範囲のいずれかを選択的に実現するように、前記光出力の前記強度レベルおよび／またはスペクトルプロファイルを制御するように作動される制御器と、
を有する、アクチュエータ装置。
【請求項２】
前記制御器は、前記アクチュエータ部材の少なくとも一部において、剛性レベルの連続的なスペクトルのいずれかを実現するように、前記光出力の前記強度レベルおよび／またはスペクトルプロファイルを制御するように作動される、請求項1に記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
前記制御器は、予め定められた制御計画に基づいて、および／または1もしくは2以上の入力制御パラメータに基づいて、前記アクチュエータ部材において実現される前記剛性プロファイルを選択的に制御するように構成される、請求項1または2に記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
前記光吸収素子は、前記電気活性材料内に不均一に分配され、前記アクチュエータ部材において、空間的に不均一な剛性プロファイルが実現される、請求項1乃至3のいずれか一つに記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
前記光吸収フィラー素子は、空間的に異なるフィラー素子の濃度の組で分配される、請求項4に記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
前記アクチュエータ部材は、光吸収フィラー素子の複数の異なる局部的に濃縮された群を有し、
各群は、異なる波長の範囲の光を吸収するように適合され、
前記制御器は、定められた制御計画により、前記光出力の前記スペクトル組成を制御するように構成され、前記アクチュエータ部材の特定の剛性プロファイルが実現される、請求項1乃至5のいずれか一つに記載のアクチュエータ装置。
【請求項７】
前記制御器は、前記アクチュエータ部材の1または2以上の領域に含まれるフィラー素子が感応する光の波長を選択的に含有または排除することにより、前記部材の1または2以上の領域で、前記アクチュエータ部材の局部的な剛性を選択的に制御するように構成される、請求項6に記載のアクチュエータ装置。
【請求項８】
前記光出力の光学軸に平行に延伸する軸に沿って積層された、フィラー素子の複数の異なる平坦濃度の積層配置を有し、
各平坦濃度は、前記光出力のスペクトル組成の異なる部分を吸収するように適合される、請求項6または7に記載のアクチュエータ装置。
【請求項９】
前記制御可能な光源および前記アクチュエータ部材は、細長い光ガイドにより光学的に結合され、
必要な場合、前記細長い光ガイドは、光ファイバである、請求項1乃至8のいずれか一つに記載のアクチュエータ装置。
【請求項１０】
前記光吸収フィラー素子は、
黒色顔料、
遷移金属、
波長特定色素、
蛍光体、および
蛍光プローブ
の少なくとも一つで形成されたフィラー素子を有する、請求項1乃至9のいずれか一つに記載のアクチュエータ装置。
【請求項１１】
前記光吸収フィラー素子は、温度依存する光透過率を有する材料を有し、光透過率は、特定の温度で水平となり、
必要な場合、前記光透過率は、前記電気活性材料のガラス転移温度を超える温度で水平になる、請求項1乃至10のいずれか一つに記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２】
誘導可能な区画を有する細長いプローブであって、
当該細長いプローブは、前記誘導可能な区画の操作が容易となる、請求項1乃至11のいずれか一つに記載の1または2以上のアクチュエータ装置を有する、細長いプローブ。
【請求項１３】
前記誘導可能な区画を操作する、対向するアクチュエータ部材の組を有し、
前記2つの部材の剛性は、任意の所与の方向に操作された際に、
前記2つの部材の機械的にアクティブな方が、強いアクティブ作動力のため、高い剛性を示すように制御され、
前記2つの部材の機械的にパッシブな方が、前記作動力に対して最小の抵抗が得られ、低い剛性を示すように制御される
ように相反的に制御される、請求項12に記載の細長いプローブ。
【請求項１４】
各アクチュエータ部材用の専用の光ガイドを有し、
各アクチュエータ部材に対して、制御可能な光出力が別個に提供される、請求項12または13に記載の細長いプローブ。
【請求項１５】
アクチュエータ部材の剛性プロファイルを選択的に制御する方法であって、
前記アクチュエータ部材は、
電気的刺激の印加に応答して変形するように適合された、電気活性材料と、
入射光エネルギーを吸収し、熱エネルギーに変換するように適合された、前記電気活性材料内の光吸収フィラー素子と、
を有し、
当該方法は、
前記アクチュエータ部材に光出力を誘導するステップであって、前記光出力は、制御可能な強度レベルおよび／またはスペクトル組成を有する、ステップと、
前記光出力の前記強度レベルおよび／またはスペクトルプロファイルを制御して、前記アクチュエータ部材において、少なくとも3つの異なる剛性プロファイルの範囲のいずれかを選択的に実現する、ステップと、
を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、制御可能な剛性を有するアクチュエータ装置、特に制御可能な剛性を有する電気活性材料系アクチュエータ部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気活性材料（EAM）、特に、電気活性ポリマー（EAP）は、電気応答性材料の分野内の新たな分類の材料である。EAPは、センサまたはアクチュエータとして作動し、各種形状に容易に製造でき、多くのシステムに容易に集積することができる。
【０００３】
材料は、作動応力および歪みのような特性について開発され、これらは、過去数十年にわたって大きく改善されてきた。技術的リスクは、製品開発の許容可能なレベルにまで低減され、EAPは、商業的および技術的に大きな関心事となっている。EAPの利点には、低電力化、小さな形状因子、可撓性、低（無）騒音作動性、精度、高解像度の可能性、迅速応答時間、および繰り返し作動が含まれる。
【０００４】
EAP材料の改善された特性および特定の利点は、新たな用途に対する適用可能性を提供する。
【０００５】
EAP装置は、電気的作動に基づいて、部材または特徴物の少量の移動が望まれる、任意の用途に使用することができる。同様に、本技術は、僅かの移動の検知に使用することができる。
【０００６】
EAPの使用は、従来のアクチュエータに比べて、比較的大きな変形と、小体積の力もしくは薄い形状因子の組み合わせにより、これまでは難しかった機能を可能にし、あるいは一般的なセンサ／アクチュエータの解決策を超える、大きな利点を提供する。またEAPは、低（無）騒音作動、正確な電子制御、迅速応答、および例えば0〜1MHz、典型的には20kHz未満のような、想定される作動周波数の広い範囲を提供する。
【０００７】
電気活性ポリマーを使用した装置は、フィールド（電界）駆動およびイオン駆動材料にサブ分割され得る。
【０００８】
フィールド駆動EAPの例には、圧電性ポリマー、電歪ポリマー（例えば、PVDF系のリラクサポリマー）、および誘電エラストマが含まれる。他の例には、電歪グラフトポリマー、電歪紙、エレクトレット、電気粘弾性エラストマ、および液晶エラストマが含まれる。
【０００９】
イオン駆動性EAPの一例は、共役／導電性ポリマー、イオン性ポリマー金属複合体（IPMC）、およびカーボンナノチューブ（CNT）である。他の例には、イオン性ポリマーゲルが含まれる。
【００１０】
フィールド駆動EAPは、直接電気機械的結合を介した電場により作動する。これらは、通常、高電場（V/m）、低電流を必要とする。通常、ポリマー層は、できるだけ低い駆動電圧を維持するため、薄くされる。イオン性EAPは、電気的に誘導される、イオンおよび／または溶媒の輸送により活性化される。これらは、通常、低電圧、高電流を必要とする。これらは、液体／ゲル状電解質媒体を必要とする（ただし、ある材料系は、固体電解質を用いても作動する）。EAPのいずれのクラスにおいても、複数の部材が含まれ、各々は、それら自身の長所および欠点を有する。
【００１１】
フィールド駆動EAPの第1の注目すべきサブクラスは、圧電および電歪ポリマーである。伝統的な圧電ポリマーの電気機械的な特性は限定されるが、この特性を向上するブレイクスルーがPVDFリラクサポリマーにつながり、これは、自発的な電気的分極を示す（フィールド駆動整列）。これらの材料は、歪み方向における改善された特性のため、予め歪化され得る（予備歪みにより、より良好な分子配列が生じる）。歪みは、通常、中間的な状態にある（1~5%）ため、通常、金属電極が使用される。他の種類の電極（導電性ポリマー、カーボンブラック系オイル、ゲルまたはエラストマ等）も使用できる。電極は、連続的であっても、セグメント化されていてもよい。
【００１２】
フィールド駆動EAPの関心のある別のサブクラスは、誘電エラストマである。この材料の薄膜は、対応する電極同士の間に挟まれ、平行板キャパシタが形成される。誘電エラストマ場合、電場の印加により誘導されるマクスウェル応力は、結果的に、薄膜に対する応力となり、これにより、厚さが縮み面積が膨脹する。通常、歪み特性は、エラストマの予備歪み処置により拡張される（予備歪みを維持するために、フレームが必要となる）。歪みは、相当な値になる（10~300%）。これは、使用され得る電極の種類を狭める。低中応力では、金属電極および導電性ポリマー電極が想定され、高歪み領域では、カーボンブラック系オイル、ゲル、またはエラストマが通常使用される。電極は、連続であっても、セグメント化されてもよい。
【００１３】
イオン性EAPの第1の注目すべきサブクラスは、イオン性ポリマー金属複合体（IPMC）である。IPMCは、2つの薄い金属または炭素系電極の間に挟まれた溶媒膨脹性イオン交換ポリマー膜で構成され、電解質の使用が要求される。典型的な電極材料は、Pt、Gd、CNT、CP、Pdである。典型的な電解質は、Li+およびNa+の水系溶液である。電場が印加されると、通常カチオンは、水とともにカソード側に移動する。これにより、親水性クラスタの再組織化が生じ、ポリマーが膨脹する。カソード領域における歪みにより、ポリマーマトリクスの残りの部分に応力が生じ、アノードに向かって曲げが生じる。印加電圧を反転すると、曲げが反対となる。既知のポリマー膜は、Nafion（登録商標）およびFlemion（登録商標）である。
【００１４】
イオン性ポリマーの別の注目すべきサブクラスは、共役／導電性ポリマーである。通常、共役ポリマーアクチュエータは、共役ポリマーの2つの層によって挟まれた電解質で構成される。電解質を用いて、酸化状態が変化される。電解質を介してポリマーに電位が印加されると、ポリマーに電子が追加され、またはポリマーから電子が除去され、酸化還元が駆動される。還元の結果、収縮が生じ、酸化の結果、膨脹が生じる。
【００１５】
ある場合には、ポリマー自身が（寸法的に）十分な導電性を有しない場合、薄膜電極が追加される。電極は、液体、ゲル、または固体材料（すなわち、高分子量のポリマーと金属塩との錯体）とすることができる。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）、およびポリチオフェン（PTh）である。
【００１６】
また、アクチュエータは、電解質に懸濁されたカーボンナノチューブ（CNＴ）で形成されてもよい。電解質は、ナノチューブとともに二重層を形成し、これにより、電荷の注入が可能となる。この二重層電荷注入は、CNTアクチュエータの一次機構として見なされる。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機能し、その後、これは、CNT表面への電解質の移動により形成される電気二重層により、バランス化される。炭素原子に対する電荷の変化の結果、C-C結合長さが変化する。その結果、単CNTの膨脹および収縮が観測される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
図1および図2には、EAP装置の想定される2つの作動モードを示す。
【００１８】
装置は、電気活性ポリマー層8を有し、これは、電気活性高分子層8の対向する側の電極４、6の間に挟まれる。
【００１９】
図1には、固定されていない装置を示す。図に示すように、電圧が使用されると、電気活性ポリマー層は、全ての方向に膨脹する。
【００２０】
図2には、膨脹が一つの方向にのみ生じるように構成された装置を示す。装置は、キャリア層10により支持されている。電圧が使用されると、電気活性ポリマー層は、湾曲しまたは反りが生じる。
【００２１】
電極、電気活性ポリマー、およびキャリアは、合わせて電気活性ポリマ構造全体を構成すると見なされ得る。
【００２２】
例えば、この移動の性質は、作動の際に膨脹する活性層と、パッシブなキャリア層との間の相互作用により生じる。示されたような軸の周りに非対称な湾曲を得るには、例えば、一方向の動きが強いられるように、分子配向（薄膜伸縮）が適用される。
【００２３】
一方向の膨脹は、EAPポリマーにおける非対称性に起因し、あるいは、これはキャリア層の特性の非対称性、またはその両方に起因する。
【００２４】
前述の電気活性ポリマー構造は、作動と検知の両方に使用されてもよい。最も重要な検知機構は、力の測定および歪み検出に基づく。例えば、誘電体エラストマは、外部力により、容易に伸縮することができる。センサに低電圧を印加することにより、電圧の関数として、歪みを測定することができる（電圧は面積の関数である）。フィールド駆動システムにより検知する別の方法は、容量変化を直接測定すること、または歪みの関数として、電極抵抗の変化を測定することである。
【００２５】
圧電および電歪ポリマーセンサは、印加される機械的応力に応じて、電荷を発生できる（結晶化の量は、検出可能な電荷を発生するほど十分に高いと仮定）。共役ポリマーは、ピエゾイオン効果を使用することができる（機械的応力がイオンの移動につながる）。CNTは、応力が加わると、CNT表面での電荷の変化が生じ、これは、測定することができる。CNTの抵抗は、気体状分子（例えば、O2、NO2）と接触した際に、変化することが示されており、CNTは、ガス検出器として利用できる。
【００２６】
EAP系アクチュエータ／センサの想定される用途は、多岐にわたる。本技術の汎用性および適用範囲のさらなる改善のため、作動する移動の範囲、およびEAPアクチュエータにより達成可能な力を向上させることが望ましい。また、例えば、マルチ接続作動の動きを含む、より複雑な動きおよび形状変化効果を実施するため、EAPアクチュエータの容量を高めることが望ましい。そのような効果は、現在のところ、構成が複雑で製造がより高価となる、EAPマトリクスまたはセグメント化EAP構造を使用してしか達成できない。
【００２７】
従って、改善された作動機能を提供するEAPアクチュエータが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本願発明者らによれば、単一のEAP構造における達成可能な動きおよび力の範囲は、構造の剛性にわたって大きな制御の度合いが可能な場合、改善され得ることが理解されている。現在、EAPアクチュエータ内の剛性制御は、材料の可撓性の2つの異なる境界状態の間の選択的変化にわたり、大きく制限されている。
【００２９】
EAPは、材料内での電気的刺激による圧縮の結果として生じる、元来の剛性変化の度合いを示す。しかしながら、その影響は、比較的小さいため（例えば、予め歪みを加えたアクチュエータの剛性変化因子は、5または6にすぎない）、剛性変化は、アクチュエータの変形に直接相関する。
【００３０】
少なくとも一桁にわたって変化し得る剛性（例えばヤング率または貯蔵弾性率）を有し、EAPの動作を制御するために使用される、電気的刺激とは独立した刺激により制御可能な、電気活性ポリマー系アクチュエータが得られることが好ましい。
【００３１】
そのような独立に制御可能な剛性により、EAPアクチュエータは、一定の剛性の装置を用いて現在可能な力および変形よりも、広い範囲の力および変形を網羅することができる。また、可変剛性および減衰プロファイルを有し、または複雑な（アレイライト）形状の変化効果を提供する装置を提供することが可能となる。現在、この機能は、マトリクスを用いることでしかできない機能、またはセグメント化された電気活性ポリマー構造によってしかできない機能である。
【００３２】
双安定な機能を容易にするため、2つの異なるレベルの間で、EAPアクチュエータの剛性を一時的に調整することが知られている。例えば、米国特許第8237324号には、電気活性ポリマー変換器を、電気的な刺激により容易に変形させるため、そのガラス転移温度以下から、ガラス転移温度を超える温度まで加熱することが記載されている。いったんアクチュエータの変形が達成されると、ガラス転移温度未満へのアクチュエータの再度の冷却により、作動が安定化する。ある例では、光吸収粒子が使用され、加熱プロセスが支援される。
【００３３】
しかしながら、そのような方法は、EAPアクチュエータの剛性にわたる、制御の限られた度合いしか提供できず、得られる状態は、特に、アクチュエータ構造の双安定性を改善するための課題に関連する。材料のガラス転移温度未満とそれ以上の2相に対応する、2つの状態の剛性しか達成されない。
【００３４】
従って、EAPアクチュエータの剛性の制御に対して広い度合いを提供する装置および方法が要望されている。
【００３５】
本発明は、特許請求の範囲により定められる。
【００３６】
本発明のある態様では、
調整可能な剛性プロファイルを有するアクチュエータ装置であって、
アクチュエータ部材を有し、
該アクチュエータ部材は、
電気的刺激の印加に応答して変形するように適合された電気活性材料、および
入射光エネルギーを吸収し熱エネルギーに変換するように適合された、前記電気活性材料内の光吸収フィラー素子、
を有し、
当該アクチュエータ装置は、
前記アクチュエータ部材に光学的に結合され、前記アクチュエータ部材に光出力を提供するように作動する、制御可能な光源であって、前記光出力は、前記アクチュエータ部材の剛性プロファイルを制御可能に調整するように、異なる強度レベルおよび／またはスペクトル組成の範囲の間で制御可能である、光源と、
前記アクチュエータ部材において、少なくとも3つの異なる剛性プロファイルの範囲のいずれかを選択的に実現するように、前記光出力の前記強度レベルおよび／またはスペクトルプロファイルを制御するように作動される制御器と、
を有する、アクチュエータ装置が提供される。
【００３７】
従って、本発明の実施例では、光刺激により制御可能な剛性を有するEAMアクチュエータが提供される。アクチュエータ部材に誘導される光出力の強度および／またはスペクトルプロファイルを変化させることにより、アクチュエータ部材にわたって示される剛性プロファイルが正確に制御される。
【００３８】
光吸収フィラーは、光を吸収して、これを効率的に熱エネルギーに変換する特性を有するように構成される。その後、熱エネルギーは、フィラーから、それらを取り囲む電気活性ポリマー材料に向かって外方に放射され、あるいは伝導される。電気活性ポリマー材料が加熱されると、その剛性が確実に低下し、剛性の変化は、導入される温度変化に直接依存する。
【００３９】
従って、光吸収フィラーの照射により、光学的に刺激される加熱の機構を介して、電気活性材料の剛性を変化させる、有効で正確な制御手段が提供される。光感応フィラーを用いた加熱により、例えば、通常の伝導的方法（例えば、加熱素子またはストリップを取り付ける方法）に比べて、より効率的で制御可能な加熱手段が提供される。フィラーは、電気活性材料内に埋設され、従って、いかなる周囲環境への（少なくとも初期の）ロスも伴わずに、発生した熱の100%を材料自身に供給することができる。また、埋設フィラーを使用することにより、（少なくともいくつかの例では）EAM層のある一部分または区画のみで加熱を選択的に制御し、その他では行わないことが可能になる。これは、外部伝導方法を用いた場合、容易ではない。加熱の良好な制御により、剛性に対する良好な制御が得られる。
【００４０】
電気活性材料は、支持マトリクスとして機能し、その内部には、微細粒子のようなフィラーが埋設される。
【００４１】
光の強度レベルは、広く光の出力パワー、または光のレベルを表し、必ずしも特定の物理量を表さない。これは、単なる一例では、光束、光パワー、放射光の放射束、放射強度、光強度、光度、放射照度、輝度または光輝のいずれかを表し得る。
【００４２】
スペクトル組成は、その成分の波長または周波数に関する光の組成を表す。これは、例えば、制御可能な光源の放射スペクトルを表すと解されてもよい。
【００４３】
剛性プロファイルは、アクチュエータ部材にわたる均一に示される剛性のレベルまたは度合いを表し得る。あるいは、剛性プロファイルは、アクチュエータ部材の範囲にわたって局部的に変化する、空間的な剛性プロファイルを表してもよい。
【００４４】
また、剛性という用語は、全般に、材料の可撓性または堅さ、または弾性の特性を表すものとして、広く解される。これは、特に、何らかの物理量を必ずしも表していない。ただし、特定の例では、これは、例えば、材料のヤング率または貯蔵弾性率を網羅してもよい。
【００４５】
1または2以上の実施例では、前記制御器は、前記アクチュエータ部材の少なくとも一部において、剛性レベルの連続的なスペクトルのいずれかを実現するように、前記光出力の前記強度レベルおよび／またはスペクトルプロファイルを制御するように作動されてもよい。例えば、強度レベルは、強度値の連続スペクトルにわたって制御可能であってもよい。アクチュエータ部材の少なくとも一部分の剛性レベルは、入射光の強度に直接依存する。従って、制御器は、材料における所与の所望の剛性レベルに対応する既知の強度の光を放射するように、光源の出力強度を選択的に制御することにより、剛性レベルの連続スペクトルのいずれかを達成するように作動されてもよい。
【００４６】
本発明のある実施例では、前記制御器は、予め定められた制御計画に基づいて、および／または1もしくは2以上の入力制御パラメータに基づいて、前記アクチュエータ部材において実現される前記剛性プロファイルを選択的に制御するように構成されてもよい。制御器は、例えば、プログラム指令を有し、該プログラム指令は、制御器上で実行された際に、特定の制御計画またはプログラムのステップを実施してもよい。制御計画またはプログラムは、例えば、光源の制御による、アクチュエータ部材の一連の異なる剛性プロファイルの繰り返しを有し、各々がアクチュエータ部材の特定の所望の剛性プロファイルと対応する、一連の異なる出力レベルまたはモードが繰り返されてもよい。
【００４７】
所定の制御計画は、例えば、1または2以上の入力パラメータに依存するステップを有してもよい。入力パラメータは、例えば、ユーザ入力指令またはパラメータを有してもよい。別の例では、入力パラメータは、1または2以上のセンサ装置、例えば温度センサまたは剛性センサにより得られるパラメータであってもよい。
【００４８】
1または2以上の実施例では、前記光吸収素子は、前記電気活性ポリマー内に不均一に分配され、前記アクチュエータ部材において、空間的に不均一な剛性プロファイルが実現されてもよい。例えば、光吸収フィラー素子は、空間的に異なるフィラー素子濃度の組で、分配されてもよい。
【００４９】
アクチュエータ部材に、空間的に濃縮された光吸収フィラー素子のクラスターを提供することにより、局部的に変化する剛性変化を得ることができる。特に、EAPフィラーの大きな濃度を有するこれらの配置では、典型的に、フィラー粒子の低い濃縮があるこれらの配置に比べて、（アクチュエータ部材を均一に広がる光で照射した際に）大きな度合いの加熱が生じる。
【００５０】
その結果、高濃縮領域は、低濃縮領域に比べて、剛性変化の大きな度合いを示し、高濃度領域は、低濃縮領域に比べてより可撓性になる。この方法では、フィラー素子の不均一な空間分布により、アクチュエータ部材にわたって、空間的に不均一な剛性プロファイルが誘導される。
【００５１】
1または2以上の実施例では、前記アクチュエータ部材は、光吸収フィラー素子の複数の異なる局部的に濃縮された群を有し、各群は、異なる波長の範囲の光を吸収するように適合され、前記制御器は、定められた制御計画により、前記光出力の前記スペクトル組成を制御するように構成され、前記アクチュエータ部材の特定の剛性プロファイルが実現されてもよい。
【００５２】
特に、制御器は、フィラー素子の群のサブセットのみが感応する光の波長を有するように、光出力を制御するように構成されてもよい。この方法では、制御器は、アクチュエータ部材のある領域または区画のみを、選択的に刺激して、加熱してもよい。これにより、この加熱パターンに対応する、特定の所望の剛性プロファイルが実現される。
【００５３】
従って、前記制御器は、前記アクチュエータ部材の1または2以上の領域に含まれるフィラー素子が感応する光の波長を選択的に含有または排除することにより、前記部材の1または2以上の領域で、前記アクチュエータ部材の局部的な剛性を選択的に制御するように構成されてもよい。
【００５４】
1または2以上の実施例では、当該アクチュエータ装置は、前記光出力の光学軸に平行に延伸する軸に沿って積層された、フィラー素子の複数の異なる平坦濃度の積層配置を有し、各平坦濃度は、前記光出力のスペクトル組成の異なる部分を吸収するように適合されてもよい。平坦濃度のスタックは、層スタックを有効に形成し、各層には、異なる組の光の波長を吸収するフィラー粒子が存在する。
【００５５】
平坦濃度の各々は、例えば、いわゆる白色光源の減法混色を吸収するように適合されてもよい。例えば、3つの平坦濃度のスタックの各々は、それぞれ、シアン、マゼンダ、および黄色の光を吸収するように適合されてもよい。この方法では、第1の平坦層に入射される白色光源のシアンの部分のみが吸収され、マゼンダおよび黄色の光部分は、下側に設置された残りの2層に透過される。次に、第2の層によりマゼンダの部分が吸収され、黄色の光が第3の層に透過される。
【００５６】
光の組成は、それに対応する層が刺激を受けるように、調整することができる。例えば、光源は、中間層が刺激を受けないように、シアンおよび黄色の光のみを有してもよい。
【００５７】
この方法では、スタックの片側のみの照射を介して、相互に積層された2または3以上の平坦素子濃度の選択的加熱が達成される。
【００５８】
1または2以上の実施例では、前記制御可能な光源および前記アクチュエータ部材は、細長い光ガイドにより光学的に結合され、必要な場合、前記細長い光ガイドは、光ファイバであってもよい。
【００５９】
本発明のある実施例では、前記光吸収フィラー素子は、
黒色顔料、
遷移金属、
波長特定色素、
蛍光体、および
蛍光プローブ
の少なくとも一つで形成されたフィラー素子を有してもよい。
【００６０】
1または2以上の実施例では、前記光吸収フィラー素子は、温度依存する光透過率を有する材料を有し、光透過率は、特定の温度で水平となり、必要な場合、前記光透過率は、前記電気活性材料のガラス転移温度を超える温度で水平になってもよい。
【００６１】
本発明の別の態様例では、誘導可能な区画を有する細長いプローブが提供され、該細長いプローブは、前述のアクチュエータ装置の1または2以上を有し、前記誘導可能な区画の操作が容易となる。細長いプローブは、特定の例では、カテーテルまたはガイドワイヤであってもよい。例えば、アクチュエータ装置のアクチュエータ部材は、先端の操作が容易となるように、細長いプローブの壁に含有され、または埋設されてもよい。特定の例では、細長いプローブは、複数のアクチュエータ装置を有してもよい。これらの場合、任意で、2または3以上のアクチュエータ装置は、単一の制御器を共有してもよい。
【００６２】
1または2以上の実施例では、細長いプローブは、前記誘導可能な区画を操作する、対向するアクチュエータ部材の組を有し、
前記2つの部材の剛性は、任意の所与の方向に操作された際に、
前記2つの部材の機械的にアクティブな方が、強いアクティブ作動力のため、高い剛性を示すように制御され、
前記2つの部材の機械的にパッシブな方が、前記作動力に対して最小の抵抗が得られ、低い剛性を示すように制御される
ように相反的に制御されてもよい。
【００６３】
特定の例では、細長いプローブは、各アクチュエータ部材用の専用の光ガイドを有し、各アクチュエータ部材に、別々に制御可能な光出力を提供してもよい。
【００６４】
本発明のさらに別の態様の例では、アクチュエータ部材の剛性プロファイルを選択的に制御する方法であって、
前記アクチュエータ部材は、
電気的刺激の印加に応答して変形するように適合された、電気活性材料と、
入射光エネルギーを吸収し、熱エネルギーに変換するように適合された、前記電気活性材料内の光吸収フィラー素子と、
を有し、
当該方法は、
前記アクチュエータ部材に光出力を誘導するステップであって、前記光出力は、制御可能な強度レベルおよび／またはスペクトル組成を有する、ステップと、
前記光出力の前記強度レベルおよび／またはスペクトルプロファイルを制御して、前記アクチュエータ部材において、少なくとも3つの異なる剛性プロファイルの範囲のいずれかを選択的に実現する、ステップと、
を有する、方法が提供される。
【００６５】
以下、添付図面を参照して、本発明の一例について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】固定されていない従来の電気活性ポリマー装置を示した図である。
【図２】基材により拘束された、従来の電気活性ポリマー装置を示した図である。
【図３】本発明の1または2以上の実施例による第1の例のアクチュエータ装置を概略的に示した図である。
【図４】典型的な電気活性ポリマー材料の弾性と温度の間の関係を示したグラフである。
【図５】1または2以上の実施例による第2の例のアクチュエータ装置のアクチュエータ部材を概略的に示した図である。
【図６】1または2以上の実施例による、アクチュエータ装置の1または2以上の例を有するカテーテルを概略的に示した図である。
【図７】1または2以上の実施例による第3の例のアクチュエータ装置のアクチュエータ部材を概略的に示した図である。
【図８】本発明の1または2以上の実施例による、アクチュエータ装置の一例を有するガイドワイヤを概略的に示した図である。
【図９】本発明の1または2以上の実施例による、第4の例のアクチュエータ装置のアクチュエータ部材を概略的に示した図である。
【図１０】多くの異なるポリマーにおける光透過率と温度の間の関係を示したグラフである。
【図１１】本発明の1または2以上の実施例による、第5の例のアクチュエータ装置のアクチュエータ部材を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
本発明は、制御可能な剛性プロファイルを有する電気活性材料アクチュエータ装置を提供する。装置のアクチュエータ部材は、埋設または含有された光吸収フィラー素子を有する電気活性ポリマーのような、電気活性材料を有する。光吸収フィラー素子は、入射光エネルギーを吸収して、熱エネルギーに変換するように適合され、これにより、EAP材料の周囲区画が加熱される。アクチュエータ部材に誘導される光源の強度レベルまたはスペクトル成分を選択的に制御することにより、部材にわたる特定の度合いでの熱の広がりが可能となり、その結果、アクチュエータ部材の本体にわたって、特定の所望の剛性または可撓性のプロファイルが実現される。
【００６８】
図3には、本発明の1または2以上の実施例によるアクチュエータ装置の単純化された第1の例を概略的に示す。アクチュエータ装置は、電気活性ポリマー材料16で形成されたアクチュエータ部材12と、電気活性ポリマー材料内の複数の光吸収フィラー素子20とを有する。装置は、さらに、制御可能な光源24を有し、これは、光出力26をアクチュエータ部材12の方に誘導するように作動される。
【００６９】
図3に示した単純な例では、光源24は、アクチュエータ部材12の表面に、直接、光出力26を提供するように配置されているが、別の例では、光源およびアクチュエータ部材は、例えば、光源とアクチュエータ部材の間に光出力を搬送するように構成された好適な光ガイドにより、間接的に光結合されてもよい。
【００７０】
アクチュエータ装置は、さらに、制御器30を有し、これは、制御可能な光源24に作動可能に結合され、光源により放射される光出力26の強度レベルおよび／またはスペクトルプロファイルを制御するように作動される。
【００７１】
光吸収フィラー素子20は、入射光を吸収して、光を熱エネルギーに変換する特性を有する材料で形成される。その後、生じた熱エネルギーは、フィラー素子から外方に向かい、アクチュエータ部材12の電気活性ポリマー材料の周囲に逸散される。光吸収フィラーは、効率的かつ制御された方法で、光を熱に変換し、アクチュエータ部材における複合体EAP材料の温度は、制御された方法で、迅速に安定値に到達する。特定の達成温度、およびこの温度に到達するために必要な時間は、フィラー材料の種類および量に依存するとともに、アクチュエータ部材におけるEAP材料に対するフィラー材料の比に依存する。さらに、アクチュエータ部材に誘導される光出力26の強度またはスペクトル組成により、制御されてもよい。
【００７２】
アクチュエータ部材の硬さまたは剛性は、その温度に依存する。これは、図4に示されている。図4には、電気活性ポリマー材料の温度と弾性率または貯蔵弾性率の間の典型的な関係を示すグラフが提供されている。この関係は、多くのフィールド駆動およびイオン性駆動EAP材料において維持される。図に示すように、弾性率は、ある温度範囲では、ほぼ一定に維持される。特定の温度（ほとんどの場合、ガラス転移温度）では、弾性率は、温度上昇に応じて、比較的速い速度で減少を開始する。さらにより高い温度では、材料の弾性率は安定化する：温度がさらに上昇しても、弾性率のさらなる変化は顕著ではなくなる。
【００７３】
例えば、0〜40℃の範囲の（ガラス）転移温度を有するEAP材料には、ポリ（t-ブチルアクリレート）、ポリ（フッ化ビニリデン-co-ヘキサフルオロプロピレン）、ポリウレタン、およびPMMMAと混合されたP（VDF-TrFE-CFE）が含まれる。これらは、典型的な環境（室温）において、特に利用可能となり得る好適な材料の一組の例を表す。このリストは、包括的なものではなく、他の好適な材料も使用可能である（その一例は、当業者には明らかである）。
【００７４】
アクチュエータ部材12に誘導される光エネルギーの量および速度を制御することにより、アクチュエータ部材の正確な加熱の度合いが調整でき、その結果、部材の剛性レベルを制御できる。
【００７５】
制御器30は、例えば、光出力26の強度レベルを制御するように、作動可能であってもよい。「強度レベル」は、例えば、光出力26の発光パワーを表してもよい。光出力の強度レベルを制御することにより、光源24と光吸収フィラー素子30との間のエネルギー移動の速度が制御される。エネルギー移動の速度を制御することにより、光吸収フィラー素子において、光エネルギーの熱エネルギーへの変換により生じるアクチュエータ部材を暖める速度が制御できる。この方法では、制御器30は、制御可能な光源24の制御を介して、アクチュエータ部材の剛性の状態を正確に制御するように作動することが可能となる。
【００７６】
一例では、強度レベルは、異なる強度レベルの連続スペクトルにわたって制御可能である。これらの例では、異なる剛性レベルの連続スペクトルは、光源24により生じる光出力の強度レベルに応じて、アクチュエータ部材内で達成されてもよい。
【００７７】
アクチュエータ装置は、従来の装置に比べて多くの利点を提供する。特に、アクチュエータ部材の剛性は、異なるレベルの範囲にわたって制御可能である。特に、制御器30は、少なくとも3つの異なる剛性プロファイルの範囲の任意のアクチュエータ部材において、選択的に実現するように作動され得る。図3の特定の例では、剛性プロファイルは、アクチュエータ部材の異なる剛性レベルを表し、各剛性レベルは、発生した光出力26の特定の強度レベルに対応する。
【００７８】
また、本発明の一例では、部材12の作動状態から独立に、剛性を制御することができる。剛性は、光源24の光出力26における調整により、完全に制御され、これは、アクチュエータ部材12の作動を制御するために使用される電気的刺激とは完全に無関係である。
【００７９】
また、本発明の一例では、アクチュエータ部材の剛性変換に使用される熱は、部材自体の材料内で生じる。従って、例えば、外部印加加熱素子、または他の熱伝導装置を提供するのような別の加熱手段と比べて、熱輸送の効率は大きく改善される。
【００８０】
本発明の一例では、電気活性ポリマー材料の弾性は、10倍以上変化し、これは、例えば、材料の機械的変形によって達成され得る本質的な剛性変化よりも有意に大きい。
【００８１】
1または2以上の例では、制御器30は、所定の制御計画に基づいて、アクチュエータ部材において得られる剛性プロファイルを選択的に制御するように構成される。所定の制御計画は、例えば、1または2以上の入力パラメータに応じたステップまたはプロセスを有してもよい。入力パラメータは、ユーザ入力パラメータであっても、例えば、温度センサのような、アクチュエータ部材と熱的に結合された、1または2以上のセンサ装置から得られる入力パラメータであってもよい。
【００８２】
単純な例では、制御器は、例えば、制御計画を実施するように構成されてもよい。ここでは、光源24は、アクチュエータ部材12に、少なくとも3つの異なる剛性プロファイルの組の一つを形成する上で十分な光出力26を放射するように制御される。制御計画は、例えば、可能な剛性プロファイルの各々のため、特定の剛性プロファイルを実現するために十分に知られた特定の光強度および／またはスペクトル組成を有してもよい。制御器30は、例えば、想定される剛性プロファイルの各々のため、アクチュエータ部材内にプロファイルを得る上で必要な、光出力の発光特性の対応するセットが保管されるメモリを有してもよい。
【００８３】
制御計画は、例えば、ユーザ入力指令を取得し、または探すステップまたはプロセスを有し、ユーザ入力指令は、アクチュエータ部材内で制御器が実行可能な、少なくとも3つの剛性プロファイルの特定の一つを表す。制御指令は、例えば、別個に提供されたユーザインターフェース装置により、制御器30に提供されてもよい。あるいは、アクチュエータ装置により、好適なユーザインターフェース装置が構成されてもよい。
【００８４】
これに加えて、またはこれとは別に、1または2以上の例では、制御器30は、アクチュエータ部材12が一連のまたは進行する異なる剛性プロファイルを繰り返すステップを含む制御計画を実施するように構成されてもよい。一連の異なる剛性プロファイルは、プロファイルの連続スペクトルに沿って連続したプロファイルであってもよい（例えば、想定される剛性レベルの連続スペクトルに沿った、異なる均一性の剛性レベル）。あるいは、異なる剛性プロファイルは、別個のプロファイルであり、例えば、アクチュエータ部材12内のローカル領域の異なるセットの刺激を有してもよく、これにより、異なる剛性構成または異なる形状変化効果が実現される。
【００８５】
光吸収フィラー素子は、例えば、フィラー粒子またはペレットを有してもよい。EAP材料と埋設されたフィラー粒子との組み合わせは、EAP複合材料を構成してもよい。特定の例では、EAPフィラー素子は、黒色顔料を有してもよい。黒色顔料は、比較的強い光出力26と組み合わせた利用に適してもよい。顔料の黒色化により、これらに高い吸収特性が提供され、これにより、光源24とアクチュエータ部材12の間のエネルギー移動の効率が改善される。好適な黒色顔料には、これに限られるものではないが、アセチレンブラック、アンチモンブラック、ログウッドブラックレイク（カラーインデックス:NBk2）、およびアニリンブラック（PBk1）が含まれる。多くの別の黒色顔料も存在し、いかなる好適な顔料を代わりに使用してもよい。
【００８６】
顔料は、電気的短絡または破壊を避けるため、非導電性であることが好ましい。また、顔料は、不溶性であることが好ましい。
【００８７】
色素も考えられる。色素は、通常、全般的に不溶性ではない（これらはある溶媒に溶ける）が、ある溶媒の群に対しては不溶性である。不溶性の場合、色素は、電気活性材料マトリクス内に、粒子として分散される（顔料と同様）。好適な例（限定的な例ではない）には、インディアンインク、ブラック7984が含まれる。
【００８８】
別の例では、遷移金属を有し、または遷移金属をベースとするフィラーが使用されてもよい。遷移金属系化合物は、高い吸収効率を提供し、周囲のEAP材料内での熱発生の効率も高い。好適な遷移金属化合物には、ニッケルまたは銅の酸化物が含まれる。
【００８９】
これに加えて、またはこれとは別に、光吸収フィラー素子20は、蛍光体または蛍光プローブのような、波長特定色素を有してもよい。これらの材料は、通常、特定の組の光、または波長のスペクトルのみを吸収する特性を有する。そのような材料を有するフィラー素子を含めることにより、本発明の一例において、波長特定吸収機能が可能となる。特に、例えば、異なる群のフィラー素子を含有させることにより、各々が、光の異なる波長組の吸収に適合され、アクチュエータ部材12に誘導される光出力26の特定のスペクトル成分を制御することにより、アクチュエータ部材12の剛性プロファイルにわたって、微妙なまたは局部的に誘導された制御が実現される。
【００９０】
光は、例えば、光のある波長のみを含むように制御され、光の他の波長は排除され、これにより、フィラー素子の特定のサブグループのみが加熱のために選択的に刺激され、これにより、アクチュエータ部材の特定の局部的な領域においてのみ、剛性の変化が誘導される。
【００９１】
そのような例に使用される好適な蛍光体には、亜鉛硫化物、またはイットリウム酸化物系の蛍光体が含まれる。
【００９２】
そのような例に使用される好適な蛍光プローブには、ローダミン系色素が含まれる。
【００９３】
装置には、電気活性材料（特に、ポリマー）と、別の粒子（通常、「フィラー」と称される）とが組み合わされた、複合材料が使用される。
【００９４】
以下、埋設または含有されたフィラー粒子を有する電気活性ポリマー材料を有する好適なEAP複合材料を製造する手段、ならびに電気活性材料の物理的および電気的特性に及ぼす影響について説明する。
【００９５】
まず、誘電体エラストマ電気活性材料の例について説明する。これらは、2つの電極の間に挟まれ、誘電体電気活性ポリマーアクチュエータを形成する。シリコーンゴムは、主要な適用エラストマ群である。変形は、正および負に帯電した電極の間の引力の結果生じる。
【００９６】
シリコーン内の粒子の複合化は、産業スケールにおいて広く使用されている。例えば、超音波変換器レンズは、鉄および酸化ケイ素粒子が充填されたシリコーン（PDMS、ポリジメチルシロキサン）で構成され、音響インピーダンスおよび摩耗抵抗が向上する。PDMS（シリコーン）化合物含有ルチル（TiO2）は、屈折率の向上、または白色反射材料の形成に、広く使用されている。
【００９７】
誘電体電気活性ポリマーの特性に関し、セラミックスのような非導電性硬質粒子との複合化は、2つの主要な効果を有する。まず、材料の剛性により、同じ歪みレベルを得るために要求される力が増加する。別の効果は、複合体の誘電率が変化することである（通常、フィラーの誘電率は、3に近いシリコーンよりも高い）。電圧に依存する歪み効果が正または負のいずれであるかは、粒子の誘電率および粒子サイズに依存し、小さい粒子は、剛性により大きな効果を示す。
【００９８】
これは、S．Somiya，“Handbook  of  Advanced  Ceramics：Materials，Applications，Processing，and  Properties”  MLCCs，Nonlinear  Dielectricity，Waltham，５Academic  Press，2013，p．415において検討されている。例えば、粒子の追加により、誘電率は上昇するが、剛性も高まる。
【００９９】
従って、誘電体電気活性ポリマーの特性に影響を与えるため、エラストマにフィラーを複合化することは、既知である。エラストマの誘電率を高め、さらには可能な場合効率を高めるため、高誘電率の粒子を追加することは、幅広く調査されている。
【０１００】
シリコーンエラストマは、通常、2つの成分を混合することにより調製される。その一つは、Ptまたは過酸化物硬化触媒を含む。異なる成分は、高速ミキサーで混合され得る。同じプロセスにおいて、フィラーが添加され、あるいはフィラーは、1または2以上の成分と、予め予備混合されていてもよい。フィラー材料は、通常、溶媒中に設置されており、これは、処理中に蒸発する。高速ミキサーでの混合の後、または混合中、通常、真空が印加され、含有空気（および／または溶媒）が除去される。この後、混合物は、成形され、硬化される。硬化温度および時間は、ポリマーのグレードに依存するが、通常、約80℃で10分である。ほとんどの粒子は、それらが触媒（例えば、硫黄含有材料）を不活性化させない限り、シリコーンと混和性がある。過酸化物硬化シリコーンは、感度が低い。
【０１０１】
シリコーンは、射出成形され得る（液体シリコーンゴム、LSR）。2つの部材は、（静電）ミキサーを通過した後、LSR射出成形機のスクリューにおいて射出される。フィラー粒子は、1または2つの成分において、予備混合されてもよい。材料は、コールドスクリューにより輸送され、高温型に射出され、ここで、温度に応じて迅速に硬化される。LSRは、極めて低い粘性を有するため、極めて薄い区画が実現される。通常の硬化温度は、180℃近傍であり、時間は、約30秒から1分である。
【０１０２】
成形および射出成形の他にも、他の多くの形状化技術を利用して、薄膜の形態の、シリコンゴム化合物部材を製造することができる。例えば、押出し（薄膜およびプロファイル）、薄膜のローリング法、複数の層の積層およびロール処理、ドクターブレード薄膜成形法、スピンコーティング法、およびスクリーン印刷法がある。
【０１０３】
充填は、例えば、マルチショット射出成形法（2ショットまたはオーバーモールディング）、シリコーン分配、およびオーバーキャスト、またはシリコーン添加製造法（すなわち3D印刷法）を使用して製造の位置において局部的に実施することができる。
【０１０４】
次に、圧電ポリマー複合体の例について説明する。
【０１０５】
PVDF（マトリクスポリマー）、およびPZTのようなセラミック粒子の化合物を含む圧電ポリマー複合体を調査した。溶媒成形およびスピンコーティングのような製造技術が好適である。また、冷間および熱間プレス技術も好適である。PVDFの溶解後に、粘性混合物が得られるまで溶媒が気化され、その後、フィラー粒子の混合が実施され得る。十分に分散されたグレインサイズ分布を有し、未反応ポリマーマトリクスを有するPVDFポリマー系複合体が得られる。
【０１０６】
次に、リラクサ電歪ポリマーアクチュエータ装置の例について説明する。
【０１０７】
これらは、中間歪みで比較的高い力を示す、半結晶性ターポリマーのクラスである。従って、これらのアクチュエータは、広範囲の潜在適用性を有する。リラクサ電歪ポリマーは、「通常」のPVDFポリマーから、適切な欠陥修正を用いることにより開発されている。これらは、フッ化ビニリデン（VDF）、トリフルオロエチレン（TrFE）、および1，1-クロロフルオロエチレン（CFE）、またはクロロトリフルオロエチレン（CTFE）を含む。
【０１０８】
VDF-TrFEと共重合された1，1-クロロフルオロエチレン（CFE）、のような化学的モノマーの形態における欠陥の添加により、通常の強誘電体相が排除され、電気機械歪みが7%を超え、150MV/mにおける弾性エネルギー密度が0.7J／cm3のリラクサ強磁性が得られる。また、P（VDF-TrFE）コポリマの高電子照射を介して欠陥を導入することにより、コポリマが、「通常」の強磁性P（VDF-TrFE）から強磁性リラクサに変換され得ることが記載されている。
【０１０９】
材料は、F．Carpiら，“電気化学的変換器としての誘電体エラストマ：基本、材料、装置、新たな電気活性ポリマー技術のモデルおよび適用”Oxford，Elsevier，2011，p.  53に記載のように、ポリマー合成により形成されてもよい。これには、懸濁重合プロセスと酸素活性化開始剤の組み合わせが開示されている。これらの膜は、ガラス基板に溶液を注ぎ、その後溶媒を気化させることにより、形成することができる。
【０１１０】
膜の成形の前に、溶媒に所望のフィラーを添加してもよい。成形後、複合体が熱処理され、溶媒が除去され、結晶性が向上する。結晶化率は、フィラー濃度および粒子のサイズ分布に応じて低下し得る。伸張により分子鎖が整列され、粒子が分子鎖を固定すると、伸張はより難しくなる。大部分の添加剤の場合、誘電率は上昇し、ある歪みに到達するために必要な作動電圧が低下する。材料剛性の増加により、歪みが低下する。
【０１１１】
従って、製造プロセスは、ポリマー溶液を形成するステップ、粒子を添加するステップ、混合するステップ、その後、必要な場合、積層と組み合わせて成形（例えばテープ成形）するステップ、を有する。代替例は、スピンコーティング、プレス等である。
【０１１２】
濃度の局部的な変化は、分散および／または3D溶媒印刷を用いて実現され得る。例えば、3D印刷プロセスでは、層の厚さは、10から20μmの間と見積もられる。
【０１１３】
全ての例において、フィラーの添加は、通常、ブレークダウン電圧に影響する。電気活性ポリマーにより到達し得る最大歪みは、印加される最大電圧により定まり、これがブレークダウン電圧である（または誘電体強度）。
【０１１４】
ポリマーのブレークダウン電圧は、印加外部電場下でのポリマー分子の溶解に関係する。ポリマーマトリクスにおけるフィラー粒子の添加は、ブレークダウン電圧に大きな影響を及ぼし得る。特に、大きな粒子は、局部的に電場を高める。従って、サブミクロン範囲の粒子を有する複合化ポリマーは、電圧ブレークダウンに低い悪影響を及ぼす。また、ポリマー-フィラー界面構造は、電圧ブレークダウンに強く影響する。
【０１１５】
粒子の凝集は、ブレークダウン電圧を下げる別の影響である。ただし、粒子表面を改質することにより、凝集を抑制でき、界面構造が改善され、電圧ブレークダウンレベルの負の影響が抑制される。しかしながら、充填ポリマーでは、未充填ポリマーに比べて低いブレークダウン強度が得られ、これは低い作動歪みにつながる。
【０１１６】
まとめると、粒子と複合化された誘電体電気活性ポリマーは、幅広い産業的複合化および形状化技術を用いて得ることができる。剛性に対する効果を維持し、従って、限られたアクチュエータのストロークの抑制のため、小さな濃度が好ましい。所与の体積濃度において、限られた剛性に及ぼす影響を維持するため、あまり小さくない粒子が好ましい。ソフトベースポリマーが選択され、剛性の上昇が補償されてもよい。高い誘電率では、抑制された電圧での作動が可能となる。絶縁耐力を維持するため、粒子サイズおよび濃度が制限され、ポリマー-フィラー界面、および粒子分散を改善するための方策が取られる。局部的な濃度変化は、フィラー粒子のパターンを印刷することにより、得ることができる。
【０１１７】
リラクサタイプの電気活性ポリマーの場合も、粒子との複合化が可能である。剛性および絶縁耐力に及ぼす粒子濃度およびサイズの影響に関する同様の傾向は、前述の影響に相当する。粒子は、重合化の後に添加され得る。溶解ポリマーは、テープキャスト法およびスピンコーティング法のような、各種技術を用いて形状化され得る。また、局部的な濃度変化は、例えば、印刷手法を用いることにより可能となる。
【０１１８】
1または2以上の例では、光源は、LEDまたはOLEDのような、1または2以上の半導体光源を有してもよい。これに加えて、またはこれとは別に、光源は、フィラメントまたは蛍光光源のような、他の種類の光源を有してもよい。これに加えて、またはこれとは別に、光源は、1または2以上のレーザ光源を有してもよい。
【０１１９】
本発明の実施例の記載において、アクチュエータ部材12の作動状態の制御は、詳しく記載されていないことが留意される。作動効率を提供する、電気活性ポリマー系アクチュエータの制御は、良く知られており、本分野の当業者にはすぐに把握できる。従って、概して、電気的刺激を介したアクチュエータ部材の変形の制御は、記載されていない。特定の例では、アクチュエータ部材の作動状態の制御は、別個の専用制御器の手段により実施されてもよい。あるいは、単一の制御器30が、これらの態様の両方にわたって、制御を提供するように構成されてもよい。ただし、剛性の制御は、作動状態の制御とは完全に独立である。
【０１２０】
図3に示した特定の例では、光吸収フィラー素子20は、アクチュエータ部材12の本体にわたって均一に分散される。その結果、光出力26による刺激に対応した、均一なレベルの暖めがアクチュエータ部材内で生じる（光出力は、アクチュエータ部材にわたって、光エネルギーの均一な分布を提供すると仮定）。従って、この特定の例では、光出力26の変化は、アクチュエータ部材にわたる均一剛性レベルの変化をもたらし得る。
【０１２１】
ただし、さらに別の例では、光吸収フィラー素子20は、アクチュエータ部材12の本体にわたって不均質に分散されてもよい。図5に一例を示す。この図には、本発明の1または2以上の実施例による、局部的に濃縮された群に空間的にクラスタ化されたフィラー素子20を有するアクチュエータ部材12が概略的に示されている。この例では、アクチュエータ部材12が光出力26により照射されると、高濃度のフィラー粒子を有する局部的な領域（陰影の領域36により、概略的に示されている）のみが、刺激を受け、温度が上昇し、これにより、剛性が低下する。一方、中間領域（非陰影の領域38により、概略的に示されている）は、比較的未加熱のままであり、従って、高いレベルの剛性が残る。
【０１２２】
その結果、アクチュエータ部材12の本体にわたって、剛性変化の不均一パターンが誘導され、局部的な領域が柔らかく可撓性となる一方、介在領域は、堅いままとなる。これにより、フィラー粒子の不均一分布は、光源26による放射に応じて、アクチュエータ部材にわたる不均一な剛性プロファイルの刺激となることができる。
【０１２３】
別の例では、クラスタは、別個に組織化され、または配列され、剛性変化の異なるパターン、またはプロファイルが提供される。
【０１２４】
1または2以上の例では、粒子は、図5に示すような、分離したクラスタには分散されず、アクチュエータ部材にわたって連続して分布され、不均一な空間分布パターンを有し、すなわち高濃度の領域と低濃度の領域とを有してもよい。
【０１２５】
図6には、カテーテルの誘導先端用の高められた操作機能を提供する、カテーテル42内で実施されるような、図3の単純な第1の例のアクチュエータ装置が示されている。カテーテル42は、一組の相互対向アクチュエータ部材46、48を有し、これらは、カテーテルの先端のルーメンの対向する壁区画に沿って取り付けられる。2つの対向するアクチュエータ部材のそれぞれには、分離光ガイド52、54が供給され、それぞれのアクチュエータ部材が、カテーテルの近接端部に配置された単一の光源24と光学的に結合される。特定の例では、光ガイドは、光ファイバであってもよい。
【０１２６】
図6の概略的に示されている寸法には、スケールが示されていないことが留意される。光ガイド52、54は、アクチュエータ部材46、48よりも短く描かれているが、実際には、光ガイドは、カテーテルの全長に沿って、最終近接端部まで延在してもよい。また、光源24は、カテーテルの近接端部から、空間的に分離されるように示されているが、実際には、光ガイドは、恒久的にまたは取り外し可能に、カテーテルの端部に機械的に（および光学的に）結合されてもよい。
【０１２７】
図6に示したカテーテルの用途は、現在の多方向カテーテル先端操作に関係する課題を解決することを目的とする。双方向操作を容易にするためカテーテルに挿入された、相互に対向する（対立する）アクチュエータは、それらの残留剛性により、相互の作動効果を妨害し、これは、それらが活性ではない場合にまで継続する。理想的には、アクチュエータの機械的に活性な方は、、最大の力が行使されるように、作動の際でも比較的堅い一方、2つのアクチュエータの機械的にパッシブな方は、活性アクチュエータに最小の抵抗を提供するように、比較的可撓性である。
【０１２８】
従って、図6に示した実施例では、制御器（図示されていない）は、往復制御レジメを実施するように構成され、2つのアクチュエータ部材は、反対の剛性レベルを有するように制御される：2つのアクチュエータ部材46、48の一つが比較的高い剛性を有するように制御される場合、2つのアクチュエータ部材の他方は、常に比較的低い剛性（あるいは最小の剛性）を有するように制御される。特に、制御器は、必要な場合、2つのアクチュエータ部材のいずれが活性作動状態にあるかを定め、このアクチュエータ部材を、比較的大きな剛性レベルが得られるように制御すると同時に、2つのアクチュエータ部材の他方を、比較的低い剛性レベルが得られるように制御するように構成されてもよい。
【０１２９】
これは、図6に示されている。第1のアクチュエータ部材46が活性作動状態にある場合、カテーテル42は、第1の位置58（左側）に導くように誘導される。この作動状態では、制御器は、第1のアクチュエータ部材46を比較的高い剛性状態となるように制御し、第2のアクチュエータ部材48を比較的低い剛性状態となるように制御するように構成される。一方、第2のアクチュエータ部材48が活性作動状態にある場合、カテーテル42は、（右側の）第2の位置60に導くように誘導される。この作動状態では、制御器は、第2のアクチュエータ部材48を比較的高い剛性状態となるように制御し、第1のアクチュエータ部材46を比較的低い剛性状態となるように制御するように構成される。
【０１３０】
2つのアクチュエータ部材46、48の別個の制御は、例えば、図6に示す単一の光源の代わりに、2つの別個の光源24を提供することにより得られてもよい。あるいは、図6に示す単一の光源を、独立に制御可能な光出力領域が得られるように適合させて、一つを第1の光ガイド52の近接端部に光学的に結合し、他方を、第2の光ガイド54の近接端部に光学的に結合させてもよい。あるいは、各々が、光の波長の異なるそれぞれの範囲に対する感光フィラー素子を有するアクチュエータ部材46、48を提供することにより、2つのアクチュエータ部材の独立制御を達成してもよい。この方法では、単一の光源26が、処理されるべきアクチュエータ部材が感応するこれらの光の波長のみを有するように光出力26を選択的に制御することにより、両方のアクチュエータ部材46、48を独立に制御してもよい。
【０１３１】
前述のように、ある実施例では、アクチュエータ部材の制御可能な剛性により、より複雑で洗練された作動の動きおよび形状を得ることが可能となる。変形動作の高められた範囲の恩恵を受ける有益なある特定の用途は、狭小の蛇行した（末梢）血管を通る、カテーテルおよびガイドワイヤのナビゲーションである。そのようなナビゲーションには、高度な操作技術が必要となる。これは、固定された剛性プロファイルを有する標準的なEAPアクチュエータを用いても、得ることが難しい。最も効果的な操作は、通常、操作旋回点の周囲に配置されたEAPアクチュエータにおいて、局部的に可撓性の領域を提供することにより達成される。これらの点が固定された位置では、利用可能な操作の動きの複雑性および適合性は、限定される。
【０１３２】
従って、少なくとも一組の実施例による例では、部材の長さに沿って、様々な点に配置された複数の「ソフトスポット」を有する、細長いEAPアクチュエータ部材が提供され、これは、光吸収フィラー素子の局部的な濃縮を有し、局部的な剛性レベルの調整が可能となる。各「ソフトスポット」にあるフィラー素子は、異なる波長範囲に感応するように適合され、各局部的なスポットの剛性が独立に制御される。
【０１３３】
図7に示す例には、光吸収フィラー素子の3つの局在領域70、72、74を有する、細長いアクチュエータ部材12が示されており、各々は、異なる周波数（または波長）範囲の光を吸収するように適合された、フィラー粒子の局部的な濃縮を有する。図7の上側に示すように、各局在領域70、72、74は、アクチュエータ部材の全長に沿って、局部的に調整可能なスポットまたは点を形成する。光刺激の際に、各スポットは、可撓性となり、局部的な旋回軸点を有効に提供し、この周りでアクチュエータ部材12は、EAP材料の変形の際に自発的に湾曲する。1または2以上の局所領域70、72、74を、それらが感応する特定の光の周波数（または波長）で選択的に刺激することにより、対応する1または2以上の局部的な操作旋回点の組が、自発的に生じ得る。この方法では、制御器（図示されていない）は、活性化されたアクチュエータ部材操作の特定のモードおよび形状を選択的に制御するように作動される。
【０１３４】
図7の特定の例では、3つの局所的な「ソフトスポット」70、72、74のみが示されているが、別の実施例では、フィラー粒子のより多くの局部的濃縮が提供されてもよい。例えば、10以上、または20以上であってもよい。フィラー粒子クラスタの数が増えると、部材12、さらには操作構成の剛性プロファイルの可能な制御の度合いが大きくなる。
【０１３５】
前述の例による実施例では、複数のEAP部材の複雑な幾何構造を使用しなくても、またはセグメント化EAP構造を使用しなくても、適応性の操作機能が可能となる。そのような構造はいずれも、構成および作動が複雑であり、製作によりコストがかかる。
【０１３６】
1または2以上の別の実施例では、本発明による1または2以上のアクチュエータ部材を有する、血管ナビゲーションおよび閉塞貫通用のガイドワイヤが提供される。アクチュエータ部材は、ガイドワイヤの先端の調整可能な操作の動作を容易にしてもよい。ガイドワイヤの先端は、特に、作動の特定のモードによる、異なる可撓性状態の間の調整のため、制御可能であってもよい。これらのモードは、例えば、直線ナビゲーションモード、操作ナビゲーションモード、および閉塞貫通モードを有してもよい。
【０１３７】
通常、例えば、慢性的な完全閉塞の除去処置において、除去処置の異なる部分のため、異なる剛性を有する異なるガイドワイヤが使用される。中間レベルの剛性を有する、比較的可撓性のガイドワイヤは、通常、主血管における迅速かつ容易なナビゲーションに使用され、比較的柔らかいガイドワイヤは、小さな蛇行血管での操作に使用され、剛性のガイドワイヤ（先端）は、閉塞の貫通に使用される。調整可能な剛性レベルを有する先端を有するガイドワイヤを提供することにより、複数の異なるガイドワイヤの使用が回避され、除去手術の効率および速度が大きく改善される。
【０１３８】
これは、図8に、より明確に示されている。図には、本発明の実施例による少なくとも一つのアクチュエータ部材を有する、操作可能な先端を有するガイドワイヤ43の一例を示す。ガイドワイヤは、操作および制御の3つの異なるモードにおける実施として示されている。
【０１３９】
第1のモード（図8の左）では、ガイドワイヤ先端におけるアクチュエータ部材は、（図8には示されていない、関連する制御可能な光源により）低い剛性レベルを示すように制御され、ガイドワイヤは、血管78の比較的直線の区画を通って誘導される。
【０１４０】
第2のモード（図8の中央）では、ガイドワイヤ43の先端におけるアクチュエータ部材は、中間レベルの剛性を示すように制御され、血管78のより蛇行した区画を通って誘導される。このモードでは、ガイドワイヤ先端は、（EAPアクチュエータの電気刺激により）1または2以上の方向に誘導される必要がある。従って、誘導が容易となるより大きな作動力を提供するため、比較的堅い状態が好ましい。
【０１４１】
第3のモード（図8の右）では、ガイドワイヤ78の先端におけるアクチュエータ部材は、血管78における局部的な閉塞（または狭窄）の貫通のため、比較的高い剛性レベルを示すように制御される。
【０１４２】
アクチュエータ部材は、例えば、関連する光源（図8には示されていない）により、アクチュエータ部材に誘導される光の強度を制御することにより、（少なくとも）3つの異なる剛性のレベルの間で容易に変化し得る。
【０１４３】
図9には、本発明の1または2以上の実施例による、別の例のアクチュエータ装置を概略的に示す。装置は、アクチュエータ部材12を有し、これは、シートにわたって各種異なる配置で設置された、異なる密度の光吸収フィラー素子の複数の局所濃縮86、88、90、92を有する電気活性ポリマー材料の単一シートで形成される。光源24によりアクチュエータ部材12の上に提供される、光出力の強度および／またはスペクトル組成を変化させることにより、EAP材料の電気的刺激の際に、異なる局部的な変形挙動が各種位置に誘導される。特に、異なる局所領域の相対的な剛性を選択的に制御することにより、アクチュエータ部材12にわたって異なる剛性プロファイルが実現され、その結果、アクチュエータ部材の変形の際に、異なる曲げ、ならびに圧縮の形状および効果が誘導される。
【０１４４】
1または2以上の例では、2または3以上の異なる局所領域の光吸収フィラー素子は、異なる光波長のそれぞれの範囲に感応するように選定されてもよい。この場合、単一の光源24により、（光源によって生成される光出力内に含まれる光の特定の波長を選択的に制御することで）局所領域の別個の独立した選択的制御が達成され得る。
【０１４５】
この実施例による例は、作動アレイ効果の形成に使用され、複雑なEAP構造、アレイ、またはマトリクス駆動は使用されない。これは、例えば、簡単な（触覚的な）ユーザインターフェースおよび光学装置において、潜在的に有益である。
【０１４６】
別の組の実施例による例では、穿刺孔（またはポア）を有するEAP化合物材料の孔空きシートで形成されたアクチュエータ部材が提供される。穿刺孔のサイズは、印加される光刺激の強度および／またはスペクトル組成に応じて制御可能である。そのような孔空きシートは、例えば、制御された拡散が可能な膜を提供してもよい。
【０１４７】
例えば、アクチュエータ部材シートは、複数の開口を画定しても良く、各開口は、1または2以上の周波数の特定の組の光に感応するように適合された、光吸収フィラー素子を有するEAP材料の領域によって、取り囲まれまたは機械的に連通されてもよい。ある開口のサブセットは、より多くの周波数の一つの共通の組に感応するように適合されたフィラー素子を有してもよい。各開口には、1または2以上の周波数の固有の組に感応するように適合されたフィラー素子が交互に提供されてもよい。
【０１４８】
アクチュエータ部材シートは、EAPに対するいかなる印加電気刺激も存在しない場合、全ての開口が開にされる（または全ての開口が閉止される）ように適合されてもよい。アクチュエータ部材シートは、電気刺激によるEAPの刺激の際に、変形するように適合され、全ての開口が閉止（開）に切り換えられてもよい。開口の1または2以上の特定組を即座に取り囲む、アクチュエータ部材シートの領域の剛性を変化させることにより、前記開口は、電気的刺激の印加または非印加のいずれにおいても、異なる方法で応答するように制御されてもよいことは明らかである。従って、ある開口を（これらが感応するスペクトル成分の光により）光学的に刺激することにより、特定の開口が、例えば、残りの孔が閉止された際に、開となるように、または（残りの孔が開の場合）閉止されるように制御される。この方法では、個々の（1または2以上の組の）開口は、独立に制御され得る。
【０１４９】
従って、電気的および光学的刺激の好適な組み合わせにより、いかなるある時間でも開にされる、開口の特定の数およびパターンにわたって、カスタム制御が達成されるとともに、特定の例では、（例えば、光刺激の各種スペクトル成分の強度の変化を介した）開放孔の各々のサイズにわたる制御が達成される。
【０１５０】
1または2以上の孔の異なるサブセットが、光の異なる波長に感応するフィラー素子を取り囲み、またはこれと隣接する場所では、印加される光刺激のスペクトル成分を制御することにより（すなわち、異なるサブセットに関する既知の波長を選択的に含有し、または排除することにより）、任意のある時間で開放されている孔の特定の構成を制御することができる。
【０１５１】
そのような実施例は、特に、任意のある時間に開放または閉止される、多くの数または少ない数の開口を選択的に制御することにより、その表面にわたって制御された拡散を提供する膜として、使用されてもよい。
【０１５２】
1または2以上の特定の例では、拡散の方向が制御されてもよい。これは、例えば、異なる方向の範囲に指向する表面または表面領域を有する膜により、達成し得る。これは、湾曲した膜（球のような閉曲線、または開曲線）、あるいは、異なる方向に面する複数の平坦表面を有する、継ぎ目のある膜を有してもよい。異なる表面または表面区画と面する各々にわたり、開放された孔の数を選択的に制御することにより、異なる方向の各々における拡散の速度が制御されてもよい。
【０１５３】
本発明の1または2以上の実施例では、光吸収フィラー素子を有するアクチュエータ部材が提供され、これらのフィラー素子は、温度依存性の光透過率を有する材料の少なくとも一部に含有される。特に、光透過率は、特定の温度に達した際に、安定化し、または水平化するように適合または選択されてもよい。特に、光透過率は、アクチュエータ部材により構成される電気活性ポリマー材料のガラス転移温度Tgを超える温度で、安定化し、または水平化するように制御されてもよい。
【０１５４】
ポリマーの剛性は、ガラス転移温度Tgに近づくと急峻な低下を示す。この温度では、材料の正確な剛性の制御が極めて難しくなる。ある温度で光透過率が変化する材料の粒子を導入することにより（例えば、アゾ含有ポリマーの場合、粒子の融点、またはトランスとシスの転移温度（以下参照））、剛性全体にわたって安定な制御が可能となる。特に、前記ある温度を超えると、水平になりまたは横ばいになる光透過率を有するように、材料が選択される場合、いったん特定の温度を超えると、アクチュエータ部材のさらなる加熱は、次第に難しくなる。その結果、アクチュエータ部材の温度は、安定化し、その結果、材料の剛性レベルにわたる制御が維持される。
【０１５５】
図10には、特に、アゾ含有ポリマーフィラーの効果が示されている。図には、多くの異なるポリマーフィラー材料の例における、温度（x軸、℃）に対する光透過率（y軸、任意単位）のグラフが示されている。異なる変化線100、102、104、106は、それぞれ、異なるアゾ化合物を表す。
【０１５６】
ある材料は、前述の水平な挙動を示し、従って、本発明の実施例における光吸収フィラー素子として含有することが特に好適な候補材である。特に、材料100は、約64℃で水平になる前に、約55℃で光透過率の特に鋭い遷移を示す。従って、これは、特に好適な候補材である。材料102は、同様の、ただしより弱い透過率挙動を示し、材料100と同様の透過率レベルで水平になる前に、30℃と約60℃の間で比較的順調に上昇する。
【０１５７】
一方、材料104は、材料100の特徴である、（約68℃において）透過率の鋭いスパイクを示すが、所与の高温で水平にはならず、上昇傾向が継続する。従って、この材料は、あまり好ましくない。材料104もまた、30℃と75℃の範囲の間で、ほぼ均一な光透過率を示し、あまり好ましくない。
【０１５８】
1または2以上の実施例では、光吸収フィラー素子の溶融を介して、EAPアクチュエータ部材の剛性にわたる別の制御がなされてもよい。電気活性ポリマーにフィラー素子、粒子、またはファイバーが提供されると、複合材料全体の剛性は、（電気活性ポリマー材料自体の剛性が未変化のままの場合でも）粒子の溶融の際に変化する。これにより、その後、そのような電気活性ポリマーアクチュエータ部材の剛性レベルを（少なくとも均一に）調整する別の手段が提供される。また、フィラー粒子が（準）結晶の場合、光透過スペクトルもまた、粒子が溶融した際に変化する。次に、これらの例により、前述の実施例に記載の種類の温度依存性の光学特性が達成されてもよい。
【０１５９】
本発明の1または2以上の実施例による別の例のアクチュエータ装置は、図11に示されている。装置は、アクチュエータ部材12を有し、これは、光吸収フィラー素子の3つの平坦配置110、112、114のスタック組を有し、各平坦配置は、波長の異なる組または範囲の光を吸収するように適合されたフィラー素子を有する。特に、粒子の3つの平坦配置は、いわゆる減法混色の原色（シアン、マゼンダ、黄色）の吸収を示すように選択され、これは、通常、白色光源を有する。3つの平坦配置は、光源24によりアクチュエータ部材12に誘導される光出力26の光学軸に平行に延伸する軸に沿って積層される。
【０１６０】
フィラー素子の積層配置の各々は、光出力26のスペクトル組成のある部分を吸収し、残りの部分を透過するように適合される。この方法では、平坦フィラー素子配置のスタックに誘導される光は、、異なる層の各々を通過する際の、光の異なる波長の連続的な「除去」である。配置は、入射光の光学軸に対して平行な方向（すなわち、アクチュエータ部材の厚さ内）において、アクチュエータ部材の局部的な剛性レベルを選択的に制御する手段を提供する。
【０１６１】
一例では、各種平坦配置にある光吸収フィラー素子は、異なる色素を有し、あるいは例えば、異なる各種蛍光体を有してもよい。
【０１６２】
光の組成は、それに従って、層が所望の刺激を受けるように調整される。例えば、光源は、シアンおよび黄色の光のみを有し、中間の層は、刺激されなくてもよい。
【０１６３】
この方法では、相互の上に積層された2または3以上の局所的な平坦領域の選択的な加熱により、スタックの片側のみからの照射が達成される。
【０１６４】
上記詳細な説明では、EAPについて、本発明による装置およびシステムの構成および作動について説明したが、実際には、本発明は、他の種類のEAM（電気活性材料）に基づく装置に使用することができる。従って、他に示唆がない限り、前述のEAP材料は、他のEAM材料と置換することができる。そのような他のEAM材料は、従来から知られており、当業者は、それらの入手先および適用方法を把握できる。以下には、多くのオプションが示されている。
【０１６５】
フィールド駆動EAMは、有機または無機材料であってもよく、有機の場合、単一の分子、オリゴマー、または重合体とすることができる。これらは、通常圧電性で、必要な場合、強磁性であり、従って、自発的な恒久分極（双極子モーメント）を有する。あるいは、これらは電歪性であり、従って駆動の際に分極（双極子モーメント）のみを有するが、非駆動の際には、これを有さない。あるいは、これらは、誘電体リラクサ材料である。そのようなポリマーには、これに限られるものではないが、以下のサブクラスが含まれる：圧電ポリマー、強誘電体ポリマー、電歪ポリマー、リラクサ強誘電体ポリマー（PVDF系リラクサポリマーまたはポリウレタンなど）、誘電体エラストマ、液晶エラストマ。他の例には、電歪グラフトポリマー、電歪ペーパー、エレクトレット、電気粘弾性エラストマ、および液晶エラストマが含まれる。
【０１６６】
自発的な分極の欠如は、極めて高い作動周波数においても、電歪ポリマーがほとんど、または全くヒステリシスロスを示さないことを意味する。しかしながら、この利点は、温度安定性の代償として得られる。リラクサは、温度が約10℃以内で安定化される状況で、最良の作動を示す。これは、一見極めて限定的に見えるが、電歪体が高い周波数および極めて低い駆動フィールドで勝ることを考慮すると、特殊な微細アクチュエータにおける適用に向いている。そのような小型装置の温度安定化は、比較的単純であり、しばしば、全体設計および開発プロセスにおける小さな課題のみが存在する。
【０１６７】
リラクサ強誘電体材料は、適正な実用に十分な電歪定数を有し、すなわち、同時検知および作動機能の点で有意である。リラクサ強誘電体材料は、ゼロ駆動電場（すなわち電圧）が印加された際には、非誘電体であるが、駆動中は強誘電体となる。従って、非駆動時の材料には、電気機械的な結合は存在しない。電気機械的な結合は、駆動信号が印加された際に、非ゼロとなり、前述の手順により、駆動信号の上部に小振幅高周波数の信号が印加されると、測定することができる。また、リラクサ強誘電体材料は、非ゼロ駆動信号での高い電気機械的な結合と、良好な作動特性との特殊な組み合わせの恩恵を受ける。
【０１６８】
無機リラクサ強誘電体材料の最も広く使用される例は、鉛マグネシウムニオブ酸塩（PMN）、鉛マグネシウムニオブ酸-鉛チタン酸塩（PMN-PT）、および鉛ランタンジルコニア酸チタン酸塩（PLZT）である。ただし、他の材料も知られている。
【０１６９】
PVDF系リラクサ強誘電体系ポリマーは、自発的な電気分極を示し、これらは、歪み方向における改善された特性のため、予め歪み処理され得る。これらは、以下の材料の群から任意に選定された一つであってもよい。
【０１７０】
ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン（PVDF-TrFE）、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン-クロロフルオロエチレン（PVDF-TrFE-CFE）、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン-クロロフルオロエチレン（PVDF-TrFE-CTFE）、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン（PVDF-HFP）、ポリウレタン、またはこれらの混合物。
【０１７１】
電流駆動性EAMおよびEAPは、共役ポリマー、イオン性ポリマー金属複合体、イオン性ゲル、およびポリマーゲルを有する。
【０１７２】
イオン駆動性EAPの例は、共役ポリマー、カーボンナノチューブ（CNT）ポリマー複合体、およびイオン性ポリマー金属複合体（IPMC）である。
【０１７３】
サブクラスの誘電体エラストマは、これに限られるものではないが、アクリレート、ポリウレタン、シリコーンを有する。
【０１７４】
サブクラスの共役ポリマーは、これに限られるものではないが、ポリピロール、ポリ-3,-4-エチレンジオキシチオフェン、ポリ（p-フェニレン硫化物）、ポリアニリンを有する。
【０１７５】
前述の材料は、純粋な材料として、またはマトリクス材料に懸濁された材料として、実施され得る。マトリクス材料は、ポリマーを有し得る。
【０１７６】
印加駆動信号に応じたEAM層の挙動を促すため、EAM材料を有する任意の作動構造に、追加のパッシブ層を提供してもよい。
【０１７７】
EAP装置の作動配置または構造は、電気活性材料の少なくとも一部に制御信号または駆動信号を提供するための、1または2以上の電極を有し得る。配置は、2つの電極を有することが好ましい。EAPは、2または3以上の電極の間に挟まれてもよい。この挟み込みは、エラストマー誘電体材料を有するアクチュエータ配置の場合、必要となる。その作動は、主として、駆動信号により相互に引き寄せ合う電極により加わる圧縮力によるからである。また、2または3以上の電極が、エラストマ誘電体材料に埋設されてもよい。電極は、パターン化されても、されなくてもよい。
【０１７８】
基板は、作動配置の一部となり得る。これは、EAPおよび電極の集合体において、電極の間、または電極の一つの外側に、取り付けられ得る。
【０１７９】
電極は、伸縮性であり、これらは、EAM材料層の変形に追随してもよい。これは、EAP材料の場合、特に有意である。電極に適した材料は、良く知られており、例えば、金、銅、もしくはアルミニウムのような金属薄膜、また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（スチレンスルホネート）（PEDOT:PSS）のような有機導電体、からなる群から選択されてもよい。金属化ポリエステル膜、例えばアルミニウムコーティングを用いた金属化ポリエチレンテレフタレート（PET）も、使用され得る。
【０１８０】
ある配置は、電気活性材料層の各側に、電極層を有してもよい。また、例えば、相互嵌合くし電極を用いて、片側のみに、電極層を提供することも可能である。電極が片側のみにある場合、透明電極を必要としない、反射性装置が形成されてもよい。
【０１８１】
異なる層用の材料は、例えば、異なる層の弾性率（ヤング率）を考慮して選定される。
【０１８２】
追加のポリマー層のような、追加の層を前述の構成に使用して、装置の電気的または機械的な挙動を適合させてもよい。
【０１８３】
図面、詳細な説明、および添付の特許請求の範囲の研究から、当業者には、請求された発明の実施の際に、前述の実施例の他の変型例が理解され、実施され得る。請求項において、「有する」と言う用語は、他の素子またはステップを排除するものではなく、「一つの」と言う用語は、複数を排斥するものではない。単にある手段が複数の異なる従属請求項に記載されていることから、これらの手段の組み合わせが有意に使用できないと解されるものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものと解してはならない。
【図１】
2019536404.tif 000003
【図２】
2019536404.tif 000004
【図３】
2019536404.tif 000005
【図４】
2019536404.tif 000006
【図５】
2019536404.tif 000007
【図６】
2019536404.tif 000008
【図７】
2019536404.tif 000009
【図８】
2019536404.tif 000010
【図９】
2019536404.tif 000011
【図１０】
2019536404.tif 000012
【図１１】
2019536404.tif 000013
【国際調査報告】
2019536404.tif 000014
2019536404.tif 000015
2019536404.tif 000016