(57)【要約】  電気活性ポリマーアクチュエータは、電気活性ポリマー構造および作動駆動信号を供給するドライバを有する。一態様では、オーバードライブ電圧を有する第１の駆動信号が、ある作動状態から別の作動状態に電気活性ポリマー構造を切り替えるために必要な電気活性ポリマー構造の電荷を変化させるために使用される。電気活性ポリマー構造の作動が別の作動状態の近く若しくは別の作動状態にあるときまたはその後、電気活性ポリマー構造をその作動状態にするとともにそれに保持するための駆動電圧が使用される。この一時的なオーバードライブスキームは、電気活性ポリマー構造を損傷することなしに速度応答を向上させる。
2019520709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータを駆動する方法であって、前記アクチュエータは、少なくとも第１の作動状態と、前記第１の作動状態とは異なる第２の作動状態とを取る電気活性ポリマー構造を有し、前記第１の作動状態は、それに関連付けられる第１の電圧を有し、前記第２の作動状態は、それに関連付けられる第２の電圧を有し；前記方法は：
−  前記電気活性ポリマー構造を前記第１の作動状態から前記第２の作動状態に切り替えるために前記電気活性ポリマー構造に駆動信号電圧を有する駆動信号を印加するステップを含み、前記駆動信号は：
−  前記駆動信号電圧が前記第１の電圧からオーバードライブ電圧に前記第２の電圧と前記第１の電圧との間の差を超える量だけ変更されるオーバードライブ期間；および
−  前記オーバードライブ期間の後の、少なくとも最初には前記駆動信号電圧が前記第２の電圧にある保持期間；
を有する、
方法。
【請求項２】
−  前記第２の電圧は、前記電気活性ポリマー構造が、前記電気駆動信号の印加中に初めて前記第２の作動状態に達するときまたはその後にのみ印加される、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
−  前記第２の電圧は、少なくとも前記オーバードライブ電圧と同じ長さに、または少なくとも前記オーバードライブ電圧の２倍の長さに維持される、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
−  前記電気活性ポリマー構造は、前記駆動信号を受信するための電極を有し、前記電極は容量を有するコンデンサを規定し、
−  前記オーバードライブ電圧は、前記容量を挟んだ電圧が前記第２の電圧から所定量だけ異なるまで印加され、その後前記第２の電圧に変化する、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記所定量は、５０％、２０％、１０％、５％、２％、１％、０％からなるグループから選択される値未満である、
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
−  前記オーバードライブ電圧は、前記容量を挟んだ前記電圧が前記第２の電圧以下になるまで印加される、
請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
前記オーバードライブ電圧は、前記電圧がその後変化して前記第２の電圧に戻るように、前記容量を挟んだ前記電圧が前記所定量だけ前記第２の電圧を超えるまで印加される、
請求項４又は５に記載の方法。
【請求項８】
前記オーバードライブ期間中、前記オーバードライブ電圧は：
−  実質的に一定である、または
‐  初期値から前記第２の電圧に変化する、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記オーバードライブ期間および前記保持期間を含むサイクルの周期は、前記電気活性ポリマー構造の共振周波数に対応する周期より長い、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
コンピュータ可読媒体に格納された若しくはそれに格納可能な、または通信ネットワークからダウンロード可能なコンピュータ可読コードを含むコンピュータプログラムであって、前記コンピュータ可読コードは、コンピュータで動くとき、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法のステップをドライバに実行させる、
コンピュータプログラム。
【請求項１１】
アクチュエータを有する装置であって、前記アクチュエータは：
−  少なくとも第１の作動状態と、前記第１の作動状態とは異なる第２の作動状態とを取る電気活性ポリマー構造であって、前記第１の作動状態は、それに関連付けられる第１の電圧を有し、前記第２の作動状態は、それに関連付けられる第２の電圧を有する、電気活性ポリマー構造；および
−  前記電気活性ポリマー構造を前記第１の作動状態から前記第２の作動状態に切り替えるために前記電気活性ポリマー構造に駆動信号電圧を有する駆動信号を印加するように構成されるドライバ；
を有し、
前記駆動信号は：
−  前記駆動信号電圧が前記第１の電圧からオーバードライブ電圧に前記第２の電圧と前記第１の電圧との間の差を超える量だけ変更されるオーバードライブ期間；および
−  前記オーバードライブ期間の後の、少なくとも最初には前記駆動信号電圧が前記第２の電圧にある保持期間；
を含む、
装置。
【請求項１２】
前記アクチュエータまたは前記電気活性ポリマー構造は、前記ドライバに接続されるとともに前記電気活性ポリマー構造に前記駆動信号を印加するように構成された電極を有する、
請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記装置は、複数の切り替え動作データエントリを列挙するルックアップテーブルを格納するメモリを有し、各前記データエントリは、第１の作動状態から第２の作動状態への特定の切り替えに関連するとともに、前記特定の切り替えのために達成可能な少なくとも１つの切り替え応答時間値に対して、オーバードライブ電圧および持続時間を提供する、
請求項１１又は１２に記載の装置。
【請求項１４】
−  前記アクチュエータの作動状態を決定し、
決定された前記作動状態に基づいて、前記オーバードライブ電圧のレベル、持続時間または波形形状のうちの１つ又は複数を設定および／または変更する、フィードバックシステムをさらに有する、
請求項１１又は１２に記載の装置。
【請求項１５】
請求項１０のコンピュータプログラムを格納するメモリおよび格納された前記コンピュータプログラムを実行するマイクロプロセッサをさらに有する、
請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気活性ポリマーアクチュエータ及びそのようなアクチュエータを含む装置又はシステム並びにそのようなアクチュエータを駆動する方法に関する。本発明はさらに、これらの方法を実施するためのコンピュータに実装される発明に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気活性ポリマーアクチュエータは、電気入力を、例えば力若しくは圧力のような、機械的な）出力に又はその逆に変換することができる装置である。このように、ＥＡＰアクチュエータは、機械的アクチュエータとして使用することができ、使用されるＥＡＰに応じて、しばしばセンサとしても使用することができる。この目的のために、これらは、作動刺激または信号の影響下で変形するまたは形状を変化させることができる電気活性ポリマー（ＥＡＰ）を含む。電界駆動型ＥＡＰのいくつかの例は、圧電ポリマー、（ＰＶＤＦベースのリラクサポリマーのような）電歪ポリマーおよび誘電性エラストマーを含むが、他のものが存在する。
【０００３】
ＥＡＰアクチュエータは、様々な形状に容易に製造することができ、例えば医療用または民生用装置のような多種多様なシステムへの容易な組み込みを可能にする。さらに、ＥＡＰベースのアクチュエータ／センサは、高い応力および歪みを、低電力、小型フォームファクタ、柔軟性、ノイズレス動作、精密な動作、高分解能の可能性、高速応答時間、および周期作動などの特性と組み合わせている。
【０００４】
典型的には、それらの特性は、例えば、利用可能なスペースが少なく、電気作動に基づいて、構成要素または機構の少量の動きが望まれる任意の用途に役立つＥＡＰアクチュエータを与える。同様に、この技術は、小さな動きを感知するために使用できる。
【０００５】
図１および２は、例示的なＥＡＰアクチュエータの２つの可能な動作モードを示す。それは、ＥＡＰ層１４の両側の電極１０、１２の間に挟まれたＥＡＰ層１４を含むＥＰＡ構造を有する。図１は、任意のキャリア層または基板によってクランプされていない（取り付けられていない）アクチュエータを示す。電極に印加される駆動電圧は、ＥＡＰ層を図示のように全方向に伸張させるために使用される。図２は、伸張が一方向のみに生じるように設計されたアクチュエータを示す。この場合、図１のものと同様のＥＡＰ構造が、支持され、クランプされる、すなわちキャリア層１６に機械的に取り付けられる。電極に印加された電圧は、この場合も同様に、ＥＡＰ層を図１に示されるように全ての方向に伸張させるために使用される。しかし、クランプは、構造全体の曲げが代わりに起こるように、実際の伸張を制限する。したがって、この曲げ動作の性質は、受動キャリア層と、作動されるときに伸張する活性層との間の相互作用から生じる。
【０００６】
図１および２のうちの一方のようなＥＡＰアクチュエータが電気的駆動スキームを使用して起動されるとき、実際の所望の機械的作動応答は、タイミングおよび／または作動状態に関して所望のものから逸脱するように見える。例えば、駆動の開始と所望の作動状態の到達との間のある時間遅延が生じる。この不一致は、例えば、高速且つ正確な機械的応答が困難であるので、ＥＡＰ装置の応用を妨げる。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、前述の不一致に対する改善されたＥＡＰアクチュエータを提供することである。
【０００８】
この目的は、独立請求項によって定義される本発明によって少なくとも部分的に達成される。従属請求項は、有利な実施形態を提供する。
【０００９】
本発明の装置および方法は、それに供給される駆動信号に応じて機械的作動出力を提供するための電気活性ポリマー構造を有するアクチュエータを使用する。このような信号は、電極を用いて印加することができる。したがって、第１の電圧は、構造を第１の作動状態にする一方、第１の電圧とは異なる第２の電圧は、第１の作動状態とは異なる第２の作動状態にする。電気活性ポリマー構造は、この目的のために駆動信号の印加時にその形状を変化させることができる電気活性ポリマー（electroactive  polymer）（ＥＡＰ）を有する。そのようなＥＡＰ構造の例は、図１および２を参照して説明されるが、他のものが存在し、本発明はこれらの例に限定されない。
【００１０】
本発明は、ＥＡＰ構造が、構造のＥＡＰおよび電極ならびに／または他の層構成によって定められるコンデンサの静電容量を含む電気インピーダンスを有するという洞察に基づいている。ＥＡＰ構造の機械的作動は、実効コンデンサ（effective  capacitor）内の電界、従って実効コンデンサ上の電荷に依存する。これは、アクチュエータが、電界駆動され、そのような電界が電荷に依存するかまたは電流が電界によって引き起こされる電流駆動であるためである。従って、アクチュエータの切り替え（switching）の「内在的」な速度は、この実効コンデンサの充電速度に依存する。インピーダンスのために、ＥＡＰ構造の特定の機械的作動位置に到達するために必要な容量性電荷は、特定のレベルまで蓄積する時間を必要とする。したがって、そのような充電レベルは、固有時定数（characteristic  time  constant）のある倍数の後にのみ到達される。通常、この固有時定数の５倍の時間の後、規定の駆動信号に対して最大作動伸張（または終了位置）に達する。遅延時間が制限された状態で高速応答が必要なまたはより高い動作周波数が要求される応用に関して、この挙動は不利になり、ＥＡＰアクチュエータの使用を妨げる可能性がある。
【００１１】
したがって、本発明は：
‐  駆動信号電圧が第１の電圧からオーバードライブ電圧に第２の電圧と第１の電圧との差を超える量だけ変更されるオーバードライブ期間；および
‐  オーバードライブ期間の後の、少なくともその最初には駆動信号電圧が第２の電圧にある保持期間；
を有する、駆動信号を利用する。
【００１２】
この差は、常に、第２の電圧値（符号を含む）から第１の電圧値（符号を含む）を減算することによって計算される。したがって、電圧変化およびその方向は、第１の電圧より高い第２の電圧に切り替えるための電圧の増加と、より高い第１の電圧からより低い第２の電圧に切り替えるための電圧の減少である、差によっても示される。保持期間では、電圧は少なくとも最初に第２の電圧に達している。それは一定に保たれてもよいが、第２の作動状態を一定に保つために以下に示すように変化してもよい。
【００１３】
本発明により、アクチュエータの所望の状態への充電または放電することは、所望の作動状態に達する際の遅延を低減するために制御されることができ、これは、ＥＡＰアクチュエータの潜在的な適用の範囲を広げることができる。本発明はまた、依然として良好な精度の、すなわち所定の作動オーバーシュートのまたは実質的な作動オーバーシュートのない、作動レベルに達することができることを提供する。
【００１４】
第１の作動状態は、第２の作動状態よりも高い作動レベルであってもよく、その逆であってもよい。切り替え動作中の第１の作動状態または第２の作動状態は、休止作動状態、すなわち、駆動なしのアクチュエータによって維持される作動状態であり得る。
【００１５】
第１の電圧または第２の電圧は理想的には一定電圧である。この場合、作動状態は、関連する電圧を連続的に供給することによって保持されることができる。しかし、あまり理想的でない場合（アクチュエータ）、これらの電圧は（ゆっくりと）変化し得る。したがって、第１の電圧および／または第２の電圧は、アクチュエータをその一定の関連する作動状態に保つために、時間と共に連続的にまたは周期的に変更され得る。
【００１６】
本発明では、第２の電圧は、電気活性ポリマー構造が、電気駆動信号の印加中に初めて第２の作動状態に達するときまたはその後にのみ印加されることができる。
【００１７】
これはフィードバック制御されていてもいなくてもよい。
【００１８】
本発明では、第２の電圧は、少なくともオーバードライブ電圧と同じくらい長く、またはオーバードライブ電圧の少なくとも２倍長く維持されることができる。したがって、作動は、完全な作動がオーバードライブ持続時間より遥かに長いという意味で、本質的に低周波駆動であり、電気活性ポリマー構造全体の電圧は安定する。保持期間は、オーバードライブ期間の少なくとも５倍、少なくとも１０倍、または少なくとも５０倍長くなることができる。
【００１９】
本発明では、電気活性ポリマー構造は、駆動信号を受信するための電極を有することができ、電極は静電容量を有するコンデンサを規定し、
−  容量を挟んだ電圧が第２の電圧から所定量だけ異なるまで、オーバードライブ電圧が印加され、その後第２の電圧に変化する。所定量は、５０％、２０％、１０％、５％、２％、１％、０％からなるグループから選択される値未満であり得る。したがって、容量を挟んだ電圧の第２の電圧に近い値への急速な増加が達成されることができ、切り替え速度ゲイン（switching  speed  gain）を与える。所定量が０％の場合、速度ゲインは使用されるオーバードライブ電圧波形に最適である。
【００２０】
オーバードライブ電圧は、容量を挟んだ電圧が第２の電圧以下になるまで印加されることができる。したがって、オーバードライブ電圧が所望の作動状態に達するのに必要な電圧よりも大きい場合であっても、電気活性ポリマー構造の容量は決してこの電圧に晒されない。
【００２１】
オーバードライブ電圧は、電圧がその後変化して第２の電圧に戻るように、容量を挟んだ電圧が所定量だけ第２の電圧を超えるまで印加され得る。これは、電気活性ポリマー構造の容量を挟んだ一時的なオーバードライブ信号を提供する。容量を挟んだそのようなオーバードライブ電圧は、機械的なオーバードライブを伴って達成されることができるので、この実施形態は、より緩やかな振動に重畳された短時間の動作スパイクとして感じられる、触覚インターフェースに高められた感覚を提供するために使用され得る。
【００２２】
本発明では、オーバードライブ期間中、オーバードライブ電圧は：
−  実質的に一定であり得る、または
‐  初期値から第２の電圧に変化し得る。
【００２３】
駆動電圧は、初期値オーバードライブ電圧へのステップ増加と、この値から第２の電圧へのその後の変化とを含み得る。これは、オーバードライブ電圧から通常電圧へのより緩やかな変化を提供する。初期値電圧は、例えば、第２の電圧より少なくとも２０％、または少なくとも１０％高く、第２の電圧に達するのに要する時間は少なくとも２秒である。オーバードライブ期間中の時間にわたる減少は：
直線的に減少する電圧部分；または
第１の直線的に減少する電圧部分および異なる直線的な傾斜を伴うその後の第２の直線的に減少する電圧部分；
として提供され得る。
【００２４】
この２つのセグメント設計は、ＥＡＰアクチュエータにおける異なる緩和メカニズムを補償する。第１の部分は０．５から５秒の間の持続時間を有し得、第２の部分は１から２０秒の間の持続時間を有し得る。
【００２５】
ステップの増加は、０．５秒未満の持続時間の間、第１の電圧より高いオーバードライブ電圧になる可能性がある。これは、その後より緩やかに減少するオーバードライブレベルの前に、より高い電圧オーバードライブスパイクを提供する。
【００２６】
本発明では、オーバードライブ期間および保持期間を含むサイクルの期間は、電気活性ポリマー構造の共振周波数に対応する期間より長くなることができる。したがって、制御は共振周波数ではなく、より遅い周波数にある。
【００２７】
本発明は、通信ネットワークに格納される、格納可能またはダウンロード可能なコンピュータ可読コードを含むコンピュータプログラム製品で実施することができ、このコンピュータ可読コードは、コンピュータ上で実行されるとき、本発明の方法のステップをドライバに実行させる。
【００２８】
本発明は、電気活性ポリマー構造と、電気活性ポリマー構造に本明細書で上述した駆動信号を印加するように構成されたドライバとを有するアクチュエータを有する装置を提供する。この装置は、上記の方法に関して説明した特徴および利点から利益を得る。場合により保持されたまたは改善された作動精度と組み合わせて、改善された切り替え応答を提供する。
【００２９】
本発明の装置では、アクチュエータまたは電気活性ポリマー構造は、ドライバに接続されるとともに電気活性ポリマー構造に駆動信号を印加するように構成された電極を有する。
【００３０】
本発明の装置は、複数の切り替え動作データエントリを列挙するルックアップテーブルを記憶するメモリを有することができ、各データエントリは、第１の作動状態から第２の作動状態への特定の切り替え動作に関連し、その切り替え動作のために達成可能な少なくとも１つの切り替え応答時間値に対して、オーバードライブ信号電圧および持続時間を提供する。したがって、特定の切り替え動作に対して特定の応答時間が要求された場合、適切なオーバードライブ電圧が検索され、ドライバによって使用されることができる。代替的には、特定のオーバードライブ電圧が必須である場合、達成可能な応答時間が返されることができる。
【００３１】
この装置はさらに：
−  アクチュエータの作動状態を決定し、
決定された作動状態に基づいて、オーバードライブ電圧のレベル、持続時間または波形形状のうちの１つ若しくは複数を設定および／または変更する、フィードバックシステムをさらに有することができる。フィードバックシステムは、変位センサまたは電圧レベルおよび持続時間のような駆動信号パラメータを調整するための閉ループドライバ制御部を有し得る。
【００３２】
したがって、最適な切り替え速度および／または精度の向上をもたらす電気駆動信号およびオーバードライブのリアルタイム制御を達成することができる。
【００３３】
本発明の装置は、請求項１１に記載のコンピュータプログラム製品を格納するメモリと、格納されたコンピュータプログラム製品を実行するためのマイクロプロセッサとを備えることができる。このようなメモリは、ＲＡＭまたはＲＯＭの形態の電気的メモリであることができる。
【００３４】
ドライバ装置は：
‐  第１の電気駆動信号を第２の電気駆動信号の上の矩形波として供給する；または
‐  第１の電気駆動信号を、最初のステップおよび最後の傾斜テールを備えた第２の電気駆動信号の上の波形として供給する；
ように構成され得る。
【００３５】
これらの信号は好ましくは電圧信号である。矩形波は、オーバードライブ信号またはオーバードライブ電圧と呼ばれることができる。したがって、第１の電気駆動信号には様々な可能な形状が存在する。
【００３６】
したがって、所望の応答速度、装置の容量を挟んだ最大電圧、または必要な機械的応答に応じて、オーバードライブ機能を使用するさまざまな方法がある。
【００３７】
本発明の電気活性アクチュエータは、概して、電界依存性または電荷（イオン性）若しくは電流依存性のいずれかによって電気的に駆動される。ＥＡＰアクチュエータの動作の例として、電界駆動型ＥＡＰは、直接的な電気機械結合によって電界により作動される。それらは通常、高い電界（ボルト毎メートル）だが、低電流を必要とする。ポリマー層は、通常、駆動電圧を可能な限り低く維持するために、薄い。
【００３８】
電界駆動型ＥＡＰの例には、圧電ポリマー、電歪ポリマー（ＰＶＤＦベースのリラクサポリマーなど）および誘電性エラストマーが含まれる。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ーおよび液晶エラストマーが含まれる。
【００３９】
電荷またはイオン駆動ＥＡＰは、イオンおよび／または溶媒の電気誘導輸送によって活性化される。それらは通常、低電圧だが高電流を必要とする。それらはしばしば液体／ゲル電解質媒体を必要とするが、いくつかの材料システムはまた固体電解質を用いて動作することができる。電荷駆動型ＥＡＰの例は、共役／導電性ポリマー、イオン性ポリマー金属複合材（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。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
本発明の例が次に添付図面を参照して詳細に説明される。
【００４１】
【図１】拘束されておらずしたがって面内で伸張する既知のＥＡＰアクチュエータを示す。
【図２】拘束されておりしたがって面外に変形する既知のＥＡＰアクチュエータを示す。
【図３】ＥＡＰアクチュエータの等価回路を示す。
【図４】従来の駆動スキームおよび第１の例による駆動スキームを示す。Ｘ軸は０から５００ミリ秒で５０ｍｓ／Ｄｉｖであり、Ｙ軸は０から２７０ボルトで３０Ｖ／Ｄｉｖである。
【図５】従来の駆動スキームおよび第２の例による駆動スキームのセットを示す。Ｘ軸は０から８００ミリ秒で５０ｍｓ／Ｄｉｖであり、Ｙ軸は０から３３０ボルトで３０Ｖ／Ｄｉｖである。
【図６Ａ】低から高駆動状態へのおよびその逆の切り替えのための駆動信号をそれぞれ示す。垂直軸は電圧である一方水平軸は時間単位である。
【図６Ｂ】低から高駆動状態へのおよびその逆の切り替えのための駆動信号をそれぞれ示す。垂直軸は電圧である一方水平軸は時間単位である。
【図７】ドライバ並びにオプションの作動および制御フィードバックシステムを含むＥＡＰアクチュエータを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明は、電気活性ポリマー（ＥＡＰ）アクチュエータを駆動する方法を提供し、この方法を実行することができるまたは実行するように構成されるＥＡＰアクチュエータを提供する。本発明では、作動をある作動状態（第１の作動状態または開始作動状態）から別の作動状態（第２の作動状態または所望の作動状態）により速く変化させるために調整された駆動スキームが使用される。この方法は、「別の」作動状態に関連する最終駆動信号を提供する前に、一種のオーバードライブ駆動信号を印加することに基づいている。
【００４３】
第１の作動状態は、休止状態（非作動状態ともいう）であることができ、一方、所望の状態は作動状態であることができ、その逆も可能である。したがって、第１の作動状態は作動状態であり、一方、所望の状態はさらなる作動状態であることができる。しかし、上述したように、所望の作動状態はまた、より作動されていない状態であることもできる。本発明は、いずれの状況においても、ある状態から別の状態への切り替えを改善する。一時的なオーバードライブ信号は、ＥＡＰ構造の損傷なしにＥＡＰ構造（したがってアクチュエータ）の応答速度を向上させ、実質的な作動オーバーシュートなしにそれを行うことができる。
【００４４】
典型的には、ＥＡＰアクチュエータおよびそのＥＡＰ構造は、ドライバによってそれに供給される電気駆動信号を受信するための電極を含む。ドライバはそれによってアクチュエータを制御することができる。ドライバは、通常、必要な電気駆動信号を電極に供給するための駆動回路を含む。電気駆動信号は、電圧ドライバまたは電流ドライバのいずれかを必要とする、電圧被駆動信号若しくは電流被駆動信号を含むまたは電圧被駆動信号若しくは電流被駆動信号であることができる。
【００４５】
ＥＡＰ構造が活性化されているとき、ドライバは、電極に電圧振幅（ゆっくり変化する、準静的なＡＣのような交替する、またはＤＣのような静的な）を印加し（または生成さえして）、それによりＥＡＰ構造を所望の作動状態（例えば、作動位置）にする。
【００４６】
ＥＡＰ構造と電子駆動回路の両方は理想的ではない。一方では、電子駆動回路は常に内部抵抗を有する。したがって、ＥＡＰアクチュエータの作動応答は、ＥＡＰ構造自体の関数だけでなく、駆動回路の関数でもある。ドライバの影響を低減するために、ＥＡＰの動作電圧は、通常、ＥＡＰと並列のコンデンサに蓄えられ、作動に関して、この蓄えられた電圧が、電子スイッチ（例えば、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ）によって、ＥＡＰアクチュエータに供給される。
【００４７】
他方、ＥＡＰアクチュエータは、ドライバ（電圧または電流ドライバ）に対してインピーダンスを有する電気的負荷として作用するので、ドライバによって特定の電圧または電流を設定すると、アクチュエータ電極を挟んで生じる電圧差は通常、信号の設定と完全には同期しない。より具体的には、図３を参照すると、電気的な観点から、（図１のもののような）ＥＡＰアクチュエータは、両方ともさらなる抵抗Ｒｐと並列である、抵抗ＲｓとコンデンサＣ１との直列接続を生じさせるものとして説明されることができる。いわゆるＥＡＰアクチュエータを記述するこの等価ＲＣ回路３０は、次に、ポイント３３および３４を通じてドライバ３１に接続される。ＥＡＰ構造を記述するために他のＲＣ回路を使用することができるが、図３のものは、ＥＡＰを一次に非常にうまく記述している。ＥＡＰ構造は、コンデンサ内の電界の関数に応じて、したがってドライバ３１によって与えられる印加電圧振幅に依存するこのコンデンサ上の電荷に応じて変形する。ＥＡＰが非活性化されている場合、印加電圧は、非接続にされることができ、したがって、ＥＡＰはその内部並列抵抗Ｒｓを介してゆっくりと放電し、最終的に初期位置に戻る。しかし、他の放電方法が、以下にさらに説明するように、他の電圧振幅を提供するなどの特定の状況で適用されることができる。
【００４８】
本質的に、ＲＣ直列回路は、このような構成の時間的挙動を記述する重要なパラメータである電気的時定数τ=Ｒｓ・Ｃ１（秒）を規定する。上述したように、ＥＡＰアクチュエータの機械的変位（すなわち動き）は、印加電圧Ｖ１および静電容量自体（Ｑ＝Ｃ・Ｖ）によって規定されるコンデンサＣ１の電荷Ｑに関係する。コンデンサの静電容量は、装置の作動構造の設計および構造に依存する固定静電容量を有する「固定」成分である（すなわち、静電容量は駆動中に幾分変化するが、最初は設計形状および使用されるＥＡＰによって定められる）ので、印加電圧は、定常状態でのＥＡＰの機械的変形を記述する支配的なパラメータである。
【００４９】
しかし、定常状態に達する前に、コンデンサＣ１に蓄積された電荷（したがってコンデンサ上の電圧）が、作動／変位の瞬間レベルを決定する。ドライバによって接続３３と３４との間に供給される電圧Ｖ１は、ＥＡＰ構造（等価回路）を駆動するために使用されるが、接続３３と３５との間のコンデンサＣ１を挟んだ電圧が、作動または変位のレベルを決定する。したがって、ＥＡＰ構造を所望の作動レベルに切り替える際、ＥＡＰ構造の機械的応答は、コンデンサを挟んだ電圧が所望の作動レベルに対応する電圧より低く維持されるかぎり、オーバードライブ電圧Ｖ１が構造に印加された場合に、所望の作動レベルをオーバーシュートしないことは重要な概念である
【００５０】
放電された容量であっても装置の破壊電圧（breakdown  voltage）が存在するため、より高いオーバードライブ電圧には制限がある。好ましくは、本発明で適用される電圧は破壊電圧以下である。
【００５１】
ＥＡＰアクチュエータの所望の作動レベルを達成するために、コンデンサを挟んだ、したがってノード３３と３５との間の電圧は、一定のレベルまたは振幅に到達する必要がある。理想的には、この電圧レベルまたは振幅は、（顕著な）遅延なしに到達する。しかし、直列抵抗Ｒｓのために遅延が導入される。このため、所望の位置に必要とされる全電荷Ｑは、ＥＡＰ構造上に直ちに蓄積されず、それによって、ＥＡＰ構造は、最大速度でその最終レベルに向かって直接的に作動し始めることはない。代わりに、それは瞬間的な電荷レベルおよび準最適化された速度によって決定されるより変形の少ない最終状態に向かう。
【００５２】
本発明は、望ましくない方法で（例えば、かなりのオーバーシュートを伴って）実際の作動レベルに到達することを妨げることなく、ＥＡＰ上の所望の充電レベルをより迅速に構築する手法を提供する。ＥＡＰ構造の機械的応答時間を加速するために、コンデンサの充電が加速され、したがって、ＥＡＰが、このより高い瞬時充電レベルによって決定される作動状態に向かうように、それは所望の作動位置に達するのに必要な通常動作電圧（定常状態電圧）よりも高い電圧で一定時間駆動される。このように、それは、公称動作電圧でのみ動作したときよりも、所望の作動状態に達するのに必要な電圧よりも速く反応する。このアプローチを使用して、作動レベルをより迅速に、すなわち休止から、または始動作動からより高い作動まで増加させることができる。
【００５３】
予期される最終位置に到達するか、または到達しようとするとき、すなわち、所望の変位に関連する正しい電荷量ＱがＥＡＰコンデンサＣ１上に存在するか、またはほぼ存在するとき、駆動電圧振幅は、ＥＡＰアクチュエータの一定の位置を保持するための電圧に変更されることができる（例えば、減少または増加する）。
【００５４】
理論に縛られることを望まないが、一般に、電圧Ｖ０がコンデンサに印加される場合、時間ｔの関数としての充電電圧ｖｃ（ｔ）は次のようになる：
【００５５】
【数１】
2019520709.tif 000003
【００５６】
時定数τは、ＲｓとＣ１との積によって与えられる。
【００５７】
【数２】
2019520709.tif 000004
【００５８】
したがって、コンデンサＣ１を挟んだ充電電圧は、時定数τ内でその最終振幅の６３．２％に達し、５倍のτ後には９９．３％に達する。
【００５９】
ＥＡＰアクチュエータのある位置に到達するのに必要な電圧振幅Ｖ０を仮定し、さらに、オーバードライブ電圧Ｖｏｄとみなすことができるより高い電圧がＥＡＰアクチュエータに印加されると仮定すると、コンデンサ電圧は以下のようになる：
【００６０】
【数３】
2019520709.tif 000005
【００６１】
最終的に、ＥＡＰ作動位置が所定の時間ｔの間に到達すべきである場合、印加されるオーバードライブ電圧は、以下のように計算されることができる：
【００６２】
【数４】
2019520709.tif 000006
【００６３】
同様に、オーバードライブ電圧Ｖｏｄが既知である場合、いつ、すなわちどのくらい速く、ＥＡＰアクチュエータが必要な作動位置に達するかを推定することができる。
【００６４】
【数５】
2019520709.tif 000007
【００６５】
典型的なＥＡＰアクチュエータは、例えば、電極間にリラクサ強誘電体材料またはエラストマーシステムを有する。図３の回路の等価構成要素の値は以下であることができる：
Ｃ１＝８００ｎＦ
Ｒｓ＝８０ｋΩ
Ｒｐ＝１０ＭΩ
【００６６】
これは０．０６４秒の時定数を与えるので、（９９．３％の駆動変位に達するための）５倍の定数は０．３２秒に相当する。
【００６７】
本発明のオーバードライブ原理を実施するために、いくつかの駆動トポロジー（driving  topologies）が当業者に知られている。従って、以下の回路シミュレーションでは、理想的でプログラム可能な電圧源が仮定されている。
【００６８】
上記のように、特定のＥＡＰ構造応答時間が要求される場合、必要な過電圧が決定されることができる。
【００６９】
以下の例では、ＥＡＰ構造の作動は、２５０Ｖの定常状態電圧に対応する変位状態（所望の作動状態）と考えられる。また、開始作動状態はゼロボルトでの休止状態である。休止状態が非ゼロボルト状態である状況では、作動装置に印加される実際の電圧を決定するために、オーバードライブ電圧が開始状態電圧レベルに加算または減算されることになる。これは、オーバードライブ電圧が駆動信号の電圧振幅ステップに関係するためである。
【００７０】
従って、例えば、０．２秒の応答時間が達成される場合、対応するオーバードライブ電圧は、式４に基づいて計算されることができる。
【００７１】
この場合、上記と等価の構成要素を有するＥＡＰ構造では、２６１．５Ｖのオーバードライブ電圧（第１の電圧）が０．２秒（ｓ）の時間スロットの間与えられ、その後、印加電圧は２５０Ｖの定常電圧（第２の電圧）に戻される。
【００７２】
印加電圧およびＥＡＰ構造の実効静電容量に対する電圧は、図４に示されており、これは、コンデンサＣ１を挟んだ（例えば、図３のノード３３と３５との間）電圧（その電圧は、アクチュエータの変位レベルに対応する、本明細書の上記を参照）の曲線４０および４４、ならびにノード３３と３４の間に印加される駆動電圧４２および４６を示す。
【００７３】
プロット４０は、（ＥＡＰアクチュエータが休止または非作動状態に対応する初期放電状態にある）時間ゼロでの初期ステップ増加に続く一定の駆動電圧４２（この場合、２５０Ｖの定常状態電圧である）に対する従来の応答である。プロット４４は、第１の期間２６１．５Ｖのより高い第１の電圧４６を有する駆動電圧に対する応答であり、この例では０．２秒であり、その期間後、電圧レベルは２５０Ｖの定常状態値に戻される。通常、コンデンサは約５τ（＝０．３２ｓ）後に完全に充電されるが、ＥＡＰアクチュエータは規定の０．２ｓ後に必要な充電（したがって電圧振幅）に達する。これは応答時間の３０％短縮になる。
【００７４】
一組の実施例では、本発明はアクチュエータの直流に近い駆動（near  dc  driving）に関する。これが意味するのは、アクチュエータが、作動時間に匹敵するか、または作動時間よりも長い期間、あるｄｃレベルで保持されるということである。したがって、第２の駆動電圧は、少なくとも第１の駆動電圧と同じくらい長く保持される。図４の例では、第２の電圧は少なくとも０．２ｓの間保持される。この場合、作動の全持続時間は少なくとも０．４ｓであり、最大動作周波数２．５Ｈｚを与える。
【００７５】
第２の駆動電圧は、第１の駆動電圧の少なくとも２倍長く保持され得る。この場合、作動の全持続時間は少なくとも０．６ｓであり、１．７Ｈｚの最大動作周波数を与える。
【００７６】
従って、この態様は、低速の、直流に近い駆動に関する。例えば、動作の最大周波数は、１０Ｈｚ未満、例えば５Ｈｚ未満又は一定の電圧であってもよい。
【００７７】
図４は、ＥＡＰアクチュエータが充電されている間（プロット４０の電圧上昇中）の、コンデンサＣ１（ＥＡＰアクチュエータの実効静電容量）を挟んだ電圧が第２の駆動電圧４２以下であることを示している。このようにして、機械的応答のオーバーシュートがないように、第２の駆動電圧４２はコンデンサＣ１を挟んで決して超えることはない。したがって、アクチュエータの正確な位置決めがより高速の応答時間で達成されることができる。
【００７８】
上述したように、オーバードライブ電圧が既知である（または、例えば、破壊を防止するためにＥＡＰアクチュエータ全体に印加可能な最大電圧によって制限される）場合、ＥＡＰアクチュエータがその所要位置に到達する瞬間（ｔａｃｔｉｖｅ）は、式５によっても計算されることができる。この瞬間は、ＥＡＰアクチュエータ自体の時定数τの依存性として記述することもできる：
【００７９】
【数６】
2019520709.tif 000008
【００８０】
したがって、オーバードライブ電圧の許容振幅が既知である場合、ＥＡＰアクチュエータが要求された位置（充電）に達するときのパラメータｎは定義されることができる。Ｖｏｄ＝３００Ｖのオーバードライブ電圧に対して、これらのシミュレーションでモデル化したＥＡＰアクチュエータの応答が図５に示しされる。
【００８１】
図５は、オーバードライブ電圧４６の異なる時間のセットと、それぞれの対応するプロット４４とを示す。プロット４４は、ｎ（ｎ＝０、１．０、１．５、１．８、２．０、３．０、５．０）のそれぞれの値でラベル付けされている。各電圧パルス４６に対する３００Ｖのオーバードライブ電圧は、図５から、オーバードライブパルス４６のそれぞれの終わりを示す垂直線から読み取ることができる。オーバードライブ電圧は、例えば、要求された作動位置に達する（すなわち、実効コンデンサＣ１の要求された充電および電圧に達する）ために、０．１１５ｓの間印加される必要がある。これはパラメータｎ＝１．８に対応し、２５０ボルトの定常状態電圧のみが使用されたときよりもＥＡＰ位置が０．３２／０．１１５＝２．７８の倍率でより速く到達できることを意味する。
【００８２】
図５からわかるように、オーバードライブ電圧がＥＡＰアクチュエータに印加される期間が短すぎる場合（例えば、ｎ＝１．０またはｎ＝１．５）、応答も加速することができるが、もはや最適ではない。他方、過電圧がＥＡＰアクチュエータに印加される時間が長すぎる場合（例えば、ｎ＝３．０またはｎ＝５．０）、ＥＡＰアクチュエータは過度に駆動され、今度はオーバーシュートが修正される必要があるので、所望の位置に到達するためには５τのさらに長い時間を要する。これは機械的なオーバードライブであり、したがって機械的な出力が正確である必要がある場合、これは邪魔になり得ることに留意されたい。本発明は、このような機械的なオーバードライブを防止することができる。
【００８３】
しかし、この機械的なオーバーシュートは役立つために使用され得る。例えば、ＥＡＰアクチュエータが触覚ユーザインタフェースの一形態として使用されている場合、わずかなオーバーシュートを伴う応答は、定常状態でのインターフェースの比較的滑らかなプロファイルを保持しながら、相互作用の有効性を増加させ得る。
【００８４】
したがって、その後に第２の駆動電圧まで電圧が低下するように、ＥＡＰアクチュエータの実効コンデンサを挟んだ電圧が所定の量だけ第２の駆動電圧を超えるまで、第１の駆動電圧が印加され得る。そのような所定の量は、例えば、５０％、２０％、１０％、５％、２％、１％である。
【００８５】
そのような場合、（意図的な）オーバーシュートの後に、意図的に低い印加電圧の期間が続き、初期の意図的なオーバーシュート後に、オーバーシュートから所望の定常状態に戻る時間を減少させ得る。このようにして、例えば、触覚応答の増加した感覚（スパイク）がある可能性があるが、応答時間は短縮される。したがって、より低い電圧は、第２の電圧よりも低い第３の電圧を含み、第１の電圧と第２の電圧との間に印加される。
【００８６】
この場合であっても、好ましくは初期オーバードライブ電圧の持続時間以上の持続時間の所望の終了電圧での作動期間が存在する。したがって、触覚インターフェースは依然として低周波数動作である。
【００８７】
この低周波数動作（上述したように１０Ｈｚ未満）は、装置の共振周波数挙動よりはるかに低い。この共振周波数は、自立型装置または（約１０ｍｍの主要長さで）一つのエッジがクランプされた装置の場合、典型的には約４０Ｈｚから約６０Ｈｚの範囲にあるが、両端でクランプされたシステムの場合には２００Ｈｚから４００Ｈｚであり得る。共振周波数は、デバイスの設計に依存する。
【００８８】
上記の研究から分かるように、ＥＡＰアクチュエータの応答時間は、定常状態で要求される位置に到達するのに必要とされるより高い電圧をＥＡＰアクチュエータにある期間印加することによって、大幅に改善することができる。
【００８９】
また、すべてのポリマー（したがってＥＡＰを含む）の最大印加可能電圧または破壊電圧は時間に依存することが知られている。従って、ＥＡＰアクチュエータは、短時間の間、より高い最大電圧に耐えることができる。したがって、オーバードライブ電圧は、早期破壊の危険なしにＥＡＰ装置の最大（長期）動作電圧を超えて一時的に増加されることができる。上記の例では、ＥＡＰアクチュエータの最大動作電圧レベルまたは振幅は２５０Ｖであるが、短時間の間、これらのＥＡＰアクチュエータはより高い電圧（１０‐１００ｍｓの範囲の期間に関して３５０Ｖまで）に耐えることができる。
【００９０】
上述のとおり、Ｃ１は一定の静電容量を有すると仮定した。しかし、実際の多くのＥＡＰアクチュエータでは、その値は切り替え中に変わるだけでなく、異なるアクチュエータ状態によっても異なることがわかる。したがって、ある状態から別の状態に移行する際に、Ｃ１静電容量の（かなりの）変化が存在し得、通常はそれが存在する。これは、主として、コンデンサの幾何学的形状（例えば、ＥＡＰ層を含むコンデンサ誘電体）の厚さが変化するおよび／または電極面積が変化し得ることによってならびに／または誘電率のようなコンデンサ誘電体材料特性の変化によって変化するアクチュエータ設計要因に起因する。後者の効果は、例えば、強誘電体で見られる。本発明は、これらの変化を考慮に入れることができる。１つの方法は、切り替えられる状態の最高有効容量に基づいて、オーバードライブ電圧または切り替え速度を決定することである。多くの場合、最も作動される状態は最も高い電圧振幅を必要とし、それに伴ってそれに関連する最大の静電容量を有する。したがって、上記の計算のいずれか１つに使用されるように、任意の数の作動電圧（定常状態）レベルに対してＣが決定されることができる。
【００９１】
上記で使用された等価構成要素の値および任意の実際的なシステムの値は、当技術分野で知られているインピーダンス測定方法を使用して決定することができる。図３のもののような様々なＲＣモデルをこのような測定の結果に適合させて、実際のシステムの実際の抵抗値および静電容量値を決定することができる。実効容量は、定常状態で観察される値であってもよく、その場合、充電は停止し、電圧が容量値に印加される。
【００９２】
本発明は、アクチュエータをより低い作動状態（例えば、休止状態など）からより大きい作動状態に、またはその逆に切り替えるために適用することができる。図６Ａは、第１の電圧６１に関連する第１の作動状態から第２の電圧６７に関連する第２の作動状態にアクチュエータを切り替えるための例示的な駆動信号波形６０を示す。したがって、最初にアクチュエータは低作動状態に対応する第１の電圧６１で駆動される。この場合、ゼロ電圧はレベル６２にあるので、電圧６１はゼロボルトよりも高く、このため第１の作動状態は休止状態ではない。時間６３において、オーバードライブ期間６４が始まり、駆動信号電圧がオーバードライブ電圧６５まで電圧の変化６６だけ増加し、この電圧変化は、第２の電圧６７と第１の電圧６１との間の差よりも大きい（この差は電圧６７マイナス電圧６１として定義される）。電圧差が正であるので、変化は正の値であることに留意されたい。オーバードライブ期間６４の間、オーバードライブ電圧は、一定レベルに保持されてその最後の時間６８において第２の電圧６７まで減少するようになる。第２の電圧６７は、保持期間６４”の間一定に保持される。
【００９３】
図６Ａの切り替え状況では、切り替えがアクチュエータのより低い電圧状態からより高い電圧状態へ発生するので、電圧はいずれも正であり、オーバードライブに関して増加していた。しかし、本発明は、同じアクチュエータがより高い作動状態からより低い作動状態に切り換えられる逆の状況に対して同様の方法で作用する。
【００９４】
したがって、図６Ｂは、図６Ａのアクチュエータを第１の電圧６１’に関連する第１の作動状態から第２の電圧６７’に関連する第２の作動状態に切り替えるための例示的な駆動信号波形６０’を示す。したがって、最初に、アクチュエータは、高い作動状態に対応する第１の電圧６１’で駆動される。時間６３’において、オーバードライブ期間６４’が開始し、駆動信号電圧がオーバードライブ電圧６５’に電圧の変化６６’だけ減少し、この電圧の変化は、第２の電圧６７’と第１の電圧６１’との間の差よりも大きい（この差は電圧６７’マイナス電圧６１’として定義される）。電圧レベルの差が負であるので、変化は負の値であることに留意されたい。オーバードライブ期間６４’の間、オーバードライブ電圧は一定レベルに保持されてその最後の時間６８’において第２の電圧６７’まで増加する。保持電圧６７’は、保持期間６４’’’の間一定に保持される。
【００９５】
極端な場合には、オーバードライブ電圧６５’は符号を変化させて、負の電圧が例えば、容量を挟んだ電圧が第２の電圧に近づくポイントに至るまで印加されるようにしてもよい。
【００９６】
上の図４および５の例は、矩形のパルス形状のオーバードライブ電圧に基づいており、これは、通常の駆動電圧に重畳された矩形の過電圧であると考えられ得る。持続時間は可変であってもよく、ＥＡＰ構造および／またはアクチュエータ自体によって規定される電気的時定数に関連してもよい。オーバードライブ電圧の振幅は可変であってもよく、オーバードライブパルスの短い性質のためにＥＡＰアクチュエータの最大動作電圧振幅を超えることさえあり得る。
【００９７】
非矩形電圧波形が可能である。例えば、オーバードライブ電圧は、時間が経過するにつれて振幅が減少又は振幅が増加し得る。理想的には、ＥＡＰの所要位置に達すると（すなわち、予想される位置に到達するのに必要な充電レベルに達する場合）、オーバードライブ電圧振幅が公称動作電圧に低減される。
【００９８】
したがって、例えば図６Ａの期間６４において、オーバードライブ電圧は、矩形波形を与える値６５に維持される。別の波形形状では、オーバードライブ電圧は、期間６４内で値６５から値６７に変化する。この変化は、例えば、波形６９による線形、波形６９’による階段状である。他の形状も使用できる。電圧変化６６は、線形であるか否かにかかわらず、急峻な電圧の上昇または下降を使用して発生することができる。しかし、より急でない変化が使用できる。しかし、これは最大切り替え速度の増加を失うことがあります。
【００９９】
ＥＡＰ装置の加速された挙動および過渡応答（すなわち、ＥＡＰが一定期間中に受ける変形）は、構成要素に印加される電圧の形状によって影響され得る。一定の振幅を有するオーバードライブ電圧をＥＡＰアクチュエータに印加する代わりに、任意の形状を有する任意の他の線形または非線形の電圧形態が印加され得る。特に、複数の階段状矩形パルス（同じまたは異なるデューティサイクルを有する）のような波形では、指数関数および対数関数ベースのプロファイル、またはこれらの組み合わせを使用することができる。これには、階段状の線形および非線形の電圧波形が含まれる。
【０１００】
一般に、電圧／時間曲線下の積分面積は定常状態電圧の積分面積を超え、多くの異なる波形形状が使用され得る。
【０１０１】
電子ドライバを使用して、出力電圧を所望の方法で時間の関数として変化させ得る。これには、例えばオーバードライブ電圧振幅およびタイムスロット長のルックアップテーブルを使用する開ループ制御が含まれる。代替的には、フィードバックセンサベースの設定を有する閉ループ制御が使用され得る。フィードバックセンサは、電気的、機械的または光学的フィードバックを提供し得る。小さなカメラを用いてフィードバックを提供し得る。
【０１０２】
ＥＡＰアクチュエータの機械的応答はその電気的性能によって規定されるだけでなく（他の遅延および不感時間が電気遅延に加えられ得る）、印加されるオーバードライブ電圧レベルおよび形状は、総遅延の組合せに相関され適合され得る。代替的には、機械的または光学的フィードバックを使用して、機械的応答をＥＡＰアクチュエータの電気的性能に相関させることができる。
【０１０３】
図７は、駆動信号（ここでは電圧である）をＥＡＰアクチュエータ１０２に印加するために使用されるドライバ１００を示す。本発明で使用することができるオプションのフィードバック経路１０４（機械的、光学的または電気的）も示している。
【０１０４】
ドライバは、従来のＰＣＢおよび個別の電気素子を備えた電子回路を含むことができる。代替的には、それは、当技術分野で知られているようなＩＣのような半導体実装デバイスであることができる。ドライバは、外部電源を使用する切り替え装置として構成することができ、それから電気活性ポリマー構造への電力信号を生成するおよび／または切り替えることができる。それは、電圧源または電流源のような電源も含み得る。ドライバの電気回路を制御するためのコンピュータまたはＣＰＵもあり得る。駆動信号は通常、ＥＡＰ構造の電極に電圧として供給されるので、ＥＡＰ構造の電極間に電圧差を発生させる。ゼロボルトのような基準電圧を用いて、電極の１つを接地することができる。コンピュータは、ドライバに実装することができるが、（当技術分野で知られている標準の有線または無線接続を使用して）遠隔接続することもできる。ドライバに駆動を実行させるコードを有するコンピュータ上に記憶された（任意の既知のタイプのコンピュータメモリに記憶された）またはコンピュータ上で動くソフトウェアが、存在することができる。ソフトウェアは、ユーザがパラメータ値を提供することを可能にするコードを有することができる。このソフトウェアは、ＲＡＭまたはＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ、ＳＤなどのような当技術分野で知られている電子メモリ、または例えば、ＨＤＤ等のような磁気メモリ、ＣＤ、ＤＶＤ、Ｂｌｕ  ｒａｙ等のような光メモリ等のようなコンピュータ可読媒体に格納することができる。代替的には、ソフトウェアは、例えば当該分野で知られている、３Ｇまたは４Ｇ、ＬＡＮ、ＷＡＮ、有線または無線ネットワークのような通信ネットワークを通じて動作可能またはそれからダウンロード可能であることができる。
【０１０５】
メモリを含むＣＰＵは、アクチュエータ、したがってＥＡＰ構造を含むさらなるサブデバイスとは別のサブデバイスに配置され得る。したがって、両方のサブデバイスは、本発明による装置の一部である。さらに、サブデバイス内に配置された有線または無線のデータ送信器および／または受信器のような通信装置と、ＣＰＵがドライバと通信してアクチュエータの遠隔制御を実施することを可能にするさらなるサブデバイスもある。サブデバイスは、携帯電話、ウェアラブル装置または同様の装置のようなアプリケーション専用または一般用の、あらゆる種類のハンドヘルド制御装置であり得る。
【０１０６】
本発明は、特に、ＥＡＰ構造の一部としてＥＡＰを含むＥＡＰアクチュエータの作動に関する。したがって、ＥＡＰ構造はＥＡＰ材料を含む。これは、電気信号をＥＡＰ構造に供給すると、ＥＡＰ構造を変形させることができる材料である。このように、ＥＡＰ材料は、１つまたは複数のＥＡＰを有する１つまたは複数のマトリックス材料を含むかまたはそれらからなる混合物（均質または不均一）であり得る。これは、例えば、さらなるポリマーマトリックス材料中のＥＡＰ分散（EAP  dispersion）であり得る。さらなるポリマーマトリックス材料は、マトリックスネットワークに混入または分散したＥＡＰによって引き起こされる変形を可能にするネットワークポリマーであり得る。ＥＡＰ材料は、その中に分散することができる。弾性材料は、そのようなネットワークの例である。好ましくは、そのような複合ＥＡＰ材料中のＥＡＰの量は、＞５０重量％若しくはモル％、＞７５重量％若しくはモル％、または＞９０重量％若しくはモル％からなるグループから選択される。ＥＡＰ材料は、分子中にＥＡＰ（またはＥＡＰ活性基）の一部および不活性な他のポリマーの部分を含むポリマーを含むこともできる。多くの電気活性ポリマーを使用することができ、そのいくつかは以下に記載される。
【０１０７】
電界駆動型ＥＡＰのサブクラス内で、電界駆動型ＥＡＰの第１の注目すべきサブクラスは、圧電及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性能は限られているが、この性能を向上させる突破口が、自発的な電気分極（電界駆動アライメント）を示すＰＶＤＦリラクサポリマーにつながっている。これらの材料は、ひずみ方向の改善された性能のために予め歪ませることができる（予歪みは、より良好な分子配向をもたらす）。
【０１０８】
電界駆動型ＥＡＰの別のサブクラスは、誘電性エラストマーのものである。この材料の薄膜は、平行平板コンデンサのようなコンデンサを形成するコンプライアント電極の間に挟まれ得る。誘電性エラストマーの場合、印加された電界によって誘発されるマクスウェル応力は、膜に応力を生じさせ、厚みを収縮させて面積を拡大させる。歪み性能は、典型的には、エラストマーに予め歪みを加えることによって（予歪みを保持するフレームを必要とする）拡大される。歪みはかなり（１０−３００％）であり得る。この種類の材料の場合、電極は、好ましくは、直接的に、または中間材料層を用いてＥＡＰ材料に機械的に取り付けられる。
【０１０９】
材料の第１のサブクラスについては、歪みは通常、中程度の範囲（１−５％）であるので、通常、薄膜金属電極が使用されるが、他のタイプの電極、例えば、導電性ポリマー、カーボンブラックベースのオイル、ゲルまたはエラストマーなども使用されることができる。材料の第２の種類の場合、典型的には、電極材料の種類は高歪みによって拘束される。したがって、低歪みおよび中庸ひずみを有する誘電体材料については、金属電極および導電性ポリマー電極が考慮され得るが、高ひずみ状態については、カーボンブラックベースのオイル、ゲルまたはエラストマーが典型的には使用される。
【０１１０】
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材（ＩＰＭＣ）である。ＩＰＭＣは、２つの薄い金属またはカーボンベースの電極間に積層され、電解質の使用を必要とする、溶媒膨潤イオン交換ポリマー膜からなる。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＋水ベースの溶液である。電界が印加されるとき、陽イオンは典型的には水と共に陰極側に移動する。これは、親水性クラスターの再構成およびポリマーの膨張につながる。陰極領域のひずみはポリマーマトリックスの残りに応力をもたらし、陽極に向かう曲げをもたらす。印加電圧を逆にすると曲げが逆転する。よく知られたポリマー膜は、ナフィオン（Nafion（登録商標））およびフレミオン（Flemion（登録商標））である。
【０１１１】
イオン性ポリマーの別の顕著なサブクラスは共役／導電性ポリマーである。共役ポリマーアクチュエータは、典型的には、共役ポリマーの２つの層によって挟まれた電解質からなる。電解質は酸化状態を変えるために使用される。電解質を介してポリマーに電位が印加されるとき、ポリマーに電子が加えられたりポリマーから電子が取り除かれ、酸化および還元が進行する。還元は収縮、酸化は膨張をもたらす。
【０１１２】
ある場合には、ポリマー自体が（次元方向の）十分な導電性に欠けているときに、薄膜電極が加えられる。電解質は、液体、ゲルまたは固体材料（すなわち、高分子量ポリマーおよび金属塩の複合体）であり得る。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。
【０１１３】
アクチュエータはまた、電解質中に懸濁された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、ナノチューブと二重層を形成し、電荷の注入を可能にする。この二重層電荷注入はＣＮＴアクチュエータの主なメカニズムと考えられている。ＣＮＴは、ＣＮＴに注入された電荷を有する電極コンデンサとして作用し、次いで、ＣＮＴ表面への電解質の移動によって形成される電気二重層によってバランスされる。炭素原子の電荷を変化させることは、Ｃ−Ｃ結合長の変化をもたらす。その結果、単一のＣＮＴの膨張および収縮が観察され得る。
【０１１４】
上述の材料に関してより詳細には、電気化学的ポリマーは、したがって、サブクラス：圧電ポリマー、電気機械ポリマー、リラクサ強誘電性ポリマー、電歪ポリマー、誘電性エラストマー、液晶エラストマー、共役ポリマー、イオン性ポリマー金属複合材、イオンゲルおよびポリマーゲルを含むことができるが、これらに限定されない。
【０１１５】
サブクラス電歪ポリマーは：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‐クロロトリフルオロエチレン（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）、またはそれらの混合物を含むが、これらに限定されない。
【０１１６】
サブクラス誘電性エラストマーは：アクリレート、ポリウレタン、シリコーンを含むが、これらに限定されない。
【０１１７】
サブクラス共役ポリマーは：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‐フェニレンスルフィド）、ポリアニリンを含むが、これらに限定されない。
【０１１８】
イオン装置は、複数のイオン性ポリマー‐金属複合材（ＩＰＭＣｓ）または共役ポリマーをベースとすることができる。イオン性ポリマー‐金属複合材（ＩＰＭＣ）は、印加された電圧または電界の下で人工筋肉の挙動を示す合成複合ナノ材料である。
【０１１９】
より詳細には、ＩＰＭＣは、表面が化学的にメッキされたまたは白金または金などの導電体または炭素系電極で物理的に被覆されたナフィオンまたはフレミオンのようなイオン性ポリマーからなる。印加電圧の下で、ＩＰＭＣのストリップにわたって課された電圧によるイオンの移動および再分配は、曲げ変形をもたらす。ポリマーは溶媒膨潤イオン交換ポリマー膜である。この電界により、陽イオンは水と共に陰極側に移動する。これは、親水性クラスターの再構成およびポリマーの膨張につながる。陰極領域の歪みはポリマーマトリックスの残りに応力をもたらし、陽極に向かう曲げをもたらす。印加電圧を逆にすると曲げが逆転する。
【０１２０】
ＥＡＰ構造の電極は、各々が特定の利点及び効果を有する多くの構成を有することができる。
【０１２１】
メッキされた電極が非対称構成で配置されている場合、課された信号（例えば電圧）は、ＥＡＰ構造のひねり、転がり、ねじれ、回転、および非対称曲げ変形のようなあらゆる種類の変形を誘発することができる。
【０１２２】
これらの例の全てにおいて、印加された電界または電流に応答してＥＡＰ材料層の電気的および／または機械的挙動に影響を及ぼすために、追加の受動層が設けられ得る。
【０１２３】
各ユニットのＥＡＰ材料層は、電極の間に挟まれ得る。代替的には、電極は、ＥＡＰ材料の同じ側にあることができる。いずれの場合も、電極は、その間に（受動的な）層を介さずに直接的に、またはその間に追加の（受動的な）層を介して間接的にＥＡＰ材料に物理的に取り付けられることができる。しかし、必ずしもそうである必要はない。リラクサまたは永久圧電または強誘電体ＥＡＰの場合、直接接触する必要はありません。後者の場合、電極がＥＡＰに電界を供給できる限り、ＥＡＰの近傍の電極は十分であり、ＥＡＰ構造はその作動機能を有する。誘電性エラストマーの場合、それは、変形を引き起こす電極間の電界発生機械力である。したがって、電極は、直接的または間接的に（例えば、電極とＥＡＰとの間の層で）ＥＡＰに物理的に取り付けられる必要がある。電極は、ＥＡＰ材料層の変形に追従するように伸張可能であり得る。電極に適した材料もまた知られており、例えば、金、銅またはアルミニウムのような薄い金属膜、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グループから選択され得る。例えばアルミニウムコーティングを使用する、金属化ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような、金属化ポリエステルフィルムが使用されてもよい。
【０１２４】
したがって、作動のためにＥＡＰ構造が使用され得る。代替的にまたはそれに加えて、それは感知に使用され得る。最も傑出した感知メカニズムは、力測定と歪み検出に基づいています。例えば、誘電性エラストマーは、外力によって容易に伸ばされることができる。センサに低電圧を印加することによって、歪みは電圧の関数として測定されることができる（電圧は面積の関数である）。直流電圧（Direct  voltages）が、圧電ＥＡＰの機械的変形によって生成されることができる。圧電及び電歪ポリマーセンサは、印加された機械的応力に応じて電荷を生成することができる（圧電ＥＡＰにおける結晶化度の量は検出可能な電荷を生成するのに十分高いと仮定する）。共役ポリマーは、ピエゾイオン効果（機械的応力がイオンの作用（exertion）につながる）を利用することができる。ＣＮＴは、応力に曝されるときＣＮＴ表面の電荷が変化し、これは測定することができる。ガス状分子（例えば、Ｏ２、ＮＯ２）と接触するとＣＮＴの抵抗が変化し、ガス検出器としてＣＮＴを使用できることも示されている。電界駆動型システムで感知する別の方法は、静電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。
【０１２５】
本発明は、アクチュエータのマトリクスアレイが対象である例を含む、多くのＥＡＰアクチュエータシステムに適用することができる。
【０１２６】
多くの用途において、製品の主な機能は、ヒト組織の（局所的な）操作、または組織接触界面の作動に依存する。このような用途では、例えば、ＥＡＰアクチュエータは、主に小型の形状、柔軟性および高いエネルギ密度のために、独特の利点を提供する。したがって、柔らかい、３Ｄ形状および／または小型の製品およびインターフェースに容易に統合されることができる。そのような用途の例は次のとおりである：
皮膚を引っ張るまたはしわを減らすために皮膚に一定または周期的な伸張を加える応答性高分子ベースの皮膚パッチの形態の皮膚作動装置のような皮膚化粧処置；
顔面の赤いマークを低減または防止する交互の法線圧力を皮膚に与えるための、応答性ポリマーベースの能動クッションまたはシールを有する患者インタフェースマスクを備えた呼吸装置；
適応シェービングヘッドを備えた電気シェーバー。皮膚接触面の高さが、近いことと刺激との間のバランスに影響を及ぼすために、応答性ポリマーアクチュエータを用いて調節されることができる；
特に歯の間の空間において、スプレーの到達範囲を改善するために、動的ノズルアクチュエータを備えたエアーフロスのような口腔洗浄装置。代替的に、歯ブラシが、作動タフト（activated  tufts）を備え得る；
ユーザインタフェース内またはその近くに統合された応答性ポリマートランスデューサのアレイを介して局所触覚フィードバックを提供する家電機器またはタッチパネル；
蛇行する血管内での容易なナビゲーションを可能にするための操縦可能な先端を有するカテーテル。
【０１２７】
そのようなアクチュエータから利益を受ける関連する用途の別のカテゴリは、光の変更に関する。レンズ、反射面、回折格子などの光学素子は、これらのアクチュエータを使用して形状または位置適応によって適応可能にすることができる。例えば、ＥＡＰの１つの利点は、より低い電力消費である。
【０１２８】
開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の研究から、請求項に記載された発明を実施する際に当業者によって理解され得、達成され得る。特許請求の範囲において、「有する、含む（comprising）」という単語は他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”または“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に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【０１２９】
要約すると、電気活性ポリマーアクチュエータは、電気活性ポリマー構造と、作動駆動信号を提供するためのドライバとを有する。一態様では、オーバードライブ電圧を有する第１の駆動信号は、構造を１つの作動状態から別の作動状態に切り替えるために必要な電気活性ポリマー構造の電荷を変えるために使用される。電気活性ポリマー構造の作動が、他の作動状態に近いか、または別の作動状態にあるとき、またはその後に、電気活性ポリマー構造を作動状態にして保持するために、駆動電圧が使用される。この一時的なオーバードライブスキームは、電気活性ポリマー構造を損傷することなく速度応答を改善する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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