(57)【要約】【課題】  ポンプ（３４０）、圧縮機およびファンのような熱力学的仕事を流体に行うデバイスを提供する。【解決手段】  熱力学的仕事は、流体を動かす駆動力を提供するのに用いられえる。流体になされた仕事は、油圧駆動デバイス内のピストンのような他のデバイスに伝達されえる。このデバイスは、電界の印加に応答して撓む電気活性ポリマー（３４１）を持つ１つ以上の電気活性ポリマートランスデューサ（３４１）を含みえる。電気活性ポリマー（３４１）は熱力学的仕事を流体に行うのに用いられえる。本デバイスは、人間の可聴範囲より上、または下の音響信号を作る動作条件のような複数の動作条件において効率的に動作するよう設計されえる。本デバイスは、冷凍システム、冷却システムおよびヒーティングシステムのような熱制御システム内で使用されえる。
2005522162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱力学的仕事を流体に行うデバイスであって、
１つ以上のトランスデューサであって、それぞれのトランスデューサは少なくとも２つの電極、および前記少なくとも２つの電極に電気的に接続する電気活性ポリマーを備え、前記電気活性ポリマーの一部は、電界の変化に応答して第１位置から第２位置に撓むように構成される、１つ以上のトランスデューサ、
流体に接触し、前記１つ以上のトランスデューサに動作可能に結合された少なくとも１つの表面であって、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記熱力学的仕事が前記流体に行われるようにし、前記熱力学的仕事は前記流体に前記１つの表面を介して伝達される少なくとも１つの表面
を備えるデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは、ポンプ、圧縮機、油圧アクチュエータ、ファン、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択されるデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記１つの表面を第１形状から第２形状に変化させるデバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のデバイスであって、前記１つの表面は、前記１つ以上のトランスデューサに機械的リンケージを介して結合されるデバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のデバイスであって、前記１つの表面は、前記電気活性ポリマーの前記部分を含むデバイス。
【請求項６】
請求項５に記載のデバイスであって、前記１つの表面は、風船状形状、半球形状、円筒形状、または半円筒形状のうちの１つを形成するように膨張するデバイス。
【請求項７】
請求項１に記載のデバイスであって、前記流体は、圧縮性、非圧縮性、またはそれらの組み合わせのうちの１つであるデバイス。
【請求項８】
請求項１に記載のデバイスであって、前記流体は、ニュートンまたは非ニュートン流体であるデバイス。
【請求項９】
請求項１に記載のデバイスであって、前記流体は、気体、プラズマ、液体、２つ以上の不混和性液体の混合物、超臨界流体、スラリー、懸濁液、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択されるデバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記１つの表面について回転運動、直線運動、振動運動、またはそれらの組み合わせのうちの１つを発生するデバイス。
【請求項１１】
請求項１に記載のデバイスであって、
前記流体を受け取るチャンバであって、前記チャンバの境界表面は、前記１つの表面を含むチャンバ
をさらに備えるデバイス。
【請求項１２】
請求項１１に記載のデバイスであって、前記チャンバは、ブラッダまたはベローズのうちの１つから形成されるデバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記ブラッダまたはベローズを押して、前記ブラッダまたはベローズの容積を減少させるデバイス。
【請求項１４】
請求項１２に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記ブラッダまたはベローズを伸ばして、前記ブラッダまたはベローズの容積を増加させるデバイス。
【請求項１５】
請求項１１に記載のデバイスであって、前記チャンバはシリンダおよびピストンから形成され、前記１つの表面は、ピストンヘッドの一部であるデバイス。
【請求項１６】
請求項１１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記チャンバの容積の変化を引き起こすデバイス。
【請求項１７】
請求項１６に記載のデバイスであって、前記チャンバ内の前記容積の前記変化は、前記流体を圧縮するデバイス。
【請求項１８】
請求項１６に記載のデバイスであって、前記チャンバ内の前記容積の前記変化は、前記流体を膨張させるデバイス。
【請求項１９】
請求項１６に記載のデバイスであって、前記チャンバ内の前記容積の前記変化は、前記流体の少なくとも一部における熱力学的相変化を引き起こすデバイス。
【請求項２０】
請求項１６に記載のデバイスであって、前記チャンバ内の前記容積の前記変化は、前記チャンバ内に流体を引き込むデバイス。
【請求項２１】
請求項１６に記載のデバイスであって、前記チャンバ内の前記容積の前記変化は、前記チャンバ内から流体を追い出すデバイス。
【請求項２２】
請求項１に記載のデバイスであって、ファンブレードをさらに備え、前記１つの表面は前記ファンブレードの表面の一部であるデバイス。
【請求項２３】
請求項２２に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記ファンブレードを回転させるデバイス。
【請求項２４】
請求項２２に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記ファンブレードの形状が前記ファンブレードの空気力学的パフォーマンスを変えるようにするデバイス。
【請求項２５】
請求項２２に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記ファンブレードのピッチを変化させるデバイス。
【請求項２６】
請求項２２に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記ファンブレードの空気弾性特性または空気音響特性のうちの１つにおける変化を引き起こすデバイス。
【請求項２７】
請求項２２に記載のデバイスであって、前記ファンブレードは、ファン、ポンプまたは圧縮機内の要素であるデバイス。
【請求項２８】
請求項１に記載のデバイスであって、熱力学的仕事は前記流体を第１位置から第２位置に移動させる駆動力を提供するデバイス。
【請求項２９】
請求項１に記載のデバイスであって、
前記流体が前記デバイスを通って移動することを可能にするフローパスの少なくとも一部を提供するのに用いられる１つ以上の流体導管
をさらに備えるデバイス。
【請求項３０】
請求項２９に記載のデバイスであって、
前記フローパスを通る前記流体のフローレート、フロー方向、およびそれらの組み合わせのうちの１つを制御する１つ以上のバルブ
をさらに備えるデバイス。
【請求項３１】
請求項３０に記載のデバイスであって、前記１つ以上のバルブはチェックバルブであるデバイス。
【請求項３２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは、第２デバイス中の１つ以上の位置における温度を制御する熱制御システムにおいて用いられるデバイス。
【請求項３３】
請求項３２に記載のデバイスであって、前記第２デバイスはコンピュータであり、前記位置群のうちの１つは前記コンピュータのマイクロプロセッサの近傍であるデバイス。
【請求項３４】
請求項３２に記載のデバイスであって、前記流体は、熱エネルギーを第１位置から、前記第２デバイス中の第２位置へ伝導するデバイス。
【請求項３５】
請求項３４に記載のデバイスであって、前記流体の少なくとも一部は、液相であるデバイス。
【請求項３６】
請求項１に記載のデバイスであって、前記流体に熱エネルギーを与えたり、取り除いたりする熱交換機をさらに備えるデバイス。
【請求項３７】
請求項３６に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの１つ以上の部分は、前記熱交換機として振る舞うデバイス。
【請求項３８】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは、冷凍システムのためのポンプまたは圧縮機のうちの１つであるデバイス。
【請求項３９】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記１つの表面内に波状運動を誘起し、前記波状運動は前記熱力学的仕事を前記流体に行うデバイス。
【請求項４０】
請求項１に記載のデバイスであって、
強制戻りメカニズムであって、前記強制戻りメカニズムは、前記電気活性ポリマーの前記部分が前記第２位置から前記第１位置へ戻る力の少なくとも一部を提供する強制戻りメカニズム
をさらに備えるデバイス。
【請求項４１】
請求項４０に記載のデバイスであって、前記強制戻りメカニズムはバネであるデバイス。
【請求項４２】
請求項１に記載のデバイスであって、流体導管をさらに備え、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記流体導管内に蠕動運動を発生することによって、前記流体を前記流体導管を通して移動させるデバイス。
【請求項４３】
請求項１に記載のデバイスであって、流体導管をさらに備え、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記流体導管内に蠕動運動を発生することによって、前記流体導管内の前記流体を前記導管を通して移動させるデバイス。
【請求項４４】
請求項１に記載のデバイスであって、前記１つ以上のトランスデューサは、鞭毛のように動作するよう設計されるデバイス。
【請求項４５】
請求項４４に記載のデバイスであって、前記流体導管の一部は、ＥＰＡＭロールトランスデューサから構成されるデバイス。
【請求項４６】
請求項１に記載のデバイスであって、
前記電気活性ポリマーの前記部分の撓みの方向にバイアスするバイアスメカニズム
をさらに備えるデバイス。
【請求項４７】
請求項４６に記載のデバイスであって、前記バイアスメカニズムは、バネ、膨張剤、挿入、またはそれらの組み合わせのうちの１つであるデバイス。
【請求項４８】
請求項１に記載のデバイスであって、前記流体中の圧力から発生された油圧力を受け取る出力軸をさらに備えるデバイス。
【請求項４９】
請求項４８に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の撓みは、前記流体内の前記圧力を増加させ、前記出力軸を動かす油圧力を提供する。
【請求項５０】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは、多段ポンプまたは多段圧縮機のうちの１つの中のステージであるデバイス。
【請求項５１】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスの動作によって発生される音響信号が人間の可聴領域より上、または下であるデバイス。
【請求項５２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分が撓む動作周波数は、人間の可聴領域よりも上、または下であるデバイス。
【請求項５３】
請求項５２に記載のデバイスであって、前記動作周波数は３０Ｈｚ未満であるデバイス。
【請求項５４】
請求項１に記載のデバイスであって、前記１つ以上のトランスデューサおよび前記１つの表面を収める筐体をさらに備えるデバイス。
【請求項５５】
請求項５４に記載のデバイスであって、前記筐体の高さの二乗を前記筐体のフットプリント面積で割ったものとして定義される平坦さのパラメータが実質的に１より小さいデバイス。
【請求項５６】
請求項５５に記載のデバイスであって、前記平坦さのパラメータは約０．１よりも小さいデバイス。
【請求項５７】
請求項５５に記載のデバイスであって、前記平坦さのパラメータは約０．０５よりも小さいデバイス。
【請求項５８】
請求項５５に記載のデバイスであって、前記平坦さのパラメータは約０．０１よりも小さいデバイス。
【請求項５９】
請求項１に記載のデバイスであって、複数の開口を持つクランププレートをさらに備え、前記電気活性ポリマーは、前記複数の開口の中へ撓むよう設計された電気活性ポリマーフィルムであるデバイス。
【請求項６０】
請求項５９に記載のデバイスであって、前記クランププレートにマウントされ、前記クランププレートおよび前記下部チャンバ間の前記フィルムを固定するよう設計された下部チャンバをさらに備えるデバイス。
【請求項６１】
請求項６０に記載のデバイスであって、前記流体を受け取るポンプチャンバは、前記下部チャンバの表面の部分および前記フィルムの表面の部分によって形成されるデバイス。
【請求項６２】
請求項６１に記載のデバイスであって、前記下部チャンバは、前記流体を前記ポンプチャンバに導き、前記流体を前記ポンプチャンバから遠ざけるように導く１つ以上の流体導管をさらに備えるデバイス。
【請求項６３】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記流体を通して前記デバイスを前進させるデバイス。
【請求項６４】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは玩具において用いられるデバイス。
【請求項６５】
請求項１に記載のデバイスであって、前記流体はインクジェットプリンタにおいて用いられるインクであるデバイス。
【請求項６６】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記１つの表面を介して前記流体に伝達される前記流体の特性の変化をさらに引き起こすデバイス。
【請求項６７】
請求項６６に記載のデバイスであって、前記流体の前記特性は、１）フローレート、２）フロー方向、３）フロー渦度、４）フロー運動量、５）混合、６）フロー乱流、７）流体エネルギー、８）流体熱力学的特性、９）流体力学的特性からなるグループから選択されるデバイス。
【請求項６８】
請求項１に記載のデバイスであって、ベローズバネをさらに備え、前記ベローズバネは、前記流体が前記ベローズバネを通って流れることを可能にするフローパスを提供する流体導管の一部を形成するデバイス。
【請求項６９】
請求項６８に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記第１位置から前記第２位置への前記撓みは、前記ベローズバネの直径を増加させるデバイス。
【請求項７０】
請求項６９に記載のデバイスであって、前記ベローズバネを通るフローレートは、前記ベローズバネの前記直径に比例するデバイス。
【請求項７１】
請求項１に記載のデバイスであって、前記流体の特性を計測するために前記デバイスに接続された１つ以上のセンサをさらに備えるデバイス。
【請求項７２】
請求項７１に記載のデバイスであって、前記流体の前記特性は、前記流体の温度、圧力、密度、粘性、熱伝導度、フローレート、および構成要素の濃度からなるグループから選択されるデバイス。
【請求項７３】
請求項１に記載のデバイスであって、前記ポリマーの前記部分の前記撓み、前記ポリマーの前記部分上の電荷、および前記電気活性ポリマーの前記部分にわたる電圧のうちの１つ以上をモニタするための前記デバイスに接続された１つ以上のセンサをさらに備えるデバイス。
【請求項７４】
請求項１に記載のデバイスであって、１）前記トランスデューサの動作を制御すること、２）１つ以上のセンサをモニタすること、３）他のデバイスと通信すること、および４）それらの組み合わせのうちの少なくとも１つのための論理デバイスをさらに備えるデバイス。
【請求項７５】
請求項１に記載のデバイスであって、前記１つ以上のトランスデューサについて、電圧ステップアップ、電圧ステップダウンおよび電荷制御の機能のうちの１つ以上を実行するよう設計または構成された調整電子回路をさらに備えるデバイス。
【請求項７６】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーは、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ポリウレタン、ＰＶＤＦを含む共重合体、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択されるデバイス。
【請求項７７】
請求項１に記載のデバイスであって、
前記１つの表面を前記１つの表面と接触する前記流体の成分から保護するよう設計または構成される絶縁バリア
をさらに備えるデバイス。
【請求項７８】
請求項１に記載のデバイスであって、
前記１つ以上のトランスデューサに固定するよう設計または構成される１つ以上の支持構造
をさらに備えるデバイス。
【請求項７９】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーは、前記第１位置において弾性的に予歪みが与えられることによって、前記第１位置および第２位置の間の前記電気活性ポリマーの機械的応答を改善するデバイス。
【請求項８０】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーは、約１００ＭＰａ未満の弾性率を有するデバイス。
【請求項８１】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーは、前記第１位置および前記第２位置の間で少なくとも約１０パーセントの弾性領域歪みを有するデバイス。
【請求項８２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーは多層構造を備えるデバイス。
【請求項８３】
請求項５３に記載のデバイスであって、前記多層構造は、電気活性ポリマーの２つ以上のレイヤを備えるデバイス。
【請求項８４】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスはマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスであるデバイス。
【請求項８５】
請求項５５に記載のデバイスであって、前記ＭＥＭＳデバイスはシリコン基板上に製造されるデバイス。
【請求項８６】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは、ベローズポンプ、遠心ポンプ、ダイアフラムポンプ、ロータリーポンプ、ギアポンプまたはエアリフトポンプのうちの１つであるデバイス。
【請求項８７】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは、エアコンプレッサ、燃料ポンプ、オイルポンプ、水ポンプ、冷却ファン、排気ガス再循環ポンプ、タイヤポンプ、冷却ポンプまたは風防ワイパー流体ポンプのうちの１つであるデバイス。
【請求項８８】
請求項１を備える医用デバイス。
【請求項８９】
請求項８８に記載の医用デバイスであって、前記医用デバイスは宿主のためのものであるデバイス。
【請求項９０】
請求項８９に記載のデバイスであって、前記宿主は、人間または動物のうちの１つであるデバイス。
【請求項９１】
請求項８９に記載のデバイスであって、前記医用デバイスは、前記宿主内に埋め込み可能な、前記宿主によって着用され、または体外デバイスのうちの１つであるデバイス。
【請求項９２】
請求項８９に記載のデバイスであって、前記医用デバイスは、前記宿主の温度を制御するのに用いられる熱制御システムの一部であるデバイス。
【請求項９３】
請求項８８に記載の医用デバイスであって、前記医用デバイスは、心臓補助デバイス、肺補助デバイス、透析デバイス、血漿泳動デバイス、血液ポンプデバイス、薬剤送出デバイス、ＩＶデバイス、および医用呼吸器のうちの１つである医用デバイス。
【請求項９４】
請求項８８に記載の医用デバイスであって、前記流体は、空気、尿、血液、薬用成分、血漿、および食物混合物のうちの１つであるデバイス。
【請求項９５】
請求項５０に記載のデバイスであって、第１ステージは第２ステージの上にスタックされるデバイス。
【請求項９６】
請求項５０に記載のデバイスであって、第１ステージは第２ステージの中に配置されるデバイス。
【請求項９７】
請求項５０に記載のデバイスであって、第１ステージは第２ステージと直線状にアラインされるデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
【０００２】
本願は、Electroactive Polymer Devices For Moving Fluidと題されたPelrine, et al.による２００２年３月１８日に出願された同時係属中の米国特許仮出願第60/365,472号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００３】
本願は、Electroactive Polymer Thermal Electric Generatorsと題された２００１年２月２３日に出願された同時係属中の米国特許出願第09/792,431号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、ELECTROELASTOMERS AND THEIR USE FOR POWER GENERATIONと題されたQ. Pei et al.を発明者とする２０００年２月２３日に出願された米国特許仮出願第60/184,217号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願はまた、ARTIFICIAL MUSCLE GENERATORと題されたJ. S. Eckerle et al.を発明者とする２０００年３月１７日に出願された米国特許仮出願第60/190,713号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００４】
本願は、Rolled Electroactive Polymersと題された２００２年５月２１日に出願された同時係属中の米国特許出願第10/154,449号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、２００１年５月２２日に出願された米国特許仮出願第60/293,003号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００５】
本願は、Variable Stiffness Electroactive Polymer Systemsと題された２００２年１月１６日に出願された同時係属中の米国特許出願第10/553,511号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、２００１年５月２２日に出願された米国特許仮出願第60/293,005号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Enhanced Multifunctional Footwearと題された米国特許仮出願第60/327,846号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００６】
本願は、Improved Electroactive Polymersと題された２０００年７月２０日に出願された同時係属中の米国特許出願第09/619,847号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、High-speed Electrically Actuated Polymers and Method of Useと題されたR. E. Pelrine et al.を発明者とする１９９９年７月２０日に出願された米国特許仮出願第60/144,556号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Electrostrictive Polymers As Microactuatorsと題されたR. E. Pelrine et al.を発明者とする１９９９年９月１０日に出願された米国特許仮出願第60/153,329号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Artificial Muscle Microactuatorsと題されたR. E. Pelrine et al.を発明者とする１９９９年１０月２５日に出願された米国特許仮出願第60/161,325号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Field Actuated Elastomeric Polymersと題されたR. D. Kornbluh et al.を発明者とする２０００年２月９日に出願された米国特許仮出願第60/181,404号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Polymer Actuators and Materialsと題されたR. E. Pelrine et al.を発明者とする２０００年３月８日に出願された米国特許仮出願第60/187,809号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Polymer Actuators and Materials IIと題されたR. D. Kornbluh et al.を発明者とする２０００年３月２７日に出願された米国特許仮出願第60/192,237号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記出願は、Electroelastomers and their use for Power Generationと題されたR. E. Pelrine et al.を発明者とする２０００年２月２３日に出願された米国特許仮出願第60/184,217号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００７】
本願は、Electroactive Polymer Sensorsと題された２００１年１２月６日に出願された同時係属中の米国特許出願第10/007,705号の部分継続出願であり、この出願は、２００１年５月２２日に出願された米国特許仮出願第60/293,004号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用され、前記本願は、２０００年４月５日に出願された米国特許仮出願第60/194,817号から優先権を主張し、これら全ての出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００８】
本願は、Devices and Methods for Controlling Fluid Flow Using Elastic Sheet Deflectionと題された２００２年１月３１日に出願された同時係属中の米国特許出願第10/066,407号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００９】
本願は、Monolithic Electroactive Polymersと題された２００１年２月７日に出願された同時係属中の米国特許出願第09/779,203号の部分継続出願であり優先権を主張し、この出願は、米国特許仮出願第60/181,404号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、この出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００１０】
本願は、Heim, et al.によるElectroactive Polymer Rotary Motorsと題された２００２年２月２８日に出願された同時係属中の米国特許出願第10/090,430号の部分継続出願であり、この出願は、Electroactive Polymer Motorsと題された２００１年３月２日に出願された米国特許仮出願第60/273,108号の優先権を35 U.S.C. §119(e)の下で主張し、これら出願は全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００１１】
本願は、Electroactive Polymer Devices for Controlling Fluid Flowと題されたHeimらによる２００３年３月５日に出願された同時係属中の米国特許出願第１０／  号に関連し、その全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００１２】
本発明は、電気エネルギーおよび機械エネルギー間で変換する電気活性ポリマーデバイスに大きくは関する。より具体的には、本発明は、１つ以上の電気活性ポリマートランスデューサを備えるポンプ装置に関する。
【背景技術】
【００１３】
流体システムは広く存在する。自動車産業、配管産業、化学プロセス産業、コンピュータ産業、冷凍／冷却産業、家庭器具産業、および航空宇宙産業は、流体システムが非常に重要ないくつかの例である。たいていの流体システムにおいて、流体システム中の流体について熱力学的仕事を実行することがしばしば望まれる。ポンプまたはファンの場合におけるような熱力学的仕事は、流体システム内の流体をある位置から、流体システム内の別の位置へ移動させるのに必要なエネルギーを提供するのに用いられえる。他の例として、熱力学的仕事は、冷凍システム内の流体を気相から液体へ圧縮すること、または自動車のエンジンの中のように燃焼システム内の流体を燃焼前に圧縮することのように、流体を所望の熱力学的状態に置くために用いられえる。さらに他の例として、熱力学的仕事は、油圧リフトまたは油圧制御システムのようなエネルギーの転換の手段としてエネルギー流体に対して実行されえる。
【００１４】
一般に、ポンプ、ファンおよび圧縮器は、家庭用および産業用の両方の広い範囲の応用例を有する。例として、ポンプ、ファンおよび／または圧縮機は、冷却システム（例えばエアコン、冷凍）において冷媒を循環させ、廃熱を除去すること、洗浄機器および自動皿洗い機で水を吐出させること、コンピュータ産業で熱源（例えばＣＰＵ）からの廃熱を除去すること、空気圧システムのために空気を加圧すること、灌漑のために水を運ぶこと、パイプライン内で油およびガスを輸送すること、および化学プロセスプラント内のさまざまなユニット動作間で流体を動かすことのために用いられる。ポンプおよび圧縮機はまた、例えば透析のため、または外科的治療のあいだに血液を循環させるために医用応用例で広く用いられる。
【００１５】
ポンプ、ファンおよび圧縮機は、熱力学的仕事を流体に行うために何世紀も存在してきている。従来のポンプおよび圧縮機は、電気モータでのピストン駆動が主であり、これら従来の装置は、重く（かさばり）、雑音を出し、低速では非効率（または高速をステップダウンするためにギアボックスを必要とする）であり、機械的に複雑で高価でありえる。電気モータは、一般に５０〜５００Ｈｚの範囲で動作するように設計される。これらのモータは、ふつう可聴範囲で動作し、適切なポンプまたは圧縮機の周波数にギアダウン（コスト、重量、非効率さ、および複雑さが伴う）される必要がある。多くの応用例について、より軽量で、より高出力で、かつ効率よく、より静粛で、かつ低コストなポンプ、ファン、圧縮機、および油圧装置の要求がある。
【００１６】
電気エネルギーを機械エネルギーに、またはその逆に変換できる新しいハイパフォーマンスポリマーがさまざまなエネルギー変換応用例について今や利用可能である。これらポリマーの一つの種類である電気活性エラストマー（誘電体エラストマー、電気エラストマー、またはＥＰＡＭとも呼ばれる）がますます注目されてきている。電気活性エラストマーは、高エネルギー密度、応力、および電気機械結合効率を示しえる。これらポリマーのパフォーマンスは、ポリマーが面積で予め歪みを与えられる（prestrained in area）とき顕著によくなる。例えば、面積が１０倍から２５倍に増加すると多くの電気活性エラストマーのパフォーマンスは改善する。これら材料を用いて作られたアクチュエータおよびトランスデューサは、流体システム中の流体に熱力学的仕事を実行するのに用いられる従来の技術に比較すると、大幅に安く、軽く、より広い動作範囲を有しえる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
よって流体システム中の流体に熱力学的仕事を実行するのに用いられる装置においてこれら高パフォーマンスポリマーを実現する改良された技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、ポンプ、圧縮機およびファンのような熱力学的仕事を流体に行うデバイスを記述する。熱力学的仕事は、流体を動かす駆動力を提供するのに用いられえる。流体になされた仕事は、油圧駆動デバイス内のピストンのような他のデバイスに伝達されえる。このデバイスは、電界の印加に応答して撓む電気活性ポリマーを持つ１つ以上の電気活性ポリマートランスデューサを含みえる。電気活性ポリマーは流体と接触しえ、ここで電気活性ポリマーの撓みは熱力学的仕事を流体に行うのに用いられえる。本デバイスは、人間の可聴範囲より上、または下の音響信号を作る動作条件のような複数の動作条件において効率的に動作するよう設計されえる。本デバイスは、冷凍システム、冷却システムおよびヒーティングシステムのような熱制御システム内で使用されえる。
【００１９】
本発明のある局面は、熱力学的仕事を流体に行うデバイスを提供する。このデバイスは以下のものを備えるとして大きくは特徴付けられえる。すなわちｉ）１つ以上のトランスデューサであって、それぞれのトランスデューサは少なくとも２つの電極、および前記少なくとも２つの電極に電気的に接続する電気活性ポリマーを備え、前記電気活性ポリマーの一部は、電界の変化に応答して第１位置から第２位置に撓むように構成される、１つ以上のトランスデューサ、流体に接触し、前記１つ以上のトランスデューサに動作可能に結合された少なくとも１つの表面であって、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記熱力学的仕事が前記流体に行われるようにし、前記熱力学的仕事は前記流体に前記１つの表面を介して伝達される少なくとも１つの表面である。電気活性ポリマーの一部分の撓みは、１つの表面について回転運動、直線運動、振動運動、またはそれらの組み合わせのうちの１つを発生しえる。熱力学的仕事は、流体を第１位置から第２位置へ移動させる駆動力を提供しえる。
【００２０】
デバイスは、ポンプ、圧縮機、油圧アクチュエータおよびファンのうちの１つでありえる。特にデバイスは、空気圧縮機、ベローズポンプ、燃料ポンプおよび遠心ポンプのうちの１つでありえる。デバイスは、冷凍システムのためのポンプまたは圧縮機のうちの１つである。
【００２１】
デバイスは、換気システム内で用いられるファンでありえ、流体は空気である。デバイスは、第２デバイス中の１つ以上の位置における温度を制御する熱制御システム内で用いられえる。例として、第２デバイスはコンピュータであり、位置群のうちの１つはコンピュータのためのマイクロプロセッサの近傍である。前記流体は、熱エネルギーを第１位置から、前記第２デバイス中の第２位置へ伝導するのに用いられえる。特定の実施形態において、前記流体の少なくとも一部は、液相である。
【００２２】
特定の実施形態において、デバイスは、前記流体を受け取るチャンバであって、前記チャンバの境界表面は、前記１つの表面を含むチャンバをさらに備えうる。前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記チャンバの容積の変化を引き起こす。前記チャンバ内の前記容積の前記変化は、前記流体を圧縮し、前記流体を膨張させ、前記チャンバ内に流体を引き込み、または前記チャンバから流体を追い出しえる。前記チャンバ内の前記容積の前記変化は、液体から気体へ、または気体から液体へのような、前記流体の少なくとも一部における熱力学的相変化を引き起こしえる。
【００２３】
他の実施形態において、前記チャンバは、ブラッダまたはベローズのうちの１つから形成されえる。前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記ブラッダまたはベローズを押して、前記ブラッダまたはベローズの容積を減少させえる。前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記ブラッダまたはベローズを伸ばして、前記ブラッダまたはベローズの容積を増加させえる。さらに他の実施形態において、前記チャンバはシリンダおよびピストンから形成され、前記１つの表面は、ピストンヘッドの一部でありえる。
【００２４】
他の実施形態において、デバイスは、ファンブレードをさらに備え、前記１つの表面は前記ファンブレードの表面の一部でありえる。前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記ファンブレードを回転させえる。前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、１）前記ファンブレードの形状が前記ファンブレードの空気力学的パフォーマンスを変えるようにしえ、２）前記ファンブレードのピッチが変化するようにしえ、３）前記ファンブレードの空気弾性特性または空気音響特性のうちの１つにおける変化を引き起こしえる。前記ファンブレードは、ファン、ポンプまたは圧縮機内の要素でありえる。
【００２５】
前記デバイスは、前記流体が前記デバイスを通って移動することを可能にするフローパスの少なくとも一部を提供するのに用いられる１つ以上の流体導管、および前記フローパスを通る前記流体のフローレート、フロー方向、およびそれらの組み合わせのうちの１つを制御する１つ以上のバルブをさらに備えうる。前記１つ以上のバルブはチェックバルブでありえる。前記デバイスは、前記流体に熱エネルギーを与えたり、取り除いたりする熱交換機をさらに備えうる。特定の実施形態において、前記電気活性ポリマーの１つ以上の部分は、前記熱交換機として振る舞いえる。
【００２６】
他の実施形態において、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記１つの表面内に波状運動を誘起し、前記波状運動は前記熱力学的仕事を前記流体に行いえる。前記デバイスは、流体導管をさらに備え、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記流体導管内に蠕動運動を発生することによって、前記流体を前記流体導管を通して移動させえ、または前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記流体導管内に蠕動運動を発生することによって、前記流体導管内の前記流体を前記導管を通して移動させえる。前記流体導管の一部は、ＥＰＡＭロールトランスデューサから構成されえる。
【００２７】
他の実施形態において、本デバイスは、強制戻りメカニズムであって、前記強制戻りメカニズムは、前記電気活性ポリマーの前記部分が前記第２位置から前記第１位置へ戻る力の少なくとも一部を提供する強制戻りメカニズムをさらに備えうる。前記強制戻りメカニズムはバネでありえる。前記デバイスは、前記電気活性ポリマーの前記部分の撓みの方向にバイアスするバイアスメカニズムをさらに備えうる。前記バイアスメカニズムは、バネ、または挿入のうちの１つでありえる。デバイスは、前記流体中の圧力から発生された油圧力を受け取る出力軸をさらに備え、前記電気活性ポリマーの前記部分の撓みは、前記流体内の前記圧力を増加させ、前記出力軸を動かす油圧力を提供する。
【００２８】
さらに他の実施形態において、前記デバイスは、多段ポンプまたは多段圧縮機のうちの１つの中のステージでありえる。前記デバイスの動作によって発生される音響信号が人間の可聴領域より上、または下でありえる。さらに、前記電気活性ポリマーの前記部分が撓む動作周波数は、人間の可聴領域よりも上、または下である。例えば、前記動作周波数は３０Ｈｚ未満でありえる。
【００２９】
前記デバイスは、前記１つ以上のトランスデューサおよび前記１つの表面を収める筐体をさらに備えうる。前記筐体の高さの二乗を前記筐体のフットプリント面積で割ったものとして定義される平坦さのパラメータが実質的に１より小さくありえる。特に前記平坦さのパラメータは約０．１よりも小さくありえる。あるいは前記平坦さのパラメータは約０．０５よりも小さくありえる。さらに前記平坦さのパラメータは約０．０１よりも小さくありえる。
【００３０】
特定の実施形態において、前記デバイスは、複数の開口を持つクランププレートをさらに備え、前記電気活性ポリマーは、前記複数の開口の中へ撓むよう設計された電気活性ポリマーフィルムでありえる。さらに、前記デバイスは、前記クランププレートにマウントされ、前記クランププレートおよび前記下部チャンバ間の前記フィルムを固定するよう設計された下部チャンバをさらに備えうる。前記流体を受け取るポンプチャンバは、前記下部チャンバの表面の部分および前記フィルムの表面の部分によって形成されえる。前記下部チャンバは、前記流体を前記ポンプチャンバに導き、前記流体を前記ポンプチャンバから遠ざけるように導く１つ以上の流体導管をさらに備えうる。
【００３１】
特定の実施形態において、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記１つの表面を第１形状から第２形状に変化させえる。例えば、前記１つの表面は、風船状形状、半球形状、円筒形状、または半円筒形状のうちの１つを形成するように膨張しえる。前記１つの表面は、前記１つ以上のトランスデューサに機械的リンケージを介して動作可能に結合されえる。さらに前記１つの表面は、前記電気活性ポリマーの前記部分の外側表面でありえる。
【００３２】
前記流体は、圧縮性、非圧縮性、またはそれらの組み合わせのうちの１つでありえる。
前記流体は、同質または異質のうちの１つでありえる。さらに前記流体は、ニュートンまたは非ニュートン流体として振る舞いえる。前記流体は、混合物、スラリー、懸濁液、２つ以上の不混和性液体の混合物、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択されえる。前記流体は、液体、気体、プラズマ、固体、相変化、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択される状態にある１つ以上の成分を含みえる。
【００３３】
他の実施形態において、前記電気活性ポリマーは、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ポリウレタン、ＰＶＤＦを含む共重合体、およびそれらの組み合わせからなるグループから選択されえる。前記デバイスは、前記１つの表面を前記１つの表面と接触する前記流体の成分から保護するよう設計または構成される絶縁バリアと共に、前記１つ以上のトランスデューサに固定するよう設計または構成される１つ以上の支持構造
をさらに備えうる。前記電気活性ポリマーは、前記第１位置において弾性的に予歪みが与えられることによって、前記第１位置および第２位置の間の前記電気活性ポリマーの機械的応答を改善しえる。前記電気活性ポリマーは、約１００ＭＰａ未満の弾性率を有しえ、前記第１位置および前記第２位置の間で少なくとも約１０パーセントの弾性領域歪みを有しえる。
【００３４】
ポリマーは多層構造を備え、前記多層構造は、電気活性ポリマーの２つ以上のレイヤを備える。前記デバイスは半導体基板上に製造されえる。
【００３５】
本発明のこれらおよび他の特徴および優位性は、以下の本発明の説明および関連する図面において記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明は、添付の図面に図示されるいくつかの好ましい実施形態を参照して詳細に記載される。以下の記載においては多くの特定の詳細が述べられるが、これは本発明の完全な理解を促すためである。しかし当業者には明らかなように、本発明は、これら具体的な詳細の一部または全てがなくても実施できる。あるいは既知のプロセスステップおよび／または構造は本発明の趣旨を不必要にぼかさないために詳細には記載されていない。
【００３７】
１．電気活性ポリマー
【００３８】
セクション１では、流体に熱力学的仕事を実行する本発明の電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）フロー制御デバイスを記載する前に、電気活性ポリマーの構成および動作の基本原理が図１Ａおよび図１Ｂを参照してまず説明される。セクション２では、ポンプ、圧縮機、ファンおよび油圧シリンダ（hydraulic cylinders）のようなＥＰＡＭトランスデューサを持つデバイスおよびシステムの実施形態およびそれらの動作が図２Ａ〜２Ｋおよび３Ａ〜３Ｊを参照して記載される。セクション３において、本発明のＥＰＡＭトランスデューサの実施形態が図４Ａ〜４Ｎを参照して記載される。セクション４において、検出応用例が記載される。セクション５において、本発明の調整電子回路が図５Ａおよび５Ｂについて記載される。セクション６において生物学的応用例、自動車への応用例および印刷への応用例のようないくつかの応用例が記載される。
【００３９】
本発明のデバイスにおける電気および機械エネルギー間の変換は、電気活性ポリマーの１つ以上の活性領域のエネルギー変換に基づく。電気活性ポリマーは、機械エネルギーおよび電気エネルギーの間で変換できる。場合によっては、電気活性ポリマーは、変化する機械的歪みによって電気的特性（例えばキャパシタンスおよび抵抗）を変化させることができる。
【００４０】
電気エネルギーおよび機械エネルギーの間の変換における電気活性ポリマーのパフォーマンスを示すのを助けるため、図１Ａは、本発明のある実施形態によるトランスデューサ部１０の上透視図である。トランスデューサ部１０は、電気エネルギーおよび機械エネルギー間の変換を行う電気活性ポリマー１２の部分を含む。ある実施形態において、電気活性ポリマーとは、２つの電極間の絶縁誘電体として機能し、２つの電極間の電圧差の印加に応じて撓みえるポリマー（「誘電体エラストマー」）を指す。上部および下部電極１４および１６は、それぞれ電気活性ポリマー１２にその上部および下部表面上で取り付けられ、ポリマー１２にわたり電圧差を提供するか、またはポリマー１２から電気エネルギーを受け取る。ポリマー１２は、上部および下部電極１４および１６によって提供される電界の変化で撓みえる。電極１４および１６によって提供される電界の変化に応じたトランスデューサ部１０の撓み（deflection）は、「駆動」（actuation）と呼ばれる。駆動は典型的には電気エネルギーの機械エネルギーへの変換を伴う。ポリマー１２がサイズの点で変化すると、撓みは機械的仕事を作りだすのに用いられえる。
【００４１】
特定の理論に縛られたいわけではないが、ある実施形態においてはポリマー１２は、電わい的に振る舞うと考えられえる。電わい（electrostrictive）という語は、電界の二乗に対する材料の応力（stress）および歪み（strain）応答を記述するために一般的な意味でここでは用いられる。この語は、しばしば電界によって誘導された分子内力から起きる電界中の材料の歪み応答を指すのに専ら用いられるが、ここではこの語はもっと一般に電界の二乗に対する応答を起こす他のメカニズムを指す。電わいは、応答が電界に比例するのではなく、電界の二乗に比例するという点で圧電的振る舞いとは区別される。伸展性電極を持つポリマーの電わいは、電極上の自由電荷間で発生する静電力（「マクスウェル応力」と呼ばれることもある）から生じえ、電界の二乗に比例する。この場合の実際の歪み応答は、ポリマーの内部および外部力に依存してかなり複雑でありえるが、この静電圧力および応力は電界の二乗に比例する。
図１Ｂは、撓みを含むトランスデューサ部１０の上透視図である。一般に撓みとは、任意の変位、伸長、収縮、ねじれ、直線または面歪み、またはポリマー１２の一部の任意の他の変形を言う。駆動のために電極１４および１６に印加された、または電極によって印加された電位差に対応する電界の変化は、ポリマー１２内に機械的圧力を作る。この場合、電極１４および１６によって作られた異極の電荷は、互いに引きつけられ、電極１４および１６の間に圧縮力を提供し、ポリマー１２上に平面方向１８および２０に伸長力を提供し、ポリマー１２が電極１４および１６間で圧縮し、平面方向１８および２０で伸長するように作用する。
【００４２】
電極１４および１６は伸展性があり、ポリマー１２と共に形状を変化させる。ポリマー１２および電極１４および１６の構成は、歪みに対するポリマー１２の応答を増すよう働く。より具体的にはトランスデューサ部１０が撓むと、ポリマー１２の圧縮は、電極１４および１６の反対の電荷をより近くし、ポリマー１２の伸長は、それぞれの電極における同じ電荷を分離する。ある実施形態において、電極１４および１６のうちの一つはグラウンドに接続される。駆動のため、トランスデューサ部１０は、機械的応力が、撓みを駆動する静電力とバランスするまで一般に撓み続ける。機械的応力には、ポリマー１２材料の弾性回復力、電極１４および１６のコンプライアンス、およびトランスデューサ部１０に結合されたデバイスおよび／または負荷によって提供される任意の外部抵抗が含まれる。印加された電圧の結果としてのトランスデューサ部１０の撓みは、ポリマー１２の誘電体定数およびポリマー１２のサイズのような多くの他のファクタにも依存する。
【００４３】
本発明による電気活性ポリマーは、任意の方向に撓むことが可能である。電極１４および１６間に電圧を印加した後、電気活性ポリマー１２は、平面方向１８および２０の両方においてサイズが増す。場合によっては電気活性ポリマー１２は非圧縮性であり、例えば応力の下で実質的に一定体積を有する。この場合、ポリマー１２は、平面方向１８および２０における膨張の結果、厚さが減る。本発明は、非圧縮性ポリマーに限定されず、ポリマー１２の撓みはそのような単純な関係に従わないかもしれない。
【００４４】
比較的大きな電圧差を図１Ａに示されるトランスデューサ１０の電極１４および１６間に印加することによって、トランスデューサ部１０は図１Ｂに示されるようにより薄く、大きな面積の形状に変化させられる。このようにしてトランスデューサ部１０は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。トランスデューサ部１０はまた、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するのにも用いられえる。
【００４５】
駆動するにはトランスデューサ部１０は、機械的力が撓みを駆動する静電力と釣り合いがとれるまで一般に撓み続ける。機械的力には、ポリマー１２材料の弾性回復力、電極１４および１６のコンプライアンス、およびトランスデューサ部１０に結合されたデバイスおよび／または負荷によって提供される任意の外部抵抗が含まれる。印加された電圧の結果としてのトランスデューサ部１０の撓みは、ポリマー１２の誘電体定数およびポリマー１２のサイズのような多くの他のファクタにも依存する。
【００４６】
ある実施形態において電気活性ポリマー１２は予歪みが与えられる（pre-strained）。ポリマーの予歪みは、１つ以上の方向における、予歪みの前のある方向における寸法に対する予歪み後のその方向における寸法の変化として記述されえる。予歪みは、ポリマー１２の弾性変形を含みえ、例えばポリマーを張力下で伸長し、伸長させながらも１つ以上のエッジを固定することによって形成されえる。以下に詳述されるようにあるいは、スプリングのようなメカニズムが電気活性ポリマーの異なる部分に結合されえ、ポリマーの部分に歪みを与える力を提供しえる。多くのポリマーについて、予歪みは電気および機械エネルギー間の変換を改善する。改善された機械応答は、電気活性ポリマーについてのより大きな機械的仕事、例えばより大きな撓みおよび駆動圧力を可能にする。ある実施形態において予歪みは、ポリマーの誘電体強度を改善する。他の実施形態においては予歪みは弾性的である。駆動の後、弾性的に予歪みが与えられたポリマーは原理的には固定されず、その元の状態に戻る。
【００４７】
ある実施形態において、予歪みは、等方性予歪みポリマーを作るためにポリマー１２の部分にわたって均一に加えられる。例として、アクリル弾性ポリマーは、２００から４００パーセントだけ両方の方向において伸長されえる。他の実施形態において予歪みは、異方性予歪みポリマーを作るために、不均一に、ポリマー１２の部分について異なる方向で与えられる。この場合、ポリマー１２は駆動されると、ある方向においては他の方向よりもより大きく撓みえる。理論に縛られたいのではないが、ポリマーにある方向で予歪みを与えることは、予歪み方向においてポリマーの剛性を増しえる。これに対応しポリマーは、高予歪み方向において比較的、剛性が高く、低予歪み方向においてはよりコンプライアンスが高く、駆動されると、低予歪み方向においてより大きい撓みが発生する。ある実施形態において、トランスデューサ部１０の方向１８の撓みは、垂直な方向２０における大きな予歪みを利用することによって向上されえる。例えばトランスデューサ部１０として用いられるアクリル弾性的ポリマーは、方向１８において１０％だけ伸長されえ、方向２０においては５００％だけ伸長されえる。ポリマーの予歪みの量は、ポリマー材料、およびある応用例でのポリマーの所望のパフォーマンスに依存しえる。本発明と共に用いるのに適した予歪みは、共通して所有された、同時係属中の米国特許出願第０９／６１９，８４８号にさらに記載され、全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００４８】
一般にポリマーに予歪みが与えられた後、それは１つ以上の物体または機構に固定されえる。剛性のある物体については、その物体は好ましくは適当に剛性があり、ポリマーに所望の予歪みのレベルを維持する。ポリマーを歪ませるための力を提供するスプリングまたは他の適切な機構が、ポリマーにおいてそのスプリングまたは機構に取り付けされる前の以前に確立された任意の予歪みに加えられえるか、またはポリマー中の予歪みの全てについて原因となりえる。化学的接着、接着層または材料、機械的固定などのようなこの技術で知られる任意の従来の方法によって、ポリマーは１つ以上の物体または機構に固定されえる。
【００４９】
本発明のトランスデューサおよび予歪みが与えられたポリマーは、特定の巻き取られた幾何学的構成または撓みのタイプに限定されない。例えば、ポリマーおよび電極は、円筒および多層巻き取り円筒、複数の堅い構造物間に取り付けられた巻かれたポリマー、曲面または複雑な幾何学的構成を含む任意の幾何学的構成のフレームにわたって取り付けられた巻かれたポリマーなどを含む任意の幾何学的構成および形状に形成されえる。同様の構造は、平坦なシートのポリマーと共に用いられえる。本発明によるトランスデューサの撓みは、１つ以上の方向における直線的膨張または圧縮、屈曲、ポリマーが巻かれているときは軸方向撓み、ポリマーの周りの外側円筒上に設けられた穴から出る撓みなどを含む。トランスデューサの撓みは、ポリマーが、そのポリマーに取り付けられたフレームまたは堅い構造によってどの程度制約を受けるかによって影響を受ける。
【００５０】
本発明の電気活性ポリマーとして用いられるのに適した材料には、静電力に応答して変形する、またはその変形が電界の変化につながる任意の実質的に絶縁性のポリマーまたはラバー（またはそれらの組み合わせ）が含まれる。ある適切な材料は、カリフォルニア州、CarpenteriaのNuSil Technologyによって提供されるNuSil CF19-2186である。予歪みが与えられたポリマーとして用いられるのに適する他の例示的材料には、シリコーンエラストマー、ミネソタ州、St. Paulの3M Corporationによって製造されるアクリルエラストマーのようなアクリルエラストマー、熱可塑性エラストマー、ＰＶＤＦを含む共重合体、圧力に敏感な接着材料、フッ化エラストマー、シリコーンおよびアクリル成分を含むポリマーなどが含まれる。シリコーンおよびアクリル成分を含むポリマーには、シリコーンおよびアクリル成分を含む共重合体、シリコーンエラストマーおよびアクリルエラストマーを含むポリマー混合物などが含まれる。これら材料のいくつかの組み合わせも本発明のトランスデューサ中の電気活性ポリマーとして用いられえる。
【００５１】
電気活性ポリマーとして用いられる材料は、高電気絶縁破壊強度、低弾性率（大きいまたは小さい変形について）、高誘電率などの１つ以上の材料特性に基づいて選択されえる。ある実施形態においては、多くても約１００ＭＰａの弾性率を有するようにポリマーは選択される。他の実施形態においてポリマーは、それが約０．０５ＭＰａおよび約１０ＭＰａの間の、好ましくは約０．３ＭＰａおよび約３ＭＰａの間の最大駆動圧力を有するように選択される。他の実施形態においてポリマーは、それが約２および約２０の間の、好ましくは約２．５および約１２の間の誘電率を有するように選択される。本発明は、これら範囲に限定されない。理想的には、もしその材料が高誘電率および高誘電体強度の両方を有するなら、上に与えられた範囲より高い誘電率を持つ材料が望ましい。
【００５２】
本発明のトランスデューサの電気活性ポリマーレイヤは、広い範囲の厚みを持ちえる。ある実施形態において、ポリマーの厚さは、約１マイクロメートルおよび２ミリメートルの間の範囲にある。ポリマー厚さは、１つまたは両方の平面方向においてフィルムを伸長することによって小さくされえる。多くの場合、本発明の電気活性ポリマーは、薄膜として製造および実現される。これら薄膜に適した厚さは、５０マイクロメートル未満でありえる。
【００５３】
本発明の電気活性ポリマーは高い歪みにおいて撓みえるので、ポリマーに取り付けられた電極も機械的または電気的パフォーマンスで妥協することなく撓む必要がある。一般に本発明と共に用いるのに適する電極は、それらが適切な電圧を電気活性ポリマーに印加し、または適切な電圧をそれから受け取ることができる任意の形状および材料でありえる。電圧は、一定または時間とともに可変のいずれでもありえる。ある実施形態において、電極はポリマーの表面に接着する。ポリマーに接着する電極は、好ましくはコンプライアンスがあり、ポリマーの形状変化に追従する。対応して、本発明は、それらが取り付けられた電気活性ポリマーの形状に適合するコンプライアンスを持つ電極を含みえる。電極は、電気活性ポリマーの一部分だけに適用されえ、その幾何学的形状によってアクティブ領域を定義しえる。電気活性ポリマーの一部だけを覆う電極のいくつかの例は、以下に詳述される。
【００５４】
本発明と共に用いるのに適するさまざまなタイプの電極は、共有された同時係属中の米国特許出願第０９／６１９，８４８号に記載され、上ですでに参照によって援用された。そこで記載された本発明とともに用いるのに適した電極には、金属トレースおよび電荷分配レイヤを含む構造化電極、さまざまな平面外寸法を含む模様付き電極、カーボングリースまたはシルバーグリースのような導電グリース、コロイド懸濁液、カーボン微小繊維およびカーボンナノチューブのような高アスペクト比導電材料、およびイオン導電材料の混合物が含まれる。
【００５５】
本発明の電極に用いられる材料はさまざまである。電極として用いられる適切な材料には、グラファイト、カーボンブラック、コロイド懸濁液、銀および金を含む薄い金属、銀が満たされた、またはカーボンが満たされたゲルまたはポリマー、イオン的にまたは電子的に導電性を有するポリマーが含まれる。特定の実施形態において、本発明と共に用いられるのに適切な電極は、ペンシルバニア州のPhiladelphiaのStockwell Rubber Co. Inc.によって製造されるStockwell RTV60-CONのようなシリコーンラバーバインダ中の８０パーセントカーボングリースおよび２０パーセントカーボンブラックを含む。カーボングリースは、マサチューセッツ州のFairhavenのNye Lubricant Inc.によって提供されるNyoGel 756Gのようなタイプである。導電グリースはまた、ニューヨーク州、WaterfordのGeneral Electricによって製造されるRTV 118のようなエラストマーと混合され、ゲル状の導電グリースを提供しえる。
【００５６】
ある種の電極材料は特定のポリマーとうまく働き、他のものとはうまく働かないということもありえることが理解されよう。例として、カーボン微小繊維は、アクリルエラストマーポリマーとはうまく働くが、シリコーンポリマーとはうまく働かない。たいていのトランスデューサについて、コンプライアンスを有する電極について望ましい特性は、以下のうちの１つ以上を含みえる。すなわち低弾性率、低機械的減衰、低表面抵抗、均一な抵抗、化学的および環境的安定性、電気活性ポリマーとの化学的適合性、電気活性ポリマーへの良好な接着性、および滑らかな表面を形成できる性能である。場合によっては、本発明のトランスデューサは、例えばそれぞれのアクティブ領域についての異なる電極タイプ、またはポリマーの反対側上の異なる電極タイプのような２つの異なるタイプの電極を利用しえる。
【００５７】
２．流体上に熱力学的仕事を施すＥＰＡＭデバイス
【００５８】
本発明は、ポンプ、圧縮機、およびファン（図２Ａ〜３Ｊを参照）のような流体上に熱力学的仕事（thermodynamic work）を施すデバイスを記述する。熱力学的仕事は、流体を移動させる駆動力を提供するために用いられえる。流体に施される仕事は、油圧駆動デバイス（hydraulic actuation device）中のピストン（図３Ｃおよび３Ｄ）のような他のデバイスへ伝達されえる。このデバイスは、電界の印加に応答して撓む電気活性ポリマー（例えば図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｍ）を持つ１つ以上の電気活性ポリマートランスデューサを含みえる。電気活性ポリマーは、電気活性ポリマーの撓みが流体に熱力学的仕事を行うために用いられえる場所で流体と接触しえる。デバイスは、人間の可聴領域より上または下の音響信号を作る動作条件のような、複数の動作条件において効率的に動作するように設計されえる。本デバイスは、冷凍システム、冷却システムおよび加熱システムのような熱制御システム内（例えば図２Ａ〜２Ｄおよび２Ｉを参照）で用いられえる。
【００５９】
本発明において、流体上に熱力学的仕事を提供するＥＰＡＭデバイスが記述される。熱力学の法則は、系およびその周囲の間でのやりとりを扱う。ある定義では、熱力学的仕事は、もし、その系が元々のプロセスと同じ一連の状態を通るが、外界における唯一の影響が重量の上昇である、なんらかの他のプロセスが見つけられるならその外界に対して系によってなされると言える。例えば、系と考えられる蓄電池は電球を光らせるために放電されえる。もし電球が、非常に大きい導体および重りをぶらさげた糸が巻かれるプーリを有する電気モータと置き換えられたなら、蓄電池は、重りの上昇以外には、同じ一連の状態を通って正味の外界での効果を持たない。よって蓄電池は、元々のプロセスにおいて熱力学的仕事をすると言える。系がその外界に対して仕事をするとき、外界は系から同じ量の仕事を受け取る。系による熱力学的仕事の詳細、および流体システムにおける特定の熱力学的仕事は、Shapiroによる1953, John Wiley and Sons, ISBN 047106691-5である「The Dynamics and Thermodynamics of compressible fluid flow」に記載され、その全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００６０】
本発明において、流体に熱力学的仕事をするＥＰＡＭトランスデューサを持つＥＰＡＭデバイスの実施形態が記載される。本発明の流体は、液体、気体、プラズマ、相変化、固体またはこれらの組み合わせの状態にある材料を含みえる。流体は、非ニュートン流体またはニュートン流体として振る舞いえる。さらに流体は、同質または異質でありえる。また流体は、非圧縮性または圧縮性でありえる。本発明の流体の例は、以下に限定されないが、気体、プラズマ、液体、２つ以上の不混和性液体の混合物、超臨界流体、スラリー、懸濁液、およびこれらの組み合わせを含む。
【００６１】
図２Ａ〜２Ｄは、熱力学的仕事を流体に施す鞭毛状運動を用いる電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイスを示す。図２Ａにおいて、支持構造３０３に取り付けられた４つのＥＰＡＭトランスデューサを備えるリニア鞭毛ポンプが示される。ＥＰＡＭトランスデューサ３０２は、図４Ｍに示されるようにロールの形状にされえ、または図４Ｆおよび４Ｇに示されるようにフラットシートの形状にされえる。一般にＥＰＡＭトランスデューサの幾何学的形状は、その応用例に必要とされる任意の一般形状に合わせることができる。流体が流れの向きの矢印３０１によって示されるのとほぼ平行に移動するように、ＥＰＡＭトランスデューサ３０２は、支持構造からトランスデューサの末端へと波状の運動を行うよう制御されえる。人が手動の扇を使うやり方と同様に、屈曲要素（電極を持つ電気活性ポリマーに接着された非伸長性要素を備える単一形態構造のような）は、迅速に揺り動かされ空気フローを作る。波状の運動は、扇の自然周波数のうちの１つにおいて動作することによって増幅されえる。
【００６２】
流体は、ＥＰＡＭトランスデューサの駆動の前には滞留していてもよく、または流体は初期速度プロファイルを有していてもよい。ＥＰＡＭトランスデューサ群３０３は、独立に制御されえる。例えば、それぞれのトランスデューサ上での波状運動は一般に同じでもよく、異なっていてもよい。またトランスデューサは、時間によって変化するシーケンスで駆動されえる。例えば波状運動は、トランスデューサの第１ペア上で始められ、他の２つは非アクティブのまま留まり、その後、第１ペアのトランスデューサ上での運動が完了してからトランスデューサの他のペア上での波状運動が始まってもよい。トランスデューサは、同期して、または同期せずに動作しえる。ある実施形態において、もし支持構造３０３が固定されないなら、トランスデューサによって流体上になされる熱力学的仕事は、支持構造３０３を前進させるために用いられえ、トランスデューサは流体中を前に進む。
【００６３】
図２Ｂおよび２Ｃにおいて、ラジアル鞭毛ポンプの実施形態が示される。再び、４つのＥＰＡＭトランスデューサが支持構造に取り付けられる。ＥＰＡＭトランスデューサは、流体を支持構造の中心から半径方向に外側に動かすように制御されえる。例えばもし支持構造が熱源の上に位置するなら、ポンプ３０５によって発生される半径方向の運動は、加熱された流体を熱源から遠ざけるように移動させるために用いられえる。
【００６４】
ある実施形態において、支持構造３０３は、支持構造３０３が回転することを許す回転軸にマウントされえる。この実施形態においては、トランスデューサの運動は、支持構造３０３に角運動量を与えるように発生されえる。この場合、支持構造およびトランスデューサの全ては、流体３０１の方向の半径方向運動にほぼ垂直である方向に流体を動かすファンのように回転し始めえる。トランスデューサがファンブレードのように振る舞うとき、それらのピッチのようなそれらの形状は、それらの空気力学的効率を増すか、または減らすように制御されえる。ダイナミックＥＰＡＭファンブレードのさらなる詳細は、図２Ｈについて記載される。
【００６５】
図２Ｃにおいて、ＥＰＡＭトランスデューサ３０２は、４つのトランスデューサのほぼ中心である位置へ流体を半径方向に内側に導くよう構成される。例えば、４つのトランスデューサ間の位置は、パーソナルコンピュータのようなコンピュータシステムの筐体の通気口のようなシステムの通気口でありえる。他の実施形態において、４つのトランスデューサは熱的制御に用いられえ、４つのトランスデューサ間の位置は、暖かい流体が導かれる冷却スポットでありえる。
【００６６】
大きくは、本発明の熱力学的仕事を提供するＥＰＡＭデバイスは、熱制御システム中の要素として用いられえる。例えば、複数のＥＰＡＭデバイスが、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサのような中央コントローラに結線されえる。中央コントローラはまた、フローレートセンサおよび温度センサのような複数のセンサに接続されえる。ある実施形態において、ＥＰＡＭデバイスは、センサまたはセンシングシステム（セクション４を参照）として働きえる。中央コントローラは、温度センサおよびフローレートセンサをモニタし、ＥＰＡＭトランスデューサを制御することによってモニタされているシステム内の所定の温度分布を維持しえる。例えば、システムは、冷却または加熱プロセス中に熱的ストレスが物品内に蓄積することを防ぐために非常に均一な熱分布で冷却または加熱されることが必要である製造された物品でありえる。
【００６７】
図２Ｄにおいて、可変リニア鞭毛ポンプが示される。この実施形態において、トランスデューサのサイズは可変である。２つの中間トランスデューサは、２つの外側トランスデューサよりも長い。よって中間のフローレートは、外側よりも大きいことがありえる。しかしある実施形態において、この効果は、同じ形状のトランスデューサを、互いに対して単により速く、またはより遅く動かすか、または異なる運動パターンで動かすことによって達成されえる。トランスデューサ３０２は、冷却フィン３０７の隣に位置される。冷却フィンは、トランスデューサ３０２の運動によって冷却フィンを通って動かされる熱を流体から遠ざけるように導くのに用いられえる。冷却フィンおよびトランスデューサは、より大きな熱制御システムの一部でありえる。
【００６８】
ある実施形態において、トランスデューサ３０２は、熱を流体から遠ざけるように導くために、または熱を熱制御システムの一部として流体に加えるために用いられえる。例えば、トランスデューサは、熱を支持構造３０３に導くように設計されえる。支持構造３０３は、ヒートシンク、および熱を支持構造内のヒートシンクから除去する熱導管への接続を含みえる。ＥＰＡＭポリマーは、熱導体または熱絶縁体として用いられえる。よって、トランスデューサ中のＥＰＡＭポリマーの材料特性は、特定のシステムによって要求される材料の熱伝導性を増すか、または減らすように設計されえる。
【００６９】
ある実施形態において、１〜２０ｍｍの屈曲要素（すなわち鞭毛）を持つトランスデューサがマイクロチップ冷却に用いられえる。ＥＰＡＭトランスデューサは、大きな屈曲角が可能でありえる。例えばデバイスは、５〜１０ｍｍの範囲の２７０度より大きい屈曲を発生しえる。より大きな屈曲角は、マイクロチップ冷却のためのより大きな流体フローを可能にしえる。
【００７０】
１つ以上の屈曲ポリマーファン／ポンプを用いるマイクロチップ冷却は、多くの潜在的優位性を提供する。図２Ａ〜２Ｄに示されるように、屈曲ファンは、容易に多くの異なるやりかたで構成されえ、よってファンがマイクロチップの特定の冷却要件に最適化されることが可能である。ポリマー屈曲要素は、低速において効率的でありえ（電気モータとは異なる）、可聴周波数未満での動作が可能であり、ファンノイズを低減または除去できる。家庭エンターテイメントシステムのような環境のためには、低ノイズは優位性がある。屈曲要素はまた、電磁ベースのマイクロチップファンに見られるベアリングノイズおよびありえる故障をなくす。
【００７１】
図２Ｅ〜２Ｆは、熱力学的仕事を流体に行うベローズを持つ電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイスを示す。図２Ｅにおいて、ベローズポンプ３１０のある実施形態が示される。ＥＰＡＭトランスデューサ３０２は、支持物３１３、およびフロー導管を持つ支持構造３０３の間に接続される。支持物は、支持物３１３が支持構造とのリンケージポイントを軸にして動けるようにするリンケージによって支持構造３０３に取り付けられる。支持物および支持構造の間にはブラッダ（bladder）３１２がある。２つのフロー導管３１４は、ブラッダ３１２によって境界を区切られるチャンバに接続される。
【００７２】
電圧がＥＰＡＭトランスデューサ３０２に印加されるとき、トランスデューサは伸び、支持物３１３を押し上げ、バネのような強制戻りメカニズム３１１に反して動く。上に向かう動きは、ブラッダの容積を増し、それによって矢印によって示される方向に流体をブラッダ内に引き込む。流体は、ブラッダの容積の増加から生まれる吸引力を介してブラッダ内に引き込まれる。矢印によって示される方向に流体が流れることを確実にするためチェックバルブがフロー導管３１４内に含まれえる。トランスデューサから電圧が低減されたり、除去されたりするとき、トランスデューサ３０２は長さが減り、支持物を下向きに引く。支持物が下向きに引かれると、ブラッダ３１２は押され、流体はブラッダから追い出され、デバイス３１０の前から出る。ブラッダ３１２からでるフローレートは、トランスデューサ３０２への電圧が減少されるレートによって、および戻りメカニズム３１１から支持物に与えられる力によって制御されえる。
【００７３】
図２Ｆにおいて、ベローズポンプ３１５の第２実施形態が示される。ベローズポンプは、圧縮されるときアコーディオンのようなやりかたで折り畳むように設計されたブラッダ３１２を含む。ブラッダ３１２は、２つの支持板３０３の間にマウントされる。流体導管３１４は、支持板３０３のそれぞれを通る。流体導管３１４は、流体が矢印によって示される方向に流れるようにする２つのチェックバルブ３１６を含む。支持板３０３は、複数のＥＰＡＭトランスデューサ３０２を介して接続される。ブラッダ３１２は、コイルバネのような強制戻りメカニズム３１１によって囲まれる。
【００７４】
エネルギーがＥＰＡＭトランスデューサ３０２に与えられるとき、ＥＰＡＭトランスデューサ３０２は、長さが伸び、ブラッダ３１２は容積が増し、流体をブラッダ内に引き込み、コイルバネ３１１を伸ばす。ＥＰＡＭトランスデューサ３０２へのエネルギーが取り除かれ、または減少されると、ＥＰＡＭトランスデューサは収縮し、支持板は、コイルバネによって引きつけられ、ブラッダ３１２の容積を減少させ、ブラッダ３１２からフロー導管を介して流体を追い出す。強制戻りメカニズム（例えばバネ）は必要なく、ＥＰＡＭデバイス３１５は強制戻りメカニズムなしで機能しえる。例えば、伸長されるとき、トランスデューサ３０２内のＥＰＡＭポリマー内に発生される機械的力は、ＥＰＡＭポリマー上の電圧が除去または減少されるときに戻る力を提供しえる。トランスデューサ３０２はまた、ベローズを完全に取り囲む管状トランスデューサでありえる。管状トランスデューサは、より詳細に以下に記載される。ベローズポンプの他に本発明は、多くのタイプのポンプ設計において用いられえる。これらポンプ設計は、以下に限定されないが、遠心ポンプ、ダイアフラムポンプ、ロータリポンプ、ギアポンプ、およびエアリフトポンプを含む。
【００７５】
図２Ｇは、ＥＰＡＭトランスデューサによって駆動されるピストン、およびそのピストンシリンダの容積を制御するＥＰＡＭトランスデューサを持つ、熱力学的仕事を流体に行う電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイス３２０を示す。ピストン駆動ポンプ３２０は、流体の動きを矢印の方向に制限するチェックバルブ３１６を持つ２つの流体導管を含む。ピストン３１７は、シリンダ３１８内で上下に動く（３２２）ように設計される。ピストンが上に動くとき、シリンダおよびピストンによって形成されるポンプチャンバの容積は増加し、流体はポンプチャンバ内に引き込まれる。ピストンが下向きに動くとき、ポンプチャンバの容積は減少し、流体はチャンバから押し出される。
【００７６】
本発明のある実施形態において、ピストン３１７の上部表面は、ＥＰＡＭトランスデューサ３２３を含みえる。例えば、ピストンが円筒形であるとき、ＥＰＡＭトランスデューサ３２３は円筒ダイアフラムでありえる。ＥＰＡＭトランスデューサ３２３は、ポンプチャンバの容積を変化させるように撓みえる。ピストンを用いる従来のデバイスでは、ポンプチャンバの容積は、ピストンがそのストロークの最上部において最大になり、ピストンがそのストロークの最下部において最小になる。最大および最小間の容積と共に、最大および最小容積は、ピストンがシリンダ内でそのパスを移動するときにそれぞれの位置において決まる。本発明では、ＥＰＡＭトランスデューサ３２３は、シリンダ内のそのパス上をピストンが動くときに、ポンプチャンバの容積がそれぞれの位置において変化するように撓まされえる。
【００７７】
ＥＰＡＭトランスデューサ３２３を撓ませてポンプチャンバの容積を変化させることによって、デバイスによって押し出される流体の量のようなポンプデバイスの動作条件は、変化されえる。この効果は、ピストンが動作する速度を制御することによって達成されえる。しかしもし、効率目的またはノイズを考慮してのように、ピストンを特定の速度で動かすことが有利であるなら、流体ポンプレートは、ピストンが動くレートを変化させることなく、ＥＰＡＭトランスデューサ３２３を撓ませることによってポンプチャンバの容積を変化させることによって変化されえる。
【００７８】
ピストン３１７は、２つのＥＰＡＭトランスデューサ３０２によって駆動される。ＥＰＡＭトランスデューサ３０２は、電圧がトランスデューサに印加されるとき、方向矢印３２２によって示されるように長さが増加したり減少したりする。トランスデューサ３０２に電力を供給するために不図示の調整電子回路および電源（図５Ａ、５Ｂおよび６参照）が用いられえる。トランスデューサ３０２によって発生された支持構造３０３上での動き３２２の方向の力は、機械的リンケージ３１９によってシリンダ内のピストン３１７の動き３２２を発生するように伝えられえる。従来技術に知られるさまざまな機械的リンケージが存在し、本発明は図２Ｇに示される例に限定されない。
【００７９】
ピストン３２２を駆動するためにＥＰＡＭトランスデューサを用いることは、電気モータのような従来のモータの使用に比べて、多くの優位性を有する。１つの優位性は、ＥＰＡＭトランスデューサ３０２は一般に重量が電気モータよりも軽いことである。他の優位性は、ＥＰＡＭトランスデューサは、電気モータよりも多くの動作条件において効率よく動作しえることである。動作条件の柔軟性は、デバイス３２０からのノイズを最小限にしたり、デバイス出力を制御したりするような問題に対して有利でありえる。例えばＥＰＡＭダイアフラムトランスデューサは、３０Ｈｚ未満の動作周波数で効率的に流体を吐き出すために用いられえる。モータとして用いられるＥＰＡＭトランスデューサの詳細、およびこれらデバイスのさらなる優位性は、「Electroactive Polymer Rotary Motors」と題されたＨｅｉｍらによる２００２年２月２８日出願の同時係属中の米国特許出願第１０／０９０，４３０号に記載され、これは先にここで援用された。
【００８０】
他の実施形態において、ピストン駆動ポンプ３２０は、圧縮機として用いられえる。デバイス３２０を圧縮機として使うためには、ピストンがポンプチャンバ内の流体を圧縮しているときに、適切なバルブ設計を用いて流体がポンプチャンバから出ないようにされる。本発明のピストン駆動ポンプ３２０および他の実施形態と用いられえるＥＰＡＭバルブ設計の詳細は、「Electroactive Polymer Devices for Controlling Fluid Flow」と題されたＨｅｉｍらによる２００３年３月５日出願の同時係属中の米国特許出願第１０／  ，  号に記載され、これは先にここで援用された。
【００８１】
図２Ｈは、ＥＰＡＭトランスデューサ３２８によって駆動されるファン３２５を持つ熱力学的仕事を流体に行う電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイス、およびファンブレードの形状および姿勢を制御するＥＰＡＭトランスデューサを示す。ファン３２５は、環状プレート３２９および基台３２７にマウントされた２つのＥＰＡＭロールタイプトランスデューサ３２８を含む。他のタイプのＥＰＡＭトランスデューサもファン３２５と用いられえ、ロールタイプトランスデューサ３２８の使用には限定されない（ＥＰＡＭトランスデューサのさらなる説明についてはセクション３を参照）。環状プレートは、プレート３２９が回転することを許すリンケージによって支持物にマウントされる。支持物は基台３２７にマウントされる。３つのファンブレードは環状プレート３２９にマウントされる。
【００８２】
電圧がロールトランスデューサに印加されるとき、トランスデューサ３２８は伸び、電圧が取り除かれるとき、トランスデューサは収縮する。電圧をトランスデューサのうちの１つに供給し、反対側のものに対する電圧を除去または減少させることによって、環状プレートは時計回りまたは反時計回りに回転させられえる。ファンの速度（例えば環状プレートの回転レート）は、トランスデューサ３２８への時間によって変化する電圧を印加することによって制御されえる。
【００８３】
ある実施形態において、ファン３２５の効率はファンブレード３２６の形状を変化させることによって制御されえる。例えば、それぞれのファンブレード３９１は、１つ以上のアクティブ領域を持つＥＰＡＭトランスデューサ３９１を持つフレーム３２９を備えうる。ファンブレードの形状は、ＥＰＡＭトランスデューサ３９１上の１つ以上のアクティブ領域を撓ませることによって変化されえる。複数のアクティブ領域を持つＥＰＡＭトランスデューサは、図４Ｊ〜４Ｍについて記載される。ファンブレードの形状は、その空気力学的パフォーマンスを増加または減少させるように変化されえる。さらにファンブレードの形状は、ファンの特定の動作速度においてブレードから発せられるノイズおよび振動を減少させるように変化されえ（空気音響的特性）、ファンの形状は、ファンブレード内の構造的振動相互作用を制限または変更するように変化されえる（空気弾性特性）。
【００８４】
ファンブレード３２６は、ブレードを回転させることによってファンブレードのピッチを変更するように設計される第２ＥＰＡＭトランスデューサ３９０を含みえる。ブレード３２６の空気力学的パフォーマンスは、そのピッチの関数でありえる。ある実施形態において、２つのトランスデューサ３９１および３９２の代わりに単一の集積されたＥＰＡＭトランスデューサが、ブレードの形状を変化させ、そのピッチを変化させるために用いられえる。
【００８５】
図２Ｉは、熱源３３１から熱エネルギーを取り除くために熱源３３１にわたって流体を循環させる電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）球状ポンプデバイス３３０を示す。球状ポンプデバイスは、ポンプチャンバ３３４の境界表面を形成する球形に形作られたＥＰＡＭトランスデューサ３３３を含む。本発明は、球形の形状をしたＥＰＡＭトランスデューサ３３３に限定されず、さまざまな一般の３次元形状に変形するトランスデューサが用いられえる。
【００８６】
球状冷却ポンプ３３０は、熱源３３１の温度を制御する熱制御システムの一部でありえる。ある実施形態において、熱源は、コンピュータデバイス内に位置しえる。例えば熱源は、マイクロプロセッサでありえる。熱制御システムの一部として、球形冷却ポンプ３３０は、流体３３６を運ぶ閉じた流体導管３３５に接続される。動作において、電圧が球状ＥＰＡＭトランスデューサ３３３に印加され、これはトランスデューサ内のＥＰＡＭポリマーが外側に向かって撓み、ポンプチャンバ３３４の容積が増加するようにさせる。容積変化は、流体３３６をチャンバ内に引き込む。トランスデューサ３３３への電圧が除去または減少されるとき、ＥＰＡＭポリマーは内側に向かって撓み、流体３３６をポンプチャンバ３３４から流体導管３３５へ移動させる。
【００８７】
熱源３３１の熱制御システムにおいて、流体３３６は、熱源を通って流れるように設計され、ここでは熱源３３１を冷却するために熱エネルギーが熱源３３１から流体３３６に移る。加熱された流体は、熱源３３１から熱交換領域３３２へ流れ、ここで熱エネルギーは流体３３６から移される。冷却された流体は、それから、球状冷却ポンプ３３０によって循環され、熱源３３１を通され、熱源から熱エネルギーを拾う。
【００８８】
ある実施形態において、流体導管３３５は、液相から気相のような相変化を引き起こす拡張バルブを含みえ、これは冷凍システムではふつうである。相変化は、流体３３６からエネルギーを取り除くために用いられえる。他の実施形態においては、ポンプチャンバの容積が拡張されるときに流体３３６は、液体から気体へのように相状態を変化させえる。相変化は、流体の冷却につながりえる。さらに気体のような流体は、熱源を通って押し出される前にその温度を下げるためにポンプチャンバ内で拡張されえる。
【００８９】
特定の実施形態において、球状のトランスデューサは、熱交換領域として働きえる。ＥＰＡＭポリマーは、ポンプチャンバ３３４内で流体３３６から熱エネルギーを奪うように伝導するために用いられる伝導レイヤを持つ多層構造として設計されえる。他の実施形態においては、ＥＰＡＭポリマーは、流体３３６がチャンバ３３４に入る前に冷やされている場合のように、流体がポンプチャンバ３３４を囲む環境によって加熱されることを防ぐために絶縁レイヤを含みえる。
【００９０】
図２Ｊは、電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）蠕動ポンプデバイスのある実施形態を示す。蠕動ポンプデバイス３４０は、入り口３４２および出口３４３および流体導管３３５の内側表面上に位置する複数のＥＰＡＭダイアフラムを持つ流体導管３３５を含む。このダイアフラムアレイは、波状の運動、すなわち流体を入り口３４２から出口３４３へ進ませる蠕動運動を発生するよう個別に制御されえる。例えば、ダイアフラムは、入り口３４２から始まり出口へと進む時間の関数として撓まされる。この波状運動は、ダイアフラムがその波状パターンで撓まされるときに、流体を出口に向かってパターンに乗せて運ぶ。
【００９１】
図２Ｋは、電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）蠕動ポンプデバイス３４５の第２実施形態を示す。蠕動ポンプデバイス３４５は、中空のＥＰＡＭロールトランスデューサ３２８（図４Ａ〜４Ｅおよび４Ｋ〜４Ｍを参照）である流体導管３３５を備える。ロールトランスデューサは、時間の関数として方向３４４にトランスデューサを伝わって移動する波（例えばトランスデューサの山）を発生するために駆動されえる。波がトランスデューサ３２８に沿って移動するとき、波は流体をその前方へと押しえる。よって流体は、入り口３４２から出口３４３へ移動されえる。波が出口へ移動したあと、連続したポンプ動作を行うために繰り返しパターンで入り口３４２において、再び波が発生されえる。
【００９２】
他の実施形態において、直径が小さくなることのような直径の変化が、導管を伝わって移動する波として実現しえる。波を発生するためには、狭い直径が異なる位置において導管に沿った時間の関数として実現されえる。導管が狭くされる位置が導管に沿って移動するとき、流体は、導管が狭くされる位置の前方に押し出されえ、これにより蠕動ポンプ運動が作られる。
【００９３】
図２Ｉ、２Ｊおよび２Ｋについて記載されたポンプのある優位性は、ポンプ動作が別個のモータなしで実行されえることである。例えば、図２Ｉ、２Ｊおよび２Ｋにおいて、トランスデューサ内でのポンプ動作に用いられるＥＰＡＭポリマーの運動は、電池のような電源からＥＰＡＭポリマーへ電圧を供給することによって発生される。従来のピストン駆動ポンプにおいて、ピストンの運動は、電気モータのような別個のモータによって駆動される。モータはシステムの重さをさらに重くする。さらにモータはふつう典型的には、回転速度のような限定された数の運転条件でのみ効率がよい。したがってモータからのエネルギーをその最適動作条件とは異なるレートで用いるためには、追加のギアリングが必要とされえる。よって本発明のＥＰＡＭポンプデバイスは、別個のモータおよびそれに関連する機械的リンケージをなくすことによって従来のポンプシステムよりもずっと軽いという能力を有する。
【００９４】
図２Ｌおよび２Ｍは、ベローズバネロールトランスデューサ６００のある実施形態の断面を示す。ベローズバネロールアクチュエータ製造のために、アクリルフィルム（群）のようなＥＰＡＭ材料は予歪みが与えられ、ベローズバネ６０１上に巻かれえる。ベローズバネ６０１は、閉じたチャンバを形成しえる。バネ６０１は、ＥＰＡＭフィルムを張力を持たせて保持する。端部構造３５１は、ベローズバネの上部を封止するのに用いられえる。ある実施形態においては、端部構造は必要とされない。流体導管は、端部構造を通って伸びることによって、流体３３６がベローズバネ６０１によって形成されたチャンバに入ることを可能にする。
【００９５】
トランスデューサ３５３内のＥＰＡＭフィルムが駆動されるとき、ＥＰＡＭフィルムが長くなるのでバネは長手方向に伸長しえ、バネ６０１の内径は増加しえる。もし流体がすでに圧力下にあれば、バネの直径の増加は、デバイス中のより大きなフローレートを可能にする。よって、トランスデューサ内のＥＰＡＭから電圧を加えたり、取り除いたりすることによって、フローレートはベローズバネ６０１の直径を変化させることによって制御されえる。ポンプ動作のためには、チェックバルブ３１６が示されるようにトランスデューサ６００に追加されえる。ＥＰＡＭフィルムが駆動されないとき、ロールは長さが短くなり、バネ間の直径は減少する。この運動は、ベローズバネ６０１内のチャンバから流体を強制的に出すために用いられえる。
【００９６】
図３Ａおよび３Ｂは、ＥＰＡＭチューブタイプポンプデバイス３５０の第１実施形態を示す。チューブポンプデバイスは、１つ以上の電気活性ポリマートランスデューサを備えうる。ポンプは、ロールトランスデューサ３５２内に構成された１つ以上のロールの電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）フィルムを用いて作られえる。ＥＰＡＭフィルムは予歪みが与えられても与えられなくてもよい。
【００９７】
例として、図３Ａは、ＥＰチューブタイプポンプ３５０の断面図を示し、ここで電気活性ポリマーのチューブは、両端において堅い端部構造３５１に取り付けられる。このチューブは、ＥＰＡＭを巻くことによって作られ、または浸漬コーティングプロセスを用いて直接に作られえる。好ましい実施形態において、ＥＰチューブは軸方向に伸ばされて、高い予歪みが軸方向に与えられる。予歪みの力は、チューブの外側または内側上で端部構造に取り付けられた堅いロッド３９５によって支持される。高い予歪みで、チューブの直径は、ポアソンの収縮（図３Ａでは不図示）のために中央部では収縮する。２つの１方向（チェック）バルブ３１６がチューブの内側チャンバに取り付けられる。あるいは、バルブ３１６は、駆動されるバルブでありえ、適切な時刻においてスイッチングされえる。
【００９８】
ある実施形態において、管状筐体が堅いロッド３５９の代わりに用いられえる。ロールトランスデューサ３５２および管状筐体の間には、部分的に真空が生成され、ロールトランスデューサ３５２上に外側に向かうバイアスをかける。他の実施形態においては、発泡材料のようなバイアス材料３５２が管状筐体およびロールトランスデューサ３５２の間に用いられて、トランスデューサが伸長する方向とは逆の方向に回復力を発生しえる。
【００９９】
図３Ｂにおいて、ＥＰＡＭが電圧を印加することによって駆動されるとき、ＥＰＡＭフィルムは、より薄くなり、円周において（半径方向に）伸長し、よってより多くの流体３３６が１方向バルブ３１６のうちの１つを通って内側チャンバ内に流れ込むことを可能にする。図３Ａにおいて、電圧がオフにされるとき、トランスデューサ３５２内のＥＰＡＭフィルムは、円周において収縮し、より高い圧力において流体を他の１方向バルブを通って外に追いやる。よって電圧の連続的印加は、チューブポンプデバイスによって連続的ポンプ動作を可能にする。
【０１００】
図３Ａおよび３Ｂに示されるポンプは、その厚さおよびチューブの幾何学的形状がＥＰＡＭが座屈しないよう設定される限り、セルフプライミング（流体を引き込むために外側に対してわずかに真空を引く）でありえる。あるいは、もし陽圧の流体（チューブの外部表面に対して）が利用可能であるなら、陽圧は、円周方向の予歪み（pre-strain）または予負荷（pre-load）と共に駆動を行うのに用いられえる。または上述のように、封止された筐体をロールトランスデューサの周囲に追加することによって、バイアス圧力がロールトランスデューサに印加されえる。
【０１０１】
ポンプ３５０は、カスケードまたはシリーズ（多段）に作られ、さらに圧力を増しえる（図３Ｉおよび３Ｊを参照）。例えば、比較的低い圧力のセルフプライミングポンプを用いて、陽圧の流体を第２ポンプに与え、駆動されるときこれがさらに高い圧力を提供する（典型的には第１ポンプとは１８０度位相がずれている）。この多段ポンプは、端と端とが接続されるか、またはスタックにされた要素群から構成されえる（図３Ｉおよび３Ｊを参照）。要素は、１つの要素を他の要素内に配置することによってカスケードにされえる（ロシアの人形を互いの中に入れ子にするのと同様に）。管状ポンプ要素は、互いに同心円状に配置されえる。この内部または同心円状カスケードの優位性は、単一の要素の部分がポンプによって作られる総圧力差に曝されることがないことである。
【０１０２】
この実施形態は、大きな多層ＥＰＡＭポンプの容易な製造、ＥＰ駆動の良好な結合を提供し、高予歪みを可能にし、これはＥＰＡＭトランスデューサのパフォーマンスを改善する。またポンプは、良好な充填幾何学的形状を持つインラインポンプのチューブ形状で自然に作られえる。
【０１０３】
本願において記載される他のポンプの実施形態と共に図３Ａおよび３Ｂのポンプは、多くの応用例で用いられえる。例えば、ポンプ３５０は、燃料電池の燃料、または燃焼室内の燃焼のための燃料をポンプで送るような、燃料をポンプで送るのに用いられえる。このポンプは、玩具内の流体を動かすのに用いられえる。例えばポンプは、リザーバから流体をポンプで動かすことによって人形が泣くように見せることができる。ポンプは、冷凍の応用例において、または熱制御システムの一部として用いられえる。ポンプは、薬剤吐出のような医薬応用例のために用いられえる。例えば、生物学的応用例において、ポンプは、インシュリンを吐出するのに用いられえ、制御されたかたちでインシュリンが吐出されるように血糖値レベルを計測するセンサを含みえる。他のタイプの薬剤は、当該生物学的パラメータ（群）を計測する適切な生物学的センサを持って制御されたやりかたで吐出されえる。
【０１０４】
一般に、ポンプは、流体をある筐体（例えば導管、ウェル）から他へと、ふつうは低圧力の筐体から高圧力の筐体へと移すのに用いられえる。他の場合は、水を灌漑のために汲み上げるように、流体は低い位置エネルギーの場所から高い位置エネルギーの場所へと移動されえる。さらに他の場合は、ポンプは、流体を開いた、または閉じた構造（例えばパイプまたは灌漑運河）内で移動させるのに用いられえる。
【０１０５】
ここで記載されるチューブの幾何学的形状および基本的構造はまた、例えば、リニアアクチュエータ、油圧シリンダ、およびスピーカを含む他のデバイスを駆動するために用いられえる。例えば、図３Ｃおよび３Ｄは、内部油圧シリンダデバイス（internal hydraulic cylinder device）３５５を駆動するための図３Ａおよび３Ｂに記載される基本ポンプ構造を集積するある実施形態を示す。油圧シリンダは、ロールトランスデューサ３５２、端部構造３５１、および端部構造３５１間のシリンダを含む。シリンダ３５９およびガイドベアリング／シール３５７は、シリンダ３５９内にフィットする出力軸３５６をガイドするのに用いられえる。シリンダは、流体３３６がシリンダ内に流れ込むことを可能にする開口を含む。ガイドベアリング／シール３５７は、出力軸がスムーズに動き、流体が油圧シリンダ内に留まることを可能にする。油圧シリンダ３５５は、バネのような強制戻りメカニズム３５８を含みえる。
【０１０６】
電圧が図３Ｄのロールトランスデューサに印加されるとき、ロールトランスデューサは伸長し（３５３）、シリンダ３５９から流体３３６を引き込み、出力軸３５６は下に向かって引かれる。電圧がロールトランスデューサから取り除かれると、流体はシリンダ内に移動し、出力軸を上に向かって押す。強制メカニズム３５８も出力軸３５６を上に向かって動かす力を提供する。ロールトランスデューサへの電圧がオフであるとき、出力軸は図３Ｃに示されるように完全に伸長される。油圧シリンダは、出力軸３５６の伸長を介して、他の物体に対して仕事を行うために用いられえる。
【０１０７】
図３Ｅは、ＥＰＡＭチューブポンプデバイスの第２実施形態を示す。この実施形態において、図３Ａおよび３Ｂの堅い支持ロッドは、チューブに軸方向の予歪みを与えるために１つ以上のバネで置き換えられえる。バネは、駆動されるとき、チューブが長さ方向に伸長することを可能にする。他の実施形態において、電気活性ポリマーロールトランスデューサを備えるチューブタイプポンプデバイスが用いられえる。ＥＰＡＭロールトランスデューサは、図４Ａ〜４Ｅおよび４Ｋ〜４Ｍについてある程度、詳細に記載される。ＥＰＡＭロールトランスデューサはまた、２００２年５月２１日に出願された、「Rolled Electroactive Polymers」と題された同時係属中の米国特許出願第１０／１５４，４４９号に記載されており、先にこれは援用された。
【０１０８】
ロールトランスデューサ３２８に基づくポンプまたは圧縮機は、両端において適切なホース接続を持ち、その全体の軸を通る穴を有する（図３Ｅ）。図３Ｅにおいて示されるように、ＥＰＡＭロールトランスデューサ３２８は、その直径が実質的に変化しないまま、電圧の印加によって軸方向に伸長または収縮しえる。よって内部容積は、張力と共に直線的に増加する。１方向バルブ３１６をチューブのどちらかの端部に取り付けることによって、容積の変化は、チェックバルブ３１６を横切る流体の動きを与え、流体はロールアクチュエータ３２６を通って１方向に移動される。このＥＰＡＭチューブタイプポンプデバイスは、小さなユニットの簡単で堅固な設計を提供する。
【０１０９】
図３Ｆは、ダイアフラム圧力ポンプ３６５のある実施形態を示す。トランスデューサ３６７内のダイアフラムの動きは、交互に流体をチャンバに引き込み、それからそれを出口チューブを通して１方向バルブ３１６を介して追い出すのに用いられえる。ダイアフラムタイプのＥＰＡＭトランスデューサ３６７は、２０００年７月２０日に出願された「Electroactive Polymer Devices」と題された同時係属中の米国特許出願第０９／６１９，８４６号に詳細に記載されており、先にここで援用された。
【０１１０】
撓みの方向に影響を与えるために、６つのダイアフラムトランスデューサ３６７がいくつかの異なる手段のうちの１つによって機械的にバイアスされえる。例えば、バネで負荷がかけられたプランジャがダイアフラムにバイアスをかけるために用いられえる。ある実施形態において、スプリングタイプの設計が低フローレートおよび圧力のためにテストされてきている。フローは、単一レイヤの電気活性ポリマーを用いて１ｋＰａ（キロパスカル）においてほぼ４０ｍｌ／分であった。ポンプは、圧力を２．５ｋＰａより増すためにカスケードにされえる。スプリングタイプのバイアスは、低出力の応用例には適しえる。
【０１１１】
ダイアフラムタイプのトランスデューサをバイアスする他の方法は、発泡材料、圧力（または真空）、および膨張剤（例えば少量のシリコーンオイル）のようなバイアス材料３９７の使用を含む。ＥＰＡＭフィルムをバイアスするさまざまな手段は、「ELASTOMETRIC DIELECTRIC POLYMER FILM SONIC ACTUATOR」米国特許第６，３４３，１２９号、２０００年７月２０日に出願された「Electroactive Polymer Devices」米国特許出願第０９／６１９，８４６号、および２００１年２月７日に出願された「MONOLITHIC ELECTROACTIVE POLYMERS」米国特許出願第０９／７７９，２０３号に記載されており、これら全てが全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０１１２】
例として、図３Ｆは、ＥＰＡＭダイアフラムトランスデューサ３６７を備えるセルフプライミングポンプの断面図を示し、ここでＥＰＡＭダイアフラムは、開放孔発泡材（open pore foam）３９７の挿入を用いてバイアスされる。ポンプ３６５は、下部チャンバ３８７、上部チャンバ３９８、グリッドプレート３６９、６個のダイアフラムトランスデューサ３６７、３個のバルブ３１６、３８５および３９６、およびポンプ筐体３６６に囲まれたスクリーン３６９を備える。グリッドプレート３６９は、ダイアフラムを受け入れる開口を含む。スクリーン３６８は、発泡材を所定の位置に保持するのに用いられる。ある実施形態において、発泡材は下部チャンバ３８７の底部に伸びえて、スクリーンは用いられなくてもよい。
【０１１３】
トランスデューサ内のＥＰＡＭダイアフラムが収縮すると、流体はバルブ３１６を通して入り口３４２においてポンプチャンバ３９８内へ引き込まれる。ダイアフラムは、それから駆動とともに伸長し、これは流体がバルブ３８５を通して流れるようにする。ダイアフラムの後ろの領域に圧力が蓄えられると、流体は出口バルブ３８６を通って押し出され、後段へと送られることも可能である（図３Ｉおよび３Ｊを参照）。
【０１１４】
図３Ｆにおいて示される構成のある優位性は、セルフプライミング（すなわち流体を引き込める）であり、上部入力チャンバから底部出口チャンバへ１方向バルブを通して流体を引くために、バイアス手段は単に充分なバイアス力を供給すればよいようなセルフプライミングであることである。電気活性ポリマーの出力ストローク（収縮）は高い出力圧力または交互に高い吸引入力圧力を供給できるが、バイアス手段は大きなバイアス力を供給する必要はない。
【０１１５】
図３Ｇおよび３Ｈは、ＥＰＡＭフィルムポンプ４００の実施形態を示す。図３Ｇは、ポンプ４００の透視図を示し、図３Ｈは、入り口３４２および出口３４３を通した断面を示す。ポンプ４００は、複数の開口４０２を持つクランププレート４０１（例えば５２個が図３Ｇに示される）、１つ以上のレイヤから構成されえるＥＰＡＭフィルム３７０、および下部チャンバ３７１を備えうる。下部チャンバは、入り口３４２、出口、フローの方向を制御するチェックバルブ４０３および４０４、およびポンプチャンバ３９８へ、およびそれからつながる流体導管を含みえる。ポンプチャンバは、下部チャンバ３７１およびＥＰＡＭフィルム３７０の上部のくぼみによって形成される。ポンプ４００はまた、不図示の調整電子回路および電源を含みえる。図３Ｇおよび３Ｈに示されるポンプは、従来技術で知られるダイアフラムバイアス手段を使用しえ、もし入り口圧力が出口雰囲気ダイアフラム圧力より高いなら、流体それ自身がダイアフラムバイアスとして用いられえる。
【０１１６】
空気のような流体は、入り口３４２を通して下部チャンバ３７１に入る。流体は、ポンプチャンバ３９８内でＥＰＡＭフィルム３７０によって作用を受け（例えば熱力学的仕事が流体に行われる）、下部チャンバ内の第２開口を通って押し出され出口３４３へ向かう。クランププレート４０１は、アクティブＥＰＡＭフィルムの幾何学的形状を決定する。図３Ｇおよび３Ｈに示される実施形態において、５２個の開口があり、それぞれは０．３７５インチ（９．５３ｍｍ）の直径を持ち、結果として総フィルムアクティブ領域は５．７４インチ2（３７００ｍｍ2）になる。流体がチャンバを通ることを可能にするために、フィルムおよび下部チャンバの底部プレートの間には１ｍｍのギャップが存在する。１ｍｍのギャップは、ＥＰＡＭフィルムが平坦であるときのポンプチャンバの高さである。非圧縮性流体を押し出すのにはより大きなギャップが用いられえ、一方、より小さなギャップは圧縮性流体を押し出すときに「デッドスペース」を最小化し、ＥＰＡＭがより効率的に圧縮性流体を加圧することを可能にする。
【０１１７】
ある実施形態において、クランププレート４０１および下部チャンバ３７１は、それぞれほぼ０．３７５インチの高さであり、ポンプ４００の総高さは０．７５インチである。クランププレートおよび下部チャンバは、長さが４インチおよび幅が４インチである。よってポンプデバイスのフットプリント面積は、１６インチ2である。他の実施形態において、総高さは、０．７５インチから増加または減少されえ、フットプリント面積は１６インチ2から増加または減少されえる。クランププレートおよび下部チャンバは、デバイスの筐体として働き、またはクランププレートおよび下部チャンバは、別個の筐体内に収められえる。
【０１１８】
ダイアフラムアレイポンプ３６５（図３Ｆ）またはＥＰＡＭフィルムポンプ４００（図３Ｆおよび３Ｇ）の１つの優位性は、かなり平坦なデバイスについて良好なポンプ効率が得られうることである。ポンプデバイスの平坦さの１つの目安は、その高さをフットプリント領域の積によって除した比である。長方形状のポンプデバイスについては、フットプリント面積は、デバイスの長さと幅との積である。比較目的で、非次元の平坦さの目安は、デバイスの高さによって正規化することによって生成されえ、（高さ）2／（フットプリント面積）に等しい平坦さパラメータを得る。長方形のエンクロージャまたは筐体については、フットプリント面積は、長方形の長さと幅との積である。立方体形状のエンクロージャまたは筐体については、平坦さのパラメータは、値１を生む。
【０１１９】
従来のポンプにおいて、モータとしての、およびポンプメカニズムとしての実装要件は、１または１より大きい平坦パラメータを生じえる。本発明において、平坦パラメータは１よりもずっと小さくなりえる。例えば、図３Ｇおよび３ＨのＥＰＡＭフィルムポンプ４００のある実施形態について、デバイスの高さは０．７５インチで、フットプリント面積は１６インチ2である。よってこの実施形態の平坦さパラメータはほぼ０．０３５である。この値よりずっと小さい平坦さパラメータを持つ本発明の熱力学的仕事を行うデバイスも可能であり、例えば０．１未満などが可能である。ノートパソコンのような電子機器のように、スペースが非常に高価なデバイスについては、小さな平坦さパラメータを持つ熱力学的仕事を行うデバイスを作る能力が有利でありえる。
【０１２０】
本発明のある実施形態において、熱力学的仕事を行うデバイスは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）において用いられえる。ＭＥＭＳデバイスは、シリコンのような基板上に製造されえる。これらの応用例について、小さい平坦さパラメータを持つ熱力学的仕事を流体に行うデバイスを製造する能力は、有利でありえる。
【０１２１】
図３Ｉおよび３Ｊは、多段ＥＰＡＭ圧縮機またはポンプデバイスの実施形態を示す。ここで記載された全ての実施形態について、多段（マルチステージ）ポンプまたは圧縮機は、それぞれの段の後の圧力を増すためにチェックバルブを段間で持つように組み立てられえる。全ての段は同一でありえるが、場合によっては第１段は機械的バイアスが必要となりえる。場合によっては、異なる段は、異なるサイズであり、異なるストロークを有し、また電気活性ポリマーフィルムの異なるレイヤを備えうる。
【０１２２】
図３Ｉにおいて、リニアステージ圧縮機３８０の平面構成が示される。リニアステージ圧縮機３８０は、３つのステージ３８１、３８２、および３８３を含み、これらは同じ平面にアラインされる。圧縮機の多段は、１つ以上のバーブ継ぎ手（barb fitting）、チュービング（すなわち流体導管）、およびチェックバルブを介して接続されえる。
【０１２３】
空気のような流体がステージ３８１に入り、それぞれのステージにおいて高い圧力にポンプ動作されえ、最後にはステージ３８３から出る。それぞれのステージは、いずれかの側のステージ（すなわち上流および下流）と１８０度位相がずれて駆動される。このようにして、１段が圧縮されているとき、流体は後続（下流）のステージに流れ込み、これはより低い圧力である。チェックバルブは、ステージ３８２からステージ３８１へのように、前の上流ステージへ流体が流れることを防ぐために用いられえる。一般に複数のステージが本発明と共に用いられえ、本発明は３段に限定されない。
【０１２４】
図３Ｊにおいて、多段ポンプ３７５のスタック構成が示される。多段ポンプは、３つのステージ３７６、３７７および３７８を含み、一方の上に他方がスタックにされる。ステージ群は、同一であり得る。本発明のポンプで可能なそれぞれのステージについての低い平坦さパラメータのおかげで、従来のポンプでは不可能なスタック構成が可能となりえる。流体は、第１段３７６から下向きにステージ３７７およびステージ３７８に流れ、それからステージ３７８の出口から出る。多段ポンプでの最良の動作のためには一般に、次のステージのストロークに対してあるステージのストロークのタイミングを調整する。例えば、あるステージの圧縮ストロークを、次のステージの膨張ストロークに一致させる。気体のような圧縮性流体が高い圧力に圧縮されるときは、それぞれのステージのストローク容積は理想的には気体の変化する容積に一致される（例えばもし気体が圧縮されて多段ポンプのその元の容積の半分になるなら、最終段はストローク当たり第１段のおおまかに半分の容積を押し出すだけでよい）。
【０１２５】
上述の実施形態においては、熱力学的仕事を流体に行う電気活性ポリマーデバイスは、多くの優位性を従来のポンプ／圧縮機技術に対して提供しえ、これにはより静かな運転（ピストンベースのシステムの除去、および小さな高周波数アクチュエータの代わりの使用、人間の可聴範囲外の周波数における運転）、より低いコスト（等価な電気モータシステムよりも安価な材料、簡単な設計およびより少ない部品）、および高い効率が含まれる。
【０１２６】
電気活性ポリマーは規模を非常によく変えられる。すなわち大きな油圧アクチュエータを重機のために設計しえ、または集積回路のための小さなラジエータを設計しえる。特定の応用例（例えば冷凍または空調）に必要とされる圧力は、ステージ当たりのポリマーフィルムのレイヤの数、および／またはステージの数を増すことによってスケールアップされえる。従来のモータ駆動のポンプまたは圧縮機とは異なり、電気活性ポリマーポンプは、可聴範囲の上または下の周波数において駆動されえる。
３．電気活性ポリマーデバイス
【０１２７】
３．１  トランスデューサ
【０１２８】
図４Ａ〜２Ｅは、本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマーデバイス２０を示す。巻かれた電気活性ポリマーデバイスは、流体上に熱力学的仕事を施すＥＰＡＭデバイスの駆動のために用いられえ、流体上に熱力学的仕事を施すデバイスとともに用いられる、流体導管、または外部または内部流体場の中に浸された他のタイプの構造体の一部として機能しえる。巻かれた電気活性ポリマーデバイスは、ＥＰＡＭデバイスを動作させる直線および／または回転／ねじれ動きを提供しえる。例えば図２Ｈのファンの実施形態を参照されたい。図４Ａは、デバイス２０の側面図を示す。図４Ｂは、デバイス２０を上部端から見た軸上の図を示す。図４Ｃは、断面Ａ−Ａを通して取られたデバイス２０の軸上の図を示す。図４Ｄは、巻かれる前のデバイス２０の要素を示す。デバイス２０は、巻かれた電気活性ポリマー２２、スプリング２４，エンドピース２７および２８、およびデバイス２０を組み立てるさまざまな製造要素を備える。
【０１２９】
図４Ｃに示されるように、電気活性ポリマー２２は巻かれる。ある実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーは、電極あり、または電極なしで丸くそれ自身の上に巻かれた（例えばポスターのように）、または他の物体（例えばスプリング２４）の周りに巻かれた電気活性ポリマーを指す。ポリマーは、繰り返し巻かれえ、少なくともポリマーの内側レイヤの一部において重なるポリマーの外側レイヤの部分を少なくとも備えうる。ある実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーは、ある物体または中心の周りに螺旋状に巻かれた電気活性ポリマーを指す。ここで使われるように巻かれたという語は、ポリマーがその巻かれた構成をどのようにして達成するかとは独立している。
【０１３０】
図４Ｃおよび４Ｄによって示されるように、電気活性ポリマー２２は、スプリング２４の外側の周りに巻かれえる。スプリング２４は、ポリマー２２の少なくとも一部を引っ張る力を与える。スプリング２４の上端２４ａは、堅いエンドピース２７に取り付けられる。同様にスプリング２４の上端２４ｂは、堅いエンドピース２８に取り付けられる。ポリマー２２（図４Ｄ）の上部エッジ２２ａは、エンドピース２７の周りに巻かれ、適切な接着剤を用いてそれに取り付けられる。ポリマー２２の下部エッジ２２ｂは、エンドピース２８の周りに巻かれ、適切な接着剤を用いてそれに取り付けられる。よってスプリング２４の上端２４ａは、ポリマー２２の上部エッジ２２ａに動作可能に結合され、上端２４ａの撓みはポリマー２２の上部エッジ２２ａの撓みに対応する。同様にスプリング２４の下端２４ｂは、ポリマー２２の下部エッジ２２ｂに動作可能に結合され、下端２４ｂの撓みはポリマー２２の下部エッジ２２ｂの撓みに対応する。ポリマー２２およびスプリング２４は、それらのそれぞれの上下部分の間で撓むことが可能である。
【０１３１】
上述のように、多くの電気活性ポリマーは、予歪みが与えられるときによりよく機能する。例えばある種のポリマーは、予歪みが与えられるとき、より高い絶縁破壊電界強度、電気的に駆動された歪み、およびエネルギー密度を示す。デバイス２０のスプリング２４は、ポリマー２２に円周および軸方向の予歪みを起こすような力を与える。
【０１３２】
スプリング２４は、ポリマー２２を軸方向に伸ばし、軸方向にポリマー２２を引っ張る反対の軸方向（図４Ａ）で外側に向かう力を与える圧縮スプリングである。よってスプリング２４は、ポリマー２２を軸方向３５に引っ張った状態に維持する。ある実施形態において、ポリマー２２は、約５０から約３００パーセントの、方向３５の軸方向の予歪みを有する。製造について以下により詳細に記載されるように、デバイス２０は、スプリングが圧縮されたままで、予歪みが与えられた電気活性ポリマーフィルムをスプリング２４の周りに巻くことによって製造されえる。いったん解放されると、スプリング２４は、軸方向の予歪みを達成するためにポリマー２２を引っ張り歪みの状態に維持する。
【０１３３】
スプリング２４はまた、ポリマー２２上の円周方向の予歪みを維持する。予歪みは、ポリマーがスプリング２４の周りに巻かれる前に、ポリマー２２内で方向３３（図４Ｄ）の長手方向に確立されえる。製造中にこの方向の予歪みを確立する技術は、以下により詳細に記載される。スプリング２４について実質的に一定の外周寸法と共に、巻かれた後にポリマーを固定または固着させることは、スプリング２４についての外周方向の予歪みを維持する。ある実施形態においてポリマー２２は、約１００から約５００パーセントの円周方向予歪みを有する。多くの場合、スプリングは、ポリマー２２上の異方性予歪みを発生する力を与える。
【０１３４】
エンドピース２７および２８は、巻かれた電気活性ポリマー２２およびスプリング２４の反対端に取り付けられる。図４Ｅは、本発明のある実施形態によるエンドピース２７の側面図を示す。エンドピース２７は、外側フランジ２７ａ、インタフェース部２７ｂ、および内側ホール２７ｃを備える円形構造体である。インタフェース部２７ｂは、好ましくはスプリング２４と同じ外径を有する。インタフェース部２７ｂのエッジはまた、ポリマーのダメージを防ぐために丸くされえる。内側ホール２７ｃは、円形であり、エンドピース２７の中心を通って上端から外側フランジ２７ａを含む下部外側端まで貫通する。特定の実施形態において、エンドピース２７は、アルミニウム、マグネシウム、または他の機械用金属を備える。内側ホール２７ｃは、エンドピース２７内で機械加工または同様に製造されたホールによって規定される。特定の実施形態において、エンドピース２７は、３／８インチ内側ホール２７ｃを持つ１／２インチエンドキャップを備える。
【０１３５】
ある実施形態において、ポリマー２２は、外側フランジ２７ａまではずっと伸びず、ギャップ２９がポリマー２２の外側部分エッジおよび外側フランジ２７ａの内側表面の間に残される。以下にさらに詳細に記載されるように、接着剤または糊が巻かれた電気活性ポリマーデバイスに加えられてその巻かれた構造を維持しえる。ギャップ２９は、巻かれたデバイスの外径への積み重ねの代わりに、エンドピース２７上に接着剤または糊のための専用のスペースを与え、ロール中の全てのポリマーレイヤがエンドピース２７に固定されるようにする。特定の実施形態において、ギャップ２９は約０ｍｍから約５ｍｍの間である。
【０１３６】
エンドピース２７および２８の間の電気活性ポリマー２２およびスプリング２４の部分は、その機能的な目的についてアクティブであると考えられえる。よってエンドピース２７および２８は、デバイス２０のアクティブ領域３２（図４Ａ）を規定する。エンドピース２７および２８は、スプリング２４との固定、およびポリマー２２との固定のための共通構造を与える。加えて、それぞれのエンドピース２７および２８は、デバイス２０に対する外部の機械的および取り外し可能な結合を許す。例えばデバイス２０は、エンドピース２７がロボットのアップストリームリンクに取り付けられ、エンドピース２８がロボットのダウンストリームリンクに取り付けられる、ロボット応用例において採用されえる。電気活性ポリマー２２の駆動は、それから、２つのリンク間の自由度（例えばリンク１上のピンジョイントの周りのリンク２の回転）によって決定されるように、アップストリームリンクに対してダウンストリームリンクを動かす。
【０１３７】
特定の実施形態において、内側ホール２７ｃは、ネジまたはネジが切られたボルトのようなネジが切られた部材とのネジによるインタフェースが可能な内部ネジ山を備える。内部ネジ山は、デバイス２０の一端への取り外し可能な機械的固定を可能にする。例えばネジは、ロボット要素に対する外部取り付けのために、エンドピース２７内の内側ネジ山にネジが切られえる。デバイス２０の内部での取り外し可能な機械的固定のために、エンドピース２７および２８にそれぞれネジが切られるナットまたはボルトは、スプリング２４の軸のコアを通って貫通し、それにより２つのエンドピース２７および２８を互いに固定する。これによりデバイス２０は、巻かれる間に有用な完全に圧縮された状態のような、任意の撓み状態に保持されることができる。これはまた、ポリマー２２が格納中に歪まされないようデバイス２０を格納するあいだも有用である。
【０１３８】
ある実施形態において、堅い部材または直線ガイド３０がスプリング２４のスプリングコア内に配置される。スプリング２４内のポリマー２２は、実質的にエンドピース２７および２８間でコンプライアンスを持つので、デバイス２０は、方向３５に沿った軸方向撓み、およびその直線軸（スプリング２４の中心を通る軸）から離れるポリマー２２およびスプリング２４の屈曲の両方を可能にする。ある実施形態においては、軸方向撓みだけが望ましい。リニアガイド３０は、デバイス２０がエンドピース２７および２８間で直線軸について屈曲することを防ぐ。好ましくはリニアガイド３０は、デバイス２０の軸方向の撓みに干渉しない。例えばリニアガイド３０は、好ましくはそれ自身およびスプリング２４の任意の部分の間で摩擦抵抗を起こさない。リニアガイド３０または軸方向３５以外の動きを防ぐ他の任意の拘束物があると、デバイス２０は、厳密に方向３５の出力を持つリニアアクチュエータまたはジェネレータとして機能しえる。リニアガイド３０は、木、プラスチック、金属などのような任意の適切に堅い材料で構成されえる。
【０１３９】
ポリマー２２は、繰り返しスプリング２２の周りに巻かれる。単一の電気活性ポリマーレイヤ構成については、本発明の巻かれた電気活性ポリマーは、約２および約２００レイヤの間で構成されえる。この場合、レイヤとは、巻かれたポリマーの半径方向の断面において重なるポリマーフィルムまたはシートの数を言う。場合によっては、巻かれたポリマーは、約５および約１００レイヤの間で構成される。特定の実施形態においては、巻かれた電気活性ポリマーは約１５および約５０レイヤの間で構成される。
【０１４０】
他の実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーは、多層レイヤ構造を採用する。多層レイヤ構造は、ロール状にされたり巻かれたりされる前に、互いの上に配置された複数のポリマーレイヤを備える。例えば、その上にパターン付けされた電極なしの第２電気活性ポリマーレイヤは、両面にパターン付きの電極を有する電気活性ポリマー上に配置されえる。２つのポリマー間に直接に接する電極は、直接接触するポリマー表面の両面に対して機能する。巻かれた後、電極付きのポリマーの下側の電極は、電極なしのポリマーの上側に接触する。このようにして、その上にパターン付けされた電極がない第２電気活性ポリマーは、第１電気活性ポリマー上の２つの電極を使う。
【０１４１】
他の多層構造も可能である。例えば多層構造は、奇数番目のポリマーは電極が付けられ、偶数番目のポリマーは電極が付けられない任意の数のポリマーレイヤを備えうる。電極なしポリマーの上部の上側表面は、巻かれた後、積層物の下部の電極に頼る。２、４、６、８などを有する多層構造がこの技術で可能である。場合によっては、多層構造中で用いられるレイヤの数は、ロールの寸法およびポリマーレイヤの厚さによって制限されえる。ロールの半径が減ると、許容できるレイヤの数も典型的には減る。用いられるレイヤの数に関係なく、巻かれたトランスデューサは、与えられた極性の電極が反対の極性の電極に接触しないように構成される。ある実施形態において、多層レイヤは、それぞれ個別に電極が付けられ、１つおきのポリマーレイヤは巻かれる前に反対にされ、巻かれた後には互いに接触する電極が同じ電圧または極性になるようにされる。
【０１４２】
多層ポリマー積層体はまた、１つより多いタイプのポリマーを備えうる。例えば、１つ以上の第２ポリマーが用いられて、巻かれた電気活性ポリマーレイヤの弾性または剛性を変更しえる。ポリマーは、駆動中に充電／放電するのにアクティブでもアクティブでなくてもよい。非アクティブポリマーレイヤが採用されるとき、ポリマーレイヤの数は奇数である。第２ポリマーはまた、巻かれた製品のパフォーマンスを変化させる他のタイプの電気活性ポリマーでありえる。
【０１４３】
ある実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーの最外層は、その上に配置された電極を備えていない。これは機械的保護のレイヤを提供するため、または次に内側のレイヤ上の電極を電気的に絶縁するためになされえる。例えば、内側および外側レイヤおよび表面コーティングは、前述のように流体適合性を提供するように選択されえる。上述の多層レイヤ特性は、前述のＥＰＡＭダイアフラムのような巻かれていない電気活性ポリマーにも適用されえる。
【０１４４】
デバイス２０は、コンパクトな電気活性ポリマーデバイス構造を提供し、従来の電気活性ポリマーデバイスに対して全体的な電気活性ポリマーデバイスのパフォーマンスを改善する。例えばデバイス２０の多層構造は、個々のポリマーレイヤのそれぞれに比較してデバイスの全体的なバネ定数を調整する。加えて、スプリング２４を介して達成されたデバイスの増された剛性は、デバイス２０の剛性を増し、望まれる場合には駆動においてより速い応答を可能にする。
【０１４５】
特定の実施形態において、スプリング２４は、カリフォルニア州、ロサンゼルスのCentury Springによって提供されるカタログ番号１１４２２のような圧縮バネである。このスプリングは、０．９１ｌｂ／インチのスプリング力、および４．３８インチの自由長、１．１７インチの密着高さ、０．３６０インチの外径、０．３インチの内径によって特徴付けられる。この場合、巻かれた電気活性ポリマーデバイス２０は、約５から約７ｃｍの高さ３６、約０．８から約１．２ｃｍの直径３７、および約４から約５ｃｍのエンドピース間のアクティブ領域を有する。このポリマーは、約３００から約５００パーセントの円周方向の予歪み、および約１５０から約２５０パーセントの軸方向の予歪み（スプリング２４による力の寄与も含む）によって特徴付けられる。
【０１４６】
デバイス２０は、巻かれたポリマーの内部に配置された単一のスプリング２４を持つように示されるが、ポリマーの外部にある他のスプリングのような追加の構造も歪みおよび予歪み力を提供するのに用いられえる。これらの外部構造は、エンドピース２７および２８を例えば用いてデバイス２０に取り付けられえる。
【０１４７】
図４Ｆは、本発明のある実施形態による構造変化に基づいて可変剛性を提供する曲げトランスデューサ１５０を示す。この場合、トランスデューサ１５０は、ある方向における剛性を他の方向におけるポリマー撓みを用いて変化させ制御する。ある実施形態において、このデバイスは、図２Ｋおよび２Ｌを参照して記載された流体フロー内のベーンを用いえる。トランスデューサ１５０は、一端において堅い支持体１５２によって固定されたポリマー１５１を含む。ポリマー１５１に取り付けられているのは、例えば接着レイヤを用いるポリイミドまたはマイラのような可撓性のある薄い材料１５３である。可撓性のある薄い材料１５３は、ポリマー１５１よりも大きい弾性率を有する。トランスデューサ１５０の上部および下部側１５６および１５７の弾性率の差は、駆動されるとトランスデューサを曲げる。電極１５４および１５５は、ポリマー１５１の反対側に取り付けられ、ポリマー１５１およびトランスデューサ１５０の撓みを制御するのに用いられる制御電子回路間の電気的通信を提供する。トランスデューサ１５０は、示されるように平面ではなく、むしろ軸１６０についてわずかに曲面をなす。方向１６０は、堅い支持物１５２からポリマー１５１を通って軸上に伸びる線についての回転または屈曲として定義される。この曲率は、矢印１６１によって示される方向の任意のものに沿って先端に与えられた力に応答して、トランスデューサ１５０を剛性あるものにする。力の代わりに、またはそれに加えて、トルクがトランスデューサに加えられてもよい。これらトルクは、方向１６１ａおよび１６１ｂの矢印によって示される軸について与えられる。
【０１４８】
図４Ｇは、電圧を電極１５４および１５５に印加することによって発生された、方向１６１ｂにおける撓みを持つトランスデューサ１５０を示す。この電圧は、曲げ力が非駆動状態の曲率によって示される抵抗を克服することを可能にするために印加される。実効的に、トランスデューサ１５２は、初期曲率によって生じたキンクを伴って曲がる。この状態において、方向１６１によって示される力またはトルクに応答した剛性はずっと少ない。
【０１４９】
機械的インタフェースがトランスデューサ１５０の遠端部１５９に取り付けられえる。あるいは機械的取り付けは、機械的装置内にトランスデューサ１５０を実現できるようにするため可撓性の薄い材料１５３に対してなされえる。例えばトランスデューサ１５０は、格納されたり、展開されたりされえるように構造を折り畳むことが有用である、軽量の宇宙用構造体のような応用例において用いられるのに適する。この例では、個別トランスデューサ（構造中でリブを形成する）の剛性条件は、構造が展開されるときに起こる。格納を許すために、トランスデューサは駆動されリブは折り曲げされえる。他の応用例において、トランスデューサは空気入りタイヤの側壁内のリブを形成しえる。この応用例において、リブの剛性の変化は、タイヤの剛性に影響し、よってそのタイヤを使う車の結果として生じるハンドリングに影響しえる。同様にデバイスは、靴の中に実現されえ、リブの剛性の変化は、靴の剛性に影響しえる。
【０１５０】
トランスデューサ１５０は、電気活性ポリマーの駆動が、デバイスの剛性に影響を与える構成または形状における低エネルギー変化を引き起こす一例を提供する。この技術を用いて、トランスデューサ１５０を用いて、直接的な機械的または電気的エネルギー制御よりも大きなレベルで剛性を変化させることが実際に可能である。他の実施形態において、電気活性ポリマートランスデューサの撓みは、トランスデューサがその中に組み込まれる装置の剛性を変化させることに直接に寄与する。
【０１５１】
図４Ｈは、本発明の他の実施形態による、可変剛性を提供するボウデバイス（bow device）２００を示す。ボウデバイス２００は、ポリマー２０６に取り付けられた可撓性フレーム２０２を備える平面的機構である。フレーム２０２は、ジョイント２０５においてピボットで接続された６つの堅い部材２０４を含む。部材２０４およびジョイント２０５は、平面方向２０８におけるポリマーの撓みを、直角な平面方向２１０における機械出力に結合する。ボウデバイス２００は、図４Ｈに示される休止位置にある。ポリマー２０６の反対（上部および底部）表面に取り付けられているのは、電極２０７（ポリマー２０６の底部側上の底部電極は不図示）であり、ポリマー２０６と電気的通信を提供する。図４Ｉは、駆動後のボウデバイス２００を示す。
【０１５２】
図４Ｈの休止位置において、堅い部材２０４は、その材料の剛性によって、方向２０８の力２０９に大きな剛性を与える。しかし図４Ｉに示されるボウデバイス２００の位置については、方向２０８の剛性は、ポリマー２０２のコンプライアンスおよびジョイント２０５によって与えられる任意の回転弾性抵抗に基づく。よって電極２０７と電気的に通信する制御電子回路は、図４Ｈに示されるポリマー２０６の撓み、およびそれに対応する高い剛性を提供するような電気的状態、および図４Ｉに示されるポリマー２０６の撓み、およびそれに対応する低い剛性を提供するような電気的状態を与えるために用いられえる。これにおいて、デバイス２００を用いて大きな剛性変化を与えるためには、単純なオン／オフ制御が用いられえる。
【０１５３】
デバイス２００中の堅い部材の構成を変えることによって達成される剛性変化に加えて、図４Ｉの位置についての剛性は、「Variable Stiffness Electroactive Polymers」と題されたKornbluhらによる２００２年１月１６日に出願された同時係属中の米国特許出願第１０／０５３，５１１号に詳細に記載されたオープンまたはクローズループ剛性技術のうちの１つを用いてさらに変化されえ、上記出願は、その全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０１５４】
３．２  複数のアクティブ領域
【０１５５】
場合によっては、電極は、ポリマーの全領域ではなく、電気活性ポリマーの限定された部分をカバーする。これはポリマーのエッジ周辺の電気絶縁破壊を防ぐため、ポリマー部分が巻かれた構成（例えば外側ポリマーバリアレイヤ）を促進することを可能にするため、多機能性を提供するため、またはポリマーの１つ以上の部分についてカスタム化された撓みを達成するためになされえる。ここで使われる語として、アクティブ領域は、電気活性ポリマーの部分、およびその部分に、またはそこから電気的エネルギーを提供したり受け取ったりする１つ以上の電極を備えるトランスデューサの部分として定義される。アクティブ領域は、後述の機能の任意のものについて用いられえる。駆動のためには、アクティブ領域は、その部分の撓みを可能にする充分な静電力を有するポリマーの部分を含む。発電または検出のためには、アクティブ領域は、静電エネルギーの変化を可能にするために充分な撓みを有するポリマーの部分を含む。本発明のポリマーは複数のアクティブ領域を有しえる。
【０１５６】
本発明によれば、「モノリシック」という語は、ここでは電気活性ポリマーおよび複数のアクティブ領域を単一のポリマー上に備えるトランスデューサを指すのに用いられる。図４Ｊは、本発明のある実施形態によって単一のポリマー１５１上に複数のアクティブ領域を備えるモノリシックトランスデューサ１５０を示す。モノリシックトランスデューサ１５０は、電気エネルギーおよび機械エネルギーの間で変換をする。モノリシックトランスデューサ１５０は、２つのアクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂを有する電気活性ポリマー１５１を備える。ポリマー１５１は、例えばポリマーのエッジに取り付けられた堅いフレーム（不図示）を用いて所定の場所に保持されえる。アクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂに結合されるのは、アクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂ間の電気的通信を可能にし、通信電子回路１５５との電気的通信を可能にするワイヤ１５３である。
【０１５７】
アクティブ領域１５２ａは、その上部および下部表面１５１ｃおよび１５１ｄ上でそれぞれポリマー１５１に取り付けられた上部および下部電極１５４ａおよび１５４ｂを有する。電極１５４ａおよび１５４ｂは、ポリマー１５１の部分１５１ａにわたって電気エネルギーを与えたり、受け取ったりする。部分１５１ａは、電極１５４ａおよび１５４ｂによって与えられた電界の変化によって撓みえる。駆動については、部分１５１ａは、電極１５４ａおよび１５４ｂの間のポリマー１５１、および電極１５４ａおよび１５４ｂを用いた電圧の印加による撓みを可能にするのに充分な静電力を有するポリマー１５１の任意の他の部分を備える。アクティブ領域１５２ａが、電気エネルギーから機械エネルギーへ変換する発生器として用いられるとき、部分１５１ａの撓みは、部分１５１ａ中の電界に変化を発生し、これは電極１５４ａおよび１５４ｂによって電位差として受け取られる。
【０１５８】
アクティブ領域１５２ｂは、その上部および下部表面１５１ｃおよび１５１ｄ上でそれぞれポリマー１５１に取り付けられた上部および下部電極１５６ａおよび１５６ｂを有する。電極１５６ａおよび１５６ｂは、ポリマー１５１の部分１５１ｂにわたって電気エネルギーを与えたり、受け取ったりする。部分１５１ｂは、電極１５６ａおよび１５６ｂによって与えられた電界の変化によって撓みえる。駆動については、部分１５１ｂは、電極１５６ａおよび１５６ｂの間のポリマー１５１、および電極１５６ａおよび１５６ｂを用いた電圧の印加による撓みを可能にするのに充分な静電力を有するポリマー１５１の任意の他の部分を備える。アクティブ領域１５２ｂが、電気エネルギーから機械エネルギーへ変換する発生器として用いられるとき、部分１５１ｂの撓みは、部分１５１ｂ中の電界に変化を発生し、これは電極１５６ａおよび１５６ｂによって電位差として受け取られる。
【０１５９】
電気活性ポリマーのアクティブ領域は、従来の電気活性ポリマー電極製造技術を用いて容易にパターン付けされ、構成されえる。複数アクティブ領域ポリマーおよびトランスデューサは、０９／７７９，２０３においてさらに記載され、これは全ての目的のためにここで参照によって援用される。複数のアクティブ領域をパターン付けし、独立に制御できる機能により、本発明の巻かれたトランスデューサは、既存の応用例において新しいやりかたで採用されるのと同時に、多くの新しい応用例において採用されえる。
【０１６０】
図４Ｋは、本発明のある実施形態による、巻かれる前の、単一のポリマー１７２上に複数のアクティブ領域を備えるモノリシックトランスデューサ１７０を示す。本発明において、モノリシックトランスデューサ１７０は、巻かれたまたは巻かれない構成で利用されえる。トランスデューサ１７０は、対向するポリマーサイド１７７上に個別電極１７４を備える。ポリマー１７２の反対側（不図示）は、電極１７４の位置に対応する個別電極を含みえるか、または領域内にまたがり電極１７４の複数のもの、または全てに対して機能し、電気通信を簡略化する共通電極を含みえる。アクティブ領域１７６はそれから、アクティブ領域の動作モードによって決定される、それぞれの個別電極１７４、およびポリマー１７２の反対側の電極間のポリマー１７２の部分を備える。例えば駆動のときは、電極１７４ａのアクティブ領域１７６ａは、上述のようにその部分の撓みを可能にするのに充分な静電力を有するポリマー１７２の部分を含む。
【０１６１】
トランスデューサ１７０上のアクティブ領域１７６は、１つ以上の機能のために構成されえる。ある実施形態において、全てのアクティブ領域１７６は、駆動のために構成される。ロボットの応用例に用いられるのに適する他の実施形態においては、１つ以上のアクティブ領域１７６は、アクティブ領域１７６が駆動のために構成されながらも、検出するよう構成される。このようにして、トランスデューサ１７０を用いた巻かれた電気活性ポリマーデバイスは、駆動および検出の両方が可能である。検出のために指定された任意のアクティブ領域は、後述の検出電子回路への専用の配線を含みえる。
【０１６２】
示されるように、電極１７４ａ〜ｄは、それぞれ、専用の外部電気通信を行い、それぞれのアクティブ領域１７６ａ〜ｄのための個別制御を許す、それに取り付けられたワイヤ１７５ａ〜ｄを含む。電極１７４ｅ〜ｉは、共通電極１７７およびアクティブ領域１７６ｅ〜ｉと共通電気的通信を行うワイヤ１７９との全ての電気的通信である。共通電極１７７は、同様に動作するよう採用される巻かれた電気活性ポリマーの複数のアクティブ領域との電気的通信を簡略化する。ある実施形態において、共通電極１７７は、巻かれる前にポリマー１７２上に配置されたアルミニウム箔を備える。ある実施形態において、共通電極１７７は、例えばカーボングリースのような電極１７４ａ〜ｉのために用いられるのと同様の材料のパターン付き電極である。
【０１６３】
例えば、アクティブ領域のセットは、駆動、発電、検出、剛性変化および／または制動、またはそれらの組み合わせの１つ以上のために採用されえる。適切な電気制御はまた、単一のアクティブ領域が１つ以上の機能のために用いられることを可能にする。例えば、アクティブ領域１７４ａは、流体導管の駆動および可変剛性制御のために用いられえる。同じアクティブ領域はまた、流体導管の動きに基づいて電気エネルギーを作る発電のために用いられえる。これら機能のそれぞれのために適切な電子回路は、後でさらに詳細に記載される。アクティブ領域１７４ｂはまた、駆動、発電、検出、剛性変化、またはそれらの組み合わせのために柔軟に用いられえる。１つのアクティブ領域によって発生されたエネルギーは、応用例に望ましいなら、他のアクティブ領域に提供されえる。よって本発明の巻かれたポリマーおよびトランスデューサは、電気から機械エネルギーに変換するアクチュエータ、機械から電気エネルギーに変換する発電機、パラメータを検出するセンサ、または剛性および／または制動、またはそれらの組み合わせを制御するのに用いられる可変剛性および／または制動デバイスとして用いられるアクティブ領域を含みえる。
【０１６４】
ある実施形態において、巻かれた電気活性ポリマーデバイスからの力および／または撓み出力の段階的な電気制御を提供するために、駆動のために採用される複数のアクティブ領域はグループで配線される。例えば、巻かれた電気活性ポリマートランスデューサは、５０のアクティブ領域を持ちえ、ここで２０のアクティブ領域は１つの共通電極に結合され、１０のアクティブ領域は第２共通電極に結合され、さらに１０のアクティブ領域は第３共通電極に結合され、５つのアクティブ領域は第４共通電極に結合され、残りの５つは個別に配線されえる。それぞれの共通電極についての適切なコンピュータ管理およびオン・オフ制御がそれから、バイナリのオン・オフスイッチングを用いて巻かれたトランスデューサのための段階的な力および撓み制御を可能にする。このシステムの生物学的な類似は、多くの哺乳類の筋肉制御システムに見られる運動単位である。明らかに、適切な機械的出力または段階的制御システムを提供するためにアクティブ領域および共通電極の任意の個数がこのようにして実現されえる。
【０１６５】
３．３  複数自由度デバイス
【０１６６】
他の実施形態において、電気活性ポリマー上に複数のアクティブ領域が配置され、そのようなアクティブ領域のサブセットは巻かれた後、半径方向にアラインする。例えば、複数のアクティブ領域は、巻かれた後に、ロール中で９０度毎に配置される。これらの半径方向にアラインされた電極は、それから、巻かれた電気活性ポリマーデバイスのための運動の複数の自由度を許すために統一して駆動されえる。同様に運動の複数の自由度は、図４Ｆおよび４Ｇについて記載されたもののような、巻かれていない電気活性ポリマーデバイスについても獲得されえる。よって巻かれたポリマーデバイスは、本発明のトランスデューサ構成で獲得されえる複数自由度の一実施形態である。
【０１６７】
図４Ｌは、本発明のある実施形態による２次元出力の可能な巻かれたトランスデューサ１８０を示す。トランスデューサ１８０は、巻かれて１０レイヤを提供する電気活性ポリマー１８２を備える。それぞれのレイヤは、４つの半径方向にアラインされたアクティブ領域を備える。それぞれのアクティブ領域の中心は、その隣接するものに対して９０度ずつの増分で配置される。図４Ｌは、ポリマー１８２の最外層、および半径方向にアラインされたアクティブ領域１８４、１８６、および１８８を示し、これらは互いに対してそれらの中心が９０度の増分を示すように配置される。ポリマー１８２の裏側上の４つ目の半径方向にアラインされたアクティブ領域（不図示）は、半径方向にアラインされたアクティブ領域１８６からほぼ１８０度離れて位置する中心を有する。
【０１６８】
半径方向にアラインされたアクティブ領域１８４は、同じ半径方向アライメントを有する内側ポリマーレイヤ上のアクティブ領域と共通する電気的な通信を含みえる。同様に、他の３つの半径方向にアラインされた外側アクティブ領域１８２、１８６、および図示されない背面のアクティブ領域も、それらの対応する内側レイヤと共通の電気的通信を含みえる。ある実施形態において、トランスデューサ１８０は、４つの半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットのうちのそれぞれのための共通駆動を提供する４つのリード線を備える。
【０１６９】
図４Ｍは、駆動された、半径方向にアラインされたアクティブ領域１８８、およびその対応する半径方向にアラインされた内側レイヤアクティブ領域を持つトランスデューサ１８０を示す。アクティブ領域１８８、および対応する内側レイヤアクティブ領域の駆動は、ポリマー１８２の反対側のトランスデューサ１８８の軸方向の伸長を引き起こす。結果は、アクティブ領域１８８の中心点からほぼ１８０度の、トランスデューサ１８０の水平屈曲になる。この効果は、トランスデューサ１８０の上部１８９の撓みによって計測されえ、これは図４Ｌに示される休止位置から図４Ｍに示されるその位置までの半径方向の円弧を描く。アクティブ領域１８８、および対応する内側レイヤアクティブ領域に与えられる電気エネルギーの量を可変することは、この円弧に沿った上部１８９の撓みを制御する。よってトランスデューサ１８０の上部１８９は、図４Ｌに示される撓み、またはそれより大きい撓み、あるいは図４Ｌに示される位置から最小限に離れた撓みを持ちえる。同様に他の方向に曲がることは、他の半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットのうちの１つを駆動することによって達成されえる。
【０１７０】
半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットの駆動を組み合わせることは、上部１８９の撓みについての２次元空間を作る。例えば半径方向にアラインされたアクティブ領域のセット１８６および１８４は、図４Ｌに示される座標系に対応する４５度の角度で上部が撓みを作るために同時に駆動されえる。半径方向にアラインされたアクティブ領域のセット１８６に与えられる電気エネルギーの量を減らし、半径方向にアラインされたアクティブ領域のセット１８４に与えられる電気エネルギーの量を増すことは、上部１８９をゼロ度のマークにより近く移動させる。適切な電気制御はそれから、上部１８９が０から３６０度の任意の角度のパスを描くこと、またはこの２次元空間内の可変パスを追随することを可能にする。
【０１７１】
トランスデューサ１８０はまた、３次元撓みも可能である。トランスデューサ１８０の４つの側面上のアクティブ領域の同時駆動は、上部１８９を上方に向かって移動させる。言い換えれば、トランスデューサ１８０はまた、トランスデューサ１８０の全ての側面上のアクティブ領域の同時駆動に基づいて軸方向の撓みも可能なリニアアクチュエータである。この直線駆動を、半径方向にアラインされたアクティブ領域の差動駆動およびすぐ前で述べたそれらの結果として生じる２次元撓みと組み合わせることは、トランスデューサ１８０の上部の３次元撓み空間を生む。よって適切な電気制御は、上部１８９が、この直線軸に沿った２次元パスを描くのと共に、上下の両方に移動することを可能にする。
【０１７２】
トランスデューサ１８０は、簡単のために９０度の増分で配置された４つの半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットとしてしか示されないが、２次元および３次元運動が可能な本発明のトランスデューサは、より複雑な代替設計を備えうることが理解されよう。例えば、４５度の増分で配置された８つの半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットである。あるいは１２０度の増分で配置された３つの半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットは２Ｄおよび３Ｄ運動に適切でありえる。
【０１７３】
加えて、トランスデューサ１８０は、軸方向アクティブ領域の１つのセットしか示されないが、図４Ｌの構造はモジュラーである。言い換えれば、９０度の増分で配置された４つの半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットは、軸方向において複数回現れてもよい。例えば、２次元および３次元運動を可能にする半径方向にアラインされたアクティブ領域のセットは、流体フローに加えられえる波形パターンを与えるために、１０回繰り返されえる。
【０１７４】
４．検出
【０１７５】
本発明の電気活性ポリマーは、センサとしても構成されえる。一般に本発明の電気活性ポリマーセンサは、「パラメータ」および／またはパラメータの変化を検出しえる。このパラメータは、温度、密度、歪み（strain）、変形、速度、位置、接触、加速度、振動、体積、圧力、質量、不透明度、濃度、化学状態、伝導度、磁化、誘電率、大きさなど、大きくは物体の物理的特性である。場合によっては、検出されるパラメータは物理的「イベント」に関連付けられる。検出される物理的イベントは、物理または化学特性の特定の値または状態の達成でありえる。生物学的システムにおいて、物理特性は、人体の循環系における血糖値または薬剤濃度のようなシステムの生物学的パラメータでありえる。
【０１７６】
電気活性ポリマーセンサは、検出されるパラメータの変化に応答して電気活性ポリマーの一部が撓むよう構成される。ポリマーの電気エネルギー状態および撓み状態は関連する。電気エネルギーの変化、または撓みから生じるアクティブ領域の電気インピーダンスの変化は、それから、アクティブ領域電極と電気的に通信する検出電子回路によって検出されえる。この変化は、ポリマーのキャパシタンス変化、ポリマーの抵抗変化、および／または電極の抵抗変化、またはこれらの組み合わせを構成しえる。電極と電気的に通信する電子回路は、電気的特性の変化を検出する。もし例えばトランスデューサのキャパシタンスまたは抵抗の変化が計測されるなら、電気エネルギーをトランスデューサに含まれる電極に印加し、電気的パラメータの変化を観測することになる。
【０１７７】
ある実施形態において、なんらかの方法で１つ以上の結合メカニズムを介して撓みがアクティブ領域センサに入力される。ある実施形態と、センサによって計測される変化する特性またはパラメータは、電気活性ポリマーの変化する特性、例えばポリマー中の変位またはサイズ変化に対応し、結合メカニズムが用いられない。電極と電気的通信をする検出電子回路は、アクティブ領域によって出力される変化を検出する。場合によっては、センサの検出電子回路と電気通信する論理デバイスが、その電気的変化を定量化することによって、検出される変化するパラメータのディジタルまたは他の計測値を与える。例えば、論理デバイスは、検出電子回路によって作られた情報を処理するシングルチップコンピュータまたはマイクロプロセッサでありえる。電気活性ポリマーセンサは１０／００７，７０５にさらに記載され、これは全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０１７８】
アクティブ領域は、そのアクティブ領域の駆動と同時に検出が実行されるように構成されえる。モノリシックトランスデューサについて、１つのアクティブ領域は駆動を担当し、他の領域は検出を担当しえる。あるいは、ポリマーの同じアクティブ領域は、駆動および検出を担当する。この場合、低い振幅の高い周波数のＡＣ（検出）信号が、駆動（アクチュエーション）信号に重畳されえる。例えば、１０００Ｈｚの検出信号は、１０Ｈｚの駆動信号に重畳されえる。駆動信号は、応用例、またはどのくらい速くアクチュエータが動くかに依存するが、０．１Ｈｚ未満から約１メガＨｚまでの範囲の駆動信号が多くの応用例に適する。ある実施形態において、検出信号は、検出される動きより少なくとも約１０倍速い。検出電子回路はそれから、ポリマーの高周波応答を検出および計測することによって、ポリマー駆動に影響を与えないセンサパフォーマンスを可能にする。同様に、もし電気活性ポリマートランスデューサが発電機としても用いられていながらも、インピーダンス変化が検出および計測されるなら、小さい高周波ＡＣ信号が、低周波発電電圧信号上に重畳されえる。それからフィルタリング技術が計測値およびパワー信号を分離しえる。
【０１７９】
本発明のアクティブ領域はまた、可変剛性および制動機能を提供するために構成されえる。ある実施形態において、開ループ技術が用いられて、電気活性ポリマートランスデューサを採用するデバイスの剛性および／または制動を制御し、それによってセンサフィードバックなしで所望の剛性および／または制動パフォーマンスを達成する簡単な設計が提供できる。例えば、トランスデューサの電極と電気的に通信する制御回路は、実質的に一定の電荷を電極に供給しえる。あるいは、制御回路は、実質的に一定の電圧を電極に供給しえる。電気活性ポリマートランスデューサを採用するシステムは、剛性および／または制動制御を提供するいくつかの技術を提供する。剛性／制動制御を提供する例示的回路は、以下に示される。
【０１８０】
詳細は記載されないが、本発明の全ての図面および説明中のアクティブ領域およびトランスデューサは、電気エネルギーおよび機械エネルギーの間で双方向に変換しえる（適切な電子回路と共に）ことに注意することが重要である。よって巻かれたポリマー、アクティブ領域、ポリマー構成、トランスデューサ、およびここで記載されたデバイスの任意のものは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換（発電、可変剛性または制動、または検出）する、または電気エネルギーを機械エネルギーに変換（駆動、可変剛性または制動、または検出）するトランスデューサでありえる。典型的には、本発明の発電機またはセンサアクティブ領域は、ポリマーの一部の撓みに応答する電界の変化を生じるようなやりかたで構成されたポリマーを備える。電界の変化は、電界の方向におけるポリマー寸法の変化と共に、電圧の変化を作り、よって電気エネルギーの変化を生む。
【０１８１】
しばしばトランスデューサは、他の構造および／または機能要素を備えるデバイス内で採用される。例えば、外部機械エネルギーがなんらかの方法で１つ以上の機械的伝達結合メカニズムを介してトランスデューサに入力されえる。例えば、伝達メカニズムは、フローによって発生された機械的エネルギーを受け取り、そのフローによって発生された機械的エネルギーの一部をポリマーの一部に伝達し、そこでフローによって発生された機械的エネルギーはトランスデューサの撓みを生じるように設計または構成されえる。フローによって発生された機械的エネルギーは、慣性力または直接的力を作りえ、そこでは慣性力の一部または直接的力の一部は伝達メカニズムによって受け取られる。
【０１８２】
５．調整電子回路
【０１８３】
本発明のデバイスはまた、上述の電気活性ポリマー機能のうちの１つについてのアクティブ領域の電極から電気エネルギーを供給または受け取りを行う調整電子回路に頼りえる。１つ以上のアクティブ領域と電気的通信をする調整電子回路は、剛性制御、エネルギー消費、電気エネルギー発生、ポリマー駆動、ポリマー撓み検出、制御論理などのような機能を含みえる。
【０１８４】
駆動について、電子ドライバは、電極に接続されえる。アクティブ領域の電極に供給される電圧は、応用例の明細に依存する。ある実施形態において、本発明のアクティブ領域は、印加される電圧をＤＣバイアス電圧の周辺で変調することによって電気的に駆動される。ＤＣバイアス電圧の周辺での変調は、印加された電圧に対するトランスデューサの改善された感度および直線性を可能にする。例えば、オーディオの応用例において用いられるトランスデューサは、約７５０から２０００ボルトＤＣに範囲するバイアス電圧の上に乗った２００から１００ボルトピーク・ツー・ピークの信号によって駆動されえる。
【０１８５】
電気活性ポリマー、またはその一部のための適切な駆動電圧は、ポリマーフィルムの厚さのようなポリマーの寸法と共に、誘電率のような電気活性ポリマーの材料的特性に基づいて変わりえる。例えば、図２Ａにおけるポリマー１２を駆動するのに用いられる駆動電界は、約０Ｖ／ｍから約４４０ＭＶ／ｍの大きさに範囲する。このレンジの駆動電界は、約０Ｐａから約１０ＭＰａの範囲の圧力を作りえる。トランスデューサがより大きな力を作るためには、ポリマーレイヤの厚さが増されなければならない。特定のポリマーについての駆動電圧は、誘電率を増し、ポリマー厚さを減らし、かつ弾性率を減らすことによって例えば低減されえる。
【０１８６】
図４Ｎは、本発明のある実施形態による開ループ可変剛性／制動システムの電気ブロック図を示す。システム１３０は、電気活性ポリマートランスデューサ１３２、電圧源１３４、可変剛性／制動回路１３６および開ループ制御１３８を備える制御電子回路、およびバッファキャパシタ１４０を備える。
【０１８７】
電圧源１３４は、システム１３０内で用いられる電圧を供給する。この場合、電圧源１３４は、トランスデューサ１３２のための最小電圧を設定する。開ループ制御１３８と共にこの最小電圧を調整することは、トランスデューサ１３２によって提供される剛性を調整する。電圧源１３４はまたシステム１３０に電荷を供給する。電圧源１３４は、約１〜１５ボルトの範囲の電圧を供給する低電圧バッテリ、およびバッテリの電圧を昇圧するステップアップ回路のような商業的に入手可能な電圧源を含みえる。この場合、トランスデューサ１３２の電極と電気的に通信するステップダウン回路によって実行される電圧ステップダウンは、トランスデューサ１３２からの電気出力電圧を調整するのに用いられえる。あるいは電圧源１３４は、バッテリから可変高電圧出力を作りえる可変ステップアップ回路を含みえる。以下にさらに詳細に記載されるように、電圧源１３４は、特定の剛性領域でポリマーを動作させるために、後述のスレッショルド電界を印加するのに用いられえる。
【０１８８】
システム１３０の所望の剛性または制動は、可変剛性／制動回路１３６によって制御され、これはシステム１３０内の制御電子回路によって提供される電気的状態を設定および変化させることによって、トランスデューサ１３２によって与えられる所望の剛性／制動を提供する。この場合、剛性／制動回路３６は、所望の電圧を電圧源１３４に入力し、および／またはパラメータを開ループ制御１３８に入力する。あるいはもし電圧源１３４を昇圧するためにステップアップ回路が用いられるなら、回路１３６は電圧制御を可能にするための信号をステップアップ回路に入力しえる。
【０１８９】
トランスデューサ１３２が撓むとき、その変化する電圧は、電荷がトランスデューサ１３２およびバッファキャパシタ１４０間で移動するようにさせる。よって例えば振動する機械的インタフェースからの、外部から誘起されたトランスデューサ１３２の膨張および収縮は、電荷が開ループ制御１３８を通してトランスデューサ１３２およびバッファキャパシタ１４０の間で行ったり来たりするようにさせる。トランスデューサ１３２へ、またはそれから動かされる電荷のレートおよび量は、バッファキャパシタ１４０の特性、トランスデューサ１３２に印加される電圧、電気回路中の任意の他の電気的要素（電流がその中を通るときに制動機能を与える開ループ制御１３８として用いられる抵抗のような）、トランスデューサ１３２の機械的構成、およびトランスデューサ１３２に、またはそれによって与えられる力に依存する。ある実施形態においてバッファキャパシタ１４０は、トランスデューサ１３２のそれと実質的に等しい電圧を有し、システム１３０の電圧は電圧源１３４によって設定され、開ループ制御１３８はワイヤであり、このとき、トランスデューサ１３２の撓みについて実質的に自由な電荷の流れがトランスデューサ１３２およびバッファキャパシタ１４０の間で起こる。
【０１９０】
開ループ制御１３８は、トランスデューサ１３２によって与えられる剛性のための受動（供給される外部エネルギーなしで）動的応答を提供する。すなわち、トランスデューサ１３２によって提供される剛性は、制御電子回路および電圧源１３４のようなシステム１３０内に含まれる電気要素によって、または電気要素のうちの１つに働く制御回路１３６からの信号によって設定されえる。いずれの場合も、トランスデューサ１３２の応答は、それに与えられる外部の機械的撓みに対して受動的である。ある実施形態において、開ループ制御１３８は抵抗である。抵抗の抵抗値は、例えばトランスデューサが実現される機械的システム中の振動の周期のような関心のある時間に対してＲＣ時定数を提供するために設定しえる。ある実施形態において抵抗は、直列に接続された開ループ制御１３８およびトランスデューサ１３２のＲＣ時定数が、関心のある周波数に比較して長いように、高抵抗を有する。この場合、トランスデューサ１３２は、関心のある時間のあいだ、実質的に一定の電荷を有する。ある応用例については、関心のある周波数の周期の約５から約３０倍の範囲の抵抗およびトランスデューサのＲＣ時定数を作る抵抗が適切でありえる。巡回的運動を含む応用例については、関心のある機械的周期よりもはるかに大きくＲＣ時定数を増すことは、１サイクルのあいだのトランスデューサ１３２の電極上の電荷の量が実質的に一定に留まることを可能にする。トランスデューサが制動のために用いられる場合においては、関心のある周波数の周期の約０．１から約４倍の範囲の抵抗およびトランスデューサのＲＣ時定数を作る抵抗が適切でありえる。当業者なら抵抗に用いられる抵抗値が応用例に基づいて、特に関心のある周波数およびトランスデューサ１３２のサイズ（および、よってキャパシタンスＣ）について変わりえることが理解されよう。
【０１９１】
開ループ技術を用いて剛性および／または制動を制御するのに用いられる適切な電気状態のある実施形態においては、制御電子回路は、電流に最小限の影響を与える電気的不正確さまたは回路の詳細から来るものを除いて、実質的に一定の電荷をトランスデューサ１３２の電極に与える。実質的に一定の電荷は、トランスデューサ１３２の撓みに抵抗するポリマーの増加された剛性につながる。実質的に一定の電荷を達成するある電気的構成は、上述のように高いＲＣ時定数を有するものである。開ループ制御１３８およびトランスデューサ１３２のＲＣ時定数の値が関心のある周波数に比較して長いとき、トランスデューサ１３２の電極上の電荷は実質的に一定である。剛性および／または制動制御のさらなる記載は、共通して所有された特許出願第１０／０５３，５１１号にさらに記載され、これは全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０１９２】
発電について、機械エネルギーは、電気エネルギーの変化がポリマーと接触する電極から取り除かれることを可能にするようなやりかたで、ポリマーまたはアクティブ領域に印加されえる。機械エネルギーを印加し、電気エネルギー変化をアクティブ領域から取り除く多くの方法が可能である。巻かれたデバイスは、電気エネルギー変化を受け取るためにこれらの方法の１つ以上を利用するよう設計されえる。発電および検出について、電気エネルギーの発電および利用は、ある種の調整電子回路を必要とする。例えば少なくとも、電気エネルギーをアクティブ領域から取り除くために最小限の量の回路が必要とされる。さらに他の例として、特定のアクティブ領域における電気発生の効率または量を増すために、または出力電圧をより有用な値に変換するために、複雑さの度合いがさまざまである回路が用いられえる。
【０１９３】
図５Ａは、パワー調整電子回路６１０に接続されるトランスデューサ上の１つ以上のアクティブ領域６００のブロック図である。パワー調整電子回路６１０によって実行されえる本質的な機能は、以下に限定されないが、１）電圧をアクティブ領域６００に印加するときに用いられえるステップアップ回路６０２によって実行される電圧ステップアップ、２）特定の時にアクティブ領域６００から電荷を追加または除去するために用いられえる電荷制御回路６０４によって実行される電荷制御、３）トランスデューサへの電気出力電圧を調整するのに用いられえるステップダウン回路６０８によって実行される実行される電圧ステップダウンを含みえる。これら機能の全ては、調整電子回路６１０内には必要とされないかもしれない。例えばいくつかのトランスデューサデバイスは、ステップアップ回路６０２を使用しないかもしれないし、他のトランスデューサデバイスはステップダウン回路６０８を使用しないかもしれないし、またはいくつかのトランスデューサデバイスはステップアップ回路およびステップダウン回路を使用しないかもしれない。またいくつかの回路機能は集積されえる。例えば１つの集積回路が、ステップアップ回路６０２および電荷制御回路６０８の両方の機能を実行しえる。
【０１９４】
図５Ｂは、本発明のある実施形態によるトランスデューサ６００を採用する巻かれたデバイス６０３の回路ブロック図である。上述のように本発明のトランスデューサは、可変キャパシタとして電気的には振る舞いえる。トランスデューサ６０３の動作を理解するために、２つの時刻ｔ1およびｔ2における巻かれたトランスデューサ６０３の動作パラメータが比較されえる。任意の特定の理論に拘束されることを望まないが、発電機６０３の電気的パフォーマンスに関する多くの理論的関係が展開される。これらの関係は、記載されるデバイスが動作されるやりかたを制限するように意図されたものではなく、例示的目的のみで提供される。
【０１９５】
第１時刻ｔ1において、巻かれたトランスデューサ６００はキャパシタンスＣ1を持ち、トランスデューサ６００間の電圧は、電圧６０１、ＶBでありえる。電圧６０１、ＶBは、ステップアップ回路６０２によって提供されえる。時刻ｔ1より後の第２時刻ｔ2において、トランスデューサ６００は、キャパシタンスＣ1より低いキャパシタンスＣ2を持ちえる。一般に言って、より高いキャパシタンスＣ１は、ポリマートランスデューサ６００が面積において伸長されるときに起こり、より低いキャパシタンスＣ２は、ポリマートランスデューサ６００が面積において収縮または緩和されるときに起こる。任意の特定の理論に拘束されることを望まないが、電極付きのポリマーフィルムのキャパシタンスの変化は、キャパシタンスをフィルムの面積、厚さ、および誘電率に関連付けるよく知られた公式によって推定されえる。
【０１９６】
ｔ1およびｔ2間のトランスデューサ６００のキャパシタンスの減少は、トランスデューサ６００間の電圧を増す。増加された電圧は、ダイオード６１６を通る電流を駆動するのに用いられえる。ダイオード６１５は、そのような時に電荷がステップアップ回路に逆流するのを阻止するのに用いられえる。２つのダイオード６１５および６１６は、トランスデューサ６００のための電荷制御回路６０４として機能し、これはパワー調整電子回路６１０（図５Ａ参照）の一部である。発電機６０３および１つ以上のトランスデューサ６００の構成に依存して、より複雑な電荷制御回路が開発されえ、これらは図５Ｂの設計に限定されない。
【０１９７】
トランスデューサはまた、検出される対象のパラメータの変化を計測するための電気活性ポリマーセンサとしても用いられえる。典型的にはパラメータ変化は、トランスデューサ内の撓みを誘起し、これはトランスデューサに取り付けられた電極によって出力される電気的変化に変換される。ポリマーを撓ませるために機械的または電気的エネルギーを与える多くの方法が可能である。典型的にはトランスデューサからの電気エネルギーの検出は、ある種の電子回路を用いる。例えば、電極間の電気的状態の変化を検出するために最小限の量の回路は必要とされる。
【０１９８】
図６は、本発明のある実施形態によるトランスデューサ４５１を採用するセンサ４５０のブロック図である。図７に示されるように、センサ４５０は、トランスデューサ４５１およびトランスデューサ４５１に含まれる電極に電気的に通信するさまざまな電子回路４５５を備える。電子回路４５５は、トランスデューサ４５１から電気的エネルギーを追加、除去、および／または検出するよう設計または構成される。電子回路４５５の要素の多くは個別ユニットとして記載されるが、いくつかの回路機能は集積されえることが理解されよう。例えば、１つの集積回路が論理デバイス４６５および電荷制御回路４５７の両方の機能を実行しえる。
【０１９９】
ある実施形態においては、トランスデューサ４５１は、最初はその電極間に電圧を印加することによって検出の準備をする。この場合、電圧ＶIが電圧４５２によって提供される。一般に電圧ＶIは、トランスデューサ４５１を駆動するのに必要とされる電圧より低い。ある実施形態において、低電圧バッテリは、約１〜１５ボルトの範囲にある電圧ＶIを供給しえる。特定の実施形態においては、電圧ＶIの選択は、ポリマー誘電率、ポリマーのサイズ、ポリマーの厚さ、環境ノイズ、および電磁的干渉、センサ情報を使用または処理しえる電子回路との適合性など多くのファクタに依存する。初期電荷が電子制御サブ回路４５７を用いてトランスデューサ４５１上に与えられる。電子制御サブ回路４５７は、典型的には、シングルチップコンピュータまたはマイクロプロセッサのような電圧および／または電荷制御機能をトランスデューサ４５１に対して実行するための論理デバイスを含みえる。電子制御サブ回路４５７はそれから、初期的に比較的低い電圧をトランスデューサ４５１に印加するために、電圧４５２によって提供される電圧を変化する働きを担う。
【０２００】
検出電子回路４６０は、トランスデューサ４５１の電極と電気的通信をし、トランスデューサ４５１の電気エネルギーまたは特性の変化を検出する。検出に加えて、検出電子回路４６０は、トランスデューサ４５１の電気エネルギーまたは特性の変化を検出、計測、処理、伝達、および／または記録するよう構成された回路を含みえる。本発明の電気活性ポリマートランスデューサは、なんらかの方法で電気活性ポリマートランスデューサの撓みに応答するよう電気的に振る舞いえる。したがって、トランスデューサ４５１の電気的エネルギーの変化を検出するために、多くの単純な電気的計測回路およびシステムが計測電子回路４６０内で実現されえる。例えばもしトランスデューサ４５１がキャパシタンスモードで動作するなら、トランスデューサ４５１のキャパシタンスの変化を検出するためには単純なキャパシタンスブリッジが用いられえる。他の実施形態において、高抵抗の抵抗器がトランスデューサ４５１と直列に配置され、高抵抗抵抗器の両端の電圧降下がトランスデューサ４５１が撓むときに計測される。より具体的には、電気活性ポリマーの撓みによって誘起されたトランスデューサ４５１の電圧の変化は、高抵抗抵抗器を通る電流を駆動するのに用いられる。抵抗器にわたる電圧変化の極性がそれから電流の方向、およびポリマーが伸長または収縮しているかを決定する。抵抗検出技術も、ポリマーに含まれた抵抗の変化、または電極の抵抗の変化を計測するのに用いられえる。これら技術のある例は、共通して所有された特許出願第１０／００７，７０５号に記載され、これは先に参照によって援用された。
【０２０１】
６．応用例
【０２０２】
以下に挙げられるのは、上述の熱力学的仕事を流体に行ういくつかのトランスデューサおよびデバイスのためのいくつかの例示的応用例である。ここで記載される例示的応用例は、本発明の範囲を限定するよう意図されていない。当業者にはわかるように、本発明のトランスデューサは、電気および機械エネルギー間の変換を要求する無数の応用例において使用例を見いだせる。
【０２０３】
図７Ａは、熱力学的仕事を流体に行うＥＰＡＭデバイスに接続された人間または動物のような宿主５００のブロック図である。本発明のＥＰＡＭデバイスは、医用応用例において駆動力を流体に与えるために用いられえる。大きくは、ＥＰＡＭデバイスは、人間または動物のような宿主の医療において、血液、空気、薬用成分を持つ薬剤、リンパ液、食物、脊髄液、排出液（例えば尿）、胃液など任意の流体を動かすのに用いられえる。特に、ＥＰＡＭデバイスは、心臓の代わりに、または心臓と共に血液に対してポンプ動作するような心臓補助を実行する医用デバイスに統合されえる。ＥＰＡＭデバイスは、呼吸が困難な人を助けるために人工呼吸器および肺補助デバイスのような、人体に空気を供給する医用デバイスのために用いられえる。
【０２０４】
さらに他の実施形態において、ＥＰＡＭデバイスは、１）透析デバイス（例えば流体を人体の中へ、および外へ移動させる）、２）血漿泳動デバイス（例えば血漿を人体の中へ、および外へ移動させる）、３）血液ポンプデバイス（例えば血液を輸液の一部として人体の中へ注入する）、および４）薬剤送出デバイス（例えば薬剤をＩＶから注入する、または薬剤を人体中に埋め込まれたデバイスを介して送出する）の一部として熱力学的仕事を流体に行うために用いられえる。
【０２０５】
熱力学的仕事を行うＥＰＡＭデバイスは、体の外部（体外）にあってもよく（５０１）、なんらかの方法で体に接続されてもよい。例えば、体に接続される透析器または心臓移植手術のあいだ血液を循環させるデバイスは、本発明のＥＰＡＭデバイスを用いえる。ＥＰＡＭデバイスは、体の内部に位置しえる。例えば、インシュリンのような薬剤を送出する医用デバイス５０２は、皮下に埋め込まれて、インシュリンを体内に注入するためにＥＰＡＭデバイスを使用しえる。他の実施形態において、埋め込まれたデバイス５０２は、傷ついた、または病気の心臓を助ける人工心臓、または心臓補助デバイスでありえる。さらに他の実施形態において、熱力学的仕事を流体に行うＥＰＡＭデバイスは、着用可能である。例えば、人は薬剤を送出するＥＰＡＭポンプデバイスのようなデバイス５０３を着用しえる。
【０２０６】
他の実施形態において、熱力学的仕事を行うＥＰＡＭデバイスは、極端な環境下で用いられる服または装置内で用いられえる。例えば、ＥＰＡＭデバイスは、ダイビングスーツ内で流体を移動および制御し、生物／化学保護服中で流体を循環し、および防火服中で流体を循環するのに用いられえる。循環される流体は、体温を制御および冷却するような熱制御のためや、呼吸できる流体を供給するのに用いられえる。流体は、服内、または服に用いられる材料内に常駐する導管内で規定される空間内で循環されえる。
【０２０７】
図７Ｂは、熱力学的仕事を流体に行うＥＰＡＭデバイスを採用する自動車および自動車のサブシステム５１５のブロック図である。大きくは熱力学的仕事を行うＥＰＡＭデバイスは、自動車のサブシステム内で用いられる任意の流体に熱力学的仕事を行うために用いられえる。特に、ＥＰＡＭデバイスは、エンジンを冷却するために用いられる空気または水のような流体を内部導管内でポンプで動かすためにエンジン冷却サブシステム５０９内で用いられえる。ＥＰＡＭデバイスは、冷却ファン、またはエンジンブロックまたはラジエータのようなエンジン部品周りを外から空気を動かすのに用いられるデバイス内で用いられえる。
【０２０８】
他の実施形態において、ＥＰＡＭデバイスは、風防に風防ワイパー流体を送出するための風防流体システム中で用いられえる。ＥＰＡＭデバイスは、燃料をエンジンに送る燃料ポンプの一部として、またはエンジン内で用いられる空気ポンプ／圧縮機システムの一部として燃料／空気システム５０７内で用いられえる。ＥＰＡＭデバイスは、加熱または冷却された空気を乗客室内へ送るために、冷凍システムのための冷却ファンの一部として冷媒を送出するためにヒーティング／ＡＣシステム５０５内で用いられえる。ＥＰＡＭデバイスは、オイルポンプ内の要素としてエンジン／オイルシステム５１１の一部として用いられえる。ＥＰＡＭデバイスは、排気ガスをシステムを通して移動させるための排気／汚染制御システム５０６の一部として用いられえる。
【０２０９】
特定の実施形態において、ＥＰＡＭデバイスは、タイヤに圧縮された空気を加えるためのタイヤシステム５１０の一部として用いられえる。タイヤポンプは、それぞれのタイヤに位置しえ、これによりタイヤがそれ自身のタイヤ圧を自己制御できる。ＥＰＡＭタイヤポンプは、タイヤ内の圧力、道路状況（例えば乾いた、濡れた、氷のあるなど）、および環境条件（例えば温度）を計測するセンサに接続されえる。自動車が運転されているときに、走行が開始されたときに、および／または停車中に、センサデータからＥＰＡＭタイヤポンプ５１０は、適切なタイヤ圧を決定し、タイヤ圧を調整しえる。タイヤポンプは、自動車内のセンサ制御システムに接続されえる。
【０２１０】
図７Ｃは、インクジェットプリンタヘッド５２０内で熱力学的仕事を流体に行うＥＰＡＭデバイスのブロック図である。インクジェットプリンタヘッドは、複数の毛細管チューブノズル５２３を含みえ、これらはＥＰＡＭ材料から構成されえる。ＥＰＡＭバルブ５２４は、ノズル５２３へのフローを制御するためにそれぞれのノズルと共に用いられえる。ＥＰＡＭマイクロロールアクチュエータ５２１は、インクリザーバ５２２からインクを吐出し、ノズル５２３から放出する前にインクを加圧するのに用いられえる。本発明と共に用いられえるＥＰＡＭバルブおよびノズルの詳細は、Ｈｅｉｍらによる２００３年３月５日に出願された「Electroactive Polymer Devices for Controlling Fluid Flow」と題された同時係属中の米国特許出願第１０／  、  号に記載され、これは先にここで記載された。
【０２１１】
ある実施形態において、集積されたＥＰＡＭデバイスは、ポンプ、バルブおよびノズルの機能を実行しえる。単一のＥＰＡＭ要素は、流体（例えばインク）の加圧を実行し、それからＥＰＡＭデバイスのポンプ部分のストロークの最後において、または所定の時間が決められた部分において噴射ノズル５２３のバルブ５２４（ピントルとも呼ばれる）を開放しえる。加圧された液体はそれからノズルを通って流れるときに霧状にされえる。この実施形態は、インクジェットヘッドまたは自動車の燃料噴射機のような霧状の噴射の正確な計量が必要とされる場合に用いられえる。
【０２１２】
６．結論
【０２１３】
本発明はいくつかの好ましい実施形態について記載されてきたが、簡潔さのために省略された、本発明の範囲に入る代替物、組み合わせ、および等価物が存在する。例えば、本発明はいくつかの具体的な電極材料について記載されてきたが、本発明はこれらの材料に限定されず、場合によっては空気を電極として含みえる。加えて、本発明は円形に巻かれた幾何学的形状について記載されてきたが、本発明はこれら形状には限定されず、正方形、長方形、または楕円の断面およびプロファイルを持つ巻かれたデバイスを含みえる。したがって本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきであることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０２１４】
【図１Ａ】本発明のある実施形態による電圧の印加の前のトランスデューサ部の上面図である。
【図１Ｂ】本発明のある実施形態による電圧の印加の後のトランスデューサ部の上面図である。
【図２Ａ】熱力学的仕事を流体に行う鞭毛状運動を利用する電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイスを示す図である。
【図２Ｂ】熱力学的仕事を流体に行う鞭毛状運動を利用する電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイスを示す図である。
【図２Ｃ】熱力学的仕事を流体に行う鞭毛状運動を利用する電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイスを示す図である。
【図２Ｄ】熱力学的仕事を流体に行う鞭毛状運動を利用する電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイスを示す図である。
【図２Ｅ】熱力学的仕事を流体に行うベローズを持つ電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイスを示す図である。
【図２Ｆ】熱力学的仕事を流体に行うベローズを持つ電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイスを示す図である。
【図２Ｇ】ＥＰＡＭトランスデューサによって駆動されるピストン、およびピストンシリンダの容積を制御するＥＰＡＭトランスデューサを持つ熱力学的仕事を流体に行う電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイスを示す図である。
【図２Ｈ】ＥＰＡＭトランスデューサによって駆動されるファン、およびファンブレードの形状および姿勢を制御するＥＰＡＭトランスデューサを持つ熱力学的仕事を流体に行う電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）デバイスを示す図である。
【図２Ｉ】熱源周りに冷却流体を循環させる電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）球状ポンプデバイスを示す図である。
【図２Ｊ】電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）蠕動ポンプデバイスのある実施形態を示す図である。
【図２Ｋ】電気活性ポリマー（ＥＰＡＭ）波状運動ポンプデバイスのある実施形態を示す図である。
【図２Ｌ】ベローズバネロールトランスデューサの実施形態を示す図である。
【図２Ｍ】ベローズバネロールトランスデューサの実施形態を示す図である。
【図３Ａ】ＥＰＡＭチューブポンプデバイスの第１実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】ＥＰＡＭチューブポンプデバイスの第１実施形態を示す図である。
【図３Ｃ】ＥＰＡＭ油圧シリンダデバイスのある実施形態を示す図である。
【図３Ｄ】ＥＰＡＭ油圧シリンダデバイスのある実施形態を示す図である。
【図３Ｅ】ＥＰＡＭチューブポンプデバイスの第２実施形態を示す図である。
【図３Ｆ】ＥＰＡＭダイアフラムアレイポンプの実施形態を示す図である。
【図３Ｇ】ＥＰＡＭフィルムポンプの実施形態を示す図である。
【図３Ｈ】ＥＰＡＭフィルムポンプの実施形態を示す図である。
【図３Ｉ】多段ＥＰＡＭ圧縮機またはポンプデバイスの実施形態を示す図である。
【図３Ｊ】多段ＥＰＡＭ圧縮機またはポンプデバイスの実施形態を示す図である。
【図４Ａ】本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマーデバイスを示す図である。
【図４Ｂ】本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマーデバイスを示す図である。
【図４Ｃ】本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマーデバイスを示す図である。
【図４Ｄ】本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマーデバイスを示す図である。
【図４Ｅ】本発明のある実施形態による図２Ａの巻かれた電気活性ポリマーデバイスのエンドピースを示す図である。
【図４Ｆ】本発明のある実施形態によるポリマー撓みに関連する構造変化に基づいた可変剛性を提供する曲げトランスデューサを示す図である。
【図４Ｇ】９０度の曲げ角を持つ図４Ａのトランスデューサを示す図である。
【図４Ｈ】本発明の他の実施形態による可変剛性を提供するのに適するボウデバイスを示す図である。
【図４Ｉ】駆動後の図４Ｃのボウデバイスを示す図である。
【図４Ｊ】本発明のある実施形態による単一のポリマー上の複数のアクティブ領域を備えるモノリシックトランスデューサを示す図である。
【図４Ｋ】本発明のある実施形態による巻かれる前の単一のポリマー上の複数のアクティブ領域を備えるモノリシックトランスデューサを示す図である。
【図４Ｌ】本発明のある実施形態による２次元出力を作る巻かれたトランスデューサを示す図である。
【図４Ｍ】半径方向にアラインされたアクティブ領域の１つのセットについての駆動がなされる図４Ｌの巻かれたトランスデューサを示す図である。
【図４Ｎ】本発明のある実施形態による開ループ可変剛性／制動システムの電気ブロック図である。
【図５Ａ】パワー調整電子回路に接続された１つ以上のアクティブ領域のブロック図である。
【図５Ｂ】本発明のある実施形態による巻かれた電気活性ポリマートランスデューサを採用するデバイスの回路ブロック図である。
【図６】本発明のある実施形態による電気活性ポリマートランスデューサを採用するセンサのブロック図である。
【図７Ａ】熱力学的仕事を流体に行うＥＰＡＭデバイスに接続された人体のブロック図である。
【図７Ｂ】熱力学的仕事を流体に行うＥＰＡＭデバイスを採用する自動車および自動車サブシステムのブロック図である。
【図７Ｃ】インクジェットプリンタ上で熱力学的仕事を流体に行うＥＰＡＭデバイスのブロック図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図２Ｉ】
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【図２Ｊ】
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【図２Ｋ】
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【図２Ｌ】
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【図２Ｍ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
2005522162.tif 000020
【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図３Ｇ】
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【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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【図３Ｊ】
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【図４Ａ】
2005522162.tif 000028
【図４Ｂ】
2005522162.tif 000029
【図４Ｃ】
2005522162.tif 000030
【図４Ｄ】
2005522162.tif 000031
【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
2005522162.tif 000033
【図４Ｇ】
2005522162.tif 000034
【図４Ｈ】
2005522162.tif 000035
【図４Ｉ】
2005522162.tif 000036
【図４Ｊ】
2005522162.tif 000037
【図４Ｋ】
2005522162.tif 000038
【図４Ｌ】
2005522162.tif 000039
【図４Ｍ】
2005522162.tif 000040
【図４Ｎ】
2005522162.tif 000041
【図５Ａ】
2005522162.tif 000042
【図５Ｂ】
2005522162.tif 000043
【図６】
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【図７Ａ】
2005522162.tif 000045
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年11月18日(2004.11.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱力学的仕事を流体に行うデバイスであって、
１つ以上のトランスデューサであって、それぞれのトランスデューサは少なくとも２つの電極、および前記少なくとも２つの電極に電気的に接続する電気活性ポリマーを備え、前記電気活性ポリマーの一部は、電界の変化に応答して第１位置から第２位置に撓むように構成される、１つ以上のトランスデューサ、
流体に接触し、前記１つ以上のトランスデューサに動作可能に結合された少なくとも１つの表面であって、前記電気活性ポリマーの前記一部の前記撓みは、前記熱力学的仕事が前記流体に行われるようにし、前記熱力学的仕事は前記流体に前記１つの表面を介して伝達される少なくとも１つの表面
を備えるデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、前記１つの表面は、前記１つ以上のトランスデューサに機械的リンケージを介して結合されるデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスであって、
前記流体を受け取るチャンバであって、前記チャンバの境界表面は、前記１つの表面を含むチャンバ
をさらに備えるデバイス。
【請求項４】
請求項３に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーの前記部分の前記撓みは、前記チャンバの容積の変化を引き起こすデバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のデバイスであって、
前記流体が前記デバイスを通って移動することを可能にするフローパスの少なくとも一部を提供するのに用いられる１つ以上の流体導管
をさらに備えるデバイス。
【請求項６】
請求項１に記載のデバイスであって、前記デバイスは、第２デバイス中の１つ以上の位置における温度を制御する熱制御システムにおいて用いられるデバイス。
【請求項７】
請求項６に記載のデバイスであって、前記第２デバイスはコンピュータであり、前記位置群のうちの１つは前記コンピュータのマイクロプロセッサの近傍であるデバイス。
【請求項８】
請求項６に記載のデバイスであって、前記流体は、熱エネルギーを第１位置から、前記第２デバイス中の第２位置へ伝導するデバイス。
【請求項９】
請求項１に記載のデバイスであって、
強制戻りメカニズムであって、前記強制戻りメカニズムは、前記電気活性ポリマーの前記部分が前記第２位置から前記第１位置へ戻る力の少なくとも一部を提供する強制戻りメカニズム
をさらに備えるデバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載のデバイスであって、
前記１つの表面を前記１つの表面と接触する前記流体の成分から保護するよう設計または構成される絶縁バリア
をさらに備えるデバイス。
【国際調査報告】
2005522162.tif 000048
2005522162.tif 000049