(57)【要約】【課題】平面外の撓みを作る電気活性ポリマートランスデューサを提供する。【解決手段】トランスデューサは、電気活性ポリマーの撓みに基づく表面フィーチャのセットを形成する。表面フィーチャのセットは、隆起したポリマー表面フィーチャおよび／または沈下した電極表面フィーチャを含みえる。アクティブ領域のアクチュエーションは、１つ以上の表面フィーチャを作るポリマー撓みを作りえる。ある実施形態においては、パッシブレイヤがポリマーに動作可能に接続し、平面外の撓みを増す。このパッシブレイヤは、厚さ変化を増幅し、表面フィーチャの可視性を増すために、より厚くより柔らかい材料を備えうる。【選択図】図１Ｄ
2007534283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気活性ポリマートランスデューサであって、前記トランスデューサは、
前記ポリマーの第１表面上の表面領域についての非撓み厚さを有する電気活性ポリマー、
前記電気活性ポリマーの前記第１表面の一部に設けられた第１電極、
前記電気活性ポリマーの第２表面の一部に設けられた第２電極
を備え、
前記電気活性ポリマーは、アクティブ領域の撓みの後に前記非撓み厚さより高いポリマー表面フィーチャを含むよう構成され、前記第１電極は、アクティブ領域の撓みの後に前記非撓み厚さより低い電極表面フィーチャを含むよう構成される
トランスデューサ。
【請求項２】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記ポリマー表面フィーチャは、前記第１表面上の前記第１電極の外であるトランスデューサ。
【請求項３】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記第１または第２表面上に設けられた第３電極をさらに備えるトランスデューサ。
【請求項４】
請求項２に記載のトランスデューサであって、前記第１電極または前記第２電極は、共通電極であるトランスデューサ。
【請求項５】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記第１電極または前記第２電極は、コンプライアンスを有しない電極を備えるトランスデューサ。
【請求項６】
請求項５に記載のトランスデューサであって、前記第１電極または前記第２電極は、金属を備えるトランスデューサ。
【請求項７】
請求項５に記載のトランスデューサであって、前記第１電極または前記第２電極は、堅固なまたは半可撓性電極を備えるトランスデューサ。
【請求項８】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記第１電極または前記第２電極は、コンプライアンスを有する電極を備えるトランスデューサ。
【請求項９】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記第１電極または前記第２電極は、前記ポリマー表面フィーチャまたは前記電極表面フィーチャの表面形状に影響を与えるよう表面領域内に構成されるトランスデューサ。
【請求項１０】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記第１表面は、前記撓みの前には実質的に平坦であるトランスデューサ。
【請求項１１】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記ポリマー表面フィーチャまたは電極表面フィーチャは、幾何学的形状について類似するトランスデューサ。
【請求項１２】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記ポリマー表面フィーチャまたは電極表面フィーチャは文字に似るトランスデューサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のトランスデューサであって、前記第１電極は、前記文字の前記表面形状に似る前記第１表面上の形状を含むトランスデューサ。
【請求項１４】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記トランスデューサはアクチュエータまたはセンサのうちの１つに含まれるトランスデューサ。
【請求項１５】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記アクティブ領域は、前記電気活性ポリマーの一部が前記第１および第２電極によって提供される電界の変化に応答して撓むことを引き起こすやり方で構成されるトランスデューサ。
【請求項１６】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記アクティブ領域は、前記部分に印加された撓みに応答して、前記電気活性ポリマーの一部における電界の変化を引き起こすやり方で構成されるトランスデューサ。
【請求項１７】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記第２表面に取り付けられる堅固なレイヤをさらに備えるトランスデューサ。
【請求項１８】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記非撓み厚さは、前記第２表面から前記第１表面へ計測されるトランスデューサ。
【請求項１９】
電気活性ポリマートランスデューサであって、前記トランスデューサは、
前記ポリマーの第１表面上の表面領域についての非撓み厚さを有する電気活性ポリマー、
前記電気活性ポリマーの前記第１表面の一部に設けられた第１電極、
前記電気活性ポリマーの第２表面の一部に設けられた第２電極
を備え、
前記電気活性ポリマーおよび第１電極は、アクティブ領域の撓みの後に、前記第１表面上の表面フィーチャのセットを作るように構成され、前記フィーチャのセットは、ａ）前記非撓み厚さより高く隆起されるポリマー表面フィーチャ、またはｂ）電極表面フィーチャが前記非撓み厚さより低く沈下される電極表面フィーチャを含む
トランスデューサ。
【請求項２０】
請求項１９に記載のトランスデューサであって、前記第１または第２電極は、コンプライアンスを有する電極を備えるトランスデューサ。
【請求項２１】
請求項１９に記載のトランスデューサであって、前記第１電極または前記第２電極は、コンプライアンスを有しない電極を備えるトランスデューサ。
【請求項２２】
請求項２１に記載のトランスデューサであって、前記第１電極または前記第２電極は、金属を備えるトランスデューサ。
【請求項２３】
請求項２１に記載のトランスデューサであって、前記第１電極または前記第２電極は、堅固なまたは半可撓性電極を備えるトランスデューサ。
【請求項２４】
請求項１９に記載のトランスデューサであって、前記表面フィーチャは、前記第１表面上の幾何学的形状に含まれるトランスデューサ。
【請求項２５】
請求項１９に記載のトランスデューサであって、前記第１電極は、前記文字の前記表面形状に寄与する前記第１表面上の形状を含むトランスデューサ。
【請求項２６】
電気活性ポリマーデバイスであって、前記デバイスは、
前記ポリマーの第１表面上の表面領域についての非撓み厚さを有する電気活性ポリマー、
前記電気活性ポリマーの前記第１表面の一部に設けられた第１電極、
前記電気活性ポリマーの第２表面の一部に設けられた第２電極
を備え、
前記電気活性ポリマーおよび第１電極は、アクティブ領域の撓みの後に、前記第１表面上の表面フィーチャのセットを作るように構成され、前記表面フィーチャのセットは、前記第１表面上の前記非撓み厚さより高いポリマー表面フィーチャ、または前記非撓み厚さより低い電極表面フィーチャを含み、および
前記第１表面に隣接し、前記電気活性ポリマーの前記撓みで撓むよう構成されることによって、前記電気活性ポリマーに対向する前記パッシブレイヤの表面が、前記第１表面上の表面フィーチャの前記セットに類似するパッシブレイヤ表面フィーチャのセットを形成するパッシブレイヤ
を備えるデバイス。
【請求項２７】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記パッシブレイヤは、前記電気活性ポリマーについての弾性係数より小さい弾性係数を備えるデバイス。
【請求項２８】
請求項２７に記載のデバイスであって、前記パッシブレイヤは、前記電気活性ポリマーの弾性係数の１０分の１より小さい弾性係数を備えるデバイス。
【請求項２９】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記パッシブレイヤは、前記電気活性ポリマーについての厚さより大きい厚さを備えるデバイス。
【請求項３０】
請求項２９に記載のデバイスであって、前記パッシブレイヤは、前記電気活性ポリマーについての厚さの２倍より大きい厚さを備えるデバイス。
【請求項３１】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記パッシブレイヤは実質的に平坦な表面に接触するデバイス。
【請求項３２】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記第１表面は、前記撓みの前には実質的に平坦な表面を備えるデバイス。
【請求項３３】
請求項３２に記載のデバイスであって、前記第２ポリマー表面に隣接する第２パッシブレイヤをさらに備えるデバイス。
【請求項３４】
請求項３３に記載のデバイスであって、前記第２パッシブレイヤは、前記電気活性ポリマーの前記撓みで撓むよう構成されることによって、前記電気活性ポリマーに対向する前記第２パッシブレイヤの表面が、前記第２表面上の前記電気活性ポリマー表面フィーチャに類似するパッシブレイヤ表面フィーチャの第２セットを形成するデバイス。
【請求項３５】
請求項３３に記載のデバイスであって、前記第１パッシブレイヤおよび前記第２パッシブレイヤは、非対称な厚さの変化を備えるデバイス。
【請求項３６】
請求項３５に記載のデバイスであって、前記第１パッシブレイヤは、前記第２パッシブレイヤよりもより大きな厚さまたはより大きな剛性を有するデバイス。
【請求項３７】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーに対向する前記パッシブレイヤ表面は、前記撓みの前には実質的に平坦であるデバイス。
【請求項３８】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記パッシブレイヤは、前記パッシブレイヤの歪みを持つ非線形弾性係数を備えるデバイス。
【請求項３９】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記電気活性ポリマーから前記パッシブレイヤに力を伝達するよう構成された、前記パッシブレイヤおよび前記電気活性ポリマーの間の中間構造をさらに備えるデバイス。
【請求項４０】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記撓みの前には第１状態を有し、前記撓みの後には第２状態を有する前記パッシブレイヤに結合された機械的出力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、前記状態は第１位置であり、前記第２状態は第２位置であるデバイス。
【請求項４２】
請求項４０に記載のデバイスであって、前記第１状態は第１形状であり、前記第２状態は第２形状であるデバイス。
【請求項４３】
請求項４０に記載のデバイスであって、前記機械的出力は鏡面状表面を含むデバイス。
【請求項４４】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記パッシブレイヤは前記第１電極を備えるデバイス。
【請求項４５】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記少なくとも２つの電極はコンプライアンスを有する電極を備えるデバイス。
【請求項４６】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記パッシブレイヤ表面フィーチャは幾何学的形状が類似するデバイス。
【請求項４７】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記パッシブレイヤ表面フィーチャの前記セットは文字に似るデバイス。
【請求項４８】
請求項２６に記載のデバイスであって、前記トランスデューサは、アクチュエータまたはセンサのうちの１つに含まれるデバイス。
【請求項４９】
請求項２６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第２表面に隣接して設けられる堅固なレイヤをさらに備えるデバイス。
【請求項５０】
請求項４９に記載のデバイスであって、前記堅固なレイヤは、前記第２電極を備えるデバイス。
【請求項５１】
電気活性ポリマートランスデューサをアクチュエートする方法であって、
前記第１表面上の第１表面フィーチャを作るために前記第１部分のアクチュエーションの前に前記ポリマーの第１表面上の第１表面領域についての非撓み厚さを含む前記電気活性ポリマーの第１部分をアクチュエートすること、および
前記第１表面上の第２表面フィーチャを作るために前記第２部分のアクチュエーションの前に前記ポリマーの第１表面上の第２表面領域についての非撓み厚さを含む前記電気活性ポリマーの第２部分をアクチュエートすること
を含む方法。
【請求項５２】
請求項５１に記載の方法であって、前記第１表面フィーチャは、前記電気活性ポリマーの前記第１部分をアクチュエートするのに用いられる電極の外である方法。
【請求項５３】
請求項５１に記載の方法であって、前記電気活性ポリマートランスデューサは、前記撓みの後に前記第１表面領域についての前記非撓み厚さより低い電極表面フィーチャを備える方法。
【請求項５４】
請求項５１に記載の方法であって、前記第２部分は、前記第１部分がアクチュエーションを終えた後にアクチュエートされる方法。
【請求項５５】
請求項５１に記載の方法であって、前記第１表面フィーチャは、前記アクチュエーションの後の前記非撓み厚さより高いポリマー表面フィーチャを備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、United States Defense Advanced Research Project Agencyによって認められた契約番号MDA972-02-C-0001の下で政府の支持で一部がなされた。政府は本発明に権利を有する。
【０００２】
本発明は、電気エネルギーおよび機械エネルギーの間で変換する電気活性ポリマーに一般に関する。より具体的には、本発明は、表面変形、表面テクスチャリングおよび表面幾何学形状制御に関連する電気活性ポリマーおよびその機能および応用例に関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの応用例において、電気エネルギーおよび機械エネルギーの間で変換することが望ましい。電気的エネルギーから機械的エネルギーへ変換するよくある技術は、モータおよび圧電セラミックを例えば含む。たいていの従来の電気から機械への技術は、限定された機械出力能力しか提供しない。モータは、連続的な回転出力であり、不連続または低周波数の動きを提供するためには追加のかさばる結合を一般には必要とする。圧電セラミックは、約１．６パーセント未満の堅固な電極間での平面内の歪みに典型的には限定され、より大きな歪みまたは平面外変形を必要とする応用例には適さない。
【０００４】
電気的エネルギーから機械的エネルギーへの、またはその逆の変換ができる新しい高機能ポリマーは、幅広いエネルギー変換応用例に今や利用可能である。これらのポリマーの１つのクラスである、電気活性ポリマー（誘電エラストマー、電子エラストマー、またはＥＰＡＭ（電気活性ポリマー人工筋肉））は、広く注目を集めている。電気活性ポリマーは、高いエネルギー密度、応力、および電子機械結合効率を示しえる。今日まで、電気活性ポリマートランスデューサおよびデバイスは、電気的および機械的エネルギー間の変換のために平面内歪みに関していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多くの応用例は、平面外方向において電気的および機械的エネルギー間で変換する軽量で、スケーラブルなデバイスを要求する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、平面外の撓みを作る電気活性ポリマートランスデューサを提供する。トランスデューサは、電気活性ポリマーの撓みに基づく表面フィーチャのセットを形成する。表面フィーチャのセットは、隆起したポリマー表面フィーチャおよび／または沈下した電極表面フィーチャを含みえる。アクティブ領域のアクチュエーションは、１つ以上の表面フィーチャを作るポリマー撓みを作りえる。ある実施形態においては、パッシブレイヤがポリマーに動作可能に接続し、平面外の撓みを増す。このパッシブレイヤは、厚さ変化を増幅し、表面フィーチャの可視性を増すために、より厚くより柔らかい材料を備えうる。
【０００７】
ある局面において、本発明は、電気活性ポリマートランスデューサに関する。前記トランスデューサは、前記ポリマーの第１表面上の表面領域についての非撓み厚さを有する電気活性ポリマーを備える。このトランスデューサはまた前記電気活性ポリマーの前記第１表面の一部に設けられた第１電極を備える。このトランスデューサはさらに前記電気活性ポリマーの第２表面の一部に設けられた第２電極を備える。前記電気活性ポリマーは、アクティブ領域の撓みの後に前記非撓み厚さより高いポリマー表面フィーチャを含むよう構成される。前記第１電極は、アクティブ領域の撓みの後に前記非撓み厚さより低い電極表面フィーチャを含むよう構成される。
【０００８】
他の局面において、本発明は、電気活性ポリマートランスデューサに関する。前記トランスデューサは、前記ポリマーの第１表面上の表面領域についての非撓み厚さを有する電気活性ポリマーを備える。このトランスデューサは、また前記電気活性ポリマーの前記第１表面の一部に設けられた第１電極および前記電気活性ポリマーの第２表面の一部に設けられた第２電極を備える。前記電気活性ポリマーおよび第１電極は、アクティブ領域の撓みの後に、前記第１表面上の表面フィーチャのセットを作るように構成される。前記フィーチャのセットは、ａ）前記非撓み厚さより高く隆起されるポリマー表面フィーチャ、またはｂ）電極表面フィーチャが前記非撓み厚さより低く沈下される電極表面フィーチャを含む。
【０００９】
他の局面において、本発明は、電気活性ポリマーデバイスに関する。前記デバイスは、前記ポリマーの第１表面上の表面領域についての非撓み厚さを有する電気活性ポリマーを備える。このデバイスは、前記電気活性ポリマーの前記第１表面の一部に設けられた第１電極、および前記電気活性ポリマーの第２表面の一部に設けられた第２電極を備える。前記電気活性ポリマーおよび第１電極は、アクティブ領域の撓みの後に、前記第１表面上の表面フィーチャのセットを作るように構成される。前記表面フィーチャのセットは、前記第１表面上の前記非撓み厚さより高いポリマー表面フィーチャ、または前記非撓み厚さより低い電極表面フィーチャを含む。このデバイスは、加えて、前記第１表面に隣接し、前記電気活性ポリマーの前記撓みで撓むよう構成されることによって、前記電気活性ポリマーに対向する前記パッシブレイヤの表面が、前記第１表面上の表面フィーチャの前記セットに類似するパッシブレイヤ表面フィーチャのセットを形成するパッシブレイヤを備える。
【００１０】
さらに他の局面において、本発明は、電気活性ポリマートランスデューサをアクチュエートする方法に関する。この方法は、前記第１表面上の第１表面フィーチャを作るために前記第１部分のアクチュエーションの前に前記ポリマーの第１表面上の第１表面領域についての非撓み厚さを含む前記電気活性ポリマーの第１部分をアクチュエートすることを含む。この方法は、また前記第１表面上の第２表面フィーチャを作るために前記第２部分のアクチュエーションの前に前記ポリマーの第１表面上の第２表面領域についての非撓み厚さを含む前記電気活性ポリマーの第２部分をアクチュエートすることを含む。
【００１１】
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付けられる図において記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、添付の図面に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説明される。以下の記載において、本発明の完全な理解を促すために多くの具体的な詳細が述べられている。しかし本発明はこれら特定の詳細の一部または全てがなくても実施されえることは当業者には明らかだろう。他の場合においてはよく知られたプロセスステップおよび／または構成は、本発明を不必要にぼかさないために記載されていない。
【００１３】
１．電気活性ポリマーの一般的構造
【００１４】
本発明のトランスデューサおよびデバイスにおける電気的および機械的エネルギー間での変換は、電気活性ポリマーの弾性および電気活性ポリマー（ＥＡＰ）の１つ以上の部分のエネルギー変換に基づく。
【００１５】
電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する電気活性ポリマーのパフォーマンスを示すのに役立つよう、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の上部透視図である。電気活性ポリマートランスデューサがここで構造体として説明されるが、当業者には本発明は後述されるような動作を実行する方法を包含することが理解されよう。
【００１６】
トランスデューサ部１０は、電気的エネルギーおよび機械的エネルギー間で変換する活性ポリマー１２を備える。ある実施形態において、電気活性ポリマーは、２つの電極間の絶縁誘電体として振る舞い、２つの電極間での電圧差の印加とともに撓みえるポリマーを指す。上部および底部電極１４および１６は、それぞれその上部および底部表面において電気活性ポリマー１２に取り付けられ、ポリマー１２の一部にわたって電圧差を提供する。ポリマー１２は、上部および底部電極１４および１６によって提供される電界における変化で撓む。電極１４および１６によって提供される電界における変化に応答するトランスデューサ部１０の撓みは、アクチュエーションと呼ばれる。
【００１７】
図１Ｂは、電界の変化に応答する撓みを含むトランスデューサ部１０の上部透視図である。一般に、撓み（deflection）は、ポリマー１２の一部の任意の変位、膨張、収縮、膨らみ、ねじれ、線または面積歪み、または任意の他の変形を指す。電極１４および１６に、またはそれらによって印加された電圧差に対応する電界における変化は、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なる電気的電荷は、互いに引き合い、電極１４および１６間に圧縮力を、平面方向１８および２０においてポリマー１２に伸長力を提供し、ポリマー１２が電極１４および１６間で圧力し、平面方向１８および２０において伸長するようにさせる。
【００１８】
電極１４および１６間の電圧の印加の後に、平面方向１８および２０の両方においてポリマー１２は拡大する（伸長する）。場合によっては、ポリマー１２は、非圧縮性であり、例えば応力下で実質的に一定の容積を有する。非圧縮性ポリマー１２については、ポリマー１２は、ポリマー１２は、平面方向１８および２０での拡大の結果、厚さが減る。本発明は非圧縮性ポリマー１２に限定されず、ポリマー１２の撓みはそのような簡単な関係に従わなくてもよいことが理解されよう。
【００１９】
図１Ａに示されるトランスデューサ部１０上の電極１４および１６間の比較的大きな電圧差の印加は、よってトランスデューサ部１０が図１Ｂに示されるようにより薄く、より大きな面積形状へと変化するようにさせる。このようにして、トランスデューサ部１０は、電気的エネルギーを機械的エネルギーへ変換する。
【００２０】
図１Ａおよび１Ｂに示されるように、電極１４および１６は、示されるポリマー１２の全体の部分を覆う。よりふつうには、電極１４および１６は、ポリマーの全表面面積に対してポリマー１２の限られた部分を覆う。本発明については、これは、ポリマーの非圧縮性を利用し、ポリマー表面の１つ以上の上で表面フィーチャ（surface features）および変形（deformations）を作るためになされる。これはまた、ポリマー１２のエッジの周りの電気的ブレークダウンを防ぐためにもなされえる。電極は、以下にさらに詳細に説明されるように、カスタマイズされた表面撓みを達成するために特別な形状でパターン付けされてもよい。
【００２１】
ここでこの語が用いられるように、アクティブ領域は、ポリマー材料１２および少なくとも２つの電極を備えるトランスデューサの一部を指す。このアクティブ領域が電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するのに用いられるとき、アクティブ領域は、この部分の撓みを可能にするだけ充分な静電力を有するポリマー１２の一部を含む。アクティブ領域が機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するのに用いられるとき、このアクティブ領域は、静電エネルギーの変化を可能にするのに充分な撓みを有するポリマー１２の一部を含む。以下で説明されるように、本発明のポリマーは、複数のアクティブ領域を有しえる。
【００２２】
図１Ｃは、図１Ａに示される部分の外側の、本発明のある実施形態によるアクチュエータの前の表面領域２１を含むトランスデューサ１０の拡大正面図を示す。ここでこの語が用いられるように、表面領域２１は、電極（または電極部分）によって覆われたポリマー表面の少なくとも一部、および電極（または部分）を含むアクティブ領域の撓みによって影響される電極（または部分）の外のポリマー表面を含む電気活性ポリマートランスデューサについての関心のある表面部分を一般に指す。図１Ｃの平面ポリマー１２および四角形電極１４については、表面領域２１は、電極１４によって覆われたポリマー１２の表面領域およびポリマー１２の上部表面上で電極１４を周辺で囲むポリマー１２の隣接表面部分２３を備える。ある実施形態において、表面領域２１は、ポリマー１２のアクティブ領域のアクチュエーションから生じる弾性および静電力によって影響される電気活性ポリマートランスデューサの全ての表面部分を備え、駆動されるアクティブ領域のポリマーおよび電極材料表面部分および駆動されるアクティブ領域に近接するポリマーおよび電極材料表面部分を含む。
【００２３】
アクチュエーションの前、トランスデューサ１０は、表面領域２１上で撓まされていない厚さ２２によって記述されえる。非撓み厚さ２２は、表面フィーチャを作るための撓みの前のポリマー１２のおおまかな厚さを指す。厚さ２２は、表面領域２１にわたってポリマー１２の一方の表面からポリマー１２の他方の表面へと計測されえる。典型的には、ポリマー１２は、その上部および底部表面の両方上で比較的平坦であり、比較的一定の厚さ２２をポリマー表面および表面領域２１にわたって有する。電極１４および１６は、極小または無視できる深さしかしばしば含まず、厚さ２２にはわずかしか加えないので、これらの場合、非撓み厚さ２２は、電極１４および１６を含みえる。非撓み厚さ２２は、よって断面におけるポリマーの厚さに対応する。商業的に入手可能なポリマーについては、非撓み厚さ２２は、製造され受け取られたままのポリマーの厚さにおおまかに対応しえる。ある実施形態において、ポリマー１２は、以下にさらに詳述されるよう予歪みが与えられ、厚さ２２は、予歪みの後の表面領域２１における非撓み厚さを指す。ポリマー１２および表面領域２１上の上部および底部表面の間の電極１４および１６の厚さは、場合によっては例えば１〜２０パーセントだけ、わずかに変わりえる。ここで、非撓み厚さ２２は、表面領域２１にわたっての変化する厚さの平均または算術表現を指す。ある種のポリマーは、完全に一貫した厚さを示さないかもしれず、表面領域２１についての非撓み厚さはアクチュエーションの前の表面領域２１の厚さをよりよく記述しえることが理解されよう。ある実施形態において、トランスデューサ１０は、撓みの前には実質的に平坦である。他の実施形態において、トランスデューサ１０は、曲面上に構成され、曲面上のポリマーについておおまかには一定である厚さを持つ。ここで説明される撓みは電極１４および１６を用いたアクチュエーションを介して主に記述されるが、以下に説明される発電および検出機能も撓みおよび表面フィーチャにつながりえる。
【００２４】
図１Ｄは、本発明のある実施形態によるアクティブ領域の撓みの後の表面領域２１を含むトランスデューサ１０の側面図である。アクティブ領域の外のポリマー１２の材料は、典型的にはアクティブ領域撓みに抵抗する。抵抗の量は、ポリマー全体がどの程度保持されるかまたは例えばフレームによって構成されるかに依存して変わりえる一方、アクティブ領域の外のポリマー１２の材料は、その材料の弾性に基づいてふつうはバネ力として働く。ポリマー１２の材料はコンプライアンスを有するので、アクティブ領域の撓みまたはアクチュエーションに応答して、この材料は変形しえ、厚さ方向において（平面に直交して）平面外に膨らむ。
【００２５】
ポリマー１２および電極１４および１６の１つまたは両方は、ポリマー表面フィーチャ１７ａ〜ｂが、アクティブ領域の撓みの後に非撓み厚さ２２の上でポリマー１２の表面上に形成するように作るよう構成される。ポリマー表面フィーチャ１７は、ポリマー内での撓み、静電力および／または弾性応答の結果としての非撓み厚さ２２より上に上がった電気活性ポリマーの部分を指す。この場合、盛り上がった表面フィーチャ１７ａ〜ｂは、電極１４（およびより少ない程度で反対表面上の電極１６）の表面形状に対応するアクティブ領域のエッジを囲んで形成される。表面フィーチャ１７ａ〜ｂは、フィルムの張力および弾性に依存して、図１Ｄに示されるように明確な膨らみでありえ、またはそれらは電極領域１４の外側におけるより分散された厚さの増加でありえる。同様に、底部ポリマー表面フィーチャ１７ｃ〜ｄは、電極１６（およびより少ない程度で反対表面上の電極１４）の表面形状に対応するアクティブ領域のエッジを囲んで形成される。ポリマー表面フィーチャ１７は、アクチュエートされたポリマー１２は、電極１４および１６の近傍のアクティブ領域上の表面面積が増す一方で、ポリマーはしばしば（設計に依存して）ポリマーの非アクティブ領域上の面積が減るという事実から一般に生じる。膨らむポリマー表面フィーチャ１７は、それから、典型的にはアクティブ領域のための電極のエッジに位置する変位したポリマー材料を含む。この場合のトランスデューサ１０の上部表面についての表面領域２１は、それから電極１４の平面領域およびポリマー表面フィーチャ１７ａ〜ｂを含む。
【００２６】
隆起したポリマー表面フィーチャ１７に加えて、トランスデューサ１０のポリマー１２および電極１４および１６の１つまたは両方は、アクチュエーションのために撓みの後には非撓み厚さ２２より小さく留まる低くされた電極部２７を作るよう構成される。この場合、上部表面上の電極１４の全ては、撓みの後は非撓み厚さ２２の下に沈下される。沈下された電極部２７は、ポリマー１２のアクチュエーションおよび撓みおよび電極１４および１６の周りのポリマー１２が薄くなることによって作られた電極表面フィーチャ１９ａとしても働く。底部、もし電極１４が円として形作られるなら、電極表面フィーチャ１９ａは、上部から見るとき沈下された円であり、一方、ポリマー表面フィーチャ１７は、沈下された円の周りの隆起した「Ｏ」の字またはリングを備える。以下に詳述されるように、電極１４および１６は、文字（底部ａ、ｎ、ｙ、ｌ、ｅ、ｔ、ｒ）またはより複雑なパターンおよび形状のような、カスタマイズされたポリマー表面フィーチャ１７および電極表面フィーチャ１９を作るようパターン付けまたは設計されえる。
【００２７】
底部電極１６は、トランスデューサ１０の底部側で電極表面フィーチャ１９ｂを作るように、同様に平面内で拡大し、薄くなる。電極表面フィーチャ１９ｂは、トランスデューサ１０の底部側についての非撓み厚さ２２より薄く留まる。電極１４および１６の間のアクティブ領域におけるポリマー１２の拡大に対するポリマー１２の弾性抵抗は、トランスデューサ１０の底部側上のポリマー表面フィーチャ１７ｃ〜ｄも作る。
【００２８】
平面外表面フィーチャ１７は、アクティブ領域に比較的局所的に示されるが、平面外は、いつも示されるように局所的であるわけではない。場合によっては、もしポリマーが予歪みされるなら、表面フィーチャ１７ａ〜ｂは、非アクティブポリマー材料上に伸ばされ、または平滑化される。平面外変形の大きさは、特定の幾何学的形状、予歪みなどによって変わりえる。しかし、それが局所的膨らみまたは分散されたものとして記載されているかにかかわらず、非アクティブ領域は一般に断面において厚くなる。
【００２９】
一般に、トランスデューサ１０（ポリマー１２および電極）は、機械的力が撓みを駆動する静電力とバランスするまで撓み続ける。より具体的には、機械的力が撓みを駆動する静電力とバランスするまで、電極１４および１６間のアクティブ領域内のポリマー１２は、拡張し薄くなり、一方でポリマー表面フィーチャ１７は、ポリマー１２の表面から隆起し続け、ポリマー１２の薄くなることによって電極表面フィーチャ１９は形成し続ける。機械的力は、アクティブ領域の内側および外側のポリマー１２の材料の弾性復元力、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／または負荷などによって提供される任意の外部の抵抗を含む。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の誘電率およびポリマー１２のサイズのような多くの他のファクタにも依存しえる。
【００３０】
図１Ｅは、本発明のある実施形態による堅固なレイヤ６２を備えるトランスデューサ６０を示す。トランスデューサ６０は、堅固なレイヤ６２、電気活性ポリマー６４、上部表面電極６６、底部表面電極６８、ポリマー表面フィーチャ６３、および電極表面フィーチャ６５を備える。
【００３１】
堅固なレイヤ６２は、ポリマー６４の底部表面に取り付けられ、ポリマー６４の底部表面が撓むのを防ぐ。その結果、ポリマー６４の上部表面だけがポリマー表面フィーチャ６３および電極表面フィーチャ６５を含む。
【００３２】
堅固なレイヤ６２は、例えば剛性のある金属または非金属板のような堅固な構造を備えうる。ある実施形態において、堅固なレイヤ６２は、適切に剛性のある金属のようなコンプライアンスを有しない電極材料を備え、これはそれが取り付けられる表面のための電極および堅固なレイヤ６２の両方として働く。堅固なレイヤ６２の電極は、導電性材料の任意のタイプでありえる。例えば、堅固なレイヤ６２の電極は、銅、アルミ、金、銀などのような金属でありえる。他の具体的な実施形態において、堅固なレイヤ６２の電極は、導電性セラミックベースの複合材料を備えうる。
【００３３】
ポリマー６４は、接着剤を用いて堅固なレイヤ６２に接着されえる。ポリマー６４および当該構造の間の部分的な接着、すなわち接着剤の領域がポリマー６４および堅固なレイヤ６２の間の接触の領域より小さいことは、ポリマー６４のカスタマイズされた撓みを可能にする。例えば、四角形ポリマー６４および堅固なレイヤ６２については、ポリマー６４は、四角形の２つの辺に沿って堅固なレイヤ６２に接着されえる。この場合、ポリマー６４は、非接着方向において堅固なレイヤ６２に対して拡張する。ポリマー６４の拡張のあいだ、潤滑剤が堅固なレイヤ６２およびポリマー６４の間に配置されえ、２つの表面間の摩擦を低減する。オプションのパッシブレイヤも堅固なレイヤ６２およびポリマー６４の間に配置されえる。パッシブレイヤは、ポリマー６４が撓むときにそれも撓むように選択される。この具体的な実施形態は、それが堅固なレイヤ６２に直接に接着されるときに比較して、ポリマー６４がより拡張することを可能にする。
【００３４】
一般に、本発明のトランスデューサと用いられるのに適するポリマーは、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を生じる、任意の実質的に絶縁性のポリマーまたはゴム（またはそれらの混合物）を含む。好ましくは、ポリマーの変形は、広い範囲の歪みにわたって可逆である。多くのエラストマーポリマーは、この目的を果たしえる。適切なポリマーを設計または選択するときには、最適な材料、物理的特性、および化学的特性を考慮すべきだろう。そのような特性は、モノマー（任意の側鎖を含む）、添加剤、架橋の度合い、結晶化度、分子量などの思慮深い選択によって調節されえる。
【００３５】
ポリマー１２は、多くの異なる物理的および化学的状態をとりえる。例えば、ポリマーは、可塑剤のような添加剤と共に、またはそれなしで用いられえる。またそれらは、モノリシックポリマーシートまたは積層体またはパッチワークのようなポリマーの組み合わせでありえる。さらに、ポリマーは、単一の相または多相で存在しえる。多相材料の１つの例は、そこに混合された無機充填剤粒子を有するポリマーマトリックスである。
【００３６】
トランスデューサポリマーの最終的な化学的および物理的状態に関わらず、それはポリマーマトリックスを含むことになる。このマトリックスは、ホモポリマーまたはコポリマー、架橋有り、または架橋なし、直鎖または分岐などでありえる。本発明のトランスデューサと用いるのに適するポリマーの例示的クラスは、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、熱可塑性エラストマー、ＰＶＤＦを備えるコポリマー、感圧性接着剤、フルオロエラストマー、シリコーンおよびアクリル残基（moieties）などを備えるポリマーを含む。明らかに、これら材料のいくつかの組み合わせは、本発明のトランスデューサのポリマーマトリックスとして用いられえる。コポリマーおよび混合物も適するポリマーのクラスに入る。ある例は、シリコーンエラストマーおよびアクリルエラストマーの混合物である。
【００３７】
ある適する商業的に入手可能なポリマーは、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。適するシリコーンエラストマーの例は、デラウェア州、WilmingtonのDow Corningによって提供されるDow Corning HS3である。適するフルオロシリコーンの一例は、デラウェア州、WilmingtonのDow Corningによって提供されるDow Corning 730である。適するアクリルの例は、ミネソタ州、St. Paulの3M Corp.によって提供される4900 VHBアクリルシリーズ中の任意のアクリルを含む。
【００３８】
電気活性ポリマー、またはその一部のための適切なアクチュエーション電圧は、ポリマー膜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特性に依存しえる。例えば、図１Ａのポリマー１２をアクチュエートするのに用いられるアクチュエーション電界は、約０Ｖ／ｍから約４４０ＭＶ／ｍまでの大きさに範囲しえる。この範囲のアクチュエーション電界は、約０Ｐａから約１０ＭＰａまで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アクチュエーション電圧は、例えば、誘電率を増し、ポリマー厚さを減らし、かつ弾性係数を減らすことによって低減されえる。
【００３９】
ある実施形態において、ポリマー１２は、そのエラスタンスに基づいてコンプライアンスを有し、選択される。約１００ＭＰａより小さいポリマー１２についての弾性係数が多くの実施形態について適する。ある具体的な実施形態において、電気活性ポリマー１２は、４０ＭＰａより小さい弾性係数を含む。他の具体的な実施形態においては、電気活性ポリマー１２は、比較的コンプライアンスがあり、１０ＭＰａより小さい弾性係数を含む。
【００４０】
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。多くのポリマーのパフォーマンスは、ポリマーが面積で予歪みされると顕著に増される。例えば１０倍から２５倍の面積増加は、多くの電気活性ポリマーエラストマーのパフォーマンスを改善する。ポリマーの予歪みは、１つ以上の方向において、予歪み後のある方向における寸法の、予歪み前のその方向における寸法に対する変化として記述されえる。予歪みは、ポリマー１２の弾性変形を備え、例えば、ポリマーを引っ張った状態で伸長し、伸長されているあいだ１つ以上のエッジを保持することによって形成されえる。予歪みは、堅固なフレームを用いて境界において課せられえ、またはポリマーの一部について局所的にも実現されえる。他の実施形態において、ポリマーの一部は、その剛性を増し、ポリマーに予歪みを保持するために、硬化され、またはそうでなければ剛性化される。これは予歪みが外部フレームなしで保持されることを可能にする。多くのポリマーについて、予歪みは、電気的および機械的エネルギーの間の変換を改善する。改善された機械的応答は、電気活性ポリマーについてより大きな機械的仕事、例えばより大きな撓みおよびアクチュエーション圧力を可能にする。ある実施形態において、予歪みは、ポリマーの誘電強度を改善する。他の実施形態において、予歪みは弾性的である。アクチュエーションの後、弾性的に予歪みされたポリマーは、原則として、固定されず、その元の状態に戻りえる。
【００４１】
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与えられる。例として、アクリルエラストマーポリマーは、両方の平面方向において２００から４００パーセントだけ伸長されえる。他の実施形態において、予歪みは、非等方性予歪みポリマーを作るためにポリマー１２の部分について異なる方向に不均一に与えられる。この場合、ポリマー１２は、アクチュエートされるとき、ある方向より他の方向により大きく撓みえる。理論によって束縛されることを望まないが、ある方向にポリマーを予歪みすることは、その予歪み方向においてポリマーの剛性を増しえると考えられている。結果として、ポリマーは、その予歪み方向においては比較的剛性があり、低い予歪み方向においてはよりコンプライアンスを有し、アクチュエーションと共に、より多くの撓みが低予歪み方向に起きる。ある実施形態においては、トランスデューサ部１０の方向１０８における撓みは、直角方向１１０における大きな予歪みを採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エラストマーポリマーは、方向１０８において１０パーセント、および直角方向１１０において５００パーセント伸長されえる。ポリマーについての予歪みの量は、電気活性ポリマー材料および応用例における電気活性ポリマートランスデューサの所望のパフォーマンスに基づきえる。本発明と共に用いるのに適する予歪みは、共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る。
【００４２】
ポリマー１２のエッジは、１つ以上の物体に固定されえる。ポリマーは、化学的接着剤、接着レイヤまたは材料、機械的取り付け装置などのようなこの技術で知られる従来の方法によって１つ以上の物体に固定されえる。本発明のトランスデューサおよびポリマーは、特定の幾何学形状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、円筒およびロール、複数の堅固な構造の間に取り付けられた伸長されたポリマー、ここで記載された技術によって維持される任意の幾何学形状の伸長されたポリマー（曲面または複雑な幾何学形状、１つ以上のジョイントを有するフレームにわたるものなどを含む）を含む任意の幾何学的配置または形状に形成されえる。本発明によるトランスデューサの撓みは、直線状拡張および／または１つ以上の方向における圧縮、屈曲、ポリマーが巻かれるときは軸についての撓み、基板に設けられる穴から出る撓みなどを含みえる。トランスデューサの撓みは、どのようにポリマーがフレーム、ポリマーに取り付けられた堅固な構造、またはポリマーの剛性化された部分（例えば、硬化または積層化を介して）によって制約されるかによって影響されえる。ある実施形態において、ポリマーより伸長においてより剛性のある可撓性材料がトランスデューサの一端に取り付けられ、ポリマーがアクチュエートされるとき屈曲を生じる。
【００４３】
２．電極
【００４４】
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まなければならない。一般に、本発明と共に用いられるのに適する電極は、それらが電気活性ポリマーに適切な電圧を印加でき、またはそれから適切な電圧を受け取れる限り、任意の形状および材料でありえる。電圧は、時間について一定または可変のいずれでもよい。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、コンプライアンスがあり、ポリマーの変化する形状に従いえる。電極は、電気活性ポリマーの一部に適用されえ、その幾何学形状にしたがってアクティブ領域を定義しえる。以下に記載されるように、電極は、ポリマーの撓みによって作られる表面フィーチャのための所望の形状を達成するようパターン付けされえる。
【００４５】
ある実施形態において、電極１４および１６は、コンプライアンスを有し、それらが取り付けられる電気活性ポリマーの形状に従う。図１Ａおよび１Ｂを再び参照し、ポリマー１２および電極１４および１６の構成は、撓みについてのポリマー１２の応答の増加を提供する。より具体的には、トランスデューサ部１０が撓むにつれ、ポリマー１２の圧縮は、電極１４および１６の反対の電荷がより近くなるようにし、ポリマー１２の伸長はそれぞれの電極中の同極の電荷を引き離す。ある実施形態においては、電極１４および１６のうちの１つはグラウンドである。
【００４６】
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、全ての目的のために参照によって援用される。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。
【００４７】
本発明は、金属および半可撓性電極も採用しえる。ある実施形態において、堅固な電極は、大きくは屈曲または平面伸長できない厚いレイヤに設けられた金属を備える。他の実施形態において、半可撓性電極は、例えば錫箔のように金属レイヤが平面外では可撓性であり、平面内では比較的堅固である薄いシートに設けられた金属を備える。よって、ポリマーは、上述のように平面外で撓みえるが、平面内の撓みは金属シートの弾性歪みに制限される。平面外では可撓性であり、平面内では比較的剛性がある他の電極は、アルミニウム付きマイラのシートを備えうる。他の実施形態においては、この金属は、金属レイヤが堅固であり、取り付けられた表面上で撓みからポリマーを制約するように厚いシートに設けられる。
【００４８】
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、ゼラチン、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。
【００４９】
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。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実現しえる。
【００５０】
電子ドライバが電極に典型的には接続される。電気活性ポリマーに提供される電圧は、トランスデューサおよび応用例の具体的事項に依存する。ある実施形態において、本発明のトランスデューサは、ＤＣバイアス電圧の周りで印加された電圧を変調することによって電気的に駆動される。バイアス電圧についての変調は、印加された電圧に対してのトランスデューサの改良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２００から１０００ボルトに達するピークツーピークの信号によって駆動されえる。
【００５１】
本発明によれば、「モノリシック」という語は、ここでは複数のアクティブ領域を単一のポリマー上に備える電気活性ポリマー、トランスデューサ、およびデバイスを指すのに用いられる。図１Ｃは、本発明のある実施形態によって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。
【００５２】
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にわたって電圧差を与える。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む。より具体的には、部分１５１ａは、部分１５１ａにわたっての適切な電圧差で、平面において拡張し、垂直には（またはその平面と直交して）薄くなる。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および薄くなることを可能にするのに静電力によって誘導された充分な応力を有するポリマー１５１の任意の他の部分を備える。
【００５３】
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にわたって電圧差を提供する。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む。より具体的には、部分１５１ａは、部分１５１ａにわたっての適切な電圧差で、平面において拡張し、垂直には（またはその平面と直交して）薄くなる。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静電力によって誘導された充分な応力を有するポリマー１５１の任意の他の部分を備える。
【００５４】
ポリマー表面フィーチャは、それぞれのアクティブ領域１５１ａのアクチュエーションのあいだ、上部および底部電極１５４ａおよび１５４ｂの周辺の周りに形成されえる。ポリマー表面フィーチャは、上部および底部表面上のポリマー１５１の平面から垂直に盛り上がる塊状のポリマー１５１の材料を含む。上から眺めたとき、上部ポリマー表面フィーチャは、上部電極１５４ａの四角形の形状に境界を持つ四角形に類似する。下から眺めたとき、底部ポリマー表面フィーチャは、上部電極１５４ｂの四角形の形状に境界を持つ四角形に類似する。
【００５５】
電極表面フィーチャは、アクティブ領域１５１ａのアクチュエーションのあいだ、電極１５４ａおよび１５４ｂの形状およびサイズに対応して形成されえる。この場合、上部および底部電極表面フィーチャは、アクチュエートされるとき、それぞれ電極１５４ａおよび１５４ｂに対応する寸法を持つ四角形に類似する。
【００５６】
アクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂは、それらそれぞれの電極を介して独立制御を許す。よって適切な制御電子回路と共に、アクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂは、個別に、同時に、断続的になどアクチュエートされえる。
【００５７】
ここまでは、ここまで記載された電気活性ポリマーの反対側表面上の電極は、サイズ、形状および位置において対称的であった。本発明のトランスデューサの反対側上の電極は、対称的設計またはレイアウトに限定されず、電気活性ポリマーの反対側表面上で異なるサイズ、形状、タイプ、および／または位置を有しえる。ポリマー上の電極は、所望のようにパターン付けされえる。例えば、１つ以上の電極は、マスクまたはステンシルによって決定される形状でポリマーの表面上にスプレーされえる。異なるマスクがそれぞれのポリマー表面について用いられえる。カスタマイズされた電極形状は、ポリマー部分からのカスタマイズされた撓みを可能にする。それぞれのアクティブ領域についての電極の制御は、それぞれのカスタムパターン付けされたアクティブ領域が個別に、同時に、断続的になどアクチュエートされることを可能にする。カスタマイズされた表面フィーチャのさらなる説明および例は、以下に記載される。
【００５８】
図１Ｇは、本発明の具体的な実施形態による撓みの前の電気活性ポリマートランスデューサ７０を示す。トランスデューサ７０は、電気活性ポリマー７２、電極７４および電極７６を備える。ポリマー７２は、関心のある表面領域８０についての撓みの前の非撓み厚さ２２によって特徴付けられる。それぞれの表面についての非撓み厚さ２２は、撓みの前に、変形されるポリマー７２の表面に反対の表面から計測される。電極７４は、ポリマー７２の底部表面に接着され、金属を備え、厚く堅固である。電極７６は、ポリマー７２の上部表面に接着され、コンプライアンスを有する電極を備え、ポリマー７２の形状に従う。電極７６は、電極７４とは異なるサイズ、水平位置および形状も含む。
【００５９】
図１Ｈは、電極７４および７６を用いたアクチュエーションの後のトランスデューサ７０およびポリマー７２の一部の撓みを示す。堅固な電極７６は、ポリマー７２の底部表面７２ｂが撓むことを防ぐ。この場合、ポリマー７２の一部だけが撓み、平面内で拡張し、示されるように電極７４および７６は水平方向で重なる。撓みの後、ポリマー表面フィーチャ８２は、非撓み厚さ２２の上に撓みの後に作られる。加えて、コンプライアンスを有する電極７６の左の部分だけが非撓み厚さ２２よりも小さく、電極表面フィーチャ８５を形成する。コンプライアンスを有する電極７６の残りは、非撓み厚さ２２に対して実質的に同じ高さに留まる。よって、場合によっては、電極は、電極表面フィーチャに寄与するアクティブ領域、およびアクティブ領域の外の部分または寄与しない電極表面フィーチャを含むことが可能である。
【００６０】
場合によっては、電極は、非撓み厚さｔより上に隆起しえる。例えば、もし第２アクティブ領域がポリマー表面フィーチャ８２においてポリマー７２の上にパターン付けされているなら、ポリマーの他の部分の撓みについて、第２アクティブ領域からのこの電極は非撓み厚さ２２より上に上がることもありえる。よってポリマー表面フィーチャは、電極がポリマー表面フィーチャ上にパターン付けされているかどうかにかかわらず、撓みの後の非撓み厚さより上のポリマー材料を指す。
【００６１】
他の実施形態において、電気活性ポリマーは、共通電極を備える。共通電極は、電気活性ポリマーの１つ以上のアクティブ領域と電気的に連通することができる電極である。多くの場合、共通電極は、モノリシックトランスデューサがより複雑にならずに実現されえることを可能にする（図３Ｃ参照）。例えば、複数の電極がポリマーの１つの表面上にパターン付けされえ、一方、第２表面の全体が共通電極を含む。代替として、共通電極は、共通電極を通した電荷の伝搬に従って、複数のアクティブ領域を順次アクチュエートするのに用いられえる。
【００６２】
３．パッシブレイヤ
【００６３】
いくつかの電気活性ポリマートランスデューサについては、絶対的には、撓みまたはアクチュエーションのあいだのポリマー厚さの変化は、平面領域寸法の変化に対して小さいかもしれない。例えば、薄いポリマーフィルムについては、面積変化は平方センチメートルのオーダーでありえ、平面寸法の変化はセンチメートルのオーダーでありえる一方、厚さの変化は、ミクロン（１ミリメートルの１０００分の１）のオーダーでありえる。しかし、この場合の電気活性ポリマーデバイス中のポリマーフィルムについての厚さの絶対的な変化は小さいが、パーセンテージ変化は依然として大きい（例えば５０％以上）。
【００６４】
ある実施形態において、本発明のトランスデューサおよびデバイスは、平面外変形を増幅し、より目に見えるポリマーおよび電極表面フィーチャを作るためのパッシブレイヤを備える。図２Ａ〜２Ｂは、本発明のある実施形態によるパッシブレイヤ５０を備える電気活性ポリマートランスデューサ５１を示す。図２Ａは、ポリマー撓みを持たない非撓み状態にあるトランスデューサ５１を示す。図２Ａに示されるように、ポリマー表面５２ａおよび５２ｂおよびポリマー５２に対向するパッシブレイヤ５０ａは、ポリマー５２の撓みの前には全て実質的に平坦である。図２Ｂは、アクチュエートされた状態でのトランスデューサ５１を示す。コンプライアンスを有する電極５４ａおよび５４ｂは、それぞれその上部および底部表面５２ａおよび５２ｂ上において、ポリマー５２の中央部分５６に取り付けられる。アクチュエーションのために、電圧Ｖを持つ電界が電極５４を介してポリマー５２にわたって印加され、ポリマー５２の部分５６をアクチュエートする。
【００６５】
パッシブレイヤ５０は、ポリマー５２の上部表面５２ａに隣接し、電気活性ポリマー５２に対向するパッシブレイヤ５０の表面５０ａが、ポリマー５２の上部表面５２ａ上の表面フィーチャ群５９のセットに類似するパッシブレイヤ表面フィーチャ群５７のセットを形成するよう、電気活性ポリマーの撓みと共に撓むように構成される。パッシブレイヤ５０は、それが断面形状および寸法においてポリマー５２によってそれに印加される力に従うという点でパッシブである。他の実施形態において、パッシブレイヤ５０は、面積および厚さ変化を持つ電気活性ポリマー５２に対して、ポリマー５２のようには電界の印加に応答しないという点でもパッシブである考えられえる。
【００６６】
トランスデューサ５１について、パッシブレイヤ５０は、アクチュエーションのあいだのポリマー５２の表面面積および厚さの変化が、少なくとも部分的にパッシブレイヤ５０に伝達するよう、電気活性ポリマー５２に直接に結合する。パッシブレイヤ５０が電気活性ポリマー５２に結合するとき、電気活性ポリマー５２における表面面積および厚さの変化は、パッシブレイヤ５０の表面面積および厚さを変化させる剪断力をパッシブレイヤ５０に誘起する。パッシブレイヤ５０は、ポリマー５２より厚く、少なくともパッシブレイヤ５０およびポリマー５２の結合された厚さを増すので、パッシブレイヤ５０の表面面積および厚さの変化は、絶対的に、ポリマー５２の厚さの変化によって作られた変位を増幅するよう用いられえる。
【００６７】
ある実施形態において、パッシブレイヤ５０は、ポリマー５２に接触し、パッシブレイヤ５０およびポリマー５２の間の結合は、直接接合、接着剤、またはパッシブレイヤ５０のポリマー５２（またはその部分）上への接着などを含みえる。代替として、それぞれのパッシブレイヤ５０は、表面コーティングとして電気活性ポリマー５２に塗布されえる。他の実施形態において、パッシブレイヤ５０は、ポリマー５２と接触せず、１つ以上の中間剛性構造がパッシブレイヤ５０およびポリマー５２の間に設けられる。金属ポストのようなこの剛性構造は、パッシブレイヤ５０およびポリマー５２の両方に取り付けられ、電気活性ポリマーからパッシブレイヤ５０へ力を伝達するよう構成される。中間剛性構造は、それからパッシブレイヤ５０およびポリマー５２を機械的に結合し、ポリマー５２の撓みがあると力を伝達する。
【００６８】
図２Ｂに示される断面において、隆起されたパッシブレイヤ表面フィーチャ５７ａおよび５７ｂは、上部電極５４ａのエッジにおいて、変位された上部および隆起したポリマー表面フィーチャ５９ａおよび５９ｂにそれぞれ対応する上部電極５４ａのエッジの周りに作られる。パッシブレイヤ表面フィーチャ５７ａおよび５７ｂは、電極５４ａおよび５４ｂの形状に対応する部分５６および電極５４によって作られるアクティブ領域上の面積において増す一方、パッシブレイヤ５０は典型的には（設計に依存する）電極４５およびアクティブ領域の外のポリマー５２の非アクティブ領域５５上では面積が減るという事実から、パッシブレイヤ５０において一般的に生じる。パッシブレイヤ５０は一般に実質的に一定の総容積（パッシブレイヤ５０が圧縮性発泡材を含むときを除く）を維持するので、もしその表面面積がアクチュエーションまたはポリマー撓みのあいだに非アクティブ領域で減るなら、パッシブレイヤ５０厚さは典型的には増し、表面フィーチャ５７を形成する。厚さ増加および表面フィーチャの位置は、パッシブレイヤ５０中の応力蓄積に基づいて典型的には予想可能である。多くの場合、厚さ増加は、トランスデューサ５１の電極５４およびアクティブ領域と直接に境界を接するもののような、高応力の領域において高められる。
【００６９】
このようにして、パッシブレイヤ５０は、ポリマー５２の上部表面上の表面フィーチャ５９のセットに類似するパッシブレイヤ表面フィーチャ５７のセットを形成する。ポリマー５２の上部表面上の表面フィーチャ５９のセットは、隆起したポリマー表面フィーチャおよび沈下した電極表面フィーチャの両方を含む。よって、パッシブレイヤ表面フィーチャ５７のセットは、パッシブレイヤ５０の元の厚さに対して隆起された部分および沈下された部分の両方を含みえる。トランスデューサ５１について、パッシブレイヤ表面フィーチャ５７のセットは、上部ポリマー表面フィーチャ５９ａおよび５９ｂに対応する隆起された部分５７ａおよび５７ｂ、および中央部分５６におけるポリマー５２の薄くなった部分に対応する沈下された部分５７ｃを含む。パッシブレイヤ表面フィーチャ５７は、ポリマー５２上のポリマー表面フィーチャおよびへこんだ電極表面フィーチャの空間的構成およびサイズと正確に似る必要はなく、空間的オフセット、相対的変化およびマイナーな定量的差異を含みえる。しかし一般に、パッシブレイヤ表面フィーチャ５７のセットは、おおよその空間的構成、相対的サイズなどにおいて、ポリマー５２の上部表面上の表面フィーチャ５９のセットに似る。パッシブレイヤ５０についての表面フィーチャ５７の個数は、ポリマー５２の上部表面上の表面フィーチャ５９の個数に一般に対応し、それぞれのセットは、ポリマー５２上の電極の個数、複雑さおよびレイアウトに依存して、１から２００の表面フィーチャ、またはそれ以上を含みえる。
【００７０】
図２Ｃは、本発明の具体的な実施形態による２つのパッシブレイヤ５０および５８の間の電気活性ポリマー５２を備えるトランスデューサ５１を示す。
【００７１】
電極５４を介した部分５６におけるポリマー５２のアクチュエーションは、部分５６におけるポリマー５２が、平面面積において増し、厚さにおいて減るようにさせる。対応して、ポリマー５２の部分５６がアクチュエートされるとき、この表面領域におけるパッシブレイヤ５０および５８は、両方とも面積が増す。ポリマー５２のアクチュエーションは、よって、ポリマー５２の厚さが収縮した領域において部分５６の周りで上部および底部パッシブレイヤ５０および５８の厚さを減らす。上部パッシブレイヤ５０および底部レイヤ５８の厚さの減少は、それらの厚さから計測されるように、それぞれ距離Ｄ１およびＤ４である。ポリマー５２が上部パッシブレイヤ５０および底部パッシブレイヤ５８と接触するところにおける厚さの変化は、それぞれＤ２およびＤ３である。上部および底部パッシブレイヤ５０および５８は、それぞれポリマー５２より厚い。したがって、上部および底部パッシブレイヤ５０および５８の厚さにおける変化は、部分５６におけるポリマー５２の厚さの変化よりも大きく、すなわちＤ１＞Ｄ２およびＤ４＞Ｄ３である。このようにして、それぞれパッシブレイヤ５０および５８は、パッシブレイヤを持たない電気活性ポリマートランスデューサに比較して、絶対的変位（厚さの変化）を増幅する。
【００７２】
ポリマー５２における部分５６のアクチュエーションによって発生された力の大きさは、それぞれのパッシブレイヤ５０の厚さおよび剛性を制限する。当業者には解るように、部分５６のアクチュエーションによって発生された力の量は、例えば、部分５６のサイズ、ポリマー５２の材料、誘電率、およびアクチュエーション電圧によって影響される。それぞれのパッシブレイヤ５０の厚さまたは剛性が増すにつれ、それを変位させるために要求される剪断力も増す。よって、パッシブレイヤ５０の厚さが増すにつれ、ポリマーからの一定の力についてのパッシブレイヤ５０の撓みは減る。また、もしパッシブレイヤ５０が比較的コンプライアンスを有するが厚いなら、部分５６のアクチュエーションは、やはりパッシブレイヤを変位させるが、結果として生じるパッシブレイヤ５０中の厚さ変化およびパッシブレイヤ表面フィーチャの解像度は、部分５６に対して、平滑化され、シャープなエッジ精細度を有しないかもしれない。
【００７３】
よってパッシブレイヤ５０および５８の剛性は、所望の絶対変位に依存して選択されえる。ある実施形態において、パッシブレイヤ５０は、電気活性ポリマー５２の弾性係数より小さい弾性係数を備える。これは、トランスデューサ５１上にパッシブレイヤ５０によって提供される弾性抵抗を減らし、与えられた電気的入力についてのパッシブレイヤ表面フィーチャの大きさおよび精細度を増す。他の実施形態において、パッシブレイヤ５０は、電気活性ポリマー５２の弾性係数の１０分の１より小さい弾性係数を備える。
【００７４】
パッシブレイヤ５０および５８の厚さは、所望の絶対的変位に依存しても選択されえる。ある実施形態において、パッシブレイヤ５０は、電気活性ポリマー５２の厚さより大きい厚さを備える。これは、部分５６のアクチュエーションによって作られる表面フィーチャの可視出力を増す。他の実施形態においては、パッシブレイヤ５０は、ポリマー５２の厚さの２倍よりも大きい厚さを備える。
【００７５】
ポリマー（および電極）および／またはパッシブレイヤの複数のレイヤも採用されえる。これは、他の表面フィーチャの上に表面フィーチャがアクチュエートされることを可能にし、例えば、１つのレイヤが広いすり鉢形状をアクチュエートし、他のレイヤがそのすり鉢の中に小さなバンプをアクチュエートする。
【００７６】
一般に、パッシブレイヤ５０は、電気活性ポリマー５２中の表面フィーチャの垂直プロファイルおよび／または可視性を増幅するのに適する任意の材料を備えうる。例示的パッシブレイヤ５０は、シリコーン、柔らかいポリマー、柔らかいエラストマー（ゲル）、柔らかいポリマー発泡材、またはポリマー／ゲル複合材を例えば含む。パッシブレイヤ５０において用いられる材料は、ポリマー５２の弾性係数およびパッシブレイヤ５０の厚さのようなパラメータに依存して、特定の電気活性ポリマー５２との互換性のために選択されえる。具体的な実施形態において、パッシブレイヤ５０は、パッシブレイヤの歪みを伴う非線形弾性係数を含む圧縮可能な発泡材を備える。この場合、パッシブレイヤ５０の弾性応答は線形ではなく、よって非線形応力／歪み曲線に基づいて、変化する出力（変化する割合で薄くなったり厚くなったりする）を提供する。
【００７７】
上部および底部レイヤ５０および５８の撓み、表面フィーチャおよび厚さ変化は、非対称でありえる。図２Ｂに示されるように、上部レイヤ５０は、底部レイヤ５８より小さい厚さ変化を含む。変位非対称性は、上部および底部パッシブレイヤ５０および５８について異なる剛性を持つ異なる材料を使うこと、上部および底部パッシブレイヤ５０および５８について同じパッシブレイヤ材料であるが異なる厚さを持たせること、上部および底部レイヤ上に異なる予歪みを与えること、前記技術の組み合わせなどのような、いくつかの技術を介して達成されえる。代替として、上部および底部パッシブレイヤ５０および５８の間で実質的に同一の材料および類似のアクチュエート条件を用いることは、上部および底部パッシブレイヤ５０および５８について実質的に対称な変位を発生しえる。
【００７８】
ある場合には、より大きく、またはより詳細な表面フィーチャ５７が望ましく、表面フィーチャ５７の高さを増すような方法が実現されえる。例えば、パッシブレイヤ５０の厚さは増されえ、より多くのレイヤが追加または使用されえ、電極５４の幾何学的形状が変化され、ポリマー５２の幾何学的形状が変化され、パッシブレイヤ５０の幾何学的形状または材料が変化され、または表面フィーチャ５７の高さを増すために電極５４にわたっての電荷の分布が変化される。代替として、もし所望なら、表面フィーチャ５７ａおよび５７ｂは、パッシブレイヤ５０に歪みを与えるような方法によって、パッシブレイヤ５０上に表面コーティングを施すことによって、電極５４の幾何学的形状を変化させることによって、ポリマー５２の幾何学的形状を変化させることによって、パッシブレイヤ５０の幾何学的形状を変化させることによって、または電極５４にわたっての電荷の分布を変化させることによって、その高さが減少されえる。
【００７９】
４．幾何学的表面フィーチャの例
【００８０】
本発明のトランスデューサは、個々のフィーチャについての個数および具体的な形状または幾何学的配置の両方について、表面フィーチャのセットに広い可変性を作りえる。表面フィーチャは、ポリマー平面の外にあるポリマー変形に基づいた１つ以上の隆起した表面フィーチャおよび／またはアクティブ領域の周辺における電極およびポリマーが薄くなることに基づいた１つ以上の沈下した表面フィーチャを含みえる。以下に記載されるのはいくつかの図解例である。
【００８１】
図３Ａは、本発明の具体的な実施形態によるトランスデューサ２２０についての交差共通電極の上部立体図を示す。この場合、水平上部表面共通電極２２２のセットは互いにリンクされ、透明電気活性ポリマー２２１の上部表面上に配置される。加えて、垂直例えば表面共通電極２２４のセットが互いにリンクされ、透明電気活性ポリマー２２１の底部表面上に配置される。上部表面電極２２２は、底部表面電極２２４ができるように、共通してアクティベートされえる。
【００８２】
図３Ｂ〜３Ｃは、本発明の他の具体的な実施形態によるトランスデューサ２４０についてのアクチュエーションパターンの上部立体写真を示す。トランスデューサ２４０は、電気活性ポリマー（不図示）の上部表面上に配置されるパッシブレイヤ２４２を含む。パッシブレイヤ２４２は、ポリマーにおける厚さ変化、およびパッシブレイヤ２４２の表面上の表面フィーチャの可視化を向上させる。図３Ｂにおいて、電圧は電気活性ポリマーに印加されず、パッシブレイヤ２４２の表面は、実質的に滑らかで実質的に平坦である。図３Ｃにおいては、電圧が共通電極に印加され、沈下した四角形表面フィーチャ２４６のセットが作られる。四角形表面フィーチャ２４６のセットの上には３つの沈下した平行線表面フィーチャ２４８のセットも示される。
【００８３】
変位は、パッシブレイヤにわたって非対称でもありえる。例えば、電気活性ポリマーは、パッシブレイヤでコーティングされた複数のアクティブ領域を含みえ、ここで変位は、異なるアクティブ領域についての変化するパッシブレイヤの厚さに基づいて、レイヤにわたってあるアクティブ領域から他のアクティブ領域へと変わりえる。
【００８４】
ある実施形態において、１つ以上の電極は、表面フィーチャについて表面形状および外観に影響を与えるために表面領域にパターン付けされ、または構成される。図３Ｄは、本発明の具体的な実施形態によるトランスデューサ２００（パッシブレイヤなし）の上部立体図を示す。トランスデューサ２００は、電気活性ポリマー２０６の上部表面２０４上に設けられた電極２０２ａ〜ｇ、および底部側（不図示）上に設けられた共通電極を備える。それぞれの電極２０２ａ〜ｇは、示されるように文字に似る。
【００８５】
それぞれの電極２０２ａ〜ｇに対応するアクティブ領域のアクチュエーションは、表面２０４上の表面フィーチャ２１０が目に見えるようになるようにする。図３Ｅは、１文字のアクチュエーションを示す。より具体的には、電極２０２ａに対応するアクティブ領域のアクチュエーションは、ポリマー２０６の薄くなることに対応して文字「ａ」の平面サイズが大きくなり、ポリマー２０６へ沈下するようにさせ、よってポリマー厚さより低い電極表面フィーチャ２１０ａを作る。加えて、電極２０２ａに対応するアクティブ領域のアクチュエーションは、文字「ａ」の形状の電極２０２ａの平面サイズが増し、拡張された電極２０２ａに境界を接するポリマー２０６が隆起し、電極２０２ａの周囲にリッジポリマー表面フィーチャ２１２ａを作るようにする。電極２０２ａは、よって、沈下された電極表面フィーチャ２１０ａおよび隆起された表面フィーチャ２１２ａについての表面形状に影響を与えるように表面領域において構成される。
【００８６】
電極２０２ａ〜ｇおよびその対応するアクティブ領域および表面フィーチャは、独立に制御されえる。よって、適切な制御電子回路と共に、電極２０２ａ〜ｃおよびそのそれぞれのアクティブ領域および表面フィーチャは、語を綴るポリマー表面フィーチャを作るように同時にアクチュエートされえる。他の文字もカスタマイズされた目に見える語および出力を作るようにパターン付けされえる。
【００８７】
本発明は、単純な正方形または長方形の幾何学的形状に限定されない。本発明では他の形状（円形、三角形など）または複雑なパターンが発生されえる。例えば、電極は、ロゴ、線図などのためにパターン付けされえる。他の実施形態においては、図３Ａの四角形は、個別にパターン付けされ、異なる表面フィーチャ出力を発生するように制御されえる。
【００８８】
図３Ｆは、本発明の他の具体的な実施形態によるトランスデューサ２６０のためのグリッド状表面フィーチャの側面図を示す。コンプライアンスを有しない電極２６２が堅固な構造２６４にマウントされる。パッシブレイヤ２６６は、ポリマー２６８の上部表面上にマウントされる。ポリマー２６８の上部表面上には、金属ワイヤのような薄い導電性ストリップ２７０のグリッドがある。ポリマー２６８がアクチュエートされるとき、導電性ワイヤ２７０は、ポリマー２６８中に切り込みポリマー２６８がワイヤ２７０の周りで膨らむようにする。ポリマー２６８中の膨張する表面ポリマーフィーチャ２６９は、パッシブレイヤ２６６中に対応する膨張する表面フィーチャ２６７を生じる。例えば、ある実施形態においては、金属ワイヤ２７０は、キルトのようなダイヤモンドパターンで格子の中に配置され、ポリマー２６８がアクチュエートされるとき、パッシブレイヤ２６６は、パッシブレイヤ２６６の表面上にキルトパターンを示す。
【００８９】
５．多機能性
【００９０】
電気活性ポリマーは、双方向性で電気的エネルギーおよび機械的エネルギーの間で変換しえる。電気活性ポリマートランスデューサの電気的特性を検出することは、検出機能性も可能にする。
【００９１】
図１Ａおよび１Ｂは、トランスデューサ部１０が機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するあるやり方を示すのに用いられえる。例えば、もしトランスデューサ部１０が外部力によって図１Ｂに示されるようにより薄く、より大きな面積の形状に機械的に伸長され、比較的小さい電圧差（図１Ｂの構成へフィルムをアクチュエートするのに必要な電圧より小さい）が電極１４および１６の間に印加されるなら、トランスデューサ部１０は、外部の力が取り除かれるとき、図１Ａのような形状に電極間で面積において収縮する。トランスデューサを伸長させることは、トランスデューサをその元の休止位置（典型的には例えば電極間で方向１８および２０によって定義される平面内で電極間のより大きい正味の面積になる）から撓ませることを指す。休止位置は、外部の電気的または機械的入力を有さず、ポリマー中で予歪みを備えうるトランスデューサ部１０の位置を指す。いったんトランスデューサ部１０が伸長されると、結果として生じる静電力が伸長の弾性復元力と平衡するのに不十分なように比較的小さい電圧差が提供される。トランスデューサ部１０はしたがって収縮し、それはより厚くなり、方向１８および２０（電極間での厚さに直交する）によって定義された平面内でより狭い平面領域を有する。ポリマー１２がより厚くなるとき、それは電極１４および１６およびそれらの対応する異極電荷を引き離し、よって電気的エネルギー、および電荷の電圧を上昇させる。さらに、電極１４および１６がより小さい面積で接触するとき、それぞれの電極内の同極電荷は圧縮し、電気的エネルギーおよび電荷の電圧を上昇させる。よって電極１４および１６上の異なる電荷では、図１Ｂに示される形状から図１Ａに示されるものへの収縮は、電荷の電気エネルギーを上げる。すなわち、機械的撓みが電気エネルギーに変わり、トランスデューサ部１０は発電機として働く。
【００９２】
場合によっては、トランスデューサ部１０は、可変キャパシタとして電気的に記述されえる。図１Ｂに示されるものから図１Ａに示されるものへの形状変化に伴い、キャパシタンスは減少する。典型的には、電極１４および１６間の電圧差は、収縮によって上げられる。これは例えばもし追加の電荷が収縮プロセス中に電極１４および１６に加えられたり引かれたりしないなら、通常のケースである。電気エネルギーの増加Ｕは、式U = 0.5 Q2/Cによって表され、ここでＱは、正極上の正電荷の量であり、Ｃは、ポリマー１２およびその幾何学形状の固有誘電体特性に関する可変キャパシタンスである。もしＱが固定で、Ｃが減少するなら、電気エネルギーＵは増加する。この電気エネルギーおよび電圧の増加は、電極１４および１６と電気的に連通する適切なデバイスまたは電気回路において取り戻し、または用いられえる。加えて、トランスデューサ部１０は、ポリマーを撓ませ、機械エネルギーを与える機械入力に機械的に結合されえる。
【００９３】
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する。このパラメータはふつう、歪み、変形、速度、位置、接触、加速度、振動、圧力、サイズなどのような対象物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。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。
【００９４】
理解を容易にするために、本発明は、エネルギー変換の単一の方向に焦点をあてて主に説明され示されてきた。より具体的には、本発明は電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換することに焦点をあてている。しかし、本発明の全ての図および説明において、ポリマーおよびデバイスは、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーの間で双方向に変換しえることに注意することが重要である。よって、ここで説明された例示的トランスデューサは、発電機またはセンサと共に用いられえる。典型的には、本発明の発電機は、ポリマーの一部の撓みに応答して電界の変化を生むように構成されたポリマーを備える。電界の変化は、電界の向きにおけるポリマー寸法の変化と共に、電圧の変化を作り、よって電気的エネルギーの変化を生む。
【００９５】
ここで用いられる語として、トランスデューサは、少なくとも２つの電極を持つ電気活性ポリマーを指す。電気活性ポリマーデバイスは、少なくとも１つの追加の機械的結合または要素を持つトランスデューサを指す。電気活性ポリマーアクチュエータは、何らかの形態の機械的出力を作るよう構成されたトランスデューサまたはデバイスを指す。電気活性ポリマー発電機は、電気的エネルギーを作るよう構成されたトランスデューサまたはデバイスを指す。そして電気活性ポリマーセンサは、特性またはイベントを検出するよう構成されたトランスデューサまたはデバイスを指す。
【００９６】
よって、本発明のポリマーおよびトランスデューサは、電気的から機械的エネルギーへ変換するアクチュエータ、機械的から電気的エネルギーへ変換する発電機、ポリマーの機械的または電気的状態の変化を検出するセンサ、またはそれらの組み合わせとして用いられえる。機械的エネルギーは、電気的エネルギーが除去され、または電気的変化が検出されえるようにトランスデューサに印加されえる。機械的エネルギーを印加する、機械的エネルギーを除去する、およびトランスデューサからの電気的変化を検出する多くの方法が可能である。アクチュエーション、発電および検出デバイスは、なんらかの種類の条件付け電子回路を必要としえる。例えば、トランスデューサから電気的エネルギーを印加または除去するために少なくとも最低限の回路が必要とされる。さらに他の例としては、センシングするトランスデューサの電気的状態を検出するのに、さまざまな度合いの複雑さの回路が用いられえる。
【００９７】
ある実施形態において、電気活性ポリマートランスデューサアクティブ領域は、時間と共に変化するパッシブレイヤにおける可変表面フィーチャ高さおよび変位の深さを提供するために、適切な電子制御（例えばアクティブ領域を制御するよう構成されるプロセッサ）を介して電気的に制御されえる。例えば、電気活性ポリマートランスデューサのアクチュエーションを制御するマイクロプロセッサがセンサに接続されえる。変位の深さは、センサによって測られる計測に従ってマイクロプロセッサによって時間と共に変化しえる。
【００９８】
６．使用法
【００９９】
本発明は、電気活性ポリマートランスデューサを用いる方法も含む。図４は、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用いるプロセスフロー３００を示す。電気活性ポリマートランスデューサは方法として記載されるが、本発明は以下に記載される動作を実行することができるトランスデューサおよびデバイスを含むことが当業者には理解されよう。
【０１００】
プロセスフロー３００は、電気活性ポリマーの第１部分をアクチュエートすることによって開始する（３０２）。第１部分は、第１部分のアクチュエーションの前のポリマーの第１表面上の第１表面領域についての非撓み厚さを含む。アクチュエーションは、第１表面上に第１表面フィーチャを作る。表面フィーチャは、アクチュエーション後に非撓み厚さより上に隆起するポリマー表面フィーチャ、またはアクチュエーション後に第１表面領域についての非撓み厚さより下になる電極部分を備えうる。例示的フィーチャ形状および構成は上述のようである。
【０１０１】
プロセスフロー３００は、電気活性ポリマーの第２部分をアクチュエートすることによって進む（３０４）。第２部分は、ポリマーの第１表面上の第２表面領域についての非撓み厚さを含む。第２アクチュエーションは、第２表面フィーチャを第１表面上に作る。ある実施形態において、第１および第２部分は、同時にアクチュエートされる。他の実施形態において、第２部分は、第１部分の後にアクチュエートする。
【０１０２】
図５Ａは、具体的な実施形態によって複数のアクティブ領域のステップワイズな撓みを用いて互いに対して２つの物体を動かす方法を示す。物体３２２は、表面３２４上でスライドしているように示される。表面変形電気活性ポリマートランスデューサ３２６は、物体３２２の底面に接触する。トランスデューサ３２６上のアクティブ領域３２８のアクチュエーションは、物体３２２を表面３２４から押し出し、物体３２２を傾ける。連続的にアクティブ領域３２８ａ、３２８ｂ、および３２８ｃをアクチュエートすることは、物体３２２を表面３２４に沿って方向３２９に押す。よって、トランスデューサ３２６は、表面３２４にわたって物体３２２を押す境界にわたって伝搬波を駆動するように用いられる。他の実施形態において、表面変形トランスデューサ３２６は、表面３２４に接触し、表面上で物体を移動させるための表面３２４上のコンベヤーとして働く。
【０１０３】
７．応用例
【０１０４】
いくつかのさらなる例示的応用例がここで記載される。これら応用例は、図示目的で与えられ、ここで記載されたトランスデューサおよびデバイスの応用例をいかなるようにも限定するようには意図されない。ここで記載される電気活性ポリマートランスデューサおよびデバイスは、非常にスケーラブルである。よって、本発明のトランスデューサおよびデバイスは、スピーカのような巨視的応用例、または半導体デバイス上に製造されるアクチュエータのような微視的応用例の両方において用いられえる。
【０１０５】
上述のような文字の作成は、再構築可能なディスプレイにおいて用いられるのに非常に適する。例えば、車の中のダッシュボードは、複数の状態を含む表面変形電気活性ポリマートランスデューサを含みえる。ある状態は、ほとんどまたは全く表面フィーチャが見えないようにきれいでありえる。ユーザによってイニシエーションされると、さまざまなメニューおよびコントロールがダッシュボード上にそれから作られる。ポリマーの検出機能と組み合わせることによって、運転者または乗客はコマンドを入力し、プロセッサとインタフェースし、または車の中の１つ以上の制御されたシステムに影響を与えることができる。ダッシュボード表面フィーチャは、文字、ロゴ、シンボルおよび環境制御、オーディオシステム、ナビゲーションシステムなどのような車内のシステムの制御に関する他のフィーチャを含みえる。ダッシュボード以外に、そのような再構築可能なアクチュエータおよびセンサは、電卓、キーボード、携帯電子機器などを作るのに有用である。
【０１０６】
ある実施形態において、表面変形トランスデューサおよびデバイスは、スピーカのような音響発生応用例のために用いられえる。電気活性ポリマーを用いた音響発生のさらなる説明は、米国特許第6,343,129号に記載される。
【０１０７】
他の実施形態において、表面変形電気活性ポリマートランスデューサデバイスは、物体および表面の間の摩擦係数を増したり、減らしたりするのにアクチュエートされえる。ある実施形態において、表面変形トランスデューサデバイスは、物体の底面にわたって可変摩擦係数を提供するようにアクチュエートされる物体の底面にわたってマウントされえる。摩擦の可変係数は、摩擦ステアリングを発生するために用いられえる。摩擦制御が適用されえるある応用例は、スキーまたはスノーボードの底面上である。摩擦制御は、スキーまたはスノーボードのブレーキまたは回転を助けるのに有用でありえる。
【０１０８】
図５Ｂは、本発明の具体的な実施形態による、それぞれ翼３４３およびフラップ３４５の表面にマウントされた表面変形電気活性ポリマートランスデューサ３４０および３４２を示す。トランスデューサ３４０および３４２のアクチュエーションは、ウィング３４３およびフラップ３４５上の空気の流れの特性を変化させる。例えば、翼の動作条件に依存して、翼上のリフトおよびドラッグを増加または減少するためにトランスデューサ３４０上のアクティブ領域がアクチュエートされえ、例えば、表面粗さおよび翼上を通る空気の流れの乱流を増すためにアクチュエートされえる。他の実施形態においては、トランスデューサ３４０および３４２のアクチュエーションは、翼表面のレーダ断面積特性を変化させるために用いられえる。
【０１０９】
表面変形電気活性ポリマートランスデューサの他の例示的応用例は、１）点字デバイス、２）表面変形トランスデューサが触覚的フィードバックを提供するようアクチュエートされるキーボードまたは他のインタフェースのようなタッチセンシティブデバイス、３）マッサージ機、４）バイブレーションデバイス、５）ポンプおよび６）リニアアクチュエータを含む。点字デバイスにおいては、表面変形トランスデューサは、点字として触って読める表面テクスチャを作るために用いられえる。他の関連する応用例においては、表面変形トランスデューサは、表面テクスチャがある地形領域の表面地勢の表現である３ーＤ地形ディスプレイにおいて用いられえる。
【０１１０】
ある具体的な実施形態において、可変容量キャパシタを作るために、それぞれの対向する表面上にパッシブレイヤを持つトランスデューサは、２つの金属レイヤのような２つの堅固な導電性レイヤの間に挟持される。ポリマーおよびパッシブレイヤをアクチュエートし、２つの金属レイヤ間の距離が変化させることによって、キャパシタの容量は、金属レイヤが充電されるときに変化されえる。
【０１１１】
表面のテクスチャを変えることは、その撓みの後に「アクティブな」軍用カムフラージュのような軍用応用例においても望ましい。
【０１１２】
ある実施形態においては、本発明のアクチュエータおよびトランスデューサは、流体システムにおいて熱力学的仕事を実行するために、または流体を制御するために採用される。流体システムは広範に分布する。自動車産業、配管産業、化学処理産業および宇宙産業は、流体システムが広く用いられるいくつかの例である。流体システムにおいては、流体システムのパフォーマンスまたは効率を改善するために流体システム中の流体の流れの特性を制御すること、または流体システムが特定の目的のために動作することを可能にするやり方で流体システム中の流体を制御することがしばしば望ましい。流体の制御の１つの方法は、流体表面インタフェースの制御を通してである。それから本発明は、１つ以上の電気活性ポリマーアクチュエータデバイスおよび表面インタフェースを用いて流体表面インタフェースを制御するデバイスおよび方法を含みえる。具体的な実施形態において、表面変形トランスデューサは、流体導管の内側表面にマウントされる。表面変形トランスデューサは、導管内に波状パターンを発生するようアクチュエートされえる。例えば、混合を促進するために波状パターンが用いられえる。代替として、表面変形トランスデューサは、導管内の摩擦を低減するためにアクチュエートされえる。
【０１１３】
他の具体的な応用例において、パッシブレイヤは、機械的出力またはリンケージに接続し、それによりポリマーによって発生された厚さ変位がリンケージに転送される。それからポリマーの撓みは、機械的出力のための状態を制御し、すなわち機械的出力は、撓み前の第１状態および撓み後の第２状態を有する。例えば、表面変形トランスデューサ（またはその一部分）は、機械的出力または機械的リンケージに接続される物体の位置を制御するのに用いられえる。代替として、表面変形トランスデューサ（またはその一部分）は、機械的出力の形状を制御するのに用いられえる。例えば、機械的出力は、パッシブレイヤ上に設けられる鏡面状表面を含みえ、ポリマーの撓みは、鏡によって反射される光を変えるために鏡の形状または位置を変化させるのに用いられえる。
【０１１４】
８．結論
【０１１５】
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改変物、組み合わせ、および等価物が存在する。例として、本発明はいくつかのポリマー材料および幾何学的形状について記載されてきたが、本発明は、これら材料および幾何学的形状に限定されない。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だと意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【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の上部透視図である。
【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の上部透視図である。
【図１Ｃ】本発明のある実施形態によるアクチュエーションの前の表面領域を含むトランスデューサの側面図である。
【図１Ｄ】本発明のある実施形態によるアクチュエーションの後の表面領域を含むトランスデューサの側面図である。
【図１Ｅ】本発明のある実施形態による堅固なレイヤを備えるトランスデューサを示す図である。
【図１Ｆ】本発明のある実施形態による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１Ｇ】本発明の具体的な実施形態による撓みの前の電気活性ポリマートランスデューサを示す図である。
【図１Ｈ】撓みの後の図１Ｇのトランスデューサを示す図である。
【図２Ａ】本発明のある実施形態による平面外の撓みを向上させるパッシブレイヤを含むトランスデューサを示す図である。
【図２Ｂ】アクチュエートされた状態における図２Ａのトランスデューサを示す図である。
【図２Ｃ】本発明の具体的な実施形態による２つのパッシブレイヤの間に電気活性ポリマーを備えるトランスデューサを示す図である。
【図３Ａ】本発明の具体的な実施形態によるトランスデューサのための交差する共通電極の上部立体図である。
【図３Ｂ】本発明の他の具体的な実施形態によるパッシブレイヤを含むトランスデューサについての上部立体写真である。
【図３Ｃ】本発明の他の具体的な実施形態によるパッシブレイヤを含むトランスデューサについての上部立体写真である。
【図３Ｄ】本発明の他の具体的な実施形態によるトランスデューサの上部立体図である。
【図３Ｅ】文字のアクチュエーションを持つ図３Ｄのトランスデューサの上部立体図である。
【図３Ｆ】本発明の他の具体的な実施形態によるトランスデューサのためのグリッド表面フィーチャ電極の側面図である。
【図４】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用いるプロセスフローの図である。
【図５Ａ】具体的な実施形態による複数のアクティブ領域のステップワイズ撓みを用いてそれぞれに対して２つの物体を動かす方法を示す図である。
【図５Ｂ】具体的な実施形態による翼およびフラップの表面にマウントされた表面変形電気活性ポリマートランスデューサを示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
2007534283.tif 000005
【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
2007534283.tif 000007
【図１Ｆ】
2007534283.tif 000008
【図１Ｇ】
2007534283.tif 000009
【図１Ｈ】
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【図２Ａ】
2007534283.tif 000011
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
2007534283.tif 000013
【図３Ａ】
2007534283.tif 000014
【図３Ｂ】
2007534283.tif 000015
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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