(57)【要約】  本発明は、電気コンポーネントに電気入力を提供するよう構成された導電性素子であって、導電性素子の抵抗率は少なくともその変形量に基づいて可変である、導電性素子と、ボディの変形により、導電性素子を変形させ、それにより、その抵抗を変化させ、電気コンポーネントへの入力を変更するように、導電性素子と直接もしくは間接結合されるかまたは一体化された変形可能なボディとを含む電気回路デバイスを提供する。前記デバイスは、電気回路内で論理素子として単独でも組み合わせても使用することができ、駆動および／または制御機能性を提供する。特定の実施形態は、改善された静電発電機を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を受信し、電気コンポーネントに電気入力を提供するよう構成された導電性素子であって、前記導電性素子の抵抗率は少なくともそれに加えられる変形力に基づいて可変である、導電性素子と、
ボディの変形により、前記導電性素子が前記変形力を受けることになるように、前記導電性素子と直接もしくは間接結合されるかまたは一体化された変形可能なボディと
を含み、
前記電気コンポーネントへの前記電気入力は、少なくとも前記受信された電気信号および前記変形力に依存し、
前記電気入力の変動は、既定の応答を提供するまたは引き起こす、電気回路デバイス。
【請求項２】
前記応答は、前記電気入力による前記電気コンポーネントの直接駆動を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ボディと前記要素の協働により前記コンポーネントを制御し、前記応答は前記コンポーネントに制御信号を提供している、請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ボディ、前記要素および前記コンポーネントが協働して、前記デバイスの閉ループ制御を提供する、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記電気信号は、前記電気コンポーネントによって少なくとも部分的に生成され、前記制御を少なくとも部分的に支援する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記応答は、前記導電性素子の所望の変形を生成することを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記変形可能なボディは、前記変形を生成するよう構成される、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ボディは、それへのまたはその両端間への電圧の印加に応じて変形可能である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記ボディは、少なくとも第１の電極および第２の電極が設けられた誘電エラストマから少なくとも部分的に形成され、その結果、前記電極への電圧の印加により前記ボディを変形させる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記コンポーネントを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記コンポーネントは前記デバイスと一体化される、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
複数の前記ボディを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記複数のボディの第１および第２のものは、単一の誘電エラストマボディ上に設けられた少なくとも３つの電極によって形成され、第１の前記電極および第２の前記電極は、動作可能に結合されて前記第１の変形可能なボディを形成し、前記第１の電極および第３の電極は、動作可能に結合されて前記第２の変形可能なボディを形成する、請求項９に従属する場合の請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
１つまたは複数の追加の前記導電性素子および／または同じ導電性素子の機能上異なる部分を含み、それぞれが、同じ電気コンポーネントまたは異なる電気コンポーネントに電気入力を提供するよう構成され、各導電性素子またはその一部の抵抗率は、少なくともその変形量に基づいて可変である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記導電性素子の第１および第２のものは、直接または間接的に電気的および／または機械的に結合される、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
各導電性素子は、それぞれの１つまたは複数の前記変形可能なボディによって変形するよう構成される、請求項１４または１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記誘電性素子または少なくとも１つの前記導電性素子は、少なくとも１つの前記ボディと電気的に結合される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ボディまたは少なくとも１つの前記ボディは、コンデンサとして機能するよう構成される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記ボディの機械的な変形は、その静電容量を変化させる、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記ボディは第１のボディであり、前記要素は第１の要素であり、前記デバイスは充電ポンプもしくは発電機として機能するか、または、充電ポンプもしくは発電機の一部を形成するよう構成される、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記第１のボディが変形するまたは第１の様式で変形される際に、前記第１の要素の抵抗が変化し、前記応答として前記第１のボディによって電気エネルギーが貯蔵される、および／または、
前記第１のボディが変形するまたは第２の様式で変形される際に、異なる様式で前記第１の要素の前記抵抗が変化し、前記応答として前記第１のボディから電気エネルギーが引き出されるように構成される、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
第２の前記要素および／または第２の前記ボディを含み、前記第２の要素および／またはボディは、前記第１の要素および／または前記第１のボディと協働するよう構成され、前記応答として電気エネルギーの前記貯蔵および／または前記引き出しを行う、請求項２１に記載のデバイス。
【請求項２３】
第２の前記ボディを含み、
前記第１のボディは、第１の前記要素および第２の前記要素を介して電気的に結合される第１の電極化ゾーンおよび第２の電極化ゾーンを含み、
前記第２のボディは、第１の電極化ゾーンおよび第２の電極化ゾーンならびに第３の前記要素を含み、前記第３の要素は、前記第１のボディの前記第１の電極化ゾーンおよび前記第２の電極化ゾーンと電気的に結合される、請求項２１または２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記導電性素子は、電源と結合されるかまたは結合するよう構成され、前記要素および前記ボディは、前記ボディの変形により前記要素を変形させ、前記応答として、前記電源からの電流を制御するよう構成される、請求項１〜２３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記導電性素子は、直接または間接的に電気的に前記電気コンポーネントと結合され、それにより、それに供給された電流を変化させる、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２６】
論理デバイスとして機能するよう構成される、請求項１〜２５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２７】
ＡＮＤゲート、ＮＯＴゲート、ＮＡＮＤゲート、電圧クランプ、ダイオード、加算接合部、ニューロンまたは重み付け加算接合部、ラッチ、バッファ、演算増幅器、周波数逓倍器、シュミットトリガ、発振器、低電流ドライバのいずれか１つまたは複数として機能するよう構成され、前記応答は、既定の論理演算に従って１つまたは複数の入力信号を１つまたは複数の出力信号へ変換することである、請求項１〜２６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記ボディもしくは少なくとも１つの前記ボディおよび／または前記前記要素もしくは少なくとも１つの前記要素の１つまたは複数の方向における変形を阻止するための手段を含む、請求項１〜２７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記阻止するための手段は、１つもしくは複数のリブまたは剛性が増加されたエリアを含む、請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３０】
少なくとも部分的に、前記ボディもしくは最小の１つの前記ボディおよび／または前記要素もしくは少なくとも１つの前記要素を少なくとも１つの方向からの変形から保護するための手段を含む、請求項１〜２９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記保護するための手段は、１つもしくは複数のフレーム要素または剛性が増加された領域を含む、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３２】
請求項１〜３１のいずれか一項に記載の少なくとも２つの電気回路デバイスを備える回路。
【請求項３３】
前記少なくとも２つのデバイスの少なくとも第１および第２のものは、電気的および／または機械的に結合される、請求項３２に記載の回路。
【請求項３４】
電気モータまたは機械受容繊毛アレイの駆動および／または制御を提供するよう構成される、請求項３２または３３に記載の回路。
【請求項３５】
電気信号を導電性素子に提供する工程と、
付随する前記導電性素子を有するボディを変形する工程であって、前記変形により、前記導電性素子の抵抗率を少なくともその変形量に基づいて変化させる、工程と、
前記電気コンポーネントに電気入力を提供する工程であって、前記電気入力は前記電気信号および前記変形に依存する、工程と、
前記電気信号に応じて既定の応答を提供するまたは引き起こす工程と
を含む電気コンポーネントを駆動および／または制御する方法。
【請求項３６】
前記ボディは、誘電エラストマデバイスを含む、または、誘電エラストマデバイスから形成される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
少なくとも１つの誘電エラストマデバイスおよび少なくとも１つの導電性素子から形成された論理素子であって、前記少なくとも１つの素子は、それに変形力を加えることによってその電気抵抗に影響を及ぼすよう構成される、論理素子。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの誘電エラストマデバイスと前記少なくとも１つの素子が協働して、１つまたは複数の入力を１つまたは複数の出力へ変換し、前記出力は、既定のものであるが、前記１つまたは複数の入力に依存する、請求項３７に記載の論理素子。
【請求項３９】
請求項１〜３１のいずれか一項に記載の１つもしくは複数のデバイス、および／または、請求項３２〜３４に記載の１つもしくは複数の回路、および／または、請求項３７もしくは３８に記載の１つもしくは複数の論理素子を含むコンピューティングデバイス。
【請求項４０】
少なくとも１つの誘電エラストマスイッチと動作可能に結合された少なくとも１つの静電発電機を含む充電ポンプおよび／または発電機であって、それにより、第１の状態では、前記少なくとも１つの誘電エラストマスイッチは負荷の方へ電流を方向付け、および／または、第２の状態では、同じもしくは別の前記少なくとも１つの誘電エラストマスイッチが生成されたエネルギーの少なくとも一部を貯蔵手段へルーティングし、前記貯蔵手段は、前記静電発電機または別の前記静電発電機に電荷を供給するよう適合される、充電ポンプおよび／または発電機。
【請求項４１】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような電気回路デバイス。
【請求項４２】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような回路。
【請求項４３】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような方法。
【請求項４４】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような論理素子。
【請求項４５】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のようなコンピューティングデバイス。
【請求項４６】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような発電機。
【請求項４７】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のようなボディ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気回路に関する。特定の実施形態は、アクチュエータとして機能する能力および別のコンポーネントを駆動するかまたは他の方法で制御するなど、多機能性を有する電気コンポーネントまたは回路デバイスを提供する。他の実施形態は、発電機、すなわち誘電エラストマ発電機（ＤＥＧ）および／または発電機を含む回路を構成および／または制御するための手段および方法を提供する。本発明はさらに、結果として得られる発電機および／または回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートな分散アクチュエータシステムが実際によく見られる。例えば、人間の心臓は、本質的には、構造のあらゆるレベルで電気・化学・機械フィードバックループを使用する分散制御戦略によって調整されたアクチュエータの大規模なネットワークである。そのようなシステムは、人工デバイスでの模倣が難しく、少なくとも複雑でコストのかかる制御回路を除いてはない。
【０００３】
誘電エラストマデバイス（ＤＥＤ）はフレキシブルコンデンサとして動作する。誘電エラストマデバイスは、適合電極間に挟まれた誘電エラストマから形成することができる。電極の両端間に電圧を印加することによってコンデンサを充電すると、静電気力により、厚さ収縮および平面膨張が生じる。適切な設計により、所望の変形を達成することができ、これを受けて、ＤＥＤをアクチュエータとして使用することができ、本明細書ではＤＥＡ（誘電エラストマアクチュエータ）と呼ばれる。
【０００４】
静電気力はマクスウェル応力と呼ばれ、厚さ方向に作用する同等の圧力として記載することができる。
【数１】
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式中、εｏおよびεｒはそれぞれ誘電体の絶対および相対誘電率であり、Ｖは印加電圧であり、ｔは誘電体の厚さである。
【０００５】
したがって、ＤＥＤは、電極の両端間に印加する電圧またはシステムに許容される全電荷（静電容量を通じて電圧に関連する）を変化させることによって制御することができる。
【０００６】
また、ＤＥＤは、発電機モードで機能することもできる。ＤＥＤが充電後に変形すれば、電荷になされた仕事により、電荷の分離に変化が生じ、電気エネルギーが生成される。デバイスの静電容量または抵抗をモニタすることにより、ＤＥＤはセンサとして機能することもできる。
【０００７】
異なる動作モードは、特殊化された外部の回路を使用して実現され、具体的には、アクチュエータモードは、通常、高圧スイッチと結合されるマイクロプロセッサを用いて制御され、センサモードには、隔離、調整および解釈回路が必要とされる。
【０００８】
誘電エラストマ発電機（ＤＥＧ）の構成については、（特許文献１）に説明されており、本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれる。図１Ａおよび１Ｂは、例示的な電気変成器１の構成を示し、剛体フレーム２と、実質的に剛体の部材４によって接合される誘電エラストマ材料の２枚のシート３ａ、３ｂとを含む。好ましくは事前延伸された誘電エラストマのシート３は、その表面上に電極が設けられる。
【０００９】
図１Ａおよび１Ｂでは、上方シート３ａはＤＥＡ  ５の一部を形成し、下方シート３ｂはＤＥＧ  ６の一部を形成する。ＤＥＡ  ５の作動（その電極の両端間に電圧を印加することによって）により、シート３ａが変形し、これを受けて、ＤＥＧ  ６のシート３ｂが変形する。
【００１０】
ＤＥＡおよびＤＥＧは、実質的に同一であるよう構成して、実質的に同じ入出力電圧をもたらすことができる。あるいは、ＤＥＡおよびＤＥＧは、電圧利得などの所望の変換を生成するよう構成することができる。これを達成するため、ＤＥＧの異なる特性は、ＤＥＡと比較すると、電圧利得を生成するよう変化させることができ、この特性には、表面積、層の厚さまたは数量、誘電エラストマ材料のタイプ、事前延伸度が含まれる。あるいは、電圧変化は、システムに入力する電圧波形の周波数および／または振幅を変更することによって調整することができる。
【００１１】
ＤＥＤを機械的に結合して電気変成器を提供することとは対照的に、電気的結合を使用して、ある誘電エラストマボディの変形により、別の誘電エラストマボディを既定の様式で変形させるような機械変成器を提供することができる。このタイプの構成についてもまた、（特許文献１）に説明されている。例えば、機械変成器は、２つの個別のＤＥＧを含み得、そのそれぞれは、内部部材と外部環状フレーム部材との間で延伸された誘電エラストマのシートからなり、内部部材は、２つのＤＥＧ間で共通である。外部環状フレーム部材が受動状態で互いから既定の距離で維持された状態で、内部部材は、外部環状フレーム部材間に配置され、エラストマシートは、その間で延伸される。電極は、エラストマシートのそれぞれの上方および下方表面上に位置する。使用の際、内部部材に提供される振動力は、ＤＥＧの１つを延伸させ、他のＤＥＧを緩和させ、それにより、電極間の間隔を変更することによって電気エネルギーを生み出す。電力を生成するには、まず、電荷が存在し、誘電エラストマの変形により電荷間の間隔が変更するようにＤＥＧの電極を充電するかまたはプライミングしなければならない。エネルギー貯蔵部（例えば、バッテリ）をＤＥＧに永久接続してバイアス電圧を供給することができ、その後、ＤＥＧは、バッテリが供給できるエネルギー量を効果的に増加させる。あるいは、コンデンサバンクを使用することができ、それにより、ＤＥＧによって生成されるエネルギーの一部が、バイアス電圧の供給における今後の使用のために貯蔵される。損失のない理論上のシステムでは、システム内の全電荷量は一定に保たれ、ＤＥＧに移動することによりそのエネルギーを増加させ、次いで、それを電荷貯蔵部へ戻す。
【００１２】
実際には、理想的な回路コンポーネントはなく、したがって、システムから電荷が失われる。これを克服するため、（特許文献１）では、電圧の増加を電荷の増加に変換することについて説明している。効果的に、逆充電ポンプが使用され、その結果、電気エネルギーは、低圧の高荷電形式に変換された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開第２０１１／００５１２３号パンフレット
【特許文献２】ニュージーランド特許出願第５７８２７５号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｂ．Ｏ’Ｂｒｉｅｎ，Ｔ．ＭｃＫａｙ，Ｅ．Ｃａｌｉｕｓ，Ｓ．Ｘｉｅ，ａｎｄ  Ｉ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ  ”ＦＥＡ  ｏｆ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｌａｓｔｏｍｅｒ  ｍｉｎｉｍｕｍ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ａｓ  ａ  ｔｏｏｌ  ｆｏｒ  ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ  ｄｅｓｉｇｎ”，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  ７２８７（２００９）
【非特許文献２】Ｂ．Ｏ’Ｂｒｉｅｎ，Ｔ．ＭｃＫａｙ，Ｅ．Ｃａｌｉｕｓ，Ｓ．Ｘｉｅ，ａｎｄ  Ｉ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ  ”Ｆｉｎｉｔｅ  ｅｌｅｍｅｎｔ  ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ  ｏｆ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｌａｓｔｏｍｅｒ  ｍｉｎｉｍｕｍ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ａ：Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ９４，５０７−５１４（２００９）
【非特許文献３】Ｂ．Ｏ’Ｂｒｉｅｎ，Ｅ．Ｃａｌｉｕｓ，Ｓ．Ｘｉｅ，ａｎｄ  Ｉ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ  ”Ａｎ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ  ｖａｌｉｄａｔｅｄ  ｍｏｄｅｌ  ｏｆ  ａ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｌａｓｔｏｍｅｒ  ｂｅｎｄｉｎｇ  ａｃｔｕａｔｏｒ”，Ｐｒｏｃ．Ｓｐｉｅ  ６９２７（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図１８Ａは回路３０の図であり、ＤＥＧ  ３１と、セルフプライミング回路（Ｓ−Ｐ  Ｃ）３２とを含む。ＤＥＧ  ３１は、Ｓ−Ｐ  Ｃ  ３２および負荷３３に並列に接続される。ＤＥＧ  ３１は、抵抗器（Ｒｌｅａｋ）３５が並列接続された可変コンデンサ（ＶＣ）３４と同等と見なすことができ、それを通じてＶＣ  ３４は電荷を失う。電荷漏洩３５は、ＤＥＧ  ３１の両端間の電圧とともに増加する。
【００１６】
図１８Ｂは、例示的なセルフプライミング回路３２を示し、図１８Ａの構成で使用することができる。回路３２は、静電容量Ｃの２つのコンデンサと、３つのダイオードとを含み、示されるように配置される。コンデンサバンクがプライミング電圧をＤＥＧに供給すると、ノードＢからノードＡに電流が流れる。この方向に電流が流れる場合、コンデンサは、電流の流れを考慮した上でダイオードを理由に効果的に並列に配置されるが、これは、エネルギーは高荷電の低圧形式であることを意味する。ＤＥＧからコンデンサバンクへエネルギーを逆移動させるには、コンデンサを効果的に直列接続した状態で、電流をノードＡからノードＢの方向に流すが、これは、エネルギーは高圧の低荷電形式であることを意味する。図１８Ｂの回路の一特性は、並列状態から直列状態に変化する際に、ＤＥＧによって生成された電圧の比例変化がコンデンサバンクの両端間の電圧の比例変化よりも高い必要があることである。同じ静電容量を有する２つのコンデンサを用いた図１８Ｂの実施形態では、システムをセルフプライミングさせるためには、電圧を２倍にする必要がある。代替の回路レイアウトを使用して、必要な電圧増加を低減することができる。例えば、図１８Ｃの回路は、システムをセルフプライミングさせるためには、電圧を５０％だけ増加するだけでよい。
【００１７】
図１８Ｃでは、一番左側の回路は実際の構成を図式的に示し、中央の回路は電流がノードＢからノードＡに流れる（コンデンサバンクがＤＥＧに供給する）際の一番左側の回路の効果的なレイアウトを示し、右側の回路は電流がノードＡからノードＢに流れる際（エネルギーをコンデンサバンクに逆移動する際）の効果的な回路を示す。
【００１８】
そのような構成はセルフプライミング機能を実行するが、これらの構成では少なくともある特定のアプリケーションに対する問題がある。ダイオードおよび／またはより従来のコンデンサに対する要件は、機能性を促進するために外部の回路を設けなければならないことを意味する。外部の回路に対する要件により、システムのバルク、質量、剛性、コストおよび複雑性が増加し、可能なアプリケーションが制限される。
【００１９】
ＤＥＧプライミング回路は、ＤＥＧをプライミングするための電荷供給源を必要とする。この供給源は、高圧電荷を供給するために必要とされてきた。（特許文献１）に説明されるものなどのセルフプライミング回路は、必要な初期電圧を低減し、外部の供給源へ永久接続することなく動作する能力を有する。しかし、初期電圧は依然として必要とされる。
【００２０】
ＤＥＤは、生体模倣のスマートな分散アクチュエータシステムを生み出すための有望な手段を提供する。しかし、それらのアプリケーションは、アレイサイズに対応する外付けの検知、制御および駆動回路が必要なことが主な原因となり、これまで限定的にか成功しなかった。これはまた、仮にＤＥＤへの回路の一体化に伴う問題を克服することができるとしても、そのようなデバイスの重量、コストおよびサイズを増加させる。
【００２１】
１つ／複数の少なくともこれらの問題を改善するシステムおよび／または装置および／または方法を提供することを目的とする。あるいは、ＤＥＤおよび／またはＤＥＤを含む回路を構成および／または制御するための改善された手段および方法を提供することを目的とする。あるいは、改善されたＤＥＤおよび／またはＤＥＤを含む回路を提供することを目的とする。あるいは、有用な選択を一般の人々に少なくとも提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
広義には、本発明の特定の態様は、本明細書で「誘電エラストマスイッチ」（ＤＥＳ）と呼ばれるものを提供する。ＤＥＳは、誘電エラストマ電極の大きなピエゾ抵抗に依存して他のデバイスを切り替える（例えば、ＤＥＡを充電／放電する）。これにより、外部の回路を取り除くことができる検知および制御の手段が提供され、システムのコスト、重量、体積および複雑性を数桁低減することができる。最終的には、ＤＥＳ概念により、スマートなデバイス、特に、誘電エラストマアクチュエータおよび／または発電機デバイスを生み出すことが可能になる。
【００２３】
ピエゾ抵抗率は、材料が変形する際の抵抗率の変動である。誘電エラストマデバイスのピエゾ抵抗率は、非導電性マトリクスにおいて導電性粒子の複合体を使用することで達成することができる。電極が延伸すると、導電粒子の密度は変化し、パーコレーションが原因で、抵抗率は数桁変化する可能性がある。これは、電極材料の一方から他方への導電粒子の完全な経路が存在する状態から存在しない状態へ材料が移行するため起こり得る。より具体的には、非導電性表面上の分散導電粒子に対し、それを上回ると導電経路が一方から他方に存在し、それを下回ると経路は存在しない、パーコレーション閾値と呼ばれる臨界密度が存在する。強力なピエゾ抵抗率は、密度がパーコレーション閾値を越えるように材料を延伸する際に生じる。
【００２４】
ＤＥＤは、電圧を印加して、電極材料が延伸する際の電流の変化を測定することによって、変形センサとして有用に構成することができ、効果的に自己検知機能を提供し、ＤＥＤの機械的状態をモニタする。本発明はこれに勝り、ＤＥＤのピエゾ抵抗特性を使用して、検知機能を提供するばかりでなく、ＤＥＤが別のデバイスに出力を好ましくは直接提供することも可能にし、その結果、例えば、センサとして機能することに加えて、駆動回路としても機能する。つまり、ＤＥＳを他のＤＥＤと区別するために本明細書で一般に使用されるのは、この機能性である。
【００２５】
図２Ａおよび２Ｂは、センサとしてのＤＥＤの使用を示す。その構成は、分圧器に組み込まれた変形可能な電極（図２Ｂでは、可変抵抗器として示される）を含む。電極が延伸すると、その抵抗は変化し、それにより、電極延伸の何らかの関数として出力電圧が変化する。より具体的には、エラストマ材料のストリップは、一方の端で支持体に固定され、他方の端に引き手リングを有する。ユーザがリングを引くとスイッチング材料が延伸し、例えば静止時の５００オームから、例えば最大伸張時の５０キロオームまでその抵抗を急上昇させる。スイッチング材料は、５キロオームの固定抵抗および５Ｖの電源で分圧器に置かれるよう構成される。したがって、材料が延伸すると、出力電圧Ｖｏｕｔは０．４５Ｖから４．５４Ｖに変化する。これにより、ピエゾ抵抗変位センサが提供され、それにより、距離ｘのリングの変位は、ｘの関数としてセンサ素子の抵抗を変化させ、分圧器を使用して回路に問い合わせを行い、検知された出力を提供する。
【００２６】
図２Ｃおよび２Ｄは、センサかつＤＥＡ駆動回路としてＤＥＳを使用する簡素な構成を示す。図２Ａと同じ引き手リング設定が使用され、質量の引き上げを実現するＤＥＡ（図２Ｄでは、可変コンデンサとして示される）が追加される。センサ回路からの出力はＤＥＡと直接結合され、その結果、ユーザがリングを引くと、ＤＥＳとＤＥＡの両端間の電圧が増加し、アクチュエータが膨張し、質量が引き下げられる。この方法でＤＥＳ素子がドライバとして機能するには、その電気特性は、図２Ａおよび２Ｂの上記センサ回路の電気特性とは異なるものでなければならない。ＤＥＡは高圧の低電流デバイスであるため、ＤＥＳは、０．１〜１ｍＡ程度の電流を切り替える間、数千ボルトもの電圧に耐えなければならない。この理由のため、５メガオームと５００メガオームとの間で切り替えを行うピエゾ抵抗素子および５０メガオームの固定抵抗器が分圧器に使用される。ＤＥＡがスケールアップもしくはダウンされるかまたは異なる速度要件を有する場合は、これらの値は変化し得る。
【００２７】
図３Ａおよび３Ｂはこれをさらに論考し、ＤＥＳがどのように論理回路を形成できるかについて示す。この概念の中心は、情報が電気的または機械的に流れることができるという考えである。ＤＥＳ素子は、ＤＥＡを電気的に充電または放電でき、ＤＥＡ素子は、機械的にＤＥＳを変形できる。図３Ａおよび３ＢのＤＥＳ／ＤＥＡ回路はインバータとして機能する。この回路では、重量が取り除かれ、第２のＤＥＳ素子Ｒｔと交換されている。ＤＥＡ素子とＲｔは引張状態にあり、その結果、ＤＥＡが作動すればＲｔは縮小し、その抵抗を低下させる。Ｒｔは、電圧を出力する第２の分圧器に接続され、別のＤＥＡの駆動に使用され得る。ユーザがリングを引くとデバイスが機能し、示されるＤＥＡの起動を促進する。ＤＥＡは膨張し、Ｒｔを縮小させ、出力電圧Ｖｏｕｔを降下させる。したがって、Ｖｏｕｔの変化は、ＤＥＡに印加される電圧変化とは逆になる。
【００２８】
図３Ｃでは、ＤＥＡ／ＤＥＳの双方向の相互作用についてより一般に示される。ＤＥＡは、変形を通じてＤＥＳの抵抗Ｒを制御し、ＤＥＳは、それらの変化する抵抗を通じてＤＥＡ上の電荷Ｑを制御する。関数Ｑ＝ｆ（Ｒ）およびＲ＝ｆ（Ｑ）はデバイス設計によって決定される。
【００２９】
本発明の好ましい態様は独立クレームにおいて記載され、好ましい実施形態は従属クレームにおいて提供される。
【００３０】
「電気回路デバイス」は、回路と電気的に結合できる、ならびに／または、他の方法で使用して電気回路の電流および／もしくは電圧に影響を与えるデバイスとして幅広く解釈されたい。本明細書全体を通して使用される通り、この用語は、その範囲内に、電圧の印加に応じて何らかの運動形態を生成することができる、および／または、変形力に応じて回路の電気特性に影響を与えるために使用することができるデバイスを含む。変形力は、アクチュエータもしくはそのための制御手段に電圧を印加することによって生成することも、ユーザとの相互作用を通じてなど他の任意の方法で提供することもできる。
【００３１】
「電気コンポーネント」は、電気入力を必要とするもしくは何らかの方法で電気入力に応答するデバイスまたは要素または装置として幅広く解釈されたい。特定の実施形態によれば、コンポーネントは、１つもしくは複数のＤＥＤであるか、または、１つもしくは複数のＤＥＤから形成される。
【００３２】
「導電性素子」または「トラック」は、直列接続もしくは並列接続で動作して電流を移動するが、変形力に応答して何らかの方法で再構成されるようになる１つまたは複数の導電性トラック、素子または粒子であって、トラックまたは素子の抵抗はその結果変化する、導電性トラック、素子または粒子として幅広く解釈されたい。素子またはトラックは、ボディ上もしくはボディ内に形成することができるか、または、他の方法でそれと結合することができる。前記素子は、導電材料から形成されるが、前記素子は、本質的には抵抗器として、より具体的には可変抵抗器として機能する。再構成は、変形であってもよく、および／または、互いに連動する１つもしくは複数の変形可能なもしくは実質的に剛体の構成要素を含んでもよく、前記移動により、抵抗の変化が生じる。
【００３３】
本発明の特定の実施形態を以下に提示する。
【００３４】
第１の特定の実施形態によれば、
電気コンポーネントに電気入力を提供するよう構成された導電性素子であって、導電性素子の抵抗率は変形力に応じて可変である、導電性素子と、
ボディの変形により、導電性素子の抵抗を変化させ、電気コンポーネントへの入力を変更するように、導電性素子と直接もしくは間接結合されるかまたは一体化された変形可能なボディと
を含む電気回路デバイスが提供される。
【００３５】
好ましくは、抵抗率は、少なくとも導電性素子の変形量に基づいて可変である。
【００３６】
好ましくは、ボディは、ボディへのまたはボディの両端間への電圧の印加に応じて変形可能である。
【００３７】
好ましい実施形態によれば、ボディは、誘電エラストマと結合されるかまたは一体化された少なくとも第１の電極および第２の電極が設けられた誘電エラストマから形成され、その結果、電極への電圧の印加によりボディが変形する。電極は、好ましくは、ボディの対向面上に設けられる。さらに、電極は、好ましくは、特にボディの変形に応じて変形可能である。
【００３８】
ボディおよび／または電極は、所望の変形を生成するよう必要に応じて構成することができる。必要に応じて、複数のボディを含めることができる、および／または、必要に応じて、異なる変形を生成することができるように特定のボディ全体にわたって別々のアクティブエリアを画定することができる（電極の構成によって）。それぞれの変形は、同じまたは異なる導電性トラックに影響を及ぼし得る。異なる導電性トラックの場合、これらは、何らかの方法で電気的に結合されても結合されなくともよい。
【００３９】
その上、誘電エラストマは薄膜として容易に形成できるため、誘電エラストマを容易に上下に積層することができる。第１の態様によれば、各層を別々のデバイスとして構成してもよく、さまざまな要素が共通であってもよい。例えば、２つの隣接する層の間に共通の電極を設けることができる。また、同じ入力も異なる入力も受信可能であり得る。複数の積層された実質的に平行なボディにわたって共通の入力を受信することの利益は、それぞれのボディが同様の様式で変形するよう構成されていれば、結果として得られる変形がより強力な力を生成することである。
【００４０】
本発明は、膜タイプの誘電エラストマボディの使用に限定されない。使用される構成は、誘電エラストマボディが使用される予定の特定の環境に合わせて調整することができる。
【００４１】
いくつかの好ましい実施形態は、引張状態下（すなわち、延伸され、フレーム要素に固定される）で誘電エラストマボディを使用できるが、本発明はそれに限定されない。この場合もやはり、必要な動作特性に基づいて構成を選択することができる。
【００４２】
好ましくは、第２の電極は、導電性素子と電気的に結合される。
【００４３】
適切に構成された電極が設けられた誘電エラストマは、本質的にはコンデンサとして機能する。特定の実施形態によれば、コンデンサ（ＤＥＡ）の機械的な変形を使用して、導電性素子を介して電源から電気コンポーネントへの電流を制御する。より具体的には、ＤＥＡが変形すると、導電性素子が変形し、その抵抗率が変化し、導電性素子によって電流出力が変更される。出力電流を使用して、電気コンポーネントに提供する駆動信号を制御および／または変化させることができる。中間回路（制御または駆動回路など）を提供することもできる。
【００４４】
あるいは、導電性素子を別々の電源と結合することもできるが、ボディの変形に伴い、依然として導電性素子による信号出力に影響を及ぼす。
【００４５】
一実施形態によれば、デバイスは、ＮＯＴゲートとして動作するよう構成される。この実施形態の好ましいバージョンによれば、デバイスは、ボディの両端間への電圧の印加により、ボディが膨張し、導電性素子が圧縮するよう構成され、その結果、導電性素子の抵抗率が降下する。結果的に、ボディへの高入力は、導電性素子の両端間に低圧をもたらす（すなわち、デジタル入力１→デジタル出力０）。
【００４６】
別の実施形態によれば、デバイスは、ＡＮＤゲートとして動作するよう構成される。この実施形態の好ましいバージョンによれば、デバイスは、前記第１の変形可能なボディおよび前記第２の前記変形可能なボディを含み、各ボディは、それぞれの電気入力を有する。各ボディは、導電性素子の一部を変形するか、または、直列に結合されたそれぞれの導電性素子を変形するよう構成される。この構成では、両ボディとも、高圧出力を生成するため、変形させる必要がある（すなわち、１＋１→１、他のすべての入力の組合せはゼロを出力する）。追加のボディおよびそれぞれの導電性素子を設けて、追加の入力に対応するようデバイスを構成することができ、必要なことは、高出力を生成するために高入力であることのみである。
【００４７】
別の実施形態によれば、デバイスは、電圧クランプとして構成される。この実施形態の好ましいバージョンによれば、導電性素子は、ボディまたは少なくともその電極によって変形され、ボディまたは少なくともその電極からその入力信号を受信する。
【００４８】
別の実施形態によれば、デバイスは、ダイオードとして構成される。この実施形態の好ましいバージョンによれば、デバイスは、第１のボディおよび第２のボディを含む。上記で論じられたように、これらは、同じボディ内で別々のエリアとして構成することができる。この実施形態では、導電性トラックの一方の端は、第１のボディおよび第１の入力と電気的に結合され、第２の端は、第２のボディおよび第２の入力と電気的に結合される。両ボディとも同時に変形するが、導電性トラックの変形は、第１の入力がより高い電位を有するかまたは第２の入力がより高い電位を有するかに応じて異なる。より具体的には、デバイスは、第１のボディのより大きな膨張が抵抗を減少させ、第２のボディのより大きな膨張が導電性トラックの抵抗を増加させるよう構成される。
【００４９】
別の実施形態によれば、デバイスは、加算接合部として構成される。この実施形態の好ましいバージョンによれば、デバイスは、複数の変形可能なボディを含み、それぞれが別々の入力を有する。各ボディは導電性トラックをある程度変形し（直接または間接的に）、全体的な変形（したがって、抵抗の変化）は個別の変位の和の関数であるため、このデバイスによって生成される出力は、実際には入力の和である。
【００５０】
別の実施形態によれば、ニューロンが提供される。好ましくは、この構成は、前述の加算接合部を含み、重み付け入力が適用される１つまたは複数の追加のボディをさらに含む。
【００５１】
別の実施形態によれば、デバイスは、ラッチとして構成される。好ましくは、この構成は、第１、第２および第３の変形可能なボディ（同じボディ上の別々の電極化エリアによって画定することができる）を含み、各ボディは、それぞれの導電性素子を変形するよう構成されるが、単一の前記ボディ（第１のボディ）と電気的に並列に結合される。前記素子の２つは高圧入力と結合され、他は接地される。デバイスは、第２のボディの作動により高圧入力と結合される導電性素子が変形し、それにより、抵抗を低減するよう構成される。デバイスの構成のため、第３のボディが作動されない限り、第１のボディは作動するおよび作動したままである。
【００５２】
別の実施形態によれば、デバイスは、バッファとして構成される。好ましくは、この構成は、第１の導電性トラックおよび第２の導電性トラックを含み、それぞれが、第１のＤＥＡおよび第２のＤＥＡのそれぞれの間に位置し、第１のＤＥＡおよび第２のＤＥＡのそれぞれによって変形可能である。第１のＤＥＡは第１の入力を受信し、第２のＤＥＡは出力と結合される。この構成の制御は、入力が高圧を有するかまたは出力が高圧を有するかに応じて行われる。導電性トラックは共におよび出力と結合される。導電性トラックは、任意の入力／出力電圧の組合せに対し、各トラックに対する影響が実質的にその正反対となる（すなわち、一方のトラックの抵抗が上昇すれば、他方は低下する）よう構成される。この構成の結果は、電流の需要の変化にかかわらず、出力電圧が入力電圧と実質的に同じ状態が保たれることである。
【００５３】
別の実施形態によれば、デバイスは、演算増幅器（オペアンプ）として構成される。１つの特定の構成は、バッファに対して直前に開示されているものと実質的に同じであり、その違いのみを説明する。すなわち、出力と第２のＤＥＡとの間の結合は取り除かれ、相対変形は、第１のＤＥＡに印加される入力電圧と第２のＤＥＡに印加される入力電圧との間の違いに依存する。
【００５４】
別の実施形態によれば、デバイスは、周波数逓倍器として構成される。好ましくは、この構成は、ＤＥＡおよびＤＥＳ抵抗ラダーを含み、ＤＥＡと結合される入力端子への電圧に印加に起因するＤＥＡの膨張により、ラダーによって形成される抵抗の比率が変化するよう構成される。代替の構成によれば、ＤＥＳはＤＥＡと一体化される。より具体的には、第１の入力端子および第２の接地端子はＤＥＡ上に設けられる。第１の入力端子および第２の接地端子は、それらの間に位置する出力端子で離間される。構成は、第１の端子用の電極がＤＥＳとして機能し、この場合もやはり、周波数逓倍を可能にするよう構成される。
【００５５】
一実施形態によれば、導電性素子は、少なくとも第１の構成要素および第２の構成要素を含み、構成要素は、ボディの変形に応じて比較的変位可能であり、前記変位は、導電性素子の全体的な抵抗に影響を及ぼす。例えば、導電性素子は複数の隙間が設けられた構成要素を含み得、それにより、ボディの変形は、入力に接続された１つのサブセットの要素および出力に接続された１つのサブセットの要素の重複範囲を変化させ、各サブセットは１つまたは複数の要素を含む。
【００５６】
好ましくは、電気コンポーネントは、本発明の第１の態様による第２の電気回路デバイスである。第２のデバイスは、第１のデバイスと同様に構成されても構成されなくともよい。
【００５７】
第１のデバイスの１つまたは複数のコンポーネントは、第２のデバイスのコンポーネントと一体であっても、第２のデバイスのコンポーネントと共通するものであってもよい。
【００５８】
当然のことながら、密接に関連して配置された複数の変形可能な物体は、少なくとも任意の所定のデバイスの特定の側面上で、隣接するデバイスに対し、望ましくないまたは不要な影響を有し得る。結果的に、本発明のデバイスまたはそのコンポーネントは、１つまたは複数の方向からの変形から保護することができる。そのような変形は、外部の力または本発明の他のデバイス／コンポーネントによって行える可能性がある。
【００５９】
一実施形態によれば、本発明のデバイスまたは少なくともその部分の周りに、１つまたは複数の実質的に剛体のフレーム部材を設けることができる。フレーム部材は、デバイスまたはその部分の１つまたは複数の側面上に設けることができ、それにより、隣接するデバイスの変形からデバイスを隔離するか、または、少なくとも影響を有する１つまたは複数の特定の方向からの変形のみに制限する。
【００６０】
フレーム部材は、単にボディの形成に使用された材料の追加の層を含む場合があり、結果的に、実質的に剛体でない場合や、単にボディの別の部分より剛体であるかまたは変形しにくい場合がある。
【００６１】
代替の実施形態によれば、フレーム要素の使用とは対照的に、１つまたは複数のデバイスまたはその部分は、追加の材料の層などを通じて補強することができる。この追加の材料は、ボディと同じまたは異なるタイプであり得る。
【００６２】
当然のことながら、本発明の１つまたは複数のデバイスは、ＤＥＤ内に組み込むことができ、ＤＥＤ自体は、境されるタイプの膜を含み得る（以下で論じられるように）。したがって、本発明の実施形態は、境された膜の中に境された膜を含み得る。
【００６３】
第１の特定の実施形態のデバイスは、静電発電機であっても、静電発電機の一部を形成してもよく、
変形可能なボディが、その変形量に少なくとも部分的に依存する静電容量を有し、
ボディおよび要素が、
ボディが第１の様式で変形する際に、要素の抵抗が変化し、ボディによって追加の電気エネルギーが貯蔵される、および、
ボディが第２の様式で変形する際に、異なる様式で要素の抵抗が変化し、ボディから電気エネルギーが引き出される
よう構成される。
【００６４】
第１の様式での変形は、好ましくは、ボディの少なくとも第１の次元を増加させ、第２の次元を減少させる。
【００６５】
好ましくは、第２の様式での変形は、ボディの少なくとも第１の次元を減少させ、第２の次元を増加させる。
【００６６】
好ましくは、ボディは第１のボディであり、要素は第１の要素であり、静電発電機は第２の導電性素子を含み、第１の導電性素子と同様の様式で構成される。第２の要素の抵抗は、第１の要素の抵抗に合わせて変化するよう構成（少なくとも対応する様式で異なる）しても、他の方法で構成してもよい。例えば、第１の要素の抵抗が減少すると同時に、第２の要素の抵抗が増加し得る。
【００６７】
好ましくは、静電発電機は、第２の変形可能なボディを含む。第２のボディは、第１のボディが変形する際と実質的に同様の様式でまたは対応する様式で変形しても異なる方法で変形してもよい。例えば、第１のボディが、第１の次元が第１の方向に増加すると同時に、第２のボディが、同じ方向に減少し得る。
【００６８】
好ましい実施形態では、第１のボディは、第１のボディと結合されるかまたは一体化された前記第１の要素および前記第２の要素を介して電気的に結合された第１の電極化ゾーンおよび第２の電極化ゾーンを含む。好ましくは、第２の前記ボディには第１の電極化ゾーンおよび第２の電極化ゾーンが設けられ、第３の前記要素は第２のボディと結合されるかまたは一体化される。好ましくは、第３の要素は、第１のボディの電極化ゾーンと電気的に結合される。この構成によれば、好ましくは、第１のボディおよび第２のボディは、第１の方向への一方のボディの膨張により、他方がその方向に小さくなるように、機械的に結合される。
【００６９】
好ましくは、第１の方向への第１のボディの膨張により、第１の要素および第２の要素の抵抗を増加させる、および／または、第３の要素の抵抗を減少させる。
【００７０】
好ましくは、第１の方向（または、別の方向）への第１のボディのサイズの低減により、第１の要素および第２の要素の抵抗を減少させる、ならびに／または、第３の要素の抵抗を増加させる。
【００７１】
電極と要素の適切な電気接続を通じて、本発明の実施形態の発電機は、２つの交換可能な回路を効果的に提供し、第１の回路は第１の変形の結果有効（または比較的より有効）となり、第２の回路は第２の変形の結果有効（またはより有効）となる。回路間での切り替えを使用して、システムにさらなる電荷を貯蔵するかどうか（システムにおける固有の損失を克服するためなど）、または、電荷を負荷の方へ方向転換し得るかどうか制御する。
【００７２】
すべての実施形態と同様に、同じ誘電エラストマボディの別々の電極ゾーンであるよりむしろ、電極ゾーンは別々の誘電エラストマボディから形成することができる。
【００７３】
したがって、本発明は、その基本的な動作の制御を提供するための外部の回路に対する要件を有しないＤＥＧを提供する。フレキシブルな要素によって制御が行われ、ボディ自体がフレキシブルであるため、全体的な発電機は、フレキシブルであるよう構成することができ、他の発電機のシステム設計制約を取り除く。
【００７４】
一実施形態によれば、発電機は、ハイブリッド発電機の一部を形成し、補助発電機をさらに含み、補助発電機が、初期のプライミング電荷を静電（好ましくはＤＥＧ）発電機に提供するよう構成される。
【００７５】
補助発電機は、任意の形式であり得るが、好ましくは、静電発電機内で一体化される。結果的に、補助発電機は、フレキシブルであるよう構成することができ、補助発電機は変形しながらＤＥＧのボディの構成への全般的な適合を可能にする。補助発電機は、ＰＶＤＦ（登録商標）、フレキシブルな太陽電池または誘電紙を使用することができる。あるいは、発電機技術、例えば、圧電、電磁、他の太陽光または他のトランスデューサ技術を使用することができる。
【００７６】
本発明は、そのような静電発電機および／または前記ハイブリッド発電機を含む変成器をさらに提供する。
【００７７】
また、発電および／またはエネルギー転換の対応する方法も、前記発電機および／または前記変成器の使用とともに提供される。
【００７８】
また、本発明は、発電機および／または変成器を製造する方法も提供する。
【００７９】
第２の特定の実施形態によれば、第１の特定の実施形態による第２の電気回路デバイスと構造的および／または電気的に結合された第１の特定の実施形態による第１の電気回路デバイスであって、前記結合が直接または間接的なものである、第１の電気回路デバイスを含む装置が提供される。
【００８０】
一実施形態によれば、装置は、電気モータ内でまたは電気モータとして使用するために構成される。この実施形態によれば、これに限定されないが、装置は、第１の態様による第１、第２および第３の電気回路デバイスを含む。好ましくは、第２の電気デバイスは、第１のデバイスのそれぞれの電気コンポーネントであり、第３の電気デバイスは、第２のデバイスのそれぞれの電気コンポーネントであり、第１の電気デバイスは、第３のデバイスのそれぞれの電気コンポーネントである。
【００８１】
別の実施形態によれば、機械受容繊毛アレイ（ｍｅｃｈａｎｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｃｉｌｉａ  ａｒｒａｙ）が提供され、第１の電気デバイスが、第１の変形可能なボディおよび第２の変形可能なボディを含み、各ボディが、第１の電極および第２の電極を有し、好ましくはその対向側面に配置される。第１の側面上では、電極は互いにおよび導電性トラックと結合される。その上、電極は、好ましくは同様に隣接して配置された第２の電気デバイスと結合するよう構成されるが、他方のその第２の側面上では、第２の側面は同様に構成されるが、高圧電源と結合される。好ましくは、各側面上の導電性トラックはボディ（または、同じボディの電極）間に配置される。第１のデバイスが変形すれば、第１のデバイスは作動し、隣接するデバイスを押動し、今度はそのデバイスを作動する。当然のことながら、そのようなデバイスのアレイは、所望の連鎖動作を生成するよう構成することができる。
【００８２】
第３の特定の実施形態によれば、電気コンポーネントを駆動および／または制御する方法であって、
それに付随する導電性素子を有するボディを変形する工程であって、前記変形により、導電性素子の抵抗率を少なくともその変形量に基づいて変化させ、電気コンポーネントへの入力を変更する、工程を含む方法が提供される。
【００８３】
方法の他の特徴は、第１の特定の実施形態および第２の特定の実施形態で定義されるように、装置の特徴に類似する。特許請求の範囲と同じことが方法に適用される。
【００８４】
さらなる特定の実施形態は、ＡＮＤゲート、ＮＯＴゲート、ＮＡＮＤゲート、ダイオード、ニューロン、電圧クランプ、機械受容繊毛アレイ、低電流ドライバ、モータ（特に回転モータ）、ラッチ、バッファ、オペアンプまたは周波数逓倍器のいずれか１つまたは複数を、単独でまたはそれらの組合せで提供し、それぞれが、１つもしくは複数のＤＥＤから実質的に形成されるか、または、１つもしくは複数のＤＥＤを含む。
【００８５】
好ましくは、制御または駆動の少なくともいくつかの要素はＤＥＳによって行われる。
【００８６】
本発明は、ＤＥＤ、より具体的にはＤＥＳを含む回路に対し、論理素子をさらに提供する。
【００８７】
本発明は、動作可能に共に結合された１つまたは複数の前記論理素子を含む論理回路をさらに提供する。
【００８８】
本発明は、前記論理素子および／または前記論理回路の１つまたは複数を含むコンピューティングデバイスをさらに提供する。
【００８９】
本発明は、それと結合されるかまたはより具体的にはそれと一体化して形成される１つまたは複数の境界部材を有する誘電エラストマ膜または他の方法で成形されたボディをさらに提供する。境界部材は、フレームの形態（膜の場合は実質的に線形であるか、または、特に非平面ボディに対しては二次元もしくは三次元構成である）および／または材料の厚さが増加された領域であり得、外部の変形力からボディを少なくとも部分的に隔離するか、または、少なくともその影響を低減するのに役立つ。例えば、境界部材は、１つまたは複数の方向からの変形からボディを保護し、変形可能なボディの少なくとも一部の変形を制限および／または阻止することができる。
【００９０】
境界部材は、誘電エラストマと同じまたは異なる材料から形成することができる。
【００９１】
本発明は、誘電エラストマ膜またはボディを作成する方法をさらに提供し、これは、１つまたは複数の境界部材を、誘電エラストマ材料上または誘電エラストマ材料内に形成する工程を含む。
【００９２】
好ましくは、材料はシートの形態である。
【００９３】
好ましくは、方法は、材料の一部を分離するかまたは取り外す工程を含む。
【００９４】
好ましくは、その一部は、次いで、ＤＥＤとしてまたはＤＥＤの形成において使用される。
【００９５】
より具体的には、方法は、前記誘電エラストマ膜またはボディを含むＤＥＤを形成する方法に関する。
【００９６】
そのすべての新規態様において考慮されるべき本発明のさらなる態様は、当業者であれば、本発明の実用例の少なくとも１つを提供する以下の説明を読めば明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
本発明の実施形態を、単なる例示として、添付図面を参照して以下に説明する。
【００９８】
【図１】電気変成器の側面図である。
【図２】図２A、Bはセンサに対するＤＥＤ構成の概略図および回路図である。図２C、Dは検知および駆動機能性を提供するＤＥＤ構成の概略図および回路図である。
【図３】図３A、Bは論理機能性を提供するＤＥＤ構成の概略図および回路図である。図３CはＤＥＳとＤＥＡとの間の相互作用の概略図である。
【図４】図４Aは変形を受ける抵抗素子の抵抗変動の評価に使用される実験的な設定を示す。図４Ｂは図４Ａの設定を使用して得られた結果を示す。
【図５】一実施形態の斜視図、概略図および回路図である。
【図６】一実施形態の斜視図、概略図および回路図である。
【図７】一実施形態の斜視図、概略図および回路図である。
【図８】図５〜７の構成に対する代替の構成の斜視図および回路図である。
【図９】公称マクスウェル圧力対変位のチャートである。
【図１０】本発明によって与えられ得る利点を示す図である。
【図１１】モータ内に組み込まれたＤＥＳの例示的なレイアウトを示す。
【図１２】ＮＯＴゲートとして構成された実施形態を示す。
【図１３】ＮＯＴゲートとして構成された実施形態を示す。
【図１４】ＡＮＤゲートとして構成された実施形態を示す。
【図１５】電圧クランプとして構成された実施形態およびそこから導出された例示的な電流電圧曲線をそれぞれ示す。
【図１６】電圧クランプとして構成された実施形態およびそこから導出された例示的な電流電圧曲線をそれぞれ示す。
【図１７】代替のダイオードの実施形態を示す。
【図１８】ＤＥＧ構成およびそのためのセルフプライミング回路を示す。
【図１９】加算接合部として構成された実施形態を示す。
【図２０】ニューロンとして構成された実施形態を示す。
【図２１】機械受容繊毛アレイで使用するための実施形態を示す。
【図２２】低圧電流ドライバとして構成された実施形態を示す。
【図２３】図２３Aはラッチとして構成された実施形態を示す。図B、Cはラッチの代替の実施形態を示す。図２３Dはバッファが設けられた図２３Ｃの回路を示す。図２３E,Fは図２３Ｂ〜Ｃの構成を使用して得られた結果を示す。
【図２４】バッファとして構成された実施形態を示す。
【図２５】オペアンプとして構成された実施形態を示す。
【図２６】周波数逓倍器として構成された実施形態およびそこから導出された予想される電圧曲線をそれぞれ示す。
【図２７】図２７Aは周波数逓倍器の代替の実施形態を示す。図２７B、Cは周波数逓倍器の別の実施形態の概略図および回路図を提供する。
【図２８】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図２９】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図３０】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図３１】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図３２】本発明のさらなる実施形態を示す。
【図３３】反転シュミットトリガのための設定、回路および結果を示す。
【図３４】図３４A、Bはリング発振器を示す。図３４C、Dは図３４Ａ〜Ｂの構成から得られた結果を示す。図３４EはＮＡＮＤゲートとして機能するよう構成された実施形態を示す。
【図３５】本発明の実施形態の代替図である。
【図３６】図３５の構成を使用して得られた出力電圧のチャートである。
【図３７】図３７Aは機械式スイッチベースのセルフプライミング構成を示す。図３７Ｂは別の実施形態の図３７Ａと同等の構成を示す。
【図３８】図３８Aは静電発電機の構成を示す。図３８Ｂは別の実施形態の図３８Ａと同等の構成を示す。
【図３９】特定の実施形態の仕組みのテストに使用された構成を示す。
【図４０】図４０Aは図３５Ｂの実施形態の代替法を図式的に示す。図４０Ｂ、C、Ｄは代替のセルフプライミング回路を図式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００９９】
先に論じられたように、図２Ｃおよび２Ｄは、本発明を具体化する簡素な例示的な構成を示し、それにより、ＤＥＳでピエゾ抵抗率を使用して、質量を保持する小型の誘電エラストマアクチュエータを制御する。そのような構成は、例えば、リモート作動デバイスとして使用することができる。ユーザがリングを引き、Ｒｓとラベル付けされたピエゾ抵抗素子を延伸することにより、抵抗を例えば２０ＭΩから５００ＭΩへ素早く上昇させる。電気的には、スイッチング抵抗Ｒｓは、アクチュエータを駆動する分圧器の放電部分である。３０００Ｖの電圧を高圧端子（ＨＶ）に印加すると、ユーザが非延伸状態から完全延伸状態までリングを引くにつれて、アクチュエータに印加される電圧は、およそ１１４０Ｖから２７３０Ｖまで遷移する。この結果として、ユーザによって与えられる運動と同期して重量は上下に移動する。
【０１００】
ピエゾ抵抗素子Ｒｓは、導電性トラックとして誘電エラストマ上に形成することができる。抵抗素子の設計に対しては、多くの要求がある。すなわち、抵抗素子は、それを通して適正なレベルの電流（通常１ｍＡ未満）が流れるよう構成されなければならず、高圧（例えば、４ｋＶ超）に対する耐性がなければならず、形状変化および／またはパーコレーション効果のため、抵抗に違いがなければならず、好ましくは、経時的に繰り返し可能な様式で違いがなければならず、大歪み（例えば、数百パーセント）まで対応しなければならず、密度の調整が容易でなければならず、任意の所望のパターンでの適用または構成が容易でなければならない。これらは設計上の考慮事項であり、任意の特定の実装形態に対して、その要因の間である程度の妥協が必要であることを理解されたい。
【０１０１】
発明者らは、これらの必要性を少なくとも部分的に満たすカーボングリース混合体を開発して使用した。現時点での好ましい一構成は、好ましくはおよそ５：１（グリース：カーボン）の重量比で、Ｍｏｌｙｋｏｔｅ  ４３ＧグリースとＣａｂｏｔ  Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２カーボンブラックの混合体を含む。混合体は、本質的には基板に容易に手塗りすることができるペーストを形成する。堆積、イオン注入、量子トンネル複合素材およびカーボンナノチューブなどの他の技法を使用できることが理解されよう。また、それ以外の技法も構想される。
【０１０２】
図４Ａに示される実施形態では、ＶＨＢ４９０５（３Ｍからの一般的な市販のアクリル樹脂材料）から形成される実質的に平面のボディ２０は、ボディ２０の平面内のすべての方向にその元のサイズの３倍に事前延伸され、直径８０ｍｍの窓２４を備えた厚さ３ｍｍのプラスチックフレーム２２に取り付けられ、フレーム２２は、今度は、フレーム２５によって支持された。直径５０ｍｍで厚さ３ｍｍのプラスチックディスク２６は、ボディ２０の中心に固定された。
【０１０３】
ステッパモータ２７が使用され、合わせくぎ２８を介してディスク２６の中心を変位した。４つのおよそ３０ｍｍ長のＭ形状のトラック１４が、実質的に窓２４とディスク２６によって境されたエリア内のボディ２０に塗装された。各トラックの抵抗は、０．７５Ｈｚで０〜１５ｍｍの単一の正弦波変位が行われる間モニタされた。
【０１０４】
製作後の翌日に得られたこの結果を図４Ｂに表示する。抵抗の変化は明らかに著しく、１５ｍｍを超える変位を有し、数ナノファラッドの小型のＤＥＤの切り替えを可能にするのに十分である。サンプル間の変動（恐らく手製プロセスが原因で）および全変位範囲にわたるヒステリシスは、全体的な変動と比較すると無視できるほどであり、単にオンまたはオフ状態を決定することが必要な場合は重要ではない。
【０１０５】
図５は、本発明の能力を実証するために発明者らによって設計され使用された構成を示す。設定は、支持体４１上に装着されたレール４０によって定義される円形のトラックを含む。支持体４１は、ディスク２６（図６を参照）および支柱４４を介してＤＥＤ  ４２ａ、４２ｂおよび４２ｃ上に装着される。ＤＥＤ  ４２はフレーム４５によって支持された。図５の構成を使用して、ＤＥＤ  ４２内に組み込まれたＤＥＡの適切な作動によって、トラックに沿ってボール４６を動かした。この運動を行うための制御は、センサフィードバック、論理および駆動回路を本来提供するように、ＤＥＳ機能性でＤＥＤ  ４２を補強することによって達成された。
【０１０６】
図６は、図５の装置のアクティブな部分の略図である。図６のＤＥＤ  ４２は、アクチュエータセクションＣ１−３から形成されたＤＥＡ（誘電エラストマアクチュエータ）と、トラック１４を含むＤＥＳ  Ｒ１ａ−３ａおよびＲ１ｂ−３ｂとを含む。また、その間の電気接続も示す。図７は、同等の回路図を提供する。
【０１０７】
各ＤＥＤ  ４２は図６に示されるように構成され、トラック１４は図４Ａと同様の様式で形成され、ボディ２０は同様のレベルの事前延伸を受けた。アクチュエータセクションＣ１−３は、Ｎｙｏｇｅｌ  ７５６Ｇカーボングリースを使用して形成された。図６では、装置の一面のみが示されているが、各アクチュエータセクションＣ１−３は、好ましくは、誘電エラストマボディ２０によって離間された電極層の対を備える。代替の電極設計を使用できることが理解されよう。
【０１０８】
アクチュエータセクションＣ１−３は、およそ２ｎＦの静電容量を有した。アクチュエータセクションＣ１−３は、各デバイスが２つのスイッチングセクションを含むように、左右折半され、その間にトラック１４が配置された状態で示される（図６を参照）。各デバイスの第１のスイッチングセクションは、Ｒ１ａ−３ａとマーク付けされ、反時計回りの方向に次のアクチュエータの充電電流を制御する。各デバイスの第２のスイッチングセクションは、Ｒ１ｂ−３ｂとマーク付けされ、時計回りの方向に次のアクチュエータの放電電流を制御する。
【０１０９】
動作についてより詳細に説明するが、本質的には、いずれのアクチュエータの下向きの変位も、時計回りの方向のアクチュエータを起動し、反時計回りの方向のアクチュエータを解除する。より具体的には、４ｋＶの電圧を高圧端子Ｈｖに印加し、ＤＥＤ  ４２上に支持体４１およびレール４０を配置すると、３つのＤＥＤはすべて、支持されている重量を受けておよそ８ｍｍ下向きに変位する。図４Ｂを参照すると、トラック１４の抵抗はおよそ５０ＭΩである。図７から、各アクチュエータＣ１−３に印加される電圧はおよそ２ｋＶであると判断することができる。電圧の印加により、アクチュエータは、ディスク２６が下向きに促されるように作動する。例示的な構成では、中心は９ｍｍの変位まで下がり、抵抗をおよそ８０ＭΩまで増加させるが、印加電圧は２ｋＶで実質的に安定した状態を維持する。３５ｇのボール４６をアクチュエータＣ１の真上のレール上に配置することにより、そのＤＥＤのディスク２６は１１ｍｍまで変位する。他の２つのディスク２６の変形は、およそ８ｍｍに変化した。表１は、アクチュエータＣ１上へのボールの配置に起因するこれらの変位の即効性を示し、それに対する値は、図４Ｂおよび７を使用して決定することができる。
【０１１０】
【表１】
2013520956.tif 000004
【０１１１】
Ｃ３上での電圧の増加により、Ｃ３は作動して１２ｍｍまで変位し、Ｃ２上での変位の減少により、Ｃ２は緩和して７ｍｍの変位まで戻る。したがって、レール４０は傾斜し、ボールはＣ３に向かって転がる。ボールがレールを転がり回ると、レールの傾斜もボールに連動し、ボールが最大速度に達するまで加速する。この分析は一例にすぎない。実際には、システムは極めて動的であり、その状態は経時的に絶え間なく変化する。例示的な装置は０．７Ｈｚで動作し、およそ０．５メートル毎秒の最大ボール速度に相当する。電源電圧を変化させることで、アレイの速度を制御する効果的なメカニズムが提供された。これは、スイッチを通じて電流を充電および放電することによってアレイが速度制限されるか、または、電圧の増加によりスイッチがより感度の高い平均変位にシフトしたかのいずれかを意味する。
【０１１２】
代替の設定によれば、図６の３つのＤＥＤのそれぞれは、単一のスイッチのみを含むよう再構成され、それぞれのスイッチに対して空隙を１つずつのみ設けた状態で、実質的に完全にディスク２６の周りにアクチュエータＣ１−３が設けられた。この構成は図８Ａで示されており、端子ＡはＤＥＳに接続し、端子ＢはＤＥＡの上表面に設けられた電極およびＤＥＳに接続し、端子ＣはＤＥＡの下表面の電極に接続する。
【０１１３】
共に接続される３つのＤＥＤのための同等の回路は、図８Ｂで提供される。スイッチング素子は図８に示されるように配置され、その結果、そのそれぞれは、５０ＭΩの固定抵抗を有する分圧器を形成する。中央の結合ポイントが面外に変位すると、スイッチングユニットの抵抗は、実質的にパーコレーションおよび形状効果が原因で増加し、これは、出力電圧を上昇させる効果がある。三相のそれぞれの端子Ａは、アレイ内で次の相の端子Ｃに接続され、その結果、各アクチュエータがボールの重量を受けて下方に変位すると、それは次のアクチュエータを起動し、プラットホームを傾斜させ、ボールを前方に転がす。このように、電力が印加される限り、ボールはトラックの周りを転がり続ける。
【０１１４】
図８Ａの実施形態に従って４ｋＶの電源でデバイスのアレイを使用し、０．７５Ｈｚでの正弦波０〜１５ｍｍ変位を受けた各相に対する公称マクスウェル圧力が図９で提供される。マクスウェル圧力はアクチュエータの作動圧力であり、Ｐｍａｘ＝εｏεｒＥ２から得られ、式中、εｏおよびεｒはそれぞれ自由空間の絶対誘電率および材料の相対誘電率であり、Ｅは電界強度である。誘電エラストマ膜に対して公称厚さ５５ミクロンおよび相対誘電率４が選択された。改善された併行精度および／または正確度および／または信頼性は少なくとも導電性トラックの適切な設計によって達成でき、図９で提供される結果は例示のみを目的とし、本発明の能力を制限するものではないことに留意されたい。
【０１１５】
図５〜８Ｂの構成は単に既定のシーケンスで動作するのみではない。構成は、ボールの位置を検出し、それに従って、レールの傾斜を制御する。一般に、これは外部の制御回路なしでは不可能である。その上、アクチュエータによる応答は、プラットホーム上のボールの位置に依存する。円滑な動作の場合、ボールが特定の要素上にくると、作動信号は最強となる。アクチュエータが素早く応答するよう駆動するには十分な電流が必要とされる。
【０１１６】
より従来の構成では、恐らく各デバイスに配置される外部センサを使用してボールの位置を検出したであろう。マイクロコントローラを使用して、センサデータを較正し、何らかの制御法則を実施した可能性がある。高圧駆動回路を使用して、アクチュエータを充電および放電した可能性がある。この構成も同じ結果を達成することができるが、システムに対するコスト、体積、質量および複雑性が増加する。これらの制限は、少数のアクチュエータを使用する際またはシステムの精度が最高である場合は容認できるが、大型のアクチュエータのアレイが必要とされる際または精度よりもコストの方が重要な要素である場合は特に問題となる。
【０１１７】
従来の手法のさらなる問題は、誘電エラストマが実行可能な大きなストロークを最大限に活用するのに十分フレキシブルなセンサを生み出すことが非常に難しいことである。それによってアクチュエータの静電容量または抵抗がリアルタイムでモニタされ、アクチュエータ変位に関連付けられる自己検知機能性の追加により、この問題はいくらか解決されるが、現行の手法では、追加の回路、例えば、制御法則を実施するためのマイクロコントローラおよび駆動回路が依然として必要とされる。そのような回路は、本発明に従って、構成から取り除くことができる。コンポーネント部品を低減する範囲を図１０に図式的に表す。
【０１１８】
したがって、本発明の実施形態は、アナログおよびデジタルまたはブール回路の、誘電エラストマアクチュエータ、発電機、センサ、ダンパまたはハイブリッドデバイスとの一体化を実現する。この一体化は、スイッチング回路がデバイスサイズまたはデバイス数とうまく釣り合っていることを意味する。
【０１１９】
図５〜８Ｂの発振器はアナログベースであるが、これは、発振器が慎重なチューニングを必要とし、製作における劣化または欠陥は容認されないことを意味する。さらに、発振器は、バネ質量系に基づき、これは、小型化または任意の回路との一体化には適さない場合がある。
【０１２０】
図３４Ａ〜Ｂは、まず、デジタルベースに切り替えることによって、そして次に、バネ質量構成への依存を取り除くまたは少なくとも低減することによって、これらの問題に少なくともいくらか対処できるリング発振器を示す。以前の構成に勝る図３４Ａ〜Ｂの構成の利点を以下で要約する。
１）デジタル要素として、製作上の劣化／欠陥に対するさらなる耐性を有するだろう。
２）機械式というよりむしろ電気式の時定数ベースのデバイスとして、特定のアプリケーションに対して容易にスケーリング／チューニングを行えるはずであり、背景機械的振動に対してさらなる耐性を有するだろう。
３）高圧ＤＥＳデバイスの平均余命を評価するためおよびその構成インバータの最高速度をテストするための良好なツールを提供する。
４）簡素であり、実装に必要なコンポーネントの数は少ない。
【０１２１】
発振器は６つのサブユニットから形成され、その１つが図３４Ａに示される。各サブユニットは、厚さ３ｍｍ、内径７５ｍｍのＰｅｒｓｐｅｘリングに付着された３．５の事前に等二軸延伸されたＶＨＢ４９０５上に形成されたＤＥＳおよび二分されたＤＥＡからなるものであった。ＤＥＡ電極はＮｙｏｇｅｌ  ７５６Ｇであった。ＤＥＳ電極は、３５％延伸するように延伸中に適用されたＭｏｌｙｋｏｔｅ  ４４  ＭｅｄｉｕｍグリースおよびＣａｂｏｔ  Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２カーボンブラックの５：１混合体であり、静止状態では極めて非導電性であった。ＤＥＡの左右折半部は、電気的に接続され、作動すると、中央のＤＥＳを圧縮し、抵抗をかなり低減した。
【０１２２】
図３４Ｂは、リング発振器を作成する３つのインバータを形成するためにどのようにサブユニットを対にしたかを示す。１つのサブユニットに相当する回路は、図３４Ｂの左上隅の枠で囲まれている。各インバータの１つのサブユニットは２８００Ｖの電源を基準とし、他のサブユニットは接地を基準とした。各サブユニットの入力を互いに結び付け、その結果、入力が高い場合には、接地基準のサブユニットがアクティブ状態となり、インバータ出力を低方に引き込むようにした。入力が低い場合には、電源基準のサブユニットがアクティブ状態となり、インバータ出力を高方に引き込んだ。
【０１２３】
発振器は、Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ  Ｌａｂ  ４チャネルＥＡＰ制御ユニットから給電された。十分な電流を供給するため、１５キロオーム抵抗器のＷＹＥ構成を使用して、３つの１２０μＡチャネルを互いに結び付けた。発振器の動作を理解するため、すべてのインバータは電源電圧の半分であるという初期条件を考慮する。何らかの小さな欠陥により、第１のインバータの出力は、半分よりやや高めになる。これにより、第２の出力は半分より低め、次いで第３の出力は半分より高め、次いで第１の出力は半分より低めなどになる（他の奇数のインバータを使用してこの機能性を達成できることに留意されたい）。ここで、ゲートの利得は（−）１を越えなければならなく、そうでなければ、振動は大きくなるよりもむしろゼロに減衰することが分かる。インバータが飽和し、リング発振器が安定するまで、振動は増大する。
【０１２４】
テストの際は、電源のスイッチを入れ、出力を５ギガオーム入力インピーダンス電圧プローブに接続した。Ｎａｔｉｏｎａｌ  ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのＤＡＱカードおよびＬａｂｖｉｅｗ  ８．６を使用してデータを取得した。表２は発振器の性能を要約し、図３４Ｃでは動作の最初の５０秒間の時間に対する電源および出力電圧を示す。振動の振幅および周波数は、大体４０秒の時点での安定した飽和パターンに落ち着くまでの時間にわたって増大された。図３４Ｄは、動作から１００秒後の実質的に矩形波の１Ｈｚ強の周波数で安定して振動するリングを示し、ループ利得は１よりも大きく、それぞれのインバータ段階のスイッチング遅延はおよそ３３３ミリ秒であったことを実証する。
【０１２５】
【表２】
2013520956.tif 000005
【０１２６】
リング発振器は、それぞれのインバータ段階が異相出力として機能できるため、多相モータまたはポンプなどのドライバアプリケーションに特によく適している。人工筋肉デジタル回路のためのクロックとして機能する場合、発振器は、バネ質量系を必要とせず、環境的振動の影響を受けにくいことを示し、小型化し易いはずである。
【０１２７】
例示的なアプリケーションを図１１に示し、例えば、示されるデバイスの実質的に中央に結合された適切に構成されたクランクメカニズムを使用して、回転運動を生成するために使用することができる構成を示す。構成は３つのＤＥＡ  １２を含み、そのそれぞれはフレーム４５と結合される。ＤＥＡ  １２の適切な作動／解除により、駆動素子１１０を所望の様式で動かすことができる。各ＤＥＡ  １２間には、任意の特定の要素が延伸する際に隣接する要素を切り替えるためのＤＥＳ  １０が設けられる。結果的に、この構成を使用して、実質的に平面のアクチュエータおよび付随する制御を提供することができ、これは例えば回転モータとして使用することができる。
【０１２８】
本発明のＤＥＳ概念を使用して実現できるさらなる例示的なデバイスについて、以下に説明する。一般に、これらの実現は以下の４つのカテゴリの１つに当てはまる。
１）固定または可動境界条件を用いて、延伸された誘電エラストマ膜がフレームで保持される場合は「境された膜」。これらのデバイスは作成が比較的簡単である。境された膜は、より大きな膜内に含まれても、膜の一部がその他の部分と境され分離されてもよい。より大きな膜は、境されていても境されていなくともよい。そのような構成の一例は図３２Ａで提供され、より大きな誘電エラストマボディ３２２に含まれる境された部分３２１は、境された部分３２１の外側の要素によって与えられる変形に起因する歪みの影響から少なくとも部分的に保護される。そのような構成では、境された部分３２１は、以下で説明するように論理回路を含むことができる。図３２Ｂは、境された部分３２１の外部の要素によって与えられる歪みが、選択的なフレーム部分の欠如によって選択的に許容される代替の構成を示す。フレーム使用の概念は、二次元に限らず、垂直に積層されたＤＥＤ間に設けることができることに留意されたい。また、境された部分がより大きな誘電エラストマボディ内に位置するとも限らない。例えば、離散したボディを並べて配置するか、または、ある要素の変形が別の要素に影響を及ぼすことができる他の任意の構成で配置することができる。
２）ＤＥＳ素子のサイズと比べて、非常に大きく延伸された膜が使用される場合は「無限の膜」。これは、多くのスイッチの複合システムに有用なレイアウトである。設計は、境された膜のケースとはかなり異なり得る。
３）複数の延伸された誘電エラストマ膜が互いに交互に積層される場合は「多層膜」。これは、境された膜または無限の膜のケースを含む。多層による解決法は、２つの密接に接着された膜における歪み場が同じであるため、要素間で改善されたスイッチング作用の伝送を提供することができる。この設計に固有の１つの難点は、膜間にビアを作り出すことである。
４）誘電エラストマデバイスおよびスイッチのネットワークが材料のバルク全体を通じて構成された状態で、誘電材料の何らかの三次元ピースが存在する場合は「一般的なケース」。そのような構成は、「柔軟なコンピュータ」または「Ｓｍａｒｔ  Ｂｌｏｂ」と見なすことができる。
【０１２９】
別の方法で記載されるかまたは明らかでない限り、以下で説明される構成における膜または変形可能なボディの下面には接地された電極が設けられる。
【０１３０】
ＮＯＴゲート
ＮＯＴゲートはその入力の否定を引き起こす。高圧信号が入力に接続されれば、出力は低値に降下する。入力に何も接続されなければ、出力は高くなる。ＮＯＴゲートの機能性を提供する境された膜のタイプの構成の一例を図１２に提供する。ＮＯＴゲートは、２つのパーコレーション未満トラックに隣接するＤＥＡ素子からなる。ＤＥＡが非アクティブ状態となると、出力は、最上部トラック１２１およびトラック１４によって形成される分圧器によって決定されるようなＨＶ（高圧）と接地との間の何らかの値となる。「Ｉｎ」端子への高圧の印加によってＤＥＡがアクティブ状態となると、トラック１４は実質的に圧縮し、その結果、２つの垂直アレイは互いに近づき、抵抗率は低下する。これは、ＮＯＴゲートとしての実行に必要とされるように、出力を減少させる。
【０１３１】
図１３は、多層ＮＯＴゲートの一例を示す。２つの誘電エラストマ膜層１３１は、３つの電極層１３２間に積層される。下方の膜は、膜全体にわたってＤＥＡ素子を有し、ＤＥＡ素子は、Ｉｎ端子への高圧の印加とともに膨張する。上方の膜と下方の膜は互いに積層されているため、上方の膜は、下方の膜と同じ箇所が膨張する。この膨張領域では、パーコレーション超トラックが適用される。領域が延伸するにつれて、トラックも延伸し、導電性を著しく低減し、出力から高圧端子ＨＶを切り離す。プルダウン抵抗器トラックは、アクチュエータ素子のローカルの延伸場から離れて適用される。
【０１３２】
ＡＮＤゲート
ＡＮＤゲートは、５つの端子、２つの入力、１つの出力、１つの電源および１つの接地部を有する。ＡＮＤゲートのための境された膜のタイプの構成の一例を図１４に提供する。当技術分野では一般的であるように、膜は、歪み下にあるようにフレームと結合される。入力端子（Ｉｎ１およびＩｎ２）はそれぞれのＤＥＡに接続され、その結果、入力が高い場合にＤＥＡは膨張する。各ＤＥＡに隣接するのは、パーコレーション未満（非導電性）トラックのセクションである。ＤＥＡの膨張により、このトラックは圧縮し、導通し始める。両方のＤＥＡがアクティブ状態となると、全トラックが導通し、ＨＶ電源は出力に接続される。プルダウン抵抗器１４１も示される。
【０１３３】
さらなるＤＥＡボディを設けて対応する入力を受信することができ、トラックから高出力を生成するにはそれぞれがアクティブ状態である必要があることが理解されよう。
【０１３４】
ＮＯＴゲートおよびＡＮＤゲートは、ブールコンピュータの形成に必要とされる唯一のプリミティブであることに留意されたい。したがって、原理上、誘電エラストマコンピュータの形成が可能なはずである。そのようなコンピュータは、アクチュエータ、発電機およびセンサなどの他の誘電エラストマデバイスとシームレスに一体化できるという大きな利点を有する。
【０１３５】
ＮＡＮＤゲート
また、図３４Ａに示される繰り返しユニットを使用してＮＡＮＤゲートを構築することも可能である。また、ＮＡＮＤゲートは、任意のブール回路の形成にも使用できる。ＮＡＮＤゲートの設計は、図３４Ｅで提供され、図３４Ａの４つの前記ユニットからなり、示される回路に配置される。ＮＡＮＤゲートの動作は以下のように要約することができる。
１．入力１と入力２の両方とも低い場合、ユニットＡおよびＢはオフ状態となり、ユニットＣおよびＤはオン状態となる。したがって、出力は、高圧（ＨＶ）電源まで引かれ、高くなる。
２．入力１または入力２のいずれかが高い（両方ではない）場合、ユニットＡまたはＢのいずれかがオフ状態となり、ユニットＣまたはＤはオン状態となる。出力は高くなる。
３．入力１と入力２の両方とも高い場合、ユニットＡおよびＢはオン状態となり、ユニットＣおよびＤはオフ状態となり、出力は低くなる。
【０１３６】
電圧クランプ
図１５に示される電圧クランプは、３つの端子、すなわち、１つの入力（Ｉｎ）および２つの接地部（Ｇｎｄ）を有する。クランプされる電圧は入力に印加される。電圧が上昇すると、ＤＥＡが作動し始める。ＤＥＡが作動すると、ＤＥＡは「パーコレーション未満トラック」を圧縮し、その導電性を上昇させる。ある臨界電圧では、トラックは、かなりの電荷をＤＥＡから取り除き始める。電圧が増加すると、その維持に必要とされる電流が急激に上昇する。ＤＥＡは電圧が二乗された状態で作動し、パーコレーションもまた極めて非線形の現象であるため、効果は非常に感度の高いものであり得る。これは、小型の誘電エラストマ発電機における過電圧保護に対して適切なデバイスであり得る。図１６は、誘電エラストマ電圧クランプに対する電流電圧曲線の一例を示す。臨界電圧を超えると、必要な電流の量が指数関数的に増大する。
【０１３７】
ダイオード
図１７Ａに示されるように、ダイオードは、境された膜タイプのデバイスを使用して形成することができる。膜は以下の３つのゾーンに区分される。
１）順方向バイアスＤＥＡ（ＦＷＤ  ＤＥＡ）
２）逆方向バイアスＤＥＡ（ＲＥＶ  ＤＥＡ）
３）スイッチング素子を備えたデッドゾーン
【０１３８】
ダイオードの後側は接地される。ダイオードが順方向バイアスとなると（ＦＷＤ端子はＲＥＶバイアス端子より高い電位）、ＦＷＤ  ＤＥＡはＲＥＶ  ＤＥＡより膨張する。これにより、パーコレーティングトラック１４を備えた中央のデッドゾーンは、ＲＥＶ  ＤＥＡ側に向かって移動し、トラックを圧縮し、その抵抗を低下する。ダイオードが逆方向バイアスとなると、ＲＥＶ  ＤＥＡはＦＷＤ  ＤＥＡより膨張し、パーコレーティングトラックが延伸するにつれてその抵抗を増加する。
【０１３９】
このダイオードは、特に、発電機として機能するよう構成された誘電エラストマに有用である。例えば、図１８は、（特許文献２）から抜粋された発電機のためのセルフプライミング回路を示す。図１８の回路は、静電容量Ｃの２つのコンデンサと、３つのダイオードとを含み、示されるように配置される。コンデンサバンクが誘電エラストマ発電機（ＤＥＧ）にプライミング電圧を供給すると、ノードＢからノードＡに電流が流れる。この方向に電流が流れる場合、コンデンサは、電流の流れを考慮した上でダイオードを理由に効果的に並列に配置されるが、これは、エネルギーは高荷電の低圧形式であることを意味する。ＤＥＧからコンデンサバンクへエネルギーを逆移動させるには、電流をノードＡからノードＢの方向に流す。この方向に電流が流れる場合、ダイオードの構成は、コンデンサが効果的に直列接続された状態であることを意味し、これは、エネルギーは高圧の低荷電形式であることを意味する。この構成では、ダイオードを使用して、特定のサイクルで生成されたエネルギーの一部（すなわち、電荷）を方向転換し、後段のサイクルのための誘電エラストマの充電またはプライミングのための使用を可能にする。本明細書に提示される新しいダイオード設計を用いると、セルフプライミング発電機をＤＥＤから実質的にすべて形成することができ、実質的にすべて重合体ベースの、伸縮性のある、セルフプライミングの、高圧の、衝撃耐性がある、効率的な発電機を提供する。
【０１４０】
図１７Ｂは、図１７Ａのものと大部分が同一の代替のダイオード設計を示し、違いのみを説明する。図１７Ｂの実施形態は、ＤＥＳが実質的に長さの方向のみに変形するよう抑制するのに役立つリブ１７１を含む。リブは、誘電エラストマボディの下面に位置し得る。示されてはいないが、リブ１７１は、本発明の他の実施形態を実現することができる（例えば、図２４〜２５の構成において）。
【０１４１】
ニューロン
人工ニューロンは、一連の重み付け入力に対応する出力を生成する。ある意味で、それは重み付け加算接合部である。そのようなデバイスは、複数のＤＥＳを使用して生み出され、接合部へ移動する全電流を制御することができる。設計の第１の工程は加算接合部であり、図１９に示される。接合部への各入力はＤＥＡ素子で終端する。電圧の増加によりＤＥＡはさらに延伸する。最上部の電極層上には、それぞれの入力ＤＥＡの上部にパーコレーション直上トラックがある。ＤＥＡの延伸により、トラックは抵抗率をかなり増加させる。材料をチューニングして、ＤＥＡの全作動範囲にわたってパーコレーションポイント辺りの移行が起こることを可能にすることができる。この抵抗率の増加は、各トラックが大型の中央のＤＥＡ  １９１に流す電流を制御する。放電抵抗はプルダウン抵抗器を用いて一定に保たれ、大型のＤＥＡ  １９１の両端間の電圧は、異なる充電電流と放電電流との間で均衡を保つ。次いで、大型のＤＥＡ  １９１は、出力を反転するよう機能する最終スイッチを通る電流を制御し、反転加算接合部ではなく、加算接合部を提供する。
【０１４２】
ニューロンを作成するには、入力を重み付けできるようにする必要がある。これは、その重みに対応する入力の第２のセットを追加することによって達成することができる。２つの入力ニューロンが図２０に示される。膜の中央の２つのＤＥＡ上の電圧は、入力および重み端子に印加される電圧の比率に比例する。２つの中央のＤＥＡ  ２０１上の電圧は加算され、その和が出力である。
【０１４３】
機械受容繊毛アレイ
ＤＥＳを使用して作成された機械受容ＤＥＭＥＳ（誘電エラストマ最小エネルギー構造）アレイが図２１に示される。ＤＥＭＥＳ構成については、Ｂ．Ｏ’Ｂｒｉｅｎ、Ｔ．Ｇｉｓｂｙ、Ｓ．Ｘｉｅ、Ｅ．ＣａｌｉｕｓおよびＩ．Ａｎｄｅｒｓｏｎによって説明されている。（非特許文献１）、（非特許文献２）および（非特許文献３）において。
【０１４４】
各ＤＥＭＥＳは、２つの側、すなわち高圧側「ＨＶ」および接地側「ＧＮＤ」を有する。図２１の左上の部分は、アレイにおける第ｎのＤＥＭＥＳの下面の高圧を示し、右上の部分は、第ｎ＋１のＤＥＭＥＳの接地側を示す。ＤＥＤの電極間のＤＥＭＥＳの各側の中央下は、ＤＥＭＥＳがその平衡状態にある場合に導通し、ＤＥＭＥＳが扁平状態に向かって移行する場合に非導電性となるパーコレーション超トラックである。第ｎのＤＥＭＥＳの高圧側は、第ｎのＤＥＭＥＳの放電抵抗を形成する。第ｎ＋１のＤＥＭＥＳの接地側は、第ｎのＤＥＭＥＳの充電抵抗を形成する。放電トラックを充電トラックよりも短くして、ＤＥＭＥＳが平衡状態において実質的にオフであることを保証する。ＤＥＭＥＳのアレイの側断面図が図２１の下の部分に示される。アレイの動作は以下の通りである。
・第１のＤＥＭＥＳの先端は外部荷重によって前方に変位され、ＤＥＭＥＳ上の放電経路は延伸され、ＤＥＭＥＳ上の電圧を上昇させ、それを作動させてその変位を保持する。
・第１のＤＥＭＥＳは第２のＤＥＭＥＳを押動し、第２のＤＥＭＥＳも第１のＤＥＭＥＳと同じ様式で作動させる。追加の影響が見られるが、第２のＤＥＭＥＳの作動は、第１のＤＥＭＥＳの充電抵抗を延伸させ、電圧を低レベルまで降下させ、第１のＤＥＭＥＳをオフにする。
・作動の波がアレイの下方に伝播される。アレイ上に荷重（示されるレール上のボールなど）があれば、波の速度が荷重によって伝えられ、有用なコンベヤ／推進システムを形成する。
【０１４５】
低電流ドライバ
ＤＥＳは本質的には可変抵抗スイッチであるため、ＤＥＳを使用して低圧デバイスを直接駆動することができる。この概念を具体化する例示的な構成が図２２に示され、電気モータを通る電流はＤＥＡ／ＤＥＳの接地側の抵抗を用いて制御される。別のアプリケーションは、他のデバイスのための可変抵抗のチューニングに対するものである。例えば、ＤＥＡ上の電圧が使用される場合に可変フィルタを生み出してフィルタコンポーネントの抵抗を制御することができる。
【０１４６】
ラッチ
正のフィードバックの状態のＤＥＳ／ＤＥＡの対形成を使用して、メモリ素子を生み出すことができる。すなわち、アクチュエータの起動がスイッチを変形し、その結果、アクチュエータ上の電圧がさらに上昇し、今度はシステムが飽和状態に達するまでスイッチをこれまで以上に変形する。状態保持特性に加えて、メモリ素子は、デバイスの状態をセットするおよび読み取る能力も必要とする。
【０１４７】
ＤＥＳを使用してラッチを作成することが可能であり、例示的な構成が図２３Ａに示される。セットＤＥＡが作動されると、その下部のトラック１４ａが圧縮され、Ｑ  ＤＥＡ上の電圧が上昇する。Ｑ  ＤＥＡは今度は、その下のトラック１４ｂを作動して圧縮する。圧縮されたトラック１４ｂはラッチに影響を及ぼし、セットＤＥＡが低値に降下してもＱ上で高圧が維持される。作動されたＱは、リセットＤＥＡを起動することによってリセットすることができ、それにより、その下のトラック１４ｃは圧縮され、Ｑ  ＤＥＡを放電する。上記に記載されるようなＮＯＴゲートを用いると、このＳＲまたはセット・リセットラッチを容易にＤラッチにすることができる。
【０１４８】
セット・リセット（ＳＲ）フリップフロップまたはラッチの基本動作が表３に与えられる。フリップフロップは、最後の入力を記憶し、セットまたはリセットラインが高くなった場合のみ変化させる。
【０１４９】
【表３】
2013520956.tif 000006
【０１５０】
代替の、より簡素な構成が図２３Ｂに示される。この構成は、ＶＨＢ４９０５の膜が３．２５：３．２５で事前延伸され、内径８５ｍｍの円形のＰｅｒｓｐｅｘフレームに取り付けられた状態で実験的に評価された。膜のフリーエリアには、幅およそ２０ｍｍのストリップが間に位置するように、Ｎｙｏｇｅｌ  ７５６Ｇカーボングリースを使用して２つのＤＥＡがパターン化された。ストリップ内には、Ｍｏｌｙｋｏｔｅ  ４４  ＭｅｄｉｕｍグリースおよびＣａｂｏｔ  Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２カーボンブラックの５：１混合体からＤＥＳ素子がパターン化された。ＤＥＳは、ＤＥＡ間に水平に位置合わせされ、静止状態で１．３６：１．３６に延伸された全長６０ｍｍのトラックを有した。
【０１５１】
図２３Ｂの２つのＤＥＡは共に接続され、その結果、ＤＥＡが起動されると、中央のＤＥＳのパーコレーション未満のトラックを圧縮し、その抵抗をかなり低下させた。図２３Ｃは、共に接続される２つの繰り返し部分を用いてどのようにフリップフロップが形成されたかを示す。出力Ｑは、セットが低くリセットが高い際に記憶される。セットを高く駆動するとＱは高くセットされ、リセットを低く駆動するとＱは低くセットされる。セットが高くリセットが低い状態は容認されず、Ｑは何らかの中間の「トライステート（Ｔｒｉ  Ｓｔａｔｅ）」にセットされる。
【０１５２】
セットラインとリセットラインとの間の分圧器は、２つのアクティブなＤＥＳからなるものであったことに留意されたい。分圧器は、ＤＥＳおよび固定基準抵抗を使用して達成された可能性があるが、ＤＥＳのパーコレーション閾値が定まらなければ分圧器がかなり高くまたは低くなるという問題や、放電または充電速度のいずれかが制限されるという問題にも悩まされたであろう。デュアルアクティブ分圧器を使用することでこれらの問題は回避された。さらに、要素は、オンおよびオフ構成において高抵抗を有するＤＥＳが常に１つ存在したため、セットとリセット入力との間に短絡回路があり得ないように設計された。さらに、ＤＥＳは、それらのパートナーであるＤＥＡが半分の電圧である場合は導通しなかった。
【０１５３】
図２３Ｂ〜Ｃのフリップフロップは、反転されたリセット入力を用いたＳＲフリップフロップである。したがって、ＳＲフリップフロップとしての実際の実装形態において、インバータが必要とされる。フリップフロップの入力は出力を直接駆動したが、これは、バッファ回路なしではカスケードできなかったことを意味する。図２３Ｄは、カスケードを可能にするためのバッファ段階が加えられたフリップフロップを実証する。
【０１５４】
図２３Ｂ〜Ｃのデバイスの性能は、４チャネルのＢｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ  Ｌａｂ  ＥＡＰコントローラを使用してテストされ、出力は５ギガオーム入力インピーダンス高圧プローブで測定された。データ取得は、Ｎａｔｉｏｎａｌ  ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのＤＡＱカードおよびＬａｂｖｉｅｗ  ８．６を用いて行われた。その結果は図２３Ｅに示され、１秒間のセットおよびリセットパルスで３２００Ｖ  ＨＶ電源に接続されるとフリップフロップは適正に機能したことが示される。セットまたはリセットパルスへの応答は、図２３Ｆに示されるような２つの明確な段階を有し、それはセットパルス上で拡大された。段階１は、ＱがＳのある割合まで急激に増加する瞬間応答であった。段階２では、正のフィードバックが取って代わり、Ｑは、飽和して適所で固定されるまで上昇し続けた。
【０１５５】
反転シュミットトリガ
シュミットトリガは、本質的にはデジタルヒステリシスコンポーネントである。シュミットトリガは、入力を追跡するが、ヒステリシスは２つの閾値によって定義される（表４を参照）。入力が上方の閾値を上回れば、出力は高い。入力が下方の閾値を下回れば、出力は低い。入力が上方の閾値と下方の閾値との間にあれば、出力は変化しない。したがって、シュミットトリガは、以前の状態を記憶し、デバウンス、発振器およびタイミング回路に有用である。
【０１５６】
【表４】
2013520956.tif 000007
【０１５７】
ＳＲフリップフロップに基づくＤＥＳ反転シュミットトリガが設計された。設定の単一要素が図３３Ａに示される。設計は、３．６７：３．６７で事前延伸され、中央に１００ｍｍ×１００ｍｍの窓を備えたフレームに取り付けられた３つのＶＨＢ４９０５膜に基づいていた。単一のおよそ６０ｘ７０ｍｍのＤＥＡが各膜上に塗装され、３６％延伸されたＤＥＳがその隣に適用された。ＤＥＡの膨張は、ＤＥＳを圧縮させ、高抵抗から低抵抗へ降下させた。各フレームは、デバイスの４つの端子に対する電気相互接続部として機能する４つの角部脚部を有した。
【０１５８】
図３３Ａに示される３つの要素は、共に接続されてデバイスを形成した。結果として得られる回路レイアウトが図３３Ｂに示される。ＲユニットはそのＤＥＳのサイズを半分にして、静止状態においてその抵抗がＳおよびＱ要素の抵抗のおよそ半分であることを保証したことに留意されたい。反転シュミットトリガＲの入力はＳに接続され、これは接地の代わりに高圧を基準とすることによって反転された。製作されたシュミットトリガの入出力波形が図３３Ｃで与えられ、これは、４ｋＶの高圧電源、Ｓ  ＤＥＡのための３．５ｋＶの反転基準電圧および０．３５Ｈｚの０〜３．５ｋＶの三角形入力信号に対するものである。
【０１５９】
図３３Ｃに示されるように、高出力と低出力との間の切り替えは、入力が約６００Ｖを下回って降下した際および約２９００Ｖを上回って上昇した際のそれぞれで起こった。挙動および閾値は、それらのパーコレーション閾値を越えたスイッチの駆動に必要な変位および基準電圧によって調節された。閾値は、基準電圧またはコンポーネントの形状を変化させることによってチューニングすることもできる。
【０１６０】
バッファおよびオペアンプ（演算増幅器）
図２４は、ＤＥＳバッファに対する設計を示す。バッファの目的は、電流の需要の変化にかかわらず、入力電圧と等しい出力電圧を生成することである。これは、供給できる電流より多くの電流を引き込むことから入力ラインを保護するよう機能する。本明細書で提示されるバッファは、フレームに装着された事前延伸された膜上に形成される４つのＤＥＡ間に分圧器を形成する２つの湾曲したパーコレーティングトラックを使用する。
【０１６１】
ＤＥＡの後部は接地される。入力ＤＥＡに印加された電圧が出力ＤＥＡの電圧より大きいと、中央のデッドゾーンは下方に歪められる。これは、左側のパーコレーティングトラック１４を圧縮させ、右側のパーコレーティングトラック１４を延伸させ、右側の抵抗を増加させ、左側の抵抗を低下させ、それにより、出力ＤＥＡの電圧を増加させる。出力ＤＥＡが入力ＤＥＡより大きな電圧を有する場合、その逆が起こり、電圧を低下させる。
【０１６２】
エラーに比例してバッファが出力を調整すると、システムは、材料および製作効率の誤差内の電圧のみを追跡することができる。
【０１６３】
小さな変更では、図２５に示すようなＤＥＳオペアンプに到達することが可能である。この実施形態では、出力電圧は、およそＫ＊（（入力＋）−（入力−））に等しい。式中、Ｋはシステムの利得であり、入力＋および入力−は入力端子上の電圧である。実際には、関係はこれよりも複雑であり、方程式はほんの一例であることに留意されたい。オペアンプを生み出すことはアナログ回路の重要なピースであり、フィルタ、ドライバ、フィードバックおよびアナログ論理デバイスなどの多くの回路をオペアンプから導出することができる。こうして、本発明の多くの実施形態がデジタルコンポーネントを使用して説明されてきたか、または、デジタル出力を提供するよう構成されてきたが、本発明はこれらに限定されない。
【０１６４】
周波数逓倍器
周波数逓倍器が図２６Ａに示される。周波数逓倍器は、２つのパーコレーション未満トラック１４によって形成されたＤＥＡおよびＤＥＳ分圧器からなる。トラックは、「Ｉｎ」端子への電圧の印加が原因でＤＥＡが膨張すると、ラダーの下方部材が圧縮される一方で、上方部材の長さはほとんど変化しないままであるように配置される。これは、電圧を増加させるとともに分圧器の比率を降下させる効果を有する。マクスウェル圧力とパーコレーション効果の両方とも非線形であるため、出力電圧は、低圧の場合は入力電圧のおよそ５０％であり、非常に高い入力電圧の場合はゼロまで降下する。したがって、十分な振幅の正弦波が入力端子に印加されれば、出力端子は、図２６Ｂで示されるように２倍の周波数の周期波を出力する。
【０１６５】
図２７Ａは、パーコレーション超トラック１４および電極の１つに対してハイブリッドＤＥＳ／ＤＥＡを使用する周波数逓倍器を示す。最上部の電極はパーコレーション超電極から作成されるが、底部の電極は単に通常の電極を用いて接地される。入力端子は長方形のＤＥＡの一方の端にあり、出力端子は中央にあり、ストリップの他方の端は接地される。低圧の場合、入力電圧に対する出力電圧の比率はおよそ５０％である。電圧が上昇するとこの比率は降下するため、デバイスの上端が充電し始めると、電極は膨張し、下端で上昇する抵抗よりも大きな割合で、上端のその抵抗を上昇させる。ある時点で、入力電圧の増加は、出力電圧の減少を生じさせ始め、出力電圧はゼロになる傾向がある。これにより、以前の通り周波数逓倍器が形成される。このデバイスの成功を収める仕組みは、電極特性の慎重なチューニングに依存する。この構成は、ＤＥＡとＤＥＳがより一体化して形成される例示的な実施形態を示す。
【０１６６】
図２７Ｂおよび２７Ｃは、代替の周波数逓倍器設計の物理的な設定および回路レイアウトのそれぞれを示す。この実施形態によれば、ＤＥＡボディは、ＤＥＳとして機能する中央の抵抗トラックのいずれかの側に位置付けされる。ＤＥＡの作動により、ＤＥＳ素子は圧縮され、その抵抗を低下させる。示される構成によれば、ＤＥＡは、高圧電源ＨＶの電位の半分の電位を基準とする。入力が低ければ、ＤＥＡはアクティブ状態となり、低出力が生じる。入力が５０％のＨＶであれば、ＤＥＡは非アクティブ状態となり、出力は高くなる。入力が高に切り替われば、ＤＥＡは再度アクティブ状態となり、出力を低値に降下させる。結果的に、正弦波入力を用いると、出力波形は２倍の周波数を有することになる。
【０１６７】
さらなる実施形態
図２８は、直径８０ｍｍのサポートフレームにわたって誘電エラストマ（ＶＨＢ）膜を延伸することによって形成される基本的な発振器ユニットを示す。膜の中心にリングが取り付けられ、リングの中心には４ｍｍの穴がある。電極は膜上でパターン化され、可変コンデンサ（ＤＥＡユニット）および可変抵抗器を形成する。電極は外側のフレーム上に塗装され、固定抵抗器も形成する。可変抵抗器は、およそ６ＭΩの静止抵抗を有し、ユニットの中心のリングが３０ｍｍ押し下げられると、およそ２０ＭΩまで増加する。中心のリングがさらに押し下げられると、パーコレーション効果および電極の延伸が原因で、抵抗は実質的に最大５０ＭΩまで増加する。これは図２９に示される。ユニットは５つの端子を有する。ＤＥＡセクションのそれぞれの側に１つずつ、そして分圧器に３つ設けられる。ラダーは、固定抵抗器を可変抵抗器に接続することによって形成される。電圧を高圧端子に印加し、ラダーのベースを接地すると、分圧器は、その２つの間の電圧を出力する。初めに可変抵抗が低いと、出力電圧も低くなる。可変抵抗器の抵抗が増加すると、出力は高圧電源の出力に近づく傾向がある。図２８および２９の構成は、図５および６のものと実質的に同じ、より幅広い設定内に組み込むよう構成されたことに留意されたい。
【０１６８】
図３０は、誘電エラストマ発電機（ＤＥＧ）とともに使用するための代替の電圧クランプ構成を示す。先に論じられたように、ＤＥＧによって貯蔵された電荷量は、機械エネルギーをシステムに追加すれば増加することができる。しかし、電圧はある閾値を越えて上昇するべきではない、または、絶縁破壊が原因でデバイスが故障するという点で問題が存在する。したがって、電圧クランプをデバイスに組み込むことが望ましい。図３０に示されるクランプは、発電機と電気的に結合されたＤＥＳからなり、その結果、発電機に接続された（またはそれに組み込まれた）可変容量性素子および可変抵抗器が存在する。コンデンサおよび抵抗器は、コンデンサが膨張すると抵抗器長を圧縮してその抵抗を低減させるように配置される。抵抗器はパーコレーション閾値未満で形成され、そのわずかな収縮がその抵抗を劇的に低下させるため、この低減は劇的である。抵抗器はコンデンサの両電極間に接続される。コンデンサがあるレベルを超えて充電されると、抵抗が降下し、電流が導通し始める。このポイントを超えてさらに充電するには、トラックの抵抗の急速な減少を克服するため、はるかに多くの電流が必要とされる。このように、発電機は、発電機自体の過電圧から保護され、危険な過剰エネルギーは熱として消散される。
【０１６９】
図３１は、印加電圧を使用して誘電エラストマアクチュエータが特定の位置を保持できるように制御するための構成を示す。フィードバック回路なしでは、アクチュエータは外乱を除去することができず、ある負荷条件に対して電気機械的に不安定でもある。これは、ＤＥＳを使用して改善することができる。この構成は、円形トラックの周りでボールを移送するのに使用される構成と同様である。追加の容量性素子は、可変抵抗素子Ｒｐから半径方向外方に配置される。第２の変更は、固定抵抗器Ｒｄが放電するよう機能する一方で、抵抗Ｒｐが主要なアクチュエータＣｂに対する充電抵抗器として機能するように配置されることである。負荷ポイントの中心がページの厚さ方向下向きになるようにバイアス負荷をかけると、アクチュエータは、電源電圧の変動に伴って荷重を上下に移動するように機能する。パーコレーティングトラックＲｐは、アクチュエータＡの伸縮に応答しやすいように保持され、任意の電源電圧での主要なアクチュエータの充電を可能にする。中央のリングを引き下げるなど荷重に外乱を加えると、抵抗器Ｒｐは、その値を増加させ、主要なアクチュエータ上の平衡電圧を低下させ、外乱を除去する。外乱によりリングが上方へ駆動されると、その反対が起こる。あるいは、このフィードバックの機能性は、本発明のオペアンプ構成を使用して達成することができる。
【０１７０】
特定の実施形態では、１つまたは複数のＤＥＳおよび１つまたは複数のＤＥＧの使用を有利に組み合わせ、ＤＥＳはＤＥＧに対する制御回路のすべてまたは一部を提供する。より詳細には、ＤＥＳは、誘電エラストマボディが変形すると開閉を切り替えるスイッチとして機能することができる。「開」および「閉」は相対的なものであり得、回路の完全な開閉は必要とされない。ＤＥＧ膜の変形がＤＥＳの導電性特性を変化させる（すなわち、その変形に対応することによって）ようにＤＥＳを関連ＤＥＧと一体化するまたは別の方法で結合することによって、ＤＥＧは、ＤＥＳに、より幅広い構成内で電流を適切に制御するように切り替えさせるよう構成することができる。
【０１７１】
したがって、本発明の実施形態は、発電機、より具体的にはＤＥＧの高圧電源の必要性を低減するまたは取り除く充電ポンプを提供する。本明細書に記載される充電ポンプは、エネルギーを貯蔵するための外部のコンデンサおよび電流の流れを制御するための外部のダイオードを必要としない。代わりに、充電ポンプは、電荷貯蔵や１つまたは複数のＤＥＳを使用して達成される電流の流れの制御のために実行される切り替えのためにＤＥＧの静電容量を使用することによってＤＥＧと一体化され、剛体部分の必要性を取り除くまたは低減する。
【０１７２】
図３５Ａは、一実施形態の拮抗対のＤＥＧ構成の斜視図である。基本構成は（特許文献１）で説明される構成と同様である。２つの誘電エラストマ膜３ａ、３ｂは、フレーム部材２の間に設けられる。示される実施形態によれば、フレーム部材２は、中央の部材またはハブ４の移動によりＤＥＧ  １Ａ、ＤＥＧ  １ＢおよびＤＥＧ  ２のボディが変形するように互いに空間的に固定される。
【０１７３】
図３５Ｂおよび３５Ｃはそれぞれ、図３５Ａの実施形態の回路および概略図である。図３５Ｃでより明確に示されるように、第１の膜３ａは、２つのＤＥＧ、すなわちＤＥＧ  １ＡおよびＤＥＧ  １Ｂ（まとめてＤＥＧ  １と呼ばれる）を定義するよう構成される。ＤＥＧ  １は、同じ誘電エラストマボディの離散した電極部分によって形成することができるか、または、２つの別々のボディであり得る。膜３ａには、２つのスイッチＱ１およびＱ２がさらに設けられている。第２の膜３ｂは、単一のスイッチＱ３およびＤＥＧ  ２を含む。
【０１７４】
１８０度の異相状態に駆動すると、膜３ａ、３ｂの一方は延伸され、他方は緩和される。ＤＥＧ  １が延伸状態であり、ＤＥＧ  ２が緩和状態である場合は、スイッチＱ３の抵抗は低く（図３６の構成に基づくプロトタイプで、約５ＭΩ）、Ｑ１およびＱ２の抵抗は高かった（同じプロトタイプで、約１０ＧΩ）。したがって、ＤＥＧ  １ＡとＤＥＧ  １Ｂは効果的に直列接続された。変形を逆にすると、スイッチの抵抗は高低を切り替え、ＤＥＧ  １ＡとＤＥＧ  １Ｂは並列に配置された。ＤＥＧ  １の構成を直列と並列との間で切り替えることにより、システムは、生成されたエネルギーを高荷電形式に変換した。このシステムへの急速充電を行う能力により、損失の補充が可能となり、外部の電荷供給源（すなわち、バッテリなど）または（特許文献１）で説明されるセルフプライミング構成の必要性を回避する。より具体的には、セルフプライミングは、外部の回路、特にダイオードを必要とすることなく達成される。
【０１７５】
図３５Ａの実施形態はプロトタイプで具体化され、１００Ｖの初期のプライミング電圧から始め、２Ｈｚでサイクルさせたその出力が図３６に与えられる。後のテストでは、３０Ｖの初期のプライミング電圧が許容されることが見出された。図３６から分かるように、出力電圧は、初期のプライミング電圧の印加後、大体１．４ｋＶまで急激に上昇した。さらに、１００秒までは、出力電圧が約７００Ｖと１３５０Ｖとの間で振動しながらシステムは安定していたことが図３６から明らかである。
【０１７６】
図３５Ａに示される特定の構成は、大きな電圧振幅が必要とされないため選択されたが、これは、システムが非理想的なスイッチに対する耐性を有するように発電機の「過大設計」が可能であったことを意味する。さらに、３つのスイッチしか含まないため、いかなる設定の問題も特定することが比較的簡単であった。しかし、他のセルフプライミング回路構成を使用することも可能である。
【０１７７】
外部の高圧源を提供する必要がないため、自動発電に対してセルフプライミングは有利である。しかし、スイッチＱ１〜Ｑ３と組み合わせてまたはその代わりに機械スイッチを設けることができ、前記スイッチは、ＤＥＧサイクルにおいて適切な時間に開閉するよう構成される。そのような構成の回路図が図３７Ａで提供される。ＤＥＧが延伸される場合はスイッチＳ１のみを閉じ、ＤＥＧが緩和される場合はスイッチＳ２のみを閉じることによって動作が行われる。より具体的には、スイッチＳ１はＤＥＧのプライミングを制御し、スイッチＳ２はエネルギー抽出（すなわち、負荷との接続）を制御する。
【０１７８】
同様に機能する「柔軟な」ＤＥＧシステムの設計が図３７Ｂで提供される。図３７Ｂでは、２つのＤＥＧが拮抗対となり（図３５Ａに示される構成と同様）、図３５Ｃと同様に表される２つの回路を形成する。図３７Ｂの「柔軟な」スイッチＱ１ＡおよびＱ１Ｂは図３７Ａの機械スイッチＳ１に相当し、スイッチＱ２ＡおよびＱ２ＢはスイッチＳ２に相当する。図３７Ｂでは、同じネットラベルを有する端子はすべて電気的に接続されることに留意されたい。
【０１７９】
静電発電機回路が図３８Ａに示される。この構成では、生成されたエネルギーの一部を使用して、システムのプライミングに使用されるバッテリを充電し、バッテリの交換またはさらにアクティブな充電が必要とされるまでの時間の長さを増加する。図３８Ｂは、ＤＥＧ／ＤＥＳ拮抗対を使用する「柔軟な」同等の概略構成を示す。この場合もやはり、基本設定は図３５Ａに示されるものと同様である。
【０１８０】
負荷へのエネルギーの抽出を伴い、ＤＥＧのプライミングの均衡を保ちながら制御するためのダイオードＤ１およびＤ２を含む、図３８Ａの、より従来の構成部品よりむしろ、ダイオードＤ１を「柔軟な」スイッチＱ１ＡおよびＱ１Ｂと交換し、ダイオードＤ２を「柔軟な」スイッチＱ２ＡおよびＱ２Ｂと交換する。図３８Ｂでは、同じネットラベルを有する端子はすべて電気的に接続され、示されるように、バッテリが必要である。
【０１８１】
図３９は、成型シリコーン膜を前方に、組み立てられたデバイスを後方に示す。ＤＥＧは、レーザ彫刻を使用して形成されるＮｕｓｉｌシリコーンおよびＰｅｒｓｐｅｘダイを使用して形成することができる。ＤＥＧに対し、高剛性は、ある程度改善された制御レベルを提供する可能性があるが、少なくともＤＥＡと比較する際は一般に特に重要なものではない。
【０１８２】
図４０Ａは、図３５Ｂの回路の代替の構成を図式的に示し、ＤＥＧ  １とＤＥＧ  ２の両方ともセルフプライミング機能性を含む。図４０Ａは、より従来のダイオードを示すが、これらは好ましくはＤＥＳの形態である。
【０１８３】
図４０Ｂ〜Ｄは、さらなる代替の新規のセルフプライミング回路を示す。この場合もやはり、より従来のダイオード表記が使用されているが、好ましくはこれらはＤＥＳの形態である。
【０１８４】
固定された実質的に剛体のフレーム要素間に設けられる誘電体膜を使用して例示的な実施形態が説明されてきたが、本発明はこれに限定されず、「柔軟な」自立構造を形成するフレキシブルな構成で本発明を代替法で具体化することができる。あるいは、柔軟な自立構造は、成型するかまたはＤａｎｆｏｓｓ  ＤＥＧに付着させることができる。さらに、例えばＲＳシリコーンを使用してＤａｎｆｏｓｓ膜を共にステッチし、所望の構成に仕上げることができる。
【０１８５】
示される構成ではＤＥＧが延伸および緩和する際に異なる経路に沿って電流を流す必要があるため、実施例では拮抗対が使用される。拮抗対の代替法は、あるセグメントが延伸すると別の領域が圧縮されるように変形する構造を利用することであろう。例えば、バンドが一軸延伸されれば、バンドはネックインし、横方向への圧縮を使用して、バンドが延伸されるとオフまたはオン状態になるスイッチを起動することができる。あるいは、バンドは、チューブが軸方向に延伸すると緩和するバンドが中心に巻き付けられたチューブまたは膨張チューブであり得る。
【０１８６】
本発明の別のアプリケーションは、曲げモードの発電機としてのものである。曲げられると、比較的厚い構造の一方は圧縮され、他方は延伸される。これは、固体、膨張したまたは柔軟なスプリングロールであり得る。
【０１８７】
ＡＢＡＱＵＳなどの有限要素解析アプリケーションを使用して、ポテンシャル構造における歪み場を評価し、起こり得る変形および関与する応力を評価することができる。
【０１８８】
本発明の発電機の実施形態は特定のＤＥＳ構成で説明されてきたが、他の構成も本発明の範囲内に含まれる。例えば、パーコレーション超またはパーコレーション未満トラックを使用することができる。
【０１８９】
本発明の特定の実施形態は、単にフレキシブルな誘電エラストマボディを含むよりむしろ、システムレベルで低質量、低複雑性および高い柔軟性のＤＥＧを維持するように提供する。記載されるＤＥＧおよびパワーエレクトロニクスを含むシステムは、単に、電極および素子の形成に使用されるアクリル膜およびカーボングリースから本質的になる。
【０１９０】
したがって、（特許文献１）に説明されているＤＥＧ、電磁、圧電および従来の静電発電機を含む現行の最先端の技術より軽く、よりフレキシブルで、より安価な、それほど複雑でないＤＥＧシステムの生産が可能である。大まかに言えば、これらの進歩は、「柔軟な」エレクトロニクス（例えば、これに限定されないが、変形可能な導電性トラック）をＤＥＧ膜と一体化することによって達成することができ、その結果、外部の回路はもはや必要とされない。さらに、システムは、潜在的に環境耐性を有し、自立した、スケーラブルな、分散アレイの使用に適したものである。さらに、システムは、高圧電荷供給源を必要としないため、必要に応じて低価の電子コンポーネントを使用することができる。本発明の発電機の主要な利点は以下に提示される。
【０１９１】
環境耐性
本発明によるＤＥＧは、耐食性の非磁性コンポーネントを用いて、それらを腐食環境または磁気ノイズに対して耐性の低い環境（例えば、海洋またはＭＲＩ環境）で動作するシステムに適応するようにして製作することができる。
【０１９２】
自立性
セルフプライミングエレクトロニクスをＤＥＧ膜と一体化することにより、システムは、絶えず電源に接続することなく動作することができるが、その理由は、セルフプライミングシステムが、損失を補充することができるようにＤＥＧによって生成されたエネルギーの急速充電を行うためである。ここで提示される柔軟なＤＥＧは、断続的な供給源からエネルギーを生成する（または機械エネルギーを電気エネルギーに変換する）ことができ、３０Ｖからセルフプライミングすることが実証されてきたが、これは、３０Ｖで電力を生成できたことを意味する。ＤＥＧは通常、ｋＶの範囲で動作するが、これは、高価なＤＣ−ＤＣコンバータが必要であることを意味する。機械的刺激に応答して、システムは、ＤＣ−ＤＣコンバータなしで３０ＶからｋＶの範囲までその電圧を上げることができる。結果的に、システム生産のコストをかなり削減することができる。
【０１９３】
スケーラビリティ
ＤＥＧの１つの利点は、本来スケール不変であるということである。しかし、外部の回路の質量およびバルクは考慮されない場合が多く、着用可能なデバイスおよび自己出力型センサなどのアプリケーション用の小型のＤＥＧを生産する際に問題を引き起こす。また、高圧および低電流での動作のため、ＤＥＧエレクトロニクスのコストが小型のアプリケーションにおいてはるかに不利になり得ることが当技術分野で触れられてきた。集積エレクトロニクスを用いた本発明の実施形態のＤＥＧは、非常に低価である。さらに、集積エレクトロニクスは、ＤＥＧのものと同様のスケーリング法則を有し得る。
【０１９４】
分散制御
数千ものケルプのような柔軟なＤＥＧを含む複数のアレイを提供することができ、それぞれが、それらの誘電エラストマ膜と一体化されたそれら自体のローカルの制御エレクトロニクスを備えており、すべてが、大規模な集中貯蔵部および調節回路にエネルギーを供給する。制御エレクトロニクスの分散は、複雑性を大いに低減させ、アレイのロバスト性を高める。
【０１９５】
本発明の発電機は、高エネルギー密度を維持し、わずかな可動部を有する一方で、連動させることなくＤＥＧをはるかに広域にわたる動作と直接結合することができるため、海洋波、風カおよび人間動作などの環境供給源からエネルギーを得ることに対してかなりの見込みを示す。これらの利点は、ここに提示されるＤＥＧ実施形態を使用することによって大いに高められる。
【０１９６】
本発明は、高度にフレキシブルな自己出力型センサを生産するよう適合され得る。ＤＥＧは、１サイクルにおける延伸量に比例する電圧振幅を生じさせる。電圧の厳密な調査を行うことにより、延伸性を決定することができる。また、ＤＥＧは発電機であるため、電源を必要としない。
【０１９７】
ＤＥＧは広範囲にわたる製造方法に役立つ材料からなるため、数メガワットの風カエネルギーを得るためのデバイスからモバイルエレクトロニクスに給電するために人間動作からエネルギーを得るためのデバイスまでさまざまな構成およびスケールが可能である。
【０１９８】
文脈上明確に他の意味に解すべき場合を除き、本明細書全体を通じて、用語「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および同様のものは、排他的または網羅的な意味とは反対に包括的な意味、すなわち、「これ（ら）に限定されないが、〜を含む」の意味で解釈されたい。
【０１９９】
上記または以下で引用されるすべての出願、特許および刊行物の開示があれば、これらは全て参照により本明細書に組み込まれる。
【０２００】
本明細書におけるいかなる先行技術への言及も、その先行技術が世界の任意の国の努力傾注分野における共通の一般的な知識の一部を形成する承認または任意の形式の提案ではなく、そのように捉えるべきではない。
【０２０１】
また、本発明は、本出願の本明細書で言及されるまたは示される部品、要素および特徴の２つ以上のいずれかまたはすべての組合せで、個別にまたは一括して、前記部品、要素および特徴に存すると幅広く述べることもできる。
【０２０２】
前述の説明においてその公知の均等物を有する整数またはコンポーネントを参照する場合には、それらは、個別に記載されるかのように本明細書に組み込まれる。
【０２０３】
本明細書に記載された現在好ましい実施形態へのさまざまな変化および変更は、当業者であれば明らかであろうことに留意されたい。そのような変化および変更は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、また、その付随する利点を損なうことなく行うことができる。したがって、そのような変化および変更は本発明の範囲内に含まれることが意図される。図１１以降を参照して説明されるコンポーネントデバイスについて特に言及する。そのようなデバイスを共に結合できるかまたは一体化させて他の要素を形成できることが理解されよう。また、前記組合せの少なくとも一部はより従来のコンポーネントから形成でき、特定の構成に対し、重複している場合は、少なくともいくつかのコンポーネントを取り除くことができる。さらに、示される実施形態は膜の形態で誘電エラストマボディを有するが、本発明はこれに限定されず、三次元であることを含む変形可能なボディに対する任意の構成を使用することができる。変形形態は、実質的に平面の膜タイプのデバイスの面外からを含む、任意の角度から開示することができる。ＤＥＳまたはＤＥＡへの変形形態は、本発明のデバイスとのユーザの相互作用からを含む、電気的または機械的入力の結果として開示することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年12月23日(2011.12.23)
【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】
電気信号を受信し、電気コンポーネントに電気入力を提供するよう構成された導電性素子であって、前記導電性素子の抵抗率は少なくともそれに加えられる変形力に基づいて可変である、導電性素子と、
誘電エラストマデバイスの変形により、前記導電性素子が前記変形力を受けることになるように、前記導電性素子と直接もしくは間接結合されるかまたは一体化された変形可能な誘電エラストマデバイスと
を含み、
前記電気コンポーネントへの前記電気入力は、少なくとも前記受信された電気信号および前記変形力に依存し、
前記電気入力の変動は、既定の応答を提供するまたは引き起こす、電気回路デバイス。
【請求項２】
前記応答は、前記電気入力による前記電気コンポーネントの直接駆動を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記誘電エラストマデバイスと前記要素の協働により前記コンポーネントを制御し、前記応答は前記コンポーネントに制御信号を提供している、請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記誘電エラストマデバイス、前記要素および前記コンポーネントが協働して、前記デバイスの閉ループ制御を提供する、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記電気信号は、前記電気コンポーネントによって少なくとも部分的に生成され、前記制御を少なくとも部分的に支援する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記応答は、前記導電性素子の所望の変形を生成することを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記変形可能な誘電エラストマデバイスは、前記変形を生成するよう構成される、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記誘電エラストマデバイスは、それへのまたはその両端間への電圧の印加に応じて変形可能である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記誘電エラストマデバイスは、少なくとも第１の電極および第２の電極を備え、その結果、前記電極への電圧の印加により前記誘電エラストマデバイスが変形する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記コンポーネントを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記コンポーネントは前記デバイスと一体化される、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
複数の前記誘電エラストマデバイスを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記複数の誘電エラストマデバイスの第１および第２のものは、単一の誘電エラストマボディ上に設けられた少なくとも３つの電極によって形成され、第１の前記電極および第２の前記電極は、動作可能に結合されて前記第１の変形可能な誘電エラストマデバイスを形成し、前記第１の電極および第３の電極は、動作可能に結合されて前記第２の変形可能な誘電エラストマデバイスを形成する、請求項９に従属する場合の請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
１つまたは複数の追加の前記導電性素子および／または同じ導電性素子の機能上異なる部分を含み、それぞれが、同じ電気コンポーネントまたは異なる電気コンポーネントに電気入力を提供するよう構成され、各導電性素子またはその一部の抵抗率は、少なくともその変形量に基づいて可変である、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記導電性素子の第１および第２のものは、直接または間接的に電気的および／または機械的に結合される、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
各導電性素子は、それぞれの１つまたは複数の前記変形可能な誘電エラストマデバイスによって変形するよう構成される、請求項１４または１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記誘電性素子または少なくとも１つの前記導電性素子は、少なくとも１つの前記誘電エラストマデバイスと電気的に結合される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記誘電エラストマデバイスまたは少なくとも１つの前記誘電エラストマデバイスは、コンデンサとして機能するよう構成される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記誘電エラストマデバイスの機械的な変形は、その静電容量を変化させる、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記誘電エラストマデバイスは第１の誘電エラストマデバイスであり、前記要素は第１の要素であり、前記デバイスは充電ポンプもしくは発電機として機能するか、または、充電ポンプもしくは発電機の一部を形成するよう構成される、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記第１の誘電エラストマデバイスが変形するまたは第１の様式で変形される際に、前記第１の要素の抵抗が変化し、前記応答として前記第１の誘電エラストマデバイスによって電気エネルギーが貯蔵される、および／または、
前記第１の誘電エラストマデバイスが変形するまたは第２の様式で変形される際に、異なる様式で前記第１の要素の前記抵抗が変化し、前記応答として前記第１の誘電エラストマデバイスから電気エネルギーが引き出されるように構成される、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
第２の前記要素および／または第２の前記誘電エラストマデバイスを含み、前記第２の要素および／または誘電エラストマデバイスは、前記第１の要素および／または前記第１の誘電エラストマデバイスと協働するよう構成され、前記応答として電気エネルギーの前記貯蔵および／または前記引き出しを行う、請求項２１に記載のデバイス。
【請求項２３】
第２の前記誘電エラストマデバイスを含み、
前記第１の誘電エラストマデバイスは、第１の前記要素および第２の前記要素を介して電気的に結合される第１の電極化ゾーンおよび第２の電極化ゾーンを含み、
前記第２の誘電エラストマデバイスは、第１の電極化ゾーンおよび第２の電極化ゾーンならびに第３の前記要素を含み、前記第３の要素は、前記第１の誘電エラストマデバイスの前記第１の電極化ゾーンおよび前記第２の電極化ゾーンと電気的に結合される、請求項２１または２２に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記導電性素子は、電源と結合されるかまたは結合するよう構成され、前記要素および前記誘電エラストマデバイスは、前記誘電エラストマデバイスの変形により前記要素を変形させ、前記応答として、前記電源からの電流を制御するよう構成される、請求項１〜２３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記導電性素子は、直接または間接的に電気的に前記電気コンポーネントと結合され、それにより、それに供給された電流を変化させる、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２６】
論理デバイスとして機能するよう構成される、請求項１〜２５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２７】
ＡＮＤゲート、ＮＯＴゲート、ＮＡＮＤゲート、電圧クランプ、ダイオード、加算接合部、ニューロンまたは重み付け加算接合部、ラッチ、バッファ、演算増幅器、周波数逓倍器、シュミットトリガ、発振器、低電流ドライバのいずれか１つまたは複数として機能するよう構成され、前記応答は、既定の論理演算に従って１つまたは複数の入力信号を１つまたは複数の出力信号へ変換することである、請求項１〜２６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記誘電エラストマデバイスもしくは少なくとも１つの前記誘電エラストマデバイスおよび／または前記前記要素もしくは少なくとも１つの前記要素の１つまたは複数の方向における変形を阻止するための手段を含む、請求項１〜２７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記阻止するための手段は、１つもしくは複数のリブまたは剛性が増加されたエリアを含む、請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３０】
少なくとも部分的に、前記誘電エラストマデバイスもしくは少なくとも１つの前記誘電エラストマデバイスおよび／または前記要素もしくは少なくとも１つの前記要素を少なくとも１つの方向からの変形から保護するための手段を含む、請求項１〜２９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記保護するための手段は、１つもしくは複数のフレーム要素または剛性が増加された領域を含む、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３２】
請求項１〜３１のいずれか一項に記載の少なくとも２つの電気回路デバイスを備える回路。
【請求項３３】
前記少なくとも２つのデバイスの少なくとも第１および第２のものは、電気的および／または機械的に結合される、請求項３２に記載の回路。
【請求項３４】
電気モータまたは機械受容繊毛アレイの駆動および／または制御を提供するよう構成される、請求項３２または３３に記載の回路。
【請求項３５】
電気信号を導電性素子に提供する工程と、
付随する前記導電性素子を有する誘電エラストマデバイスを変形する工程であって、前記変形により、前記導電性素子の抵抗率を少なくともその変形量に基づいて変化させる、工程と、
前記電気コンポーネントに電気入力を提供する工程であって、前記電気入力は前記電気信号および前記変形に依存する、工程と、
前記電気信号に応じて既定の応答を提供するまたは引き起こす工程と
を含む電気コンポーネントを駆動および／または制御する方法。
【請求項３６】
少なくとも１つの誘電エラストマデバイスおよび少なくとも１つの導電性素子から形成された論理素子であって、前記少なくとも１つの素子は、それに変形力を加えることによってその電気抵抗に影響を及ぼすよう構成される、論理素子。
【請求項３７】
前記少なくとも１つの誘電エラストマデバイスと前記少なくとも１つの素子が協働して、１つまたは複数の入力を１つまたは複数の出力へ変換し、前記出力は、既定のものであるが、前記１つまたは複数の入力に依存する、請求項３６に記載の論理素子。
【請求項３８】
請求項１〜３１のいずれか一項に記載の１つもしくは複数のデバイス、および／または、請求項３２〜３４に記載の１つもしくは複数の回路、および／または、請求項３６もしくは３７に記載の１つもしくは複数の論理素子を含むコンピューティングデバイス。
【請求項３９】
少なくとも１つの誘電エラストマスイッチと動作可能に結合された少なくとも１つの静電発電機を含む充電ポンプおよび／または発電機であって、それにより、第１の状態では、前記少なくとも１つの誘電エラストマスイッチは負荷の方へ電流を方向付け、および／または、第２の状態では、同じもしくは別の前記少なくとも１つの誘電エラストマスイッチが生成されたエネルギーの少なくとも一部を貯蔵手段へルーティングし、前記貯蔵手段は、前記静電発電機または別の前記静電発電機に電荷を供給するよう適合される、充電ポンプおよび／または発電機。
【請求項４０】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような電気回路デバイス。
【請求項４１】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような回路。
【請求項４２】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような方法。
【請求項４３】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような論理素子。
【請求項４４】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のようなコンピューティングデバイス。
【請求項４５】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような発電機。
【請求項４６】
図面で示される実施形態のいずれか１つを参照して説明される、実質的に上記のような誘電エラストマデバイス。
【国際調査報告】
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2013520956.tif 000049
2013520956.tif 000050
2013520956.tif 000051
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