(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界駆動電気活性材料アクチュエータであって、
電気活性材料構造と、
前記電気活性材料構造に作動電圧を供給するためのドライバと
を有し、
前記ドライバは、
前記作動電圧を第1の電圧レベルから第2の電圧レベルまで駆動し、遷移関数によって、前記第2の電圧レベルは前記第1の電圧レベルよりも低く、前記第１の電圧レベルとゼロとの間にあり、前記遷移関数は遷移時間にわたって発生し、前記遷移関数は平滑化関数を有し、前記遷移時間は少なくとも0.5msでありかつ遅延応答及びオフセットをもたらさない長さである、
電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項２】
前記平滑化関数は、ランプ関数、放物線関数及び指数関数のうちのいずれか１つを有する、請求項１に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項３】
前記平滑化関数は、離散点のセットとして近似される、請求項１又は２に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項４】
前記平滑化関数は、前記離散点の間の補間データ点をさらに有する、請求項３に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項５】
前記遷移関数は、前記第1の電圧レベルと前記平滑化関数との間の第1のステップ関数、及び前記平滑化関数と前記第2の電圧レベルとの間の第2のステップ関数のうちの少なくとも1つをさらに有する、請求項１に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項６】
前記電気活性材料構造の発振を検出するフィードバックシステムをさらに有する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項７】
前記フィードバックシステムは、機械的センサ及び電気的センサの少なくとも１つを有する、請求項６に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項８】
前記ドライバは、前記フィードバックシステムにより検出される前記発振が閾値を超える場合、駆動電圧を変更する、請求項６又は７に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項９】
前記遷移関数は反発振関数をさらに有し、前記反発振関数は、前記電気活性材料構造の発振と同じ周波数を有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項１０】
前記反発振関数は、前記電気活性材料構造の前記発振に対して１７０°と１９０°との間の位相シフトを有する、請求項９に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項１１】
前記ドライバは、前記作動電圧を駆動するための所定値のルックアップテーブルを記憶するメモリを有する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項１２】
前記アクチュエータはマイクロコントローラをさらに有する、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電界駆動電気活性材料アクチュエータ。
【請求項１３】
電界駆動電気活性材料アクチュエータを駆動するための方法であって、前記方法は、
前記電界駆動電気活性材料の電気活性材料構造に作動電圧を供給するステップと、
前記作動電圧を第1の電圧レベルから第2の電圧レベルまで駆動するステップであって、遷移関数によって、前記第2の電圧レベルは前記第1の電圧レベルよりも低く、前記第１の電圧レベルとゼロとの間にあり、前記遷移関数は遷移時間にわたって発生し、前記遷移関数は平滑化関数を有し、前記遷移時間は少なくとも0.5msでありかつ遅延応答及びオフセットをもたらさない長さである、ステップと
を有する、方法。
【請求項１４】
前記方法は、前記平滑化関数を離散点のセットとして近似するステップをさらに有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法は、前記離散点の間のデータ点を補間するステップをさらに有する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気活性材料（ＥＡＭ）アクチュエータ、及びＥＡＭアクチュエータを駆動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気活性材料（EAM）は、電気応答性材料の分野内の材料のクラスである。作動装置に実装される場合、EAMを電気駆動信号にさらすと、EAMのサイズや形状が変化する場合がある。この効果は、作動と検出の目的に使用できる。無機及び有機EAMが存在する。特別な種類の有機EAMは、電気活性ポリマー（EAP）である。
【０００３】
電気活性ポリマー（EAP）は、電気応答性材料の分野における新しい種類の材料である。 EAPはセンサー又はアクチュエータとして機能し、さまざまな形状に簡単に製造できるため、さまざまなシステムに簡単に統合できる。過去10年間で大幅に改善された作動応力やひずみなどの特性を備えた材料が開発されました。技術的リスクは製品開発の許容レベルまで低下しているため、EAPは商業的及び技術的に関心が高まっている。 EAPの利点には、低電力、小さなフォームファクター、柔軟性、ノイズのない操作、精度、高解像度の可能性、高速応答時間、及び周期的な作動が含まれる。
【０００４】
EAP材料のパフォーマンスの向上と特定の利点により、新しいアプリケーションへの適用が可能になる。
【０００５】
EAPデバイスは、電気的な作動に基づいて、コンポーネント又は機能の少量の動きが必要な任意のアプリケーションで使用できる。同様に、この技術は小さな動きの検出にも使用できる。
【０００６】
EAPを使用すると、一般的なアクチュエータと比較して、小さな体積又は薄いフォームファクターでの相対的大きな変形及び力の組み合わせにより、これまで不可能だった機能が可能になり、一般的なセンサー/アクチュエータソリューションに比べて大きな利点を提供する。EAPはまた、ノイズのない動作、正確な電子制御、高速応答、及び0乃至1MHz、最も一般的には20 kHz未満の広範囲の可能な作動周波数を提供する。
【０００７】
電気活性ポリマーを使用するデバイスは、フィールド駆動型とイオン駆動型の材料に細分化できる。
【０００８】
電界駆動型EAPの例には、圧電ポリマー、電歪ポリマー（PVDFベースのリラクサーポリマーなど）、及び誘電エラストマーが含まれる。他の例には、電歪グラフトポリマー、電歪紙、エレクトレット、電気粘弾性エラストマー及び液晶エラストマーが含まれる。
【０００９】
イオン駆動型EAPの例は、共役/導電性ポリマー、イオン性ポリマー金属複合材料（IPMC）、カーボンナノチューブ（CNT）である。他の例には、イオン性ポリマーゲルが含まれる。
【００１０】
本発明は、特に、電界駆動電気活性材料アクチュエータに関する。
【００１１】
フィールド駆動型EAPは、直接的な電気機械結合を介した電界によって作動する。通常、高電界（1メートルあたりのボルト）が必要となるが、低電流である。ポリマー層は通常、駆動電圧を可能な限り低く保つために薄くなっている。
【００１２】
イオン性EAPは、イオン及び/又は溶媒の電気的に誘導された輸送によって活性化される。通常、低電圧であるが大電流が必要である。液体/ゲル電解質媒体が必要である（しかしながら、一部の材料システムは固体電解質を使用して動作することもできる）。
【００１３】
EAPの両方のクラスには複数のファミリがあり、それぞれに長所と短所がある。
【００１４】
フィールド駆動型EAPの最初の注目すべきサブクラスは、圧電及び電歪ポリマーである。従来の圧電ポリマーの電気機械的性能は限られているが、この性能の改善におけるブレークスルーにより、PVDFリラクサーポリマーがもたらされ、自発的な電気分極（フィールド駆動アライメント）が示された。これらの材料は、ひずみ方向の性能を向上させるために事前にひずみを加えることができる（事前ひずみにより、より良好な分子配列がもたらされる）。通常、ひずみは中程度の範囲（1乃至5％）であるため、金属電極が使用される。他の種類の電極（導電性ポリマー、カーボンブラックベースのオイル、ゲル、エラストマーなど）も使用できる。電極は連続していても、セグメント化されていてもよい。
【００１５】
フィールド駆動型EAPのもう1つのサブクラスは、誘電性エラストマーのサブクラスである。この材料の薄膜は、コンプライアント電極の間に挟まれて、平行平板コンデンサを形成する。誘電エラストマの場合、電場を加えることで誘導されるマックスウェル応力により、フィルムに応力が生じ、フィルムの厚さが収縮し、面積が拡大する。ひずみ性能は通常、エラストマーに事前ひずみを加えることで拡大される（事前ひずみを保持するためにフレームが必要である）。ひずみはかなり大きくなる（10乃至300％）。これにより、使用できる電極の種類も制限される。低及び中程度の歪みの場合、金属電極と導電性ポリマー電極を考慮することができ、高い歪みの場合、カーボンブラックベースのオイル、ゲル、又はエラストマーが通常使用される。電極は連続していても、セグメント化されていてもよい。
【００１６】
場合によっては、ポリマー自体に十分な導電性がない場合（寸法方向）に薄膜電極が追加される。電解質は、液体、ゲル、又は固体材料（すなわち、高分子量ポリマーと金属塩との複合体）にすることができる。最も一般的な共役ポリマーは、ポリピロール（PPy）、ポリアニリン（PANi）及びポリチオフェン（PTh）である。
【００１７】
アクチュエータは、電解質に懸濁されたカーボンナノチューブ（CNT）で形成されてもよい。電解質はナノチューブと二重層を形成し、電荷の注入を可能にする。この二重層電荷注入は、CNTアクチュエータの主要な機構と考えられている。 CNTは、電荷がCNTに注入される電極コンデンサとして機能し、それから、CNT表面への電解質の移動によって形成された電気二重層によってバランスが保たれる。炭素原子の電荷を変更すると、C-C結合長が変化する。その結果、単一のCNTの膨張と収縮を観察できる。
【００１８】
図1及び2は、EAPデバイスの2つの可能な動作モードを示している。
【００１９】
デバイスは、電気活性ポリマー層１４の両側の電極１０、１２の間に挟まれた電気活性ポリマー層１４を有する。
【００２０】
図1は、クランプされていないデバイスを示している。図に示すように、電圧を使用して電気活性ポリマー層をすべての方向に拡張する。
【００２１】
図2は、膨張が一方向にのみ発生するように設計されたデバイスを示している。デバイスは、キャリア層16によって支持されている。電圧を使用して、電気活性ポリマー層を曲線化又は湾曲させる。
【００２２】
一緒に、電極、電気活性ポリマー層、及びキャリアは、全体的な電気活性ポリマー構造を構成すると見なされてもよい。
【００２３】
この動きの性質は、例えば、作動するとき膨張するアクティブ層とパッシブキャリア層との相互作用から生じる。示されているように、軸の周りの非対称曲線を得るために、例えば、分子配向（フィルムストレッチング）を適用して、一方向に運動を強制することができる。
【００２４】
一方向の膨張は、EAPポリマーの非対称性、又はキャリア層の特性の非対称性、又はその両方の組み合わせに起因する場合がある。
【００２５】
上述の電気活性ポリマー構造は、作動と検出の両方に使用することができる。最も顕著な検出機構は、力の測定とひずみ検出に基づいている。たとえば、誘電性エラストマーは、外力によって簡単に引き伸ばすことができる。センサーに低電圧をかけることにより、電圧の関数として歪みを測定できる（電圧は面積の関数である）。
【００２６】
フィールド駆動システムで検出する別の方法は、静電容量の変化を直接測定するか、ひずみの関数として電極抵抗の変化を測定することである。
【００２７】
圧電及び電歪ポリマーセンサーは、（結晶化度の量が検出可能な電荷を生成するのに十分高い場合）加えられた機械的ストレスに応じて電荷を生成できる。共役ポリマーは、ピエゾイオン効果を利用できる（機械的ストレスはイオンの作用をもたらす）。 CNTは、ストレスにさらされるとCNT表面で電荷の変化を経験し、これを測定できる。また、CNTは、ガス分子（O2、NO2など）と接触すると抵抗が変化するため、CNTをガス検出器として使用できることが示されている。
【００２８】
EAPアクチュエータがアクティブになると、容量性の挙動に起因する特定の時間遅延が発生する。およそ、EAP応答は非線形の指数関数に従うが、これは本質的にコンデンサの充電曲線に非常に似ている。
【００２９】
EAPの特定の位置に到達するには、この容量性電荷も対応するレベルに到達する必要がある。このような充電レベルは、時定数τの特定の倍数の後に達する。通常、5τの持続時間の後、最大延長（又は終了位置）に到達する。限られた遅延時間で高速応答が必要とされ、又はより高い動作周波数が必要とされるアプリケーションの場合、この動作は不利であり、EAPの使用を妨げる可能性がある。
【００３０】
Electro   Active   Polymers（EAP）は、精度の点で異なる条件が存在する可能性のあるいくつかのアプリケーションで使用できる。たとえば、単純な触覚フィードバックデバイスとして使用する場合、EAPがどう反応するかは重要ではなく、完全に反応し、したがってフィードバックが提供されるのに十分である。しかしながら、特定のアプリケーションでは、EAPを非常に正確に非活性化又は部分的に非活性化する必要がある場合、非常に高い精度が必要になる場合がある。そのような場合、理想的には階段状の機械的変形が望ましい。これは、たとえば、EAPをオンオフスイッチとして使用する場合に当てはまる。入力信号の機能として、EAPはその機械的状態を第1の（活性化）状態から第2の（非活性化又は部分的に非活性化）状態に変更する必要がある。代わりに、例えばカテーテルなどのステアリング装置で、ジッタのない作動が必要な用途がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
しかしながら、一部のEAPでは、非常に具体的な動作が観察されている。矩形の駆動電圧で動作する場合、図3に示すように、機械的変形（非活性化）は非常に強い発振性能を示す。
【００３２】
上の画像は作動電圧対時間を示し、下の画像は機械的応答対時間を示している。これにより、非常に正確なオン/オフ状態を提供する必要がある場合など、一部の用途で重大な問題が発生する可能性がある。通常、オフ状態とオン状態とを分離する特定のしきい値が定義されている。デバイスがこのしきい値を中心に発振する場合、スイッチング状態は定義されず、スイッチ自体がジッタする。ステアリングアプリケーションの場合、問題は未定義の（及びいくつかの点で正しくない）ステアリング方向にある。したがって、EAPを可能な限り高速で非活性化でされるが、非活性化フェーズ中に発振が発生しない場合、大きな利益となる。
【００３３】
Xiang、X.、Alici、G.、Mutlu、R.、＆Li、W.（2014）による論文; 「入力関数のタイプが導電性ポリマーアクチュエータの動的応答にどのように影響するか」（Smart   Materials   and   Structures、23、11）は、電力消費を最小限に抑えながら、導電性ポリマーアクチュエータのコマンド追従能力を改善する方法を開示している。滑らかな入力は、不連続な高次微分を持つステップ入力などの鋭い入力よりも電力をより少なく消費することがわかっている。この作業は、活性化フェーズ中に発振が発生しない、ゆっくり応答する電流駆動（イオン）アクチュエータに関連している。さらに、非活性化フェーズ中の発振は対処されない。
【００３４】
上述のように、本発明は、特に、フィールド駆動電気活性ポリマーアクチュエータに関する。それらは高周波で応答することができ、その結果、発振の問題に悩まされることがわかっている。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明は特許請求の範囲によって定義される。
【００３６】
本発明の一態様による例によれば、電界駆動電気活性材料アクチュエータであって、
【００３７】
電気活性材料構造と、
【００３８】
電気活性材料構造に作動電圧を供給するためのドライバと
を有し、
【００３９】
前記ドライバは、
【００４０】
作動電圧を第1の電圧レベルから第2の電圧レベルまで駆動するように適合され、遷移関数によって、第2の電圧レベルは第1の電圧レベルより低く、遷移関数は遷移時間にわたって発生し、遷移関数は平滑化関数を有し、遷移時間は少なくとも0.5msである、
電界駆動電気活性材料アクチュエータが提供される。
【００４１】
この装置は、低周波電圧駆動EAPアクチュエータ用である。単一ステップ関数を使用して第1の電圧と第2の電圧の間を遷移するのではなく、平滑化関数を備え、少なくとも0.5msの時間にわたって発生する遷移関数が使用される。このようにして、特定のEAP技術にとって可能な限り短い非活性化期間を維持しながら、アクチュエータの機械的発振を防ぐことができる。
【００４２】
特に、ドライバは、最も好ましくは、作動電圧を第１の電圧レベルから第２の電圧レベルに駆動するように適合され、第２の電圧レベルは第１の電圧レベルより低く、第１のレベルとゼロとの間にある。
【００４３】
この一連の好ましい実施形態によれば、本発明は特に、駆動電圧を第1のレベルとゼロとの間のレベルに下げることにより、より低い作動レベルに到達するように、電気活性材料アクチュエータが部分的に非活性化される場合に関する。この状況では、発振の問題が最も深刻である。説明すると、EAPが完全に非活性になっている場合、印加電圧が切断されているため、EAPは内部の並列抵抗を介してゆっくり放電し、最終的に初期位置に戻る。しかしながら、第一のレベルとゼロとの間の低い作動レベルに達するようにEAPが部分的に非活性化される場合、EAPは駆動回路の出力インピーダンスを介して放電され、通常、EAP自体の内部並列抵抗よりもはるかに低くなる。遷移関数を使用して、平滑化関数を含み、少なくとも0.5msの時間にわたって発生する第2の電圧レベルに移動することにより、このような状況での発振を実質的に回避できる。
【００４４】
発振抑制と応答速度との間の最適な妥協点を見つけるために、平滑化関数の特定の勾配及び形状を選択できる。
【００４５】
一実施形態では、平滑化関数は、ランプ関数、放物線関数及び指数関数のうちの少なくとも１つを含む。
【００４６】
非活性化フェーズ中にEAPによって生成される発振を低減及び/又は除去するために、平滑化関数の勾配、したがって遷移関数は可能な限り浅くする必要がある。これを実現できる最も簡単な方法は、第一の電圧レベルから始まり、単一の直線で第二の電圧レベルで終わる応答のようなランプを使用することにある。したがって、ランプ関数は少なくとも0.5msの時間にわたって発生する。この場合、遷移時間全体が平滑化関数に関連している。
【００４７】
遷移時間は、少なくとも1.0ms又は少なくとも2.0ms又は少なくとも5.0msである場合がある。
【００４８】
放物線関数や指数関数など、他の形状も平滑化関数のために考慮することができる。特に、指数関数波形は、コンデンサを含めることで電子システムに簡単に実装できる。さらに、波形形状を組み合わせて平滑化関数を形成することができる。例えば、総遷移時間の第一の時間フレーム内で、ランプが使用され、その後、第二の時間フレームで指数関数又は放物線関数が後続する場合がある。
【００４９】
いくつかの実施形態では、平滑化関数は、離散点のセットとして近似される。
【００５０】
さらなる実施形態では、平滑化関数は、離散点間の補間データ点をさらに含む。
【００５１】
EAPの非活性化遷移を管理するために選択された平滑化関数は、段階的な近似によって実現できる。例えば、補間された中間値を伴うか、又は伴わないで、ステップ関数を使用することができ、ステップは、いかなる発振も合理的な量に減らすように選択される。補間された値は、平滑化関数の対応するポイント上又はその近くに正確に存在する場合がある。
【００５２】
いくつかの設計では、遷移関数は、第1の電圧レベルと平滑化関数との間の第1のステップ関数、及び平滑化関数と第2の電圧レベルとの間の第2のステップ関数のうちの少なくとも1つをさらに含む。
【００５３】
このようにして、過度の発振を防ぐと同時に、遷移関数の速度を上げることができる。
【００５４】
一構成では、アクチュエータは、電気活性材料構造の発振を検出するように適合されたフィードバックシステムをさらに備える。
【００５５】
さらなる構成において、フィードバックシステムは、機械式センサー及び電気センサーのうちの少なくとも1つを含む。
【００５６】
さらに別の構成では、フィードバックシステムによって検出された発振が閾値を超える場合、ドライバは駆動電圧を変更するように適合されている。
【００５７】
アクチュエータの発振を検出するために使用される機械式センサーには、PVDFフォイル、ひずみゲージ、光学距離/偏向センサー、又はアクチュエータの機械的発振を検出できる他の外部センサーが含まれる。
【００５８】
機械的発振を識別するために、アクチュエータの駆動信号/電流の発振変化を検出するように電気センサーを適合させることができる。これの簡単な実装は、小さな抵抗をアクチュエータと直列に接続することにある。
【００５９】
センサーは既存の発振のみを検出できるため、「許容可能な」レベルの発振のしきい値が含まれている。しきい値を超えると、それに応じて駆動信号が調整される。
【００６０】
いくつかの実施形態では、遷移関数は、電気活性材料構造の発振と同じ周波数を有する反発振関数をさらに含む。
【００６１】
所与のEAPアクチュエータの機械的発振は、フォーム、サイズ、形状、負荷条件、非活性化条件などの設計に依存する。したがって、既知の発振を伴うアクチュエータの場合、DCバイアスの反発振関数によって後続される初期ステップ関数のような、特定の遷移信号を生成できる。アクチュエータの発振を破壊的に干渉するために、反発振関数の周波数はアクチュエータの発振周波数とマッチする必要がある。
【００６２】
さらなる実施形態では、反発振関数は、電気活性材料構造の発振に対して170°乃至190°の間の位相シフトを有する。
【００６３】
この大きさの位相シフトにより、反発振関数がアクチュエータの発振との完全な破壊的干渉を実現することは可能になる。
【００６４】
一実施形態では、ドライバは、作動電圧を駆動するための所定値のルックアップテーブルを記憶するように適応されたメモリを備える。
【００６５】
このようにして、ドライバは、遷移及び平滑化関数にすばやく確実にアクセスして、EAPアクチュエータの計画的な非活性化による発振を低減及び/又は除外できる。
【００６６】
ある構成では、アクチュエータはさらにマイクロコントローラを含む。
【００６７】
本発明の一態様による例によれば、電界駆動電気活性材料アクチュエータを駆動する方法であって、前記方法は、
【００６８】
電気活性材料構造に作動電圧を提供するステップと、
【００６９】
作動電圧を第1の電圧レベルから第2の電圧レベルに駆動するステップであって、遷移関数により、第2の電圧レベルは第1の電圧よりも低く、遷移関数は遷移時間にわたって発生し、遷移関数は平滑化関数を含み、 遷移時間は少なくとも0.5msである、ステップと
を有する、方法が提供される。
【００７０】
好ましくは、第２の電圧レベルは、第１のレベルとゼロとの間にある。
【００７１】
一実施形態では、この方法は、平滑化関数を離散点のセットとして近似するステップをさらに含む。
【００７２】
さらなる実施形態では、この方法は、離散点間のデータ点を補間するステップをさらに含む。
【００７３】
本発明の例は、添付図面を参照して詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】拘束されていないため、平面内で拡張する、既知のEAPアクチュエータを示している。
【図２】拘束されているため、平面から変形する、既知のEAPアクチュエータを示している。
【図３】従来の駆動方式の波形と、駆動波形に対するアクチュエータの応答を示している。
【図４】いくつかの実施形態による駆動方式の様々な波形、及びアクチュエータの関連する機械的応答を示している。
【図５】図4のアクチュエータの機械的応答のより詳細な図を示している。
【図６】図4の波形及び以前に広範囲に使用されたアクチュエータの関連する機械的応答を示している。
【図７】図6のアクチュエータの機械的応答のより詳細な図を示している。
【図８】一実施形態による駆動方式の波形を示す。
【図９】波形を滑らかにするのではなく、ステップ又は近似する方法を示す。
【図１０】反発振関数を含む駆動方式の波形を示している。
【図１１】アクチュエータの発振周波数を決定する方法を示している。
【図１２】アクチュエータの発振周波数を決定する他の方法を示している。
【図１３】EAP構造の発振を検出するフィードバックシステムと組み合わせた、EAP構造のドライバの例を示している。
【図１４】電界駆動電気活性材料アクチュエータの駆動方法のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
本発明は、作動電圧により駆動される電界駆動電気活性材料アクチュエータを提供する。ドライバは、第1の電圧レベルから第2の電圧レベルまで作動電圧を駆動するように適合され、遷移時間にわたって生じる遷移関数により、第2の電圧レベルは第1の電圧レベルよりも低い。遷移関数には平滑化関数が含まれている。遷移時間は少なくとも0.5msである。
【００７６】
通常、EAPは、コンポーネントを動作させるために必要な電圧を提供する駆動回路によって制御される。 EAPが活性になっている場合、ドライバは通常、特定の振幅を備えるステップDC電圧を生成して、EAPを所望の位置に移動させる。電子駆動回路は理想的ではないため（たとえば、常に内部抵抗を有するため）、作動応答はEAP自体の機能だけでなく、駆動回路の機能でもある。ドライバの影響を軽減するために、EAPの動作電圧は通常、EAPに平行なコンデンサーに保存され、作動に関して、この保存された電圧は電子スイッチ（トランジスター、MOSFETなど）によってEAPに供給される。
【００７７】
EAPアクチュエータは、電荷の関数として変形を開始し、ここでも印加された電圧振幅に依存する。 EAPが非活性になっている場合、印加電圧が切断されているため、EAPは内部の並列抵抗を介してゆっくり放電し、最終的に初期位置に戻る。より低い作動レベルに到達するように、EAPが部分的に非活性化されている場合、駆動電圧は低下する。この場合、EAPは駆動回路の出力インピーダンスを介して放電され、これは通常、EAP自体の内部並列抵抗よりもはるかに低い値である。
【００７８】
問題は、電圧の段階的な低下が機械的発振を引き起こす可能性があることである。特に、出願人により、実験調査中に、矩形電圧で動作する電圧（フィールド）駆動型EAPが非活性化フェーズ中に強い発振を示すのに対し、正弦波動作ではこれらの発振が生じないことが観察された。非活性化フェーズ中の発振は、制御（作動）電圧の突然の変化によって引き起こされることが分かっている。数学的には、これは勾配又は電圧微分dv / dtとして説明できる。
【００７９】
この勾配がしきい値を超えると、発振が現れることがわかった。適切な数学的平滑化関数のセットの1つに従う遷移関数を提供することにより勾配が制限される場合、これらの振動は低減されるか、又は完全またはほぼ完全に除去されることができる。
【００８０】
EAPの非発振非活性化の提供を支援するためのさらなる手段は、非活性化フェーズと最終定常状態との間のスムーズな遷移である。ここでも、動作電圧の大きなステップが発振を引き起こす可能性がある。したがって、この遷移での電圧振幅の変化も制限する必要がある。たとえば、非活性化フェーズと最終的な定常状態との位置の間の遷移点では、勾配又は電圧微分dv / dtは小さくなるか、又はゼロになることがある。
【００８１】
非活性化遷移関数に最適な数学的平滑化関数を決定するために、標準的な電圧駆動型EAPアクチュエータを使用してさまざまな測定が行われている。
0006724258.tif 000002
【００８２】
表1に示したスムージング関数の例は、EAPが初期状態から低い状態に作動状態を変更するように強制される時間に制限される。数学的には、対応する時間tはt0 <t≦t1に制限され、t0は非活性化が開始される時点であり、t1は遷移が終了する時点である。通常、これは、EAPが新しい作動レベルに到達する時点である。さらに、v0はt0での実際の電圧であり、v1はt1での必要な電圧である。
【００８３】
図４の上のグラフ２０は、時間ｔに対する電圧Ｖとしてプロットされた６つの遷移関数を示し、各関数は異なる勾配を有するランプ状の平滑化関数を含む。遷移は、200Vの第1の電圧レベルから100Vの第2の電圧レベルに発生する。関連する発振ＥＡＰ応答は、下のグラフ２２に時間に対する偏向ｄとしてプロットされる。遷移関数２４は、第１の電圧レベルと第２の電圧レベルとの間の遷移全体をカバーする関数である。場合によっては、図4に示すように、平滑化関数が遷移関数全体を占める場合がある。一方、他の場合では、以下にさらに示すように、平滑化関数は遷移関数の一部のみを占める場合がある。
【００８４】
上のグラフ２０の左端の遷移関数３０は、従来のＥＡＰアクチュエータシステムで通常使用される前述のステップ関数を示している。この場合、遷移関数の理論的勾配は無限に負である。つまり、遷移時間は理論的に無限に小さく、その結果、下のグラフ22の対応する左端の信号31に示すように大きな発振が生じる。次の表は、各遷移で使用される近似勾配と、下のグラフ22の対応するプロットを示す。
0006724258.tif 000003
【００８５】
下のグラフ22から容易にわかるように、遷移の勾配の絶対値の減少、したがって遷移時間の増加は、EAPで観測される発振の振幅と数の大幅な減少につながる。
【００８６】
上記の表に示すように、絶対勾配は、たとえば2kV / s未満、たとえば20kV / s未満、たとえば200kV / s未満になり得る。遷移を真のステップ関数よりも狭くすることにより、発振は低減又は回避される。たとえば、200Vからゼロへの遷移は1ms以上で発生する場合がある。
【００８７】
図5は、図4の下側のグラフ22のより詳細な図を示している。調査されたすべての勾配で、発振がほぼ完全に除去されていることがわかり得る。しかしながら、最も低い絶対勾配４１を有する遷移関数は遅延応答をもたらすこと、すなわち目標作動点が所望よりもやや遅れて到達され、さらに小さなオフセットをもたらす可能性があることも観察できる。このオフセットは、例としてv1 = 100Vよりわずかに低い電圧に駆動することで回避できる。
【００８８】
このような修正は、たとえばルックアップテーブルにおけるドライバによって保存されることができる。遷移関数の絶対勾配を大きくし、遷移時間を短くすることにより、オフセットと遅延とが減少する。この特定のEAPの場合、約-1280 V / sの勾配を持つ遷移関数32が元の応答に最も近くなるが、発振33は大幅に減少する。この勾配により、遷移時間は約0.8msになる。遷移時間はさらに短縮できる。しかしながら、遷移時間を0.5ミリ秒未満に短縮することにより、発振が発生するリスクが高くなる可能性がある。
【００８９】
図６は、グラフ５０にプロットされているように、広範囲に使用されたＥＡＰ上の図４の５つの遷移関数の機械的応答をグラフ５２で示している。 5つの関数は、上記の表2で定義されている30、34、36、38、及び40である。一部のEAPの動作はその履歴に依存する場合がある。つまり、過去のEAPの操作/駆動が実際のパフォーマンスに影響を与える可能性がある。さらに、経年劣化は機械的変形に大きな影響を与える可能性がある。これに加えて、機械的（非活性化）応答は、必要な作動レベル自体にも依存する。より具体的には、機械的応答は、目標作動レベルが最大値に近いか、中間領域にあるか、又はEAPの最小作動レベルに近いかに依存する。これは、圧電効果、容量効果、ダイポール効果、及び微小結晶秩序のようなEAPデバイスの活性化及び非活性化をもたらす機構の結果であり、これらの機構は異なる電圧範囲と異なる電圧変化率とで作動するという事実の結果である。具体的には、双極子機構や圧電機構などの一部の機構は応答時間が非常に速いのに対し、微結晶秩序などの他の機構は低速であるため、使用履歴に大きく依存している。その機構は、電圧が増加、減少、又は完全に除去された場合にも異なる動作をする。
【００９０】
図4及び5に示す測定の第一のセットとは対照的に、図6及び7に示す測定の第二のセットは、さまざまな駆動条件下で数時間使用された別のEAPのパフォーマンスを示す。図6の下のグラフ52の左端の信号60は、従来のステップ関数30の下でのEAPの動作を示している。これを、未使用EAPを表す図4及び5の対応する信号31と比較すると、機械的応答の明確な差が観察されることができる。第一のケースでは、指数関数的な減衰によって必要な作動レベルがゆっくりと到達されるが、ゆっくりと局所的に増加した後、第二のEAPの最終的な作動レベルが到達される。どちらの場合も、ステップ状の遷移関数30に応答して発振を観察できる。
【００９１】
図７は、図６の下側のグラフ５２の詳細図を示す。図５の場合のように、最低絶対勾配６２を有する遷移関数は、遅延応答及び目標作動点からの小さなオフセットをもたらす。ここでも、約0.8msの遷移時間は、応答時間と観測された発振の数との間に望ましいバランスをもたらすことがわかっている。
【００９２】
上記で説明したように、平滑化関数は、表1に示すように、さまざまな形状の数又は組み合わせを採用することができる。発振を低減又は防止するために、一つ又はそれより多くの平滑化時間を有する遷移時間は、少なくとも0.5msでなければならない。
【００９３】
図８は、時間ステップｔｓに対して正規化された電圧Ｖｎｏｒｍとしてプロットされた平滑化関数７２を含む遷移関数７０の実施形態を示している。遷移関数は、第１の電圧レベルと平滑化関数との間の第１のステップ関数７４と、平滑化関数と第２の電圧レベルとの間の第２のステップ関数７６とをさらに含む。このようにして、発振を同時に低減又は防止しながら、非活性化遷移を加速することができる。
【００９４】
図９は、破線で示される指数平滑化関数８２を含む遷移関数８０を示す。指数関数を完全に再現できない場合、平滑化関数は、実線84で示される補間値を持つステップ関数、又は破線86で示される補間値なしのステップ関数などの緩やかな近似によって実現できる。補間された値は、平滑化関数の対応するポイント上に正確にあるか、又はそれに近い場合がある。平滑化関数のこの近似を実行することにより、EAPの作動電圧を駆動するために必要なシステムの処理能力及び/又は複雑さを軽減することができる。
【００９５】
図１０は、従来のステップ遷移関数に応じたアクチュエータの偏向軸ｄに関する機械的発振９０を示している。加えて、グラフは、反発振関数94を含む電圧軸Vに関する例示的な遷移関数92を示している。
【００９６】
上記で説明したように、特定のEAPで観測される発振は、その設計、負荷条件、及び（非）作動条件に依存する。したがって、既知の発振を伴うアクチュエータの場合、特定の非活性化信号が生成される場合がある。たとえば、最初に段階的な応答が使用され、その後にDCバイアスされた反発振関数94を使用できる。反発振関数は機械的発振と同じ周波数を有する必要があるが、破壊的な干渉を達成するために約180°位相シフトされる。より具体的には、機械的発振を予防的に補償するために、駆動信号が180°をわずかに下回るように位相シフトを調整する必要がある。
【００９７】
発振周波数はEAPジオメトリ、クランプ、履歴、及び駆動電圧に依存するため、反発振関数の最大の効果を達成するためには、非作動が発生する直前に正確な発振周波数を決定する必要がある。 EAPの通常の発振周波数の電気測定を使用して、反発振振幅を決定できる。これにより、たとえば追加のセンサーを使用することで、EAP発振の振幅に関するフィードバックが不要になる。
【００９８】
EAPの発振周波数は、一次作動電圧に加えて小さなAC電圧信号を駆動することにより決定できる。この小さなAC電圧信号は、EAPに余分な機械的変形を加えることを避けるのに十分小さいが、電子的に測定することができる。通常、小さなAC電圧信号は、一次作動電圧の1％未満である。
【００９９】
図11と図12は、プロット95として作動電圧によるEAPの偏向、及びプロット96として周波数範囲で駆動される小さなACで測定されたEAPのインピーダンスを示している。シータスケールで示されるインピーダンスの虚数部は、図11に示すように発振周波数に依存する。図12にプロット98として示すインピーダンスの2次導関数をとることにより、発振周波数の位置は、通常10％の精度で反共振周波数farから簡単に決定できる。この場合、しきい値は-1に設定できる。実際、EAPSなどの減衰電気機械システムの反共振周波数は、通常、共振周波数よりも10％高くなっている。したがって、反発振関数のより正確な駆動周波数は0.9 * farである。
【０１００】
図１３は、ドライバ１００がＥＡＰ構造１０２に駆動電圧を印加するために使用されることを示している。また、機械的、光学的及び／又は電気的センサを含み得る任意のフィードバックシステム１０４も示す。フィードバックシステムは、検出された発振を補償するために、ドライバ100がEAPの駆動電圧を変更することを可能にする。フィードバックシステムは既存の発振のみを検出できるため、これでは発振を防止できない場合がある。そのため、許容発振しきい値を含める必要があり、そのしきい値を超えると、ドライバは発振補償を開始するように適合される。
【０１０１】
必要な遷移関数を生成するために、いくつかの実装が使用されることができる。指数平滑化関数を生成するためにコンデンサを使用する場合に、基本的なアナログ回路を使用する場合がある。さらに、デジタルマイクロコントローラは、遷移関数に必要なアナログデータポイントを計算し、その後、何れかの従来の電力増幅器ソリューションで増幅できる。
【０１０２】
さらに、ルックアップテーブルアプローチを実装でき、必要なすべてのデータポイントは事前に計算され、ドライバ又は他の適切な制御デバイス内のメモリに保存される。その後、デジタル又はアナログのデータポイントを時間の関数として読み出すことができる。
【０１０３】
図１４は、本発明の方法１１０を示している。
【０１０４】
ステップ１１２では、ＥＡＰ構造に作動電圧が供給される。
【０１０５】
ステップ１１４において、平滑化関数は、離散点のセットとして近似され得る。
【０１０６】
ステップ１１６では、元の平滑化関数により良く近似するために、離散データポイント間でデータポイントを補間することができる。
【０１０７】
ステップ１１８において、作動電圧は第１の電圧レベルから第２の電圧レベルに駆動され、第１の電圧レベルは遷移関数により、第２の電圧レベルよりも高く、遷移関数は遷移時間にわたって生じる。遷移関数は、少なくとも部分的に平滑化関数を含み、遷移時間は少なくとも0.5msである。
【０１０８】
本発明は、特にＥＡＰアクチュエータの作動に関する。しかしながら、EAPデバイスが検出機能と作動機能の両方を実行しているアプリケーションで使用できる。
【０１０９】
本明細書の上記の詳細な説明では、本発明によるデバイス及びシステムの構成及び動作をEAPについて説明したが、実際には、本発明は他の種類のEAM材料に基づくデバイスに使用できる。したがって、特に明記しない限り、上記のEAP材料は他のEAM材料で置き換えることができる。そのような他のＥＡＭ材料は当業者に知られており、当業者はそれらをどこで見つけ、どのように適用するかを知っているであろう。
【０１１０】
EAP層に適した材料は知られている。電気活性ポリマーには、限定されないが、圧電ポリマー、電気機械ポリマー、リラクサー強誘電性ポリマー、電歪ポリマー、誘電エラストマー、液晶エラストマー、共役ポリマー、イオン性ポリマー金属複合材料、イオンゲル及びポリマーゲルといったサブクラスが含まれる。
【０１１１】
サブクラス電歪ポリマーには、限定されないが、
【０１１２】
ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン（PVDF-TrFE）、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン-クロロフルオロエチレン（PVDF-TrFE-CFE）、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン-クロロトリフルオロエチレン）（PVDF-TrFE-CTFE）、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン（ PVDF - HFP）、ポリウレタン又はそれらのブレンド
が含まれる。
【０１１３】
サブクラスの誘電性エラストマーには、限定されないが、
【０１１４】
アクリレート、ポリウレタン、シリコーン
が含まれる。
【０１１５】
サブクラスの共役ポリマーには、限定されないが、
【０１１６】
ポリピロール、ポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン、ポリ（p-フェニレンスルフィド）、ポリアニリン
が含まれる。
【０１１７】
これらの例のすべてにおいて、加えられた電界に応じてEAP層の電気的及び/又は機械的挙動に影響を及ぼすために、追加の受動層が提供されてもよい。
【０１１８】
各ユニットのEAP層は、電極の間に挟まれている。電極は、EAP材料層の変形に追従するように伸縮可能にすることができる。電極に適した材料も知られており、例えば、金、銅、アルミニウムなどの金属薄膜、又はカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリン（PANI）、ポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT）、例えばポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート）（PEDOT：PSS）などの有機導体からなるグループから選択できる。例えばアルミニウムコーティングを使用する金属化ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの金属化ポリエステルフィルムも使用することができる。
【０１１９】
電極が非対称構成に配置されている場合、印加される電圧は、ねじれ、回転、ねじれ、回転、非対称曲げ変形など、あらゆる種類の変形を引き起こすことができる。
【０１２０】
本発明は、アクチュエータのパッシブマトリックスアレイに関心がある例を含む、多くのEAP及びポリマー用途に適用することができる。
【０１２１】
多くのアプリケーションでは、製品の主な機能は、人間の組織の（局所的な）操作、又は組織接触インターフェースの作動に依存している。このような用途では、たとえばEAPアクチュエータは、主にフォームファクターが小さく、柔軟性があり、エネルギー密度が高いため、独自の利点をもたらす。そのため、EAP及び光応答性ポリマーは、柔軟な3D形状及び/又は小型の製品及びインターフェースに簡単に統合できる。そのようなアプリケーションの例は次のとおりである。
【０１２２】
皮膚に張力をかけるか、しわを減らすために一定又は周期的なストレッチを皮膚に適用する応答性ポリマーベースの皮膚パッチの形態の皮膚作動装置などの皮膚美容治療である。
【０１２３】
交互の通常圧力を皮膚に提供して顔の赤いマークを軽減または防止するために、応答性ポリマーベースのアクティブクッション又はシールを備えた患者インターフェースマスクを備えた呼吸器である。
【０１２４】
アダプティブシェービングヘッド付き電気シェーバーである。皮膚に接触する表面の高さは、密着性と刺激のバランスに影響を与えるために、応答性ポリマーアクチュエータを使用して調整できる。
【０１２５】
特に歯の間の空間でスプレーの到達範囲を改善するための動的ノズルアクチュエータを備えたエアフロスなどの口腔洗浄装置。代わりに、歯ブラシが活性化された房を備えていてもよい。
【０１２６】
ユーザーインターフェイス内に、又はユーザーインターフェイスの近くに統合された応答性ポリマートランスデューサーのアレイを介して局部的触覚フィードバックを提供する電気機器又はタッチパネルである。
【０１２７】
曲がりくねった血管内における簡単なナビゲーションを可能にするステアブルチップを備えるカテーテルである。
【０１２８】
心拍、SpO2、血圧などの人体の生理学的パラメーターの測定である。
【０１２９】
そのようなアクチュエータから利益を受ける関連アプリケーションの別のカテゴリは、光の修正に関連している。 レンズ、反射面、グレーティングなどの光学素子は、これらのアクチュエータを使用する形状又は位置適応により適応させることができる。 ここで、たとえばEAPの利点の1つは、消費電力が少ないことである。
【０１３０】
開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求された発明を実施する際に当業者によって理解及び達成され得る。 請求項において、「含む」という語は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は複数を除外しない。 特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではありません。 請求項中の参照符号は、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【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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