(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御信号で駆動すると変形することが可能な電気活性材料を含む作動部材を有するデバイスを制御する方法であって、前記方法は、
前記作動部材の作動を引き起こす制御信号として作動信号を生成するステップであって、前記作動が第１の最大作動周波数を有する、作動信号を生成するステップと、
摩擦を低減させるために前記作動部材の振動を引き起こす制御信号として振動信号を生成するステップであって、前記振動が前記第１の最大作動周波数より大きい周波数を有する、振動信号を生成するステップと、
前記作動信号を前記電気活性材料の少なくとも一部に供給し、前記振動信号を前記電気活性材料の少なくとも一部に供給するステップとを有する、方法。
【請求項２】
前記デバイスは基板を備え、前記基板に対して前記作動部材が位置決めされ、前記作動部材の前記振動は、前記基板と前記作動部材との間の摩擦を低減させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板は、前記制御信号又は別の制御信号によって駆動できるさらなる作動部材を備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記デバイスは、使用中に外面に沿って動かされ、前記作動部材の前記振動は、前記作動部材と前記外面との間の摩擦を低減させる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
駆動期間内で重複するように、前記作動信号及び前記振動信号は、前記駆動期間内に前記電気活性材料へ供給される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記作動信号は、非発振信号を含み、前記振動信号は、
１つ若しくは複数のパルスを含むパルス信号、及び／又は
発振信号を含む、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記作動信号は、作動信号振幅を含み、前記振動信号は、振動信号振幅を含み、前記振動信号振幅は、前記作動信号振幅の２０％より小さく、１０％より小さく、若しくは５％より小さく、又は
前記作動信号は、作動信号周波数を含む発振信号であり、前記振動信号は、前記作動信号周波数より高い振動信号周波数を含む、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記振動信号は、１ＭＨｚ未満、１００ｋＨｚ未満、１０ｋＨｚ未満、又は１ｋＨｚ未満になるように選択された振動信号周波数を含み、前記振動信号は、前記作動部材の共振周波数又は固有周波数に等しい少なくとも１つの振動信号周波数を含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
第１の動作モードで、前記電気活性材料に前記作動信号及び前記振動信号を供給するステップと、
第２の動作モードで、前記電気活性材料に前記作動信号だけを供給し、前記振動信号は供給しないステップと
を有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記作動信号は、作動信号振幅を含み、前記振動信号は、振動信号振幅及び振動信号周波数を含み、
所望のレベルの前記作動を提供するように前記作動信号の前記作動信号振幅を選択するステップ、
所望のレベルの前記振動を提供するように前記振動信号の前記振動信号振幅を選択するステップ、及び／又は
前記振動を共振振動にするように前記振動信号の前記振動信号周波数を選択するステップを有する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
コンピュータ可読媒体上に記憶され又は通信ネットワークからダウンロード可能なコンピュータコードを含むコンピュータプログラムであって、前記コンピュータコードは、コンピュータ上で実行されると、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法を実施する、コンピュータプログラム。
【請求項１２】
制御信号で駆動すると変形することが可能な電気活性材料を含む作動部材と、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法のステップを実施するコントローラと
を備える、デバイス。
【請求項１３】
前記作動信号を受け取り、それによって前記電気活性材料の第１の部分に前記作動信号を供給する第１の電極配置と、
前記振動信号を受け取り、それによって前記電気活性材料の前記第１の部分と同じ又は異なる前記電気活性材料のさらなる部分に前記振動信号を供給する第２の電極配置と
をさらに備える、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
内部ガイド若しくは外部導管に沿って案内されて動く本体であって、前記本体が前記作動部材を備え、前記内部ガイド若しくは前記外部導管が基板を備え、前記作動部材は当該基板に対して位置決めされる、本体、又は
本体が案内されて動くための内部ガイド若しくは外部導管であって、前記内部ガイド若しくは前記外部導管が前記作動部材を備え、前記本体が基板を備え、前記作動部材は当該基板に対して位置決めされる、内部ガイド若しくは外部導管
を備える、請求項１２又は１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記電気活性材料は、誘電体エラストマ、圧電ポリマー、強誘電体弛緩ポリマー若しくは強誘電体ポリマー、又は電歪ポリマーの１つ又は複数を含む、請求項１２、１３、又は１４に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦制御のための電気活性材料を含むデバイスの使用及び制御方法に関する。本発明はまた、摩擦制御のために使用又は制御することが可能な電気活性材料を含むデバイスに関する。本発明はさらに、使用及び方法に関係するコンピュータプログラム製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気活性材料（ＥＡＭ）は、電気的に駆動されたときに機械的変形を示す材料である。当該材料に応じて、そのような駆動は、好適な制御信号によってＥＡＭに電界又は電気的に生成された力をかけるという形態で行うことができる。これらのＥＡＭの特定のクラスはまた、逆の作用を呈し、すなわち機械的変形にかけられたときに電気信号を提供することができる。ＥＡＭが上記の作用を提供する厳密な機構は、選択される材料に依存する。上記の作用のため、そのようなＥＡＭの最も一般的な応用分野は、アクチュエータ及び／又はセンサにある。
【０００３】
電気活性ポリマー（ＥＡＰ）は、ＥＡＭの分野で新たに出てきたクラスの材料である。ＥＡＰは、好都合な作動応答特性と複数の有利な工学特性とを兼ね備えており、それによって新しい適用領域での使用を可能にする。したがって、ＥＡＰは概して、一般的な他の機械的アクチュエータ又は無機ＥＡＭベースのアクチュエータと比較すると、小さい体積又は薄い形状因子で比較的大きい変形及び力を呈する。またＥＡＰにより、雑音のない動作、正確な電子制御、速い応答、並びに０〜２０ｋＨｚなどの広範囲の可能な作動周波数における高い分解能及び周期的な作動の可能性が与えられる。これらの特性はすべて、しっかりと確立された方法の使用による様々な形状への容易な製造を伴い、多種多様なシステムへの容易な統合を可能にする。
【０００４】
過去１０年にわたって著しく改善されたＥＡＰの性能及び特定の利点により、新しい応用分野で使用されている。ＥＡＰデバイスは、特に有利には、構成要素又は特徴のわずかな量の動きが所望されるあらゆる応用分野で使用することができる。同様に、この技術は、わずかな動きを感知するために使用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
変形しているＥＡＭアクチュエータが別の表面に接触しているとき、その動きは、静止摩擦（静摩擦）又は運動摩擦によって制限される可能性がある。静摩擦は、局所的な表面の粗さ、汚損、若しくは摩耗粒子、又は他の粘着現象のために生じる可能性がある。静摩擦は、特に層状のＥＡＭシステム及びアクチュエータ並びに／又はコーナーの周りで動くものではリスクである。
【０００６】
概して、静止摩擦（静摩擦）又は運動摩擦を低減させるための知られている解決策は、外部アクチュエータを使用して１組の接触表面のうちの１つに法線方向又は横方向の振動を加えることである。しかし、これにより、アクチュエータデバイスの複雑さが増す。
【０００７】
したがって、摩擦又はさらには制御可能な摩擦量の低減を実現することができ、簡単に低コストで実施することができる方法及びデバイスのニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、前述のニーズを満たすことである。この目的は、独立請求項に記載の本発明によって実現される。独立請求項によれば、作動方法及びアクチュエータデバイス、並びにこの方法のステップを実施するコンピュータプログラム製品が提供される。従属請求項は、有利な実施形態を提供する。技術的に不可能でない限り、この方法に関して記載されている特徴、それらの利点、又はそれらが解決する課題は、デバイスに関する対応する特徴を定義するために利用でき、逆も同様である。
【０００９】
本発明において、制御信号は、ＥＡＭを駆動して変形させるための信号である。制御信号は、駆動期間の少なくとも一部において、作動信号及び振動信号を含む。作動信号は、ＥＡＭ、したがってそのＥＡＭを含む作動部材の全体的な変形レベルを制御するために使用される。これにより、デバイスの所望される実際の作動（出力）が提供される。振動信号は、作動前又はさらには作動中に摩擦を低減させる目的で、ＥＡＭの振動変形によって引き起こされるその同じ作動部材の振動を導入するために使用される。このようにして、外部アクチュエータを使用することなく、アクチュエータデバイスの摩擦の低減、空間の節約、複雑さの低減、及び使用機能の改善を可能にする。この振動を使用して、実際の作動を助け、又は所望の作動の実現を助けることができる。摩擦制御はまた、振動信号の除去（及びそれによる摩擦の増大）によってアクチュエータを設定位置で保持することを可能にするために使用される。
【００１０】
作動部材の作動は、第１の最大作動周波数を有する。これはたとえば、数Ｈｚ又は数十Ｈｚ又は数百Ｈｚ程度である。作動は、本質的に静的であり、すなわち１つの作動位置から別の作動位置への変化は任意の時点に行われる。振動信号の周波数は、第１の作動周波数より大きい。これらの振動は、数百又は数千Ｈｚ以上の周波数で生じる。これらの振動は、より低い周波数における変形を助けるために使用される。振動周波数は、たとえば、最大作動周波数の少なくとも１０倍、又はさらには最大作動周波数の少なくとも１００倍である。
【００１１】
本発明において、何れの信号も、好ましくは、電圧信号又は電流信号などの電気信号である。これは、デバイス内で使用される実際の電気活性材料に依存する。電界駆動又はキャパシタンス駆動ＥＡＭは電圧信号を必要とし、イオン拡散駆動ＥＡＭは、電流駆動を必要とする。
【００１２】
制御信号は、駆動期間内に作動信号及び振動信号が存在するように生成される。作動信号及び振動信号は、時間的に重複しない時系列で電気活性材料に提供することができる。作動信号及び振動信号はまた、時間的に部分的又は完全に重複してもよい。そのようにして、デバイスの実際の作動中の摩擦制御が可能になる。
【００１３】
作動信号及び振動信号は、別個の信号又は重畳信号とすることができ、どちらも電気活性材料の同じ部分に提供することができる。これは、全く同一の電極配置によって行うことができる。この構成により、複雑さが低減され、空間が節約される。
【００１４】
作動信号及び振動信号はまた、電気活性材料の異なる部分に提供される別個の信号とすることができる。これは、時間的に重複してもしなくてもよい。１つの部分は、摩擦制御のために特に画定され、別の部分は、所望の作動の主要部分又はすべてを提供するために画定される。作動部材は、両方の機能に対して最適の応答を提供するために、そのような構成に適応させることができる。この場合、異なる電極配置を使用して、異なる信号を提供することができる。これらの信号のうちの１つは、より高周波の振動信号を低損失で受け取って取り扱うように最適化することができる。したがって、作動中に摩擦を修正又は制御することができる。
【００１５】
作動信号は、非発振信号を含むことができる。これは、ＤＣ信号とすることができる。作動信号は、ＤＣ信号とすることができる。ＤＣとは、振動信号よりゆっくりと変動し又はまったく変動しない信号を意味する。したがって、ＤＣ信号は、振動信号より低い周波数を有する。ＤＣ信号レベルは、線形であり、又は他の形で増大若しくは減少する。しかし、作動信号はまた、変動する信号とすることができ、又はさらには、発振作動が必要とされる場合は発振する信号とすることができることに留意されたい。
【００１６】
振動信号は、制御信号の一部であり、作動部材を振動させるが、デバイスの実際の作動出力を提供することを意味するものではない。したがって、その信号の振幅又はレベルは、作動信号の振幅又はレベルより小さくなるように選択することができ、好ましくは振幅又はレベルは、作動信号の振幅又はレベルの２０％より小さく、１０％より小さく、５％より小さく、又は１％より小さい。
【００１７】
作動信号は、パルス信号を含むことができ、又はパルス信号からなることができ、パルス信号は、単一のパルス、複数パルスシーケンス、又は反復パルスシーケンスである。複数パルス又は反復作動パルスシーケンスの場合、そのようなシーケンスの周波数は、振動信号の周波数より低い。コントローラは、パルス持続時間の一部又は全体にわたって信号レベルが時間とともに減少若しくは増大し又はさらにはＡＣ信号周波数より低い周波数で時間とともに発振するパルスを提供することが可能になるように構成することができる。好ましくは、この信号レベルは、単に減少若しくは増大し（たとえば、線形）、又は実質上一定であり（パルスは、固定の期間にわたってＤＣ信号として働く）、それによりパルス持続時間中、作動信号は、概略的な作動信号として働く。前述の場合、作動信号は、ＡＣ信号と少なくとも部分的に重畳することができる。したがって、作動信号パルス持続時間の少なくとも一部において、ＡＣ信号の少なくとも１つの期間が同時に提供される。
【００１８】
振動信号は、意図的に印加される信号であり、単なる雑音又は他の擬似信号ではない。振動信号は、１ＭＨｚ未満、１００ｋＨｚ未満、１０ｋＨｚ未満、又は１ｋＨｚ未満になるように選択された振動信号周波数を含むことができる。振動信号は、たとえば、１ｋＨｚ未満の周波数を有してもよい。
【００１９】
１ｋＨｚ未満の周波数は、たとえば、アクチュエータ部材の１〜１０ミクロンの面外振動を生成するのに好適となることができる。典型的には、より高い周波数がより小さい面外振動に使用される。１ｋＨｚ〜１ＭＨｚで、わずか数ミクロンの振動を得ることができ、１ＭＨｚ（超音波）を上回ると、サブミクロンの面外振動を得ることができる。
【００２０】
振動信号は、本発明の振動信号から作動信号をより良好に分離するために、２５０Ｈｚより高くすることができ、又は５００Ｈｚより高くすることができる。
【００２１】
作動信号は、作動信号周波数を含む発振信号とすることができ、振動信号は、作動信号周波数より高い振動信号周波数を含む。
【００２２】
作動信号周波数は、最も高い作動信号周波数とすることができる。作動信号周波数は、振動信号周波数より２分の１、５分の１、１０分の１、２０分の１、５０分の１、１００分の１、２００分の１、５００分の１、１０００分の１、又はさらにはそれ以上の係数だけ低い。好ましくは、作動信号周波数はこのとき、５００Ｈｚ未満、２００Ｈｚ未満、１００Ｈｚ未満、又はさらには５０Ｈｚ未満である。
【００２３】
振動信号は、作動部材の共振周波数又は固有周波数に等しい少なくとも１つの振動信号周波数を含むことができる。これにより、良好な摩擦制御特性を有しながら、低電力の駆動が提供される。
【００２４】
本発明は、
第１の動作モードで、電気活性材料に作動信号及び振動信号を供給するステップと、
第２の動作モードで、電気活性材料に作動信号だけを供給し、振動信号は供給しないステップとを有することができる。
【００２５】
これらの２つのモードは、低摩擦モード及び高摩擦モードを定義する。
【００２６】
作動信号の振幅は、電気活性ポリマーの所望の概略的な変形レベルを提供するように選択される。振動信号の振幅は、電気活性ポリマーの変形に対する所望の概略的な振動レベルを提供するように選択される。ＡＣ成分の周波数は、共振振動を誘起するように選択しても、共振振動を誘起しないように選択してもよい。
【００２７】
この方法は、コンピュータ可読媒体上に記憶され又は通信ネットワークからダウンロード可能なコンピュータコードを含むコンピュータプログラム製品内で実施することができ、コンピュータコードは、コンピュータ上で実行されると、本発明の方法を実施する。これは、コントローラを制御して方法のいずれかのステップを実行することを含むことができる。コンピュータ可読媒体は、任意の種類のコンピュータメモリ又は記憶ディスクなどの当技術分野では知られているデータ記憶媒体とすることができる。通信ネットワークは、ＷＡＮ、ＬＡＮなどの任意の種類の有線又は無線のネットワークとすることができる。
【００２８】
本発明は、
制御信号による駆動の際に変形することが可能な電気活性材料を含む作動部材と、
本発明の方法のステップを実施するように構成されたコントローラとを備えるデバイス内で実施することができる。
【００２９】
したがって、たとえばコントローラは、選択可能な振幅及び／又はパルス持続時間を有する作動信号を提供するように適合される。この選択可能な振幅を使用して、概略的な変形レベル及び変形の時間を制御し、それによって相似している概略的な作動を提供する。これが、作動信号である。
【００３０】
コントローラは、選択可能な振幅及び／又は持続時間を有する振動信号を提供するように適合される。この選択可能な振幅を使用して、振動の振幅、したがって摩擦レベルを制御し、それによって相似している摩擦制御を提供する。持続時間は、摩擦の持続時間を制御するために重要である。
【００３１】
コントローラは、選択可能な周波数を有する振動信号を提供するように適合される。この選択可能な周波数を使用して、ＥＡＭの機械的特徴に基づく振動の共振を誘起する。
【００３２】
また、コントローラは、振動信号及び作動信号が電気活性材料に提供される第１のモードで動作可能になるように適合することができる。これは、作動信号（たとえば、ＤＣ信号）上に重ねられるが、第２のモードでは振動信号は重ねられない。このようにして、たとえば高摩擦状態と低摩擦状態との間でデバイスを切り換えることで、摩擦を制御することができる。高摩擦状態は、アクチュエータデバイス又はカテーテルデバイスの静止位置に対応し、低摩擦状態は、デバイス形状又はカテーテル位置の調整に対応する。
【００３３】
デバイスは、コントローラから作動信号及び振動信号を受け取り、それによって作動信号及び振動信号を電気活性材料の少なくとも一部に供給するように構成された電極配置をさらに含むことができる。これにより、両方の信号に対して１つの電極配置のみを有する簡単な構造が提供される。またこのとき、両方の信号を電気活性材料の同じ部分に印加することもできる。
【００３４】
デバイス又はさらには作動部材は、
作動信号を受け取り、それによって電気活性材料の第１の部分に作動信号を供給するように構成された第１の電極配置と、
振動信号を受け取り、それによって電気活性材料の第１の部分とは異なる電気活性材料のさらなる部分に振動信号を供給するように構成された第２の電極配置とをさらに含むことができる。この構成により、異なる信号を電気活性材料の異なる部分（場合により最適化された部分）に提供することが可能になる。
【００３５】
デバイスは、基板の第２の表面との摩擦接触が可能になるように露出された第１の表面を含む作動部材を有することができる。本明細書では、振動信号は、第１の表面と第２の表面との間の摩擦の修正又は低減のためのものである。これは、デバイスが使用中に外面に沿って動かされる場合に摩擦を制御するために有用である。
【００３６】
１組の例では、デバイスは基板を備え、この基板に対して作動部材が位置決めされ、電気活性材料の変形に対する振動は、基板と作動部材との間の摩擦を低減させる。次いでこの摩擦制御を使用して、デバイス自体が変形する態様を制御する。
【００３７】
デバイスは基板を備えることができ、次いで基板は、作動部材の作動の有無にかかわらず、第１の表面と第２の表面との間の摩擦を振動信号によって修正することができるように配置される。
【００３８】
デバイスは、基板を有することができ、基板は、制御信号又は別の制御信号によって駆動することができるさらなる作動部材を備える。このようにして、積み重ねられた作動部材は、両方が起動されるときに低減された摩擦から利益を得ることができる。
【００３９】
デバイスは、
内部ガイド若しくは外部導管に沿って案内されて動く本体であって、本体が作動部材を備え、任意選択で内部ガイド若しくは外部導管が基板を備える、本体、又は
本体が案内されて動くための内部ガイド若しくは外部導管であって、内部ガイド若しくは外部導管が作動部材を備え、任意選択で本体が基板を備える、内部ガイド若しくは外部導管を備えることができる。
【００４０】
本体は、カテーテル又はカテーテルの一部とすることができる。本体はまた、内視鏡などの人間又は動物の体に入る別のデバイスであってもよい。この場合、摩擦は、内部ガイド（ガイドワイヤとしてよい）又は外部導管に沿って動く間に制御することができる。外部導管は、管状部材とすることができる。
【００４１】
上述したカテーテルの例を含む別の１組の例では、デバイスは、使用中に外面に沿って動かされ、電気活性ポリマーの変形に対する振動は、電気活性ポリマーと外面との間の摩擦を低減させる。次いで摩擦制御を使用して、別の表面又は構造に沿ってデバイスが動くのを助ける。
【００４２】
この方法は、カテーテルに適用され、このときアクチュエータは、電気的に制御可能な摩擦を提供するためのものである。しかし、この方法は、多数の他の可能なアクチュエータデバイスにも適用され、そのうちのいくつかについて以下でさらに論じる。
【００４３】
上述したように、基板自体は、デバイスの一部であっても、アクチュエータデバイスの外部にあってもよい。
【００４４】
デバイスは、カテーテルを含むことができ、又はカテーテルからなることができ、アクチュエータは、電気的に制御可能な摩擦を提供するためのものである。別法又は追加として、デバイスは、様々な他の可能なアクチュエータデバイスを備え、そのうちのいくつかについて以下でさらに論じる。
【００４５】
カテーテルは、摩擦の低減を提供するために振動信号が印加される層を有し、この層は、たとえば、ガイドワイヤに沿ったカテーテルの動き及び／又は血管若しくは動脈などの導管に沿ったカテーテルの動きを助けるために使用することができる。
【００４６】
中心空間は、血管又は腸などの管状の身体部分又は臓器内にある。
【００４７】
電界駆動ＥＡＰの例には、誘電体エラストマ、電歪ポリマー（ＰＶＤＦベースの弛緩ポリマー又はポリウレタンなど）、及び液晶エラストマ（ＬＣＥ）が挙げられる。
【００４８】
イオン駆動ＥＡＰの例には、共役ポリマー、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ポリマー複合材、及びイオン性ポリマー金属複合材（ＩＰＭＣ）が挙げられる。
【００４９】
電界駆動ＥＡＰは、電気機械的な直接結合を介して電界によって作動され、イオンＥＡＰに対する作動機構は、イオンの拡散を伴う。どちらのクラスも複数のファミリ部材を有し、各部材には独自の利点及び欠点がある。
【００５０】
本発明は、より速い応答時間を有するため、電界駆動ＥＡＰにとって主に重要である。しかし、これらの概念は、イオン駆動ＥＡＰにも同様に適用される。
【００５１】
本発明の例について、添付の図面を参照して詳細に次に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】制限されていない知られた電気活性ポリマーを示す図である。
【図２】バッキング層によって束縛された知られた電気活性ポリマーを示す図である。
【図３】電気活性ポリマーに対する制御手法の第１の例を示す図である。
【図４】電気活性ポリマーに対する制御手法の第２の例を示す図である。
【図５】電気活性ポリマーに対する制御手法の第３の例を示す図である。
【図６】電気活性ポリマーに対する制御手法の第４の例を示す図である。
【図７】別の可能な制御電圧波形を示す図である。
【図８】カテーテルの外側に施された摩擦低減層の第１の例を示す図である。
【図９】カテーテルの外側に施された摩擦低減層の第２の例を示す図である。
【図１０】第１の電極設計を有する摩擦低減外層を有するカテーテルを示す図である。
【図１１】第２の電極設計を有する摩擦低減外層を有するカテーテルを示す図である。
【図１２】第３の電極設計を有する摩擦低減外層を有するカテーテルを示す図である。
【図１３】異なる層設計が異なる変位対駆動電圧関数をどのように引き起こすかを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
本発明は、電気活性材料の特有の作動を使用して表面の少なくとも１つを振動させるアクチュエータデバイスの表面間の摩擦制御に関する。本発明は、電気活性材料の実際の作動中でもそのような振動を生じさせることを可能にする。
【００５４】
本発明において、複数の用語／特徴は、以下に定義する意味を有する。
【００５５】
作動部材は、デバイスのうちＥＡＭを含む部分である。作動部材は、ＥＡＭからなることができる。この部材内には、２つ以上のＥＡＭが存在してもよい。ＥＡＭを駆動することによって、作動部材は、作動出力を提供することができる。
【００５６】
電気活性材料は、電界又は電気的に生成された力をかけられたときに機械的変形が可能な材料である。機械的変形は、形状及び／又は位置の変化を含むことができる。材料の特有の例及びクラスは、本明細書に後述する。
【００５７】
電極配置は、デバイスの作動部材内のＥＡＭの少なくとも一部への電気制御信号の供給が可能になるように配置された１つ又は複数（好ましくは２つ以上）の電極の集合とすることができる。電極配置の電極は、ＥＡＭに取り付けることができるが、それは常に必要であるとは限らない。誘電体エラストマＥＡＭの場合、そのような取り付けが好ましい。
【００５８】
本発明の可能な実施形態について、複数の例に関して説明する。しかし、特許請求の範囲の範囲内に入る他の例も考えることができる。
【００５９】
図１及び図２は、知られたＥＡＰデバイスに対する２つの可能な動作モードを示す。
【００６０】
デバイスは、電気活性ポリマー層１４を備え、電気活性ポリマー層１４は、電気活性ポリマー層１４の両側に位置する電極１０、１２間に挟まれている。
【００６１】
図１は、制限されていないデバイスを示す。図示のように、電圧を使用して、電気活性ポリマー層をすべての方向に膨張させている。
【００６２】
図２は、１つの方向にのみ膨張が生じるように設計されたデバイスを示す。デバイスは、キャリア層１６によって支持される。電圧を使用して、電気活性ポリマー層に湾曲又は反りを与えている。
【００６３】
この動きの性質は、たとえば、作動されたときに膨張する活性層と、受動的なキャリア層との間の相互作用から生じる。図示のように軸の周りに非対称形の湾曲を得るために、たとえば１つの方向の動きを強いる分子配向（膜の伸張）が適用される。
【００６４】
１つの方向の膨張は、ＥＡＰポリマーの非対称性、若しくはキャリア層の特性の非対称性、又は両方の組合せに起因する。
【００６５】
図３は、アクチュエータデバイスの設計を示し、電気活性ポリマー（ＥＡＰ）層３０が基板３２に取り付けられ、層３０の動きは平面内で生じ、すなわち部材３０及び３２間の接触表面によって画定される平面内で生じる。これは、層３０を基板に片側（たとえば、図３では左）だけで取り付けることによって実現され、それ以外のＥＡＰ層３０は、図１の場合と同様に自立している。層３０が変形するとき（図３に矢印で示す）、層３０と静止基板３２との間に摩擦が生じる。
【００６６】
ＥＡＰ層３０の両端間に直流（ＤＣ）電圧の形態で作動信号を印加するために、コントローラ３４が使用され、３６として示す電圧対時間プロファイルが、特定の時点における印加電圧の階段状変化に対応する。制御信号は、ＥＡＰ層のそれぞれの側に１つずつ位置する２つの電極を含む電極配置によってＥＡＰ層に提供され、コントローラは、その制御信号を一方又は両方の電極に供給するように接続される。電極は、図示の動きの平面内に位置するが、見やすいように図示しない。
【００６７】
これらの層同士の間の摩擦（摩擦抵抗）は、摩擦力が克服されるまで、相対的な滑動運動に耐える。したがって、システムは、作動の際に機械的出力の本質的な遅延を有する。この遅延は、摩擦力を克服するのに適した作動力を引き起こすのに作動が不十分である場合、恒久的になる可能性があるが（無限の遅延時間）、作動信号の印加後に作動力が蓄積する時間を必要とする場合、非恒久的である可能性もある（有限の遅延時間）。後者の状況を図３に示す。したがって、図示の電圧対時間プロファイルが適用される場合、変位（Ｄｉｓｐ’）が遅延し、これを変位（「Ｄｉｓｐ’」）グラフ３８に示す。グラフ３８は、動きが開始する前に遅延を有し、摩擦が克服されなければならないために比較的ゆっくりとした上昇を有する。このようにして、摩擦（特に、静摩擦）は、デバイスの遅延機構として機能する。静摩擦は、局所的な表面の粗さ、汚損、若しくは摩耗粒子、又は他の粘着現象のために生じる可能性がある。静摩擦は、特に他の表面に対して滑動し、たとえばコーナーの周りで動く層状のシステム及びアクチュエータではリスクである。
【００６８】
概して、静止摩擦（静摩擦）又は運動摩擦を低減させるための知られた解決策は、外部アクチュエータを使用して接触表面の１つに法線方向又は横方向の振動を加えることである。これはたとえば、Ｔｅｉｄｅｌｔ，Ｅ．ら、２０１２、「Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｓｔａｔｉｃ  ａｎｄ  Ｓｌｉｄｉｎｇ  Ｆｒｉｃｔｉｏｎ」、Ｔｒｉｂ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．４８、５１−６２に開示されている。しかし、これには、摩擦を低減させるために外部アクチュエータなどの追加の構成要素が必要とされ、これにより、実現可能な形状因子が小さいために典型的には有用である制限された空間内で使用したいという要望に対して、ＥＡＰベースのデバイスの応用分野が制限される。
【００６９】
本発明は、ＥＡＰに比較的高周波の振動信号を印加してＥＡＰを含有する部材又は表面の振動を引き起こすことに基づいている。
【００７０】
したがって、図３の例の修正形態として、コントローラ３４はここでは、ある程度の振動期間中に交流（ＡＣ）信号（振動信号）も生成してＥＡＰに供給するように構成される。この場合、振動期間は、作動期間の少なくとも一部であり、この場合、振動信号は、作動期間のうち作動信号が一定のレベルにある部分である振動期間内に提供される小さい振幅の正弦波信号であると見なすことができる。この場合、この振動信号は、作動信号にも使用される電極に提供され、したがって、重ね合わせの結果、また図４に示すようにＥＡＰの同じ位置で、両方の信号がＥＡＰへ提供される。見やすいように、実際の電極は図示されていないことに留意されたい。
【００７１】
この例では、ＡＣ信号部分の結果、公称のアクチュエータ変位に表面振動が重畳される。表面振動は、接触面積（「浮動接点」）を低減させ、閉じ込められた粒子又は機械的に絡み合った表面欠陥（たとえば、局所的な表面の粗さのピーク又は引っ掻き）を緩和する。振動は、平面内（矢印４０）及び／又は法線方向（矢印４２）に現れる。
【００７２】
図４に示す制御信号（駆動波形）は、電気活性ポリマーの概略的な変形レベル（すなわち、デバイスのいわゆる所望の有用な作動）を制御するＤＣ成分（作動信号）と、電気活性ポリマーの概略的な変形レベルに加えられる振動変形（すなわち、有用な作動に到達する遅延時間に影響する作用を有する追加の作動）を導入するＡＣ成分（振動信号）との重ね合わせを含む。ＡＣ成分は、ＤＣレベルがその新しいレベルに到達した後に印加されることが示されているが、ＤＣ信号の傾斜部分中、又はその両方の部分に印加することもでき、さらには作動ＤＣ信号の除去後に印加し、したがってＥＡＰがその非作動状態に戻ることを容易にすることもできる。
【００７３】
図４の例では、コントローラ３４は、ＡＣ及びＤＣ電圧を送達することが可能である。この手法は、デバイスに対する追加の構造上の修正を必要としない。
【００７４】
振動信号及び作動信号は、ＥＡＰ自体の同じ部分に供給する必要はない。したがって、ＥＡＰに提供される振動信号によって、振動信号のない類似の作動状況と比較して、作動の際の遅延時間が低減されるように、ＥＡＰを含有する部材の十分な振動が引き起こされる限り、作動信号及び振動信号を提供するＥＡＰ上の位置の分離が可能になる。この位置の分離は、図３、図４、及び図５の例でさらなる電極配置が必要とされることを含むことができる。そのような分離は、デバイスの設計の結果、ＥＡＰへの第１の信号提供位置を使用してデバイスの最適の作動が生じ、最適の振動には、ＥＡＰへの振動信号の第１の提供位置とは異なる第２の位置が必要とされる状況で有利となることができる。
【００７５】
ＥＡＰアクチュエータは、単層デバイスであっても、多層デバイス（図示せず）であってもよい。この場合、ＥＡＰアクチュエータは、滑動アクチュエータとして示すが、屈曲の際に滑動によって誘起される摩擦を受ける屈曲アクチュエータとすることもできる。
【００７６】
図４の例では、ＥＡＰ層は、ＡＣ信号（振動信号）の周波数と比較すると比較的ゆっくりと変形することが想定されている。したがって図４では、作動信号駆動電圧が増大した後、ＥＡＰは、グラフに示す期間全体にわたって変形し（図３に見ることができる）、ＡＣ成分によって誘起される変形中に有効な振動が生じる。概して、ＡＣ信号の振幅が高いほど、振動がより大きくなるにつれて、摩擦はより低くなる。このようにして、変位曲線をより急勾配にすることができ、アクチュエータは、その最終構成により迅速に到達することができる。これは、デバイスのより高周波の作動動作を可能にする。
【００７７】
図５は、アクチュエータが１つの位置から次の位置へ動くときに滑りを可能にするためにＤＣ作動信号に高周波のＡＣ信号を追加したアクチュエータを示す。次の位置は、印加電圧の除去によって、摩擦、したがって付着機能が戻るために保持される。これにより、駆動信号を印加することなく２つの異なる位置が採用されることから、アクチュエータには双安定機能が与えられる。
【００７８】
この例では、ＥＡＰが上記の例よりやや速く（ＡＣ信号の周波数に対して）変形することが想定されている。
【００７９】
図５の電圧対時間プロファイルに示されるように、デバイスの駆動は、時点５０と５２との間においてわずかなＤＣオフセットのみを持つＡＣ電圧で開始し（すなわち、信号は実効的にゼロ電圧と振幅電圧との間で発振する）、その結果、ほぼ作動していない状態の周りで振動が生じ、すなわちデバイスは、作動していない状態とわずかな振幅で作動する状態との間で振動する。この結果、摩擦が低減され、電気活性ポリマー層は平滑な作動の動きに向けて準備され、これは駆動電圧が増大するとすぐに生じる。したがって、遅延を最小に低減させることができる。
【００８０】
次いでＥＡＰ層は、グラフに示す時点５２及び５３間の次の期間中も引き続き変形し、ＡＣ成分と上昇するＤＣ電圧レベルとの重ね合わせによって、変形中の有効な振動が誘起される。
【００８１】
最後に、本質的に一定のＤＣレベルにＡＣ信号が重ねられる短い期間に続いて、その最終状態に到達するときに電気活性ポリマー層が動く際の遅延を可能にするために（本質的な材料ＥＡＰ特性並びにデバイスの特有の設計のため、機械的変形と制御信号を提供する時間との間には、本質的な遅延が存在する）、時点５３で電圧が除去され、この結果、残りの摩擦が十分である場合、時点５４で第２の静止状態が保持される。その後、期間５０〜５２のわずかなＡＣ信号又は別のわずかな信号ＡＣ信号だけを印加することによってデバイスをリセットし、摩擦を克服し、デバイスをその元の状態に戻すことができる。
【００８２】
したがって、本発明は、リセットの可能性とともに２つ（又はそれ以上）の安定状態を有するデバイスの構造及び動作を可能にする。そのような場合、図５の例のように、デバイスがその最も安定した（最も高い摩擦の）状態に落ち着くことを可能にするために、ＥＡＰへのその供給中にＡＣ信号振幅をゆっくりと低減させる（ＡＣ信号を減衰させる）ことが有利である。
【００８３】
概して、この場合も、ＡＣ信号の振幅が高いほど、振動がより大きくなるにつれて、摩擦はより低くなることが当てはまる。
【００８４】
たとえば、デバイスが安定状態で保持された後は駆動信号を除去することができ、アクチュエータが動く間にのみ積極的な駆動が必要とされることから、この双安定機能を使用して、電力を節約することができる。
【００８５】
図６は、本発明の低電力の実施形態と見なされる別の変形形態を示す。
【００８６】
この場合も、図４と同様に、振動信号としての高周波のＡＣ信号が、作動信号としてのＤＣ駆動信号に加えられる。しかし、この例では、ＡＣ信号の周波数は、ＥＡＰアクチュエータ又はＥＡＰを含む部材の固有周波数の１つになるように選択される。これにより、たとえば定在波６０によって表すように、定在波共振振動が得られる。この利点は、アクチュエータが、共振で駆動された後、同じ印加ＡＣ電圧でより高い歪みを実現することができ、したがって振動信号の振幅がより低い状態で摩擦を克服する可能性がより高くなるということである。
【００８７】
欠点は、固有周波数が各アクチュエータ設計に特有であり、固有周波数の値は、ＥＡＰに作用する境界条件に依存するということである。また、アクチュエータは、摩擦によって制限されたまま共振状態にしなければならず、これには高い初期入力エネルギーが必要である。固有周波数は、適当な較正手順を使用してデバイスに対して決定することができ（そのような周波数を測定する方法は、当業者には知られている）、必要な場合、コントローラによって使用されるルックアップテーブル内に記憶することができる。
【００８８】
図６のアクチュエータの場合、様々な共振状態（すなわち、長手方向、横方向、及び厚さ方向の基本共振周波数、並びに高調波）に周波数を適合させることによって、摩擦制御のある程度の調節を実現することができる。
【００８９】
アクチュエータは、最初、摩擦を低減させるために大きいＡＣ振幅を使用して駆動され、共振後は、消費電力を下げてアクチュエータの寿命を増大させるために、より低電圧の振幅を印加することができる。アクチュエータのインピーダンス値は、フィードバックループにおいてＡＣ振幅を調節するために使用される。電子工学の原理に従ってそのようなフィードバックループを実施する方法は、当業者には知られている。
【００９０】
本発明のこの実施形態は、電子的に制御される表面摩擦を提供する。
【００９１】
上記の様々な例から、コントローラは、ＡＣ成分を選択的に適用すること、ＡＣ成分の振幅及び／又は周波数を時間とともに連続的又は段階的に調整すること、並びにＤＣ成分を様々なレベルに調整することが可能であることが分かる。
【００９２】
図７は、これらの能力を組み合わせた例示的な駆動方式を示す。ＥＡＰアクチュエータ表面の摩擦係数を電子的に制御するために、異なる周波数及び振幅のＡＣリップルを有する制御信号が使用される。期間７０は、比較的低振幅で高周波のＡＣ成分によって、低摩擦状態を提供する。期間７２は、ＡＣ成分のない付着状態を提供する。期間７４は、比較的高振幅で高周波のＡＣ成分によって、ほぼゼロ摩擦の状態を提供する。期間７６は、比較的低振幅でやはり低周波のＡＣ成分によって、中程度の摩擦状態を提供する。
【００９３】
上記の例では、デバイスは基板３２を有し、基板３２に対してＥＡＰ３０が位置決めされ、その結果、デバイス内の内部摩擦が制御される。これは、図示のように平面内で変形するアクチュエータにとって、又はたとえば、変形中に異なる層同士の間で摩擦が生じる多層の屈曲アクチュエータにとって特に重要である。
【００９４】
しかし、デバイスは、使用中に外面に沿って動かすことも可能であり、電気活性ポリマーの変形に対する振動は、電気活性ポリマー（部材）と外面（デバイス自体の一部ではない）との間の摩擦を低減させる。アクチュエータは、屈曲、捩じれ、又は平面内変形アクチュエータである。
【００９５】
使用中に動かされて外部構成要素に対する摩擦を受けるデバイスの様々な例がある。ここで論じる一例は、カテーテル又は任意の他のガイドワイヤタイプのデバイスである。カテーテルとカテーテルが通過する血管の壁との間の摩擦は、応力及び歪みをもたらす可能性があり、これは血管の損傷を引き起こす可能性がある。特定の血管カテーテルでは、ガイドワイヤ又は操作ワイヤとガイドワイヤを引き寄せるカテーテルの内側管腔の壁との間に滑動摩擦も存在する。ガイドワイヤとカテーテル管腔との間の摩擦抵抗が大きく且つ／又は不安定である場合、触覚フィードバックが低減され、遅れが生じ、入り口点における挿入力が大きくなり、それによりカテーテルが座屈し、又はカテーテルの後退に伴う問題が生じる可能性がある。
【００９６】
表面パターニングは、いくつかの状況で、潤滑にされた接点で摩擦の低減をもたらすことができることがよく知られている。また、平面外発振を使用して摩擦を低減させることができることも知られている（上述）。動的な表面変形は、たとえば上記で参照したＥ．Ｔｅｉｄｅｌｔらの記事「Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｓｔａｔｉｃ  ａｎｄ  Ｓｌｉｄｉｎｇ  Ｆｒｉｃｔｉｏｎ」に示されているように、スティックスリップ滑動の「スティック」部分を低減させることによって摩擦を低減させることが知られている。摩擦係数は、表面の発振が印加されたとき、数桁低減させることができる。これは、カテーテルなどの侵襲的デバイスの動きに該当する遅い滑動速度（０〜１０ｍｍ／秒）で特に有効である。
【００９７】
カテーテル外面と血管壁との間の摩擦低減に対するより慣習的な手法は、低摩擦の被覆、すなわち摩擦を低減させる滑りやすい親水性の表面、又は摩擦を低減させる目的で微細構造化された表面で、カテーテルを被覆することである。しかし、カテーテルは、所望の位置に着いた後、必要とされる治療を精密に実施するためにその位置に留まるべきであるが、非常に低い摩擦抵抗は、血管内の正確な位置を維持するのに困難をもたらす。
【００９８】
また、医師がカテーテルを挿入するときに特定の量の触覚フィードバックを所望することも重要である。この量は、医師毎に異なり、また処置の様々な部分に対しても変動する。医師は、カテーテルの摩擦特性を制御することができた場合、触覚フィードバックの量を必要に応じて好適になるように制御することができる。
【００９９】
上記で説明した振動制御（それ自体はＤＣ成分を必要としない）は、カテーテルの内面（ガイドワイヤに接触する）又は外面（血管壁に接触する）に適用され、その結果、形状を平面外に変形させて、表面に沿ってわずかな発振を生成することができる。次いで、必要とされるとき、たとえばカテーテルが挿入された血管に対して摩擦を低減させることができ、必要なとき、たとえばデバイスがその所望の位置に着き、定位置で保持しなければならないときは、より大きい摩擦に回復させることができる。
【０１００】
カテーテルとカテーテルが挿入された外部の血管との間の摩擦を制御するこの手法を実施するために、ＥＡＰを使用してカテーテルの外面に材料膜を形成し、ＥＡＰを使用してこの膜を振動させることができる。この膜は、ＥＡＰ表面とすることができるが、その表面を振動させるためにＥＡＰに届くことができる限り、その表面自体である必要はない。
【０１０１】
図８及び図９は、カテーテルの中心線の片側のみでカテーテルの長さのわずかな部分を示す。
【０１０２】
図８に示す１つの配置では、ＥＡＰ層８０（及びその電極層８２、８４）は、カテーテル管腔８７の外側を覆う外層８６内に凹部８５が形成されるため、一部だけカテーテルの外面に付着している。このようにして、ＥＡＰ層の一部は、自由に動いて平面外表面発振８８を生成し、動的な表面テキスチャリングを提供する。これにより、所望される場合、カテーテルシャフトの長さ全体又はその一部に沿って摩擦を制御し且つ／又は低減させることが可能になる。
【０１０３】
ＥＡＰ層の自由部分より下の浅い空胴８５は、ＥＡＰ層が自由に発振することを意味する。ＥＡＰ層は、電圧が印加されると変形し、ＤＣ電圧が印加されると平面外静止変形を引き起こし、又はＡＣ電圧が印加されると振動運動を引き起こす。
【０１０４】
したがって、この場合も、上記の例と同様に、ＤＣ又はＡＣ制御、並びにＡＣとＤＣとの重ね合わせが可能である。ＤＣ制御は、微細構造化された表面を提供することによって摩擦を特定の程度まで低減させ、ＡＣ制御は、振動をさらに誘起し、それによって摩擦をさらに低減させる。
【０１０５】
変形は、２重層の屈曲又は座屈タイプの動きによって生じる。
【０１０６】
上記の例と同様に、ＡＣ信号の周波数及び振幅、並びにＤＣ信号のレベル、さらに機械設計により、多くの異なる状況下で、摩擦係数の高度な調節可能性を与えることができる。
【０１０７】
ＥＡＰ層はまた、応答性材料がカテーテルの全体的な可撓性に与える影響を最小限にする所望のヤング率に調節される（たとえば、カテーテルの材料特性に対して調整可能である）。薄いＥＡＰ層が使用される。
【０１０８】
図８の例を製造するために、支持構造として作用する典型的には厚さ１００ミクロン未満のポリマー被覆８６が施される。次いで、空胴８５が機械加工又はエンボス加工され、表面の突出部分上（すなわち、空胴の周り）に接着剤が塗布される。薄膜電極８２、８４が施された薄い電気活性材料層８０は、接着剤を使用して、たとえばカテーテルの周りに巻き付けて接着剤を硬化させることによって、支持構造に取り付けられる。別法として、電気活性材料は、屈曲作動（２重層の屈曲を使用）を増大させるために、可変の厚さの基板上へ積層することができる。
【０１０９】
電極は、膜の両側に施すことができ、又は膜の内側に互いにかみ合った構成で交互に施すことができる。必要な場合、摩擦特性をさらに調整するために、受動的な共形の被覆が表面上に施される。
【０１１０】
電極パターンはまた、カテーテルの外面上に窪みの２Ｄアレイを形成するように、特有のパターンで構成される。
【０１１１】
これらの電極は接続されており、ＤＣ信号が印加されると、ＥＡＰは膨張又は収縮して表面の変形を引き起こし、それによってカテーテルと血管との間の実際の接触面積を変化させ、潤滑特性に影響を与える。ＡＣ電圧が印加されると、作動の時間尺度を変化させて、連続して変化する表面トポロジをもたらすことができる。周波数及び電圧／振幅は、表面間の摩擦を制御するように調整することができる。
【０１１２】
図９は、切換可能な表面トポロジを与えるために、厚くより柔軟なＥＡＰ層９０を電気歪みによって平面外に変形させることができる代替形態を示す。そのような柔軟な電歪ポリマーには、たとえば、シリコーン及びポリウレタンのエラストマ及びアクリレートが含まれる。この層は、この場合も、電極９２、９４間に形成され、これら３つの層は、カテーテル外壁８７の上に設けられる。
【０１１３】
カテーテルの外面における摩擦制御アクチュエータの使用について上述した。ガイドワイヤに接触しているカテーテルの内面に対する類似の手法も考慮される。ガイドワイヤ表面（典型的には、薄いＰＴＦＥ層で被覆されたニチノール）ははるかに硬く、したがって電気活性ポリマー表面は、摩擦低減の作用を増大させるためにより硬い材料で被覆しなければならない。
【０１１４】
図１０〜図１２は、様々な異なるカテーテル設計を示す。
【０１１５】
図１０は、図８に基づく変形形態を示す。カテーテルは、外側管腔、すなわちカテーテル本体８７を有し、その上では、外側ポリマー層８６に空隙８５が設けられる。
【０１１６】
この例では、ＥＡＰは、図８に示すように、ＥＡＰ層の両側の平面電極によって制御される。
【０１１７】
図１０は、異なる周波数における２つの可能な駆動方式を示す。第１の共振周波数は、グラフ１００によって示す変形をもたらし、各空胴内に２分の１波長が画定される。グラフ１０２は、より高い共振周波数に対応する。
【０１１８】
図１１は、ＥＡＰ層の単一の側（カテーテル壁に面している側）に互いにかみ合った電極が設けられる設計を示す。これらは、２つの櫛形電極を構成し、交互に櫛歯を有する。
【０１１９】
図１２は、１つの連続する電極と、１つのパターン化された電極とを有する設計を示し、したがって全体的なＥＡＰ層の画定された区間に変形を制限することができる。
【０１２０】
これらの手法はそれぞれ、波状の座屈形状を導入するために使用され、静止（ＤＣ電圧が印加される）又は運動（ＡＣ電圧又はＡＣ電圧とＤＣベースレベルとの重ね合わせ）するように制御される。
【０１２１】
３つの異なる厚さを有するプラスチック（すなわち、ポリイミド、ＰＥＴ、ＰＣ）基板上に位置する厚さ５μｍのＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ２重層に関して、図１０に示す設計を使用して実現することができる典型的な静止変形を図１３に示す。このグラフは、変位電圧関数を示す。グラフ１３０は、２．５μｍの基板厚さに対し、グラフ１３２は、５．０μｍの基板厚さに対し、グラフ１３４は、１０．０μｍの基板厚さに対する。空胴幅は０．５ｍｍである。
【０１２２】
電圧振幅とは別に、撓みもまた、印加電圧の周波数及び血管壁への近接に依存する。剛性、表面の親水性、乾燥／潤滑、負荷、及び滑動速度などの条件に応じて、５μｍの変形はそれだけで、摩擦に対して非常に大きな影響を与える。したがって、表面トポロジを制御することが可能であることで、カテーテルの摩擦特性に非常に大きな影響を与えることができ、血管損傷の低減、制御可能な触覚フィードバック、並びにより良好な位置決め及び保持を可能にする。
【０１２３】
この設計（概して、本発明）は、人間及び／又は動物の体に使用される血管カテーテル又は尿道カテーテルなどの異なるタイプのカテーテルに適用される。
【０１２４】
上記のすべての例において、電極配置は、上記で示したように、電界駆動デバイスに対する電気活性ポリマー層の両面に電極を備える。これらの電極は、ＥＡＰ層の厚さを制御するために横断方向の電界を提供する。これにより、層の平面内にＥＡＰ層の膨張又は収縮が引き起こされる。
【０１２５】
その代りに、電極配置は、電気活性ポリマー層の一方の面に１対の櫛形電極を備えることもできる。これは、平面内電界を提供し、層の寸法を平面内で直接制御する。
【０１２６】
ＡＣ成分とＤＣ駆動レベルとの重ね合わせを使用する上記の例では、２００ボルトのＤＣ電圧が、２００ミクロンの公称変位を与える（たとえば、負荷がかけられたアクチュエータ）。摩擦低減のために、事実上の摩擦低減を有するが、印加を過度に乱さないように、２ミクロンの振動が所望される。これは、たとえば、２ボルトのＡＣリップル（線形補間による）を意味し、したがってＡＣ成分の大きさは、ＤＣ成分の大きさの０．０１倍である。ＡＣ電圧の大きさは、平均からピークの振幅（すなわち、ピークからピークの大きさの２分の１）と見なされる。制御信号で必要とされる実際の電圧レベルは、当該ＥＡＰ材料（有機又はポリマーＥＡＭは概して、無機ＥＡＭより高い振幅の信号を必要とする）、電界を印加しなければならないＥＡＭの厚さなど、複数のパラメータに依存する。大部分のＥＡＭは電気絶縁性の誘電体材料であり、電極に印加される電圧で対処されるため、ＥＡＭ材料の理論及び電気キャパシタの問題を使用して当該デバイスへのレベルを調整する方法は、当業者には知られている。
【０１２７】
ＥＡＰに対するＤＣ信号の雑音レベルは、典型的には、１％未満である。
【０１２８】
概して、ＡＣ成分の大きさは、ＤＣ成分の大きさの１０％未満、５％未満、又はさらにはＤＣ成分の１％未満である。しかし、ＡＣ成分の大きさは、雑音レベルより大きく、たとえば雑音レベルより１０倍大きくするべきである。
【０１２９】
ＡＣリップル電圧は、たとえば、１５０〜２５０ボルトのＤＣ作動の場合、１〜５ボルトである。概して、ＡＣ電圧駆動振幅単位当たりのＡＣ作動は、ＤＣ電圧とともに増大し、したがって、ＤＣ作動が低いほど、比較的大きいＡＣ成分が必要とされる。
【０１３０】
たとえば、信号の好適な組合せは次のとおりである。
ＤＣ電圧  ＡＣ電圧振幅
５０Ｖ  ２０Ｖ
１００Ｖ  １０Ｖ
１５０Ｖ    ５Ｖ
２００Ｖ    ２Ｖ
２５０Ｖ    ２Ｖ
【０１３１】
上記の例などの本発明では、作動信号はＤＣ信号である。別法として、作動信号は、変動が振動信号の変動より遅い限り、レベルが変動する信号であってもよい。作動信号は、時間とともに増大するか否かにかかわらず、減衰する線形又は非線形の信号とすることができる。
【０１３２】
本発明は、様々な電気活性材料に対して効果がある。したがって、これらの例についてＥＡＰを参照して説明するが、実際には、そのような材料を他の電気活性材料に置き換えることができる。したがって、別段の指示がない限り、上述したＥＡＰ材料を他のＥＡＭ材料に置き換えることができる。そのような他のＥＡＭ材料は、当技術分野では知られており、そのような他のＥＡＭ材料をどこで得ることができるか及びどのように適用することができるかは、当業者には知られている。本明細書では、複数の選択肢について以下に説明する。
【０１３３】
一般的に、多くのＥＡＭデバイスは、電界駆動ＥＡＭベースのものと、イオン駆動ＥＡＭベースのものとに細分される。電界駆動ＥＡＭは、電気機械的な直接結合を介して電界によって作動され、イオンＥＡＰに対する作動機構は、イオンの拡散を伴う。どちらのクラスも複数のファミリ部材を有し、各部材には独自の利点及び欠点がある。
【０１３４】
本質的に有機又は無機の多くの電界駆動ＥＡＭが存在する。たとえば、ＥＡＭ材料は、強誘電体弛緩無機材料とすることができる。そのような材料は、実際上の使用にとって十分に高い電歪定数を有することができる。最も一般に使用される例には、ニオブ酸鉛マグネシウム（ＰＭＮ）、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）、及びジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）が挙げられる。
【０１３５】
特殊なＥＡＭ材料は、有機電気活性材料ＯＥＡＭであり、電気活性ポリマー（ＥＡＰ）もこれに属する。有機材料、特にポリマーは、軽い重量、安価な製造、及び容易な処理などの材料特性と作動特性とを兼ね備えているため、ますます重要になりつつある新たに出てきたクラスの材料である。多くの場合、作動特性は、無機の同等物のものより大きい。また、複数のＥＡＰ材料は、人間又は動物の体で使用するのに化学的な耐性を有している。無機の同等物（たとえば、Ｐｂを含有するペロフスカイト）の場合、これが常に当てはまるとは限らない。
【０１３６】
電界駆動ＥＡＰの例には、誘電体エラストマ、圧電ポリマー、強誘電体弛緩ポリマー、強誘電体ポリマー、電歪ポリマー（ＰＶＤＦベースの弛緩ポリマー又はポリウレタンなど）、及び液晶エラストマ（ＬＣＥ）が挙げられる。厳密に言えば、誘電体エラストマは電界駆動材料ではない。誘電体エラストマの応答は、印加される力に基づいており、この力は、誘電体エラストマが支える電極によって及ぼされる。しかし、本発明の目的で、誘電体エラストマをＥＡＰの定義内に含むことができる。イオン駆動ＥＡＰの例には、共役ポリマー、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ポリマー複合材、及びイオン性ポリマー金属複合材（ＩＰＭＣ）が挙げられる。
【０１３７】
電気活性ポリマーには、それだけに限定されるものではないが、圧電ポリマー、電気機械的ポリマー、強誘電体弛緩ポリマー、電歪ポリマー、誘電体エラストマ、液晶エラストマ、共役ポリマー、イオン性ポリマー金属複合材、イオンゲル、及びポリマーゲルのサブクラスが含まれる。
【０１３８】
電歪ポリマーのサブクラスには、それだけに限定されるものではないが、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、又はこれらの混合物が含まれる。
【０１３９】
誘電体エラストマのサブクラスには、それだけに限定されるものではないが、アクリレート、ポリウレタン、シリコーンが含まれる。
【０１４０】
共役ポリマーのサブクラスには、それだけに限定されるものではないが、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。
【０１４１】
印加される電界に応答してＥＡＰ層の挙動に影響を与えるために、追加の受動層を設けてもよい。
【０１４２】
電極は、任意の導電性材料から形成することができる。そのような材料には、それだけに限定されるものではないが、金属、有機ポリマーなどの導電性有機材料、たとえばポリマー材料のマトリックス中に導電粒子を含む複合材料が含まれる。金属には、たとえばＰｔ、Ａｕ、及びＡｇなどの貴金属が含まれるが、銅又はアルミニウムなどの卑金属とすることもできる。電極は、複数の層から構成することができ、各層は、前述の電極材料のいずれかを含む。これは、電極が取り付けられるＥＡＰに対する機械的なコンプライアンス及び／又は粘着性を改善するのに有用となることができる。電極は、被覆技法（たとえば、有機又は複合材料の電極の場合、スピンコーティング、ドクターブレード、スプレーコーティングなど）又は蒸着技法若しくはスパッタ技法（たとえば、金属電極の場合）などの従来の堆積技法を使用して施すことができる。電極は、それだけに限定されるものではないが、ミリメートル範囲、ミクロン範囲、ナノメートル範囲の厚さを含む様々な厚さを有することができる。
【０１４３】
好ましくは、使用される電極は伸張可能であり、したがってＥＡＰ材料層の変形に追従する。電極に好適な材料はやはり知られており、たとえば、金、銅、若しくはアルミニウムなどの薄い金属膜、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）、たとえばポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホナート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）などの有機導体からなる群から選択される。また、たとえばアルミニウム被覆を使用して、金属化ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの金属化されたポリエステル膜を使用してもよい。
【０１４４】
異なる層に対する材料は、たとえば異なる層の弾性係数（ヤング率）を考慮して選択される。
【０１４５】
追加のポリマー層など、上記で論じたものに対する追加の層は、デバイスの電気的又は機械的挙動を適合させるために使用される。
【０１４６】
ＥＡＰデバイスは、典型的には、電界駆動デバイスであるが、イオンデバイスも使用してよい。イオンデバイスは、イオン性ポリマー金属複合材（ＩＰＭＣ）又は共役ポリマーベースである。イオン性ポリマー金属複合材（ＩＰＭＣ）は、印加電圧又は電界下で人工筋肉の挙動を表す合成の複合ナノ材料である。
【０１４７】
ＩＰＭＣは、ナフィオン又はフレミオンのようなイオン性ポリマーから構成され、これらの表面は、白金若しくは金又は炭素ベースの電極などの導体で、化学的にめっきされ又は物理的に被覆される。印加電圧下では、ＩＰＭＣ片に印加される電圧のために起こるイオンのマイグレーション及び再分配の結果、屈曲変形が生じる。ポリマーは、溶剤膨潤性のイオン交換ポリマー膜である。電界は、陽イオンを水とともにカソード側へ移動させる。これにより、親水性クラスタの再配合及びポリマーの膨張が生じる。カソード領域内の歪みは、ポリマーマトリックスの残り部分に応力を生じさせ、その結果、アノードの方への屈曲が生じる。印加電圧を逆にすることで、屈曲は反転する。
【０１４８】
電極が非対称形の構成で配置された場合、印加電圧は、捩じれ、うねり、よじれ、湾曲、及び非対称形の屈曲変形など、あらゆる種類の変形を引き起こす可能性がある。
【０１４９】
デバイスは、単一のアクチュエータとして使用され、又はそうでない場合、たとえば２Ｄ若しくは３Ｄの外形の制御を提供するために、デバイスの列又はアレイが存在してもよい。
【０１５０】
本発明は、特にいくつかのアクチュエータの例に関して上述した閾値関数の結果、アクチュエータの受動的マトリックスアレイが重要である例を含めて、多くのＥＡＰ応用分野に適用することができる。
【０１５１】
多くの応用分野では、製品の主要な機能は、人体組織の（局所的な）操作、又は組織に接触するインターフェースの作動に依拠する。そのような応用分野では、ＥＡＰアクチュエータは、主に小さい形状因子、可撓性、及び高いエネルギー密度のため、独特の利益を提供する。したがって、ＥＡＰは、柔軟で、３Ｄ形状で、且つ／又は小型の製品及びインターフェースに容易に統合することができる。そのような応用分野の例には、以下が挙げられる。
皮膚をぴんと張り又は皺を低減させるために皮膚に一定の又は周期的な伸張を加えるＥＡＰベースの皮膚パッチの形態の皮膚作動デバイスなどの皮膚美容術。
顔の赤い跡を低減又は防止する法線方向の交互圧を皮膚に提供するＥＡＰベースの活性クッション又はシールを有する患者インターフェースマスクを有する呼吸デバイス。
適合性のあるシェービングヘッドを有する電気かみそり。皮膚接触表面の高さは、密閉性と刺激とのバランスに影響を与えるために、ＥＡＰアクチュエータを使用して調整することができる。
特に歯と歯との間の空間内でスプレーの到達距離を改善するために動的ノズルアクチュエータを有するエアフロスなどの口腔洗浄デバイス。別法として、歯ブラシに起動式のタフトを設けてもよい。
ユーザインターフェース内又はその付近に組み込まれたＥＡＰトランスデューサのアレイを介して局所的な触覚フィードバックを提供する民生用電子工学デバイス又はタッチパネル。
曲がりくねった血管内で容易なナビゲーションを可能にするために操作できる先端を有するカテーテル。
【０１５２】
ＥＡＰアクチュエータから利益が得られる当該応用分野の別のカテゴリは、光の修正に関する。レンズ、反射面、格子などの光学素子は、ＥＡＰアクチュエータを使用した形状又は位置の適合によって、適合できるようにすることができる。ここで、ＥＡＰの利益は、たとえば消費電力がより低いことである。
【０１５３】
開示する実施形態に対する他の変形形態は、当業者であれば、クレームする本発明を実施する際、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲を検討することから理解及び実行することができる。特許請求の範囲において、「備える、含む、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は、他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外するものではない。相互に異なる従属請求項において特定の方策について記載したことだけで、これらの方策の組合せを有利に使用することができないことを示すものではない。特許請求の範囲内のあらゆる参照符号は、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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