(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気活性材料センサと、
少なくとも第１の周波数及び該第１の周波数と異なる第２の周波数で前記電気活性材料センサのインピーダンス又はインピーダンス位相角を含む電気特性の測定を行う制御システムとを含み、
該制御システムは、前記測定から、前記電気活性材料センサでの温度及び前記電気活性材料センサに加えられる外部圧力又は力を導き出すように構成される、
システム。
【請求項２】
前記電気活性材料センサは、アクチュエータ及びセンサの両方として機能するデバイスを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の周波数は、反共振周波数のような、前記電気特性が最大値又は最小値を有する共振周波数である、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２の周波数は、前記電気特性が負荷に対して一定である周波数である、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記制御システムは、駆動信号を適用するように構成され、前記第１及び第２の周波数の測定信号が前記駆動信号の上に重畳され、前記駆動信号は、前記第１及び第２の周波数より下の周波数を備えるＤＣ駆動レベル又はＡＣ駆動信号を含み、任意的に、前記測定信号は、それぞれ、前記駆動信号の振幅の最大で１０％の振幅を有する、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
センサのアレイを含み、前記センサのうちの少なくとも一部は、異なる第１の周波数を有する、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記コントローラは、前記導き出される温度に基づいて前記導き出される外部圧力又は力を変更するように構成される、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記電気特性は、直列抵抗のようなインピーダンス値を含む、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記電気活性材料は、リラクサ強誘電体を含む、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
電気活性材料センサを使用する検知方法であって、
少なくとも第１の周波数及び異なる第２の周波数で前記電気活性材料センサのインピーダンス又はインピーダンス位相角を含む電気特性の測定を行うこと、及び
前記測定から、前記電気活性材料センサでの温度及び前記電気活性材料センサに加えられる外部圧力又は力を導き出すことを含む、
検知方法。
【請求項１１】
前記第１の周波数は、前記電気特性が最大値又は最小値を有する、反共振周波数のような、共振周波数であり、前記第２の周波数は、前記電気特性が適用される負荷に対して一定である周波数である、請求項１０に記載の検知方法。
【請求項１２】
前記電気活性材料センサは、アクチュエータ及びセンサの両方として機能するデバイスを含み、当該検知方法は、駆動信号を適用すること、並びに前記第１及び第２の周波数の測定信号を重畳することを含み、前記駆動信号は、前記第１及び第２の周波数より下の周波数を備えるＤＣ駆動レベル又はＡＣ駆動信号を含む、請求項１０又は１１のうちのいずれか１項に記載の検知方法。
【請求項１３】
前記導き出される温度に基づいて前記導き出される外部圧力又は力を変更することを含む、請求項１０乃至１２のうちのいずれか１項に記載の検知方法。
【請求項１４】
前記第１及び第２の周波数を決定する較正操作を行うことを含み、該較正操作は、作動信号のない第１の周波数掃引を適用すること、及び作動信号を伴う第２の周波数掃引を適用することを含む、請求項１０乃至１３のうちのいずれか１項に記載の検知方法。
【請求項１５】
前記電気活性材料は、有機電気活性材料、ポリマ電気活性材料から成る、群から選択される、請求項１乃至１４のうちのいずれか１項に記載のシステム又は検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気活性ポリマセンサ(electroactive  polymer)に関し、組み合わせアクチュエータ及びセンサ(combined  actuators  and  sensor)にも関する。
【背景技術】
【０００２】
電気活性ポリマ（ＥＰＡ）は、電気応答材料の分野において出現しているクラス（等級）の材料である。ＥＡＰは、センサ又はアクチュエータとして作動することができ、様々な形状に容易に製造されることができ、多種多様なシステムへの容易な統合を可能にする。
【０００３】
有意に改良された作動応力及びひずみのような特性を備える材料が過去１０年に亘って開発されている。ＥＡＰが商業的及び技術的に益々の関心となるように、技術リスクは製品開発についての許容レベルまで低下している。ＥＡＰの利点は、低電力、小さなフォームファクタ、柔軟性（フレキシビリティ）、ノイズのない動作、精度、高分解能の可能性、高速応答時間、及び周期的作動を含む。
【０００４】
ＥＡＰ材料の改良された性能及び特別な利点は、新しい用途への適用性を生じさせる。
【０００５】
ＡＰデバイスは、電気作動に基づいて、コンポーネント(component)又は構成(feature)の少量の動きが望まれるあらゆる用途において、使用されることができる。同様に、この技術は小さな動きを検知するために使用されることができる。
【０００６】
ＥＡＰの使用は、一般的なアクチュエータと比較して、比較的な大きな変形と小さな容積又は薄いフォームファクタ内の力との組み合わせの故に、以前は可能でなかった機能を可能にし、或いは一般的なセンサ／アクチュエータ解決策(solutions)に対する大きな利点をもたらす。ＥＡＰは、ノイズのない動作、正確な電子制御、高速応答、及び０〜１ＭＨｚ、最も典型的には２０ｋＨｚ未満のような、大きな範囲の可能な作動周波数ももたらす。
【０００７】
電気活性ポリマを使用するデバイスを電界駆動(field-driven)及びイオン性駆動(ionic-driven)材料に細分することができる。
【０００８】
電界駆動ＥＡＰの例は、圧電ポリマ、（ＰＶＤＦベースのリラクサポリマのような）電歪ポリマ及び誘電体エラストマを含む。他の例は、電歪グラフトポリマ(Electrostrictive  Graft  Polymer)、電歪ペーパ(Electrostrictive  paper)、エレクトレット(Electrets)、電気粘弾エラストマ(Electroviscoelastic  Elastomers)及び液晶エラストマ(Liquid  Crystal  Elastomers)を含む。
【０００９】
イオン性駆動ＥＡＰの例は、共役／導電性ポリマ、イオン性ポリマ金属複合材（ＩＰＭＣ）及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）である。他の例は、イオン性ポリマゲルを含む。
【００１０】
電界駆動ＥＡＰは、直接的な電気機械的結合を通じて電界(electric  field)によって作動させられる。それらは、通常、高電界（１メートル当たりのボルト）を必要とするが、低電流を必要とする。駆動電圧を可能な限り低く維持するために、通常、ポリマ層は薄い。
【００１１】
イオン性ＥＡＰは、イオン及び／又は溶媒の電気誘導輸送によって活性化される。それらは、通常、低電圧を必要とするが、高電流を必要とする。それらは液体／ゲル電解質媒体を必要とする（しかしながら、幾つかの材料系は、固体電解質を用いて作動することもできる）。
【００１２】
両方のクラスのＥＡＰは、多数の族（ファミリ）を有し、各族（ファミリ）は、それらの独自の利点及び不利点を有する。
【００１３】
電界駆動ＥＡＰの第１の注目すべきサブクラスは、圧電及び電歪ポリマである。従来的な圧電ポリマの電気機械的性能は限定的であるが、この性能を向上させる突破口が、自発的な電気分極（電界駆動整列(field  driven  alignment)）を示すＰＶＤＦリラクサポリマをもたらした。ひずみ方向における性能の向上のために、これらの材料を予めひずませることができる（予めひずませることは、より良好な分子整列(molecular  alignment)をもたらす）。通常、金属電極が使用される。何故ならば、ひずみは、通常、適度な状態（１〜５％）にあるからである。（導電性ポリマ、カーボンブラックベースのオイル、ゲル又はエラストマ等のような）他のタイプの電極を使用することもできる。電極は連続的であることができるし、セグメント化されることができる。
【００１４】
電界駆動ＥＡＰの他の関心のサブクラスは、誘電体エラストマである。この材料の薄膜をコンプライアント電極(compliant  electrodes)の間に挟んで、平行な平板コンデンサを形成してよい。誘電体エラストマの場合、印加される電界によって誘発されるマックスウェル応力は、膜に応力を生じさせ、膜の厚さを収縮させて、領域を拡大させる。ひずみ性能は、典型的には、エラストマに予歪を加えることによって拡張される（予歪を保持するフレームを必要とする）。ひずみは、相当（１０〜３００％）であり得る。これは使用し得る電極のタイプも制限する。低いひずみ及び適度のひずみについては、金属電極及び導電性ポリマ電極を考慮することができ、高いひずみの状態については、カーボンブラックベースのオイル、ゲル又はエラストマが典型的に使用される。電極は連続的であることができ、或いはセグメント化されることができる。
【００１５】
イオン性ＥＡＰの第１の注目すべきサブクラスは、イオン性ポリマ金属複合材（ＩＰＭＣ）である。ＩＰＭＣは、２つの薄い金属又は炭素ベースの電極の間に積層される、溶媒膨潤したイオン交換ポリマ膜で構成され、電解質の使用を必要とする。典型的な電極材料は、Ｐｔ、Ｇｄ、ＣＮＴ、ＣＰ、Ｐｄである。典型的な電解質は、Ｌｉ＋及びＮａ＋水ベースの溶液である。電界が印加されると、陽イオンは、典型的には、水と共にカソード側に移動する。これは親水性クラスタの再構成及びポリマ膨張をもたらす。カソード領域におけるひずみは、ポリママトリックスの残部に応力をもたらし、アノードに向かう曲げをもたらす。印加される電圧を逆にすることは、曲げを逆転させる。良く知られたポリマ膜は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）及びＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）である。
【００１６】
イオン性ポリマの他の注目すべきサブクラスは、共役／導電性ポリマである。共役ポリマアクチュエータは、典型的には、共役ポリマの２つの層によって挟まれた電解質から成る。電解質は酸化状態を変えるために使用される。電解質を通じてポリマに電位が印加されると、電子がポリマに加えられ或いは電子がポリマから取り除かれ、酸化及び還元させる。還元は収縮をもたらし、酸化は膨張をもたらす。
【００１７】
幾つかの場合には、ポリマ自体が（次元的に）十分な導電性に欠けるときに、薄膜電極が加えられる。電解質は、液体、ゲル又は固体物質（即ち、高分子量ポリマ及び金属塩の複合体）であり得る。最も一般的な共役ポリマは、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。
【００１８】
アクチュエータは、電解質中に懸濁されるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から形成されてもよい。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アクチュエータにおける主なメカニズムと考えられる。ＣＮＴは、ＣＮＴに注入される電荷を備える電極キャパシタとして作用し、次に、それはＣＮＴ表面への電解質の移動によって形成される電気二重層によって均衡させられる。炭素原子の電荷を変化させると、Ｃ−Ｃ結合長の変化がもたらされる。結果的に、単一のＣＮＴの膨張及び収縮を観察することができる。
【００１９】
図１及び図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。ＥＡＰデバイスは、電気活性ポリマ層１４の両側で電極１０，１２の間に挟まれた電気活性ポリマ層１４を含む。
【００２０】
図１は、クランプされていないデバイスを示している。図示のように、電圧を使用して電気活性ポリマ層を全方向に膨張させる。
【００２１】
図２は、膨張が一方向のみに生じるように設計されたデバイスを示している。このデバイスは、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層を湾曲させ或いは撓ませる。
【００２２】
この動きの性質は、例えば、作動されるときに膨張する活性層と受動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で非対称な湾曲を得るために、分子配向(molecular  orientation)（膜伸張(film  stretching)）を適用して、一方向における動きを強制してよい。
【００２３】
一方向における膨張は、ＥＡＰポリマの非対称性に起因することがあり、キャリア層の特性における非対称性に起因することがあり、或いは両方の組み合わせに起因することがある。
【００２４】
上述のような電気活性ポリマ構造は、作動及び検知の両方のために使用されてよい。最も顕著な検知機構は、力測定及びひずみ検出に基づく。例えば、外力によって誘電体エラストマを容易に伸張させることができる。センサに低電圧を印加することによって、ひずみを電圧の関数として測定することができる（電圧は領域の関数である）。
【００２５】
電界駆動システムで検知する他の方法は、静電容量変化を直接的に測定すること、又は電極抵抗の変化をひずみの関数として測定することである。
【００２６】
圧電及び電歪ポリマセンサは、（結晶性の量が検出可能な電荷を生成するのに十分な程に高いならば）印加される機械的応力に応答して電荷を発生させることができる。共役ポリマは、圧電イオン効果(piezo-ionic  effect)を利用することができる（機械的応力がイオンの作用(exertion)をもたらす）。ＣＮＴは、測定可能な応力に曝されると、ＣＮＴ表面の電荷の変化を受ける。ガス状分子（例えば、Ｏ２、ＮＯ２）と接触するＣＮＴの抵抗が変化し、ＣＮＴをガス検出器として使用可能にすることも示されている。
【００２７】
例えば、ＥＡＰデバイスの検知能力及び作動能力を組み合わせて、典型的には別々の時間に、圧力検知機能及び作動機能を提供することが提案されている。一例が、米国特許出願公開第２０１４／０１３９２３９号に記載されている。
【００２８】
米国特許出願公開第２０１４／０１３９２３９号は、検知回路と、作動回路と、スイッチング回路とを含む、ＥＡＰシステムを開示している。検知回路は、変形させられるときにＥＡＰからの信号を検出するように構成される。その次にのみ、スイッチング回路は、スイッチング回路が検知入力に基づいて作動を発生させることができるよう、作動回路を作動させる。故に、検知及び作動は互いに、時間的に分離される。即ち、検知及び作動は、順次的に起こり、一方は他方から続く。
【００２９】
この検知及び作動の分離は、ＥＡＰベースのセンサ−アクチュエータの可能な適用範囲を優に制限し、特に、（例えば、サーボ機構によって大規模に提供されるような）作動中に同時検知フィードバックが必要とされるようなデバイスを実施するのを困難にする。
【００３０】
一時的な同時検知及び作動は、別個の電気的接続のセットを用いて、別個の専用の検知領域及び作動領域を組み込むようにデバイスの寸法を増加させることによって、可能である。しかしながら、これは小さなフォームファクタが必須である用途では不利である。
【発明の概要】
【００３１】
ＥＡＰアクチュエータの特定の電圧に対する作動応答は、温度に依存する。ＥＡＰの正確な場所での温度を知ることは、作動精度に大いに有益である。例えば、圧力適用のために、皮膚上のアクチュエータを含む多くの用途について、モニタリングのために皮膚温度を同時に抽出することが有益である（温度は４つの主要なバイタルサインのうちの１つである）。
【００３２】
従って、追加的な複雑性又は空間要件が最小とされた、ＥＡＰアクチュエータの場所での温度測定が必要である。
【００３３】
この必要性は、独立項によって定義される本発明で少なくとも部分的に満たされる。従属項は、有利な実施形態を提供する。
【００３４】
本発明の態様に従った例によれば、電気活性材料センサと、少なくとも第１の周波数及び異なる第２の周波数で電気活性材料センサのインピーダンス又はインピーダンス位相角を含む電気特性の測定を行う制御システムとを含み、制御システムは、測定から、電気活性材料センサでの温度及び電気活性材料センサに加えられる外部圧力又は力を導き出すように構成される、システムが提供される。
【００３５】
直流（ＤＣ）信号は、電圧又は電流の実質的に非交流信号を含むことが意図されている。同様に、交流（ＡＣ）信号は、電圧及び電流の一方又は両方の交流電気信号を含むことが意図されている。
【００３６】
本発明は、負荷検知、例えば、皮膚接触圧力のための圧力センサとして並びに温度センサとして使用することができるセンサを提供する。
【００３７】
好ましくは、電気活性物質センサは、アクチュエータ及びセンサの両方として機能するデバイスを含む。一体化された温度検知機能性を備えるそのようなアクチュエータは、外部熱電対よりも常により近い正確なセンサ／アクチュエータ位置で温度を測定することができる。別個の温度センサを有するのと比較して、より空間的に限定された解決策を作ることができる。
【００３８】
この測定は、作動中でさえも、アクチュエータ上の圧力又は力及び温度が決定されることを可能にする。これは駆動信号及び測定信号の重畳（重ね合わせ）を使用することによって達成されることができる。フィードバック機構は、例えば、小振幅の高周波電気信号に基づき、この信号は２つの異なる周波数で交互に測定されて、圧力信号に対する温度の影響を切り離す。
【００３９】
第１の周波数は、例えば、反共振周波数のような、電気特性が最大値又は最小値を有する共振周波数である。この周波数での測定は、外力又は圧力を決定するために使用される。
【００４０】
信号が（減衰されていない）反共振周波数と整合する周波数で加えられると、適用される負荷によって誘発される突然の不整合(mismatch)は、例えば、センサに亘って測定されるインピーダンスの結果としての降下として検出される。
【００４１】
代替的に、（減衰されていない）共振周波数と整合する駆動信号を使用することが可能である。この場合、不整合は、センサに亘って測定されるインピーダンスの結果としての急上昇（ジャンプ）として検出されることがある。いずれの場合にも、高周波信号は、このようにして、作動と同時にデバイスに加えられる外部圧力又は力の検知を可能にする。
【００４２】
第２の周波数は、電気特性が負荷に対して一定である周波数である。代わりに、それは温度での変化があり、よって、温度測定のために使用されることができる。
【００４３】
制御システムは、第１及び第２の周波数の測定信号が重畳された駆動信号を加えるように構成されてよく、駆動信号は、第１及び第２の周波数より下の周波数を備えるＤＣ駆動レベル又ＡＣ駆動信号を含む。
【００４４】
低振幅の高周波数の検知信号をより高振幅の一次作動信号の上に重畳する（重ね合わせる）ことによって、検知機能及び作動機能を同時が同時に達成されることがある。検知信号の振幅は、作動信号の振幅よりも有意に小さいことがあり、例えば、作動信号の振幅の＜１０％、例えば、作動信号の振幅の＜１％である。このようにして、電気活性ポリマ（ＥＡＰ）構造における変形応答は、作動信号によって刺激されたものと比較して、検知信号にとって無視できるものであることがある。故に、アクチュエータとしてのデバイスの精度、正確性及び安定性は弱められない。
【００４５】
第１の駆動信号（作動信号）は、ＤＣ信号であってよく（しかしながら、所望の作動に依存して変化するＤＣレベルを備えてよい）、或いは交流振幅（ＡＣ信号）を有してよい。後者の場合における作動信号の周波数は、アクチュエータ信号と測定信号との干渉を避けるために、検知信号の周波数よりも有意に小さくてよく、例えば、少なくとも２のオーダ(２桁)(two  orders)だけ小さくてよい。
【００４６】
これは、同時検知及び作動を可能にする。２つの異なる周波数、測定信号は、順番に適用されてよい。代替的に、異なる共振周波数の測定値が重ね合わされてよい。何故ならば、オフ共振周波数(off-resonance  frequency)の大きさを自由に選択することができるからである。
【００４７】
システムは、センサのアレイを含んでよく、センサの少なくとも一部は、異なる第１の周波数を有する。このようにして、適切な測定信号の適用によって、異なるセンサを検知モードに置くことができる。例えば、複数のうちの各々は、異なる大きさ及び／又は形状及び／又は幾何学的形状を有してよく、それにより、異なる共振周波数を提供する。異なる第１の周波数は、測定されるインピーダンス信号において検出可能であり、これは、例えば、アレイ又はアセンブリ内のどのセンサ、特に何らかの負荷が適用されているかを決定するために使用される。故に、加えられる圧力の位置のより正確な決定が決定可能であることがある。
【００４８】
コントローラは、導き出された温度に基づいて導き出された外力又は圧力を修正するように構成されてよい。よって、温度信号は有用な情報源であるのみならず、力又は圧力検知機能についての温度補償を提供するためにも使用されてよい。
【００４９】
電気特性は、直列抵抗のようなインピーダンス値を含むことが好ましい。
【００５０】
本発明は、一般的に、電気活性物質と共に機能する。しかしながら、特に有用な材料は、有機電気活性材料及び／又は高分子電気活性材料である。これらは、電気活性特性、適切な温度依存性を有し、それらを体内管腔（例えば、カテーテル）のようなデバイス内に一体化させる処理の容易さも有する。電気活性材料（ポリマ）は、リラクサ強誘電体(relaxor  ferroelectric)を含んでよい。そのようなポリマ材料の非限定的な例として、ターポリマ（即ち、ＰＶＤＦ−ＴｒＥＦ−ＣＦＥ又はＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）リラクサ強誘電体が使用されてよい。それらは印加電界が存在しない場合には非強誘電性であり、それは駆動信号が加えられないときに電気機械的結合が存在しないことを意味する。例えば、ＤＣバイアス信号が加えられるとき、電磁結合は非ゼロになる。リラクサ強誘電体は、他の既知のＥＡＰ材料と比較して、より大きな大きさの作動変形及びより大きな検知感度をもたらす。しかしながら、このデバイスは、リラクサ強誘電の使用に限定されず、例えば、（一例に過ぎないが、ＰＶＤＦ又はＰＶＤＦ−ＴｒＦＥのような）圧電ＥＡＰ材料も実施形態において使用されてよい。他の例は、当業者に知られているか、或いは本明細書において以下に記載されている。材料の選択は、本発明の方法にも当て嵌る。
【００５１】
本発明の第２の態様に従った例は、電気活性材料センサを使用する検知方法を提供し、当該検知方法は、
少なくとも第１の周波数及び異なる第２の周波数で電気活性材料センサの電気特性の測定を行うこと、及び
測定から、センサでの温度及びセンサに加えられる外部圧力又は力を導き出すことを含む。
【００５２】
この方法は、検知方法として使用されてよく、或いは、この方法は、例えば、２つの特定の周波数で電気活性材料の電気機械応答を測定するために使用される（即ち、電気特性によって表されるような）重畳高周波ＡＣ信号を使用する、組み合わせられた検知及び作動方法を含むように、作動中に使用されてよい。これらのうちの１つは、好ましくは、力又は圧力検知に使用される特徴的な電気機械共振周波数である。第１の周波数は、例えば、電気特性が最大値又は最小値を有する、反共振周波数のような共振周波数である。
【００５３】
第２の周波数は、好ましくは、共振／反共振範囲の外側にあり、第２の周波数は、温度測定のために使用される。第２の周波数は、例えば、電気特性が適用される負荷に対して一定である周波数である。
【００５４】
当該方法は、アクチュエータ駆動信号を適用することを含み、第１及び第２の周波数の測定信号を重畳することを含み、アクチュエータ駆動信号は、第１及び第２の周波数よりも低い周波数を備えるＤＣ駆動レベル又はＡＣ駆動信号を含む。導き出される外力又は圧力は、導き出される温度に基づいて修正されてよい。
【００５５】
第１及び第２の周波数は、較正操作を行うことによって取得されてよく、較正操作は、作動信号のない第１の周波数掃引を適用すること、及び作動信号を伴う第２の周波数掃引を適用することを含む。
【００５６】
次に、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】クランプされていない既知の電気活性ポリマデバイスを示している。
【図２】バッキング層によって拘束された既知の電気活性ポリマデバイスを示している。
【図３】電気活性ポリマデバイスの第１の例を示している。
【図４】較正方法を示している。
【図５】センサのみ機能をどのように使用し得るかを示すグラフである。
【図６】較正後の使用のための検知方法を示している。
【図７】図３の電気活性ポリマデバイスをより詳細に示している。
【図８】ＥＡＰデバイスの１つの等価回路を示している。
【図９】周波数に伴う抵抗及び静電容量の変化を示している。
【図１０】２つの異なる作動電圧について周波数に伴う変化を示している。
【図１１】共振周波数を特定するために図１０のプロットの間の差をどのように使用し得るかを示している。
【図１２】共振での異なる温度について負荷に対するインピーダンスの依存性を示している。
【図１３】共振から離れる異なる温度について負荷に対するインピーダンスの依存性を示している。
【図１４】温度−インピーダンス関数の再現性を示している。
【図１５】負荷設定を向上させるために温度補償をどのように使用し得るかを示している。
【図１６】位相測定値をどのように用い得るかを説明するために使用される図である。
【図１７】温度に対する特定の組成を備える例示的な材料の感度を示している。
【図１８】感度と組成との間の関係を示している。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
本発明は、電気活性ポリマセンサと、少なくとも第１及び第２の異なる周波数で電気活性ポリマセンサのインピーダンスに関する測定を行う制御システムとを含む、電気活性ポリマセンサシステムを提供する。これらの測定値から、センサでの温度及びセンサに加えられる外部圧力又は力を決定することができる。よって、ＥＡＰセンサを圧力センサ及び温度センサとして使用することができる。作動との組み合わせにおいて使用されるとき、一体化された温度検知機能性を備えるＥＡＰアクチュエータは、常に外部熱電対よりも近くにある正確なＥＡＰ位置で温度を測定することができる。
【００５９】
図３には、本発明の実施形態に従ったアクチュエータ及びセンサデバイスの単純な第１の構成の概略図が示されている。下方キャリア層２６の上に配置された上方ＥＡＰ材料層２４を含むＥＡＰアクチュエータ２２が、信号処理要素２８を介して、第１の（ＤＣ）駆動信号入力３２及び第２（ＡＣ）駆動信号入力３４と電気的に接続される。第１の駆動信号入力３２は、（比較的）高出力の作動駆動信号の適用のためにある。第２の駆動信号入力３４は、特に以下で議論するような２つの異なる周波数での、（比較的）低電力の交流検知信号(alternating  sensing  signal)の適用のためにある。信号処理要素は、第１及び第２の駆動信号を重ね合わせて、第３の結合駆動信号(combined  drive  signal)を形成し、次に、第３の結合駆動信号は、デバイスに亘って加えられる。
【００６０】
信号処理要素は、実施例において、例えば、信号分析機能、信号結合(signal  coupling)及び減結合(decoupling)機能、及び／又は信号生成機能を実行するための、多数のコンポーネント（構成要素）を含んでよい。後者の場合、第１及び第２の駆動信号入力３２及び３４は、処理ユニット２８自体に包含されてよく、処理ユニットは、ＡＣ及び／又はＤＣ信号を生成するための要素を含み、幾つかの場合には、一方又は両方の信号の電気パラメータの分析のための要素を含む。
【００６１】
図３の構成の電気的接続は、例えば、ＥＡＰ層構造の平面的な頂面及び底面にある電極に接続されて示されている。この目的のために、フレキシブル電極（可撓性電極）構成が使用されてよい。電極へのＤＣ及び／又はＡＣ電圧の印加は、対応する変形を刺激するＥＡＰ層に亘る電界の発生を可能にする。
【００６２】
図３の構成における第１の駆動信号入力３２はＤＣ入力を含むが、代替的な構成において、この入力はＡＣ駆動信号入力を含んでよい。いずれの場合においても、作動駆動信号の相対的パワー(relative  power)は、加えられる検知信号の相対的パワーを有意に超える。両方の信号がＡＣ信号を含む場合、（３４で加えられる）検知信号の最大振幅は、（３２で加えられる）作動駆動信号の最大振幅の１０％未満、例えば、作動駆動信号の最大振幅の１％未満であってよい。検知信号がＡＣ信号を含み、作動信号が固定振幅ＤＣバイアス信号を含む場合、ＡＣ信号の最大振幅は、ＤＣバイアス信号の固定振幅の１０％未満、例えば、ＤＣバイアス信号の固定振幅の１％未満である。
【００６３】
図３の実施例について、信号処理要素２８によって生成される第３の結合信号は、高振幅ＤＣバイアス信号の上に重畳された高周波低振幅ＡＣ信号を含む。
【００６４】
前のセクションにおいて記載したように、電気活性ポリマの層に亘る十分な振幅のＤＣバイアスの印加は、ポリマ層の膨張を刺激する。その層がパッシブキャリア層２６と結合されるならば、ポリマの膨張は、作動力を提供するために使用されることがある構造全体の変形、例えば、曲げ(bending)又は反り(warping)をもたらす。図３において、アクチュエータ構造２２は、「アクティブ」又は「作動」状態において示されており、十分な大きさのＤＣバイアスが、構造の変形を引き起こすよう印加される。よく知られているように、膨張の程度は、デバイスに亘って印加される電界／電流の大きさに関連して変化する。故に、ＤＣバイアスの振幅を変化させることによって、異なる度合い／程度の変形が誘発されることがあり、異なる大きさの作動力が適用される（或いは、例えば、異なる量の作動作業が行われる）。
【００６５】
ＤＣバイアスに重畳される高周波ＡＣ信号は、材料内の機械的変形応答も刺激するが、機械的変形応答は、固定的であるというよりもむしろ周期的である（即ち、振動）。しかしながら、高周波信号の最大振幅は、ＤＣバイアス信号の振幅よりも有意に低い（例えば、ＤＣバイアス信号の大きさよりも２のオーダ(２桁)(two  orders)だけ低い、例えば、ＤＣバイアス信号の大きさの１％である）ので、刺激された変形の対応する変位振幅は、主作動変位と比較して事実上無視できる。故に、作動の精度及び安定性は、検知信号の重ね合わせによって影響されない。
【００６６】
ＤＣバイアスの上に低振幅の発振信号を重畳する（重ね合わせる）ことは、電気フィードバック機構が主アクチュエータ駆動機構自体の中に組み込まれるのを可能にする。特定の周波数で、特にアクチュエータ構造２２の機械的共振周波数と一致する或いは調和する周波数で、小さな機械的定常波がアクチュエータの材料内に構築される。これは次に材料の電気特性に影響を与える。検知信号が材料の共振周波数で駆動させられるとき、材料の対応するインピーダンスは、機械的振動が電気駆動信号と同相であることの故に（非共振で駆動させられる場合と比較して）より低い。
【００６７】
構造の機械的共振周波数は、構造がその平衡位置から変位させられると自然に振動する傾向がある周波数であり、構造の固有の構造特性（例えば、幾何学的形状、大きさ、形状、厚さ等）によって決定される。ＥＡＰ構造の機械的振動は、それに適用される電気信号の駆動周波数に必ずしも従わないが、その自然共振周波数に戻る傾向があり、駆動周波数は、駆動周波数が自然振動周波数（共振周波数）の位相外又は位相内にある程度に依存して、その振動と建設的に又は破壊的に干渉する。
【００６８】
高周波信号がＥＡＰ構造の反共振周波数（即ち、共振周波数の基本成分）で駆動させられるとき、材料の機械的振動が駆動信号の振動と逆位相であることの故に、ＥＡＰのインピーダンスはより高い（電気的に誘発される機械的ひずみは、電気的な励振と位相がずれる）。換言すれば、例えば、正の電流が駆動信号によってＥＡＰに適用されるときにはいつでも、位相ずれの機械的ひずみは同じモーメントにあり、反対方向における電流（即ち、位相が外れた挙動）を誘発する。理想的な（モデル）ケースにおいて、これらの対向する電流は互いに打ち消し合い、如何なる電流も流れることができないが（即ち、無限インピーダンス）、実世界のシナリオでは、完全な相殺は起こらず、この効果は電流の（有効な）より高い抵抗（即ち、より高いインピーダンス）として測定される。特に、信号がアクチュエータ材料の反共振周波数で駆動させられるとき、ＥＡＰのインピーダンスは最大にある。
【００６９】
この関係は、以下の式（１）を考察することによって更に理解されることがある。共振及び反共振での理想的なＥＡＰのインピーダンスは、変形の特定のタイプ又はモードに依存する。ＥＡＰを側方共鳴（即ち、長さ又は幅）させることが最も一般的である。ＥＡＰのインピーダンスは、材料の誘電特性及び電気機械的結合並びに電気的及び機械的損失によって支配される。簡潔性のために、電気的及び機械的損失を無視するとき、横方向の延伸において変形する長さｌ、幅ｗ及び厚さｔを備えるＥＰＡについて、ＥＡＰのインピーダンスは、以下によって与えられる。
【数１】
0006405497.tif 000002
ここで、εＴ３３は、誘電率であり、ｋ３１は、横方向電気機械的結合係数であり、ρは、ＥＡＰの密度であり、ＳＥ１１は、横方向におけるコンプライアンスである。反共振周波数、ωａで、
【数２】
0006405497.tif 000003
であり、Ｚは、最大である。
【００７０】
実際のＥＡＰは損失を有し、その抵抗が反共振周波数で最大である直列の抵抗器を備えるコンデンサによって実際のＥＡＰをモデル化し或いは表すことができる。従って、以下の記述において、「インピーダンス」及び「直列抵抗」（Ｒｓ）は、デバイスに関して交換可能に使用されることがある。しかしながら、直列抵抗は、この脈絡において、アクチュエータ／センサが抵抗Ｒｓを有する抵抗器と直列のコンデンサによって電子的に表されるモデルを単に言及するものとして理解されるべきである。
【００７１】
インピーダンスと共振との間の上述の関係の結果、駆動信号が反共振周波数で駆動されるとき、反共振から離れた周波数で生じるあらゆる小さな偏差(deviations)は、ＥＡＰ構造２２の測定可能なインピーダンスにおける対応する急激な減衰(drop-off)において検出可能である。機械的検知が達成されるのを可能にするのは、この物理的効果である。ＥＡＰ構造への負荷(load)（即ち、圧力又は力）の適用は、材料内で起こっているあらゆる共鳴効果の減衰をもたらす。負荷が加えられるときに駆動信号が材料の共振周波数又は反共振周波数で振動しているならば、減衰効果はＥＡＰインピーダンス（即ち、直列抵抗Ｒｓ）の実時間測定で特定される。何故ならば、共振の突然の停止は、結果的なインピーダンスの急激な低下をもたらす。故に、アクチュエータが動作している間に、時間の経過に亘る構造のインピーダンスを監視することによって（例えば、時間の経過に亘る高周波信号の電圧及び電流をモニタリングすることによって）、構造に加えられる圧力及び負荷を検知することができ、幾つかの場合には、（以下に記載するように）定量的に測定することができる。
【００７２】
一方では、のインピーダンスの間のリンク、そして、他方では、信号の電気的駆動周波数と材料の機械的振動周波数との間の位相差は、駆動信号のみの電気特性のモニタリングを通じて達成されるべきＥＡＰに対して加えられる機械的力の高感度測定を可能にする。故に、これは、単一のＥＡＰデバイスを使用して同時の作動及び検知を達成するための、非常に簡単で直接的且つ効率的な手段を提供する。その上、本発明の実施形態は、ＥＡＰ構造の同じ領域に亘る同時の検知及び作動（即ち、空間的に同時の検知及び作動）を可能にする。これは、例えば、検知の感度又は分解能を犠牲にすることなく、両方の機能を実行するデバイスをより一層小さなフォームファクタで作製し得ることを意味する。その上、（各専用の検知又は作動領域毎に１つの、２つ又はそれよりも多くのセットの接続とは対照的に）単一のセットの接続のみをデバイスに設けることが必要とされ、それは、コスト及び複雑さの低減の点において、例えば、水密接続が必要とされる場合（例えば、シェービング／カテーテル／口腔ヘルスケアにおいて）、及び／又はアクチュエータ／センサのアレイが構成されるべき場合に、有利である。
【００７３】
更に、検知信号の適切な選択によって、並びに、適切な信号処理を用いて、検知は、温度検知及び負荷検知を提供する。特に、少なくとも第１及び第２の異なる周波数の測定信号が生成され、信号処理要素２８は、２つの測定周波数でアクチュエータ３０の１つ又はそれよりも多くの電気特性を測定するために使用される。このようにして、アクチュエータでの温度及びアクチュエータに加えられる外部圧力又は力が、両方とも決定される。
【００７４】
高周波検知信号の周波数は、アクチュエータの特定の幾何学的形状に依存して、それぞれ、典型的には、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲内にある。アクチュエータ駆動信号がＡＣ駆動信号を含む場合、この信号の周波数は交流検知信号の周波数よりも有意に低いことに留意のこと。この場合、（低周波）作動電圧は、アクチュエータ信号と測定信号との干渉を避けるために、例えば、高周波信号電圧より少なくとも２のオーダだけ低くてよい。
【００７５】
上述で説明したように、反共振周波数において、測定されたインピーダンスは、位相外れの機械的振動の故により高い。特に、アクチュエータの直列抵抗（Ｒｓ）は、この周波数で極大にある。実施において、この周波数は測定周波数の第１のものとして使用される。電気機械的結合周波数範囲の外にある他の測定周波数が定められ、これは第２の測定周波数として使用される。
【００７６】
較正（キャリブレーション）プロセスを使用して、使用される周波数を決定し、決定した共振周波数で適用される負荷と測定した抵抗との間の関係を決定する。図４は、一例を示している。
【００７７】
第１の周波数掃引４０(frequency  sweep)を０Ｖの印加ＤＣバイアスで実行し、抵抗応答を測定する。それにより、アクチュエータの等価直列抵抗を異なる周波数で測定し、作動信号が存在しない状態で、インピーダンス対周波数関数(impedance  versus  frequency  function)を得る。
【００７８】
ステップ４２で、好ましくは、デバイスの所望の作動状態に対応する、固定ＤＣバイアスを印加する。このとき、デバイスに適用される負荷はないことがある。
【００７９】
次に、ステップ４４において、第２の周波数掃引を固定非ゼロＤＣバイアスで実行し、対応する抵抗値が記録する。異なる周波数でアクチュエータの等価直列抵抗を再び測定し、作動信号が存在する状態で、インピーダンス対周波数関数を得る。
【００８０】
次に、ステップ４６において２つの掃引の結果を比較し、それぞれについて得られた抵抗値の差を周波数の範囲に亘って決定する。
【００８１】
ステップ４８において、測定された抵抗値が最大量だけ異なる第１の周波数を決定し、それにより、反共振周波数を直接的に特定する。
【００８２】
ステップ５０において、第２の測定周波数を定める。それは差が無視できる周波数である。よって、それは電気特性が負荷に対して一定である周波数である。
【００８３】
幾つかの場合において、ステップ４０乃至５０は、可変作動範囲がデバイスの作動において利用できる場合には、例えば、複数の異なる作動位置に関するデータを収集するために、所望であるような多くのＤＣ電圧について繰り返されてよい。
【００８４】
センサのみのデバイスの場合には、センサが検知を実行する準備ができた作動状態にセンサを導く単一の作動がある。よって、１回の駆動較正が必要とされるだけである。
【００８５】
例えば、ある位置にセンサをセットし、その後はセンサとしてだけ使用することができる。これは多数の検知測定を行うために使用される単一の作動レベルに対応すると考えられてよい。特定の範囲内のＤＣバイアスで検知機能を使用してよい。しかしながら、この範囲は、物理的な作動がないＤＣバイアス電圧を含んでよいが、それにも拘わらず、適用される負荷に対する感度がある。特に、作動曲線（作動電圧対印加電圧）は、非線形であり、それより下では物理的作動が開始しない閾電圧を伴う。この場合、検知機能は、物理的変形がなくても可能にされるが、検知される信号は、より大きなＤＣバイアスの場合よりも小さい。
【００８６】
図５は、プロット５３のような、異なる作動電圧で固定的な負荷を検知するための信号強度のプロットを示している。プロット５４は、それらの作動電圧についての作動レベルを（任意的なスケールで）示している。感度は電圧が初期的なゼロレベルから増加する電圧についての作動よりも急速に増加することを見ることができる。
【００８７】
検知のための典型的なＤＣバイアス範囲は、例えば、４０Ｖ〜５０Ｖ又は４０Ｖ〜７５Ｖの範囲内であり、その場合、感度はゼロより上であるが、作動は（それぞれ）依然としてゼロか或いはゼロに近い。
【００８８】
図４のステップ５２において、インピーダンス値の較正データは、反共振の第１の周波数と等しい、固定的なＡＣ信号周波数、及び固定的なＤＣバイアス電圧について、適用される負荷(applied  load)に対するデバイスに亘る直列抵抗の形態において得られる。
【００８９】
その上、関心の範囲内の各温度について並びに各々の可能な作動信号について、インピーダンス値が得られる。第２の周波数で、関心の範囲内の各温度について、各々の可能な作動信号について、並びに各々の可能な負荷について、インピーダンス値が得られる。
【００９０】
よって、ステップ５２では、異なる温度での並びに異なる適用負荷を伴う、多数の測定値がある。この較正プロセスは工場で行われ、ルックアップ表が、可変適用負荷及び温度について、周波数１及び周波数２でのＲｓのために生成される。各温度で、全範囲の負荷が測定される。このルックアップ表は、使用中に参照として使用される。
【００９１】
このようにして、アクチュエータは、温度範囲内の各温度点で、（多数の印加電圧があるならば）各印加電圧について、インピーダンス対負荷に関して較正される。
【００９２】
作動中、第１の周波数で測定されるインピーダンス値は、印加電圧と組み合わせにおいて、アクチュエータに対する力についての測定値をもたらし、第２の周波数でのインピーダンス値は、ＥＡＰアクチュエータの温度の測定値をもたらす。高周波（センサ）信号の変位振幅は、作動変位と比較して無視できるので、それは精度又は安定性に関して作動と干渉しない。
【００９３】
図６は、アクチュエータの使用中に使用される方法を示している。較正データは、矢印６０によって表されるように受信される。ステップ６２は、第1の較正周波数でインピーダンスを測定することを含む。これは負荷（即ち、圧力又は力）検知のために使用される。ステップ６４は、第２の較正周波数でインピーダンスを測定することを含む。これは温度検知のために使用される。
【００９４】
これらの測定の間に、より高い振幅の作動信号が、ステップ６６において印加される。それはセンサのみの実施についての定数であり或いはセンサ及びアクチュエータについて可変である。ステップ６８は、アクチュエータに対する負荷及び温度を得ることを含む。
【００９５】
これらの２つのパラメータは、システムから別個の出力として提供されてよい。代替的に、システムが温度情報を内部的に使用して、検知した負荷の温度補償を提供してよい。
【００９６】
図７に示すような、ＤＣ作動信号に基づいて、第１の例をより詳細に記載する。
【００９７】
上で説明したように、ＥＡＰアクチュエータ２２は、ＥＡＰ材料層２４と、受動キャリア層２６とを有し、ハウジング７２内に保持され、信号駆動機構７４と電気的に結合される。図７の例における駆動機構は、信号生成要素（駆動要素）並びに信号処理及び分析要素（センサ要素）の両方を含む。
【００９８】
アクチュエータ制御要素７５は、信号増幅装置７６に送信される高振幅アクチュエータ駆動信号（例えば、固定ＤＣバイアス電圧）を生成する。センサ制御要素７８が、センサ信号を生成するドライバ要素８０及びアクチュエータを通過後にセンサ信号の電気特性を分析する処理要素８２の両方を含む。この目的を達成するために、駆動機構７４は、更に、ＥＡＰアクチュエータ２２に亘って接続される電圧計８４と、アクチュエータの出力電気端子８８とセンサ制御要素７８との間に直列に接続される電流計８６とを含む。電圧計７４及び電流計７６は、両方とも、センサ制御素子７８と信号的に接続されることで、それらによって生成されるデータは、アクチュエータ２２のインピーダンス（即ち、デバイスが直列に抵抗を備える理想的なコンデンサとしてモデル化される等価直列抵抗Ｒｓ、即ち、複素インピーダンスの実部）を決定するために、プロセッサ８２によって利用されてよい。
【００９９】
アクチュエータ制御要素７５及びセンサ制御要素７８によって生成される駆動信号は、それらの結合増幅(combined  amplification)の前に或いはそれらの独立した増幅の後に、増幅要素７６によって重ね合わされる。幾つかの例では、増幅要素７６は、単にコンバイナ(combiner)と置換されてよい。この場合、アクチュエータ制御要素７５及びセンサ制御要素７８は、それらの生成される作動信号及び検知信号を、それらをコンバイナに出力する前に局所的に増幅するように構成されてよい。
【０１００】
結合駆動信号は、次に、ＥＡＰアクチュエータ２２の入力端子８９に送信される。結合駆動信号の高振幅ＤＣ成分は、アクチュエータにおける変形応答を刺激する。
【０１０１】
最も再現性のある（即ち、信頼できる／正確な）結果のために、ＥＡＰは所定の位置にクランプされてよい。例えば、アクチュエータは、ハウジング７２内にクランプされてよく、次に、ハウジングは、デバイスを標的作動領域と整列させるように位置付けられる。
【０１０２】
例示のために、標的作動領域９０が図７に示されており、アクチュエータは、標的領域に圧力を加えるよう、ＤＣ駆動信号によって変形させられる。実施例において、標的領域は、例えば、圧力が両方とも皮膚に加えられるが、皮膚によってアクチュエータに加えられる温度及び力がデバイスによって同時に検知されるよう、人の皮膚の領域を含む（例えば、ユーザがどれぐらい強くアクチュエータ収容デバイスを皮膚に押し付けているかを検知することができる）。
【０１０３】
幾つかの例では、アクチュエータ表面へ又はアクチュエータ表面から制御された方法で力を伝達するために、（任意の）力伝達機構が追加的に設けられてよい。
【０１０４】
駆動信号の低振幅ＡＣ成分は、例えば、その共振又は反共振周波数で構造を振動させる、ＥＡＰ層２４内の低振幅周期応答を刺激する。
【０１０５】
結合駆動信号の電圧及び結果として得られる電流は、センサ制御要素７８に送られる。典型的には、ＡＣ電流は、０．１ｍＡ〜１ｍＡの範囲内にあってよいが、最大１０ｍＡであってよい。より高い電流は過剰な加熱を引き起こすことがある。
【０１０６】
幾つかの場合には、駆動機構７４は、センサ制御要素７８の処理要素８２による分析のために高周波成分を分離する目的のために、１つ又はそれよりも多くの信号減結合要素、例えば、高域フィルタ(high  pass  filter)を更に含んでよい。
【０１０７】
センサ制御要素７８の処理要素８２は、加えられる（複数の）駆動信号が受けるようなアクチュエータに亘る直列抵抗を決定するために、電圧計８４及び電流計８６によって提供される測定値を使用してよい。直列抵抗は、実時間で決定されてよく、例えば、抵抗の突然の変化についてモニタリングされてよく、それは上述のようにアクチュエータ２２に適用される負荷及び圧力の存在及び大きさを示すために使用されてよい。
【０１０８】
ＥＡＰアクチュエータは、図８に示すように、直列コンデンサＣｓ及び抵抗Ｒｓの近似等価回路(approximate  equivalent  circuit)を有する。
【０１０９】
反共振周波数（最も高い感度のポイント）を決定するために使用される、上で説明した掃引が、図９に示されていう。
【０１１０】
測定された直列抵抗（Ω単位）は、１つのｙ軸上に示されており、測定された静電容量（ファラド単位）は、他のｙ軸上に示されており、センサ信号周波数（Ｈｚ単位）は、ｘ軸上に示されている。
【０１１１】
プロット９２は、抵抗であり、プロット９４は、静電容量である。このサンプルのために、約２９．８ｋＨｚの周波数が、９５として示された局所抵抗ピーク(local  resistance  peak)の結果としての反共振周波数として決定される。地点から離れた周波数が、２０ｋＨｚにある地点９６のような、第２の周波数として選択される。プロットは、２００Ｖのバイアス電圧のためにある。
【０１１２】
上で説明したように、ピークは、プロットを比較することによって最も容易に決定される。図１０は、交流周波数が変化するときの（容量性複素インピーダンス関数を単に反映する一次曲線についての変動がないことを示す）プロット１００のような、０Ｖ掃引についての抵抗測定値を示している。０Ｖのバイアスでは、結合が殆ど或いは全くなく、故に、ＡＣ信号に対する材料のゼロ（又は測定不能に小さい）変形応答がある。故に、０Ｖバイアス掃引は、より高い（作動誘起）ＤＣ電圧でＡＣ周波数掃引を比較する便利な基準を提供する。プロット１２０は、印加ＤＣバイアスでの掃引である。
【０１１３】
デバイスの反共振周波数は、２つのＤＣ電圧についての測定された抵抗値の間の差が最大であるＡＣ周波数を見つけることによって特定されてよい。
【０１１４】
図１１には、ｙ軸上の測定された抵抗とｘ軸上の対応するセンサ信号周波数との差を有する２つの信号トレースの間の差がより明確に例示されている。このグラフでは、抵抗の２つのより大きな急上昇（ジャンプ）を明確に見ることができ、２つのうちのより大きい方は、反共振で発生した急上昇である。
【０１１５】
この例では、０ＶのＤＣバイアスが第１の掃引のために使用されているが、代替的な例では、異なる（非ゼロの）第１のバイアスを使用されてよい。この場合には、第１の電圧の大きさに依存して、第１の掃引は、中心曲線の周りの変動又はピークを示すことがある。しかしながら、反共振周波数は、２つのＤＣ電圧についての測定された抵抗値の間の差が最大である周波数を特定することによって依然として見出されることがある。
【０１１６】
負荷は、共振−反共振挙動を減衰させることによって、アクチュエータの直列抵抗に対する影響を有する。これは、負荷に対する２００Ｖバイアスを備えるアクチュエータで測定された反共振での抵抗Ｒｓをプロットする図１２に示されている。各プロットは異なる温度についてあり、温度オフセットドリフト(temperature  offset  drift)が見える。
【０１１７】
（共振結合範囲の外側の）第２の周波数では、電気機械的結合の影響はない。この周波数で、抵抗は、負荷に対する抵抗をプロットする図１３に示すように、温度の関数に過ぎない。抵抗は２００Ｖバイアスを備えるアクチュエータについて再び測定されたオフ共振(off  resonance)周波数（２０ＫＨｚ）についてプロットされている。
【０１１８】
温度オフセットドリフトは見えるが、適用される負荷からの影響はない。図１４に示すように、温度信号は再現性がある。何故ならば、図１４は、２回の実行でゼロ負荷について温度に対する抵抗をプロットしているからである。
【０１１９】
負荷センサ(load  sensor)の精度を向上させるために、温度信号をアクチュエータ信号の補償に使用することもできる。図１５では、負荷の関数としての補償された抵抗値が、２３〜４５度の８つの異なる温度について与えられている。２３度〜４５度の間の平均的な差は、補償されていない測定値に関して２９％でなく、今や３．８％である。
【０１２０】
上記の例は、ＤＣ作動信号に基づく。第２の例では、低周波ＡＣアクチュエータ信号がある。低周波ＡＣ作動の場合、アクチュエータは、低周波ＡＣ電圧及び小信号高周波ＡＣ電圧によって電気的に負荷される。小振幅の高周波電圧が測定のために使用され、低周波ＡＣアクチュエータ信号に重畳される。低周波ＡＣアクチュエータ電圧は、作動目的のために使用することができるＥＡＰにおける変形を引き起こす。
【０１２１】
低周波作動電圧は、好ましくは、アクチュエータ信号と測定信号との干渉を避けるために、高周波信号よりも少なくとも２のオーダの大きさだけ低い（即ち、＜１％）周波数を有する。
【０１２２】
第３の例では、システムを較正するために周波数走査は必要とされない。これはシステムの複雑性及びコストが削減されるのを可能にする。しかしながら、堅牢性及び感度は依然として保証される。製造において、アクチュエータの（反）共振周波数（ｆｒ）は厳しく制御されるので、温度範囲内の温度地点当たり２つの周波数の所定のセットが先験的に(a  priori)知られ、よって、これらの２つの所定の周波数での測定は、常にアクチュエータ（周波数１）及び温度（周波数２）に対する負荷を示す。
【０１２３】
第４の例では、例えば、アレイ又は他の所望の配列／形状に配置された、上述の例に従った複数のデバイスを含む、検知デバイス又は作動及び検知デバイスが提供されてよい。例において、複数のデバイスは、各々のデバイスが特異な機械的共振周波数ｆｒを有するように提供されてよい。このようにして、デバイスのアレイに対する高周波検知信号の適用後、各デバイスの特性的な（固有の）共振周波数を使用して、アレイ内のどのアクチュエータがセンサとして刺激されているか決定する、即ち、アレイ内のセンサ／アクチュエータの位置を付える。
【０１２４】
例えば、共通の駆動信号が、アレイ内の全てのデバイスに亘って加えられてよく、共通の駆動信号は、異なる周波数の連続した一連の信号（即ち、デバイスの既知の異なる共振又は反共振周波数）を含む。周波数の時間掃引がセンサ入力よりも速いならば、インピーダンスにおける対応する降下（又は上昇）は、刺激される特定のデバイスに対応する周波数についてのみ、デバイスに亘って検出可能である、即ち、測定されるインピーダンスは、周波数掃引が、刺激されるデバイスに対応するｆｒに移動し、次に、掃引がｆｒから外に移動すると、再び上昇する（或いはその逆もまた同様である）。そのようなシステムでは、どのアクチュエータがセンサとして使用されているかを特定するために、即ち、アレイ内のセンサ／アクチュエータの位置を与えるために、ｆｒ（又はＲｓ）を使用することができる。
【０１２５】
上記の例は、インピーダンス測定を使用して、適用される負荷を決定する。直列抵抗（の変化）を検出する代わりに、反共振周波数の変化を検出して、対応するフィードバック信号を導出してよい。
【０１２６】
代替的に、直列抵抗（の変化）（又は反共振周波数の変化）を検出する代わりに、位相の変化、具体的には、複素インピーダンスの位相角を決定してよい。直列抵抗Ｒｓの変化は比較的小さい。感度を向上させるために、それは他の従属変数と組み合わせられてよい。
【０１２７】
図１６では、Ｒｓの変化が左側に示されており、Ｃｓ及びＲｓの変化が右側に示されている。
【０１２８】
右側の画像は、インピーダンス実部の減少及びインピーダンス虚部の増加に応答して、複素インピーダンスの位相角が、増加量（Δρ）によって、どのように変化するかを示している。電流と電圧との間の位相の変化を測定することによって位相を検出することができる。具体的には、ＥＡＰが薄い層を有するならば、インピーダンスの虚部（ｊＸｃｓ）の変化の影響が支配的になることがある。実際は、複素インピーダンスに相関させられる任意の測定値を使用して、アクチュエータの負荷を示すことができる。
【０１２９】
温度検知機能の感度は、使用さする（ＥＡＰアクチュエータ／センサの）ポリマの組成の適切な選択によって調整されてよい。組成物は、所望の作業温度に対するセンサの最高感度を得るように調整されてよい。
【０１３０】
例えば、（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）ポリマ材料では、これはＣＴＦＥ含有量を変えることによって達成されることができる。
【０１３１】
図１７は、温度に対する特定の組成を有する例示的な材料（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）の感度を示しており、図１７は、摂氏２６度で最大感度を示す。この例示的な材料は、１０％ＣＴＦＥ含有量を有する。
【０１３２】
図１８は、（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）ポリマのＣＴＦＥ含有量と適切な作動温度との間の関係を示しており、温度感受性がＣＴＦＥ含有量の割合に対して最大である温度を示している。図示するように、より高いＣＴＦＥ含有量は、感度が最大である温度の低下を引き起こす。例えば、室内温度にある室内センサについてよりも温度が高い身体用途(in  body  applications)のために、７％ＣＴＦＥを備えるポリマが使用されてよい。
【０１３３】
ＥＡＰ層に適した材料は良く知られている。電気活性ポリマは、圧電ポリマ、電気機械ポリマ、リラクサ強誘電性ポリマ、電歪ポリマ、誘電体エラストマ、液晶エラストマ、共役ポリマ、イオン性ポリマ金属複合材、イオン性ゲル及びポリマゲルのサブクラスが含むが、これらに限定されない。
【０１３４】
サブクラス電歪ポリマは、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＲ）、フッ化ポリビニリデン−トリフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、フッ化ポリビニリデン−トリフルオロエチレン−クロロフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、フッ化ポリビニリデン−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−ＣＦＴＥ）、フッ化ポリビニリデン−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混合物を含むが、それらに限定されない。
【０１３５】
サブクラス誘電体エラストマは、アクリレート、ポリウレタン、シリコーンを含むが、それらに限定されない。
【０１３６】
サブクラス共役ポリマは、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）、ポリアニリンを含むが、それらに限定されない。
【０１３７】
イオン性デバイスは、イオン性ポリマ−金属複合材（ＩＰＭＣ）又は共役ポリマをベースとしてよい。イオン性ポリマ−金属複合体（ＩＰＭＣ）は、印加電圧又は電界の下で人工筋肉挙動を示す合成複合ナノ材料である。
【０１３８】
より詳細には、ＩＰＭＣは、その表面が化学的にメッキされた或いは白金若しくは金のような導体又は炭素系電極で物理的に被覆された、Ｎａｆｉｏｎ又はＦｌｅｍｉｏｎのようなイオン性ポリマから成る。印加電圧の下で、一片のＩＰＭＣに亘って課される電圧に起因するイオン移動及び再分配は、曲げ変形をもたらす。ポリマは、溶媒膨潤イオン交換ポリマ膜である。電界は、水と一緒のカソード側への陽イオン移動を引き起こす。これは、親水性クラスタの再構成(reorganization)及びポリマ膨張をもたらす。カソード領域のひずみは、ポリママトリックスの残部に応力をもたらし、その結果、アノードに向かう曲げをもたらす。印加電圧を逆にすると、曲げが逆転する。
【０１３９】
メッキされた電極が非対称的な構成に配置されるならば、課される電圧は、ねじれ(twisting)、転がり(rolling)、よじれ(torsioning)、回転(turning)、及び非対称的曲げ変形(non-symmetric  bending  deformation)のような、あらゆる種類の変形を誘発し得る。
【０１４０】
これらの例の全てにおいて、印加される電界に応答して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、追加的な受動層が設けられてよい。
【０１４１】
各ユニットのＥＡＰ層は、電極の間に挟まれてよい。電極は、それらがＥＡＰ材料層の変形に従うように、伸張可能であってよい。電極に適した材料も知られており、例えば、金、銅、若しくはアルミニウムのような金属薄膜、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）のような有機導体から成る、群から選択されてよい。例えば、アルミニウムコーティングを使用して、金属化されたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような金属化されたポリエステル膜が使用されてもよい。
【０１４２】
本発明は、アクチュエータ若しくはセンサのパッシブマトリクスアレイ、又はセンサ及びアクチュエータの組み合わせが関心事である例を含む、多くのＥＡＰ及び光活性ポリマ用途において適用されることができる。
【０１４３】
本発明は、一般的に、負荷及び温度検知に関心がある。それは検知及び作動機能性の組み合わせが必要とされるときに使用されてもよい。
【０１４４】
多くの用途において、製品の主な機能は、人間の組織の（局所的な）検知に依存し、任意的に、人間の組織の操作又は組織接触界面の作動に依存する。そのような用途において、ＥＡＰアクチュエータは、例えば、主として、小さなフォームファクタ、柔軟性（フレキシビリティ）及び高いエネルギ密度の故に、特異な利益を提供する。故に、ＥＡＰの及び光応答性のポリマを、ソフトな３Ｄ形状の及び／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。そのような用途の例は、以下の通りである。
【０１４５】
皮膚を伸ばしたり皺を減らしたりするために皮膚に一定の周期的な伸張を加える応答性ポリマベースの皮膚パッチの形態の皮膚作動デバイスのような皮膚美容処理。
【０１４６】
顔面の赤い印を減少させ或いは防止する交互の標準圧を皮膚にもたらすために、反応性ポリマベースの能動的なクッション又はシールを有する、患者インターフェイスマスクを備えた呼吸デバイス。
【０１４７】
適合性シェービングヘッドを備える電気シェーバ。近接性と刺激との間のバランスに影響を与えるために、応答性ポリマアクチュエータを使用して、皮膚接触面の高さを調節することができる。
【０１４８】
特に歯間空間において、スプレーの到達範囲を向上させる、動的ノズルアクチュエータを備えたエアフロスのような口腔洗浄デバイス。代替的に、歯ブラシはアクティブ化される房を備えてよい。
【０１４９】
ユーザインタフェース内に又はその付近に統合された応答性ポリマ変換器（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家庭用電子機器又はタッチパネル。
【０１５０】
蛇行する血管内での容易なナビゲーションを可能にする操縦可能な先端を備えるカテーテル。
【０１５１】
そのようなアクチュエータから利益を受ける関連する用途の他のカテゴリは、光の変調に関する。これらのアクチュエータを使用する形状又は位置適合(adaptation)によって、レンズ、反射面、回折格子等のような光学素子を適合的(adaptive)にすることができる。ここで、ＥＡＰの１つの利益は、例えば、より低い電力消費である。
【０１５２】
請求する発明を実施する当業者は、図面、本開示、及び添付の請求項の研究から、開示の実施形態に対する他の変更を理解し且つもたらすことができる。請求項において、「含む」という用語は他の要素又はステップを排除せず、単数形の表現は複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる従属項に列挙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を有利に使用し得ないことを示さない。請求項中の如何なる参照符号も範囲を限定するものと解釈されてならない。
【要約】
本発明は、電気活性材料センサ（２２）と、少なくとも第１の周波数及び異なる第２の周波数で電気活性材料センサのインピーダンスに関する測定を行う制御システム（２８）とを含む、電気活性材料（好ましくは電気活性ポリマ）センサシステムを提供する。これらの測定値から、センサでの温度及びセンサに加えられる外部圧力又は力を決定することができる。よって、センサを圧力センサ及び温度センサとして使用することができる。作動との組み合わせにおいて使用されるとき、一体化された温度検知機能を備える電気活性材料アクチュエータは、外部熱電対よりも常により近くにある正確なアクチュエータ位置で温度を測定することができる。【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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