(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲げを感知する曲げアクチュエータデバイス又はセンサデバイスであって、
当該デバイスは、複数のユニットのスタックを有し、各ユニットが、少なくとも１つの電気活性ポリマーと制御電極とを有し、前記制御電極は、前記駆動電極に印加される駆動信号に応答して変形するように前記少なくとも１つの電気活性ポリマーを駆動し、又は、前記少なくとも１つの電気活性ポリマーの変形に応答して生成される信号を感知し、
前記スタック内の隣接ユニットが互いに対して相対的にスライド可能である、
デバイス。
【請求項２】
前記ユニットは互いに摩擦接触して隣接ユニットと積み重ねられている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
各ユニットが前記電気活性ポリマーの両面に電極を有し、該電極は、低摩擦、弾性、又は粘性材料層から形成されている、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
各隣接ユニット対の間の摩擦低減層、を更に有する請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記摩擦低減層は、自立している、又は片面で前記ユニットに接合されている、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記摩擦低減層は固体材料層を有する、請求項４又は５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記固体材料層は、ＰＴＦＥ、フッ素重合体、織物、流体、ゲル、発泡体、又はフォイルを有する、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記摩擦低減層は各面で前記ユニットに接合され、前記摩擦低減層は弾性層又は粘性材料層を有する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項９】
前記摩擦低減層はスペーサ構成を有する、請求項４に記載のデバイス。
【請求項１０】
積層方向での相対位置を固定するが面内方向での相対移動を可能にする前記ユニット間の機械的結合、を有する請求項１乃至９の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記スタックの面内位置を設定するホルダー、を更に有する請求項１乃至９の何れか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記ホルダーは、前記複数のユニットの前記スタックが中に配置される凹部を持つハウジングを有する、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
当該デバイスの入力インタフェース又は出力インタフェースを形成する、前記複数のユニットの前記スタックを覆う蓋、を有する請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記複数のユニットの前記スタックは、前記スタックの前記ユニット間の物理的な接続なしで、前記凹部の底面と前記蓋との間に挟まれている、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
曲げアクチュエータを有する請求項１乃至１４の何れか一項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気活性ポリマーを使用するアクチュエータまたはセンサデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気活性ポリマー（Electroactive  Polymer：ＥＡＰ）は、電気的応答性材料の分野における新たに出現したクラスの材料である。ＥＡＰは、センサ又はアクチュエータとして動作することができ、様々な形状へと容易に製造されることができ、多様なシステムへの容易なインテグレーションを可能にする。
【０００３】
ここ１０年間で、例えば作動応力及び歪みなどの特性が有意に改善された材料が開発されてきた。技術リスクが製品開発についての許容可能なレベルまで低下してきており、それ故に、ＥＡＰは商業的及び技術的にますます関心あるものになっている。ＥＡＰの利点には、低電力、小さいフォームファクタ、柔軟性、ノイズレス動作、精度、高分解能の可能性、高速な応答時間、周期的な作動を含む。
【０００４】
ＥＡＰ材料の改善された性能及び特有の利点は、新たな用途への適用可能性を生じさせる。
【０００５】
ＥＡＰデバイスは、電気作動に基づいた、部品又は機構の小量の動きが望まれるあらゆる用途に使用されることができる。同様に、この技術は、小さい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小さい体積又は薄いフォームファクタでの比較的大きい変形及び力の組み合わせにより、以前は可能でなかった機能を可能にし、又は、一般的なセンサ／アクチュエータソリューションに対する大きな利点を提供する。ＥＡＰはまた、ノイズレス動作、正確な電子制御、高速応答、及び例えば０−２０ｋＨｚなどの広い範囲で可能な作動周波数を与える。
【０００７】
電気活性ポリマーを使用するデバイスは、フィールド（場）駆動材料およびイオン駆動材料へと細分化され得る。
【０００８】
フィールド駆動ＥＡＰの例は、誘電エラストマー、電歪ポリマー（例えば二フッ化ポリビニリデン系のリラクサポリマー又はポリウレタンなど）、及び液晶エラストマー（ＬＣＥ）である。
【０００９】
イオン駆動ＥＡＰの例は、共役ポリマー、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ポリマー複合材料、及びイオン性ポリマー金属複合材料（ＩＰＭＣ）である。
【００１０】
フィールド駆動ＥＡＰが、直接的な電気機械結合を通じて電場によって作動される一方で、イオン性ＥＡＰの作動機構は、イオンの拡散を伴う。どちらのクラスも、各々がそれ自身の利点及び欠点を持つ複数のファミリーメンバーを有する。
【００１１】
図１及び２は、ＥＡＰデバイスに関する２つの可能な動作モードを示している。
【００１２】
デバイスは、電気活性ポリマー層１４の反対側の電極１０、１２の間に挟まれた電気活性ポリマー層１４を含む。
【００１３】
図１は、クランプされていないデバイスを示しています。電圧を用いることで、電気活性ポリマー層が図示の全ての方向に膨張させられる。
【００１４】
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。電圧を用いることで、電気活性ポリマー層が湾曲され又は弓形に曲げられる。
【００１５】
この動きの性質は、例えば、作動された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の非対称な湾曲を得るために、例えば、一方向への動きを強いる分子の配向（フィルムの伸張）が適用され得る。
【００１６】
一方向での膨張は、ＥＡＰポリマーの非対称性に由来にし、又はキャリア層の特性の非対称性に由来し、又はこれら双方の組み合わせに由来し得る。
【００１７】
ＥＡＰデバイスの膨張及びその結果の動き若しくは形状の変化は、多くのケースで、外部コンポーネントに作動力を送達するために使用される。外部コンポーネントの性質に応じて、必要とされる力が異なることになる。一部のケースで、単一のＥＡＰレイヤ（層）を有するデバイスによって送達される力では、意図する目的に十分でないことがある。
【００１８】
電気活性ポリマーがアクチュエータを曲げる力を増大させる方法が知られている。例えば、アクチュエータをより厚くすることによって、力（及び電圧）が増す。しかしながら、これはまた、増大された内部応力及び剛性をもたらし、それ故に、たわみ（デフレクション）距離の低減を伴うことになる。
【００１９】
スタックにて複数の単一ＥＡＰ素子をラミネートすることも知られている。電圧の増大を必要とせずに、このいっそう厚いスタックによって送達される力は増大する。しかしながら、この場合も、大きくされた全体厚さの結果として、内部応力レベルが大きくなり、アクチュエータストロークが小さくなる。アクチュエータスタックの表面に向かって、ＥＡＰ層（又は裏張り材料若しくは電極）における引張応力および圧縮応力が大きくなる。これらの内部応力は、アクチュエータの効率を低下させ、故に、有効なエネルギー供給（これは、作動力×作動ストロークによって表されることができる）の低下が存在し得る。
【００２０】
従って、効率ひいてはエネルギー送達の低下の問題なしで、送達される力の増大を可能にするアクチュエータ設計のノーズが存在する。同様に、効率の上昇は、センサ用途に関して、印加力に応答したいっそう効率的な信号生成を可能にすることができる。
【発明の概要】
【００２１】
本発明の１つの目的は、上述のニーズを少なくとも部分的に満足することである。この目的は、独立請求項によって規定される発明を用いて達成される。従属請求項が有利な実施形態を提供する。
【００２２】
本発明の一態様に従った例によれば、曲げを感知する曲げアクチュエータデバイス又はセンサデバイスが提供され、
当該デバイスは、各々が少なくとも１つの電気活性ポリマー層と制御電極とを有する複数の電気活性ポリマーユニットのスタックを有し、上記制御電極は、上記駆動電極に印加される駆動信号に応答して変形するように上記少なくとも１つの電気活性ポリマー層を駆動し、又は、上記少なくとも１つの電気活性ポリマーの変形に応答して生成される信号を感知し、
スタック内の隣接する電気活性ポリマーユニットが互いに対して相対的にスライド可能である。
【００２３】
この構成は、高められた駆動電圧を必要とすることなく、トータルでの作動力の増大を可能にし、また、応力蓄積の問題を回避する。曲げの間、隣接する電気活性ポリマーユニットの間の境界面で相対的なスライドが起こり、それにより、応力蓄積が回避されるとともに、電気エネルギーから機械エネルギーへのいっそう効率的な変換、又は機械的な入力を電気的なセンス信号へと変換するための向上されたセンサ機能が可能にされる。
【００２４】
第１の構成において、電気活性ポリマーユニットは、互いに摩擦接触して、隣接する電気活性ポリマーユニットと積み重ねられる。この摩擦接触は、ユニットの相対的なスライドを可能にすることができ、この相対的なスライドが上述のようにユニット内の応力を緩和する。故に、ラミネートされた構造が画成されるが、ラミネート内のレイヤ間に固定した結合はない。その代わりに、積層方法ではユニット同士の位置を保つがスライド運動を可能にする機械的な結合が使用される。
【００２５】
各ユニットは、例えば、電気活性ポリマー層の両面に電極を有することができ、これら駆動電極は、低摩擦、弾性、又は粘性材料層から形成される。これらの電極層に適した材料を選択することにより、互いに接触させてユニットを積み重ねることは、ユニット間に低摩擦境界を与えることができる。
【００２６】
それに代えて、電気活性ポリマーユニットの各隣接ペア間に付加的な摩擦低減層が存在してもよい。これは、個々のＥＡＰユニットに従来材料を使用することを可能にしながら、スタック内の隣接ユニット間で摩擦が低減されることを可能にする。
【００２７】
一組の例において、摩擦低減層は、自立していてもよいし、あるいは、片面で電気活性ポリマーユニットに接合されていてもよい。これは、摩擦低減層の何れか一方の表面で相対的なスライドが起こること、又は両方の表面で相対的なスライドが起こることをもたらす。この場合、摩擦低減層は典型的に固体材料層を有する。
【００２８】
この固体材料層は、例えば、ＰＴＦＥ、フッ素重合体、織物、流体、ゲル、発泡体、又はフォイル（箔）を有し得る。
【００２９】
他の一組の例において、摩擦低減層は各面で電気活性ポリマーユニットに接合され、摩擦低減層は弾性層又は粘性材料層を有する。
【００３０】
斯くして、スタックは結び付けられる（これは、例えば、更なる機械的結合を不要にし得る）が、摩擦低減層が、（積層方向における）その両面間で相対的なスライドを可能にする。故に、摩擦低減層の材料内でのせん断（ずれ）が可能にされる。
【００３１】
他の一構成において、摩擦低減層はスペーサ構成を有する。これは、ユニット面積の大部分にわたるユニット間の接触を回避する。スペーサ構成は、接触を避けるとともに相対的なスライドを可能にするように位置付けられたスペーサを有する。
【００３２】
全ての例において、電気活性ポリマーユニット間に、積層方向での相対位置を固定するが面内方向での相対移動を可能にする機械的な結合が提供されてもよい。
【００３３】
当該デバイスは更に、スタックの面内位置を設定するホルダーを有し得る。このホルダーは、固定した取り付けをスタックに設けることの代わりに使用されることができ、それにより、スタックの曲げが制約されないようになる。例えば、スタックの四方に側方空間が存在してもよく、それにより、スタックは、面内での移動には或る制約量を有するが、垂直（すなわち、積層）方向には、とても大きいストローク及び力送達若しくは力感知能力を有するようにされる。
【００３４】
ホルダーは、ユニットのスタックが中に配置される凹部を持つハウジングを有し得る。ユニットのスタックを覆って、当該デバイスの入力インタフェース又は出力インタフェースを形成する蓋が配設され得る。ユニットのスタックは、例えば、スタックのユニット間の物理的な接続なしで、凹部の底面と蓋との間に挟み込まれ得る。
【００３５】
当該デバイスは、例えば、曲げアクチュエータを有する。積み重ねられた複数のアクチュエータを有することにより、当該デバイスによって送達される力が増大される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
次に、添付の図面を参照して、本発明の例を詳細に説明する。
【図１】クランプされていない既知の電気活性ポリマーデバイスを示している。
【図２】裏張り層によって制約されている既知の電気活性ポリマーデバイスを示している。
【図３】ＥＡＰアクチュエータデバイスの第１の例を示している。
【図４】図３のデバイスの機械的性能を、当該デバイスを構築する個々のアクチュエータを比較して示している。
【図５】（ａ）−（ｄ）は、アクチュエータを積み重ねる４つの異なる可能な手法を概要にて示しており、（ｅ）は、一例を更に詳細に示している。
【図６】ＥＡＰアクチュエータデバイスの第２の例を示している。
【図７】ＥＡＰアクチュエータデバイスの第３の例を示している。
【図８】ＥＡＰアクチュエータデバイスの第４の例を示している。
【図９】ＥＡＰアクチュエータデバイスの第５の例を示している。
【図１０】ＥＡＰアクチュエータデバイスの第６の例を示している。
【図１１】面内電極配置を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明は、電気活性ポリマーユニットのスタックを有する電気活性ポリマーアクチュエータ又はセンサデバイスを提供する。これらのユニットは、曲がるように設計され、すなわち、スタックレイヤ群の面外への変形、すなわち、積層方向での変形を生成又は感知するように設計される。スタック内の隣接する電気活性ポリマーユニット（すなわち、個々のアクチュエータ又はセンサユニット）は、互いに対して相対的にスライドすることが可能である。アクチュエータの場合、これが意味することは、高められた駆動電圧を必要とすることなく、増大された作動力が可能にされるとともに、それがまた、スタック内の個々のアクチュエータ間でのスライドを可能にすることによって応力蓄積の問題を回避する、ということである。可能にされるスライド運動は、積層方向に対して垂直な面内方向においてである。この相対的なスライド運動は、例えば、アクチュエータが曲がるときに必要とされる。というのは、スタック内の異なるレベルが異なる曲げ半径及び／又は弧の長さを経験することになるからである。結果として、層同士の間での相対的なせん断運動を可能にすることによって、それらの層に応力が築かれることが回避される。
【００３８】
スライド可能な構成は、異なるユニットが面内方向で互いに頑固に結び付けられていないことを意味する。
【００３９】
ここで、本発明を、様々なアクチュエータ設計を参照して説明する。しかしながら、同じ構造的機構がセンサとしても使用され得る。従って、以下の例は、アクチュエータのスタックを使用するが、より一般的には、それらは、アクチュエータユニット又はセンサユニットとし得るＥＡＰ“ユニット”である。
【００４０】
図３は、互いに物理的に摩擦接触して積み重ねられた３つのアクチュエータ３０、３２、３４を含む第１の構成を示している。各アクチュエータは、上で説明したようなレイヤ構造１０、１２、１４を有しており、図３には示されていないが、オプションでキャリア（裏張り）層を含む。
【００４１】
これらのアクチュエータは、平坦状態（実線で示す）と曲げ状態（点線で示す）との間で変形する曲げアクチュエータである。平坦状態は、実際には平坦である必要はなく、曲げ状態よりも大きい曲率半径を有する曲がりを有していてもよい。表現の容易さのために、以下の例の一部（特に、図６−１０）では平坦状態のみを図示している。疑義を避けるため、ここでの全ての例は曲げアクチュエータである。
【００４２】
摩擦接触は、アクチュエータの相対的なスライドを可能にし、この相対的なスライドは、アクチュエータ内の応力を緩和する。従って、ラミネートされた構造が画成されるが、ラミネート内のレイヤ間に固定した結合はない。その代わりに、積層方法ではアクチュエータ同士の位置を保つが垂直な面内方向ではスライド運動を可能にする機械的な結合（図３には示さず）が使用される。
【００４３】
この機械的結合は、積層方向に延在する接続部を有し得る。例えば、変形されるときのアクチュエータの動き方が対称であるよう制約されるように、中央接続部が、異なるアクチュエータの面内相対位置を固定し得る。
【００４４】
それに代えて、アクチュエータのスタックが、スタックのアクチュエータの横方向位置を固定するハウジングの中に配設されてもよい。
【００４５】
図３の構造を試験して、作り出され得る作動力を、この構造を構成する個々のユニットによって達成され得る作動力と比較した。
【００４６】
図４は、生成される作動力（ｙ軸）の変位（ｘ軸）に対するプロットを示している。変位は、平坦からの逸脱（すなわち、平坦からの最大高低差での逸脱）として測定されている。
【００４７】
プロット４０、４２及び４４は、３つの個々のアクチュエータ応答に関するものである。プロット４６は、結合されたアクチュエータに関するものである。プロット４８は、期待される応答の理論計算に基づいている。
【００４８】
全ての測定が、２５０Ｖにおいてである。電気活性ポリマーを用いることで、或る最大の力を生成することができるが、これは、変位のない状態に対応する。あるいは、或る最大の変位を得ることができるが、その場合、それは力を生成することができない。従って、各変位（曲がったアクチュエータの高さ）において、その位置で力測定プローブに対してアクチュエータが生成することができる力が測定される。これは、アクチュエータを非常に僅かに曲げ、次いで、ＥＡＰが変形し始めるまで外力を増大させ、それがその平坦状態に達するまでそうすることによって決定され得る。斯くして、ゼロの曲げ高さでの最大の力が取得される。そして、ＥＡＰに印加される外力が次第に減少され、ＥＡＰが曲がり始める。斯くして、常に同じ駆動電圧において、各高さでの力が測定される。
【００４９】
トータルの作動力は、個々のアクチュエータの力の合計である。各アクチュエータ素子が、ＥＡＰ層（それ自体が複数のサブレイヤを有していてもよい）と、電極層と、裏張りのキャリア層とを有する。
【００５０】
図３は、各アクチュエータが、電気活性ポリマー層の両面に駆動電極１０、１２を有し、これらの駆動電極が互いに接触していることを示している。
【００５１】
そのような場合、隣接する電極上の電圧は同じである必要がある。ＥＡＰ作動は印加電圧の極性に関して対称であるので、隣接する層に印加される電圧を実際に同じにしながら、なおも全てのユニットを作動させ得る。例えば、底部電極を＋１２０Ｖに設定し、次の接合部の電極対を−１２０Ｖに設定し、次の接合部の電極対を＋１２０Ｖに設定し、以下同様とし得る。従って、隣接する電極間に電気絶縁を設ける必要はない。
【００５２】
ＥＡＰデバイスに使用されている標準的な電極材料が、摩擦（しかし、非接合）界面を画成するように接触させられ得る。しかしながら、電極は、その代わりに、低摩擦、弾性又は粘性材料層から形成されてもよい。電極層に適した材料を選択することにより、互いに接触させてアクチュエータを積み重ねることは、アクチュエータ間にいっそう低摩擦の境界面を与えることができる。
【００５３】
図５は、接合されたラミネート構造との比較のための３つの可能な構成を示している。
【００５４】
図５（ａ）は、互いに接合された２つのアクチュエータ（各々が、キャリア層と、２つの電極層と、ＥＡＰ層とを有する）を示している。これらは、１つのユニット（点線によって示す）として変形して、大きめの半径の外表面に大きい引張応力を生じ、小さめの半径の内表面に大きい圧縮応力を生じる。
【００５５】
図５（ｂ）は、緩く積み重ねられた２つのアクチュエータ（ここでも、各々が、キャリア層と、２つの電極層と、ＥＡＰ層とを有する）を示している。相対的にスライドすることを有して、各々が独立に変形する。
【００５６】
図５（ｃ）は、図５（ｂ）の２つのアクチュエータが、例えば中央といった１つの位置で、共に固定されてもよいことを示している。
【００５７】
図５（ｄ）は、図５（ｂ）の２つのアクチュエータが、横方向の動きを制約するキャビティ内に固定されてもよいことを示している。
【００５８】
図５（ｅ）は、図５（ｄ）の実装を更に詳細に示している。
【００５９】
キャビティ５０は、スタックの面内位置を設定するためのホルダー５１の凹部である。これは、各ユニットのＥＡＰ層１４に対する（面内方向の）固定した取り付けを不要にし、それ故に、スタックの曲げが制約されない。例えば、キャビティ５０内にあるスタック内のＥＡＰ層１４（及び電極層）の四方に側方空間５２が存在し、それにより、スタックは、面内での移動には或る制約量を有するが、垂直（すなわち、積層）方向には、とても大きいストローク及び力送達若しくは力感知能力を有するようにされる。スタックを凹部の中心に置くためにアンカー部５３を使用することができ、これらのアンカー部５３が、個々のユニット各々の支持基板１５を位置付ける。このように位置付けることは、摩耗を生じさせる望ましくない横方向変位を防止するが、力の送達又はセンサ機能に悪影響を及ぼすことはない。アンカー部５３は、支持基板１５に固定されることなく、幾何学的な嵌合を用いて支持基板１５と接触する。
【００６０】
このデバイスは、アクチュエータ出力又はセンサ入力として機能する蓋５４を有する。それは、変形可能な機械接続５５によってハウジング５１に接続されている。電極層１０、１２に対するフレキシブルな電気接続５６が、キャビティ５０に通じる貫通開口を通して為される。
【００６１】
スタック内のユニットを単に凹部５０の底面と蓋５４との間に挟み込むことによって、スタック内の異なるユニット間の接続を回避することが可能である。
【００６２】
アクチュエータ素子の設計及び表面状態に依存して、ゆるく積み重ねられた１つ１つの素子間の摩擦が、送達され得る有効エネルギーを望ましくないレベルまで低下させる内部応力を生成することがあり得る。
【００６３】
図６は、この問題に対処するための一設計を示しており、隣接アクチュエータ間の摩擦を低減させるものである。アクチュエータ３０、３２、３４の各隣接ペア間に付加的な摩擦低減層６０が存在している。これは、個々のＥＡＰアクチュエータに従来材料を使用することを可能にしながら、スタック内の隣接アクチュエータ間で摩擦が低減されることを可能にする。
【００６４】
この素材は、例えば、ＰＴＦＥ、その他のフッ素重合体、織物、流体、ゲル、発泡体、表面テクスチャを有するフォイル（箔）、又は一般に何らかのコンフォーマブル材料といった、低摩擦フォイルとし得る。
【００６５】
図６は、層６０が、隣接するアクチュエータに物理的に接続されておらず、その代わりに、自立した層を有することを示している。故に、摩擦低減層６０の両面で相対的なスライドが起こり得る。
【００６６】
摩擦低減層は、それに代えて、図７に示されるように、一方の面で電気活性ポリマーアクチュエータに接合されてもよい。これは、摩擦低減層の一方の表面で相対的なスライドが起こることを意味する。
【００６７】
この場合、摩擦低減層は、アクチュエータのうちの１つに接合され得るように固体材料層を有する。この接合は、コーティングプロセス又はラミネーションプロセスによるものとし得る。
【００６８】
この固体材料層は、例えば、ＰＴＦＥ、フッ素重合体、織物、流体、ゲル、発泡体、又はフォイルを有し得る。
【００６９】
図８の例では、摩擦低減層が、各面で電気活性ポリマーアクチュエータに接合されている。この場合、摩擦低減層は、弾性層、又は粘性材料層、又はその他の方法で両側の層に従う層を有する。この場合も、摩擦低減層は、例えばコーティングプロセス又はラミネーションプロセスによって、２つのアクチュエータに接合され得るように固体材料層を有する。
【００７０】
斯くして、スタックは結び付けられる（これは、例えば、更なる機械的結合を不要にし得る）が、摩擦低減層が、（積層方向において反対側である）その両面間で相対的なスライドを可能にする。故に、摩擦低減層の材料内でのせん断（ずれ）が可能にされて、その両面が、それぞれの面上のアクチュエータの形状及び横方向位置に局所的に従うことができるようになる。
【００７１】
図９に示すような他の一構成において、摩擦低減層はスペーサ構成８０を有する。これは、アクチュエータの面積にわたる一組のスペーサを提供する。これは、それらの面積の大部分にわたるアクチュエータ間の接触を回避する。スペーサ構成は、接触を避けるとともに相対的なスライドを可能にするように位置付けられた複数のスペーサを有する。上述のような機械的結合又は囲いが、積層方向における相対的な位置を固定するが、面内方向での相対的な動きを可能にする。
【００７２】
上述のように、相対的な面内位置（オプションで、単一の基準点以外）を固定しない機械的結合が使用されてもよい。これは、より厚いスタックに関して、又は大きい変位が想定される場合に、特に関心あるものである。従って、固定した物理的締め付け又は接着よりも、幾何学的な接続が使用され得る。
【００７３】
図１０は、図１０（ｂ）に示すようなフレーム９０がスペーサ構成として機能する一構成を示している。フレームが接着剤スタック９２によって一方のアクチュエータに取り付けられることで、フレーム９０とそれが接触する他方のアクチュエータとの間で相対的なスライドが起こるようにされる。
【００７４】
図１０はまた、（知られているように）曲げを制約するために使用される支持体９４を示している。
【００７５】
以上のその他の例は全て、基準点として機能する外部のフレーム又は構造に対する例えば支持体９４などの固定点を含むことになる。
【００７６】
以上の例は、３つのＥＡＰアクチュエータのスタックに基づいている。スタックには、僅か２つのアクチュエータが存在してもよいし、何十個ものアクチュエータが存在してもよい。
【００７７】
従って、例えば、スタック内に２個と１０個との間のアクチュエータが存在し得る。各アクチュエータが単一のＥＡＰ層を有し得るが、各々がまた、それ自身の複数のＥＡＰ層のラミネート構造を有していてもよい。
【００７８】
以上の例は、自身を膨張させるように作動される電気活性ポリマー層を利用しており、そして、この膨張が曲げ運動へと変換される。
【００７９】
電極構成は、上で示したように電気活性ポリマー層の両面上に電極を有し得る。これらは、ＥＡＰ層の厚さを制御する横断電界を提供する。代わってこれが、この層の面内でのＥＡＰ層の膨張又は収縮を生じさせる。
【００８０】
電極構成は、それに代えて、電気活性ポリマー層の片面上に一対の櫛形電極を有していてもよい。これは、面内でのこの層の寸法を直接的に制御する面内電界を提供する。この場合も、これが、曲げを誘起するために使用され得る。上述のスタック構造も適用され得る。図１１は、各アクチュエータのＥＡＰ層の片面のみに適用され得る一対のインターリーブされた櫛形電極１００、１０２を示している。
【００８１】
上述のように、同じ構造がセンサとして使用され得る。外部誘起された曲げが電場の変化を生成し、それが電極上に測定可能な信号を生じさせる。
【００８２】
スタック内の個々のユニットは、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍの寸法を有し得る。非限定的な典型サイズ範囲は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍから２ｍｍ×２ｍｍ×０．１ｍｍとし得る。
【００８３】
ＥＡＰ層に適した材料は知られている。電気活性ポリマーは、以下に限られないが、圧電ポリマー、電気機械ポリマー、リラクサ強誘電性ポリマー、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、イオン性ゲル、及びポリマーゲルというサブクラス（下位分類）を含む。
【００８４】
電歪ポリマーのサブクラスは、以下に限定されないが、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン−クロロフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン−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、又はそれらの混合物を含む。
【００８５】
誘電エラストマーのサブクラスは、以下に限定されないが、アクリレート、ポリウレタン、シリコーンを含む。
【００８６】
共役ポリマーのサブクラスは、以下に限定されないが、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）、ポリアニリンを含む。
【００８７】
印加電界に応答したＥＡＰ層の挙動に影響を及ぼすよう、追加の受動層を設けられてもよい。
【００８８】
ＥＡＰ層は、電極間に挟まれ得る。電極は、それらがＥＡＰ材料層の変形に追従するように伸張可能とし得る。電極に適した材料も知られており、例えば、金、銅、又はアルミニウムなどの薄い金属膜、又は例えばカーボンブラック、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（スチレンスルホン酸）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ））などの有機導電体からなる群から選択され得る。例えば、（例えばアルミニウムコーティングを用いて）金属化された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膜も使用され得る。
【００８９】
これら様々な層の材料は、例えば、これら様々な層の弾性率（ヤング率）を考慮して選択されることになる。
【００９０】
デバイスの電気的又は機械的挙動を適応させるために、上述したものへの追加の層（例えば追加のポリマー層など）が使用されてもよい。
【００９１】
ＥＡＰデバイスは、電界駆動デバイス又はイオンデバイスとし得る。イオンデバイスは、イオン性ポリマー金属複合材料（ＩＰＭＣ）又は共役ポリマーに基づき得る。イオン性ポリマー金属複合材料（ＩＰＭＣ）は、印加された電圧又は電界の下で人工筋肉の挙動を示す合成複合ナノ材料である。
【００９２】
ＩＰＭＣは、表面が、例えば白金若しくは金などの導電体又は炭素系電極で、化学的にめっきされた、又は物理的に被覆された、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）又はＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）のようなイオン性ポリマーからなる。印加電圧の下で、ＩＰＭＣのストリップを横切って課された電圧に起因するイオンの移動及び再分布が、曲げ変形をもたらす。このポリマーは、溶媒膨潤されたイオン交換ポリマーメンブレンである。電界が、カチオンを水とともにカソード側に進行させる。これは、親水性クラスターの再編成及びポリマー膨張につながる。カソード領域における歪みが、ポリマーマトリクスの残りの部分における応力につながって、アノード側への曲げを生じさせる。印加電圧を逆にすることは、曲げを逆にする。
【００９３】
めっきされた電極が非対称構成で配置される場合、課された電圧は、例えば、ツイスト、ロール、トーション、ターン、及び非対称な曲げ変形などの、あらゆる種類の変形を誘起し得る。
【００９４】
このデバイスが単一のアクチュエータとして使用されてもよいし、あるいは、例えば２Ｄ又は３Ｄの輪郭の制御を提供するために、列又はアレイをなす複数のデバイスが存在してもよい。
【００９５】
本発明は、アクチュエータのパッシブマトリクスアレイに関心ある場合の例を含め、多くのＥＡＰ用途に適用されることができる。
【００９６】
多くの用途において、製造物の主な機能は、ヒト組織の（局所的な）操作、又は組織接触境界面の作動を当てにする。そのような用途において、ＥＡＰアクチュエータは、小さいフォームファクタ、柔軟性、及び高いエネルギー密度に主に起因して、特有の利点を提供する。従って、ＥＡＰは、軟らかい、３Ｄ形状をした、且つ／或いは小型の製造物及び境界面に、容易に統合されることができる。そのような用途の例は、以下である：
例えば、皮膚にハリを与えたり皺を減らしたりするために皮膚に一定又は周期的な伸張を適用するＥＡＰベースの皮膚パッチの形態の皮膚作動装置などの、皮膚美容処置；
顔の赤い跡を抑制又は防止する交番正常圧力を皮膚に提供するための、ＥＡＰベースのアクティブ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装置；
適応シェービングヘッドを備えた電気シェーバであり、密接性と刺激との間のバランスに影響を与えるために、ＥＡＰアクチュエータを用いて皮膚接触面の高さを調節することができる電気シェーバ；
例えば、特に歯間の隙間において、スプレイの到達範囲を改善するために動的なノズルアクチュエータを用いるエアーフロスなどの、口腔洗浄装置であり、それに代えて、歯ブラシが、アクティブにされるタフトを備えていてもよい、口腔洗浄装置；
ユーザインタフェースの中又は近くに統合された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家電機器又はタッチパネル；
蛇行した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有するカテーテル。
【００９７】
ＥＡＰアクチュエータの恩恵を受ける別カテゴリーの関連用途は、光の変更に関する。ＥＡＰアクチュエータを用いた形状又は位置の適応によって、例えばレンズ、反射面、回折格子などの光学素子を適応可能なものにすることができる。ここでのＥＡＰの利点は、例えば、低めの電力消費である。
【００９８】
開示の実施形態への他の変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、特許請求される発明を実施する際に当業者によって理解されて実現され得る。請求項において、用語“有する”はその他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数を排除するものではない。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。請求項中の如何なる参照符号も、範囲を限定するものとして解されるべきでない。
【要約】
曲げを感知する曲げアクチュエータデバイス又はセンサデバイスは、電気活性ポリマーユニットのスタックを有する。スタック内の隣接する電気活性ポリマーユニットは、互いに対して相対的にスライドすることが可能である。これが意味することは、例えばアクチュエータについて、高められた駆動電圧を必要とすることなく、増大された作動力が可能にされるとともに、それがまた、ユニット間でのスライドを可能にすることによって応力蓄積の問題を回避する、ということである。【図１】
0006310622.tif 000002
【図２】
0006310622.tif 000003
【図３】
0006310622.tif 000004
【図４】
0006310622.tif 000005
【図５（ａ）】
0006310622.tif 000006
【図５（ｂ）】
0006310622.tif 000007
【図５（ｃ）】
0006310622.tif 000008
【図５（ｄ）】
0006310622.tif 000009
【図５（ｅ）】
0006310622.tif 000010
【図６】
0006310622.tif 000011
【図７】
0006310622.tif 000012
【図８】
0006310622.tif 000013
【図９】
0006310622.tif 000014
【図１０（ａ）】
0006310622.tif 000015
【図１０（ｂ）】
0006310622.tif 000016
【図１１】
0006310622.tif 000017