JP6457151B2 - 電気活性又は光活性ポリマーに基づくアクチュエータ又はセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気活性ポリマー又は光活性ポリマーを使用するアクチュエータ及び／又はセンサ装置に関する。

電気活性ポリマー（Electroactive Polymers：EAPs）及び光活性ポリマーを使用して、電気刺激又は光刺激に基づいて負荷に力を加えることができる。

電気活性ポリマーは、特に、電気応答材料の分野における新興の種類の材料である。ＥＡＰは、センサやアクチュエータとしても機能し、且つ様々な形状に容易に製造でき、多種多様なシステムに容易に統合できる。

作動応力やひずみ等の特性を有する材料が開発されており、その特性は過去１０年間に亘り著しく改善されてきた。技術的リスクは、製品開発の許容可能なレベルにまで低下しており、それによってＥＡＰは商業的且つ技術的に関心を高めている。ＥＡＰの利点には、低電力、小さいフォームファクタ（form factor）、柔軟性、ノイズの少ない動作、精度、高分解能、高速応答時間、及び周期作動等がある。

ＥＰＡ材料の改善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。

ＥＡＰ装置は、電気的作動に基づいて、構成要素又は機構の少量の動きが所望されるあらゆる用途で使用することができる。同様に、この技術は、小さな動きを感知するためにも使用できる。

ＥＡＰを使用することにより、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で比較的大きな変形と力との組合せにより、以前は不可能であった機能を可能にし、又は一般的なセンサ／アクチュエータ解決策よりも大きな利点を提供することができる。ＥＡＰは、また、ノイズの少ない動作、正確な電子制御、高速応答、及び０〜２０ｋＨｚ等の広範囲の可能な作動周波数を与える。

電気活性ポリマーを使用する装置は、電界駆動型（field-driven）材料及びイオン駆動型材料に細分化することができる。

電界駆動型ＥＡＰの例は、誘電エラストマー、電歪ポリマー（ＰＶＤＦベースのリラクサー（relaxor）ポリマー又はポリウレタン等）、及び液晶エラストマー（LCE）である。

イオン駆動型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。

電界駆動型ＥＡＰは、直接的な電気機械結合による電界によって作動されるが、イオン性ＥＡＰの作動機構は、イオンの拡散を伴う。どちらのクラスにも複数の系列要素（family member）があり、それぞれに長所と短所がある。

図１及び図２は、ＥＡＰ装置の２つの可能な動作モードを示す。

この装置は、電気活性ポリマー層１４の両側で電極１０，１２の間に挟まれた電気活性ポリマー層１４を含む。

図１はクランプされていない装置を示す。図示されるように、電気活性ポリマー層をあらゆる方向に拡張（expand）させるために電圧が使用される。

図２は、拡張が一方向のみに生じるように設計された装置を示す。この装置は、キャリア層１６によって支持されている。電気活性ポリマー層を湾曲又は撓ませるために電圧が使用される。

この動きの性質は、例えば、作動されると拡張する活性層と、受動キャリア層との間の相互作用から生じる。図示されるような軸線の周りの非対称の湾曲を得るために、例えば分子配向（フィルムの延伸）を適用して、動きを一方向に強制することができる。

一方向の拡張は、ＥＡＰポリマーの非対称性から生じ得るか、又はキャリア層の特性の非対称性、又は両方の組合せから生じ得る。

ＥＡＰ装置の拡張及びそれに伴う移動又は形状の変化は、多くの場合、外部部品に作動力を伝達するために使用される。

対称のたわみを誘起する曲げＥＡＰアクチュエータ又はセンサを取り付けるために様々な既知の方法がある。いくつかの例が図３に示される。ＥＡＰ層３０は、受動バッキング層３２上に設けられており、ＥＡＰ層は、その活性化された（拡張された）状態で示されている。

図３（ａ）は、平面内を自由に摺動する端部を示す。能動ＥＡＰ層の拡張によって誘起された湾曲は、そのＥＡＰ層を上向きに撓ませる。

図３（ｂ）は、各端部にヒンジ装置を有する単に支持された設計を示す。

図３（ｃ）は、各端部に固定クランプを有するクランプされた配置を示す。

これらの方法は全て、それ自体の欠点を有し、力又は変位のいずれか、或いはその両方を制限する。

自由端は、アクチュエータ中央の変位を大きくさせるが、アクチュエータの力は制限され、アクチュエータのエッジの水平方向の小さい動きは、機械的摩耗を生じさせる。

単に支持されたアクチュエータは、大きな力と組み合わされたアクチュエータ中央の大きな変位を可能にするので、理論的な観点からは理想的である。機械部品（例えばベアリング）に必要なスペースと、機械的な複雑さ及び信頼性（余分に動く機械部品）とのために、小さなフォームファクタによるヒンジの実際的な実装は困難である。これはまた、予測できない及び／又は制御できない摩擦、磨耗、及び遊びを有する。

例えばクランプ又は接着による機械的固定は、簡単であり、大きな力を伝達させることができる。しかしながら、主な欠点は、固定点付近の抑制された垂直方向の変位能力である。これにより、アクチュエータ中央の変位が大幅に減少する。

これらの既知の固定方法の欠点は、力と、変位と、機械的複雑さとの間のトレードオフをもたらす。

従って、大きな耐荷重能力の利点を維持しながら、固定端を有する（すなわち、小さなたわみとなる）という欠点を有さない設計が必要である。

本発明の目的は、上記の必要性を満たすことである。独立請求項によって規定される本発明により、この目的は少なくとも部分的に達成される。従属請求項は、有利な実施形態を提供する。

本発明によれば、作動刺激を与えられると作動する活性層と、活性層が直接的に又は間接的に取り付けられる受動キャリア層（他の層又は力伝達層）を含む作動及び／又はセンサ装置が提供され、これらの層の順序は、作動装置の異なる領域／部分で逆になっている。

異なる積層順序の受動キャリア層及び活性層を異なる領域に設けることにより、活性装置内の内力をより効果的に使用して変位又は力を伝達させることができる。こうして、図４を参照すると、順序反転を有さない従来技術の装置の問題は、クランプされた端部の近くに生成されたモーメント４０によって生じる。このモーメントは、アクチュエータ中央の変位に対して作用する。その結果、中央の変位４２が制限される。本発明によって規定されるような固定端の近くの受動キャリア層の上部／底部の位置を逆転させることにより、曲げモーメントは、アクチュエータ中央の所望の変位方向に作用し、こうしてアクチュエータ中央の所望の変位に追加される。

「作動装置」という用語は、作動信号で刺激する際に変形を与えることができる装置を一般的に指すために使用され、作動装置内に存在する光活性及び／又は電気活性ポリマーの一部又は全部を刺激することによって変形が生じる。こうして、本発明の装置は、その作動信号のために電気信号（電圧及び／又は電流）を必要とする電気活性ポリマーを含むことができ、その作動信号のために放射線信号（例えば、紫外−可視光等のＵＶ光信号、可視光線、赤外線、近赤外線）を必要とする光活性ポリマーを含むことができ、又はその両方を含むことができる。１つの材料に両方の特性を有する材料が存在してもよい。

活性層及び受動キャリア層は、機械的に伝達するように配置されている。すなわち、作動層の作動は、キャリア層の受動的な存在によって影響される（例えば、その受動キャリア層の存在が作動装置の湾曲を生じさせる図２参照）。それら活性層及び受動キャリア層は、好ましくは、それら活性層と受動キャリア層との間の少なくとも１つの界面を介して互いに部分的に又は全体的に機械的に取り付けられている。あるいはまた、それら活性層及び受動キャリア層は、電気的又は磁気的な力を介して伝えるように接続又は取り付けることができる。それら活性層と受動キャリア層との間に１つ又は複数の層を貼り付けてもよい。

活性層は、その内部に電気活性材料及び／又は光活性材料を含むマトリックス材料を有することができる。活性層はまた、好ましくは１種類の電気活性ポリマー又は光活性ポリマーから構成される１つ又は複数の連続層を有することができるが、複数の電気活性ポリマー又は光活性ポリマーから構成してもよい。活性層は、電気活性ポリマー又は光活性ポリマーの異なる層のスタックを有することができる。

作動装置において１つの層の順序反転（活性層対受動キャリア層の順序反転）を有することは、たとえその装置が２つの固定端の間でクランプされていても、上述したようにその特性を改善する。機能をさらに向上させるためには、固定端毎に層順序を１つ逆転させることである。こうして、作動装置が２つの端部の間でクランプされるとき、作動装置に層順序の２つの反転点があることが好ましい。固定された両端部の間に、曲率が１つのタイプ（すなわち、凸状又は凹状）である２つの領域と、曲率が反対のタイプの１つの領域とに対応する正確に３つの領域があることが好ましい。

装置は、装置のベースに対して中間部で上向きに屈曲するように適合されてもよく、キャリア層は、その端部において又はその端部に隣接して活性層の上にあり、活性層は、中間領域においてキャリア層の上にある。「上向きに」は、装置のベースから離れる方向を意味するために使用されることを理解されたい。装置は、重力の方向に対して任意の向きに取り付けることができる。

これは、変形後に、作動装置が３つの屈曲部分で変形する（０〜３６０度までの負の余弦関数形状に類似している）ため、活性層が、常により長い側にあることを意味する。作動装置は、凹部と凸部との間の曲率の変化する方向に一致させるように３つのゾーンに分割される。

作動装置は、活性層及び受動キャリア層によって固定された両端部に接続することができる。これにより、端部に確実に機械的に固定される。代わりに、作動装置は、活性ポリマー層のみによって固定された両端部に接続してもよい。これにより、端部でのより大きなたわみが可能になる。

異なる設計を使用して、変位距離と利用可能な作動力との間で異なる妥協点を設定することができる。

受動キャリア層は、端部分と中間部分とを含み、中間部分は、端部分に対して、連続的な活性層の反対側に取り付けられる。このバージョンでは、キャリア層を単一の活性層の両側で異なる部分に分割する。

あるいはまた、活性層は、端部分と中間部分とを含み、中間部分は、端部分に対して、連続的な受動キャリア層の反対側に取り付けられる。このバージョンでは、活性層を単一のキャリア層の両側で異なる部分に分割する。キャリア層は、典型的にはより強固であり、こうして、作動装置のより良好な連続支持を与えることができる。

一例では、非作動状態では、作動装置を予め曲げた状態で形成することができる。これは、静止している作動装置の長さと比較して端部の適切な間隔調整によって達成され得る。

別の例では、非作動状態では、作動装置は平坦であり、装置は、作動時に作動装置を所望の方向に屈曲させるための予備成形機構を含む。これにより、よりコンパクトな設計が可能になる。

装置、又は作動装置、又は活性層は、作動層、従って電気活性ポリマーの１つ又は複数の部分に作動信号を供給するための１つ又は複数の電極を含むことができる。

この装置は、作動装置又は活性層を作動させるための放射線信号（例えば、紫外線、紫外−可視光、可視光線、赤外線、又は近赤外線）を供給する光学装置を有することができる。そのような光学装置は、作動放射線を操作するための多数の素子のうちの１つ又は複数を含むことができる。そのような素子には、レンズ、ミラー、ガイドワイヤ又は他の放射線ガイド、プリズム、スプリッタ、フィルタ、スイッチ、偏光子が含まれる。光学装置は、（例えば、その光学装置が活性層に取り付けられた光ガイドの形態である場合に）作動装置の一部又は全部を有することができる。

電極又は光学装置は、作動装置又は活性層の異なる部分を独立して駆動／作動させるように構成することができる。このような作動のセグメント化は、アクチュエータ中央の変位方向に作用する機械的モーメントを改善することができる。

受動キャリア層は、１組の表面チャネルを含むことができる。これは、変位をより容易に生じさせるために使用することができる非対称基板を規定する。

活性層は、例えば非作動状態では平面であってもよい。

クランプされていない既知の電気活性ポリマー装置を示す図である。 バッキング層によって拘束される既知の電気活性ポリマー装置を示す図である。 曲げＥＡＰアクチュエータを支持する３つの異なる方法を示す図である。 ２つの端部同士の間の固定支持の問題を説明するために使用される図である。 ＥＡＰアクチュエータ装置の第１の例を概略的な形態で示す図である。 図５の装置の実装形態を示す図である。 ＥＡＰアクチュエータ装置の第２の例を示す図である。 比較の目的でシミュレートされた３つの設計オプションを示す図である。 図８の３つの設計オプションのシミュレーション結果を示す図である。 ＥＡＰアクチュエータ装置の第３の例を示す図である。 ＥＡＰアクチュエータ装置の第４の例を示す図である。 ＥＡＰアクチュエータ装置の第５の例を示す図である。 ＥＡＰアクチュエータ装置の第６の例を示す図である。

本発明の例について添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、（電気活性及び／又は光活性ポリマーを含む）活性層と受動キャリア層とを有するアクチュエータ装置を含むアクチュエータ及び／又はセンサ機器を提供し、アクチュエータ装置は固定された両端部の間に延びる。ポリマー装置は、受動キャリア層と活性ポリマー層とを含み、端部において又は端部に隣接して、キャリア層及び活性ポリマー層は、第１の順序で一方が他方の上に取り付けられ、端部同士の間の中間領域において、キャリア層及び活性層は、逆の順序で取り付けられる。

これにより、電気活性ポリマー装置内の内部応力及びモーメントをより効果的に使用して、変位又は作動力に寄与させることができる。

本発明は、１つ又は複数の電気活性ポリマー層を使用する様々なアクチュエータ設計を参照して説明される。しかしながら、同じ構造的特徴をセンサとして使用することもできる。従って、以下の例は、アクチュエータの状況で説明するが、より一般的には、アクチュエータユニット又はセンサユニットとなり得るＥＡＰ装置である。さらに、活性ＥＡＰ層の目的は、電気的作動信号に応答して拡張又は収縮することである。代わりに光刺激に応答する光活性ポリマー層によって同じ機能を実施することができる。電気活性ポリマー及び／又は光活性ポリマーとして使用することができるポリマーについて、以下で説明する。

図５は、ＥＡＰアクチュエータ装置の第１の例を示す。

この例は、電気活性ポリマー（EAP）の形態の活性層３０を有する。活性層３０は、対向する端部クランプ５０ａ，５０ｂの間に延びる。ＥＡＰ層は、受動キャリア層３２との相互作用の結果として拡張されたときに、屈曲する。キャリア層は、屈曲を所望の方向に制限する。キャリア層及び活性ＥＡＰ層は共に、「作動装置又はさらにはＥＡＰ装置」と考えることができる。

キャリア層は３つの部分を含む。第１及び第２の部分３２ａ，３２ｂは、ＥＡＰ層の各端部において、クランプ５０ａ，５０ｂへの接続部にある。これら第１及び第２の部分は、ＥＡＰ層３０の上部にあり、ＥＡＰ層が拡張すると、これらの部分３２ａ，３２ｂで上向きに屈曲する（上から見ると凸形状であり、下から見ると凹形状である）。第３の中央部分３２ｃは、ＥＡＰ層の中間部分の下にある。ＥＡＰ層が拡張すると、この第３の部分が下向きに屈曲する（上方から見ると凹形状であり、下から見ると凸形状である）。従って、全体的な形状は、異なる領域で凹凸状になり、屈曲の方向を制御するために予備成形が用いられる。

このように、クランプの近くのキャリア層の位置が逆転され、それによりクランプの近くのモーメント４０が、アクチュエータ端部の変位に対してではなく、アクチュエータ中央の変位４２に作用する。結果として、アクチュエータ中央の変位４２は、図４に示されるような受動キャリア層を片面に有するアクチュエータと比較して増大する。

最適な幾何学的形状及び改善係数は、モデリング及び／又はテストによって決定してもよい。ＥＡＰ層及びキャリア層は、活性化されたときにＥＡＰが拡張するので、キャリア層が常により短い曲線側になるように変形する。

有限要素シミュレーションが、様々な設計の実現可能性を評価するために実施された。活性層は、マクスウェル応力によって記述される電気機械力を含むNeo-Hookeanソリッドとしてモデル化される。使用されるデフォルト寸法及び特性は次の通りである。

ベースラインを設定するために、図３に示されるような従来の固定アクチュエータのシミュレーションを最初に実施した。得られた最大のたわみは０．２８４ｍｍであり、最大力は０．２５Ｎであった。

図６は、図５の構造の実装形態を示す。ＥＡＰ層３０及び３つの部分のキャリア層３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、フレーム６０に取り付けられる。端部は、棚部６２に載置されており、リング又は接着剤６４によって定位置にクランプされる。フレームの中央では、アクチュエータのたわみを所望の方向に案内するために、予備成形された小さな隆起部６６が導入される。キャリア層部分は、位置６７の各側で互いに重なり合う。これは、変位に大きな影響を及ぼさないが、これらの点における応力集中及び高せん断荷重の問題を回避する。

実行されたシミュレーションは、作動状態でのたわみが０．６９ｍｍであり、最大力が０．８Ｎであることを示した。力及びたわみの両方がベースラインの場合よりも高い。

予備成形された隆起部を使用する代わりに、予備成形は、クランプ５０ａ，５０ｂを互いに向けて移動させ、アクチュエータが初期曲率を有するようにすることによって達成される。これは、アクチュエータがその作動状態で耐え得る力の量を著しく増大させることができる。このようなバージョンの有限要素解析では、図６の例で得られたものよりも半分未満の０．３３ｍｍの有効たわみが示されているが、この場合の可能な最大負荷は２．９２Ｎであり、図６の例で得られたものよりも数倍高い。

図７は別の例を示す。図６との違いは、クランプ５０ａ，５０ｂの直前でＥＡＰ層３０が終了し、キャリア層の第１及び第２の部分３２ａ，３２ｂのみがクランプされることである。

こうして、キャリア層のエッジ部分３２ａ，３２ｂは活性ＥＡＰ層３０を越えて延び、装置はこれらの伸長部を用いて固定される。

図８は、比較のために３つの可能な接続方式を示す。図８（ａ）は、クランプ同士の間に延びる活性ＥＡＰ層のみを示す。図８（ｂ）は、積み重ねられた活性ＥＡＰ層及び受動キャリア層を示しており、両方の層がクランプされている。図８（ｃ）は、上述したようなセグメント化されたキャリア層を含み、ＥＡＰ層３０のみが各端部にクランプされたアクチュエータを示す。

各アクチュエータは、所望の方向へのたわみを確実にするためにこれに等しい量だけ最初に予備成形される。アクチュエータを撓ませるために電圧が印加され、その後、アクチュエータの中央に加えられる力は、アクチュエータがゼロ又はそれ以下のたわみに押し戻されるまで徐々に増大する。力−たわみ曲線を図９に示す。

活性ＥＡＰ層のみを有する図８（ａ）のバージョンは、最大たわみを示すが、これはプロット８０に示されるような力が制限される。図８（ｂ）の積み重ねられたアクチュエータは、プロット８２によって示されるように、たわみが減少する。図８（ｃ）のアクチュエータは、活性層のバージョンよりも約３０％少ないたわみをもたらすが、４００％以上の力に耐えることができる。これはプロット８４として示される。

上記の例は、分割されたキャリア層を有する。代替案が図１０に示されており、ＥＡＰ層は、キャリア層の代わりに３つの部分に分割される。こうして、ＥＡＰ層は、第１、第２、及び第３の部分３０ａ，３０ｂ，３０ｃを有する。第１及び第２の部分は、キャリア層３２の下にあり、それら第１及び第２の部分は、クランプに接続するように端部にある。ＥＡＰ層３０ｃの中間の第３の部分は、キャリア層３２の上にある。

例えば、ＥＡＰ層よりも強度を強くし得るキャリア層３２は、次に、より強力なアクチュエータが製作可能となるように連続しており、特にＥＡＰ層よりも応力集中に敏感ではない。

この実施形態の１つのバージョンの有限要素シミュレーションは、０．３２４ｍｍのたわみ、及び約１．２Ｎの力を示す。これは、ベースラインと比較して、たわみの比較的小さな改善になるが、著しく高い力がもたらされ得る。

図１１は、セグメント化されたＥＡＰ層３０を使用する更なる例を示す。図１０の例のように、第１、第２、及び第３の部分３０ａ，３０ｂ，３０ｃがある。また、中間部分及び／又はエッジ部分がさらにセグメント化される。この例は、３つの部分全てがさらにセグメント化されることを示す。いくつかの例では、曲げプロセスを制御するために、ＥＡＰ層部分のセグメントを別々に起動してもよい。

クランプに近い部分３０ａ，３０ｂのＥＡＰセグメントが最初に起動され、続いてアクチュエータの中間部分のＥＡＰセグメントが起動される。これにより、加えられる曲げの制御を改善することができる。しかしながら、この改良された制御は、アクチュエータのより小さい力及びより小さいストロークを犠牲にしている。

従って、この作動方法は、電極の順次起動を利用する。アクチュエータを上向きに予め曲げるために、側部（３０ａ及び３０ｂ）を最初に作動させて、中間部分（３０ｃ）を作動させるときに、更なる曲げが上向きに生じるようにすることができる。

図１２は、セグメント化されたキャリア３０ａ，３０ｂ，３０ｃと、連続したＥＡＰ層３０上のセグメント化された電極とを組み合わせた更なる例を示す。

次に、ＥＡＰ層３０は、セグメント化された電極を個別にアドレス指定することによって局所的に作動させることができる。例えば、ＥＡＰ層は、最初にエッジ部で局所的に起動され、続いてＥＡＰの中間部分が起動される。

図１３は、部分３２ａ，３２ｂ，３２ｃに形成されたキャリア層３２を有する実装形態を示しており、この実装形態は、アクチュエータの変位を容易にさせるためにキャリア層の外面に形成されたチャネル９０のアレイをさらに有する。これらは、曲げ半径がより小さくなる場合にエッジ部にのみ存在してもよく、又は図示されるように３つの部分全てに存在してもよい。キャリア層の曲がりは、チャネルを閉じる傾向があり、従って、チャネルは、チャネルが開いたままである間、キャリア層内の圧縮応力を少なくとも低減する。チャネルが閉じられると、アクチュエータの特定のたわみでロック機能が実施される。このように、チャネルが開いたままである間、キャリア層は曲げ易い。このアプローチは、上記の例のいずれにも適用できる。

上述したように、同じ構造をセンサとして使用してもよい。外部から誘発される圧縮は電場の変化を生じさせ、その結果、電極上に測定可能な信号が得られる。

センサの場合に、連続的な構成では、応力の一部がセンサ信号を打ち消すので、例えば片側だけにバッキングを有する完全にクランプされたバイモルフセンサよりも、より強固でより感度の高い構造の利点がある。

ＥＡＰ装置全体は、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍの寸法を有してもよい。典型的で非限定的なサイズ範囲は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍ〜２ｍｍ×２ｍｍ×０．１ｍｍであってもよい。平面図の形状は正方形であってもよいが、細長い長方形又は円形であってもよい。円形の場合に、キャリア層のセグメント化された要素は同心円の形態をとる。

上述した装置は、電極同士の間に挟まれた活性層を有し、電圧又は電流信号等の適切な電気的作動信号を電極に供給する。明瞭化のための電極は図示されていない。キャリア層は、（電界駆動型活性層の場合には）電極同士の間にも存在することができるが、電流駆動型活性層が必要又は使用されない場合もあり得る。

ＥＡＰ層に適した材料は公知である。電気活性ポリマーには、サブクラス：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、イオン性ゲル、及びポリマーゲルが含まれるが、これらに限定されるものではない。

サブクラスの電歪ポリマーには、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が、これらに限定されるものではない。

サブクラスの誘電エラストマーには、アクリレート、ポリウレタン、シリコーンが含まれるが、これらに限定されるものではない。

サブクラスの共役ポリマーには、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）、ポリアニリンが含まれるが、これらに限定されるものではない。

印加された電界に応答してＥＡＰ層の挙動に影響を及ぼすために、追加の受動層を設けてもよい。

各ユニットのＥＡＰ層を電極同士の間に挟んでもよい。本発明が活性材料として誘電性エラストマーを使用する場合に、この層又は材料は、電極上の電圧信号により、電極によって材料が圧迫されるように、これらの電極同士の間に挟まれる。このような取り付けは、他の場合にも使用することができるが、圧電材料又は強誘電材料（リラクサー又は非リラクサー）等の場合に、必ずしも必要ではない。電極は、ＥＰＡ材料層の変形に追従するように伸張可能であってもよい。電極に適した材料もまた公知であり、例えば、金、銅、又はアルミニウム等の金属薄膜、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）等の有機導電体から構成されるグループから選択してもよい。例えばアルミニウムコーティングを使用する金属化されたポリエチレンテレフタレート（PET）等の金属化されたポリエステルフィルムを使用してもよい。

異なる層の材料は、例えば異なる層の弾性率（ヤング率）を考慮して選択される。

上記の構成に追加の層を使用して、追加のポリマー層等の、装置の電気的又は機械的挙動を適合してもよい。

ＥＡＰ装置は、電界駆動型装置又はイオン性装置であってもよい。イオン性装置は、イオン性ポリマー−金属複合材料（IPMC）又は共役ポリマーをベースとすることができる。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場の下で人工筋肉の挙動を示す合成複合ナノ材料である。

ＩＰＭＣは、表面が、化学的にメッキされているか、又は白金又は金等の導体又は炭素系電極で物理的に被覆されているNafion又はFlemion等のイオン性ポリマーから構成される。印加された電圧の下で、ＩＰＭＣのストリップ全体に課された電圧によるイオンの移動及び再分配は、曲げ変形を生じさせる。ポリマーは、溶媒膨潤したイオン交換ポリマー膜である。この電界により、陽イオンは水と共に陰極側に移動する。これは、親水性クラスターの再構成及びポリマー膨張につながる。陰極領域のひずみはポリマーマトリックスの残りの部分に応力をもたらし、陽極に向けて屈曲する。印加電圧を逆にすると屈曲が逆転する。

メッキされた電極が非対称構成で配置される場合に、課された電圧は、よじれ、回転、ねじれ、旋回、及び非対称曲げ変形等のあらゆる種類の変形を誘発する可能性がある。

上述したように、上述した機械的設計は、光活性材料にも適用することができる。そのような光−機械的に応答する材料は、例えば、ポリマーマトリックスに埋め込まれた光−機械応答性分子から構成される。光−機械応答性分子は、特定の波長の光による照射の関数として形状を変化させる。

最も一般的な光機械材料は、材料中に存在する光応答性分子の２つの異性体状態同士の間の形状変化によって駆動される。トランス配置間のスイッチは、トランス状態の分子の吸収波長に対応する光で照明することによって駆動されるが、準安定シス形態へのスイッチバックは、熱的に誘発され得るか、又は、そのシス状態の分子の吸収波長に対応する波長の光で照射することによって再びトリガされ得る。

そのような材料には、アントラセン、ジアリールエテン、スピロピラン、及びアゾベンゼン（アミノアゾベンゼン及び擬スチルベン等の置換型アゾベンゼンを含む）が含まれるが、これらに限定されるものではない。これらの光−機械応答性分子は、そのような官能性光−機械反応性分子によるホストポリマーのドーピング又は重合によるポリマー中の光−機械的官能基を有する共有結合分子を介して、ポリマー材料中に埋め込まれる。これには、アゾ官能化モノマーの重合、又は異なる主鎖を有するポリマーの官能化後に、側鎖アゾ官能化ポリマーを生成することが含まれる。

ポリマーは、性質上、アモルファス又は液晶（LC）となり得る。アモルファスポリマーが全ての方向に均等に収縮する場合に、ＬＣポリマーを優先方向に変形させることができ、その方向の効果を大幅に増大させることができる。液晶エラストマー（LCE）は、全て固体状態のポリマー材料においてＬＣによって誘導される方向性を有することができるので、光−機械材料に特に適した材料である。

本発明は、アクチュエータの受動マトリクスアレイが重要である例を含む、多くのＥＡＰ及び光活性ポリマー用途に適用することができる。

多くの用途において、製品の主な機能は、ヒト組織の（局所的な）操作又は組織の接触界面の作動に依拠する。そのような用途では、ＥＡＰアクチュエータは、例えば、小型のフォームファクタ、柔軟性、及び高いエネルギー密度のために、主に特有の利点を提供する。こうして、ＥＡＰ及び光活性ポリマーは、ソフトな、３Ｄ形状及び／又は小型製品、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：
皮膚を緊張させる又はしわを減らすために、皮膚に一定の又は周期的なストレッチを適用する、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等の皮膚美容処置；
交互の正常な圧力を皮膚に与えて顔面の赤いあざを低減又は防止する、反応性ポリマー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イスマスクを有する呼吸装置；
適応シェービングヘッドを有する電気シェーバー。近接性と炎症との間のバランスに影響を与えるために、反応性ポリマー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；
特に歯と歯との間の空間において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有するエアーフロス等の口腔洗浄装置。代替的に、活性化したタフトが設けられた歯ブラシ；
ユーザインタフェース内に又はその近くに統合された応答性ポリマー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装置又はタッチパネル；
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ための操縦可能なチップを有するカテーテル；である。

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別のカテゴリは、光の調節に関する。レンズ、反射面、回折格子等の光学素子は、これらのアクチュエータを使用する形状又は位置適合によって適応可能にすることができる。例えば、ＥＡＰの１つの利点は、より低い消費電力である。

開示された実施形態に対する他の変形形態は、図面、明細書の開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から特許請求の範囲に記載された発明を実施する際に当業者によって理解され、達成され得る。特許請求の範囲において、「備える、有する、含む（comprising）」という単語は、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「１つの（a，an）」は、複数を除外するものではない。特定の手段が互いに異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。

Claims (15)

1. アクチュエータ及び／又はセンサ装置であって、当該装置は、
   固定された両端部の間に延びる作動装置を有しており、
   該作動装置は、
   電気活性ポリマー及び／又は光活性ポリマーを含む活性層と、
   受動キャリア層と、を含む層スタックを有しており、
   前記固定された両端部の少なくとも一方において又はこれに隣接して、前記キャリア層及び前記活性層は、第１の順序で一方が他方の上に取り付けられ、前記固定された両端部の間の中間領域において、前記キャリア層及び前記活性層は、第１の順序とは反対の第２の順序で他方が一方の上に取り付けられる、
   装置。
2. ベースを有しており、
   前記作動装置は、前記中間領域において、前記ベースに対して上向きに屈曲するように適合され、
   前記キャリア層は、前記固定された両端部の少なくとも一方において又はこれに隣接して前記活性層の上にあり、前記活性層は、前記中間領域において前記キャリア層の上にある、請求項１に記載の装置。
3. 前記作動装置は、前記活性層及び前記受動キャリア層によって少なくとも前記固定された両端部に接続される、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記作動装置は、前記活性層のみによって前記固定された両端部の少なくとも一方に接続される、請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記受動キャリア層は、端部分及び中間部分を含み、前記中間部分は、前記端部分に対して、連続的な活性層の反対側に取り付けられる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記活性層は、端部分及び中間部分を含み、前記中間部分は、前記端部分に対して、連続的な受動キャリア層の反対側に取り付けられる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
7. 非作動状態では、前記作動装置は予め曲げた状態で形成されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 非作動状態では、前記作動装置は平坦であり、当該装置は、作動時に前記作動装置を所望の方向に屈曲させるための予備成形機構を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記活性層は、非作動状態では平面である、請求項８に記載の装置。
10. 前記活性層は、前記電気活性ポリマーと、前記作動装置を作動させるための１つ又は複数の電極とを含む、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記１つ又は複数の電極は前記作動装置の一部である、請求項１０に記載の装置。
12. 前記活性層は、前記光活性ポリマーを含み、当該装置は、前記光活性ポリマーを作動させるために前記光活性ポリマーに作動放射線を供給するための光学装置をさらに有する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記光学装置は、前記作動放射線を操作するための、レンズ、ミラー、プリズム、光ワイヤ又は他の光ガイド、偏光素子、放射線フィルタ、放射線スプリッタのうちの１つ又は複数を含む、請求項１２に記載の装置。
14. 当該装置は、
    当該装置が前記作動装置を作動させるための複数の電極を含む場合に、前記複数の電極は、前記作動装置の異なる部分を独立して作動させることができるように分布されており、又は、
    当該装置が光学装置を含む場合に、前記作動装置の異なる部分を独立して作動させることができる、ように構成されている、請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記受動キャリア層は、一組の表面チャネルを含む、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の装置。

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