JP2018527874A - 電気活性または光活性ポリマーをベースにしたアクチュエータデバイス - Google Patents

Abstract

アクチュエータデバイスは、膨張または収縮が作動により誘起される、有効長を有する電気活性または光活性ポリマー構成を含む。有効長は、ポリマー構成により占有される空間の最大直線状物理的寸法よりより大きい。このようにして、大きな作動変位を支持することができるコンパクト設計が提供される。

Description

本発明の分野
この発明は、電気活性または光活性ポリマーを利用するアクチュエータデバイスに関する。

本発明の背景
電気または光刺激に基づいて、電気活性ポリマー（ＥＡＰｓ）および光活性ポリマーを使用して負荷力を加えるか、または非負荷表面（a non−loaded surface）に変位を適用することができる。
電気活性ポリマー（ＥＡＰ）は特に、電気応答性材料の分野内の新興クラスの材料である。ＥＡＰは、センサまたはアクチュエータとして作用することができ、種々の形状に容易に製造することができ、幅広いシステム中への容易な組み込みを可能にする。
この発明は特に、アクチュエータ設計に関する。

この１０年間にわたり顕著に改善されてきた、例えば作動応力および歪みなどの特性を有する材料が開発されてきた。技術的リスクは、製品開発のための許容可能なレベルまで低減されてきており、それにより、ＥＡＰは、商業的におよび技術的にますます関心の対象となっている。ＥＡＰの利点には、低電力、スモールフォームファクタ、可撓性、無音操作、精度、高解像度の可能性、迅速な応答時間、および周期的（cyclic）作動が含まれる。

ＥＡＰ材料の改善された性能および特定の利点により、新規な用途への実用性が生じる。
ＥＡＰデバイスを、電気的作動に基づいて、部品またはフィーチャの少量の動きが所望されるあらゆる用途において使用することができる。

ＥＡＰの使用により、以前には可能ではなかった機能が可能となり、または一般的なアクチュエータと比較して、小さな体積または薄い形状ファクタにおける比較的大きな変形および力の組み合わせにより、一般的なアクチュエータソリューションに対して大きな利点が提供される。ＥＡＰはまた、無音操作、高精度の電気的制御、迅速な応答、および例えば０〜２０ｋＨｚなどの幅広い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デバイスを、場駆動性（field−driven）およびイオン駆動性材料に細分化することができる。
場駆動性ＥＡＰの例は、誘電エラストマー、電歪性ポリマー（例えばＰＶＤＦ系リラクサー（relaxor）ポリマーまたはポリウレタンなど）および液晶エラストマー（ＬＣＥ）である。

イオン駆動性ＥＡＰの例は、共役ポリマー、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ポリマー複合体およびイオン性ポリマー金属複合体（ＩＰＭＣ）である。
場駆動性ＥＡＰは、直接的電気機械的結合による電場により作動する一方で、イオン性ＥＡＰについての作動メカニズムはイオンの拡散を伴う。両方のクラスは、複数のファミリメンバーを有し、それぞれは、それら自体の利点および欠点を有する。

図１および２は、ＥＡＰデバイスについての２つの可能な操作モードを示す。
デバイスは、電気活性ポリマー１４の反対側の電極１０、１２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デバイスを示す。電圧を使用して、示されるとおり、電気活性ポリマー層を全ての方向に膨張させる。

図２は、膨張が一方向にのみ生じるように設計されたデバイスを示す。デバイスは、担体層１６により支持されている。電圧を使用して、電気活性ポリマー層を曲げるか、または湾曲させる。
例えば、この動きの性質は、作動時に膨張する活性層およびパッシブ担体層間の相互作用から生じる。示されるとおり、軸の周りに非対称な曲げを得るために、例えば分子配向（フィルム伸長）を適用して、一方向の動きを生じさせてもよい。

一方向での膨張は、ＥＡＰポリマーにおける非対称性により得られ得るか、または担体層の特性の非対称性により得られ得るか、または両方の組み合わせである。

ＥＡＰデバイスの形状の膨張およびその結果としての動きまたは変化は、多くの場合において、外部部品へ作動力を送達するために使用される。しかしながら、動きのストロークはまた、用途によっては重要である。基本的な機械的アプローチを適用して、ＥＡＰアクチュエータの長手方向先端変位を増加させることができる。例えば、増加したストロークは、一連の複数のアクチュエータを連結することにより、または単一のアクチュエータの長さＬを増加させることにより可能である。アクチュエータの先端の変位は、作動歪みおよび当初の長さの積により与えられる。
両方の場合において、不利点は、アクチュエータの増加した全長である。体積制限と組み合わせた大きな先端の変位が必要な場合に、問題が生じる。

発明の要約
本発明の目的は、前記の問題を少なくとも部分的に解決することである。この目的は、独立請求項により定義されるとおりの本発明により達成される。従属請求項は、有利な態様を提供する。

本発明の側面に従う例によれば：
中間層により連結された少なくとも２つの重なり合うポリマーユニットの積層体を含む電気活性または光活性ポリマー構成であって、少なくとも２つの重なり合うポリマーユニットの一方は、中間層の一方の端部に連結し、少なくとも２つの重なり合うポリマーユニットの他方は、中間層の反対の端部に連結し、ここで、中間層は、さらなる電気活性または光活性ポリマーユニットを含み、これにより、積層体は、最上部、中間部および底部電気活性または光活性ポリマーユニットを含む、電気活性または光活性ポリマー構成；および
少なくとも第１、第２および第３モードで操作可能な駆動ユニット、
を含むアクチュエータデバイスが提供され、ここで：
第１モードにおいて、最上部および底部ポリマーユニットの駆動がオフにされ、中間部電気活性ポリマーユニットの駆動がオンにされ；
第２モードにおいて、最上部および底部ポリマーユニットの駆動がオンにされ、中間部電気活性ポリマーユニットの駆動がオフにされ；
第３モードにおいて、最上部、中間部および底部ポリマーユニットの駆動が全てオフにされ、第３モードにおいて、３種のポリマーユニットが同一の長さを有する。

本発明は、ＥＡＰまたは光活性ポリマーアクチュエータにより、単一の直線状デバイスまたは一連のひと続きの（a series string）かかるデバイスより達成されるものより大きな変位を提供することを可能にする。特に、アクチュエータデバイスの有効長（すなわち、同一の変位を与えるために単一の直線状アクチュエータに必要であろう長さ）は、デバイスの物理的サイズより大きい。変位は、例えば、作動歪みにより掛け合わせられるアクチュエータの外部寸法（長さ）より大きいものであり得る。これにより、スモールフォームファクタのアクチュエータの開発が可能となる。

用語「ポリマー構成」および「ポリマーユニット」は以下で使用され、一般的に光活性または電気活性ポリマー構成またはユニットをそれぞれ指す。

これに関連して使用される用語「有効長」の意味を、これからより完全に説明する。ポリマー構成の長さが、所定の作動シグナル（電気的または光）に基づいてｘ％変化するときには、同一の所定の作動シグナルについての長さであるｙの実際に観察される変化が存在する場合には、「有効長」Ｌｅを、Ｌｅ＝ｙ／（ｘ／１００）として導くことができる：

よって、Ｌｅは、材料の特性に基づいた、長さｙの観察される絶対的変化を生じるであろう当初の長さであり、特に、所定の作動シグナルについて期待される長さｘのパーセンテージの変化である。Ｌｅは、観察される絶対的長さの変化ｙを提供するのに必要な単一のアクチュエータデバイスの長さであると考えることができる。

実際の長さＬｒである単一の直線状アクチュエータについては、長さの変化は、ｙ＝Ｌｒ（ｘ／１００）であろう。この場合には、Ｌｅ＝Ｌｒである。
それぞれが長さＬおよび端部同士が直列である（end−to−end in series）２つのアクチュエータについて、観察される長さの変化は、ｙ＝２Ｌｒ（ｘ／１００）であろう。この場合には、Ｌｅ＝２Ｌｒである。２つのアクチュエータが、このようにして端から端まで単に連結している場合には、物理的長さはまた２Ｌｒであろうし、空間の節約は達成されない（no space saving achieved）。

本発明により、物理的長さが有効長Ｌｅより小さい設計が提供され、これにより、有効長は、構成の最大物理的直線状寸法より大きい。例えば、積層構成により、物理的長さがＬｒ（すなわち、構成全体を構成する１つのユニットの長さ）に保持されることが可能となり得るが、積層設計により、単一ユニットより大きな長さの変化が与えられる。

「有効長」は、個別のユニットの全ての長さの単なる合計ではないことに留意しなければならない。例えば単に平行である複数のユニットにより、有効長は、単に１つのかかるユニットの長さであり、これは、かかる構成により動きの範囲が増加しないからである。その代わりに力が増大する。一連の個別のユニットにより、有効長は、実際に個別のユニットの長さの合計であるが、それらのユニットの物理的長さは同一である。

好ましくは、有効長は、最大直線状物理的寸法より少なくとも５０％大きく、例えば、最大直線状寸法の少なくとも２倍、なおより好ましくは３倍以上である。
ポリマー構成は、中間層により連結された少なくとも２つの重なり合うポリマーユニットの積層体を含み、少なくとも２つの重なり合うポリマーユニットの一方は、中間層の一方の端部に連結し、少なくとも２つの重なり合うポリマーユニットの他方は、中間層の反対の端部に連結している。

これは、互い違いに重なり合う一対のポリマーユニットにより、ジグザグ構造を画定する。２つのポリマーユニットが膨張するかまたは収縮する場合には、直線状のひと続きのユニットについての場合のように、膨張または収縮全体は、２つのユニットの個別の膨張または収縮を結合させるが、それらの重なり合いは、デバイスのサイズを減少させる。

中間層は、別の電気活性または光活性ポリマーユニットを含み、これにより、積層体は、最上部、中間部および底部電気活性または光活性ポリマーユニットを含む。三層積層体を有することにより、最上部および底部ユニットがそれらのロングモードにある場合には、中間部ユニットはショートモードであり得る。
この目的のために、デバイスは駆動ユニットを含み、ここで駆動ユニットは、少なくとも３つのモードで操作可能である。

第３モードにおいて、３つのポリマーユニットは同一の長さを有する。よって、（すなわち、全てがオフである場合には）それらは同一の固有の長さを有する。これにより、デバイスの製造が簡易化される。
デバイスは、中間層に連結されていない、重なり合うポリマーユニットの他方の端部に固定端、および中間層に連結されていない、重なり合うポリマーユニットの一方の端部に自由端部を含んでもよい。

よって、自由端部は、第３モードで静止位置を有してもよく、第１モードでは１つの方向に変位し、第２モードでは反対の方向に変位する。
このようにして、デバイスの両側に作動する。よって、第１および第２モードにより、第３モードの静止位置に関して反対側への作動が提供される。

積層体の層は、異なる作動可能なポリマーユニットを画定するセグメント化された電極（segmented electrode）を有する、単一の折り重なった層を含んでもよい。
ポリマーユニットは、好ましくは、これらの設計において平面状であり、有効長は、平面内の方向に沿っている。はね上がり（bucking）を防止するために、積層方向に積層体をクランプするためのクランプ構成を提供してもよい。

例えば、単純なオン−オフ駆動スキームを使用することにより、増分の先端変位が可能であり得る。
１セットの例において、ポリマーユニットの全ては電気活性ポリマーである。しかしながら、同様に光活性ポリマーに同一のアプローチを適用してもよい。

図面の簡単な説明
本発明の例を、以下の添付の図面を参照してこれから詳細に説明し、ここで：

図１は、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； 図２は、背面層により押さえられた既知の電気活性ポリマーデバイスを示し； 図３は、２つの異なるモードのＥＡＰアクチュエータデバイスの第１の例を示し； 図４は、３つの異なるモードのＥＡＰアクチュエータデバイスの第２の例を示し； 図５は、ＥＡＰアクチュエータデバイスの第３の例を示し； 図６は、ＥＡＰアクチュエータデバイスの第４の例を示し； 図７は、２つの異なるモードのＥＡＰアクチュエータデバイスの第５の例を示し； 図８は、２つの異なるモードのＥＡＰアクチュエータデバイスの第６の例を示す。

態様の詳細な説明
本発明は、膨張または収縮が作動により誘起される、有効長を有する電気活性または光活性ポリマー構成を含むアクチュエータデバイスを提供する。有効長は、電気活性または光活性ポリマー構成により占有される空間の最大直線状物理的寸法より大きい。このようにして、大きな作動変位を支持することができる、コンパクトな設計が提供される。

以下の詳細な説明は、種々のＥＡＰアクチュエータ設計に基づくが、同一のアプローチを光活性ポリマー設計に等しく適用する。
図３は、２つの異なるモードのＥＡＰアクチュエータデバイスの第１の可能な例を示し、これは、本発明の範囲には入らない。

デバイスは、電気活性ポリマー構成２０を含み、これは、中間層２６により連結された２つの重なり合う電気活性ポリマーユニット２２、２４の積層体を含む。最上部電気活性ポリマーユニットの端部は、中間層２６の第１の端部（図３における左側端部）に連結され、底部電気活性ポリマーユニット３４は、中間層２６の反対の端部（図３における右側端部）に連結されている。

これは、互い違いに重なり合う一対の電気活性ポリマーユニットにより、ジグザグ構造を画定する。アクチュエータは、例えば図３に示されるとおり、底部アクチュエータ２４の左側端部などの一方の端部で固定されている。
アクチュエータは、少なくとも２つの電気活性ポリマーユニット２２、２４の長さの組み合わせである膨張または収縮全体に寄与する有効長を有する。よって、これは、電気活性ポリマー構成により占有される空間の最大直線状物理的寸法より大きい。

この物理的寸法は、典型的には単に端部点間の長さである。最大物理的寸法は、全てのＥＡＰユニットがオフである場合に存在するものであると解釈されてもよく（図３に示された長さＬに等しいであろうもの）、または全ての作動状態間で生じる最大の長さであると解釈されてもよい。この後者の場合には、図３の例についての最大物理的寸法は、図３（ｂ）における長さ全体である。
上で説明したとおり、「有効長」Ｌｅは、所定の作動シグナルについて観察される絶対的な長さの変化を生じさせるであろう（単一の直線状アクチュエータの）当初の長さであると考えられてもよい。

アクチュエータデバイスの一連の連結について、有効長は、デバイスが非作動モードである場合には長さが測定される、一連のやり方で変位全体に寄与する長さの合計に等しいであろう。よって、図３の例について、有効長は、図３（ａ）においてそれらが静止位置にある２つのＥＡＰユニットの長さの合計であるか、またはそれらが全て電気活性ポリマーユニットである場合には、図３（ａ）における３つのユニット全ての合計である（これらの異なるオプションを以下で検討する）。有効長は、連結して作動時の膨張または収縮に寄与する非作動モードの長さである。

実際に、図３の例において、中間層２６はまた、電気活性ポリマーユニットであってもよく、これにより、積層体は、最上部、中間部および底部電気活性ポリマーユニットを含む。三層積層体を有することにより、最上部および底部ユニットがそれらのロングモードにある場合に、中間部ユニットはそのショートモードにあることができる。この例において、デバイスがショートモードからロングモードに切り替わる場合に中間部ユニットは収縮するが、この長さの減少は、連結してデバイスの長さ全体の増加に寄与する。

このようにして、図３（ａ）に示される第１モードにおいて、最上部および底部電気活性ポリマーユニット２２、２４が（それらのショートモードで）オフに駆動され、中間部電気活性ポリマーユニット２６が（そのロングモードで）オンで駆動される。代替的設計が、それらのショートモードにオンで駆動して、それらのロングモードにオフで駆動してもよいことに留意しなければならない。

図３（ｂ）に示される第２モードにおいて、最上部および底部電気活性ポリマーユニット２２、２４は（それらのロングモードで）オンに駆動され、中間部電気活性ポリマーユニットは（そのショートモードで）オフに駆動されている。
この設計では、第１モードにおいて、３つの電気活性ポリマーユニットが同一の長さを有する、よって、（全てがオフである場合には）それらは異なる固有の長さを有する。

個別のユニットの変位Ｄが、以下：
Ｄ＝Ｌ×ε
式中、Ｌは、静止長さ（at rest length）であり、εは（工学）歪みである、
の関係に従うことが想定され得る。
よって、この設計は、交互のオン−オフ駆動シグナルと組み合わせた、交互の機械的連結を有する複数の積層体（multi−body stack）のＥＡＰを利用する。駆動シグナルが交互でない場合には、複数の積層体は、単一のアクチュエータと同一の変位を有する。単一のアクチュエータの交互の駆動シグナルにより、先端の変位合計は、アクチュエータの数により掛け合わされる。

好ましい態様において、拡張した場合（Ｖ＝オン）のより短いアクチュエータの長さは、非拡張モードの場合（Ｖ＝オフ）のより長いアクチュエータの長さＬに等しい。したがって、非拡張の場合のより短いＥＡＰユニット２６の長さは、Ｌ×（１／（１＋ε））である。
このやり方で、積層体は、最小外部寸法（Ｌ）および最大可能前方変位（maximum possible forward displacement）を示す。

コントローラを使用して、最大（静止または往復）の先端の動きを有するように、交互にアクチュエータセグメントを駆動する。作動するセグメントの数を変化させることにより、先端変位をゼロから最大変位の間で徐々に変化させることができる。

ｎ＝３の電気活性ポリマーユニットを有する図３の構造により、以下：
Ｄ＝Ｌ×ε×（（１／１＋ε）＋２）
の図３（ａ）および図３（ｂ）間の変位差が与えられる。
小文字εについては、これは、およそＤ＝Ｌ×ε×３である。
よって、図３の設計の上記で定義されたとおりの有効長は、３Ｌであり、式中、Ｌは、ユニット２２、２４の静止長さであるが、ユニット２６の静止長さは、Ｌ／（１＋ε）である。

より一般的には、ｎ層（式中、ｎは奇数であり、これにより、（ｎ−１）／２個の中間部ユニットおよび１＋（ｎ−１）／２個の最上部／底部ユニットが存在する）の積層体について：
Ｄ＝Ｌ×ε×（（（ｎ−１）／２×（１／１＋ε））＋（（ｎ−１）／２）＋１）
である。
上記で定義されたとおりの有効長は、単にｎＬである。
小文字εについては、これは、およそＤ＝Ｌ×ε×ｎである。

積層体中のＥＡＰユニットの数を、必要な変位に基づいて選択することができる。よって、設計は、３、５、７または９個のユニット、またはさらにあらゆる奇数のユニットを有してもよい。わずかに異なる設計は、３より大きい偶数のユニットを有してもよく、その場合には、作動の先端は、固定された連結部と同一のデバイスの端部である。
各個別のＥＡＰユニットは、複数の層構造を含んでもよいことに留意しなければならない。

先端が作動力を提供する必要がある場合には、ｚ方向（すなわち、積層方向）に積層体をクランプするための手段を使用して、積層体の湾曲を防止してもよい。これを、最上部で下向きのクランプ力を加えて、極めて低い摩擦性材料でアクチュエータの表面をコーティングすることにより、または極めて低いせん断係数を有するが、ｚ方向に高い引張係数を有する粘性材料を積層体の層間に加えることにより実装することができる。これは、例えば薄い垂直のワイヤのアレイなどを含んでもよい。

図４は、３つの異なるモードのＥＡＰアクチュエータデバイスの第２の例を示す。
図３の例において、電気活性ポリマーユニットは異なる長さを有する。例４（ａ）においては、最上部、中間部および底部電気活性ポリマーユニットが全てオフに駆動された第３モードが示される。これは、第３モードであると考えられ得、電気活性ポリマーユニットについての静止モードである。このモードにおいて、３つの電気活性ポリマーユニットは、同一の有効長を有する。よって、それらは同一の固有の長さを有し、全て同一の設計であり得る。アクチュエータの先端３０は、最上部ユニット２２の非結合端部にあり、底部ユニット２４の非結合端部は固定されている。

図４（ｂ）は、中間部ユニットが作動して、それにより膨張した第１モード（図３（ａ）と同様のもの）を示す。アクチュエータの先端３０は、その以前の位置に対して一方の側へ動く。
図４（ｃ）は、最上部および底部ユニットが作動して、それにより膨張した第２モード（図３（ｂ）と同様のもの）を示す。アクチュエータの先端３０は、その以前の位置に対して他方の側へ動く。

この場合において、デバイスの両側へ作動する。よって、第１および第２モードは、第３モードの操作の静止位置に対して反対側へ作動を提供する。

よって、この例は、ＥＡＰユニット毎に別々の駆動シグナルと組み合わせた、交互の機械的連結部を有するＥＡＰアクチュエータを有する複数の積層体を提供する。この場合には、到達し得る変位の増幅は、図３についてのものより大きいが、一方向のみではない。同一の長さのユニットの使用は、製造および共鳴駆動について有利である。

特に、同一の固有の長さのユニットは、同一の共鳴周波数を有する。
先端変位は、以下：
Ｄ＝−（ｎ−１）／２×ε×Ｌ；および
Ｄ＝（（ｎ−１）／２＋１）×ε×Ｌ
の間で変化する。
よって、合計の範囲はｎ×ε×Ｌに等しい。

図５は、ＥＡＰアクチュエータデバイスの第３の例を示す。この設計において、中間部ユニット２６は剛性部分である。次いで、積層体は、２つの重なり合う電気活性ポリマーユニット２２、２４およびそれらの間の剛性連結部品を含む。この設計により、全ての電気活性ポリマーユニットを同様に駆動させることが可能となり、よって、駆動スキームおよび電極構成を簡易化する。

デバイスは、少なくとも第１および第２モードで再度操作可能である。第１モードにおいて、２つの電気活性ポリマーユニットはオフに駆動される。図５に示される第２モードにおいて、２つの電気活性ポリマーユニットはオンに駆動される。
よって、積層体は、交互の層のＥＡＰユニット２２、２４および硬いパッシブ材料２６を有する。第１（上側）ＥＡＰユニット２２の端部は、パッシブ層の一方の端部に連結している。この層は、他方の端部で第２（下側）ＥＡＰユニットに連結し、ｎ×ε×Ｌに比例する正味の変位を創出し、式中、ｎは、ＥＡＰ層のみの数である。

代替的に、変位は以下：
Ｄ＝（（ｎ−１）／２＋１）×ε×Ｌ
のとおりに表してもよく、式中、ｎは、ＥＡＰユニットおよびパッシブ層を含む層の合計数である。
好ましい態様において、パッシブ材料の長さは、非拡張モード（電圧の印加なし）にある場合には、最も長いアクチュエータの長さに等しい。このやり方で、積層体は、最小外部寸法（Ｌ）および最大可能変位を示す。

最大（静止または往復）の先端の動きを有するように、ＥＡＰユニットを交互に再び駆動させる。作動するセグメントの数を変化させることにより、先端変位をゼロから最大変位の間で徐々に変化させることができる。
この例により、例えばわずか２つのワイヤなどにより、駆動スキームがより簡易になり、埋め込まれた各パッシブ層中の薄膜エレクトロニクスが可能となる。

上記の設計の全てを、上で説明したとおり、奇数または偶数のユニットのいずれかにより、より多くの層に拡張してもよい。
これらの積層体設計の全てにおいて、積層体の層は、単一の折り重なった層を含んでもよく、セグメント化された電極は異なる電気活性ポリマーユニットを画定する。

図６は、セグメント化された電極および折れ曲った部分に位置する非電極領域を有する、単一の折り重なったＥＡＰシートを示す。
単一の折り重なったシート６０は、３つ全てのＥＡＰユニットを画定する。電極が中間部ユニットに提供されていない場合には、図５の例におけるとおりの静止層であってもよい。積層体中の隣接する層の間に、低摩擦インターフェース６２が存在する。これは、はね上がりを防止するために積層方向に積層体をクランプするためのクランプ構成として機能してもよい。低摩擦により、相対的な滑りが可能となる。インターフェース６２はまた、異なる電極構成間で静電遮蔽を提供してもよい。

積層体中の各駆動ユニットは、最上部電極６４および底部電極６６を有する。図６において、３つ全てのユニットが駆動され、よって、６個の電極ライン６７が存在し、駆動シグナルが各対間に適用される。図６は、必要な駆動シグナルを電極ライン６７に送達するための駆動ユニット６８を図示する。図６に示されるとおり、最上部および底部電極対がゼロシグナルを有する場合には、中間部対は高電圧を有し、最上部および底部電極対が高電圧シグナルを有する場合には、中間部対はゼロである。

シート６０における折れ曲がりは、金属化されていない。
最上部および底部外部表面は、湾曲を防止するためにシート７０をさらに有する。
デバイスの一方の端部は可動式の先端として機能し、作動するデバイスとインターフェースを有するための先端インターフェース７２が存在する。先端のインターフェースは、シート６０の端部に、およびまた最上部の抗湾曲層７０に連結している。シートの他方の端部は、糊７４により底部抗湾曲層に取り付けられ、これは、図６の設計についての静止点を画定する。
電気活性ポリマーユニットは、上記の設計において平面状であり、有効長は、平面内の方向に沿っている。

上記の例は、三層積層体を利用する。より多くの層を積層体に加えて、変位を増加させてもよい。しかしながら、より簡易な構造（特許請求の範囲に記載された、本願発明の範囲外のもの）はまた、中間層なしの２つの層の積層体を利用してもよい。第１モードにおいて、底部の作動可能なポリマー層をオフに駆動し、最上部の作動可能なポリマー層をオンに駆動し；一方で、第２モードにおいて、底部のポリマー層をオンに駆動し、最上部の作動可能なポリマーをオフに駆動する。最上部のポリマー層の一方の端部を外部に固定し、最上部のポリマー層の他方の端部を底部のポリマー層に取り付けることにより、底部のポリマーの自由端部はアクチュエータの先端になる。どのポリマー層が作動するかに応じて、それは、膨張量により外部固定部の各側部を動かす。

よって、中間層は、デバイスの全ての可能な例について必要ではない。それにより提供される利点は、アクチュエータの先端を、外部固定部から離して位置させることができることである。
さらなる例のセットにおいて、電気活性ポリマー構成をコイル状にし、コイルの外側の先端は作動先端を含む。これにより、電気活性ポリマー構成の直線状のサイズを減少させるための代替的方法が提供され、一方で、その直線状のサイズより大きな有効長を維持する。

図７は、第１のコイル状にされた設計を示す。ユニットの最大外部寸法は、Ｌとして示される外径である。コイルは中心に固定される。コイルが作動する場合には、自由端部が動く。図７において、自由端部は直線状に動く。
図８は、第２のコイル状にされた設計を示す。ユニットの最大外部寸法は、再びＬとして示される外径である。コイルは再び中心に固定される。図８において、自由端部はカーブ状に動く。

所望されるやり方の動きを抑えるために、外部ガイドレール構成を使用する。
全ての例において、増加する先端変位を、単純なオン−オフ駆動スキームを使用することにより可能にしてもよい。

積層体中の個別のユニットは、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。平面図における形状は正方形であってもよいが、その代わりに細長い長方形であってもよい。

ＥＡＰ層に好適な材料は既知である。電気活性ポリマーには、これに限定されないが、圧電性ポリマー、電気機械性ポリマー、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体、イオン性ゲルおよびポリマーゲルであるサブクラスが含まれる。

サブクラスの電歪ポリマーには、これに限定されないが：
ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）、ポリビニリデンフルオリド−トリフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、ポリビニリデンフルオリド−トリフルオロエチレン−クロロフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、ポリビニリデンフルオリド−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）、ポリビニリデンフルオリド−ヘキサフルオロプロピレン（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）、ポリウレタンまたはこれらのブレンドが含まれる。

サブクラスの誘電エラストマーには、これに限定されないが：
アクリレート、ポリウレタン、シリコーンが含まれる。
サブクラスの共役ポリマーには、これに限定されないが：
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）、ポリアニリンが含まれる。
追加のパッシブ層を、印加される電場に応答してＥＡＰ層の挙動に影響を与えるために提供してもよい。

各ユニットのＥＡＰ層を電極間に挟んでもよい。電極は、ＥＡＰ材料層の変形に従うように伸縮可能であってもよい。電極に好適な材料はまた知られており、例えば金、銅、またはアルミニウムなどの金属薄膜また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（スチレンスルホネート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）などの有機導電体からなる群などから選択されてもよい。例えばアルミニウムコーティングを使用して、例えば金属化されたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの金属化されたポリエステルフィルムをまた使用してもよい。

異なる層のための材料が、例えば異なる層の弾性率（ヤング率）などを考慮して選択されるであろう。
例えば追加のポリマー層などの、上記で検討したものに追加する層を使用して、デバイスの電気的または機械的挙動を適合させてもよい。
ＥＡＰデバイスは、電場駆動デバイスまたはイオン性デバイスであってもよい。イオン性デバイスは、イオン性ポリマー−金属複合体（ＩＰＭＣｓ）または共役ポリマーに基づくものであってもよい。イオン性ポリマー−金属複合体（ＩＰＭＣ）は、電圧の印加または電場下で人工筋肉挙動を示す合成複合体ナノ材料である。

ＩＰＭＣｓは、表面が化学的にめっきされるか、または例えば白金または金、またはカーボン系電極などの導電体で物理的にコーティングされたＮａｆｉｏｎまたはＦｌｅｍｉｏｎのようなイオン性ポリマーから構成される。電圧の印加下で、ＩＰＭＣｓの細長い一片にわたって電圧がかけられることによるイオン遊走および再分布により、折れ曲がった変形がもたらされる。ポリマーは、溶媒膨潤性イオン交換ポリマー膜である。場により、カチオンが水と共にカソード側へ移動する。これにより、親水性クラスタの再編成およびポリマー膨張がもたらされる。カソード領域の歪みにより、ポリマーマトリクスの残部の応力をもたらし、アノードに向かう折れ曲がりをもたらす。印加電圧を反対にすることにより、折れ曲がりは逆になる。

めっきされた電極を非対称の形態に構成する場合には、かけられた電圧は、例えば撚り、巻き上がり、ねじれ、折り返し、および非対称折れ曲がり変形などの全ての種類の変形を誘起することができる。

上記のとおり、上で説明した機械的設計をまた光活性材料に適用してもよい。かかる光−機械的応答性材料は、例えばポリマーマトリクス中に埋め込まれた光−機械的応答性分子などからなる。光−機械的応答性分子は、適用された特定の波長の光の照射に応じて形状を変化させる。

最も一般的な光−機械的材料は、材料中に存在する光応答性分子の２つの異性状態間の形状変化により駆動される。ｔｒａｎｓ形態間の切り替えは、ｔｒａｎｓ状態の分子の吸収波長に対応する光での照射により駆動される一方で、準安定ｃｉｓ体へ戻る切り替えは、熱的に誘起され得るか、または再度そのｃｉｓ状態の分子の吸収波長に対応する波長の光での照射により引き起こされる。

かかる材料には、これに限定されないが、アントラセン、ジアリールエテン、スピロピランおよび例えばアミノアゾベンゼンなどの置換されたアゾベンゼンを含むアゾベンゼンおよび擬スチルベンが含まれる。これらの光−機械的応答性分子は、かかる機能性光−機械的応答性分子によるホストポリマーのドープを介して、または重合によりポリマー中で光−機械的官能性を有する共有結合された分子を介してのいずれかで、ポリマー材料中に埋め込まれる。これには、側鎖がアゾ官能化されたポリマーを創出する、異なる骨格によるポリマーのポスト官能化、またはアゾ官能化されたモノマーの重合が含まれる。

ポリマーは、事実上アモルファスまたは液晶（ＬＣ）であり得る。アモルファスポリマーが全方向に等しく収縮する場合には、ＬＣポリマーは、優先的な方向に変形するように作製されて、その方向の効果を大きく増大させることができる。液晶エラストマー（ＬＣＥ’ｓ）は、光機械的材料に特に好適な材料であり、それは、それらが全ての固体状態ポリマー材料中でＬＣ誘起された方向性を有することができるからである。

この発明は、面内直線状膨張応答を有するように設計されたアクチュエータを特に関心の対象とする。いくつかのタイプの材料（例えばイオン性ＥＡＰなどは、どのように駆動されるかまたは押さえられるかに応じて、折れ曲がり応答または面内膨張応答を有する。よって、イオン性ＥＡＰおよび光作動される材料は、例えば材料の層の両方の反対の側部から作動することなどにより、所望の面内膨張を提供するように構成されてもよい。
本発明を、アクチュエータのパッシブマトリクスアレイが関心の対象である例を含む、多くのＥＡＰおよ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、ヒトの組織の（局所的）操作、またはインターフェースに接触する組織の作動をあてにする（relies on）。かかる用途において、ＥＡＰアクチュエータは、例えば独自の利益を主に提供し、これは、スモールフォームファクタ、可撓性、および高エネルギー密度のためである。よって、ＥＡＰおよび光活性ポリマーを、ソフト、３Ｄ形状および／またはミニチュア製品およびインターフェースに容易に組み込むことができる。かかる用途の例は：

皮膚を引っ張るかまたはしわを減らすための、皮膚に一定のまたは周期的な引っ張りを適用する応答性ポリマー系皮膚パッチの形態の、例えば皮膚作動デバイスなどの皮膚用化粧トリートメント；
顔の赤み（red mark）を減らすかまたは防止する、皮膚への交互の通常圧力を提供するための、応答性ポリマー系活性クッションまたはシールを有する、患者インターフェースマスクを有する呼吸デバイス；

適合するシェービングヘッドを有する電気シェーバーである。接近および刺激間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、皮膚接触表面の高さを調節することができ；
特に歯間の空間において、例えばスプレーの到達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フロスなどの口腔クリーニングデバイスである。代替的に、歯ブラシに活性ふさ（tuft）を提供してもよく；

ユーザインターフェース中にまたはユーザインターフェース近くに組み込まれた応答性ポリマー変換器のアレイを介して、局所的触覚フィードバックを提供する家電デバイスまたはタッチパネル；
蛇行する血管中での容易なナビゲーションを可能にする、操作可能な先端を有するカテーテル、
である。

かかるアクチュエータからの利益をもたらす関連用途の別のカテゴリは、光の修正（modification）に関する。例えばレンズ、反射表面、格子などの光学素子を、これらのアクチュエータを使用した形状適合または位置適合により適合させて作製することができる。ここで、例えばＥＡＰの１つの利益は、より低い電力消費である。

開示された態様への他の変形は、図面、開示および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、当業者により理解されて実施されることができる。特許請求の範囲において、用語「含む」は、他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数を除外しない。特定の方法が互いに異なる従属請求項において記載されるという単なる事実は、これらの方法の組み合わせを有利に使用し得ないことを意図しない。特許請求の範囲におけるあらゆる参照符号は、本願発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。

Claims (7)

1. 中間層により連結された少なくとも２つの重なり合うポリマーユニットの積層体を含む電気活性または光活性ポリマー構成であって、前記少なくとも２つの重なり合うポリマーユニットの一方は、前記中間層の一方の端部に連結し、前記少なくとも２つの重なり合うポリマーユニットの他方は、前記中間層の反対の端部に連結し、ここで、前記中間層は、さらなる電気活性または光活性ポリマーユニットを含み、これにより、前記積層体は、最上部、中間部および底部電気活性または光活性ポリマーユニットを含む、電気活性または光活性ポリマー構成；および
   少なくとも第１、第２および第３モードで操作可能な駆動ユニット、
   を含むアクチュエータデバイスであって、ここで：
   前記第１モードにおいて、前記最上部および底部ポリマーユニットの駆動がオフにされ、前記中間部電気活性ポリマーユニットの駆動がオンにされ；
   前記第２モードにおいて、前記最上部および底部ポリマーユニットの駆動がオンにされ、前記中間部電気活性ポリマーユニットの駆動がオフにされ；
   前記第３モードにおいて、前記最上部、中間部および底部ポリマーユニットの駆動が全てオフにされ、第３モードにおいて、前記３種のポリマーユニットが同一の長さを有する、
   アクチュエータデバイス。
2. 前記中間層に連結されていない、前記重なり合うポリマーユニットの他方の前記端部に固定端、および前記中間層に連結されていない、前記重なり合うポリマーユニットの一方の前記端部に自由端部を含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記自由端部が、前記第３モードで静止位置を有し、前記第１モードでは１つの方向に変位され、前記第２モードでは反対の方向に変位される、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記積層体の前記層が、単一の折り重なった層を含み、セグメント化された電極が前記異なるポリマーユニットを画定する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記ポリマーユニットが平面状であり、前記有効長が、前記平面内の方向に沿っている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. はね上がりを防止するために前記積層方向に前記積層体をクランプするためのクランプ構成をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 各ポリマーユニットが電気活性ポリマーを含み、前記作動が電気的駆動を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のデバイス。

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