JP2019521521A - 摩擦制御装置および方法 - Google Patents

Abstract

摩擦制御装置（４４）は、それによって装置と人体組織表面との間の静止摩擦を減少させるために、装置が適用される人体組織表面内に横歪み（または伸張）を誘発するように構成される。この歪みは、装置の複数の接触表面領域（４０）の相対的な分離をもたらすように構成されたアクチュエータ装置によって誘発され、その結果、領域が受け面に押し付けられるとき、相対的な分離が、少なくとも適用領域の位置の間に当たる受け面の領域において歪みを誘発する。分離の程度は、静止摩擦を克服するのに必要な最小程度に一致する又はそれを超える。

Description

本発明は、接触界面にわたって摩擦を制御するための、特に、人体組織との界面にわたって摩擦を低減するための装置および方法に関する。

人体組織に対するデバイスの滑りは、局所的な表面ピンニング（surface pinnings）によって引き起こされるスティクション（stiction）（静止摩擦）によって妨げられることがある。局所的な表面ピンニングは、２つの接触表面間の摩擦接着の原因となるインターロックまたは付着表面粗さアスペリティ（interlocking or adhering surface roughness asperities）である。表面間の付着は、界面にわたって形成される結合、機械的インターロック、およびしばしば毛細管効果を含む多くの要因のために生じる。２つの表面のインターロック表面のアスペリティ（表面ピンニング）は、２つの表面の間に局所的な付着領域（adhesion regions）をもたらす。

人体組織の領域の上で装置を滑らかに滑らせることは、多くの用途にとって望ましいことがある。これが望まれる１つの特定の分野は、人体組織の上で滑らかに滑ることが特に重要な医療またはパーソナルケア装置の分野である。

静止摩擦が制御されないままである場合、これは、接触している組織に大きい横方向の力を加えることの不可避をもたらし得るとともに、組織の上での装置のスリップまたは滑動が達成され得る前に、組織の著しい変位を誘発する可能性がある。しばしば、組織の上での装置の動きが静止摩擦の極大値によって一貫して阻止され、滑りを再開するために大きい力の再適用を必要とする「スティック‐スリップ」現象も起こり得る。その結果は、装置が組織表面にわたって動かされるとき、組織表面への大きい振動力の事実上の適用である。

これらの現象は、典型的には、装置の機能性および効率性の両方、ならびに装置が適用されるユーザまたは患者に対する装置の快適性にも悪影響を与える。例えば組織の損傷又は刺激を引き起こすことがあるかもしれない。

スティクションによって引き起こされる問題を克服し且つ滑らかな滑りを可能にする１つの共通の手段は、湿った親水性コーティングまたは潤滑剤によって接触表面を潤滑することである。しかし、湿式の解決策は、特に皮膚に適用される電気パーソナルケア装置の場合、水の導入が危険であるか、性能を低下させる可能性がある場合には、必ずしも実用的ではない（例えば、電気シェーバー）。また、場合によっては、組織の伸張を完全に排除することは望ましくない。むしろ、滑らかな広域の案内と組み合わせた同時の局所的な伸長が所望の目的であることがある。例えば、シェーバーの場合、局所的に制御された皮膚の伸張が装置の性能を向上させることがある。また、ある種のカテーテル処置では、挿入は滑らかな滑りを必要とすることがあるが、治療自体の面では、静止摩擦によって誘発される組織の固定から利益を得ることがある。

動摩擦を制御するためのいくつかの手段が当該技術分野で知られており、そのいくつかは、接触表面内の面内および／または面外の周期的な変形を誘発する概念に基づいている。非特許文献１の概要は、例えば、乱流境界層にわたって摩擦抵抗を減少させるこのような概念の適用を開示している。しかし、この方法は、抗力すなわち流体に対する動摩擦を減少させることでの使用のみに向かられ、２つの固体層の間の境界にわたる静止摩擦を減少させることにおける有用性には限界がある。

特許文献１は、医療装置の表面に沿って表面弾性波振動を誘発することによって、医療装置と人体組織との間の動摩擦を低減する手段を開示している。

これらの開示された方法の両方は、装置の接触面の表面に沿って進行波または振動を伝播させるという概念に基づいている。しかし、このような方法は、接触表面に沿った振動を達成するために、装置全体の本体内に振動を誘発することを必要とする。これは、高い電力消費をもたらし、コストを増加させ、また、（より大きいバッテリが必要とされる場合）装置の重量を増加させるか、または（バッテリが消耗する前に装置がより短い期間持続する場合）性能を低下させたりすることもある。このような解決策はまた、振動が装置全体にわたって感知され、振動は接触表面のみに向けられないので、ユーザに重大な不快感を引き起こす可能性もある。

加えて、摩擦低減へのそのようなアプローチは、摩擦低減の程度を制御すること、または異なる表面材料に対する調整に関して限られた柔軟性を提供する。同じ振動が接触表面全体（そして実際には装置全体）にわたって自然に伝播するため、装置にわたる異なる表面領域での局所的な制御も不可能である。

したがって、装置の適用表面と外部ボディの受け面との間の静止摩擦を制御可能に低減するための改善された手段が望まれる。

DFD08 Meeting of The American Physical Society, Gouder, K. Morrison, J.

米国特許出願公開第２０１３／００３０３２９号

本発明は特許請求の範囲によって定められる。

本発明の態様によれば、人体組織受け面に適用するための摩擦制御装置が提供され、装置は低減された静止摩擦を有する前記受け面との界面を確立するように構成され、装置は：
前記受け面と接触する複数の接触表面領域を有する接触表面構成（contact surface arrangement）と；
前記受け面の弾性及び前記受け面の１つ又は複数の表面特性に依存して前記接触表面領域の相対的な分離（relative separation）を制御するように構成されたアクチュエータアセンブリであって、分離の程度が、界面にわたる静止摩擦力が克服されることなしに接触表面領域を介して受け面に加えられることができるものと一致又はそれを超えるようにされる、アクチュエータアセンブリと；を有する。

提供される摩擦制御装置は、人体組織の領域に適用されるように構成され、適用された接触表面領域の分離は、それが適用される受け面内の歪みを誘発する。この歪みは、少なくとも複数の表面領域に広がる受け面の領域にわたって少なくとも誘発されるが、ある範囲を超えて広がってもよい。

誘発される歪みの大きさは、本来、接触表面領域の間に誘発される相対的な分離の大きさに依存する。この分離の程度は、受け面における対応する歪みを誘発するように選択され、この対応する歪みは、領域と受け面との間の静止摩擦力が克服されることなしに接触表面領域によって支持されることができるものを超える。

この状態に到達するために必要な相対的な分離の特定の程度は、人体組織受け面の弾性特性および（粗さまたは平滑度のような）組織層の表面の特定の物質特性の両方に依存する。

受け面に歪みを誘発することは、当然、接触表面領域を介して受け面に横方向の力を加えること（または横方向の成分を有する力を加えること）を必要とする。接触表面領域は、それらが静止摩擦力によって受け面に静止して付着したままである間に、そのような横方向の力を加えるようにのみ構成される。接触領域の分離により層に大きい歪みが誘発されると、より大きい応力および同時のより大きい引っ張り力が層にわたって誘発され、これは、分離を維持するために表面領域によって抵抗されなければならない。

あるポイントで、受け面に蓄積された引っ張り力に抵抗するために加えられる必要のある横方向の力は、受け面に付着した接触表面領域を保持する静止摩擦力を超える。このポイントで、「スリップ」が起こり、横方向の力のさらなる印加が、表面領域（または実際には他の同様に適用された接触体）を受け面上で摺動させる状態が得られる。この状態を達成するために必要な分離の程度は、本発明の実施形態によって提供される歪みの程度である。

誘発された分離が、静止摩擦力を克服することなく接触表面領域を介して受け面に伝達されることができるものを超えるポイントでは、界面表面ピンニング（interfacial surface pinnings）が、破壊されるおよび／または適切に形成されない。その結果、歪みを受けた（strained）受け面と、（この程度の歪み／伸張が維持される間に）それと接触する任意の面との間の静止摩擦は、著しく低減される。

複数の接触表面領域は、例では、１つの単一表面（single unitary surface）の異なる領域を指してもよく、または複数の異なる表面コンポーネントの表面を指してもよい。前者の場合、複数の表面領域は、表面の複数の任意に規定された領域を指すように取られてもよい。これらの任意の領域は、連続していても不連続であってもよい。

相対的な分離の程度が受け面の伸張によって受け入れられることができるものよりも大きいように接触表面領域が受け面の伸張能力に依存して分離される場合、局所的な表面ピンニングの破壊が達成され得る。

アクチュエータアセンブリは、接触表面領域の相対的な分離を制御する。相対的分離は、第１の初期の相対的な分離から、第２のより大きな相対的な分離まで増加するように制御される。複数の表面領域の各々は、１つおきの表面領域に対する相対的な分離を増加するように制御されてもよい。この方法では、複数の表面領域によって覆われた領域全体にわたる伸張が達成される。

少なくとも１組の例では、アクチュエータアセンブリは、接触表面領域と受け面との間の静止摩擦係数、および受け面の弾性率に依存して、接触表面領域の相対的な分離を制御するように構成される。相対的な分離は、これらの２つの値の商に比例して増加し得る。この値は、表面ピンニングを破壊しスリップを開始させる（すなわち、受け面にわたる静止摩擦が最小にされる状態を開始する）ために、受け面において誘発する必要がある歪みの１つの大きさ（measure）を提供する。この値は、受け面における誘発される歪みが、受け面と複数の表面部分の各々との間に加えられる静止摩擦力と等しいかまたはそれより大きい状態を反映する。

アクチュエータアセンブリは、例では、第１の分離距離から第２の分離距離まで増加するように表面領域間の相対的な分離を制御するように構成されることができ、第１の距離に対する第２の距離の比は、
１．００１から１．０１の間；または
１．０１から１．１の間；または
１．１より大きい。

１．００１から１．０１の間の値は、湿った皮膚の上でのスリップの状態を誘発するのに特に適している。

１．０１から１．１の間の値は、正常な皮膚の上でのスリップの状態を誘発するのに特に適している。

１．１より大きい値は、乾燥した皮膚の上でのスリップの状態を誘発するのに特に適している。

少なくとも１組の例によれば、複数の表面領域は、単一可撓性層の表面によって構成され、層の表面は平面を画定し、アクチュエータアセンブリは、前記平面に平行な方向において前記層にわたる横歪みを誘発するように構成され、それによって、複数の表面領域の分離を起こさせる。

この一組の例によれば、言及される接触表面領域は、１つの単一層の概念上の任意に規定された領域であると考えることができる。領域は、連続しているかまたは空間的に分離されていると定義されてもよく、任意のサイズおよび任意の複数の数であってもよい。可撓性単一層にわたって歪みを誘発する（すなわち、層を広げるまたは伸張する）ことによって、層のいかなる任意に規定された領域も互いに分離するように誘発される。層が（人体組織の）受け面と接触して適用される場合、層のこの伸張は、受け面の正確に釣り合った（commensurate）伸張を誘発する。受け面は、可撓性単一層の伸張に従う。（ほぼ）均質な歪みが、この場合、可撓性単一表面によって覆われた人体組織の領域の全範囲にわたって誘発される。

人体組織受け面におけるこの誘発された歪みは、（上述のように）表面ピンニングの破壊を引き起こし、したがって、適用された単一表面と受け面との間に示される静止摩擦力の低下を引き起こす。理想的なモデルによれば、これらの２つの接触層の間に感じられる静止摩擦力は無視できる値まで減少し、人体組織の層上の単一表面のほぼ抵抗のない（広域の）スリップまたは滑り（gliding）が可能であることを意味する。広域のスリップとは、（単に受け面に対する２つ以上の接触表面領域の並進運動とは対照的に）受け面に対する単一表面全体のスリップ又は並進運動を意味する。

したがって、一旦表面領域間の分離が行われ、人体組織受け面における釣り合った歪みが誘発されると、単一可撓性層全体が静止状態から移動状態に移行し、有意な（significant）抵抗性の静止摩擦力に遭遇することなく、人体組織受け面上で任意の所与の方向に移動または並進移動され得る。

さらに、上述したように、表面領域の相対的な分離の本発明の方法による横歪みの誘発は、本発明の任意の実施形態にしたがって、接触表面領域がまたがる全領域にわたる実質的に均質な歪みの実現を可能にする。この歪みは、典型的には方向性および大きさの両方で均質である。均質な歪みの実現は、比較的大きい領域の界面にわたる静止摩擦の減少の場合に特に重要であり、その理由は、あらゆる不均質性がせん断抵抗の局部的な最大値をもたらし、いわゆる「スティック‐スリップ」をもたらし、受け面上の接触表面構成の連続的な動きが妨げられ、動きを再開されなければならないからである。従って、比較的広い界面領域にわたる比較的均質な歪みを実現する能力は、静止摩擦抵抗に対抗する有効性に関して本発明の重要な利点である。

「横歪み」という用語は、単一可撓性層に平行な面内歪みを単に意味することを意図していることに留意されたい。本開示の他の部分において、「せん断歪み」という用語は、同じ概念を指すために適用されることもある。

単一層にわたって誘発された歪みは、層によって画定された平面と平行な１つまたは複数の方向にあり得る。層によって画定される平面は、層の主表面（major surface）によって画定される平面であってもよく、複数の接触表面領域を含む層の表面によって画定される平面であってもよい。より一般的には、例えば層の中央の横方向の平面（central lateral plane）を指す場合もある。

１つまたは複数の例によれば、受け面をひずませる説明されたプロセスは、可撓性単一層が受け面上で自由に動かされ、随意にスタートおよび停止することを可能にするために反復的に繰り返されてもよく、各運動の再開は、層と人体組織受け面との間の同じ低減された静止摩擦力又は実質的に排除された静止摩擦力で達成されることができる。いくつかの実施形態では、動作の停止を（例えば、動作可能に結合された動き検出器を用いて）検出し、応答して表面部分の分離を開始するように構成されたコントローラが設けられ得る。他の例では、表面部分の周期的な分離を制御するように構成されたコントローラが設けられ得る。

少なくとも１組の実施形態によれば、アクチュエータアセンブリは、電気的刺激、熱的刺激、磁気的刺激または電磁気的刺激に応答して変形するように構成された１つまたは複数の応答性材料（responsive material）構成要素を有し得る。応答性材料（または「スマート材料」）は、環境に応じて形状を変化または変え得るように構成されたよく知られた種類の材料である。この形状変化は、作動機能を提供するために利用され得る。

特に、１つまたは複数の応答性材料構成要素は、いくつかの例では、可撓性単一層に機械的に結合され得るとともに、それらの変形が可撓性単一層を機械的に操作して前記横歪みを呈するように構成され得る。例えば、１つまたは複数の反応性材料構成要素は、可撓性単一層の２つの対向する端部に結合し、２つの端部を互いに離して引っ張り、それによってそれにわたる横歪みを誘発するような方法で（適切な刺激に応答して）変形するように、協働的に構成される。しかし、これは単なる一例に過ぎず、層に歪みを誘発した結果を有する任意の代替の適切な構成も考慮され得る。

異なる組の例によれば、アクチュエータアセンブリは、単一可撓性層内に組み込まれてもよく、その層は、前記平面に平行な１つ又は複数の方向に層にわたる横歪みを誘発し、したがって、層の表面の複数の表面領域の分離を起こさせるために、印加された刺激に応答して変形するように構成された応答性材料で形成される。

これらの例では、外部作動構成要素は、接触表面領域の分離を引き起こすのに必要ではない。むしろ、可撓性単一層は、それ自体が部分的に応答性材料で構成され、層によって画定された平面に平行な１つまたは複数の方向に広がるまたは伸張することによって適切な刺激に応答するように構成される。このような構成は、専用の作動構成要素が必要とされないので、よりコンパクトおよび／または軽量な解決策を提供し得る。これは、より小さいフォームファクタを可能にし得る。それはまた、装置をより簡単に、より速く、および／または製造コストを安くすることができる。組み立てまたは製造が容易であり得る。より簡単な制御エレクトロニクスを可能にし得る。

さらなる一組の例によれば、アクチュエータアセンブリは、単一可撓性層を操作して、層によって画定される前記平面と平行な方向にそれにわたる横歪みを誘発するように構成された１つまたは複数の機械的アクチュエータを有し得る。機械的アクチュエータは、例えば、層の対向する端部に結合され、対向する端部の間で層にわたる歪みを誘発するよう対向する力を加えるように構成され得る。しかし、任意の他の適切な構成が使用されることもできる。機械的アクチュエータは、例えば、単一の層に結合されていなくてもよく、またはより多くの中心点で層に結合されてもよい。

オプションで、アクチュエータアセンブリは、運動エネルギの外部供給源を入力として受け取り、前記運動エネルギを前記１つまたは複数の機械的アクチュエータに伝達するように構成されたエネルギ伝達機構を有し得る。このような構成は、摩擦制御装置が、その通常の機能の一部として局所的な運動または振動を発生させる主装置または器具の接触表面に結合または取り付けられる用途に特に適している。これは、例えば、シェーバーまたはトリマーの場合である。ここで、シェーバーまたはトリマーブレードの振動運動は、接触表面領域の操作を駆動する運動エネルギ源を提供するためにアクチュエータ装置のエネルギ伝達機構によって部分的に利用されることができる。この適応は、本出願に記載された任意の他の実施形態と組み合わせて適用されることもできる。これにより、シェーバーまたはトリマーの主電源が、２つの間に延びる電気ケーブルを備える必要なしにアクチュエータ装置に電力を供給するために使用されることができる。

上述の例のいずれかについて、アクチュエータ装置は、それが応答性材料構成要素または機械的アクチュエータを含むかどうかにかかわらず、層によって画定された平面に平行な２つの直交する方向に可撓性単一層にわたって横歪みを生じさせる又は誘発するように構成され得る。

特定の例では、単一可撓性層は長方形の層であってもよい。他の特定の例では、それは、円形、楕円形、または非規則的な丸い形のような閉じた丸い形を定義することができる。可撓性単一層は、他の例では、規則的な形状または自由形式の形状を含む任意の特定の形状または形態を取ることができる。

さらなる一組の実施形態によれば、接触表面構成は、複数の空間的に分離された接触要素の表面を有し得る。接触要素は、平面または湾曲接触表面を特徴とする剛性要素（rigid elements）であり得る。接触要素は、非常に小さい、マイクロサイズの要素（micro-sized elements）であり得るとともに、１つまたは複数の方向で互いに移動可能に構成されかつ配置され得る。アクチュエータ装置は、接触要素の各々の間の分離距離の増大を引き起こすように構成される。接触要素は、実質的に均質な方法で互いに離れて移動し得る。

このような構成は、接触表面領域の材料の選択においてより大きな自由度を可能にする。以前の例とは異なり、材料は、柔軟な伸張および人体組織接触の二重の機能を促進する必要がない。これは、より大きな選択を可能にする。例えば、親水性または疎水性である材料を選択することができ、または特定の所望の表面仕上げ（すなわち、特定の粗さまたは滑らかさを有する）を備えるように材料を選択することができる。

特定の例では、複数の表面領域は、単一可撓性層の主表面に結合または取り付けられてもよく、アクチュエータ装置は、それによって複数の表面要素の間に分離（相対的な分離の増大）を引き起こすために、前記層にわたって歪みを誘発するように構成される。アクチュエータ装置は、この場合、作動機能を提供するように構成された機械的アクチュエータまたは応答性材料構成要素を有し得る。

アクチュエータ装置は、電気的、熱的、磁気的または電磁気的刺激に応答して変形するように構成された応答性材料の層を有することができ、変形は、層によって画定された平面と平行な方向に層において横歪みを誘発し、複数の接触要素は、層の変形が接触要素の相対的な分離を誘発するように、前記層の表面に結合される。オプションで、歪みは、層によって画定された平面に平行な２つの直交する方向に誘発されてもよい。

アクチュエータ装置は、複数の接触要素を物理的に操作して、それらの間の相対的な分離を誘発するように構成された１つまたは複数の機械的アクチュエータを備え得る。

これらの例のいずれにおいても、接触要素は、接触要素の全ての間で空間的な分離が維持されるように配置されてもよい。他の例では、接触要素の少なくとも一部が互いに摺動することができる。さらなる例では、複数の接触要素は、要素の相対的な分離に伴って歪む弾性カップリングを介して、相互にコンプライアントに（compliantly）結合され得る。これは、要素を初期構成（initial configuration）に戻す便利な手段を提供し得る。それは、いくつかの例では、要素の復帰を高速化し得る。

加えて、これらの例のいずれかによれば、皮膚接触要素は、任意の２つの接触要素間の最大誘発分離が極めて小さい（例えば＜＜０．１ｍｍ）ように構成されてもよい。これは、（皮膚の伸張を誘発するために）要素の相対的な拡張時に、皮膚が要素間の隙間に突き出る、いわゆる「ドーミング（doming）」効果が回避され得ることを確実にする。このようなドーミングまたは突出は、再び要素を一緒に戻すと、皮膚のドーム状領域（domed areas）が隣接要素間に閉じ込められ、結果として皮膚の挟み込みを招くので、ユーザに不快感をもたらす可能性がある。最大離間距離を−および最大の接触要素の外側伸長も−十分に小さく保つことによって、ドーミングは回避されることができる。

関連する上記の例では、反応性材料は一般的な意味で記載されている。しかし、より特定の例では、電気活性ポリマー材料が応答性材料として使用され得る。

少なくとも１組の実施形態によれば、摩擦制御装置は、相対的な分離が時間にわたって周期的に変化するように、表面部分間の周期的な相対的な分離を起こさせるようにアクチュエータアセンブリを制御するように構成されるコントローラをさらに有する。適切な周波数で互いから分離する（それらの相対的な離間距離を増加させる）ように表面領域を周期的に作動させることによって、いつ運動が停止されても表面装置と組織との間の減少した静止摩擦を確実にしながら、人体組織の領域にわたる接触表面構成の比較的任意の（relatively arbitrary）停止−開始広域動作（stop-start global motion）を可能にすることができる。

一組の例によれば、摩擦制御装置は、受け面と接触表面領域との間の静止摩擦係数に依存するとともにさらに受け面の弾性率に依存する大きさの表面領域間の相対的な分離を起こさせるようにアクチュエータアセンブリを制御するように構成されたコントローラをさらに有し得る。装置は、人体組織受け面の弾性率を検出するため、または弾性率を決定するのに適した１つまたは複数の他のパラメータを検出するための１つまたは複数のセンサをさらに有し得る。装置はまた、特に受け面と接触表面領域との間の静止摩擦係数を決定するのに適した１つまたは複数の表面パラメータを検出するように構成されたセンサを有し得る。

１つまたは複数の例によれば、装置は、人体組織受け面との接触を検出するためのセンサをさらに有し得る。人体組織接触の検出に応答して接触表面領域の分離を開始するように構成されたコントローラがさらに存在し得る。

本発明のさらなる態様によれば、ユーザの皮膚に接触するためのヘッド部分を有するシェーバーまたはトリマーが提供され、ヘッド部分は、任意の前述の請求項のいずれかに記載の摩擦制御装置を有する。

本発明の別の態様によれば、接触表面構成と外部ボディの受け面との間の界面にわたる静止摩擦を制御する方法が提供され、接触表面構成は、外部ボディの前記受け面と接触する複数の接触表面領域を有し、方法は：
分離の程度が、界面にわたる静止摩擦力が克服されることなしに接触表面領域を介して受け面に加えられることができるものと一致またはそれを超えるように、受け面の弾性と受け面の１つまたは複数の表面特性に依存して前記接触表面領域の相対的な分離を起こさせるステップを含む。

本発明の例が次に添付図面を参照して詳細に説明される。

人体組織層への横方向の力の適用および遭遇する関連する静止摩擦力を模式的に示す。 人体組織層への横方向の力の適用および遭遇する関連する静止摩擦力を模式的に示し、層は本発明の実施形態にしたがって伸張されている。 本発明の実施形態の中に組み込まれる複数の接触表面領域を有する例示の単一可撓性層を概略的に示す。 複数の接触表面領域を離すように伸張されている例示の単一可撓性層を概略的に示す。 可撓性接触層の接触表面と人体組織受け面との間のモデル化された物理的相互作用を概略的に示す。 スリップの状態を引き起こすために人体組織受け面内に誘発されるのに要求される必要な歪みを示すグラフを示す。 クランプされた例示の電気活性ポリマー層を概略的に示す。 クランプされていない例示の電気活性ポリマー層を概略的に示す。 シェーバーヘッド内に組み込まれる第１の例示の摩擦制御装置の下面図を概略的に示す。 第１の例示の摩擦制御装置の断面図を概略的に示す。 環形状を有する例示の可撓性接触層を概略的に示す。 シェーバーヘッド内に組み込まれる第２の例示の摩擦制御装置を概略的に示す。 シェーバーヘッド内に組み込まれる第３の例示の摩擦制御装置を概略的に示し、装置は外部アクチュエータの構成を有する。 複数の別個の接触要素を有する第４の例示の摩擦制御装置を概略的に示す。 シェーバーヘッド内に組み込まれる第５の例示の摩擦制御装置を概略的に示す。

本発明は、それによって装置と人体組織表面との間の静止摩擦を減少させるために、装置が適用される人体組織表面内に横歪み（または伸張）を誘発するように構成された摩擦制御装置を提供する。この歪みは、装置の複数の接触表面領域の相対的な分離をもたらすように構成されたアクチュエータ装置によって誘発され、その結果、前記領域が受け面に押し付けられるとき、相対的な分離が、少なくとも適用領域の位置の間に当たる（falling）受け面の領域において歪みを誘発する。

上記で説明したように、装置は静止摩擦の制御された減少が皮膚損傷または皮膚刺激を減少させ得る皮膚接触装置の場合の特定の用途を有する。皮膚との界面での表面静止摩擦は、典型的には高く、それを克服するために比較的大きな力の印加を必要とし、皮膚およびその下にある表面組織の望ましくないほど大きい変位も誘発する。静止摩擦を克服し、装置の動作を開始する際に生じる表面磨耗は、皮膚の刺激を引き起こす可能性がある。皮膚およびその下の組織の大きな変位は、皮膚の損傷または炎症を引き起こす可能性がある。

図１は、剛性接触表面１６によって人間の皮膚組織１８、２０のボディへの、組織のボディの上で表面を移動させるための、横方向の力２４の印加を概略的に示す。図示のように、人体組織上の接触表面１６の動きは、２つの間の界面２６にわたって作用する静止摩擦力によって抵抗を受けている。剛性接触表面１６は、硬い上皮層１８と直接接触している。図示されているように、加えられる横方向の力は、加えられた力２４の方向に上皮１８の変位を誘発し、これは、下に横たわっている軟組織２０のボディの本体の対応する伸張または緊張を引き起こす。

時間２８（又は剛性接触表面１６の滑り距離）に応じた界面２６にわたって加えられる抵抗性摩擦力３０の大きさは、図１の右側に示されるグラフによって示される。図示されるように、剛性接触表面１６の最初の運動の開始は、抵抗性静止摩擦力を完全に克服するために、上皮１８への大きい横方向の力の印加を必要とする。しかし、グラフからさらに分かるように、上皮上の接触表面１６の連続的な動きまたは滑動は、剛性接触層が繰り返し停止および開始するように強制されるような大きさで振動する表面摩擦力の継続的な戻りによって妨げられる。各停止は、摩擦抵抗を克服し、動作を再開するために、最初の大きな力の再適用を必要とする。この効果は「スティック‐スリップ」として知られている。

対照的に、図２は、接触表面１６による人体組織１８、２０のボディへの横方向の力の適用を概略的に示しており、上皮１８の受け面は、スリップ状態を達成するために本発明の実施形態にしたがって伸展している状態にある。この場合の伸展は、（上記のいくつかの例に関して説明したように）接触表面１６の拡張によって達成されると仮定され得る。しかし、示された効果は、そのような場合に限定されず、任意の伸展手段が同様に使用されることができる。

図２の対応するグラフに示されているように、この場合（表面が歪んでいる場合）の動きの開始に対抗する抵抗性摩擦力３０の大きさは著しく低減されており、これは運動が著しく減少した大きさの初期の力の印加を通じて達成され得ることを意味している。これは、結果として生じる組織損傷または皮膚刺激の可能性、または少なくとも鋭さを減少させる。

図２のグラフはまた、図１のシナリオとは対照的に、抵抗性摩擦力は、運動を開始するために一旦克服されると、反復して戻り続けるのではなく、むしろ一定の（低い）レベルにとどまることを示している。その結果、スティック‐スリップの現象が回避される。

図１および２は、皮膚１８、２０のボディへの言及により本発明によって克服される問題を示しているが、本発明は皮膚組織での使用に限定されないことが理解されるべきであり、本発明は、任意の他の人体組織に等しい利点を伴って適用され得ることが完全に予想される。これは、例えば、動脈、食道、若しくは腸壁の、または内部器官組織の、内部組織を含み得る。

図３および４は、本発明の１つまたは複数の実施形態による第１の例の摩擦制御装置を概略的に示す。この装置は、可撓性材料で形成された単一層４４を有し、これは、層の下部主表面４６によって画定される平面に平行な方向に沿って層から外側への横方向の伸展に適応するように構成される。

層の下部主表面４６は、人体組織受け面と接触する接触表面を画定する。接触表面４６は、任意に規定された接触表面領域４０の配置に概念的に分割されていると理解することができる。この場合の接触表面領域は、空間的に分離された領域の規則的なアレイを形成するように画定される。

図３および４はそれぞれ、最初の非変形状態および後の変形（伸展）状態における単一層４４を示す。図示されているように、後の伸展された状態では、複数の接触表面領域４０の各々の間の離間距離ｄが（ｄ＋Δｄに）増加する。層が人体組織のボディの受け面に適用されている間に層のこの伸展が誘発されるとき、複数の接触表面領域の相対的な分離は、受け面の対応する伸展を誘発する。相対的な分離の大きさは、２つの表面の間の静止摩擦力が克服され（そして滑りの状態が達成され）る前に受け入れられることができる大きさ以上の歪みを受け面に誘発するように制御される。

上述のように、受け面１８にわたる滑りの状態を誘発するのに必要な接触面領域４０の相対的な分離の大きさは、人体組織受け面の弾性と、受け面と接触面領域４０との間の静止摩擦係数の両方に依存するものとして理解され得る。必要な量の分離は、弾性係数Ｅを有する弾性層としての人体組織受け面１８を記述する簡単な（理想化された）モデルによって推定され得る。

接触表面領域が単一の可撓性単一層４４によって構成される図３および図４の実施形態に適用されるモデルは、図５に示されている。ここで、可撓性単一層４４は、弾性層として同様にモデル化され、静止摩擦係数μ_ｓを有する界面にわたって人体組織受け面１８と接触し、垂直印加力Ｆ_ｎが負荷されている。

単一層は、加えられたせん断（面内）歪みεを有するものとしてモデル化される。単一の層４４と受け面１８の両方は、平面内でのみ（すなわち、層の主表面によって規定される／平行な平面に平行な方向に）変形することができることが仮定される。２つの層の間の界面静止摩擦力のために、人体組織受け面は、可撓性単一層４４の伸張に追従し、それによって同様に受け面に歪みεを誘発する。

受け面は、受け面内に蓄積されたせん断引張り力が２つの層の間の界面にわたって及ぼされる静止摩擦力を超えない限り、可撓性単一層の伸張に追従し続ける。引っ張り力が摩擦力の大きさを越えるとすぐに、層１８に蓄積された弾性張力が摩擦力に打ち勝ち、層が単に伸張している単一層の表面上を摺動することを可能にするので、滑りが生じる。

人体組織受け面１８は、誘起応力σを有するものとしてモデル化される。したがって、層にわたって示される対応する引っ張り力Ｆ_Ｔは、Ｆ_Ｔ＝σｈｗと見なすことができ、ここで、ｈおよびｗは、それぞれ受け面１８の高さおよび幅である。示される静止摩擦力は、値Ｆ_μ＝μ_ｓＦ_ｎを有するとみなされ得る。したがって、滑りの要件は次のように記述され得る：

人体組織受け面１８は弾性率Ｅを有し、Ｅ＝σ／εであるので、不等式（１）は、次のように表され得る：

不等式（２）は、受け面の弾性および受け面と伸張接触表面構成４４との間の静止摩擦係数の関数として滑りを開始させるために、人体組織受け面１８内に誘発されることになる必要な歪みを説明している。

このモデルは、歪みεとせん断応力σが人体組織受け面におよそ均質に加えられ、同様に、歪みが可撓性単一層全体にほぼ均質に誘発されるという単純化した仮定に基づいている。

静止摩擦の場合には、摩擦力μ_ｓＦ_ｎが可撓性単一層４４に誘発される引張力τｗＬと等しいという事実を用いて、不等式（２）が導き出されることができることにも留意されたい。したがって、不等式（１）は、σｈｗ＞τｗＬと表され得る。次に、σ＝Ｅεおよびτ＝μ_ｓＦ_ｎ／ｗＬという事実を適用することができる。その結果、不等式（２）が直ちに生じる。

このモデルはまた、可撓性単一層４４の弾性率が人体組織受け面１８の弾性率よりもかなり大きいと仮定している。実際には、単一層４４は、受け面１８の大きさより少なくとも１桁大きい弾性率を有することが仮定される。２つの層の剛性における不一致は、所与の誘発された歪みに対するより大きい応力が常に可撓性単一層に誘発され、より小さい応力が人体組織受け面に誘発されることを確実にする。これは、過度な応力がいずれの層にも形成されないため、滑りの点で機械的に安定したシステムを保証する−ここで、「過度な応力」とは、層の弾性率とその中に誘発される歪みとの積より大きい応力を意味する。人体組織層が伸張層４４より大きい剛性を有する場合、過度な応力が伸張層に蓄積され、過度な（外側に向けられた）張力が解放されるとき、潜在的に滑りのポイントにおいて層の突然の急速伸張の発生をもたらす。

しかし、これにもかかわらず、可撓性単一層４４が人体組織受け面１８より低い弾性率を有する場合には、表面ピンニングの所望の破壊および静止摩擦の低減を達成することが依然として可能である。しかし、この場合、滑りの条件を決定する場合、可撓性単一層の弾性率Ｅ’および寸法ｗ’、ｈ’が、人体組織受け面のものの代わりに考慮されるべきである。この場合、可撓性単一層内に蓄積された応力σ’は、歪みではなく、高速条件を提供する。その結果、すべりの開始条件は次のようになる：

上記のモデルは、複数の接触表面領域４０を含む１つの単一層４４の伸張の観点から較正されているが、モデルはこの実施形態に決して限定されないことが強調される。これは、複数の接触表面領域４０が、例えば複数の空間的に分離された接触要素によって構成される実施形態にも適用され得る。（そのような実施形態については、さらに詳細に後述する）。

従って、このモデルは一般化され、それ以来最も広い意味で理解される摩擦制御装置の接触面領域４０の間の分離距離ｄの必要な増加に関して再構成されてもよい。接触面領域の分離は、（少なくとも静止摩擦力は克服されないが）受け面の歪みを正確に反映しているので、歪みεは、複数の接触表面領域４０の（少なくともサブセットの）それぞれの間の離間距離Δｄ_ｐｒｏｐにおける比例変化を指すと同様に理解され得る。分離の比例変化とは、分離距離の絶対的変化を元の分離距離で割ったものを意味する：

ここで、Δｄ＝離間距離の絶対変化、ｄ_ｆ＝最終離間距離、およびｄ_ｉ＝初期離間距離である。

滑りの状態を開始するために人体組織受け面に誘発するのに必要とされる典型的な歪みの値は、応答物質を含む現実の物質によって容易に達成可能な値である。

図６は、誘発する必要があるいくつかの例示の歪み値を示すグラフであり、それぞれは、仮定された物理的および幾何学的条件の特定のスペクトルまたはバンドに対応する。ｙ軸は、材料界面にわたる摩擦抵抗力を表し、μ_ｓＦ_ｎ（ニュートン）に等しい。ｘ軸は受け面内の弾性抵抗力を表し、Ｅ_ｗｈ（ニュートン）に等しい。グラフ上の各曲線は、その線に沿った点によって表される特定の物理的シナリオのいずれかについて滑りを誘発するために必要な特定の（例示の）歪み値に対応する。

これは、任意のシナリオで要求される歪みが、μ_ｓＦ_ｎ／Ｅ_ｗｈ、すなわち図６のグラフにおける任意の線または曲線の勾配よりも大きいことを示す上記の式（２）に従う。

示された曲線は、一般的な応答性材料を含む一般的な材料を使用して達成するのが現実的かつ実現可能である歪み値として、説明のために純粋に示されている。もちろん、図示されているものの中間にあり、各々が実現可能な歪みの異なる値を表す、任意の数の異なる曲線がグラフに追加されることも可能である。示された特定の曲線は、概念の単なる例示である。

左から右へ、第１の曲線（またはバンド）は、滑りを誘発するのに必要な歪みが０．１であるシナリオに対応し、第２は必要な歪みが０．０１であるシナリオ、第３は必要な歪みが１×１０^−３、４番目は１×１０^−４の歪み、５番目は１×１０^−５の歪みに対応する。

例として、弾性Ｅ＝１０^６Ｐａおよび断面積＝１×１０^−４ｍの湿った皮膚表皮の典型的な層は、１Ｎの弾性抵抗Ｅｗｈ（ｗ＊ｈ＝断面積とする）を有する。図６のグラフを用いて、材料界面におけるμ_ｓＦ_ｎが０．１Ｎの値を有する場合、０．１（例えば）の誘発される歪みにおいてこのような層にわたって滑りが誘発され得ることが分かる。同様に、０．０１Ｎに等しい界面のμ_ｓＦ_ｎの値の場合、（この場合も同様に、例えば）０．０１の誘発される歪みで滑りが誘発される。

これらのμ_ｓＦ_ｎの値は、実際のシナリオでは完全に実現可能且つ現実的であり、歪みの値は０．１と０．０１である。

第２の例を挙げると、弾性Ｅ＝１０^９Ｐａおよび断面積＝１×１０^−７ｍの典型的な乾燥皮膚表皮の層は、１００Ｎの弾性抵抗Ｅｗｈ（ｗ＊ｈ＝断面積とする）を有する。グラフから、このシナリオでは、μ_ｓＦ_ｎ＝０．１の場合０．００１の誘発される歪み、μ_ｓＦ_ｎ＝１の場合は０．０１の歪み、μ_ｓＦ_ｎ＝０．０１の場合０．０００１の歪みで滑りが誘発されることが分かる。ここでも、これらの数字は純粋に例示的なものであり、概念の例示としてのみ与えられている。

前のセクションで説明したように、可撓性単一層４４の伸展または伸張は、多数の異なるメカニズムに従って達成され得る。

少なくとも１組の実施形態によれば、層４４は、電気刺激の印加に応答して伸張するように適合された電気活性ポリマー（ＥＡＰ）材料を含み得る。電気活性ポリマー（ＥＡＰ）は、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、センサおよびアクチュエータの両方としてより広範に使用され、さまざまな形状に容易に製造され、多種多様なシステムへの容易な組み込みを可能にする。

過去１０年間に著しく改善された作動応力や歪みなどの特性を備えた材料が開発されている。ＥＡＰが商業的かつ技術的に関心を高めているように、技術リスクは製品開発の許容レベルまで低下している。ＥＡＰの利点には、低消費電力、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、高速応答時間、および周期的作動を含む。

ＥＡＰ装置は、一般に、電気作動に基づいて構成要素または機構の少量の移動が望まれるあらゆる用途に使用することができる。同様に、この技術は小さい動きを感知するためにも使用することができる。本発明は、特に、アクチュエータに関する。

ＥＡＰの使用は、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フォームファクタでの比較的大きい変形と力の組み合わせにより、以前は不可能であった機能を可能にするかまたは一般的なアクチュエータソリューションよりも大きな利点を提供する。ＥＡＰはまた、ノイズのない動作、正確な電子制御、高速応答、および例えば０−１ＭＨｚ、最も典型的には２０ｋＨｚ未満のような広い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デバイスは、電界駆動材料およびイオン駆動材料に細分することができる。

電界駆動ＥＡＰの例には、圧電ポリマー、電歪ポリマー（ＰＶＤＦベースのリラクサポリマーなど）および誘電エラストマーが含まれる。他の例には、電歪グラフトポリマー、電歪ペーパー、エレクトレット、電気粘弾性エラストマーおよび液晶エラストマーが含まれる。

イオン駆動ＥＡＰの例は、共役／導電性ポリマー、イオン性ポリマー金属複合材（ＩＰＭＣ）およびカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）である。他の例には、イオン性ポリマーゲルが含まれる。

電界駆動ＥＡＰは、直接的な電気機械結合を通して電界によって作動される。それらは通常、高い電界（ボルト／メートル）だが低電流を必要とする。ポリマー層は、駆動電圧を可能な限り低く維持するために、通常薄い。イオン性ＥＡＰは、イオンおよび／また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、低電圧だ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（ただし、いくつかの材料システムは固体電解質を用いても動作することができる）。

両方のクラスのＥＡＰは複数のファミリーメンバーを有し、それぞれに長所と短所を有する。

電界駆動ＥＡＰの第１の注目すべきサブクラスは、圧電および電歪ポリマーである。伝統的な圧電ポリマーの電気機械的性能は限られているが、この性能を向上させる突破口は、自発的な電気分極（電界駆動アライメント）を示すＰＶＤＦリラクサポリマーをもたらした。これらの材料は、歪み方向の改善された性能のために予め歪ませることができる（予備ひずみにより、より良好な分子配向が得られる）。通常、歪みは中程度の状態（１−５％）であるため、金属電極が使用される。他のタイプの電極（導電性ポリマー、カーボンブラックベースのオイル、ゲルまたはエラストマーなど）も使用することができる。
電極は、連続的であるまたはセグメント化されることができる。

電界駆動ＥＡＰのもう１つのサブクラスは誘電エラストマーのものである。この材料の薄膜は、平行平板コンデンサを形成する、コンプライアント電極（compliant electrodes）の間に挟まれ得る。誘電エラストマーの場合、印加された電界によって誘発されるマクスウェル応力は、膜に応力を生じさせ、厚さを収縮させ面積を拡大させる。歪み性能は、典型的には、エラストマーに予歪みを加えること（pre-straining）によって拡大される（予歪み（pre-strain）を保持するフレームを必要とする）。歪みは相当（１０−３００％）であることができる。これはまた、使用できる電極のタイプを制限する：低歪みおよび中程度の歪みに関して、金属電極および導電性ポリマー電極が考慮されることができるが、高ひずみ状態に関して、カーボンブラックベースのオイル、ゲルまたはエラストマーが典型的に使用される。電極は、連続的である、またはセグメント化されることができる。

イオン性ＥＡＰの第１の注目すべきサブクラスは、イオン性ポリマー金属複合材（ＩＰＭＣ）である。ＩＰＭＣは、２つの薄い金属またはカーボンベースの電極間に積層された溶媒膨潤イオン交換ポリマー膜からなり、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＋およびＮＡ＋水ベースの溶液である。電界が印加されるとき、陽イオンは典型的に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およびポリマー膨張につながる。陰極領域の歪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、陽極に向かう曲がりをもたらす。印加電圧を逆にすることは曲がりを逆転させる。よく知られたポリマー膜は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）およびＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）である。

イオン性ポリマーの別の注目すべきサブクラスは、共役／導電性ポリマーである。共役ポリマーアクチュエータは、典型的には、共役ポリマーの２つの層によって挟まれた電解質からなる。電解質は酸化状態を変えるために使用される。電解質を介してポリマーに電位が印加されるとき、ポリマーに電子が加えられたりポリマーから電子が取り除かれ、酸化および還元が進行する。還元は収縮、酸化は膨張をもたらす。

いくつかの場合には、ポリマー自体が十分な導電性（次元的に）に欠けている場合に薄膜電極が加えられる。電解質は、液体、ゲルまたは固体材料（すなわち、高分子量ポリマーおよび金属塩の複合体）であり得る。最も一般的な共役ポリマーは、ポリピロール（ＰＰｙ）、ポリアニリン（ＰＡＮｉ）およびポリチオフェン（ＰＴｈ）である。

アクチュエータはまた、電解質中に懸濁されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）から形成され得る。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アクチュエータの主なメカニズムと考えられている。ＣＮＴは、ＣＮＴに注入された電荷を有する電極キャパシタとして作用し、次いで、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バランスされる。炭素原子の電荷を変化させることは、Ｃ−Ｃ結合長の変化をもたらす。その結果、単一のＣＮＴの膨張および収縮が観察され得る。

図７および８は、ＥＡＰデバイスの２つの可能な動作モードを示している。

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を有する。

図７はクランプされていないデバイスを示す。図示のように、電気活性ポリマー層をあらゆる方向に広げるために電圧が使用される。

図８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す。デバイスは、キャリア層１６によって支持される。電圧は、電気活性ポリマー層を湾曲させるまたは弓状に曲げさせるために使用される。

図８の例はまた、面内であるが単一の方向にのみ広がる層を提供するようにクランプされ得る。

一緒になって、電極、電気活性ポリマー層、およびキャリアは、全体的な電気活性ポリマー構造を構成すると考えられ得る。

この動きの性質は、例えば、作動されるとき伸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の非対称の湾曲を得るために、分子の配向（フィルムの伸展）を適用して、一方向への動きを強制することができる。

一方向への伸張は、ＥＡＰポリマーの非対称性から生じ得るか、またはキャリア層の特性における非対称性、または両方の組み合わせから生じ得る。

したがって、ＥＡＰは、横方向に（すなわち、可撓性単一層４４によって画定される平面に平行な少なくとも１つの方向に沿って）伸張するような方法で電気刺激の印加に応答して変形するように適合され得る。

説明のために、図９は、シェーバートリマーヘッド５８内に組み込まれたＥＡＰ単一可撓性層４４の空中の（下面）図を示す。図１０は、同じＥＡＰ層４４の（側部）断面図を示す。シェーバートリマーヘッドは、使用時には、皮膚の広い領域に亘って滑るので、一般的にかなりの広域の動作（global motion）を受ける可能性がある。本例の目的のために、シェーバーヘッドの広域の動作は双方向矢印６２に従うことが仮定される。

動作中、ＥＡＰ層４４は、電気的に刺激されて面内で変形し、一方向に沿って横方向に外側に伸張する。「一方向」とは、１つの次元に沿うことを意味し、層は、実際には、図９に示すように、この次元に沿って正および負の両方の方向に伸張し得る。伸張は、例では、例えばデバイスのフォームファクタに依存して、広域の滑走方向６２に平行又は垂直であり得る。図９および１０の例では、伸張は広域の滑走方向に対して垂直であるように示されている。

オプションで、ＥＡＰ層は、例えば毛髪、人体組織受け面１８の皮膚の不規則性又は曲がった起伏に対するＥＡＰ層の縁部の（平面外の）ロックを防ぐために、丸い縁を有するように設けられてもよく、又は湾曲されてもよい。

ＥＡＰ層の面内伸張は、受け面にわたる滑りの状態を誘発し、それにより、大幅に低減された静止摩擦を示す界面にわたってシェーバーヘッドの広域の摺動または滑りを可能にする。特定の例によれば、いずれかの側の層６０の伸張は、約１００−５００μｍの間であってもよい。これらの図は、単に説明のために与えられたものであり、実施形態を実現するために必要ではない。

例によれば、ＥＡＰ層４４は、広域の動作の開始時に変形するように刺激され得る。この場合、摩擦制御装置は、動作の開始を感知するセンサと、伸張させるためにＥＡＰ層４４を刺激することによってセンサによって生成される感知信号に応答するように構成されたコントローラとをさらに有し得る。適切なセンサは、ほんの一例として、加速度計、光センサおよび／または圧力センサを含む。

さらなる例によれば、ＥＡＰ層４４は、時間において周期的にまたは定期的に変形するように、すなわち所与の周波数で振動する（vibrate）または振動する（oscillate）ように刺激され得る。適切な周波数は、ほんの一例として、１−５Ｈｚの間、好ましくは１−２Ｈｚの間の低周波数を含み得る。この場合、振動を誘発するのに適した周波数でＥＡＰ層４４に時間周期の電気刺激を印加するように構成されたコントローラが設けられてもよい。

図１０は、摩擦制御装置の側部断面図を示す。ＥＡＰ層４４は、低摩擦リニア支持ベアリング構造５８内に取り付けられる。固定要素６８が、ＥＡＰ層をベアリング構造に固定するための結合手段または固定手段を提供する。この要素は、リニア支持構造５８の一部であってもよいし、または２つを一緒に保持するために使用される別個の要素であってもよい。

リニア支持構造は、変形中および変形後の両方において、ＥＡＰ層の潜在的な座屈を防止する。しかし、そのような構造は、特定の実施形態によれば、代わりにＥＡＰ層を予め歪ませて、各端部を弾性的な接続でクランプするか、または他の方法で固定することによって回避され得る。ＥＡＰを刺激することは、層が伸展させるが、層は引っ張られたままであり、座屈の危険性は減少する。

図９および１０の例では、電気活性ポリマーの長方形の層が使用されているが、他の例では代わりの形状および形態のＥＡＰ層が代わりに使用されてもよい。図１１は、例えば環形状を有する例示的なＥＡＰ層を示す。矢印７２で示すように、この例では、環状ＥＡＰ層４４は半径方向に沿って伸張するように構成されている。このような形状は、例えば円形トリマーヘッドを有する回転式シェーバー内での適用に有利であり得る。この場合の伸張７２は、トリマーブレードの円運動に対して垂直であるか、またはユーザの皮膚上のトリマーヘッドの広域の動作に垂直または平行であるように適合され得る。

図１２は、シェーバーヘッド５８内に組み込まれたＥＡＰ層４４の第２の例を示す。この例は、機能的には図９および１０の例と同様であるが、２つの直交する方向の面内伸張を起こすように適合されるＥＡＰ層を有する。毛髪またはスキンラインのような特定のロッキング表面特徴部は、一方向のみの伸張に対して敏感ではないので、一方向の拡張と比較して、双方向拡張は、改善された有効性を提供し得る。

ＥＡＰ層に適した材料は知られている。電気活性ポリマーは、限定されるものではないが、サブクラス：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、イオン性ゲルおよびポリマーゲル、を含む。

サブクラス電歪ポリマーは、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）ポリウレタンまたはそれらの混合物、を含む。

サブクラス誘電エラストマーは、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、を含む。

サブクラス共役ポリマーは、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、を含む。

イオン性デバイスは、イオン性ポリマー−金属複合材（ＩＰＭＣ）または共役ポリマーをベースとされ得る。イオン性高分子−金属複合材（ＩＰＭＣ）は、印加された電圧また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。

より詳細には、ＩＰＭＣは、表面が化学的にメッキされた、あるいは白金若しくは金のような導電体またはカーボンベースの電極で物理的に被覆されたＮａｆｉｏｎまたはＦｌｅｍｉｏｎのようなイオン性ポリマーからなる。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および再分配は、曲げ変形をもたらす。ポリマーは溶媒膨潤したイオン交換ポリマー膜である。この電界は、水と一緒の陰極側への陽イオン移動を引き起こす。これは、親水性クラスターの再構成およびポリマーの膨張につながる。陰極領域の歪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、陽極に向かう曲げをもたらす。印加電圧を逆にすることは曲げを逆転させる。

メッキされた電極が非対称構成に配置されている場合、課された電圧は、巻きつき、丸まり、ねじれ、回転、および非対称曲げ変形のようなあらゆる種類の変形を誘発することができる。

これらの例の全てにおいて、加えられた電界に応答してＥＡＰ層の電気的および／または機械的挙動に影響を及ぼすために、追加の受動層が設けられ得る。

各ユニットのＥＡＰ層は、電極の間に挟まれ得る。電極は、ＥＡＰ材料層の変形に追従するように伸縮可能（stretchable）であり得る。電極に適した材料もまた知られており、例えば、金、銅、またはアルミニウムのような金属薄膜、また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なるグループから選択され得る。例えばアルミニウムコーティングを使用する、金属化ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような、金属化ポリエステルフィルムもまた使用され得る。図３および４の例に示されるような伸張層を提供するためのＥＡＰの使用は必須ではない。代替例の少なくとも１つのセットによれば、異なる種類の応答性材料を含む伸張層が設けられ得る。応答性材料の他の例は、熱刺激の印加に応答して特定の記憶形状を取るように変形する特性を有する形状記憶合金を含む。例では、熱刺激は、専用の加熱要素によって印加されてもよく、または形状記憶合金への電流の直接印加を通じたジュール加熱によって達成されてもよい。

他の例は：特定の磁気刺激の印加に応答して変形するように適合された磁気形状変化材料；変化する光レベルに応答して形状を変化させるように適合されたフォトメカニカル材料；およびｐＨ感受性ポリマー；を含む。それぞれが電子、磁気または電磁気刺激のいずれかの適用に応じて変形するように構成された様々な他の材料は、この分野における当業者によって容易に知られ、理解されるであろう。

図９−１２の例によって具体化される本発明の概念は、単一可撓性層４４の伸張を容易にするための応答性材料の使用に必ずしも限定されない。少なくとも１組の代替例によれば、単一可撓性層が、層によって規定される平面と平行な方向に歪みを誘発するように層を操作するように構成された機械的アクチュエータの構成と組み合わせて提供され得る。

そのような実施形態の一例が図１３に示されており、この図は、シェーバー装置のヘッド５８内に組み込まれた摩擦制御装置の例を概略的に示す。摩擦制御装置は、トリマーブレード７４の２つの平行な列の間に位置する受動弾性層４４を有する。弾性層４４は、各端部でそれぞれの外部アクチュエータ要素７８に結合される。アクチュエータ要素は、受動弾性層４４のそれぞれにおいてそれぞれの反対方向の横方向の力を加えるように動作可能であり、それによって、横方向にわたる層の伸展を誘発する。

さらなる例では、アクチュエータ７８は、２つの方向それぞれに力を加えるように動作可能であることができ、それにより、（層によって画定される平面に平行な２つの直交する方向の）層にわたる双方向せん断歪みを誘発する。

さらなる例では、複数の面内方向に歪みを誘発するために、２より多いアクチュエータ７８が設けられ得る。

外部アクチュエータは、機械式またはメカトロニック式のアクチュエータからなり得る、あるいは、層４４に反対の外向きの力を加えて横方向のせん断ひずみを誘発するように刺激に応答して変形するように構成された応答性材料を含む作動部材からなり得る。

さらなる例によれば、外部アクチュエータ７８は、層４４の横方向の伸展を誘発するために、シェーバーブレード７４によって生成されるかまたは実施される運動エネルギを利用するように適合されたエネルギ伝達機構に取り替えられ得るまたはそれの中に組み込まれ得る。

受動弾性層４４に適した材料は、（ほんの一例として）低摩擦表面テクスチャを有するシリコーンエラストマー材料、または伸縮性（stretchability）と低表面摩擦の複合特性を有する織物材料を含む。

上述の実施形態のそれぞれでは、１つの単一表面４４によって構成される接触表面構成が提供されており、この単一表面は、複数の接触表面領域４０の間の相対的な分離を誘発するように伸張するまたは伸張されるように適合される。しかし、さらなる例のセットによれば、複数の接触面領域は、複数の別個の空間的に分離された接触要素の接触表面によって提供されてもよい。

図１４は、そのような実施形態の１つの簡単な例を示す。この構成は、可撓性層４５の下部主表面に機械的に結合された接触要素８２のアレイを有する。各接触要素８２は、下部接触表面を有する。複数の要素の接触表面は、装置の接触表面構成を形成する。

層４５は、層の少なくとも１つの方向に沿った面内歪みを誘発するように、外部アクチュエータ（図示せず）の配置または層内に組み込まれた応答性材料のいずれかによって伸張されるように構成される。この歪みは、機械的に結合された接触要素８２の相対的な分離を、したがって要素８２の複数の接触表面の分離を引き起こす。

要素８２は、非常に小さい、微小サイズの要素であり得る。これは、要素と人体組織受け面との間の界面におけるせん断歪みを増加させ得る。

図１４の右側に示されるように、複数の接触要素は、多数の異なる構成に従って配置され得る。特に、接触要素８２は、１）可撓性層が伸張されていないときでさえ、小さい空間分離が接触要素８２の間に維持されるように構成され得る；２）要素がある程度互いの上を移動又はスライドすることができるように構成され得る；または３）要素の相対的な動きに伴って歪むそれらの間のコンプライアント接続を有して構成され得る。

複数の接触要素を有する構成の利点は、皮膚接触材料の材料特性の大きい選択の機会の程度である。例えば、親水性もしくは疎水性材料が使用されてもよく、または特定の表面仕上げを有する材料が使用されてもよい。

図１４の構成は、伸張する可撓性層に結合された複数の接触要素を示しているが、要素は、他の例によれば、互いに対して移動することができるように機械的に取り付けられてもよい。これは、構成（２）をより実現可能にし得る。

実施形態のさらなるセットによれば、人体組織接触領域内の歪みを誘発するために一斉に伸張するように構成された２つの伸張表面要素のアセンブリを有する摩擦制御装置が提供され得る。図１５はそのような構成の例を示す。

伸張する（単一）層４４が利用される上記の例では、人体組織の伸張は、単一伸張要素のみの使用によって誘発される。しかし、非常に多くの用途では、人体組織の比較的広い領域にわたって歪みを誘発することが必要または望ましい場合がある。そのような場合、単一の伸張要素４４は、非実用的、非効率的、または望ましくなく高くつく可能性がある。これは、特にＥＡＰ伸張層を利用する実施形態の場合である。

加えて、単一の伸張層が大きくなればなるほど、効果的な接触を維持するために伸張層を人体組織表面に適用するのに必要な垂直力が大きくなる。これは、下の皮膚を伸展するために、伸張層にわたって誘発されるのに必要な引っ張り力を増加させる。これらの要因は、（そのような広い領域にわたってそのような力を均等に維持することが困難であるため）装置の操作の複雑さおよび皮膚の刺激または損傷を引き起こす危険性の両方を増加させる可能性がある。

これらの問題を克服するために、図１５の例で示す実施形態は、２組の平行切断ブレード７４の間で、シェーバーヘッドユニット５８の２つの端部のそれぞれに配置された２つの伸張ＥＡＰ要素７８のアセンブリを有する。このような構成は、シェーバーが適用される皮膚受け面に加えられる垂直圧力を低減する。結果として、下の皮膚の伸張をもたらすために、層７８にわたって誘発するのに必要な引っ張り力も減少させる。

この実施形態によれば、２つの要素の同時かつ相補的な伸張を誘発するように（すなわち、要素が同じ方向に膨張および収縮することを確実にするために）、２つの伸張要素７８に同期制御信号を提供するように構成されたコントローラがさらに提供され得る。さらに、コントローラは、２つの要素７８のそれぞれの伸張が反対（すなわち相補的な）方向にあることを保証するように、適用された信号を制御し得る。

本発明の実施形態では、製品の主な機能は、人体組織の（局所的な）操作または組織接触界面の作動に依存する。このような用途では、例えば、ＥＡＰアクチュエータは、主に小さいフォームファクタ、可撓性および高いエネルギ密度のためにユニークな利点を提供する。したがって、ＥＡＰおよび光応答性ポリマーは、必要な摩擦制御機能を提供するために、柔らかい、３Ｄ形状および／または小型製品およびインターフェースに容易に統合されることができる。

上記のような適応シェービングヘッドを備えたシェーバーの例は、１つの可能な例に過ぎない。そのような適用の他の例は次のとおりである：
低減された皮膚の干渉を提供するために、反応性ポリマーベースのアクティブクッションまた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；
ユーザインタフェース内またはその近傍に統合された反答性ポリマートランスデューサのアレイを介して局所触覚フィードバックを提供する家電機器またはタッチパネル；
動脈または消化器系のような解剖学的空洞を通るカテーテルの滑らかなに滑りを提供する、摩擦制御表面を有するカテーテル。

開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の研究から、請求項に記載された発明を実施する際の当業者によって理解され得、達成され得る。特許請求の範囲において、「有する、含む（comprising）」という単語は他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞“a”または“an”は複数を除外しない。特定の手段が相互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、これらの手段の組み合わ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、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 人体組織受け面に適用するための摩擦制御装置であって、前記装置は低減された静止摩擦を有する前記受け面との界面を確立するように構成され、前記装置は：
   前記受け面と接触する複数の接触表面領域を有する接触表面構成と；
   前記受け面の弾性および前記受け面の１つ又は複数の表面特性に依存して前記接触表面領域の相対的な分離を制御するように構成されたアクチュエータアセンブリであって、前記分離の程度が、前記界面にわたる静止摩擦力が克服されることなしに前記接触表面領域を介して前記受け面に加えられることができるものと一致又はそれを超えるようにされる、アクチュエータアセンブリと；を有する、
   摩擦制御装置。
2. 前記アクチュエータアセンブリは、前記接触表面領域と前記受け面との間の静止摩擦係数、および前記受け面の弾性率に依存して、前記接触表面領域の前記相対的な分離を制御するように構成される、
   請求項１に記載の摩擦制御装置。
3. 前記アクチュエータアセンブリは、第１の分離距離から第２の分離距離まで増加するように前記接触表面領域間の前記相対的な分離を制御するように構成され、前記第１の分離距離に対する前記第２の分離距離の比は：
   １．００１から１．０１の間；または
   １．０１から１．１の間；または
   １．１より大きい、
   請求項１又は２に記載の摩擦制御装置。
4. 前記複数の接触表面領域は、単一可撓性層の平らな表面の複数の領域であり、前記アクチュエータアセンブリは、前記平面に平行な方向において前記層にわたる横歪みを誘発するように構成され、それによって、前記複数の接触表面領域の分離を起こさせる、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摩擦制御装置。
5. 前記アクチュエータアセンブリは、電気的刺激、熱的刺激、磁気的刺激または電磁気的刺激に応答して変形するように構成された１つまたは複数の応答性材料構成要素を有する、
   請求項４に記載の摩擦制御装置。
6. 前記１つまたは複数の応答性材料構成要素は、前記単一可撓性層に機械的に結合されるとともに、それらの変形が前記単一可撓性層を機械的に操作して前記横歪みを呈し、その結果、前記単一可撓性層の前記表面の前記複数の接触表面領域の分離を起こさせるように構成される；または、
   前記アクチュエータアセンブリは、前記単一可撓性層内に組み込まれ、前記層は、前記平面に平行な１つ又は複数の方向に前記層にわたる横歪みを誘発し、その結果、前記層の前記表面の前記複数の接触表面領域の分離を起こさせるために、印加された刺激に応答して変形するように構成された応答性材料で形成される、
   請求項５に記載の摩擦制御装置。
7. 前記アクチュエータアセンブリは、前記単一可撓性層を操作して、前記層によって画定される前記平面と平行な方向にそれにわたる横歪みを誘発するように構成された１つまたは複数の機械的アクチュエータを有し、オプションで、
   前記アクチュエータアセンブリは、運動エネルギの外部供給源を入力として受け取り、前記運動エネルギを前記１つまたは複数の機械的アクチュエータに伝達するように構成されたエネルギ伝達機構を有する、
   請求項４に記載の摩擦制御装置。
8. 前記アクチュエータアセンブリは、前記平面に平行な２つの直交する方向に前記単一可撓性層にわたって横歪みを誘発するように構成される、
   請求項４乃至７のいずれか１項に記載の摩擦制御装置。
9. 前記接触表面構成は、複数の空間的に分離された接触要素の表面を有する、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の摩擦制御装置。
10. 前記アクチュエータアセンブリは、電気的刺激、熱的刺激、磁気的刺激または電磁気的刺激に応答して変形するように構成された応答性材料の層を有し、前記変形は、前記層によって画定された平面と平行な方向に前記層において横歪みを誘発し、前記複数の接触要素は、前記層の前記変形が前記接触要素の前記相対的な分離を誘発するように、前記層の表面に結合される、
    請求項９に記載の摩擦制御装置。
11. 前記アクチュエータアセンブリは、前記複数の接触要素を物理的に操作して、それらの間の前記相対的な分離を誘発するように構成された１つまたは複数の機械的アクチュエータを有する、
    請求項１０に記載の摩擦制御装置。
12. 前記応答性材料は、電気活性ポリマー材料を含む、
    請求項５又は６又は１０に記載の摩擦制御装置。
13. 前記相対的な分離が時間にわたって周期的に変化するように、前記接触表面領域間の周期的な相対的な分離を起こさせるために前記アクチュエータアセンブリを制御するように構成されるコントローラをさらに有する、
    請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の摩擦制御装置。
14. ユーザの皮膚に接触するためのヘッド部分を有するシェーバーまたはトリマーであって、前記ヘッド部分は、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の摩擦制御装置を有する、
    シェーバーまたはトリマー。
15. 接触表面構成と人体組織受け面との間の界面にわたる静止摩擦を制御する方法であって、前記接触表面構成は、前記人体組織受け面と接触する複数の接触表面領域を有し、前記方法は：
    前記受け面の弾性および前記受け面の１つまたは複数の表面特性に依存して前記接触表面領域の相対的な分離を起こさせるステップであって、前記分離の程度が、前記界面にわたる静止摩擦力が克服されることなしに前記接触表面領域を介して前記受け面に加えられることができるものと一致またはそれを超えるようにされる、ステップを含む、
    方法。

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