JP2019527469A - 形状変形装置 - Google Patents

Abstract

本発明では、追従性材料部材（24）内に埋設され、電気的刺激の印加に応答して変形するように適合された電気活性ポリマー材料の複数の粒子（28）を用いて、形状変化する装置（20）が提供される。追従性マトリクスの得られる形状変化により、追従性材料の表面にわたって、特定の変形プロファイルを実現することができる。粒子は、1または2以上の電極（34）の配置により、複数の群において刺激を受ける。刺激を受けるEAP粒子領域の形状、サイズ、次元、および配置は、材料内に特定の応答が生じるように、選択的に選定され、材料表面にわたって特定の所望の変形プロファイルが形成される。

Description

本願は、変形可能な部材を有する装置に関する。また、本発明は、前記装置を製造する方法に関する。本装置および方法には、電気的刺激を用いて変形を誘発する電気活性ポリマー材料が使用される。

電気活性ポリマー（EAP）は、電気応答材料の分野における新しい種類の材料である。EAPは、センサまたはアクチュエータとして作動し、各種形状に容易に製造することができ、多様なシステムに容易に統合できる。

当該材料は、過去数十年にわたって顕著な改善が認められる、作動応力および歪みのような特性を有するように開発されてきた。技術的リスクは、製品開発上、許容可能なレベルにまで低下しており、EAPは、工業的におよび技術的に、関心が高まっている。EAPの利点には、低パワー、小さな形状因子、可撓性、ノイズフリー作動、精度、高解像の可能性、迅速な応答時間、およびサイクリックな作動が含まれる。

EPA材料の改善された特性および特定の利点は、新たな応用の可能性を高めている。

EAP装置は、電気的作動に基づいた、部材または特徴物の少量の移動が望ましい、いかなる用途にも使用できる。

EAPの使用により、これまでは難しかった機能が可能となり、従来のアクチュエータに比べて、相対的に大きな変形と、小体積の力、または薄い形状因子の組み合わせのため、従来のセンサ／アクチュエータによる解決策を超える大きな利点が提供される。また、EAPでは、ノイズフリー作動、正確な電子制御、迅速な応答、および0〜1MHzのような、典型的には20kHz未満のような、広範囲にわたる潜在作動周波数が提供される。

電気活性ポリマーを使用する装置は、フィールド駆動材料とイオン駆動材料とにサブ分離される。

フィールド駆動EAPの例には、圧電ポリマー、電歪ポリマー（PVDF系リラクサ（relaxor）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、エレクトレット、電気粘性弾性エラストマー、および液晶エラストマーが含まれる。

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

フィールド駆動EAPは、直接的な電気機械結合を介した電場により作動する。これらには、通常、高電場（V／m）でありながら、低電流が必要となる。ポリマー層は、通常、駆動電圧ができる限り低く維持されるように、十分に薄くされる。イオン性EPAは、イオンおよび／または溶媒の電気的に誘導された輸送により活性化される。これらには、通常、低電圧でありながら、高電流が必要となる。（ある材料系では、固体電解質を用いた作動も可能ではあるが）これらには、液体／ゲル状電解質媒体が必要となる。いずれの種類のEPAも、複数のファミリー部材を有し、これらの各々は、自身の長所および短所を有する。

第1の注目すべきフィールド駆動EAPのサブクラスは、圧電ポリマーおよび電歪ポリマーである。従来の圧電ポリマーの電気的機械的特性には制限があるが、この特性を向上させるブレークスルーから、PVDFリラクサポリマーが得られ、これは、自発的な電気的分極（フィールド駆動配列）を示す。これらの材料は、歪み方向における特性の向上のため予備歪化され得る（予備歪みは、良好な分子配列につながる）。歪みは、通常、中程度の領域（1〜5%）にあるため、通常、金属電極が使用される。他の種類の電極（導電性ポリマー、カーボンブラック系オイル、ゲル、またはエラストマーなど）も、使用できる。電極は、連続であっても、セグメント化されても良い。

フィールド駆動EAPの関心の別のサブクラスは、誘電エラストマーである。この材料の薄膜は、追従性電極同士の間に挟まれ、平行板キャパシタが形成される。誘電体エラストマーの場合、印加電場により誘導されるマクスウェル応力は、膜に対する応力の結果生じ、厚さの縮小および面積の拡大につながる。歪み特性は、通常、エラストマーの予備歪みにより拡大する（予備歪みを保持するフレームが必要となる）。歪みは、相当な値になる（100〜300%）。これにより、使用可能な電極の種類が制限される。低歪みまたは中間の歪みでは、金属電極および導電性ポリマー電極が考慮され、高歪み領域のため、カーボンブラック系オイル、ゲル、またはエラストマーが通常使用される。電極は、連続であっても、セグメント化されても良い。

イオン性EPA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料（IPMC）である。IPMCは、2つの薄い金属または炭素系電極の間に積層された、溶媒膨脹イオン交換ポリマー膜で構成され、電解質の使用が必須となる。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⁺の水溶系溶液である。電場が印加されると、カチオンは、通常、水とともにカソード側に移動する。これにより、親水性クラスタの再構成が生じ、ポリマーが膨脹する。カソード領域の歪みは、残りのポリマーマトリクスの応力につながり、その結果、アノードに向かって曲げが生じる。印加電圧を反転すると、曲げが逆になる。既知のポリマー膜は、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。通常、共役ポリマーアクチュエータは、2つの共役ポリマーの層に挟まれた電解質で構成される。電解質は、酸化状態の変化に使用される。電解質を介してポリマーに電位が印加されると、電子がポリマーに添加され、またはポリマーから除去され、酸化還元が促進される。還元は収縮につながり、酸化は膨脹につながる。

ある例では、ポリマー自身が（寸法的に）十分な導電性を有しないときに、薄膜電極が添加される。電解質は、液体、ゲル、または固体材料であっても良い（すなわち、高分子量のポリマーと金属塩の錯体）。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。

また、アクチュエータは、電解質に懸濁された、カーボンナノチューブ（CNT）で形成されても良い。電解質は、ナノチューブとともに二重層を形成し、電荷の注入が可能となる。この二重層電荷注入は、CNTアクチュエータの主要な機構とみなされる。CNTは、CNTに電荷を注入する電極キャパシタとして作動し、その後、これは、電解質のCNT表面への移動により形成される電気的二重層により、バランス化される。カチオン原子における電荷の変化の結果、C-C結合の長さに変化が生じる。その結果、シングルCNTの膨脹および収縮が観察され得る。

図1および2には、EPA装置の2つの想定される作動モードを示す。

装置は、電気活性ポリマー層14を有し、この層は、該電気活性ポリマー層の対向する両側の電極10、12の間に挟まれる。

図1には、固定されていない装置を示す。電圧の使用により、電気活性ポリマー層は、図に示すように全ての方向に膨脹する。

図2には、膨脹が一方向のみに生じるように設計された装置を示す。装置は、キャリア層16に支持されている。電圧の使用により、電気活性ポリマー層に湾曲または屈曲が生じる。

電極、電気活性ポリマー層、およびキャリアは、ともに全体の電気活性ポリマー構造を構成すると見なされ得る。

例えば、この動きの性質は、作動の際に膨脹する活性層と、パッシブなキャリア層との間の相互作用により生じる。図に示したような、軸の回りの非対称な湾曲を得るため、例えば、分子配向（膜の伸張）が印加され、一方向の動きが強いられても良い。

一方向の膨脹は、EAPポリマーの非対称性により生じ、あるいは、これは、キャリア層の特性の非対称性により、または両者の組み合わせにより生じ得る。

前述の電気活性ポリマー構造は、作動用および検知用の、両方に使用されても良い。本発明は、特に作動に関する。

多くの用途のため、装置の接触表面の形状またはプロファイルの局部的な制御が好ましい。これは、例えば、医療用または個人の治療装置のため、特に、人の組織との接触が動作の一部である装置の場合、そうである。ここで、例えば、マッサージ、摩擦制御、またはクリーニングの場合のような、最適な肌／組織との調和を得るため、または組織の局部的な刺激を実行するため、装置の肌と接触する表面の形状または輪郭を制御する手段が好ましい。

装置の表面の移動または変形のため、電気活性ポリマーを使用する既知の解決策がある。

例えば、米国特許第6586859号には、可撓性ポリマーモールドの内部に取り付けられ、モールドの表面で面内変形が生じるように適合された、電気活性ポリマー変換器の配置が開示されている。この配置は、アニメ装置に使用することを意図しており、特に、アニマトロニック（animatronic）面の実施を意図している。EAP変換器の組は、異なる位置に配置され、各々は、異なる面特徴部と一致し、装置表面で前記特徴部の移動が生じるように適合される。各EAPアクチュエータは、特殊な電極組により駆動され、個々に制御される（各面特徴部の独立した制御が可能になる）。各アクチュエータは、「顔」表面の異なる領域を操作する。

米国特許出願公開第2007／0247033号には、カテーテル装置の配置が開示されており、これは、カテーテルのルーメン壁内に埋設された、EAP材料の1または2以上の層をする。これらは、ルーメンの半径方向の膨脹が可能であり、あるいはカテーテルの曲げ、屈伸、もしくは操縦が可能であり得る。各EAP層は、別個におよび個々に活性化され、刺激電極の別の組により駆動される。また、層は、膜、繊維、繊維のバンドル、または粒子と置換され得ることが開示されている。

米国特許第6586859号明細書 米国特許出願公開第2007／0247033号明細書

前述の従来の解決策は、個々の埋設されたEAPアクチュエータを使用することに基づき、各々は、単一のそれぞれの表面の広い領域の全体の移動または変形の動作に使用される。通常、その領域にわたって、全体的に均一な態様で、そのような移動または変形が生じる。これらの解決策には、装置の表面の形状または位相的なプロファイルを制御する際に提供される感度もしくは精度の度合いに関して、固有の制限がある。例えば、比較的小さな表面領域にわたる正確なプロファイルまたは形状の注意深い制御は、得られない。

従って、装置表面の形状もしくはプロファイルの、より正確なもしくは適合可能な制御ができる装置が望まれている。

本発明の目的は、前述の問題に対処することである。この目的は、添付の特許請求の範囲に定められた発明により達成される。従属請求項は、有意な実施例を提供する。

本発明のある態様では、
複数の電気活性ポリマーの微細粒子が分散された容積を有する追従性材料部材
を有する装置が提供される。粒子は、電気的刺激の印加に応じて、変形するように適合される。次に、追従性材料部材の形状変化が生じ、これにより、装置の表面にわたって不均一な変形プロファイルが得られる。

特に、制御器は、1または2以上の電極配置に電気的刺激を印加することにより、追従性材料部材を制御し、前記追従性材料部材の形状変化が生じるように構成され、形状変化により、変形可能な表面にわたって不均一な変形プロファイルが生じる。

特に、実施例では、1または2以上の電極が制御され、複数の微細粒子に電気的刺激が印加され、前記刺激は、追従性材料部材の異なる領域において、異なる作動応答を誘発するように構成され、これにより、変形可能な表面にわたって不均一な変形プロファイルが生じるように構成された、追従性材料部材の形状変化が生じる。

既知の方法とは対照的に、本発明は、埋設された電気活性ポリマー（EAP）の微細粒子の大きなクラスタまたは配置を利用して、これらが収容された周囲の追従性材料マトリクスの移動または変形を発生させるという概念に基づく。通常の大きなスケールの層またはEAPの本体とは逆に、EAP材料の多くの微細な粒子、顆粒またはペレットを使用することにより、追従性材料の変形にわたり、より微細な制御が達成できる。微細粒子は、小さなスケールで、追従性材料表面の形状に変化を提供することができ、最終的に採用された表面プロファイルの高精度の制御が可能となる。

また、EAP材料は、通常の追従性材料よりも効果であり、従って、そのような配置では、装置のコストが抑制される。

電気的刺激は、異なる領域において異なる作動応答が生じるように構成される。これは、各領域において誘導される作動応答が等しくないことを意味する。「作動応答」は、広い意味において、追従性材料部材の各領域に誘導される、機械的な応答を表し、例えば、領域に誘導され行使される力、または領域に誘導される応力、または領域に誘導される歪み、または領域に誘導される変形の大きさ（すなわちサイズ）を表す。

ある領域では、誘発される作動応答が存在しなくても良い。これは、例えば、その領域に配置された粒子が存在しないため、またはその領域に刺激が印加されない（すなわちゼロの大きさの刺激の）ためである。ある領域は、同様のまたは同一の応答が生じるように制御されても良い。同様のまたは同一の応答は、例えば、離間された領域に、交互に誘発され、中間の領域は、異なる応答、すなわち大きなまたは小さな応答を示し、または全く応答がないように制御されても良い。

異なる作動応答は、異なる方法の範囲で実現されても良い。少なくとも一つの実施例の組では、刺激は、
追従性材料部材の異なる領域に印加される異なる電気的刺激、
追従性材料部材の異なる領域における微細粒子の異なる密度、ならびに
追従性材料部材の異なる領域における微細粒子の異なる形状および／またはサイズ、
の1または2以上に基づいて、追従性材料部材の異なる領域において、異なる作動応答を誘発するように構成されても良い。

一例では、粒子は、均一に分散されても良い。この場合、異なる大きさの電気的刺激を粒子の異なる領域に印加することにより、異なる作動応答が生じても良い。「異なる大きさ」とは、刺激が、変化する刺激（例えば交流または交流電場）、異なる振幅の刺激であることを意味する。刺激が非交流であり、例えば一定の直流刺激、または一定の電場の場合、異なる大きさは、異なる直流電流、または異なる電場強度を意味する。

制御器により制御され、部材の異なる領域に、異なる大きさの前記電気的刺激が印加される、複数の電極配置が提供されても良い。この場合、異なる作動応答が生じる。

別の例では、微細粒子は、不均一に分散され、粒子の密度は、追従性材料部材のある領域で大きく、他の領域で小さくても良い。これらの例では、均一な大きさの電気的刺激が、全ての領域に印加されても良い。それでも、異なる粒子密度の結果により、異なる作動応答が生じ、大きな粒子密度の領域では、より大きな応答が得られ、逆もそうである。

異なる作動応答を誘発するこれらの手段は、以下により詳しく説明される。

従って、微細粒子および／または電極配置は、追従性材料部材の異なる領域に、異なる作動応答が生じるように構成される。これにより、異なる作動応答により、装置の表面にわたって実現される、不均一な変形プロファイルが生じるように構成された追従性材料部材の形状変化が生じる。不均一な変形プロファイルは、不均一な面外変形プロファイルを意味する（非変形表面が平面を定める場合）。不均一な変形プロファイルは、大きさ、範囲、および／または表面にわたる方向が変化する、表面の形状または構造における変形を意味しても良い。不均一な変形プロファイルにより、例えば、表面にわたってその面外「高さ」が変化する表面プロファイル、例えば波状の表面プロファイル、または1もしくは2以上のピークもしくは谷を有する表面プロファイルが生じても良い。

作動の際には、微細粒子は、複数の群またはセットにおいて刺激を受ける。各々は、単一の電極配置により刺激されても良い。群またはセットは、追従性材料層にわたる異なる位置において、サイズまたは形状が変化しても良い。また、ある実施例では、群またはセットは、装置の作動中に、サイズ、形状、および／または追従性材料との相対位置が動的に変化しても良い。

従って、複数の埋設されたEAP素子の提供された配置は、追従性材料部材の変形の達成可能なモードおよび形態に関して大きな柔軟性を有する。実施例では、分散されたEAP粒子配置の「領域」の異なる選択または構成は、異なる所望の変形パターンに従って、電気的に活性化されても良い。

追従性材料部材は、可撓性のある、またはパッシブな材料で構成され、材料は、内部に埋設されたEAP素子の形状変化に追随する。

「微細粒子」は、最大の外方膨脹が100μm未満であり、特定の実施例では、10μm未満であるEAP材料の粒子である。さらに具体的な例では、微細粒子は、0.1μmと3μmの間の最大外方膨脹を有しても良い。微細粒子は、丸い断面を有しても良く、例えば、球状もしくは楕円状であり、あるいは、例えば、丸いもしくはダイアモンド形状のような任意の所望の断面を有する、ロッドもしくは繊維を有しても良い。

概して、本願において、「粒子」と言う用語は、「微細粒子」と言う用語と相互互換的に使用され得る。2つは、前述の「微細粒子」を参照して、同様に解釈される。

実施例では、異なる領域は、前記表面と平行な方向において、相互に離間されても良い。特に、前記異なる領域の各々は、変形可能な表面の異なるそれぞれの領域に整列され、または位置付けられても良い。これにより、各異なる領域において誘発される作動応答により、変形可能な表面の異なるそれぞれの領域に変形応答が生じる。その後、これらはともに、不均一な変形プロファイルを形成する。

少なくとも一つの実施例の組では、複数の微細粒子は、微細粒子の複数のサブセットを有しても良く、電気的刺激は、異なる前記サブセットにおいて、異なる作動応答を誘発するように構成される。これは、誘発される作動応答が各サブセットにおいて等しくないことを意味する。サブセットは、同じサイズであっても、異なるサイズであっても良い。サブセットは、空間的に相互に分離され、または隣接して配置されても良い。サブセットは、少なくとも一組の例では、変形可能な表面と平行な方向において、相互に離間されても良い。

異なるサブセットにおける異なる応答の発生の効果により、複数の微細粒子の異なる領域において、異なる作動応答が生じる。異なるサブセットは、微細粒子の異なる複数のセットに対応し、またはこれらの複数のセットの一部もしくは区画のみで構成され、またはこれを有しても良い。

微細粒子の異なるサブセットに、異なる刺激が印加されても良い。刺激は、粒子のあるサブセットのみに印加され、他のサブセットには、刺激が印加されなくても良い。疑義を避けるため、この特徴は、本願に記載のもしくは特許請求の範囲によって網羅された本発明の任意の実施例に組み合わされ、または含有されても良いことは明らかである。

複数の電気活性ポリマーの微細粒子は、追従性材料部材の容積内に、少なくとも2次元的に、必要な場合3次元的に、分散され得る。この場合、複数のEAP粒子は、少なくとも2次元的に、可能な場合3次元的に延伸する配置を形成する。そのような構成は、達成可能な変形パターンの柔軟性を最大化し、装置表面の形状または位相構造にわたって提供される制御の度合いを高めることができる。

1または2以上の電極配置は、2次元的に、または必要な場合、3次元的に延伸する、複数のEAP粒子のセットに電気的刺激を印加するように作動可能であっても良い。

1または2以上の電極配置は、微細粒子の全体的な配置よりも少ない次元で延伸する複数のEAP粒子のセットに、電気的刺激を印加するように作動可能であっても良い。例えば、複数のEAP粒子が追従性材料部材内に3次元にわたって延在する場合、1または2以上の電極配置は、2次元的に延在する複数のセットに電気的刺激を印加するように作動可能であっても良い。

少なくとも一組の例では、複数の電気活性ポリマーの微細粒子は、追従性材料部材の容積にわたって、均一な密度を有するように配置されても良い。前述のように、この配置では、粒子の均一な分布にわたって刺激の不均一なパターンを印加することにより、装置の表面にわたって不均一な変形プロファイルまたはパターンが達成される。ある領域は、1または2以上の電極配置により刺激され、他の領域は、無刺激のままであっても良い。あるいは、ある領域は、他の領域よりも大きな強度で刺激されても良い（追従性材料部材に、大きな変形が生じる）。あるいは、部材の特定の領域の追従性に影響を及ぼすように適合され、断続的に配置された追従性材料部材の使用を介して、不均一な表面変形が達成されても良い。これらの例は、以降に詳しく説明される。

別の組の例では、複数の電気活性ポリマーの微細粒子は、追従性材料部材の容積にわたって変化する密度を有するように配置されても良い。密度は、装置の表面にわたって変形の所望の変化が補償されるように、変化しても良い。この場合、表面位相構造もしくはレリーフにおける不均一な変形パターンまたはプロファイルは、EAP粒子の全体配置（またはその一部）にわたって、単純で均一な刺激パターンを印加することにより、達成されても良い。

ある実施例では、装置は、さらに、追従性材料部材の主表面にわたって結合された、非可撓性のバッキング層を有し、電気活性ポリマーの微細粒子の変形に応答して、追従性材料層の曲げが生じても良い。非可撓性のまたは非追従性のバッキング層は、装置の一つの主表面の全範囲にわたって延在し、これにより、前記バッキング層と平行な方向に膨脹する、層の可撓性が制限される。従って、微細粒子が刺激を受け、これらの方向に変形すると、層は、バッキング層の表面に対する接線の方向に、曲がりまたはゆがむような力を受ける。これにより、追従性材料部材の容積の全体形状に、変化が生じる。

1または2以上の組の例では、非可撓性のバッキング層は、前記表面に沿って配置された複数の分離区画を有し、電気活性ポリマーの微細粒子の変形に応じて、追従性部材の不均衡な曲げが生じても良い。この場合、材料部材のある区画は、層に平行に自由に膨脹するが、他の区画は膨脹しない。この場合、EAP粒子の膨脹は、バッキング層の区画が結合された主表面と平行な方向における部材にわたる、不均一または不均衡なゆがみまたは曲げのパターンのトリガーとなる。これにより、追従性材料部材に形状変化が誘発され、追従性材料部材の表面の位相構造に、不均一な変化が生じる。

不均衡な曲げは、例えば、波形の曲げを有しても良い。これは、表面にわたって変化する勾配を有する表面の曲率を表しても良い。

1または2以上の想定される実施例では、形状変化する装置は、さらに、追従性材料部材の主表面にわたって結合された、前記主表面にわたって変化する弾性を有する、可撓性のバッキング層を有しても良い。バッキング層の不均一な可撓性により、追従性材料部材にわたる不均一な可撓性との釣り合いが得られる。従って、可撓性バッキング層と平行な方向における部材の膨脹（EAP粒子の変形により生じる）の結果、層にわたって不均一な曲げパターンが生じ、局部的に剛性が低い領域で大きな曲げが生じ、大きな剛性を有する領域にわたってさらに曲げが生じる。

パッシブバッキング層の比較的剛性が低い区画は、これらの区画に覆われた領域にわたって層の曲げが生じない程、十分に低い剛性を有しても良い。この結果、例えば、層に波状の曲げが生じても良い。

本実施例は、粒子の均一な分布と組み合わされ、装置の表面で不均一な変形が可能となっても良い。

あるいは、実施例は、微細粒子の不均一な分布と組み合わされ、例えば、微細粒子は、剛性区画の直下にある層の領域のみにわたって、提供されても良い。これにより、厚い区画にわたって、局部的な表面の突起またはバンプの発生が可能となる。

ある例では、装置は、複数の電極配置を有しても良い。各々は、独立に作動して、電気活性ポリマーの微細粒子の空間的に別のサブセットに、電気的刺激を印加することができる。例えば、電極配置のアレイが提供されても良い。これらの例では、EAP粒子配置の異なる領域にわたって、様々な活性パターンが可能となり、従って、周囲の追従性材料部材の様々な変形が可能となる。複数の電極配置の異なる構成を選択的に活性化させることにより、装置表面に、異なる変形パターンを得ることができる。

1または2以上の実施例では、複数の電気活性ポリマーの微細粒子は、第1の形状、サイズ、および／または配向を有する微細粒子の第1のサブセットと、第2の形状、サイズ、および／または配向を有する微細粒子の少なくとも第2のサブセットと、を有しても良い。異なるサブセットは、微細粒子の配置の空間的に異なるサブ領域に対応しても良い。異なる空間領域にわたる粒子の形状、サイズ、または配向の変化により、EAP粒子の活性化に応答して層にわたって誘発される変形パターンに、別の局部的な変化が導入されても良い。従って、これにより、表面にわたる達成可能な変形パターンにおける、さらに大きな制御が可能となる。

1または2以上の実施例では、追従性材料部材は、部材の少なくとも一つの寸法にわたって変化する厚さを有しても良い。そのような変化する厚さは、EAP粒子の刺激に対する材料の変形応答に、さらなる変化を導入し得る。例えば、厚い区画は、より剛性が大きくなり、薄い区画は、より剛性が小さくなる。本実施例は、例えば、均一な刺激パターンで刺激される、粒子の均一な分布と組み合わされても良いが、ただし層表面にわたって不均一な変形応答が提供されても良い。

前述の任意の実施例では、複数の電気活性ポリマーの微細粒子の各々の最大サイズ寸法（膨脹）は、0.1から3μmの間であっても良い。

任意の実施例では、複数の電気活性ポリマー粒子、および追従性材料部材は、全体容積を有する複合構造を形成し、複数の電気活性ポリマーの粒子は、1％と70%の間の、この全容積の一部を構成する。必要な場合、これらは、20%と50%の間の、全容積の一部を構成する。

ある組の実施例では、複数のEAP微細粒子は、空間的に分離された微細粒子の単一の列で構成され、各々は、追従性材料部材の第1の主表面と、追従性材料部材の対向する主表面である第2の主表面との間に延在する。

本発明のさらなる態様では、本発明による装置を製造する方法が提供される。当該方法は、化合物押し出しプロセスにより、追従性材料部材を形成するステップを有する。

投与の速度を制御することにより、追従性材料に埋設されるEAP微細粒子の密度を変化させることができる。これは、追従性材料部材の層に沿って、行われても良い。

一例では、電極配置を提供するステップは、可撓性材料部材の第1および第2の主表面の各々に、1または2以上の電極を印刷するステップを有しても良い。

1または2以上の実施例では、当該方法は、さらに、電気活性ポリマーの粒子とともに可撓性材料が投与される速度を、時間とともに変化するように制御するステップを有しても良い。

時間とともに投与する速度を変化させることにより、可撓性材料部材内のEAP粒子の密度パターンを制御することが可能となる。特定の異質なパターンを有する、粒子の不均一な分布を得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一例について説明する。

固定されていない既知のEAP装置を示した図である。 バッキング層により拘束された、既知のEAP装置を示した図である。 本発明による装置の一例を示した図である。 本発明による装置の一例を示した図である。 本発明による装置の一例を示した図である。 本発明による装置の一例を示した図である。 本発明による装置の一例を示した図である。 本発明による装置の一例を示した図である。 本発明による装置の一例を示した図である。 本発明による装置の一例を示した図である。

本発明では、追随性材料マトリクス内に埋設され、電気刺激の印加に応答して変形するように適合された、電気活性ポリマー材料の複数の粒子を用いた装置が提供される。装置は、形状変化装置とすることができる。対応マトリクスの得られる形状変化は、追随性材料の表面にわたる特定の変形プロファイルの実現を可能にする。粒子は、1または2以上の電極の配置により、複数のグループにおいて刺激を受ける。刺激を受けるEAP粒子領域の形状、寸法、次元、および配置は、材料における特定の応答を開始するように選択的に選定され、材料の表面にわたって、特定の所望の変形プロファイルが生じる。

図3には、本発明の実施例による、第1の例の装置を示す。図には、電気刺激の前（上図）と後の装置（下図）が示されている。装置は、追随性材料マトリクス24内に均一に埋設され、分散された複数の電気活性ポリマー（EAP）粒子28を含む、追随性材料部材20を有する。電極32、34の組が、それぞれ、追随性材料部材20の上部および底部の主表面に設置される。また、制御器（図示されていない）が提供され、これは、電極32、34に電位差を制御可能に印加するように適合され、これにより、部材20にわたって電場が誘導される。

電極32、34の間に電場が印加されると、複数のEAP粒子は、（図3の視野から見て）幅方向に沿って、集団で同時に膨脹する。この集団的な変形により、周囲の追随性材料マトリクス24に、対応する変形応答が誘導される。追随性材料部材には、横方向の膨脹、または部材の上部および底部の主表面に平行な、1もしくは2以上の方向における伸張が生じる。

追従性部材20が膨脹すると、上部および底部の主表面は、この膨脹と平行に、面内変形を受ける。電極32、34に印加される電位差の大きさを制御することにより、異なる度合いの面内変形が達成できる。また、以下に示すように、少なくとも一つのモードにおいて、電極配置が制御され、制御された不均一な変形プロファイルが提供されても良い。

図3に示す特定の例では、追随性材料部材20の対向する側の両主表面（18、19）にわたって生じた変形プロファイルは、面内変形で構成される。ただし、好適な固定手段の利用により、これが、例えば図2に示した方法で、対応する面外変形プロファイルに変換され得ることは、当業者には明らかである。あるいは、例えば、部材の側表面を固定することにより、（部材の上部および底部の主表面と平行な）部材の面内膨脹を抑制し、部材の面外変形を誘導しても良い。

図3に示した配置では、粒子は、球状粒子として表されているが、代替例では、粒子は、いかなる形状または形態を有しても良い。粒子は、楕円形状、円柱状であっても良く、または例えばロッド、繊維、またはウェハを有しても良い。

また、粒子は、規則的な配列により配置されて示されているが、これは必ずしも必要ではない。代替例では、装置の特性のいかなる必要な劣化も生じない限り、粒子は、無秩序に、不規則的な態様で、均一に分散されても良い。

図3の例では、EAP粒子は、フィールド駆動EAPを有し、これらは、電極組32、34の間に電場を印加することにより刺激されると仮定した。しかしながら、別の実施例では、EAP粒子として、イオン（または電流）駆動EAP材料が使用されても良い。そのような場合、追随性材料は、好適なイオン交換膜、または（ポリ）電解質マトリクスを有する必要がある。また、イオンEAPの実施例では、電極32、34は、任意で、別個に配置または構成され、例えば、追随性材料部材の対向する（図3に示す視野から見て左右の）端部に、取り付けられても良い。

別の実施例では、追随性材料部材の構成および設計、ならびに埋設粒子の配置は、電気的刺激の印加に応答して、異なる特定の変形効果が生じるように適合されても良い。

図4には、本発明の実施例による第2の例の装置を示す。この配置では、電気活性ポリマー粒子28は、追随性材料マトリクス24にわたって不均一に分散される。特に、EAP粒子28は、空間的に分離したサブグループ29に配置される（これらの2つは、例示により、参照符号29で示されている）。電極32、34に電位差を印加すると、全てのサブグループにわたって、粒子28が同時に刺激される。

得られる粒子の変形は、追随性材料マトリクス24にわたる不均一な変形応答につながる。サブグループ29の各々を直に取り囲むマトリクスの領域は、追随性材料部材20の2つの主表面と平行な方向に、強い変形応答を受ける。ある変形を受ける間、サブグループの間にあるマトリクスの領域は、より弱い全体変形応答を受ける。

追従性マトリクス24の不均一な変形の結果、表面にわたって変化する大きさまたは強度を有する、追従性部材の主表面の不均一な面内変形が生じる。この変化する変形は、部材およびその主表面の異なる領域にわたって変化する誘導歪みに等しく対応する。各EAP粒子のサブグループ29の直上および直下の領域にわたって、大きな歪みが生じ、各サブグループの間にある領域にわたって、小さな歪みが生じる。そのような不均一面内変形、または不均一誘導歪みは、例えば、表面摩擦の制御において、有益な用途を有する。

図5には、本発明の実施例による第3の例の装置を示す。装置は、追随性材料部材20を有し、該追随性材料部材20は、追随性材料マトリクス24内に均一に分散された、複数の電気活性ポリマー粒子28を有する。部材の底部および上部のそれぞれの主表面にわたって、第1の40および第2の42空間的に分配された電極のアレイが設置される。各アレイの電極は、協働的に整列され、複数の電極配置を構成し、各々は、対向する上部電極34および底部電極32のそれぞれの組を有する。

装置20は、さらに、部材の変形応答を刺激するため、1または2以上の電極組に対する電圧の印加を制御するように適合された、制御器（図示されていない）を有する。本実施例による電極組は、個々にアドレス可能で、個々に制御可能な態様で、制御器と（有線または無線的に）電気的に結合される。従って、電極組の異なる組み合わせが、異なる所望の変形方式により、刺激されても良い。

例えば、部材の主表面の均一変形が望ましい場合、全ての電極組が活性化され、その結果、EAP粒子28の全配置が刺激され、変形されても良い（一例として図5に示されている）。しかしながら、別の方式では、例えば、交互の組のみが活性化されても良い。これにより、図4に示したように、部材表面にわたって不均一な変形応答が得られる。また、任意の特定の望ましい形状または変形のパターンを誘発するため、より複雑な活性化の方式が適用されても良い。

（示された図の頁に向かって延伸する）部材の全2次元表面を考慮すると、電極配置（電極組）の選定は、特定の形状または形態に対応するように選定されても良い。その後、この形状または形態に見合う部材の主表面にわたって、変形プロファイルが達成されても良い。例えば、電極組の略円形パターンが選定され、円形の面内変形が誘導されても良い。これは、単なる一例として提供され、代わりに別の規則的なもしくは不規則な形状またはパターンが選定されても良い。

また、図5の例では、電極のそれぞれの規則的なアレイ40、42が示されているが、本発明の概念は、そのような配置に限定されるものではない。（対応する電極組の複数のセットを形成するため、）上部および底部の主表面の各々にわたって、任意の所望の規則的なもしくは不規則なパターン、方式、または空間構成に対応する、複数の電極のセットを適用しても良い。電極は、表面にわたってまばらに分配されても良く、あるいは相互に隣接して配置されても良い。

また、別の例では、セットまたはアレイの各々の電極40、42は、図5に示したものよりも小さな寸法を有するように提供されても良く、これにより、達成可能な変形パターンおよび応答にわたる制御の度合いを、より高めることができる。極端な場合、各電極は、単一の粒子の幅（または直径）のみを覆う伸張部を有するように提供されても良い。従って、規則的配列により粒子が配置される場合（図5の例に示す）、各電極組（電極配置）は、粒子28の単一の「垂直」列を刺激するように作動可能である。

また、図5示した例では、電極アレイ40、42は、追随性材料部材20の主表面にわたって設置されるように提供されるが、別の例では、これに加えてまたはこれとは別に、追随性材料マトリクス24自身の内部に埋設された電極が提供されても良い。これにより、粒子の小さなサブグループの多数の独立した刺激が可能になり、追随性材料部材の変形応答にわたり、より高い制御の度合いが提供されても良い。

例えば、相互に隣接し、追随性部材の中心（または中心面）にわたって横方向に延伸する、追加の2つのアレイが提供されても良い。各々は、上部電極42および底部電極40のアレイの各々の電極を有する、それぞれの電極組を形成するように配置され、配列される。これは、一例だけのために提供され、埋設電極のいかなる特定の配置も使用可能であり得る。

図6には、本発明の実施例による第4の例の装置を示す。装置は、追随性材料部材20を有し、該追随性材料部材20は、追随性材料マトリクス24にわたって均一に分散された、複数の埋設EAP粒子28を有する。追随性材料部材20の上部および底部のそれぞれの主表面にわたり、電極32、34の組が設置される。さらに、上部電極34の上部には、剛性（非追従性）バッキング層48が設置され、これは、薄い材料50および厚い材料52の交互領域を形成する。薄い材料は、バッキング層のより追従性の（より弾性的な）領域を提供し、一方厚い材料は、バッキング層のあまり追従的ではない（あまり弾性的でない）領域を提供する。

装置は、さらに、電極組32、34への電位差の印加を制御するように適合された制御器（図示されていない）を有し、これにより、部材20にわたって電場が誘導される。図6に示すように、制御器により電場が印加されると、複数の粒子は、刺激を受け、横方向に延伸するように変形する。これにより、取り囲むEAPマトリクスに、対応する変形応答が誘発される。横方向の応力は、部材の主表面と平行な方向に、層にわたって誘導される。

上部表面に設置されたバッキング層48は、部材の達成可能な横方向の変形を抑制する。追従性がより低い、層の厚い領域52にわたる達成可能な横方向の歪みは、より大きく制限される。バッキング層の薄い領域50にわたる達成可能な横方向の歪みは、あまり抑制されない。その結果、変形の結果として部材に構築される応力が力を及ぼし、部材は面外方向に変形する。これにより、図6に示すような波状の曲げ構成が導入される。

非追従性バッキング層の厚い領域52および薄い領域50のそれぞれの幅および離間距離を変化させることにより、面外変形の任意の所望のパターンまたはプロファイルを得ることができる。当業者には明らかなように、単に、好適な表面積、形状、およびサイズを有するように、材料の厚いおよび薄い領域の構成を選択的に設計することにより、いかなる特定の表面位相構造を生じさせても良い。

別の例では、本実施例は、粒子28の不均一な分布と組み合わせて、達成可能な変形パターンの別のバリエーションおよび自由度を達成することができる。これに加えてまたはこれとは別に、本実施例は、（例えば、図5の配置と同様の）電極組の複数の構成の使用と組み合わされても良い。

別の設計手段による別の実施例では、異なる面外表面変形パターンを達成するための同様の広い可能性が実現可能である。図7および図8には、それぞれ、本発明の実施例による第5および第6の例の装置を示す。これらの例では、電気活性ポリマー粒子28は、追随性材料マトリクス24にわたって分散された、異なる形状の粒子を有する。図7の粒子の配置は、球状粒子と楕円状粒子の交互のサブセットで形成される。交互パターンは、材料部材にわたって広がっている。

図8における粒子の配置は、垂直方向および水平方向に配列された楕円形粒子の交互のサブセットで形成される。ここでも、交互パターンは、追随性材料部材にわたって広がっているが、各サブセットは、粒子を含まない小さなギャップで、隣接するサブセットから離間されている。これにより、各サブセットで、追従性材料マトリクスの大まかに等しい長さ区画を確実に覆うことができる。

いずれの場合も、追従性材料部材20には、部材の底部および上部のそれぞれの主表面にわたって配置された、電極32、34の単一の連続組が提供される。装置は、さらに、電極32、34に、電位差を制御可能に印加するように適合された制御器（図示されていない）を有する。これにより、部材にわたって電場が誘導される。

図7の実施例では、電場を印加すると、球状粒子は、前述の実施例に示したような変形を受け、各粒子28は、部材20の主表面に平行な方向において、横方向に膨脹する。一方、楕円状粒子は、刺激に応答して、部材の主表面により定められる平面に対して実質的に直角に、（図7における視野から）「垂直」方向に膨脹し、または延伸するように適合される。

その結果、追従性材料マトリクス24の異なる領域にわたって、変形応答の異なるモードが誘導され、主表面にわたって不均一な変形プロファイルが得られる。例えば、楕円状粒子を含む領域にわたっては、部材に実質的に「垂直な」伸張が生じる一方、球状粒子を含む領域にわたっては、実質的に横方向の伸張が印加される。その結果、主表面にわたって、面外成分と面内成分の両方を有する、不均一な変形プロファイルが得られる。局部的に異なる変形応答により、曲げもしくは変形の局部的に異なる形状またはパターンが得られる。

図7には、一例の目的で、発生する変形プロファイルの概略的な状態が示されている。当然のことながら、実際には、表面にわたって発生する変形の特定のプロファイルまたは形状は、示されたものとは異なり、粒子28の特定の構成、および使用EAP材料の特定の変形特性に依存することは、当業者には明らかである。

同様に、図8の実施例では、楕円状粒子の各サブセットは、図8に示すように、電気的刺激に応答して、粒子の楕円の断面の準短軸に平行な方向に変形するように適合される。従って、「垂直」配列された楕円状粒子は、横方向（追従性材料部材の主表面と平行な方向）に変形し、「水平」配列された楕円状粒子は、「垂直」方向（追従性材料部材の主表面に対して垂直な方向）に変形する。

この「垂直」変形と「水平」変形の交互のパターンは、図7の例において生じるものと同様の、例えば、起伏状または他の交互湾曲パターンのような、変形パターンを誘導しても良い。図8には、一例の目的で、発生する変形プロファイルの概略的な状態が示されている。当然のことながら、図7の例の場合と同様、実際には、表面にわたって発生する変形の特定のプロファイルまたは形状は、示されたものとは異なり、粒子28の特定の構成、および使用EAP材料の特定の変形特性に依存することは、当業者には明らかである。

図7および図8に示す例では、球状粒子および楕円状粒子は、一例として示されており、別のバリエーションでは、これに加えてまたはこれとは別に、異なる形状の粒子が使用されても良い。これらは、ロッド形状の粒子、または繊維もしくはウェハの形態の粒子を含んでも良い（これもまた非限定的な例に過ぎない）。

別の例では、EAP粒子28の配列は、より多くの異なる粒子形状、例えば3または4つの異なる粒子の形状を含んでも良い。これらは、サブグループの規則的な繰り返しパターンで配置され、または異なる態様で規則化された、例えば、規則性の弱い構成のようなサブグループで配置されても良い。

異なる形状の粒子は、形状で特定されるサブグループに配置されず、相互に混合されても良い。

本実施例は、さらに、電極組の複数の配置の使用と有意に組み合わされても良い。これにより、EAP粒子の異なる空間領域の独立した刺激が可能となる。電極組は、交互に形状化された粒子の異なるサブセットと対応するように配置されても良い。あるいは、これらは、異なる構成により配置されても良い。複数の電極は、各サブセットを覆っても良い（例えば、十分に小さな電極が使用される場合）。

また、本発明に関して記載された本実施例または任意の他の実施例は、その範囲にわたり横方向に厚さが変化する追従性材料部材の使用と有意に組み合わされても良い。これは、厚さが連続的に低下しまたは増加しても良く、あるいは厚さは、部材にわたって変動しても良い。

不均一な厚さは、さらに、追従性マトリクスの変形応答に異質性を導入し、これにより、得られる変形プロファイルが主表面にわたって構築されても良い。

また、本実施例または別の実施例では、部材にわたって密度または弾性が変化する追従性材料で形成された、追従性材料部材20が提供されても良い。これは、変化の連続的なパターンであっても、変化が変動するものであっても良い。これは、部材の変形応答に、異質性または変動の別のソースを追加しても良い。

また、特定の例では、異なる形状の粒子の使用が、本発明の任意の実施例と有意に組み合わされ、得られる表面変形プロファイルのさらなる適合性が実現されても良い。

図9には、本発明の実施例による第7の例の装置を示す。装置は、追従性材料部材20を有し、該追従性材料部材20は、追従性材料マトリクス24内に埋設された複数のEAP粒子28を有する。粒子は、空間的に分離された一連のサブグループに配置され、これらは、部材にわたって横方向に分配される。電極32、34は、粒子を刺激するため、部材の上部および底部の主表面にわたって設置される。

また、上部表面にわたって、可撓性材料で形成されたバッキング層68が提供され、これは、厚さが部材の幅にわたって変化する。層は、各々がEAP粒子の空間的に分離されたセットの一つの上方に延在する厚い区画と、間にある領域の各々にわたって延在する薄い区画とを有する。厚い区画は、元来追従性が弱く（低可撓性）、一方薄い区画は、より大きな可撓性を提供する。

装置は、さらに、電極32、34にわたって電位差を制御可能に印加するように適合された制御器を有し、部材にわたって電場が構築される。

電場が印加されると、粒子のセットの各々は、横方向（追従性部材20の主表面と平行な方向）に膨脹する。この結果、サブセットの間にある空の領域の各々には、内方「圧迫」効果が加わる。誘導された応力は、横方向には開放されないため、追従性材料に、「垂直方向」の変形が生じる。

部材の上部にわたる可撓性バッキング層は、その厚い区画と対応する領域にわたる表面の面外変形を制限する。従って、面外変形は、厚い区画の間にある領域でのみ可能となる。その結果、EAP粒子を含まない追従性材料部材の領域の各々と対応する表面にわたって、複数の面外「バンプ」70が生じる。

別の例では、可撓性バッキング層68は、異なる設計または構成を有するように提供され、例えば、異なる形状、寸法、または厚い区画と薄い区画の配置を有しても良い。これにより、電気的刺激に応答して形成されるバンプまたは突起の、任意の特定の所望のパターンが可能となる。

図10には、本発明の実施例による第8の実施例の装置を示す。この実施例では、装置は、単一の層部材20で形成され、これは、EAP28と追従性材料24との交互区画を有する。区画の各々は、層部材20の高さ全体に延伸する。層部材の上部表面および底部表面にわたって、それぞれの電極32、34が延在する。

また、装置は、2つの電極32、34にわたって電位差を印加するように適合された制御器（図示されていない）を有し、層部材20にわたって電場が構築される。

電場が印加されると、EAP区画28は、横方向に（層の上部表面および底部表面と平行に）変形し、部材の上部および底部の主表面にわたって、同時変形応答が生成される。示された例では、EAP素子28は、部材の範囲にわたって不均一に分布される。その結果、EAP素子が刺激されると、表面にわたって不均一な面内変形プロファイルが構築され、EAPの広い区画に対応する領域にわたって、大きな強度または振幅が生じ、短い区画に対応する領域にわたって、小さな振幅が生じる。

本実施例の一つの利点は、製造が単純なことである。これは、下側電極32に、EAP材料28と、追従性マトリクス材料24との交互区画を印刷し、第2の電極34を上方に印刷して最後に層を完成させることにより、形成することができる。

前述の実施例の各々において、実質的に矩形の電極が示されているが、別の例では、代わりに異なる形状の電極を使用しても良い。これらは、非限定的な例では、円形、楕円形、三角形、もしくは六角形、または他の任意の規則的なもしくは不規則な形状を含んでも良い。複数の電極配置が提供され、EAP粒子の異なるサブセットが刺激されると、電極の選択された形状により、粒子の相応に形状化されたサブグループの刺激が可能になっても良い。これにより、その後、前記形状に従い、前記形状を取り込み、または前記形状と一致する、変形プロファイルが生じても良い。例えば、円形電極を用いて、EAP粒子の円形領域を刺激し、これにより、該形状に追随する部材表面の対応する領域にわたって、変形（面内または面外変形）を誘導しても良い。

前述の任意の実施例では、粒子は、球状粒子として表されているが、別の例では、粒子は、いかなる様々な形状または形態を有しても良いことは明らかである。粒子は、例えば、楕円形状、円柱状形状であっても、あるいはロッド、繊維、またはウェハを有しても良い。ロッドは、例えば、円形、楕円状またはダイヤモンド状を含む、いかなる断面を有しても良い。

また、粒子は、規則的アレイの形態で配置されるように示されているが、これは、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。別の例では、装置のいかなる必要な特性の劣化も生じない限り、粒子は、無秩序で非規則的な構成で、均一にまたは不均一に分散されても良い。

また、前述の実施例の各々では、EAP粒子は、フィールド駆動EAP材料を有することが仮定され、これらは、電極組32、34の間に電場を印加することにより刺激される。しかしながら、別の実施例では、EAP粒子に、イオン（または電流）駆動のEAP材料が使用されても良い。これらの場合、追従性材料は、好適な誘電体、または他の通電材料を有する必要があり得る。

前述の任意の例では、提供される制御器は、10V／μmから50V／μm、100V／μmの範囲の強度の電場の構築に適した電圧を、電極に印加するように適合され得る。これらの値は、使用可能な有意な範囲の組の一例を提供するものであるが、この範囲の外側にある値の電場が好適ではないことを意図するものではない。

部材にわたって均一な電場を構築するため、これらの電極の間にある材料の厚さ、密度、または組成に応じて、異なる電極配置に印加される電圧を適合させる必要があり得る（2以上の電極配置が提供される場合）。例えば、高濃度のEAP粒子を含む領域では、同じ強度の電場を構築するため、EAP粒子の密度が低い領域よりも、高い印加電圧が必要となり得る。

EAP成分に適した材料は、良く知られている。電気活性ポリマーには、これに限られるものではないが、圧電ポリマー、電気機械ポリマー、リラクサ強誘電体ポリマー、電歪ポリマー、誘電体エラストマー、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のサブクラスが含まれる。

サブクラスの電歪ポリマーには、これに限ら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、またはこれらの混合物が含まれる。

サブクラスの誘電体エラストマーには、これに限られるものではないが、アクリレート、ポリウレタン、シリコーンが含まれる。

サブクラスの共役ポリマーには、これに限ら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-フェニレン硫化物）、ポリアニリンが含まれる。

イオン性装置は、イオン性ポリマー-金属複合体（IPMC）、または共役ポリマーをベースにしても良い。イオン性ポリマー-金属複合体（IPMC）は、合成複合体ナノ材料であり、印加電圧または電場下で、人工筋肉挙動を示す。

より詳細には、IPMCは、NafionまたはFlemionのようなイオン性ポリマーで構成され、その表面は、白金もしくは金、または炭素系電極のような導電体で、化学的にめっきされ、または物理的に被覆される。印加電圧下では、IPMCのストリップにわたる印加電圧によるイオン泳動および再分配によって、曲げ変形が生じる。ポリマーは、溶媒膨脹性イオン交換ポリマー膜である。電場によって、カチオンは、水とともにカソード側に移動する。これにより、親水性クラスタの再結合が生じ、ポリマーが膨脹する。カソード領域における歪みにより、ポリマーマトリクスの残り部分に応力が生じ、アノードに向かって曲げが生じる。印加電圧を反転すると、曲げが逆になる。

めっき電極が非対称構成に配置されると、印加電圧は、ねじれ、回転、よじれ、旋回、および非対称な曲げ変形のような、全ての種類の変形を誘発する。

これらの全ての例では、印加電場に応じてEAP層の電気的なおよび／または機械的な挙動に影響を及ぼす、追加のパッシブ層が提供されても良い。

各ユニットのEAP成分は、電極の間に挟まれても良い。電極は、これらがEAP材料の変形に追随するように、伸縮可能であっても良い。電極に好適な材料は、良く知られており、例えば、金、銅、もしく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（スチレンスルフォン酸）（PEDOT：PSS）のような有機導電体からなる群から選定されても良い。また、例えばアルミニウムコーティングを用いた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膜が使用されても良い。

EAPは、主として、小さな形状因子、可撓性および高エネルギー密度のため、作動機能に特殊な利点を提供する。従って、EAPおよび感光性ポリマーは、ソフトな3D形状に、ならびに／または小型製品およびインターフェースに、容易に一体化される。そのような用途の一例は、以下の通りである：
肌のハリまたはシワの抑制のために肌に一定のまたは周期的なストレッチを印加する、応答性ポリマー系のスキンパッチの形態のスキン作動装置のような、肌美容整形術；
患者のインターフェースマスクを有する呼吸器系装置であって、応答性高分子系の活性クッションまたはシールを有し、肌に交互に通常の圧力を提供し、顔の赤いマークを低減しまたは抑制する、呼吸器系装置；
適応性シェービングヘッドを有する電気シェーバ。肌接触表面の高さは、接近度と刺激の間のバランスに影響する、応答性ポリマーアクチュエータを用いて調整される；
動的ノズルアクチュエータを有し、特に歯と歯の間の空間において、スプレーの到達度を改善する、エアーフロスのような口腔内洗浄装置。あるいは、歯ブラシが活性タフト（tufts）を有しても良い；
ユーザインターフェースまたはその近傍に一体化された応答性ポリマー変換器のアレイを介して、局部的な触覚のフィードバックを提供する、コンシューマ電子装置またはタッチパネル；
可動型の先端を有し、蛇行する血管に容易にナビゲーションできるカテーテル。

そのようなアクチュエータの恩恵を受ける関連用途の別のカテゴリーは、光の変調に関する。レンズ、反射性表面、格子などのような光学素子は、これらのアクチュエータを用いた形状または配置の適合により、適応させることができる。ここで、EAPの一つの利点は、例えば、パワー消費が低いことである。

形状変化装置の用途の別の想定される分野には、超音波装置、眼圧測定、または口腔ヘルスケア、および微小流体工学が含まれる。

前述の形状変化装置の任意の例は、化合物押し出しプロセスにより製造されても良い。好適に成形された押出機に、生の追従性材料が供給され、常時または周期的に、EAP材料の供給が投与される。埋設EAP粒子の均一な分散が必要な場合、EAP材料は、連続的に投与され得る。空間的に分離したサブグループが必要な場合、EAP材料は、周期的に添加され得る。EAP材料の不均一な密度が必要な場合、EAP材料が添加される速度は、時間とともに変化しても良い。

所望の変形特性を得るため、追従性材料部材は、電気活性ポリマー粒子の等価弾性率とほぼ等しい（または同じオーダの）弾性率（ヤング率）を有する材料または複合体で形成されても良い。

例えば、EAP粒子が0.1〜10MPaの間の弾性率を有するEAP材料で形成される場合、追従性材料部材用の好適な材料は、（単に非限定的な例として）例えばシリコーンゴムまたは他のゴム、例えばポリアクリレートゴム、エチレン-アクリレートゴム、イソブチレンイソプレンブチルのようなゴムを含んでも良い。多くの他のゴムが知られており、当業者には、ゴムまたはポリマーのハンドブックの中からこれらを見出し、把握できる。追従性材料は、必ずしもゴム材料である必要はない。電気的刺激により変形が可能な、任意の他の材料が本発明の範囲に含まれる。PVDF系の電気活性材料（詳細は前述の記載参照）の代わりに、500〜1000MPaの間の弾性率を有するEAP粒子が形成される場合、追従性材料部材に好適な材料には、ポリエチレン（ヤング率700MPa）、またはPTFE（ヤング率300MPa）が含まれる。ここでも、これらは、非限定的な例として示されており、他の好適な材料は、当業者には明らかである。

好適な押し出しプロセスにより、埋設EAP粒子を有する追従性材料部材を形成した後、部材の上部および底部の各主表面に、1または2以上の電極配置が提供されても良い。これは、例えば、印刷法により達成されても良い。ただし、他の任意の好適な手段も、使用することができる。

図面、開示、および添付の請求項の研究により、当業者は、請求項に記載の発明を実施する際に、記載された実施例の他の変形例を理解し、実施することができる。請求項において、「有する」と言う用語は、他の要素またはステップを排斥するものではない。「一つの」と言う用語は、複数を排斥するものではない。単にある手段が相互に異なる従属請求項に記載されていることから、これらの手段の組み合わせが有意に使用できないと解してはならない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものと解してはならない。

Claims (15)

1. 変形可能な表面を有する装置であって、
   容積を有する追従性材料部材と、
   前記容積内に分散され、電気的刺激の印加に応じて変形するように適合された、複数の電気活性ポリマーの微細粒子と、
   1または2以上の電極配置であって、各々が前記電気活性ポリマーの微細粒子の複数のセットに、電気的刺激を印加するように作動可能である、1または2以上の電極配置と、
   前記1または2以上の電極配置を制御して、前記複数の微細粒子に電気的刺激を印加するように構成された制御器と、
   を有し、
   前記刺激は、前記追従性材料部材の異なる領域において、異なる作動応答を誘発するように構成され、これにより、前記変形可能な表面にわたって不均一な変形プロファイルが生じるように構成された、前記追従性材料部材の形状変化が生じる、装置。
2. 前記刺激は、
   前記追従性材料部材の異なる領域に印加される異なる電気的刺激、
   前記追従性材料部材の異なる領域における微細粒子の異なる密度、ならびに
   前記追従性材料部材の異なる領域における微細粒子の異なる形状および／またはサイズ、
   の1または2以上に基づいて、
   前記追従性材料部材の異なる領域において、異なる作動応答を誘発するように構成される、請求項1に記載の装置。
3. 前記複数の電気活性ポリマーの微細粒子は、微細粒子の複数のサブセットを有し、
   前記電気的刺激は、異なる前記サブセットにおいて、異なる作動応答を誘発するように構成される、請求項1または2に記載の装置。
4. 前記複数の電気活性ポリマーの微細粒子は、前記追従性材料部材の前記容積内で、少なくとも2次元的に分散される、請求項1乃至3のいずれか一つに記載の装置。
5. 前記複数の電気活性ポリマーの微細粒子は、前記追従性材料部材内に、前記追従性材料部材の前記容積にわたって一定もしくは均一である密度を有し、または
   前記複数の電気活性ポリマーの微細粒子は、前記追従性材料部材の前記容積にわたって変化する密度を有する、請求項1乃至4のいずれか一つに記載の装置。
6. 前記追従性材料部材は、主表面を有し、
   当該装置は、さらに、前記主表面に結合された非可撓性のバッキング層を有し、
   電気的刺激に対する応答において、前記追従性材料部材の曲げが生じ、
   必要な場合、
   前記非可撓性のバッキング層は、前記主表面に沿って配置された、複数の分離区画を有し、前記電気的刺激に応答して、前記追従性材料部材の不均衡な曲げが誘導される、請求項1乃至5のいずれか一つに記載の装置。
7. 前記追従性材料部材は、主表面を有し、
   当該装置は、さらに、前記主表面に結合された可撓性のバッキング層を有し、該バッキング層は、前記主表面にわたって変化する弾性を有する、請求項1乃至6のいずれか一つに記載の装置。
8. 複数の電極配置を有し、
   該電極配置の各々は、独立に作動可能であり、前記電気活性ポリマーの微細粒子の空間的に異なるサブセットに電気的刺激を印加する、請求項1乃至7のいずれか一つに記載の装置。
9. 前記複数の電気活性の微細粒子は、第1の形状、サイズ、および／または前記容積内の配向を有する、微細粒子の第1のサブセットを有し、
   前記対応する第1の形状、サイズ、および／または配向とは異なる、第2の形状、サイズ、および／または前記容積内の配向を有する、微細粒子の少なくとも第2のサブセットを有する、請求項1乃至8のいずれか一つに記載の装置。
10. 前記追従性材料部材は、前記追従性材料部材の少なくとも一つの寸法にわたって変化する厚さを有する、請求項1乃至9のいずれか一つに記載の装置。
11. 前記複数の電気活性ポリマーの微細粒子の各々の最大サイズの伸張は、0.1と3μmの間である、請求項1乃至10のいずれか一つに記載の装置。
12. 前記複数の電気活性ポリマーの粒子、および前記追従性材料部材は、全体容積を有する複合構造を形成し、
    前記複数の電気活性ポリマーの粒子は、1％と70%の間の、全容積の一部を構成する、請求項1乃至11のいずれか一つに記載の装置。
13. 前記追従性材料部材は、第1の主表面と、該第1の主表面と対向する第2の主表面とを有し、
    前記複数の電気活性ポリマーの微細粒子は、空間的に分離された電気活性ポリマーの微細粒子の単一の列で構成され、各々は、前記第1の主表面と前記第2の主表面の間に延在する、請求項1乃至12のいずれか一つに記載の装置。
14. 装置を製造する方法であって、
    −以下のステップ：
    連続的にまたは周期的に、電気活性ポリマー材料の微細粒子とともに、可撓性材料を投与することにより、投与された可撓性材料を形成するステップと、
    前記投与された可撓性材料を押し出し、複数の埋設された電気活性ポリマーの微細粒子を有する追従性材料部材を提供するステップと、
    を有する化合物押し出しプロセスにより、前記追従性材料部材を形成するステップと、
    −1または2以上の電極配置を提供するステップと、
    −前記1または2以上の電極配置に電気的に結合され、前記1または2以上の電極配置を制御して、前記複数の微細粒子に電気的刺激を印加するように構成された制御器を提供するステップと、
    を有し、
    前記刺激は、前記追従性材料部材の異なる領域において、異なる作動応答を誘発するように構成され、これにより、前記変形可能な表面にわたって不均一な変形プロファイルが生じるように構成された、前記追従性材料部材の形状変化が生じる、方法。
15. さらに、電気活性ポリマーの粒子とともに前記可撓性材料が投与される速度を、時間とともに変化するように制御するステップを有する、請求項14に記載の方法。

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