JP5714200B2 - 改良電気活性ポリマ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、電気エネルギと機械エネルギとの間で変換を行う電気活性ポリマに関する。本発明は、特に、ポリマならびに、アクチュエータおよび各種用途においてジェネレータやセンサとしてこれらのポリマを使用することに関する。本発明は、また、ポリマに添加される添加物と、トランスデューサを備えるラミネートと、トランスデューサを製造する方法と、に関する。

電気エネルギと機械エネルギとの間の変換は、多くの用途において望まれている。電気エネルギから機械エネルギへの変換を必要とする代表的な用途としては、ロボット、ポンプ、スピーカ、一般オートメーション、ディスクドライブ、そして人工器官等が挙げられる。これらの用途には、マクロまたはミクロのレベルで電気エネルギを機械的作用に変換するアクチュエータが、１つまたはそれ以上含まれる。また、電磁モータやソレノイドなどの一般的な電気アクチュエータ技術は、例えば小サイズのデバイスを必要とする多くの用途（例えばミクロマシンや中規模マシンなど）において不適切である。機械エネルギから電気エネルギへの変換を必要とする代表的な用途としては、機械的性質のセンサや踵接地ジェネレータなどが挙げられる。これらの用途には、機械エネルギを電気エネルギに変換するトランスデューサが、１つまたはそれ以上含まれる。また、電磁ジェネレータなどの一般的な電気ジェネレータ技術も、例えば小サイズのデバイスを必要とする多くの用途（例えば、人の靴の中など）において不適切である。これらの技術は、１つの構造内に多数のデバイスを組み込まなければならない場合や、比較的低周波数の高出力密度を必要とするような様々な性能条件のもとにおいても、やはり理想的ではない。

多くの「スマート材料」が、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換に使用されてきたが、限られたレベルの成功しか得られなかった。これらのスマート材料としては、圧電磁器、形状記憶合金、そして磁わい材料などが挙げられる。しかしながら、これらのスマート材料にはそれぞれ限界があるので、広く一般的に使用することができない。電磁エネルギを機械エネルギに変換するためには、ジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）などの特定の圧電磁器が使用されてきた。このような圧電磁器は、幾つかの用途において適切な効率を達成しえるものの、これは、一般にひずみが１．６％未満の場合に限られており、必要なひずみが１．６％を超える用途では不適切である場合が多い。また、これらの材料は高密度であるため、低重量が求められる用途では使用できないことが多い。照射ポリジフロロビニリデン（ＰＶＤＦ）は、電気エネルギから機械エネルギへの変換に必要なひずみが４％以下であるとされる電気活性ポリマである。圧電磁器と同様で、ＰＶＤＦも、４％より大きいひずみを必要とする用途では不適切であることが多い。ニチノールなどの形状記憶合金は、ひずみや力の出力が大きい場合にも対応することができる。しかしながら、これらの形状記憶合金は、エネルギ効率や応答時間に問題があって高コストであるため、広く一般に使用することができない。

圧電磁器および照射ＰＶＤＦは、性能限界を有するだけでなく、その製造でも問題を生じる場合が多い。単結晶の圧電磁器は、高温で成長させた後に非常にゆっくりと冷却しなければならない。照射ＰＶＤＦの場合は、電子ビームを照射しなければならない。これらの処理は、いずれも高価で複雑であるので、これらの材料の受容性には限界がある。

以上から、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うための代替のデバイスが望まれていることがわかる。

本発明の一態様は、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うポリマに関する。プリストレインド（予めひずみを加えられた）ポリマは、それに接している電極に電圧が印加されると変形する。この変形は、機械的作用を行うために使用して良い。同様に、ポリマが変形すると、そのポリマ内に電場が生成される。この電場は、電気エネルギを生成するために使用して良い。本発明によるポリマは、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を促進させる添加物を含む場合がある。また、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を促進できるラミネートを含む場合もある。

本発明によるポリマは、プリストレインされている（予めひずみを加えられている）場合もある。このプリストレインによって、電気活性ポリマの機械応答を、プリストレインされていないポリマのそれに比べて改善することができる。ポリマの方向ごとにプリストレインの量を変化させることによって、印加電圧に対するポリマの応答を変化させても良い。

本発明の一態様は、電気活性ポリマと、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うための機械的結合と、を備えたジェネレータおよびアクチュエータに関する。多くのジェネレータおよびアクチュエータには、電気活性ポリマの性能を改善させる構造が含まれている。

本発明の別の一態様は、ポリマの形状変化に適合した適合電極に関する。多くの電極が、本発明によるプリストレインドポリマにおいて大きいひずみを生じた際にも電気通信を維持することができる。幾つかの実施形態では、電極の適合性が方向によって異なる場合がある。

本発明のさらに別の一形態は、１つまたはそれ以上の電気活性ポリマを備える電気機械デバイスを製造するための方法を提供する。製造工程では、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を改善させる添加物を添加しても良い。本発明によるポリマは、鋳造、浸漬、スピンコート、噴霧、または薄膜ポリマを製造するための他の既知のプロセスによって製造して良い。

本発明のさらに別の一態様は、機械エネルギを電気エネルギに変換するためのジェネレータに関する。ジェネレータは、少なくとも２つの電極を備える。また、トランスデューサは、第１の部分に加えられた変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマを備える。このとき、ポリマの第２の部分は、弾性的にプリストレインされる。

本発明の別の一態様は、機械エネルギを電気エネルギに変換するためのジェネレータに関する。ジェネレータは、少なくとも２つの電極を備える。また、トランスデューサは、実質的に一定の厚さとその厚さに直交した領域とを有したポリマを備え、このポリマは、その厚さに直交した領域の正味面積の減少に応じて電場が変化するように構成されている。

本発明のさらに別の一態様は、電気エネルギを機械エネルギに変換するためのジェネレータに関する。ジェネレータは、少なくとも１つのトランスデューサを備え、各トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、第１の部分に加えられた変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備える。また、ジェネレータは、ポリマの第２の部分に取り付けられ、少なくとも１つのアパチャを有したフレームを備え、ポリマの第１の部分は、第３の部分に加えられた変形に応じて電場が変化するように構成されている。

本発明のさらに別の一態様は、第１の方向への機械エネルギを電気エネルギに変換するためのジェネレータに関する。ジェネレータは、少なくとも１つのトランスデューサを備え、各トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、第１の方向の変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備える。ジェネレータは、また、ポリマに結合された可撓性のフレームを備え、このフレームは、少なくとも１つのトランスデューサに対する機械エネルギから電気エネルギへの変換を改善させる。

本発明の別の一態様は、第１の方向への機械エネルギを電気エネルギに変換するためのジェネレータに関する。ジェネレータは、少なくとも１つのトランスデューサを備え、各トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、第１の方向への変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備える。ジェネレータは、また、少なくとも１つのトランスデューサに結合された少なくとも１つの剛性の部材を備え、この少なくとも１つの剛性の部材は、第２の方向への変位を実質的に阻止する。

本発明のさらに別の一態様は、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うためのトランスデューサに関する。トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、電場の変化に応じて一部分が変形するように構成された且つ／または変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備え、このポリマは添加物を含んでいる。

本発明のさらに別の一態様は、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うためのトランスデューサに関する。トランスデューサは、少なくとも２つの電極とポリマと、電場の変化に応じて一部分が変形するように構成された且つ／または変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備える。ここで、ポリマは、単独重合することによってガラス転移温度が摂氏約０度未満のポリマを形成できる不飽和のモノエチレン系モノマを備える。

本発明の別の一態様は、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うためのトランスデューサに関する。トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、電場の変化に応じて一部分が変形するように構成された且つ／または変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備える。ここで、ポリマは、熱可塑性のエラストマを備える。

本発明のさらに別の一態様は、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うためのトランスデューサに関する。トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、電場の変化に応じて一部分が変形するように構成された且つ／または変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備える。ここで、ポリマは、シリコンおよびアクリルの成分を含んでいる。

本発明のさらに別の一態様は、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うためのトランスデューサに関する。トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、電場の変化に応じて一部分が変形するように且つ／または変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備える。トランスデューサは、また、ポリマおよび少なくとも２つの電極のうちの少なくとも一部分に積層され、そのポリマおよび／または少なくとも２つの電極のうちの１つに機械的に結合された１枚の層を備える。

本発明の別の一態様は、添加物を含んだポリマと、１つまたはそれ以上の電極と、を備えたトランスデューサを製造するための方法に関する。この方法は、ポリマに添加物を添加する工程を備える。方法は、また、ポリマの一部分を固形部材に固定する工程を備える。方法は、さらに、ポリマの上に１つまたはそれ以上の電極を形成する工程を備える。

本発明のさらに別の一態様は、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスに関する。デバイスは、少なくとも１つのトランスデューサを備え、各トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、電場の変化に応じて一部分が変形するように構成された且つ／または変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備える。また、デバイスは、ポリマの第２の部分に結合され、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を改善させる少なくとも１つの湾曲部分を備える。

本発明のさらに別の一態様は、電気エネルギと第１の方向の機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスに関する。デバイスは、少なくとも１つのトランスデューサを備え、各トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、電場の変化に応じて第１の部分が第１の方向に変形するように構成された且つ／または第１の方向への変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備える。デバイスは、また、ポリマの相対する二面に結合され、電気エネルギと第１の方向の機械エネルギとの間の変換を改善させる１対の湾曲部分を備える。

本発明の別の一態様は、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスに関する。デバイスは、少なくとも１つのトランスデューサを備え、各トランスデューサは、少なくとも２つの電極と、電場の変化に応じて一部分が変形するように構成された且つ／または変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマと、を備える。また、デバイスは、ポリマの第２の部分に取り付けられ、少なくとも１つの非円形のアパチャを有したフレームを備え、ポリマの第１の部分は、ポリマの一部分に加えられた変形に応じて電場が変化するように構成される。

なお、本発明は、海軍研究事務所（Office of Naval Research）によって与えれた契約番号Ｎ０００１４−９６−Ｃ−００２６、並びに、米国陸軍によって与えられた契約番号ＤＡＡＧ５５−９８−Ｋ−０００１及びＤＡＢＴ６３−９８−Ｃ−００２４に基づき、国庫援助を用いてなされたものである。米国政府はこの発明における所定の権利を有している。
添付の図面に関連して行う以下の説明から、本発明のさらなる特徴および利点が明らかになる。

以下では、添付の図面に示された好ましい幾つかの実施形態を参照にしながら、本発明の詳しい説明を行う。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、多くの詳細が具体的に示されている。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細の一部または全てがなくても実現できることは、当業者にとって明らかである。また、本発明を不必要に不明瞭化しないように、周知のプロセス工程および／または構造の説明は省略してある。

１．概要
電気活性ポリマは、電気エネルギによって作動されると変形を生じる。一実施形態において、電気活性ポリマは、２つの電極間の絶縁誘電体として作用し且つ２つの電極間に電圧差を加えると変形するようなポリマを指す。本発明の一態様は、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を改善するようにプリストレインされたポリマに関する。このプリストレインによって、電気活性ポリマの機械応答が、プリストレインされていない電気活性ポリマのそれに比べて改善される。機械応答の改善によって、例えば変形や作動圧力などの、より大きな機械的作用を電気活性ポリマに加えることが可能になる。例えば、本発明によるプリストレインドポリマには、少なくとも約２００％の線ひずみと、少なくとも約３００％の面ひずみと、を加えることが可能である。このプリストレインは、ポリマの方向によって大きさが異なる。プリストレインの方向による可変性、ポリマを制約する様々な方法、電気活性ポリマのミクロおよびマクロのレベルへの拡張性、そしてポリマの様々な指向方向を組み合わせる（例えば個々のポリマ層を巻いたり積層させたりする）ことによって、電気エネルギを機械的作用に変換させる様々なアクチュエータを実現することが可能になる。このようなアクチュエータは、広い用途において使用することができる。

理解を容易にするため、一方向のエネルギ変換に着目して本発明を説明することにする。具体的に言うと、本発明では、電気エネルギから機械エネルギへの変換に着目している。しかしながら、本発明の図面および説明において取り上げられるポリマおよびデバイスが、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を双方向にも行い得ることに、注意する必要がある。したがって、ここで説明されるあらゆるポリマ材料、ポリマ構成、トランスデューサ、デバイス、そしてアクチュエータは、機械エネルギから電気エネルギへと逆方向に変換を行うためのトランスデューサでもある。同様に、ここで取り上げられるあらゆる代表的な電極を、本発明によるジェネレータとともに使用しても良い。一般に、ジェネレータは、一部分の変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマを含む。

したがって、本発明によるポリマおよびトランスデューサは、電気エネルギから機械エネルギへの変換を行うアクチュエータとして、または機械エネルギから電気エネルギへの変換を行うジェネレータとして使用して良い。実質的に厚さが一定のトランスデューサに関し、その機能がアクチュエータであるか或いはジェネレータであるかを区別するメカニズムの１つとして、厚さに直交する正味面積の変化を見ることが挙げられる。これらのトランスデューサは、その正味面積が減少している場合はジェネレータとして作用する。反対に、その正味面積が増加している場合はアクチュエータとして作用する。

本発明による電気活性ポリマは、少なくとも約２００％の線ひずみで変形し得るので、ポリマに取り付けられた電極も、機械的性能または電気的性能に支障を生じることなく変形する必要がある。これに対応し、本発明の別の一態様は、電気活性ポリマの形状に適合された適合電極に関する。これらの電極は、本発明によるプリストレインドポリマのように大きく変形した場合であっても電気通信を維持することができる。例えば、本発明による電極に関しては、少なくとも約５０％のひずみが一般的である。幾つかの実施形態では、電極の適合性が方向によって異なる場合もある。

プリストレインドポリマは、様々なアクチュエータおよび多様な用途においてミクロおよびマクロの両スケールで使用するのに適しているので、本発明において使用される製造プロセスも実に多様である。本発明の別の一形態は、１つまたはそれ以上のプリストレインドポリマを含んだ電気機械デバイスを製造するための方法を提供する。ポリマは、例えば、電気活性ポリマを機械的に伸張させ、それと同時に１つまたはそれ以上の固形部材に固定するなどの、多くの技術を使用してプリストレインすることができる。

２．デバイスの一般構造
図１Ａおよび図１Ｂは、トランスデューサ１００を、本発明の一実施形態にしたがって示した上面図である。トランスデューサ１００は、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのポリマ１０２を備える。電気活性ポリマ１０２の上面および下面には、トップ電極１０４およびボトム電極１０６がそれぞれ取り付けられており、ポリマ１０２の一部分に電圧差を提供する。ポリマ１０２は、トップ電極１０４およびボトム電極１０６によって提供される電場の変化によって変形する。電極１０４，１０６によって提供される電場の変化に応じたトランスデューサ１００の変形は、作動と称される。ポリマ１０２のサイズが変化するのにともなって、この変形を使用して機械的作用を生じることができる。

図１Ｂは、電場の変化に応じて変形したトランスデューサ１００の上面図である。一般に、変形とは、あらゆる変位、膨張、収縮、捩れ、線もしくは面ひずみ、またはポリマ１０２の一部分に生じる他のあらゆる変形を指す。電極１０４，１０６によって生じた電圧差に対応する電場の変化は、プリストレインドポリマ１０２内に機械的圧力を生じる。この場合は、電極１０４，１０６によって生じた異なる電荷が互いに引き合うことによって、電極１０４，１０６間で圧縮力を生じ、ポリマ１０２上で２次元方向１０８，１１０への膨張力を生じるので、ポリマ１０２は、電極１０４，１０６間で圧縮され、２次元方向１０８，１１０に伸張される。

電極１０４，１０６は、ポリマ１０２の全面積ではなく一部分のみを覆っている場合もある。これは、ポリマ１０２の周囲で電気的な破壊が生じるのを防ぐこと、またはポリマの特定部分のみを特別に変形させることを目的とする。ここで、アクティブ領域とは、ポリマ材料１０２のうち、変形を生じるのに十分な静電力を有した部分として定義される。以下で説明するように、本発明によるポリマは複数のアクティブ領域を有して良い。アクティブ領域の外側のポリマ材料１０２は、変形が生じる際に、そのアクティブ領域に対して外から働くスプリング力として作用して良い。より詳しく言うと、アクティブ領域の外側の材料は、その収縮または膨張によってアクティブ領域の変形に抵抗して良い。電圧差の排除およびそれによって誘導される電荷は、逆の効果をもたらす。

電極１０４，１０６は適合性があり、ポリマ１０２とともに形状を変化させる。ポリマ１０２および電極１０４，１０６は、変形に対するポリマ１０２の応答を増大させるように構成される。より詳しく言うと、トランスデューサ１００が変形すると、ポリマ１０２の圧縮によって電極１０４，１０６内の相対する電荷が近づけられ、ポリマ１０２の伸張によって各電極内の同じ電荷が引き離される。一実施形態において、電極１０４，１０６の一方は接地されている。

一般に、トランスデューサ１００は、変形を生じる静電力が機械的な力によって相殺されるまで変形を続ける。機械的な力としては、ポリマ１０２材料の弾性復元力や、電極１０４，１０６の適合性や、トランスデューサ１００に結合されたデバイスおよび／または負荷によって提供される外部からの抵抗などが挙げられる。電圧印加の結果として生じるトランスデューサ１００の変形は、また、ポリマ１０２の誘電率やポリマ１０２のサイズなどの、他の幾つかの要因にも依存し得る。

本発明にしたがった電気活性ポリマは、あらゆる方向へ変形することが可能である。電極１０４，１０６間に電圧が印加されると、電気活性ポリマ１０２は、２次元方向１０８，１１０の両方向にサイズを増大させる。場合によっては、電気活性ポリマ１０２が非圧縮性である、例えば応力下における体積が実質的に一定であることもある。このような場合のポリマ１０２は、２次元方向１０８，１１０に膨張した結果として厚さを減少させる。ここで、本発明は非圧縮性のポリマに限定されないこと、そしてポリマ１０２の変形はこのような単純な関係にのみ適合するものではないことに、注意する必要がある。

図１Ａのトランスデューサ１００の電極１０４，１０６に比較的大きな電圧差が加えられると、トランスデューサ１００は、図１Ｂに示されるように面積の大きい薄い状態に変化する。こうして、トランスデューサ１００は、電気エネルギから機械エネルギへの変換を行う。トランスデューサ１００は、また、機械エネルギから電気エネルギへの変換も行う。

図１Ａおよび図１Ｂを使用して、トランスデューサ１００が機械エネルギから電気エネルギへの変換を行う方法の１つを示しても良い。例えば、トランスデューサ１００が外部からの力によって機械的に伸張され、図１Ｂに示されるように面積の大きい薄い形状に変化した後、電極１０４，１０６間に比較的小さな電圧差が加えられると、外部からの力を取り除かれたトランスデューサ１００は、電極間の領域において収縮し、図１Ａに示されるような形状へと変化する。トランスデューサの伸張とは、一般に、トランスデューサをもとの静止位置から変形させ、例えば方向１０８，１１０によって規定された電極間平面の正味面積が大きくなるような形状に変形させることを指す。静止位置とは、外部からの電気的または機械的な入力が何もない状態のトランスデューサ１００の位置を指し、ポリマ内の任意のプリストレインを含んで良い。トランスデューサ１００が伸張されたら、比較的小さい電圧差を加え、静電力の大きさが伸長による弾性復元力を相殺できないようにする。したがって、トランスデューサ１００は収縮し、方向１０８，１１０（電極間の厚さに直交する）によって定義された２次元面積が減少する形状へと変化する。ポリマ１０２が厚くなると、電極１０４，１０６およびそれらに対応する異なる電荷同士が引き離されるので、電荷の電気エネルギは増大する。さらに、電極１０４，１０６が収縮して面積が減少すると、各電極において同じ電荷同士が圧縮されるので、電荷の電気エネルギはやはり増大する。したがって、電極１０４，１０６にそれぞれ異なる電荷が存在し、図１Ｂに示される形状から図１Ａに示される形状に収縮されると、電荷の電気エネルギは増大する。すなわち、機械的な変形が電気エネルギに変換され、トランスデューサ１００はジェネレータとして作用する。

トランスデューサ１００が、電気的に可変なコンデンサとして説明される場合もある。キャパシタンスは、図１Ｂから図１Ａへの形状の変化にともなって減少する。一般に、電極１０４，１０６間の電圧差は収縮によって増大する。これは、収縮のプロセス中に、電極１０４，１０６に対して電荷の追加または除去が行われなかった場合の話しである。電気エネルギＵの増加は、式：Ｕ＝０．５Ｑ²／Ｃによって表される。ここで、Ｑは陽極上の正電荷の量であり、Ｃはポリマ１０２に固有な誘電特性とそのジオメトリ（形状寸法）とに関連する可変なキャパシタンスである。Ｑが固定された状態でＣが減少すると、電気エネルギＵは増大する。電気エネルギおよび電圧の増加は、電極１０４，１０６と電気通信を行う関係にある適切なデバイスまたは電子回路において、回復または使用され得る。また、ポリマを変形させて機械エネルギを提供する機械的な入力に、トランスデューサ１００を機械的に結合しても良い。

トランスデューサ１００は、収縮時において機械エネルギから電気エネルギへの変換を行う。方向１０８，１１０によって規定された平面においてトランスデューサ１００が完全に収縮された際に、あるいは収縮中に、電荷およびエネルギの一部または全てを除去することができる。収縮中に電場の圧力が増大し、弾性復元力と相殺し合うようになると、途中で収縮が停止されるので、弾性機械エネルギから電気エネルギへの変換も停止される。電荷および蓄積された電気エネルギを部分的に解放し、電場の圧力を減少させると、収縮を続けさせ、機械エネルギから電気エネルギへの変換をさらに行うことが可能になる。ジェネレータとして動作するトランスデューサ１００の電気的な振る舞いは、厳密には、ポリマ１０２および電極１０４，１０６に固有な特性はもちろん、あらゆる電気的および機械的な負荷にも依存する。

電気活性ポリマ１０２は、プリストレインされている。ポリマのプリストレインは、プリストレイン前後における１つまたはそれ以上の方向の寸法の変化として理解される。プリストレインは、ポリマ１０２の弾性的な変形を備えて良く、例えば、１つまたはそれ以上のエッジを固定した状態でポリマを伸張させることによって形成して良い。プリストレインは、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を改善させる。一実施形態では、プリストレインによってポリマの絶縁耐力が改善される。トランスデューサ１００に関しては、プリストレインによって、電気活性ポリマ１０２をより大きく変形させ、より大きな機械的作用を電気エネルギから機械エネルギへの変換時に提供することが可能になる。ジェネレータに関しては、プリストレインによって、より多くの電荷を電極１０４，１０６上に配置し、例えばトランスデューサ１００の変形サイクルにおいて、より大きな電気エネルギを生成することが可能になる。一実施形態において、プリストレインは弾性的である。弾性的にプリストレインされたポリマは、原則的に、作動後に緩んでもとの状態に戻ることができる。プリストレインは、剛性フレームを使用してポリマの境界に対して課しても良いし、ポリマの一部分に対して局所的に課しても良い。

一実施形態では、ポリマ１０２の一部分に対して均一にプリストレインを加え、等方性のプリストレインドポリマを形成する。例えば、アクリルのエラストマポリマを、両２次元方向に２００〜４００％伸張して良い。別の一実施形態では、ポリマ１０２の一部分に対して異なる複数の方向に不均一にプリストレインを加え、異方性のプリストレインドポリマを形成する。この場合のポリマ１０２は、作動時において、ある１方向にだけ別の１方向よりも大きく変形し得る。理論に縛られることは本望ではないが、ポリマを１方向にプリストレインすると、その方向におけるポリマの剛性が増すと考えられる。すると、ポリマは、より大きくプリストレインされた方向には剛性が強く、より小さくプリストレインされた方向には適合性が強くなるので、作動時における変形の大半は、より小さくプリストレインされた方向に生じる。一実施形態では、大きなプリストレインを垂直方向１１０に加えることによって、トランスデューサ１００の方向１０８への変形を強化している。例えば、トランスデューサ１００として使用されるアクリルのエラストマポリマを、方向１０８には１００％、そして垂直な方向１１０には５００％伸張して良い。アクチュエータに関連して以下で述べるように、トランスデューサ１００の構成および幾何学的なエッジ制約も、特定方向への変形に対して影響を及ぼし得る。

異方性のプリストレインは、また、機械エネルギから電気エネルギへの変換を行うジェネレータモードのトランスデューサの性能をも改善させる。大きなプリストレインは、ポリマの絶縁破壊強度を増大させ、より多くの電荷をポリマ上に配置することを可能にするだけでなく、小さくプリストレインされる方向への機械−電気結合をも改善し得る。つまり、小さくプリストレインされた方向への機械的な入力を、より大きな電気的な出力に変換し、ジェネレータの効率を向上させることができる。

あるポリマに対するプリストレインの量は、電気活性ポリマと、アクチュエータまたは用途において所望されるそのポリマの性能と、に基づく。本発明による幾つかのポリマに関して、１つまたはそれ以上の方向へのプリストレインは−１００％〜６００％の範囲でよい。例えば、異方性のプリストレインを有したＶＨＢアクリルエラストマに関しては、少なくとも約１００％、好ましくは約２００〜４００％のプリストレインを各方向に使用して良い。一実施形態において、ポリマは、もとの面積の約１．５倍〜５０倍の範囲にある係数によってプリストレインされる。適合性の強い方向への作動を強化する目的でプリストレインされた異方性のアクリルに関しては、強化された方向へは約４００〜５００％のプリストレインを、そして適合性の方向へは約２０〜２００％のプリストレインを使用して良い。場合によっては、ある１方向へのプリストレインによって別の１方向へのプリストレインが負になるようにプリストレインを加えても良い。例えば、ある１方向へは６００％のプリストレインを加え、直交する方向へは−１００％のプリストレインを加えても良い。このような場合、プリストレインによる正味面積の変化は一般に正である。

プリストレインは、ポリマ１０２の他の性質にも影響を及ぼし得る。大きくプリストレインさせると、ポリマの弾性が変化し、粘弾性のロスが小さく剛性が強い体制を得る可能性がある。また、ポリマのなかには、プリストレインによって電気破壊強度を増大させることによって、ポリマ内で使用される電場が増大し、作動圧力および変形を増大させることが可能になるものもある。

プリストレインドポリマの変形を表すために、線ひずみや面ひずみを使用しても良い。ここで、プリストレインドポリマの線ひずみとは、非作動状態と比べた場合の１単位長さ（変形の線に沿った）あたりの変形を指す。本発明によるプリストレインドポリマに関しては、線ひずみ（引張りまたは圧縮）の最大値は少なくとも約５０％であるのが一般的である。ポリマの変形は、もちろん上記の最大値より小さくても良く、そのひずみは、印加電圧を調整することによって調整して良い。プリストレインドポリマのなかには、線ひずみの最大値が一般に少なくとも約１００％であるものもある。米国ミネソタ州セントポール所在の３Ｍコーポレーションによって製造されたＶＨＢ ４９１０のようなポリマに関しては、線ひずみの最大値は一般に４０〜２１５％の範囲にある。電気活性ポリマの面ひずみとは、非動作状態から作動状態に移行する際の、単位面積あたりのポリマ平面の面積の変化を指す。この平面は、例えば、図１Ａおよび図１Ｂにおいて方向１０８，１１０によって規定された平面である。本発明によるプリストレインドポリマに関しては、面ひずみの最大値として少なくとも約１００％が可能である。プリストレインドポリマのなかには、面ひずみの最大値が一般に７０〜３３０％の範囲であるものもある。

一般に、プリストレインされたポリマは、１つまたはそれ以上の物体に固定して良い。各物体は、ポリマのプリストレインを望ましいレベルに維持できる適切な剛性を有して良い。ポリマは、化学的接着、接着層または材料、機械的な取り付け等などの、当該分野において既知の任意の方法にしたがって、１つまたはそれ以上の物体に固定して良い。

本発明によるトランスデューサおよびプリストレインドポリマは、どんな特定のジオメトリまたは線変形にも限定されない。例えば、ポリマおよび電極を、チューブ状やロール状、複数の剛性構造間に取り付けられた伸張されたポリマ、任意のジオメトリ（カーブ状または複雑なものを含む）を有したフレームまたは１つもしくはそれ以上のジョイントを有したフレームに取り付けられた伸張されたポリマなどを含む、任意のジオメトリまたは形状に形成してよい。本発明にしたがったトランスデューサの変形は、１つまたはそれ以上の方向への線膨張および圧縮、曲げ、ポリマを巻く際の軸方向変形、基板に設けられた穴に向かった変形などを含む。トランスデューサの変形は、ポリマに取り付けられたフレームまたは剛性構造が、ポリマにどのような制約を及ぼすかによって影響される。一実施形態では、ポリマより伸び率の小さい可撓性の材料をトランスデューサの一側面に取り付けることによって、作動時にポリマを曲げる。別の一実施形態では、平面からそれて変形するトランスデューサをダイヤフラムと称する。図１Ｅおよび図１Ｆを参照しながら、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのダイヤフラムデバイスを詳細に説明する。

本発明の一実施形態にしたがった電気活性ポリマは、テクスチャ加工された表面を有してよい。図１Ｃは、波状の外形を有した電気活性ポリマ１５２に関し、テクスチャ加工された表面１５０を示した図である。テクスチャ加工された表面１５０は、表面の波１５４の曲げを使用してポリマ１５２を変形させることを可能にする。表面の波１５４の曲げによって、ポリマ１５２上に方向１５５に取り付けられた剛性の電極に対し、バルク伸張させるよりも小さい抵抗で方向１５５への方向的な適合性を提供することができる。テクスチャ加工された表面１５０は、例えば幅が約０．１マイクロメートル〜４０マイクロメートルで深さが約０．１マイクロメートル〜２０マイクロメートルである谷および山によって特徴付けられてよい。この場合の波の幅および深さは、ポリマの厚さよりも実質的に小さい。特定の一実施形態では、厚さ２００マイクロメートルのポリマ層に対して山および谷の幅は１０マイクロメートルで深さは６マイクロメートルである。

一実施形態では、電極などの薄膜状の剛性材料１５６をポリマ１５２に取り付けることによって、波状の外形が提供される。製造の際には、作動時に伸張できるよりもさらに大きく電気活性ポリマを伸張させ、その状態のポリマ１５２表面に薄膜状の剛性材料１５６を取り付ける。続いて、ポリマ１５２を弛緩させ、その構造を留めることによって、テクスチャ加工された表面を得る。

一般に、テクスチャ加工された表面は、ポリマ表面の変形によってポリマの変形を可能にする均一でないまたは平滑でない任意の表面トポグラフィを備えてよい。例えば、図１Ｄは、ランダムなテクスチャを有した粗面１６１を含む電気活性ポリマ１６０を示した図である。粗面１６１は、方向的に適合性でない２次元的な変形を可能にする。したがって、表面トポグラフィの変形は、バルク伸張またはバルク圧縮よりも小さい抵抗で剛性の電極を変形させることを可能にする。ここで、テクスチャ加工された表面を有するプリストレインドポリマの変形が、ポリマの表面変形およびバルク伸張の組み合わせを備えてよいことに、注意する必要がある。

また、ポリマのテクスチャ加工された表面または不均一な表面は、テクスチャ加工された表面の変形に依存する障壁層および／または電極の使用をも可能にする。電極は、ポリマ表面のジオメトリにしたがって曲がる金属を含んで良い。障壁層は、プリストレインドポリマ材料内で局所的な電気破壊が生じた際に、電荷をブロックするために使用してよい。

本発明においてプリストレインドポリマとして使用するのに適した材料は、静電力に応じて変形するか、またはその変形によって電場が変化するような、実質的に絶縁である任意のポリマまたはゴム（またはこれらの組み合わせ）を含んで良い。このような適切な材料の１つとして、米国カリフォルニア州カーペンテリア所在のＮｕＳｉｌテクノロジーによるＮｕＳｉｌ ＣＦ１９−２１８６が挙げられる。さらに、一般的には、プリストレインドポリマとしての使用に適した代表的な材料として、シリコンエラストマ、アクリルエラストマ、ポリウレタン、熱可塑性エラストマ、ＰＶＤＦを備えるコポリマ、圧感接着剤、フルオロエラストマ、シリコン成分およびアクリル成分を備えるポリマ等などが挙げられる。シリコン成分およびアクリル成分を含んだポリマとしては、例えば、シリコン成分およびアクリル成分を含んだコポリマ、シリコンエラストマおよびアクリルエラストマを含んだポリマブレンドが挙げられる。これらの材料の幾つかを組み合わせたものを、本発明によるトランスデューサ内のポリマとして使用して良いことは明らかである。

適切なシリコンエラストマの一例として、米国ディラウェア州ウィルミントン所在のダウコーニング社によるダウコーニングＨＳ３が挙げられる。適切なフルオロシリコンの一例として、米国ディラウェア州ウィルミントン所在のダウコーニング社によるダウコーニング７３０が挙げられる。適切な熱可塑性エラストマの一例として、スチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ）ブロックコポリマが挙げられる。

米国ミネソタ州セントポール所在の３Ｍコーポレーションによる４９００ ＶＨＢアクリルシリーズのなかにも、本発明によるトランスデューサポリマとして使用するのに適した性質を有するものがある。このため、幾つかの実施形態では、単独重合することによってガラス転移温度が摂氏約０度以下のポリマを形成できる任意の不飽和のモノエチレン系モノマ（またはモノマの組み合わせ）をもとにして、本発明での使用に適したポリマを形成しても良い。好ましい不飽和モノエチレン系モノマとしては、イソオクチルアクリラート、２−エチルヘキシルアクリラート、デシルアクリラート、ドデシルアクリラート、ヘキシルアクリラート、イソノニルアクリラート、イソオクチルメタクリラート、２−エチルヘキシルメタクリラートなどが挙げられる。また、これらのモノマは、フッ素などのハロゲンを１つまたはそれ以上含んでよい。

適切なコポリマの一例として、シリコンエラストマ成分とアクリルエラストマ成分を両方含んだものが挙げられる。本発明での使用に適した材料は、上記した材料のうち１つまたはそれ以上の材料の組み合わせを含んで良い場合もある。例えば、適切なポリマの１つは、シリコンエラストマおよびアクリルエラストマを含んだブレンドである。

本発明にしたがって使用される材料は、市販のポリマである場合が多い。このような市販のポリマとしては、例えば、任意の市販のシリコンエラストマ、ポリウレタン、ＰＶＤＦコポリマ、そして接着性のエラストマが挙げられる。市販の材料を使用することによって、本発明によるトランスデューサおよび関連のデバイスに対してコスト有効度の高い代替物を提供することができる。市販の材料の使用は、また、製造の簡略化を図ることも可能である。特定の一実施形態では、市販のポリマとして、製造時に光硬化された脂肪族アクリラートの混合物を含んだ市販のアクリルエラストマを使用してよい。アクリルエラストマの弾性は、枝分れした脂肪族を組み合わせ、アクリルポリマ鎖間を架橋することによって得られる。

プリストレインドポリマとして使用される材料は、電気破壊強度が大きいか、（大きい変形または小さい変形に対する）弾性率が小さいか、誘電率が大きいか等などの１つまたはそれ以上の材料特性に基づいて選択して良い。一実施形態において、ポリマは、その弾性率が最大でも約１００ＭＰａであるように選択される。別の一実施形態において、ポリマは、その最大作動圧力が約０．０５ＭＰａ〜約１０ＭＰａになるように、好ましくは約０．３ＭＰａ〜約３ＭＰａになるように選択される。別の一実施形態において、ポリマは、その誘電率が約２〜約２０になるように、好ましくは約２．５〜約１２になるように選択される。用途によっては、温度および／または湿度の範囲が広い、繰り返しが可能である、正確である、低クリープである、信頼度や耐性の程度など、１つまたはそれ以上の要望にもとづいて電気活性ポリマが選択される場合もある。フッ化ポリマまたは塩化ポリマなどのハロゲン化ポリマは、誘電率が塩基ポリマのそれよりも大きい場合が多い。一例として、部分的にフッ素化されたウレタンモノマから高誘電率のポリウレタンを形成しても良い。

また、本発明による電気活性ポリマは、各種特性を改善する目的で１つまたはそれ以上の添加物を含んでも良い。適切な材料の例としては、可塑剤、抗酸化剤、そして高誘電率の微粒子などが挙げられる。適切な可塑剤の例として、高分子量の炭化水素オイル、高分子量の炭化水素グリース、Ｐｅｎｔａｌｙｎｅ Ｈ、Ｐｉｃｃｏｖａｒ（登録商標）ＡＰ炭化水素樹脂、Ａｄｍｅｘ ７６０、Ｐｌａｓｔｏｌｅｉｎ ９７２０、シリコンオイル、シリコングリース、Ｆｌｏｒａｌ１０５、シリコンエラストマ、非イオン性表面活性剤等などが挙げられる。もちろん、これらの材料を組み合わせたものを使用しても良い。一実施形態において、抗酸化剤は、不揮発性の固体の抗酸化剤である。

好ましい一実施形態では、添加物によって、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うポリマの能力が改善される。一般に、添加物は、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行う能力に関連したあらゆるポリマ特性またはパラメータを改善しえる。機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うポリマの能力に関連したポリマ材料の特性およびパラメータは、例えば、絶縁破壊強度、ひずみの最大値、誘電率、弾性率、粘弾性に関連した特性、クリープに関連した特性、応答時間、そして作動電圧などを含む。可塑剤の添加は、例えば、ポリマの弾性率を下げることによって、そして／またはポリマの絶縁破壊強度を上げることによって、本発明によるトランスデューサの機能を改善し得る。

一実施形態では、ポリマの絶縁破壊強度を改善する目的で、ポリマに添加物を含ませる。絶縁破壊強度を改善することによって、電気的に作動されたポリマのひずみを、より活用することが可能になる。例えば、可塑剤をポリマに添加し、ポリマの絶縁破壊強度を高めても良い。あるいは、スチレンブタジエンスチレンブロックコポリマに合成樹脂を添加し、コポリマの絶縁破壊強度を改善しても良い。例えば、米国テキサス州ヒューストン所在のシェルケミカル社によるＫｒａｔｏｎ Ｄ２１０４の絶縁破壊強度を改善するために、米国ディラウェア州ウィルミントン所在のハーキュール社によるペンタリンＨがＫｒａｔｏｎ Ｄ２１０に添加された。以下では、１つまたはそれ以上の添加物の添加を備えるポリマの製造に関し、さらに詳しく説明する。この場合、添加されるペンタリンＨの割合は、重量にして約０〜２：１で良い。別の実施形態では、ポリマの誘電率を高める目的で添加物を含ませる。例えば、ファインセラミックス粉末などの高誘電率の粒子を添加し、市販ポリマの誘電率を高めても良い。あるいは、ポリウレタンなどのポリマを部分的にフッ素化して誘電率を高めても良い。

あるいは、ポリマの弾性率を下げる目的で、ポリマに添加物を含ませても良い。弾性率を下げると、ポリマを大きくひずませることが可能になる。特定の一実施形態では、Ｋｒａｔｏｎ Ｄの弾性率を下げるために、その溶液にミネラルオイルを添加した。この場合、添加されるミネラルオイルの割合は、重量にして約０〜２：１で良い。本発明によるアクリルポリマの弾性率を下げる目的で含められる材料としては、任意のアクリル酸、アクリル接着剤、イソオクチル基や２−エチルヘキシル基などの可撓性の側基を含んだアクリル酸、そしてアクリル酸とイソオクチルアクリラートとの任意のコポリマなどが挙げられる。

１つまたはそれ以上の材料特性を改善する目的で、複数の添加物をポリマに含ませても良い。一実施形態では、Ｋｒａｔｏｎ Ｄ２１０４の絶縁破壊強度を高めて且つ弾性率を下げるために、その溶液にミネラルオイルおよびペンタリンＨの両方を添加した。あるいは、誘電率を高めるために使用された炭素粉末によって剛性を増した市販のシリコンゴムに対しては、炭素または銀で満たされたシリコングリースを添加することによって、その剛性を下げても良い。

トランスデューサに新しい特性を付与する目的で、ポリマに添加物を含ませても良い。新しい特性は、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うポリマの機能に必ずしも関連付けられている必要はない。例えば、Ｋｒａｔｏｎ Ｄ２１０４にペンタリンＨを添加し、Ｋｒａｔｏｎ Ｄ２１０４に接着性を付与しても良い。この添加物は、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換にも役立つ。特定の一実施形態では、Ｋｒａｔｏｎ Ｄ２１０４、ペンタリンＨ、ミネラルオイルを備え且つ酢酸ブチルを使用して製造されたポリマに、接着性ポリマを提供し、約７０〜２００％の最大線ひずみを加えた。

本発明によるプリストレインドポリマに適した作動電圧は、ポリマの寸法（例えば電極間の厚さ）はもちろん、その電気活性ポリマの材料および特性（例えば誘電率）にも依存して変化し得る。例えば、図１Ａのポリマ１０２の作動電場の大きさは、約０Ｖ／ｍ〜約４４０ＭＶ／ｍの範囲で変化し得る。作動電圧がこの範囲にあると、約０Ｐａ〜約１０ＭＰａの圧力が生じ得る。より大きな力を発揮できるトランスデューサを実現するためには、ポリマの厚さを増加させれば良い。あるいは、複数のポリマ層を使用しても良い。特定のポリマの作動電圧を下げるためには、例えば、誘電率を高めたり、ポリマの厚さを薄くしたり、弾性率を下げたりすれば良い。

本発明によるプリストレインドポリマの厚さは、広い範囲に渡ることが可能である。一実施形態において、ポリマの厚さは約１マイクロメートル〜２ミリメートルの範囲で良い。プリストレインする前の代表的な厚さは、ＨＳ３の場合は５０〜２２５マイクロメートル、ＮｕＳｉｌ ＣＦ １９−２１９６の場合は２５〜７５マイクロメートル、ＳＢＳの場合は５０〜１０００マイクロメートル、３Ｍ ＶＨＢ ４９００シリーズの任意のアクリルポリマである場合は１００〜１０００ミクロンである。ポリマの厚さは、片方または両方の２次元方向に膜を伸張させることによって薄くすることが可能である。本発明によるプリストレインドポリマは、薄膜として製造および実現して良い場合が多い。このような薄膜の厚さとしては、５０マイクロメートル未満が適切である。

機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うための本発明によるトランスデューサは、また、多層ラミネートをも含む。一実施形態において、多層ラミネートとは、１つの電気活性ポリマおよびそれに対応する電極に加えて１つまたはそれ以上の層をも含んだ構造を指す。一実施形態において、多層ラミネートとは、電気活性ポリマと、それに対応する電極と、を含んだトランスデューサを有し、トランスデューサの一部分に機械的に結合された１つの層が、電極およびポリマの少なくとも一方に積層されているような構造を指す。多層ラミネートは、外側または内側のいずれかで称される。外側の多層ラミネートである場合は、１つまたはそれ以上の層が存在するのは電極間ではない。内側の多層ラミネートである場合は、１つまたはそれ以上の層が存在するのは電極間である。外側であっても内側であっても、層は、例えば接着層やのり層を使用して接着して良い。

内側の多層ラミネートは、多様な目的に使用することが可能である。また、１つの層を内側の多層ラミネートに含ませることによって、例えば剛性、電気抵抗、引裂き抵抗等などの、トランスデューサの任意の機械的または電気的特性を改善しても良い。内側の多層ラミネートは、絶縁破壊強度が大きい層を１つ含んで良い。内側の多層ラミネートは、ラミネートトランスデューサの破壊強度を高める目的で、適合性の材料からなり且つ導体層または半導体層（例えば金属層またはポリマ層）によって分離された複数の層を含んでも良い。適合性の材料とは、全く若しくは実質的に同じ材料からなる材料か、または全く若しくは実質的に同じ特性（例えば機械的および／または電気的に）を有した材料からなる材料を指す。適合性材料からなり且つポリマに対して設けられた内側のラミネートは、ポリマ内で製造欠陥を生じにくくし且つトランスデューサの均一性を高める目的で使用して良い。例えば、厚さが１００マイクロメートルで１枚の層からなるポリマでは、１００マイクロメートルの厚さ全体に影響を及ぼすような欠陥が生じ得る。この場合は、それぞれの厚さが１０マイクロメートルであるような１０枚の層からなるラミネートを使用し、あらゆる製造欠陥を１０マイクロメートルのポリマ内に局在させて良い。こうして、１００マイクロメートルに匹敵する厚さを有し、且つ１枚の層からなるポリマと比べて均一性および故障の許容性に優れたラミネート構造を得ることができる。適合性の材料からなり且つポリマに対して設けられた内側のラミネートは、また、暴走によるあらゆる引込み現象を阻止するために使用しても良い。暴走による引込み現象とは、電極が近づくにつれて、電極間の静電力がポリマの弾性抵抗力よりも速く増大する現象を指す。このような場合、トランスデューサは電気機械的に不安定になるので、局所的に急速に薄くなって電気破壊を生じる恐れがある。また、複合体内の別の層から保護する（電気的または機械的に）目的で、内側に１枚の層を使用しても良い。一実施形態では、電極とポリマとの間に電気的な障壁層を結合することによって、ポリマ内で生じるあらゆる局所的な破壊の影響を最小限に抑えている。破壊は、ポリマが印加電圧に耐えられなくなった場所として定義して良い。障壁層は、一般にポリマより薄くて且つポリマより高誘電率であるので、電圧降下は、主にポリマ内において生じる。多くの場合において、障壁層の絶縁破壊強度は大きいことが好ましい。

外側の多層ラミネートは、多様な目的に使用することが可能である。一実施形態において、外側の多層複合体は、剛性やクリープを制御するため、変形時において負荷をより均一に分散させるため、引裂き抵抗を高めるため、または暴走による引込み現象を阻止するための層を１枚含む。電極を含み適合性のポリマからなる外側のラミネートは、各ポリマ層に負荷を分散させる目的で、または変形時におけるポリマの均一性を高める目的で使用して良い。また、ポリマよりも剛性が大きい外側のラミネートに、例えば、ポリマよりも剛性が大きい材料、または適合性の材料に対するプリストレインの値がポリマとは異なる材料などを含ませることによって、ダイヤフラム、ポンプ、または曲がり梁をバイアスしても良い。ジェネレータモードにある伸張されたトランスデューサは、電場の応力が弾性復元力より小さい限り、収縮して電気エネルギを生成することが可能である。この場合は、補強用の層を追加することによって、より大きい場の応力に対してもトランスデューサが収縮できるようにして、１ストロークごとのエネルギ出力を高めても良い。また、複合体内の別の層から保護する（電気的または機械的に）目的で、外側の層を１枚使用しても良い。別の特定の一実施形態において、外側の複合体は、小型のポンプまたはダイヤフラムをバイアスする目的で１枚のフォーム層を含む。フォーム層は、フォームへの流体の出入りを可能にする通気孔フォームを備えて良い。また、余分な機械エネルギ損失を生じることなく静電遮蔽するために、剛性が小さい外側の層を１枚使用しても良い。

一実施形態では、ポリマを巻いてまたは折って複合体を形成することによって、高密度にパッケージングされたトランスデューサを作成する。折られた層を含んだラミネートにおいて、折り畳みのひだの附近に有害な電場が生じるのを回避するためには、ポリマ上に、相対する電極が折り畳みのひだ附近で重なることのないように電極を配置して良い。また、外側に露出された１つまたはそれ以上の電極が同じ極性を有するように、ポリマおよび電極を巻いたり折ったりしても良い。製造は、反対の極性を有した電極がポリマによって分離されるように実施して良い。例えば、ポリマからなる２枚の層を電極とともに巻くことによってロール状のアクチュエータを作成しても良いし、あるいは１枚の層を先ず折って次いで巻いても良い。また、トランスデューサの安全性を高める目的で、外側に露出された電極を接地しても良い。また、安全性をさらに高める目的で、外側のラミネートに外皮層を追加しても良い。

３．アクチュエータデバイスおよびジェネレータデバイス
プリストレインドポリマの変形を様々な形で使用することによって、機械エネルギを生成または受けることができる。一般に、本発明による電気活性ポリマは、プリストレインドポリマによって改良された従来のアクチュエータおよびジェネレータや、１つまたはそれ以上のプリストレインドポリマのために特別に設計されたカスタムアクチュエータおよびカスタムジェネレータを含む、様々な形のアクチュエータおよびジェネレータにおいて使用して良い。従来のアクチュエータおよびジェネレータは、エクステンダ、曲がり梁、スタック、ダイヤフラム等などを含む。以下では、本発明にしたがった、幾つかの代表的なカスタムアクチュエータおよびジェネレータに関して説明する。

図１Ｅは、プリストレインドポリマ１３１を含んだダイヤフラムデバイス１３０の、電気的に作動される前における状態を、本発明の一実施形態にしたがって示した横断面図である。プリストレインドポリマ１３１は、フレーム１３２に取り付けられている。フレーム１３２は、非円形のアパチャ１３３を含み、これによって、この非円形のアパチャ１３３の領域に垂直な方向にポリマ１３１を変形させることが可能になる。この非円形のアパチャ１３３は、長方形のスロットや、カスタムな幾何学形状を有したアパチャなどでも良い。ダイヤフラムデバイスの場合は、円形の穴よりも、細長い非円形のスロットを使用する方が好都合なことがある。例えば、細長いスロットを使用する方が、穴を使用する場合と比べて厚さひずみが均一になる。ポリマの電気的破壊は、最も薄い地点によって決定されるので、ひずみが均一でないと、全体の性能に限界を生じる。ダイヤフラムデバイス１３０は、ポリマ１３１の両側に電極１３４，１３６を含むことによって、ポリマ１３１の一部分に電圧差を提供する。

電圧が印加されていない図１Ｅの状態では、プリストレインを行うために、ポリマ１３１を伸張させてフレーム１３２に固定している。適切な電圧が電極１３４，１３６に印加されると、ポリマの膜１３１は、図１Ｆに示すように、フレーム１３２の平面を離れて膨張する。電極１３４，１３６は適合性があるので、プリストレインドポリマ１３１の変形にともなって形状を変化させる。

ダイヤフラムデバイス１３０は、平面を挟んで上下両方の方向に膨張することができる。一実施形態では、ポリマ１３１の下面側１４１に、ポリマ膜１３１の膨張に作用するバイアス圧力を含ませることによって、ポリマ膜１３１を、矢印１４３（図１Ｆ）の方向に向かって上向きに作動させる。別の一実施形態では、少量のシリコンオイルなどの膨張剤を下面側１４１に加えることによって、ポリマ１３１を矢印１４３の方向に向かって膨張させる。例えば、製造時に膨張剤を加えるにあたって、わずかな圧力を下面側１４１に加えると、ポリマを、１方向に向かって永久的にわずかに変形させることができる。膨張剤によって、ダイヤフラムを、バイアス圧力を使用することなく望ましい方向に作動させ続けることが可能になる。

ダイヤフラムデバイス１３０が膨張する量は、ポリマ１３１の材料、印加される電圧の大きさ、プリストレインの大きさ、バイアス圧力の大きさ、電極１３４，１３６の適合性等などを含む多くの要因に基づいて変化し得る。一実施形態において、ポリマ１３１は、穴の直径１３９の約５０％以上に相当する高さ１３７まで変形して、大きく変形した半球状の形を形成することができる。この場合、ポリマ１３１とフレーム１３２との間に形成される角度１４７は９０度未満である。

また、ダイヤフラムデバイス１３０をジェネレータとして使用しても良い。この場合は、流体圧力などの圧力が、ダイヤフラムの下面１４１への機械的入力として作用し、図１Ｆに示すように、アパチャ１３３附近のトランスデューサ（ポリマ１３４および電極１３４，１３６）を伸張させる。トランスデューサの伸張時に電極１３４，１３６に電圧差を加え、次いで圧力を解放することによって、ダイヤフラムを収縮させ、トランスデューサに蓄積された電気エネルギを増大させることができる。

電気活性ポリマを１方向に膨張させると、ポアソン効果などによって、第２の方向への収縮応力が生じる。すると、第２の方向の機械的出力を提供するトランスデューサへの機械的出力が減少する。したがって、本発明によるアクチュエータを、ポリマが非出力方向に制約されるように設計して良い。また、アクチュエータを、非出力方向への変形によって機械的出力が改善されるように設計して良い場合もある。

ある２次元方向への変形を使用してもう一方の２次元方向へのエネルギ変換を改善させるデバイスの１つとして、バウデバイスが挙げられる。図２Ａおよび図２Ｂは、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのバウデバイス２００の、電気的に作動される前および後における状態を、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。バウデバイス２００は、可撓性のフレーム２０２を備えた２次元機構であり、フレーム２０２は、このフレーム２０２に取り付けられたポリマ２０６を機械的に補助することによって、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を改善させるものである。フレーム２０２は、ジョイント２０５において接続された６つの剛性部材２０４を含む。部材２０４およびジョイント２０５は、ある２次元方向２０８へのポリマの変形を、その方向に垂直な２次元方向２１０への機械的出力に結合させることによって、機械的な補助を提供する。さらに詳しく言うと、フレーム２０２は、方向２０８へのポリマ２０６の少量の変形が、方向２０８に垂直な２次元方向２１０への変位を改善させるように構成される。ポリマ２０６の相対する面（上面および下面）には、ポリマ２０６の一部分に電圧差を提供するための電極２０７（ポリマ２０６の下面に取り付けられたボトム電極は未図示）が取り付けられている。

ポリマ２０６は、互いに垂直な２方向へのプリストレインの程度が異なるように構成される。より詳しく言うと、電気活性ポリマ２０６は、２次元方向２０８へのひずみが大きく、方向２０８に垂直な２次元方向２１０へのひずみが小さいまたは全く無いように構成される。このような異方性のプリストレインは、フレーム２０２のジオメトリに相対するように施されている。より詳しく言うと、電極２０７によって作動されたポリマは、プリストレインが大きい方向２０８に収縮する。フレーム２０２と、部材２０４によって提供されるレバーアームとによって、ポリマ２０６の動きに制約が加えられるので、この収縮は、ポリマを垂直な２次元方向２１０へと変形させるように作用する。したがって、たとえプリストレインの大きい方向２０８へのポリマ２０６の変形がわずかであっても、フレーム２０２を方向２１０に向かって外側に曲げることができる。このようにして、プリストレインの大きい方向２１０へのわずかな収縮が、プリストレインの小さい方向２０８ヘの大きい膨張につながる。

バウデバイス２００は、異方性のプリストレインおよびフレーム２０２による制約を使用して、１方向への収縮を可能にすることによって、機械的な変形を強化し、もう１方向への電気−機械変換を促進させることができる。つまり、バウデバイス２００に取り付けられた負荷２１１（図２Ｂ）は、２方向すなわち方向２０８，２１０ヘのポリマ２０６の変形に結合される。このように、ポリマ２０６に加えるプリストレインを異方性にし、フレーム２０２に対して上記ジオメトリを採用することによって、バウデバイス２００は、電気活性ポリマを単独で使用する場合と比べて、同じ電気的入力に対し、より大きい機械的変位を生じさせ、より大きい機械的エネルギを出力することができる。

バウデバイス２００は、ポリマ２０６に基づいて構成して良い。例えば、フレーム２０２のジオメトリおよびポリマ２０６の寸法を、ポリマ２０６の材料に基づいて適合させて良い。ポリマ２０６としてＨＳ３シリコンを使用した特定の一実施形態において、ポリマ２０６は、方向２０８および方向２１０にそれぞれ約２７０％および約−２５％だけプリストレインされ、方向２０８および方向２１０に関して９：２の長さの比を有することが好ましい。このような構成では、少なくとも約１００％の線ひずみを方向２１０に加えることが可能である。

ポリマ２０６のプリストレインと、フレーム２０２によって提供される制約とによって、バウデバイス２００は、プリストレインドポリマ２０６を、より小さい作動電圧で所定の大きさだけ変形させることができる。バウデバイス２００は、プリストレインが小さい方向２１０へは小さい有効弾性率を有することから、フレーム２０２によって提供される機械的な制約によって、バウデバイス２００を、より小さい電圧でより大きく方向２１０に変形するように作動させることができる。また、方向２０８に大きくプリストレインさせることによって、ポリマ２０６の破壊強度が増すことから、バウデバイス２００に対し、大きい電圧および大きい変形を加えることが可能になる。

図１Ａに関して上述したように、静電力の結果として膨張をはじめたポリマは、膨張を促進する静電圧力が機械的な力によって相殺されるまで膨張を続ける。負荷２１１をバウデバイス２００に取り付けた場合は、負荷２１１によって提供される機械的な効果が、ポリマ２０６の力の均衡および変形に影響を及ぼす。例えば、負荷２１１がバウデバイス２００の膨張に抵抗する場合は、負荷がない場合よりもポリマ２０６の膨張が少なくなる。

一実施形態において、バウデバイス２００は、機械的補助を提供して機械的出力を高める目的で追加のコンポーネントを含んで良い。例えば、図２Ｃに示されるようなバネ２２０をバウデバイス２００に取り付けて、方向２１０への変形を促進して良い。これらのバネは、バウデバイス２００に対して負荷を与えることによって、バネによるバネ力が外側の負荷による抵抗に抗するようにする。バネ２２０によって、バウデバイス２００の変形がいっそう促進される場合もある。一実施形態では、外側にバネ２２０を設ける代わりにジョイント２０５内にバネ要素を組み込むことによって、バウデバイス２００の変形を促進しても良い。また、変形を促進するためにプリストレインを増大させても良い。また、負荷を、フレーム２０２の側面をなす剛性部材に結合する（図２Ｂに示される）のではなく、フレーム２０２の上部および下部をなす剛性部材２０４に結合しても良い。図２Ｂに示すように圧力が印加されると、上部および下部の剛性部材２０４が互いに近づく方向に収縮されるので、電圧の印加時において、バウアクチュエータ２００は、膨張するのではなく典型的な２次元収縮を呈する。

ジェネレータとして使用される場合、バウデバイス２００は、機械エネルギから電気エネルギへの変換を改善させる。ここで、本発明によるジェネレータ（図１Ａおよび図１Ｂに示される）が、収縮時には機械エネルギから電気エネルギへの変換を行うことを思い出して欲しい。また、収縮中に電場の圧力が増大し、弾性復元力と相殺し合う大きさに到達すると、収縮が停止して、効率が下げる恐れがあることも思い出して欲しい。ポリマの単位体積あたりの弾性エネルギは、一般に、例えば境界に加えられる応力などの、弾性復元応力または圧力に比例する。所定の復元応力または圧力に対して弾性エネルギを最大化する方法の１つは、低弾性率のポリマを使用することである。しかしながら、低弾性率のポリマを使用すると、一般に、破壊強度が低下して低弾性率のポリマを使用する利点が打ち消されてしまう。バウデバイス２００は、低弾性率の材料を使用せずに所定の正味復元応力または圧力に対して弾性エネルギを最大化する方法の１つである。これは、方向２０８，２１０への異方性のプリストレインとともにフレーム２０２を使用し、所定のひずみに対する正味の復元圧力または応力を、ポリマ２０６上に何の境界条件もない場合よりも小さくすることによって達成される。方向２０８に加えられた大きいプリストレインは、フレーム２０２を通して弾性エネルギを供給し、方向２１０への膨張を補助する。ポリマは、方向２１０への膨張に関して低弾性率であるかのようにふるまうので、境界に加えられる所定の力または応力の入力に対して大量の弾性エネルギを蓄積することができる。方向２０８への収縮は小さく、このような小さい収縮による面積の変化もまた小さいので、方向２０８での変化によって生じる電気的な作用は、方向２１０での大きなひずみの変化によって生じる電気的作用（例えばキャパシタンスの変化など）よりも、小さく抑えられる。したがって、ポリマ２０６は、あたかも実質的に１方向にのみ伸張される非常に低弾性率の材料であるかのようにふるまうので、バウデバイス２００は、同じポリマ２０６を使用する他のデバイスよりも多くのエネルギを、ストロークごとに高い効率で単位体積のポリマあたりで変換することが可能になる。

ポリマの形状および制約は、変形に影響を及ぼし得る。電気活性ポリマのアスペクト比は、その長さと幅との比として定義される。アスペクト比が大きく（例えばアスペクト比が約４：１以上である）、ポリマがその長さに沿って剛性部材による制約を受ける場合、変形は、幅の方向のみの実質的に１次元となる。

図２Ｄおよび図２Ｅは、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うための直線運動デバイスの作動前および作動後における状態を、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。直線運動デバイス２３０は、１方向への機械的変換を有した２次元機構である。直線運動デバイス２３０は、幅２３４よりも実質的に大きい長さ２３３を有した（例えば、アスペクト比が約４：１以上）ポリマ２３１を備える。ポリマ２３１は、その長さ２３３に沿って、フレームの剛性部材２３２の相対する２面に取り付けられている。剛性部材２３２の剛性は、ポリマ２３１の剛性より大きい。剛性部材２３２によって提供される幾何学的なエッジ制約が、長さ２３３に沿った方向２３６へのポリマの変位を実質的に阻止するので、変形は、ほとんど方向２３５にのみ促進される。直線運動デバイス２３０が、異方性のプリストレインを有したポリマ２３１によって実現される場合、例えば、方向２３６へのプリストレインの方が方向２３５へのプリストレインよりも大きい場合などは、ポリマ２３１の方向２３６への剛性は方向２３５へのそれよりも大きく、結果として方向２３５への変形の方が大きくなる。例えば、このような構成は、異方性のプリストレインを有したアクリルに対して少なくとも約２００％の線ひずみを生じ得る。

電気活性ポリマまたはアクチュエータの集合体を機械的に結合することによって、例えば力および／または変位などに関して共通の出力を有した、より大きいアクチュエータを形成しても良い。１集合体内の基本単位として小さな電気活性ポリマを使用することによって、電気エネルギから機械エネルギへの変換を用途に応じて大小させて良い。例えば、複数の直線運動デバイス２３０を方向２３５に直列に組み合わせ、一列にならんだ全直線運動デバイスの累積変形を有したアクチュエータを形成しても良い。電気エネルギを機械エネルギに変換する場合は、１集合体内において個々にまたは機械的に繋がれた電気活性ポリマを「人工筋肉」と称しても良い。ここでは、人工筋肉は、力の出力および／または変位を１つ有した１つまたはそれ以上のトランスデューサおよび／またはアクチュエータとして定義される。人工筋肉は、ミクロまたはマクロなレベルで実現して良く、ここで説明された任意の１つまたはそれ以上のアクチュエータを備えて良い。

図２Ｆは、人工筋肉の一例としての、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うための多層デバイス２４０を、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した横断面図である。多層デバイス２４０は、並列に配置された４つのプリストレインドポリマ２４１を含み、これらのプリストレインドポリマ２４１は、同じ変形を有するようにそれぞれ剛性フレーム２４２に取り付けられている。電極２４３，２４４は、各ポリマ２４１の相対する２面に設けられ、４つのプリストレインドポリマを同時に静電作動させる。多層デバイス２４０は、個々のポリマ層２４１の力を累積させたものを出力として提供する。

ジェネレータモードで動作するトランスデューサの場合は、個々のポリマ層を並列および直列のいずれの形で組み合わせても同様な効果が得られる。一般に、層を並列に繋げると、デバイスの最大ストロークを変化させなくても層の剛性およびデバイスの最大入力が増大し、層を直列に繋げると、最大入力を増大させなくても最大ストロークが増大する。このため、層を直列および並列に組み合わせることによって、ジェネレータを、入力される特定の機械的負荷に適合するように設計することができる。

別の一実施形態では、１つのポリマの代わりに複数の電気活性ポリマ層を使用して、アクチュエータから出力される力または圧力を増大させて良い。例えば、１０個の電気活性ポリマを積層させることによって、図１Ｅのダイヤフラムデバイスの圧力の出力を増大させても良い。図２Ｇは、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うための、このような積層された多層ダイヤフラムデバイス２４５を、人工筋肉の別の一例として、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。積層された多層デバイス２４５は、互いに積層された３枚のポリマ層２４６を含み、これらのポリマ層は、接着層２４７によって取り付けられて良い。接着層２４７の中には、ポリマ層２４６を作動させる電極２４８，２４９が設けられている。最も外側のポリマ層には剛性の強いプレート２５０が取り付けられており、このプレートは、積層された多層ダイヤフラムデバイス２４５が変形するのを可能にする複数の穴２５１を含むようにパターン形成されている。積層された多層デバイス２４５は、ポリマ層２４６を組み合わせることによって、個々のポリマ層２４６の力を累積させた出力を提供することができる。

本発明による電気活性ポリマは、図２Ｄおよび図２Ｅの直線運動デバイス２３０だけでなく、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行う様々なデバイスに含ませることが可能である。図２Ｈは、電気活性ポリマのダイヤフラム２５６を備え、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うための線形アクチュエータ２５５を、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。この場合は、フレーム２６１に設けられた非円形のアパチャ２５８内で変形するダイヤフラム２５６の中央部分に、出力シャフト２５７が取り付けられている。静電エネルギの作動時および除去時において、出力シャフト２５７は、矢印２５９で示されるように変位する。線形アクチュエータ２５５は、また、出力シャフト２５７の位置付けを容易にする適合性のバネ要素２６０を含んでも良い。

一実施形態において、非円形のアパチャ２５８は細長いスロットである。前述したように、細長いスロットは、一般に円形の穴よりも均一なひずみを有する。また、ポリマダイヤフラム２５６のプリストレインは、長軸に沿った方向へのプリストレインの方が、その方向に垂直な２次元方向へのプリストレインよりも大きい。スロットの長軸方向へは大きいプリストレインを、そして長軸に垂直な２次元方向へは小さいプリストレインを使用することによって、出力シャフト２５７の変位を、均一なプリストレインを有した構成と比べて増大させることができる。

別の一実施形態では、本発明によるプリストレインドポリマを巻くまたは折ることによって、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換の際に軸方向に変形するような線形のトランスデューサおよびアクチュエータを形成して良い。電気活性ポリマの製造は、層の枚数を少なくするほど簡単になる場合が多いので、アクチュエータを巻くことによって、大きなポリマ層をコンパクトな形状に効果的に圧縮することができる。巻かれたまたは折られたトランスデューサおよびアクチュエータは、一般に、２枚またはそれ以上のポリマ層を含む。巻かれたまたは折られたアクチュエータは、ロボットの足や指、高応力のグリッパ、汎用の線形アクチュエータなど、線形アクチュエータが使用されるあらゆる用途に対して適用可能である。

図２Ｉは、シャクトリムシ型アクチュエータ２６２を、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。シャクトリムシ型アクチュエータ２６２は、円筒状の軸に沿って軸方向に変形する、電極２６３をともなった２枚またはそれ以上のロール状のプリストレインドポリマ層を含む。シャクトリムシ型アクチュエータ２６２は、また、金属面２６８への取り付けおよび取り外しを行うための静電クランプ２６４，２６５を含む。静電クランプ２６４，２６５は、シャクトリムシ型アクチュエータ２６２の総合的なストロークを、クランプなしのアクチュエータと比べて増大させることを可能にする。静電クランプ２６４，２６５の単位重量あたりのクランプカは大きいので、シャクトリムシ型アクチュエータ２６２を使用すると、本発明によるプリストレインドポリマの単位重量あたりの力を保存できるという利点がある。静電クランプ２６４，２６５は、接続領域２６７においてシャクトリムシ型アクチュエータに取り付けられる。シャクトリムシ型アクチュエータのボディ２６６は、接続領域２６７を含んでおり、ロール状のポリマ２６３は、その軸方向に沿って、ある程度の遊びを接続領域２６７間に有している。一実施形態において、静電クランプ２６４，２６５は、静電クランプ２６４，２６５から金属面２６８への電気的短絡を阻止するための絶縁接着剤２６９を含む。

シャクトリムシ型アクチュエータ２６２は、６つのステップを経て上方に移動する。ステップ１において、静電クランプ２６４，２６５が作動されてポリマ２６３が弛緩されると、シャクトリムシ型アクチュエータ２６２は、両端で固定されて移動不能になる。静電クランプは、クランプと金属面２６８との間に電圧差を加えることによって作動される。ステップ２において、クランプ２６５が解放される。クランプ２６４，２６５の一方を解放すると、シャクトリムシ型アクチュエータ２６２の両端のうち、解放されたクランプに対応する一端が自由に移動できるようになる。ステップ３において、静電ポリマ２６３が作動され、シャクトリムシ型アクチュエータ２６２は上方に伸張される。ステップ４において、クランプ２６５が作動され、シャクトリムシ型アクチュエータ２６２は移動不能になる。ステップ５において、クランプ２６４が解放される。ステップ６において、ポリマ２６３が弛緩され、シャクトリムシ型アクチュエータ２６２は収縮する。シャクトリムシ型アクチュエータ２６２は、ステップ１からステップ６までを周期的に繰り返すことによって上方に移動する。上述したプロセスにおいて、クランプ２６４，２６５を逆にすると、シャクトリムシ型アクチュエータ２６２は逆方向に移動する。

以上では、１つの電気活性ポリマと２つのクランプを使用した場合を例にとってシャクトリムシ型アクチュエータ２６２を説明したが、複数の電気活性ポリマを使用して、複数セグメントのシャクトリムシ型アクチュエータを実現しても良い。複数セグメントのシャクトリムシ型アクチュエータは、厚さを増すことなくシャクトリムシ型アクチュエータの長さを長くすることを可能にする。２セグメントのシャクトリムシ型アクチュエータは、ロール状のポリマを１つでなく２つ使用し、クランプを２つではなく３つ使用する。一般に、ｎセグメントのシャクトリムシ型アクチュエータは、ｎ＋１個のクランプ間にｎ個のアクチュエータを備える。

図２Ｊは、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うための伸張膜デバイス２７０を、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。伸張膜デバイス２７０は、１つの穴２７２を有した剛性フレーム２７１を含む。プリストレインドポリマ２７３は、引っ張られた状態でフレーム２７１に取り付けられて穴２７２を塞ぐ。剛性バー２７４は、ポリマ２７３の中央に取り付けられており、ポリマ２７３の変形に対応した変位を外に対して提供する。ポリマ２７３の上面および下面の両方には、適合性の電極対２７５，２７６が設けられており、これらの電極対は、剛性バー２７４の左側および右側にそれぞれ配置される。電極対２７５が作動されると、電極対２７５のトップ電極とボトム電極との間およびそれらの附近において、ポリマ２７３の一部分が膨張され、ポリマ２７３の他の部分における既存の張力によって、剛性バー２７４が右側に引っ張られて移動される。反対に、電極対２７６が作動された場合は、ポリマ２７３のうち電極対２７６による影響をうける第２の部分が、ポリマ２７３の残りの部分と比べて膨張し、剛性バー２７４を左側に移動させる。電極対２７５，２７６を交互に作動させることによって、剛性バー２７４の総合的なストローク２７９を効果的に増大させることができる。このアクチュエータのヴァリエーションの１つとして、異方性のプリストレインをポリマに加え、ポリマが剛性バーの変位に垂直な方向に大きなプリストレイン（および剛性）を有するようにすることが挙げられる。別のヴァリエーションは、一方の電極対を排除することである。このヴァリエーションでは、伸張膜デバイス２７０のストローク２７９を減少させることによって設計の簡略化を図っている。この場合、除去された電極によって使用されていた部分のポリマは、復元バネのように受身的に応じるようになる。

図２Ｋは、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うための曲がり梁デバイス２８０を、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。曲がり梁デバイス２８０は、剛性サポート２８２によって一端に固定されたポリマ２８１を含み、このポリマ２８１は、例えば接着層を使用して、ポリイミドまたはマイラーなどの可撓性の薄膜材料２８３に取り付けられている。可撓性薄膜材料２８３の弾性率は、ポリマ２８１の弾性率よりも大きい。作動時には、曲がり梁デバイス２８０の上面２８６および下面２８７め弾性率の差によって、曲がり梁デバイス２８０が曲げられる。電極２８４，２８５は、ポリマ２８１の相対する２面に取り付けられ、電気エネルギを提供する。曲がり梁デバイス２８０は、自由度が１の自由端２８８を含む。自由端２８８の変形は、自由端２８８と、剛性サポート２８２によって固定された端との間に形成される角度の変化によって測定される。図２Ｌは、９０度の曲げ角度を有した状態の曲がり梁デバイス２８０を示した図である。

曲がり梁デバイス２８０の最大曲げ角度は、ポリマの材料、アクチュエータの長さ、電極２８４，２８５および可撓性薄膜材料２８３の曲げ剛性などの多くの要因に応じて変化する。ダウコーニングＨＳ３シリコンと、金の電極と、長さが３．５ｍｍのアクティブ領域とを備えた曲がり梁デバイス２８０の場合は、２２５度を超える曲げ角度を達成することができる。アクティブ領域の長さが増大すると、曲がり梁デバイス２８０において達成可能な曲げ角度も増大する。したがって、上記した曲がり梁デバイスのアクティブ領域の長さを５ｍｍまで伸ばすと、３６０度の曲げ角度を達成することが可能になる。

一実施形態において、電極の１つは可撓性の薄膜材料２８３として作用する。可撓性薄膜材料２８３として作用する電極としては、金などの、曲げ剛性が小さく且つ引張り剛性が大きい任意の薄い金属が適している。別の一実施形態では、ポリマが局所的に破壊されるのを最小限に抑えるために、電極２８４，２８５の一方とポリマ２８１との間に障壁層を設けている。

図２Ｍは、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うための曲がり梁デバイス２９０を、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。曲がり梁デバイス２９０は、剛性サポート２９６によって一端に固定された上部および下部のプリストレインドポリマ２９１，２９２を含む。各ポリマ２９１，２９２は、独立して個々に作動して良い。独立した作動は、上部および下部のポリマ２９１，２９２にそれぞれ取り付けられたトップ電極２９３およびボトム電極２９４を、別々に電気制御することによって行われる。上部および下部の電気活性ポリマ２９１，２９２の間には、両方のポリマに接した共通の電極２９５が設けられている。共通の電極２９５は、ポリマ層２９１，２９２のプリストレインを維持するとともに伸張および曲げを可能にできる十分な剛性を有する。

上側の電極対２９３，２９５を使用して上部の電気活性ポリマ２９１を作動させると、曲がり梁デバイス２９０は下向きに曲げられる。下側の電極対２９４，２９５を使用して下部の電気活性ポリマ２９２を作動させると、曲がり梁デバイス２９０は上向きに曲げられる。したがって、上部および下部の電気活性ポリマ２９１，２９２を独立して使用することによって、曲がり梁デバイス２９０を半径方向２９７に沿って制御することが可能になる。実質的に同じサイズおよび材料を有した上部および下部のポリマ２９１，２９２が同時に作動されると、曲がり梁デバイス２９０は直線方向２９８に沿って伸張される。半径方向２９７および直線方向２９８への動きを制御する能力を組み合わせると、曲がり梁デバイス２９０は、自由度が２のアクチュエータになる。したがって、上部および下部のポリマ２９１，２９２を、別々に作動および制御することによって、曲がり梁デバイス２９０の自由端２９９を、円形または楕円形などの複雑な経路で動かすことが可能になる。

図２Ｎおよび図２Ｏは、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイス３００を、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。デバイス３００は、電場の変化に応じて一部分が変形するように構成された且つ／または変形に応じて電場が変化するように構成されたポリマ３０２を備える。電極３０４は、ポリマ３０２の相対する２面に設けられ（図中は手前の電極のみが示される）、ポリマ３０２のかなりの部分を覆っている。２つの剛性部材３０８，３１０は、ポリマ３０２の相対する２エッジ３１２，３１４に沿って設けられる。湾曲部分３１６，３１８は、ポリマ３０２の残りの２エッジに沿って設けられる。湾曲部分３１６，３１８によって、デバイス３００における電気エネルギと機械エネルギとの間の変換が改善される。

湾曲部分３１６，３１８は、１方向へのポリマ３０２の変形を別の１方向への変形へと結合させる。一実施形態において、各湾曲部分３１６，３１８は、ポリマ３０２の平面内において約４５度の角度で湾曲している。ポリマ３０２を作動させるにあたって、ポリマ３０２が方向３２０に膨張すると、剛性部材３０８，３１０は、図２Ｏに示すように互いから離れる方向に移動する。また、ポリマ３０２の方向３２２への膨張によって、湾曲部分３１６，３１８が真直ぐに伸ばされるので、剛性部材３０８，３１０は、さらに離れる方向へと移動する。このように、デバイス３００は、２次元方向３２０，３２２へのポリマ３０２の膨張を、方向３２０への機械的な出力へと結合させる。

一実施形態において、ポリマ３０２は、互いに直交する方向３２０，３２２へのプリストレインの程度が異なるように構成される。より詳しく言うと、ポリマ３０２は、方向３２０へのひずみが大きく、方向３２０に垂直な２次元方向３２２へのひずみが小さいまたは全く無いように構成される。このような異方性のプリストレインは、湾曲部分３１６，３１８のジオメトリに相対するように構成される。

デバイス３００の利点の１つは、全体が２次元構造であることである。デバイス３００の２次元構造は、製造を簡略化するだけでなく、機械的な結合を容易にして多層設計を行うことを可能にする。例えば、剛性部材３０８，３１０を、第２のデバイス３００の対応部分に機械的に結合する（例えば糊付けするまたは同様に固定する）ことによって、２つのデバイス３００を並列に繋ぎ、１つのデバイス３００のみを使用する場合と比べて力の出力を増大させても良い。同様に、１つのデバイスの剛性部材３０８を第２のデバイスの剛性部材３１０に取り付けることによって、複数のデバイスを直列に繋ぎ、１つのデバイス３００のみを使用する場合と比べて変形の出力を増大させても良い。

デバイス３００は、電気エネルギを機械エネルギに変換させるアクチュエータとしての性能が優れているだけでなく、ジェネレータとしても良く適している。例えば、ポリマ３０２の伸張と同時にその上に電荷が置かれると、デバイス３００の収縮によって機械エネルギが電気エネルギに変換される。次いで、電極３０４との間で電気通信を行う回路によって、電気エネルギが回収される。

４．性能
本発明にしたがったトランスデューサは、電気エネルギと機械エネルギとの間でエネルギの変換を行う。トランスデューサの性能は、トランスデューサ自体の観点から見て特徴付けられる。すなわち、アクチュエータにおけるトランスデューサの性能か、または特定の１用途におけるトランスデューサの性能（例えば、１モータ内に実装されたトランスデューサの数）によって特徴付けられて良い。プリストレインされた本発明にしたがった電気活性ポリマによって、トランスデューサの性能は大きく向上される。

トランスデューサ自体によるトランスデューサ性能の特徴付けは、一般に、ポリマおよび電極の材料特性に関する。電気活性ポリマの性能は、ひずみ、エネルギ密度、作動圧力、作動圧力の密度および効率などのパラメータによって、ポリマのサイズとは別個に記述して良い。ただし、ここでは、以下で説明するようなプリストレインドポリマおよび関連のトランスデューサ性能の特徴付けが、電気活性ポリマおよび電極の種類によって変化し得ることに注意が必要である。

本発明によるプリストレインドポリマは、約０．１〜約１００ＭＰａの有効弾性率を有して良い。作動圧力は、作動状態と非作動状態との間における、単位断面積あたりのプリストレインドポリマにかかる力の変化として定義される。本発明によるプリストレインドポリマは、約０〜約１００ＭＰａの作動圧力、好ましくは約０．１〜１０ＭＰａの作動圧力を有して良い場合がある。また、作動状態から非作動状態への移行時における、単位重量あたりの材料の変形のエネルギとして定義される特定の弾性エネルギ密度を使用して、重量が重要な要素を占める電気活性ポリマを記述しても良い。本発明によるプリストレインドポリマは、３Ｊ／ｇを超える特定の弾性エネルギ密度を有して良い。

また、プリストレインドポリマの性能を、ポリマのサイズとは別個に効率によって記述しても良い。電気機械効率は、動作がアクチュエータモードにある場合は、電気エネルギの入力に対する機械エネルギの出力の割合として定義され、動作がジェネレータモードにある場合は、機械エネルギの入力に対する電気エネルギの出力の割合として定義される。本発明によるプリストレインドポリマを使用すれば、８０％を超える電気機械効率を達成することが可能である。プリストレインドポリマがその最大（または最小）作動圧力まで増圧される（または減圧される）までの時間は、応答時間と称される。本発明にしたがったプリストレインドポリマは、広い範囲の応答時間に適応し得る。応答時間は、ポリマのサイズおよび構成に依存して、例えば約０．０１ミリ秒〜１秒の範囲で変化し得る。また、高い率で誘起されたプリストレインドポリマを、動作周波数によって特徴付けても良い。一実施形態において、本発明での使用に適した最大動作周波数は約１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚで良い。動作周波数がこの範囲にあると、本発明によるプリストレインドポリマを、音響関係の様々な用途（例えばスピーカ）で使用することが可能になる。いくつかの実施形態では、本発明によるプリストレインドポリマを共振周波数で動作させることによって、機械的出力の改善を図って良い場合もある。

アクチュエータの性能は、そのアクチュエータに特有な性能パラメータによって記述し得る。例えば、特定のサイズおよび重量を有したアクチュエータの性能は、ストロークや変位、力、アクチュエータの応答時間などのパラメータによって定量して良い。ある用途におけるトランスデューサの性能の特徴付けは、そのトランスデューサが、特定の用途（例えばロボットなど）にどの程度適切に組み込まれているかに関する。ある用途におけるトランスデューサの性能は、その用途に特有な性能パラメータ（例えばロボットの用途における単位重量あたりの力）によって記述して良い。用途に特有なパラメータには、ストロークまたは変位、力、アクチュエータの応答時間、周波数応答、効率等などが含まれる。これらのパラメータは、トランスデューサのサイズ、重量、および／またはデザイン、ならびに用途の種類に依存して良い。

ここで、ある電気活性ポリマに対する所望の材料特性は、アクチュエータまたは用途に応じて変化し得ることに注意が必要である。ある用途において、大きい作動圧力および大きいひずみを生成するためには、高絶縁強さ、高誘電率、低弾性率のうちいずれか１つの特性を備えたプリストレインドポリマを使用して良い。また、ある用途のエネルギ効率を最大化するためには、高体積抵抗率および低機械減衰のいずれか１つの特性を備えたポリマを使用して良い。

動作がジェネレータモードにあるトランスデューサの性能パラメータは、一般に、動作がアクチュエータモードにある場合のそれらに類似している。ジェネレータとしてのトランスデューサの特定のエネルギ密度は、ストロークごとにトランスデューサ（ポリマ）の単位重量あたりで生成される電気エネルギとして定義される。本発明の実施形態における特定のエネルギ密度は、ポリマに対して一般に最低で約０．１５ジュール／ｇであり、ポリマによっては０．３５ジュール／ｇを超える場合もある。

５．電極
上述のように、本発明のトランスデューサは、電気活性ポリマを作動させるための１つ以上の電極を備えることが好ましい。概して、本発明での使用に適した電極は、時間的に一定もしくは変化する適切な電圧を電気活性ポリマに供給し、電気活性ポリマから受け取ることができれば、どのような形態および材料であっても良い。一実施形態では、電極は、ポリマの表面に接着されている。ポリマに接着する電極は、適合性で、ポリマの形状変化に適合することが好ましい。電極は、電気活性ポリマの一部分にのみ適用可能であり、電極の形状にしたがってアクティブ領域を規定する。

適合性電極は、１以上の方向に変形することが可能である。これらの方向の一方への適合性電極の変形を表すために、線ひずみを使用しても良い。ここで、適合性電極の線ひずみとは、変形の線に沿った１単位長さあたりの変形を指す。本発明による適合性電極に関しては、少なくとも約５０％の最大線ひずみ（引張りまたは圧縮）が可能である。線ひずみの最大値が、一般に少なくとも約１００％であるような適合性電極も存在する。もちろん、電極は、最大値以下のひずみで変形することが可能である。一実施形態では、適合性電極は、１以上の高導電領域と１以上の低導電領域を備える「構造化電極」である。

図３は、適合性が１方向性である構造化電極５０１を、本発明の一実施形態にしたがって示した上面図である。構造化電極５０１は、電荷分布層５０３にわたって平行な線上にパターニングされた金属トレース５０２を含む。金属トレース５０２と電荷分布層５０３は両方とも、ポリマのアクティブ領域（図示せず）にわたっている。金属トレース５０２と電荷分布層５０３は、ポリマの相対する２面に用いられる。それゆえ、相対する２面に構造化電極５０１を含むトランスデューサの断面は、上部から下部に向かって、トップ金属トレース、トップ電荷分布層、ポリマ、ボトム電荷分布層、ボトム金属トレースとなっている。ポリマの両表面上の金属トレース５０２は、それらの間の電気活性ポリマ金属のための電極として働く。別の実施形態では、ボトム電極は、適合性の均一の電極で良い。電荷分布層５０３は、金属トレース５０２の間の電荷の分布を促進する。それと共に、高導電性の金属トレース５０２は、アクティブ領域をわたって低導電性の電荷分布層５０３へ電荷を迅速に導電する。それにより、トレース５０２の間のポリマの表面にわたって均一に電荷が分布する。電荷分布層５０３は、適合性がある。結果として、構造化電極５０１は、平行な金属トレース５０２に垂直である適合的な方向５０６への偏向を許容する。

ポリマ全体の作動は、ポリマの長さ方向に沿った平行の金属トレース５０２の長さを伸張することと、ポリマの幅に沿って適切な数のトレース５０２を実装することによって実現されても良い。一実施形態では、金属トレース５０２は、４００マイクロメートルの間隔で離間され、約２０〜１００ナノメートルの厚さを持っている。トレースの幅は通例、その間隔よりも広い。構造化電極５０１に対する反応速度全体を高めるためには、金属トレース５０２の間の距離を小さくすれば良い。金属トレース５０２は、金、銀、アルミニウム、その他多くの金属、比較的剛性の導電材料を含んで良い。一実施形態では、電気活性ポリマの相対する２面上の金属トレースは、ポリマ層の電荷分布を改善し、直接的な金属間電気破壊を防ぐために、他の金属トレースからずらされている。

金属トレース材料の弾性許容よりも、軸沿いの平行金属トレース５０２の変形の方が、金属トレース５０２の損傷につながる可能性が高い。このような損傷を防ぐために、ポリマは、ポリマと金属トレース５０２の軸沿いの変形を防ぐ剛性構造によって制約されても良い。図２Ｄおよび２Ｅの直線運動デバイスの剛性部材２３２は、この点で適切である。別の実施形態において、金属トレース５０２は、ポリマ５００の表面上で少し起伏していても良い。これらの起伏は、軸方向についてトレース５０２に適合性を付加し、その方向への変形を許す。

一般に、電荷分布層５０３は、電気活性ポリマよりも導電度が大きいが、金属トレースよりは小さい。電荷分布層５０３は導電条件が厳しくないため、幅広い種類の材料を用いることができる。例えば、電荷分布層は、カーボンブラック、コロイド銀を含むフルオロエラストマ、少ない割合のヨウ化ナトリウムが濃度負荷された水性ラテックスラバー乳濁液、テトラチアフルバレン／テトラシアノキノジメタン（ＴＴＦ／ＴＣＮＱ）電荷移動錯体を含むポリウレタンを含んでよい。これらの材料は、平坦な被覆と共に薄い均一な層を形成することができ、周囲への実質的な電荷漏出の前に金属トレース５０２の間に電荷を導電するのに十分な表面導電性を持っている。一実施形態では、電荷分布層５０３の材料は、ポリマのＲＣ時間定数に基づいて選択される。例えば、本発明に適した電荷分布層５０３の表面抵抗は、約１０⁶〜１０¹¹オームでよい。いくつかの実施形態では、電荷分布層が用いられず、金属トレース５０２が直接ポリマにパターニングされることにも注意すべきである。この場合、ポリマ表面上の空気もしくは別の化学種は、トレース間の電荷を運ぶのに十分だろう。プラズマエッチングやイオンインプランテーションなどの表面処理によって表面の導電性を高めることにより、効果を高めても良い。図４は、指向的な適合性のない構造化電極の下にあるプリストレインドポリマ５１０を、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。構造化電極は、「ジグザグ」パターンを形成する一定間隔の平行線で電気活性ポリマ５１０の一表面上に直接パターニングされた金属トレース５１２を備える。ポリマの相対する２面上の２つの金属トレース５１２は、それらの間の電気活性ポリマ５１０材料のための電極として働く。金属トレース５１２の「ジグザグ」パターンにより、複数の方向５１４および５１６へのポリマおよび構造化電極の膨張と収縮が許される。

図３および４に関して記されたような金属トレースの配列を用いることにより、導電度の低い電荷分布層を用いることが可能となる。より詳しく言うと、金属トレース間の間隔が小さくなると、トレース間の材料に必要な導電度が減少する。このように、電荷分布層の使用に適する導電性があるとみなされない材料を用いることができる。例えば、１０¹⁰オームの表面抵抗を持つポリマが、このように電荷分布層として用いられても良い。特定の一実施形態では、２５マイクロメートルの厚さを持ち、約５００マイクロメートルの平行金属トレースの間を仕切るポリマ層の構造化電極の一部である電荷分布層として、ラバーが用いられた。電荷分布層に必要な導電度を低減することに加えて、金属トレースの間隔を小さくすることにより、間隔の小さいトレース間の短い距離間で、電荷が電荷分布層を通過すればよくなるため、作動速度が大きくなる。

本発明の構造化電極は、２つの具体的な金属トレースの構成に即して説明されたが、本発明にしたがった構造化電極は、任意の適切な方法でパターニングしても良い。当業者の理解するように、均一に分布された様々な金属トレースのパターンにより、ポリマの表面上に電荷が提供されると共に、１以上の方向の適合性が提供される。いくつかの場合では、構造化電極は、非均一の方法でポリマ表面に取り付けられても良い。ポリマの作動は、適切に近接した１対のパターニングされた金属トレース内のアクティブ領域に限定されていて良いため、電気活性ポリマに特化したアクティブおよび非アクティブ領域は、特注の金属トレースパターニングによって規定されても良い。これらのアクティブおよび非アクティブ領域は、従来の金属トレース蒸着技術にしたがって特注の構造と高分解能に形成されても良い。電気活性ポリマの全表面にわたってこの動作を施すことにより、数多くの特注構造のアクティブ領域を含む構造化電極の特注パターンの結果、構造化電極のパターンにしたがった電気活性ポリマの作動は、特化した不均一のものとなる。

本発明は、主に平坦な電極に即して説明されたが、適合性電極を提供するために、様々な平面でない特徴を持つ「テクスチャ加工された電極」が用いられても良い。図５は、代表的なテクスチャ加工された電極５２０および５２１を、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。テクスチャ加工された電極５２０および５２１は、ポリマ５２２の変形の結果、テクスチャ加工された電極５２０および５２１が２次元および非２次元的に変形するように、電気活性ポリマの相対する２面に取り付けられる。電極５２０および５２１の２次元および非２次元的な適合性は、起伏パターンによって提供され、ポリマ５２２の平面および／または厚さ方向の変形に関して、方向５２６への適合性が提供される。テクスチャ加工された電極５２０および５２１に対して実質的に均一な適合性を提供するために、方向５２６に関して電気活性ポリマの表面全体にわたって、起伏パターンが実装される。一実施形態では、テクスチャ加工された電極５２０および５２１は、適合性を提供するために金属にひびが入ることなしに曲がるような厚さを持つ金属からなる。通例、テクスチャ加工された電極５２０は、実質的に一定の電場をポリマ５２２に提供するために、電極５２０および５２１の非２次元的な変形がポリマ５２２の厚さよりも十分に小さくなるように構成される。テクスチャ加工された電極は、１以上の方向に適合性を提供しても良い。特定の一実施形態では、きめの粗いテクスチャ加工された電極が、直交する２次元方向に適合性を提供している。きめの粗いテクスチャ加工された電極は、図１Ｄのきめの粗い表面と同一の構造を持っても良い。

一実施形態では、本発明の適合性電極は、カーボングリースもしくは銀グリースのような導電性のグリースを含む。導電性グリースは、複数の方向に適合性を提供する。ポリマの導電性を高めるために、粒子を付加しても良い。例えば、炭素粒子をシリコンのようなポリマ結合剤と組み合わせ、弾性が低く導電性が高いカーボングリースを生成しても良い。１以上の材料特性を変えるために、導電性グリースに他の材料を混合しても良い。本発明にしたがった導電性グリースは、少なくとも約１００パーセントひずみの変形に適している。

本発明の適合性電極は、さらに、コロイド懸濁液を含んでもよい。コロイド懸濁液は、液媒の中に、グラファイト、銀、金のようなサブマイクロメートルサイズの粒子を含む。一般に、十分に導電性粒子を負荷した任意のコロイド懸濁液が、本発明にしたがった電極として用いられてよい。特定の一実施形態では、コロイドサイズの導電粒子を含む導電性グリースは、硬化して導電性の半固体を形成するコロイド懸濁液を生成するために、シリコン結合剤の中にコロイドサイズの導電性粒子を含む導電性シリコンと混合される。コロイド懸濁液の利点は、液体を薄く均一にコーティングすることのできる噴霧、浸漬コーティング、およびその他の技術によってポリマ表面にパターニングできることである。ポリマと電極の間の接着を容易にするために、結合剤が、電極に加えられてもよい。例えば、水性のラテックスラバーもしくはシリコンが、グラファイトを含むコロイド懸濁液に結合剤として加えられてもよい。

別の実施形態では、適合性電極は、カーボンフィブリルやカーボンナノチューブのようなアスペクト比の大きい導電性材料を用いて実現される。これらのアスペクト比の大きいカーボン材料は、薄い層の中で高い表面導電性を形成することができる。アスペクト比の大きいカーボン材料は、その相互接続性の高さから、比較的低い電極厚さでポリマ表面に高導電性を分け与えてもよい。例えば、アスペクト比の大きくない一般の形状のカーボンからなる電極の厚さは、５〜５０マイクロメートルの範囲であり、カーボンフィブリルもしくはカーボンナノチューブ電極からなる電極の厚さは、２〜４マイクロメートル未満である。アクリルおよびその他のポリマ上のカーボンフィブリルおよびカーボンナノチューブ電極については、１００％をはるかに上回る複数方向への領域拡張が適している。アスペクト比の大きいカーボン材料は、電気活性ポリマ層との接着力を増すためにポリマ結合剤を使用してもよい。ポリマ結合剤を用いることにより、或る特定の電気活性ポリマ層との接着と、ポリマの弾性的および機械的特性に基づいて、或る特定の結合剤を選択できるという利点がある。

一実施形態では、アスペクト比の大きいカーボン電極は、電極の不透明度がポリマの変形にしたがって変更可能なように十分に薄く製造されて良い。例えば、電極は、電極が膨張の際に不透明から半透明に変化するように十分に薄く造られても良い。このように電極の不透明度を操作することにより、以下に説明するように、本発明のトランスデューサが多くの様々な光学的用途に用いられてもよい。

別の実施形態では、イオンによる導電性材料の混合物が、適合性電極に用いられても良い。これは、例えば、ゼラチン内のグリセロールもしくは塩、ヨウ素添加天然ゴム、ヨウ化カリウムのような有機塩を加えた水性乳濁液のような水性ポリマ材料を含んでもよい。水性電極に十分に接着できない疎水性の電気活性ポリマについては、接着性を高めるために、ポリマ表面が、プラズマエッチング、もしくはグラファイトやカーボンブラックのような微粉によって前処理されても良い。

本発明の電極に用いられる材料は、大幅に変わっても良い。電極に用いられる適切な材料は、グラファイト、カーボンブラック、コロイド懸濁液、銀および金を含む薄い金属、銀およびカーボンで満たされたゲルおよびポリマ、イオンもしくは電子工学的に導電性を持つポリマを含む。特定の一実施形態では、本発明での使用に適切な電極は、ペンシルベニア州フィラデルフィアのストックウェルラバー社によって生産されるストックウェルＲＴＶ６０‐ＣＯＮのように、シリコンラバー結合剤の中に８０％のカーボングリースと２０％のカーボンブラックを含むものである。カーボングリースは、ジョージア州ケニソーのケムトロニクス社によって生産されるサーキットワークス７２００のような種類のものである。導電性グリースは、さらに、ゲル状の導電性グリースを提供するために、ニューヨークのジェネラル・エレクトリック・オブ・ウォーターフォード社によって生産されるシリコンエラストマＲＴＶ１１８のようなエラストマと混合されても良い。

或る電極材料が、特定のポリマとは上手く機能し、他のポリマとは上手く機能しない場合があることが理解される。例えば、カーボンフィブリルは、アクリルエラストマポリマとは上手く機能するが、シリコンポリマでは上手く機能しない。ほとんどのトランスデューサについて、適合性電極に関する所望の特性は、低弾性率、低機械的減衰、低表面抵抗、均一な抵抗、化学的および環境的安定性、電気活性ポリマとの化学的互換性、電気活性ポリマへの良好な接着性、滑らかな表面を形成する能力のいずれか一つを含むだろう。いくつかの場合では、電極材料が、製造中の正確なパターニングに適していることが望ましいだろう。例えば、適合性電極は、ポリマ上に噴霧コーティングされて良い。この場合、噴霧コーティングに利点となる材料特性が望ましい。いくつかの場合、本発明のトランスデューサは、２つの異なる種類の電極を実装しても良い。例えば、本発明のダイヤフラムデバイスは、上面に取り付けられた構造化電極と、下面側に蒸着されたアスペクト比の大きいカーボン材料とを備えても良い。

電子ドライバは、電極に接続される。電気活性ポリマに供給される電圧は、用途の詳細によって異なるだろう。一実施形態では、本発明のトランスデューサは、ＤＣバイアス電圧付近に印加電圧を調節することによって電気的に駆動される。バイアス電圧付近に調節することにより、印加電圧に対するトランスデューサの感度と線形性が改善される。例えば、オーディオに用いられるトランスデューサは、約７５０〜２０００ボルトＤＣ範囲のバイアス電圧の頂点に関するピークツーピーク電圧２００〜１０００ボルトまでの信号によって駆動されて良い。

６．用途
本発明は、ミクロおよびマクロスケール両方で、非常に様々なアクチュエータ設計に実装可能なトランスデューサを含むため、本発明は、電気的エネルギと機械的エネルギの変換を必要とする幅広い用途に用いることが可能である。以下は、上述のアクチュエータの一部に関するいくつかの代表的な用途である。一般に、本発明のトランスデューサとアクチュエータは、電気的エネルギと機械的エネルギの変換を必要とする任意の用途に用いることができる。これらの用途は、ロボット工学、センサ、モータ、玩具、マイクロアクチュエータ、ポンプ、ジェネレータなどである。

上述のように、独立したもしくは機械的に集合体に組み込まれた電気活性ポリマは、人工筋肉と呼ぶことができる。人工筋肉という用語自体は、これらのアクチュエータが、生物的に刺激を与えられるロボットもしくは生物医学的な用途のように（哺乳類その他の）筋肉の複製を用いることが望ましい用途での利用に適していることを示唆する。例えば、義肢、外骨格、人工心臓のような用途に、本発明のプリストレインドポリマが役立つかもしれない。電気活性ポリマのサイズ拡張性と、集合体内で任意の数のトランスデューサもしくはポリマアクチュエータを用いる能力により、本発明にしたがった人工筋肉は、生物的な同等物よりも広い範囲で用いることができる。本発明のトランスデューサおよびアクチュエータは、生物的な同等物よりもはるかに広い動作範囲を持つため、本発明は、実際の筋肉に相当する動作を持つ人工筋肉に限定されず、実際の筋肉にはない動作を必要とする用途を含んでも良い。

人工筋肉の一例では、直線運動デバイスの集合体は、互いに折り重なり、各ポリマの向かい合った端にある２つの剛性プレートに取り付けられた２つ以上のプリストレインドポリマの層を含む。電極は、各ポリマ層の間の中央に封入されている。集合体の中の直線運動デバイスはすべて、剛性プレートによって提供される幾何学的な制約と、異方性のプリストレインを利用して、作動方向のポリマの変形を制限できる。層構造の利点は、必要な数の電気活性ポリマを平行に積み上げれば、所望の力を生み出すことができる点である。さらに、この直線運動デバイスの構成のストロークは、同様の直線運動デバイスを直列に加えることによって増大されても良い。

ミクロの分野では、プリストレインポリマは、数マイクロメートル〜数ミリメートルの範囲で良く、数マイクロメートル〜数百マイクロメートルが好ましい。マイクロプリストレインドポリマは、インクジェット、作動バルブ、マイクロポンプ、シャクトリムシ型アクチュエータ、ポインティングミラー、サウンドジェネレータ、マイクロクランプ、マイクロロボットなどの用途に非常に適している。マイクロロボットでの用途は、マイクロロボットの脚、握るための手段、ＣＣＤカメラ用のポインタアクチュエータ、マイクロ溶接および修理用のワイヤ供給装置、固定した位置を保持するためのクランピングアクチュエータ、正確な距離にわたってデータを伝送するための超音波アクチュエータを含む。他の用途では、ダイヤフラムデバイスが、単一の表面上で２次元的に構成された同様の電気活性ポリマダイヤフラムの配列内に実装されても良い。例えば、配列は、各々が２次元構成に構成された１５０マイクロメートル直系のダイヤフラム６２個を含んでも良い。一実施形態では、ダイヤフラムデバイスの配列は、シリコンウエハ上に形成されても良い。このように生成されたダイヤフラムデバイスの配列は、例えば、各々がおよそ６０〜１５０マイクロメートルの直径を持つ５〜１０，０００もしくはそれ以上のダイヤフラムを含んでも良い。その配列は、各ダイヤフラムに対して適切に離間した穴を持つグリッド板に配置されても良い。

マクロの分野では、上述のアクチュエータ各々が、それ自身の用途に非常に適している。例えば、図２Ｉのシャクトリムシ型アクチュエータは、直径２ｃｍ以下のパイプ内を進むことのできる小型ロボットでの利用に適している。他のアク．チュエータは、例えば、ロボット工学、ソレノイド、サウンドジェネレータ、線形アクチュエータ、航空宇宙用アクチュエータ、一般的な自動化などの用途に適している。

別の実施形態では、本発明のトランスデューサは、光学的調節デバイスや光学スイッチとして用いられる。そのトランスデューサは、変形に応じて不透明度が変化する電極を備えている。透明もしくは実質的に半透明なプリストレインドポリマが、不透明度の変化する電極に取り付けられており、デバイスの不透明度を調節するために、ポリマの変形が用いられる。光学スイッチの場合、不透明度の変化するトランスデューサが、光センサと通信する光源を遮る。それゆえ、透明のポリマが変形することにより、不透明度の変化する電極が変形、光センサに影響を与える。特定の一実施形態では、不透明度の変化する電極は、電極領域が増大しフィブリル密度が減少するにつれて不透明度が下がるカーボンフィブリルもしくはカーボンナノチューブを含む。別の特定の実施形態では、電気活性ポリマと不透明度の変化する電極からなる光学的調節デバイスは、そのデバイスを通って伝送された光の量を正確に調節するよう設計されても良い。

ダイヤフラムデバイスは、ポンプ、バルブなどとして用いられても良い。一実施形態では、プリストレインドポリマを備えたダイヤフラムデバイスは、ポンプとしての利用に適している。ポンプの動作は、ポリマの作動を繰り返すことにより生み出される。本発明にしたがった電気活性ポリマポンプは、ミクロおよびマクロスケール両方に実装可能である。例えば、ダイヤフラムは、約１５０マイクロメートル〜約２センチメートルの範囲の直径を持つポンプとして使用可能である。これらのポンプは、１００％を超えて歪んだポリマを含んでも良く、２０ｋＰａ以上の圧力を生み出すことが可能である。

図６は、ダイヤフラムポンプ５４０および５４２を含んだ２段式のカスケード式ポンピングシステムを、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。ダイヤフラムポンプ５４０および５４２は、フレーム５４５および５４７に取り付けられたプリストレインドポリマ５４４および５４６を含む。ポリマ５４４および５４６はそれぞれ、フレーム５４５および５４７の穴５４８および５５０内で、穴５４８および５５０の面に垂直の方向へ変形する。ポリマ５４４および５４６に沿ったフレーム５４５および５４７は、空洞５５１および５５２を決定する。ポンプ５４０は、空洞５５１方向へのバイアスをダイヤフラム５４４に提供するための曲げバネ５６０を備えるプランジャ５５３を含む。

１方向バルブ５５５は、空洞５５１への液体もしくは気体の流入を許可する。１方向バルブ５５６は、空洞５５１から空洞５５２への液体もしくは気体の流出を許可する。さらに、１方向バルブ５５８は、空洞５５２からの液体もしくは気体の流出を許可する。ポリマ５４４および５４６の作動にあたって、ポリマが順に変形、空洞５５１および５５２内の圧力がそれぞれ変化する。それにより、１方向バルブ５５５から空洞５５１へ、バルブ５５６から空洞５５２へ、バルブ５５８の外へと液体もしくは気体が移動する。

図６の２段式のカスケード式ポンピングシステムでは、ダイヤフラムポンプ５４２は、ダイヤフラムポンプ５４０からの圧力の掛かった出力がポンプ５４２にバイアスをかけるため、バイアスを含まない。一実施形態では、ダイヤフラムポンプのカスケード配列における第１のポンプのみが、バイアス圧力、もしくは自吸のための他の機構を用いる。いくつかの実施形態では、或る配列で設けられたダイヤフラムポンプは、ポンプ効率を高めるために、電子計時によって提供された電圧を用いても良い。図６に示された実施形態では、ポリマ５４４および５４６は、最良の動作をするために同時に作動される。カスケード内にさらに多くのダイヤフラムポンプを備える別の実施形態では、異なるアクチュエータ用の電子計時は、１つのポンプが空洞の容積を縮小すると共に配列内の（１方向バルブによって連結する）次のポンプが拡張するように理想的に設定される。特定の一実施形態では、ダイヤフラムポンプ５４０は、４０ｍｌ／分の速度と約１ｋＰａの圧力で気体を供給し、ダイヤフラムポンプ５４２は、実質的に同じ流速で気体を供給するが、圧力は２．５ｋＰａに増大する。

図２Ｋ〜２Ｍに関して説明されたような曲がり梁デバイスは、ファン、電気スイッチおよびリレー、光スキャナなどの様々な工業用および航空宇宙用のデバイスおよび用途にミクロおよびマクロレベル両方で用いることができる光スキャナとして用いられる曲がり梁アクチュエータについては、アルミ処理したマイラのような反射面は、曲がり梁アクチュエータの自由端に接着可能である。より詳細には、曲がり梁が作動されている際には光が反射され、曲がり梁が停止している際には光が通過する。次に、反射体は、アクチュエータの変形にしたがってアークもしくはラインを形成するために、入射光を反射し、スキャンされたビームを形成するために用いられても良い。曲がり梁アクチュエータの配列は、さらに、表面上の熱伝達および／または光の吸収を制御するための「スマートなファー」として、低プロフィルのスピーカと振動サプレッサに対して表面の空気の流れを制御するために、フラットパネルディスプレイに用いられても良いし、物を動かすために調和して動く繊毛として機能しても良い。

管状もしくは多層のシリンダに巻かれたポリマおよびポリマ膜は、作動の際に軸方向に伸張するピストンとして実装されても良い。そのようなアクチュエータは、油圧もしくは空気圧ピストンと類似しており、これらの伝統的な形の線変形を用いるデバイスもしくは用途すべてに実装可能である。

電気活性ポリマアクチュエータは、さらに、サウンドジェネレータ、音響スピーカ、インクジェットプリンタ、高速ＭＥＭＳスイッチなどを含む様々な用途に対して高速で動作しても良い。特定の一実施形態では、電気活性ポリマダイヤフラムは、光スキャナとして用いられる。より詳細には、鏡付き湾曲部分を提供するために、５ｍｍ直径の電気活性ポリマダイヤフラムを押し下げる湾曲部分に鏡を設置しても良い。約１９０〜３００ボルトの範囲の電圧と約３０〜３００Ｈｚの範囲の周波数により、約１０〜３０度のスキャン角度で画像の良好なスキャニングが実現可能である。また、さらに大きいスキャン角度（例えば、９０度）は、４００〜５００Ｖの範囲の電圧を用いることにより適応される。さらに、より高い周波数が、より堅い鏡付き湾曲部分と共に用いられても良い。

本発明のトランスデューサは、さらに、機械的エネルギを電気的エネルギに変換するためのジェネレータとして幅広い利用が可能である。特に、本発明のジェネレータは、踵接地ジェネレータとしての使用に非常に適している。より詳細には、歩くことによる機械的エネルギを電気的エネルギとして利用するために、本発明のトランスデューサ１つ以上を靴に使用しても良い。通例、ジェネレータは、ポリマの一部分の変形に応じて電場と蓄えられた電気的エネルギが変化するように構成されたポリマを含む。かかとの蹴りなどの機械的な入力は、電極の表面に平行な一方もしくは両方の２次元方向に向かってトランスデューサに広がる。それにより、トランスデューサに蓄えられた弾性的機械エネルギが増大する。次いで、伸張した状態で電荷が電極に置かれ（もしくは、伸張した状態でさらに電荷が追加され）、トランスデューサが収縮を許されると、トランスデューサは、その弾性的機械エネルギの一部もしくはすべてを、より大きな量の蓄積電気エネルギに変換する。蓄えられた電気的エネルギが増大すると、電極と電気的に接続した回路によって回収すなわち利用される。利用されるエネルギの一部は、次のサイクルの伸張・収縮の際に初期入力の電荷として供給するためにリサイクルすることができる。ジェネレータは、さらに、従来の燃焼エンジンに接続されたトランスデューサを備え、燃料駆動の電気ジェネレータ、手動のクランクジェネレータ、波力ジェネレータ、風力ジェネレータ、機械的入力がトランスデューサ伸張のために利用可能な他の種類のジェネレータを形成する。

本発明のトランスデューサは、１つ以上の機能を持つよう実装可能であることに注意されたい。換言すれば、トランスデューサは、同じ設計内で、アクチュエータ、ジェネレータ、センサとして機能することが可能である。

７．製造
プリストレインドポリマは、幅広い材料の様々なアクチュエータの設計において、そして多様な用途において、ミクロおよびマクロのスケールの両方で実装可能なため、本発明において使用される製造プロセスも、実に多様である。本発明の一形態は、１つまたはそれ以上のプリストレインポリマを有した電気機械デバイスを製造する方法を提供する。

図７Ａは、少なくとも１つの電気活性ポリマ層を有した電気機械デバイスを製造するためのプロセスの流れ６００を、本発明の一実施形態にしたがって示したフローチャートである。本発明にしたがったプロセスは、いくつかの追加のステップを含んでも良いが、本発明を不明瞭にすることを避けるため、説明も図示もしていない。本発明の製造プロセスは、マイクロ電子機器や電子技術の製造において用いられている市販のポリマおよび技術のような従来の材料および技術を含む場合もある。例えば、マイクロダイヤフラムデバイスは、穴を形成してポリマおよび電極を取り付ける従来の技術を用いてシリコン上に形成されても良い。

プロセスの流れ６００は、ポリマを受け取るもしくは製造することにより始まる（６０２）。ポリマは、いくつかの方法にしたがって受け取られても良いし製造されても良い。一実施形態では、ポリマは、市販のアクリルエラストマ膜のような市販の製品である。別の実施形態では、ポリマは、鋳造、浸漬、回転塗布、吹き付けの１つによって生産された膜である。一実施形態では、ポリマ全体に最大の電場が印加されることを危うくすることにより性能を下げる厚さのばらつきと他の欠陥すべてを最小限にするように、ポリマが生産される。

回転塗布は通例、剛性基板にポリマ混合物を塗布する工程と、回転させて所望の厚さにする工程とを含む。ポリマ混合物は、ポリマ、硬化剤、揮発性の分散剤もしくは溶媒を含んで良い。分散剤の量、分散剤の揮発性、回転速度は、所望のポリマを生産するために変更可能である。例えば、ポリウレタン膜は、ポリウレタンおよびテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）もしくはシクロヘキサノンの溶液内で回転塗布されて良い。シリコン基板の場合、ポリマは、アルミ処理したプラスチックもしくは炭化ケイ素上に回転塗布されて良い。アルミニウムと炭化ケイ素は、適切なエッチング液によって実質的に除去される犠牲層を形成する。１マイクロメートル厚の範囲の膜は、このように回転塗布によって生産されても良い。シリコンなどのポリマ膜の回転塗布は、ポリメタクリル酸メチルもしくはテフロン（登録商標）のような滑らかな非固着性のプラスチック基板上に施されても良い。次いで、ポリマ膜は、機械的なはく離工程によって、もしくはアルコールやその他の適切なはく離剤を用いて、はく離されて良い。回転塗布は、さらに、１０〜７５０マイクロメートルの範囲の厚いポリマの生産にも適している。いくつかの場合では、ポリマ混合物は、工業用ポリマに用いられている充填物、微粒子、色素などの異物を取り除くために、回転塗布前に遠心分離されてもよい。遠心分離の効果を増大し、厚さの一貫性を改善するために、ポリマは、粘性を下げるよう溶媒で希釈されても良い。例えば、シリコンは、ナフサ内に分散されても良い。

次いで、ポリマは、１以上の方向にプリストレインされる（６０４）。一実施形態では、ポリマを１以上の方向へ伸張し、歪んだ状態でそれを１以上の固形部材（例えば、剛性プレート）に固定することにより、プリストレインが実現される。プリストレインを維持するための別の技術では、１つ以上の補強材を用いる。補強材は、プリストレインされた状態、例えば、伸張された状態のポリマ上に配置された長い剛性の構造である。補強材は、それらの軸方向のプリストレインを維持する。補強材は、トランスデューサの指向的な適合性を実現するために平行もしくはその他の構成で配置されて良い。補強材の軸方向の剛性が増すと、プリストレイン方向へのポリマの剛性が増すだけでなく、補強材によって提供される剛性も増すことに注意されたい。

プリストレインドポリマの表面は、テクスチャ加工されても良い。一実施形態では、作動時に伸張できるよりもさらに大きくポリマを伸張させ、その状態のポリマ表面に薄膜状の硬い材料を蒸着する。例えば、硬い材料は、電気活性ポリマが伸張されている間に硬化されたポリマでも良い。硬化の後、電気活性ポリマは緩められ、構造が曲がって、テクスチャ加工された表面を提供する。硬い材料の厚さは、サブマイクロメートルのレベルを含む任意のスケールのテクスチャを提供するために変更されても良い。別の実施形態では、テクスチャ加工された表面は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって生成されても良い。例えば、ＲＩＥは、９０％の四フッ化炭素と１０％の酸素を含むＲＩＥガスを用いてシリコンを含むプリストレインドポリマに対して施され、深さ４〜５マイクロメートルの山と谷を持つ表面を形成する。

次いで、１つ以上の電極がポリマ上に形成される（６０６）。上述のＲＩＥによって修正されたシリコンポリマについては、テクスチャ加工された電極を提供するために、ＲＩＥテクスチャ加工表面に金の薄層がスパッタ蒸着されても良い。別の実施形態では、１つ以上のグラファイト電極が、ステンシルを用いてパターニングされ蒸着されても良い。導電性シリコンと混合された導電性グリースを含む電極は、導電性グリースと硬化していない導電性シリコンを溶媒に溶かすことによって製造されても良い。次いで、溶液は、電気活性ポリマ材料の上に噴霧されて良く、或る特定のパターンを実現するためにマスクもしくはステンシルを含んでも良い。

図３および４の構造化電極の金属トレースは、ポリマもしくは電荷分布層の上部にフォトリソグラフィによってパターニングされて良い。例えば、金の層は、金にフォトレジストを蒸着する前にスパッタ蒸着される。フォトレジストと金は、従来のフォトリソグラフィ技術、例えば、マスクを用いた後にフォトレジストを除去するために１以上の洗浄を行う工程によってパターニングされても良い。ポリマと金属トレースの間に付加された電荷分布層は、例えば、回転塗布によって蒸着されても良い。

特定の一実施形態では、構造化電極は、毎分約１５０オングストロームで（所望の厚さに応じて）約２〜３分間、金をスパッタ蒸着することにより、ポリマ上に形成される。次いで、コネチカット州ノーウォークのアーチケミカルズ社によって提供されているようなＨＰＲ５０６フォトレジストが、約５００〜１５００ｒｐｍで約２０〜３０秒、金の上に回転塗布された後に、摂氏約９０度で焼かれる。次いで、フォトレジストの紫外線への曝露と現像の前に、マスクが塗布され、フォトレジストのマスクされていない部分が除去される。次いで、金がエッチングされ、膜は洗浄される。残りのフォトレジストは、紫外線への曝露、現像、洗浄によって除去される。次いで、金トレースは、ひずみ耐性を高めるために伸張されて良い。

本発明のテクスチャ加工された電極もまた、フォトリソグラフィによってパターニングされて良い。この場合、フォトレジストは、プリストレインドポリマ上に蒸着され、マスクを用いてパターニングされる。プラズマエッチングは、所望のパターンでマスクによって保護されていない電気活性ポリマの一部を除去することができる。続いて、マスクは、適切なウェットエッチングによって除去できる。次いで、ポリマの活性表面は、例えば、スパッタリングによって蒸着された金の薄層で被覆されても良い。

トランスデューサは、１つ以上のポリマ層と電極を含んでおり、用途に応じてパッケージングされる（６０８）。また、パッケージングは、機械的につながった、もしくは複数の層として重ねられた複数のトランスデューサのアセンブリを含んでも良い。さらに、トランスデューサへの機械的および電気的接続が、用途に応じて形成されて良い。

また、ポリマの製造は、１以上の添加物の追加を含んでも良い。上述の添加物の例では、絶縁破壊強度を増すために、酢酸ブチルのような溶媒中のテキサス州ヒューストン所在のシェルケミカル社によるＫｒａｔｏｎ Ｄ２１０４に、ミネラルオイルが添加された。具体的な例では、溶液は、１４．３％の重量のミネラルオイルと３２．１％の重量のＫｒａｔｏｎ Ｄ２１０４を含む。その溶液は、残りの溶媒すべてを除去し電気活性ポリマを生産するために、ガラス上に投じられ、オーブンにおいて摂氏９５度で熱せられた。次いで、ポリマは、縦横１５０％の割合で、フレーム上で伸張された。次いで、カーボングリース電極が、ポリマの相対する２面に塗布される。このプロセスは、約７０〜１００％の範囲で最大の線ひずみを持つトランスデューサを生産した。

本発明は、さらに、複数のプリストレインポリマ層を有した電気機械デバイスを製造する代替方法を提供する。一実施形態では、電気機械デバイスを製造するプロセスが、ポリマ層を取得もしくは製造することによって始まる。次いで、ポリマは、所望のプリストレインに伸張され、第１の剛性フレームに取り付けられる。アクティブ領域を規定し、電気的接続を確立するために、ポリマの両側に次の電極が蒸着される。電極は、マスクを通しての噴霧コーティングのような様々な従来の技術によってパターニングされて良い。必要ならば、次いで、第２のポリマ層が第２のフレーム上に伸張される。次いで、この第２のポリマ層の上に電極がパターニングされる。次いで、第２のポリマ層は、それぞれのフレームを積み重ねることにより第１の層に接続される。必要ならば、２つの層および電極を接着するために、適切な適合性接着剤の層が用いられても良い。フレームのサイズは、ポリマ層が密接に接触することを妨げないように選択される。妨害が生じる場合には、例えば、第１のフレームの周囲のポリマ層を切除することにより、第２のフレームを除去することが望ましい。必要ならば、電極を備える第３のポリマ層が、第１の層に第２の層が付加された方法と同様にして追加されても良い。この手順は、所望の数の層に達するまで継続して良い。

次いで、剛性フレーム、剛性部材、もしくはその他の電気的および機械的なコネクタが、例えば、接着によってポリマ層に取り付けられる。必要ならば、次いで、第１のフレームからポリマが除去されても良い。いくつかの場合では、第１のフレームが、最後のアクチュエータの構造部として働いても良い。例えば、第１のフレームは、ダイヤフラムデバイスの配列を形成するために穴の配列であっても良い。

図７Ｂ〜図７Ｆは、複数の電気活性ポリマ層を有した電気機械デバイス６４０を製造するための第２のプロセスを、本発明の別の実施形態にしたがって示した図である。本発明にしたがったプロセスは、いくつかの追加のステップを含んでも良いが、本発明を不明瞭にすることを避けるため、説明も図示もしていない。そのプロセスは、例えば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）ディスク上にポリマを回転塗布する工程と、ポリマを伸張する（図７Ｂ）工程と、剛性基板６２４に取り付ける工程によって、適切な剛性基板６２４上にプリストレインドポリマ６２２を形成することにより始まる。ポリマ６２２が硬化された後、ポリマ６２２の露出面６２６上に、電極６２５がパターニングされる。次いで、ポリイミド、マイラ、アセテートの内の１つを含む可撓性の膜のような固形部材６２７が、適切な接着剤６２８で電気活性ポリマ６２２上に蒸着される（図７Ｃ）。

次いで、剛性基板６２４は、電気活性ポリマ６２２からはく離される（図７Ｄ）。はく離を促進するために、イソプロピルアルコールのようなはく離剤が用いられても良い。次いで、ポリマ６２２のあらかじめ露出されていない面に、電極６２９がパターニングされる。次いで、剛性基板６３１に取り付けられた別の電気活性ポリマ層６３０に、アセンブリが接着される。ポリマ層６２２および６３０は、例えば、ＧＥ ＲＴＶ１１８シリコンを含む接着層６３２によって接着されても良い。次いで、剛性基板６３１がポリマ６３０からはく離され、ポリマ６３０の利用可能な面６３４に電極６３３がパターニングされる。追加のポリマ層が必要であれば、ポリマ層を追加し、剛性基板を除去し、電極を追加するステップを、所望の数のポリマ層を形成するまで繰り返せば良い。ポリマ層６３５は、このように追加されたものである。デバイス６４０の内部の層にある電極への電気の伝達を促進するために、金属ピンを構造内に貫通させて、各層の電極と接触させても良い。

次いで、特定のアクチュエータによって必要とされるフレームもしくは機械的接続を提供するための必要に応じて、固形部材６２７がパターニングもしくは除去されても良い。一実施形態では、ダイヤフラムデバイスは、適切なマスクもしくはエッチング技術を用いて、電気機械デバイス６４０にアクティブ領域を提供する穴６３６を形成するために固形部材６２７をパターニングすることにより形成されても良い。別の実施形態では、アクティブ領域が広くなく、損傷なしにポリマのアクティブ領域に電極を追加できる場合には、固形部材６２７は、ポリマ６２２への取り付け前に穴６３６によってパターニングされても良い。

図７Ｂ〜Ｆのプロセスについては、剛性基板６２４は通例、可撓性の電気活性ポリマをはく離することにより電気活性ポリマ６２２からはく離される。はく離は、実質的に平面のプロフィルを持つ電気活性ポリマを含むデバイスを製造するのに適している。別の実施形態では、はく離を容易にするために、ポリマもしくは電極と剛性基板との間に、犠牲層が用いられても良い。犠牲層を用いると、犠牲層をエッチング除去することにより、ポリマ、電極、取り付けアセンブリを剛性基板からはく離することができる。例えば、アルミニウムと銀を含む金属は、犠牲層としての使用に適している。金属を用いると、ポリマ層に影響を与えない液体によって、犠牲層をエッチング除去することができる。金属の犠牲層は、さらに、電気機械デバイス６４０の他の構造要素のためのフレームやコネクタを提供するために、様々なマスキング技術によって容易にパターニングされることが可能である。犠牲層は、さらに、例えば、管状の剛性基板を用いるような、平面でないプロフィルを持つトランスデューサを備えるデバイスの製造に用いられても良い。幾何学的に複雑なトランスデューサについては、複雑な形状を形成するために、浸漬コーティングと組み合わせて犠牲層が用いられても良い。

いくつかの特定の例にしたがってプリストレインドポリマの製造に関して簡単に説明したが、本発明の製造プロセスおよび技術は、上述の任意のアクチュエータもしくは用途に応じて変化しても良い。例えば、特定の一実施形態にしたがってダイヤフラムデバイスを製造するプロセスは、構造化電極がポリマ上に製造される前に基板上にポリマを回転塗布する工程を含んでも良い。次いで、ポリマが伸張され、各ダイヤフラムデバイスのアクティブ領域サイズの１つ以上の穴を含む剛性フレームが、構造化電極の重複部分すべてを含むプリストレインドポリマに接着される。別の実施形態では、例えば、基板がシリコンである場合に、別々の剛性フレームを用いる代わりに、基板内に穴がエッチングされる。次いで、基板がポリマからはく離され、ポリマの下面側に電極が取り付けられる。

８．結論
本発明は、いくつかの好ましい実施形態に即して説明され、簡単のために省略したが、本発明の範囲内の変更、置換、等価物が存在する。例えば、本発明は、様々な多数の応用材料の電極に即して説明されたが、本発明は、これらの材料に限定されず、空気を電極として備える場合もある。さらに、本発明は、特定の性能範囲を持ついくつかの好ましいポリマの材料および形状寸法に即して説明されたが、本発明は、これらの材料および形状寸法に限定されず、挙げられた範囲外の性能を持つ場合もある。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項を参照して決定されるべきである。

電圧を印加される前および後におけるトランスデューサを、本発明の一実施形態にしたがって示した上面図である。 電圧を印加される前および後におけるトランスデューサを、本発明の一実施形態にしたがって示した上面図である。 波状の外形を有した電気活性ポリマに関し、テクスチャ加工された表面を示した図である。 ランダムなテクスチャを有したテクスチャ加工された表面を含む電気活性ポリマを示した図である。 電気活性ポリマを含んだダイヤフラムトランスデューサの電圧印加前における状態を、本発明の一実施形態にしたがって示した横断面図である。 図１Ｅの電気活性ポリマダイヤフラムの電圧印加後における状態を、本発明の一実施形態にしたがって示した横断面図である。 電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスの作動前および作動後における状態を、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。 電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスの作動前および作動後における状態を、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。 変形を改善させるコンポーネントを追加された、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスを、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。 電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスの作動前および作動後における状態を、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。 電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスの作動前および作動後における状態を、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。 複数のポリマ層を含んだトランスデューサを、本発明の一実施形態にしたがって示した横断面図である。 人工筋肉の一例としての積層形の多層デバイスを、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。 電気活性ポリマのダイヤフラムを含んだ、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスを、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。 ロール状の電気活性ポリマを含んだシャクトリムシ型アクチュエータを、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。 電気エネルギと１方向の機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスを、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。 電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスを、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。 図２Ｋのデバイスを９０度の曲げ角度で曲げた状態を示した図である。 ２つのポリマ層を含み、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスを、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。 電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスを、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。 電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのデバイスを、本発明の別の一実施形態にしたがって示した図である。 適合性が１方向性である構造化電極を、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。 適合性が指向性でない構造化電極を備えるプリストレインドポリマを、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。 テクスチャ加工された電極を、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。 ２つのダイヤフラムデバイスポンプを含んだ２段式のカスケード式ポンピングシステムを、本発明の特定の一実施形態にしたがって示した図である。 少なくとも１つのプリストレインドポリマを有した電気機械デバイスを製造するためのプロセスを、本発明の一実施形態にしたがって示したフローチャートである。 複数のポリマ層を有した電気機械デバイスを製造するためのプロセスを、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。 複数のポリマ層を有した電気機械デバイスを製造するためのプロセスを、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。 複数のポリマ層を有した電気機械デバイスを製造するためのプロセスを、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。 複数のポリマ層を有した電気機械デバイスを製造するためのプロセスを、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。 複数のポリマ層を有した電気機械デバイスを製造するためのプロセスを、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。

１００ トランスデューサ
１０２ ポリマ
１０４ トップ電極
１０６ ボトム電極
１０８ 方向
１１０ 方向
１３０ ダイヤフラムデバイス
１３１ プリストレインドポリマ
１３２ フレーム
１３３ アパチャ
１３４ 電極
１３６ 電極
１３７ 高さ
１３９ 穴の直径
１４１ 下面側
１４３ 矢印
１４７ 角度
１５０ テクスチャ加工された表面
１５２ 電気活性ポリマ
１５４ 表面の波
１５５ 方向
１５６ 剛性材料
１６０ 電気活性ポリマ
１６１ 粗面
２００ バウデバイス
２０２ フレーム
２０４ 剛体部材
２０５ ジョイント
２０６ ポリマ
２０７ 電極
２０８ 方向
２１０ 方向
２１１ 負荷
２２０ バネ
２３０ 直線運動デバイス
２３１ ポリマ
２３２ 剛体部材
２３３ 長さ
２３４ 幅
２３５ 方向
２３６ 方向
２４０ 多層デバイス
２４１ プリストレインドポリマ
２４２ 剛性フレーム
２４３ 電極
２４４ 電極
２４５ 多層ダイヤフラムデバイス
２４６ ポリマ層
２４７ 接着層
２４８ 電極
２４９ 電極
２５０ プレート
２５１ 穴
２５５ 線形アクチュエータ
２５６ ダイヤフラム
２５７ 出力シャフト
２５８ アパチャ
２５９ 矢印
２６０ バネ要素
２６１ フレーム
２６２ シャクトリムシ型アクチュエータ
２６３ ポリマ
２６４ 静電クランプ
２６５ 静電クランプ
２６６ ボディ
２６７ 接続領域
２６８ 金属面
２６９ 絶縁接着剤
２７０ 伸張膜デバイス
２７１ 剛性フレーム
２７２ 穴
２７３ プリストレインドポリマ
２７４ 剛体バー
２７５ 電極対
２７６ 電極対
２７９ ストローク
２８０ 曲がり梁デバイス
２８２ 剛体サポート
２８１ ポリマ
２８３ 薄膜材料
２８４ 電極
２８５ 電極
２８６ 上面
２８７ 下面
２８８ 自由端
２９０ 曲がり梁デバイス
２９１ プリストレインドポリマ
２９２ プリストレインドポリマ
２９３ 電極
２９４ 電極
２９５ 電極
２９６ 剛体サポート
２９７ 半径方向
２９８ 直線方向
２９９ 自由端
３００ デバイス
３０２ ポリマ
３０４ 電極
３０８ 剛体部材
３１０ 剛体部材
３１２ エッジ
３１４ エッジ
３１６ 湾曲部分
３１８ 湾曲部分
３２０ 方向
３２２ 方向
５００ ポリマ
５０１ 構造化電極
５０２ 金属トレース
５０３ 電荷分布層
５０６ 適合的な方向
５１０ プリストレイン
５１２ 金属トレース
５１４ 方向
５１６ 方向
５２０ テクスチャ加工された電極
５２１ テクスチャ加工された電極
５２２ ポリマ
５２６ 方向
５４０ ダイヤフラムポンプ
５４２ ダイヤフラムポンプ
５４４ プリストレインドポリマ
５４５ フレーム
５４６ プリストレインドポリマ
５４７ フレーム
５４８ 穴
５５０ 穴
５５１ 空洞
５５２ 空洞
５５３ プランジャ
５５５ １方向バルブ
５５６ １方向バルブ
５５８ １方向バルブ
５６０ 曲げバネ
６２２ プリストレインドポリマ
６２４ 剛体基板
６２５ 電極
６２６ 露出面
６２７ 固形部材
６２８ 接着剤
６２９ 電極
６３０ 電気活性ポリマ層
６３１ 剛体基板
６３２ 接着層
６３３ 電極
６３４ 利用可能な面
６３５ ポリマ層
６３６ 穴
６４０ 電気機械デバイス

Claims (39)

1. 機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うジェネレータであって、
   少なくとも２つの電極と、
   第１の部分に加えられた変形に応じて電場の変化を生じるように構成され、弾性的にプリストレインされている、１００Ｍｐａ未満の弾性率を有する電気活性ポリマと、
   を備えるジェネレータ。
   
2. 請求項１記載のジェネレータであって、
   前記ジェネレータは、前記変形に先立ってプリストレインされているジェネレータ。
   
3. 請求項２記載のジェネレータであって、
   前記少なくとも２つの電極は、前記プリストレインの結果として生じる弾性復元応力よりも小さい電場による応力を前記電気活性ポリマ内に生じさせる電圧を印加するために用いられるジェネレータ。
   
4. 請求項２記載のジェネレータであって、
   前記変形は、１方向への収縮であるジェネレータ。
   
5. 請求項４記載のジェネレータであって、
   電気エネルギは、前記収縮時に前記少なくとも２つの電極を介して出力されるジェネレータ。
   
6. 請求項１記載のジェネレータであって、さらに、
   前記変形を提供する機械的入力を備えるジェネレータ。
   
7. 請求項１記載のジェネレータであって、
   前記電気活性ポリマは一定の厚さを有し、前記変形は前記ポリマの前記厚さに垂直な面積の増大を含むジェネレータ。
   
8. 請求項１記載のジェネレータであって、
   前記プリストレインは、第１の方向と直交する第２の方向に加えられるプリストレインを超える大きさで前記第１の方向に加えられるジェネレータ。
   
9. 請求項８記載のジェネレータであって、
   前記第１の方向に加えられる前記プリストレインは、前記第２の方向への変形から生じる電場の変化を強化させるために使用されるジェネレータ。
   
10. 請求項１記載のジェネレータであって、
    前記電気活性ポリマは、シリコンエラストマ、アクリルエラストマ、ＰＶＤＦコポリマ、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される材料を備えるジェネレータ。
    
11. 請求項１記載のジェネレータであって、
    前記少なくとも２つの電極の１つは、前記電気活性ポリマの変形に伴って形状を変化させるジェネレータ。
    
12. 請求項１記載のジェネレータであって、さらに、
    バイアス圧力が加えられるジェネレータ。
    
13. 請求項１記載のジェネレータであって、
    第１の方向への機械エネルギを電気エネルギに変換させ、
    前記電気活性ポリマは、前記第１の方向への前記変形に応じて前記電場の変化を生じるように構成され、
    前記ジェネレータの前記ポリマに結合され、前記ジェネレータに関して機械エネルギから電気エネルギへの変換を促進させる可撓性フレームと
    を備えるジェネレータ。
    
14. 請求項１記載のジェネレータであって、
    第１の方向への機械エネルギを電気エネルギに変換させ、
    前記電気活性ポリマは、前記第１の方向への前記変形に応じて前記電場の変化を生じるように構成され、
    前記ジェネレータに結合され、前記第１の方向と直交する第２の方向への変位を実質的に阻止する少なくとも１つの剛性部材と
    を備えるジェネレータ。
    
15. 請求項１４記載のジェネレータであって、
    前記電気活性ポリマは、ある１方向にだけ別の１方向よりも大きく変形し得るジェネレータ。
    
16. 請求項１記載のジェネレータであって、
    前記電気活性ポリマは添加物を含む、
    ジェネレータ。
    
17. 請求項１６記載のジェネレータであって、
    前記添加物は、電気活性ポリマの絶縁破壊強度、最大の線ひずみ、誘電率、弾性率、応答時間、および作動電圧のうち少なくとも１つを改善させるジェネレータ。
    
18. 請求項１６記載のジェネレータであって、
    前記添加物は、可塑剤、抗酸化剤、高誘電率微粒子のうち少なくとも１つを備えるジェネレータ。
    
19. 請求項１６記載のジェネレータであって、
    前記添加物は、前記電気活性ポリマの能力のうち、機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行う能力と、接着の能力と、のうちいずれか１つを向上させるジェネレータ。
    
20. 請求項１記載のジェネレータはさらに、
    前記電気活性ポリマの１つの少なくとも一部分および前記少なくとも２つの電極に重ね合わされ、前記ポリマおよび／または前記少なくとも２つの電極の１つに機械的に結合された層であって、第１の電極の一部分に積層され、前記第１の電極を外側から機械的に保護する層を備える、ジェネレータ。
    
21. 請求項１記載のジェネレータはさらに、
    前記電気活性ポリマの１つの少なくとも一部分および前記少なくとも２つの電極に重ね合わされ、前記ポリマおよび／または前記少なくとも２つの電極の１つに機械的に結合された層であって、変形の最中に、より均一に前記電気活性ポリマに負荷を分布させる層を備える、ジェネレータ。
    
22. 請求項１記載のジェネレータはさらに、
    前記電気活性ポリマの１つの少なくとも一部分および前記少なくとも２つの電極に重ね合わされ、前記ポリマおよび／または前記少なくとも２つの電極の１つに機械的に結合された層であって、前記電気活性ポリマよりも大きい剛性を有する層を備える、ジェネレータ。
    
23. 請求項１記載のジェネレータであって、
    前記少なくとも２つの電極は第１の電極と前記第２の電極とを備え、
    前記電気活性ポリマの１つの少なくとも一部分および前記少なくとも２つの電極に重ね合わされ、前記ポリマおよび／または前記少なくとも２つの電極の１つに機械的に結合された層であって、前記第１および第２の電極の間の部分に積層される層を備える、ジェネレータ。
    
24. 請求項２３記載のジェネレータであって、
    前記層は、前記ジェネレータの破壊強度を増大させるジェネレータ。
    
25. 請求項１記載のジェネレータはさらに、
    前記電気活性ポリマの１つの少なくとも一部分および前記少なくとも２つの電極に重ね合わされ、前記ポリマおよび／または前記少なくとも２つの電極の１つに機械的に結合された層であって、前記電気活性ポリマの製造欠陥を補償するために使用される層を備える、ジェネレータ。
    
26. 請求項１記載のジェネレータはさらに、
    前記電気活性ポリマの１つの少なくとも一部分および前記少なくとも２つの電極に重ね合わされ、前記ポリマおよび／または前記少なくとも２つの電極の１つに機械的に結合された層であって、変形の最中におけるポリマの均一性を高める層を備える、ジェネレータ。
    
27. 請求項１記載のジェネレータはさらに、
    前記電気活性ポリマの１つの少なくとも一部分および前記少なくとも２つの電極に重ね合わされ、前記ポリマおよび／または前記少なくとも２つの電極の１つに機械的に結合された層であって、前記ジェネレータの機械的性質を改善する補強用の層を備える、ジェネレータ。
    
28. 請求項１記載のジェネレータはさらに、
    前記電気活性ポリマの１つの少なくとも一部分および前記少なくとも２つの電極に重ね合わされ、前記ポリマおよび／または前記少なくとも２つの電極の１つに機械的に結合された層を備え、前記層は接着層を使用して接着される、ジェネレータ。
    
29. 請求項１記載のジェネレータであって、
    前記電気活性ポリマは巻かれるまたは折られるジェネレータ。
    
30. 請求項２９記載のジェネレータであって、
    前記少なくとも２つの電極は、接地され外側に露出された電極を含むジェネレータ。
    
31. 電気エネルギと機械エネルギとの間で変換を行うためのデバイスであって、
    少なくとも１つの請求項１に記載のジェネレータと、
    前記電気活性ポリマの第２の部分に結合され、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を改善させる少なくとも１つの湾曲部分と、
    を備えるデバイス。
    
32. 請求項３１記載のデバイスであって、さらに、
    前記電気活性ポリマの第３の部分に取り付けられた第１の剛性部材と、前記電気活性ポリマの第４の部分に取り付けられた第２の剛性部材と、を備えるデバイス。
    
33. 請求項３２記載のデバイスであって、さらに、
    電気エネルギと機械エネルギとの間で変換を行うための第２のデバイスを備え、
    前記第１および第２の剛性部材は、前記デバイスと前記第２のデバイスとを並列に繋ぐために、前記デバイスを、前記第２のデバイスに機械的に結合する、デバイス。
    
34. 電気エネルギと第１の方向への機械エネルギとの間で変換を行うためのデバイスであって、
    少なくとも１つの請求項１に記載のジェネレータと、
    前記電気活性ポリマの相対する２面に結合され、前記電気エネルギと前記第１の方向への機械エネルギとの間の変換を改善させる１対の湾曲部分と、
    を備えるデバイス。
    
35. 請求項３４記載のデバイスであって、
    前記１対の湾曲部分は、前記第１の方向と直交する第２の方向へのポリマの変形を前記第１の方向への変位へと結合させるデバイス。
    
36. 電気エネルギと機械エネルギとの間で変換を行うためのデバイスであって、
    少なくとも１つの請求項１に記載のジェネレータと、
    前記電気活性ポリマの第２の部分に取り付けられ、少なくとも１つの非円形のアパチャを備えたフレームと、
    を備え、
    前記電極は、前記電気活性ポリマの前記第１の部分に取り付けられるデバイス。
    
37. 請求項３６記載のデバイスであって、
    前記非円形のアパチャはスロットであるデバイス。
    
38. 請求項３６記載のデバイスであって、さらに、
    前記電気活性ポリマの下面側にバイアス圧力が加えられるデバイス。
    
39. 機械エネルギと電気エネルギとの間の変換を行うセンサであって、
    少なくとも２つの電極と、
    第１の部分に加えられた変形に応じて電場の変化を生じるように構成され、弾性的にプリストレインされている、１００Ｍｐａ未満の弾性率を有する電気活性ポリマと、
    を備えるセンサ。

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