JP5850918B2 - 改良された触感特性を有するアクチュエータ装置 - Google Patents

Description

本願は、少なくとも一つの延伸方向を有し、構成を制御可能に変更できるアクティブ層を有するアクチュエータ装置に関する。また、本発明は、アクチュエータ装置を製造する方法に関する。

米国特許出願第2009／0167704号には、タッチスクリーンのユーザに触感性フィードバックを提供する装置が示されている。この装置は、透明電極配線の第1の層、透明圧電材料の層、第1の層に対して垂直に延在する透明電極配線の第2の層、およびタッチスクリーン入力層を有するスタックを備える。圧電材料は、圧電層の対向する両側の電極間に印加される電場の影響下で、層に対して垂直な方向に収縮膨脹する。この装置は、電極配線間に電圧差の対応するパターンを印加することにより、選択可能な表面高さの2次元配列により、ユーザにフィードバックを提供することができる。明らかに、電極は、作動の際にユーザに触れられるスキン層を形成しない。第1の層の電極配線の間には、大きな電圧差を維持することが必要となる。

国際公開第2010／00261A1号には、機械エネルギーと電気エネルギーの間で変換を行う変換器が示されており、この変換器は、2つの電極間に配置された平坦電極活性高分子（EAP）層を有する。EAPの異方性挙動を誘起するため、電極層は、中間塑性的変形材料の支援により波形化される。同様に、国際公開第2007／099094号には、機械的エネルギーと電気エネルギーの間で変換を行う変換器が示されている。電極間に挟まれた圧電層が使用され、電極は、高分子材料で構成される。最外層は導電性電極であり、そのような変換器装置は、ユーザによって直接触られる表面には使用できない。

米国特許出願公開第2009／0167704号明細書 国際公開第2007／099094号

前述のような背景に基づき、本発明では、アクチュエータ装置の表面に好適な触感特性が得られる手段が提供される。

前記目的は、請求項1に記載のアクチュエータ装置、請求項１0に記載の使用、および請求項１1に記載の方法によって得られる。好適実施例は、従属請求項に示されている。

本発明によるアクチュエータ装置は、多くの異なる目的で使用され、従って、各種形状を有しても良い。しかしながら、その形状は、少なくとも一つの（幾何学的）延伸方向を有する必要がある。例えば、単一の延伸方向を有するアクチュエータ装置は、フィラメント形状を有するが、2つの延伸方向を有するアクチュエータ装置は、面状（必ずしも平坦である必要はない）形状を有する。アクチュエータ装置は、以下の部材を有する：
a）「アクティブ層」と呼ばれる第1の層。アクティブ層の構成は、（少なくとも）前述の延伸方向に制御可能に変化し得る。アクティブ層は、例えば、適当な信号（例えば電場）に応答して、方向に収縮または膨脹しても良い。
b）「スキン層」と呼ばれ、前述のアクティブ層の上部に配置される第2の層。本願において、「上部」と言う用語は、（延伸方向に対して）アクティブ層と平行に、アクティブ層に直接または間接的に取り付けられる配置を意味する。また、スキン層は、中間凹部によって分離された複数の上昇部を有するように構造化される。その名前が示すように、スキン層は、通常、アクチュエータ装置の最外層であり、すなわちユーザによって触られる。

そのスキン層により、前記アクチュエータ装置には、好ましい特性が付与される。例えば、アクチュエータ装置の触感特性は、上昇部によって定められ、該上昇部を介して、外部物体（例えばユーザの指）との接触が生じ、上昇部同士の間の凹部によって、利用可能な接触面積が低減される。これにより、アクチュエータ装置と物体の間の摩擦を抑制するために使用される設計パラメータが提供される。さらに、その構造のため、スキン層は、延伸方向におけるアクティブ層の構造変化に干渉せず、あるいは干渉が最小限に抑制される。

前述のように、本願において「アクチュエータ装置」という用語は、極めて広い意味で
使用され、これは、多くの異なる用途を含む。アクチュエータ装置は、例えば、対象に、変化可能な表面を提供し、これは、ユーザに触覚／触感フィードバックを与え、あるいはこれを用いて、柔らかい触感センサが構成される。

アクチュエータ装置は、任意で、アクティブ層とスキン層の間に配置された、少なくとも一つのパッシブ層を有しても良い。その名前が示すように、このパッシブ層は、自身のその構造を変化することはできないが、アクティブ層の構造的な変化に追随する。パッシブ層の通常の機能は、アクティブ層の構造的変化を増幅し、および／または調整（reshape）することである。

前述のアクチュエータ装置の特定の実施例では、スキン層は、複数の（小片）ボディを有し、このボディは、以降「グレイン」と称される。グレインは、アクティブ層とは別の材料で構成され、凹部によって相互に分離される。グレインは、異なる規則性または不規則三次元形状を有しても良く、例えば、断面円形または多角形の円筒形状であっても良い。また、グレインは、アクティブ層の表面に、規則的または不規則的パターン（アレイ）で配置されても良い。グレインは不連続なため、これらは、延伸方向におけるアクティブ層の共形変化を妨害しない。グレインの材料は、アクティブ層の材料よりも大きな機械的剛性を有することが好ましい。多くの場合、剛性は、ヤング率によって定められる特性であり、通常、フックの法則が成り立つ応力範囲において、一軸歪みに対する一軸応力の比として定義される。非線形挙動の材料（例えばゴムおよび多くの高分子）が含まれるため、以降、ヤング率の代わりに、「弾性率」が使用される。この弾性率は、直線近似の観点で、ヤング率の局部的値として定められる。

別の実施例では、スキン層は、少なくとも2つのサブ層で構成され、これらのサブ層の最外層は、以下「表面層」と呼ばれる。前記表面層は、波形状であっても良く、表面層の材料は、アクティブ層の材料、および／またはアクティブ層とスキン層の間のいかなる追加の層（例えば、前述のパッシブ層）よりも大きな弾性率を有する。これは、表面層の材料は、以下の層よりも堅い（剛性的である）ことを意味し、これにより、アクチュエータ装置の触感特性が改善される。延伸方向における動きの観点から、表面層の有効剛性は、その波形形状によって、大きく左右され、従って、材料の剛性よりも有意に小さくされることに留意する必要がある。この理由から、表面層は、延伸方向におけるアクティブ層の共形変化を妨害しない。表面層の材料の弾性率と、アクティブ層および／または追加層の材料の弾性率の間の比は、2：1〜1000：1の間の範囲であることが好ましい。

前述のケースの特定の実施例では、表面層の材料は、約100kPaから50GPaの間の弾性率を有し、好ましくは約1MPaと10GPaの間の弾性率を有し、より好ましくは約10MPaと10GPaの間の弾性率を有する。これらの値は、好ましい触感特性を有するアクチュエータ装置が提供される点で、適していることが判明している。アクティブ層の材料の弾性率は、通常、10kPaから100MPaの間の範囲であり、好ましくは約100kPaと10MPaの間の弾性率を有し、より好ましくは約500kPaと5MPaの間の弾性率を有する。

前述のように、スキン層は、延伸方向におけるアクティブ層の動きを妨害しないことが好ましい。このため、スキン層は、延伸方向において十分な追随性を有する必要がある。特に、延伸方向においてアクチュエータ装置全体を弾性的に歪ませる（圧縮する）のに必要な力から、0％と90％の間、好ましくは0％と50％の間、より好ましくは0％から25％の間が、スキン層の歪み（圧縮）に必要となることが好ましい。一方、残りの力は、アクティブ層および追加層（存在する場合）の歪み（圧縮）に必要となる。前述のように、そのようなスキン層の低追従性は、スキン層を分離したグレインで構成することにより（この場合、スキン層の歪み用の力は不要となる）、あるいはスキン層に波形状を提供することにより、達成され得る。

スキン層の上昇部の直径は、通常、5μmと1mmの間の範囲である。隣接する上昇部同士の間の距離は、5μmから1mmの間の範囲であることが好ましい。また、凹部の深さは、5μmから1mmの間の範囲であっても良い。これらの値は、好ましい触感特性を有するアクチュエータ装置の提供に適していることが判明している。

一般に、アクティブ層は、延伸方向において制御可能な構造的変化が生じる、いかなる材料を有しても良い。特に、アクティブ層は、電気活性材料を有し、電場によってそのような変化が生じることが好ましい。そのような材料の特に重要な例は、以降「EAP」と称される、電気活性高分子であり、これは、外部電場において幾何学的形状が変化する誘電体電気活性高分子であることが好ましい。EAPの一例は、文献に示されている（例えば、Bar-Cohen, Y.：「人工筋肉としての電気活性高分子：実現性、潜在性および挑戦」、SPIE Press, 2004；Koo, I. M.ら：「軟性アクチュエータ系ウェアラブル触感ディスプレイの開発」、IEEE Transactions on Robotics, 2008, 24(3):p. 549-558；Prahlad, H.ら：「プログラム化表面変形：厚さモード電気活性高分子アクチュエータおよびその用途」、「電気機械変換器としての誘電体エラストマ；新しい電気活性高分子技術の基本、材料、装置、モデル、および用途」、F. Carpiら、Editors. 2008, Elsevier. p. 227-238；US-2008 0289952A；全ての文献は、本願の参照として取り入れられている）。

さらに、本発明は、少なくとも一つの延伸方向を有するアクチュエータ装置、特に、前述の種類のアクチュエータ装置を製造する方法に関する。この方法は、以下のステップを有する：
a）構成が前記延伸方向に制御可能に変化し得るアクティブ層を提供するステップ。前述のように、そのようなアクティブ層は、例えば、EAPで構成されても良い。
b）前記アクティブ層の上部に直接または間接的に配置され、中間凹部によって分離された複数の上昇部を有するように構造化されたスキン層を作製するステップ。

本方法のステップb）に示すように、スキン層は、アクティブ層の上部に間接的に配置されても良く、すなわち、両者の間には、いくつかの中間層が存在しても良い。この点に関し、本方法の好適実施例は、アクティブ層とスキン層の間に、少なくとも一つのパッシブ層を設置する、追加のステップを有する。

ステップb）におけるスキン層の作製は、いくつかの方法で行われ得る。第1の実施例では、ステップb）の作製ステップは、成膜または形成を有し、現在の最外層（これはアクティブ層であっても良く、あるいはアクティブ層を覆うパッシブ層であることがより好ましい）の表面上にグレインを成膜および／または形成するステップを有する。グレインの成膜は、例えば印刷法など、いくつかの異なる方法で行っても良い。別の手順では、現在の最外層上に、液体層が設置され、適当なモールドの補助によって、必要なグレイン構造がエンボス加工される（「液体エンボス加工」）。あるいは、電磁放射線の印加によって、必要なグレイン構造がエンボス加工される（「光エンボス加工」）。あるいは、前記液体は、予め構成された極性／無極性領域のパターンにおいて、最外層を濡らしても良い。また、グレインは、最初に光高分子重合化により構成され、次に、現在の最外層に転写されても良い。

他の実施例では、本方法のステップb）は、以下のサブステップを有する：
b1）現在の最外層の表面が複数の上昇部および凹部を有するように形状化するステップ。
b2）前記形状化された表面上に、前記アクティブ層の材料よりも高い弾性率を有する、追加の材料を成膜するステップ。

前述のサブステップb2）の代わりに、以下の代替サブステップを使用しても良い：
b2’）前記形状化された表面の上部層を、該上部層の弾性率が前記アクティブ層の材料よりも大きくなるように変化させるステップ。そのような変化は、例えば電磁放射線によって達成されても良い。

両方の手順において、構造化されたスキン層は、アクティブ層上に製造され、複数の上昇部および凹部を有し、アクティブ層よりも固有の剛性が高い、最も外側の表面層を有する（成膜された追加材料によって、または変形上部層によって構成される）。

本発明のこれらのおよび他の態様は、以降に示す実施例を参照することで明らかとなる。これらの実施例は、添付図面を参照した一例として示されるものである。

複数の分離グレインで構成されたスキン層を有する、本発明による第1のアクチュエータ装置を概略的に示した断面図である。 エポキシド円柱のアレイで構成されたスキン層を有する第2のアクチュエータ装置の上面図である。 重畳化上昇部を有するウェルのアレイからなるスキン層を有する第3のアクチュエータ装置の上面図である。 断面半円の波形部を有するスキン層を備える、本発明による第4のアクチュエータ装置を概略的に示した断面図である。 正弦曲線の波形部を有するスキン層を備える、第5のアクチュエータ装置を概略的に示した断面図である。 断面円上の上昇部を有する第6のアクチュエータ装置の上面図である。 断面矩形状の上昇部を有する第7のアクチュエータ装置の上面図である。 断面三角形状の上昇部を有する第8のアクチュエータ装置の上面図である。 ボロノイ分割（Voronoi tessellation）に分離された上昇部を有する第9のアクチュエータ装置の上面図である。 弾性率の定義を示した図である。

図において、同様の参照符号または100の整数倍だけ異なる番号は、同一のまたは同様の素子を表す。

電気活性高分子、略して「EAP」は、「高分子アクチュエータ（または「人工筋肉」）」としても知られており、長い間研究が進められている。いくつかの競合技術が存在する（前述のBar-Cohen）。誘電体エラストマーは、電場の影響下で形状が変化する材料として知られている（電気歪み）。これらは、特に、比較的（場合によっては、かなり）薄い層（前述のKoo、Jung）における使用に適した高分子アクチュエータの類である。また、従来より、誘電体高分子の厚さモード作動が提案されている（前述のPrahlad、Prelinら）。

高分子アクチュエータは、触感性ディスプレイおよびプログラム化表面形状用途に極めて適している。これらは、従来の電気機械アクチュエータおよび圧電アクチュエータに比べて、単純で薄く、数mmの厚さの作動層から移動表面を提供する。従来の手段では、通常、3〜5cmが必要である。その結果、これらの高分子アクチュエータは、極めて魅力的で潜在的に安価な方法を提供し、触感フィードバックユーザインターフェース、適合型「切り替え」物理ボタン、切り替え式立体ロゴ、および変更可能表面仕上げが形成される。

高分子アクチュエータを使用することに関する問題は、通常、材料が極めて柔らかく、弾性的なことである。弾性率は、1MPa（またはショア硬度30）以下であり、従来から製品表面に使用されている材料の剛性（rigidity／stiffness）に及ばない（図10に関連して弾性率の定義を示す）。このため、これらの材料は、「ソフトタッチ」の感覚を与え、これは、しばしば、多くの用途において好ましい。しかしながら、これらの低弾性率アクチュエータで構成された製品表面は、人の皮膚（しばしば、手または指先）との間で極めて大きな摩擦を発生させる。これにより、表面上で皮膚をスライドさせることが難しくなるため、表面に対するハンドリングまたは接触が非魅力的なものとなる。その結果、表面は、ユーザによって「粘着性」と知覚される。表面の低弾性率との組み合わせによって、これは、不快な「粘性状」非滑性表面と知覚される。

この解決のため、システムに作動表面の特性を低下させる大きな機械的剛性を加えることなく、作動表面の上部に、皮膚との摩擦を打ち消す（表面の触感特性を改善する）ように構成された、薄い剛性のある層を追加することが提案される。

これに関連して、本願発明者らは、アクチュエータ装置と人の皮膚（特に微細スケールで）との間の有効接触面積によって、摩擦が支配されることを見出した。人の皮膚は、完全に平坦ではなく、異なる長さスケールでの粗さを有する。軟性エラストマーのような弾性材料は、この粗さを容易に収容することができ、これは、皮膚の粗さシワに侵入するエラストマーによって生じる大きな接触面積、高い摩擦、および「粘着性」効果につながる。より弾性の弱い（すなわちより剛性のある）エラストマーを使用して、皮膚と接触させることにより、この問題に対処することができる。しかしながら、今度は、これにより、アクチュエータの動きが制限され、アクチュエータの特性の顕著な低下につながる。

これらの考察から、内層の上部（例えば、アクティブ層の上部、および／またはアクティブ層の表面を被覆するパッシブ層の上部）に、注意深く構成された薄い、剛性のある「スキン層」を使用することが提案される。これにより、凹部によって分離された複数の上昇部により、表面層が「波状化」され、または「折り曲げられる」。これにより、人の皮膚と接触する接触面積が低減される。これは、（薄い連続層の曲げを介して、および／または不連続層の凹部が広がることにより）表面の伸縮と容易に適合できるため、作動表面の動きを制限しない一方で、過度の摩擦を回避する上で、十分な剛性が提供される。この効果は、上部の軟性組織よりも堅い人の皮膚の上部層（角質層）とは異なる。

以下、前述の一般概念を実現する2つの基本的な方法について説明する：
A 第1の方法では、構造は、平坦な電気応答システムの上部に形成され、構造は、不連続であり、前記システムの変形を容易化する；
B 第2の方法では、電気応答システム自身が、より硬質の上部層の変形が容易となる表面幾何形状を有する。

図1には、第1の方法Aにより設計された、アクチュエータ装置100の断面図を概略的に示す。アクチュエータ装置100は、上部に、「アクティブ層」110、「パッシブ層」115、および「スキン層」120の層状構造を有する。これらの3層は、2つの垂直な「延伸方向」、すなわち示された座標系に対してx、y方向に、幾何学的に延在する。

アクティブ層110は、適当な信号の受信（例えば電場）により、少なくとも一つの延伸方向に収縮、膨脹する（および任意で、他の方向にも）。これは、例えば、EAPで構成されても良い。パッシブ層115は、アクティブ層の面内作動の被覆に使用され、面外移動は、触感用途に適する。パッシブ層115は、通常、いくつかのエラストマーを有する。アクティブ層110は、さらに、いくつかのサブ層（図示されていない）で構成され、および／または電極のような追加の部材（図示されていない）を有しても良い。

スキン層120は、複数の不連続構造を有し、これらは、以降「グレイン」121と称される。これらは、断面矩形状のブロックとして概略的に示されている。グレイン121は、上昇部Eを構成し、この上昇部は、共通の輪郭表面Cにおいて、上部表面を有するように配置される。グレイン121は、深さd（通常、約5μmから1mmの間）の凹部Rによって分離される。これらの凹部Rは、ボイド（図示）であっても、ある（軟性）固体材料（図示されていない）で充填されても良い。

上昇部Eは、規則的または不規則な形状を有し、中間（medium）直径sは、約5μmから1mmの間であっても良い。前記直径は、適当な高さ（例えばその高さの半分、すなわちd／2；この高さの断面が非円形の場合、直径は、前記断面の2つの点の間の最大距離として定義される）で測定される。同様に、隣接する上昇部Eの間の中間距離wは、約5μmから1mmの間であっても良い。

方法Aによる構造を構成するため、印刷技術、エンボス技術、またはパターン化光重合を利用するリソグラフィー技術など、各種加工技術を利用しても良い。以下、ある実際の実施例について説明する。

A1 リソグラフィー技術
軟性電気応答エラストマー（すなわち、図1の「アクティブ層110」または「パッシブ層115」）上に、市販のエポキシ系フォトレジスト（例えばSU8）のリソグラフ露光により、エポキシド構造部のアレイを構成する。図2のSEM画像には、得られる上昇部E（円筒状グレイン221を有する）のアレイの一例を示す。

軟性エラストマー上に前述の構造を形成する方法は、エラストマーの材料、ならびにSU8のコーティングステップおよび露光ステップの際の溶媒抵抗に依存する。これらを構成する好適な方法は、分離基板上に構造を製造し、その後これらを電気応答システム（エラストマー）に転写することである。特定の例は、以下のステップを有する：
10μm厚さのポリビニルアルコール層（ドクターブレードコーティング機器により、水溶液からコーティングされる）を有するガラス基板上に、ネガティブフォトレジスト材料（SU8、MicroChem社から市販されている）の15μmの厚さの層を設置することにより、マイクロアレイを製造する。予備ベークステップ（65℃で2分、および95℃で10分）により、全ての溶媒が蒸発し、SU8がガラス状態となる。これにより、複数の暴露ステップを使用することが可能となる。次に、サンプルは、マスクを介して露光され、サブミクロンサイズのラメラ（層状構造）の潜在画像が形成される（140mJ／cm²、351nm）。露光の後、サンプルが65℃で1分間加熱され、95℃で2分間加熱され、フォトレジストのクロスリンクが形成される。非クロスリンク領域は、SU8現像液（mr-Dev600、MicroChem社）を用いて洗浄除去され、その後、プロパノール2を用いてリンス洗浄される。構成されたSU8構造は、構造部の上部を、粘性2成分系エポキシの薄い（0.5μm）層に押し付け、次にエラストマーに押し付けることにより、電気応答エラストマーに転写される。2成分系エポキシが硬化され、ポリビニルアルコールを水中で溶解させることにより、ガラス板が除去される。

この操作では、数GPaの比較的大きな弾性率を有する構造が提供される。構造は、弾性内層上の未接続剛性素子（グレイン）で構成されるため、アクチュエータの動きは、拘束されず、接触表面の低下により、表面摩擦はおおきく低減される。

A2 液体エンボス化技術
エラストマーよりも高弾性率であるが、比較的低弾性率の構造を製造する代替方法は、液体エンボス化技術を使用することである。例えば、スピンコーティングにより、またはワイヤーロッドコーティングにより、ゴム（EAP）上に、反応性混合物の液体層が設置される。液体層において、ネガ表面幾何形状を有するモールドが押し付けられる。これは、アクチュエータ上であることが望ましい。次に、反応層は、硬化により高分子に変換され、モールドが除去される。この方法でグレインを形成するのに適当な材料は、
−低弾性率構造用の中間温度の加熱で硬化する2成分系シリコーンゴム、
−例えば、中間弾性率構造用の光硬化によって硬化するアクリレートモノマー混合物、
−高弾性率構造用の、室温または中間温度の加熱により硬化する2成分系エポキシ。

A3 光エンボス化技術
構造化表面を製造するさらに別の方法は、感光性高分子のいわゆる光エンボス化処理である。例えば、高分子バインダとしてのポリベンジルメタクリレート（Mw 70kg／mol、Scientific Polymer Products社）、多機能モノマーとしてのジペンタエリトリトール ペンタ／ヘキサ−アクリレート（Sigma Aldrich社）、抑制剤としての第3ブチルヒドロキノン（Sigma Aldrich社）、および光開始剤としてのIrgacure 819（CIBA Specialty Chemicals社）の混合物が使用される。溶媒として、エトキシプロピルアセテート（Avocado Research Chemicals社）とプロピレングリコール−メチルエーテルアセテート（Aldrich社）の50／50wt％混合物を使用した。光重合溶液は、23.5wt％の高分子バインダと、23.5wt％のモノマーと、2.4wt％の光開始剤と、3.6wt％の抑制剤と、47wt％の溶媒とで構成される。混合物は、エラストマー（EAP）上にコーティングされ、溶媒の揮発の後、マスクを用いて、局部的にUV光で露光した。80℃までの短い加熱ステップにより、拡散過程が開始され、重合化される際に、反応性モノマー（ジペンタエリトリトール ペンタ／ヘキサアクリレート）が露光領域に拡散し、表面プロファイルが形成される。熱現像の前の複数の露光により、手近の用途向けに適正に設計された、複雑な表面幾何形状が得られる。ラインマスクおよびホールマスクを介した後続の露光の後に得られた、上昇部Eおよび凹部Rの表面を有するアクチュエータ装置300の一例は、図3に示されている。

A4 印刷技術
さらに別の製造方法では、印刷技術により、構造が電気応答エラストマー（EAP）上に形成される。インクジェット印刷およびオフセット印刷法など、いくつかの印刷方法が利用できる。印刷インクは、アクリレートモノマーで構成され、溶媒フリーであり、これにより、プロセスは、しばしば、低溶媒抵抗エラストマーと互換性を有するようになる。この場合、印刷の後、UV硬化ステップが実施される。

A5 湿式法／乾式法
グレイン化スキン層を形成する別の方法は、EAP層の上にコーティングされる上部層に湿式法／乾式法を使用することである。EAP層を局部的に遮蔽するシャドウマスクを用いたUVオゾン処理により、EPA層は、局部的に有極性にされる。これにより、極性表面に、小さな極性「島」のパターンが形成される。薄膜の上部にUV硬化処理を実施した場合、それが乾燥し、極性の島に、小さな液滴が形成されるようになる。短いUV露光により、これらの液滴は、固体材料、すなわち所望のグレインに変換される。

以下、第2の方法Bについて、より詳しく説明する。方法Bでは、エラストマー層は、より硬質な上部層の変形が容易となる表面幾何形状を有する。

この点に関し、図4には、第2の方法Bにより構成された、アクチュエータ装置400の断面を概略的に示す。アクチュエータ装置200は、アクティブ層410、例えばEAPを有する。前記アクティブ層の上部には、パッシブ層415があり、この上には、スキン層420がある。スキン層420は、ほぼ半円状の断面を有する、直径（1/2幅）sの上昇部Eで構成され、これらは、深さdおよび幅wの凹部Rによって分離されている。上昇部Eは、主として、パッシブ層と同じ材料のカーネル422で構成される（すなわち、この材料は、パッシブ層415とスキン層420の間で、連続的に延伸する）。カーネル層422の上部は、高弾性率の材料の表面層421である。符号411および511は、電極層を表し、これらの層は、装置に付随し、アクティブ層410および510のそれぞれとともに変形し、延伸する。

延伸可能な電極構造は、通常、以下のリストから選定された、少なくとも一つの材料を含む組成で構成することができる：
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（スチレンスルフォネート）（PEDOT：PSS）。

例えば、カーボンブラックを含む組成で構成された延伸可能な電極構造では、電極層411および511は、アクティブ層410および510とともに適正に延伸できる。

図5には、図4と同様のアクチュエータ装置500を示す。図5は、スキン層520の断面が正弦波関数に似ている点で、図4とは異なっている。

方法Bにより構造、例えば図4または図5の構造を形成する際の適当な方法は、モールドに対して表面を形成することにより、EAPエラストマーおよび／またはパッシブ層の成形ステップを使用することである。以下、実際の2つの実施例について説明する。

B1 コーティング法
第1の例では、EAPエラストマーおよび／またはEAP上のパッシブ層は、例えば、2成分系シリコーンゴムで構成され、これは、硬化の間、モールド表面に適合し、例えば、図4、5に示すような波形状の表面構造が提供される。次に、この波形構造は、より硬質の表面層でコーティングされる。この表面層に適当な材料は、例えば、UV硬化性アクリレートコーティングを有し、このコーティングは、以下の成分を有する：
−90wt％のトリプロピレングリコールジアクリレート
−4wt％の2−エチルヘキシルアクリレート
−2wt％のヘキサンジオールジアクリレート
−1wt％のオクタデシルチオール
−3wt％のIrgacure819（CIBA Specialty Chemicals社）。

コーティングの前に、EAPエラストマーおよび／またはその上のパッシブ層は、UVオゾン処理され、密着性および濡れ性が向上する。EAPまたはパッシブ層の上にスピンコーティングされたアクリレートコーティングは、1μmの厚さで形成され、窒素ブランケット下でUV露光される。

別の例では、表面コーティングは、テトラヒドロフラン／エタノール（1／1 w／w）混合溶媒中に、5wt％のポリエチルメタクリレートを含む溶液で構成される。この混合物は、スピンコーティング法により、EAPまたはパッシブ層上に設置され、0.2μmの薄膜が残留する。溶媒中でのEAPまたはパッシブ層の隆起を防止するため、溶液の液滴の投与とスピンの間の接触時間は、できるだけ短く維持され、通常、5秒未満である。

別の例では、コーティングは、薄い（100nm〜5μm）弾性フォイルで構成され、このフォイルは、波形状に、表面にのり付けされ、または取り付けられる。この波形状は、薄膜を予備延伸基板に設置し、その後予備延伸された薄膜を、波形状に曲がるように引き剥がすことによって実現される。

B2 UV開始重合化
別の好適な方法は、ブロックコポリマーおよび不活性液体材料系のゲルからエラストマーEAP層を構成するステップを有する。ブロックコポリマーは、不活性液体に対して非混和性のセグメントと、混和性のセグメントとで構成され、これにより、低い弾性率のまま、機械的一体性が得られる。この混合物により硬質の上部層を提供するため、あるモノマー、例えば1wt％のトリメチロールプロパントリアクリレートが、光開始剤、および光開始剤と同じ波長領域で吸収を示す色素とともに、低濃度で添加される。以下、操作の手順について説明する。高分子ゲルをUV透明モールドに対して押し付けることにより、高分子ゲルに表面形状が提供される。UV光により、モールドを介して混合物が露光される。色素の存在のため、混合物中の光の浸透深さは、極めて小さい。ゲルとモールドの間の界面近傍でのみ、重合化が生じる。重合化の間、モノマーは、界面に拡散し、これにより、薄いが硬質の上部層が形成され、モールドの除去後、これにより、ゲルは、その形状内に保持される。

以下、本発明によるアクチュエータ装置のアクティブ層110〜510、（任意の）パッシブ層115、415、515、およびスキン層120〜520に関して、ある一般的な検討事項について、より詳しく説明する。既に説明したように、スキン層は、2つの事項を達成する必要がある：
1 スキン層は、好ましくない大きな摩擦の影響を除去する必要がある。このため、スキン層は、（1または2以上の）以下の特性を有する。これらは、皮膚との接触面積を削減するためのものである：
1a アクチュエータ装置のスキン層は、人の皮膚の上部層の弾性率（剪断または引張のいずれか）の少なくとも1／10の弾性率（剛性）を有することが好ましい。アクチュエータ装置のスキン層は、人の皮膚の上部層よりも剛性があることが好ましい。その剛性は、人の皮膚の引張剛性よりも有意に大きい（10〜100倍）ことがより好ましい。これらの特性により、アクチュエータの上部層は、人の皮膚に存在する粗さ形状に「追随」しなくなる。「追随」が生じると、有効接触面積が大きくなり、摩擦が上昇する。

人の皮膚の上部層の剛性（弾性率）は、肌の相対湿度（RH）によって大きく変化する。特に、人の皮膚は、層状構造となっており、層間で、機械的特性は大きく変化する。人の皮膚の上部層（角質）は、上部（乾燥）層において、1GPaの剛性を有する（Hendriks, F. M., D. Brokkenら、「生体内吸引実験における人の肌の異なるスキン層の機械的挙動に及ぼす相対的寄与」、Medical Engeneering and Physics 28(3): 259-266; Pailler-Mattei, C., S. Pavanら、「人の皮膚のバイオ摩擦的特性を定める際の角質の寄与」、Wear 263(7-12): 1038-1043）。通常、「全」指先皮膚の剛性は、より低く、1〜5MPaである（Wang, Q.およびV. Hayward、「局部的タンジェンシャルトラクション下での指腹皮膚の生体内生物化学」、Journal of biomechanics 40(4): 851-860）。本発明の目的のため、粗さのない表面、および1μm以下の形状を有する表面の場合、等価な弾性皮膚剛性または1GPaの弾性率が仮定され、1mm（以上）の形状の場合、5MPaの剛性まで直線的に減少する。

1b 前述の剛性と組み合わせて、表面形状（または幾何形状）は、接触面積が最小化されるように、定められる必要がある。人の皮膚自体は、粗い表面であり、これを達成する最も有効な対応は、大きな粗さ、好ましくは人の皮膚の粗さのスケールよりも小さいスケールで、そのような粗さ、を有するアクチュエータ装置のスキン層を提供することである。人の皮膚の粗さは、通常、40μm（顔）から少なくとも100μm（指先）までのオーダである。波長は、100μmから1mmまでである（「粗さ」は、深さdに対応し、「波長」は、図4、5における人為的構造の距離w＋sに対応する）。触れられる触感表面に関し、指先は、特に関係が深い。その結果、アクチュエータ装置における表面構造の粗さ（深さd）は、100μm未満であることが好ましく、30μm未満であることがより好ましい（単一の皮膚表面細胞のサイズ）。波長は、粗さと同じオーダであることが好ましい。

2 アクチュエータ装置のスキン層は、スキン層によって、その上部にスキン層が配置される軟性アクチュエータ構造、すなわちアクティブ層および／またはパッシブ層（存在する場合）の変形が妨害されないような機械的特性および寸法を有する必要がある。

2a 前述の目的を達成するため、図4、5によるアクチュエータ装置のスキン層は、アクチュエータ装置全体の引張剛性よりも小さな引張剛性（層の弾性率と厚さdの積で定義される）を有する必要がある。その引張剛性は、アクチュエータ装置全体の引張剛性の半分よりも小さいことがより好ましく、アクチュエータ装置の引張剛性よりも十分に小さいこと（少なくとも10倍）がより好ましい。理想的には、スキン層の引張剛性は、アクチュエータ装置全体の引張剛性の1％を超えない。換言すれば、これは、アクチュエータ装置全体の弾性歪みに印加される力のうち、スキン層の歪みには、1％しか必要ないことを意味する。残りの力は、アクティブ層およびパッシブ層（存在する場合）の歪みに必要となる。波形状薄膜は、真っ直ぐな同じ薄膜よりもずっと小さな引張剛性を有することに留意する必要がある。

2b あるいは、スキン層は、図1乃至3のように構造化されても良い。すなわち、スキン層は、不連続グレインで構成されても良い。この場合、グレインでは、アクチュエータ装置の歪みに対して、対抗力は全く働かない。

前述の1と2aの要求事項の組み合わせにより、通常、アクチュエータ装置のアクティブ層またはパッシブ層の上部には、比較的薄く不均一なまたは波状の層が得られる。例えば、弾性率が約1MPaの2mmの厚さのアクチュエータ装置が考慮される。これは、アクチュエータ全体の引張剛性が、1MPa・2mm＝1N／mm²・2mm＝2N／mmであることを意味する。弾性率が2.5GPaの理想的な表面層では、2N／mm／2.5GPa＝0.8μmよりも有意に薄くする必要がある。実験では、4GPaの弾性率を有する1.5μm厚さの表面層において、良好な特性が得られている。波形状薄膜の場合、この層は、同じ引張剛性を維持したまま、より厚くできることに留意する必要がある。

図6乃至9には、考えられる異なる形状の上昇部Eおよび凹部Rを有するアクチュエータ装置600乃至900の上面図を示す。これらのバリエーションには、上昇部Eの円形（図6）、矩形（図7）、三角形（図8）、およびボロノイ（図9；G. Voronoi、「Nouvelles Applications des Parametres Continus a la Theorie des Formes Quadratiques. Deuxieme Memoire: Recherches sur les Parallelloedres Primitifs」、Journal fur die reine und angewandte Mathematik. Vol. 134, p. 198-287, 1908）の各構造が含まれる。

前述のアクチュエータ装置は、以下の分野／製品に使用され得る：
−触感（適応性）ユーザインターフェース
−適応性製品仕上げ（表面形状の変更）
−軟性高分子センサ表面
−点字ディスプレイ
−ハイブリッド（光学式／機械式）ディスプレイ
−軟性触感（圧力）センサ。

センサの実施例では、触感検知のため、EAPの上部に、1または2以上の追加の電極層が追加されても良い。

図10には、直方体ボディBの弾性率Eの定義を概略的に示す。（応力のない）直方体ボディBは、長さl、厚さh、および幅wを有し、断面積A＝b・hである。このボディBの面Aに対して垂直に、力Fが印加されると（他の端部は固定）、ボディは、量Δlだけ変形する。弾性ボディの場合、印加応力σ＝F／Aと得られる歪みε＝Δl／lの間には、特殊な関係fがあり、すなわち、

σ＝f（ε）

「弾性率」は、この関係の微分E＝df／dεとして定められる。一般に、非線形の場合、この弾性率は、歪みεに依存する。線形の場合、すなわち、フックの法則が利用できる場合、弾性率は一定となり（ヤング率と称される）、単純な式（F／A）＝E・（Δl／l）が得られる。

通常、ボディBは、均一材料で構成され、弾性率は、前記材料に固有の特性定数を表す。ただし、ボディBは、ある構造化対象物であっても良く、例えば、それぞれ、図4および5に示したスキン層420または520の一部であっても良い。この場合、印加応力（F／A）と得られる歪み（Δl／l）の関係は、形状的構造にも依存する。これらの場合、弾性率は、材料のある体積の「等価」弾性率と称される。

厚さhが自由設計パラメータであると仮定すると、ボディBの「引張剛性」を検討することが好適であり、これは、弾性率と厚さの積、すなわちE・hである。

最後に、本願において、「有する」と言う用語は、他の素子またはステップの存在を否定するものではなく、「一つの」と言う用語は、複数の存在を否定するものではなく、単一のプロセッサまたは他のユニットは、いくつかの手段の機能を満たしても良いことが指摘される。本発明は、新たな特徴的特徴、および各特徴的特徴の組み合わせを有する。また、請求項における参照符号は、それらの範囲を限定するものと解してはならない。

Claims (17)

1. 少なくとも一つの延伸方向を有するアクチュエータ装置であって、
   a）構成が前記延伸方向に制御可能に変化し得るアクティブ層と、
   b）前記アクティブ層の上部に配置され、中間凹部によって分離された複数の上昇部を有するように構造化された別の層であって、使用の際に、ユーザによって触られる、当該アクチュエータ装置の最外層となるスキン層である別の層と、
   を有し、
   前記スキン層は、該スキン層に接触する物体との接触面積を最小化するように構成される、アクチュエータ装置。
2. 前記スキン層において、隣接する前記上昇部同士は、5μmから1mmの間隔で、前記中間凹部によって分離されることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ装置。
3. 前記スキン層の材料の剛性は、前記アクティブ層の剛性よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ装置。
4. 前記アクティブ層は、電極を有することを特徴とする請求項１乃至3のいずれか一つに記載のアクチュエータ装置。
5. 前記スキン層は、前記凹部によって相互に分離された複数のグレインを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のアクチュエータ装置。
6. 前記アクティブ層と前記スキン層の間に配置されたパッシブ層を有することを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ装置。
7. 前記スキン層は、前記凹部によって相互に分離された複数のグレインを有し、該グレインは、前記アクティブ層とは別の材料で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ装置。
8. 前記スキン層は、波状の表面層を有し、前記表面層の材料は、前記アクティブ層の材料、および／または前記アクティブ層と前記スキン層の間のいかなる追加層の材料よりも高い弾性率を有することを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ装置。
9. 前記表面層の材料は、約100kPaと50GPaの間の弾性率を有し、好ましくは約1MPaと10GPaの間の弾性率を有し、より好ましくは約10MPaと10GPaの間の弾性率を有することを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ装置。
10. 前記アクティブ層は、電気活性材料を有し、好ましくは電気活性高分子を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載のアクチュエータ装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一つに記載のアクチュエータ装置の使用であって、
    ユーザが前記アクチュエータ装置の最外層に触ると、信号の制御の下、前記アクチュエータ装置の前記延伸方向において、前記アクティブ層の構成が変化するステップを有し、
    前記ユーザに触られる最外層は、前記スキン層であり、該スキン層は、前記アクティブ層の上部に配置され、中間凹部によって分離された複数の上昇部を有するように構造化されることを特徴とする使用。
12. 少なくとも一つの延伸方向を有するアクチュエータ装置を製造する方法であって、
    a）構成が前記延伸方向に制御可能に変化し得るアクティブ層を提供するステップと、
    b）前記アクティブ層の上部に直接または間接的に配置され、中間凹部によって分離された複数の上昇部を有するように構造化された別の層を作製するステップと
    を有し、
    前記別の層は、使用の際に、ユーザによって触られる、製造後の前記アクチュエータ装置の最外層となるスキン層であり、
    前記スキン層は、該スキン層に接触する物体との接触面積を最小化するように構成される、方法。
13. 前記スキン層において、隣接する前記上昇部同士は、5μmから1mmの間隔で、前記中間凹部によって分離されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記アクティブ層と前記スキン層の間に、パッシブ層を設置する追加ステップを有することを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記b）のスキン層を作製するステップは、現在の最外層の上にグレインを成膜および／または形成するステップを有し、
    前記グレインは、前記アクティブ層とは別の材料で構成されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
16. 前記b）のスキン層を作製するステップは、以下のサブステップ：
    b1）現在の最外層の表面が複数の上昇部および凹部を有するように形状化するステップと、
    b2）前記形状化された表面上に、前記アクティブ層の材料よりも高い弾性率を有する、追加の材料を成膜するステップと、
    を有することを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
17. 前記b）のスキン層を作製するステップは、以下のサブステップ：
    b1）現在の最外層の表面が複数の上昇部および凹部を有するように形状化するステップと、
    b2’）前記形状化された表面の上部層を、該上部層の弾性率が前記アクティブ層の材料よりも大きくなるように変化させるステップと、
    を有することを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。

Images