JP6675011B2 - 電気活性物質に基づくセンサー・デバイスおよび感知方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電物質および電気活性ポリマーのような電気活性物質を利用するセンサー・デバイスおよびそのようなデバイスを使う感知方法に関する。

圧電物質は何十年にもわたってよく知られており、最も一般的な例はジルコン酸チタン酸鉛という圧電セラミックである。

電気活性ポリマー（EAP）は、電気応答性物質の分野における台頭しつつある物質のクラスである。EAPはセンサーまたはアクチュエーターとして機能でき、さまざまな形状に簡単に製造されることができ、幅広い多様なシステムに簡単に統合できる。

ここ十年間で、有意に改善したアクチュエーション応力およびひずみのような特性をもつ物質が開発されている。技術リスクは製品開発のために受け入れ可能なレベルにまで低下し、よってEAPは商業的および技術的にますます関心を集めている。EAPの利点は、低電力、小さな形状因子、柔軟性、ノイズレス動作、正確さ、高分解能の可能性、高速応答時間および巡回的なアクチュエーションを含む。

EAP物質の改善された性能および格別な利点により、新たな用途への適用可能性が生じる。

EAPデバイスは、電気的なアクチュエーションに基づいて、コンポーネントまたはフィーチャーの少量の動きが所望される任意の用途で使用できる。同様に、この技術は、小さな動きを感知するために使用されることができる。

EAPを使うことで、以前には可能でなかった機能が可能になり、あるいは一般的なセンサー／アクチュエーター解決策に対して大きな利点を提供する。一般的なアクチュエーターに比べて、小さな体積または薄い形状因子における相対的に大きな変形および力の組み合わせのおかげである。EAPはノイズレス動作、正確な電子制御、高速応答および0〜20kHzのような可能なアクチュエーション周波数の大きな範囲をも与える。

電気活性ポリマーを使うデバイスは、電場駆動とイオン駆動物質に細分できる。

電場駆動EAPの例は、誘電エラストマー、電気抵抗性ポリマー（たとえばPVDFベースのリラクサー・ポリマーまたはポリウレタン）および液晶エラストマー（LCE）である。

イオン駆動EAPの例は、共役ポリマー、カーボンナノチューブ（CNT）・ポリマー複合材料およびイオン性ポリマー金属接合体（IPMC: Ionic Polymer Metal Composites）である。

電場駆動のEAPは、直接的な電気機械結合を通じて電場によってアクチュエーションされる。一方、イオン性EAPについてのアクチュエーション機構はイオンの拡散に関わる。いずれのクラスも、複数のファミリー構成員をもち、それぞれ独自の利点および欠点をもつ。

図１および図２はEAPデバイスについての二つの可能な動作モードを示している。

デバイスは電気活性ポリマー層１４の両側の電極１０、１２の間にはさまれた電気活性ポリマー層１４を有する。

図１は、クランプされていないデバイスを示している。電気活性ポリマー層を図のように全方向に膨張させるために電圧が使われる。

図２は、膨張が一方向にのみ生じるように設計されたデバイスを示す。このデバイスは支持層１６によって支持される。電気活性ポリマー層を曲がらせるまたは屈曲させるために電圧が使われる。

この動きの性質は、たとえば、アクチュエーションされるときに膨張する活性層と受動的な支持層との間の相互作用から生じる。図のように軸のまわりの非対称的な曲がりを得るためには、たとえば分子配向（フィルム延伸）がたとえば適用されてもよく、それが一方向の動きを強制する。

一方向の膨張は、電気活性ポリマーにおける非対称性から帰結してもよく、あるいは支持層の属性における非対称性から帰結してもよく、あるいは両方の組み合わせであってもよい。

感知用途では、感知されるべき外力によって誘起される変形がインピーダンスにおける測定可能な変化を生じさせることができる。あるいはまた、圧電性物質のようないくつかの電気活性物質は、外力刺激に応答して電荷を生成する。

ある種の用途では、たとえばデバイスと人体との間の接触領域を測定するために、センサーのアレイが有用であることがある。たとえば、タッチパネルと人の指の間の接触領域は、特許文献１に記載されるシステムにおいて測定される。この文書は、圧電性ポリマー・センサーの受動マトリクスを含むタッチパネルを記載している。感知電極の形は、圧電層の上面と下面に、上側電極線と下側電極線が互いに垂直になるように配置された複数の電極線である。

そのようなマトリクスにおいて一意的な位置パターンを決定するためには、センサー素子を個々に読み出すまたは行および列を逐次的にスキャンすることが必要である。これは（すべてのピクセルを個々に接続する）複雑な配線および／または電子回路（行および列スイッチ）を必要とする。

この複雑さは、行および列の並列読み出しを実行することによって回避できるが、代償は、一意的な位置パターンを決定することができなくなる、ということである。このように、従来の受動マトリクス概念は、行および列の並列読み出しを用いて一意的な位置パターンを決定することを可能にしない。

米国特許出願公開第2012/0086651号 米国特許出願公開第2014/0139329号

よって、センサー・アレイに加えられるパターンの検出を可能にする単純なマトリクス・アドレッシング方式が必要とされている。

本発明は請求項によって定義される。

本発明の第一の側面に基づく例によれば、センサー・デバイスであって、
行および列に配列された電気活性センサー素子の受動マトリクス・アレイと；
行線のアレイおよび列線のアレイとを有しており、各交差部にセンサー素子があり、各センサー素子は外部入力が感知されるときにセンサー信号を生成し、
各センサー素子は、各行および各列における全センサー・アレイ信号が外部入力の任意のパターンが決定されることを可能にするよう、二値センサー信号を生成する、
センサー・デバイスが提供される。

このデバイスでは、受動マトリクス・アドレッシング方式を使って、入力を感知しているセンサー素子のパターンを決定することが可能である。そのような受動マトリクス方式では、センサー素子は、断路スイッチがなく、行および列導体に結合したままである。

センサー素子はセンサー電流を生成する。電流が（ほぼ）二つの可能な値のみ、たとえば0およびあるオン電流のみを取ることができるよう構成することによって、各行および各列においていくつのアクティブな素子があるかを決定することが可能になる。このようにして、アクティブな素子の一意的なパターンが識別できる。センサー素子は二値の生の出力信号を生成し、それが行線および列線上で、あるいは行線および列線の間で提供される。

各センサー素子は、二つの配位をもつ双安定素子を有していてもよい。

本発明の第二の側面に基づく例によれば、センサー・デバイスであって、
電気活性センサー素子の受動マトリクス・アレイを有しており、各センサー素子は外部入力が感知されるときにセンサー信号を生成し、
各センサー素子は、組み合わされたセンサー信号から個別のセンサー素子が識別できるよう異なる周波数特性をもつセンサー信号を生成し、それにより外部入力の任意のパターンが決定されることを可能にする、センサー・デバイスが提供される。

このデバイスでは、やはり受動マトリクス・アドレッシング方式を使って、入力を感知しているセンサー素子のパターンを決定することが可能である。各センサー素子は、特定の識別可能な周波数特性をもつ出力を生成する。センサー・アレイによって生成される組み合わされたセンサー信号を解析することによって、個別の成分が識別できる。

上記二つの側面は、受動マトリクス方式を使って、どんなパターンの素子がアクチュエーションされようとも、アクチュエーションされるすべてのセンサー素子を識別できるようにするという共通の課題に対処する。どちらの側面でも、センサー素子のアレイは同時に読み出しされうる。

第二の側面では、各センサー素子は、外部入力に応答して出力電流を生成する電流生成素子と、出力電流をある周波数特性をもつ出力信号に変換するリアクティブ負荷回路とを有していてもよい。

リアクティブ負荷回路はたとえば、共振回路を含む。ここで、各センサー素子の共振回路はコンポーネント値の異なる集合をもつ。これらの異なるコンポーネント値が、所望される異なる周波数特性を与える。

共振回路はたとえば、並列LC回路を含んでいてもよいが、他の多くの共振回路設計が可能である。

センサー素子はさらに、電流生成素子と負荷回路との間にダイオードを有していてもよい。これは電流の流れを制限する。

解析のための組み合わされた信号を生成するために、センサー信号を加算するための加算回路が使われてもよい。

上記の例は電気的な周波数特性に基づく。代替は、各センサー素子が異なる機械的共振周波数または異なる機械的緩和時間をもつというものである。その場合、これらの異なる機械的周波数特性は、生成されるセンサー信号において識別可能である。こうして、これらは機械的共振特性であるが、やはりセンサー素子によって生成される電気信号において識別可能である。

第一の側面は、行および列に配列された電気活性センサー素子の受動マトリクス・アレイと、行線のアレイおよび列線のアレイとを有しており、各交差部にセンサー素子があるセンサー・デバイスへの外部入力のパターンを感知するための感知方法をも提供する。本方法は：
外部入力が感知されるときに、各センサー素子においてセンサー信号を生成し、
各行および各列における全センサー信号から、外部入力のパターンを決定することを含む。

第二の側面は、電気活性センサー素子の受動マトリクス・アレイを有するセンサー・デバイスへの外部入力のパターンを感知するための感知方法をも提供する。本方法は：
各センサー素子において異なる周波数特性をもつセンサー信号を生成し、
組み合わされたセンサー信号から、個別のセンサー素子を識別して、それにより外部入力のパターンを決定することを含む。

各センサー素子は、外部入力に応答して出力電流を生成する電流生成素子を有していてもよく、本方法は、負荷回路を使って、出力電流を、ある周波数特性をもつ出力信号に変換することを含む。

本方法は、周波数スペクトル解析を使って、総和されたセンサー信号における諸センサー素子を識別することを含んでいてもよい。本方法はその代わりに、各センサー素子に異なる機械的共振周波数または異なる機械的緩和時間をもたせることを含んでいてもよい。

本発明の例についてここで付属の図面を参照して詳細に述べる。
クランプされていない既知の電気活性ポリマー・デバイスを示す図である。 裏打ち層によって制約されている既知の電気活性ポリマー・デバイスを示す図である。 標準的な受動マトリクス・アドレッシング方式の問題を示すために使われる図である。 本発明のデバイスにおいて用いられてもよいセンサー素子の第一の例およびその電気的応答を示す図である。 センサー・アレイにおける図４のセンサー素子をどのように使うかを示す図である。 図４の設計に基づくセンサーの受動マトリクス・アレイを示す図である。 本発明のデバイスにおいて用いられてもよいセンサー素子の第二の例を示す図である。 図７のセンサー素子の電気的応答を示す図である。 図８のプロットの一部の拡大図である。 図７の二つのセンサーの出力信号の周波数プロットである。 図１０の出力信号における周波数成分を示す図である。

本発明は、行および列に配列された電気活性センサー素子の受動マトリクス・アレイを有するセンサー・デバイスを提供する。一例では、各センサー素子は、各行および各列における全信号が諸外部入力の任意のパターンが決定されることを可能にするよう、二値センサー信号を生成する。これは、受動マトリクス・アドレッシング方式を使って、入力を感知しているセンサー素子のパターンを決定する第一の仕方を提供する。別の例では、各センサー素子は異なる周波数特性をもつセンサー信号を生成する。これは、諸外部入力の任意のパターンが決定されることを可能にするもう一つの仕方を提供する。

受動マトリクスにおける一意的な位置パターンを決定するために、通常は、ピクセルを個々に読み出すか、行および列を逐次的にスキャンすることが必要である。これは、（すべてのピクセルを個々に接続する）複雑な配線および／または行および列スイッチのような電子回路を必要とする。

この複雑さは、行および列の並列読み出しを使うことによって回避できるが、代償は、一意的な位置パターンを決定することができなくなる、ということである。

このことは図３に示されている。図３は、行および列の並列読み出しのある圧電センサーの例として2×2マトリクスを示している。このように、センサー素子のアレイは二つの行導体および二つの列導体の集合を有し、センサー素子は各行および列の交差部にある。

このマトリクスにおけるあるピクセルが図３のＡに示されるようにタッチされる場合、各センサーの上側電極および下側電極に接続される行線および列線を通じて電流が流れる。電流を示す行および列によって、そのピクセルの一意的な位置が決定できる。図３のＢおよびＣに示されるように同じ行または列における二つのピクセルがタッチされる場合、それらのピクセルの一意的な位置はやはり、電流を経験する電極線の行番号および列番号によって決定できる。

しかしながら、異なる行および列における二つのピクセルが図３のＤに示されるようにタッチされる場合、あるいは図３のＥおよびＦに示されるように三つ以上のピクセルがタッチされる場合、それらの一意的な位置を決定することはもはや可能ではない。

この問題は、本発明のいくつかの例によれば、ピクセルにシグネチャーを提供することによって対処できる。ピクセル・シグネチャーの要件は、センサーに対する外部アクチュエーション（たとえばタッチ）の特性、たとえば力のレベル、時間およびスピードに対して敏感でないということである。これらの特性はピクセルによって変わりうるからである。

ピクセル・シグネチャーについてのオプションは、パルス振幅（電圧、電流）、パルス形状（電圧、電流）、パルス方向（電流が電極線に流入または電極線から流出）またはパルス周波数である。

機械的に双安定な設計に基づく第一の例を図４を参照して説明する。

この例では、各センサー素子は二値センサー電流を生成し、各センサー素子についての電流（すなわち二つのレベル）は同じであり、各行および各列において流れる全電流によって外部入力の任意のパターンが決定されることができる。

これは、センサー素子設計への修正を要求する。具体的には、電気活性センサーは典型的には、加えられる力またはセンサー素子に力が加えられる距離の関数であるアナログ出力を提供する。二値応答を生成することによって、機械的な設計が使用されうる。二値応答とは、感知なしについてある信号値があり、外部入力を感知することについて別の信号値があることを意味する。

図４のＡは、双安定センサー素子４０を示している。これは、上の図に示される非アクチュエーション・ポジションをもち、十分な力によってアクチュエーションされると、下の図に示されるアクチュエーション・ポジションに飛び移る。これらのポジションの間のセンサー素子の動きは電気信号を生成するが、それは本質的にはいかなるアクチュエーションについても同じである。動きは、閾値に達したときに始まり、新たなポジションを取るまで、ほぼ一定の継続時間をもつ。このように、飛び移り〔スナップスルー〕効果を利用する、軽い力に対する機械的な双安定応答の形の各センサー素子のシグネチャーがある。センサー応答はこの双安定効果のため、常に同じである。

センサー素子は、外部刺激が除去されたときに自らをリセットするよう、バイアスをかけられてもよい。あるいはセンサー素子は、該センサー素子をアクチュエーターとして駆動することによってリセットされてもよい。これは、双安定アクチュエーター設計を定義する。

双安定効果を作り出すために、アクチュエーションがないおよび閾値より低い外部アクチュエーションがあるときに当該素子をある状態に保持するが、その後、当該素子が切り換わることを許容する機械的素子が使用されてもよい。

一つの例は、加圧された金属シートのような、二つの安定状態の間で飛び移ることのできる機械的双安定層である。たとえば、それは凸状態と凹状態の間で、あるいは等価だが上に凸の状態と下に凸の状態の間でトグルすることができる。それは当該センサー素子にかぶさる蓋として形成されてもよい。

図４のＢは対応する出力信号を示している。センサーが非感知状態に留まる間、たとえ閾値に達するには不十分な外部刺激があったとしても、出力信号はない。

閾値に達すると、センサー素子は感知状態に切り換わり、この切り換えが図示した電流パルスを生成する。

図４のＣは、センサー素子４０が、基板シート４０ｂにかぶさる電気活性層４０ａをもつ二層構造を有していてもよいことを示している。これはアクチュエーターとして、およびセンサーとして機能する。EAPがアクチュエーションされるとき、EAP‐基板複合体は図４のＣに示されるように状態１から状態２に移行する。これはリセット手順として機能する。外力はセンサー素子４０に、状態３として示される押下状態に飛び移らせる。この押下が図４のＢに示される電荷パルスを生成する。

アクチュエーションおよび感知の両方を使うことによって、各感知機能の間にリセットが実行されうる。

すべてのセンサー素子についての出力を、好適なマージンの範囲内で同じにすることによって（図４のＢに示されるパルス）、行または列内のより多くのセンサー素子が作動させられたときを、出力の振幅を考慮することによって、推定することが可能である。より高い出力は、より多くのセンサー素子が押されたことを示す。これは、標準的なセンサーにおいては振幅が常に押されたセンサー素子の数を表わすのではないという問題に対処する。

加えられる力が飛び移りのための閾値を超えている限り、出力電荷（図４のＢではQoutとして示される）は加えられる力とはほぼ独立である。Qout＝1という規格化された値を想定すると、図５は、アクティブ化された位置を決定するために使用されうるデジタル方式を示している。

図５の各表は、メインの表における「1」を使って、外部的に動作させられたセンサー素子を示している。最上行および左列が、センサー素子の4×4アレイについて行および列導体を流れる電流を示している。それぞれの可能なパターン（2¹⁶通りの可能なパターンのうち5つのみ示している）は、行および列の電流計測値の一意的な組を生成する。こうして、外部入力の任意のパターンが決定できる。

図６は、行および列に配列された電気活性センサー素子５０の受動マトリクス・アレイを示している。行線５２のアレイおよび列線５４のアレイがあり、各交差部にセンサー素子５０がある。各行に流入するまたは各行から流出するおよび各列に流入するまたは各列から流出する全センサー・アレイ信号は、外部入力の任意のパターンが上記で説明したようにして決定されることを可能にする。

上記の手法は、各センサー素子の機械的応答を制約することによって各センサー素子からの双安定出力を生成することに基づいている。代替は、電気的手段によって所望される双安定または二値の応答を生成することである。たとえば、電気出力に対する上限が課されてもよい。これはたとえば、（出力電流の電圧への変換とともに）出力電圧を制限するツェナー・ダイオードを使うことによる。同様に、やはり閾値デバイスを使って、出力が生成される前に下限が課されてもよい。このように、出力は、値の所望される範囲にはいるよう制約されうる。

上記の手法は、各センサー素子からの出力を同じにすることに基づいている。それにより、信号を生成しているセンサー素子の数を数えることができる。もちろん、この手法は、感知を二値方式にするので、アナログ内容は失われる。

第二の手法が図７を参照して説明される。この手法は、各センサー素子出力を一意的に識別可能にする。具体的には、各センサー素子は、異なる周波数特性をもつセンサー信号を生成するよう構成される。それにより、組み合わされたセンサー信号から個別のセンサー素子が識別できる。これはやはり、外部入力の任意のパターンが決定されることを可能にする。

図７は、複合インピーダンスの形の定義された負荷を加えることによって、センサー素子に一意的な共振周波数を与えることに基づいている。その場合、各センサー素子は、それ自身の一意的な周波数応答によって識別できる。共振周波数は、受動コンポーネントを選択することによって調整されることができる。それらの受動コンポーネントはコンポーネント値（たとえばインダクタンスまたはキャパシタンス）において異なる。

あるセンサー素子がアクティブ化される場合、電流が生成され、該電流は次いで、負荷における振動共振電流を励起するために使われる。単にセンサー素子からの出力を加算することによって、すべての生成された振動が組み合わされることができ、次いで、たとえばロックイン増幅器またはアナログ・フィルタを使ってアナログ領域で、あるいはアナログ‐デジタル変換後に高速フーリエ変換アルゴリズムを使ってデジタル領域で、読み出されることができる。

図７では、二つのセンサー素子６０、７０が示されている。各センサー素子６０、７０は、抵抗６４、７４およびキャパシタンス６６、７６と直列な電流源６２、７２と、並列抵抗６８、７８としてモデル化される。

センサー素子は典型的には、アレイをなすよう行および列において配置される。しかしながら、この場合、各センサー素子は一意的な信号パターンをもつので、組み合わされた個別の行信号または列信号を考える必要はない。その代わりに、すべてのセンサー素子が最終的に単一の出力に接続されてもよい。このように、センサー素子を非一様なアレイにおいて位置決めするさらなる自由度がある。

各センサー素子は、この例では並列LC回路を含むそれぞれの複合負荷８０、８２に関連付けられている。LC回路は直列のインダクタおよび抵抗器L1、R1およびL2、R2と、抵抗器‐インダクタ分枝に並列なキャパシタC1、C2とを有する。これらのLC回路はキャパシタ値においてのみ異なる。

それぞれのダイオード８４、８６が、各センサー素子６０、７０とその関連付けられた負荷回路８０、８２との間に設けられて、センサー素子を高い過電圧から保護する。

図示した例では、振動する回路応答が、二つの追加的なダイオード９０に基づいて、単一の変調（加算）回路によって組み合わされて、その後、ノード９２における組み合わされた出力を生成する。

シミュレーションの目的のために、感知されるべき機械的入力が、各センサー素子６０、７０の電流源６２、７２をアクティブ化する長方形の電圧パルスとしてシミュレートされた。

図８は、回路シミュレーションの結果を示している。

上の図は、二つのセンサー素子に与えられる機械的センサー入力を示している。第一のセンサー素子のための入力は１００として示され、立ち上がりおよび立ち下がりエッジが見て取れる。第二のセンサー素子のための入力は１０２として示され、やはり立ち上がりおよび立ち下がりエッジが見て取れる。二つのアクティブ化期間は重なり合う。

各センサー素子の電流源がアクティブ化されるとき、中央の図におけるプロット１０４および１０６によって示されるように、指数関数的減少電流が生成される。プロット１００および１０４はセンサー素子６０についてである。トレース１０５はダイオード８４のアノードでの、すなわちセンサーの出力における電圧を示している。プロット１０２および１０６はセンサー素子７０についてである。トレース１０７はダイオード８６のアノードでの、すなわちセンサーの出力における電圧を示している。

センサー素子電流の関数として、生成された振動応答が下の図に示されている。プロット１０８が第一のセンサー素子についてであり、プロット１１０が第二のセンサー素子についてである。

振動応答１０８の拡大された一部が図９に示されている。指数関数的に減少する外側包絡線をもつ振動が見て取れ、この振動は特性周波数をもつ。

二つの振動応答の間の差を識別するために、いくつかの既知の手法を用いることができる。たとえば、上記の過渡的なシミュレーション・データから周波数応答を生成するために、高速フーリエ変換（FFT）が使われた。結果は図１０および図１１に示されている。

図１０では、上の図は組み合わされた出力信号を、周波数に対する振幅として対数スケールで示している。下の図は、それらの単独応答を、第一のセンサー素子についてのプロット１２０および第二のセンサー素子についてのプロット１２２として、独立に呈示している。周波数応答における、特に中心周波数の位置における明瞭な差が観察できる。

図１１は、シミュレーション結果の部分集合を線形スケールで示している。プロット１３０の第一のセンサー素子の中心周波数は15.233kHzにあり、プロット１３２の第二のセンサー素子の対応する中心周波数は15.833kHzにあり、よって700Hzの差が検出できる。

図７を参照するに、過電圧保護のためのダイオード８４、８６は、センサー素子が高いピーク振動電圧に耐えられるのであれば、必要とされないことがある。センサー素子がそのような高い過電圧を許容できるのであれば、並列キャパシタC1、C2も使用されなくてもよく、共振回路を形成するために必要とされるのは並列インダクタンスだけである。こうして、共振回路は並列または直列共振回路でありうる。

出力における帯域分離は、前記複合負荷の一部としてフィルタ（低域通過、帯域通過、高域通過）を使うことによって改善されうる。帯域通過フィルタは、前記加算回路においても使用されうる。

上記の例は、異なる電気的に誘起される周波数応答をもつセンサー素子を利用している。代替は、センサー素子の異なる機械的側面を使うことによって異なる周波数応答を提供することである。たとえば、それらのセンサー素子は、異なる寸法または機械的特性（たとえば基板の硬さ）をもつことの結果として、異なる共振周波数を示してもよい。センサー素子を押すこと、放すことまたはタップすることが共振振動を誘起するように、センサー素子が設計されてもよい。

あるいはまた、異なるセンサー素子は異なる機械的緩和または応答時間を有していてもよい。たとえば、放したときに、あるセンサーが、別のセンサーよりもゆっくりその初期形態に戻ってもよい。このことは、出力信号の後縁のフーリエ解析によって識別できる。

本発明は、主として感知アレイに関するが、本発明は感知機能およびアクチュエーション機能の両方をもつデバイスのために使用されてもよい。

EAP層に好適な材料が知られている。電気活性ポリマーは、これに限られないが、次のサブクラスを含む：圧電ポリマー、電気機械ポリマー、リラクサー強誘電性ポリマー、電気抵抗性ポリマー、誘電エラストマー、液晶エラストマー、共役ポリマー、イオン性ポリマー金属接合体（IPMC）、イオン性ゲルおよびポリマー・ゲル。

電気抵抗性ポリマーのサブクラスは、これに限られないが、次のものを含む：
ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリフッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン（PVDF-TrFE）、ポリフッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン‐クロロフルオロエチレン（PVDF-TrFE-CFE）、ポリフッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン‐クロロトリフルオロエチレン（PVDF-TrFE-CTFE）、ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン（PVDF-HFP）、ポリウレタンまたはそれらの混合物。

誘電エラストマーのサブクラスは、これに限られないが、次のものを含む：
アクリレート、ポリウレタン、シリコーン。

共役ポリマーのサブクラスは、これに限られないが、次のものを含む：
ポリピロール、ポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン、ポリ（p-フェニレンスルフィド）、ポリアニリン。

加えられる電場に応答してのEAP層の挙動に影響するために、追加的な受動層が設けられてもよい。

EAP層は電極の間にはさまれてもよい。電極は、EAP物質層の変形に追随するよう、伸張可能であってもよい。電極に好適な材料も知られており、たとえば、金、銅もしくはアルミニウムのような薄い金属膜または誘起伝導体、たとえばカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリン（PANI）、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT）、たとえばポリ（3,4-エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホナート）（PEDOT:PSS）からなる群から選択されうる。

異なる層のための材料はたとえば、異なる層の弾性率（ヤング率）を考慮に入れて選択される。

デバイスの電気的または機械的な挙動を適応させるために、上記で論じたものに対する追加的な層が使用されてもよい。たとえば追加的なポリマー層である。

EAPデバイスは、電場駆動デバイスまたはイオン駆動デバイスでありうる。イオン・デバイスはイオン性ポリマー金属接合体（IPMC）または共役ポリマーに基づいていてもよい。イオン性ポリマー金属接合体（IPMC）は、加えられた電圧または電場のもとで人工的な筋肉挙動を示す人工の複合ナノ材料である。

IPMCは、NafionまたはFlemionのようなイオン性ポリマーの表面を、白金もしくは金のような導体またはカーボン・ベースの電極で、化学的にめっきしたものまたは物理的にコーティングしたもので構成される。印加電圧のもとで、IMPCのストリップにかかる課された電圧に起因するイオン移動および再分配の結果、屈曲変形が生じる。ポリマーは溶媒膨潤したイオン交換ポリマー膜である。電場により、カチオンは水と一緒にカソード側に移動する。これは、親水性クラスターの再編成およびポリマー膨張につながる。カソード領域におけるひずみは、ポリマー・マトリクスの残りの部分における応力につながり、その結果、アノードのほうに曲がる。印加電圧を反転させると、曲がりが逆になる。

めっきされた電極が非対称的な配位に構成されている場合、課される電圧は、ねじり、ロール、トーショニング、ターンおよび非対称的な曲がり変形など、あらゆる種類の変形を誘起できる。

感知機能を実装するには、使用される電気活性ポリマーの型に依存して、さまざまな仕方がある。上記の感知例は、圧電応答をもつ、すなわち外部入力に応答して出力電流を生成するセンサーに基づいている。これは、電気活性ポリ・センサーについての既知のセンサー機能である。たとえば、特許文献２は電流を送達するために電気活性ポリマー・センサーを使う例を開示している。

代替的な手法は、電気活性ポリマー・センサーのインピーダンス変化をモニタリングすることである。これはたとえば、アクチュエーションしている間に同時に感知することを許容する。

この型のセンサー機能はセンサーの型に依存する。たとえば、上述したPVDF-TrFEポリマーおよびPVDF-TrFE-CFEポリマーは実際に圧電性である。さらに、PVDF-TrFE-CFEベースのポリマーは、小さなdcバイアス電圧（典型的にはフルスケールのアクチュエーション電圧の1%）を加え、外部変形によって生成される誘起電流を測定することによって、（擬似）圧電性物質として構成されることができる。この機構は、逐次的な低電圧感知および高電圧アクチュエーションを実行するデバイスにおいて使用されうる。

誘電エラストマーは、小さな感知ac電圧（＜アクチュエーション電圧の1%）をもって感知されてもよく、外的にアクティブ化されるときのインピーダンス変化が測定される。この感知手法は、アクチュエーション電圧に重畳されてもよい。本質的には、これはアクチュエーターから来る電流として現われる（キャパシタンスが変化するので、キャパシタに蓄積された電荷が変化し、電流信号として現われる）。

最後に、イオン性ポリマーは、バイアス電圧の必要なしに、押されたときに電流を与える。これは、アクチュエーター内でのイオンの物理的な再分配のためである。より具体的には、外側の曲がっている端に近いイオンはやや離間され、一方、内側端のイオンはやや圧縮される。その後、電荷のオフセットをならすようこれらのイオンは再分配され、この動きが測定可能なセンサー電流（数マイクロアンペア）を生じる。この効果は、アクチュエーターがアクチュエーションされるときでも存在する。

本発明は、アクチュエーターの受動マトリクス・アレイが有用である多くのEAP感知用途で適用できる。

多くの用途では、プロダクトの主要な機能は、人間組織の（ローカルな）感知または組織接触インターフェースに依拠する。このように、本デバイスは、ウェアラブル、画像案内療法デバイスおよびパーソナル・ケア・プロダクトにおける、身体輪郭もしくは身体接触感知および／または身体輪郭もしくは身体接触追随のために使用されてもよい。そのような用途において、本発明は、本デバイスと人体との間の接触の位置および形状が、複雑な配線や電子回路なしに、センサー・アレイを使って測定されることを可能にする。

図面、本開示および付属の請求項を吟味することから、特許請求される発明を実施する際に、開示される実施形態の他の変形が当業者によって理解され、実施されることができる。請求項において、「有する／含む」の語は他の要素やステップを排除しない。単数表現は複数を排除しない。ある種の施策が互いに異なる従属請求項に記載されているというだけの事実が、これらの施策の組み合わせが有利に使用できないことを示すことはない。請求項に参照符号があったとしても、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. センサー・デバイスであって、
   行および列に配列された電気活性センサー素子の受動マトリクス・アレイと；
   行線のアレイおよび列線のアレイとを有しており、各交差部に電気活性センサー素子があり、各センサー素子は外部入力が感知されるときにセンサー信号を生成し、
   各センサー素子は、各行および各列における全センサー・アレイ信号が外部入力の任意のパターンが決定されることを可能にするよう、二値センサー信号を生成する、
   デバイス。
2. 各センサー素子は、二つの配位をもつ双安定素子を有する、請求項１記載のデバイス。
3. 各センサー素子はセンサー電流を生成する、請求項１記載のデバイス。
4. センサー・デバイスであって、
   電気活性センサー素子の受動マトリクス・アレイを有しており、各センサー素子は外部入力が感知されるときにセンサー信号を生成し、
   各センサー素子は、組み合わされたセンサー信号から個別のセンサー素子が識別できるよう異なる周波数特性をもつセンサー信号を生成し、それにより外部入力の任意のパターンが決定されることを可能にする、
   デバイス。
5. 各センサー素子は、外部入力に応答して出力電流を生成する電流生成素子と、前記出力電流をある周波数特性をもつ出力信号に変換するリアクティブ負荷回路とを有する、請求項４記載のデバイス。
6. 前記リアクティブ負荷回路は共振回路を含み、各センサー素子の共振回路はコンポーネント値の異なる集合をもつ、請求項５記載のデバイス。
7. 前記共振回路が並列LC回路を含む、請求項６記載のデバイス。
8. 前記センサー素子はさらに、前記電流生成素子と前記負荷回路との間にダイオードを有する、請求項５記載のデバイス。
9. 前記センサー信号を加算するための加算回路を有する、請求項４記載のデバイス。
10. 各センサー素子が異なる機械的共振周波数または異なる機械的緩和時間をもつ、請求項４記載のデバイス。
11. 行および列に配列された電気活性センサー素子の受動マトリクス・アレイと、行線のアレイおよび列線のアレイとを有しており、各交差部に電気活性センサー素子があるセンサー・デバイスへの外部入力のパターンを感知するための感知方法であって：
    外部入力が感知されるときに、各センサー素子においてセンサー信号を生成し、
    各行および各列における全センサー信号から、外部入力のパターンを決定することを含む、
    方法。
12. 各交差部に電気活性センサー素子がある電気活性センサー素子の受動マトリクス・アレイを有するセンサー・デバイスへの外部入力のパターンを感知するための感知方法であって：
    各センサー素子において異なる周波数特性をもつセンサー信号を生成し、
    組み合わされたセンサー信号から、個別のセンサー素子を識別して、それにより外部入力のパターンを決定することを含む、
    方法。
13. 各センサー素子は、外部入力に応答して出力電流を生成する電流生成素子を有し、当該方法は、負荷回路を使って、前記出力電流を、ある周波数特性をもつ出力信号に変換することを含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記センサー信号を総和し、周波数スペクトル解析を使って、総和されたセンサー信号における諸センサー素子を識別することを含む、請求項１２記載の方法。
15. 各センサー素子に異なる機械的共振周波数または異なる機械的緩和時間をもたせることを含む、請求項１２記載の方法。

Images