JP6746008B2 - 電気活性ポリマーに基づくアクチュエータ及びセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、作動及び検出のために電気活性材料を利用するアクチュエータ／センサ装置に関する。

電気活性材料（ＥＡＭ）は、電気活性材料の分野における材料の一種である。作動装置で実施されるとき、ＥＡＭを電気駆動信号にさらすことはそれらをサイズ及び／又は形状において変化させることができる。この効果は作動及び検出目的に使用することができる。無機及び有機EAMが存在する。特別な種類の有機ＥＡＭは電気活性ポリマー（ＥＡＰ）である。

電気活性ポリマー（ＥＡＰ）は、新しいクラスの電気活性材料である。 EAMのようなEAPは、センサやアクチュエータとして機能するが、さまざまな形状に簡単に製造できるため、さまざまなシステムに簡単に統合できる。 EAPの他の利点には、低電力、小型フォームファクタ、柔軟性、ノイズのない操作、及び精度、高解像度の可能性、速い応答時間、及び周期的な作動などがある。 ＥＡＰ装置は、電気作動に基づいて、コンポーネント又は特徴の少量の動きが望まれる任意の用途に使用することができる。同様に、この技術は小さな動きを検出するためにも使用できる。 ＥＡＰの使用は、一般的なアクチュエータと比較して、比較的大きな変形と小さい体積又は薄いフォームファクタでの力との組み合わせのために、以前は不可能であった機能を可能にし、又は一般的なセンサ／アクチュエータソリューションに対して大きな利点を提供する。 ＥＡＰはまた、ノイズのない動作、正確な電子制御、高速応答、及び０乃至２０ｋＨｚなどの広範囲の可能な作動周波数を与える。

ＥＡＭデバイスをどのように構成し動作させることができるかの例として、図１及び２は、電気活性ポリマー層１４の両側の電極１０、１２間に挟まれた電気活性ポリマー層１４を有するＥＡＰデバイスの２つの可能な動作モードを示す。図１は、キャリア層に固定されていない装置を示す。図示のように電圧を用いて電気活性ポリマー層を全方向に膨張させる。図２は、膨張が一方向にのみ生じるように設計される装置を示す。この目的のために、図１の構造はキャリア層１６にクランプされるか、又は取り付けられる。電圧が電気活性ポリマー層をカーブ又は湾曲させるために使用される。この動きの性質は、作動時に膨張する活性層と膨張しない受動キャリア層との間の相互作用から生じる。

ある種のＥＡＭについては、装置に小さな力（機械的負荷）を加えるとそれに応答して電気信号が発生する。これにより、単一のＥＡＭ構造を作動と検出との両方に使用することが可能になる。この二重の機能性は、（作動及び検出用の）２つの別々のコンポーネントを必要とせず、したがってコスト及びサイズを節約するため、有益である。検出は、例えば、装置に作用する圧力又は力を決定するために使用することができ、又はそれは、フィードバック方式で作動レベルを制御するために使用することができる。

電気活性材料アクチュエータの検出能力は、電気複素入力インピーダンスの決定に基づいている。

既知のＥＡＭベースのアクチュエータ／センサは、物理的に互いに分離される検出及び作動機能を典型的に提供しており、装置の異なる領域又は部分は、例えば時間的に、又は別個に提供される互いの電気的接続とともに、作動に関する検出のために使用され、単一の装置は、検出機能と作動機能との間でシーケンシャルに交互に切り替えられる。例えば、米国特許出願公開第２０１４／０１３９３２９号明細書は、検出回路、作動回路及びスイッチング回路を有するＥＡＰシステムを開示している。検出回路は、変形したときにＥＡＰからの信号を検出するように構成される。その後になって初めてスイッチング回路は作動回路を作動させ、それによってそれは検出入力に基づいて作動を発生することができる。したがって、検出と作動とは時間的に互いに分離され、検出と作動とはシーケンシャルに行われ、一方が他方に続いて行われる。

ごく最近になって、同時の検出及び作動、ならびに同じ装置の使用が提案されている。例として、本出願人は、作動と検出とを同時に行うことができる装置を提案した（しかしながら、本出願の優先日にはまだ公表されていない）。第１の制御信号は装置の作動に使用され、第２の制御信号は装置による検出に使用される。第２の検出信号は、アクチュエータの機械的共振がその電気的検出信号から決定され得るように選択されるＡＣ電気信号である。第１の作動信号は、作動を引き起こすのに適している限り、任意の種類の制御信号であり得る。

作動信号及び検出信号は、組み合わされる制御信号から重ね合わせることができる。検出信号がＥＡＭ構造の機械的共振周波数、又はその高調波の１つに一致する周波数で加えられると、構造内に機械的定在波が確立され、それが次に構造の電気的特性に影響を及ぼす。特に、構造のインピーダンスは、機械的振動が検出信号と同相であるために、共振周波数と一致する検出信号（したがって制御信号のその部分）についてより低い。逆に、材料のインピーダンスは、機械的振動が検出信号と位相がずれているために、材料の反共振周波数に一致する検出信号に対してより高い。そのような周波数では、検出は、長期間の同時作動を妨げない一方で非常に有効であるように思われる。

例えば圧力のような、電気活性材料構造体に加えられるいかなる機械的負荷も、構造体に減衰を引き起こし、その共振周波数（及び反共振周波数）を通常の減衰されていない値からシフトさせ、それによって高周波検出信号と機械的振動の基本周波数（又は反共振整合の場合は反共振等価物）との間に不均衡を引き起こす。したがって、共振周波数のシフトを検出及び／又は決定することができ、これを次に外部の機械的負荷と相関させることができる。

米国特許出願公開第２００２／０１３０６７３号明細書はまた、一次駆動（作動）信号の上に低振幅の高周波ＡＣ検出信号を重ね合わせることによって、ポリマーの同じ活性領域内で検出と作動との組み合わせを達成する可能性に言及している。

電荷検出が使用される場合、高感度の電荷増幅器が必要とされるという問題が生じ、それは、作動が要求されている間に検出を複雑にする。高周波検出信号の使用は、検出素子に供給される発振信号を発生するために別個の電圧発生器を必要とする。異なる電圧の重ね合わせも電気回路を必要とする。従って、複雑な駆動回路が必要とされる。

重畳されるＡＣ及びＤＣ信号の使用に関するさらなる問題は、高周波源が高電圧ＤＣ動作電圧から保護される必要があり、ＤＣ発生器がＡＣ電源から切り離される必要があることである。したがって、かさばって高価なDCバイアスソリューションが必要になる場合がある。さらに、ＡＣ変調は小さな振動をもたらす可能性があり、それは活性化自体を妨害する可能性がある。

簡略化される検出回路を用いて同時検出及び作動を達成することができる装置及び操作方法が必要とされている。

本発明の目的は、前述の必要性を少なくとも部分的に満たすことである。この目的は、独立請求項で定義される本発明により達成される。

従属項は有利な実施形態を提供する。

本発明の第１の態様によれば、同時作動及び検出のための装置であって、

コンデンサと第２の抵抗との直列結合と並列の第１の抵抗の等価電気回路を有する電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントと、

電極装置と、

コンポーネントに流れる電流を検出するための電流センサと、

コンポーネントを通る電流を制御するための電流源と、

コンポーネントにおける電圧を決定するための手段と、

作動信号を電極装置に提供するように構成されるコントローラであって、コンポーネントを充電するための活性化期間を有する、コントローラと
を有し、

コントローラは、

活性化期間中に定常状態電流を検出することによって第１の抵抗の抵抗値を決定し、

活性化期間の開始時にコンポーネントの充電中に電荷の流れを決定し、第１の抵抗の抵抗を考慮することによってコンデンサの静電容量を決定し、

充電又は放電中に電流源を用いてコンポーネントを通る電流を制御して、発振プロファイルを有し、電流センサによって検出される電流と電圧計によって測定される電圧との間の位相関係を決定することによって第２の抵抗の抵抗値を決定する
ように更に構成される、装置が提供される。

この装置は、コンポーネントの入力インピーダンス（の電荷）を測定するための発振電圧を生成するための追加の電圧源を必要とせずに、電気活性材料コンポーネント（例えば電気活性ポリマー（ＥＡＰ）アクチュエータ）をセンサ要素及びアクチュエータの両方として使用することを可能にする。発振電流シンクを使用することによって、電流源を単純に制御可能なトランジスタ回路として実現することができるので、大きくて高価なＤＣバイアスブロック及びＡＣ結合コンポーネントは必要とされない。最後に、装置は作動レベル自体に影響を与えずに検出を提供することができる。

作動信号は電圧波形であることが好ましい。電圧を決定するための手段は、コンポーネントにおける電圧を読み取るための電圧計を含み得る。しかしながら、電圧は作動信号から生じ、それ以上の測定を必要としないかもしれないので、電圧は代わりに知られる。

第１（並列）抵抗とコンデンサの値が決まれば、位相関係を使って第２の抵抗の抵抗値を決めることができる。

電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントは、電界駆動型又は電流駆動型のコンポーネントとすることができる。等価回路は基本的に同じで、損失のあるコンデンサを表す。

作動信号は、少なくとも０．５秒の活性化期間を有することが好ましい。従って、この装置は比較的ゆっくりした作動変化用である。これにより、装置は電気的に定常状態に到達することが可能になり、その結果、静電容量の影響を受けることなく抵抗を測定することができる。活性化期間は少なくとも１．０秒であり得る。

発振周波数は活性化期間の長さに比べてはるかに高い場合があるため、放電時間ははるかに短くなる可能性がある。例えば、放電電流は、放電を提供するのに必要な５サイクルでｆ ＝ １ｋＨｚで発振し、５ｍｓの放電時間を与える。

カテーテル用途のように、作動に高速が必ずしも必要とされない多くの用途がある。

発振プロファイルは、好ましくは少なくとも１００Ｈｚ、例えば少なくとも１ｋＨｚの周波数を有する。このようにして、作動への影響を最小限にするように、発振信号は短い期間を有することができる。発振信号は、通常の作動プロファイルを利用しない唯一の手段である。それは位相関係を決定するのに十分な少数のサイクルに制限され得る。

発振プロファイルは、コンポーネントの活性化又は非活性化に対する影響を低減するためのＤＣバイアスを有してもよい。例えば、発振プロファイルが非活性化中に適用される場合、活性化状態が可能な限り保持されることが望ましい。この目的のためにＤＣバイアスを使用することができ、それによってコンポーネントの部分的な機械的不活性化のみが起こり、位相関係を決定することができる。

発振プロファイルは経時的に変化する周波数を有することができる。これは、共振反応を決定することを可能にするために使用され得る。この共振は、電気回路全体に対して検出される。位相角測定とともに共振周波数測定も行われる。可変周波数電流シンクは、デジタル - アナログ変換を介して電流シンク（例えば、トランジスタ又はトランジスタ回路）を制御するマイクロコントローラによって実施され得る。

コントローラは、上述のように放電中に第２の抵抗の抵抗値を決定するように構成されてもよい。しかしながら、充電中に第２の抵抗の抵抗値を決定するようにしてもよい。例えば、作動信号の一部は、（定常状態測定のために）電流制御のない部分を含み得、一部は電流制御のある部分を含み得る。

コントローラはさらに、決定される抵抗及び静電容量から、コンポーネントにおける外部の力、圧力又は温度を決定するように構成されてもよい。

本発明の他の態様による実施例は、コンデンサと第２の抵抗との直列結合と並列に第１の抵抗の等価電気回路を有する、センサコンポーネント及び電気活性材料アクチュエータを用いる同時の作動及び検出のための方法であって、前記方法は、

前記コンポーネントを充電するための活性化期間を有する、作動信号を前記電極装置に提供するステップと、

前記活性化期間中に定常状態電流を検出することによって前記第１の抵抗の抵抗値を決定するステップと

活性化期間の開始時において前記コンポーネントの充電中に電荷の流れを決定し、前記第１の抵抗の抵抗値を考慮することによって前記コンデンサの静電容量を決定するステップと、

発振プロファイルを有するように、充電又は放電中に前記コンポーネントを通る電流を制御し、検出される電流と電圧との間の位相関係を決定することによって、第２の抵抗の抵抗値を決定するステップと
を有する、方法を提供する。

この方法は、所望の作動に影響を与えることなく、簡単な方法でコンポーネントの電気的特性を決定することを可能にする。これらの特性は、検出されている外部の特性（温度、力、圧力など）を表している。

本方法は、少なくとも１００Ｈｚ、例えば少なくとも１ｋＨｚの周波数を有する発振プロファイルを生成することを有し得る。発振プロファイルは、コンポーネントの活性化又は非活性化に対する影響を低減するためのＤＣバイアスを有してもよい。発振プロファイルは経時的に変化する周波数を有することができる。第２の抵抗の抵抗値を決定することは、充電中又は放電中に行われ得る。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明する。

クランプされていない既知の電気活性ポリマー装置を示す。 バッキング層によって拘束されている既知の電気活性ポリマーデバイスを示す。 ＥＡＰアクチュエータ及びセンサシステムを示す。 非アクティブEAPの一般的な電気的等価回路を示す。 モデリングソフトウェアにおけるＥＡＰの等価回路の電気的スキームを示す。 ＥＡＰの両端間の電圧とそれを通る電流とを示すシミュレーション結果を示す。 図６の波形の一部の拡大図を示す。 図３の回路の機能を提供するための回路シミュレーションを示す。 作動信号のタイミングを示す。 ＥＡＰ両端のシミュレート電圧と電流応答とを示す。 電荷の流れを示す。 放電挙動を示す。 図１２の波形の一部の拡大図である。 代替測定手法におけるＥＡＰアクチュエータの電荷レベルを示す。 検出及び作動方法を示す。

本発明は、センサ機能を有する電気活性材料アクチュエータであって、アクチュエータを充電するための活性化期間と、随意にアクチュエータを放電するための非活性化期間とを有する作動信号によって作動される、電気活性材料アクチュエータを提供する。アクチュエータの並列抵抗は、活性化期間中の定常状態電流を検出することによって決定され、アクチュエータの直列容量は、活性化期間の始めにおけるアクチュエータの充電中の電荷の流れに基づいて決定される。直列抵抗は、電流と電圧との間のアクチュエータの位相関係を測定することができるように、発振プロファイルを用いてアクチュエータを通る電流を制御することによって得られる。発振電流シンクは回路コンポーネントの測定を可能にするために使用され、それは検出機能を実行する。

図３は、２つの電極間にサンドイッチされる上部ＥＡＰ材料層２４を有するＥＡＰアクチュエータ２２を示す。サンドイッチは、下部キャリア層２６の上に配置され、取り付けられる。電極は、アクチュエータに流れる電流を検出するための電流センサ３０、アクチュエータを通る電流（特に放電電流）を制御するための電流源３２、随意にアクチュエータにおける電圧を読み出すための電圧計３４、及びコントローラ３６に電気的に接続される。コントローラ３６は、アクチュエータを充電するための活性化期間とアクチュエータを放電するための非活性化期間とを有する作動信号を電極装置に提供する。

本発明は、検出機能、特に複素インピーダンス機能を提供するためにアクチュエータの電気的特性を決定することに基づいている。

非活性化ＥＡＰの典型的な電気的等価回路を図４に示す。この回路は、第２の並列抵抗（Ｒｐ）と並列のコンデンサ（Ｃｓ）と第１の抵抗（Ｒｓ）との直列回路である。簡略版では、この等価回路は、図に示すように、抵抗（R）と容量（C）との直列回路に変換できる。一例として、回路コンポーネントの値は、Ｒｐ ＝ １０ＭΩ、Ｒｓ ＝ ８０ｋΩ、Ｃｓ ＝ ８００ｎＦである。

単純化される等価回路の実数部（Ｒ）及び虚数部（ＸＣ ＝ １ ／ ωＣ）は、電圧分布ならびに電圧と両コンポーネントを通る共通電流との間の位相シフトによって計算することができる。したがって、電流及び電圧測定によって、抵抗Ｒ及び容量Ｃを得ることができる。しかしながら、これは全（３コンポーネント）等価回路の全てのパラメータを与えるわけではないので、以下にさらに説明されるように、追加の測定が必要とされる。

まず回路パラメータを定義すると、

複素インピーダンス

式1

抵抗

式１

リアクタンス

式２

リアクタンス

式３

位相角

式４
である。

上記の定義によれば、複素インピーダンスは、その実数（Ｒ）及び虚数部（Ｘ）、ならびに両方の値の間の位相変位（φ）によって定義される。 3つすべてのパラメータは、図4の完全等価回路の単一値（Rs、Xs、及びRp）の関数としても記述できる。

完全等価回路の複素インピーダンスは、

複素インピーダンス

式５
である。

式6を実数部と虚数部に分けると、

抵抗

式６

リアクタンス

式７
である。

位相変位は、
位相角

式８
で与えられる。

最後に、回路の複素インピーダンスの大きさは、

で計算できる。

インピーダンス測定中に、既知の電圧が生成されて、EAPコンポーネントを通じて電流が流れる。（多くの場合、直列抵抗の両端の電圧降下として測定される）測定電流と、電流と電圧の間の位相変位に基づいて、インピーダンスを計算することができる。

ここで、Ｒ及びＣの単純化される値だけではなく、図４の回路に適用される測定値を使用して３つすべての成分値を得ることができる方法を示す。

この評価の場合、f = 10 Hzの発振周波数で一定の正弦波電圧が、

と見なされる。測定により、電流

及び位相変位φ（

と

の間の位相変位）
が定義される。

両方の値は通常、測定されるインピーダンスに直列に小さな抵抗を追加して測定される。

単純化される等価回路のパラメータを計算するために必要な値はすべて既知であり、
インピーダンス

式９
抵抗

式１０
リアクタンス

式１１
である。

ただし、全等価回路のコンポーネント値を導き出すには追加情報が必要である。単純化される等価回路から図4の詳細な回路への変換は通常、周波数の振る舞い及び数値近似法（解析的な解決策が存在しない場合）を調べることによって、又はDC電圧/電流で抵抗（インピダンス）（容量が完全に充電された後、リアクティブ部分に電流が流れなくなる）を測定することによって実行される。

ここで、本発明の方法を使用して必要な追加情報をどのように取得できるかを示すために回路シミュレーションを使用する。シミュレーションは、最初に、ＥＡＰの両端間の電圧測定及びＥＡＰを通る電流測定によって実現される標準インピーダンス測定技術を表し、これらの測定をさらなる発振電流測定で拡張する。

図５は、モデリングソフトウェアにおけるＥＡＰの等価回路に基づく電気的スキームを示す。 ＥＡＰアクチュエータの全等価回路は、測定抵抗Ｒｍを介して電圧源５０によって駆動される。

ＥＡＰは、上述のように１０Ｈｚの周波数で１０Ｖｐｐの正弦波電圧を発生させるＡＣ電圧源５０によって操作される。 EAP両端の電圧（プロット60）とそれを流れる電流（プロット62）を示す、対応するシミュレーション結果を図6に示す。

上記で概説したように計算を実行することによって、この電圧及び電流の大きさならびにそれらの位相変位を決定することができる。これらの値で複素インピーダンスは完全に定義される。波形の一部の拡大図を図7に示す。

数値は、

位相変位φ＝ 13.85°

リアクタンスX =19.581kΩ

抵抗R =79.404kΩ
である。

これは、波形解析が（単純化される）等価回路の成分値を正しく決定できることを示している。解析結果との非常に小さな違いは、シミュレーションの数値効果に基づいていることにある。しかしながら、単純化される回路に対する複素インピーダンスしか得られず、直列抵抗、並列抵抗及び容量値を全体の複素インピーダンスから分離するためには、さらなる努力が必要である。

本発明は、ＥＡＰの性能の最も包括的な概観を得るために全等価回路パラメータを決定するための装置及び方法を提供する。

上記のように、ＥＡＰアクチュエータ及びセンサコンポーネントの間の電圧、及びそれらを通る電流を測定することによっても実際に得られるように、回路シミュレーションを用いて複素インピーダンスの実数部及び虚数部ならびに位相変位を定義することができる。

図８は、本発明の回路（すなわち図３）及び測定方法を実施するための回路シミュレーションを示す。

この回路は、理想的なドライバ出力端子に接続されるEAPアクチュエータの等価回路を有する。ドライバ出力端子は、動作ＤＣ電圧Ｖｄｃ（例えば２００Ｖ）を端子に結合するためのオンスイッチ８０と、グランドを端子に結合してＥＡＰアクチュエータをオフにするためのオフスイッチ８２とに接続する。スイッチ（Von、Voff）のためのデジタル制御と、一定のDC駆動電圧（Vdc）とが理想的な電圧源としてモデル化されている。

放電ブランチは、（理想的な）電流シンク８４（又は対応する可変抵抗）及び任意の放電抵抗Ｒｍからなる。

放電ブランチは、デジタル信号（Vsens）によってモデルに実装される正弦波放電電流波形を実装する。

0.5秒後にEAPが1.0秒間アクティブになるように、回路全体が制御される。次の1.0秒の間に、放電ブランチを介してEAPが非活性化（放電）される。

タイミングは図９にグラフで示されている。プロット９０は２つのスイッチ８０、８２によって端子に印加される電圧を示し、プロット９２は放電経路を流れる電流を制御するために使用される電圧Ｖｓｅｎｓを示す。この電圧Ｖｓｅｎｓは、単に活性化信号と見なすことができ、以下に説明するように、特定の電流及び周波数の発振電流波形などの特定の電流波形が印加されることになる。

一般に、ＥＡＰアクチュエータの全等価回路パラメータを決定するために提案されるプロシージャは３つのステップ、すなわち、

1.ＥＡＰコンポーネントを常に作動させながら並列抵抗Ｒｐを計算するステップであって、特に、第１の抵抗Ｒｐの抵抗値は、活性化期間中に定常状態の電流を検出することによって導出される、ステップと、

2.定常状態動作中の電荷計算によって直列容量を決定するステップであって、特に、コンデンサの静電容量は、作動期間の開始時にアクチュエータの充電中に電荷の流れを決定し、第１の抵抗Ｒｐの抵抗を考慮に入れることによって導出される、ステップと、

3.コンポーネントを（準）線形的に充電又は放電している間に直列インピーダンスの位相変位を決定するステップであって、線形充電又は放電は定電流を有し、代わりに、発振充電又は放電電流が使用されるが、一定の大きさ、すなわち一定のＡＣ電流を有し、このように、第２の抵抗Ｒｓの抵抗は、充電又は放電中に電流源を使用してアクチュエータを通る電流を制御して発振プロファイルを得、検出される電流と電圧との間の位相関係を決定することによって導出される、ステップと
からなる。

３つのステップを以下にさらに詳細に説明する。

並列抵抗Ｒｐは、常にＥＡＰを作動させている間に得られる。 ＥＡＰアクチュエータの固有静電容量Ｃｓが完全に充電されると、一定の電流が並列抵抗Ｒｐによって制限される並列分岐のみを通って流れる。従って、この抵抗は印加電圧を実際の電流で除算することによって計算することができる。印加電圧はいずれにせよコントローラによって知られている。したがって、定電流のみを測定で定義する必要がある。この電流は、それが一定である場合には容易に測定することができ、それはこの例では約１秒後、すなわち活性化期間の０．５秒後である。

図10は、EAP両端のシミュレート電圧（プロット100）と電流応答を示している。電流は等価回路の両方の並列分岐に流れ、コンデンサ分岐電流（プロット１０２）が指数関数的に減衰し、並列抵抗分岐電流（プロット１０４）が活性化中（時間０．５秒及び１．５秒の間）一定である。図10は、見やすくするために、並列抵抗の電流を10倍して表示している。

定電流は20μAである。したがって、並列抵抗Rpは、200V / 20μA =10MΩと計算できる。

なお、電荷の流れを評価することにより、第１抵抗Ｒｐに流れる並列電流を測定してもよい。後述するように、電荷関連データがいかなる場合にもリアクタンスＸ_Ｃsを決定するために使用されるので、これは関心があり得る。電荷の流れは、もちろん瞬時電流の時間積分として測定することができる。

関心があるのはEAPに伝達される電荷であり、コンポーネントを通じて流れる電流の時間積分によって定義される。数学的には、これは式1２に従って記述される。

電荷

式1２

電荷の流れを図11に示す。t= 1秒のときの電荷はQtot =169μAである。活性化中、電荷は並列抵抗Ｒｐを通っても流れている。静電容量に蓄えられた電荷を決定するために、これらの電荷を総電荷から差し引くことができる。

この例では並列抵抗は１０ＭΩと既に決定されているので、並列抵抗Ｒｐを通る電荷の流れは容易に計算することができる。

0.5秒後の電流は20μAであるため、この間の電荷の流れはQRp = 20μA x 0.5s = 10μAである。したがって、容量に供給される電荷は、QC =169μA - 10μA=159μAである。定電圧が印加されているので、容量は式14
電荷 Q = C・V 式1３
に従って計算することができる（電圧が変化する場合は、積分定義を考慮する必要がある）。

したがって、静電容量はCs =159μA/ 200V = 795nFと計算できる。これは実際の800nFの値に非常に近い。わずか0.6％の違いは、数値シミュレーションの精度に基づいている。

795nFの容量に基づいて、10HzでのリアクタンスXCは式4に従って計算できる。これにより、XCは20.019kΩとなる。

直列及び並列抵抗ならびに静電容量Ｃｓは、周波数の関数として、及び異なる負荷条件下で、製造後に既に事前に定義されていてもよい。ルックアップテーブルは、例えば、測定値から検出されている外力に変換するために使用され得る。

最後に、直列抵抗Ｒｓを得るために、コンポーネントを線形的に放電又は充電しながら直列インピーダンスの位相変位が測定される。

第一の例では、サイクルの放電部分が使用される。放電分岐はこの目的のために使用され、特に1.5秒及び2.5秒のタイムスタンプの間の回路動作のために使用される。 ＥＡＰアクチュエータは、この期間中、信号Ｖｓｅｎｓの制御下で制御される態様で放電される。

したがって、放電電流シンクは、100μAの一定のAC電流がEAPアクチュエータから引き出されるように設計又は制御される。

この放電挙動は図１２に示されている。プロット１２０はアクチュエータの間にかかる電圧Ｖｅａｐを示し、プロット１２２は放電電流、すなわち抵抗Ｒｍを通って流れる電流を示す。プロット１２４は、以下に説明されるさらなる人工的補償電圧である。

図13は、1.5秒及び2.5秒の間の関心時間フレームの拡大図である。等価回路パラメータをさらに定義するためには、電圧と放電電流との間の位相変位を決定する必要がある。

図１３から分かるように、ＥＡＰの間にかかる電圧１２０は時間の関数として減少する。それ故、電圧と電流との間の位相変位は歪められる。しかしながら、電圧減少の（ほぼ）線形の挙動（時定数τは非常に大きい）のために、この減少はタイプｍ・ｘ ＋ ｂの簡単な数学式によって補償することができ、ここでｂは２００Ｖの最大電圧であり、ｍは電圧減少の（負の）勾配であり、（１１９Ｖ − ２００Ｖ）／ １ｓ ＝ −８１Ｖ ／ ｓである。これにより補償電圧波形１２４が得られる。

電圧と電流との間の位相変位を次に決定することができ、この例ではこれは１３．９８°をもたらす。

電圧降下の勾配の決定は、アプリケーション自体において、又は較正プロシージャの一部として、製造直後又は実施直前に既に実行されてもよい。

要求に応じて行うこともできる。例えば、傾きは、非活性化サイクルの第一の半期（例えば、０．５秒後）の間に計算されてもよく、次いで、必要な位相変位は、非活性化サイクルの第二の半期の間に計算されてもよい。

リアクタンス及び位相変位は既知であるため、直列抵抗も式5に従って計算できる。この例では、Rs =80,411kΩとなる。

等価回路パラメータを導出した後、これらのパラメータと検出されるべき外部信号との間でマッピングが行われてもよい。外部信号は圧力又は力であり得るか、又はそれは温度であり得る。

較正又は特性評価プロシージャ中に（例えばシステムデータシートに情報を提供するために）、異なる荷重、力、圧力及び／又は温度を有するいくつかの作動レベルがＥＡＰに適用され、等価回路パラメータはインピーダンスアナライザを使用する既知の方法によって識別される。結果は、ルックアップテーブルに記憶することができ、（欠けているエントリは補間により見つけられてもよく）、又は解析的適合関数はデータから導き出されることができる。当然のことながら、テーブルのようなエントリ数が多いほど、精度は高くなる。

決定は１つの固定周波数で実行されてもよく、１０Ｈｚがほんの一例である。

較正又は特徴付け段階のパラメータ変化の間、共振周波数が導出されてもよく、ルックアップテーブルに記憶されてもよい。後の適用の間、作動レベルは既知であり、特定の（既知の）共振周波数における等価回路パラメータがそれから決定されてもよい。

加えられた力に応答してＥＡＰセンサ／アクチュエータの電気的特性の変化はよく知られている。温度測定に関して、出願人は、少なくとも第１及び第２の異なる周波数での電気的特性の測定を伴うＥＡＰアクチュエータの使用を提案しているが、まだ公表していない。測定値から、電気活性材料装置における温度及び電気活性材料装置に加えられる外部圧力又は力を得ることができる。これは、センサを例えば皮膚接触圧の荷重検出用の圧力センサ及び温度センサとして使用できることを意味する。この手法は、低周波又はＤＣ作動信号上に高周波検出信号を重ね合わせることに基づいている。 ２つ以上の周波数で検出を提供することによって、機械的共振周波数の温度の影響を検出することができ、したがって温度を決定することができる。

本発明は、異なる周波数の発振電流波形を用いることによって異なる周波数でのインピーダンスを得ることを可能にする。

並列抵抗Ｒｐ及び直列容量Ｃｓは定常状態の挙動中に得られる。最も重要なパラメータは、周波数特性も決定される直列抵抗Rsである。外部から加えられた力又は圧力に従って減衰する機械システムでは、この減衰は直接Rsの値に影響を与える。並列抵抗Ｒｐ及び直列容量への影響は二次的に重要であり、したがってそれらは無視することができる。

発振電流の制御方法にはさまざまな選択肢がある。上記の例では、電圧と電流との間の位相変位を決定し、最後に複素インピーダンスを計算するために、ＥＡＰ装置の規定され、制御される発振電流放電が提供される。計算は、放電期間の前に、又は較正の結果として実行される、以前に得られたパラメータに依存してもよい。

放電測定はアクチュエータの非活性化を必要とする。一般に、例えば周期的な動作内では、非活性化の期間がある。必要とされる非活性化が作動スキームによって望まれるよりも長い場合、この方法は用途において望ましくない挙動をもたらす可能性がある。しかしながら、ほんの数回の発振サイクルが必要とされ、高い周波数が選択される場合（例えば、１ｋＨｚ、又はＥＡＰの機械的応答が追従できないＭＨｚレジームにおいてさえ）、非活性化段階は非常に短くなり得、アプリケーション自体では認識されない。

ＥＡＰ検出能力が望まれるが、いかなる非活性化もない場合、上述のような高周波信号が実施されてもよい。さらに、放電発振に直流バイアスを加えることで放電を低減することができる。これは、作動状態を可能な限り維持するのに寄与する。

上述のように、ＥＡＰ装置の共振挙動は圧力、力又は温度を決定するのに有意義である。しかしながら、共振又は反共振周波数を検出するためには、周波数の関数としての複素インピーダンスを決定する必要がある。したがって、提案されるプロシージャは、非活性化フェーズ中に周波数スイープを使用することによって拡張することができる。おおよその共振周波数及び反共振周波数は、上記で説明したように、装置の寸法に基づいて、又は異なる負荷条件下での較正測定によって、適用前に定義することができる。

異なるセットの例では、発振電流は活性化サイクルの一部として提供されてもよい。この場合、3段階の充電サイクルがある。並列抵抗は、上で説明したように定常状態の挙動から得ることができる。容量は、ここでも上述したように、充電プロセスの電圧制御部分の間の充電挙動から得ることができる。しかしながら、直列抵抗は充電サイクルの電流制御部分から計算することができる。 ＥＡＰアクチュエータは、最初の２回の測定の間、最終電圧より低い電圧に駆動されてもよく、その後、直列抵抗を決定するために電流制御を用いて最終作動駆動が行われる。

図１４は、そのような手法におけるＥＡＰアクチュエータの充電レベルを示す。

他の代替アプローチは、連続的な低周波充電又は放電定電流を提供することである。これは、ＥＡＰアクチュエータの準静的作動時間中に使用することができる。これは、駆動信号を変調することなく、例えばある待機期間の後、又は何らかの変化が識別される場合にはその間に、定常状態測定を行うことなく、混合アプローチを提供する。

図１５は、電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントを使用して同時の作動及び検出を行うための方法を示す。コンポーネントは、コンデンサＣｓ及び第２の抵抗Ｒｓの直列結合と並列の第１の抵抗Ｒｐの等価電気回路を有する。この方法は、

ステップ１５０において、コンポーネントを充電するための作動期間を有する作動信号が電極装置に提供され、

ステップ１５２において、第１の抵抗Ｒｐの抵抗値が、活性化期間中に定常状態電流（Ｉ）を検出することによって決定され、

ステップ１５４において、活性化期間の開始時にコンポーネントの充電中の電荷の流れ（Ｑ）を決定し、第１の抵抗Ｒｐの抵抗値を考慮に入れることによって、コンデンサＣｓの静電容量が得られ、

ステップ１５６において、第２の抵抗Ｒｓの抵抗値が、充電又は放電中に電流源を使用してコンポーネントを通る電流を制御して発振プロファイルを得、検出電流と検出電圧との間の位相関係（φ）を決定することによって決定される
ことを含む。

上記の詳細な説明では、本発明による装置及びシステムの構成及び動作をＥＡＰについて説明したが、本発明は実際には他の種類のＥＡＭ材料に基づく装置にも使用することができる。したがって、他に示されない限り、上記のＥＡＰ材料は他のＥＡＭ材料と置き換えられ得る。そのような他のＥＡＭ材料は当業者において既知であり、当業者はそれらをどこで見つけるべきか、及びそれらをどのように適用するかを知っているであろう。いくつかの選択肢が本明細書において以下に記載される。

ＥＡＭデバイスの一般的な細区分は、電界駆動型及び電流又は電荷（イオン）駆動型ＥＡＭにある。電界駆動ＥＡＭは直接電気機械結合による電界によって作動され、電流駆動又は電荷駆動ＥＡＭの駆動機構はイオンの拡散を伴う。後者のメカニズムは、EAPなどの対応する有機EAMによく見られる。電界駆動ＥＡＭは一般に電圧信号で駆動され、対応する電圧ドライバ／コントローラを必要とするが、電流駆動ＥＡＭは一般に電流又は電荷信号で駆動され、時には電流ドライバを必要とする。どちらの種類の材料も複数のファミリメンバを有し、それぞれに独自の長所と短所がある。

電界駆動ＥＡＭは、有機又は無機材料であり得、有機の場合、単分子、オリゴマー又はポリマーであり得る。本発明の場合、それらは好ましくは有機物であり、次にまたオリゴマー性又はポリマー性でさえある。有機材料、特にポリマーは、作動特性を、軽量、安価な製造及び容易な加工などの材料特性と組み合わせるので、関心が高まっている新種の材料である。

電界駆動ＥＡＭ、したがってＥＡＰも一般に圧電性であり、したがって自発的永久分極（双極子モーメント）を有し、強誘電性であり、したがって駆動時には分極（双極子モーメント）のみを有し、非駆動時はそうではなく、又は誘電緩和材料である。そのようなポリマーには、サブクラス：圧電性ポリマー、強誘電性ポリマー、電歪ポリマー、緩和強誘電性ポリマー、誘電性エラストマー、液晶エラストマーが含まれるが、これらに限定されない。

自発分極がないということは、非常に高い動作周波数でもエレクトロストリクタがヒステリシス損失をほとんど又はまったく示さないことを意味する。しかしながら、温度安定性を犠牲にして利点が得られる。リラクサーは、温度を約10°C以内に安定させることができる状況で最もよく機能する。一見するとこれは非常に制限的に見えるかもしれないが、エレクトロストリクタは高い周波数と非常に低い駆動電界に優れていることを考えると、アプリケーションは特殊なマイクロアクチュエータになる傾向がある。このような小型デバイスの温度安定化は比較的単純であり、多くの場合、設計及び開発プロセス全体において小さな問題しか提示しない。

好ましくは、ＥＡＭ又はＥＡＰ材料は電歪ポリマーである。より好ましくはそれはリラクサ強誘電体材料である。そのような材料は、良好な実用的使用のために十分に高い、すなわち同時検出及び作動機能にとって有利である電歪定数を有することができる。リラクサ強誘電体材料は、ゼロ駆動電界（すなわち電圧）がそれらに印加されると非強誘電性になるが、駆動中に強誘電性になる。したがって、非駆動時には材料内に電気機械結合は存在しない。電気機械結合は、駆動信号が印加されるときにゼロではなくなり、上述のプロシージャに従って、駆動信号の上に小振幅の高周波信号を印加することによって測定することができる。さらに、リラクサ強誘電体材料は、非ゼロ駆動信号での高い電気機械結合と良好な作動特性との独特の組み合わせから利益を得る。

無機リラクサ強誘電体材料の最も一般的に使用される例は、ニオブ酸マグネシウムマグネシウム（ＰＭＮ）、ニオブ酸鉛マグネシウム - チタン酸鉛（ＰＭＮ − ＰＴ）及びジルコン酸チタン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）である。しかし、他にも当業者に知られている。

電界駆動ＥＡＰの例は、圧電性ポリマー、強誘電性ポリマー、電歪ポリマー（ＰＶＤＦ系リラクサポリマー又はポリウレタンなど）、誘電エラストマー及び液晶エラストマー（ＬＣＥ）である。したがって、好ましくは、ＥＡＰ材料は、PVDF系リラクサ強誘電体系ポリマーようなリラクサ強誘電性ポリマーである。このような材料は、以下の本明細書の材料の群から選択される任意のものであり得る。サブクラス電歪ポリマーは、限定されないが、

ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリフッ化ビニリデン - トリフルオロエチレン（PVDF-TrFE）、ポリフッ化ビニリデン - トリフルオロエチレン - クロロフルオロエチレン（PVDF-TrFE-CFE）、ポリフッ化ビニリデン - トリフルオロエチレン - クロロトリフルオロエチレン（PVDF-TrFE-CTFE）、ポリビニリデンフルオライド - ヘキサフルオロプロピレン（PVDF） ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）、ポリウレタン又はそれらの混合物
を含む。

電流駆動ＥＡＭ及びＥＡＰは、共役ポリマー、イオン性ポリマー金属複合材料、イオン性ゲル及びポリマーゲルを有する。

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）ポリマー複合材料及びイオン性ポリマー金属複合材料（ＩＰＭＣ）である。

サブクラスの誘電エラストマーは、これらに限定されない、

アクリレート、ポリウレタン、シリコーン
を含む。

サブクラス共役ポリマーは、限定されないが、

ポリピロール、ポリ−３，４−エチレンジオキシチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、ポリアニリン
を含む。

上記の材料は、純粋な材料として、又はマトリックス材料に懸濁される材料として注入することができる。マトリックス材料はポリマーを含み得る。

ＥＡＭ材料を有する任意の作動構造に対して、加えられた駆動信号に応答してＥＡＭ層の挙動に影響を及ぼすために追加の受動層を設けることができる。

ＥＡＰ装置の作動配置又は構造は、電気活性材料の少なくとも一部に制御信号又は駆動信号を提供するための１つ又は複数の電極を有することができる。好ましくは、配置は２つの電極を有する。 ＥＡＰは２つ以上の電極間に挟まれてもよい。その作動は、駆動信号によって互いに引き付け合う電極によって加えられる圧縮力によるものであるため、このサンドイッチは、エラストマー誘電材料を有するアクチュエータ構成に必要である。 ２つ以上の電極をエラストマー誘電材料に埋め込むこともできる。電極はパターン化されていてもいなくてもよい。

基板は作動装置の一部とすることができるので、それは、電極と電極の間のＥＡＰと電極の集合体に、又は外側の電極の１つに取り付けることができる。

電極は、それらがＥＡＭ材料層の変形に追従するように伸縮性であってもよい。これはＥＡＰ材料にとって特に有利である。電極に適した材料も知られており、例えば、金、銅、又はアルミニウムなどの金属薄膜、又はカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、例えばポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）などの有機導体からなる群から選択することができる。例えばアルミニウムコーティングを使用して金属化ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの金属化ポリエステルフィルムも使用することができる。

異なる層の材料は、例えば異なる層の弾性率（ヤング率）を考慮して選択される。

追加のポリマー層など、上記で論じたものに対する追加の層を使用して、デバイスの電気的又は機械的挙動を適合させることができる。

装置は単一のアクチュエータとして使用されてもよく、又は、例えば２Ｄ又は３Ｄ輪郭の制御を提供するために装置の線又はアレイがあってもよい。

本発明は、アクチュエータのパッシブマトリックスアレイに関心がある例を含む、多くのＥＡＰ用途に適用することができる。

多くの用途において、製品の主な機能は、人間の組織の（局所的な）操作、又は組織接触インタフェースの作動に依存している。そのような用途において、ＥＡＰアクチュエータは、主に小さいフォームファクタ、柔軟性及び高いエネルギー密度のために、独特の利点を提供する。それゆえ、ＥＡＰは、ソフト、３Ｄ形状、及び／又は小型の製品及びインターフェースに容易に統合することができる。そのようなアプリケーションの例は次のとおりである。

皮膚を緊張させるため、又はしわを減らすために、一定の又は周期的なストレッチを皮膚に適用するＥＡＰベースの皮膚パッチの形態の皮膚作動デバイスなどの皮膚化粧品治療。

顔面の赤い跡を軽減又は防止する交互の垂直圧力を皮膚に提供するための、ＥＡＰベースのアクティブクッション又はシールを有する患者インタフェースマスクを有する呼吸装置。

適応シェービングヘッドを備えた電気かみそり。皮膚接触面の高さは、近さと刺激のバランスに影響を与えるために、EAPアクチュエータを使用して調整することができる。

特に歯と歯の間の空間でスプレーの到達範囲を改善するための動的ノズルアクチュエータを備えたエアフロスのような口腔洗浄装置。代わりに、歯ブラシは活性化される房を備えていてもよい。

ユーザインターフェース内又はその近くに組み込まれているＥＡＰトランスデューサのアレイを介して局所的な触覚フィードバックを提供する家電機器又はタッチパネル。

曲がりくねった血管内での容易なナビゲーションを可能にするための操縦可能な先端を有するカテーテル。

ＥＡＰアクチュエータから利益を得る関連用途の別のカテゴリは、光の修正に関する。レンズ、反射面、格子などのような光学素子は、ＥＡＰアクチュエータを使用して形状又は位置適応によって適応されることができる。ここでEAPの利点は、例えば低消費電力である。

開示される実施形態に対する他の変形は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求される発明を実施する際に当業者によって理解され達成され得る。請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を排除するものではない。特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。請求項中の如何なる参照符号も範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 同時作動及び検出のための装置であって、
   コンデンサと第２の抵抗との直列結合と並列の第１の抵抗の等価電気回路を有する、電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントと、
   電極装置と、
   前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントに流れる電流を検出するための電流センサと、
   前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントを通る電流を制御するための電流源と、
   前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントにおける電圧を決定するための手段と、
   前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントを充電するための活性化期間を有する、作動信号を前記電極装置に提供するように構成されるコントローラと
   を有し、
   前記コントローラは、
   前記活性化期間中に定常状態電流を検出することによって前記第１の抵抗の抵抗値を決定し、
   前記活性化期間の開始時に前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントの充電中の電荷の流れを決定し、前記第１の抵抗の抵抗値を考慮することによって前記コンデンサの静電容量を決定し、
   発振プロファイルを有するように充電又は放電中に前記電流源を用いて前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントを通る電流を制御し、前記電流センサによって検出される前記電流と電圧計によって測定される電圧との間の位相関係を決定することによって前記第２の抵抗の抵抗値を決定する
   ように更に構成される、
   装置。
2. 前記作動信号は、少なくとも０．５秒の活性化期間を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記発振プロファイルは、少なくとも１００Ｈｚの周波数を有する、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記発振プロファイルは、前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントの活性化又は非活性化に対する影響を低減するためにＤＣバイアスを有する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の装置。
5. 前記発振プロファイルは、時間とともに変化する周波数を有する、請求項１乃至４の何れか一項に記載の装置。
6. 前記コントローラは、前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントを放電させるための非活性化期間を提供し、放電中に前記第２の抵抗の前記抵抗値を決定するように構成される、請求項１乃至５の何れか一項に記載の装置。
7. 前記コントローラは、充電中に前記第２の抵抗の前記抵抗値を決定するように構成される、請求項１乃至５の何れか一項に記載の装置。
8. 前記コントローラは、前記決定される前記第1の抵抗の抵抗値及び前記第２の抵抗の抵抗値並びに前記コンデンサの静電容量から、前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントにおける外力、圧力又は温度を決定するようにさらに構成される、請求項１乃至７の何れか一項に記載の装置。
9. コンデンサと第２の抵抗との直列結合と並列の第１の抵抗の等価電気回路を有する、電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントを用いる同時の作動及び検出のための方法であって、前記方法は、
   前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントを充電するための活性化期間を有する、作動信号を電極装置に提供するステップと、
   前記活性化期間中に定常状態電流を検出することによって前記第１の抵抗の抵抗値を決定するステップと、
   前記活性化期間の開始時において前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントの充電中に電荷の流れを決定し、前記第１の抵抗の前記抵抗値を考慮することによって前記コンデンサの静電容量を決定するステップと、
   発振プロファイルを有するように充電又は放電中に前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントを通る電流を制御し、検出される電流と電圧との間の位相関係を決定することによって前記第２の抵抗の抵抗値を決定するステップと
   を有する、方法。
10. 少なくとも１００Ｈｚの周波数を有する発振プロファイルを生成するステップを有する、請求項９に記載の方法。
11. 前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントの前記活性化又は非活性化への影響を低減するためにＤＣバイアスを用いて発振プロファイルを生成するステップを有する、請求項１０に記載の方法。
12. 経時的に変化する周波数を有する発振プロファイルを生成するステップを有する、請求項９、１０又は１１に記載の方法。
13. 前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントを放電するための非活性化期間を提供するステップ、及び放電中に前記第２の抵抗の前記抵抗値を決定するステップをさらに有する、請求項９乃至１２の何れか一項に記載の方法。
14. 充電中に前記第２の抵抗の前記抵抗値を決定するステップを有する、請求項９乃至１２の何れか一項に記載の方法。
15. 前記決定される前記第1の抵抗の抵抗値及び前記第2の抵抗の抵抗値並びに前記コンデンサの静電容量から、前記電気活性材料アクチュエータ及びセンサコンポーネントにおける外力、圧力又は温度を決定するステップを有する、請求項９乃至１４の何れか一項に記載の方法。

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