JP6770590B2 - 電気活性ポリマーアクチュエータを組み込んだアクチュエータ装置および駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気活性ポリマーアクチュエータに関する。

電気活性ポリマー（Electroactive Polymer：EAP）は、電気応答材料の分野における新たなクラスの材料である。EAPはセンサやアクチュエータとして機能し、さまざまな形状として容易に製造でき、多種多様なシステムに簡単に統合できる。
過去10年間に著しく改善された作動応力やひずみなどの特性を備えた材料が開発された。技術的リスクは製品開発のために許容できるレベルまで減少し、EAPは商業的にも技術的にも関心が高まっている。EAPの利点には、低電力、小さいフォームファクタ、柔軟性、ノイズのない動作、精度、高分解能の可能性、速い応答時間、および周期的な駆動などがある

EAP材料の改善された性能および特別な利点は、新しい用途への適用性を生じさせる。

EAP装置は、電気駆動に基づいて、構成要素または機構の少量の移動が望まれるあらゆる用途に使用されることができる。同様に、この技術は小さな動きを感知するためにも使用されることができる。本発明は、特に、アクチュエータに関する。

アクチュエータ装置にEAPを使用すると、一般的なアクチュエータと比較して、小さな体積または薄いフォームファクタでの比較的大きな変形と力の組み合わせにより、以前は不可能だった機能を可能とし、または一般的なアクチュエータソリューションよりも大きな利点を提供する。EAPアクチュエータは、ノイズのない動作、正確な電子制御、高速応答、および可能な限り広い範囲の駆動周波数、例えば0〜1MHz、最も典型的には20kHz未満を与える。

電気活性ポリマーを使用する装置は、電界駆動材料およびイオン駆動材料に細分することができる。

電界駆動型EAPの例には、圧電ポリマー、電歪ポリマー（PVDFベースのリラクサーポリマー）および誘電エラストマが含まれる。他の例としては、電歪グラフトポリマー、電歪紙、エレクトレット、電気粘弾性エラストマおよび液晶エラストマが挙げられる。

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

本発明は、特に、電界駆動型EAP材料を組み込んだアクチュエータ装置に関する。これらの装置は、直接的な電気機械的結合を通して電界によって駆動される。それらは、高い電界（ボルト/メートル）を必要とするが、それらの容量性に起因して小さい電流しか必要としない。ポリマー層は、駆動電圧を可能な限り低く維持するために、通常薄い。

電界駆動型EAPの第1の注目すべきサブクラスは、圧電及び電歪ポリマーである。伝統的な圧電ポリマーの電気機械的性能は限られているが、この性能を向上させるための画期的な進歩により、自発分極（電界駆動による整列）を示すPVDFリラクサーポリマーが得られている。これらの材料は、歪み方向の改善された性能のために予め歪ませることができる（予備歪みにより、より良好な分子の整列がもたらされる）。通常、歪みは中程度の状態（1〜5％）であるので、金属電極が使用される。他のタイプの電極（導電性ポリマー、カーボンブラックベースのオイル、ゲルまたはエラストマーなど）も使用されることができる。電極は、連続的であってもセグメント化されていてもよい。
電界駆動型EAPのもう1つの興味深いサブクラスは、誘電体エラストマーである。この材料の薄膜は、適合性電極間に挟まれて、平行平板コンデンサを形成することができる。誘電性エラストマーの場合、印加された電界によって誘発されるマクスウェル応力は、膜に応力を生じさせ、膜を収縮させて面積を拡大させる。歪み性能は、典型的には、エラストマーを予め歪ませることによって拡大される（予備歪みを保持するためのフレームを必要とする）。歪みは相当になる場合がある（10〜300％）。これはまた、使用可能な電極のタイプを制限し、低および中程度の歪みに対しては、金属電極および導電性ポリマー電極を考慮することができ、高ひずみ状態に対しては、カーボンブラックをベースとする油、ゲルまたはエラストマーが典型的に使用される。電極は、連続的であってもセグメント化されていてもよい。

図1と図2は、EAP装置の2つの可能な動作モードを示しています。

この装置は、電気活性ポリマー層14の両側の電極10,12の間に挟まれた電気活性ポリマー層14を含む。

図1は固定されていない装置を示す。図示のように、電気活性ポリマー層をあらゆる方向に膨張させるために電圧が使用される。

図2は、膨張が一方向のみに生じるように設計された装置を示す。この装置は、キャリア層16によって支持される。電気活性ポリマー層を湾曲させるまたはたわませるために電圧が使用される。

この動きの性質は、例えば、駆動されたときに膨張する活性層と受動キャリア層との間の相互作用から生じる。図示のように軸の周りで非対称の湾曲を得るために、例えば分子配向（フィルムの延伸）が適用されて、一方向への動きを強制することができる。

一方向への膨張は、EAPポリマーの非対称性から生じ得るか、あるいは、キャリア層の特性における非対称性、または両方の組み合わせから生じ得る。

米国特許出願公開第2007/216735号は、圧電アクチュエータを用いてインクを吐出するインクジェットヘッドを開示している。圧電変圧器がアクチュエータに組み込まれている。

電界駆動型電気活性ポリマーの問題は、所望のたわみを実現するための装置内での高い電界強度を達成するために、上述のように必要とされるかなり高い動作電圧である。これらの高電圧を生成するために電子駆動回路が使用される。これらのEAPには最大1kVの駆動電圧振幅が必要であり、高電圧装置を使用して実装する必要があり、電子機器のコスト（およびサイズ）が大幅に増加する。駆動エレクトロニクスとEAPアクチュエータは、一般に、互いに局所的に分離されているため、ドライバとアクチュエータとの間に高電圧の給電線を使用する。しかし、これはワイヤが破損した場合に安全上問題があり、電磁波だけでなく望ましくない（あるいは許容されない）高い電場および磁場を生じさせ、コンプライアンス認証の問題を引き起こし、あるいは、ユーザーに危害を及ぼす可能性もある。

したがって、これらの問題に対処するEAPアクチュエータ設計が必要である。

本発明の目的は、少なくとも部分的にこの必要性を満たすことである。本発明は、独立請求項によって定義され、従属請求項は、有利な実施形態を提供する。

本発明の1つの態様による例は、アクチュエータ装置を提供し、当該アクチュエータ装置は、以下を有する

電気活性ポリマーアクチュエータ、及び

一次側と二次側とを有する圧電変圧器と、を有し、

アクチュエータ装置は、第1部分および第2部分を含む圧電電気活性ポリマー層を有し、

電気活性ポリマー層の第1部分は圧電変圧器の二次側の一部を形成し、電気活性ポリマー層の第2部分は電気活性ポリマーアクチュエータの一部を形成する。

このアクチュエータ装置では、圧電変圧器の少なくとも一部を形成するために、装置の駆動（出力）部分を形成しないEAPアクチュエータの一部が使用される。このようにして、必要とされる高電圧駆動信号は、集積化された高電圧変圧器を用いて局所的に生成されることができる。これにはコスト上の利点があり、高電圧給電線の必要性を回避し、電磁放射効果を緩和する。

可能な例の1つのセットにおいて、圧電電気活性ポリマー層の第1部分は圧電変圧器の一次側の部分も形成する。このようにして、一次変圧器側、二次変圧器側および装置全体のアクチュエータ部分に共有されるEAP層が使用される。これにより、最大限の集積度で低コストのソリューションが提供される。

圧電電気活性ポリマー層の第1部分は、一次側で第1の分子配向を有し、二次側で第2の異なる分子配向を有してもよい。このように、共有される層が使用されるが、特性は、変圧器の改善された性能を達成するように調整されてもよい。

例えば、第1の分子配向は、圧電変圧器と電気活性ポリマーアクチュエータとの間に延びる長手方向であり、第2の分子配向は、圧電電気活性ポリマー層の平面に対して直角（すなわち垂直）であり得る。

本発明による別の一組の例では、圧電変圧器の一次側および二次側は、異なる電気活性ポリマー材料から形成される。二次側とアクチュエータとの間に共有される層が依然として存在する。しかし、変圧器の性能は、一次側と二次側とで異なる材料を使用することによって改善される。一次側は電気から機械への変換を提供し、二次側は機械から電気への変換を提供する。この装置では、異なるEAPテクノロジタイプが使用されることができる。

圧電変圧器の一次側の電気活性ポリマー材料は、例えば、予め歪んだ誘電性エラストマを含む。

全ての例において、圧電変圧器の一次側は多層スタックを含むことができる。これにより、所望の変圧比を得ることができる。電気活性ポリマーアクチュエータもまた、多層スタックとして形成されてもよい。

ダイオード構成が、圧電変圧器の二次側と電気活性ポリマーアクチュエータとの間に電気的に接続されることができる。これは、集積整流器として機能し、望ましくない極性の高電圧振幅に対する保護を提供するために使用されることもできる。

分離領域が、圧電変圧器の二次側と電気活性ポリマーアクチュエータとの間の圧電電気活性ポリマー層に設けられてもよい。これは、変圧器とアクチュエータとの間の機械的デカップリングを提供するために使用され得る。特に、アクチュエータ動作による変圧器機能の減衰を低減することができる。

分離領域は、圧電電気活性ポリマー層における1つ以上の開口および/または追加のインタフェース材料を含むことができる。

圧電変圧器は、コプレーナ変圧器素子のセットを含むことができる。このようにして、各変圧器素子は、（層の平面内での）線寸法に対する厚さの所望の比を有することができる。特に、小型化の目的で薄い厚さが望まれる場合には、複数の（より小さい面積の）コプレーナ変圧器素子の使用は、面内寸法に対する厚さの所望の比を維持する。これは、変圧器の高効率を維持するのに役立つ。

変圧器素子は、それらの入力を並列に且つそれらの出力を並列に、または直列に、あるいは並列および直列変圧器の組み合わせとして、並列に電気的に接続されることができる。

圧電変圧器は可撓性であってもよい。圧電性電気活性ポリマー層は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）またはポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン（PVDF−TrFE）を含む。

本発明の別の態様による実施例は、電気活性ポリマーアクチュエータを駆動する方法であって、

一次側と二次側とを有する圧電変圧器に駆動信号を印加するステップと、

電気活性ポリマー層の第１部分が圧電変圧器の二次側の部分を形成し、電気活性ポリマー層の第２部分が電気活性ポリマーアクチュエータの一部を形成するように、共通の圧電電気活性ポリマー層を使用して、圧電変圧器の二次側を電気活性ポリマーアクチュエータに結合するステップと、

圧電変圧器からの出力を用いて電気活性ポリマーアクチュエータを駆動するステップとを有する。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
固定されていない既知の電気活性ポリマー装置を示す図。 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装置を示す図。 一体化されたEAPアクチュエータおよび変圧器の第１の例を示す図。 一体化されたEAPアクチュエータおよび変圧器の第２の例を示す図。 一体化されたEAPアクチュエータおよび変圧器の第３の例を示す図。 3つの可能な変圧器回路を示す図。

本発明は、電気活性ポリマーアクチュエータおよび一体化された圧電変圧器を有するアクチュエータ装置を提供する。少なくとも変圧器の二次側は、電気活性ポリマーアクチュエータと圧電電気活性ポリマー層を共有する。これは、変圧器を内蔵した装置を提供し、より低い外部電圧が装置に印加されることができる。

一般に、電界駆動型電気活性ポリマー（EAP）アクチュエータは、2つの導電性電極の間に埋め込まれた電気絶縁材料からなる。印加電圧の関数として、電極間の電界はＥＡＰの機械的変形を引き起こす。上記で説明したように、EAP層に対して異なる伸張係数（例えば剛性）を有する追加の材料を使用することによって、機械的変形を特定の方向に向けることができる。多層技術を実施することにより、電極間の電界強度を増大させることができ、したがって、EAPアクチュエータを動作させるためにより低い電圧振幅が必要とされるか、またはより大きな機械的変形が実現され得る。この基本構成は、電気積層コンデンサと非常によく似ている。

（誘電体変圧器としても知られる）圧電変圧器は、多層技術と単層技術の両方を利用することができる別の既知の受動素子である。構成に応じて、例えば数キロボルトの範囲の非常に高い電圧を、例えば90％を超える非常に高い効率で、生成することができる。このような変圧器は、従来の磁気変圧器のために十分なスペースがない平坦な用途に使用するための平坦な装置として形成することができる。

既知の圧電変圧器の欠点は、典型的に使用されるセラミック材料によって生じる剛性および脆性である。これらは、典型的には、この理由のために、可撓性のある（例えばシリコーンの）ホルダに埋め込まれる。機械的保護機能に加えて、この柔らかくでフレキシブルな埋め込み設計により、変圧器は機械的に振動することができる。これは、効率を低下させる機械的減衰を低減する。（印加された入力電圧に基づく）一次側の印加電場は、一次側を変形させる。一次及び二次部分は単一の一体化された装置として機械的に接続されているので、機械的な一次側の変形は装置の二次側に結合される。機械的変形は再び電場を生成し、接続された負荷の電圧降下を引き起こす。

動作上の観点から、異なる装置の振動モードを考慮することができる。最も一般的なものは、横方向、縦方向、厚さ方向、平面方向、または放射状のモード、ならびにこれらの組み合わせである。最も一般的には、ローゼン型変圧器は、横方向および縦方向の振動モードの組み合わせを使用する。厚さ方向および放射状の振動モードに依存する装置も知られている。

一次側から二次側への電圧変換比は、基本的に、一次側（n）と二次側の内部層の数と同様に、構成要素の形状因子、長さ（ｌ）および高さ（ｄ）（すなわち厚さ）に依存する。性能は、当業者に知られているように、いくつかの材料および設計パラメータに依存する。さらに、電気的な観点から、出力電圧は、動作周波数（ω=2πf）および負荷条件に対する依存性も示す。

本発明は、圧電EAP層を使用して、変圧器の電気機械変換層の少なくとも一部を形成する。次いで、同じ層が、変圧器の少なくとも一部（二次側）ならびにEAPアクチュエータを形成する。

図3は、アクチュエータ装置の第1の例を示す。装置は、垂直面内の断面図で示されている。これは、一次側32と二次側34とを有する圧電変圧器30と、電気活性ポリマーアクチュエータ35とを組み合わせた単一の集積デバイスを含む。

AC電圧源31は、変圧器への入力にある。

変圧器の動作周波数と変換比の両方は変圧器の設計に依存し、調整されることができる。商業的に入手可能な圧電変圧器の典型的な値は、周波数85kHzおよび変換比50である。

一般に、周波数は、数ｋＨｚから数百ｋＨｚまでの範囲、例えば１０ｋＨｚから１００ｋＨｚであり得る。電圧変換比は、例えば１（絶縁およびインピーダンス変換のみを提供する）から１０００の範囲内、例えば１０から１００の範囲内である。

図示の例では、変圧器30の一次側と二次側を横切って延在する第1部分36aと、アクチュエータ35を横切って延在する第2部分36bとを含む単一の電気活性ポリマー層36がある。

変圧器の各側は、上部および下部電極の間に挟まれた圧電電気活性ポリマー層36の部分を含む。一次側32は、上部電極38と下部電極39とを有し、二次側34は、上部電極40と下部電極41とを有する。電気活性ポリマーアクチュエータ35は、上部電極42と下部電極43とを有する。

したがって、電気活性ポリマー層の第1部分36aは圧電変圧器の一部を形成し、電気活性ポリマー層の第2部分36bは電気活性ポリマーアクチュエータ35の一部を形成する。

EAPアクチュエータ35の動きを制御または制限するためのキャリア層44が、EAPアクチュエータ35のところに示されている。それは、もちろん、装置全体に渡って延在することができる。

このように、圧電変圧器は、圧電EAP層36を用いて実現される。EAP層36は、必要とされる機械−電気変換を提供するために、変圧器の少なくとも二次側34において圧電性である必要がある。したがって、図3の例は、圧電性である単一のポリマー材料を使用する。一例として、PVDFまたはPVDF−TrFE、または他の圧電性ポリマーを使用することができる。

アクチュエータとの一体化に加えて、変圧器にEAP材料を使用する利点は、脆性であるセラミック圧電変圧器の基本的な欠点に対処することである。したがって、使用可能な用途が拡張され、可能な形状はあまり限定されない（例えば、セラミック圧電変圧器は、一般に長方形のバーに限定され、一般に少なくとも2mmの高さを有する）。より薄い変圧器が製造され得るが、それらはさらに脆弱である。代わりに、EAPベースの変圧器は、湾曲した設計のような任意の形状に容易に設計することができる柔軟で軽量な装置とすることができる。また、わずか数百マイクロメートルの高さにすることもできる。

（平面視した際の）所望の寸法は、材料特性および層数などのいくつかのパラメータおよび設計実装に依存する。（電圧と組み合わせた）電荷転送速度に相関する電力/エネルギー伝達能力も非常に重要である。これもまた、選択された材料特性および体積に関連する。構成要素の高さ（すなわち厚さ）ならびに幅および長さもまた重要である。

EAPは低電力の構成要素であり、したがってエネルギー移動は本質的に低い。例えば、200Vの急峻な矩形オンパルスで動作する標準的なEAPは、約230mWのピーク電力しか必要としない。定常状態動作に完全に起動した後、必要な電力は、（固有損失を補償するための）数mW程度である。

必要な性能に基づいて、適切なサイズ範囲の指示を得ることができる。例えば、供給されるピーク電力に達するためには、2.1mWのエネルギーが（例えば、約20msの期間にわたって）EAPに押し込まれる必要がある。このエネルギーを線形化すると、平均エネルギーは、1/2 * 2.1mWs = 1.05mWsとなり、それは変圧器によって供給される必要がある。

参考文献'Biomedical Applications of EAPs';F. Carpi, E. Smelal; Wiley; p. 327によれば、変圧器材料の適切な候補であるＰ（ＶＤＦ ‐ ＴｒＦＥ ‐ ＣＦＥ）のエネルギー密度は１．２２Ｗｓ ／ ｃｍ^３であることが知られている。比較のために、標準的なセラミックPZTのエネルギー密度は0.1Ws / cm^3に過ぎない。

したがって、この例では、１．０５ｍＷｓ×１ｃｍ^３ ／１．２２Ｗｓ ＝ ０．０００９ｃｍ^３の体積、すなわち約１ｍｍ^３が必要である。

横方向の寸法については、変圧器の1巻線部分が10mm×10mmを占めることができる。これにより、10μmの範囲の高さが得られる（電極を除く）。従って、変圧器全体（一次側及び二次側の両方）は、20mm×10mm×0.01mm程度の寸法を有する。

これは、必要な変圧器のサイズが（10μmの薄い厚さを取った場合でも）EAPアクチュエータの能動部分のサイズの範囲内にあり、したがって、そのようなアクチュエータの高さを増加させないことを示すための単なる例示である。

アクチュエーション機能は変圧器の動作、例えば変圧比に影響を与えないことが望ましい。従って、EAPアクチュエータの動きは変圧器から隔離されるべきである。これは、例えばカバー材料層のない領域を有することにより、変圧器とEAPアクチュエータとの間にEAP層36の機械的に非アクティブな部分を規定することによって保証され得るが、（異なる機械的膨張係数を有する）そのようなカバー層はEAPアクチュエータに使用される。これは図3に示されており、キャリア層44はEAPアクチュエータ35内でのみ使用されている。しかしながら、アクチュエーションによって引き起こされる機械的変形は、典型的には層厚の減少をもたらし、これは（有益なことに）EAPベースの変圧器の電圧変換比を増加させる。

これらの問題は、装置全体の設計において考慮に入れることができる。

変圧器の一次側と二次側との間の機械的結合を改善するために、装置の片側または両側に付加的な層を設けることもできる。機械的変形の好ましい方向を提供するために、一層または複数の追加のより硬い層を使用することができる。

このより硬い層によって引き起こされる、変圧器機能の追加の減衰を減らすために、追加のより硬い層と変圧器との間の接触面の内側は、例えば低摩擦表面またはオイルなどの摩擦低減流体を使用して、摩擦を低減するように用意されることができる。

変圧器の一次側については、二次側に伝達するのに十分な機械的エネルギーを有する大きな変形が望まれる。二次側については、高い圧電効果が望ましい。PVDFリラクサーポリマーのような、変圧器を横切る単一の均一なEAP層と比較して、性能を改善するいくつかの方法がある。

第1の変更は、一次側および二次側において、制御された分子配向を用いることである。選択された分子配向は、電気機械結合（k）を増加させる。例えば、一次側は、長手（水平）方向の分子配向を有することができ、二次側に向かってより多くの機械的エネルギーが提供される。二次側は、垂直方向の分子配向を有することができる。結合係数の値が大きいほど、電気エネルギーへの変換量が大きくなる。

第２の変更は、一次側用に１つ、二次側用に１つの２つの異なる材料を使用することである。一次側は、例えば、高い機械的エネルギーおよび高い結合係数を有する予め歪ませた誘電性エラストマー（例えばアクリル樹脂）またはPVDF−リラクサーポリマーを使用することができる。この設計は、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換を最適化するように選択される。

異なる材料の使用は、異なる分子配向の選択と組み合わせられることができる。

二次側は、比較的高い圧電効果に基づいて、一次側によって共振される材料、例えば、低いCFE/CTFE含量を有する圧電ポリマー（フィルム）、圧電コポリマーまたはPVDFリラクサーポリマーを含むことができる。フェロエレクトレットは、その高い圧電効果のために二次側で使用されることができる。

変圧器30の一次側32は、単層である二次側34に機械的に結合された図4に示すような多層スタック48を使用することができる。一次側の多層構造46は、非常に高い電界強度が内部層に印加され、一次側と機械的に結合された二次側との両方の大きな機械的変形を引き起こすことを意味する。

多層スタック48は、一対の電極層の間にそれぞれ設けられた薄いEAP層を含み、これらの層は、交互となる極性の電極と積層されている。このように、一対の駆動信号のみが必要とされ、インターリーブされた層状櫛形電極は、複数の層の駆動を提供する。二次側での変形は、装置の出力端子間の一層高い電場強度の生成をもたらし、したがって、相関した電圧を生じる。

変圧器30は、堅い層を必要とせず、完全に可撓性を保つことができる。変圧器の一次側に低電圧が印加され、これがアップコンバートされてアクティブなEAPアクチュエータ35に供給される。この設定は、小型アクチュエータにとって特に有効である。

（パルス動作モードではなく）DC動作電圧が必要な場合、変圧器の二次側とEAPアクチュエータの間に整流ダイオードが追加されることができる。

図4（および図3）はまた、二次側の電極40とEAPアクチュエータの電極42との間を接続する単純なダイオード46によって整流された二次側出力を示す。整流機能に加えて、ダイオードは、所望の駆動極性とは反対の極性を有する望ましくない高電圧振幅からアクチュエータを保護する。そして、放電端子がEAPアクチュエータに追加されることができる（図示せず）。

アクチュエータには様々な可能な動作モードがあり、ダイオードは、幾つかには必要とされ、他のものは必要とされない場合がある。

アクチュエータのパルス駆動モードでは、アクチュエータを使用して短期間の（非静的な）機械的たわみを発生させることができる。この場合、変圧器の二次側とアクチュエータとの間にダイオードは必要ない。高周波パルスを使用して機械的撓みを維持することができるが、これは損失をもたらし、加熱および温度ドリフトをもたらす可能性がある。

アクチュエータの定常状態動作モードでは、アクチュエータは機械的に歪められ、その状態を一定期間維持する必要がある。単一のパルスのみが加えられると、機械的なたわみは時間とともに変化する。この場合、直流駆動電圧が用いられ、ダイオードが用いられる。変圧器セクションは、非直流の（正弦波またはパルス波形の）入力でのみ機能する。従って、二次側の非直流電圧は、ダイオードによって整流される。アクチュエータの自己キャパシタンスも信号を平滑化する。

EAPアクチュエータ35の機械的変形を増大させるために、変圧器の一次側32に関して説明したように、EAPアクチュエータ35内で多層技術が使用されることもできる。これは、電界強度を増加させ、ひいては、より大きなたわみを引き起こす。

変圧器は、（部分的に）分極されて電圧変換性能を改善することができる。任意の多結晶セラミックは、多数のランダムに配向した結晶（双極子）からなり、バルク特性は、これらの結晶の特性の合計である。圧電セラミックスの製造においては、まず、適切な強誘電体材料を所望の形状に加工し、電極が付けられる。次に、圧電素子は、それを超えると自発分極と圧電効果が存在しなくなる温度であるキュリー温度まで加熱される。加熱は、強いDC磁場の存在下で行われる。これは、セラミックを分極させる（すなわち、印加された磁場の方向にセラミックの分子双極子を整列させる）。温度がキュリー点未満に低下し、磁場が除去されると、分極磁場は定位置にとどまる。整列したドメインの数が多いほど、圧電効果が大きくなる。

圧電変圧器の一次側と二次側を適宜分極することにより（双極子の理想的な方向は選択された変圧器の原理に依存する）、効率を非常に良くすることができる。

共用EAP層による変圧器とEAPアクチュエータとの間の機械的結合は、上述のように、アクチュエーションが変圧器の機能に影響を及ぼし得ることを意味する。

図5は、変圧器30とEAPアクチュエータ35との間の機械的結合を低減する1つの手法を示す。これはダイオードなしの上面図を示す。変圧器の二次側34とEAPアクチュエータ領域との間の接続は、分離領域50を含む。示された例では、分離領域は、変圧器へのEAPアクチュエータによる機械的減衰効果を低減する一組の垂直開口部52を含む。開口部は垂直である必要はない。実際には、弱化構造を用いて分離機能を提供することができる。

分離領域50のための開口を使用する代わりに、変圧器の二次側とEAPアクチュエータは、機械的結合を低減するために、軟質材料の形の追加のインタフェースによって接続されることができる。この材料は、例えば、EAP層のさらに大きな開口部を埋めることができる。

最も大きなデカップリングは、EAP層を2つの別個の部分に分離し、電極ワイヤまたは層によって接続し、サブキャリア（例えばフレキシブルPCBまたはフォイル）上に組み立てることによって達成されることができる。この場合、EAP層は不連続であるが、依然として共通の全体層の一部として形成される。換言すれば、変圧器（二次側）とアクチュエータとで同種のEAP層36が形成される。

変圧器材料としてEAPを使用することの利点の1つは、上述のように変圧器とアクチュエータの機能を一体化することである。変圧器の性能を最適化するためには、変圧器の長さ（または幅）に対する厚さの比が小さすぎてはならない。それが低すぎると、変圧器の効率と電圧利得が大幅に低下する。EAP材料の利点は、例えば、印刷法またはフィルム延伸などによって、典型的にはセラミック材料よりも薄い、非常に薄い層に加工することができることである。これには2つの利点がある。

第1に、一次側の内部層の数を、二次側部分の所与の厚さに対して増加させることができ、電圧利得を増加させる。

第2に、装置全体の厚さを減少させることができる。この第2の利点は、上述のように変圧器の小型化を可能にした。しかし、変圧器の長さ（または幅）に対する厚さの比は、十分に高いままでなければならない。これは、電極をローゼン型変圧器のアレイにパターニングすることによって、変圧器を変圧器素子のアレイに分割することによって達成することができる。

図6Aは、並列の2つの変圧器素子60a、60bを示す。電圧源31は、両方の変圧器素子の入力に並列に接続され、それらは両方とも並列に出力62a、62bに接続される。並列接続は、より大きな電流の変圧器設計を提供する。

図６Ｂは、直列の２つの変圧器素子６０ａ、６０ｂを示し、第１の変圧器素子６０ａの出力は第２の変圧器素子６０ｂの入力を形成し、第２の変圧器素子６０ｂの出力は変圧器出力６２ａ、６２ｂに接続される。直列接続は、より高い電圧比の変圧器設計を提供する。

図6Cは、2つの並列素子60a、60bと2つの直列素子60c、60dとを有する直列および並列接続の組合せを示す。

上述の集積装置は、装置への必要な入力電圧を低減することを可能にし、部品の安全性を改善し、電磁性能を改善する。この装置は、高電圧接続を必要とせずに、非常に平坦で柔軟性がある。さらに、より低い駆動周波数を使用して、セラミック圧電変圧器と比較して駆動電子装置の損失を低減することができる。変圧器はまた、EAPアクチュエータと電源との間にガルバニック絶縁を導入する。

EAP層に適した材料が知られている。

変圧器の一次側は、所望の電気−機械変換機能を有する任意の材料を使用することができる。二次側の材料は、必要な機械−電気変換を提供する圧電材料である。

電気活性ポリマーには、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、電歪ポリマー、誘電エラストマ、液晶エラストマ、共役ポリマー、イオンポリマー金属複合材、イオン性ゲルおよびポリマーゲルのサブクラスが含まれるが、これらに限定されない。

サブクラスの電歪ポリマーには以下が含まれる（但しこれらに限定されない）：

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。

サブクラスの誘電エラストマには以下が含まれる（但し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。

サブクラス共役ポリマーには以下が含まれる（但しこれらに限定されない）：

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。

イオン装置は、イオン性ポリマー−金属複合材（IPMC）または共役ポリマーに基づくことができる。イオン性ポリマー−金属複合体（IPMC）は、印加された電圧または電場の下で人工筋肉の挙動を示す合成複合ナノ材料である。

より詳細には、IPMCは、表面が化学的にメッキされ、または白金もしくは金などの導電体もしくは炭素系電極で物理的に被覆されたNafionまたはFlemionのようなイオン性ポリマーからなる。印加された電圧の下で、IPMCのストリップ全体に印加される電圧に起因するイオン移動および再分布は、曲げ変形をもたらす。ポリマーは溶媒膨潤したイオン交換ポリマー膜である。この電界により、陽イオンは水と共にカソード側に移動する。これは、親水性クラスターの再構成およびポリマーの膨張につながる。カドード領域の歪みは、ポリマーマトリックスの残りの部分に応力をもたらし、アノードに向かって曲がる。印加電圧を逆にすると曲がりが反転する。

メッキされた電極が非対称構成に配置されている場合、課された電圧は、より、巻き、ねじり、曲げおよび非対称曲げ変形などのあらゆる種類の変形を誘発することができる。

これらの例の全てにおいて、加えられた電界に応答してEAP層の電気的および/または機械的挙動に影響を及ぼすために、追加の受動層が設けられてもよい。

各ユニットのEAP層は、電極の間に挟まれていてもよい。電極は、EAP材料層の変形に追従するように伸張可能であってもよい。電極に適した材料も知られており、例えば、以下からなる群から選択されてもよい：金、銅、アルミニウムなどの金属薄膜、または、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリン（PANI）、ポリ（3,4−エチレンジオキシチオフェン）（PEDOT）（例えばポリ（3,4−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート）（PEDOT：PSS））などの有機導電体。例えばアルミニウムコーティングを使用した金属化ポリエチレンテレフタレート（PET）といった、金属化ポリエステルフィルムを使用することもできる。

本発明は、アクチュエータのパッシブマトリクスアレイが重要である例を含む、多くのEAPおよび光活性ポリマーアプリケーションに適用されることができる。

多くのアプリケーションにおいて、製品の主な機能は、ヒト組織の（局所的な）操作、または組織接触界面のアクチュエーションに依存する。このようなアプリケーションでは、例えば、EAPアクチュエータは、主に小型の形状、柔軟性および高いエネルギー密度による特有の利点を提供する。したがって、EAPおよび光応答性ポリマーは、柔らかく、3D形状のおよび/または小型の製品およびインターフェースに容易に一体化されることができる。そのようなアプリケーションの例は次のとおりである。

皮膚を引っ張ったりしわを減らしたりするために皮膚に一定のまたは周期的なストレッチを適用する応答性ポリマーベースの皮膚パッチの形の皮膚アクチュエーション装置のような皮膚化粧処置;

顔面の赤い傷跡を低減または防止する交互の標準圧力を皮膚に与えるための、応答性ポリマーベースの能動的なクッションまたはシールを有する患者インターフェイスマスクを備えた呼吸装置;

適応シェービングヘッドを備えた電気シェーバー。近さと刺激との間のバランスに影響を及ぼすために、応答性ポリマーアクチュエータを用いて皮膚接触面の高さを調節することができる。

特に歯の間の空間において、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ーフロスのような口腔洗浄装置。代替的に、歯ブラシが活性化したタフトを備えていてもよい。

ユーザインタフェース内またはその近傍に統合された応答性ポリマートランスデューサのアレイを介して局所ハプティックフィードバックを提供する消費者電子機器またはタッチパネル;

曲がりくねった血管内での簡単なナビゲーションを可能にする可動な先端を備えたカテーテル;

心拍、SpO2および血圧などの生理的人体パラメータの測定。

そのようなアクチュエータから利益を受ける関連するアプリケーションの別のカテゴリは、光の変更に関する。レンズ、反射面、回折格子などの光学素子は、これらのアクチュエータを使用して形状または位置適応によって適応可能にすることができる。例えば、EAPの1つの利点は、より低い電力消費である。

上記の例は、一次側と二次側との間に電気絶縁を備えたトランスバーサルモード動作変圧器に基づいている。しかし、他の振動モードベースの変圧器も可能である。内部電極が二次側に追加されることもできる。一次側は、単一層または多層構造を使用することができる。一次側と二次側は共通の電位を基準とすることができる。

本発明の一態様は、変圧器の一次側および二次側に異なるEAP材料を使用することに関する。この特徴を必要としない他の態様もある。

本発明の一般的な共通の特徴は、

電気活性ポリマーアクチュエータ（35）;及び

一次側（32）と二次側（34）とを有する圧電変圧器（30）と、を有するアクチュエータ装置であって、

当該アクチュエータ装置は、第1部分（36a）および第2部分（36b）を含む圧電電気活性ポリマー層（36）を有し、

電気活性ポリマー層の第1部分（36a）が圧電変圧器の二次側（34）の一部を形成し、電気活性ポリマー層の第2部分（36b）が電気活性ポリマーアクチュエータ（35）の一部を形成する。

圧電変圧器の一次側（32）および二次側（34）を異なる電気活性ポリマー材料で形成することは、1つの特定の態様である。

第2の態様は、ダイオード装置（46）が圧電変圧器の二次側（34）と電気活性ポリマーアクチュエータ（35）との間に電気的に接続されていることである。

第３の態様は、変圧器素子が、それらの入力を並列にそしてそれらの出力を並列にして並列に、または直列に、あるいは並列および直列変圧器素子の組み合わせとして電気的に接続されていることである。

これらの第2および第3の態様は、一次側および二次側に対して異なる材料を必要としない。例えば、圧電電気活性ポリマー層の第1部分（36a）は、圧電変圧器の一次側（32）の一部を形成してもよい。例えば、圧電電気活性ポリマー層の第1部分（36a）は、一次側（32）において第1の分子配向を有し、二次側（34）において第2の異なる分子配向を有する。第１の分子配向は、圧電変圧器と電気活性ポリマーアクチュエータとの間に延びる長手方向にあってもよく、第２の分子配向は、圧電電気活性ポリマー層の平面に対して垂直である。

これらの他の態様は、フレキシブルなデザイン、分離領域および多層設計などの他の特徴と組み合わせてもよいことに留意されたい。

開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の研究から、クレームされた発明を実施する上での当業者によって理解され、達成され得る。特許請求の範囲において、「含む（comprising）」という単語は他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」または「an」は複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙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できないことを示すものではない。特許請求の範囲における参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (12)

1. 電気活性ポリマーアクチュエータ、及び
   一次側と二次側とを備える圧電変圧器、
   を有するアクチュエータ装置であって、
   前記アクチュエータ装置は、第一部分と第二部分とを備える圧電性の電気活性ポリマー層を有し、
   前記電気活性ポリマー層の前記第一部分が前記圧電変圧器の前記二次側の部分を形成し、前記電気活性ポリマー層の前記第二部分が前記電気活性ポリマーアクチュエータの部分を形成し、
   前記圧電変圧器の前記一次側及び前記二次側が、異なる電気活性ポリマー材料から形成される、アクチュエータ装置。
2. 前記圧電変圧器の前記一次側の電気活性ポリマー材料が、予め歪んだ誘電性エラストマである、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
3. 前記一次側の前記圧電性の電気活性ポリマー層が第一の分子配向を有し、前記二次側の前記圧電性の電気活性ポリマー層が前記第一の分子配向と異なる第二の分子配向を有する、請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ装置。
4. 前記第一の分子配向が、前記圧電変圧器と前記電気活性ポリマーアクチュエータとの間に延在する長手方向であり、前記第二の分子配向が、前記圧電性の電気活性ポリマー層の面に垂直である、請求項３に記載のアクチュエータ装置。
5. 前記圧電変圧器の前記一次側及び／又は電気活性ポリマーアクチュエータが多層スタックを有する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
6. 前記圧電変圧器の前記二次側と前記電気活性ポリマーアクチュエータとの間で前記圧電性の電気活性ポリマー層に設けられた分離領域を有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
7. 前記分離領域が、前記圧電性の電気活性ポリマー層における開口及び／又は前記圧電変圧器の前記二次側と前記電気活性ポリマーアクチュエータとを接続する軟質材料である追加のインタフェース材料を有する、請求項６に記載のアクチュエータ装置。
8. 前記圧電変圧器が、コプレーナ変圧器素子のセットを有する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
9. 前記コプレーナ変圧器素子が、入力が並列かつ出力が並列になるように電気的に並列に接続されるか、直列に接続されるか、あるいは、並列の変圧器素子と直列の変圧器素子の組み合わせである、請求項８に記載のアクチュエータ装置。
10. 前記圧電変圧器が可撓性である、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
11. 前記圧電性の電気活性ポリマー層が、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）又はポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン（PVDF−TrFE）を含む、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
12. 電気活性ポリマーアクチュエータを駆動する方法であって、
    一次側と二次側とを備える圧電変圧器に駆動信号を印加するステップであって、前記圧電変圧器の前記一次側及び前記二次側が異なる圧電性ポリマー材料から形成されているステップと、
    共通の圧電性の電気活性ポリマー層を用いて、前記電気活性ポリマー層の第一部分が前記圧電変圧器の前記二次側の部分を形成し、前記電気活性ポリマー層の第二部分が前記電気活性ポリマーアクチュエータの部分を形成するように、前記圧電変圧器の前記二次側を前記電気活性ポリマーアクチュエータに結合するステップと、
    前記圧電変圧器からの出力を用いて前記電気活性ポリマーアクチュエータを駆動するステップと、
    を有する方法。

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