特許 6876052 電気活性高分子に基づくアクチュエータデバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6876052

(24)【登録日】2021年4月27日

(45)【発行日】2021年5月26日

(54)【発明の名称】電気活性高分子に基づくアクチュエータデバイス

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20210517BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20210517BHJP

   H01L 41/193 20060101ALI20210517BHJP

   H01L 41/04 20060101ALI20210517BHJP

【ＦＩ】

   H02N11/00 Z

   H01L41/09

   H01L41/193

   H01L41/04

【請求項の数】15

【全頁数】32

(21)【出願番号】特願2018-532141(P2018-532141)

(86)(22)【出願日】2016年12月13日

(65)【公表番号】特表2019-506116(P2019-506116A)

(43)【公表日】2019年2月28日

(86)【国際出願番号】EP2016080707

(87)【国際公開番号】WO2017108489

(87)【国際公開日】20170629

【審査請求日】2019年12月11日

(31)【優先権主張番号】15201583.0

(32)【優先日】2015年12月21日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】590000248

【氏名又は名称】コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ

【氏名又は名称原語表記】ＫＯＮＩＮＫＬＩＪＫＥ ＰＨＩＬＩＰＳ Ｎ．Ｖ．

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】ジョンソン，マーク トーマス

(72)【発明者】

【氏名】フィッシュ，デイヴィッド アンドリュー

【審査官】 小林 紀和

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６０−２１７７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０７９１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５００５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２０４７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０２２４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２５６０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１０４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／０４５６０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１３５３２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１７６９１５９（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ １１／００

Ｈ０１Ｌ ４１／０４

Ｈ０１Ｌ ４１／０９

Ｈ０１Ｌ ４１／１９３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気活性高分子アクチュエータの複数の行及び列、データラインの組、並びにアドレッシングラインの組を有するアクティブマトリクスアレイと、
各電気活性高分子アクチュエータと関連する各々のスイッチング配置であって、該スイッチング配置は、各々のデータラインへ接続される入力部、各々のアドレッシングラインへ接続されるゲート、及び前記関連する電気活性高分子アクチュエータの第１端子へ接続される出力部を有し、各電気活性高分子アクチュエータの第２端子は制御ラインへ接続される、前記スイッチング配置と、
前記データラインへの印加のための第１及び第２駆動レベル、並びに前記制御ラインへの印加のための第３及び第４駆動レベルを少なくとも有する駆動信号を供給するドライバと
を有し、
前記ドライバは、
全ての前記電気活性高分子アクチュエータを非作動状態に設定するよう前記制御ラインへ前記第３駆動レベルを供給し、
全ての前記電気活性高分子アクチュエータを第１状態へ駆動するよう前記データラインへ前記第１駆動レベルを、及び前記制御ラインへ前記第４駆動レベルを供給し、
前記電気活性高分子アクチュエータが前記第１状態に達する前に、前記電気活性高分子アクチュエータのうちの選択された電気活性高分子アクチュエータを第２状態へ駆動するよう、該選択された電気活性高分子アクチュエータに関連するデータラインへ第２駆動レベルを印加する
よう構成される、デバイス。

【請求項2】

前記アレイは、複数のサブアレイを有し、各サブアレイのための共有された制御ラインがあり、各サブアレイは、例えば、電気活性高分子アクチュエータの行を有する、
請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

全ての前記電気活性高分子アクチュエータのための共有された制御ラインがある、
請求項１に記載のデバイス。

【請求項4】

前記電気活性高分子アクチュエータは、閾電圧及び最大駆動電圧を有し、前記閾電圧を下回って、最低限の作動があり、前記最大駆動電圧で、完全な作動がある、
請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項5】

前記第１駆動レベル及び前記第３駆動レベルは０Ｖを有し、前記第４駆動レベルは、前記第２駆動レベルの電圧よりも大きい電圧を有する、
請求項４に記載のデバイス。

【請求項6】

前記第４駆動レベルの電圧は、前記最大駆動電圧であり、前記第２駆動レベルの電圧と前記第４駆動レベルの電圧との差は、前記閾電圧以下である、
請求項５に記載のデバイス。

【請求項7】

前記第４駆動レベルの電圧は、前記閾電圧以下の大きさの負電圧であり、前記第２駆動レベルの電圧は、前記第２駆動レベルの電圧と前記第４駆動レベルの電圧との差が前記最大駆動電圧に等しくなるような正電圧である、
請求項５に記載のデバイス。

【請求項8】

前記スイッチング配置は、トランジスタ、例えば、薄膜トランジスタ、例えば、ポリシリコントランジスタ、アモルファスシリコントランジスタ、又は半導体酸化物トランジスタを有する、
請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載のデバイス。

【請求項9】

電気活性高分子アクチュエータの行及び列のアクティブマトリクスアレイを有し、各電気活性高分子アクチュエータが、各電気活性高分子アクチュエータと関連するスイッチング配置を有し、該スイッチング配置が、各々のデータラインへ接続される入力部と、各々のアドレッシングラインへ接続されるゲートと、前記関連する電気活性高分子アクチュエータの第１端子へ接続される出力部とを有し、各電気活性高分子アクチュエータの第２端子が制御ラインへ接続されるデバイスを作動させる方法であって、
当該方法は、
関連する制御ラインにおいて供給される第３駆動レベルを用いて、全ての前記電気活性高分子アクチュエータを非作動状態に設定することと、
関連するデータラインで第１駆動レベルを、及び関連する制御ラインで第４駆動レベルを供給することによって、全ての前記電気活性高分子アクチュエータを第１状態へ駆動することと、
前記電気活性高分子アクチュエータが前記第１状態に達する前に、関連するデータラインで第２駆動レベルを印加することによって、選択された電気活性高分子アクチュエータを第２状態へ駆動することと
を有する、方法。

【請求項10】

前記電気活性高分子アクチュエータは、閾電圧及び最大駆動電圧を有し、前記閾電圧を下回って、最低限の作動があり、前記最大駆動電圧で、完全な作動がある、
請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記第１状態は作動状態であり、前記第２状態は非作動状態である、
請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記第１駆動レベル及び前記第３駆動レベルは０Ｖを有し、前記第４駆動レベルは、前記第２駆動レベルの電圧よりも大きい電圧を有する、
請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記第４駆動レベルの電圧は、前記最大駆動電圧であり、前記第２駆動レベルの電圧と前記第４駆動レベルの電圧との差は、前記閾電圧以下である、
請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記第１状態は非作動状態であり、前記第２状態は作動状態である、
請求項１０に記載の方法。

【請求項15】

前記第４駆動レベルの電圧は、前記閾電圧以下の大きさの負電圧であり、前記第２駆動レベルの電圧は、前記第２駆動レベルの電圧と前記第４駆動レベルの電圧との差が前記最大駆動電圧に等しくなるような正電圧である、
請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気活性高分子（electroactive polymers）を使用するアクチュエータデバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

電気活性高分子（ＥＡＰ）は、電気的に応答する材料の分野内の新興の材料の種類である。ＥＡＰは、センサ又はアクチュエータとして働くことができ、容易に様々な形状に製造され得、多種多様なシステムへの容易な組み込みを可能にする。

【0003】

材料は、過去１０年間で著しく改善した作動応力及びひずみのような特性を伴って開発されてきた。テクノロジーリスクは、製品開発にとって許容できるレベルまで減らされ、それにより、ＥＡＰは、商業的及び技術的にますます関心が持たれるようになっている。ＥＡＰの利点には、低い電力、小さいフォームファクタ、フレキシビリティ、ノイズのない動作、正確さ、高い分解能の可能性、速い応答時間、及び周期的な作動がある。

【0004】

ＥＡＰ材料の改善された性能及び特定の利点は、新しい応用への適用性を生み出す。

【0005】

ＥＡＰデバイスは、電気作動に基づき、構成要素又は機構の微量の動きが望まれるところの如何なる応用においても使用され得る。同様に、テクノロジーは、小さな動きを検知するために使用され得る。

【0006】

ＥＡＰの使用は、共通のアクチュエータと比べて、小さい容量又は薄いフォームファクタにおける相対的に大きい変形及び力の組み合わせにより、以前は不可能であった機能を可能にし、あるいは、共通のセンサ／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、速い応答、及び０〜２０ｋＨｚといった広範な可能な作動周波数を与える。

【0007】

電気活性高分子を使用するデバイスは、電界駆動及びイオン駆動される材料に細分され得る。

【0008】

電界駆動されるＥＡＰの例は、誘電エラストマー、電歪高分子（electrostrictive polymers）（例えば、ＰＶＤＦに基づくリラクサー高分子又はポリウレタン）、及び液晶エラストマー（liquid crystal elastomers）（ＬＣＥ）である。

【0009】

イオン駆動されるＥＡＰの例は、共役高分子、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ポリマー複合体、及びイオン交換ポリマーメタル複合体（Ionic Polymer Metal Composites）（ＩＰＭＣ）である。

【0010】

電界駆動されるＥＡＰは、直接的な電気機械結合を通じて電界によって作動され、一方、イオンＥＡＰのための作動メカニズムは、イオンの拡散を伴う。いずれの分類も複数のファミリーメンバーを有し、夫々がそれらの各々の利点及び欠点を有している。

【0011】

図１及び図２は、ＥＡＰデバイスのための２つのとり得る動作モードを示す。

【0012】

デバイスは電気活性高分子層１４を有する。電界活性高分子層１４は、その層の両側にある電極１０、１２に挟まれている。

【0013】

図１は、クランプされていないデバイスを示す。電圧は、電気活性高分子層に、図示されるように、全ての方向において広げさせるために使用される。

【0014】

図２は、広がりが一方向においてのみ起こるように設計されているデバイスを示す。デバイスは、キャリア層１６によって支持されている。電圧は、電気活性高分子層に、曲げさせる又はたまわせるために使用される。

【0015】

この動きの性質は、例えば、作動されるときに広がるアクティブ層と、パッシブキャリア層との間の相互作用から生じる。図示されるように、軸の周りの非対称な湾曲を得るよう、分子配向（フィルムストレッチング）が、例えば、適用されてよく、一方向における動きを強いる。

【0016】

一方向における広がりは、電気活性高分子における非対称性の結果として起こり得るか、あるいは、それは、キャリア層の特性における非対称性、又はそれら両方の組み合わせの結果として起こり得る。

【0017】

特定の応用では、アクチュエータのアレイは、例えば、測位システム及び被制御トポロジ表面において、有用であり得る。しかし、アクチュエータの駆動電圧が相当に高いということで、各アクチュエータをそれ自体のドライバＩＣにより個別に駆動することは、直ちに高価になる。

【0018】

パッシブマトリクスアレイは、行（ｎ行）及び列（ｍ列）の接続のみを使用するアレイ駆動システムの簡単な実施である。最大で（ｎ×ｍ）個のアクチュエータをアドレッシングするには（ｎ＋ｍ）個のドライバしか必要とされないということで、これは、はるかに費用効率的なアプローチであり、そして、追加の配線の費用及び空間も節約する。

【0019】

理想的に、パッシブマトリクスデバイスでは、夫々の個々のアクチュエータは、隣接するアクチュエータに影響を及ぼさずに、その最大電圧まで作動されるべきである。しかし、従来のＥＡＰアクチュエータのアレイ（如何なる電圧閾値挙動も有さない。）では、隣接するアクチュエータへのいくらかのクロストークが存在する。１つのアクチュエータを作動させるために電圧が印加されるとき、その周りのアクチュエータも電圧を受け、部分的に作動しうる。これは、多くの応用にとって好ましくない効果である。

【0020】

この状況は、例えば、米国特許第８５５２８４６号（特許文献１）において記載されている。この特許文献は、閾電圧又は双安定なしのＥＡＰのパッシブマトリクス駆動を開示している。開示されているアプローチでは、３：１の最良の作動コントラスト比が達成される（すなわち、“非作動”のアクチュエータは最大作動の３３％を示す。）。これは、印加される圧力がＶ^２に対応するので、圧力レベルに対して９：１のコントラスト比を与える。このアプローチはまた、２段階駆動でしか働かない。

【0021】

従って、パッシブマトリクスアドレッシング方式によれば、各アクチュエータを残りのアクチュエータから独立して個別にアドレッシングすることは、正攻法でない。

【0022】

電気活性高分子アクチュエータのアレイをアドレッシングするためのアクティブマトリクスの使用は、例えば、電子点字応用のために、考えられてきた。アクティブマトリクスアプローチは、行導体及び列導体の交差点で、夫々の電気活性高分子アクチュエータにおいてスイッチングデバイスを設けることを伴う。このようにして、アレイ内の各アクチュエータは、望まれる場合に、個別に作動され得る。アクティブマトリクスアドレッシング方式は、同時に作動されるアレイ内のアクチュエータの如何なるランダムなパターンも有することが可能であることを意味する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0023】

【特許文献1】米国特許第８５５２８４６号

【発明の概要】

【0024】

スイッチングデバイス、例えば、トランジスタは、電気活性高分子アクチュエータを駆動するのに必要とされる高い作動電圧に耐えることができなければならない、という問題が生じる。多くのＥＡＰ設計は、数百ボルトの作動電圧を有している。この電圧は、アレイデバイスへの組み込みに適した既存のトランジスタによって扱われ得るとり得る電圧をはるかに上回る。よって、従来のアクティブマトリクスアドレッシング方式は、特に低い作動電圧、例えば、薄膜トランジスタがスイッチング素子として使用される場合には、最大で約４０Ｖまでの電圧により電気活性高分子アクチュエータを駆動するのにしか適さない。この電圧を超えると、スイッチングＴＦＴ駆動トランジスタの両端には漏れが存在しうる。ポリシリコントランジスタは、より低い電圧限界、例えば、２０Ｖを有しうる。

【0025】

従って、比較的低い電圧のスイッチングデバイスが比較的高い電圧の電気活性高分子アクチュエータを作動させるために使用されることを可能にするアクティブマトリクスアドレッシング方式が必要とされる。

【0026】

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、独立請求項によって定義される発明によって少なくとも部分的に達成される。従属請求項は、有利な実施形態を提供する。

【0027】

本発明の態様に従う例に従って、
電気活性高分子アクチュエータの複数の行及び列、データラインの組、並びにアドレッシングラインの組を有するアクティブマトリクスアレイと、
各電気活性高分子アクチュエータと関連する各々のスイッチング配置であって、該スイッチング配置は、各々のデータラインへ接続される入力部、及び前記関連する電気活性高分子アクチュエータの第１端子へ接続される出力部を有し、各電気活性高分子アクチュエータの第２端子は制御ラインへ接続される、前記スイッチング配置と、
前記データラインへの印加のための第１及び第２駆動レベル、並びに前記制御ラインへの印加のための第３及び第４駆動レベルを少なくとも有する駆動信号を供給するドライバと
を有するアクチュエータデバイスが提供される。

【0028】

このデバイスは、共通の電極駆動を使用して、低いスイッチング配置（例えば、トランジスタ）制御電圧が、電気活性高分子アクチュエータにかかるより大きい電圧を切り替えるために使用されることを可能にする。

【0029】

前記スイッチング配置は、前記関連する電気活性高分子アクチュエータへのデータライン上の電圧を切り替えるものである。

【0030】

前記アレイは、複数のサブアレイを有してよく、各サブアレイのための共有された制御ラインがあり、各サブアレイは、例えば、電気活性高分子アクチュエータの行を有する。代替的に、全ての前記電気活性高分子アクチュエータのための共有された制御ラインがあってよい。

【0031】

前記電気活性高分子アクチュエータは、閾電圧及び最大駆動電圧を有してよく、前記閾電圧を下回って、最低限の作動があり、前記最大駆動電圧で、完全な作動がある。閾電圧挙動の使用は、アクチュエータ間のクロストークを回避し、それにより、個々のアクチュエータがアドレッシングされ得る。

【0032】

一例において、前記第１駆動レベル及び前記第３駆動レベルは０Ｖを有し、前記第４駆動レベルは、前記第２駆動レベルの電圧よりも大きい電圧を有する。前記第１駆動レベル及び前記第３駆動レベルは、前記アクチュエータを０Ｖにリセットする。前記第４駆動レベルは、前記アクチュエータの作動を提供するが、前記スイッチング配置によって制御される端子に対して反対の端子を使用する。よって、前記スイッチング配置は、前記第４駆動レベルの電圧にさらされない。

【0033】

その場合に、前記第４駆動レベルの電圧は、前記最大駆動電圧であり、前記第２駆動レベルの電圧と前記第４駆動レベルの電圧との差は、前記閾電圧以下である。前記第４駆動レベルは作動を開始するが、前記第２駆動レベルが前記データラインに印加される場合には、アクチュエータは、それが（電気的にではなくむしろ）物理的に作動されてしまう前にオフされ得る。

【0034】

代替的に、前記第４駆動レベルの電圧は、前記閾電圧以下の大きさの負電圧であり、前記第２駆動レベルの電圧は、前記第２駆動レベルの電圧と前記第４駆動レベルの電圧との差が前記最大駆動電圧に等しくなるような正電圧である。この場合に、前記第４駆動レベルは、アクチュエータをオフするために使用される。これは、第４駆動レベルのみでは（すなわち、データライン上に０Ｖがある場合）アクチュエータを作動させるのに十分でないからである。この場合に、アクチュエータは、それらがアドレッシングされるまで電気的に作動されない。

【0035】

前記スイッチング配置は、例えば、トランジスタを有する。それは、薄膜トランジスタ、例えば、ポリシリコントランジスタ、低温ポリシリコントランジスタ、又はアモルファスシリコントランジスタを有してよい。それはまた、半導体酸化物トランジスタ、例えば、当該技術で知られているインジウム・ガリウム・亜鉛酸化物（Indium Gallium Zinc Oxide）又は関連するタイプの酸化物であってよい。

【0036】

一例として、最大ソース−ドレイン間電圧は５０Ｖよりも小さく、例えば、４０Ｖよりも小さく、場合により、２５Ｖよりも小さくてさえよい。一方で、電気活性高分子デバイスの両端で供給される最大電圧は５０Ｖよりも大きく、例えば、６０Ｖよりも大きく、場合により、７０Ｖよりも大きく、そして、場合により、８０Ｖよりも大きい。ゲート−ソース間電圧及びゲート−ドレイン間電圧も夫々、上記の電圧レベルに制限され得る。それにより、特定の設計では、最大電圧は、ゲート−ソース間電圧、ゲート−ドレイン間電圧、及びドレイン−ソース間電圧の３つ全てに当てはまり得る。

【0037】

本発明の他の態様に従う例は、電気活性高分子アクチュエータの行及び列のアクティブマトリクスアレイを有し、各電気活性高分子アクチュエータが、各電気活性高分子アクチュエータと関連するスイッチング配置を有し、該スイッチング配置が、各々のデータラインへ接続される入力部と、前記関連する電気活性高分子アクチュエータの第１端子へ接続される出力部とを有し、各電気活性高分子アクチュエータの第２端子が制御ラインへ接続されるデバイスを作動させる方法であって、当該方法は、
関連する制御ラインにおいて供給される第３駆動レベルを用いて、全ての前記電気活性高分子アクチュエータを非作動状態に設定することと、
関連するデータラインで第１駆動レベルを、及び関連する制御ラインで第４駆動レベルを供給することによって、全ての前記電気活性高分子アクチュエータを第１状態へ駆動することと、
前記電気活性高分子アクチュエータが前記第１状態に達する前に、関連するデータラインで第２駆動レベルを印加することによって、選択された電気活性高分子アクチュエータを第２状態へ駆動することと
を有する、方法を提供する。

【0038】

この方法は、共通の電極駆動を使用して、低いトランジスタ制御電圧が、前記電気活性高分子アクチュエータにかかるより大きい電圧を切り替えるために使用されることを可能にする。

【0039】

前記電気活性高分子アクチュエータは、閾電圧及び最大駆動電圧を有し、前記閾電圧を下回って、最低限の作動があり、前記最大駆動電圧で、完全な作動がある。

【0040】

一例において、前記第１状態は作動状態であり、前記第２状態は非作動状態である。この目的のために、前記第１駆動レベル及び前記第３駆動レベルは０Ｖを有し、前記第４駆動レベルは、前記第２駆動レベルの電圧よりも大きい電圧を有する。前記第４駆動レベルの電圧は、前記最大駆動電圧であってよく、前記第２駆動レベルの電圧と前記第４駆動レベルの電圧との差は、前記閾電圧以下である。このようにして、前記第４駆動レベルは、前記アクチュエータを電気的に作動させるために使用され、アドレッシングは、その場合に、それらを選択的に非作動にする。

【0041】

他の例では、前記第１状態は非作動状態であり、前記第２状態は作動状態である。前記第４駆動レベルの電圧は、前記閾電圧以下の大きさの負電圧であってよく、前記第２駆動レベルの電圧は、前記第２駆動レベルの電圧と前記第４駆動レベルの電圧との差が前記最大駆動電圧に等しくなるような正電圧である。

【図面の簡単な説明】

【0042】

本発明の例は、これより、添付の図面を参照して詳細に記載される。

【図1】クランピングされない既知の電気活性高分子デバイスを示す。

【図2】バッキング層によって拘束される既知の電気活性高分子デバイスを示す。

【図3】１つの電気活性高分子アクチュエータのための一般的なアクティブマトリクス回路を示す。

【図4】一般的なアクティブマトリクスアドレッシング方式を示す。

【図5】低電圧トランジスタを使用する高電圧回路の第１の例を示す。

【図6】低電圧トランジスタを使用する高電圧回路の第２の例を示す。

【図7】図６の回路を電気活性高分子アクチュエータを駆動するのに適したものとする変形例を示す。

【図8】図７の回路に信号保持機能を設ける変形例を示す。

【図9】電気活性高分子アクチュエータ駆動回路の第１の例を示す。

【図10】電気活性高分子アクチュエータ駆動回路の第２の例を示す。

【図11】共通電極駆動方式を実装する電気活性高分子アクチュエータ駆動回路の第３の例を示す。

【図12】閾値挙動を有する電気活性高分子デバイスの第１の例を示す。

【図13】如何にして図１２のデバイスが変位−電圧特性を変更するかを示す。

【図14】閾値挙動を有する電気活性高分子デバイスの第２の例を示す。

【図15】閾値挙動を有する電気活性高分子デバイスの第３の例を示す。

【図16】閾値挙動を有する電気活性高分子デバイスの第４の例を示す。

【図17】閾値挙動を有する電気活性高分子デバイスの第５の例を示す。

【図18】如何にして図１７のデバイスが変位−電圧特性を変更するかを示す。

【図19】閾値挙動を有する電気活性高分子デバイスの第６の例を示す。

【図20】ダイオードを使用する電気活性高分子アクチュエータの駆動回路を示す。

【図21】図２０の回路を用いてアドレッシング方式を説明するために使用される。

【図22】ＭＩＭダイオードを使用する電気活性高分子アクチュエータの駆動回路を示す。

【図23】２つの駆動トランジスタを使用する電気活性高分子アクチュエータの駆動回路を示す。

【発明を実施するための形態】

【0043】

本発明は、各電気活性高分子アクチュエータがスイッチング配置を有する電気活性高分子アクチュエータのアクティブマトリクスアレイを提供する。

【0044】

アクチュエータは、機械的作動を提供する電気活性高分子構造体を有し、それにより、該構造体は、非作動状態と、電気活性高分子構造への電気駆動信号の印加によって到達可能な少なくとも１つの作動状態（非作動状態とは異なる。）とを定義する。そのため、電気活性高分子構造体はＥＡＰ材料を有する。そのような材料は、構造体への電気駆動信号の形で供給され得る電気信号が加わると、機械的変形を誘発し又は可能にすることができる。アクチュエータ又は構造体は、駆動信号をＥＡＰ材料へ供給する電極配置を有することができる。電極構造は、直接に、又は間に中間層を有して、ＥＡＰ材料に取り付けられ得る。

【0045】

各ユニットのＥＡＰ材料層は、電極構造の電極間に挟まれてよい。代替的に、電極は、ＥＡＰ材料の同じ側にあることができる。いずれの場合にも、電極は、間に如何なる（パッシブ）層もなしで直接に、又は間に追加の（パッシブ）層を有して間接に、ＥＡＰ材料へ物理的に取り付けられ得る。しかし、これは、常にそうである必要はない。リラクサー又は恒久的な圧電性若しくは強誘電性ＥＡＰについて、直接接触は不要である。後者の場合に、電極は、それらの電極が電界をＥＡＰに供給することができる限りＥＡＰの近くにあれば十分であり、電気活性高分子構造体はその作動機能を有する。電極は、それらがＥＡＰ材料層の変形に従うように伸縮可能であってよい。

【0046】

電気駆動信号は、使用されるＥＡＰに応じて、電圧信号又は電流信号であることができる（以下参照。）。

【0047】

スイッチング配置３４は、各々のデータライン３２へ接続される入力部と、関連する電気活性高分子アクチュエータ３６の第１端子へ接続される出力部とを有する。各電気活性高分子アクチュエータ３６の第２端子は制御ライン（図１１のカウンタ電極１１０）へ接続される。ドライバは、データライン３２への印加のための第１及び第２駆動レベルと、制御ラインへの印加のための第３及び第４駆動レベルとを少なくとも有する駆動信号を供給する。

【0048】

共通電極駆動（すなわち、制御ライン駆動）が使用されて、低いトランジスタ制御電圧が、電気活性高分子アクチュエータにかかるより大きい電圧を切り替えるために使用されることを可能にする。

【0049】

図３は、電気活性高分子アクチュエータのアレイにおいて使用される一般的なアクティブマトリクス回路を示す。アレイは、行導体３０及び列導体３２を有して行及び列において配置される。複数の行及び列が存在し、それにより、最低限でも、２×２アレイが存在する。多くの行及び列、例えば、数十又は数百の行及び／又は列が存在してよい。

【0050】

図３で見られるような回路は、行導体及び列導体の各交差点にある（すなわち、クロスオーバする）。回路は、そのゲートが行導体３０へ接続され且つそのソースが列導体３２へ接続されている、電界効果薄膜トランジスタのようなトランジスタ３４を有する。トランジスタは、行導体３０における選択パルスによってオンされ、それは、次いで、列導体３２にある電圧を電気活性高分子アクチュエータ３６へ及び保持キャパシタ３８へ結合する。

【0051】

図３に示されるアクティブ駆動回路によって夫々が駆動されるｍ×ｎ個の電気活性高分子アクチュエータのアレイが存在する。ｍ個の行導体（アドレッシングライン）及びｎ個の列導体（データライン）が存在する。ここで、ｎ≧２且つｍ≧２、例えば、ｎ≧４若しくはｎ≧１０若しくはｎ≧５０及び／又はｍ≧４若しくはｍ≧１０若しくはｍ≧５０である。電気活性高分子アクチュエータ３６の第１電極は駆動電極である。電気活性高分子アクチュエータ３６の第２電極は、基準電圧Ｖｒｅｆへ接続される。基準電圧Ｖｒｅｆは、アレイ内の多くの又は全ての電気活性高分子アクチュエータに共通であってよい。電気活性高分子アクチュエータ３６と並列な保持キャパシタ３８は任意であり、その機能は、電気活性高分子アクチュエータ３６に印加される電圧を保つのを助けることである。

【0052】

回路の動作は、選択されたトランジスタ３４のゲートがアドレッシングされて、ＴＦＴが導通状態にされる場合にのみ、データ電圧を電気活性高分子アクチュエータ３６の駆動電極へ移動させることである。アドレッシングが完了した後、トランジスタ３４は絶縁状態になり、電圧は、それが漏れ出すまで、又は電気活性高分子アクチュエータ３６が再びアドレッシングされるまで、電気活性高分子アクチュエータ３６で保たれる。斯様に、回路はサンプル・アンド・ホールド回路として動作し、これによって、（任意の）保持キャパシタ３８は、電気活性高分子アクチュエータへ印加された電圧を保つのを助ける。

【0053】

アドレッシングの後、電気活性高分子アクチュエータ３６は、データ電極と基準電極との間に存在する駆動電圧（Ｖｄｒ）に応じて、新たな作動状態へと変形する。作動は、アドレッシングの周期（通常は１ｍｓｅｃよりもずっと短い。）よりも相当に長くかかり得る点に留意されたい。種々のレベルの作動が、異なる駆動電圧を印加することによって実現され得る。

【0054】

アレイをアドレッシングすることは、図４に示されるように進む。図４は、基準電極がＶｒｅｆ＝０Ｖに設定されている４×４アレイの例を示す。開始点（図示せず。）は、全ての電気活性高分子アクチュエータが放電され、従って、それらの非作動状態にあることである。白丸は、作動されていないアクチュエータに相当し、黒丸は、作動されているアクチュエータである。

【0055】

全ての行は、非選択電圧（Ｖｎｓ：典型的なＴＦＴで通常は１０Ｖ）により最初にアドレッシングされる。この状況で、データは電気活性高分子アクチュエータへ転送され得ない。

【0056】

最初の行が、次いで、選択電圧（Ｖｓｅｌ：典型的なＴＦＴで通常は＋３０Ｖ）によりアドレッシングされる。これは図４Ａに示されている。残りの行は選択されない（Ｖｎｓ）。２つの列が駆動電圧Ｖｄｒにより駆動され、残り２つの列は０Ｖにより駆動され、それらの電圧は、各々の電気活性高分子アクチュエータの第１電極に移される。この状況で、２つの電気活性高分子アクチュエータの両端の電圧差はＶｄｒであり、その行にあるそれら２つの電気活性高分子アクチュエータは作動モードにある（作動は、アドレッシングが終了した後にいくらか時間を要し得る。）。残り２つの電気活性高分子アクチュエータの両端の電圧差は０Ｖであり、これによって、その行にあるそれら２つの電気活性高分子アクチュエータは非作動モードのままである。

【0057】

２番目の行が、次いで、図４Ｂに示されるように、選択電圧（Ｖｓｅｌ）によりアドレッシングされる。残りの行は選択されない（Ｖｎｓ）。先と同じく、２つの列は駆動電圧Ｖｄｒにより駆動され、２つの列は０Ｖにより駆動され、それらの電圧は、各々の電気活性高分子アクチュエータの第１電極に移される。この状況で、２つの電気活性高分子アクチュエータの両端の電圧差はＶｄｒであり、その行にあるそれら２つの電気活性高分子アクチュエータは作動モードにある（作動は、アドレッシングが終了した後にいくらか時間を要し得る。）。残り２つの電気活性高分子アクチュエータの両端の電圧差は０Ｖであり、これによって、その行にあるそれら２つの電気活性高分子アクチュエータは非作動モードのままである。

【0058】

最初の行を選択解除することによって、アドレッシングのサンプル・アンド・ホールドの性質は、その最初の行にある電気活性高分子アクチュエータが（特に、保持キャパシタが含まれる場合に）それらの電圧を保ち、それらの作動の状態にとどまる（又は、未だ達していない場合にはその状態へ進む）ことを確かにする。

【0059】

３番目の行が、次いで、図４Ｃに示されるように、選択電圧（Ｖｓｅｌ）によりアドレッシングされる。残りの行は選択されない（Ｖｎｓ）。このとき、３つの列が駆動電圧Ｖｄｒにより駆動され、１つの列が０Ｖにより駆動され、それらの電圧は、各々の電気活性高分子アクチュエータの第１電極に移される。この状況で、３つの電気活性高分子アクチュエータの両端の電圧差はＶｄｒであり、その行にあるそれら３つの電気活性高分子アクチュエータは作動モードにある（作動は、アドレッシングが終了した後にいくらか時間を要し得る。）。残りの電気活性高分子アクチュエータの両端の電圧差は０Ｖであり、これによって、この電気活性高分子アクチュエータは非作動モードのままである。２番目の行を選択解除することによって、アドレッシングのサンプル・アンド・ホールドの性質は、先と同じく、この行にある電気活性高分子アクチュエータがそれらの電圧を保つことを確かにする。

【0060】

４番目の行が、次いで、図４Ｄに示されるように、選択電圧（Ｖｓｅｌ）によりアドレッシングされる。残りの行は選択されない（Ｖｎｓ）。ただ１つの列が駆動電圧Ｖｄｒにより駆動され、残り３つの列は０Ｖにより駆動される。ただ１つの電気活性高分子アクチュエータの両端の電圧差はＶｄｒである。

【0061】

アドレッシング相の終わりに、全ての行が選択解除され得（Ｖｎｓ）、電圧が列から除去され得、これによって、電気活性高分子アクチュエータは、それらの電圧が漏れ出るまで、作動のそれらの状態にとどまる。電圧が漏れ出た時点で、アレイは、上述されたように再アドレッシングされてよい。

【0062】

同時に複数行の電気活性高分子アクチュエータをアドレッシングすることが可能であり、これによって、アドレッシングは、より一層速く進む。これは、同時に１つよりも多い行の電気活性高分子アクチュエータへアドレッシング電圧を印加することによって達成される。これは、同じパターンのデータが適用されるべき場合に可能である。

【0063】

上記の例では、２レベルデータドライバしか考えられていない（０Ｖ及びＶｄｒ）。これは、最も安価なドライバＩＣをもたらす。しかし、更なる例では、電気活性高分子アクチュエータを部分的にも作動させることが好ましいことがある。これを可能にするよう、最大Ｖｄｒまでの複数のデータ電圧を伴うデータドライバが使用されてよい。

【0064】

更に、上記の例では、１つの極性の電圧が電気活性高分子アクチュエータへ印加されるが、更なる実施形態では、規則的なインターバルで電気活性高分子アクチュエータの両端の電圧の極性を反転させることが好ましいことがある。これによって、電気活性高分子アクチュエータの性能は、反転が使用されない場合ほど悪くない。これは、一例として、アドレッシングの更なる期間において基準電極での電圧を変化させ、然るべく駆動電圧を適応させることによって、達成され得る。

【0065】

上述された基本的なアクティブマトリクスアドレッシング方式は、電気活性高分子アクチュエータを駆動するために使用されるのと同じ電圧に耐えることができるようトランジスタに要求する。

【0066】

本発明は、電気活性高分子アクチュエータの駆動電圧よりも低い電圧で動作する、低電圧ポリシリコントランジスタのようなスイッチングデバイスの使用に関する。

【0067】

ヒーターによって必要とされるよりも低い電圧で動作するトランジスタ制御スイッチを使用する高電圧加熱技術が知られている。

【0068】

図５は、６０Ｖヒーターのための駆動回路の第１の例を示す。図５Ａは、オフされているヒーターを示し、図５Ｂは、オンされているヒーターを示す。

【0069】

回路において使用されるトランジスタは２０ＶのＴＦＴであり、これは、例えば、低温ポリシリコン（Low Temperature PolySilicon）（ＬＴＰＳ）ＴＦＴの電圧限界である。

【0070】

回路は、高電圧６０ＶラインＶｄｄｏｕｔへ接続されたプルアップ抵抗５０と、３つのｎ形トランジスタＮ１乃至Ｎ３を直列に有するプルダウン回路とを有する。一番下のトランジスタＮ１は、０Ｖと２０Ｖとの間で切り替わる制御電圧を印加されている。２番目のトランジスタＮ２は、一定のバイアス電圧を印加されている。バイアス回路５２は、トランジスタＮ３へ印加される電圧を制御し、それは、２つのｐ形トランジスタＰ１及びＰ２を含む。第１のｐ形トランジスタＰ１は、第２及び第３のｎ形トランジスタＮ２、Ｎ３のゲートの間にあり、そのゲートをトランジスタＮ２、Ｎ３の間のノードへ接続されている。Ｐ１が閉じられるとき、バイアス電圧が両方のトランジスタＮ２、Ｎ３のゲートへ印加されるので、それらはいずれも閉じられる。第２のｐ形トランジスタＰ２は、第３のｎ形トランジスタＮ３のゲート及びソースの間にあり、そのゲートをｎ形トランジスタＮ２のゲートへ接続されている。Ｐ２が閉じられるとき、トランジスタＮ３のソース−ドレイン間電圧はないので、トランジスタＮ３は開いている。

【0071】

図５Ａは、入力制御電圧がハイ（２０Ｖ）であるときの回路内の電圧を示す。この場合に、Ｐ１はオンされ、Ｐ２はオフされる。これは、Ｎ１〜Ｎ３の全てが２０Ｖのゲート電圧を有し、出力電圧は、Ｎ１とＮ２との間及びＮ２とＮ３との間にあるように、接地（０Ｖ）にプルダウンされる。

【0072】

図５Ｂは、入力制御電圧がロー（０Ｖ）に切り替えられた後の回路内の電圧を示す。この場合に、Ｎ１はオフし、出力電圧はハイに引っ張られる。Ｎ１がオフされている結果として接地への接続がないので、回路は全体として開回路として機能する。プルアップ抵抗５０及びその接続がないと、出力は浮いている。

【0073】

次に、Ｎ２とＮ３との間のノードがハイに引っ張られる。これは、Ｐ１をオフさせ、Ｐ２をオンさせる。対称性から、Ｎ２とＮ３との間の定常状態電圧は４０Ｖで安定し、Ｎ２とＮ１との間の定常状態電圧は２０Ｖで安定する。その場合に、トランジスタＮ１乃至Ｎ３を流れる漏れ電流は全て等しい。

【0074】

図６は、８０Ｖヒーターのための駆動回路の例を示す。プルダウン回路は、４つのｎ形トランジスタＮ１乃至Ｎ４を直列に有し、バイアス回路５４は、トランジスタＮ３及びＮ４に印加される電圧を制御し、そして、それは、４つのｐ形トランジスタＰ１乃至Ｐ４を含む。バイアス回路５４は、上下に積み重ねられた２つの図５のバイアス回路５２を有する。先と同じく、全てのｎ形トランジスタが、出力をローに引っ張るようにオンされるか、あるいは、一番下のトランジスタがオフされ、電圧降下は各ｎ形トランジスタの両端で共有される。

【0075】

図６Ａは、入力制御電圧がハイ（２０Ｖ）である場合の回路内の電圧を示し、図６Ｂは、入力制御電圧がロー（０Ｖ）に切り替えられた後の回路内の電圧を示す。

【0076】

それらの回路を加熱のために使用する場合に、高電圧は、抵抗の両端で下げられる。そして、抵抗は、通常そうであるように、その高電圧を維持することができると考えられる。しかし、電気活性高分子デバイスについて、デバイスは容量性等価回路を有する。

【0077】

その場合に、アプローチは、図７の回路を使用することであってよい。この回路では、負荷はＥＡＰアクチュエータであり、このときプルアップ抵抗に追加される。

【0078】

図７に示されるような回路の問題は、プルダウン回路がオン状態にあるとき、すなわち、ＥＡＰアクチュエータの一方又は両方の端子が０Ｖにプルダウンされるとき、静的な電力消費が存在することである。また、回路は、駆動信号の保持を有さない。

【0079】

保持の問題は、図８に示されるように、容易に解決される。

【0080】

アドレッシングトランジスタ８０が設けられる。これは、例えば、列ライン上にあるデータ電圧Ｖｄａｔａが、局所の保持キャパシタ８２に印加されることを可能にする。アドレッシングトランジスタ８０のゲートは、アドレッシングライン８１へ結合される。アドレッシングライン８１へは、アドレッシング電圧Ｖａｄｄｒが供給される。アドレッシングラインは、例えば、行導体である。

【0081】

電気活性高分子アクチュエータは、低電圧アドレッシング方式により、この例では８０Ｖにある電源と０Ｖとの間で駆動され得る。ここで、Ｖａｄｄｒ（例えば、０から２０Ｖの範囲をとる。）は、マトリクスアレイの標準の行アドレス信号であり、Ｖｄａｔａも、例えば、０から２０Ｖの範囲をとる。

【0082】

静的な電力消費の問題は残り、回路は、電気活性高分子デバイスの両端で２つの電圧レベルを達成することしかできない。

【0083】

本発明は、それらの問題のうちの１つ以上を解決する回路アプローチを提供する。そのうちの第１の例は図９に示される。

【0084】

回路は、図８に示されるような第１回路９０と、図８に示されるような第２回路９２とを有するが、電気活性高分子アクチュエータ３６の一方の端子（第１端子と定義される。）へ接続する共通のプルアップ抵抗５０を共有している。よって、回路全体は、２つの行アドレッシングライン９４、９６と、２つの列データライン９８、１００とを有する。

【0085】

第１回路９０の出力部は、電気活性高分子アクチュエータ３６の一方の側へ接続され、第２回路９２の出力部は、電気活性高分子アクチュエータ３６の他方の側へ接続される。このようにして、駆動回路全体は、電気活性高分子アクチュエータ３６の両側へのアクセスを有し、結果として、静的な電力消費の問題を解決することが可能になる。

【0086】

低電圧信号Ｖａｄｄｒ１、２及びＶｄａｔａ１、２によりアドレッシングすることによって、２つのレベルにより駆動することは、静的な電力消費なしで可能になる。

【0087】

Ｖｄａｔａ１及びＶｄａｔａ２にハイを供給することによって（各々の行アドレス信号がオンであるとき）、電気活性高分子アクチュエータ３６の両側は接地へ結合される。Ｖｄａｔａ２は、次いで、ロー値へ駆動され得る（一方、Ｖａｄｄｒ２は依然としてオンである。）。０Ｖが電気活性高分子アクチュエータ３６の両端に残るが、第２端子は浮いており、それにより、電気活性高分子アクチュエータ３６自体には電流が流れることができない。

【0088】

その上Ｖｄａｔａ１をローとすることは（一方、Ｖａｄｄｒ１は依然としてオンである。）、電気活性高分子アクチュエータ３６を流れる電流フローを止めるだけでなく、電源からの電流消費を防ぐ。電気活性高分子アクチュエータ３６は０Ｖを保持しているが、電気活性高分子アクチュエータ３６には電流が流れず、それは（両方の端子において）ハイ供給に浮上する。

【0089】

アクチュエータの両端で高電圧を達成するためには、第１回路９０のみが高インピーダンス状態へ切り替えられる必要があり、一方、ロー（すなわち、ゼロ）電圧がアクチュエータの両端で保たれるためには、両方の回路９０、９２が高インピーダンス状態に保たれる点に留意されたい。従って、アクチュエータで高電圧を達成するようＶａｄｄｒ１及びＶａｄｄｒ２をアドレッシングするとき、Ｖｄａｔａ１はハイで起動し、アドレス期間内にローへ移るべきである。低電圧については、Ｖｄａｔａ１及びＶｄａｔａ２の両方がハイで起動し、アドレス期間内にロー値へ移る。

【0090】

高電圧により電気活性高分子アクチュエータをアドレッシングするよう、変形された駆動方式が提供される。

【0091】

各々の行アドレス信号がオンであるときにＶｄａｔａ１をローに（それにより、回路９０は開回路である。）及びＶｄａｔａ２をハイに（それにより、回路９２は電気活性高分子アクチュエータのその端子を接地している。）設定することは、駆動電圧Ｖｄｄｏｕｔ（例えば、８０Ｖ）が電気活性高分子アクチュエータの両端で供給されるようにする。

【0092】

それらの電圧は、次いで、アドレス信号がローになった後に引き込まれる電流なしで８０Ｖが保持されるよう保たれ得る。

【0093】

回路９２は、次いで、開回路状態へ駆動され得る。これは、一方の端子が浮いているので、アクチュエータを流れる電流フローを阻止する。これは、やはり、静的な電力消費を防ぐ。

【0094】

図１０は、図９の回路に対する変形例を示す。この例で、夫々の回路９０、９２は、各自のプルアップデバイス５０、１００を有し、それにより、電気活性高分子アクチュエータ３６の各端子へ接続された１つのプルアップデバイスが存在する。

【0095】

これは、３レベル駆動方式が達成されることを可能にする。

【0096】

一例として、電圧レベル８０Ｖ、０Ｖ及び−８０Ｖが、電気活性高分子アクチュエータの両端で供給され得る。

【0097】

この回路配置は、従って、高電圧反転駆動方式を提供するために使用されてよい。そのような反転駆動は、作動の振幅を改善するとともに、長期の使用に伴う作動のドリフトを減らすことが以前より知られている。

【0098】

アドレッシングは、次の方法で進むことができる。

【0099】

（ｉ）＋８０Ｖへ駆動すること
Ｖａｄｄｒ１、２はハイに駆動され、Ｖｄａｔａ１はハイであり（回路９０は接地される。）、Ｖｄａｔａ２はローである（回路９２は開回路である。）。よって、電気活性高分子アクチュエータは８０Ｖに充電される（すなわち、第２回路９２へ接続された端子は、第１回路９０へ接続された端子よりも高い電圧にある。）。次いで、Ｖａｄｄｒ１、２はローになる。キャパシタ８２は同じ電圧を保持する。

【0100】

（ｉｉ）０Ｖへ駆動すること
Ｖａｄｄｒ１、２はハイに駆動される。Ｖｄａｔａ１、２は、最初はハイであり、それにより、両方の回路が接地されている。それらは、次いでローにされ、それにより、電気活性高分子アクチュエータの両端子は同じ電圧にあるが、静的な電力消費はない。これは、電気活性高分子アクチュエータの端子が電源電圧に浮上するからである。Ｖａｄｄｒ１、２は、次いでローになる。

【0101】

回路９０及び９２の動作のタイミングは同期される。

【0102】

（ｉｉｉ）−８０Ｖへ駆動すること
Ｖａｄｄｒ１、２はハイに駆動される。Ｖｄａｔａ１はローであり（回路９０は開回路である。）、Ｖｄａｔａ２はハイである（回路９２は接地される。）。よって、電気活性高分子アクチュエータは−８０Ｖに充電される（すなわち、第２回路９２へ接続された端子は、第１回路９０へ接続された端子よりも低い電圧にある。）。次いで、Ｖａｄｄｒ１、２はローになる。キャパシタ８２は同じ電圧を保持する。

【0103】

図１０において８０Ｖで示されている２つの供給電圧が異なるレベル（夫々が８０Ｖ又はそれ未満）に充電される場合には、電気活性高分子アクチュエータの両端の電圧の種々の組が得られる。例えば、８０Ｖ及び６０Ｖの供給は、電気活性高分子アクチュエータで８０Ｖ、０Ｖ及び−６０Ｖを達成する。

【0104】

上記のアプローチは、限られた数の駆動レベルを実現する。しかし、中間作動レベルは、パルス幅変調（Pulse Width Modulation）（ＰＷＭ）方式を適用することによって得られる。ＰＷＭアプローチは、例えば、いくつかのタイプのデバイスが、特に、定常状態を保つために、役立ち得る。

【0105】

上記の例は、一連のプルダウントランジスタを使用して、低電圧トランジスタが使用されることを可能にする。他のアプローチは、カウンタ電極駆動を使用することである。

【0106】

図１１は、行導体３０、列導体３２、トランジスタ３４及び電気活性高分子アクチュエータ３６を有する基本のアクティブマトリクススイッチング回路を示す。電気活性高分子アクチュエータ３６の一方の端子は、トランジスタ３４へ接続され、他方は、共通のカウンタ電極１１０へ接続される。カウンタ電極１１０には、カウンタ電極電圧Ｖｃｅが印加される。保持キャパシタ３８がやはり設けられてよい。トランジスタ３４は、薄膜トランジスタであってよく、それは、ポリシリコン又はアモルファスシリコンであってよい。

【0107】

カウンタ電極１１０は、電気活性高分子アクチュエータのサブセット、例えば、アドレッシング行にある全ての電気活性高分子アクチュエータ、に共通であってよく、あるいは、それは、アレイ内の全ての電気活性高分子アクチュエータに共通であってよい。そのようなアクティブマトリクス回路の従来の駆動は、駆動電圧を約４０Ｖに制限する。

【0108】

アクティブマトリクスアレイのための高駆動電圧法は、カウンタ電極接続及びデータドライバの両方からアレイを駆動することによって達成され得る。このようにして、高駆動電圧は、高電圧を駆動電極に持ち込まずに、アレイ内の選択された電気活性高分子アクチュエータへ供給され得る。これは、高電圧がカウンタ電極にのみ存在するので、アドレッシングトランジスタ３４が高電圧を印加されないことを確かにする。結果として、それは、漏れたり、経年劣化したり、又は機能しなくなったりすることが全くない。

【0109】

カウンタ電極１１０は、データドライバから駆動電圧を印加する前に、異なる（第２の）非ゼロ電圧に設定されてよい。このようにして、電気活性高分子アクチュエータにかかるより高い電圧は、所与の電圧のデータドライバにより達成され得る。

【0110】

特に、作動電圧は、カウンタ電極電圧よりも小さい駆動電圧に等しい。この場合に、それは、電気活性高分子アクチュエータが、第２のカウンタ電極電圧と少なくとも同じくらいの高さである閾電圧を有して、全ての電気活性高分子アクチュエータが作動されることを回避するようにする場合に有利である。閾電圧を実装する方法は、以下で説明される。

【0111】

図１１の回路の使用の第１の例では、電気活性高分子アクチュエータは、３０Ｖの閾電圧及び６０Ｖの作動電圧を有すると仮定される。これは、アクティブマトリクスアドレッシングの正常範囲を越える。閾電圧は作動レベルを表し、それを下回ると、閾値を上回る作動と比較して、大幅に低減された作動となる。高電圧駆動は、電気活性高分子アクチュエータが最初の非作動状態にあるとして、次のように進む。

【0112】

アレイ内の全てのデータドライバは基準電圧、例えば、０Ｖに設定される。

【0113】

カウンタ電極電圧Ｖｃｅはこの時点で０Ｖである。全てのアドレッシングトランジスタ３４は、次いで、アドレッシング（導通）状態へと駆動される。例えば、それらのゲート電極は４０Ｖにある。これは、夫々の電気活性高分子アクチュエータの駆動電極での電圧が、列導体３２に存在するデータドライバ電圧への接続によって、０Ｖのままであることを確かにする。

【0114】

全ての電気活性高分子アクチュエータに印加されるカウンタ電極電圧Ｖｃｅ（例えば、＋６０Ｖ）は、共通のカウンタ電極１１０に駆動される。この電圧が印加されるとき、カウンタ電極１１０が印加電圧に達して、電気活性高分子アクチュエータに６０Ｖがかかるまで、電流がキャパシタンスを充電するようにデバイス内に流れる。この時点で、緩やかな応答速度により、全ての電気活性高分子アクチュエータは同じ、物理的に非作動の状態にあり、一方、電気活性高分子アクチュエータでの電荷は、作動状態と一致する。結果として、全ての電気活性高分子アクチュエータは、それらがアドレッシング相において非作動にされない限り、作動し始める。

【0115】

このアドレッシング相において、全てのアドレッシングトランジスタ３４は、最初に、非アドレッシング（絶縁）状態へと駆動される。例えば、それらのゲートは−５Ｖにある。

【0116】

次いで、データが、通常の方法で（一度に一列のアドレッシングトランジスタをアドレッシングすることによって）一度に一列ずつアレイに印加される。この場合に、作動データは０Ｖである。これは、ポジションを切り替えるべきである電気活性高分子アクチュエータにそうさせる。電気活性高分子アクチュエータに０Ｖを印加することによって、電気活性高分子アクチュエータに６０Ｖがかかる。３０Ｖのデータ電圧は、代わりに、デバイスの両端で＋３０Ｖの電圧をもたらす。これは閾値を下回り、電気活性高分子アクチュエータは、作動しない（アドレッシングが直ちに実行される場合）か、あるいは、非作動状態へ戻る（アドレッシング前に遅延がある場合）。

【0117】

このようにして、電気活性高分子アクチュエータは、全てがそれらの作動状態へ電気的に駆動される。この状態は、アドレッシングの後で保たれ、あるいは、それは、アクチュエータが物理的に応答する時間を有する前に入れ換えられる。

【0118】

この例では、データライン電圧は、０Ｖである第１駆動レベルと、３０Ｖである第２駆動レベルとを有する。

【0119】

共通電極電圧は、０Ｖである第３駆動レベルと、６０Ｖである第４駆動レベルとを有する。より一般的に、第４駆動レベルの電圧は、第２駆動レベルの電圧よりも大きい。

【0120】

第４駆動レベルの電圧（６０Ｖ）は最大駆動電圧であり、それにより、それが印加される場合に、アクチュエータはその最大作動状態へ電気的に駆動される（データ電圧がゼロであるとき）。第２駆動レベルの電圧と第４駆動レベルの電圧との間の差（この例では、６０Ｖ−３０Ｖ＝３０Ｖ）は、閾電圧以下であり、それにより、データ電圧が第２駆動レベル（３０Ｖ）に設定される場合に、アドレッシング解除（de-addressing）となる。

【0121】

アドレッシングトランジスタは、カウンタ電極電圧が切り替わる期間中に導通状態にされる。さもなければ、駆動電極での電圧もカウンタ電極電圧へ切り替わり（電流が流れることができない。）、アドレッシングトランジスタはダメージを受ける。

【0122】

共通電極電圧は、高レベルのままであることができる。デバイス全体をオフするために、全てのデータラインは、トランジスタをオフするよう０Ｖへ駆動されてよく、次いで、共通電極電圧は、制御された方法で０Ｖに下げられ得る。

【0123】

第２の実施では、電気活性高分子アクチュエータは、６０Ｖの閾電圧と、アクティブマトリクスアドレッシングの正常範囲を越える９０Ｖの作動電圧とを有すると仮定される。高電圧駆動は、電気活性高分子アクチュエータが最初の非作動状態にあるとして、次のように進む。

【0124】

アレイ内の全てのデータドライバは基準電圧、例えば、０Ｖに設定される。

【0125】

カウンタ電極電圧Ｖｃｅはこの時点で０Ｖである。全てのアドレッシングトランジスタ３４はアドレッシング（導通）状態へと駆動される。例えば、それらのゲート電極は４０Ｖにある。これは、駆動電極での電圧が０Ｖのままであることを確かにする。

【0126】

全ての電気活性高分子アクチュエータに印加されるカウンタ電極電圧Ｖｃｅ（−６０Ｖ）は、共通のカウンタ電極１１０に駆動される。この電圧が印加されるとき、カウンタ電極１１０が印加電圧に達する（電気活性高分子アクチュエータに６０Ｖがかかる）まで、電流がデバイスキャパシタンスを充電するようにデバイス内に流れる。この時点で、全ての電気活性高分子アクチュエータは同じ（すなわち、非作動）状態にあり、この作動状態と一体する電荷が電気活性高分子アクチュエータにある。

【0127】

全てのアドレッシングトランジスタ３４は、次いで、非アドレッシング（絶縁）状態へと駆動される。例えば、それらのゲートは−５Ｖにある。

【0128】

データは、通常の方法で（一度に一列のアドレッシングトランジスタをアドレッシングすることによって）一度に一列ずつアレイに印加される。この場合に、作動データは３０Ｖである。これは、ポジションを切り替えるべきである電気活性高分子アクチュエータにそうさせる（デバイスには９０Ｖがかかる。）。０Ｖのデータ電圧は、デバイスの両端で６０Ｖの電圧をもたらす。これは閾値を下回り、デバイスは作動しない。

【0129】

この方法は、最初の駆動が非作動状態へであって、行ごとのアドレッシングが電気活性高分子アクチュエータをアドレッシングされた状態へ切り替える点で、最初の方法とは異なっている。

【0130】

この例では、データライン電圧は、０Ｖである第１駆動レベルと、３０Ｖである第２駆動レベルとを有する。

【0131】

第４駆動レベルの電圧（−６０Ｖ）は、閾電圧（この例では６０Ｖ）以下の大きさの負電圧であり、第２駆動レベルの電圧は、第２駆動レベルの電圧と第４駆動レベルの電圧との間の差が最大駆動電圧に等しくなるような正電圧である（３０Ｖ−（−６０Ｖ）＝９０Ｖ）。第４駆動レベルだけでは、アクチュエータを作動させるのに不十分である。

【0132】

アドレッシングトランジスタは、先と同じく、カウンタ電極電圧が切り替わる期間中に導通している。さもなければ、駆動電極での電圧もカウンタ電極電圧へ切り替わり（電流が流れることができない。）、アドレッシングトランジスタはダメージを受ける。

【0133】

回路の動作は、選択されたＴＦＴのゲートがアドレッシングされて、ＴＦＴが導通状態にされる場合にのみ、データ電圧を電気活性高分子アクチュエータの駆動電極へ移動させることである。アドレッシングが完了した後、ＴＦＴは絶縁状態になり、電圧は、それが漏れ出すまで、又はデバイスが再びアドレッシングされるまで、デバイスで保たれる。斯様に、回路はサンプル・アンド・ホールド回路として動作し、これによって、（任意の）保持キャパシタは、デバイスへ印加された電圧を保つのを助ける。

【0134】

アドレッシングの後、デバイスは、データ電極と基準電極との間に存在する駆動電圧（Ｖｄｒ）に応じて、新たな作動状態へと変形する。作動は、アドレッシングの周期（通常は１ｍｓｅｃよりもずっと短い。）よりも相当に長くかかる。種々のレベルの作動が、異なる駆動電圧を印加することによって実現され得る。

【0135】

上記の説明から明らかなように、いくつかの設計は、デバイスの閾値挙動を使用してよい。電気活性高分子アクチュエータは、閾値挙動を本質的には示さない。所望の閾値挙動を備えた構造を作るいくつかの方法がこれより説明される。

【0136】

人工的に作り出された閾値は、機械的な効果若しくは電気的な（駆動信号）効果又はそれらの組み合わせのいずれかを用いて、この閾値に至るまで、好ましからざる作動を回避するよう与えられ得る。

【0137】

機械的な閾値効果は、例えば、ジオメトリ、機械的クランピング、又は表面“粘性”を用いて実装されてよい。電気的な閾値効果は、例えば、静電気引力又は電気的破壊挙動を用いて実装されてよい。それらの効果の組み合わせも、電圧閾値を効率的に実装するために使用されてよい。

【0138】

この閾値は、特定の駆動レベルが達成されるまで物理的な作動が遅延される点で、遅延であると見なされてよい。

【0139】

図１２は、機械構造を用いて遅延を実装する、幾何学的影響に基づく第１の例を示す。

【0140】

デバイスは、チェンバ１２２内で電気活性高分子層１２０を有する。チェンバは、電気活性高分子層１２０の上に浮かんだふた１２４を有する。ふたは周縁に載せられている。これは、ふたがＥＡＰ層の上に浮かんでいることを意味する。第１の範囲の印加駆動信号による電気活性高分子層の駆動は、電気活性高分子層をふたの方へ隆起させる。（第１の範囲内の最大駆動信号で）接触した後に、更なる作動は、下側の絵で示されているように、ふたを上昇させる。このようにして、ふたの下にある空隙内でのみ電気活性高分子層の動きを引き起こす入力駆動信号の範囲がある。この範囲内の最大駆動信号が達成されるとき、接触が起こる。これは、デバイス全体の閾電圧に対応する。この駆動信号を上回ると、第２の範囲における更なる駆動が、ふたの持ち上げの進行を提供する。これは、デバイスの機械出力に対応する。

【0141】

このようにして、部分的に作動された素子はふたを移動させないが、完全に作動されたアクチュエータは移動を引き起こす。なお、不利な条件は、作動された表面の有限な完全なる変位である。

【0142】

図１３に示されるように、遅延の効果は、閾値Ｖ_Ｔが達成されるまで変位が起こらないように変位曲線を下げることである。これは、最大変位を下げる効果を有する。

【0143】

アクチュエータは、それがリテーナーシステム、例えば、スナップシステムを用いて作動のための閾電圧を生じさせるようクランピングされる場合に、より大きい変位を提供することができる。この閾電圧は、その場合に、リテーナー機能に打ち勝つための必要な力に対応する。

【0144】

図１４は、ふた１２４が移動する前に通らなければならないスナップフックの形で保定メカニズム１４０を備える例を示す。スナップフックは、ふたがフックを通過することができる前に、閾力がふたへ加えられることを要求する。対応する変位対電圧特性（プロット１４２）及び力対電圧特性（プロット１４４）が示されている。

【0145】

スナップ通過後、アクチュエータは、更なる印加電圧によりその変位を増し続ける。電圧が取り除かれる場合に、システムはその最初のフラットな状態に戻る。スナップフックは、ふたの下方向における自由な通過を可能にしてよく、あるいは、デバイスは、追加の印加力によってリセットされる必要があってよい。

【0146】

更なる機械的実施形態では、閾電圧は、定義された“粘性（stickiness）”を電気活性高分子構造（すなわち、高分子層及びそれ自体の基板）と支持構造との間に加えることによって、もたらされ得る。粘性は、電気活性高分子層の力がシステムの粘性に勝るまで、電気活性高分子層にかかる電圧を増大させることによってのみ圧倒され得る。

【0147】

粘性は、
表面の化学修飾（接着剤のような特性を適用すること）、
表面どうしの間に流体を導入すること（毛管力を使用すること）、
表面の機械的／位相的な加工、例えば、“ベルクロ（登録商標）”のような構造、
によって実装され得る。

【0148】

上記の例は、機械的な構造に基づく遅延メカニズムを使用する。これは、例えば、デバイスの出力を定義する。代替案は、図１５に示されるように、静電効果に基づく。

【0149】

アクチュエータは、電気活性高分子構造の下にある表面上に追加の電極１５０を備える。電気活性高分子層１２０の一方の電極と表面上にある余分の電極１５０との間の静電気引力は、曲げを制約する制限力を生じさせる。

【0150】

静電気力が曲げ力に圧倒される場合に、アクチュエータはたわむ。これは、静電気力が電極間の距離間隔（ｄ）の二乗の関数であるということで、静電気力を急激に低減する。如何なる曲げもｄを増大させ、静電気力は低減され、更なる曲げ及び静電気力の更なる低減をもたらし、そして閾値は圧倒される。

【0151】

グラフは、対応する変位対電圧特性（プロット１５２）、力対電圧特性（プロット１５４）、及び静電気力対電圧特性（プロット１５６）を示す。

【0152】

このシステムの利点は、静電気力がほとんど瞬間的であり、且つ、電気活性高分子層の力は応答するのがゆっくりである点である。これは、より低い電圧でアクチュエータを堅固にクランピングされたままとするために有利である。動的作用は、電気活性高分子層と基板との間にあるキャパシタンスの差を利用することによって実現され得る。この構成では、静電気力は、電圧が印加されると直ぐにＥＡＰデバイスを拘束するよう働く。電気活性高分子アクチュエータは、しかし、その最大力に至るまで、ステップ電圧入力からゆっくりと盛り上がる。これは、遅延された閾値効果を引き起こすことができる。このようにして、ステップ電圧が印加される場合に、静電気力は、作動力が静電気力閾値に打ち勝ち、持ち上がって変位を与えるまで、最初にデバイスを縛り付ける。

【0153】

閾値は、このようにして、部分的にアクチュエータのジオメトリによって、且つ、部分的に作動の速度によって、決定される。

【0154】

閾値を設けるための遅延メカニズムの他の可能な実施は、電気活性高分子層への印加駆動信号の適用を制御する閾電圧又はブレークオーバー電圧を実装する電気部品を有する。

【0155】

図１６は、ＤＩＡＣ（ダイオードＡＣスイッチ）として示された電気的な閾又はブレークオーバー素子１６０と電気活性高分子層１２０が電気的に直列に接続されている例を示す。他の閾素子、例えば、ショットキーダイオード、シリコン制御整流器又は他のサイリスタが、使用されてよい。この素子は、例えば、基板スタックの部分としての有機半導体（ｐ−ｎ−ｐ−ｎシーケンスにおける。）として、電気活性高分子構造の部分であってよい。代替的に、アレイ内のより大きいアクチュエータについて、素子は、各アクチュエータと直列に接続された表面実装デバイスであることができる。

【0156】

ブレークオーバー又は閾電圧を下回る印加電圧については、電圧降下が閾又はブレークオーバー素子にわたって起こるとして、誘発される変形はない。より大きい印加電圧については、電気活性高分子層は変形する。

【0157】

遅延メカニズムのための他の可能な実施は、第２の電気活性高分子構造を有する。第２の電気活性高分子構造は、デバイスへの印加駆動信号を受信する電極を有する。所定の量による第２の電気活性高分子構造の変形があると、印加駆動信号は（メインの）電気活性高分子構造へ結合される。

【0158】

図１７は、デバイス全体がメインアクチュエータ１７０及び補助アクチュエータ１７２を有する例を示す。補助アクチュエータは、メインアクチュエータよりも小さく、それは、非耐力デバイスである制御部分を画定する。

【0159】

２つの順次的なアクチュエータの使用は、閾値が実装されることを可能にする。補助アクチュエータは機械スイッチとして動き、一方、メインアクチュエータは機能アクチュエータである。図１７Ａ及び図１７Ｂにおいて電圧Ｖ＝０及びＶ＝Ｖ１について示されるように、電圧が閾電圧を下回るとき、スイッチはオフである。

【0160】

閾電圧、例えば、図１７Ｃに示されるＶ＝Ｖ２以上で、スイッチはオンであり、機能アクチュエータは、即座に完全にその電圧まで給電される。

【0161】

２つのアクチュエータどうしの接触は、それらの駆動電極の接触を提供する。それにより、補助アクチュエータは、メインアクチュエータへの駆動電圧の印加を遅延させる。

【0162】

図１８は、メインアクチュエータについての変位関数を示し、それから、変位関数の突然のカットオフが存在することが分かる。

【0163】

順次的な順序付けは、異なるアクチュエータ構成及びスイッチングアクチュエータジオメトリによりいくつかの異なる方法で構成され得る。接触は、アクチュエータジオメトリに応じて、電気活性高分子構造の電極によって、又は基板の裏側に作られた追加の接触パッドによって、なされ得る。

【0164】

上述されたように、遅延機能を実装する他の方法は、粘着特性を導入することによる。

【0165】

図１９は、電気活性高分子層１２０の広がりが面内であるよう制約されるところの実施を示す。

【0166】

この設計は、独立の（free standing）デバイス（図１を参照）に基づいてよい。例えば、２つの層は、１つの側で固定され、さもなければ、全ての方向において自由に広がり得る。

【0167】

層は基板１９２に対して設けられ、それらの間には摩擦抵抗が存在する。摩擦抵抗は、摩擦力が圧倒されるまで、相対的な滑り運動に抵抗する。

【0168】

このようにして、摩擦は、遅延メカニズムとして機能し、閾値を決定する。

【0169】

摩擦に打ち勝つようにデバイスを駆動するために、ａｃ駆動方式が使用されてよい。例えば、コントローラ１９４は、ｄｃ駆動信号に加えられる高周波ａｃリップルを適用して、アクチュエータが１つのポジションから次のポジションへ動く場合に相対的な滑りを可能にするために使用される。次のポジションはまた、摩擦による印加電圧の除去によって保持され得、それにより、双安定効果が得られる。

【0170】

図１９において電圧時間プロファイルで示されるように、デバイスの駆動は、ほんの小さなｄｃオフセットを有してａｃ電圧から開始する。電気活性高分子は、正及び負の電圧について対称的に作動する。それにより、非作動状態の周囲で振動を引き起こす。これは、摩擦の低減をもたらし、滑らかな作動運動のために電気活性高分子層を準備する。作動運動は、駆動電圧が増大すると直ぐに起こる。

【0171】

電気活性高分子層は、次いで、グラフに表されている次の期間の間変形し続ける。このとき、変形の間にアクティブな振動が存在する（立ち上がるｄｃ電圧レベルに重畳されたａｃ成分によって引き起こされる。）。

【0172】

最後に、本質的に一定のｄｃレベルにａｃ信号が重畳される短い期間の後、電気活性高分子層がその最終の状態に達する際に電気活性高分子層の動きにおいて何らかの遅延を許すよう、電圧が除去され、残留摩擦が十分である場合に第２の定常状態が保たれるようにする。その後に、デバイスは、摩擦に打ち勝ち、デバイスをその元の状態に戻すよう、ほんの小さなａｃ信号を印加することによってリセットされ得る。従って、デバイスは、リセット可能性を伴った複数の任意の安定状態を有する。この実施形態では、ａｃ信号の振幅をゆっくりと低減して、デバイスがその最も安定した（最大摩擦）状態に落ち着くことを可能にすることが有利であり得る。

【0173】

上記の様々な例は、本質的に、閾値関数を有するアクチュエータデバイスを提供する。

【0174】

上記の回路は、トランジスタの使用に基づく。アモルファスシリコンＴＦＴのＭＯＳＦＥＴ特性は、デバイスが同じスイッチングＴＦＴを通じて高電圧及び低電圧の両方へ駆動されることを可能にし、一方で、これが当てはまらないダイオードのような他の安価な能動素子が存在する。

【0175】

原則として、行及び列の交点にある直列なダイオードを通じてＥＡＰデバイスをアドレッシングすることが可能である。しかし、ダイオードは一方向にしか導通しないということで、各デバイスの作動状態の縮小はＥＡＰデバイスの自己放電機能に依存する。これは、アレイのピクセルの長期の望まれないオン時間をもたらす。

【0176】

図２０は、ダイオードを使用するスイッチング配置を示す。第１ダイオード２００は、第１アドレッシングライン２０２と、電気活性高分子アクチュエータ３６の第１端子との間にある。第２ダイオード２０４は、電気活性高分子アクチュエータ３６の第１端子と、第２アドレッシングライン２０６との間にある。よって、ダイオード２００、２０２は、同じ極性を有して、２つのアドレッシングライン２０２、２０６の間で直列である。電気活性高分子アクチュエータ３６の第２端子は、選択ライン２０８へ接続される。第１及び第２アドレッシングライン２０２、２０６は列導体を有し、選択ライン２０８は行導体を有する。

【0177】

このようにして、第１アドレッシングラインと電気活性高分子アクチュエータの第１端子との間の第１のダイオード、及び電気活性高分子アクチュエータの第１端子と第２アドレッシングラインとの間の第２ダイオードが存在し、電気活性高分子アクチュエータの第２端子は選択ラインへ接続されている。この配置は２つのダイオードを使用し、一方はアドレッシング用であり、他方はアドレッシング解除用である。

【0178】

第１ダイオード２００は、第１アドレッシングライン２０２から電気活性高分子アクチュエータ３６を充電するアドレッシングダイオードである。第２ダイオード２０４は、電気活性高分子アクチュエータ３６を第２アドレッシングラインへ放電する（すなわち、それを低電圧へ駆動する）アドレッシング解除ダイオードである。

【0179】

オン時間を制限するために、適用要件に応じて必要とされ得るように、この回路は、電気活性高分子アクチュエータの能動的な非作動又はアドレッシング解除を提供する。それは、電気活性高分子アクチュエータ（及び存在する場合には、その保持キャパシタ）の急速な放電を可能にする。

【0180】

アドレッシング方式は、４×４マトリクスを示す図２１を参照して説明されるように、対応するアドレッシング解除方式によって拡張される。

【0181】

夫々の交点で、図２０の回路が設けられる。このとき、２ｍ個の列及びｎ個の行があるように、アクチュエータの各列ごとに２つの列導体２０２、２０６が存在する。

【0182】

夫々のサイクルの間、行は順にアドレッシングされる。１つの行がアドレッシングされているとき、その行にある電気活性高分子アクチュエータは、アドレッシングされるか、又は能動的にアドレッシング解除される。

【0183】

図２１は、最初の行が選択されるアドレッシングサイクルの２つの部分を示す。

【0184】

図２１Ａは、最初の行にある全ての電気活性高分子アクチュエータが作動されていることを示す。

【0185】

アドレッシングの間、第２列導体２０６はハイ（Ｖｈ）に保持され、それにより、アクチュエータは放電することができない。選択されている列の第１列導体２０２もハイ（Ｖｈ）にされて、それらの列にある電気活性高分子アクチュエータを充電する。図２１Ａの例では、４つ全てのアクチュエータがアドレッシングされる。

【0186】

図２１Ｂに示されるアドレッシング解除の間、第１データ列２０２はロー（Ｖｌ）に保持され、それにより、アドレッシングラインの電圧と組み合わせて、第１ダイオード２００は導通していない。選択されている列の第２ダイオード２０４は、選択されている第２列導体２０６に印加されている低放電電圧（Ｖｄ）の結果として導通している。残りの第２列導体は高電圧（Ｖｈ）を印加されており、それにより、ダイオード２０４は導通しない。

【0187】

選択されている行の行導体は選択電圧（Ｖｓｅｌ）を印加されており、残りの行は非選択電圧（Ｖｎｓ）を印加されている。後述されるように、別の非選択電圧が、充電及び放電の段階の間使用される。アドレッシング解除行がアクティブにされ、且つ、対応する第２データ列２０６が非作動電圧（Ｖｄ）へ切り替えられる場合にのみ、交点でのアクチュエータは非アクティブにされる（放電される）。行電圧Ｖｄのみでは、低い非選択電圧Ｖｎｓが行導体に印加されるときに、ダイオード２０４に順方向バイアスをかけるのに不十分である。

【0188】

アドレッシング及びアドレッシング解除の動作は順次的である。それらは、２つの列導体の間の短絡をもたらすということで、同時であることができない。

【0189】

一例として、２００Ｖの作動電圧について、駆動シーケンスの段階に応じて、次の電圧レベルが可能である：Ｖｈ＝１００Ｖ，Ｖｌ＝−１００Ｖ，Ｖｄ＝−１００Ｖ及びＶｎｓ＝＋１００Ｖ又は−１００Ｖ。

【0190】

１つの可能なシーケンスは、次の通りである：
１．充電
アドレッシングされるべき行のアドレスライン２０８はＶｓｅｌ＝−１００Ｖへ駆動される。データライン２０２はＶｈ＝１００Ｖへ駆動され、データライン２０６はＶｈ＝１００Ｖへ駆動される。その行にあるアクチュエータは２００Ｖに充電される。選択されていない行のアドレスラインはＶｎｓ＝１００Ｖにある。
２．放電
選択されていない行のアドレスライン２０８はＶｎｓ＝−１００Ｖへ駆動される。データライン２０２はＶｌ＝−１００Ｖへ駆動される。よって、全てのダイオードは非導通であり、それらの両端に０Ｖがかかるか、あるいは、２００Ｖの逆バイアスがかかる。放電されるべきアクチュエータのデータライン２０６はＶｄ＝−１００Ｖへ駆動される。そのような行にあるアクチュエータは、次いで、ダイオード２０４を通じて放電される。残りのアクチュエータのいずれも影響を及ぼされない。

【0191】

図２２は、スイッチング配置が単一の列導体３１と行導体３０との間で電気活性高分子アクチュエータ３６と直列にＭＩＭ（metal-insulator-metal）（金属−絶縁体−金属）ダイオード２２０を有するところの他の例を示す。ＭＩＭダイオードは、低電圧で遮断領域を有して、両方の導通方向でダイオード特性を示す。

【0192】

図２３は、データライン２３４と電気活性高分子アクチュエータ３６の第１端子との間で直列に第１及び第２トランジスタ２３０、２３２を有するスイッチング配置の他の例を示す。第１トランジスタ２３０は、第１の列アドレッシングライン３２によって切り替えられ、第２トランジスタ２３２は、第２の、直交する行アドレッシングライン３０によって切り替えられる。電気活性高分子アクチュエータ３６の第２端子は、基準電圧Ｖｒｅｆへ接続される。保持キャパシタ３８は、やはり先と同じく、電気活性高分子アクチュエータと並列に示されている。スイッチング配置は、このようにして、データラインと電気活性高分子アクチュエータの第１端子との間で直列な第１及び第２トランジスタを有する。２つのトランジスタの使用は、自動リフレッシング方式が実装されることを可能にする。これは、データによりアレイをアドレッシングし直すことなしに、作動状態が保持されることを可能にする。

【0193】

ドライバ配置は、第１及び第２の駆動レベルを第１及び第２のアドレッシングラインへ供給するために、且つ、データをデータラインへ供給するために、使用される。

【0194】

電気活性高分子アクチュエータをアドレッシングするために、両方のトランジスタが同時にアドレッシングされる必要がある。そのような回路は、例えば、ランダムアクセスメモリ（Random Access Memory）（ＲＡＭ）において実装されるような、自動リフレッシング方式を可能にする。

【0195】

上記の全ての例で、ドライバは、２レベル信号（０Ｖ及びＶｄｒ）の形でデータ信号を適用してよい。これは、上述されたように最も安価なドライバＩＣをもたらす。なお、代替の実施形態では、アクチュエータを部分的にも作動させることが好まれ得る。これを可能にするよう、最大でＶｄｒに至る複数のデータ電圧を有するデータドライバが使用されてよく、あるいは、ＰＷＭ駆動方式が使用されてよい。

【0196】

そのようなアクティブマトリクスアドレッシング方式の全てで、いくつかの行の電気活性高分子アクチュエータを同時にアドレッシングすることが望まれ得る。これによって、アドレッシングはより一層速く進む。これは、１つよりも多い行の電気活性高分子アクチュエータへ同時にアドレッシング電圧を印加することによって達成される。

【0197】

同じく上述されたように、規則的なインターバルで電気活性高分子アクチュエータにかかる電圧の極性を反転させることが好まれ得る。これによって、デバイスの性能は、反転が使用されない場合よりも劣化しない。これは、一例として、アドレッシングの更なる期間において基準電極での電圧を変化させて、然るべく駆動電圧を適応させることによって、達成され得る。

【0198】

電極配置は、電界駆動型デバイスについて、上述されたように、電気活性高分子の対面において電極を有してよい。それらは、ＥＡＰ層の厚さを制御する横電界を供給する。これは、翻って、層の面内でＥＡＰ層の広がり又は収縮を引き起こす。

【0199】

電極配置は、代わりに、電気活性高分子層の一方の面において一対のコーム電極を有してよい。これは、面内で層の次元を直接に制御するために、面内電界を供給する。

【0200】

ＥＡＰ層に適した材料が知られている。電気活性高分子には、下位分類：圧電性高分子、電気機械高分子、リラクサー強誘電性ポリマー、電歪高分子、誘電エラストマー、液晶エラストマー、共役高分子、イオン交換ポリマーメタル複合体、イオン性ゲル、及び高分子ゲルがあるが、これらに限られない。

【0201】

下位分類の電歪高分子には：
ポリフッ化ビニリデン（polyvinylidene fluoride）（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン（trifluoroethylene）（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（chlorofluoroethylene）（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（chlorotrifluoroethylene）（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（hexafluoropropylene）（ＰＶＦＥ−ＨＥＰ）、ポリウレタン又はそれらの混合物
があるが、これらに限られない。

【0202】

下位分類の誘電エラストマーには、
アクリレーツ（acrylates）、ポリウレタン、シリコーン
があるが、これらに限られない。

【0203】

下位分類の共役高分子には、
ポリピロール、ポリ−３，４−エチレンジオキシチオフェン（ethylenedioxythiophene）、ポリ（ｐ−フェニレン硫化物）、ポリアニリン
があるが、これらに限られない。

【0204】

追加のパッシブ層が、印加される電界に応じて、ＥＡＰ層の挙動に作用するために設けられてよい。

【0205】

ＥＡＰ層は、電極の間に挟まれてよい。電極は、それらがＥＡＰ材料層の変形に従うように伸縮自在であってよい。電極に適した材料も知られており、例えば、金、銅若しくはアルミニウムのような金属薄膜、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（ply-aniline）（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（スチレンスルホン酸塩）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）のような有機導体から成るグループから選択されてよい。例えば、アルミニウムコーティングを用いて、金属化ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）のような、金属化ポリエステルフィルム（metallized polyester film）も、使用されてよい。

【0206】

異なる層のための材料は、例えば、異なる層の弾性係数（ヤング係数）を考慮しながら、選択される。

【0207】

追加のポリマー層のような、上述された層に対する追加の層は、デバイスの電気的又は機械的挙動を適応させるために使用されてよい。

【0208】

ＥＡＰデバイスは、電界駆動型デバイス又はイオンデバイスであってよい。イオンデバイスは、イオン性高分子−金属複合体（ＩＰＭＣ）又は共役高分子に基づいてよい。イオン性高分子−金属複合体（ＩＰＭＣ）は、電圧又は電界が印加された状態で人工筋肉挙動を表す合成複合体ナノ材料である。

【0209】

ＩＰＭＣは、表面が科学的にめっきされるか、あるいは、プラチナ若しくは金又は炭素系電極のような導体により物理的にコーティングされているナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）又はフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）のようなイオン性高分子から構成される。電圧が印加された状態で、一片のＩＰＭＣにかかる電圧によるイオンマイグレーション又は再配分は、曲げ変形を生じさせる。ポリマーは、溶媒膨潤されたイオン交換高分子膜である。電界は、水とともにカソード側への陽イオン移動を引き起こす。これは、親水性クラスタの再編と、ポリマー拡張とをもたらす。カソード領域でのひずみは、残りのポリマーマトリクスで応力をもたらして、アノード方向に曲がることを生じさせる。印加電圧を反転させることは、曲げを反転させる。

【0210】

平板電極が非対称構成において配置される場合に、印加電圧は、ねじれ（twisting）、横転（rolling）、ねじれ（torsioning）、旋回（turning）、及び非対称な曲げ変形のような、全ての種類の変形を引き起こすことができる。

【0211】

デバイスは単一のアクチュエータとして使用されてよく、あるいは、例えば、２Ｄ又は３Ｄの輪郭の制御を提供するよう、デバイスのライン又はアレイが存在してよい。

【0212】

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対象である例を含め、多くのＥＡＰ応用において適用され得る。

【0213】

多くの応用において、製品の主たる機能は、人間の組織の（局所的な）操作、又は組織接触インターフェイスの作動に依存する。そのような応用では、ＥＡＰアクチュエータは、主として、小さなフォームファクタ、フレキシビリティ及び高いエネルギ密度のために、独自の利点を提供する。よって、ＥＡＰは、柔らかい３Ｄ成形された及び／又は小型の製品及びインターフェイスに容易に組み込まれ得る。そのような応用の例は、
皮膚を引っ張るため又はしわを減らすために一定の又は周期的な応力を皮膚に適用するＥＡＰに基づく皮膚パッチの形をとる皮膚作動デバイスのような皮膚化粧治療；
顔の赤い印を減らすか又は防止する皮膚への交番性の標準圧を供給するためにＥＡＰに基づくアクティブクッション又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デバイス；
適応シェービングヘッドを備えた電気シェーバー。皮膚接触面の高さは、接近と刺激との間のバランスに作用するためにＥＡＰアクチュエータを用いて調整され得る；
特に歯の間の空間においてスプレーの届く範囲を改善するために動的なノズルアクチュエータを備えたエアフロスのような口内洗浄デバイス。代替的に、歯ブラシは、アクティブにされた房を設けられてよい；
ユーザインターフェイスに又はその近くに組み込まれるＥＡＰトランスデューサのアレイを介して局所触覚フィードバックを供給するコンシューマエレクトロニクスデバイス又はタッチパネル；
蛇行性血管において容易なナビゲーションを可能にする可動型の先端を備えたカテーテル
である。

【0214】

ＥＡＰから恩恵を受ける他のカテゴリーの関連用途は、照明の改良に関する。レンズ、反射面、グレーチング、などのような光学要素は、ＥＡＰアクチュエータを用いた形状又は位置適応によって適応可能である。ここで、ＥＡＰアクチュエータの利点は、例えば、より低い電力消費である。

【0215】

開示されている実施形態に対する他の変形例は、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求されている発明を実施することにおいて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、語“有する（comprising）”は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞“１つの（a又はan）”は、複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項で挙げられているという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すものではない。

【0216】

特許請求の範囲における如何なる参照符号も、適用範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図17C】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21A】

【図21B】

【図22】

【図23】