CN103119741B - 电活性聚合物致动器 - Google Patents
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Abstract
一种致动器，其包括电活性聚合物层（402）和在电活性聚合物层（402）的每侧上设置的可伸展电极结构（410，411）。更软的钝性层（401）固着到可伸展电极结构（410，411）之一。当被可伸展电极结构（410，411）横向压缩时，电活性聚合物层（402）将切向地扩展，并且致动器将松弛成如下形状，其中电极区域的内部与器件的平面基本上平行，而区域增加的大部分被在电极边界处出现的平面外弯曲所吸收（翘曲模式）。可以将本发明实现为具有可变几何形状的光学反射或者折射器件。
Description
技术领域
这里公开的本发明大体上涉及电活性聚合物致动器。具体而言，它涉及一种具有不对称分层结构的致动器，该不对称分层结构允许局部化的不在适当位置的致动。
本发明也涉及一种制造这样的致动器的方法。
背景技术
形式为叠层（或者三明治结构或者分层材料）的电介质致动器属于迅速进展的技术领域。简单电介质致动器可以包括电活性聚合物层和电极对，该电极对用于施加静电力并且由此引起聚合物层在切向和/或横向方向上的弹性变形。更多复杂电介质致动器可以包括功能附加层，比如光学反射或者防反射层、纹理增强层、电和/或热传导层等。
添加钝性层可能影响电介质致动器对施加的电场做出响应的方式。在US-2008/0289952中公布的申请公开了一种叠层，其由涂覆有一个或者多个钝性聚合物层的致动器构成。钝性层在致动器对它们施加的剪切力的作用之下对致动场的变化间接地做出响应。因此如本申请的图1中所示，致动器的电极E1、E2之间的活性区域D的扩展使钝性层PL1、PL2伸展，从而在叠层TDU的外表面TDS上产生与活性区域D的边界对应的提升边缘。（注意电极E1、E2的可见尺寸差不是这一类型的所有致动器共有的特征。）为了进一步图示这样的伸展模式移动，图2示出EAP层202的位于两个电极210、211之间的那部分的压缩和附后的平面伸展如何通过泊松效应引起周围钝性层210、211的放大的厚度收缩。通过将活性区域伸展成更薄形状而从活性区域供应组成提升边缘的材料；这样的伸展可能不会在所有应用中被接受。
Koo,
Jung等的文章Development of soft-actuator-based
wearable tactile display, IEEE Trans. Robotics, vol. 24, no. 3 (2008年六月), 第549–558页公开了一种电介质致动器，该电介质致动器的部分能够如本申请的图3中所示的那样翘曲（ duck ）移动。在刚性边界框（未示出）以内夹持致动器302、310、311的活性部分320，因此未与周围部分321弹性接触。该夹持对切向扩展进行约束并且使致动器代之以在平面外偏转，优选的翘曲方向由钝性层301的存在定义。尽管这一类型的致动器可以实现相对大的偏转幅度，但是它们一般不能产生锐利边缘、因此对触觉应用而言不理想。另外，已经显现，翘曲模式致动器对对称形状、比如方形或者圆形形状表现最佳，因此不会与太不规则的电极形状兼容。
发明内容
本发明的一个目的是克服这些限制，并且提供一种致动器，其具有用于产生相对锐利的边缘而又仅在有限程度上在平面内扩展的致动模式。又一目的是提供一种用于制造这样的致动器的有效方法。
根据本发明的第一方面，这些目的中的至少一个目的由一种致动器实现，该致动器包括电活性聚合物（EAP）层和在EAP层的每侧上设置的可伸展电极结构。
电极结构可以具有柔性片、板、格栅、可寻址矩阵、可寻址点阵列等的形式。它们在它们至少与EAP层一样软的意义上是可伸展的。更具体而言，它们的弹性模量（或者杨氏模量）Yel,1、Yel,2小于或者基本上等于EAP层的弹性模量YEAP。（在各向异性材料的情况下，用于切向/平面内变形的弹性模量是最相关的弹性模量）根据本发明，致动器还包括钝性层，该钝性层固着到致动器的一侧（即固着到可伸展电极结构之一）并且通过被致动器夹带而弹性地可变形，钝性层在所有切向方向上具有机械均匀性。
将钝性层固着到致动器主要以在各层之间传送剪切力为目的；可以使用人造粘接方式来接合某些材料，而在材料的其它组合之间的粘合力可以一旦两个表面形成接触就出现。
当电极结构越过EAP层的活性区域施加电压时，活性区域将横向压缩并且旨在增加它的面积。由于致动器的一侧固着到机械上均匀的钝性层——这一均匀性包括在所有横向方向上的非约束的可扩展性和可收缩性——所以致动器将以局部化的方式变形。更具体而言，变形将被局限于活性区域及其紧邻的周围，从而这一区域的内部在平面外移位而又将定向维持成与它的原始位置基本上平行。在活性区域的边界处和活性区域的边界周围的区域将在某种程度上在厚度方向上行进并且将一般与叠层的平面非平行地进行定向。在压缩之下的EAP层可以借助它的边界区域的弯曲来松弛成平衡状态而基本上未使它的周围变形；换而言之，电场引起的尺寸扩展将基本上被局限于活性区域，并且其大部分被边界区域的从EAP层的平面的向外延伸所吸收。通过向致动器提供以这一方式变形（在下文中称为翘曲模式变形）的能力，本发明实现其第一目的。
未遵循特定理论模型，认为有助于这一局部化的平面外变形的机制之一是麦克斯韦应变（在所有三个维度中）发生于活性区域中、但是未超出这一活性区域的事实。因此，如果定义好电极边缘，则锐利边缘最可能出现。EAP层最容易朝着未与钝性层邻近的自由电极扩展并且因此将位于叠层的松弛配置的被施加电场的凸侧上。
本发明的一个优点在于，它以少量能量开支产生显著的竖直幅度（深度形貌）。这是因为与具有厚度增强层的伸展模式致动器比较，更少数量的材料被重定位。这是如下事实的结果：在致动的伸展模式致动器中的厚度增强层被变形成其中它具有比在松弛状态中更小的厚度的配置。增强层的两侧相互逼近。对照而言，根据本发明的致动器可以通过在基本上一个单个（横向）方向上在平面外移位定界的区域来产生纹理增强边缘；该层的两侧大致上被布置成相互平行。因此，本发明至少从触觉观点来看实现了相当的纹理增强而又在更低的局部应变下进行操作，从而所需峰电压更低并且减少生命周期能量消耗。
与在US-2008/0289952中公开的类型的致动器比较，本发明的另一优点是预应变致动器膜的使用并非必需。这简化制造。预应变有利于伸展模式变形和随后的提升的边缘形成，而不是翘曲模式变形；例如预应变可以对在活性区域的边界周围EAP层的增厚有贡献。
又一优点在于，也并非必须使用在切向方向上可伸展的电极，针对在翘曲模式中，边缘由钝性层的下移部分产生而不是通过切向地伸展钝性层来产生。这向设计者提供更大自由度；具体而言，由于继而可以提供电极作为稳定的、基本上不伸展的表面，所以可以将反射表面直接布置到致动器上。
对具有更小弯曲硬度（也就是更小剪切模量和厚度）的致动器材料而言，尺寸扩展通常更局部化。应当理解，钝性涂层的一面性（one-sideness）不是本发明的基本要素并且未绝对要求出现翘曲模式行为。而是，这通过在叠层的整个结构中存在不对称来实现。例如，如果双钝性层之一在横向方向上相对更多地屈服并且因此适合于容纳旨在向该钝性层中移位的活性区域的话，则可以预期在由该双钝性层包围的致动器中具有相似行为。与此对照，具有纹理增强的用于伸展模式致动的器件经常以在致动器芯的每侧上布置的具有相似机械性质的双钝性层为特征；因此，通过保证在器件的厚度范围内的基本上对称的硬度梯度来避免弯曲偏转。
在第二方面中，本发明提供一种用于制造根据第一方面的致动器的方法。通过该方法，在概念上将待生产的致动器划分成将单独生产的两个或者更多个子叠层。每个子叠层包括一层或者多层并且通过直接制造或者通过获得预制材料由单独的并且可能并行的过程来提供。在制备子叠层之后，将子叠层叠放在一起以形成致动器。叠放可以通过机械压缩、化学粘接、热或者声学焊接、使用无辅助的表面粘合（比如通过范德瓦尔斯力）或者本领域本身已知的某其它叠放方法来发生。参照本发明的第二目的，特别是如果子叠层中的至少一个子叠层包括多个粘接层、包括温度处理或者辐射处理的构成、热或者化学硬化的组分、预伸展层、通过涂覆预伸展的衬底来制造的层或者以耗时方式或者要求与至少一个其它制造步骤在物理上分离制造以避免污染的任何其它成分，则这一方法尤其提高效率。
在一个实施例中，致动器包括EAP层、设置于每侧上的可伸展电极结构和直接固着到致动器的可伸展电极结构之一的钝性层。因此，电极结构中的仅一个电极结构插入于EAP层与钝性层之间。这允许致动器按照需要在翘曲模式中变形。如上文所言，如果钝性层和/或致动器的切向可扩展性受存在于致动器中的硬性或者刚性元件约束的话，则将促进翘曲模式。
在一个实施例中，钝性层比EAP层更厚。具有这样的设计的致动器已经证明在翘曲模式中变形。
在一个实施例中，钝性层比EAP层更软。换而言之，钝性层的弹性模量Yp小于EAP层的弹性模量YEAP。比值Yp/YEAP至多为1.1，比如至多为1，比如至多为0.75，比如至多为0.5，比如至多为0.25、比如至多为0.1。这一实施例可以有利地与先前实施例组合以便在致动时候实现明显翘曲模式行为。
在一个实施例中，钝性层具有至多0.5MPa，优选地至多0.4MPa并且最优选地至多0.3MPa的切向弹性模量。这一实施例已经证明以翘曲模式进行变形。
在一个实施例中，钝性层具有顶层，该顶层具有若干GPa的切向弹性模量和1.5微米的厚度。这一实施例已经证明以翘曲模式进行变形。
在一个实施例中，EAP层包括如下组分，该组分包含从以下列项中选择的至少一种材料：
- 丙烯酸树脂，
- 聚[苯乙烯-b-(乙烯-共聚-丁烯)-b-苯乙烯]，
- 聚氨基甲酸酯，
- 聚氯乙烯，
- 硅酮、例如硅酮橡胶。
这些材料已经作为EAP材料证实具有有利性质。首先，它们具有等于或者接近0.5的泊松比，这保证接近不可压缩的行为，通过该行为，切向收缩与横向扩展共同发生，反之亦然。具体而言，已经在实验上发现它们如先前提到的实施例中的那样在与钝性层组合时以翘曲模式实施。
可调反射体形成又一组实施例，其可容易地与来自已经概述的实施例的特征进行组合。在一个这样的实施例中，钝性层具有光学反射外表面。反射表面被适配成在预定波长范围中反射电磁辐射。适当地，反射表面出于测量或者成像目的而基本上平滑，而如果反射体服务于光束转向、光束成形、重定向热辐射、集中光用于照射等的“非成像光学器件”目的，则更粗糙表面可以足够了。反射体的几何形状通过变化施加在叠层的各电极之间的电压而可调，这意味着这样的反射体在功能上等效于若干固定反射体。具体而言，可以调整反射表面的角度，从而可以控制反射的射线的几何形状——具体为它们的传播方向。借助具有不均匀厚度的钝性层（例如形成凸形顶表面，比如球形或者抛物形表面），这一种类的可调反射体可以已经在它们的松弛状态中具有弯曲形状。
可以通过涂覆（比如通过气相沉积），通过直接染色钝性层（比如通过混合反射粒子）或者通过将反射材料片固着到钝性层上来提供反射外表面。反射材料片在适用时优选为聚合物。它可以是金属化聚酯膜，比如金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯。具体而言，可以使用铝涂覆的Mylar®或者Steinerfilm®。适当地，设置于钝性层顶部上面的反射层对钝性层的机械性质具有有限影响。例如反射层顺应于弯曲以免约束翘曲模式行为。
在一个实施例中，可调反射体被布置于在致动器的钝性层中提供的纹理化图案上，从而实现纹理化反射体。通过致动器的致动，可以改变反射体的几何形状并且因而改变纹理化图案的几何形状。另外，电极结构的几何形状可以允许反射体在非致动的平滑形状与致动的纹理化形状之间切换。例如，格栅形电极结构可以在反射体上产生方形凹痕阵列。
透明和可能折射的致动器形成又一组实施例，其中致动器包括容许预定波长范围的至少一个透明部分。致动器可以完全透明或者可以具有专用透明区域。通过致动器的致动，钝性层变形以获得修改的光学性质，这些光学性质包括衰减、反射区域的基点（cardinal
point）位置、反射区域的焦距、极化和散射。
在一个实施例中，钝性层包括折射图案或者结构。折射图案可以是在钝性层中直接执行的三维图案。它也可以是在钝性层顶部上面附着的三维折射体，折射体可能具有与钝性层的折射率不同的折射率。具体而言，折射体可以是透镜、比如球面透镜或者菲涅尔型透镜。
当使用先前提到的材料之一时，钝性层的适当厚度可以落在从10 μm到5 mm的范围中并且优选地未超过1mm。
注意本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能组合。
附图说明
现在将参照示出本发明实施例的附图更具体描述本发明的这一和其它方面，在附图上：
图1和2示出具有用于以伸展模式进行移动的钝性层的可用致动器；
图3示出具有用于以翘曲模式移动的钝性层和受约束的切向可扩展性的部分的可用致动器；
图4示出根据本发明一个实施例的致动器，其中提供用于以翘曲模式移动的增强层；
图5示出根据本发明另一实施例的致动器，其中反射顶层由中间层粘接到钝性层；
图6示出根据本发明又一实施例的致动器，其中反射顶层设置于钝性层上；并且
图7示出根据本发明又一实施例的具有可变光学性质的反射致动器。
应当指出，附图一般未按比例绘制。除非另有明示，附图上的向上和向下方向未必与重力场对准。
具体实施方式
图4是根据本发明一个实施例的致动器的横截面图。在具有前章节中讨论的特性的电活性聚合物（EAP）层402的每侧上，设置用于越过EAP层402施加电场的第一电极格栅410和第二电极格栅411。适当电极材料包括炭黑、单壁或者双壁碳纳米管、石墨和软金属。在其中需要透明性的应用中，例如光学器件中，电极可以由石墨、聚苯胺（PANI）或者聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)（PEDOT）制成。电极410、411和EAP层402可以视为形成致动器芯。致动器还包括固着到第一电极格栅410尤其以便被致动器芯的顶侧施加的剪切力所作用的钝性层401。致动器被示出处在致动状态中，在该状态中，非零电场引起EAP层402变形成减少的厚度并且通过不可压缩性变形成更大表面积。致动器然后松弛成附图上所示形状，其中表面积增加的部分被边界区域的从EAP层402的平面的向外延伸所吸收。沿着活性区域的边界区域的相对锐利的拐角是明显的（如由电极格栅的位置所定义的那样），这些拐角在钝性层402的顶表面上产生浮雕图案。
图5是根据本发明的致动器的又一实施例的截面图。EAP层502配有设置于每侧上并且连接到功率单元510的可寻址电极结构501和503。电极结构501和503可以由舌形元件（未示出）形成，这些舌形元件由相应开关511和513可分离地连接到电压源512的任一极。在实际境况中，可以向电极施加处于150V到4000V的范围中的电压。可以用垂直定向布置相应电极501和503的舌形元件，从而可以通过将开关511和513设置于对应位置来向任何两个舌形物（的突出部分）相交的区域加电。图5中所示致动器还包括钝性层504、粘接层505和反射涂层506，从而顶表面507可以用作具有可调形状的反射体。
图6是具有与图5的致动器共同的若干特征的致动器的截面图。一个不同在于，反射表面606由固着到钝性层604上的反射膜605形成。优选地在不同过程中预制的膜是薄的顺应性聚合物箔。该箔被金属涂覆或者包含反射粒子。厚度可以例如是1.5μm。如已经提到的那样，在提交本申请的日期，在商标Mylar®或者Steinerfilm®名下销售的箔可以用于这一目的。应当注意，这两种箔良好地粘接到Silastic®而未用专用粘接剂。另外，在另一实施例中，这些种类的箔可以直接附着到EAP层602从而也触发翘曲模式。
最后，可以将本发明实现为由透明层构成的致动器。图7是适合于光学应用的折射致动器的截面图。为了这一效果，EAP层702由非预伸展的Dow Corning
Nusil® 2186膜构成。电极701和703由在EAP层702上涂抹的PEDOT:PSS (聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)聚对苯乙烯磺酸酯)制成，其中润湿可以由适当的表面活性剂来支持。模块式菲涅尔型透镜结构704通过在适当模具上滴铸（drop
casting）Dow Corning Nusil® 2186来单独制成，然后固着到致动器的其余部分。可以通过在致动器的部分之上施加电压从而使它尤其在活性与钝性区域之间的（边界）区域中局部变形来变化透镜结构704的几何形状。
本领域技术人员认识到本发明决不限于上文描述的优选实施例。相反，许多修改和变化在所附权利要求的范围内是可能的。例如在本申请中公开的实施例可以通过替换材料或者添加更多层来变化，并且然而可以在被加电时表现如同翘曲模式的特性。
实例
通过涉及图5中所示类型的致动器的实例来举例说明本发明而不限于此。
首先，例如使用将新混合的成分刮涂到防粘合板上（比如Teflon®板上）来制作80μm厚的Nusil® CF 2186膜。在60℃固化这一层持续一小时，该层将形成叠层的EAP层。接着通过经过图案化筛网在n-庚烷中丝网印刷炭黑（例如Monarch® 1000）来在Nusil®层的顶部上面制成可伸展电极。随后，在EAP层和电极上铸造或者刮涂更厚、更软的聚合物（例如Silastic®）。在聚合（在空气中，对于Silastic®而言）之后，这形成钝性层，该钝性层充当具有比致动层更低的弹性模量的纹理增强层：Silastic®具有约0.3MPa的模量，而Nusil®具有约1MPa的模量。针对触觉应用，这一层的厚度优选地是100μm到5mm。针对光学应用，当更大程度的顺应性可能有利时，在0.1μm与1mm之间选择它。最后，为了生成反射表面，实现铬（15nm）、然后是铝（160nm）的气相沉积。铬层用于充当在软钝性层与反射性铝之间的粘接层。
这一方法制作的致动器在翘曲模式中表现，这被认为是由叠层的不对称所引起的。在活性区域中，当施加电场时，致动器的表面将在致动器的顶表面以下翘曲达200μm（如例如由非活性区域定义的那样）。致动发生于定义好的区域中。观测到致动器对施加的电场迅速做出响应：有可能每秒执行1000个工作周期。
可以关于以下各项变化上例：
- EAP层的厚度：为了限制必要驱动电压，在200μm以下的厚度dp一般可优选；它也可以是基本上等于或者小于80μm的dp或者基本上等于或者小于40μm的dp；
- EAP材料的选择：备选材料是丙烯酸树脂（比如3M™ VHB™ 4905或者4910)、聚氨基甲酸酯、聚氯乙烯和若干硅酮橡胶（比如Wacker
Elastosil® RT625、Dow Corning
WL3010、WL5331、HS3、Sylgard® 186、184）；
- 电极的形成：备选方法包括涂敷粘附到适当图案化的聚二甲基硅氧烷印章的‘干’炭黑粒子或者使用金属（和可能为粒子植入的）材料以生成各种可伸展几何形状（比如平坦、皱状、图案化或者穿孔）的电极系统；以及
- 反射材料的选择：作为铝的取代，贵金属可以用作反射金属，并且铬可以被替换为具有相似弹性和/或粘合性质的金属层。
Claims (13)
1.一种致动器，包括：
- 电活性聚合物层（402；502；602；702），
- 可伸展电极结构（410，411；501，503；601，603；701，703），其设置于所述电活性聚合物层（402；502；602；702）的两相对侧上，以及
- 钝性层（401；504；604，704），固着到所述可伸展电极结构（410，411；501，503；601, 603；701，703）之一，
其中所述可伸展电极结构（410，411；501，503；601，603；701，703）具有小于或者等于所述电活性聚合物层（402；502；602；702）的切向弹性模量YEAP的切向弹性模量的Yel,1、Yel,2，
其中所述钝性层（401；504；604，704）可弹性地变形，所述钝性层（401；504；604，704）在所有切向方向上具有机械均匀性并且具有光学反射外表面（507；606），所述光学反射外表面（507；606）布置于在所述钝性层（401；504；604，704）中施加的纹理化图案上，所述纹理化图案的至少一个几何性质通过所述钝性层（401；504；604，704）的变形而可变。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中所述钝性层（401；504；604，704）直接固着到这些可伸展电极结构（410，411；501，503；601，603；701，703）之一。
3.根据权利要求1所述的致动器，其中所述钝性层（401；504；604，704）的厚度dp大于或者等于所述电活性聚合物层（402；502；602；702）的厚度dEAP。
4.根据权利要求1所述的致动器，其中所述钝性层（401；504；604，704）的切向弹性模量Yp与所述电活性聚合物层（402；502；602；702）的切向弹性模量YEAP之比Yp/YEAP至多为1.1。
5.根据权利要求1所述的致动器，其中所述钝性层（401；504；604，704）具有至多0.5MPa的切向弹性模量Yp。
6.根据权利要求1所述的致动器，其中所述电活性聚合物层（402；502；602；702）包括从丙烯酸树脂、聚[苯乙烯-b-(乙烯-共聚-丁烯)-b-苯乙烯]、聚氨基甲酸酯、聚氯乙烯和硅酮构成的组中选择的材料。
7.根据权利要求1所述的致动器，其中所述光学反射外表面（507；606）由固着到所述钝性层（401；504；604，704）的至少一个金属化聚合物膜（606）形成。
8.根据权利要求1所述的致动器，包括光学透明部分，其中所述钝性层（401；504；604，704）的至少一个光学性质通过所述钝性层（401；504；604，704）的变形而可变。
9.根据权利要求8所述的致动器，其中所述至少一个光学性质是衰减、基点位置、焦距、极化和散射之一。
10.根据权利要求9所述的致动器，其中所述钝性层（401；504；604，704）包括由非透明部分界定的光学透明部分、由此定义可变光学变迹器。
11.根据权利要求9所述的致动器，其中所述钝性层（401；504；604，704）包括光学折射图案（704）。
12.根据权利要求1所述的致动器，其中所述钝性层（401；504；604，704）的厚度dp在10 μm与5 mm之间。
13.一种制造根据权利要求1所述的致动器的方法，包括以下步骤：
- 定义将所述致动器划分成子叠层的划分；
- 提供所述子叠层，所述子叠层中的至少一个子叠层包括固化的聚合物；并且
- 将所述子叠层接合在一起以形成所述致动器。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| A Batch Fabricated Elastomeric Actuator with Large out of Plane Displacement;Maleki,T.et.al;《Micro/Nano Symposium (UGIM), 2010 18th Biennial University/Government/Industry 》;20100701;第1-3页 * |
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