JP2012095527A - 電極及び光変調デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】プリストレインドポリマは、それに接している電極に電圧が印加されると変形する。この変形は、機械的作用を行うために使用して良い。プリストレインは、電気活性ポリマ152の機械的反応を改善させる。本発明は、さらに、電気活性ポリマ152と、ポリマの変形を機械的作用へ変換するための機械的結合と、を備えたアクチュエータに関する。本発明は、さらに、ポリマの形状に適合する適合性の電極に関する。本発明は、1つまたはそれ以上の電気活性ポリマ152を含んだ電気機械デバイスを製造するための方法を提供する。
【選択図】図1C
Description
電気活性ポリマは、電気エネルギによって作動されると変形を生じる。一実施形態において、電気活性ポリマは、2つの電極間の絶縁誘電体として作用し且つ2つの電極間に電圧差を加えると変形するようなポリマを指す。本発明の一態様は、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を改善するようにプリストレインされたポリマに関する。このプリストレインによって、電気活性ポリマの機械応答が、プリストレインされていない電気活性ポリマのそれに比べて改善される。機械応答の改善によって、例えば変形や作動圧力などの、より大きな機械的作用を電気活性ポリマに加えることが可能になる。例えば、本発明によるプリストレインドポリマには、少なくとも約200%の線ひずみと、少なくとも約300%の面ひずみと、を加えることが可能である。このプリストレインは、ポリマの方向によって大きさが異なる。プリストレインの方向による可変性、ポリマを制約する様々な方法、電気活性ポリマのミクロおよびマクロのレベルへの拡張性、そしてポリマの様々な指向方向を組み合わせる(例えば個々のポリマ層を巻いたり積層させたりする)ことによって、電気エネルギを機械的作用に変換させる様々なアクチュエータを実現することが可能になる。このようなアクチュエータは、広い用途において使用することができる。
図1Aおよび図1Bは、トランスデューサ100を、本発明の一実施形態にしたがって示した上面図である。トランスデューサ100は、電気エネルギと機械エネルギとの間の変換を行うためのポリマ102を備える。電気活性ポリマ102の上面および下面には、トップ電極104およびボトム電極106がそれぞれ取り付けられており、ポリマ102の一部分に電圧差を提供する。ポリマ102は、トップ電極104およびボトム電極106によって提供される電場の変化によって変形する。電極104,106によって提供される電場の変化に応じたトランスデューサ100の変形は、作動と称される。ポリマ102のサイズが変化するのにともなって、この変形を使用して機械的作用を生じることができる。
プリストレインドポリマの変形を様々な形で使用することによって、機械エネルギを生成することができる。一般に、本発明による電気活性ポリマは、プリストレインドポリマによって改良された従来のアクチュエータや、1つまたはそれ以上のプリストレインドポリマのために特別に設計されたカスタムアクチュエータを含む、様々な形のアクチュエータにおいて使用して良い。従来のアクチュエータは、エクステンダ、曲がり梁、スタック、ダイヤフラム等などを含む。以下では、本発明にしたがった、幾つかの代表的なカスタムアクチュエータに関して説明する。
本発明にしたがったトランスデューサは、電気エネルギと機械エネルギとの間でエネルギの変換を行う。トランスデューサの性能は、トランスデューサ自体の観点から見て特徴付けられる。すなわち、アクチュエータにおけるトランスデューサの性能か、または特定の1用途におけるトランスデューサの性能(例えば、1モータ内に実装されたトランスデューサの数)によって特徴付けられて良い。プリストレインされた本発明にしたがった電気活性ポリマによって、トランスデューサの性能は大きく向上される。
上述のように、本発明のトランスデューサは、電気活性ポリマを作動させるための1つ以上の電極を備えることが好ましい。概して、本発明での使用に適した電極は、時間的に一定もしくは変化する適切な電圧を電気活性ポリマに供給し、電気活性ポリマから受け取ることができれば、どのような形態および材料であっても良い。一実施形態では、電極は、ポリマの表面に接着されている。ポリマに接着する電極は、適合性で、ポリマの形状変化に適合することが好ましい。電極は、電気活性ポリマの一部分にのみ適用可能であり、電極の形状にしたがってアクティブ領域を規定する。
本発明は、ミクロおよびマクロスケール両方で、非常に様々なアクチュエータ設計に実装可能なトランスデューサを含むため、本発明は、電気的エネルギが機械的エネルギに変換される幅広い用途に用いることが可能である。以下は、上述のアクチュエータの一部に関するいくつかの代表的な用途である。一般に、本発明のトランスデューサとアクチュエータは、機械的エネルギから電気的エネルギへの変換を必要とする任意の用途に用いることができる。
プリストレインドポリマは、幅広い材料の様々なアクチュエータの設計において、そして多様な用途において、ミクロおよびマクロのスケールの両方で実装可能なため、本発明において使用される製造プロセスも、実に多様である。本発明の一形態は、1つまたはそれ以上のプリストレインポリマを有した電気機械デバイスを製造する方法を提供する。
本発明は、いくつかの好ましい実施形態に即して説明され、簡単のために省略したが、本発明の範囲内の変更、置換、等価物が存在する。例えば、本発明は、様々な多数の応用材料の電極に即して説明されたが、本発明は、これらの材料に限定されず、空気を電極として備える場合もある。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項を参照して決定されるべきである。
102 ポリマ
104 トップ電極
106 ボトム電極
108 方向
110 方向
130 ダイヤフラムアクチュエータ
131 プリストレインドポリマ
132 フレーム
133 円形の穴
134 円形電極
136 円形電極
137 高さ
139 穴の直径
141 下面側
143 矢印
147 角度
150 テクスチャ加工された表面
152 電気活性ポリマ
154 表面の波
155 方向
156 剛性材料
160 電気活性ポリマ
161 粗面
200 バウアクチュエータ
202 フレーム
204 剛体部材
205 ジョイント
206 ポリマ
207 電極
208 方向
210 方向
211 負荷
220 バネ
230 直線運動アクチュエータ
231 ポリマ
232 剛体部材
233 長さ
234 幅
235 方向
236 方向
240 多層アクチュエータ
241 プリストレインドポリマ
242 剛性フレーム
243 電極
244 電極
245 多層ダイヤフラムアクチュエータ
246 ポリマ層
247 接着層
248 電極
249 電極
250 プレート
251 穴
255 線形アクチュエータ
256 ダイヤフラム
257 出力シャフト
258 穴
259 矢印
260 バネ要素
261 フレーム
262 シャクトリムシ型アクチュエータ
263 ポリマ層
264 静電クランプ
265 静電クランプ
266 ボディ
267 接続領域
268 金属面
269 絶縁接着剤
270 伸張膜アクチュエータ
271 剛性フレーム
272 穴
273 プリストレインドポリマ
274 剛体バー
275 電極対
276 電極対
279 ストローク
280 曲がり梁アクチュエータ
282 剛体サポート
281 ポリマ
283 薄膜材料
284 電極
285 電極
286 上面
287 下面
288 自由端
290 曲がり梁アクチュエータ
291 プリストレインドポリマ
292 プリストレインドポリマ
293 トップ電極
294 ボトム電極
295 電極
296 剛体サポート
297 半径方向
298 直線方向
299 自由端
500 ポリマ
501 構造化電極
502 金属トレース
503 電荷分布層
510 プリストレインドポリマ
512 金属トレース
514 方向
516 方向
520 テクスチャ加工された電極
521 テクスチャ加工された電極
522 ポリマ
526 方向
540 ダイヤフラムポンプ
542 ダイヤフラムポンプ
544 プリストレインドポリマ
545 フレーム
546 プリストレインドポリマ
547 フレーム
548 穴
550 穴
551 空洞
552 空洞
553 プランジャ
555 1方向バルブ
556 1方向バルブ
558 1方向バルブ
560 バネ
622 プリストレインドポリマ
624 剛性基板
625 電極
626 露出面
627 固形部材
628 接着剤
629 電極
630 電気活性ポリマ層
631 剛性基板
632 接着層
633 電極
634 利用可能な面
635 ポリマ層
636 穴
640 電気機械デバイス
Claims (99)
- 電気エネルギを機械エネルギに変換するためのトランスデューサであって、
少なくとも2つの電極と、
電場の変化に応じて一部分が変形するように構成され、前記一部分は弾性的にプリストレインされているポリマと、
を備えるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記トランスデューサは、前記電場の変化に応じて少なくとも約50%の最大線ひずみを有するトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記トランスデューサは、前記電場の変化に応じて少なくとも約100%の最大線ひずみを有するトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記トランスデューサは、前記電場の変化に応じて少なくとも約100%の最大面ひずみを有するトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記プリストレインは、第2の直交方向に加えられるプリストレインを超える大きさで第1の直交方向に加えられるトランスデューサ。 - 請求項5記載のトランスデューサであって、
前記第1の直交方向に加えられる前記プリストレインは、前記第2の直交方向への変形を強化させるために使用されるトランスデューサ。 - 請求項6記載のトランスデューサであって、
前記ポリマは、もとの面積の約1.5倍〜50倍の範囲にある係数によってプリストレインされるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記ポリマは、シリコンゴムおよびアクリルのうちの1つを備えるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、さらに、
障壁層を備えるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記ポリマは、テクスチャ加工された表面を備えるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記ポリマは、約11マイクロメートル〜2ミリメートルの厚さを有するトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記ポリマは、市販のシリコンエラストマ、ポリウレタン、PVDFコポリマ、または接着性エラストマのうちの1つであるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記電場の変化は、最大で約440MV/mであるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記ポリマは、約0.1Pa〜約10MPaの最大作動圧力を有するトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記ポリマは、約100kHz未満の動作周波数を有するトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記ポリマは、約100MPa未満の弾性率を有するトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記ポリマの前記一部分は、前記電場の変化に応じて変形して前記ポリマの平面からそれるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、さらに、
前記ポリマの一部分に取り付けられた剛性部材を備えるトランスデューサ。 - 請求項18記載のトランスデューサであって、
前記剛性部材はフレーム内に含まれるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記少なくとも2つの電極は適合性があるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、さらに、
前記第1のプリストレインドポリマに結合され、電場の第2の変化に応じて一部分が変形するように構成された第2のポリマを備えるトランスデューサ。 - 請求項21記載のトランスデューサであって、
前記第2のポリマは、前記第1および第2のポリマが同じ変形を有するように前記第1のポリマに機械的に結合されるトランスデューサ。 - 請求項1記載のトランスデューサであって、
前記トランスデューサは人工筋肉に含まれるトランスデューサ。 - 電気エネルギを機械エネルギに変換するためのトランスデューサであって、
少なくとも2つの電極と、
前記少なくとも2つの電極によって提供される電場の変化に応じて一部分が変形するように構成され、前記一部分は、前記電場の変化に応じて約50%〜約215%の最大線ひずみで変形するポリマと、
を備えるトランスデューサ。 - 請求項24記載のトランスデューサであって、
前記ポリマは、シリコンゴムおよびアクリルのうちの1つを備えるトランスデューサ。 - 請求項24記載のトランスデューサであって、
前記ポリマは、市販のシリコンエラストマ、ポリウレタン、PVDFコポリマ、または接着性エラストマのうちの1つであるトランスデューサ。 - 電気エネルギを第1の方向への変位に変換するためのアクチュエータであって、
少なくとも2つの電極と、電場の変化に応じて一部分が変形するように構成されたポリマと、をそれぞれ備える少なくとも1つのトランスデューサと、
前記ポリマに結合され、前記第1の方向への変位を改善するために機械的な補助を提供する可撓性フレームと、
を備えるアクチュエータ。 - 請求項27記載のアクチュエータであって、
前記機械的な補助は1組のバネを備えるアクチュエータ。 - 請求項27記載のアクチュエータであって、
前記機械的な補助は、前記アクチュエータの静止位置を変化させるアクチュエータ。 - 請求項27記載のアクチュエータであって、
前記ポリマはプリストレインを備えるアクチュエータ。 - 請求項30記載のアクチュエータであって、
前記ポリマは、前記第1の方向への変位を改善する第2の方向へのプリストレインを備えるアクチュエータ。 - 請求項31記載のアクチュエータであって、
前記アクチュエータは、前記電場に応じて前記第2の方向に収縮するアクチュエータ。 - 請求項32記載のアクチュエータであって、
前記可撓性フレームは、前記第2の方向へのポリマの変形を前記第1の方向への変位に結合させるアクチュエータ。 - 電気エネルギを機械エネルギに変換するためのアクチュエータであって、
固定端と自由端とを有した可撓性部材を備え、前記可撓性部材は、少なくとも2つの電極と、前記少なくとも2つの電極によって提供される電場の変化に応じて一部分が変形するように構成されたプリストレインドポリマと、を備えるアクチュエータ。 - 請求項34記載のアクチュエータであって、
前記可撓性部材は第2のトランスデューサであるアクチュエータ。 - 請求項35記載のアクチュエータであって、
前記自由端の自由度は2であるアクチュエータ。 - 請求項34記載のアクチュエータであって、
前記可撓性部材は、前記ポリマよりも大きい剛性を有するアクチュエータ。 - 電気エネルギを第1の方向への変位に変換するためのアクチュエータであって、
少なくとも2つの電極と、電場の変化に応じて一部分が変形するように構成されたポリマと、をそれぞれ備える少なくとも1つのトランスデューサと、
前記少なくとも1つのトランスデューサに結合され、第2の方向への変位を実質的に阻止する少なくとも1つの剛性部材と、
を備えるアクチュエータ。 - 請求項38記載のアクチュエータであって、
前記ポリマは、ある1方向への適合性の方が第2の方向への適合性よりも大きいアクチュエータ。 - 請求項38記載のアクチュエータであって、
前記ポリマは、少なくとも4:1のアスペクト比を有するアクチュエータ。 - 電気エネルギを機械エネルギに変換するためのダイヤフラムアクチュエータであって、
少なくとも2つの電極と、電場の変化に応じて第1の部分が変形するように構成されたプリストレインドポリマと、をそれぞれ備える少なくとも1つのトランスデューサと、
前記ポリマの第2の部分に取り付けられ、少なくとも1つの円形の穴を備えたフレームと、
を備え、前記第1の部分は、前記電場の変化に応じて変形して前記少なくとも1つの円形の穴の平面からそれるアクチュエータ。 - 請求項41記載のアクチュエータであって、さらに、
前記ポリマの第1の側面に加えられたバイアス圧力を備えるアクチュエータ。 - 請求項42記載のアクチュエータであって、
前記バイアス圧力は膨張剤によって提供されるアクチュエータ。 - 請求項41記載のアクチュエータであって、
前記ダイヤフラムアクチュエータはポンプに含まれるアクチュエータ。 - 請求項41記載のアクチュエータであって、
前記第1の部分は、前記穴を通して少なくとも部分的に変形するアクチュエータ。 - 請求項45記載のアクチュエータであって、
前記第1の部分は、前記穴を通して前記穴の直径の半分を超える高さまで少なくとも部分的に変形するアクチュエータ。 - 請求項41記載のアクチュエータであって、
前記ダイヤフラムアクチュエータは、線出力を提供するために使用されるアクチュエータ。 - 請求項41記載のアクチュエータであって、
前記ダイヤフラムアクチュエータは、複数のダイヤフラムアクチュエータの配列に含まれるアクチュエータ。 - 電気エネルギを機械エネルギに変換するためのアクチュエータであって、
第1のボディ部分と第2のボディ部分との間に少なくとも自由度1を有したボディを備え、前記ボディは、前記第1の部分および前記第2の部分に取り付けられた少なくとも1つのトランスデューサを含み、各トランスデューサは、少なくとも2つの電極と、電場の変化に応じて一部分が変形するように構成されたプリストレインドポリマと、を備え、前記アクチュエータは、また、前記第1のボディ部分に取り付けられた第1のクランプと、前記第2のボディ部分に取り付けられた第2のクランプと、を備えるアクチュエータ。 - 請求項49記載のアクチュエータであって、
前記ポリマは巻かれるアクチュエータ。 - 請求項49記載のアクチュエータであって、
前記第1および第2のクランプは静電クランプであるアクチュエータ。 - 電気エネルギを機械エネルギに変換するためのアクチュエータであって、
トランスデューサを備え、前記トランスデューサは、電場の変化に応じて第1の部分が変形するように構成されたポリマと、前記ポリマの第2の部分を作動させるように構成された第1の電極対と、前記ポリマの第3の部分を作動させるように構成された第2の電極対と、を備え、前記アクチュエータは、また、前記ポリマの第1の部分に結合された出力部材を備えるアクチュエータ。 - 電気活性ポリマとともに使用される電極であって、
前記電気活性ポリマに接し、少なくとも約50%の最大線ひずみによって変形することができる適合性の部分を備える電極。 - 請求項53記載の電極であって、
前記部分は、ある1方向への適合性の方が第2の方向への適合性よりも大きい電極。 - 請求項53記載の電極であって、
前記適合性の部分は、高導電率の1つまたはそれ以上の領域と、低導電率の1つまたはそれ以上の領域と、を備える電極。 - 請求項55記載の電極であって、
前記高導電率の領域は、1組の金属微量成分を含む電極。 - 請求項56記載の電極であって、
前記金属微量成分は、1つまたはそれ以上の専門のアクティブ領域を形成する電極。 - 請求項53記載の電極であって、
前記電極はコロイド懸濁液を備える電極。 - 請求項53記載の電極であって、
前記電極は導電性のグリースを備える電極。 - 請求項53記載の電極であって、
前記電極はテクスチャ加工された電極である電極。 - 請求項53記載の電極であって、
前記電極は、変形にともなって変化する不透明度を備える電極。 - 請求項53記載の電極であって、
前記電極は、高アスペクト比の炭素材料を備える電極。 - 請求項53記載の電極であって、
前記電極は、イオンによる導電性材料からなる混合物を備える電極。 - 請求項53記載の電極であって、
前記電極は導電性のポリマを備える電極。 - 電気活性ポリマとともに使用される電極であって、
前記電気活性ポリマに接し、変形にともなって変化する不透明度を備える適合性の部分を備える電極。 - 請求項65記載の電極であって、
前記電極は、光スイッチにおいて使用される電極。 - 請求項65記載の電極であって、
前記電極は、2次元の変形にともなって変化する不透明度を備える電極。 - 請求項67記載の電極であって、
前記電極はカーボンフィブリルを備える電極。 - 電気活性ポリマとともに使用される電極であって、
前記電気活性ポリマに接し、テクスチャ加工された表面を備える適合性の部分を備える電極。 - 請求項69記載の電極であって、さらに、
前記電極と前記ポリマとの間に堆積された障壁層を備える電極。 - 請求項69記載の電極であって、
前記電極は金属を備える電極。 - 請求項69記載の電極であって、
前記電極は、深さが4〜5マイクロメートルの波の山および谷を有した表面を備える電極。 - 通過する光の量を変調するための光変調デバイスであって、
少なくとも1つの不透明度が可変な電極と、
電場の変化に応じて一部分が変形するように構成されたポリマと、
を備えるデバイス。 - 請求項73記載のデバイスであって、
前記デバイスは光スイッチに含まれるデバイス。 - 請求項73記載のデバイスであって、
前記ポリマは、透明であるかまたは実質的に半透明であるデバイス。 - 請求項73記載のデバイスであって、
前記電極はカーボンフィブリルを備えるデバイス。 - 請求項73記載のデバイスであって、
前記電極は、電極の面積の増大にともなって不透明さを減少させるデバイス。 - プリストレインドポリマと、1つまたはそれ以上の電極と、を備えるトランスデューサを製造する方法であって、
ポリマの一部分をプリストレインし、前記プリストレインドポリマを形成する工程と、
前記プリストレインドポリマの第2の部分を固形部材に固定する工程と、
前記プリストレインドポリマ上に前記1つまたはそれ以上の電極を形成する工程と、
を備える方法。 - 請求項78記載の方法であって、
前記プリストレインドポリマは弾性的にプリストレインされている方法。 - 請求項78記載の方法であって、
前記ポリマは、市販のシリコンエラストマ、ポリウレタン、PVDFコポリマ、または接着性エラストマのうちの1つである方法。 - 請求項78記載の方法であって、さらに、
ポリマ混合物を回転塗布することによって前記ポリマを作成する工程を含む方法。 - 請求項81記載の方法であって、さらに、
前記回転塗布において使用された剛性基板から前記ポリマをはく離する工程を備える方法。 - 請求項78記載の方法であって、さらに、
前記ポリマの表面をテクスチャ加工する工程を備える方法。 - 請求項83記載の方法であって、
前記テクスチャ加工の工程は、剛性材料からなる層を前記ポリマに取り付け、前記ポリマおよび前記剛性材料を弛緩させることを含む方法。 - 請求項78記載の方法であって、
前記1つまたはそれ以上の電極を形成する工程は、マスクを使用して、前記1つまたはそれ以上の電極を前記プリストレインドポリマに噴き付けることを含む方法。 - 請求項78記載の方法であって、
前記1つまたはそれ以上の電極は、フォトリソグラフィによって前記プリストレインドポリマ上にパターン形成される方法。 - 請求項78記載の方法であって、さらに、
前記固形部材を、第2のプリストレインドポリマの一部分に取り付ける工程を備える方法。 - 請求項78記載の方法であって、さらに、
前記ポリマと前記1つまたはそれ以上の電極とをアクチュエータ内で組み立てる工程を備える方法。 - 請求項78記載の方法であって、
前記ポリマをプリストレインする工程は、構造的なエラストマを前記プリストレインドポリマに取り付けることを含む方法。 - 請求項89記載の方法であって、
前記構造的なエラストマはパターン形成されている方法。 - 請求項78記載の方法であって、
前記ポリマをプリストレインする工程は、1つまたはそれ以上の補強材を取り付けることを含む方法。 - 請求項78記載の方法であって、
前記ポリマは、もとの面積の約1.5倍〜50倍の範囲にある係数によってプリストレインされる方法。 - 複数のプリストレインドポリマを備えたトランスデューサを製造する方法であって、
(a)第1のポリマをプリストレインし、第1のプリストレインドポリマを形成する工程と、
(b)前記第1のプリストレインドポリマ上に1つまたはそれ以上の電極を形成する工程と、
(c)第2のポリマをプリストレインし、第2のプリストレインドポリマを形成する工程と、
(d)前記第2のプリストレインドポリマ上に1つまたはそれ以上の電極を形成する工程と、
(e)前記第1のプリストレインドポリマを前記第2のプリストレインドポリマに結合する工程と、
を備える方法。 - 請求項93記載の方法であって、
前記プリストレインの工程は、前記ポリマを伸張させて固形部材に固定することを含む方法。 - 請求項93記載の方法であって、さらに、
ポリマ混合物を回転塗布して前記ポリマを作成する工程を備える方法。 - 請求項95記載の方法であって、さらに、
前記ポリマを、前記回転塗布において使用された剛性基板からはく離する工程を備える法。 - 請求項96記載の方法であって、
前記プリストレインドポリマを前記剛性基板からはく離する工程は、エッチング溶液を使用するか、または前記剛性フレームから前記ポリマをはく離させるかのいずれかを含む方法。 - 請求項93記載の方法であって、さらに、
工程(c)〜工程(e)を繰り返すことを備える方法。 - 請求項93記載の方法であって、
前記第1のプリストレインドポリマを前記第2のプリストレインドポリマに結合する工程は、前記第1のプリストレインドポリマを前記第2のプリストレインドポリマに取り付けることを含む方法。
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