JP2019537741A - アクチュエータデバイス、アクチュエーション方法、及び製造方法 - Google Patents

Abstract

アクチュエータデバイスは、光に応答して変形する複数の光応答層から形成されたスタックを有し、該複数の光応答層は、それぞれの変形可能な非光応答層によって仕切られている。変形可能な非光応答層は、光応答層間で及び光応答層に光を導くとともに、光応答層の変形に追従することができる。

Description

本発明は、光によって作動されることができるアクチュエータを有するデバイスに関する。本発明はまた、アクチュエーション方法及び製造方法に関する。

電気エネルギーを機械的作用へと変えるものである電気活性材料が、数多くの用途に関して研究されてきた。しかしながら、そのような材料は比較的高い電圧を必要とすることがあり、そのことが、例えば身体内又は身体付近で使用される装置などの一部用途におけるそれらの使用を思いとどまらせ得る。カテーテル操縦及び‘ソフトロボティクス’（例えば、患者を動かすことを助ける衣類）は高電圧を必要とし得るが、患者の身体の内側又は付近でのそのような高電圧の使用は、電気的安全上の懸念をもたらし得る。

光を機械的作用へと変えることができる光応答アクチュエータが開発されてきた。光応答性材料は、膜から、又はナノメートルサイズ若しくはマイクロメートルサイズの粒子から構築されることができる。例えば、ＵＳ２００８／０２５８１０８（特許文献１）、ＵＳ２００９／００６９５２８（特許文献２）、ＪＰ２００８−２２８３６８（特許文献３）又はＵＳ２０１２／０１７５５２０（特許文献４）を参照されたい。そのような材料は、例えばアゾベンゼンの誘導体などの光応答性部分を含有する液晶種のポリマーネットワーク（高分子網目）の膜又は粒子を有し得る。アゾベンゼン基は、異なる波長の光での照射を受けてＥとＺ（シスとトランス）の異性体間で光異性化することができ、故に、そのような膜又は粒子を照射することは、そのようなアゾベンゼン基を含む膜又は粒子の構成物質内での化学的構造変化を生じさせ得る。次いで、この変化が膜又は粒子の体積及び／又は形状の変化（変形）を誘起し、それが、例えば膨張又は収縮によって、膜又は粒子の巨視的な機械的変形をもたらし得る。

この類のアクチュエータは、アクチュエーション光でそれらを照射すると、理論的には、人間の筋線維に匹敵する力を及ぼすことができるはずである。しかしながら、実際には、光でのアクチュエーションの制御は一般的に正確ではなく、且つ／或いは、総アクチュエーション出力（力）が限られているようである。

米国特許出願公開第２００８／０２５８１０８号明細書 米国特許出願公開第２００９／００６９５２８号明細書 特開２００８−２２８３６８号公報 米国特許出願公開第２０１２／０１７５５２０号明細書

改善された特性を持つアクチュエータデバイスに対するニーズが存在する。本発明の１つの目的は、このニーズを少なくとも部分的に満足することである。

この目的は、独立請求項によって規定されるデバイスを用いて達成される。従属請求項が有利な実施形態を提供する。

アクチュエータボディは、故に、各々がアクチュエーション光を受けてアクチュエーションを提供する少なくとも一対の光応答性の層と、これら光応答層の対の間の、アクチュエーション光を導いて光応答層に提供する非光応答性の導光層（例えば、層）とを含む。故に、これらの非光応答性の層は導光層である。

本発明者が認識したことには、アクチュエータの総計の力は実際には、光応答性の部分（例えば、従来技術のポリマー膜）の厚さによって制限され、薄い部分では、アクチュエーションに実際に有用であるのに十分な力を及ぼすことができない。その一方で、より厚い膜は増大された力を提供することができるはずであるが、そのような膜は、光源に近い方の光応答材料が光源から遠い方の（膜内のいっそう深い）光応答材料よりも大きく又は速く反応することに起因して、幾分曲がることになるようである。これは何故なら、光誘起による活性化が、膜の光応答材料及び／又は他の材料の、比較的高い消光を伴う吸収プロセスに基づくことにより、深く位置する材料ほど、より少ない光を受けるからである。この曲げ効果は、バイメタルストリップの挙動に幾分類似していると考えることができる。相当の光を受ける光応答材料は、膜全体の動きを生じさせるのには十分ではなく、故に、照射されない膜の大部分が、照射された領域の変形を無効にするので、厚い膜又は吸収係数が高められた膜であっても全く変形しないことになる。

従って、特許請求されるデバイスの構成は、１つの光ガイドと薄めの光応答材料の層とを用いるのみで、増大された出力を提供する。さらに、この光ガイドを用いて、まさに必要とされるスポットに光を届けることができる。これは、外部照射を必要とするアクチュエータに対する改良である。

アクチュエータは、間に光ガイドを備えるような光応答層の対を複数有して構成されて、それらのアクチュエーション出力を協力的に提供するように構築されることができ、その結果、（１つ以上の）光応答部分が薄いことに起因して個々の対の出力は低いものであり得るとしても、複数の対の組み合わされた出力が、アクチュエーション出力を、高いアクチュエーション出力として提供して、吸収性のアクチュエーションプロセスに関連する実質的な不利益を回避し得る。故に、このデバイスは、改善された駆動制御及び／又は増大された総アクチュエーション出力を可能にする。このデバイスはまた、光応答層の対の数を増加させながら層厚さを減少させることによって、光学的に活性化されるアクチュエータにおける高吸収性の光応答層の使用を可能にする。

光は光源によって提供されるころができる。非光応答層は以下の特徴を持つ。それらは、殆ど又は全く光の吸収なく、入射光を光応答層に導くことができ、故に、導光層として機能する。光源に近い方の層は、光が次第に多くの層を通過するときの光の減衰により、遠く離れた方の層よりも大きく変形することになるが、隣接する光応答層を仕切るものである変形可能な非光応答層が、未吸収の光を光応答層間で及び／又は光応答層に導く。変形可能な非光応答層は、積層方向に層間で直接的に、又は、例えば光をいっそう良好に分配するように積層方向に垂直な方向に層間での何れかで、及び／又は、レイヤスタックの外縁に配置された非光応答層の部分を介して光を導くことによって、光応答層間で光を導き得る。導光層の後者の部分は、積層方向に垂直な方向からも光が光応答層スタックに入り得るように、光応答層を含まないようにし得る。故に、このような導光層を有することは、スタックへの光の全体的な供給を増強することができ、その結果として機械的作用の増大を伴う。また、導光層は、スタックの全ての部分への光供給のタイミングを向上させることができ、それにより、恐らくは不所望の曲げなしで、機械的作用がいっそう良好に制御される。

光学的特性とは別に、導光層は変形可能な層でもあり、その変形性は、これらの変形可能な層が、アクチュエーション光での光応答層の照射によって誘起される光応答層の変形に追従し、光応答層の全ての変形の組み合わせが利用されることを可能にするようなものである。光応答層の変形によって生成される力の損失を避けるために、これらの変形可能な層は、光応答層の動きに導光層が（容易に）追従するように、十分に弾性的又は可塑的に変形可能であるべきである。

光ガイド層は例えば‘非光応答性’である。これが意味することは、非光応答層における光の減衰、ひいては、その光に対する化学的又は物理的な応答が、光応答層における光の減衰よりも小さいこと、例えば、３０％未満、又は１０％未満、又は５％未満であるということである。故に、これは、光応答層に対する相対的な用語として使用される。このような非光応答層は、入射光のうち、より少ししか吸収しない（故に、入射光に対してあまり反応しない）。

光ガイド層は、透明な層とし得るが、アクチュエーション光に対してそれらが不透明であるように、それらは散乱特性又は屈折特性を有することもできる。理想的には、それらは低い光吸収を持つ。故に、光ガイド層及び非光応答層は、如何なる入射光も吸収しないか、又は光応答層に対して少量の入射光を吸収し得るか、のいずれかの層である。

光応答層は、この材料が照射されたときに層を変形させるような光応答特性を持つ光応答材料を有する。光応答層は、全体がそのような光応答材料からなることができるが、他の材料が存在していてもよい。単一種類の光応答材料が存在するのであってもよいが、複数の異なる光応答材料を有する組成物であってもよい。光応答材料はまた、その中に光応答材料のうちの１つ以上を混合、分散又は溶解させた非光応答性のキャリア材料を有することができる。同じ照射周波数及び／又は強度に対して異なる又は同じ機械的効果で応答するように、複数の異なる光応答材料を選択することができる。そして、そのような異なる材料のスタックにわたる空間分布を用いて、該スタックに、同じ照射で照射されたときに異なる機械的アクチュエーションを提供させることができる。それに代えて、それらは異なる放射に反応するように選択されてもよい。これは、例えば提供される照射の周波数又は強度に関して、適用される照射に違いを持たせることを通じたアクチュエーションの制御を提供する。異なる光応答材料が存在するとき、それぞれの異なる光応答層にアクチュエーション放射を供給するために、異なる非光応答層を使用することができる。

光応答層は各々、少なくとも１つの液晶成分と、少なくとも１つの光応答性の基とを有し得る。ある基は、実在物若しくは分子物質、又はその一部を意味し得る。ある基は、分子物質の一部を意味し得る。

液晶成分では大きな異方性の変形が可能であり、それが、適切な波長の光による照射を受けて有意な機械的な力が及ぼされることをもたらし得る。液晶成分の変形はまた可逆的であり、それが、光応答層の光誘起変形を熱的及び／又は光化学的手段によって逆にすることを可能にする。

光応答層のうちの１つ以上の厚さは、１−５０ミクロンとし得る。他の厚さは、１ミクロンから２５ミクロンの間、１ミクロンから１０ミクロンの間、又は１ミクロンから５ミクロンの間とし得る。厚さはまた、５ミクロンから５０ミクロンの間、１０ミクロンから５０ミクロンの間、又は２５ミクロンから５０ミクロンであってもよい。それらの厚さは、それらの層の吸収特性に応じて、それらの層における光の侵入深さに基づいて選定されることができる。吸収特性は、標準的なＵＶ−Ｖｉｓ又は他の分光手段を用いて決定されることができる。そのような測定から、層の吸光係数を決定することができ、それが、ランベルト・ベールの法則に従って、層の光透過に結び付けられ、ひいては、厚さにも結び付けられる。

このような寸法の光応答層又は膜は効果的に収縮（及び膨張）することができる。１ミクロンよりも薄い光応答層は、過小な機械的力を及ぼし得る。５０ミクロンよりも厚い層は、光を過大に減衰させ、その結果、光源からいっそう遠位の層に光が到達することができず、層の大部分の変形が取るに足らないものになるという影響を有し得る。５０ミクロンよりも厚い層はまた、その層それ自体内の光源からいっそう遠位の領域が、より少ない光を受け、その結果、光源にいっそう近位の層内の領域よりも小さい変形応答を受けることに起因して、有意に不均一な変形を示し得る。

光応答層及び導光層は、直接的に、又は断続的な層（これは入射光に対して少なくとも部分的に透明であるべきである）を用いて、のいずれかで互いに機械的に貼り付けられ得る。この機械的な貼り付けは、接着剤、化学結合、又は他の種類の結合によることができる。他の例では、層同士の間に機械的な結合／固定なしで、層が軽く積み重ねられる。代わりに、スタックの１つ以上の面で、少なくとも上記複数の光応答層の相対位置を固定する機械的結合部が使用され得る。上記１つ以上の導光層はフリーなままにされることができ、すなわち、機械的結合部に固定されないままであることができるが、機械的結合部に固定されることもできる。それらは、それに代えて、あるいは加えて、変形可能な非光応答層に機械的に固定されてもよい。機械的結合部は、積層方向に層を拘束するが、スタックの収縮及び膨張を可能にする。

機械的結合部は、光応答層の各々によって生成された力を組み合わせることを支援し得るとともに、光応答層を互いに及び変形可能な非光応答層に接合することを支援し得る。

スタックの面のうちの少なくとも１つの上に、積層方向における光応答層と変形可能な非光応答層との相対位置を固定するがスタックの反りを許す機械的結合部が使用され得る。

機械的結合部は、故に、スタックの全体的な反り又は曲げを提供するために光応答層の変形を組み合わせることを支援し得るとともに、光応答層を互いに及び導光層に接合することを支援し得る。

機械的結合部は、例えばアクリレートポリマーなどのポリマーを有し又はそれで構成され得る。

アクリレートポリマーは、機械的結合部に必要な剛性を提供し得るとともに、アクリレートモノマーの熱重合又は光化学重合を用いて直接的に製造されることができる。

上記少なくとも１つの光応答性の基は、ケイ皮酸から誘導される基、シンナミリデンから誘導される基、スピロピランから誘導される基、及びアゾベンゼンから誘導される基のうちの少なくとも１つとし得る。

光応答性の基の物理的変化は、例えば、光異性化とも呼ばれる光誘起の異性化などの、分子レベルでのものであり得る。ケイ皮酸から誘導される基、シンナミリデンから誘導される基、スピロピランから誘導される基、及びアゾベンゼンから誘導される基は、このような光誘起の物理的変化を受け得る。

光応答層は、例えばアクリレート官能化液晶成分などの、硬化性である液晶成分と、硬化性液晶成分のポリマーとのうちの少なくとも１つを有し得る。

硬化性である液晶成分は、液晶成分が重合又は架橋されることを可能にする。硬化性である液晶成分は、別の硬化性の基に付着され得る。硬化性液晶材料のポリマー又はホモポリマーは、硬化性液晶成分のうちの２つ以上を重合又は架橋（硬化とも呼ばれる）することによって形成されることができる。これは、硬化性液晶成分が例えばアクリレート基などの硬化性の基で官能化されることによって達成されることができる。硬化性液晶成分を重合又は架橋することにより、液晶の分子秩序／配向特性が、それ故に、エラストマーポリマーネットワークの弾性特性と組み合わされ得る。

変形可能な非光応答層は、例えばシリコーン系のポリマー又はゴムなどのポリマー又はゴムとし得る。シリコーン系のポリマー又はゴムは、低い光減衰及び低い弾性率に関して、変形可能な非光応答層の必要な特性を有し得る。このようなポリマーはまた、好適なシリコーン系モノマーの熱重合又は光化学重合を用いて直接的に製造されることができる。

このデバイスは更に、入射光を提供する１つ以上の光源を有し得る。この１つ以上の光源は、レイヤスタックの頂部及び／又は底部に、及び／又はレイヤスタックの１つ以上のエッジに設けられることができる。この１つ以上の光源は、機械的結合部に一体化されることができる。自由に配置されるがレイヤスタックを照射することができる１つ以上の光源が使用され得る。それに代えて、光源は、それに代わって光を変形可能な非光応答層に結合することができる例えば光ファイバなどの更なる光ガイドに入射光を提供するためのものであってもよい。これは、自由に配置される光源と比較して、局所的に閉じ込められた光入力を与えることができながら、アクチュエータデバイスから遠隔に光源を置く機会を提供する。このように、入射光の制御を提供することには複数の異なる選択肢が存在する。

本発明の他の一態様によれば、アクチュエータデバイスを製造する方法が提供される。

一例において、この方法は、スペーサ間で光応答層を層状にして層間スペース（層間の空間とも称し得る）を形成することと、例えばシリコーン材料及び／又はアクリレート材料などの（１つ以上の）硬化性材料で、層間スペースを充填し且つオプションでスタックの１つ以上の面を被覆することと、熱重合及び／又は光化学重合を用いて（１つ以上の）硬化性材料を硬化させることとによって、レイヤのスタックを形成することを有する。

それに代わる一例において、この方法は、例えばシリコーン材料及び／又はアクリレート材料などの硬化性材料で光応答層を被覆することと、被覆された層を積み重ね、及びオプションで、例えばシリコーン材料及び／又はアクリレート材料などの硬化性材料でスタックの面のうちの１つ以上を被覆することと、熱重合及び／又は光化学重合を用いて（１つ以上の）硬化性材料を硬化させることとによって、レイヤのスタックを形成することを有する。

本発明の他の一態様によれば、アクチュエーション方法が提供され、このアクチュエーション方法は、複数の光応答層を有するレイヤのスタックを照らし、それにより、光応答層の変形を生じさせることであり、該複数の光応答層は、各隣接対の光応答層間の変形可能な非光応答層によって仕切られている、生じさせることと、変形可能な非光応答層に、光応答層の変形に追従させることと、光応答層の変形の平均化を誘導することとを有する。

次に、添付の概略図を参照して、特許請求されるデバイスの例を詳細に説明する。
図１−３、４、６及び８は、本発明に従ったデバイスのそれぞれの例を示している。 図１−３、４、６及び８は、本発明に従ったデバイスのそれぞれの例を示している。 図１−３、４、６及び８は、本発明に従ったデバイスのそれぞれの例を示している。 図１−３、４、６及び８は、本発明に従ったデバイスのそれぞれの例を示している。 図４のアクチュエータデバイスが光源からのアクチュエーション光に応答して変形を受けることを示している。 図１−３、４、６及び８は、本発明に従ったデバイスのそれぞれの例を示している。 図６のアクチュエータデバイスが光源からのアクチュエーション光に応答して変形を受けることを示している。 図１−３、４、６及び８は、本発明に従ったデバイスのそれぞれの例を示している。 本発明に従ったアクチュエータデバイスが、当該デバイスの光応答層の片側に向けられたアクチュエーション光に応答して、反りアクチュエーションを受けることを示している。

請求項は、アクチュエーション光を受けるときに変形することができる光応答性の部分の存在に基づいてアクチュエーションを提供することができるアクチュエーション構造と、アクチュエーション光を導いて光応答層に提供する導光層すなわち光ガイドとを有するアクチュエータデバイスを規定する。アクチュエーション構造は、上記の光応答性の部分が、アクチュエーション構造に組み込まれた同じ体積の光応答性の部分よりも効率的に照らされるように構築される。従って、特定の体積の光応答性の部分で、改善されたアクチュエーション出力（ストロークおよび／または歪み）を得ることができる。

光源に近い方の層は、光が次第に多くの層を通過するときの光の減衰により、遠く離れた方の層よりも大きく変形することになるが、隣接する光応答層を仕切る変形可能な非光応答層（導光層）が設けられる。それらは、未吸収の光を層間で導くとともに、側面から光が結合させることを可能にする。それらは、層の変形に追従する。故に、光源に対するそれらの近接性に応じた、光応答層の大きめ及び小さめの変形が、全体での機械的に有用なスタック変形へと組み合わされる。光応答層の変形によって生成される力の損失を避けるために、変形可能な非光応答層は、光応答層の動きが非光応答層の変形によって容易に追従されるように、十分に変形可能である。

導光層は、弾性的又は可塑的に変形可能であるとし得る。どちらの場合でも、導光部分を変形させるのに必要とされるエネルギーの量は、光応答性の部分によって実行されるべき仕事と比較して相対的に低くあるべきである。

ここで特許請求されるデバイスを、以下の例を参照して説明する。

第１の例において、図１のアクチュエータ構造１００は、光応答層１０２と１０２’との間に挟まれた導光層１０１を含んでいる。これら３つの層が、レイヤのスタックを形成している。光応答層１０２は、第１の方向を向いて一方の側から導光層１０１に面する第１の表面１０６を有し、光応答層１０２’は、第１の方向とは反対の第２の方向を向いて他方の側から導光層１０１に面する第２の表面１０６’を有する。導光層１０１は、これらの表面を介して、例えば少なくとも２つの反対向きの方向１０３及び１０３’に、光を光応答性の部分に提供する。導光層１０１は厚さ１０４を有し、光応答層１０２’及び１０２は、それぞれ、厚さ１０５’及び１０５を有し、これらは全て積層方向で測定される。故に、この例において、導光層はアクチュエーション光を異なる光応答層に提供する。この例は、厚さ１０５と１０５’との和の厚さ（駆動出力は、おおまかに、光応答材料の体積に依存する）である唯一の光応答層が、その光応答層の片側のみから光を提供する導光層と組み合わされて存在する場合のデバイス（図示せず）に対して有利である。これは、アクチュエーションがアクチュエーション光の吸収プロセスに基づいており、故に、本発明の構成が、より多くの光（より少ない吸収）を、構造内の全体での光応答部分のいっそう大きい部分のアクチュエーションの使用のために残すことによる。また、本発明は、光応答性の部分のいっそう均一な照明を提供する。この種の設定には、あまり強力でない光源を使用し得る。

図２は、２つ以上の導光層２０１、２０１’を有するアクチュエータを示している。外側の導光層が、更なる側２０３又は２０３’から光応答層の照明を提供する。外側の導光層はまた、中央の層２０１からの、使用中に光応答層によって吸収されなかったアクチュエーション光を反射するミラーを含んでいてもよく、あるいは、それと置き換えられてもよい。

図１及び２の例は、１つの軸に沿って積み重ねられた層を有する構造を用いて説明された。これらの層は、連続的である必要はなく、パターン形成されてもよい。例えば、図３でのような実装には、４つの導光部分（サブ部分）３０１、３０１’、３０１’’、及び３０１’’’を埋め込んだ光応答材料の本体（ボディ）３０２を含んだアクチュエーション構造３００が示されている。部分３０１及び３０１’は、３０４方向に積み重ねられて３０６方向にパターニングされた１つのパターン形成された導光層に属するとして見ることができ、同じことが部分３０１’’及び３０１’’’にも当てはまる。本体は、パターン形成された導光層の間に、光応答材料の対応する層を有する。これらの部分の各々が、少なくとも方向３０４及び３０６に沿って本体３０２内に光を放つ。

図示していないが、同様のやり方で、逆の状況が実装されてもよく、その場合には、３０１、３０１’、３０１’’、及び３０１’’’が、パターン形成された光応答層を形成し、本体３０２が導光層である。

本発明に従った別のデバイス４００は、図４に示すようなレイヤのスタックを含む。このスタックは、導光層４０２を挟み込んだ光応答層４０１を含んでいる。これらの層が、機械的結合部４０３によって接続されている。この結合部は、例えば、スタックの端部を締め付け合わせる。接着剤を用いるなどのその他の結合手法が使用されてもよい。アクチュエーション光を用いた活性化に応答して変形している同じスタックが、図５に示されている。この場合、活性化は、積層方向に対して垂直な、デバイスの長さ収縮を引き起こしている。この収縮は、前述のような光応答材料の分子変化によるものである。この収縮は、そのストローク又は歪みの形でアクチュエーションとして使用されることができる。

以下に説明するように、導光層は数多くの材料で作製されることができる。

図６は、機械的結合部６０３によって接続された、複数の変形可能な導光層６０２によって隔てられた複数の光応答層６０１を有するスタック６００を示しており、また、光源６０５及び光カプラ６０６も示している。光カプラ６０６は、光源６０５とスタック６００との間の光の導管として機能する。光源６０５によって提供される例えば青色光又はＵＶ光などの光に応答して変形を受けている同じスタック６００が、図７に示されている。こうして、スタック６００によって機械的な力６０４が生み出される。

図６及び７は、スタックの底部に光源を示している。代わりに、頂部及び底部に照明が提供されてもよい。各光応答層６０１における光強度は不可避的に異なることになる。しかしながら、頂部及び底部からの照明により、各光応答層に対するいっそう一定な照明が得られることになる。機械的結合部６０３は、これらの層が横方向に同じ量だけ変形するように制約する。これは、照明から力への変換効率を低下させることになる内部応力が構造内に存在することを意味する。しかしながら、生成される力出力は、同じ全体厚さの単一層（又は、より少数の層）から可能であるものを超えることになる。

光を提供する部分は、光応答部分に、それを通して光が光応答部分に提供される表面を介して貼り付けられ得る。それに代えて、それらは貼り付けられなくてもよい。これは可動性を提供する。例えば、図５及び６の構成において、スライド動作（潤滑あり又はなし）を実装することができ、故に、光応答部分の変形によって誘起されるアクチュエーションは、光を提供する部分によって最小限にしか対抗されない。

以上の例において、好ましくは、１つの光源又は複数の光源が機械的結合部内に置かれて、これらの光源からの光を、光を分配してそれをスタックの光応答部分及びサブ部分に供給する光ガイドとして機能する導光層に提供することができるようにする。それらの導光部分は、光ガイドとして動作する場合に、光散乱特性を有し得る。従って、導光層に入った光源からの光が、導かれるとともに散乱されて、光応答部分の方へ又はその中へと導光層を出て行く。故に、導光層又は部分／サブ部分は好ましくは、例えば不透明な材料などの光散乱材料から作製される。一例はシロキサン又はシリコーンゴムである。他のコンプライアント層が使用されてもよい。

図８は、層の形態の複数のサブ部分を有する導光部分８０２を含んだ例示的なデバイス８００を示しており、これらの層の間に光応答材料の層（サブ部分）８０１が存在している。機械的結合部８０３及び８０３’が存在しており、それらのうち機械的結合部８０３は、それが包含したＬＥＤ光源８０５の光に対して透明である。ＬＥＤが活性化されたとき、ＬＥＤの光が導光部分８０２に入り、光を層８０１の間に導いて光をそれらの層にアウトカップリングさせることによって光応答部分を活性化させる。図８のデバイスは、全ての光応答層が同様の量の光を供給されるように、スタックの底部及び頂部に導光層を含んでいる。これは好ましいものであり、他のデバイスでも同様に使用されることができる。

一組の例では、層が面外に変形することができないように層を拘束することによって、反りを回避して、線形の面内アクチュエーションを提供するように、構造が設計され得る。故に、上での例は、一方向の光誘起変形を示しているが、これは、１つの面内次元でのこのような変形のみにスタックを限定するものとして解釈されるべきでない。積層方向においてレイヤ群が互いに貼り付けられない場合、ここで前述したように、スライド動作が起こり、最適化された力出力が実現される。そのような場合には、光応答部分によって誘起されるアクチュエーション誘起の形状又は大きさの変化に光提供層が従う必要はないので、コンプライアント材料を使用する必要はない。

それに代えて、図９は、入射光がスタックの反りを誘起する場合のスタックの変形を示している。

反り挙動を誘起するために、光応答層が片側で光吸収（黒色）層９１０で被覆されている。これは、光応答層９０１（この例では、３０マイクロメートルよりも厚いとし得る）が一方の面から（例えば、図９に示す構成では上から）のみ照射され得ることを意味する。すると、光応答層９０１内での高い吸収に起因して、レイヤ厚さにわたって強度勾配が得られる。この勾配が異性化を非対称にし、それ故に、内部バイメタル効果の結果として曲げが起こることになる。裏張りが光応答層に貼り付けられる場合には、裏張りが光応答層と同量に光応答性ではない限り、そのような勾配は必要ではない。この場合も、アクチュエーションが、光応答層及び裏張りの集合体に、バイメタル効果のように振る舞わせることになる。

図９においては、もはや、スタックを通って垂直な積層方向に光が伝播することができないため、スタック９００は、一方の側面から、光源９０５によって照らされている。上で説明した光の非対称吸収が、大きくて有効なスタックの反りを生じさせる。

それに代えて、図９に示した反りは、液晶成分の（棒状）メソゲン基の２つの直交配向を有するねじれ分子構造を有する光応答層を用いて、ねじれを垂直積層方向に生じさせるようにすることによって達成されてもよい。一方側が収縮し、他方側が膨張するので、照射により反りが得られることになる。これは、光を阻止する層の必要性を排し、故に、垂直方向及び／又は横方向に照らすことを可能にする。反り挙動は、例えば３０ミクロンから５０ミクロンといった、より大きい個々の厚さを持つ光応答層を使用することによって更に促進され得る。

機械的結合部１０３はまた、照明の均一性を改善し、それにより、内部応力を低減させ、変換効率を高め、そして所望であれば、構造が線形に膨張又は収縮するのではなく反る傾向を抑制するよう、光応答層に横方向に光をカップリングするために使用され得る。

横方向の光カップリングを提供するための１つの手法は、頂部及び／又は底部から光を提供し、そして、機械的結合部を反射器として用いて光を積層方向から横方向に向け直すものである。例えば図４及び５に示したような角柱状の構造を、この目的で使用することができ、鏡面反射面又は全反射のいずれかを利用し得る。

あるいは、頂部及び／又は底部にある光源に代えて、又はそれとともに、（図９に示すように）スタックの端に光源がマウントされてもよい。

光は、例えば図４及び図５に示すように、アクチュエータデバイスの一部であるローカル光源によって提供され得る。しかしながら、光は、代わりに、自由空間を横切って又は光ガイドとして機能する他の媒体を介してアクチュエータデバイスに向けられた遠隔光源から提供されてもよい。従って、アクチュエーション構造は、アクチュエーション光を導光部分に提供する更なる光ガイド（例えば、管状の光ガイドワイヤの形態をとる）を含むことができる。従って、光ワイヤによる遠隔制御が可能になる。

アクチュエータ構造内の複数の導光部分（例えば、複数の層）は、同じ又は異なる寸法（例えば、厚さ）を有し得る。好ましくは、層の場合には厚さとし得るものである寸法（例えば、１０４と１０５、又は２０５と２０４、又は３０４と３０６）は、１ミクロンから５０ミクロンの範囲内である。このような寸法の光応答層又は膜は効果的に収縮（及び膨張）することができる。

例えば、光応答部分の寸法は、１ミクロンと１０ミクロンとの間とし得る。非置換アゾベンゼン系光応答材料（例えば、式４）又はアクチュエーション波長で同等の吸光度を有する光応答材料の場合、この寸法は５ミクロンとし得る。何故なら、これは、未吸収の光がスタックの他の光応答層に渡ることを可能にしながら有効な収縮（及び膨張）挙動をもたらすことの間の好ましいバランスを提供するからである。

それに代えて、線形の膨張及び収縮よりも反りが好ましい場合には、３０ミクロンから５０ミクロンの厚さを持つ光応答部分が使用され得る。また、アクチュエーション波長で吸光度が減少する場合、光応答部分のもっと厚い部分を使用することができる。これはデバイスの機械的出力を増大させるとともに、製造性を向上又は支援することになる。

導光部分又はサブ部分の厚さは、例えば、５ミクロンと２０ミクロンとの間とし得る。この範囲内の寸法は、光応答層の変形に容易に追従するのに十分な薄さでありながら、光応答層間及び光応答層に光を導くのに十分な厚さである変形可能な導光層をもたらす。

スタック内の光応答層の数は、２と５０との間、例えば２と３０との間、又は例えば２と２０との間とし得る。故に、スタックの高さは、３ミクロンと約１ｍｍとの間となり得る。

例えば、２０ミクロンの変形可能な非光応答層の厚さで、１０ミクロンの厚さを持つ１０個の光応答層を有するスタックの場合、スタックの高さは０．３ｍｍである。

スタックの長さ及び幅は意図する用途に依存し、従って、これらの寸法はミリメートルのオーダーからセンチメートルのオーダーの範囲であり得る。

図から明らかなように、機械的結合部の形状は特に限定されず、例えば、角柱状又は立方体状とし得る。機械的結合部は、個々のアクチュエータの変形がスタックの全体での変形に結合されるように、積層方向に延在してスタック内の層の全てを接続する接続部を有し得る。斯くして、機械的結合部は、積層方向における相対位置を固定するが、スタックの収縮及び膨張あるいは反りを可能にする。

それに代えて、あるいは加えて、導光部分／サブ部分及び光応答部分／サブ部分は、直接的に又は更なる層を介してのいずれかで、それらの界面を介して互いに機械的に接続されてもよい。これは、例えば、接着剤を用いて行われ得る。

理論に縛られることは望まないが、これらの部分が層であり、それ故に、導光（光ガイド）層と光応答層とのスタックが存在し、且つ双方が弾性的に変形可能である例において、導光層の弾性率（Ｅ１）は好ましくは、光応答層の弾性率（Ｅ２）に等しいか、それより低いかである。導光層の弾性率（Ｅ１）は、光応答層の弾性率（Ｅ２）に、式１に従って関係付けられることができる：
Ｅ１≦ｋ＊Ｅ２＊（ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２）） 式１
ここで、ｄ_１及びｄ_２はそれぞれ光応答層及び導光層の厚さに対応し、ｋは定数である。好ましくは、ｋは、１、０．５、０．２５、０．１、又は０．０５からなる群から選択される値以下である。ｋの一好適値は０．１である。例えば、１０００ＭＰａ程度の弾性率を持つ光応答層では、導光層の弾性率の好ましい値は１００ＭＰａ程度である。１００ＭＰａの弾性率は、シリコーンエラストマー材料の場合、６０ショアＡの硬度に相当する。

変形可能な導光層の弾性率が（計算において無視し得るように）非常に低いと仮定すると、スタックの組み合わされた層によって及ぼされることができる最大の力（Ｆ）は、式２によって近似され得る：
Ｆ＝ФｎＡ｛ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２）｝ 式２
ここで、Φは光応答層の応力であり、ｎは光応答層の数であり、Ａは多層スタック全体の断面積であり、そして、ｄ_１及びｄ_２はそれぞれ光応答層及び導光層の厚さに対応する。

光応答部分の光応答性の基は、例えば光誘起による異性化など分子レベルでの効果、又は例えば化学的二量化などの化学反応を呈することによって光に応答する。異性化は、光応答性の基の元素組成は不変であるが、このプロセスを受けて、分子の原子の空間的配置が変化することを意味する。この異性化又は反応は、（１つ以上の）分子の形状を変化させ得るものであり、それにより、関与する（１つ以上の）分子を直接に囲んでいる及び／又はそれに付着された種の配置／順序を変えることができる。斯くして、アクチュエーション光に対する（１つ以上の）光応答性の基の分子応答が、光応答部分の巨視的な構造変化／変形をトリガーする。

アゾベンゼンから誘導される基に対する光の効果は、周知の、シス異性体とトランス異性体との間での分子の異性化であることができ、これらの異性体は、Ｎ＝Ｎ二重結合の両側のアリール環の配置に関して異なる。アゾベンゼンから誘導される基のいっそう安定なトランス異性体が、ＵＶ光又は近ＵＶ（青色）光の照射を受けてシス異性体に変換される（下の式３）。逆プロセスのために、例えば緑色光などの、より長波長である可視光が使用され得る。トランス異性体が熱力学的に優先されるため、逆プロセスのために、熱エネルギーも使用されることができ、あるいは、代わりに熱エネルギーが使用され得る。

これは、Ｅ−Ｚ異性化を担う関連波長範囲を持つ所謂ｎ−π＊遷移である。

光応答部分／サブ部分は、例えば、少なくとも１つの液晶成分を有し得る。光応答性の基の物理的変化（例えば光異性化など）の効果は、（１つ以上の）液晶成分の秩序／配向に影響を及ぼし、光応答部分の有意な巨視的変形を生じさせ得るので、このような材料は、光を機械的作用に変えるのに有用である。ＵＳ２００８／２６４０５８は、このような材料を記載するとともに、それらがどのようにアクチュエーションされるか及びこれらの材料がどのように本発明において使用され得るかを記載している。硬化性である液晶成分から誘導される高分子液晶成分（液晶エラストマーとしても知られる）は、その液晶成分のメソゲン秩序化がポリマーネットワークの弾性特性と組み合わされて、大きくて可逆的な異方性の変形を生み出すことができるので、光アクチュエーションに有用である。

硬化性の液晶成分は、それ自体は周知であり、スペーサを介して硬化性の基に接続されたメソゲン基を有し得る。メソゲン基それ自体は周知である。メソゲン基は、例えば、安息香酸フェニルから誘導される基であり得る。硬化性の基も同様に周知であり、例えば、好適な硬化性の基はアクリレート基とし得る。例えばアクリレート基などの１つ以上の硬化性の基が、硬化性の液晶成分に使用され得る。スペーサの基も周知であり、適した例は、アルキル基又はポリメチレン（（ＣＨ_２）_ｎ）基とし得る。

スペーサを介して硬化性の基に接続されたメソゲン基を有する分子それ自体は周知である。スタックの光応答層に使用され得る硬化性の液晶成分の非限定的な例は、化学式１から化学式３に従う化合物である：

例えば化学式１から化学式３に従う化合物などのアクリレート官能化硬化性液晶成分は、線状の棒状構造のために有効なメソゲン特性を示し、そして、（１つ以上の）アクリレート基が、例えば他の硬化性液晶成分などの他の硬化性成分との重合／架橋反応に使用され得る。また、例えば化学式１から化学式３に従う化合物及び／又はそれからのポリマーなどの硬化性液晶成分と、硬化性のポリマー又はモノマーの光応答性の基との間で、重合／架橋反応が起こり得る。

光応答性の基という用語は、光に反応する化学基又は部分を意味することを意図している。光応答性の基は、物理的な変化を呈することによって光に反応する。上記少なくとも１つの光応答性の基は、上記少なくとも１つの液晶成分の部分として組み込まれることができ、及び／又は液晶成分とは別に使用されることができる。“の部分として組み込まれる”及び“とは別に使用される”という用語は、化学結合が光応答性の基を液晶成分に、それぞれ、結び付けていること、又は結び付けていないことを意味すると解釈されることができる。光応答性の基はそれ自体がメソゲン特性又は液晶特性を有していてもよく、故に、それもまた液晶成分であることができる。照射されたときの光応答性の基のこの物理的変化は、光応答層の巨視的変化／変形をもたらすために、上記少なくとも１つの液晶成分の秩序／配向に影響を及ぼし得る。

硬化性である光応答性の基は、光応答性の基が重合又は架橋されることを可能にし、また、それが別の硬化性の基に付着されてもよい。これは、光応答性の基が例えばアクリレート基などの少なくとも１つの硬化性の基で官能化されることによって達成されることができる。光応答性の基は、例えばアルキル基又はポリメチレン（−（ＣＨ_２）_ｎ−）基などのスペーサの基を用いて硬化性の基に接続され得る。好適な光応答性の基は、アゾベンゼンから誘導されたものとすることができ、従って、好適な硬化性の光応答性の基は、アクリレート官能化アゾベンゼン誘導基とし得る。

スペーサの基を介して硬化性の基に接続された光応答性の基を有する硬化性の光応答性の基それ自体は周知である。本発明の光応答部分に使用され得るそのような硬化性の光応答性の基の非限定的な例は、化学式４に従う化合物である：

ここで、ｑはスペーサの基の中のメチレン基の数である。例えば、ｑは３又は６に等しいとし得る。

化学式４に従うジアクリレート官能化アゾベンゼン誘導硬化性光応答基はそれ自体、その線状の棒状構造に起因してメソゲン特性を示し得る。非限定的な例において、化学式４に従う硬化性の光応答性の基のアクリレート基は、例えば、化学式４に従う他の硬化性の光応答性の基又はそれからのホモポリマーといった、他の硬化性の光応答性の基などの、他の硬化性成分との重合／架橋反応に使用され得る。

光応答層は、例えば化学式１から化学式３に従う化合物のうちの１つ以上などの硬化性の液晶成分と、例えば化学式４に従う分子などの光応答性の基との混合物を用意し、例えば平行なラビングされた表面を用いて、液晶成分のメソゲン基を配向させ、そして、上記混合物を重合又は硬化させることによって調製され得る。重合方法は特に限定されず、光化学的に、熱的に、触媒的になどで実行され得る。

得られる光応答層は、例えばアクリレート官能化アゾベンゼン誘導基などの硬化性である光応答性の基、硬化性の光応答性の基のホモポリマー、硬化性の液晶成分との硬化性の光応答性の基のコポリマー、硬化性の光応答性の基のホモポリマーと硬化性の液晶成分とを有するコポリマー、及び硬化性の光応答性の基のホモポリマーと硬化性の液晶成分のホモポリマーとを有するコポリマー、のうちの１つ以上を有し得る。

光応答性の基のホモポリマー又はポリマーは、硬化性の光応答性の基のうちの２つ以上を重合又は架橋（硬化とも呼ばれる）することによって形成されることができる。一例において、硬化性の光応答性の基は液晶成分の部分として組み込まれ、従って、硬化性の光応答性の基のホモポリマーが、エラストマーポリマーネットワークの弾性特性と組み合わされた、液晶の光応答特性、分子秩序化／配向特性を有利に提供する。

他の例にて、硬化性の光応答性の基と硬化性の液晶成分とのコポリマーは、硬化性の液晶成分のうちの１つ以上との硬化性の光応答性の基のうちの１つ以上の共重合又は架橋（硬化とも呼ばれる）によって形成されることができる。それによって硬化性の光応答性の基が液晶成分に接続され、それが、光応答性の基の光誘起反応の、液晶の分子秩序化／配向特性に対する効果、ひいては、光応答層の巨視的変形に対する効果を有利に促進させ得る。さらに、このコポリマーはまた、好ましいことに、エラストマーポリマーネットワークの弾性特性を含む。

他の例にて、硬化性の光応答性の基のホモポリマーと硬化性の液晶成分とを有するコポリマーは、硬化性の光応答性の基のホモポリマーのうちの少なくとも１つを、硬化性の液晶成分のうちの少なくとも１つと共重合又は架橋（硬化とも呼ばれる称される）することによって形成されることができる。それによって硬化性の光応答性の基のホモポリマーが液晶成分に接続され、それが、光応答性の基の光誘起反応の、液晶の分子秩序化／配向特性に対する効果、ひいては、光応答層の巨視的変形に対する効果を有利に促進させ得る。さらに、このコポリマーはまた、好ましいことに、エラストマーポリマーネットワークの弾性特性を含む。

他の例にて、硬化性の光応答性の基のホモポリマーと硬化性の液晶成分のホモポリマーとを有するコポリマーは、硬化性の光応答性の基のホモポリマーのうちの少なくとも１つを、硬化性の液晶成分のホモポリマーのうちの少なくとも１つと共重合又は架橋（硬化とも呼ばれる称される）することによって形成されることができる。それによって硬化性の光応答性の基のホモポリマーが液晶成分のホモポリマーに接続され、それが、光応答性の基の光誘起反応の、液晶の分子秩序化／配向特性に対する効果、ひいては、光応答層の巨視的変形に対する効果を有利に促進させ得る。さらに、このコポリマーはまた、好ましいことに、エラストマーポリマーネットワークの弾性特性を含む。

このスタックが単一のアクチュエータとして使用されてもよいし、あるいは、例えば２Ｄ又は３Ｄの輪郭の制御を提供するために、列又はアレイをなす複数のスタックが存在してもよい。このようなアクチュエータデバイスは、流体工学用のフレキシブルフォイルや、カテーテルや、薬物送達用のアクチュエータや、高齢者又は身体障害者に対する機械的支持を与えたり、理学療法を助けて案内したり、床擦れを防ぐ助けとなったりすることができるクッション又は衣類（例えばアクティブ圧力ストッキングなど）におけるソフトロボティクスに用途を見出し得る。他の考え得る用途は、例えば、口腔ヘルスケア（歯のホワイトニングコーティングの硬化）及び（乾癬やニキビを治療するための）光線力学療法といった、ＵＶ ＬＥＤを使用する製品にある。このようなデバイスはまた、光触媒酸化用途（水及び空気の浄化）にも使用され得る。

本発明は更にスタックの製造に関する。非限定的な例において、光応答層又は膜は、１０ミクロンセルにて調製され、平行なラビングされた表面が、化学式１に従う硬化性の液晶成分と化学式２に従う光応答性の基との混合物で充たされる。配向及び光開始剤の助けを借りての光重合の後に、１０ミクロンフィルムが得られ、それをセルから取り出してスタック用の光応答層に切断することができる。

一実装において、１０ミクロンの光応答層が１０ミクロンのスペーサ間に積み重ねられる。次いで、光応答層の間の隙間が、硬化性シリコーン材料で充填される。硬化性シリコーン材料は、スタックの側面にも適用されることができ、これは、幾つかの層にわたって光を分けることを支援し得る。故に、スタックの周囲に配置された非光応答材料を介して光が導かれることにより、積層方向に、及び積層方向に対して垂直に、の双方で、光が光応答層に導かれる。次いで、シリコーン材料が硬化されて、変形可能な非光応答層のシリコーンポリマー／ゴムが形成される。そして、スタックの端が、熱重合又は光化学重合によってアクリレートモノマーから形成される機械的結合部を介して接続される。

それに代わる一実装において、光応答層が、例えばドクターブレード法などの技術によって、１０ミクロンの未硬化のシリコーン材料で被覆される。次いで、被覆された光応答層が積み重ねられ、続いてシリコーン材料の硬化が行われてシリコーンポリマー／ゴムが形成される。シリコーン材料の硬化の前又は後に、機械的結合部が設けられ得る。

開示の実施形態への他の変形が、図面、本開示及び添付の請求項の検討から、特許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て実現され得る。請求項において、用語“有する”はその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。特定の複数の手段が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、それらの手段の組合せが有利に使用され得ないということを指し示すものではない。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されるべきでない。

Claims (14)

1. レイヤのスタックを有するアクチュエータデバイスであって、前記レイヤのスタックは、
   入射光に応答して変形する複数の光応答層と、
   各隣接対の前記光応答層間に少なくとも部分的に位置付けられて、該光応答層間で及び該光応答層に光を導く、変形可能な非光応答層と
   を有する、デバイス。
2. 前記光応答層は各々、少なくとも１つの液晶成分と、少なくとも１つの光応答性の基とを有する、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記少なくとも１つの光応答性の基は、ケイ皮酸から誘導される基、シンナミリデンから誘導される基、スピロピランから誘導される基、及びアゾベンゼンから誘導される基のうちの少なくとも１つである、請求項２に記載のデバイス。
4. 各光応答層の厚さが１−５０ミクロンである、請求項１乃至３のいずれかに記載のデバイス。
5. 前記スタックの面のうちの少なくとも１つの上に、積層方向における前記光応答層と前記変形可能な非光応答層との相対位置を固定するが前記スタックの収縮及び膨張を許す機械的結合部を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載のデバイス。
6. 前記スタックの面のうちの少なくとも１つの上に、積層方向における前記光応答層と前記変形可能な非光応答層との相対位置を固定するが前記スタックの反りを許す機械的結合部を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載のデバイス。
7. 前記機械的結合部は、アクリレートポリマーなどのポリマーである、請求項５又は６に記載のデバイス。
8. 前記光応答層は、
   硬化性である液晶成分、
   アクリレート官能化液晶成分などの硬化性液晶成分のポリマー、
   のうちの少なくとも一方を有する、請求項１乃至７のいずれかに記載のデバイス。
9. 前記変形可能な非光応答層は、シリコーン系のポリマー又はゴムなどのポリマー又はゴムである、請求項１乃至８のいずれかに記載のデバイス。
10. 当該デバイスは更に、前記入射光を提供する光源を有し、該光源は、前記スタックの頂部及び／又は底部に、及び／又は前記スタックの１つ以上のエッジに設けられる、請求項１乃至９のいずれかに記載のデバイス。
11. スタックを形成することを有する、アクチュエータデバイスを製造する方法であって、
    前記スタックは、
    入射光に応答して変形する複数の光応答層と、
    各隣接対の前記光応答層間に少なくとも部分的に位置付けられて、該光応答層間で及び該光応答層に光を導く、それぞれの変形可能な非光応答層と
    を有する、
    方法。
12. 複数の光応答層をスペーサ間に積み重ねることと、
    シリコーン材料及び／又はアクリレート材料などの硬化性材料で、層間の空間を充填し且つオプションで前記スタックの１つ以上の面を被覆することと、
    熱重合及び／又は光化学重合を用いて前記硬化性材料を硬化させることと、
    を有する請求項１１に記載の方法。
13. シリコーン材料及び／又はアクリレート材料などの硬化性材料で光応答層を被覆することと、
    前記被覆された層を積み重ね、及びオプションで、シリコーン材料及び／又はアクリレート材料などの硬化性材料で前記スタックの面のうちの１つ以上を被覆することと、
    熱重合及び／又は光化学重合を用いて前記硬化性材料を硬化させることと、
    を有する請求項１１に記載の方法。
14. 複数の光応答層を有するスタックを照らし、それにより、前記光応答層の変形を生じさせ、前記複数の光応答層は、各隣接対の光応答層間の変形可能な非光応答層によって仕切られており、
    前記変形可能な非光応答層に、前記光応答層の前記変形に追従させ、且つ
    前記光応答層の前記変形の平均化を誘導する
    ことを有するアクチュエーション方法。

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