JP5607018B2 - 電極及び光変調デバイス - Google Patents
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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 (24)
- 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、
実質的に一定の電場を前記電気活性ポリマに提供するために、前記電極は、その非2次元的な変形が、前記電気活性ポリマの厚さよりも十分に小さくなるようにテクスチャ加工された電極である、電極。 - 請求項1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1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3記載の電極であって、
前記高導電率の領域は、1組の金属トレースを含む電極。 - 請求項4記載の電極であって、
前記金属トレースは、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1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1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1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1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1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1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12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12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14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、前記電極の非2次元的な変形が、前記電気活性ポリマの厚さよりも十分に小さくなるように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16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16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16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20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20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20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20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。
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