JP5615479B2 - 電気活性ポリマーの予歪み - Google Patents
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Description
本発明のトランスデューサおよびデバイスにおける電気および機械エネルギー間の変換は、電気活性ポリマーのエラスタンスおよび電気活性ポリマーの1つ以上の部分のエネルギー変換に基づく。電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する電気活性ポリマーのパフォーマンスを示すのに役立つよう、図1Aは、本発明のある実施形態によるトランスデューサ部10の上部透視図である。電気活性ポリマートランスデューサがここで構造体として説明されるが、当業者には本発明は後述されるような動作を実行する方法を包含することが理解されよう。
電気活性ポリマー12、または1つ以上のその部分は予歪みが与えられる。多くのポリマーのパフォーマンスは、ポリマーが面積で予歪みされると顕著に増される。多くのポリマーについて、予歪みは、電気的および機械的エネルギー間の変換を改善する。改善された機械的応答は、電気活性ポリマーについてより大きな機械的仕事、例えばより大きな撓みおよびアクチュエーション圧力を可能にする。ある実施形態において、予歪みは、ポリマーの誘電強度を改善する。例えば10倍から25倍の面積増加は、多くの電気活性ポリマーエラストマーのパフォーマンスを改善する。
本発明は、ポリマーおよび/または積層体の剛性化された部分を用いて、予歪みを電気活性ポリマーの1つ以上の部分について維持する。ポリマーまたはその一部について予歪みを維持するフレームまたは1つ以上の構造的支持部として形づくられた剛性化された部分を有する電気活性ポリマー、トランスデューサまたはデバイスの構成は数え切れないほど存在する。電気活性ポリマーデバイスのためのフレームおよび構造的な要素の多くの例は、共有される米国特許第6,545,384号にさらに記載され、上で参照によって援用された。いくつかの例示的電気活性ポリマー構成がここで説明を進めるために示される。
予歪みポリマーは、幅広いアクチュエータ設計において、幅広い材料を用いて、幅広い応用例において微視および巨視スケールの両方で実現されえるので、本発明と共に用いられる製造プロセスは非常に大きく変わりえる。ある局面において、本発明は、電気活性ポリマーおよび1つ以上の予歪みされたポリマーを含む電気活性ポリマートランスデューサおよびデバイスを製造する方法を提供する。
他の局面において、本発明は、電気活性ポリマーの一部において予歪みを維持するポリマーに結合された支持レイヤを備える電気活性ポリマーを製造する方法に関する。
他の実施形態において、本発明は、ポリマー前駆体を硬化させて、電気活性ポリマー中で予歪みを維持する。硬化可能なポリマー前駆体は、電気活性ポリマーシートまたはフィルムの表面に塗布され、フィルムをコーティング、フィルムに分散または拡散することを可能にされえる。添加剤はそれから硬化され、1つ以上のより剛性のある部分を形成する。場合によっては、硬化は「ロックイン」し、ポリマー鎖の架橋された網を形成することによって電気活性ポリマーフィルム中に予歪みを維持する。
他の実施形態において、支持レイヤのための前駆体は、例えば薄膜へのポリマーの形成の前に、電気活性ポリマーのための前駆体と混合される。これは、エラストマーのような化学的に架橋されておらず、したがって溶解され支持ポリマー前駆体と共に混合されえる電気活性ポリマーのために有用である。
電気活性ポリマーは、双方向で電気的エネルギーおよび機械的エネルギー間で変換しえる。よって、ここで説明されたトランスデューサは、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するアクチュエータ、および/または機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電機として用いられえる。電気活性ポリマートランスデューサの電気的特性を検出することは、センシング機能を可能にする。
本発明は、いくつかの好ましい実施形態について記載されてきたが、簡潔さのために省略された本発明の範囲に入る改変物、組み合わせ、および等価物が存在する。例として、本発明はいくつかのポリマー材料および幾何学的形状について記載されてきたが、本発明は、これら材料および幾何学的形状に限定されない。したがって本発明の範囲は添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきだと意図される。
Claims (57)
- 電気的および機械的エネルギーの間で変換する電気活性ポリマートランスデューサであって、
少なくとも2つの電極、および
予歪みされた部分を含み、前記予歪みされた部分における予歪みを維持するよう構成される剛性化された部分を含む前記少なくとも2つの電極と電気的連通にある電気活性ポリマー
を備え、
前記剛性化された部分は、前記予歪みされた部分を伸長することから生じる前記予歪みされた部分における弾性圧縮力に反対する力を提供するよう構成され、
前記電気活性ポリマートランスデューサは、前記予歪みされた部分において予歪みを維持するよう構成される外部フレームまたは外部メカニズムを含まないトランスデューサ。 - 請求項1に記載のトランスデューサであって、前記電気活性ポリマーは、コンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルム、および前記コンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルム内またはその上に形成された支持ポリマーであって、前記剛性化されたポリマー部分を定義づける支持ポリマーを備えるトランスデューサ。
- 請求項1に記載のトランスデューサであって、前記剛性化された部分は前記予歪みされた部分と周辺で境界をなすトランスデューサ。
- 請求項1に記載のトランスデューサであって、前記電気活性ポリマーは、約40MPa未満の弾性係数を備えるトランスデューサ。
- 請求項4に記載のトランスデューサであって、前記電気活性ポリマーは、約10MPa未満の弾性係数を備えるトランスデューサ。
- 請求項1に記載のトランスデューサであって、前記剛性化されたポリマー部分は、約10MPaより大きい弾性係数を備えるトランスデューサ。
- 請求項1に記載のトランスデューサであって、前記剛性化されたポリマー部分は、約50MPaより大きい弾性係数を備えるトランスデューサ。
- 請求項1に記載のトランスデューサであって、前記予歪みされた部分は非等方性予歪みを含むトランスデューサ。
- 請求項1に記載のトランスデューサであって、前記予歪みされた部分は弾性的に予歪みされているトランスデューサ。
- 請求項1に記載のトランスデューサであって、予歪みされた部分は、実質的に電気活性ポリマーの全体を含むトランスデューサ。
- 請求項1に記載のトランスデューサであって、前記剛性化された部分は、主方向によって特徴付けられる直線セグメントを備え、前記直線セグメントは、前記主方向において前記予歪みされた部分の撓みを低減するトランスデューサ。
- 電気活性ポリマーを形成する方法であって、
部分的に硬化された電気活性ポリマーを形成するために電気活性ポリマーのための前駆体から成る組成物を部分的に硬化させること、
前記電気活性ポリマーについての予歪みを実現するために前記部分的に硬化された電気活性ポリマーを伸長すること、および
前記電気活性ポリマーの一部を剛性化するために前記一部をさらに硬化させること
を含み、
前記剛性化された部分は、前記予歪みされた部分における弾性圧縮力に反対する力を提供するよう構成されるとともに、前記予歪みを少なくとも部分的に維持するための部分である、方法。 - 請求項12に記載の方法であって、前記部分的に硬化させること、または前記さらに硬化させることは、熱的硬化を採用する方法。
- 請求項12に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、前記電気活性ポリマーの予歪みされた第2部分と境界をなし、前記剛性化された部分は前記予歪みされた第2部分についての予歪みを維持するよう構成される方法。
- 請求項12に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、約10MPaより大きい弾性係数を備えるようにさらに硬化される方法。
- 請求項12に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーをさらに硬化させることは、前記電気活性ポリマーを照射に曝露することを含む方法。
- 請求項16に記載の方法であって、
前記電気活性ポリマーを照射に曝露することは、
前記一部の形状およびサイズを定義するマスクを前記電気活性ポリマーの表面に適用することをさらに含む方法。 - 請求項17に記載の方法であって、
前記電気活性ポリマーを照射に曝露することは、
前記ポリマーの異なる部分が様々な程度に硬化および剛性化されることを可能とするマスクを適用することをさらに含む方法。 - 請求項18に記載の方法であって、前記マスクは、前記電気活性ポリマーのエッジ部分への照射曝露の量を減らす方法。
- 請求項12に記載の方法であって、前記一部をさらに硬化させることは、前記電気活性ポリマーにおいて、コンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルム、および前記コンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルム内またはその上に形成された支持ポリマーであって、前記剛性化された部分を、定義づける、方法。
- 請求項20に記載の方法であって、前記支持ポリマーの硬化は前記一部を剛性化する方法。
- 請求項12に記載の方法であって、前記部分的に硬化された電気活性ポリマーは、前記部分的に硬化された電気活性ポリマーを弾性的に伸長するのに適する機械的完全性を備える方法。
- 請求項12に記載の方法であって、電気活性ポリマーは第2方向より第1方向において大きく伸長される方法。
- 請求項12に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーは、弾性予歪みを達成するために伸長される方法。
- 請求項12に記載の方法であって、電極を前記電気活性ポリマーの表面に堆積することをさらに含む方法。
- 請求項25に記載の方法であって、前記電極は前記ポリマー上にスプレーされる方法。
- 電気活性ポリマーを形成する方法であって、
ポリマー前駆体を電気活性ポリマーの一部の表面に塗布すること、
予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長すること、および
前記一部を剛性化するために前記ポリマー前駆体を硬化すること
を含み、
前記剛性化された部分は、前記予歪みされた部分における弾性圧縮力に反対する力を提供するよう構成されるとともに、前記予歪みを少なくとも部分的に維持するための部分である、方法。 - 請求項27に記載の方法であって、前記ポリマー前駆体は、前記電気活性ポリマーが予歪みされた後で、前記表面上に塗布される方法。
- 請求項27に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、硬化の後に前記剛性化された部分において前記予歪みを少なくとも部分的に維持する方法。
- 請求項29に記載の方法であって、電極を前記予歪みされた部分上の前記表面に設けることをさらに含む方法。
- 請求項27に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、前記電気活性ポリマーの予歪みされた第2部分と境界をなす方法。
- 請求項31に記載の方法であって、電極を前記予歪みされた第2部分の前記表面にさらに備える方法。
- 請求項27に記載の方法であって、
前記電気活性ポリマーは、予歪みされる第1部分と、前記第1部分よりも小さく予歪みされる第2部分と、を備え、
前記方法は、前記ポリマー前駆体を前記電気活性ポリマーの第2部分上に塗布することをさらに含む方法。 - 請求項33に記載の方法であって、前記第1部分よりも前記第2部分に前記ポリマー前駆体のより多い量が塗布される方法。
- 請求項27に記載の方法であって、前記ポリマー前駆体を前記一部内に拡散させることをさらに含む方法。
- 請求項27に記載の方法であって、前記ポリマー前駆体は、前記電気活性ポリマーの前記表面部分にスプレーされる方法。
- 請求項36に記載の方法であって、
前記ポリマー前駆体を塗布することは、前記一部の形状およびサイズを定義するマスクを前記電気活性ポリマー表面に適用することをさらに備える方法。 - 請求項37に記載の方法であって、前記予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長することは、前記電気活性ポリマーを歪みが与えられた状態に保持するフレームを用いる方法。
- 請求項38に記載の方法であって、硬化が完了した後で、前記電気活性ポリマーを前記フレームから解放することをさらに備える方法。
- 請求項27に記載の方法であって、電気活性ポリマーは第2方向より第1方向において大きく伸長される方法。
- 請求項27に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーは、弾性予歪みを達成するために伸長される方法。
- 請求項27に記載の方法であって、前記ポリマー前駆体を硬化させることは、前記一部を照射に曝露することを含む方法。
- 請求項42に記載の方法であって、前記一部を照射に曝露することは、前記ポリマーの異なる部分が様々な程度に硬化および剛性化されることを可能とするマスクを適用することをさらに含む方法。
- 請求項27に記載の方法であって、前記ポリマー前駆体が塗布される前記電気活性ポリマーのフィルムを形成することをさらに含む方法。
- 電気活性ポリマーを形成する方法であって、
電気活性ポリマーのための前駆体および支持ポリマーのための前駆体を備える混合物を提供すること、
前記混合物から前記電気活性ポリマーのフィルムを形成すること、
前記電気活性ポリマーの一部において予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長すること、および
前記支持ポリマーが前記ポリマーの剛性化された部分中に前記支持ポリマーを形成するように、前記前駆体を硬化すること
を含み、
前記剛性化された部分は、前記予歪みされた部分における弾性圧縮力に反対する力を提供するよう構成されるとともに、前記予歪みを少なくとも部分的に維持するための部分である、方法。 - 請求項45に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、前記予歪みされた部分に重なる方法。
- 請求項46に記載の方法であって、電極を前記予歪みされた部分上の表面に設けることをさらに含む方法。
- 請求項45に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、前記電気活性ポリマーの前記予歪みされた部分に隣接する方法。
- 請求項45に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーは、弾性予歪みを実現するために伸長される方法。
- 請求項45に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーのフィルムを形成することは前記混合物をキャスティングすることを含む方法。
- 請求項45に記載の方法であって、前記前駆体を硬化することは、剛性化する部分のための表面を照射に曝露することを含む方法。
- 請求項51に記載の方法であって、
前記剛性化する部分のための表面を照射に曝露することは、前記剛性化する部分の形状およびサイズを定義するマスクを前記電気活性ポリマー表面に適用することをさらに含む方法。 - 請求項51に記載の方法であって、
前記剛性化する部分のための表面を照射に曝露することは、前記ポリマーの異なる部分が様々な程度に硬化および剛性化されることを可能とするマスクを前記剛性化する部分のための表面および前記電気活性ポリマーの他の部分に適用することをさらに含む、方法。 - 請求項53に記載の方法であって、前記マスクは、前記電気活性ポリマーのエッジ部分への照射曝露の量を減らす方法。
- 請求項45に記載の方法であって、前記予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長することは、前記電気活性ポリマーを歪みが与えられた状態に保持するフレームを用いる方法。
- 請求項55に記載の方法であって、照射曝露が完了した後、前記電気活性ポリマーを前記フレームから解放することをさらに含む方法。
- 請求項45に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーは第2方向より第1方向において大きく伸長される方法。
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