JP6038174B2 - 制御可能な高分子アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、制御可能な高分子アクチュエータと、そのような制御可能な高分子アクチュエータを製造する方法とに関する。

高分子アクチュエータ又は電気活性高分子（ＥＡＰ）は、薄膜作動面を生成する独特の可能性を提供する。これは、例えば制御可能な光学要素、いわゆる電子筋肉、並びに、表面の外観及び／又は触知性を変更するために制御可能な表面トポグラフィが使用されるアプリケーションといった多くの異なるアプリケーションに使用できる。

高分子アクチュエータは、通常、２つの変形可能な電極の間に挟まれた誘電エラストマー膜を含む。電圧が電極間に印加されると、電極を互いの近くに押す静電力が生成される。これが起きると、電極間の誘電エラストマー膜の一部は、圧縮力が静電力とバランスが取れるまで圧縮される。圧縮力が静電力とバランスが取られる時点において、誘電エラストマー膜は（少なくとも局所的に）薄くなる。誘電エラストマー膜の非圧縮性によって、局所的な厚みの減少は、高分子アクチュエータの別の次元の変化に変換する。電極形状を適切に選択し、電極間に印加される電圧を制御することによって、高分子アクチュエータの表面トポグラフィは、電極間に電圧を印加することによって制御される。しかし、表面トポグラフィの制御は、誘電エラストマー膜の特性と電極の構成とによって制限される。

制御可能な範囲を拡張するために、少なくとも、振幅について、米国特許出願公開第２００８／０２８９９５２号は、誘電エラストマー膜及び制御電極によって形成されるスタックの片面又は両面の上に不動態層を設けることについて開示している。不動態層は、面外変形を増幅し、より可視的な表面特徴を生成するために、誘電エラストマー膜よりも柔軟である。

面外変形の制御範囲を増加させるが、米国特許出願公開第２００８／０２８９９５２号による高分子アクチュエータは、電極形状を介した変形場所の制御に依然として制限され、特定の表面トポグラフィを達成するのは困難及び／又は複雑である。

従来技術の上記及び他の欠点に鑑みて、本発明は、特に制御可能な高分子アクチュエータの表面トポグラフィの制御を容易にする改良された制御可能な高分子アクチュエータを提供することを全体的な目的とする。

本発明の第１の態様によれば、誘電エラストマー膜と、誘電エラストマー膜の第１の面にある第１の変形可能な電極と、誘電エラストマー膜の第２の面にあり、第１の変形可能な電極と少なくとも部分的に対向する第２の変形可能な電極とを含み、第１及び第２の変形可能な電極は、電極間への電圧の印加が、制御可能な高分子アクチュエータの活性部にトポグラフィを変更させるように配置され、制御可能な高分子アクチュエータは更に、誘電エラストマー膜に接続される変形制御層を含み、変形制御層は、少なくとも局所的に、誘電エラストマー膜よりも高い剛性を有し、電極間に電圧が印加されると、活性部の曲率を制御する剛性パターンで活性部に亘って空間的に変動する剛性を示す、制御可能な高分子アクチュエータが提供される。

誘電エラストマー膜に「接続される」変形制御層とは、本願のコンテキストでは、誘電エラストマー膜に作用する力が、変形制御層に作用する力をもたらすように、変形制御層と誘電エラストマー膜との間に直接的又は間接的な機械的接続があることを意味するものと理解されるべきである。

変形制御層の「剛性」は、変形制御層の厚さ及び材料特性（特に弾性係数）によって決定される。

なお、「剛性パターン」は、繰り返し構造である必要はなく、様々な剛性を有する部分の不規則なパターンであってもよい。

本発明は、制御可能な高分子アクチュエータに空間的に変動する（制御可能な高分子アクチュエータの表面全体に亘る）剛性を与えることによって、制御可能な高分子アクチュエータの表面トポグラフィの向上された制御が達成されるという認識に基づいている。したがって、誘電エラストマー膜の材料の所与の変位は、空間的に変動する剛性について選択されるパターンによって決定される曲率をもたらす。本発明者は更に、このような空間的に変動する剛性が、誘電エラストマー膜よりも高い剛性を有し、制御可能な高分子アクチュエータの活性部に亘って空間的に変動する剛性を示す変形制御層を設けることによって有利に達成されることも認識している。

変形制御層によって、変形可能な電極間に電圧が印加された時に所望の表面トポグラフィを達成するように制御可能な高分子アクチュエータをデザインするエンジニアに、更なるデザインツールが提供される。これは、既知の制御可能な高分子アクチュエータを使用してでは全く得られなかった表面トポグラフィを可能にし、並びに／又は、より簡単な電極パターン及び／若しくはより少ない個別に制御可能な電極で特定の表面トポロジーが得られることを可能にする。したがって、本発明の様々な実施形態は、機能を増大し、並びに／又は、コスト及び複雑さを減少する。変形制御層を提供することによって、一部の変形は、トポグラフィのより大きな制御のために犠牲にされる。これは、制御可能な高分子アクチュエータが制御可能な光学要素であるアプリケーションにおいて特に重要である。というのは、このようなデバイスでは、曲率／トポグラフィにおける小さな変化でも、光学性能に大きな影響を及ぼすからである。

本発明の様々な実施形態によれば、制御可能な高分子アクチュエータは、変形可能な電極間への電圧の印加を介して光学的状態間で切り替え可能である制御可能な光学要素として機能できるように、少なくとも部分的に光学的に透明である。そのために、少なくとも誘電エラストマー膜及び変形制御層は光学的に透明である。有利には、変形可能な電極も光学的に透明である。

変形制御層の空間的に変動する剛性は、様々な方法で達成される。例えば、変形制御層は、空間的に変動する剛性を達成するために空間的に変動する厚さを示す。

一実施形態によれば、変形制御層は、第１の厚さを有する部分の第１のセットと、第１の厚さとは異なる第２の厚さを有する部分の第２のセットとを有するパターン化された層として設けられてもよい。例えば変形制御層は、第２の厚さが実質的にゼロであるパターンで設けられてもよい。これは、局所平均剛性が、第１の部分セットの局所平均表面被覆率によって決定されることを意味する。

様々な実施形態によれば、上記の活性部は、変形可能な電極のうち少なくとも一方の電極の少なくとも１つの端によって実質的に画定される。これらの実施形態では、変形可能な電極間への電圧の印加は、変形可能な電極間の誘電エラストマー膜を圧縮させ、これは、変形可能な電極の端の隣の誘電エラストマー膜の厚さを増加させる。

これらの実施形態のうちの幾つかでは、変形制御層は、少なくとも１つの変形可能な電極の少なくとも１つの端に対して実質的に垂直な剛性勾配を示してもよい。

これにより、変形制御層の曲率制御は、変形可能な電極間への電圧の印加によって引き起こされる変形と一致して働くことが確実にされ、制御可能な高分子アクチュエータの表面トポグラフィの制御が向上される。

更に、変形制御層は、少なくとも１つの変形可能な電極の少なくとも１つの端からの距離が増加するにつれて減少する剛性を示す。これにより、制御可能な高分子アクチュエータの制御された曲率が達成され、これは、光学的アプリケーションに特に有用である。

或いは、変形可能な電極は、活性部全体を均一に覆ってもよく、また、変形可能な電極間に電圧を印加すると、活性部の構成は、変形制御層の剛性パターンによって実質的に排他的に制御される。

変形制御層は、誘電エラストマー膜及び変形可能な電極を更に含む制御可能な高分子アクチュエータスタックのどこにでも配置されてよい。

誘電エラストマー膜と第１及び／又は第２の変形可能な電極との間、又は、第１及び／又は第２の変形可能な電極上に変形制御層を設けることが、制御可能な高分子アクチュエータを製造する際に最も簡単である。

しかし、変形制御層を、誘電エラストマー膜の内側に設けることも有利である。これは、変形制御層によって引き起こされる光学散乱を減少するからである。変形制御層は、例えば、変形制御層を第１の誘電エラストマーシート上に設け、変形制御層を当該第１の誘電エラストマーシートと第２の誘電エラストマーシートとの間に挟むことによって、誘電エラストマー膜の内側に設けられる。

様々な実施形態によれば、更に、制御可能な高分子アクチュエータは、誘電エラストマー膜の第１の面に配置される第１の変形制御層と、第１の面と対向する誘電エラストマー膜の第２の面に配置される第２の変形制御層とを含む。第１及び第２の変形制御層は、制御可能な高分子アクチュエータの左右対称表面トポグラフィを得るために実質的に同一であってよいが、或いは、第１及び第２の変形制御層は、制御可能な高分子アクチュエータの様々な面で様々な曲率を得るために、異なってもよい。

更に、制御可能な高分子アクチュエータは更に、変形可能な電極間に電圧が印加されたときに、制御可能な高分子アクチュエータの横寸法を実質的に一定に保つ枠構造体を更に含んでもよい。これにより、表面トポグラフィの向上された制御が達成される。枠構造体は、例えば外部構造体（クランプ枠）として設けられる。

本発明の第２の態様によれば、誘電エラストマー膜と、誘電エラストマー膜の第１の面にある第１の変形可能な電極と、誘電エラストマー膜の第２の面にあり、第１の変形可能な電極と少なくとも部分的に対向する第２の変形可能な電極とを含み、第１及び第２の変形可能な電極は、電極間への電圧の印加が、高分子アクチュエータスタックの活性部を厚くさせるように配置される、当該高分子アクチュエータスタックを設けるステップと、高分子アクチュエータスタックに関連して、誘電エラストマー膜よりも堅く、電極間に電圧が印加されると、活性部の曲率を制御するパターンで活性部に亘って空間的に変動する剛性を示す変形制御層を設けるステップとを含む、制御可能な高分子アクチュエータを製造する方法が提供される。

変形制御層は、有利には、空間的に変動するパターンに従う高分子材料のインクジェットプリンティングを介して設けられる。

本発明のこの第２の態様のバリエーション及び利点は、本発明の第１の態様に関連して上記されたものの大部分と類似する。

本発明のこれらの及び他の態様は、本発明の現在好適である実施形態を示す添付図面を参照してより詳細に説明される。

図１は、本発明の例示的な実施形態による、制御可能な光学要素の形の制御可能な高分子アクチュエータの斜視図である。 図２は、図１の制御可能な光学要素の概略平面図である。 図３ａは、オフ状態にある制御可能な光学要素を示す、図２の線Ａ−Ａ’に沿って取られた断面の部分断面図である。 図３ｂは、オン状態にある制御可能な光学要素を示す、図２の線Ａ−Ａ’に沿って取られた断面の部分断面図である。 図４は、オン状態にある制御可能な光学要素を示す、図２の線Ｂ−Ｂ’に沿って取られた断面の部分断面図である。 図５は、本発明の制御可能な高分子アクチュエータの様々な実施形態についての変形制御層の第１の例示的パターンセットを概略的に示す。 図６は、本発明の制御可能な高分子アクチュエータの様々な実施形態についての変形制御層の第２の例示的パターンセットを概略的に示す。 図７は、本発明の制御可能な高分子アクチュエータの様々な実施形態についての変形制御層の第３の例示的パターンセットを概略的に示す。 図８は、本発明の制御可能な高分子アクチュエータの様々な実施形態についての変形制御層の第４の例示的パターンセットを概略的に示す。

以下の説明において、本発明は、光学的に透明の制御可能な高分子アクチュエータスタックを含む制御可能な光学要素を参照して説明される。

なお、以下の説明は、決して、発明の範囲を限定するものではなく、当該発明の範囲は、例えば触知性アプリケーションに有用である及び／又は反射パターンを制御可能に形成するのに有用である他の制御可能な高分子アクチュエータにも同じように当てはまる。

図１は、図１に概略的に示されるように、少なくとも、平らな状態とレンズ状状態との間で制御可能なレンズアレイの形の制御可能な光学要素１を概略的に示す。制御可能な光学要素１は、誘電エラストマー膜２と、第１の変形可能な電極３と、第２の変形可能な電極４と、第１の変形制御層５と、第２の変形制御層６とを含む。第１の変形可能な電極３及び第２の変形可能な電極４は、誘電エラストマー膜２の両面に設けられている。電圧源（図１には図示せず）を使用して、第１の変形可能な電極３と第２の変形可能な電極４との間に電圧が印加されると、静電力が、第１の変形可能な電極３と第２の変形可能な電極４との間の誘電エラストマー膜を、図１に概略的に示されるように、圧縮させる。第１の変形制御層５及び第２の変形制御層６のそれぞれは、誘電エラストマー膜２よりも高い剛性を有し、また、制御可能な光学要素１の活性部７に亘って空間的に変動する剛性を示す（図面が見にくくならないように、図１には１つの活性部しか示されていない）。図１に概略的に示されるように、制御可能な光学要素１は更に、誘電エラストマー膜２の外周を固定する枠８を含む。

以下により詳細に説明されるように、第１の変形制御層５及び第２の変形制御層６の空間的に変動する剛性は、第１の変形可能な電極３と第２の変形可能な電極４との間に電圧が印加されると活性部７の曲率を制御する剛性パターンの形で提供される。図１における例示的な制御可能な高分子アクチュエータでは、第１の変形制御層５及び第２の変形制御層６の剛性パターンは、同一であるが、様々な実施形態については、剛性パターンは異なっていてもよい。

図２は、図１の制御可能な光学要素１の上からの概略平面図であるが、第１の変形制御層５の構成が、空間的に変動するパターンによって示されている。明るい領域は、高い剛性を示し、暗い領域は、低い剛性を示す。

第１の変形可能な電極３と第２の変形可能な電極４との間に電圧が印加されると、活性部７の曲率は、第１の変形制御層５及び第２の変形制御層６のパターンによって決定される。この点は、図３ａ、図３ｂ及び図４を参照して更に説明される。

図３ａ、図３ｂは、図２の線Ａ−Ａ’に沿って取られた断面の制御可能な光学要素１の概略部分断面図である。図３ａは、「オフ状態」（第１の変形可能な電極３と第２の変形可能な電極４との間に電圧が印加されていない場合）にある制御可能な光学要素１を示し、図３ｂは、「オン状態」（第１の変形可能な電極３と第２の変形可能な電極４との間に電圧が印加されている場合）にある制御可能な光学要素１を示す。

オフ状態では、第１の変形可能な電極３と第２の変形可能な電極４との間に作用する静電力はなく、つまり、光学要素１は、図３ａに概略的に示されるように、変形しない。

オン状態では、第１の変形可能な電極３と第２の変形可能な電極４との間に電圧が印加されると、（図３ｂに矢印によって示される）静電力が、当該静電力が誘電エラストマー膜２の変形によってもたらされる力によってバランスが取られるまで、第１の変形可能な電極３と第２の変形可能な電極４を互いに引く。これは、第１の変形可能な電極３と第２の変形可能な電極４との間の誘電エラストマー膜の一部から活性部７に向かって材料を移動させる。図３ｂに概略的に示されるように、また、図４を参照して以下に更に説明されるように、活性部７の曲率は、変形制御層５、６の構成によって決定される。

図４は、図２の線Ｂ−Ｂ’に沿って取られた断面の制御可能な光学要素１の概略部分断面図であり、図４に概略的に示されるように、図２の線Ｂ−Ｂ’に沿った活性部７の曲率は均一ではないが、第１の変形制御層５及び第２の変形制御層６の構成又はパターンによって決定される。

図１及び図２に示される剛性パターンによって、制御可能な高分子アクチュエータの表面トポグラフィは、１次元に延在する電極３、４間に電圧を印加することによって２次元に制御される。他のタイプの表面トポグラフィを達成するために、他の剛性パターンが使用されてもよい。図５、図６、図７及び図８を参照して、剛性パターンの様々な例が以下に簡単に説明される。

図５では、幅が減少するくさび状パターン１０ａ、１０ｂを提供することによって、図の左から右へと剛性が減少する２つの異なる概略例が示される。

図６では、幅が減少する線を使用して形成される格子パターン１１ａ、１１ｂ、１１ｃを提供することによって、図の左から右へと剛性が減少する３つの異なる概略例が示される。

図７では、密度が減少するパターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃを提供することによって、図の左から右へと剛性が減少する３つの異なる概略例が示される。

最後に、図８は、円形対称性を示す剛性パターン１３ａ、１３ｂの２つの例を概略的に示す。

更に、開示された実施形態に対する変更は、図面、開示内容及び添付の請求項の検討から、クレームされた発明を実施する当業者によって理解かつ実現されよう。例えば剛性パターンは、高分子層を設け、ＵＶ光で所望パターンを照射して、照射された部分における剛性を局所的に増加させることといった他の方法でも達成される。更に、非周期的構造体を含む他のパターン。また、様々な層のそれぞれは、複数の副層を含んでもよく、様々な層は、異なる弾性係数を有する様々な部分又はセグメントを含んでもよい。

請求項において、「含む」との用語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、また、「ａ」又は「ａｎ」との不定冠詞も、複数形を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるからといって、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。

Claims (11)

1. 誘電エラストマー膜と、
   前記誘電エラストマー膜の第１の面にある第１の変形可能な電極と、
   前記誘電エラストマー膜の第２の面にあり、前記第１の変形可能な電極と少なくとも部分的に対向する第２の変形可能な電極と、
   を含み、
   前記第１及び第２の変形可能な電極は、前記第１及び第２の変形可能な電極間への電圧の印加が、制御可能な高分子アクチュエータの活性部にトポグラフィを変更させるように配置され、
   前記制御可能な高分子アクチュエータは更に、前記誘電エラストマー膜に接続される変形制御層を含み、
   前記変形制御層は、少なくとも局所的に、前記誘電エラストマー膜よりも高い剛性を有し、
   前記変形制御層は、前記第１及び第２の変形可能な電極間に電圧が印加されると、前記活性部の曲率を制御する剛性パターンで前記活性部に亘って空間的に変動する剛性を示し、
   前記制御可能な高分子アクチュエータが、前記第１及び第２の変形可能な電極間への電圧の印加を介して光学的状態間を切り替え可能であるように、光学的に透明である、制御可能な高分子アクチュエータ。
2. 前記変形制御層は、前記空間的に変動する剛性を達成するために空間的に変動する厚さを示す、請求項１に記載の制御可能な高分子アクチュエータ。
3. 前記活性部は、前記第１及び第２の変形可能な電極のうち少なくとも一方の電極の少なくとも１つの端によって実質的に画定される、請求項１又は２に記載の制御可能な高分子アクチュエータ。
4. 剛性勾配を示す前記変形制御層は、前記第１及び第２の変形可能な電極のうち少なくとも一方の電極の前記少なくとも１つの端に対して実質的に垂直である、請求項３に記載の制御可能な高分子アクチュエータ。
5. 前記変形制御層は、前記第１及び第２の変形可能な電極のうち少なくとも一方の電極の前記少なくとも１つの端からの距離が増加するにつれて減少する剛性を示す、請求項３又は４に記載の制御可能な高分子アクチュエータ。
6. 前記変形制御層は、前記誘電エラストマー膜の内側に配置される、請求項１乃至５の何れか一項に記載の制御可能な高分子アクチュエータ。
7. 前記誘電エラストマー膜の第１の面に配置される第１の変形制御層と、前記第１の面と対向する前記誘電エラストマー膜の第２の面に配置される第２の変形制御層とを含む、請求項１乃至６の何れか一項に記載の制御可能な高分子アクチュエータ。
8. 前記第１の変形制御層は、第１のパターンに従って空間的に変動する剛性を示し、前記第２の変形制御層は、前記第１のパターンとは異なる第２のパターンに従って空間的に変動する剛性を示す、請求項７に記載の制御可能な高分子アクチュエータ。
9. 前記第１及び第２の変形可能な電極間に電圧が印加されたときに、前記制御可能な高分子アクチュエータの横寸法を実質的に一定に保つ枠構造体を更に含む、請求項１乃至８の何れか一項に記載の制御可能な高分子アクチュエータ。
10. 誘電エラストマー膜と、前記誘電エラストマー膜の第１の面にある第１の変形可能な電極と、前記誘電エラストマー膜の第２の面にあり、前記第１の変形可能な電極と少なくとも部分的に対向する第２の変形可能な電極とを含み、前記第１及び第２の変形可能な電極は、前記第１及び第２の変形可能な電極間への電圧の印加が、高分子アクチュエータスタックの活性部にトポグラフィを変更させるように配置される、前記高分子アクチュエータスタックを設けるステップと、
    前記高分子アクチュエータスタックに関連して、前記誘電エラストマー膜よりも堅く、前記第１及び第２の変形可能な電極間に電圧が印加されると、前記活性部の曲率を制御するパターンで前記活性部に亘って空間的に変動する剛性を示す変形制御層を設けるステップと、
    を含む、請求項１乃至９の何れか一項に記載の制御可能な高分子アクチュエータを製造する方法。
11. 前記変形制御層は、空間的に変動するパターンに従う高分子材料のインクジェットプリンティングを介して設けられる、請求項１０に記載の方法。

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