Электроактивный полимерный актюатор



Электроактивный полимерный актюатор
Электроактивный полимерный актюатор
Электроактивный полимерный актюатор
Электроактивный полимерный актюатор
Электроактивный полимерный актюатор
Электроактивный полимерный актюатор
Электроактивный полимерный актюатор

 


Владельцы патента RU 2568944:

КОНИНКЛЕЙКЕ ФИЛИПС ЭЛЕКТРОНИКС Н.В. (NL)

Изобретение относится к электроактивным полимерным актюаторам. Актюатор содержит электроактивный полимерный слой и растягиваемые электродные структуры, которые расположены на каждой стороне электроактивного полимерного слоя. Более мягкий пассивный слой прикреплен к одной из растягиваемых электродных структур. При поперечном сжатии растягиваемыми электродными структурами электроактивный полимерный слой будет расширяться по касательной, а актюатор будет релаксировать с образованием формы, при которой внутренняя часть снабженной электродами области по существу параллельна плоскости устройства, в то время как значительная часть приращения площади нейтрализуется поперечными изгибами, возникающими на границе электродов (режим погружения). Изобретение можно реализовать в виде оптически отражающих или преломляющих устройств с изменяемой геометрией. Техническим результатом является создание актюатора с режимом актюации, обеспечивающим относительно острые края при расширении в плоскости в ограниченной степени. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение, раскрытое в данном документе, в целом относится к электроактивным полимерным актюаторам. В частности, оно относится к актюатору с асимметричной слоистой структурой, обеспечивающей локализованную, направленную из плоскости актюацию.

Изобретение также относится к способу изготовления такого актюатора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Диэлектрические актюаторы в виде слоистых структур (или многослойных структур, или слоистых материалов) относятся к быстро развивающейся области технологии. Простой диэлектрический актюатор может содержать слой электроактивного полимера и пару электродов для приложения электростатической силы и тем самым упругого деформирования полимерного слоя в касательном и/или поперечном направлении. Более сложные диэлектрические актюаторы могут включать в себя дополнительные функциональные слои, такие как оптически отражающие или антиотражающие слои, улучшающие текстуру слои, электро- и/или теплопроводящие слои и т.д.

На способ, которым диэлектрический актюатор реагирует на приложенное электрическое поле, могут влиять дополнительные пассивные слои. В опубликованной заявке US2008/0289952 раскрыто слоистое устройство, представляющее собой актюатор, покрытый одним или более пассивными полимерными слоями. Пассивные слои косвенно реагируют на изменения возбуждающего поля под воздействием сил сдвига, прикладываемых к ним актюатором. Поэтому, как показано на Фиг. 1 в настоящем документе, при расширении активной области D между электродами Е1, Е2 актюатора растягиваются пассивные слои PL1, PL2, так что на внешней поверхности TDS слоистой структуры TDU образуется приподнятый край, соответствующий границе активной области D. (Следует отметить, что видимое различие в размерах электродов Е1, Е2 не является признаком, общим для всех актюаторов этого вида.) Для дальнейшей иллюстрации такого перемещения в режиме растяжения на Фиг. 2 показано, каким образом сжатие и сопутствующее плоское растяжение участка электроактивного полимерного слоя 202, который расположен между двумя электродами 210, 211, вызывают усиленное сокращение толщины окружающих пассивных слоев 210, 211 в соответствии с эффектом Пуассона. Материал, составляющий приподнятый край, поставляется из активной области в соответствии с растяжением последней до более тонкой конфигурации; такое растяжение может не быть приемлемым во всех применениях.

Koo, Jung и соавторы в “Development of soft-actuator-based wearable tactile display”, IEEE Trans. Robotics, vol.24, №3 (Июнь 2008), стр. 549-558, раскрыли диэлектрический актюатор, участок которого способен осуществлять изгибное перемещение, показанное на Фиг. 3 в настоящем документе. Активный участок 320 актюатора 302, 310, 311 зажат внутри жесткой граничной рамки (непоказанной), поэтому упругий контакт с окружающим участком 321 отсутствует. Зажим ограничивает касательное расширение и, вместе с тем, вызывает отклонение актюатора в направлении из плоскости, при этом предпочтительное направление изгиба определяется наличием пассивного слоя 301. Хотя в актюаторах этого вида можно получать относительно большую амплитуду отклонения, они обычно не могут создавать острые края и, следовательно, не являются идеальными для тактильных применений. Кроме того, оказалось, что актюаторы с режимом изгиба имеют наилучшие эксплутационные качества при симметричных формах, таких как квадратные или округлые формы, и поэтому несовместимы со слишком нерегулярными формами электродов.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения заключается в преодолении этих ограничений и в создании актюатора с режимом актюации, обеспечивающим относительно острые края при расширении в плоскости лишь в ограниченной степени. Дополнительная задача заключается в создании эффективного способа изготовления такого актюатора.

Согласно первому аспекту изобретения по меньшей мере одна из этих задач решается благодаря актюатору, содержащему электроактивный полимерный (EAP) слой и растягиваемые электродные структуры, расположенные на каждой стороне электроактивного полимерного слоя.

Электродные структуры могут иметь форму гибких листов, пластинок, сеток, адресуемых матриц, адресуемых точечных решеток или подобных элементов. Они являются растягиваемыми в том смысле, что они являются по меньшей мере такими же мягкими, как электроактивный полимерный слой. Более точно, их модули упругости (или модули Юнга) Yel,1, Yel,2 меньше, чем модуль YEAP упругости электроактивного полимерного слоя, или по существу равны ему. (В случае анизотропных материалов модули упругости для касательных деформаций/деформаций в плоскости являются наиболее релевантными модулями.) В соответствии с изобретением актюатор также содержит пассивный слой, прикрепленный к одной стороне актюатора (то есть к одной из растягиваемых электродных структур), и он способен упруго деформироваться при работе актюатора, при этом пассивный слой является механически однородным во всех касательных направлениях.

Прикрепление пассивного слоя к актюатору прежде всего направлено на передачу сил сдвига между слоями; определенные материалы можно соединять с использованием искусственных связующих средств, тогда как силы сцепления между другими сочетаниями материалов могут возникать, как только две поверхности приводятся в соприкосновение.

Когда с электродных структур прикладывается напряжение к активной области электроактивного полимерного слоя, активная область сжимается в поперечном направлении, а для ее площади характерна тенденция к возрастанию. Поскольку одна сторона актюатора прикреплена к механически однородному пассивному слою и эта однородность включает в себя не ограниченную способность к расширению и способность к сокращению во всех поперечных направлениях, актюатор будет деформироваться локально. Более точно, деформация локализуется в активной области и непосредственном в ее окружении, так что внутренняя часть этой области сдвигается из плоскости, при этом поддерживается ориентация, по существу параллельная первоначальному положению. Зона на границе активной области и вокруг нее будет до известной степени проходить в направлении толщины и обычно не будет ориентирована параллельно плоскости слоистой структуры. Благодаря изгибу пограничной зоны электроактивный полимерный слой под воздействием сжатия может релаксировать до равновесного состояния по существу без деформирования окружения; иначе говоря, расширение размера, создаваемое электрическим полем, будет по существу локализовано в активной области и большая часть его нейтрализована вытягиванием наружу пограничной зоны из плоскости электроактивного полимерного слоя. Созданием актюатора с возможностью такого деформирования, называемого в дальнейшем деформированием в режиме погружения, решается первая задача изобретения.

Не рассматривая конкретную теоретическую модель, можно считать, что один из механизмов, способствующих этому локализованному, направленному из плоскости деформированию, заключается в том, что напряжение Максвелла (во всех трех измерениях) возникает в активной области, но не вне ее. Следовательно, появление острых краев более вероятно в случае, если края электродов являются хорошо определенными. Электроактивный полимерный слой легче расширяется к свободному электроду, который не находится вблизи пассивного слоя, и поэтому должен быть расположен на выпуклой стороне ненапряженной конфигурации слоистой структуры, к которой прикладывается электрическое поле.

Преимущество изобретения заключается в том, что создается значительная вертикальная амплитуда (глубокая топография) при небольших затратах энергии. Это происходит потому, что по сравнению с актюаторами в режиме растяжения и слоем повышенной толщины перемещается меньшее количество материала. Это является следствием того, что слой повышенной толщины в приведенном в действии актюаторе в режиме растяжения деформируется до конфигурации, в которой он имеет меньшую толщину, чем в релаксированном состоянии. Две стороны слоя повышенной толщины приближаются друг к другу. В отличие от этого в актюаторах согласно изобретению могут создаваться края с улучшенной структурой благодаря сдвигу ограниченной области, не лежащей в плоскости, в по существу всего одном (поперечном) направлении; две стороны слоя перемещаются по существу параллельно друг другу. Поэтому в изобретении получается улучшенная текстура, по меньшей мере сопоставимая с текстурой тактильных устройств, при этом работа осуществляется при меньших локальных напряжениях, так что необходимое пиковое напряжение уменьшается, а потребление энергии в период эксплуатации снижается.

Другое преимущество изобретения по сравнению с актюаторами типа раскрытых в заявке US2008/0289952 заключается в том, что использование предварительно напряженных пленок актюатора не является обязательным. Это упрощает изготовление. Предварительное напряжение содействует деформации в режиме растяжения и сопутствующему образованию приподнятых краев, а не деформации в режиме погружения; например, предварительное напряжение может содействовать утолщению электроактивного полимерного слоя вокруг границы активной области.

Еще одно преимущество заключается в том, что также не обязательно использовать электроды, которые могут растягиваться в касательном направлении, в случае режима погружения края создаются участком пассивного слоя, опускающимся вниз, а не растяжением пассивного слоя по касательной. Это дает разработчику большую степень свободы; в частности, поскольку в таком случае электрод может считаться устойчивым; по существу не растягивающиеся поверхности, отражающая поверхность могут быть помещены непосредственно на актюатор.

Увеличение размера обычно является более локализованным в случае материалов актюатора с меньшей изгибной жесткостью, то есть с меньшими модулем сдвига и толщиной. Понятно, что односторонность пассивного покрытия не является существенным элементом изобретения, и отсутствует абсолютное необходимое условие для возникновения режима погружения. Точнее, это достигается наличием асимметрии в общей форме слоистой структуры. Например, подобный режим можно ожидать в актюаторе, окруженном двумя пассивными слоями, если один из них является относительно более податливым в поперечном направлении и поэтому подходящим для размещения активной области, которая имеет тенденцию сдвигаться в него. В противоположность этому устройства для актюации в режиме растяжения и с улучшением текстуры часто характеризуются двумя пассивными слоями с подобными механическими свойствами, расположенными на каждой стороне основной части актюатора; поэтому при по существу симметричном градиенте жесткости по толщине устройства изгибные отклонения исключаются.

Согласно второму аспекту, изобретением предоставляется способ изготовления актюатора согласно первому аспекту. В соответствии со способом, изготавливаемый актюатор концептуально разделяют на два или большее количество слоистых подструктур, изготавливаемых отдельно. Каждая слоистая подструктура содержит один или более слоев, и ее создают с помощью отдельных и, возможно, параллельно выполняемых операций, изготавливают непосредственно или получают предварительно изготовленные материалы. После приготовления слоистых подструктур их наслаивают друг на друга для образования актюатора. Наслоение можно осуществлять механическим сжатием, присоединением с образованием химической связи, тепловой или акустической пайкой, можно использовать самоадгезию поверхностей (например, с помощью сил Ван-дер-Ваальса) или некоторый другой способ наслоения, известный как таковой в данной области техники. Что касается второго объекта изобретения, то этим способом повышается эффективность, в частности, в случае, когда одна из слоистых подструктур включает в себя множество связанных слоев, содержит термически обрабатываемый или обрабатываемый излучением компонент, термически или химически упрочняемую композицию, предварительно напряженный слой, слой, получаемый нанесением покрытия на предварительно напряженную подложку, или любой другой компонент, изготавливаемый способом, требующим большого расхода времени, или компонент, изготовление которого должно быть физически выделено из по меньшей мере одного другого этапа изготовления для исключения загрязнения.

В одном варианте осуществления актюатор содержит электроактивный полимерный слой, растягиваемые электродные структуры, расположенные на каждой стороне, и пассивный слой, прикрепленный непосредственно к одной из растягиваемых электродных структур актюатора. Таким образом, только одна из электродных структур расположена между электроактивным полимерным слоем и пассивным слоем. Это обеспечивает деформирование актюатора в режиме погружения. Как отмечалось выше, режим изгиба возможен, если касательная растяжимость пассивного слоя и/или актюатора ограничены негибкими или жесткими элементами, присутствующими в актюаторе.

В одном варианте осуществления пассивный слой толще электроактивного полимерного слоя. В актюаторах такой конструкции подтверждается деформирование в режиме погружения.

В одном варианте осуществления пассивный слой мягче электроактивного полимерного слоя. Иначе говоря, модуль Yp упругости пассивного слоя меньше, чем модуль YEAP упругости электроактивного полимерного слоя. Отношение Yp/YEAP составляет не более чем 1,1, например, не более чем 1, например, не более чем 0,75, например, не более чем 0,5, например, не более чем 0,25, например, не более чем 0,1. Этот вариант осуществления можно сочетать с предшествующим вариантом осуществления для получения резко выраженного режима погружения при актюации.

В одном варианте осуществления пассивный слой имеет касательный модуль упругости не более чем 0,5 МПа, предпочтительно, не более чем 0,4 МПа и наиболее предпочтительно, около 0,3 МПа. В этом варианте осуществления подтверждается деформирование в режиме погружения.

В одном варианте осуществления пассивный слой имеет верхний слой с касательным модулем упругости, составляющим несколько гигапаскалей, и толщиной 1,5 мкм. В этом варианте осуществления подтверждается деформирование в режиме погружения.

В одном варианте осуществления электроактивный полимерный слой содержит композицию, имеющую в своем составе по меньшей мере один материал, выбранный из следующего перечня:

- акриловый полимер,

- поли[стирол-b-(сополимер этилена и бутилена)-b-стирол],

- полиуретан,

- поливинилхлорид,

- силикон, например силиконовый каучук.

Эти материалы имеют подходящие свойства для использования в качестве электроактивных полимерных материалов. Прежде всего, они имеют коэффициент Пуассона, равный или близкий к 0,5, которым гарантируется почти полная несжимаемость, при которой касательное сжатие происходит совместно с поперечным расширением, и наоборот. В частности, он найден экспериментально для работы в режиме погружения совместно с пассивным слоем, как в ранее упомянутых вариантах осуществления.

Регулируемые отражатели, которые могут легко сочетаться с признаками из уже изложенных вариантов осуществления, образуют дополнительную группу вариантов осуществления. В одном таком варианте осуществления пассивный слой имеет оптически отражающую внешнюю поверхность. Отражающая поверхность выполнена с возможностью отражения электромагнитного излучения в заданном диапазоне длин волн. Соответственно, отражающая поверхность является по существу гладкой для задач измерения и формирования изображения, тогда как шероховатая поверхность может быть пригодной, если отражатель используется как не формирующая изображение оптика для управления пучком, формирования пучка, перенаправления теплового излучения, концентрирования света для освещения и т.д. Геометрию отражателя можно регулировать путем изменения напряжения, прикладываемого между электродами слоистой структуры, и это означает, что такой отражатель функционально эквивалентен нескольким неподвижным отражателям. В частности, можно регулировать угол отражающей поверхности, чтобы управлять геометрией отраженных лучей, в особенности направлением их распространения. Регулируемые отражатели этого вида могут иметь криволинейную форму уже в релаксированном состоянии благодаря пассивному слою с неравномерной толщиной, образующему, например, вогнутую внешнюю поверхность, такую как сферическая или параболическая поверхность.

Отражающая внешняя поверхность может быть снабжена покрытием (таким как осажденное из паровой фазы), полученным прямым окрашиванием пассивного слоя (например, смесью отражающих частиц) или путем закрепления листа из отражающего материала на пассивном слое. В случае применения листа из отражающего материала предпочтительно, чтобы он был полимерным. Он может быть металлизированной полиэфирной пленкой, например металлизированным полиэтилентерефталатом. В частности, можно использовать Mylar®или Steinerfilm® с алюминиевым покрытием. Соответственно, отражающий слой, расположенный поверх пассивного слоя, оказывает ограниченное влияние на механические свойства пассивного слоя. Например, отражающий слой является податливым по отношению к изгибу, так что не вносит ограничений в режим погружения.

В одном варианте осуществления регулируемый отражатель расположен на текстурированной структуре, предусмотренной в пассивном слое актюатора, так что реализуется текстурированный отражатель. При приведении в действие актюатора может изменяться геометрия отражателя и, следовательно, текстурированной структуры. Кроме того, геометрия электродной структуры может позволять переключать отражатель между невозбужденной гладкой формой и возбужденной текстурированной формой. Например, сеточная электродная структура может приводить к образованию решетки квадратных зубцов на отражателе.

Прозрачные и, возможно, преломляющие актюаторы образуют еще одну группу вариантов осуществления, в которых актюатор содержит один прозрачный участок для заданного диапазона длин волн. Актюатор может быть целиком прозрачным или может иметь выделенную прозрачную область. При приведении актюатора в действие пассивный слой деформируется с получением измененных оптических свойств, включающих в себя ослабление, местоположение кардинальных точек преломляющей области, фокусное расстояние преломляющей области, поляризацию и рассеяние.

В одном варианте осуществления пассивный слой содержит преломляющую структуру или конфигурацию. Преломляющая структура может быть трехмерной структурой, выполненной непосредственно в пассивном слое. Кроме того, она может быть трехмерным преломляющим объектом, закрепленным на верхней части пассивного слоя, при этом преломляющий объект может иметь показатель преломления, отличающийся от показателя преломления пассивного слоя. В частности, преломляющий объект может быть линзой, такой как сферическая или френелевская линза.

При использовании одного из материалов, упомянутых ранее, подходящая толщина пассивного слоя может находиться в диапазоне от 10 мкм до 5 мм и предпочтительно, чтобы она не превышала 1 мм.

Следует отметить, что изобретение относится ко всем возможным сочетаниям признаков, перечисленных в формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Теперь эти и другие аспекты настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, иллюстрирующие варианты осуществления изобретения, на которых:

Фиг. 1 и 2 - виды доступных актюаторов с пассивными слоями, предназначенных для перемещения в режиме растяжения;

Фиг. 3 - вид доступного актюатора с пассивным слоем и участком ограниченной расширяемости по касательной, предназначенного для перемещения в режиме изгиба;

Фиг. 4 - вид актюатора согласно варианту осуществления изобретения, в котором предусмотрен улучшенный слой, предназначенного для перемещения в режиме погружения;

Фиг. 5 - вид актюатора согласно другому варианту осуществления изобретения, в котором отражающий верхний слой связан с пассивным слоем через промежуточный слой;

Фиг. 6 - вид актюатора согласно еще одному варианту осуществления изобретения, в котором отражающий верхний слой расположен на пассивном слое; и

Фиг. 7 - вид преломляющего актюатора с переменными оптическим свойствами согласно еще одному варианту осуществления изобретения.

Следует подчеркнуть, что в общем случае чертежи выполнены не в масштабе. Если не указано иное, на чертежах направления вверх и вниз необязательно совпадают с направлением гравитационного поля.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 4 представлено поперечное сечение актюатора согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На каждой стороне электроактивного полимерного (EAP) слоя 402 с характеристиками, рассмотренными в предшествующих разделах, расположены первая 410 и вторая 411 электродные сетки, предназначенные для приложения электрического поля к электроактивному полимерному слою 402. Подходящие материалы электродов включают в себя углеродную сажу, одно- или двустенные углеродные нанотрубки, графен и мягкие металлы. В применениях, в которых требуется прозрачность, например, в оптических приборах, электроды можно изготавливать из графена, полианилина (PANI) или поли(3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT). Можно считать, что электроды 410, 411 и электроактивный полимерный слой 402 образуют основную часть актюатора. Актюатор также содержит пассивный слой 401, прикрепленный к первой электродной сетке 410, в частности, для функционирования в соответствии с силами сдвига, прилагаемыми верхней стороной основной части актюатора. Актюатор показан в возбужденном состоянии, в котором ненулевое электрическое поле вызывает деформацию электроактивного полимерного слоя 402, при этом уменьшается толщина, а благодаря несжимаемости возрастает площадь поверхности. В таком случае актюатор рефлексирует до формы, показанной на чертеже, при этом участок увеличения площади поверхности нейтрализуется растяжением наружу краевой зоны от плоскости электроактивного полимерного слоя 402. Заметны относительно острые углы вдоль краевой зоны активной области (определяемой местоположением электродных сеток), и эти углы приводят к возникновению рельефной картины на верхней поверхности пассивного слоя 401.

На Фиг. 5 представлено поперечное сечение актюатора согласно дополнительному варианту осуществления изобретения. Электроактивный полимерный слой 502 снабжен адресуемыми электродными структурами 501 и 503, расположенными на каждой стороне и соединенными с блоком 510 питания. Электродные структуры 501 и 503 могут быть образованы языковидными элементами (непоказанными), которые могут по отдельности подключаться соответствующими переключателями 511 и 513 к одному из двух полюсов источника 512 напряжения. В практических ситуациях к электродам можно прикладывать напряжения в диапазоне от 150 В до 4000 В. Языковидные элементы соответствующих электродов 501 и 503 можно располагать в перпендикулярной ориентации, чтобы участок, где любые два язычка (их проекции) пересекаются, мог возбуждаться при установке переключателей 511 и 513 в соответствующие положения. Актюатор, показанный на Фиг. 5, также содержит пассивный слой 504, связующий слой 505 и отражающее покрытие 506, так что верхняя поверхность 507 может служить отражателем с регулируемой формой.

На Фиг. 6 представлено поперечное сечение актюатора с несколькими признаками, общими для актюатора с Фиг. 5. Одно отличие заключается в том, что отражающая поверхность 606 образована отражающей пленкой 605, закрепленной на пассивном слое 604. Пленка, которую предпочтительно формировать заранее другим способом, представляет собой тонкую податливую полимерную фольгу. Фольга покрыта металлом или содержит отражающие частицы. Для примера, толщина может быть 1,5 мкм. Как уже упоминалось, для этого можно использовать фольгу, продававшуюся на дату подачи данного документа под торговой маркой Mylar® или Steinerfilm®. Следует отметить, что фольга этих двух видов хорошо связывается с Silastic® без специального связующего вещества. Кроме того, в другом варианте осуществления фольга этих видов может быть непосредственно связана с электроактивным полимерным слоем 602, при этом также инициируется режим погружения.

Наконец, согласно изобретению, можно реализовать актюатор, состоящий из прозрачных слоев. На Фиг. 7 представлено поперечное сечение отражающего актюатора, пригодного для оптических применений. В этом случае электроактивный полимерный слой 702 состоит из нерастянутой пленки Nusil® 2186 компании DowCorning. Электроды 701 и 703 выполнены из (поли(3,4-этилендиокситиофен) поли (стиролсульфоната), нанесенного на электроактивный полимерный слой 702, при этом смачивание может поддерживаться с помощью соответствующего поверхностно-активного вещества. Модульная структура 704 линзы Френеля была изготовлена отдельно капельным способом литья Nusil® 2186 компании DowCorning в подходящую форму и затем закреплена на опорной части актюатора. Геометрию структуры 704 линзы можно изменять путем приложения электрических напряжений к участкам актюатора, вызывающих локальную деформацию, особенно в (пограничных) областях между активными и пассивными областями.

Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение не ограничено предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Напротив, многочисленные модификации и варианты возможны в рамках объема прилагаемой формулы изобретения. Например, варианты осуществления, раскрытые в данном документе, можно изменять путем замены материалов или введения дополнительных слоев, и, тем не менее, можно иметь режим погружения при подключении к источнику питания.

ПРИМЕР

Изобретение будет пояснено не создающим ограничения примером, имеющим отношение к актюатору типа, показанного на Фиг. 5.

Сначала формировали пленку из Nusil®CF2186 толщиной 80 мкм, используя, например ракельный нож для нанесения только что смешанных компонентов на антиадгезионную пластинку, такую как пластинка из Teflon®. Этот слой, из которого должен формироваться электроактивный полимерный слой слоистой структуры, отверждали при 60°С в течение одного часа. Затем растягиваемый электрод из углеродной сажи (например, Monarch® 1000) в n-гептане формировали поверх слоя Nusil® трафаретной печатью через структурированный трафарет. После этого более толстый, более мягкий полимер (например, Silastic®) получали литьем или наносили ракельным ножом на электроактивный полимерный слой и электрод. После полимеризации (например, для Silastic® в воздухе) получали пассивный слой, действующий как улучшающий текстуру слой с более низким модулем упругости, чем слой актюации: Silastic® имеет модуль около 0,3 МПа, тогда как Nusil® имеет модуль около 1 МПа. Для тактильных применений предпочтительно, чтобы толщина этого слоя была от 100 мкм до 5 мм. Для оптических применений, в которых более значительная степень податливости может быть предпочтительной, ее выбирали от 0,1 мкм до 1 мм. Наконец, для образования отражающей поверхности выполняли осаждение из паровой фазы хрома (15 нм) и затем алюминия (160 нм). Слой хрома действует как связующий слой между мягким пассивным слоем и отражающим алюминием.

Актюатор, изготовленный этим способом, работает в режиме погружения, который, как можно полагать, обусловлен асимметрией слоистой структуры. В активной области, в которой прикладывалось электрическое поле, поверхность актюатора (определяемая, например, неактивными областями) опускалась на 200 мкм ниже верхней плоскости актюатора. Актюация происходила в четко определенных областях. Было обнаружено, что актюатор быстро реагирует на прилагаемое электрическое поле: могут выполняться 1000 рабочих циклов в течение секунды.

В приведенном выше примере можно сделать изменения относительно:

- толщины электроактивного полимерного слоя: для ограничения необходимого напряжения возбуждения в общем случае предпочтительно, чтобы толщина dp была меньше 200 мкм; кроме того, толщина dp может быть по существу равна или меньше чем 80 мкм, или dp может быть по существу равна или меньше чем 40 мкм;

- выбора электроактивного полимерного материала: варианты представляют собой акриловые полимеры (такие как 3М™VHB™ 4905 или 4910), полиуретаны, поливинилхлорид и несколько силиконовых каучуков (таких как Elastosil®RT625 от Wacker, WL3010, WL5331, HS3, Sylgard® 186, 184 от DowCorning);

- формирования электродов: варианты включают в себя нанесение «сухих» частиц углеродной сажи, сцепляющихся с соответствующим образом структурированным полидиметилсилоксановым штампом, или использование металлических (и возможно, ионно-имплантируемых) материалов для образования электродных систем с различными растягиваемыми геометриями, такими как плоская, волнистая, структурированная или перфорированная; и

- выбора отражающих материалов: вместо алюминия в качестве отражающего материала могут использоваться благородные металлы, а хром может быть заменен слоем металла с аналогичными упругими и/или адгезионными свойствами.

1. Актюатор, содержащий:
электроактивный полимерный слой (402; 502; 602; 702),
растягиваемые электродные структуры (410, 411; 501, 503; 601, 603; 701, 703), расположенные на каждой стороне электроактивного полимерного слоя (402; 502; 602; 702), и
пассивный слой (401; 504; 604, 704), прикрепленный к одной из растягиваемых электродных структур (410, 411; 501, 503; 601, 603; 701, 703),
при этом растягиваемые электродные структуры (410, 411; 501, 503; 601, 603; 701, 703) имеют касательные модули Yel,1, Yel,2 упругости меньшие, чем касательный модуль YEAP упругости электроактивного полимерного слоя (402; 502; 602; 702), или по существу равные ему,
при этом пассивный слой (401; 504; 604, 704) способен упруго деформироваться при работе актюатора, является механически однородным во всех касательных направлениях и имеет оптически отражающую внешнюю поверхность (507; 606), которая расположена на текстурированной структуре, выполненной в пассивном слое (401; 504; 604, 704), при этом по меньшей мере одно геометрическое свойство текстурированной структуры изменяется при деформировании пассивного слоя (401; 504; 604, 704).

2. Актюатор по п.1, в котором пассивный слой (401; 504; 604, 704) прикреплен непосредственно к одной из растягиваемых электродных структур (410, 411; 501, 503; 601, 603; 701, 703).

3. Актюатор по п.1, в котором толщина dp пассивного слоя (401; 504; 604, 704) больше, чем толщина dEAP электроактивного полимерного слоя (402; 502; 602; 702), или по существу равна ей.

4. Актюатор по п.1, в котором отношение Yp/YEAP касательного модуля Yp упругости пассивного слоя (401; 504; 604, 704) и касательного модуля YEAP упругости электроактивного полимерного слоя (402; 502; 602; 702) составляет не более чем 1,1.

5. Актюатор по п.1, в котором пассивный слой (401; 504; 604, 704) имеет касательный модуль Yp упругости не более чем 0,5 МПа.

6. Актюатор по п.1, в котором электроактивный полимерный слой (402; 502; 602; 702) содержит материал, выбранный из группы, состоящей из акрилового полимера, поли[стирол-b-(сополимер этилена и бутилена)-b-стирола], полиуретана, поливинилхлорида и силикона.

7. Актюатор по п.1, в котором оптически отражающая поверхность (507; 606) образована по меньшей мере одной металлизированной полимерной пленкой (606), прикрепленной к пассивному слою (401; 504; 604, 704).

8. Актюатор по п.1, содержащий оптически прозрачный участок, при этом по меньшей мере одно оптическое свойство пассивного слоя (401; 504; 604, 704) изменяется при деформировании пассивного слоя (401; 504; 604, 704).

9. Актюатор по п.8, в котором указанное по меньшей мере одно оптическое свойство представляет собой одно из ослабления, местоположения кардинальных точек, фокусного расстояния, поляризации и рассеяния.

10. Актюатор по п.9, в котором пассивный слой (401; 504; 604, 704) содержит оптически прозрачный участок, который ограничен непрозрачным участком, тем самым задавая переменный оптический аподизатор.

11. Актюатор по п.9, в котором пассивный слой (401; 504; 604, 704) содержит оптически преломляющую структуру (704).

12. Актюатор по п.1, в котором толщина dp пассивного слоя (401; 504; 604, 704) составляет от 10 мкм до 5 мм.

13. Способ изготовления актюатора по п.1, содержащий этапы, на которых:
задают разделение актюатора на слоистые подструктуры;
создают слоистые подструктуры, по меньшей мере одна из которых содержит отверждаемый полимер; и
соединяют слоистые подструктуры друг с другом для формирования актюатора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к многослойному пьезоэлектрическому элементу, содержащему слои пьезоэлектрического материала и электроды, включая в себя внутренний электрод, при этом слои пьезоэлектрического материала и электроды укладываются поочередно; каждый слой пьезоэлектрического материала содержит в качестве основного компонента оксид металла типа перовскита, представленный с помощью общей формулы (1), и марганец, включенный в состав оксида металла типа перовскита (Ba1-xCax)a(Ti1-yZry)O3, где 1,00≤a≤1,01, 0,02≤x≤0,30, 0,020≤y≤0,095 и y≤x (1); и содержание марганца на металлической основе по отношению к 100 весовым частям оксида металла типа перовскита составляет 0,02 весовые части или более и 0,40 весовых частей или менее.

Группа изобретений относится к обработке поглощающих изделий, непрерывно подаваемых в устройство для обработки и имеющих переменную толщину в направлении обработки.

Изобретение относится к области пьезоэлектрических преобразователей. .

Изобретение относится к электротехнике, к устройствам механического перемещения объектов вдоль одной координаты и может быть использовано, например, в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) для сближения зонда и образца либо для перемещения образцов в установках электронного, ионного, зондового или иного воздействия.

Изобретение относится к устройствам механического перемещения объектов вдоль одной координаты. .

Изобретение относится к электронным устройствам с обратной тактильной связью. .

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах позиционирования для линейного и вращательного привода различных устройств в прецизионном приборостроении и нанотехнологическом оборудовании.

Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано в линейных пьезоэлектрических двигателях. .

Изобретение относится к устройствам точного позиционирования образца в сверхвысоком вакууме при помощи пьезоэлектрических двигателей и системы емкостных датчиков в установках с фокусированным ионным или электронным пучком, в которых формируются наноэлементы.

Изобретение относится к двигателям прецизионного перемещения. .
Наверх