Электроактивный полимерный исполнительный механизм



Электроактивный полимерный исполнительный механизм
Электроактивный полимерный исполнительный механизм
Электроактивный полимерный исполнительный механизм
Электроактивный полимерный исполнительный механизм

 


Владельцы патента RU 2589245:

КОНИНКЛЕЙКЕ ФИЛИПС ЭЛЕКТРОНИКС Н.В. (NL)

Использование: для электроактивных полимерных исполнительных механизмов. Сущность изобретения заключается в том, что исполнительный механизм содержит слой электроактивного полимера, эластичную электродную структуру, размещенную на первой стороне слоя электроактивного полимера, слой противоэлектрода, размещенный на второй стороне слоя электроактивного полимера, и пассивный слой, который прикреплен к стороне эластичной электродной структуры, причем пассивный слой образует опорный слой для прикрепления исполнительного механизма к подложке, при этом эластичная электродная структура имеет касательный модуль упругости Yel, который меньше или практически равен модулю упругости YEAP слоя электроактивного полимера, и отношение Yc/YEAP касательного модуля упругости Yc слоя противоэлектрода и касательного модуля упругости YEAP слоя электроактивного полимера составляет, по меньшей мере, 10. Технический результат: обеспечение возможности создания механизма с режимом срабатывания для создания относительно острых кромок без добавления дополнительных слоев. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Описанное здесь изобретение в основном относится к электроактивным полимерным исполнительным механизмам. В частности, оно относится к исполнительному механизму с асимметричной слоистой структурой, включающему в себя один многофункциональный электрод, выполненному с возможностью локализованного внеплоскостного срабатывания.

Изобретение также относится к способу изготовления такого исполнительного механизма.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Диэлектрические исполнительные механизмы в виде ламинатов (либо многослойных структур, либо слоистых материалов) относятся к быстроразвивающейся области техники. Простой диэлектрический исполнительный механизм может содержать слой электроактивного полимера (ЕАР) и два электрода для приложения электростатической силы и вызывания посредством этого упругой деформации полимерного слоя в касательном (в плоскости) и/или поперечном (вне плоскости) направлении. Более сложные диэлектрические исполнительные механизмы могут содержать дополнительные функциональные слои, такие как оптически отражающие или просветляющие слои, улучшающие текстуру слои, электропроводящие и/или теплопроводные слои и т.д.

На тот способ, которым диэлектрический исполнительный механизм реагирует на приложенное электрическое поле, может влиять добавление пассивных слоев. В заявке, опубликованной под номером US 2008/0289952, описывается исполнительный механизм, покрытый одним или более пассивных полимерных слоев. Пассивные слои косвенно реагируют на изменения в возбуждающем поле под действием поперечных сил, приложенных к ним со стороны исполнительного механизма. При этом, как показано на фиг. 1 настоящей заявки, расширение активной области D между электродами Е1, Е2 исполнительного механизма растягивает пассивные слои PL1, PL2 таким образом, что на внешней поверхности TDS ламината TDU образуется приподнятая кромка, соответствующая границе активной области D. (Необходимо отметить, что видимое различие в размерах электродов Е1, Е2 не является особенностью, общей для всех исполнительных механизмов данного типа.) Для дополнительной иллюстрации такого перемещения в режиме растягивания на фиг. 2 показано, как сжатие - и сопутствующее планарное растяжение - этой части ЕАР слоя 202, который расположен между двумя электродами 210, 211, вызывает усиленное сокращение толщины окружающих пассивных слоев 210, 211 за счет эффекта Пуассона. Материал, составляющий приподнятую кромку, поступает из активной области благодаря растягиванию последней в более тонкую форму; такое растягивание может и не быть приемлемым во всех применениях.

В работе Ку и Янга с соавторами «Разработка носимого тактильного дисплея на основе мягкого исполнительного механизма» (IEEE Trans. Robotics, том 24, № 3 (июнь 2008 г.), стр. 549-558) описывается диэлектрический исполнительный механизм, часть которого выполнена с возможностью изгибающего движения, как показано на фиг. 3 настоящей заявки. Активная часть 320 исполнительного механизма 302, 310, 311 зафиксирована внутри жесткой граничной рамки (не показана), поэтому не имеет упругого контакта с окружающей частью 321. Фиксация ограничивает касательное расширение и вместо этого вызывает в исполнительном механизме внеплоскостную деформацию, причем предпочтительное направление изгиба определяется наличием пассивного слоя 301. Хотя исполнительные механизмы такого типа могут достигать относительно большой амплитуды деформации, они, как правило, неспособны образовывать острые кромки, поэтому не являются идеальными для тактильных применений. Кроме того, оказалось, что работающие в режиме изгиба исполнительные механизмы имеют наилучшие эксплуатационные качества для симметричных форм, таких как квадратные или круглые, и, следовательно, не будут совместимы со слишком сложными формами электрода.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является преодоление этих ограничений и создание исполнительного механизма с режимом срабатывания для создания относительно острых кромок при расширении только в плоскости в определенных пределах. Второй целью является обеспечение этого с помощью конструктивно простого исполнительного механизма без добавления дополнительных слоев. Еще одной целью является создание эффективного способа изготовления такого исполнительного механизма.

В соответствии с первым вариантом изобретения, по меньшей мере, одна из этих целей достигается с помощью исполнительного механизма, содержащего слой электроактивного полимера (ЕАР) и эластичную электродную структуру, расположенную на первой стороне слоя ЕАР. Электродная структура является эластичной (или более мягкой) в том смысле, что ее модуль упругости (модуль Юнга) меньше или практически равен модулю упругости слоя ЕАР. Электродная структура не обязательно должна покрывать первую сторону слоя ЕАР, а может быть решетчатой или перфорированной. В соответствии с изобретением исполнительный механизм дополнительно содержит слой противоэлектрода, расположенный на второй стороне слоя ЕАР. Слой противоэлектрода является более жестким, чем слой ЕАР, причем его модуль упругости по меньшей мере в 10 раз больше модуля упругости слоя ЕАР, предпочтительно - по меньшей мере в 50 раз, более предпочтительно - по меньшей мере в 100 раз, еще более предпочтительно - по меньшей мере в 200 раз, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере в 500 раз. (В случае анизотропных материалов модули упругости для касательных (в плоскости) деформаций являются наиболее соответствующими.)

Исполнительный механизм данного изобретения дополнительно содержит пассивный слой, который расположен на той стороне слоя электроактивного полимера, на которой размещается эластичная электродная структура, то есть обращенной в сторону от поверхности, на которой должна создаваться приподнятая или тактильная структура. В действительности пассивный слой главным образом предназначен для формирования опорного слоя для прикрепления исполнительного механизма к подложке. Из практических соображений подложку можно считать твердой. В большинстве вариантов осуществления она не предназначается для использования в качестве слоя улучшения текстуры или толщины. Подложка может являться жесткой поверхностью, например частью корпуса устройства, для которого исполнительный механизм служит в качестве устройства ввода или вывода. При использовании такой структуры, несомненно, слой противоэлектрода все же образует внешнюю поверхность исполнительного механизма, посредством этого защищая более мягкие слои от прикосновения.

При подаче электродными структурами напряжения на слой ЕАР в том, что будет именоваться его активной областью, активная область будет сжиматься в поперечном направлении и стремиться к увеличению ее площади. Поскольку слой противоэлектрода является более жестким, чем эластичная электродная структура, исполнительный механизм будет локально деформироваться. Точнее говоря, деформация будет ограничена активной областью и непосредственно прилегающей к ней областью, поэтому внутренняя часть этой области смещается от плоскости при сохранении ориентации практически параллельной ее исходному положению. Зона на границе и вокруг границы активной области будет в некоторой степени перемещаться в направлении толщины и, как правило, будет ориентирована не параллельно плоскости исполнительного механизма. Благодаря изгибу его граничной зоны слой ЕАР при сжатии может релаксировать в состояние равновесия, практически не вызывая деформации окружающих его областей; таким образом - и отчасти ввиду более жесткого слоя противоэлектрода - увеличение размера, вызываемое электрическим полем, будет по существу ограничено активной областью, при этом ее большая часть нейтрализуется наружным выступом граничной зоны из плоскости слоя ЕАР. Благодаря созданию исполнительного механизма с возможностью его деформации таким образом, в дальнейшем именуемой деформацией в режиме погружения, изобретение достигает своей первой и второй целей.

Без учета конкретной теоретической модели предполагается, что один из механизмов, облегчающих эту локализованную внеплоскостную деформацию, состоит в том, что напряжение Максвелла (во всех трех измерениях) возникает в активной области, а не за ее пределами. Следовательно, острые кромки с большей вероятностью появятся в случае, если кромки электрода являются четко очерченными. Слой ЕАР легче расширяется в сторону свободного электрода, который не находится вблизи пассивного слоя, и, следовательно, будет располагаться на выпуклой стороне релаксированной конфигурации ламината, к которой приложено электрическое поле.

Преимущество данного изобретения состоит в том, что оно создает значительную вертикальную амплитуду (глубокий рельеф) при небольших расходах энергии. Причина состоит в том, что по сравнению с работающими в режиме растягивания исполнительными механизмами со слоем увеличения толщины на стороне «пользователя» перемещается меньшее количество материала. Это является следствием того, что слой увеличения толщины в возбужденном работающем в режиме растягивания исполнительном механизме деформируется в конфигурацию, в которой он имеет меньшую толщину, чем в релаксированном состоянии. Две стороны слоя увеличения толщины приближаются друг к другу. Напротив, исполнительные механизмы в соответствии с данным изобретением могут создавать улучшающие текстуру кромки посредством смещения ограниченной области вне плоскости практически в одном единственном (поперечном) направлении; две стороны слоя сдвигаются практически параллельно друг другу. Таким образом, данное изобретение достигает сопоставимого улучшения текстуры, по меньшей мере, с тактильной точки зрения при эксплуатации при более низких локальных напряжениях, поэтому требуемое максимальное напряжение ниже, а потребление энергии за период эксплуатации снижается. Кроме того, при том же напряжении могут достигаться более значительные деформации.

Другое преимущество данного изобретения по сравнению с исполнительными механизмами типа, описанного в US 2008/0289952, состоит в том, что использование предварительно деформированных пленок исполнительного механизма не является обязательным. Это упрощает изготовление. Предварительное деформирование больше способствует деформации в режиме растягивания и сопутствующему образованию приподнятых кромок, чем деформация в режиме погружения; например, предварительное деформирование может способствовать утолщению слоя ЕАР вокруг границы активной области.

Еще одно преимущество состоит в том, что не обязательно также использовать электроды, которые могут растягиваться в касательном (в плоскости) направлении, поскольку в режиме погружения кромки создаются опускающейся частью пассивного слоя, а не растягиванием пассивного слоя по касательной. Это дает разработчику больше свободы; в частности, поскольку электроды при этом могут быть выполнены в виде устойчивых, практически неэластичных поверхностей, отражающая поверхность может быть размещена непосредственно на исполнительном механизме.

Другое преимущество изобретения состоит в том, что оно обеспечивает время переключения длительностью менее одной секунды. В некоторых примерах была экспериментально измерена частота переключения до 1000 Гц.

Увеличение размера в плоскости обычно является более локализованным для исполнительного механизма, изготовленного из материалов с меньшей жесткостью при изгибе, то есть материалов, которые являются тонкими и/или имеют меньший модуль упругости при сдвиге. Такое соотношение применимо ко всем компонентам исполнительного механизма и, в частности, к соответствующим электродным слоям, которые часто оказывают решающее влияние - при заданной комбинации материалов исполнительного механизма - на остроту кромок.

Необходимо отметить, что слой противоэлектрода является многофункциональным - он выполняет как функцию электрического проводника, так и функцию повышающего жесткость слоя, обеспечивающего исполнительному механизму его типичные механические свойства, - и посредством этого способствует компактности конструкции исполнительного механизма. Слой противоэлектрода дополнительно служит для защиты слоя ЕАР, который при прикосновении пальцем человека обычно создает ощущение липкости. Аналогичная защита не была бы обеспечена с помощью эластичного электрода, поскольку он тоньше, мягче и не всегда является сплошным.

Во втором варианте данного изобретения предлагается способ изготовления исполнительного механизма в соответствии с первым вариантом. С помощью данного способа изготавливаемый исполнительный механизм согласно способу делится на два или более субламинатов, изготавливаемых по отдельности. Каждый субламинат содержит один или более слоев и обеспечивается отдельными, а возможно, и параллельными, процедурами либо для непосредственного изготовления, либо для получения предварительно изготовленных материалов. После подготовки субламинатов последние ламинируются вместе для образования исполнительного механизма. Ламинация может осуществляться с помощью механического сжатия, химического связывания, тепловой или акустической сварки, использования самостоятельного слипания поверхностей (например, за счет сил Ван-дер-Ваальса) или какого-либо иного известного в чистом виде способа ламинации. В соответствии с третьей целью данного изобретения данный способ повышает эффективность, в частности, в том случае, если по меньшей мере один из субламинатов содержит множество соединенных слоев, содержит термообработанный компонент, отверждающееся при нагревании соединение, радиационно или химически действующие присадки, одноосно или многоосно предварительно натянутый слой, слой, изготовленный путем покрытия предварительно натянутой подложки, или любой иной компонент, изготовленный занимающим много времени способом или требующий изготовления физически отдельно от, по меньшей мере, одного этапа изготовления, чтобы избежать загрязнения или вызываемого изменением температуры повреждения.

В одном варианте осуществления (касательный) модуль упругости слоя противоэлектрода по меньшей мере в 50 раз больше модуля слоя ЕАР, например по меньшей мере в 100 раз больше, например по меньшей мере в 200 раз больше, например по меньшей мере в 500 раз больше.

В одном варианте осуществления произведение (касательного) модуля упругости и толщины слоя противоэлектрода по меньшей мере в 2 раза больше модуля слоя ЕАР, например по меньшей мере в 10 раз больше, например по меньшей мере в 50 раз больше, например по меньшей мере в 100 раз больше. Для некоторых материалов обнаружено, что мягкость, растяжимость, жесткость и связанные с этим механические свойства более точно отражаются с помощью значений показателя жесткости, который является произведением толщины и модуля упругости d×Y (размерность: единица силы на единицу длины). Для таких материалов утверждение о том, что слой противоэлектрода жестче слоя ЕАР, будет эквивалентно утверждению о том, что слой противоэлектрода имеет больший показатель жесткости, чем слой ЕАР, то есть dc×Yc>dEAP×YEAP.

В одном варианте осуществления слой противоэлектрода имеет приблизительно такую (касательную) жесткость, которая создается слоем материала толщиной 1,5 мкм с модулем упругости около 4 ГПа.

В одном варианте осуществления исполнительный механизм помимо одного уже описанного эластичного электрода содержит один слой противоэлектрода, который является механически однородным по всем касательным (в плоскости) направлениям. В противоположность этому, существующие исполнительные механизмы, работающие в режиме изгиба, содержат слои с постоянной касательной расширяемостью, причем такие слои, как правило, прикреплены к слою ЕАР. Ограничение может быть вызвано упругими свойствами, изменяющимися по поверхности, либо жесткими или твердыми элементами, размещенными в материале. Поскольку это сделало бы исполнительный механизм склонным к деформации скорее в режиме изгиба, чем в требуемом режиме погружения, в настоящем варианте осуществления имеется однородный слой противоэлектрода.

В одном варианте осуществления слой ЕАР в слое исполнительного механизма включает в себя соединение, содержащее, по меньшей мере, один материал, выбираемый из следующего списка:

- акриловый полимер, например лента 3MTM VHBTM,

- поли[стирол-b-(сополимер этилена с бутиленом)-b-стирол],

- полиуретан,

- поливинилхлорид,

- силикон, например силиконовый каучук.

Эти материалы продемонстрировали подходящие свойства в качестве материалов ЕАР. К примеру, они имеют коэффициент Пуассона, равный 0,5 или близкий к этой величине, что обеспечивает почти несжимаемое поведение, посредством чего касательное сокращение происходит одновременно с поперечным расширением и наоборот. В примерах было экспериментально обнаружено, что в режиме погружения в совокупности с пассивным слоем они ведут себя так, как в вышеупомянутых вариантах осуществления.

В одном варианте осуществления эластичная электродная структура включает в себя соединение, содержащее, по меньшей мере, один материал, выбираемый из следующего списка:

- углеродная сажа,

- углеродные нанотрубки,

- графен,

- полианилин (PANI) и

- поли(3,4-этилендиокситиофен)(PEDOT), например поли(3,4-этилендиокситиофен)поли(стиролсульфонат)(PEDOT:PSS).

Эти слои имеют низкую упругую жесткость и хорошо взаимодействуют с типичным слоем ЕАР. Графен, PANI, PEDOT и PEDOT:PSS в высокой степени (хотя и не обязательно полностью) прозрачны или могут применяться в качестве высокопрозрачных слоев и, следовательно, пригодны для оптических (рефракционных) применений.

В одном варианте осуществления противоэлектрод имеет оптически отражающую поверхность, такую как поверхность, покрытая металлом, например, с помощью осаждения из паровой фазы. В соответствии с другим вариантом он может быть изготовлен из оптически отражающего материала, такого как материал, имеющий некоторую долю отражательных частиц. В данном варианте осуществления слой противоэлектрода выполняет тройную роль и, следовательно, вносит положительный вклад в упрощение конструкции исполнительного механизма. Если противоэлектрод изготовлен из прозрачного материала, отражающий слой может располагаться либо на стороне, обращенной внутрь (то есть обращенной к слою ЕАР), либо на стороне, обращенной наружу. Отражающая поверхность выполнена с возможностью отражения электромагнитного излучения в заданном диапазоне длин волн. Соответственно, отражающая поверхность является практически гладкой в целях измерения или формирования изображений, несмотря на то, что более простая обработка поверхности может оказаться подходящей, если отражатель служит в качестве «не формирующей изображения оптики» для управления лучом, формирования луча, перенаправления теплового излучения, концентрирования излучения для освещения и т.д. Геометрия излучателя может регулироваться путем изменения напряжения, приложенного к электродам исполнительного механизма, что означает, что такой отражатель функционально эквивалентен нескольким закрепленным отражателям. В частности, угол отражающей поверхности может регулироваться таким образом, что можно управлять геометрией отраженных лучей, в частности направлением их распространения. Регулируемые отражатели такого типа могут иметь криволинейную форму уже в своем релаксированном состоянии, например, образуя верхнюю поверхность вогнутой формы, такую как сферическая или параболическая поверхность.

В дальнейшей разработке предыдущего варианта осуществления оптически отражающая поверхность предусмотрена на стороне, обращенной наружу, следовательно, на наружной стороне исполнительного механизма в целом. Преимущество такой конструкции состоит в том, что свет не проходит через материал противоэлектрода до и после отражения, что в противном случае влекло бы за собой изменение цвета, общее затухание или иные нежелательные изменения.

В качестве альтернативы отражающий слой размещается на внутренней стороне, обращенной к слою ЕАР. Если отражающий слой является единственным находящимся под электрическим напряжением слоем противоэлектрода, а прозрачный слой является электроизолирующим, то последний может служить в качестве защиты пользователя.

В одном варианте осуществления слой противоэлектрода является полимерным. Это может быть пленка из металлизированного полиэстера, такого как металлизированный полиэтилентерефталат (РЕТ). В частности, может использоваться алюминированный Майлар® или Steinerfilm®. Соответственно, металлическое покрытие является настолько тонким и/или механически подобным, что оно оказывает ограниченное влияние на механические свойства слоя противоэлектрода. Например, отражающий слой поддается изгибу с тем, чтобы не ограничивать поведение в режиме погружения.

В одном варианте осуществления слой противоэлектрода является относительно тонким. Это обеспечивает достаточную пластичность, поэтому обеспечивается появление острых кромок, например, на границе области активного электрода для формирования поверхности исполнительного механизма. Выбираемый материал противоэлектрода предпочтительно согласуется с требуемой толщиной слоя противоэлектрода с тем, чтобы обеспечивалась необходимая (касательная) жесткость. В частности, толщина может составлять не более 10 мкм. Предпочтительно она составляет не более 5 мкм, а предпочтительнее всего - не более 2 мкм.

В одном варианте осуществления исполнительный механизм данного изобретения дополнительно содержит пассивный слой, который расположен на той стороне слоя электроактивного полимера, на которой размещается эластичная электродная структура, то есть обращенной в сторону от поверхности, на которой должна создаваться приподнятая или тактильная структура. В действительности пассивный слой главным образом предназначен для формирования опорного слоя для прикрепления исполнительного механизма к подложке. Из практических соображений подложку можно считать твердой. В большинстве вариантов осуществления она не предназначается для использования в качестве слоя улучшения текстуры или толщины. Подложка может являться жесткой поверхностью, например частью корпуса устройства, для которого исполнительный механизм служит в качестве устройства ввода или вывода. При использовании такой структуры, несомненно, слой противоэлектрода все же образует внешнюю поверхность исполнительного механизма, посредством этого защищая более мягкие слои от прикосновения.

Для реализации своего назначения в качестве опорного и/или крепежного слоя пассивный слой предпочтительно является достаточно мягким с тем, чтобы не влиять на перемещения исполнительного механизма в ответ на приложенное электрическое поле. В частности, пассивный слой может содержать мягкий эластомер и/или мягкий пенопласт.

Предпочтительно толщина пассивного слоя больше или практически равна толщине слоя ЕАР. Это является преимуществом, особенно в случае если используется мягкий пассивный слой, поскольку даже большие деформации не будут существенно влиять на локальную упругость пассивного слоя.

В одном варианте осуществления пассивный слой является механически однородным, по меньшей мере, во всех касательных направлениях. В отличие от неоднородных пассивных слоев, которые иногда входят в состав существующих исполнительных механизмов, работающих в режиме изгиба для ограничения их расширяемости, такой однородный пассивный слой способствует перемещению в режиме погружения.

В одном варианте осуществления пассивный слой является сплошным и изготовленным из мягкого пеноматериала.

В одном варианте осуществления несплошной пассивный слой выполняет функцию опорного слоя. Например, опорный слой может располагаться только на кромках исполнительного механизма таким образом, что исполнительный механизм свободно подвешен между кромками. В качестве альтернативы пассивный слой располагается под исполнительным механизмом, но содержит полости (сквозные отверстия, проходящие в поперечном направлении) на активных областях, в которых может возникнуть деформация. Несплошной пассивный слой, расположенный таким образом, обеспечивает опору, в минимальной степени нарушая способность исполнительного механизма к деформации.

Необходимо отметить, что данное изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, изложенных в формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Этот и другие варианты настоящего изобретения подробно описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, демонстрирующие варианты осуществления изобретения, на которых:

на фиг. 1 и 2 показаны существующие исполнительные механизмы с пассивными слоями для перемещения в режиме растягивания;

на фиг. 3 показан существующий исполнительный механизм с пассивным слоем и часть, имеющая ограниченную касательную расширяемость, для перемещения в режиме изгиба;

на фиг. 4 показан исполнительный механизм в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения в режиме покоя;

на фиг. 5 показан исполнительный механизм, изображенный на фиг. 4, в возбужденном режиме;

на фиг. 6 показан исполнительный механизм, содержащий пассивный слой, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.

Необходимо отметить, что чертежи в основном выполнены не в масштабе. Если не указано иное, направления вверх и вниз на чертеже не обязательно соответствуют ориентации гравитационного поля.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг. 4 представляет собой вид в разрезе исполнительного механизма в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. На одной стороне слоя 402 электроактивного полимера (ЕАР) с характеристиками, которые обсуждались в предыдущих разделах, размещена эластичная электродная структура 403. Структура 403 показана на чертеже в виде сплошного слоя, покрывающего верхнюю сторону слоя ЕАР 402, но может, тем не менее, быть выполнена в виде ажурной структуры, например решетки пересекающихся лепестков или язычков, имеющих общую плотность, соответствующим образом выбираемую для согласования низкой общей упругой жесткости с приемлемой (касательной) однородностью приложенного электрического поля. Примеры подходящих материалов для эластичной электродной структуры приведены выше. Исполнительный механизм дополнительно содержит слой 401 противоэлектрода, прикрепленный к слою 402 ЕАР. Слой 401 противоэлектрода является электропроводящим и отличается от эластичной электродной структуры 403 главным образом значительно большей жесткостью, по меньшей мере, в касательном (в плоскости) направлении. Рекомендации по выбору механических свойств материала противоэлектрода приведены выше; например, модуль упругости противоэлектрода может составлять свыше 1 ГПа, целесообразно около 4 ГПа, а модуль упругости ЕАР может находиться в диапазоне от 10 кПа до 5 МПа. Вместе с блоком 410 питания эластичная электродная структура 403 и слой 401 противоэлектрода могут использоваться для приложения электрического поля к слою 402 ЕАР. Как дополнительно показано на фиг. 4, каждый из электродов 401, 403 разделен на множество альтернативных областей, которые могут выбираться с помощью соответствующих переключателей 411, 413 для соединения области с источником 412 напряжения в блоке 410 питания.

На фиг. 5 показан исполнительный механизм, изображенный на фиг. 4, в возбужденном состоянии, в котором ненулевое электрическое поле вызывает деформацию слоя 402 ЕАР с уменьшением толщины и, благодаря несжимаемости, с увеличением площади поверхности. Исполнительный механизм релаксирует в форму, показанную на чертеже, в которой часть увеличения площади поверхности нейтрализуется тем, что граничная зона выбранной активной области простирается наружу из плоскости слоя 402 ЕАР, посредством этого ограничивая расширение в плоскости вокруг активной зоны. Заметны относительно острые углы вдоль граничной зоны активной области, в которой прикладывается напряжение. Эти углы образуют тисненый рисунок на верхней поверхности исполнительного механизма.

Для изготовления исполнительного механизма, изображенного на фиг. 4 и 5, можно действовать в соответствии с приведенным ниже примером или одной из его возможных модификаций.

Фиг. 6 представляет собой вид в разрезе исполнительного механизма. Исполнительный механизм состоит из слоя 601 противоэлектрода, слоя 602 ЕАР толщиной dp и эластичной электродной структуры 603. Исполнительный механизм дополнительно содержит пассивный слой 604, который прикреплен к стороне эластичного электрода исполнительного механизма и имеет толщину dEAP. Пассивный слой 604 предпочтительно несколько толще, чем слой 602 ЕАР, чтобы обеспечивать неограниченную деформацию исполнительного механизма даже в случае, если пассивный слой 604 прикреплен к подложке (не показана), расположенной на верхней стороне исполнительного механизма на данном чертеже. В действительности, при большом поперечном сжатии пассивного слоя 604 между исполнительным механизмом и подложкой пассивный слой 604 может локально оказывать на исполнительный механизм ощутимую реактивную силу, посредством этого отступая от своего предусмотренного назначения, состоящего в нейтральном и плавном поддержании исполнительного механизма.

Изображенный на фиг. 6 исполнительный механизм может изготавливаться аналогично исполнительному механизму, изображенному на фиг. 4, либо с использованием отражающего (например, металлизированного), либо не отражающего слоя противоэлектрода. Пассивный слой 604 может осаждаться и отверждаться непосредственно на верхней стороне эластичной электродной структуры 603 при условии, что данная операция не включает в себя химические вещества, радиационную, тепловую или иную обработку, которая является потенциально вредной для исполнительного механизма. В качестве альтернативы пассивный слой 604 изготавливается в ходе отдельного процесса, а затем соединяется с исполнительным механизмом. Последняя альтернатива способна сократить время, требуемое для изготовления, и может также иметь преимущество, состоящее в том, что она ограничивает загрязнение и повреждения тех слоев ламината, которые уже завершены.

Пассивный слой 604, как правило, может состоять из того же материала, что и слой 602 ЕАР, или из аналогичного материала. Предпочтительно пассивный слой 604 является таким же мягким, как и слой 602 ЕАР, или мягче его. Пассивный слой 604 может, например, изготавливаться из мягкого эластомера, такого как Silastic®. При выборе материала пассивного слоя можно также учитывать его способность к соединению с предполагаемой подложкой.

Хотя на чертеже он и показан символически как сплошное тело, пассивный слой 604 может содержать одну или более полостей. В одном примере полости могут предусматриваться рядом с каждой активной областью (или каждой отдельно функционирующей частью электрода). Поэтому в конкретном случае, когда исполнительный механизм размещен в горизонтальном положении, имеется полость непосредственно над каждой активной областью или под ней. В другом примере одна полость может проходить над всеми активными областями таким образом, что исполнительный механизм опирается (удерживается) в основном на своих кромках. Если опорный слой 604 содержит полости, то предпочтительно они ориентируются по активным областям соответствующих электродов перед тем, как опорный слой 604 прикрепляется к исполнительному механизму.

Предполагается применять настоящее изобретение к адаптивной оптике, в частности в сферах применения адаптивного освещения. Например, осветительные устройства могут быть снабжены адаптивными зеркалами, обеспечивающими пространственное перенаправление излучаемого света. После того как выбраны материалы прозрачного электрода и ЕАР, данное изобретение также может быть реализовано в виде регулируемого преломляющего элемента. Кроме того, верхний слой исполнительного механизма может использоваться для реализации тактильной поверхности для взаимодействия с пользователем, такой как сенсорный экран с рельефом приподнятых кнопок.

Специалисту должно быть понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничивается вышеописанными предпочтительными вариантами осуществления. Напротив, возможны различные варианты осуществления данного изобретения в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Например, описанные в данной заявке варианты осуществления могут быть изменены заменой материалов или добавлением дополнительных слоев и могут тем не менее - благодаря асимметрии новых структур - демонстрировать аналогичное режиму погружения поведение при возбуждении.

Пример

Не ограничиваясь нижеследующим, данное изобретение иллюстрируется ниже на примере, относящемся к исполнительному механизму такого типа, как изображен на фиг. 4 и 5.

Пленка ЕАР в виде слоя Nusil® CF19-2186 толщиной 80 мкм была изготовлена с помощью покрытия ракельным устройством на подходящей поверхности, например пластине из Тефлона®. После отверждения в печи была получена имеющая хорошие эксплуатационные качества диэлектрическая исполнительная пленка. Во-вторых, на одной стороне диэлектрической пленки был осажден эластичный электрод. В целях данной заявки «эластичный», в частности, означает, что он может существенно изменяться в длине без существенных повреждений материала, таких как механический разрыв или потеря электропроводности. В данном примере эластичный электрод был изготовлен из углеродной сажи. На другой стороне диэлектрической пленки осаждалась (формовалась) фольга из алюминированного Майлара® толщиной 1,5 мкм, служащая в качестве как противоэлектрода, так и отражающей поверхности. Фольга из Майлара® наносилась с обращенной наружу отражающей поверхностью, и это дает более нейтральное отражение, не подверженное влиянию оптических свойств пленки из Майлара®.

Исполнительный механизм в соответствии с приведенным выше примером работал в режиме погружения, который считался вызванным асимметрией системы, которую внесла пленка РЕТ. В активной области, в которой прикладывалось электрическое поле, пленка РЕТ погружалась ниже плоскости исполнительного механизма в отчетливо выраженных областях. В конкретном случае несплошного эластичного электрода в форме решетки электрическое поле было сильным под полосами, составляющими решетку, где электродные структуры каждого слоя перекрывались. В этих областях высокой интенсивности электрического поля с помощью оптического зонда были измерены различия в высоте до 30 мкм и большие углы местного изгиба. Если полосы решетки располагались редко, появлялись промежуточные области, в которых локальное электрическое поле не было достаточно сильным, чтобы вызывать деформацию исполнительного механизма. Даже в том случае, когда ожидалось, что электрическое поле постоянно изменяется по касательной координате, промежуточные области с электрическим полем ниже порога возбуждения, как правило, были четко разграничены.

Приведенный выше пример может быть изменен в отношении:

- толщины слоя ЕАР, которая может изменяться от 10 до 150 мкм;

- выбора материала ЕАР: как правило, могут использоваться мягкие диэлектрические эластомеры; альтернативами Nusil® являются акриловые полимеры (такие, как 3MTM VHBTM 4905 или 4910), полиуретаны, поливинилхлорид и несколько силиконовых каучуков (таких, как Wacker Elastosil® RT625, Dow Corning WL3010, WL5331, HS3, Sylgard® 186, 184);

- выбора материала эластичного электрода: к альтернативам относятся PEDOT или углеродные нанотрубки; и

- выбора материала противоэлектрода, который может быть заменен на Steinerfilm® или какую-либо иную пленку полиэтилентерефталата, которая приобретается в качестве промышленного изделия или производится в ходе отдельного, возможно, параллельного процесса.

1. Исполнительный механизм, содержащий:
- слой (402, 602) электроактивного полимера,
- эластичную электродную структуру (403, 603), размещенную на первой стороне слоя (402, 602) электроактивного полимера,
- слой (401, 601) противоэлектрода, размещенный на второй стороне слоя (402, 602) электроактивного полимера, и
- пассивный слой (604), который прикреплен к стороне эластичной электродной структуры (403, 603), причем пассивный слой (604) образует опорный слой для прикрепления исполнительного механизма к подложке,
при этом эластичная электродная структура (403, 603) имеет касательный модуль упругости Yel, который меньше или практически равен модулю упругости YEAP слоя (402, 602) электроактивного полимера, и
отношение Yc/YEAP касательного модуля упругости Yc слоя (601) противоэлектрода и касательного модуля упругости YEAP слоя (602) электроактивного полимера составляет, по меньшей мере, 10.

2. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что слой (401, 601) противоэлектрода является механически однородным во всех касательных направлениях.

3. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что слой (402, 602) электроактивного полимера содержит материал, выбираемый из группы, включающей в себя акриловый полимер, поли[стирол-b-(сополимер этилена с бутиленом)-b-стирол], полиуретан, поливинилхлорид и силикон.

4. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что эластичная электродная структура (403, 603) содержит материал, выбираемый из группы, включающей в себя углеродную сажу, углеродные нанотрубки, графен, полианилин и поли(3,4-этилендиокситиофен).

5. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что слой (401, 601) противоэлектрода имеет оптически отражающую поверхность.

6. Исполнительный механизм по п. 5, отличающийся тем, что оптически отражающая поверхность слоя (401, 601) противоэлектрода является внешней поверхностью исполнительного механизма.

7. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что слой (401, 601) противоэлектрода содержит металлизированную полимерную пленку.

8. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что толщина слоя (401, 601) противоэлектрода составляет не более 10 мкм.

9. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что пассивный слой (604) является механически однородным во всех касательных направлениях.

10. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что пассивный слой (604) содержит, по меньшей мере, одну полость.

11. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что толщина пассивного слоя (604) больше или практически равна толщине слоя (402, 602) электроактивного полимера.

12. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что пассивный слой (604) содержит мягкий эластомер.

13. Исполнительный механизм по п. 1, отличающийся тем, что слой (401, 601) противоэлектрода образует внешнюю поверхность исполнительного механизма.

14. Способ изготовления исполнительного механизма по п. 1, включающий в себя этапы:
- определения разделения исполнительного механизма на субламинаты;
- создания субламинатов, по меньшей мере, один из которых содержит отверждаемый полимер; и
- соединение субламинатов для образования исполнительного механизма.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ультразвуковым преобразователям Сущность: ультразвуковой HIFU-преобразователь содержит передний согласующий слой, выполненный в виде непрерывной сферической поверхности.

Изобретение относится к ультразвуковым преобразователям, используемым в медицинской технике. Сущность: преобразователь фокусированного ультразвука высокой интенсивности (HIFU) содержит пьезоэлектрическую решетку со слоем пьезоэлектрического материала, имеющий обращенную к пациенту переднюю поверхность и заднюю поверхность.

Изобретение относится к жидкостным и газовым ультрозвуковым расходомерам. Пьезоэлектрический узел для ультразвукового расходомера содержит пьезоэлектрический элемент, содержащий первую поверхность и вторую поверхность, пьезоэлектрический первый электрод, взаимодействующий с первой поверхностью, и второй электрод, взаимодействующий со второй поверхностью.

Изобретение относится к электроакустическим сенсорам, способным работать в среде с высоким давлением. .
Наверх