Переключатель на основе электроактивного или фотоактивного полимера
Изобретение относится к области электротехники. переключатель включает устройство из электроактивного или фотоактивного полимера с эффективной длиной, возрастающей или уменьшающейся под действием переключателя. Эффективная длина больше максимального линейного физического размера пространства, занимаемого полимерным устройством. Техническим результатом является получение компактной конструкции, которая может выдерживать большие смещения при запуске. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к переключателям, в которых применяются электроактивные или фотоактивные полимеры.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электроактивные полимеры (EAP) и фотоактивные полимеры можно использовать для применения усилия при загрузке или применения смещения к ненагруженной поверхности на основе электрического или светового воздействия.
В особенности электроактивные полимеры (EAP) -новый класс материалов в области реагирующих на электричество материалов. EAP могут работать как сенсоры или переключатели, и им несложно придать разные формы, что позволяет легко интегрировать их в самые разные системы. В частности, настоящее изобретение относится к конструкциям переключателей.
Были разработаны материалы с такими характеристиками, как давление и деформация срабатывания, которые были значительно улучшены в последние десять лет. Технологические риски при разработке продуктов были снижены до приемлемых уровней, так что EAP представляют все больший интерес с коммерческой и технической точки зрения. Преимущества EAP включают низкую мощность, малый форм-фактор, гибкость, бесшумную работу, точность, возможность высокого разрешения, быстрое время отклика и циклическую работу.
Улучшенные характеристики и конкретные преимущества материала EAP обуславливают их применимость в новых технологиях.
Устройство EAP можно использовать в любом приложении, где требуется небольшое движение компонента или конструктивной особенности, основанное на действии электропереключателя.
Применение EAP обеспечивает функции, которые ранее были невозможны, или обладает преимуществами по сравнению с традиционными решениями, связанными с переключателями, благодаря сочетанию относительно большой деформации и силы в небольшом объеме или малого форм-фактора по сравнению с обычными переключателями. EAP также обеспечивают бесшумную работу, точный электронный контроль, быстродействие и широкий диапазон возможных частот срабатывания, такой как 0-20 кГц.
Устройства с электроактивными полимерами можно подразделить на материалы, работающие под действием поля и под действием перемещения ионов.
Примеры EAP, работающих под действием поля, -диэлектрические эластомеры, электрострикционные полимеры (такие как полимеры - релаксоры на основе ПВДФ или полиуретаны) и жидкокристаллические эластомеры (LCE).
Примеры EAP, работающих под действием перемещения ионов, -сопряженные полимеры, композиты углеродных нанотрубок (УНТ) и полимеров и композиты ионных полимеров и металлов (IPMC).
EAP, работающие под действием поля, срабатывают под действием электрического поля посредством непосредственной электромеханической связи, в то время как в случае ионных EAP механизм действия основан на диффузии ионов. Оба класса состоят из множества подклассов, у каждого из которых есть свои преимущества и недостатки.
На чертежах 1 и 2 показаны два возможных режима работы устройства EAP.
Устройство включает слой электроактивного полимера 14, расположенный между электродами 10, 12 на противоположных сторонах слоя электроактивного полимера 14.
На фиг. 1 показано нефиксированное устройство. Как показано, используется напряжение, которое обеспечивает расширение слоя электроактивного полимера во всех направлениях.
На фиг. 2 показано устройство, разработанное так, что растяжение происходит только в одном направлении. Устройство закреплено на слое подложки 16. Для искривления или сгибания слоя электроактивного полимера применяется электрическое напряжение.
Природа этого движения, например, связана со взаимодействием между активным слоем, растягивающимся при срабатывании устройства, и пассивным слоем подложки. Для получения показанной асимметричной кривизны вокруг оси можно, например, обеспечить молекулярную ориентацию (растягивание пленки), задавая движение в одном направлении.
Растягивание в одном направлении может быть следствием асимметрии полимера EAP или асимметрии в свойствах слоя подложки или их сочетания.
Растягивание и последующее движение или изменение в форме устройства EAP применяется во многих случаях для приложения усиления срабатывания к внешнему компоненту. Однако в некоторых приложениях также важен шаг перемещения. Для увеличения продольного смещения концевой точки переключателя EAP можно применять основные механические подходы. Например, возможно удлинить шаг путем последовательного соединения нескольких переключателей или увеличения длины L единственного переключателя. Смещение концевой точки переключателя определяется натяжением переключателя и исходной длиной.
В обоих случаях недостатком является возрастающая полная длина переключателя. Проблема возникает, когда требуется большое смещение концевой точки в сочетании с ограничениями на объем.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения заключается в по меньшей мере частичном решении указанной проблемы. Эта цель достигается в изобретении в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения обеспечивают преимущественные варианты осуществления.
В соответствии с примерами в одном из вариантов осуществления изобретения имеется переключатель, включающий:
композицию из электроактивного или фотоактивного полимера, включающее стопку из по меньшей мере двух перекрывающихся полимерных элементов, соединенных промежуточным слоем, где один из по меньшей мере двух перекрывающихся полимерных элементов соединен с одним концом промежуточного слоя, а другой из по меньшей мере двух перекрывающихся полимеров соединен с другим концом промежуточного слоя, где промежуточный слой включает еще один электроактивный или фотоактивный полимерный элемент, так, что стопка включает верхний, средний и нижний электроактивный или фотоактивный полимерный элемент; и
переключатель, который работает по меньшей мере в первом, втором и третьем режиме, где:
в первом режиме верхний и нижний полимерные элементы выключаются, а средний электроактивный полимерный элемент включается;
во втором режиме верхний и нижний полимерные элементы включаются, а средний электроактивный полимерный элемент выключается; и
в третьем режиме верхний, средний и нижний полимерные элементы все выключены, причем в третьем режиме эти три полимерных элемента имеют одинаковую длину.
Устройство позволяет EAP или фотоактивному полимерному переключателю обеспечить смещение, которое больше, чем получаемое в случае единственного линейного устройства или последовательно соединенной серии таких устройств. В частности эффективная длина устройства переключателя (т.е. длина, необходимая в случае единственного линейного устройства обеспечивающего такое же смещение) больше, чем физический размер устройства. Например, смещение может быть больше, чем внешний размер переключателя (длина), умноженный на деформацию при срабатывании. Это позволяет разработать переключатели с небольшим форм-фактором.
Термин "полимерная композиция" и "полимерный элемент" далее применяются для обозначения в общем композиции или элемента из фотоактивных или электроактивных полимеров, соответственно.
Значение термина "эффективная длина", применяемого в этом контексте, будет теперь объяснено более полно. Если длина полимерного элемента изменяется на x% при данном воздействующем сигнале (электрическом или световом), тогда "эффективная длина" Le может быть получена как Le=y/(x/100) в случае, когда имеется фактическое наблюдаемое изменение длины y для такого же воздействующего сигнала.
Таким образом, Le - исходная длина, которая обеспечивает наблюдаемое изменение длины y в зависимости от свойств материала, в частности процентное изменение длины x, ожидаемое для данного воздействующего сигнала. Значение Le можно считать равным длине единственного устройства переключателя, которая требуется для обеспечения наблюдаемого абсолютного изменения длины y.
Для единственного линейного переключателя фактической длины Lr изменение длины составляет y=Lr(x/100). В этом случае Le=Lr.
Для двух переключателей как для длины Lr, так и для длины от конца до конца при последовательном соединении наблюдаемое изменение длины равно y=2Lr(x/100). В этом случае Le=2Lr. Если два переключателя просто соединены таким способом, конец к концу, тогда физическая длина также составляет 2Lr, экономии в длине не достигается.
Изобретение обеспечивает решения, в которых физическая длина меньше, чем эффективная длина Le, и, таким образом, эффективная длина больше, чем максимальный физический линейный размер композиции. Например, послойное размещение в виде стопки позволяет обеспечить физическую длину, равную Lr (т.е. длине одного элемента, составляющего всю композицию), но послойная схема обеспечивает большее изменение длины, чем в случае единственного элемента.
Отметим, что "эффективная длина" - это не просто сумма всех длин отдельных элементов. Например, при простом параллельном соединении многих элементов эффективная длина - это просто длина одного такого элемента, поскольку диапазон движения при такой конфигурации не возрастает. Вместо этого, увеличивается усилие. При последовательном соединении отдельных элементов эффективная длина - действительно сумма длин отдельных элементов, но физическая длина таких элементов одинаковая.
Предпочтительно эффективная длина по меньшей мере на 50% больше, чем максимальный линейный физический размер, например, по меньшей мере удвоенный или даже, предпочтительно, утроенный или более максимальный линейный размер.
Полимерная композиция представляет собой стопку из по меньшей мере двух перекрывающихся полимерных элементов, соединенных промежуточным слоем, где по меньшей мере один из двух перекрывающихся полимерных элементов соединен с одного конца с промежуточным слоем, а другой из по меньшей мере двух перекрывающихся полимерных элементов соединен с противоположным концом промежуточного слоя.
Это определяет зигзагообразную структуру со ступенчатой перекрывающейся парой полимерных элементов. Если два полимерных элемента растягиваются или сокращаются, общее растяжение или сокращение является сочетанием отдельных растяжений или сокращений двух элементов, как в случае линейной серии элементов, но их перекрывание снижает размер устройства.
Промежуточный слой представляет собой другой электроактивный или фотоактивный полимерный элемент, так, что стопка включает верхний, средний и нижний электроактивный или фотоактивный полимерный элемент. При трехслойной стопке средний элемент может быть в коротком режиме, а верхний и нижний элементы находятся в длинном режиме.
Для этой цели устройство включает устройство переключателя, в котором устройство переключателя работает по меньшей мере в трех режимах.
В третьем режиме три полимерных элемента обладают одинаковой длиной. Таким образом, они обладают одинаковыми собственными длинами (т.е. когда все они отключены). Это упрощает изготовление устройства.
Устройство может включать фиксированный конец на конце другого перекрывающегося полимерного элемента, не соединенный с промежуточным слоем, и свободный конец у конца первого перекрывающегося полимерного элемента, не соединенный с промежуточным слоем.
Таким образом, свободный конец может находиться в положении покоя в третьем режиме, и он смещается в одном направлении в первом режиме и смещается в противоположном направлении во втором режиме.
Таким образом, срабатывание происходит с обеих сторон устройства. Таким образом, первый и второй режимы обеспечивают срабатывание с обеих сторон в отношении положения покоя в третьем режиме работы.
Слои стопки могут включать единственный складчатый слой, где сегментированные электроды определяют различные приводимые в движение полимерные элементы.
В этих конструкциях полимерные элементы предпочтительно плоские, а эффективная длина измеряется вдоль направления в плоскости. Для закрепления стопки в направлении расположения слоев для предотвращения деформации можно использовать фиксирующую композицию.
Пошаговое смещение кончика может, например, быть обеспечено применением простой управляющей двухпозиционной схемы.
В одном наборе примеров все полимерные элементы - электроактивные полимеры. Однако тот же подход также применим в случае фотоактивных полимеров.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее подробно описаны примеры изобретения с соответствующими чертежами, где:
На фиг. 1 показано известное нефиксированное устройство из электроактивного полимера;
На фиг. 2 показано известное устройство из электроактивного полимера, ограниченное слоем подложки;
На фиг. 3 показан первый пример устройства переключателя из EAP в двух различных режимах;
На фиг. 4 показан второй пример устройства переключателя из EAP в трех различных режимах;
На фиг. 5 показан третий пример устройства переключателя из EAP;
На фиг. 6 показан четвертый пример устройства переключателя из EAP;
На фиг. 7 показан пятый пример устройства переключателя из EAP в двух различных режимах; и
На фиг. 8 показан шестой пример устройства переключателя из EAP в двух различных режимах.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение обеспечивает устройство переключателя, представляющее собой композицию из электроактивного или фотоактивного полимера с эффективной длиной, которая увеличивается или уменьшается при срабатывании устройства. Эффективная длина больше максимального линейного физического размера пространства, занимаемого композицией из электроактивного или фотоактивного полимера. Таким образом, получается компактное устройство, которое может обеспечить большое смещение при срабатывании.
Подробное описание ниже основано на различных конструкциях переключателей на основе EAP, но те же подходы в равной степени применимы к конструкциям из фотоактивных полимеров.
На фиг. 3 показан первый возможный пример устройства переключателя из EAP, который находится вне объема изобретения, в двух различных режимах.
Устройство представляет собой композицию из электроактивного полимера 20, которая включает стопку из двух перекрывающихся электроактивных полимерных элемента 22, 24, соединенных промежуточным слоем 26. Конец верхнего электроактивного полимерного элемента соединен с первым концом (левый конец на фиг. 3) промежуточного слоя 26, а нижний электроактивный полимерный элемент 34 соединен с противоположным концом (правый конец на фиг. 3) промежуточного слоя 26.
Это определяет зигзагообразную структуру со ступенчатой перекрывающейся парой электроактивных полимерных элементов. Переключатель фиксирован с одного конца, как в случае левого конца нижнего переключателя 24, как показано на фиг. 3.
Переключатель обладает эффективной длиной, которая дает вклад в общее растяжение или сжатие и является по меньшей мере сочетанием длин двух электроактивных полимерных элементов 22, 24. Таким образом, она больше максимального линейного физического размера пространства, занимаемого композицией из электроактивного полимера.
Данный физический размер, как правило, просто соответствует длине между концевыми точками. Максимальный физический размер можно принять равным размеру, когда все элементы EAP выключены (что равно длине L на фиг. 3), или равным наибольшей длине из всех состояний срабатывания. В этом последнем случае максимальный физический размер, например, на фиг. 3 - суммарная длина на фиг. 3(b).
Как объяснено выше, "эффективную длину" Le можно рассматривать как исходную длину (единственного линейного переключателя), которая отвечает наблюдаемому изменению длины при заданном воздействующем сигнале.
Для последовательном соединении устройств переключателей эффективная длина может быть равна сумме длин, которые последовательно дают вклад в общее смещение; эти длины измеряют при устройстве, находящемся в незадействованном режиме. Таким образом, например, на фиг. 3, эффективная длина равна сумме длин двух элементов EAP в состоянии покоя на фиг. 3(a) или сумме для всех трех элементов на фиг. 3(a), если все они являются электроактивными полимерными элементами (эти различные варианты обсуждены ниже). Эффективная длина - длины в неработающем режиме, при срабатывании совокупно дающие вклад в растяжение или сжатие.
Действительно, в примере на фиг. 3 промежуточный слой 26 также может быть электроактивным полимерным элементом, так, что стопка содержит верхний, средний и нижний электроактивный полимерный элемент. При трехслойной стопке средний элемент может быть в коротком режиме, а верхний и нижний элементы находятся в длинном режиме. В этом примере средний элемент сжимается, когда устройство переключается из короткого режима в длинный режим, но такое сокращение длины в сочетании с изменениями в других элементах приводит к возрастанию общей длины устройства.
Таким образом, в первом режиме, показанном на фиг. 3(a), верхний и нижний электроактивные полимерные элементы 22, 24 выключены (в коротком режиме), а средний электроактивный полимерный элемент включен (в длинном режиме). Отметим, что в альтернативных вариантах конструкций включение может соответствовать короткому режиму, а отключение - длинному режиму.
Во втором режиме, показанном на фиг. 3(b), верхний и нижний электроактивные полимерные элементы 22, 24 включены (в длинном режиме), а средний электроактивный полимерный элемент отключен (в коротком режиме).
При такой конструкции в первом режиме три электроактивных полимерных элемента обладают одинаковой длиной. Таким образом, они обладают разными собственными длинами (т.е. когда все они отключены).
Можно принять, что смещение D отдельного элемента соответствует соотношению:
D=L x ε
где L - длина в покое, а ε - (технологичеcкая) деформация.
Такая конструкция, соответственно, позволяет использовать многослойную стопку из элементов EAP с чередующимися механическими соединениями в сочетании с чередующимся управляющим сигналом включения/выключения. Если управляющий сигнал не чередующийся, многослойная стопка обеспечивает такое же смещение, как и единственный переключатель. При чередовании управляющих сигналов единственного переключателя общее смещение кончика умножается на количество переключателей.
В предпочтительном варианте осуществления длина более короткого переключателя в растянутом состоянии (V=вкл) равна длине L более длинного переключателя в нерастянутом режиме (V=выкл). Таким образом, длина более короткого элемента EAP 26 в нерастянутом состоянии равна L x (1/(1+ε)).
В этом случае стопка демонстрирует наименьший внешний размер (L) и максимально возможное смещение вперед.
Для подключения сегментов переключателя в переменном режиме для обеспечения максимального (статического или возвратно-поступательного) движения кончика используется контроллер. При перемене числа активированных сегментов можно варьировать пошагово смещение кончика между нулем и максимальным смещением.
Для структуры на фиг. 3 с числом электроактивных полимерных элементов n=3 разница в смещении между фиг. 3(a) и фиг. 3(b) составляет:
D=L x ε x ((1/1+ε)+2)
Для малых ε это приблизительно равно D=L x ε x 3.
Таким образом, эффективная длина, определенная выше, для конструкции на фиг. 3 составляет 3L, где L - длина элементов 22, 24 в состоянии покоя, но длина элемента 26 в состоянии покоя равна L/(1+ε).
В более общем случае для стопки из n слоев (где n - нечетное число, так, что имеется (n-1)/2 средних элементов и 1+(n-1)/2 верхних/нижних элементов):
D=L x ε x (( (n-1)/2 x (1/1+ε))+((n-1)/2)+1)
Эффективная длина, определенная выше, составляет просто nL.
Для малых ε это приблизительно равно D=L x ε x n.
Число элементов EAP в стопке можно выбрать, исходя из требуемого смещения. Таким образом, в конструкции может быть 3, 5, 7 или 9 элементов или же, в самом деле, любое нечетное число элементов. В немного иной конструкции может быть четное число элементов, большее 3; в этом случае кончик переключателя находится на том же конце устройства, что и фиксированное соединение.
Отметим, что каждый отдельный элемент EAP может иметь многослойную структуру.
Если кончик должен обеспечивать усилие срабатывания, можно использовать средства закрепления стопки в z-направлении (т.е. направлении укладки) для предотвращения деформации стопки. Это можно осуществить путем добавления действующего вниз сжимающего усилия сверху и покрывания поверхностей переключателей материалом с очень низким коэффициентом трения или добавления адгезионного материала между слоями стопки с очень низким модулем сдвига, но высоким модулем упругости на растяжение в z-направлении. Это может быть, например, множество тонких вертикальных проволок.
На фиг. 4 показан второй пример устройства переключателя на основе EAP в трех различных режимах.
В примере на фиг. 3 электроактивные полимерные элементы обладают разными длинами. На фиг. 4(a) показан третий режим, где верхний, средний и нижний электроактивные полимерные элементы все выключены. Это можно рассматривать как третий режим, и это состояние покоя электроактивных полимерных элементов. В этом режиме три полимерных элемента обладают одинаковой эффективной длиной. Таким образом, они обладают одинаковыми собственными длинами и все они могут иметь одинаковую конструкцию. Кончик переключателя 30 находится на неподсоединенном конце верхнего элемента 22, а неподсоединенный конец нижнего элемента 24 зафиксирован.
На фиг. 4(b) показан первый режим (аналогично фиг. 3(a)), где средний элемент включен и, таким образом, растянут. Кончик переключателя 30 смещается в ту же сторону, что и в его предыдущем положении.
На фиг. 4(c) показан второй режим (аналогично фиг. 3(b)), где верхний и нижний элементы включены и, таким образом, растянуты. Кончик переключателя 30 смещается в другую сторону по отношению к его предыдущему положению.
В этом случае срабатывание происходит с обеих сторон устройства. Таким образом, первый и второй режимы обеспечивают срабатывание с обеих сторон по отношению к положению покоя третьего режима работы.
Таким образом, этот режим позволяет получить многослойную стопку с переключателями из EAP с попеременными механическими соединениями в сочетании с отдельными управляющими сигналами на каждый элемент EAP. В этом случае амплитуда смещения, которой можно достичь, больше, чем в случае фиг. 3, но не только в одном направлении. Применение элементов одинаковой длины предпочтительно для изготовления и обеспечения резонанса.
В частности, элементы с одинаковой собственной длиной обладают одинаковыми резонансными частотами.
Смещение кончика колеблется между:
D=-(n-1)/2 x ε x L; и
D=-(n-1)/2 x ε x L; и
Таким образом, общий диапазон равен n x ε x L.
На фиг. 5 показан третий пример устройства переключателя на основе EAP. В этой конструкции промежуточный элемент 26 - жесткая часть. Кроме того, стопка включает два перекрывающихся полимерных электроактивных элемента 22, 24 и жесткий соединяющий слой между ними. Эта конструкция позволяет обеспечить одинаковое подключение всех электроактивных полимерных элементов, что облегчает схему переключателя и расположение электродов.
Это устройство снова может работать по меньшей мере в первом и втором режиме. В первом режиме отключены два электроактивных полимерных элемента. Во втором режиме, показанном на фиг. 5, включены два электроактивных полимерных элемента.
Таким образом, в стопке есть чередующиеся слои элементов EAP 22, 24 и жесткого пассивного материала 26. Конец первого (верхнего) элемента EAP 22 соединен с одним концом пассивного слоя. Этот слой соединен со вторым (нижним) элементом EAP с другого конца, что создает общее смещение, пропорциональное n x ε x L, где n - число слоев именно EAP.
В другом случае смещение можно выразить как:
D=((n-1)/2+1) x ε x L, где n - общее число слоев, включая элементы EAP и пассивные слои.
В предпочтительном варианте осуществления длина пассивного материала равна длине самого длинного переключателя в нерастянутом режиме (в отсутствие напряжения). Таким образом, стопка отличается наименьшим внешним размером (L) и максимальным возможным смещением.
Элементы EAP снова управляются с переменным подключением для обеспечения максимального (статического или возвратно-поступательного) движения кончика. Путем изменения числа активированных сегментов смещение кончика может меняться пошагово между нулем и максимальным смещением.
Этот пример упрощает схему переключателя, например, до схемы с только двумя проводами и позволяет использовать тонкопленочную электронику, встроенную в каждый пассивный слой.
Все указанные конструкции могут быть расширены до большего количества слоев либо с нечетным, либо с четным числом элементов, как объяснено выше.
Во всех этих конструкциях стопок слои стопки могут включать единственный сложенный слой с сегментированными электродами, определяющими различные электроактивные полимерные элементы.
На фиг. 6 показан единственный сложенный лист EAP с сегментированными электродами и внеэлектродными площадками, расположенными на сгибах.
Единственный сложенный лист 60 определяет все три элемента EAP. Если в среднем элементе отсутствуют электроды, это может быть статический слой, как в примере на фиг. 5. Между прилегающими слоями в стопке имеется поверхность раздела с низким коэффициентом трения 62. Он может функционировать как зажимное устройство для закрепления стопки в направлении укладки для предотвращения деформации. Низкий коэффициент трения обеспечивает относительное скольжение. Граница раздела также обеспечивает электрическое экранирование между различными электродными композициями.
Каждый работающий элемент в стопке содержит верхний электрод 64 и нижний электрод 66. На фиг. 6 все три элемента подключены, так что имеется шесть электродных линий 67 и к каждой из пар приложены управляющие сигналы. На фиг. 6 схематически показано переключатель 68 для обеспечения требуемых управляющих сигналов для электродных линий 67. Как показано на фиг. 6, когда к верхней и нижней электродным парам приложен нулевой сигнал, к средней части приложено высокое напряжения, а когда к верхней и нижней электродным парам приложено высокое напряжение, к средней паре приложено нулевое напряжение.
На изгибах листа 60 отсутствует металлизация.
Верхняя и нижняя внешние поверхности также снабжены дополнительными листами 70 для предотвращения деформации.
Один из концов устройства функционирует как подвижный кончик, и имеется поверхность раздела кончика 72 для взаимодействия со срабатывающим устройством. Поверхность раздела кончика соединена с концом листа 60, а также с верхним противодеформационным слоем 70. Другой конец листа закреплен клеем на дне противодеформационного слоя 74, и это определяет статическую точку в конструкции на фиг. 6.
Электроактивные полимерные элементы в указанной выше конструкции плоские, и эффективная длина измерена вдоль направления в плоскости.
В указанных примерах использована трехслойная стопка. К стопке можно добавить больше слоев для повышения смещения. Однако в более простой структуре (вне охвата представленного изобретения) также может быть использована двойнослойная стопка без промежуточного слоя. В первом режиме нижний срабатывающий полимерный слой выключен, а верхний срабатывающий полимерный слой включен; в то время как во втором режиме нижний полимерный слой включен, а верхний полимер выключен. При внешней фиксации одного конца верхнего полимера и закреплении другого конца верхнего полимерного слоя на нижнем полимерном слое свободный конец нижнего полимера становится кончиком переключателя. Он перемещает каждую сторону внешней фиксации на длину расширения в зависимости от того, какой из полимерных слоев срабатывает.
Таким образом, для всех возможных примеров устройства не требуется промежуточный слой. Обеспечиваемое преимущество заключается в том, что кончик переключателя может быть расположен на удалении от внешнего крепления.
В следующем наборе образцов электроактивная полимерная композиция скручена в спираль, а верхний конец спирали представляет собой кончик переключателя. Это обеспечивает альтернативный способ снижения линейного размера электроактивной полимерной композиции при сохранении эффективной длины, большей, чем линейный размер.
На фиг. 7 показана первая спиралеобразная конструкция. Максимальный внешний размер элемента - внешний диаметр, обозначенный как L. Спираль зафиксирована в центре. При срабатывании спирали свободный конец смещается. На фиг. 7 свободный конец смещается по прямой линии.
На фиг. 8 показана вторая спиралеобразная конструкция. Максимальный внешний размер элемента - снова внешний диаметр, обозначенный как L. Спираль снова зафиксирована в центре. На фиг. 8 свободный конец смещается по кривой линии.
Для ограничения движения в желаемой манере используют внешнюю рельсовую направляющую.
Во всех примерах можно обеспечить пошаговое смещение кончика путем использования простой пусковой схемы включения-выключения.
Индивидуальные элементы в стопке могут, например, иметь размеры 10 мм x 10 мм x 0.5 мм. Типичный неограничивающий диапазон размеров может составлять от 50 мм x 50 мм x 2 мм до 2 мм x 2 мм x 0.1 мм. Форма в горизонтальной проекции может быть квадратной, но также может быть и удлиненным прямоугольником.
Известны материалы, пригодные для слоя EAP. Электроактивные полимеры включают без ограничения следующие подклассы: пьезоэлектрические полимеры, электромеханические полимеры, ферроэлектрические полимеры-релаксоры, электрострикционные полимеры, диэлектрические эластомеры, жидкокристаллические эластомеры, сопряженные полимеры, композиты ионный полимер-металл, ионные гели и полимерные гели.
Подкласс электрострикционных полимеров включает без ограничения:
поливинилиденфторид (PVDF), поливинилиденфторид-трифторэтилен (PVDF-TrFE), поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлорфторэтилен (PVDF-TrFE-CFE), поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлортрифторэтилен) (PVDF-TrFE-CTFE), поливинилиденфторид-гексафторпропилен (PVDF-HFP), полиуретаны или их смеси.
Подкласс диэлектрических эластомеров включает без ограничения:
акрилаты, полиуретаны, силиконы.
Подкласс сопряженных полимеров включает без ограничения:
полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли(п-фениленсульфид), полианилины.
Могут иметься дополнительные пассивные слои для обеспечения поведения слоя EAP в ответ на прилагаемое электрическое поле.
Слой EAP каждого элемента может быть расположен между электродами. Электроды могут быть растягивающимися, так, чтобы они следовали деформации слоя материала EAP. Также известны материалы, пригодные для электродов; они могут быть выбраны, например, из группы, включающей тонкие металлические пленки, такие как золото, медь или алюминий, или органические проводники, такие как углеродная сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен) поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Можно также использовать металлизированные полиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (PET), например, с применением алюминиевого покрытия.
Материалы различных слоев выбирают, например, с учетом модулей упругости (модулей Юнга) различных слоев.
Дополнительные полимеры по отношению к указанным выше могут быть использованы для регулировки электрического и механического поведения устройства, такие как дополнительные полимерные слои.
Устройства EAP могут представлять собой устройства, управляемые электрическим полем, или ионные устройства. Ионные устройства могут быть основаны на композитах ионный полимер-металл (IPMC) или на сопряженных полимерах. Композит ионный полимер-металл (IPMC) -синтетический композитный наноматериал, демонстрирующий поведение, аналогичное поведению искусственных мышц при налагаемом напряжении или в электрическом поле.
IPMC представляют собой ионные полимеры, такие как Nafion или Flemion, поверхности которых химически или физически покрыты проводниками, такими как платина или золото, или электродами на основе углерода. При накладывании напряжения миграция или перераспределение ионов под наложенным напряжением через объем IPMC приводят к деформации изгиба. Полимер - набухшая под действием растворителя ионообменная полимерная мембрана. Поле вызывает перемещение катионов в сторону катода вместе с водой. Это приводит к реорганизации гидрофильных кластеров и расширению полимера. Напряжение в области катода вызывает напряжение в состоянии покоя в полимерной матрице, что приводит к изгибу в сторону анода. Накладывание напряжения с обратным знаком приводит к обратному изгибу.
Если электроды с покрытием расположены асимметрично, накладываемое напряжение может вызывать самые разные деформации, такие как заворачивание, вращение, кручение, верчение и несимметричная деформация изгиба.
Как указано выше, объясненные выше механические конструкции также применимы к фотоактивным материалам. Такие фотомеханически чувствительные материалы, например, состоят из фотомеханически чувствительных молекул, внедренных в полимерную матрицу. Фотомеханически чувствительные молекулы меняют форму в зависимости от падающего света с определенной длиной волны.
Наиболее частые фотомеханические материалы реагируют на изменение формы между двумя изомерными состояниями фоточувствительных молекул, присутствующих в материале. Переключение в транс-конфигурацию происходит под действием света с длиной волны, отвечающей длине волны поглощения молекулы в транс-состоянии, тогда как обратное переключение в метастабильную цис-форму может быть индуцировано термически или, опять же, вызвано освещением светом с длиной волны, соответствующей длине волны поглощения молекулы в цис-состоянии.
Такие материалы включают, без ограничения, антрацены, диарилетены, спиропираны и азобензолы, включая замещенные азобензолы, такие как аминобензолы и псевдостильбены. Эти фотомеханически чувствительные молекулы встроены в полимерный материал либо путем допирования материала-хозяина такими функциональными фотомеханически чувствительными молекулами, либо при помощи ковалентно связанных молекул с фотомеханическими свойствами в полимере путем полимеризации. Это включает полимеризацию азофункционализованных мономеров или постфункционализации полимеров с различным остовом с формированием азофункционализованных боковых полимерных цепей.
Полимеры по своей природе могут быть аморфными или жидкокристаллическими (LC). В то время кК аморфные полимеры сжимаются равномерно во всех направлениях, жидкокристаллические полимеры могут деформироваться в преимущественном направлении, что значительно увеличивает эффект в этом направлении. Жидкокристаллические эластомеры (LCE) -в особенности подходящие материалы для фотомеханических материалов, поскольку они обладают индуцированной жидкокристаллической структурой направленностью во всех твердотельных полимерных материалах.
Настоящее изобретение представляет особый интерес для переключателей, для которых характерен отклик в виде плоскостного линейного расширения. Некоторые типы материалов, например, ионные EAP отличаются откликом в виде изгиба или плоскостного расширения в зависимости от того, как они подключены или закреплены. Таким образом, ионные EAP и фотоактивируемые материалы можно сформировать так, чтобы обеспечить желаемое плоскостное расширение, например, путем включения с обеих сторон слоя материала.
Изобретение можно использовать во многих приложениях для EAP и фотоактивных полимеров, включая примеры, для которых интерес представляет пассивная матрица переключателей.
Во многих приложениях основная функция продукта основана на (локальных) операциях с тканями человека или срабатывании интерфейсов, находящихся в контакте с тканями. В таких приложениях переключатели EAP, например, обеспечивают уникальные преимущества, главным образом, из-за малого форм-фактора, гибкости и высокой энергетической плотности. Таким образом, EAP и фотоактивные полимеры можно легко интегрировать в мягкие, трехмерные и/или миниатюрные продукты и интерфейсы. Примеры таких приложений:
Косметические средства обработки кожи, такие как кожные приспособления в виде чувствительных полимерных кожных пластырей, обеспечивающих постоянное или циклическое растяжение кожи для натяжения кожи или убирания морщин;
Дыхательные устройства с маской интерфейса пациента, которая оснащена чувствительной полимерной активной подкладкой или манжетой для обеспечения переменного нормального давления на кожу, что снижает или предотвращает появление на лице красных отметок;
Электробритвы с адаптирующейся бреющей головкой. Высота поверхностей, контактирующих с кожей, может регулироваться при помощи чувствительных полимерных переключателей для нахождения баланса между близостью и раздражением;
Пероральные чистящие устройства, такие как воздушный ирригатор с динамическим переключателем сопла для улучшения охвата струи, в особенности в промежутках между зубами. В ином случае, зубные щетки могут быть оснащены активированными пучками щетинок;
Потребительские электронные устройства или сенсорные панели, обеспечивающие локальный осязательный отклик при помощи набора чувствительных полимерных преобразователей, интегрированных внутрь или вблизи интерфейса пользователя;
Катетеры с регулируемым кончиком для обеспечения легкого перемещения в извилистых кровеносных сосудах.
Другая категория подходящих вариантов применения, где могут пригодиться такие переключатели, относится к модифицированию света. Данные переключатели можно использовать для регулировки формы или подстройки положения оптических элементов, таких как линзы, отражающие поверхности, решетки и т. д. Здесь одно из преимуществ EAP - это, например, низкое потребление энергии.
Другие опубликованные варианты осуществления могут представить себе и осуществить эксперты в области предлагаемого изобретения, на основании исследования чертежей, публикации и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово "включает" не исключает другие элементы или стадии, а единственное число не исключает осуществления с множественным числом. Само по себе то, что некоторые особенности приведены в различных зависимых заявках, не говорит о том, что их сочетание нельзя успешно использовать. Любые ссылки в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие область изобретения.
1. Устройство переключателя, включающее:
композицию из электроактивного или фотоактивного полимера, включающую стопку из по меньшей мере двух перекрывающихся полимерных элементов (22, 24), соединенных промежуточным слоем (26), где один (22) из по меньшей мере двух перекрывающихся полимерных элементов соединен с одним концом промежуточного слоя, а другой (24) из по меньшей мере двух перекрывающихся полимеров соединен с другим концом промежуточного слоя, при этом промежуточный слой (26) включает дополнительный электроактивный или фотоактивный полимерный элемент, так что стопка включает верхний, средний и нижний электроактивный или фотоактивный полимерный элемент; и
переключатель (68), выполненный с возможностью работы по меньшей мере в первом, втором и третьем режиме, где:
в первом режиме верхний и нижний полимерные элементы выключаются, а средний электроактивный полимерный элемент включается;
во втором режиме верхний и нижний полимерные элементы включаются, а средний электроактивный полимерный элемент выключается; и
в третьем режиме верхний, средний и нижний полимерные элементы все выключены, причем в третьем режиме эти три полимерных элемента имеют одинаковую длину.
2. Устройство по п. 1, включающее фиксированный конец (24) на конце другого (24) перекрывающегося полимерного элемента, не соединенный с промежуточным слоем (26), и свободный конец (30) у конца первого (22) перекрывающегося полимерного элемента, не соединенный с промежуточным слоем (26).
3. Устройство по п. 2, в котором свободный конец (30) находится в состоянии покоя в третьем режиме, смещается в одном направлении в первом режиме и смещается в противоположном направлении во втором режиме.
4. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором слои стопки представляют собой единственный сложенный слой с сегментированными электродами (64, 66), определяющими различные полимерные элементы.
5. Устройство по п. 4, в котором полимерные элементы плоские.
6. Устройство по любому из предыдущих пунктов, также включающее фиксирующее устройство (70) для фиксации стопки в направлении укладывания для предотвращения деформации.
7. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором каждый полимерный элемент представляет собой электроактивный полимер и срабатывание имеет электрический характер.
