ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И/ИЛИ РАДИАЦИОННОГО СИГНАЛА В ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ИЛИ НАОБОРОТ Российский патент 2020 года по МПК H01L41/193 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к исполнительным или сенсорным устройствам, в которых применяются электроактивные или фотоактивные полимеры. В частности, изобретение относится к преобразователю для преобразования электрического и/или радиационного сигнала в перемещение или наоборот.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Электроактивные полимеры (EAP) и фотоактивные полимеры могут быть использованы для приложения усилия с созданием нагрузки на основе электрического или светового стимула.

В частности, электроактивные полимеры (EAP) представляют собой развивающийся класс материалов в области электрически чувствительных материалов. Кроме того, EAP могут действовать как сенсоры или актуаторы и могут быть простым путем изготовлены с многообразными формами, обеспечивая возможность легкого встраивания в самые разнообразные системы.

Материалы были разработаны с такими характеристиками, как активирование механизмов напряжения и деформации, которые были значительно улучшены в последние десять лет. Технологические риски были сокращены до приемлемых уровней для разработки изделий, так что EAP стали привлекать повышенный интерес в коммерческом и техническом плане. Преимущества EAP включают низкую мощность, малый форм-фактор, гибкость, бесшумную работу, точность, возможность высокого разрешения, высокое быстродействие, и циклическое срабатывание.

Улучшенная производительность и конкретные достоинства EAP-материалов привели к применимости в новых вариантах использования.

EAP-устройство может быть применено в любом варианте использования, в котором желательна малая степень перемещения компонента или изменения характеристики, на основе электрического активирования. Подобным образом, технология может быть использована для обнаружения малых перемещений.

Применение EAP обеспечивают возможность таких действий, которые ранее были невозможными, или создает большое преимущество перед обычными техническими решениями сенсоров/актуаторов, благодаря сочетанию относительно большой деформации и усилия в малом объеме или тонкому форм-фактору, по сравнению с традиционными актуаторами. Кроме того, EAP обеспечивают бесшумную работу, точное электронное управление, высокое быстродействие, и широкий диапазон возможных частот срабатывания, таких как 0-20 кГц.

Устройства с использованием электроактивных полимеров могут быть подразделены на материалы с полевым активированием и с ионным активированием.

Примерами EAP с полевым активированием являются диэлектрические эластомеры, электрострикционные полимеры (такие как релаксорные полимеры на основе поливинилидендифторида (PVDF) или полиуретаны), и жидкокристаллические эластомеры (LCE).

Примерами EAP с ионным активированием являются сопряженные полимеры, полимерные композиты с углеродными нанотрубками (CNT) и ионные полимер-металлические композиты (IPMC).

EAP с полевым активированием приводятся в действие электрическим полем путем прямого электромеханического соединения, тогда как механизм срабатывания для EAP с ионным активированием включает диффузию ионов. Оба класса имеют многочисленные представители семейства, каждый из которых имеет свои собственные достоинства и недостатки.

Фиг. 1 и 2 показывают два возможных режима работы для EAP-устройства.

Устройство включает слой 14 электроактивного полимера, сэндвичеобразно размещенный между электродами 10, 12 на противолежащих сторонах слоя 14 электроактивного полимера.

Фиг. 1 показывает устройство, которое не зажато. Напряжение используется, чтобы вызвать расширение слоя электроактивного полимера по всем направлениям, как показано.

Фиг. 2 показывает устройство, которое сформировано так, что расширение происходит только по одному направлению. Устройство опирается на несущий слой 16. Напряжение используется, чтобы вызвать изгибание или искривление слоя электроактивного полимера.

Природа этого движения, например, обусловливается взаимодействием между активным слоем, который расширяется при активировании, и пассивного несущего слоя. Для получения асимметричного искривления вокруг оси, как показано, например, может быть применена молекулярная ориентация (растяжение пленки), стимулируя движение по одному направлению.

Расширение по одному направлению может быть результатом асимметрии в EAP-полимере, или может обусловливаться асимметрией свойств несущего слоя, или сочетанием их обоих.

Расширение и последующее движение или изменение формы EAP-устройства во многих случаях используется для приложения движущей силы к внешнему компоненту.

Существуют разнообразные известные пути встраивания изгибающегося EAP-актуатора или сенсора, чтобы вызывать симметричное изгибание. Некоторые примеры показаны в Фиг. 3. EAP-слой 30 размещен на слое 32 пассивной подложки, и EAP-слой показан в его активированном (расширенном) состоянии.

Фиг. 3(а) показывает концы, которые свободно скользят в плоскости. Кривизна, вызванная расширением активного EAP-слоя, заставляет его выгибаться вверх.

Фиг. 3(b) показывает конструкцию с простыми опорами, с установленным на каждом конце шарниром.

Фиг. 3(с) показывает зажатую конструкцию, с фиксированными зажимами на каждом конце.

Все из этих способов имеют свои собственные недостатки, и ограничивают либо усилие, либо смещение, или же оба из них.

Свободные концы приводят к сильному смещению центра актуатора, но прилагаемое актуатором усилие ограничено, и малые горизонтальные перемещения концов актуатора обусловливают механический износ.

Актуатор с простыми опорами является идеальным с теоретической точки зрения, поскольку он обеспечивает возможность большого смещения центра актуатора с большим усилием. Практическое исполнение шарниров с малым форм-фактором является затруднительным, поскольку требуется пространство для механических деталей (например, подшипников), и ввиду механической сложности и надежности (лишние движущиеся механические компоненты). Это также сопряжено с непредсказуемым и/или неконтролируемым трением, износом и люфтом.

Механическое фиксирование, например, зажиманием или приклеиванием, является простым и позволяет прилагать большое усилие. Однако основным недостатком является подавление способности к вертикальному смещению вблизи места крепления. Это значительно сокращает смещение центра актуатора.

Недостатки этих известных способов фиксирования приводят к необходимости компромиссов между усилием, смещением и механической сложностью.

Поэтому существует потребность в конструкции, которая не имеет недостатков в отношении фиксированных концов (то есть с малым отклонением), в то же время с сохранением преимущества в способности нести большую нагрузку.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель изобретения состоит в удовлетворении вышеупомянутой потребности. Эта цель, по меньшей мере частично, достигается с помощью изобретения, как определяемого независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения представляют предпочтительные варианты осуществления.

Согласно изобретению, создано актуаторное и/или сенсорное устройство, которое включает активный слой, который может быть приведен в действие подачей на него воздействующего стимула, и пассивный несущий слой, к которому активный слой присоединен либо непосредственно, либо опосредованно (другими слоями или преобразующими усилие слоями), где порядок этих слоев является противоположным на различных участках/частях приводного устройства.

При формировании различных участков с различным порядком наслоения пассивного несущего слоя и активного слоя внутренние силы внутри активной конструкции могут быть использованы более эффективно для создания смещения или усилия. Так, со ссылкой на Фиг. 4, проблема устройств согласно прототипу, не имеющих обратного порядка размещения, обусловливается моментом 40, создаваемым вблизи зажатых концов. Этот момент действует против смещения центра актуатора. В результате этого смещение 42 центра ограничивается. Переворачиванием места размещения пассивного несущего слоя из нижнего положения в верхнее вблизи фиксированных концов, как предусматривается изобретением, изгибающий момент действует по иному направлению и тем самым складывается с желательным смещением центра актуатора.

Термин «приводное устройство» используется для обозначения в основном конструкции, которая может создавать деформацию при ее стимуляции воздействующим сигналом, где деформация вызывается стимуляцией части или всего фотоактивного и/или электроактивного полимера, присутствующего в приводном устройстве. Таким образом, устройство согласно изобретению может включать электроактивный полимер, для которого в качестве его воздействующего сигнала требуется электрический сигнал (напряжение и/или ток), может иметь фотоактивный полимер, для которого в качестве сигнала на его срабатывание требуется радиационный сигнал (например, оптический сигнал в УФ-области, такой как УФ-видимое излучение, видимое излучение, в ИК- или ближней ИК-области), или может иметь оба из них. Могут быть даже материалы, имеющие обе характеристики в одном наличествующем материале.

Активный слой и пассивный несущий слой размещаются, будучи механически связанными, то есть, на приведение в действие активного слоя оказывает влияние пассивное присутствие несущего слоя (например, смотри Фиг. 2, где его присутствие вызывает изгибание приводного устройства). Они предпочтительно частично или полностью механически соединены друг с другом по меньшей мере с одной поверхностью раздела между ними. В альтернативном варианте, они могут быть соединены или сцеплены, так сказать, электрическими или магнитными силами. Между ними могут быть присоединены один или многие слои.

Активный слой может иметь матричный материал, содержащий в нем электроактивный материал и/или фотоактивный материал. Активный слой также может иметь один или многие сплошные слои предпочтительно из одного, но может быть и больше, электроактивного полимера или фотоактивного полимера. Активный слой может иметь пакет различных слоев из электроактивного полимера или фотоактивного полимера.

Наличие одного обратного порядка размещения слоев (активного слоя относительно пассивного несущего слоя) в приводном устройстве будет улучшать его свойства, как описано выше, даже если эта конструкция зажата между двумя фиксированными концами. Чтобы обеспечить еще более улучшенное функционирование, предусматривается одно обращение порядка слоев на каждый фиксированный конец. Таким образом, когда приводное устройство зажато между двумя концами, тогда предпочтительно имеются два места обращения порядка слоев в приводном устройстве. Предпочтительно имеются ровно три участка между фиксированными противоположными концами, соответствующие двумя участкам, где проявляется кривизна одного типа (то есть, выпуклость или вогнутость), и один участок, где проявляется кривизна противоположного типа.

Устройство может быть приспособлено для выгибания вверх посередине относительно основания устройства, причем несущий слой находится поверх активного слоя на концах или вблизи них, и активный слой находится поверх несущего слоя в срединной области. Должно быть понятно, что «вверх» применяется для указания на удаление от основания устройства. Устройство может быть смонтировано в любой ориентации относительно направления силы тяжести.

Это значит, что после деформации активный слой всегда находится на более длинной стороне, поскольку приводное устройство деформируется с тремя секциями изгиба (подобно форме отрицательной косинусной функции от 0 до 360 градусов). Приводное устройство подразделено на три зоны для соответствия направлению изменения кривизны между вогнутой и выпуклой.

Приводное устройство может быть соединено с зафиксированными противоположными концами активным слоем и пассивным несущим слоем. Этим обеспечивается надежное механическое скрепление с концами. Вместо этого, приводное устройство может быть соединено с зафиксированными противоположными концами только активным полимерным слоем. Это обеспечивает возможность большего отклонения у концов.

Для достижения различных компромиссов между дистанцией смещения и прилагаемым воздействующим усилием могут быть использованы различные конфигурации.

Пассивный несущий слой может включать концевые участки и срединный участок, со срединным участком, размещенным поверх противоположной стороны непрерывного до концевых участков активного слоя. В этом варианте несущий слой разделен на различные участки на противолежащих сторонах единственного активного слоя.

В альтернативном варианте, активный слой может включать концевые участки и срединный участок, со срединным участком, размещенным поверх противоположной стороны непрерывного до концевых участков пассивного несущего слоя. В этом варианте активный слой разделен на различные участки на противолежащих сторонах единственного несущего слоя. Несущий слой обычно является более прочным, и тем самым может обеспечивать лучшую непрерывную опору для приводного устройства.

В одном примере, в неактивированном состоянии, приводное устройство может быть сформировано с предварительным изгибом. Это может быть достигнуто надлежащим промежутком между концами, сравнительно с длиной покоящегося приводного устройства.

В еще одном примере, в неактивированном состоянии, приводное устройство является плоским, и устройство включает элемент с предварительно приданной формой, чтобы сделать приводное устройство изгибающимся в желательном направлении при активировании. Этим обеспечивается более компактная конструкция.

Устройство, или приводное устройство, или активный слой, могут содержать один или многие (многочисленные) электроды для передачи воздействующего сигнала на один или многие участки воздействующего слоя и тем самым электроактивного полимера.

Устройство может иметь оптическое устройство для передачи радиационных сигналов (например, в УФ-области, УФ-видимого излучения, видимого излучения, в ИК- или ближней ИК-области) для приведения в действие приводного устройства или активного слоя. Такое оптическое устройство может включать один или многие из ряда элементов для управления воздействующим излучением. Такие элементы включают: линзы, зеркала, однопроводные линии, или прочие проводники излучения, призмы, светоделители, фильтры, переключатели, поляризаторы. Оптическое устройство может иметь часть или целиком быть частью приводного устройства (например, когда оно находится в форме световода, присоединенного к активному слою).

Электроды или оптическое устройство могут быть конфигурированы для возможности независимого приведения в действие/активирования различных участков приводного устройства или активного слоя. Сегментирование воздействия этим путем может улучшить механический момент, действующий по направлению смещения центра актуатора.

Пассивный несущий слой может включать серию поверхностных каналов. Этим создается асимметричная подложка, которая может быть использована для облегчения смещения.

Например, активный слой в неактивированном состоянии может быть планарным.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Теперь примеры изобретения будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает известное устройство на основе электроактивного полимера, которое не зажато;

Фиг. 2 показывает известное устройство на основе электроактивного полимера, которое связано слоем подложки;

Фиг. 3 показывает три различных пути закрепления изогнутого EAP-актуатора;

Фиг. 4 используется для разъяснения проблемы, связанной с фиксированной подложкой между двумя концами;

Фиг. 5 в схематической форме показывает первый пример приводного EAP-устройства;

Фиг. 6 показывает вариант исполнения устройства согласно Фиг. 5;

Фиг. 7 показывает второй пример приводного EAP-устройства;

Фиг. 8 показывает три варианта конструкции, которые были моделированы для целей сравнения;

Фиг. 9 представляет результаты моделирования для трех вариантов конструкции согласно Фиг. 8;

Фиг. 10 показывает третий пример приводного EAP-устройства;

Фиг. 11 показывает четвертый пример приводного EAP-устройства;

Фиг. 12 показывает пятый пример приводного EAP-устройства; и

Фиг. 13 показывает шестой пример приводного EAP-устройства.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение представляет актуаторное и/или сенсорное устройство, включающее приводное устройство, имеющее активный слой (включающий электроактивный или фотоактивный полимер) и пассивный несущий слой, причем приводное устройство проходит между фиксированными противоположными концами. Полимерная конструкция включает пассивный несущий слой и активный полимерный слой, причем на концах или вблизи них несущий слой и активный полимерный слой размещены один поверх другого в первом порядке, и в срединной области между концами несущий слой и активный полимерный слой размещены в противоположном порядке.

Это позволяет более эффективно использовать внутренние напряжения и моменты внутри композиции электроактивного полимера для создания смещения или воздействующего усилия.

Теперь изобретение будет описано со ссылкой на разнообразные конструкции актуатора с использованием одного или многих слоев электроактивного полимера. Однако те же конструкционные признаки могут быть также применимыми в качестве сенсора. Таким образом, приведенные ниже примеры разъясняются в контексте актуатора, в более широком смысле они представляют собой EAP-устройства, которые могут представлять собой исполнительные блоки или сенсорные блоки. Кроме того, назначение активного EAP-слоя состоит в расширении или сокращении в ответ на электрический воздействующий сигнал. Те же функции могут быть осуществлены с использованием фотоактивного полимерного слоя, который, вместо этого, будет реагировать на оптический стимул. Ниже будут описаны полимеры, которые могут быть применены в качестве электроактивных и/или фотоактивных полимеров.

Фиг. 5 показывает первый пример приводного EAP-устройства.

Этот пример имеет активный слой 30 в форме электроактивного полимера (EAP). Активный слой 30 проходит между торцевыми зажимными концами 50а, 50b. EAP-слой изгибается, когда расширяется в результате взаимодействия с пассивным несущим слоем 32. Несущий слой ограничивает изгибание, чтобы оно происходило в желательном направлении. Несущий слой и активный EAP-слой совместно могут рассматриваться как «приводное устройство или просто EAP-устройство».

Несущий слой включает три участка. Первый и второй участки 32а, 32b находятся на каждом конце EAP-слоя, будучи соединенными с зажимами 50а, 50b. Эти участки размещаются поверх EAP-слоя 30 так, что, когда EAP-слой расширяется, на этих участках 32а, 32b происходит выгибание вверх (выпукло, если рассматривать сверху, и вогнуто при рассматривании снизу). Третий, центральный участок 32с размещается на протяжении срединной секции EAP-слоя и под ним. Когда EAP-слой расширяется, на этом участке происходит выгибание вниз (вогнуто, если рассматривать сверху, и выпукло при рассматривании снизу). Таким образом, общая форма будет вогнутой и выпуклой на различных участках, и применяется предварительное изгибание, чтобы регулировать направление изгибания.

Тем самым положение несущего слоя вблизи зажимов меняется на противоположное так, что момент 40 вблизи зажимов действует согласованно со смещением 42 центра актуатора, вместо того, чтобы действовать против смещения центра актуатора. В результате этого смещение 42 центра актуатора усиливается по сравнению с актуатором, содержащим пассивный несущий слой с одной и той же стороны, как показано в Фиг. 4.

Оптимальная геометрическая форма и степень улучшения могут быть определены моделированием и/или испытанием. EAP-слой и несущий слой деформируются так, что несущий слой всегда находится на более короткой стороне кривой, когда EAP расширяется при активировании.

Были проведены моделирования методом конечных элементов для оценки осуществимости разнообразных конструкций. Активный слой моделируется как неогуковское твердое тело с электромеханической силой, описываемой натяжением Масквелла. Использованные величины по умолчанию и характеристики являются следующими:

Толщина активного слоя 0,2 мм Активный слой C10 (постоянная зависимость напряжений от деформации) 48 МПа Кажущаяся диэлектрическая проницаемость активного слоя 2E-6 Ф/мм Толщина несущего слоя 0,1 мм Модуль Юнга несущего слоя 1375 МПа Коэффициент Пуассона несущего слоя 0,4 Длина актуатора (между зажимами) 12 мм Ширина актуатора 12,5 мм Подводимое напряжение 250 В Длина наружного участка несущего слоя (2 из них) 2,5 мм Длина срединного участка несущего слоя 8 мм

Для настройки базового уровня сначала провели моделирование стандартного фиксированного актуатора, как показанного в Фиг. 3. Полученное максимальное отклонение составляло 0,284 мм, и максимальное усилие составляло 0,25 Н.

Фиг. 6 показывает вариант исполнения конструкции, согласно Фиг. 5. EAP-слой 30 и трехсекционный несущий слой 32а, 32b, 32с размещены на рамке 60. Концы опираются на уступы 62, и они зафиксированы на месте кольцом или клеем 64. В центре рамки предусмотрен маленький предварительно сформированный выступ 66, чтобы направлять отклонение актуатора в желательном направлении. Участки несущего слоя перекрываются друг с другом на каждой стороне в положениях 67. Это не оказывает существенного влияния на смещение, но устраняет проблемы концентраций напряжений и высоких сдвиговых нагрузок в этих местах.

Проведенное моделирование показало, что отклонение в активированном состоянии составляет 0,69 мм, и максимальное усилие составляет 0,8 Н. Как усилие, так и отклонение являются более высокими, чем в случае базового уровня.

Вместо применения предварительно сформированного выступа предварительное придание формы может быть выполнено перемещением зажимов 50а, 50b навстречу друг другу, принудительно придавая актуатору начальную кривизну. Это может значительно повысить величину усилия, которому актуатор может противостоять в своем активированном состоянии. Анализ методом конечных элементов для такого варианта показывает эффективное отклонение на 0,33 мм, составляющее меньше половины полученного в примере согласно Фиг. 6, но максимальная возможная нагрузка в этом случае составляет 2,92 Н, в несколько раз выше, чем полученная в примере согласно Фиг. 6.

Фиг. 7 показывает еще один пример. Он отличается от Фиг. 6 только тем, что EAP-слой 30 заканчивается непосредственно перед зажимами 50а, 50b так, что зафиксированными оказываются только первый и второй участки 32а, 32b несущего слоя.

Таким образом, края участков 32а, 32b несущего слоя выходят за пределы активного EAP-слоя 30, и устройство зафиксировано с использованием этих выступающих участков.

Фиг. 8 показывает три возможных схемы присоединения для целей сравнения. Фиг. 8(а) показывает только активный EAP-слой, проходящий между зажимами. Фиг. 8(b) показывает наслоенные друг на друга активный EAP-слой и пассивный несущий слой, причем зажаты оба слоя. Фиг. 8(с) показывает актуатор с сегментированным несущим слоем, как разъяснялось выше, и с зажатым на каждом конце только EAP-слоем 30.

Каждому актуатору первоначально придана предварительно заданная форма в одинаковой степени, чтобы обеспечить отклонение по желательному направлению. Подводится напряжение, вызывающее изгибание актуатора, после которого усилие, прилагаемое к центру актуатора, постепенно повышается, пока актуатор не будет выдавлен обратно до нулевого или меньшего отклонения. Кривые зависимости усилия от отклонения показаны на Фиг. 9.

Только вариант согласно Фиг. 8(а) с активным EAP-слоем проявляет наибольшее отклонение, но ограничен по величине усилия, как показано на графике 80. Наслоенный актуатор согласно Фиг. 8(b) имеет уменьшенное отклонение, как показано графиком 82. Актуатор согласно Фиг. 8(с) также проявляет приблизительно на 30% меньшее отклонение, чем вариант с активным слоем, но может противостоять на 400% большему усилию. Это показано на графике 84.

Вышеуказанный пример имеет разделенный несущий слой. В Фиг. 10 показана альтернатива, в которой вместо несущего слоя на три части подразделен EAP-слой. Так, EAP-слой имеет первый, второй и третий участки 30а, 30b, 30с. Первый и второй участки находятся под несущим слоем 32, и размещены на концах так, что они соединяются с зажимами. Срединный, третий участок 30с EAP-слоя находится поверх несущего слоя 32.

Тогда несущий слой 32, который может быть, например, более прочным, чем EAP-слой, является непрерывным, так что может быть изготовлен более прочный актуатор, в частности, менее чувствительный к концентрациям напряжений, чем EAP-слой.

Моделирования методом конечных элементов конфигурации в этом варианте исполнения показывают отклонение на 0,324 мм и усилие приблизительно 1,2 Н. По сравнению с базовым уровнем, эти величины дают относительно малое улучшение в плане отклонения, но может быть приложено значительно более высокое усилие.

Фиг. 11 показывает дополнительный пример, в котором используется сегментированный EAP-слой 30. Имеются первый, второй и третий участки 30а, 30b, 30с, как в примере, согласно Фиг. 10. Кроме того, срединный участок и/или краевые участки дополнительно сегментированы. Пример показывает все три участка как дополнительно сегментированые. Сегменты участков EAP-слоя в некоторых примерах могут быть активированы по отдельности, чтобы управлять процессом изгибания.

Сначала активируются EAP-сегменты участков 30а, 30b вблизи зажимов, и затем активируются EAP-сегменты срединной части актуатора. Этим может быть улучшен контроль создаваемого изгибания. Однако этот улучшенный контроль достигается ценой меньших усилий и меньшего хода актуатора.

Таким образом, в этом способе приведения в действие применяется последовательное активирование электродов. Сначала могут быть активированы стороны (30а и 30b), чтобы создать предварительный изгиб актуатора вверх так, что при активировании срединной части (30с) дополнительное изгибание будет происходить по направлению вверх.

Фиг. 12 показывает дополнительный пример, который объединяет сегментированный носитель 30а, 30b, 30с с сегментированными электродами на непрерывном EAP-слое 30.

Тогда EAP-слой 30 может быть активирован локально активированием сегментированных электродов по отдельности. Например, EAP-слой может быть сначала активирован на краях, и затем активирована срединная часть EAP.

Фиг. 13 показывает вариант исполнения, имеющий несущий слой 32, сформированный в виде участков 32а, 32b, 32с, и он дополнительно имеет каналы 90, образованные в наружной поверхности несущего слоя, чтобы облегчить изгибание актуатора. Они могут быть только на краевых участках, где радиус изгиба может быть меньшим, или же они могут находиться на всех трех секциях, как показано. Изгибание несущего слоя имеет тенденцию проявляться вблизи каналов, и поэтому они могут сокращать напряжения сжатия в несущем слое, по меньшей мере, пока каналы остаются открытыми. Когда каналы становятся закрытыми, тогда может быть осуществлена функция запирания при заданном смещении актуатора. Тем самым несущий слой легче изгибается, пока каналы остаются открытыми. Этот подход может быть применен в любом из вышеуказанных примеров.

Как было упомянуто выше, та же конструкция может быть использована в качестве сенсора. Прилагаемое извне сжатие генерирует изменение электрического поля, что имеет результатом измеримые сигналы на электродах.

В случае сенсора проявляется преимущество более жесткой и более чувствительной структуры, чем, например, полностью зажатый биморфный сенсор с подложкой только на одной стороне, поскольку в этой непрерывной конфигурации часть напряжений будет противодействовать сигналу сенсора.

Все EAP-устройство может иметь, например, размеры 10 мм×10 мм×0,5 мм. Типичный и неограниченный диапазон размеров может быть от 50 мм×50 мм×2 мм до 2 мм×2 мм×0,1 мм. Форма в виде сверху может быть квадратной, но вместо этого может быть в виде удлиненного прямоугольника или круглой. В случае круглой формы элементы сегментированного несущего слоя принимают форму концентрических окружностей.

Описанные выше устройства имеют активный слой, сэндвичеобразно размещенный между электродами, для подведения к ним надлежащих электрических воздействующих сигналов, таких как сигналы напряжения или тока. По соображениям ясности электроды не показаны. Несущий слой также может быть между электродами (в случае активного слоя с полевым активированием), но, в альтернативном варианте, может не быть, если требуется или применяется активный слой с токовым активированием.

Материалы, пригодные для EAP-слоя, известны. Электроактивные полимеры включают, но не ограничиваются этим, такие подклассы: пьезоэлектрические полимеры, электромеханические полимеры, релаксорные ферроэлектрические полимеры, электрострикционные полимеры, диэлектрические эластомеры, жидкокристаллические эластомеры, сопряженные полимеры, ионные полимер-металлические композиты, ионные гели и полимерные гели.

Подкласс электрострикционных полимеров включает, но без ограничения этим:

поливинилиденфторид (PVDF), поливинилиденфторид-трифторэтиленовый сополимер (PVDF-TrFE), поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлорфторэтиленовый сополимер (PVDF-TrFE-CFE), поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлортрифторэтиленовый сополимер (PVDF-TrFE-CTFE), поливинилиденфторид-гексафторпропиленовый сополимер (PVDF-HFP), полиуретаны, или их смеси.

Подкласс диэлектрических эластомеров включает, но без ограничения этим:

акрилаты, полиуретаны, силиконы.

Подкласс сопряженных полимеров включает, но не ограничивается этим:

полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли(пара-фениленсульфид), полианилины.

Дополнительные пассивные слои могут быть предусмотрены для влияния на поведение EAP-слоя в ответ на приложенное электрическое поле.

EAP-слой каждого блока может быть сэндвичеобразно размещен между электродами. В случае применения в изобретении диэлектрического эластомера в качестве активного материала этот слой или материал сэндвичеобразно размещается между этими электродами так, что вольтовый сигнал на электродах может приводить к тому, что материал становится сдавленным электродами. Такое присоединение также может быть использовано в других ситуациях, но требуется не всегда, кроме как с пьезо- или ферроэлектрическими (релаксорными или нет) материалами. Электроды могут быть растяжимыми так, что они следуют за деформацией материала EAP-слоя. Пригодные для электродов материалы также известны, и, например, могут быть выбраны из группы, состоящей из тонких пленок металла, такого как золото, медь или алюминий, или органических проводников, таких как сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли-3,4-этилендиокситиофен (PEDOT), например, поли-3,4-этилендиокситиофен-полистиролсульфонат (PEDOT:PSS). Также могут быть использованы металлизированные сложнополиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (PET), например, с использованием алюминиевого покрытия.

Материалы для различных слоев будут выбираться, например, принимая во внимание модуль упругости (модуль Юнга) различных слоев.

Дополнительные слои к обсуждаемым выше слоям могут быть применены для приспособления электрических или механических характеристик устройства, такие как дополнительные полимерные слои.

EAP-устройства могут представлять собой устройства с полевым активированием или ионные устройства. Ионные устройства могут основываться на ионных полимер-металлических композитах (IPMC) или сопряженных полимерах. Ионный полимер-металлический композит (IPMC) представляет собой синтетический композитный наноматериал, который функционирует в качестве искусственных мышц при приложении напряжения или электрического поля.

Материалы IPMC состоят из ионного полимера типа Nafion или Flemion, поверхности которых химически плакированы или физически покрыты проводящими материалами, такими как платина или золото, или электродами на углеродной основе. При приложении напряжения миграция и перераспределение ионов вследствие приложенного напряжения через ленту IPMC приводит к изгибной деформации. Полимер представляет собой набухшую в растворителе ионообменную полимерную мембрану. Поле вызывает перемещение катионов к катодной стороне вместе с водой. Это приводит к реорганизации гидрофильных кластеров и к расширению полимера. Деформация в области катода обусловливает напряжение в остальной полимерной матрице, приводя к изгибанию в сторону анода. Реверсирование прилагаемого напряжения изменяет направление изгибания.

Если нанесенные плакированием электроды размещаются в несимметричной конфигурации, подводимое напряжение может возбуждать деформации всех видов, таких как завивание, сворачивание в рулон, скручивание, вращение и несимметричная изгибная деформация.

Как упоминалось выше, разъясняемые выше механические конструкции могут быть также использованы в качестве фотоактивных материалов. Такие фотомеханически чувствительные материалы, например, состоят из фотомеханически чувствительных молекул, встроенных в полимерную матрицу. Фотомеханически чувствительные молекулы изменяют форму при освещении светом с определенной длиной волны.

Наиболее известные фотомеханические материалы приводятся в действие изменением формы между двумя изомерными состояниями в фоточувствительных молекулах, присутствующих в материале. Переход из транс-конфигурации возбуждается освещением светом, соответствующим длине волны поглощения молекулой в транс-состоянии, тогда как переключение обратно в метастабильную цис-форму может индуцироваться термически, или опять же запускаться освещением светом с длиной волны, которая соответствует длине волны поглощения молекулой в ее цис-состоянии.

Такие материалы включают, но без ограничения, антрацены, диариловые простые эфиры, спиропираны и азобензолы, в том числе замещенные азобензолы, такие как аминоазобензолы и псевдостильбены. Эти фотомеханически чувствительные молекулы погружены в полимерный материал, либо путем примешивания к базовому полимеру таких функциональных фотомеханически чувствительных молекул, либо ковалентным связыванием с фотомеханическим функциональным фрагментом в полимере в результате полимеризации. Сюда входит полимеризация мономеров с функциональной азогруппой или последующая функционализация полимеров с различным скелетом, с созданием полимеров с функциональными азогруппами в боковых цепях.

Полимеры могут быть аморфными или жидкокристаллическими (LC) по природе. В то время как аморфные полимеры сокращаются единообразно по всем направлениям, LC-полимеры могут быть сделаны деформирующимися в предпочтительном направлении, значительно усиливая действие в этом направлении. Жидкокристаллические эластомеры (LCE) являются в особенности пригодными материалами для фотомеханических материалов, поскольку они могут иметь индуцируемую LC направленность во всем полимерном материале в твердом состоянии.

Изобретение также может быть использовано во многих вариантах применения EAP и фотоактивных полимеров, включающих примеры, где представляет интерес материал пассивной матрицы актуатора.

Во многих вариантах применения основное назначение изделия основывается на (локальном) воздействии на ткани человека, или воздействии на контактирующие с тканью поверхности раздела. В таких вариантах применения, например, EAP-актуаторы создают уникальные преимущества, главным образом благодаря малому форм-фактору, гибкости и высокой плотности энергии. Поскольку EAP и фоточувствительные полимеры могут быть легко встроены в мягкие, трехмерные и/или миниатюрные изделия и интерфейсы. Примерами таких вариантов применения являются:

косметические средства ухода за кожей, такие как устройства для активации кожи в форме чувствительных трансдермальных пластырей на основе полимера, которые создают постоянное или периодическое натяжение кожи, чтобы растягивать кожу или сокращать морщины;

дыхательные устройства с барьерной маской пациента, которая имеет активную прокладку или клапан на основе чувствительного полимера, для создания знакопеременного нормального давления на кожу, которое сокращает или предотвращает красные пятна на лице;

электрические бритвы с самонастраивающейся бритвенной головкой. Высота контактирующих с кожей поверхностей может быть скорректирована с использованием актуаторов из чувствительного полимера, чтобы влиять на баланс между сближением и раздражением;

устройства для очистки ротовой полости, такие как ирригатор Airfloss с динамическим актуатором сопла, чтобы улучшить создание аэрозоля, особенно в промежутках между зубами. В альтернативном варианте, зубные щетки могут быть оснащены активируемыми пучками;

устройства бытовой электроники или сенсорные панели, которые создают локальную тактильную навигацию посредством матрицы чувствительных полимерных преобразователей, которые встроены в пользовательский интерфейс или рядом с ним;

катетеры с управляемым наконечником для обеспечения простого целенаправленного продвижения в извилистых кровеносных сосудах.

Еще одна категория соответственного применения, для которого полезны такие актуаторы, имеет отношение к модификации света. Такие оптические элементы, как линзы, отражающие поверхности, решетки и т.д., могут быть сделаны приспособляемыми путем адаптации формы или положения с использованием этих актуаторов. Здесь одним преимуществом EAP является, например, низкий расход энергии.

Другие вариации раскрытых вариантов исполнения могут быть поняты и осуществлены квалифицированными специалистами в этой области технологии при исполнении на практике заявленного изобретения, после изучения чертежей, описания и пунктов прилагаемой формулы изобретения. В пунктах формулы изобретения слово «включающий» не исключает других элементов или стадий, а единственное число не исключает возможность применения множественного числа. Только то обстоятельство, что определенные величины перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих величин не может быть использована с пользой. Любые ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие область изобретения.

Использование: для создания актуаторного устройства. Сущность изобретения заключается в том, что актуатор или сенсорное устройство включает конструкцию из электроактивного полимера (EAP), которая проходит между фиксированными противолежащими концами, конструкция из электроактивного полимера включает пассивный несущий слой и активный слой электроактивного полимера, причем на концах или вблизи них пассивный несущий слой и активный EAP-слой размещаются один поверх другого в первом порядке, и в срединной области между концами несущий слой и активный EAP-слой размещены в противоположном порядке. Технический результат: обеспечение возможности эффективного использования внутреннего напряжения и моменты внутри конструкции из электроактивного полимера для содействия смещению или воздействующему усилию. 14 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Преобразователь для преобразования электрического и/или радиационного сигнала в перемещение или наоборот, содержащий:

устройство, которое проходит между фиксированными противолежащими концами и содержит пакет слоев, включающий:

- активный слой (30), содержащий электроактивный полимер и/или фотоактивный полимер, и

- пассивный несущий слой (32),

причем на по меньшей мере одном из фиксированных противолежащих концов или вблизи них пассивный несущий слой (32) и активный слой (30) размещены один поверх другого в первом порядке, а в срединной области между фиксированными противолежащими концами пассивный несущий слой (32) и активный слой (30) размещены один поверх другого во втором порядке, противоположном первому порядку.

2. Преобразователь по п.1, содержащий основание, причем:

устройство выполнено с возможностью изгибания вверх посередине относительно основания,

пассивный несущий слой (32) находится поверх активного слоя (30) на по меньшей мере одном из фиксированных противолежащих концов или вблизи них, и активный слой (30) находится поверх пассивного несущего слоя (32) в срединной области.

3. Преобразователь по п. 1 или 2, в котором устройство соединено с по меньшей мере одним из фиксированных противолежащих концов активным слоем (30) и пассивным несущим слоем (32).

4. Преобразователь по п. 1 или 2, в котором устройство соединено с по меньшей мере одним из фиксированных противолежащих концов только активным слоем (30).

5. Преобразователь по любому из пп. 1-4, в котором пассивный несущий слой (32) имеет концевые участки (32а, 32b) и срединный участок (32с), причем срединный участок размещен поверх противоположной стороны непрерывного активного слоя (30) до концевых участков.

6. Преобразователь по любому из пп. 1-4, в котором активный слой (30) имеет концевые участки (32а, 32b) и срединный участок (32с), причем срединный участок размещен на противоположной стороне непрерывного пассивного несущего слоя до концевых участков.

7. Преобразователь по любому из пп. 1-6, в котором устройство в неактивированном состоянии сформировано предварительно изогнутым.

8. Преобразователь по любому из пп. 1-6, в котором устройство в неактивированном состоянии является плоским, и преобразователь содержит предварительно сформированный элемент (66), чтобы обеспечивать изгибание устройства в желательном направлении при активировании.

9. Преобразователь по любому из пп. 1-8, в котором активный слой (30) включает в себя электроактивный полимер и один или более электродов для активирования устройства.

10. Преобразователь по п.9, в котором один или более электродов составляют часть устройства.

11. Преобразователь по любому из пп. 1-8, в котором активный слой (30) включает фотоактивный полимер, причем дополнительно имеется оптическое устройство для подведения активирующего излучения к фотоактивному полимеру для активирования фотоактивного полимера.

12. Преобразователь по п.11, в котором оптическое устройство содержит один или более из следующих элементов для управления активирующим излучением: линзу, зеркало, призму, оптоволокно или другой световод, поляризационный элемент, фильтр излучения, светоделитель.

13. Преобразователь по любому из пп. 9-12, в котором:

когда преобразователь включает в себя множество электродов для активирования устройства, это множество электродов распределено так, что различные участки устройства могут быть активированы независимо, или

когда устройство включает в себя оптическое устройство, оно сконфигурировано так, что различные участки устройства могут быть активированы независимо.

14. Преобразователь по любому из пп. 1-13, в котором пассивный несущий слой (32) включает в себя серию поверхностных каналов.

15. Преобразователь по любому из пп. 1-14, в котором активный слой (30) является планарным в неактивированном состоянии.