(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
感熱性形状記憶層であって、前記形状記憶層は形状記憶合金を含み、前記合金は、第１の温度以下では第１の相で存在し、第２の温度以上では第２の相で存在し、第１の相から第２の相への転移が前記層を刺激して任意の第１の形状から第２の所定の形状に変化させる、感熱性形状記憶層と、
両方が同じ形状に従うように前記形状記憶合金層に結合された電気活性ポリマー層であって、印加された電圧に応じて変形可能な電気活性ポリマー層と、
前記感熱性形状記憶層の温度を制御するための加熱手段と、
を有する双方向アクチュエータ。
【請求項２】
前記加熱手段が、前記合金を通る電流を与えるための、前記形状記憶合金と電気的に連通した少なくとも２つの接触端子を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記加熱手段が、前記形状記憶合金と熱的に連通した加熱素子を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記感熱性形状記憶層が、形状記憶合金ワイヤが埋め込まれたポリマー材料の層を有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
１つまたは複数の境界壁を備えるチャネルを有し、少なくとも１つの前記境界壁が、１つまたは複数の請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアクチュエータを有する、ビーム形成素子。
【請求項６】
前記チャネルの一端に配置された１つまたは複数の光学素子を有する、請求項５に記載のビーム形成素子。
【請求項７】
１つまたは複数の請求項５または請求項６に記載のビーム形成素子と、
前記チャネルの少なくとも１つの境界壁内に配置されたソリッドステート照明素子と、
を有する適応照明装置。
【請求項８】
肌毛シェービング装置のための肌接触構造体であって、前記肌接触構造体は、前記シェービング装置による肌のシェービング中に前記肌の肌部分に接触するためのものであり、前記構造体は、前記肌接触構造体の少なくとも一部と前記肌部分との間の相対的な位置または向きを変更するための、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアクチュエータを有する、肌接触構造体。
【請求項９】
双方向作動方法であって、
加熱手段を用いて第１の層要素の温度を上昇させるステップであって、前記要素は形状記憶合金を有し、温度の前記上昇は前記合金を刺激して第１の温度における第１の形状から第２の温度における第２の所定の形状に遷移させる、ステップと、
第１の層要素の温度を第３の温度に低下させるステップと、
第２の層要素に電圧を印加するステップであって、第２の層要素は、第１の層要素と、２つの要素が同じ形状に従うように結合され、電気活性ポリマーを有し、前記電圧は前記ポリマーを刺激して第２の所定の形状から第３の形状に変形させ、第３の形状は前記電圧の大きさに依存するステップと、
を有する方法。
【請求項１０】
第３の形状が第１の形状と一致するような大きさの前記電圧が第２の層要素に印加される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
第１の層要素の形状遷移が作動力を与えるために用いられる、請求項９または請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第２の層要素の形状遷移が作動力を与えるために用いられる、請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記加熱手段がジュール加熱プロセスを有し、電流が第１の層要素の少なくとも一部に流される、請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記電圧が、第１の層要素を介して第２の層要素に印加され、第１の層要素が第２の層要素と電気的に連通する、請求項９から請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
双方向アクチュエータを製造する方法であって、
形状記憶合金を有する第１の層要素を、電気活性ポリマーを有する第２の層要素に、２つの層要素が同じ形状に従うように結合し、
第１の層要素と熱的に連通するように加熱手段を設ける、
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双方向小型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型であるが、大きなストロークを誘発し、大きな力を加えることができるアクチュエータから恩恵を受けることができる多くのアプリケーションがある。
【０００３】
モーターは、大きなストロークおよび力を発生させるためのアクチュエータとして最も一般的に使用される。多くの小型化されたアプリケーションでは、小型のモーターでも大きすぎ、重く、ノイズが多く、高価である。さらに、小型モーターは効率が低いという欠点がある。
【０００４】
成形されたメモリ材料(SMM)、特に形状記憶合金(SMA)は、特定の相変化温度を超えて加熱されると、大きな力およびストロークを提供することができる。材料の寸法が小さい場合であっても、供給される力およびストロークは、非常に長い期間にわたり、そして多くのスイッチング操作の後、これらの寸法に比べて非常に大きく正確である。
【０００５】
温度に依存する作動信号を提供するために形状記憶材料を使用することが検討されている。例えば、US2014/0007572は、材料の相変化温度より高い温度で収縮し、それによってアクチュエータに関与する形状記憶合金ワイヤの使用を開示する。温度低下およびワイヤの低温相への移行時に、ワイヤの元の長さの復元、したがってアクチュエータのリセットは、ワイヤをその低温の長さに戻すように伸張させる追加のバイアスばねの使用によって達成される。
【０００６】
アクチュエータの形状をリセットするために外部の機械的バイアスを必要とすることは、温度が低下した場合に、相は元の相に戻るが、形状は変化しないという事実から生じる欠点である。したがって、アクチュエータが再び使用される前に、温度が低下した後、SMMの形状変化を反転させるために外部駆動が開始されなければならない。
【０００７】
外部機械的バイアスは、重大な容積、コストおよび製造の複雑さをアクチュエータ装置に引き起こし、SMAの用途がもたらす主な利点の多くを損なうことがある。さらに、常設の機械的なバイアスばねの使用は、アクチュエータの有効ストロークを減少させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、ストロークの間にアクチュエータをリセットするために、かさばったまたは複雑な逆バイアス機構を必要とすることなく、双方向性の能力を有する顕著な作動力を提供するために、SMA材料を利用する小型アクチュエータ装置が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、特許請求の範囲によって定められる。
【００１０】
本発明の一態様によれば、双方向アクチュエータが提供され、このアクチュエータは、
感熱性形状記憶層であって、前記形状記憶層は形状記憶合金を含み、前記合金は、第1の温度以下では第1の相で存在し、第2の温度以上では第2の相で存在し、第1の相から第2の相への転移が前記層を刺激して任意の第1の形状から第2の所定の形状に変化させる、感受性記憶層と、
両方が同じ形状に従うように前記形状記憶合金層に結合された電気活性ポリマー層であって、印加された電圧に応じて変形可能な電気活性ポリマー層と、
感熱性形状記憶層の温度を制御するための加熱手段とを有する。
【００１１】
電気活性ポリマー(EAP)は、印加された電場に応じて制御された変形を受ける一群の材料を含む。変形を受けている間にEAPによって生成される応力は、変形を受ける形状記憶合金(SMA)によって生成される応力よりも著しく小さく、したがって、それ自体の作動アプリケーションにおいては限られた有用性を有する。しかし、EAPによって生成される応力は、前記SMAがその低温相にあるときにSMAの抵抗力に打ち勝つのに十分であり、したがって、そのような相の間にそのような層の形状を変形させるのに十分である。
【００１２】
したがって、本発明の実施形態は、SMAベースのアクチュエータにに関連する「逆作動」機能を提供するために、EAPの形状変形特性を利用する。SMA層は、加熱手段を用いて加熱され、初期形状からその高温形状記憶形状に移行するよう誘導され、そのときに作動力を与える。相転移温度以下に冷却されると、SMAは超弾性となり、その高温相の間よりも小さい力で操作することができる。そして、結合されたEAP層にわたって電場が確立され、それに応じて変形するように前記層を誘発し、この変形がSMA層を引っ張り、アクチュエータを元の初期形状に「リセット」する。
【００１３】
従って、EAP層は、容積を著しく増加させることなく、アクチュエータの双方向性を容易にする。なぜなら、小型化されたアクチュエータに関して、EAPの非常に薄い箔は、低温相でのSMA層を変形させるのに十分であるからである。
【００１４】
変形中のEAPによって生成される力はSMAの力よりも小さいが、それにもかかわらず、「逆行程」の間にSMAを変位させるのに必要な力を超えて生成される過剰な力は、何らかの(それ程強くない)逆作動機能を実行するために利用され得る。さらに、電気活性ポリマーは、その変形の程度が、それらに印加される電場の大きさを変えることによって制御可能に変化し得るという特性を有する。より大きな電場はより大きな歪みをもたらし、より小さな電場はより小さな歪みをもたらす。これは、変形の程度を制御する手段を持たずに、一方の状態から他方の状態へと大まかに切り替わるSMAとは対照的である。したがって、いくつかの実施形態では、EAP層は、SMAの変形とは反対の方向に低強度であるが注意深く制御可能な作動としての追加機能を提供するために利用されることができる。
【００１５】
一群の実施形態では、加熱手段は、合金に電流を流すために、形状記憶合金と電気的に連通する少なくとも2つの接触端子を含む。
【００１６】
2つの端子間に電位差を印加することにより、合金層が刺激されてジュール発熱が起こる。端子は、例えば、合金要素の2つの対向する端部に設けられてもよく、それにより、材料の全体にわたる加熱を容易にすることができる。
【００１７】
ジュール加熱は合金温度を上昇させる直接かつ効率的な手段であるが、特定の実施形態では、合金自体に電流を誘導することは不都合であるか、または問題となる可能性がある。例えば、そのような電流は、特定のアプリケーションにおいて隣接する構成要素に干渉する可能性がある。したがって、異なるグループの実施形態によれば、加熱手段は、形状記憶層と熱的に連通する加熱要素を含む。いくつかの場合には、加熱要素は、合金に物理的に取り付けられた要素を含むことができ、あるいは、合金を取り囲むまたは二層構造を取り囲む環境を全体として加熱するように構成され適合された要素を含むことができる。
【００１８】
熱感受性形状記憶層は、いくつかの実施形態では、埋め込まれた形状記憶合金ワイヤを有するポリマー材料の層を含むことができる。この場合、ポリマー層は、SMAワイヤとEAP材料との間の絶縁及び断熱材として作用することができる。別の実施形態では、形状記憶層は、単に、周囲にポリマー成分を有さない形状記憶合金の薄いシートまたは箔からなることができる。
【００１９】
本発明の一態様によれば、ビーム整形素子がさらに提供され、このビーム整形素子は、
1つまたは複数の境界壁を持つチャネルを有し、少なくとも1つの境界壁が、先行する請求項のいずれか1項に記載の１つまたは複数のアクチュエータを有する。
【００２０】
境界壁を構成するアクチュエータを制御可能に刺激することにより、チャネルの形状及び/又は相対的な指向方向を動的に調整することができる。例えば、ビーム整形素子は、照明アプリケーションにおいて動的なビームステアリングを容易にすることができ、対向して配置されたアクチュエータが同じ所定の方向に平行に曲がるように刺激されて、それによってチャネルの開放端を一方の方向から他方の方向に「スイープ」する。あるいは、対向して配置されたアクチュエータを刺激して、「内向き」に互いに向かって変形させることにより、チャネルを「絞る」ことができ、チャネルの少なくとも1つの開放端部の直径を変更することができる。
【００２１】
さらに、ビーム整形素子は、チャネルの一端に配置された1つまたは複数の光学素子をさらに備えることができる。これらは、単数の素子または素子のアレイであってもよい。素子の少なくとも1つのサブセットは、チャネルの端部に取り付けられてもよく、その結果、素子は、上述したように「スイープ」するようにチャネルが刺激されると、チャネルと共に移動する。
【００２２】
本発明の一態様によれば、適応照明装置がさらに提供され、当該適応照明装置は、
1つまたは複数の上述したビーム整形素子と、
チャネルの境界壁内に配置された1つまたは複数のソリッドステート照明素子とを有する。
【００２３】
ソリッドステート照明素子は、素子から生成された光が所望の出力分布またはビーム形状/方向を提供するように、ビーム整形素子の基部の基板層またはPCB上に配置されてもよい。
【００２４】
本発明のさらなる態様によれば、肌毛シェービング装置用の肌接触構造体であって、前記肌接触構造体は、シェービング装置による肌のシェービング中に肌接触部分に接触するためのものであり、前記構造体は、前記肌接触構造体の少なくとも一部と前記肌部分との間の相対的な位置または向きを変更するための、請求項1〜4のいずれか一項に記載のアクチュエータを有する。
【００２５】
EAP層の制御可能な変形は、例えば、使用者による肌を横切るシェーバーの動きに応じてリアルタイムで正確な肌とシェーバーとの位置の調整を提供するために、そのような実施形態において採用されてもよい。肌接触構造体と肌との相対的な位置は、所与の肌領域にわたって最大の切断効率を得るために連続的な肌接触を維持するように調整されてもよい。
【００２６】
本発明の別の態様によれば、双方向作動方法が提供され、この方法は、
加熱手段を用いて第1の層要素の温度を上昇させるステップであって、前記要素は形状記憶合金を含み、温度の前記上昇は前記合金を刺激して第1の温度における第1の形状から第2の温度における第2の所定の形状に遷移させる、ステップと、
第1の層要素の温度を第3の温度に低下させるステップと、
第2の層要素に電圧を印加するステップであって、第2の層要素は、第1の層要素と、2つの要素が同じ形状に従うように結合され、電気活性ポリマーを有し、前記電圧は前記ポリマーを刺激して前記第2の所定の形状から第3の形状に変形させ、第3の形状は前記電圧の大きさに依存するステップと、を有する。
【００２７】
第1の形状は、一般に、SMA層がその低温(低応力)相の間に外形的に変形された任意の形状を含むことができる。第1の温度は一般に特定の「低温相〜高温相」転移温度以下の温度であればよく、その特定の値は特定の合金材料に依存する。この合金は、この転移温度を超えるように加熱手段を用いて加熱され、その温度で、その初期形状から第2の予め決定された形状記憶形状に変化するように刺激される。第2の温度は、一般に、低温相-高温相転移温度を超える任意の温度である。
【００２８】
その形状記憶形状に変形すると、層の温度は第3の温度に下げられて、この第3の温度は、材料に属する特定の「高温相-低温相」転移温度未満の任意の温度である。この第3の温度では、層は再びその低温(可鍛)相にある。いくつかの実施形態では、温度を低下させることは、温度を「受動的に」低下させることを含み得る。加熱手段がスイッチオフされ、周囲環境への熱の移動によって層が冷却される。あるいは、何らかの外部冷却素子またはデバイスの適用によって、層の温度を能動的に低下させることができる。
【００２９】
SMA層が低温相に冷却されると、EAP層は電気的に刺激されて、SMA層の変形とは反対の「方向」に変形し、アクチュエータを第3の形状にすることができる。特定の実施形態では、第3の形状が第1の形状と同一となるような大きさを有する電圧が第2の層要素に印加される。このようにして、EAP層の変形は、アクチュエータを初期の開始時の第１の形状に戻す、すなわち、「リセット」する。
【００３０】
印加される電流を停止にすると、依然としてその低温相にあるSMA層の内部抵抗力は、アクチュエータがEAPの自然の低電圧形状へと戻るのを防ぐのに十分であり、したがってアクチュエータはその形状を保持し、変形しない。低温相にあるSMA層の抵抗力に打ち勝つために電気的に活性化されると、EAPは十分な応力を生成するが、活性化されていないときは、SMAの内部応力がEAPの内部応力を超え、SMAがアクチュエータの形状を保持することができる。
【００３１】
上記の方法のいくつかの実施形態では、第1層要素の形状遷移が作動力を与えるために使用され、他の場合には、第2層要素の形状遷移が作動力を与えるために使用され得る。さらに他の形態では、両方の形状遷移を用いて作動力を与えることができる。
【００３２】
上述したように、第1の層要素の形状変化は、その変形の間に第2の層要素よりも大きな仕事を行うことができるが、第2の層の遷移は、その程度および変化率に関して制御可能である。異なるアプリケーション内では、これらの実施形態の異なるものが最も有用であり得る。
【００３３】
上述の作動方法の加熱手段は、電流が第1層要素の少なくとも一部を通過するジュール加熱プロセスを含むことができる。
【００３４】
いくつかの実施形態では、第1の層要素を介して第2の層要素に電圧が印加されることができ、第1の層要素は第2の層要素と電気的に連通している。第1の層要素は、この場合、第2の層要素に対してアノードおよび/またはカソードとして作用する。これにより、電圧の供給のために専用端子をEAP層に設ける必要がなくなる。この作動方法を実行する際、第2の層を電気的に刺激する必要がある時と同時に第1の層を加熱する必要があることは決してないので、第2の層に対するアノード/カソードとしての第1の層の使用は、前記第1の層のジュール加熱プロセスに干渉しないですむ。
【００３５】
本発明の別の態様によれば、双方向アクチュエータを製造する方法であって、
形状記憶合金を含む第1層要素を、電気活性ポリマーを含む第2層要素に結合して、2つの要素が同じ形状に従うようにするステップと、
第1の層要素と熱的に連通するように加熱手段を提供するステップとを有する。
【００３６】
結合は、特定の実施形態では、例えば積層プロセスを含むことができる。他の実施形態では、結合は、例えば、合金層上へのポリマー層の「コーティング」によって達成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【図１】形状記憶合金の温度-相関係を示す図。
【図２】形状記憶材料の温度-応力-歪み関係を示す図。
【図３】本発明での使用に適した典型的なEAPの歪み-電圧曲線を示す図。
【図４】アクチュエータの実施形態の第1の例を示す図。
【図５】第1のアクチュエータの実施形態による第1の例示的な作動方法を示す図。
【図６】アクチュエータの変形、SMA温度およびEAP電圧の経時変化を示す第1の作動方法のグラフ。
【図７】1つまたは複数のアクチュエータの実施形態を組み込んだ例示的なビーム整形素子を示す図。
【図８】アクチュエータの実施形態を組み込んだシェーバー装置の肌接触要素を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明は、電気活性ポリマー層と結合された形状記憶合金層から形成された二層構造を含む、熱的におよび電気的に制御可能な小型アクチュエータを提供する。形状記憶合金層の熱刺激のための加熱手段が設けられ、この層は、第1の温度における初期形状から第2の温度における第2の所定の形状に遷移する。電気活性ポリマー層への電界の印加は、この層が低温相にあるとき、合金層の応力を超える可能性がある応力で、応答して変形させるようにこの層を刺激する。さらに、合金層の変形とは反対の「方向」に変形するようにポリマー層を刺激して、アクチュエータをストローク間で「リセット」することを可能にする作動方法がさらに提供される。アクチュエータを製造する方法も提供される。
【００３９】
形状記憶材料(SMM)、特に形状記憶合金(SMA)がよく知られている。形状記憶合金の主な2つのタイプは、銅-アルミニウム-ニッケルおよびニチノールとして知られているニッケル-チタン(NiTi)である。ニチノールは、例えば、ワイヤー、ロッドおよびバーの形態で、または薄膜として入手可能である。しかし、SMAは、亜鉛、銅、金および鉄を合金化することによっても作製することができる。
【００４０】
SMAは、3つの異なる結晶構造(すなわち、twinned-マルテンサイト、detwinned-マルテンサイトおよびオーステナイト)により、2つの異なる相で存在することができる。ニチノール合金は、加熱するとマルテンサイト状態からオーステナイト状態に変化し、冷却すると戻る。
【００４１】
図1は、加熱および冷却中の、加熱の関数としてのマルテンサイト分率を示す。加熱中、AsおよびAfは、マルテンサイトからオーステナイトへの変態が開始および終了する温度である。温度Asは転移温度である。冷却中、MsおよびMfは、マルテンサイトへの転移が開始して完了する温度である。
【００４２】
加熱遷移と冷却遷移との間の相違は、機械的エネルギーのいくらかがプロセス中で失われるヒステリシスを生じさせる。曲線の形状は、合金化および加工硬化などの形状記憶合金の材料特性に依存する。
【００４３】
マルテンサイト相からオーステナイト相への転移は、時間ではなく温度および応力にのみ依存する。形状記憶合金が冷たい状態(As以下)にあるとき、金属は曲げられたり伸びたりして、転移温度以上に加熱されるまでその形状を保持する。加熱すると、形状は元の形状に変化する。金属が再び冷えると、相は変わるが形状は変わらないので、再び変形されるまで熱いときの形状のままである。
【００４４】
この一方向効果により、高温からの冷却は巨視的な形状変化を引き起こさない。低温形状を再現するには変形が必要である。ニチノールの転移温度Asは、合金の種類と組成によって決まり、-150℃〜200℃の間で変化しうる。一般に、-20℃〜120℃の範囲の転移温度が用いられる。従って、転移温度は、特定の用途向けに調整されることができる。
【００４５】
マルテンサイト相における高い応力を伴う、冷間加工または硬化に基づいた、二方向形状記憶効果を有する材料も存在する。しかしながら、ストレスが時間とともに放出されるので、この効果は繰り返しの温度サイクルを許容しない。本発明は、特に一方向形状記憶材料に関する。
【００４６】
上述したように、相転移は応力および温度に依存する。図2は、形状記憶効果の応力-ひずみ-温度関数を示す概略図である。応力はσとして示され、歪みはεとして示される。
【００４７】
特定の形状を憶えさせるために材料をアニールする。材料は、材料に応力を加えることによって、経路10に沿ってその低温形状に変形される。これはdetwinning領域である。応力-歪み曲線の傾きが急激に増加し、その後材料は更なる変形をさせ難くなる。経路が経路12として示されているように応力が緩和されると、転移温度を超えて加熱されるまで、大きな歪みが材料に残る。これが材料をオーステナイト相にするための加熱経路14である。次いで、経路16に沿ってtwinned-マルテンサイト相に冷却し戻すことができ、この時点で、材料の歪みは緩和されている(しかし、形状は元に戻らない)。
【００４８】
SMAの高温相の弾性係数(E係数)は、低温相のE係数よりも著しく高い。
【００４９】
加熱中のこの相変化に伴う形状変化は、第1の力F1を与えることができる。相変化温度未満への温度低下の後、したがって低温相への相変化の後、SMAを元の形状(図2の経路10)に再形成するためには、より小さい力F2が必要である。
【００５０】
電気活性ポリマーは、電場によって刺激されるとサイズまたは形状の変化を示す一群のポリマーである。特に、電気活性ポリマーは、それらに電圧が印加されたときに制御された変形を生じさせることができる電歪ポリマーおよびイオンポリマーを含む。印加される電圧を変化させることによって、変形の程度を制御することができ、変位をデジタル制御することができる。材料が低温相に再入した後でさえも高温形状が持続する形状記憶合金とは対照的に、電気刺激が除去されるとすぐに、電気活性ポリマーは元の形状に戻る。
【００５１】
図3は、典型的な電気活性ポリマーの歪み-電圧曲線の例を示しており、その歪みは、材料の全長の割合としての全ての発生した変形に対応し、Eは、材料全体にわたって印加された電界に対応する。SMAの歪み-温度関係(図2に図示)とは異なり、電気活性ポリマーについては、両者の間に1対1の関係があり、ゼロ電圧は常に材料を単一の特定のゼロひずみ(非変形)形状に戻す。
【００５２】
図3の曲線が対応する特定のEAPは、電界駆動リラクサー強誘電体EAPである。示された印加電界に対する歪みの関係は、PVDF-TrFE-CFEのようなPVDFベースのターポリマー系に典型的である。PVDF-TrFE-CFE材料は、典型的には、イオン性ポリマーおよび誘電性エラストマーのような他のEAPと比較して比較的高い弾性率を有し、したがって、典型的にはSMAを変形させるのに適している。
【００５３】
本発明は、形状記憶合金の形状変化特性を電気活性ポリマーの形状変化特性と組み合わせて、少なくとも一方向に高い作動力を与えることができるアクチュエータ装置を提供することに基づいているが、かさばる外部機械バイアスを必要とせずにアクチュエータを逆変形させることができる、双方向機能をも示す。形状記憶合金の層は、電気活性ポリマーの層と結合されてアクチュエータ装置を形成する。形状記憶合金は、低温相と高温相との間の移行時に著しい過剰な力で変形し、この過剰な力は、作動イベントで容易に利用され得る。電気活性ポリマーは、電界を印加することによってSMAがその高温形状から戻る「手動」変形を可能にし、さらに、この変形の速度および程度を制御することを可能にする。
【００５４】
図4には、本発明によるアクチュエータの簡単な第1の例が示されている。電気活性ポリマー(EAP)の層22および形状記憶合金(SMA)の層24のは、2つが同じ形状に従うように、平面界面26で結合される。SMA層は、材料のジュール加熱を誘発するために、層を横切る電流の印加を容易にする、アノード28およびカソード30を含む加熱手段を備える。したがって、加熱手段は、ジュール加熱のための電流を印加するための電極を含む。加熱手段は、陽極28への正電圧の印加時の層の加熱を制御するためのスイッチ構成要素32をさらに含むことができる。しかし、他の実施形態では、代わりに、外部制御モジュールを使用して、様々なアノードおよびカソードにおいて電圧を制御可能に印加することができ、したがってスイッチ素子は不要である。
【００５５】
さらに、図4の特定の例では、アクチュエータは形状記憶合金材料で全体が構成された形状記憶層24を組み込んでいるが、別の例では、形状記憶層は、ポリマー(または他の非導電性)材料で部分的にまたは大部分が構成されて、形状記憶ワイヤなどの埋め込まれた形状記憶要素を有する層を含むことができる。この場合、アノード28およびカソード30は、周囲の層構造ではなく、前記要素またはワイヤに直接設けられる。この場合、ポリマー材料は、SMA素子とEAP材料との間の電気的および熱的絶縁を提供するように作用することができる。これは、例えば、EAP層の温度がSMA材料の高温および低温の両段階において実質的に一定または安定したままであることが望ましい場合に有用であり得る。
【００５６】
EAP層26には、第2のスイッチ素子36を介して接地電位に接続された第2のカソード34が設けられている。アノード28に非ゼロ電圧を印加し、第1のカソードスイッチ素子32を開いた状態において、SMA層を横切る合金材料はアノードに印加された電位を取得し、したがって、EAP層の上面全体を覆うように、アノードの表面積を効果的に広げる。第2カソード34と組み合わせて、SMA層は、したがって、EAP層を横切る電界を刺激する。EAP材料自体は非金属であるため、いずれの層を介してもこのプロセスによって電流は生成されず、SMAの意図しないジュール加熱が回避される。
【００５７】
図4の例では、SMA層自体がEAP層の電極として利用されているが、他の実施形態では、代わりに、EAP層に専用のアノード-カソード対を設けることができ、上記のSMA層とは独立して、電気刺激を材料全体に誘導することができる。このような実施形態は、例えば、2つの層の間の電気的および/または熱的な連通が望ましくないまたは不利な場合に好ましいだろう。これらの場合、例えば追加の中間層の形態で、2つの層の間の絶縁が追加的に提供されてもよく、この場合、EAP層の独立した電気刺激が好ましい。
【００５８】
したがって、全ての場合において、EAP層に関連する電極配置が存在し、これは、専用の電極対を含むことができ、またはジュール加熱構成として実施される場合、電極を加熱電極構成と共有することができる。
【００５９】
さらに、図4の例は、(ジュール加熱を容易にするための)アノード28とカソード30を有する加熱手段を含むが、他の実施形態では、加熱手段は、SMA層に物理的に取り付けられるか、そうでなければSMA層を取り囲む環境を加熱するように配置される、外部加熱構成要素を備える。ジュール加熱は、合金の温度を高めるための直接的かつ効率的な手段であるが、特定の実施形態では、例えば、そのような電流が特定のアプリケーションの隣接するコンポーネントと干渉する可能性がある場合のように、合金それ自体に電流を誘導することは不利であるか、または問題となる可能性がある。これらの場合、(少なくとも)SMA層と熱的に連通している専用の加熱素子が、層を横切って電流を流すためのアノードおよびカソードより好ましい場合がある。
【００６０】
3つの接触端子28,30,34における印加電圧の制御により、図4の二層構造を刺激して順方向および逆方向の両方で作動させることができる。図5には、本発明の実施形態による第1の例示的な作動サイクルにおける段階(a)〜(e)が示される。(開始)段階(a)において、アクチュエータは「平坦」または「非作動」の形状である。第1のカソード30と第2のカソード34の両方は係合しておらず、電界または電流は作用していない。このサイクルのこの段階のSMA層は、低温のマルテンサイト相、すなわち少なくともAs以下の温度である(図1参照)。
【００６１】
アクチュエータの第1の活性化は、第1のカソード28を係合し、それによってSMA層にわたってジュール加熱を誘導することによって段階(b)で刺激される。これに応答して、SMA層は、Asより低い第1の温度からAfより上の第2の温度まで、温度が上昇する。温度がAsからAfに上昇するにつれて、SMA材料の相がマルテンサイトからオーステナイトに転移し、その結果、材料をその高温記憶形状に移行するように刺激する。上述したように、この形状変化は、その記憶形状から変形させるプロセスを通して材料に蓄積された応力を緩和することを表し、この過剰応力は、作動力F1を与えるために利用され得る。
【００６２】
図5(b)は、SMAが温度T>Afとなり、一旦付随する形状遷移が生じた後のアクチュエータを示す。この時点で、層を横切る電流が遮断され、SMA層はMf未満の温度まで再び冷却される。温度がMsからMfに低下すると、層は再びそのマルテンサイト相に転移する。図5(c)は、この冷却が行われた後のアクチュエータを示す。オーステナイトからマルテンサイトへの移行時に、層はその形状を保持するが、その弾性係数は著しく減少する。シミュレーションでは、オーステナイト相の間に75GPaの弾性率を示し、マルテンサイト相の間に25GPaに低下する、SMA層が使用された。この剛性の低下は、段階(a)から段階(b)への移行中に層自体によって加えられる力F1よりはるかに小さい力F2でSMA層を手動で変形させることができることを意味する。
【００６３】
したがって、段階(d)では、第2カソード34が係合され、それによってEAP層を横切る電界が誘起される。EAPは印加電界に応じて変形し、変形の程度は印加電圧の大きさに依存する(図3参照)。EAP層が形状(c)(SMA層の記憶形状)からアクチュエータが段階(a)で開始したのと同じ平坦形状に変形するのに十分な大きさの電圧がアノード28に印加される。SMA層の弾性係数は、いったん冷却すると、EAPによってその変形の間に生成される力が両方の層を一度に曲げて、アクチュエータ構造全体を再成形するのに十分なほどに低い。従って、EAP層の電気的に刺激された変形は、(d)において、アクチュエータを初期の「作動されていない」構造に戻すために利用される。
【００６４】
カソード34を外し、それによって電場を止めると、EAPによって内部的に生成された応力はゼロに低下する(図3参照)。しかしながら、冷えたSMAの弾性係数は、刺激されていないEAPの弾性係数を超えており、従って、アクチュエータは、電界が一旦遮断されても、その平坦な形状を保持する。図5(e)は、アクチュエータを段階(a)と同じ状態に戻す作動サイクルのこの最終段階を示す。
【００６５】
図5の例示的な作動サイクルが図6にグラフとして図示されており、ここで、ライン40は、アクチュエータの(初期の平坦な形状に対する)変形を表し、ライン42はSMA層の温度を表し、そしてライン44は、EAPに印加される電圧を表す。段階(a)〜(e)は、それらが生じる時点でグラフに沿ってマークされている。段階(a)と(b)との間では、SMA層がマルテンサイトからオーステナイト相に移行し、形状記憶形状に再形成されるので、温度と変形とが共に増加する。(b)と(c)との間では、温度は(a)段階のレベルまで低下するが、変形はごくわずかに減少するだけである。この減少は、材料が低温弾性に平衡するためである。(c)と(d)の間では、EAP電圧はゼロから着実に増加して、アクチュエータの変形はそれに応じて(ほぼ比例して)減少し、電圧が最高になると、段階(a)の「ゼロ」変形に戻る。(d)と(e)の間では、EAPへの電圧はスイッチオフされるが、変形は変わらないままである。SMA層はそのマルテンサイト相にあり、EAP電圧はゼロで、アクチュエータは「平坦な」形状に戻されるので、段階(e)は段階(a)と物理的に同一であり、この状態から、作動サイクルが再開されることができ、(a)/(e)から(d)に続く。
【００６６】
図5によって示され、上で説明された特定の作動方法では、SMA層は、材料を横切る電流の印加によって加熱されるが、代替の実施形態では、加熱は、例えばSMA層と熱的に連通している外部加熱素子を介して、異なる手段によって達成されてもよい。この場合、それにもかかわらず、作動サイクルの段階は同一である。さらに、特定の実施形態では、電場は、SMA層およびアノード28を介するのではなく、EAP層と連通する別個の専用アノード-カソード対を介してEAP層にわたって確立されてもよい。
【００６７】
図5に示された特定の作動方法は、平坦な構造からずれた「曲げられた」構造からなるSMA高温形状を示しているが、別の実施形態では、代わりにSMA記憶形状が平坦な構造からなることができる。この場合、EAP層はアクチュエータを曲げられた形状に変形させ、SMAの加熱は平坦な形状への移行を刺激する。これは、例えば、「押す」作動動作ではなく、「引っ張る」作動動作が必要とされる用途では好ましいだろう。
【００６８】
上述したように、SMA層のマルテンサイト形状からオーステナイト形状への移行は、大きな力を与えることができ、したがって、図5の例示的サイクルにおける段階(a)から段階(b)への移行は、任意の作動方法の中で主な作動力を提供する。しかしながら、その変形中にEAP層によって生成される力は、その形状変化の間にSMAによって生成される力に比べて著しく小さいが、この力はそれにもかかわらず、低強度の作動機能を実行するのに十分である。さらに、上述したように、印加される電界を変化させることによってEAP変形の程度を制御することができ、電界が大きくなると変形の程度が大きくなる。したがって、いくつかの実施形態では、段階(c)から段階(d)への移行は、追加の、または唯一の作動機能を実行するために利用されてもよい。特に、作動の速度を制御すること、またはアクチュエータの変形の進行をリアルタイムで制御することが有利であるアプリケーションは、作動力を付与するためにEAP遷移を使用することによって利益を得ることができる。
【００６９】
いくつかのアプリケーションでは、作動の際に大きなストローク力を与えることは、アクチュエータが達成することができる独特の双方向機能ほど重要ではないかもしれない。そのような例示的なアプリケーションの1つが図7aおよび図7bに示されており、本発明による一対のアクチュエータ52,54がLEDビーム整形装置56の一部を形成するために使用される。この特定の例では、LED58がPCB60に取り付けられ、第1の固定されたレンチキュラーアレイ構造64の下で光学チャンバ62内に配置される。LED及び第1のアレイ構造の周囲には、光指向チャネルの壁を形成する2つのアクチュエータ52,54がある。チャネルの端部には、2つのアクチュエータ「壁」の間にまたがる第2のレンチキュラーアレイ66が取り付けられている。
【００７０】
図7aおよび図7bに示すように、交互の「前方」および「後方」変形で、アクチュエータを一斉に作動させることによって、チャネルの方向指向を変更し、出力角を左右に掃引し、それにより、放出されるビームの伝搬方向を変更する。第2の光学系(レンチキュラーアレイ64,66)は、例えば、指向性の高いビーム出力を提供するように、放射された光の集束またはコリメートを可能にする。これは、例えば、出力ビームの方向制御が、適応的/動的に制御可能な光出力を提供するために使用され得る、車両前方照明の分野において特に有利であり得る。さらに、EAPへの電圧の印加を維持しなくても、光学系を一定の位置にセットして長時間保持することができる(なぜなら、SMAがマルテンサイト相にあるときには、電圧がスイッチ・オフにされても、変形に対する調整は固定されたままであるからである)。さらに、アクチュエータは、可視の、観察者に美的な不快感を与える可能性がある、低周波振動を回避するのに十分なほど強力である。
【００７１】
図7aおよび図7bの例示的な実施形態では、光指向チャネルの壁は、一対のアクチュエータのみを含むものとして示されているが、より洗練された例では、図7に示すように、より多くのアクチュエータが、例えばチャネルの「正面」および「背面」で利用され得る。このようにして、チャネルは、2つの異なる面、すなわち左右、および前後に方向制御を提供することができる。あるいは、チャネル壁の残りの部分は、光のカプセル化を提供し、チャネルがその異なる位置の間で撓むことを可能にするように、単に可撓性膜を含むことができる。
【００７２】
上述したように、EAP層移行中のアクチュエータの制御可能な変形は、作動の速度または範囲の敏感な制御が望ましいアプリケーションにおいてアクチュエータを特に有用にする。そのようなアプリケーションの1つの特定の例が図8aおよび図8bに示されており、SMA層74およびEAP層76を有するアクチュエータ72は、シェーバー装置80の肌接触要素78の一部を形成し、シェーバーと使用者の肌との間の相対的な位置及び/又は圧力を調整するために用いられる。例えば、アクチュエータは、シェーバー接触領域82と使用者の顔との間の連続的な接触を提供するために使用されることができ、したがってシェーバー装置の効率または有効性を増加させる。図8bに示すように、アクチュエータ72の作動は、シェーバーの肌接触領域82の「垂直」位置を持ち上げて、それによって、ユーザの皮膚に対する接触領域の位置を調整するために利用されることができる。その後、EAP層76への電圧のその後の制御された印加によって、シェーバー接触要素78に加えられる位置決めまたは圧力に従って、この垂直位置が注意深く低減され得る。
【００７３】
本発明の一態様によれば、双方向アクチュエータの製造方法がさらに提供され、当該方法は、形状記憶合金を含む第1の層要素を、電気活性ポリマーを含む第2の層要素に、2つの要素が同じ形状に従うように、結合し、さらに、第1の層要素と熱的に連通するように加熱手段を設ける。
【００７４】
結合は、特定の実施形態では、例えば積層プロセスを含むことができる。
【００７５】
あるいは、他の実施形態では、結合は、例えば、合金層上へのポリマー層のコーティングによって達成されてもよい。この方法によれば、アクチュエータの合金層とポリマー層は電気的に連通しているので、SMA層がEAP層の電極として利用される図4の実施形態は容易に実現可能である。加えて、コーティング方法を使用することにより、必要最小限の厚さと構造剛性を有する積層化層が必要とされないので、アクチュエータをより薄くすることができる。
【００７６】
上述したように、電界駆動型EAPデバイスが好ましく使用されるが、本発明はそのようなEAPデバイスに限定されない。しかしながら、使用され得る電気活性ポリマーは、電界駆動材料およびイオン駆動材料に細分され得る。
【００７７】
電界駆動型EAPの例には、圧電ポリマー、電歪ポリマー(PVDFベースのリラクサーポリマーまたはポリウレタンなど)および誘電エラストマーが含まれる。他の例としては、電歪グラフトポリマー、電歪紙、エレクトレット、電気粘弾性エラストマーおよび液晶エラストマーが挙げられる。
【００７８】
イオン駆動EAPの例は、共役/導電性ポリマー、イオンポリマー金属複合材(IPMC)およびカーボンナノチューブ(CNT)である。他の例には、イオン性ポリマーゲルが含まれる。
【００７９】
電界駆動型EAPは、直接的な電気機械結合による電界によって駆動される。それらは通常、高電界(V/m)が必要であるが、低電流である。ポリマー層は、駆動電圧を可能な限り低く維持するために、通常薄い。
【００８０】
イオン性EAPは、イオンおよび/または溶媒の電気誘導輸送によって活性化される。それらは通常、低電圧であるが高電流を必要とする。それらは液体/ゲル電解質媒体を必要とする(ただし、いくつかの材料系は固体電解質を用いても動作することができる)。
【００８１】
どちらのクラスのEAPにも複数の族があり、それぞれに長所と短所がある。
【００８２】
電界駆動型EAPの第1の注目すべきサブクラスは、圧電及び電歪ポリマーである。伝統的な圧電ポリマーの電気機械的性能は限られているが、この性能を向上させるための画期的な進歩により、自発分極(電界駆動による整列)を示すPVDFリラクサーポリマーが得られている。これらの材料は、歪み方向の改善された性能のために予め歪ませることができる(予備歪みにより、より良好な分子の整列がもたらされる)。通常、歪みは中程度の状態(1〜5％)であるので、金属電極が使用される。他のタイプの電極(導電性ポリマー、カーボンブラックベースのオイル、ゲルまたはエラストマーなど)も使用されることができる。電極は、連続的であってもセグメント化されていてもよい。
【００８３】
電界駆動型EAPのもう1つの興味深いサブクラスは、誘電体エラストマーである。この材料の薄膜は、適合性電極間に挟まれて、平行平板コンデンサを形成することができる。誘電性エラストマーの場合、印加された電界によって誘発されるマクスウェル応力は、膜に応力を生じさせ、膜を収縮させて面積を拡大させる。歪み性能は、典型的には、エラストマーを予め歪ませることによって拡大される(予備歪みを保持するためのフレームを必要とする)。歪みは相当になる場合がある(10〜300％)。これはまた、使用可能な電極のタイプを制限し、低および中程度の歪みに対しては、金属電極および導電性ポリマー電極を考慮することができ、高ひずみ状態に対しては、カーボンブラックをベースとする油、ゲルまたはエラストマーが典型的に使用される。電極は、連続的であってもセグメント化されていてもよい。
【００８４】
イオン性EAPの第1の注目すべきサブクラスは、イオン性ポリマー金属複合材(IPMC)である。IPMCは、2つの薄い金属または炭素ベースの電極の間に積層された溶媒膨潤したイオン交換ポリマー膜からなり、電解質の使用を必要とする。典型的な電極材料は、Pt、Gd、CNT、CP、Pdである。典型的な電解質は、Li+およびNa+水性溶液である。電界が印加されると、陽イオンは典型的には水と共にカソード側に移動する。これは、親水性クラスターの再構成およびポリマーの膨張につながる。カドード領域の歪みは、ポリマーマトリックスの残りの部分に応力をもたらし、アノードに向かって曲がる。印加電圧を逆にすると曲がりが反転する。よく知られたポリマー膜は、Nafion(登録商標)およびFlemion(登録商標)である。
【００８５】
イオン性ポリマーの別の注目すべきサブクラスは共役/導電性ポリマーである。共役ポリマーアクチュエータは、典型的には、共役ポリマーの2つの層によって挟まれた電解質からなる。電解質は、酸化状態を変更するために使用される。電解質を介してポリマーに電位が印加されると、ポリマーに電子が加えられたりポリマーから電子が取り除かれたりして、酸化および還元が進行する。還元は収縮、酸化は膨張をもたらす。
【００８６】
場合によっては、ポリマー自体が(大きさの点で)十分な導電性に欠けている場合には、薄膜電極を加えることもある。電解質は、液体、ゲルまたは固体材料(すなわち、高分子量ポリマーおよび金属塩の複合体)であり得る。最も一般的な共役ポリマーは、ポリピロール(PPy)、ポリアニリン(PANi)およびポリチオフェン(PTh)である。
【００８７】
アクチュエータはまた、電解液中に懸濁されたカーボンナノチューブ(CNT)から形成されてもよい。電解質は、ナノチューブと二重層を形成し、電荷の注入を可能にする。この二重層電荷注入は、CNTアクチュエータの主なメカニズムと考えられている。CNTは電極キャパシタとして作用し、電荷が、CNTに注入されて、CNT表面への電解質の移動によって形成される電気二重層によってバランスされる。炭素原子の電荷を変化させると、C-C結合長が変化する。その結果、一つのCNTの膨張および収縮が観察され得る。
【００８８】
EAP層に適した材料が知られている。電気活性ポリマーには、圧電ポリマー、電気機械ポリマー、リラクサー強誘電性ポリマー、電歪ポリマー、誘電エラストマー、液晶エラストマー、共役ポリマー、イオンポリマー金属複合材、イオン性ゲルおよびポリマーゲルのサブクラスが含まれるが、これらに限定されない。
【００８９】
サブクラス電歪ポリマーとしては、これらに限定されないが、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン(PVDF-TrFE)、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン-クロロフルオロエチレン(PVDF-TrFE-CFE)、ポリフッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン-クロロトリフルオロエチレン(PVDF-TrFE-CTFE)、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)、ポリウレタンまたはそれらの混合物が含まれる。
【００９０】
サブクラス誘電性エラストマーには、これらに限定されないが、アクリレート、ポリウレタン、シリコーンが含まれる。
【００９１】
サブクラス共役ポリマーには、これらに限定されないが、ポリピロール、ポリ-3,4-エチレンジオキシチオフェン、ポリ(p-フェニレンスルフィド)、ポリアニリンが含まれる。
【００９２】
イオン装置は、イオン性ポリマー-金属複合材(IPMC)または共役ポリマーに基づくことができる。イオン性ポリマー-金属複合体(IPMC)は、印加された電圧または電場の下で人工筋肉の挙動を示す合成複合ナノ材料である。
【００９３】
より詳細には、IPMCは、表面が化学的にメッキされ、または白金もしくは金などの導電体もしくは炭素系電極で物理的に被覆されたNafionまたはFlemionのようなイオン性ポリマーからなる。印加された電圧の下で、IPMCのストリップ全体に印加される電圧に起因するイオン移動および再分布は、曲げ変形をもたらす。ポリマーは溶媒膨潤したイオン交換ポリマー膜である。この電界により、陽イオンは水と共にカソード側に移動する。これは、親水性クラスターの再構成およびポリマーの膨張につながる。カドード領域の歪みは、ポリマーマトリックスの残りの部分に応力をもたらし、アノードに向かって曲がる。印加電圧を逆にすると曲がりが反転する。
【００９４】
メッキされた電極が非対称構成に配置されている場合、課された電圧は、より、巻き、ねじり、曲げおよび非対称曲げ変形などのあらゆる種類の変形を誘発することができる。
【００９５】
これらの例の全てにおいて、加えられた電界に応答してEAP層の電気的および/または機械的挙動に影響を及ぼすために、追加の受動層が設けられてもよい。
【００９６】
各ユニットのEAP層は、電極の間に挟まれていてもよい。電極は、EAP材料層の変形に追従するように伸張可能であってもよい。電極に適した材料も知られており、例えば、以下からなる群から選択されてもよい：金、銅、アルミニウムなどの金属薄膜、または、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリン(PANI)、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)(例えばポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)ポリ(スチレンスルホネート)(PEDOT：PSS))などの有機導電体。例えばアルミニウムコーティングを使用した金属化ポリエチレンテレフタレート(PET)といった、金属化ポリエステルフィルムを使用することもできる。
【００９７】
開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の研究から、クレームされた発明を実施する上での当業者によって理解され、達成され得る。特許請求の範囲において、「含む(comprising)」という単語は他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」または「an」は複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲における参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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