(57)【要約】  サーモクロミックコーティングを含むポリマー及びナノチューブに基づくアクチュエータが開示される。アクチュエータは、コア繊維または導電性要素の表面に塗布されたサーモクロミック材料を含む。アクチュエータが加熱されると、サーモクロミックコーティングは色の転移を起こして、定格臨界温度、アクチュエータの構成要素の重要な温度、または作動レベルと相関する所定の温度を示す。
2021523321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
径方向熱膨張係数を有するコア繊維；
前記コア繊維に固定された導電性要素；及び
サーモクロミック材料を含むサーモクロミックコーティング；
含むポリマーアクチュエータであって、前記サーモクロミックコーティングが前記コア繊維または前記導電性要素の表面に配置される、ポリマーアクチュエータ。
【請求項２】
前記サーモクロミックコーティングが、前記コア繊維と前記導電性要素の定格臨界温度よりも低い転移温度を有する、請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項３】
前記サーモクロミックコーティングが、複数の転移温度と複数の色を有する複数のサーモクロミック材料を含み、
前記複数の転移温度が、前記定格臨界温度に到達する前に複数の色転移を生じさせる、請求項２に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項４】
前記サーモクロミックコーティングが不可逆性サーモクロミック材料を含む、請求項２に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項５】
前記サーモクロミック材料が前記ポリマーアクチュエータの作動レベルと相関する転移温度を有する、請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項６】
前記サーモクロミックコーティングが複数の転移温度を有する複数のサーモクロミック材料を含み、
前記複数の転移温度が前記ポリマーアクチュエータの複数の作動レベルと相関する、
前記請求項５に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項７】
前記サーモクロミックコーティングが、実質的な黒色から実質的な白色への転移を有するサーモクロミック材料を含み、
前記実質的な黒色が熱放射を吸収して前記ポリマーアクチュエータの加熱を助け、
前記実質的な白色が熱放射を放出して前記ポリマーアクチュエータの冷却を助ける、
前記請求項１に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項８】
前記サーモクロミックコーティングが、複数の転移温度を有する複数のサーモクロミック材料を含み、
前記ポリマーアクチュエータの作動温度範囲の下限と上限が実質的な黒色と実質的な白色により示され、かつ
前記作動温度範囲の下限と上限との間の前記転移温度が、実質的な黒色または実質的な白色以外の色で示される、
請求項７に記載のポリマーアクチュエータ。
【請求項９】
カーボンナノチューブ糸アクチュエータ；及び
サーモクロミック材料を含むサーモクロミックコーティング；
を含むカーボンナノチューブ糸アクチュエータであって、
前記サーモクロミックコーティングが前記カーボンナノチューブ糸アクチュエータの表面に配置されている、カーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項１０】
前記サーモクロミック材料が、
サーモクロミック材料；及び
ゲスト作動材料；
を含むブレンドである、請求項９に記載のカーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項１１】
サーモクロミック材料対ゲスト作動材料の比が１：５〜１：２０である、請求項１０に記載のカーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項１２】
前記ゲスト作動材料がシリコーンゴムである、請求項１０に記載のカーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項１３】
前記サーモクロミック材料が、前記カーボンナノチューブ糸アクチュエータの定格臨界温度よりも低い転移温度を有する、請求項１０に記載のカーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項１４】
前記サーモクロミックコーティングが、複数の転移温度と複数の色を有する複数のサーモクロミック材料を含み、
前記複数の転移温度が、前記定格臨界温度に到達する前に複数の色転移を生じさせる、請求項１３に記載のカーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項１５】
前記サーモクロミックコーティングが不可逆性サーモクロミック材料を含む、請求項１３に記載のカーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項１６】
前記サーモクロミック材料が前記カーボンナノチューブ糸アクチュエータの作動レベルと相関する転移温度を有する、請求項１０に記載のカーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項１７】
前記サーモクロミックコーティングが複数の転移温度を有する複数のサーモクロミック材料を含み、
前記複数の転移温度が前記カーボンナノチューブ糸アクチュエータの複数の作動レベルと相関する、
前記請求項１６に記載のカーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項１８】
前記サーモクロミックコーティングが、実質的な黒色から実質的な白色への転移を有するサーモクロミック材料を含み、
前記実質的な黒色が熱放射を吸収してカーボンナノチューブ糸アクチュエータの加熱を助け、
前記実質的な白色が熱放射を放出してカーボンナノチューブ糸アクチュエータの冷却を助ける、
前記請求項９に記載のカーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項１９】
前記サーモクロミックコーティングが、複数の転移温度を有する複数のサーモクロミック材料を含み、
前記カーボンナノチューブ糸アクチュエータの作動温度範囲の下限と上限が実質的な黒色と実質的な白色により示され、
前記作動温度範囲の下限と上限との間の前記転移温度が、実質的な黒色または実質的な白色以外の色で示される、
請求項１８に記載のカーボンナノチューブ糸アクチュエータ。
【請求項２０】
転移温度及び色を含むパラメータの群に基づいてサーモクロミック材料を選択すること；
前記サーモクロミック材料を実質的に均質な混合物へと混合すること；
前記実質的に均質な混合物をポリマーアクチュエータの表面に塗布すること；
前記実質的に均質な混合物を乾燥させてサーモクロミックコーティングを形成すること；
を含む、ポリマーアクチュエータの製造方法。
【請求項２１】
転移温度及び色を含むパラメータの群に基づいてサーモクロミック材料を選択すること；
前記サーモクロミック材料とゲスト作動材料を実質的に均質な混合物へと混合すること；
前記実質的に均質な混合物をカーボンナノチューブ糸に塗布して、ねじる前に前記カーボンナノチューブ糸に含浸させること；
前記実質的に均質な混合物を乾燥させて含浸処理されたカーボンナノチューブ糸を形成すること；
前記含浸処理されたカーボンナノチューブ糸をカーボンナノチューブ糸アクチュエータへとねじること；
前記カーボンナノチューブ糸アクチュエータの表面に追加量の前記実質的に均質な混合物を塗布すること；及び
前記カーボンナノチューブ糸アクチュエータを追加量の実質的に均質な混合物と共に乾燥させてサーモクロミックコーティングを形成すること；
を含む、カーボンナノチューブ糸アクチュエータの製造方法。
【請求項２２】
前記選択されたサーモクロミック材料対ゲスト作動材料が１：５〜１：２０の範囲の比率で混合される、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条に従って、２０１８年５月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／６７０，４２２号に基づく優先権を主張する。この内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
弾性ポリマー繊維に基づく人工アクチュエータデバイスは、多様な用途を有している。ねじれ型及び／またはコイル型のアクチュエータを含むデバイスは、低コスト、高生産量、及び設計の容易性の利点を有している。人工アクチュエータデバイスは、設計が大幅に簡素化され、製品コストが低いことから、小型モーターよりも優れている場合がある。熱的に作動する人工アクチュエータは、定格臨界温度に到達する場合があり、その温度で長時間使用するとアクチュエータが劣化または故障し始める可能性がある。熱電対などの外部機器を使用してアクチュエータの温度を監視すると、デバイスに望ましくない体積の嵩張りとコストが追加される可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一態様では、本明細書に開示の実施形態は、径方向熱膨張係数を有するコア繊維と、コア繊維に固定された導電性要素と、サーモクロミック材料を含むサーモクロミックコーティングとを含むポリマーアクチュエータに関する。サーモクロミックコーティングは、コア繊維または導電性要素の表面に配置される。
【０００４】
別の態様では、本明細書に開示の実施形態は、カーボンナノチューブ糸アクチュエータと、サーモクロミック材料を含むサーモクロミックコーティングとを含むカーボンナノチューブ糸アクチュエータに関する。サーモクロミックコーティングは、カーボンナノチューブ糸アクチュエータの表面に配置される。
【０００５】
別の態様では、本明細書に開示の実施形態は、転移温度及び色を含むパラメータの群に基づいてサーモクロミック材料を選択することを含む、ポリマーアクチュエータの製造方法に関する。この方法は、サーモクロミック材料を実質的に均質な混合物に混合し、実質的に均質な混合物をポリマーアクチュエータの表面に塗布し、実質的に均質な混合物を乾燥させてサーモクロミックコーティングを形成することも含む。
【０００６】
別の態様では、本明細書に開示の実施形態は、転移温度及び色を含むパラメータの群に基づいてサーモクロミック材料を選択することを含む、カーボンナノチューブ糸アクチュエータの製造方法に関する。この方法は、サーモクロミック材料とゲスト作動材料とを実質的に均質な混合物へと混合し、この実質的に均質な混合物をカーボンナノチューブ糸に配置して、ねじる前にカーボンナノチューブ糸に含浸させることを含む。実質的に均質な混合物は、乾燥されて含浸処理されたカーボンナノチューブ糸を形成し、カーボンナノチューブ糸アクチュエータへとねじられる。この方法は、カーボンナノチューブ糸アクチュエータの表面に追加量の実質的に均質な混合物を塗布すること；及びカーボンナノチューブ糸アクチュエータを追加量の実質的に均質な混合物と共に乾燥させてサーモクロミックコーティングを形成すること；を含む。
【０００７】
特許請求の範囲に記載の主題のその他の態様及び利点は、以降の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【０００８】
本開示の特定の実施形態を、以降で添付の図面を参照しつつ説明するが、この中の同様の参照番号は同様の要素を示している。しかしながら、添付の図面は本明細書に記載の様々な実施を例示するものであり、本明細書に記載の様々な技術の範囲を限定することを意図するものではないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本発明の１つ以上の実施形態にしたがってサーモクロミック材料をブレンドする概略図を示す。
【図１Ｂ】本発明の１つ以上の実施形態にしたがって複数の色をブレンドして複数の色の転移を生じさせる概略図を示す。
【図２】本発明の１つ以上の実施形態によるサーモクロミックアクチュエータの転移を示す。
【図３】本発明の１つ以上の実施形態によるサーモクロミックアクチュエータを示す。
【図４】本発明の１つ以上の実施形態によるサーモクロミックアクチュエータを示す。
【図５】本発明の１つ以上の実施形態による、実質的な黒のサーモクロミックコーティングを有するサーモクロミックアクチュエータを示す。
【図６】本発明の１つ以上の実施形態によるポリマーアクチュエータの製造方法を示す。
【図７】本発明の１つ以上の実施形態によるカーボンナノチューブ糸アクチュエータの製造方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態の以下の詳細な説明では、本発明のより完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細事項が述べられている。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細事項なしに実施され得ることは当業者には明らかであろう。他の例では、説明を不必要に複雑にすることを避けるために、周知の特徴は詳細には説明されていない。
【００１１】
本発明の実施形態を、以降で添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。様々な図面の同様の要素は、一貫性を保つために同様の参照番号で示されている場合がある。更に、本明細書に開示の実施形態は、特許請求の範囲に記載の主題をより完全に理解できるようにするために提供される具体的な詳細事項なしで行われ得ることは当業者には明らかであろう。加えて、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく添付の図面の要素のスケールを変更し得ることを容易に認識するであろう。
【００１２】
本出願全体を通じて、要素（すなわち本出願中の任意の名詞）のための形容詞として序数（例えば第１、第２、第３など）が使用される場合がある。序数の使用は、要素の特定の順序を暗示したり形成したりするものではなく、また用語「前」、「後」、「単一」、及び他のそのような用語の使用などによって明示的に開示されていない限り、任意の要素を単一の要素のみに限定するものでもない。むしろ、序数の使用は要素間を区別するためのものである。一例として、第１の要素は第２の要素とは異なり、第１の要素は２つ以上の要素を包含していてもよく、かつ要素の順序が第２の要素に後続（または先行）していてもよい。
【００１３】
単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈からそうでないことが明確に指示されていない限り、複数の指示対象を含むことを理解すべきである。したがって、例えば、「水平ビーム」への言及は、そのようなビームの１つ以上への言及を含む。
【００１４】
「おおよそ」、「実質的に」などの用語は、記載されている特徴、パラメータ、または値を正確に達成する必要はないが、例えば公差、測定誤差、測定精度の限界、及び当業者に公知のその他の要因を含む偏差または変動が、付与されることが意図されている特徴の効果を排除しない量で存在する可能性があることを意味する。
【００１５】
本開示の１つ以上の実施形態は、人工筋肉アクチュエータに関する。１つ以上の実施形態は、人工筋肉アクチュエータを形成するために人工筋肉繊維を束ねることを含む。１つ以上の実施形態は、耐クリープ性を含む。当業者は、本明細書に開示の実施形態が、他の実施形態と組み合わせて使用されてもよく、あるいは上の参照により組み込まれたものなどの他の既存のアクチュエータ技術に組み込まれてもよいことを理解するであろう。
【００１６】
概して、本発明の実施形態は、サーモクロミックアクチュエータ及びサーモクロミックアクチュエータの製造方法に関する。より具体的には、本明細書の実施形態は、少なくとも熱的に活性化される人工アクチュエータ及びサーモクロミックコーティングを含むサーモクロミックアクチュエータに関する。本開示のサーモクロミックアクチュエータは、人工筋肉アクチュエータの温度変化を視覚的に示すために色が変化する。
【００１７】
例えば、室温（周囲の２０℃）で青色のサーモクロミックコーティングを有するアクチュエータは、作動に応じて色を変えることができる。アクチュエータは、ポリマーベースの人工アクチュエータまたはカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）糸アクチュエータなどの（ただしこれらに限定されない）、任意のタイプの熱により作動する人工アクチュエータであってもよい。熱により作動する人工アクチュエータは、人工アクチュエータの構成要素の物理的特性に応じた温度範囲内で作動する。熱により作動する人工アクチュエータは、典型的には、アクチュエータまたは構成材料が劣化または故障し始める定格故障温度を有しており、これは例えばポリマーベースの人工アクチュエータでは１８０℃である。
【００１８】
ポリマーベースの人工アクチュエータの１つ以上の態様では、１本以上のコア繊維の束が、コア繊維材料を加熱するために使用される導電性要素に接続される。ポリマーベースの人工アクチュエータのコア繊維は、正の軸方向熱膨張係数と負の線熱膨張係数を有している。コア繊維は、ナイロン、ポリエチレン、ポリエステル、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリプロピレン、ＰＶＤＦ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰポリマー、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）、Ｖｅｃｔｒａｎ（登録商標）、またはＣＮＴ糸から製造することができるものの、コア繊維はこれらの材料に特に限定されない。導電性要素としては、ナイロン、タングステン、ＣＮＴ糸、ＣＮＴシート、炭素繊維、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）、銀めっきされたナイロン、金属シート、もしくはリボン、Ｖｅｃｔｒａｎ（登録商標）、Ｄｙｎｅｅｍａ（登録商標）、Ｔｏｙｏｂｏ  ＺＹＬＯＮ（登録商標）、インバー合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、または高度に配向したポリマー繊維などの様々な材料を使用することができるものの、導電性要素はこれらの材料に特に限定されない。
【００１９】
コア繊維と導電性要素は、導電性要素に電流を流すことによって発生する熱がコア繊維を軸方向に膨張させ、長手方向に収縮させるように接続される。電流は１３〜３２Ｖで駆動される５〜１００ｍＡであってもよいが、電流と電圧はこれらの範囲に特に限定されない。導電性要素は、コア繊維内に同軸方向に埋め込まれていてもよく、コア繊維の周りにらせん状に巻かれていてもよく、らせん状に巻かれてからコア繊維の表面内に埋め込まれていてもよく、あるいは複数のコア繊維の間に束ねられていてもよいが、これらの配置に特に限定されない。アクチュエータの固定方法と向きに応じて、温度によって引き起こされる物理的形状の変化により、アクチュエータは回転方向にまたは直線的に作動する。
【００２０】
カーボンナノチューブ糸アクチュエータの１つ以上の態様では、積み重ねられた１〜１００枚のカーボンナノチューブシート（ただしこの範囲のシートに特に限定されない）が、一緒に軽く撚り合わされてＣＮＴ糸を形成する。ＣＮＴ糸は、ＣＮＴの高い引張強さを補完するための熱膨張係数を有するゲスト作動材料で含浸または浸透される。ゲスト作動材料として、シリコーンゴム（例えばＳｅｅｌＧｕａｒｄ  １８４）、シリコーンゴムとサーモクロミック材料との混合物、ポリウレタン、スチレン−ブタジエンコポリマー、天然ゴム、含フッ素プラスチック（パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）等）、アラミド（Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）及びＮｏｍｅｘ（登録商標）等）、エポキシ、ポリイミド、及びパラフィンワックスなどの様々な材料を使用することができるが、ゲスト作動材料はこれらの材料に特に限定されない。ゲスト作動材料は、単純なコーティング、刷毛塗り、浸漬、噴霧、または真空支援含浸によって塗布することができるが、ゲスト作動材料の塗布はこれらの技術に特に限定されない。真空支援含浸は、真空下で容器の中でコーティングを塗布し、次いで容器に圧力を戻すことで空気圧がコーティングをカーボンナノチューブ糸の繊維及び層の中に押し込むことを可能にするものとして定義される。
【００２１】
その後、含浸処理されたＣＮＴ糸はねじられて、すなわち更に撚られて、ＣＮＴ糸アクチュエータとして機能するコイル状の含浸処理されたＣＮＴ糸を形成する。ＣＮＴ糸アクチュエータは、ＣＮＴに電流を流すことによって加熱することができ、それによりコイル状の含浸処理されたＣＮＴ糸が軸方向に膨張して長手方向に収縮する。アクチュエータの固定と向きに応じて、温度によって引き起こされる物理的形状の変化により、アクチュエータは回転方向にまたは直線的に作動する。
【００２２】
本発明の１つ以上の実施形態では、サーモクロミックコーティングは、アクチュエータの外表面の全部または一部をコーティングする１種以上のサーモクロミック材料の混合物であってもよい。サーモクロミック材料は、その温度が転移温度を超えて増加または減少すると色が変化する材料として定義される。転移温度は、サーモクロミック材料がある色から別の色、例えば青から白に転移する温度として定義される。例えば、アクチュエータがサーモクロミック材料の転移温度である３１℃を超えて加熱されると、青色のサーモクロミックコーティングが白色に転移することができる。
【００２３】
本発明の１つ以上の実施形態では、サーモクロミック材料は、限定するものではないが、顔料、粉末、インク、樹脂、またはＣｈｒｏｍａｄｉｃ  Ｃｒｅａｔｉｏｎｓ  Ｉｎｃ．（ＳｐｅｃｔｒａＢｕｒｓｔＴＭライン）、Ａｔｌａｎｔａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ＬＬＣ、もしくはＥｖｅｒｙｇｌｏｗの塗料であってもよい。転移温度は−２０℃〜＋１１０℃の範囲であるが、転移温度はこの範囲に特に限定されない。定格転移温度は実際の転移温度から＋／−１℃変動する可能性があるものの、定格転移温度はこの範囲に特に制限されない。サーモクロミック材料の例としては、限定するものではないが、Ｃｈｒｏｍａｄｉｃ  Ｃｒｅａｔｉｏｎｓ  Ｉｎｃ．のＢｌａｃｋ  ＣＣＰ００１、Ｓａｐｐｈｉｒｅ  Ｂｌｕｅ  ＣＣＰ００２、Ｄｅｅｐ  Ｂｌｕｅ  ＣＣＰ００３、Ｇｒａｓｓ  Ｇｒｅｅｎ  ＣＣＰ００５、Ｐｅａｃｏｃｋ  Ｇｒｅｅｎ  ＣＣＰ００６、Ｒｅｄ  ＣＣＰ００８、Ｐｅａｃｈ  ＣＣＰ００９、Ｙｅｌｌｏｗ  ＣＣＰ０１１樹脂が挙げられる。
【００２４】
図１Ａは、本発明の１つ以上の実施形態による、単一のサーモクロミックコーティングにおいて２つの転移を生じさせるための青と赤のサーモクロミック材料のブレンドを概略的に示している。第１のサーモクロミック材料１１０は、室温で青色であり、その転移温度である３１℃を超えると白色に転移する。第２のサーモクロミック材料１１２は、室温で赤色であり、その転移温度である４５℃を超えると白色に転移する。混合されて均質な混合物１１４になると、組み合わされたサーモクロミック材料は室温で紫色を有する。
【００２５】
本発明の１つ以上の実施形態では、均質な混合物は２つの転移温度を有し、混合物が室温の２０℃から１００℃の高温に加熱されると、色が可視的に２回変化する。３１℃では、混合物の青のサーモクロミック成分が白に変化して、均質な混合物を紫からピンク、すなわち白と赤の組み合わせに変化させる。均質な混合物の赤のサーモクロミック成分の転移温度には到達していないため、赤色が残り、新しい白色とブレンドされて、３１℃〜４５℃の均質な混合物では全体としてピンク色が生成する。４５℃では、混合物の赤のサーモクロミック成分も白に転移し、均質な混合物がピンクから白に変化する。
【００２６】
図１Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって単一のサーモクロミックコーティングにおいて複数の色転移を生じさせるための複数の色のブレンドを概略的に示している。上述したものと同様の方法で２種以上のサーモクロミック材料を組み合わせることで、単一のサーモクロミックコーティングでより多くの数の転移温度を得ることができる。加色法や減色法に限定するものではないが、色彩理論を使用して、２つ以上の色の混合を使用して任意の可能な色を形成することができる。図１Ｂでは、加色の組み合わせの概略図により、赤１６０、緑１６２、及び青１６４の原色を組み合わせることで、黄１６６、シアン１６８、マゼンタ１７０、及び白１７２の色が形成されることが示されている。本発明は、これらの原色、組み合わせの色、または色の混合方法に限定されない。例えば、緑色（図示せず）は、アクチュエータを照らす周囲の白色光源からの黄色とシアンの光の減算、すなわち色の除去によって得ることができる。当業者は、本明細書に記載されている全ての具体的な色が、記載されている色の実質的な近似であってもよく、本開示の趣旨から逸脱することなく色の濃淡、色合い、色調、及び／または色相の変動が生じ得ることを理解するであろう。
【００２７】
図２は、加熱段階２１０の間に複数の色を通って転移し、冷却段階２２０の間に反対の順序で同じ色を通って転移する例示的なサーモクロミックアクチュエータを示している。本発明の１つ以上の実施形態では、複数のサーモクロミック材料を有するサーモクロミックアクチュエータは、複数回色を変化させることで温度の増加または減少の進行を示すことができ、それにより視覚的に使用者またはオペレーターにアクチュエータの状態を示すことができる。この非限定的な例では、サーモクロミックアクチュエータは、７０℃、１００℃、及び１５０℃の３つの転移温度を有する３種のサーモクロミック材料成分を有している。サーモクロミックアクチュエータは、室温で黒色２５０で始動する。アクチュエータに供給される電力の増加または周囲加熱のいずれかによってデバイスが加熱されると、コーティングは７０℃でマゼンタ色２５２に、次いで１００℃で青色２５４に、そして最後に１５０℃で白色２５６に転移する。サーモクロミックアクチュエータが冷却されると、能動的または受動的のいずれかの冷却技術により、コーティングは逆の色の転移を経て、１５０℃の白色２５６から１００℃で青色２５４に、７０℃でマゼンタ色２５２に、そして最後に室温で黒色２５０に戻る。
【００２８】
本発明の１つ以上の実施形態では、サーモクロミックコーティングの１種以上のサーモクロミック材料は、定格臨界温度の指標である。定格臨界温度は、例えば劣化が始まる温度や故障が生じる温度などの、アクチュエータの作動に関連する任意の温度として定義される。転移温度がアクチュエータの定格臨界温度に適切に近いサーモクロミック材料を選択することにより、対応する色の変化は、例えば温度を下げるためにアクチュエータを無効にするなど、使用者が適切な手段を講じる必要があることを示す。１つの非限定的な例では、図２で示されている１５０℃での最後の色の転移２５６は、材料に基づく人工アクチュエータが定格故障温度の１８０℃に近いことを示すことができ、使用者はデバイスの温度が注意を要する温度範囲内にあることを理解するであろう。
【００２９】
図３は、本発明の１つ以上の実施形態による、転移温度を通過した後に元の色に戻らない不可逆性サーモクロミック材料を使用する例示的なサーモクロミックアクチュエータを示す。不可逆性サーモクロミック材料は、転移温度で恒久的な色の変化を示すサーモクロミック材料の一種である。この非限定的な例では、サーモクロミックアクチュエータは、１８０℃の転移温度を有する単一の不可逆性サーモクロミック材料を有する。サーモクロミックアクチュエータが加熱段階３１０の間に加熱されると、アクチュエータに供給される電力の増加または周囲加熱のいずれかにより、サーモクロミックコーティングは、室温の黒色３５０から１８０℃の白色３６０に転移する。サーモクロミックアクチュエータが能動的または受動的のいずれかの冷却技術により冷却段階３２０中に１８０℃から室温まで冷却されると、サーモクロミックアクチュエータは白色３６０を恒久的に保持する。サーモクロミックアクチュエータは後続の加熱段階３１０または冷却段階３２０中に白色３６０を保持する。
【００３０】
本発明の１つ以上の実施形態では、サーモクロミックコーティング中の１種以上の不可逆性サーモクロミック材料は、定格臨界温度の指標である。アクチュエータの定格臨界温度で転移温度を有する不可逆性サーモクロミック材料を選択することにより、対応する色の変化が定格臨界温度に到達したことを示し、使用者は例えば温度を下げるためにアクチュエータを無効にするなどの適切な手段を講じるであろう。１つの非限定的な例では、図３に示さていれる１８０℃での白色３６０への色の転移は、ポリマーベースの人工アクチュエータが１８０℃の定格故障温度に到達したことを示すことができ、使用者は、デバイスが過剰な温度によって損なわれた可能性があることを理解するであろう。
【００３１】
本発明の１つ以上の実施形態では、サーモクロミックコーティング中の１つ以上の不可逆性サーモクロミック材料は、定格臨界温度のホットスポットの指標とすることができる。ホットスポットは、単一の地点からアクチュエータのかなりの部分にまで及ぶ、サーモクロミックアクチュエータの局所的な領域として定義される。言い換えると、ホットスポットはアクチュエータの他の部分の温度と離れた温度を有する。１つの非限定的な例では、不可逆性サーモクロミック材料の転移温度は、ポリマーベースの人工アクチュエータの定格故障温度より高く設定されてもよい。転移温度を超える温度の急上昇の後、サーモクロミックアクチュエータの色の転移は、アクチュエータの１つ以上のホットスポットに限定されるであろう。これらの色がついたホットスポットは、過剰な温度によって損なわれた可能性のあるアクチュエータの問題部分を特定するために使用することができる。
【００３２】
不可逆性サーモクロミック材料の例としては、限定するものではないが、Ａｔｌａｎｔａ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ＬＬＣ．のＩＴＰ−ＢＣ６０（青−無色１４０Ｆ（６０Ｃ））またはＩＴＰ−ＣＰ８５（無色−ピンク１８５Ｆ（８５Ｃ））サーモクロミック塗料が挙げられる。
【００３３】
図４は、特定の作動レベルと相関する転移温度を有するサーモクロミックアクチュエータを示している。本発明の１つ以上の実施形態では、複数のサーモクロミック材料を有するサーモクロミックアクチュエータは、複数回色を変化させることで作動レベルにおける増加または減少の進行を示すことができ、それにより視覚的に使用者またはオペレーターにアクチュエータの状態を示すことができる。この非限定的な例では、サーモクロミックリニアアクチュエータは、４０℃、７０℃、及び１００℃の３つの転移温度を有する３種のサーモクロミック材料成分を有している。サーモクロミックアクチュエータは、室温で、黒色４５０で始動する。アクチュエータに供給される電力の増加または周囲加熱のいずれかによって加熱段階４１０中にデバイスが加熱されると、コーティングは４０℃かつ作動１０％でマゼンタ色４５２に、次いで７０℃かつ作動２０％で青色４５４に、そして最後に１００℃かつ作動３０％で白色４５６に転移する。サーモクロミックアクチュエータが冷却段階４２０中に冷却されると、能動的または受動的のいずれかの冷却技術により、コーティングは逆の色の転移を経て、１００℃かつ作動３０％の白色４５６から７０℃かつ作動２０％の青色４５４に、４０℃かつ作動１０％のマゼンタ色４５２に、そして最後に室温かつ作動０％の黒色４５０に戻る。
【００３４】
本発明の１つ以上の実施形態では、サーモクロミックコーティングの色の変化は、線形モードであってもねじれ（図示せず）モードであってもよいアクチュエータの作動レベルの指標として使用することができる。作動のレベルは、例えばポリマーアクチュエータのコア繊維またはカーボンナノチューブ糸アクチュエータの含浸処理されたカーボンナノチューブ糸などのアクチュエータ材料の熱膨張に直接相関する。したがって、定常状態の作動レベルは、アクチュエータ材料の温度に直接相関する。アクチュエータの材料の物理的及び熱的特性が異なるため、アクチュエータの温度は、アクチュエータが作動するよりも速く変化することができる。アクチュエータ位置のマッピングは、＋／−１℃の精度で実証されている。サーモクロミック材料の定格転移温度は、＋／−１℃まで正確にすることができる。したがって、色の転移は、＋／−２℃の精度で具体的な作動レベルにマッピングすることができる。
【００３５】
図５は、室温で実質的に黒色５１０であり実質的に白色５２０へと転移するサーモクロミックコーティングを有する例示的なサーモクロミックアクチュエータを示す。実質的な黒色５１０は、入射した熱放射５１２を吸収してアクチュエータの加熱を助け、相対的に少量の放出された熱放射５１４を放射する。実質的な白色５２０は、多量の放出された熱放射５２４を放射してアクチュエータの冷却を助け、相対的に少量の入射した熱放射５２２を吸収する。したがって、サーモクロミックコーティングの熱力学的特性は、熱により作動するアクチュエータの動作を助ける。
【００３６】
本発明の１つ以上の実施形態では、サーモクロミックコーティング中の１種以上のサーモクロミック材料は、アクチュエータの作動温度範囲の下限で実質的に黒色であり、かつアクチュエータの動作温度範囲の上限温度で実質的に白色であるように選択される。実質的な黒は、電磁スペクトルの可視の及び近赤外の領域にまたがるスペクトル吸収を有する吸収色として定義されるが、吸収はこれらの領域に特に限定されない。実質的な白は、電磁スペクトルの可視の及び近赤外の領域にまたがるスペクトルの放射率または反射率を有する反射色として定義されるが、放射率または反射率はこれらの領域に特に限定されない。
【００３７】
図６は、ポリマーアクチュエータを製造するための方法６００を示している。本発明の１つ以上の実施形態によれば、１種以上のサーモクロミック材料は、転移温度、転移温度の両側の対応する色、熱力学的特性、またはアクチュエータの用途に適した他のパラメータに基づいて、ステップ６１０で選択される。ステップ６２０では、選択されたサーモクロミック材料は、実質的に均質な混合物を得るために、任意の適切な手段を使用して一緒に混合される。実質的に均質な混合物は、望まれる用途または使用者にとって適切に均一な色を有する混合物として定義される。ステップ６３０では、実質的に均質な混合物は、塗装、浸漬、噴霧、または刷毛塗りによってアクチュエータの表面上に配置されるが、配置はこれらの方法に特に限定されない。混合物は、１つ以上のコア繊維、または１つ以上の導電性要素、または任意の他の内表面もしくは外表面などの、アクチュエータの１つ以上の構成要素をコーティングすることができる。混合物は、アクチュエータの１つ以上の部分をコーティングしていてもよく、アクチュエータ全体をコーティングしていてもよい。ステップ６４０では、サーモクロミック材料を乾燥または硬化するのに適した任意の手段によって均質な混合物が乾燥されることで、サーモクロミックコーティングが形成される。コーティングを乾燥させる方法は、室温で一晩乾燥すること、オーブン中で短時間乾燥すること、流動ガス下で乾燥すること、またはアクチュエータ作動の余熱で乾燥することであってもよいが、乾燥はこれらの方法に特に限定されない。
【００３８】
図７は、カーボンナノチューブ糸アクチュエータを製造するための方法７００を示している。本発明の１つ以上の実施形態によれば、サーモクロミック材料は、転移温度、転移温度の両側の対応する色、熱力学的特性、またはアクチュエータの用途に適した他のパラメータに基づいて、ステップ７１０で選択される。ステップ７２０では、選択されたサーモクロミック材料は、実質的に均質な混合物を得るために、任意の適切な手段を使用して、例えばシリコーンゴムなどのゲスト作動材料と共に混合される。ステップ７３０では、実質的に均質な混合物は、ねじりの前に、すなわち、積み重ねられたカーボンナノチューブシートが一緒に軽く撚られてカーボンナノチューブ糸を形成した後にカーボンナノチューブ糸の表面上に配置される。実質的に均質な混合物は、単純なコーティング、刷毛塗り、浸漬、噴霧、または真空支援含浸によってカーボンナノチューブ糸の上に配置することができるが、配置させる手法はこれらの手法に特に限定されない。混合物は、カーボンナノチューブ糸の１か所以上の部分をコーティングしていてもよく、あるいはカーボンナノチューブ糸の全体をコーティングしていてもよい。ステップ７４０では、均質な混合物は、混合物がカーボンナノチューブ糸の層に浸透するのに十分な時間を与えながら、混合物を乾燥または硬化させるのに適した任意の手段によって乾燥される。コーティングを乾燥させる方法は、室温で一晩乾燥することであってもよいが、乾燥はこの方法に特に限定されない。
【００３９】
ステップ７５０では、含浸処理されたＣＮＴ糸は、その後ねじられる。すなわち更に撚られて、ＣＮＴ糸アクチュエータを形成する。１つ以上の実施形態では、ＣＮＴ糸アクチュエータは、ねじりからコイル状にされてもよい。ステップ７６０では、追加の量の実質的に均質な混合物が、単純なコーティング、刷毛塗り、浸漬、噴霧、または真空支援含浸によってカーボンナノチューブ糸の上に配置されるが、配置させる手法はこれらの手法に特に限定されない。ステップ７７０では、均質な混合物は、混合物を乾燥または硬化するのに適した任意の手段によって乾燥されて、サーモクロミックコーティングを形成する。コーティングを乾燥させる方法は、室温で一晩乾燥すること、オーブン中で短時間乾燥すること、流動ガス下で乾燥すること、またはアクチュエータ作動の余熱で乾燥することであってもよいが、乾燥はこれらの方法に特に限定されない。
【００４０】
本発明の１つ以上の実施形態によれば、実質的に均質な混合物は、１：５〜１：２０の範囲の比率のサーモクロミック材料及びゲスト作動材料から構成される。
【００４１】
本開示を限られた数の実施形態のみに関して説明してきたが、本開示の利益を有する当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく様々な他の実施形態が考案され得ることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【符号の説明】
【００４２】
１１０  第１のサーモクロミック材料
１１２  第２のサーモクロミック材料
１１４  混合されて均質な混合物
１６０  赤
１６２  緑
１６４  及び青
１６６  黄
１６８  シアン
１７０  マゼンタ
１７２  白
２１０  加熱段階
２２０  冷却段階
２５０  黒色
２５２  マゼンタ色
２５４  青色
２５６  白色
３１０  加熱段階
３２０  冷却段階
３５０  黒色
３６０  白色
４１０  加熱段階
４２０  冷却段階
４５０  黒色
４５２  マゼンタ色
４５４  青色
４５６  白色
５１０  実質的な黒色
５１２  入射した熱放射
５１４  少量の放出された熱放射
５２０  実質的な白色
５２２  少量の入射した熱放射
５２４  多量の放出された熱放射
６００  方法
６１０  ステップ
６２０  ステップ
６３０  ステップ
６４０  ステップ
７００  方法
７１０  ステップ
７２０  ステップ
７３０  ステップ
７４０  ステップ
７５０  ステップ
７６０  ステップ
７７０  ステップ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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７】
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【国際調査報告】
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