УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКОГО ПУЧКА
OPTICAL BEAM PROCESSING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к управляемым устройствам для обработки оптического пучка.
Предпосылки полезной модели
Существует много ситуаций, в которых свет, выходящий из системы, должен быть обработан, например, для изменения цвета, направления выхода света или интенсивности света.
Существуют различные устройства, которые обрабатывают световой поток для осуществления этих изменений оптических свойств. Обычно, полное изменение осуществляется оптическим компонентом.
Существует много ситуаций, в которых неравномерное изменение оптических свойств желательно по площади. Это может быть достигнуто с использованием массива устройств управления, но это приводит к сложной структуре.
В качестве примера для автомобильных фар желательно обеспечивать настройку различных оптических эффектов. Эти эффекты могут включать в себя интенсивность света, цвет, рассеянность, показатель преломления и распределение этих эффектов в световом пучке. В зависимости от условий, таких как погода, темнота, ориентация относительно дороги, другого транспорта и т.д., предпочтительно обеспечивать настройку некоторых или всех этих эффектов.
Кроме того, в зависимости от положения светового пучка предпочтительно осуществлять большие или меньшие изменения.
WO 2005/085930 раскрывает адаптивный оптический элемент в виде линзы, выполненной из электроактивного полимерного материала, в котором форма линзы является электрически управляемой. US 2007/263963 раскрывает систему юстировки, в которой исполнительные механизмы регулируют форму оптической призмы для управления направлением светового пучка.
Было бы желательным иметь возможность контролировать оптическое свойства неодинаковым способом по площади, но с помощью простой конструкции устройства.
Краткое описание изобретения
В соответствии с первым аспектом изобретения описан светопропускающий оптический компонент, содержащий
структуру слоя электроактивного материала, содержащую оптически активный слой, который осуществляет оптическую функцию;
электродный узел для управления деформацией структуры слоя электроактивного материала, таким образом, для изменения светопропускающего свойства компонента; и
приводной узел для управления управляющими сигналами, приложенными к электродному узлу,
причем приводной узел выполнен с возможностью вызывать различные относительные изменения толщины в различных областях структуры слоя электроактивного материала, таким образом, обеспечивая неравномерное изменение оптической функции между этими различными областями,
причем структура слоя электроактивного материала содержит набор слоев электроактивного материала, разделенных промежуточными слоями, причем слои электроактивного материала имеют одинаковую толщину, и промежуточные слои имеют неодинаковую толщину, так что структура слоя электроактивного материала имеет неодинаковую толщину в своем неактивированном состоянии.
Этот компонент обрабатывает оптический пучок, который передается через компонент. Различные части оптического пучка имеют различную оптическую функцию, применяемую к ним, в зависимости от активации слоя электроактивного материала. В частности, имеется другое относительное изменение толщины слоя в различных местоположениях двухмерной структуры слоя. Это неравномерное изменение толщины происходит между активированной частью структуры слоя, т.е. между управляющими электродами, когда они расположены на противоположных поверхностях.
Электроактивный материал образует «структуру» в том смысле, что она может быть одним слоем или многослойным узлом. Она является «оптически» активной в том смысле, что она скорее осуществляет оптическую функцию, чем является прозрачной. Оптической функцией может быть отклонение, например, вызванное управлением границей показателя преломления, световым рассеянием (для изменения рассеяния выходного пучка), поглощением света или длинной волны (т.е. цвета).
Структура слоя электроактивного материала имеет неодинаковую толщину в своем неактивированном состоянии. Области разной толщины будут обеспечивать различные уровни поглощения, рассеяния или длины волны (в зависимости от ситуации), или в иных случаях общая форма может осуществлять функцию рассеяния пучка на основании угла между противоположными поверхностями структуры слоя электроактивного материала.
Структура слоя электроактивного материала содержит набор слоев электроактивного материала, разделенных промежуточными слоями, причем слои электроактивного материала имеют одинаковую толщину, и промежуточные слои имеют неодинаковую толщину. Разная толщина промежуточных слоев в различных местоположениях приводит к разности (эффективной) диэлектрической проницаемости и для управляемого электрическим полем устройства. Затем это изменяет действующее электрическое поле в различных частях устройства.
По меньшей мере, некоторые различные области структуры слоя электроактивного материала могут иметь различную диэлектрическую проницаемость. При другом расположении, по меньшей мере, некоторые различные области структуры слоя электроактивного материала могут иметь различную жесткость. Локальное управление диэлектрической проницаемостью или жесткостью влияет на то, как структура слоя электроактивного материала деформируется локально в соответствии с приложенным общим управляющим сигналом.
Для этой цели структура слоя электроактивного материала содержит композицию электроактивного материала и частиц для локальной модификации диэлектрической проницаемости или жесткости.
В соответствии со вторым аспектом изобретения описан светопропускающий оптический компонент, содержащий
структуру слоя электроактивного материала, содержащую оптически активный слой, который осуществляет оптическую функцию;
электродный узел для управления деформацией структуры слоя электроактивного материала, таким образом, для изменения светопропускающего свойства компонента; и
приводной узел для управления управляющими сигналами, приложенными к электродному узлу,
причем приводной узел выполнен с возможностью вызывать различные относительные изменения толщины в различных областях структуры слоя электроактивного материала, таким образом, обеспечивая неравномерное изменение оптической функции между этими различными областями,
причем, по меньшей мере, некоторые различные области структуру слоя электроактивного материала имеют различную диэлектрическую проницаемость и/или жесткость.
Как упомянуто выше, локальное управление диэлектрической проницаемостью или жесткостью влияет на то, как структура слоя электроактивного материала деформируется локально в соответствии с приложенным общим сигналом активации. Кроме того, структура слоя электроактивного материала может содержать композицию электроактивного материала и частиц для локальной модификации диэлектрической проницаемости или жесткости.
В обоих аспектах электродный узел может содержать массив электродов, так что различные сигналы активации могут прикладываться к различным областям структуры слоя электроактивного материала. Структура слоя электроактивного материала используется совместно, но она активируется массивом отдельных устройств. Таким образом, могут быть осуществлены локальное управление толщиной или другое локальное управление.
Электродный узел может содержать блок обработки сигналов, связанный с каждым электродом, для обработки совместно используемого управляющего сигнала, управления электродом для получения модифицированных локальных управляющих сигналов на электрод. Таким образом, может использоваться единственный сигнал управления, который затем преобразуется локально для получения набора различных управляющих сигналов. Блок обработки сигналов может осуществлять управление напряжением для электроактивного материала, управляемого полем, или осуществлять управление зарядом для ионного электроактивного материала.
Для всех различных возможных физических или электрических конфигураций слой электроактивного материала в одном примере может быть частично поглощающим свет слоем или светорассеивающим слоем. Локальная толщина затем влияет на локальное поглощение или рассеяние, которое осуществляется, так что осуществляется управление неравномерной интенсивностью или рассеиванием.
Для этих целей слой электроактивного материала может содержать композицию электроактивного материала и светопоглощающих или светорассеивающих частиц.
Для всех различных возможных физических или электрических конфигураций структура слоя электроактивного материала вместо этого может содержать преломляющий слой. Он может использоваться для образования границы желаемого коэффициента преломления. Структура слоя электроактивного материала может содержать композицию электроактивного материала и частиц разного показателя преломления.
Для всех различных возможных физических или электрических конфигураций структура слоя электроактивного материала может вместо этого быть структурой для изменения цвета света. Она может использоваться для обеспечения выхода неодинакового цвета из исходного единственного цветового источника. Структура слоя электроактивного материала может, например, содержать композицию электроактивного материала и цветоизменяющих частиц. Цветоизменяющие частицы, например, содержат люминофорные частицы.
Для всех различных возможных физических или электрических конфигураций структура слоя электроактивного материала вместо этого может быть слоем управления направлением пучка. Он обеспечивает управление направлением выхода пучка из компонента.
Краткое описание чертежей
Примеры изобретения будут описаны подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых
фиг.1 - вид известного электроактивного полимерного устройства, которое не закреплено;
фиг.2 - вид известного электроактивного полимерного устройства, которое ограничено защитным слоем;
фиг.3 - первый пример светопропускающего оптического компонента;
фиг.4 - второй пример светопропускающего оптического компонента, выполненного в виде многослойной структуры;
фиг.5 - пример осуществления светопропускающего оптического компонента в виде светонаправляющего компонента;
фиг.6 - пример набора слоев электроактивного материала постоянной толщины с клинообразными промежуточными слоями;
фиг.7 - вариант светопропускающего оптического компонента, который в неактивированном состоянии характеризуется одинаковой толщиной;
фиг.8 - вариант светопропускающего оптического компонента, который использует конструкцию секционированного электрода; и
фиг.9 показывает эффект добавления наполнителя в электроактивный полимерный материал и показывает деформацию в зависимости от приложенного электрического поля для различных концентраций частиц.
Подробное описание вариантов осуществления
Изобретение описывает светопропускающий оптический элемент, содержащий структуру слоя электроактивного материала, имеющую управляемую деформацию. При активации компонента осуществляются различные относительные изменения толщины в различных областях слоя электроактивного материала, таким образом, обеспечивая неодинаковое изменение оптической функции между этими различными областями.
Изобретение использует электроактивный материал (EAM), который является классом материалов в области электрически чувствительных материалов. При осуществлении в исполнительном устройстве, воздействие на электроактивный материал электрическим управляющим сигналом, можно заставить его изменять размер и/или форму. Этот эффект может быть использован для активации и измерения.
Существуют неорганические и органические электроактивные материалы.
Конкретным типом органических электроактивных материалов являются электроактивные полимеры (EAPs). Электроактивные полимеры (EAP) являются перспективным видом электрически чувствительных материалов. Электроактивные полимеры (EAPs) подобно электроактивным материалам, могут работать в качестве сенсоров или исполнительных механизмов, но могут быть легче выполнены в различных формах, обеспечивая легкую интеграцию в большое разнообразие систем. Другие преимущества электроактивных полимеров (EAPs) включают в себя низкую мощность, небольшой форм-фактор, гибкость, бесшумную работу и точность, возможность высокого разрешения, высокое быстродействие и циклическое приведение в действие. Электроактивное полимерное устройство может использоваться в любой области, в которой желательны небольшая степень перемещения компонента, или техническая характеристика желательна на основании электрической активации. Подобным образом, способ может быть использован для измерения небольших перемещений. Использование электроактивных полимеров обеспечивает функции, которые были невозможны до этого, или обеспечивает большое преимущество перед решениями известного датчика/исполнительного механизма вследствие сочетания относительно большой деформации и усилия в небольшом объеме или тонком форм-факторе по сравнению с известными исполнительными механизмами. Электроактивные полимеры также обеспечивают бесшумную работу, точное электронное управление, высокое быстродействие и большой диапазон возможных частот воздействия, таких как 0-20 кГц.
В качестве примера того, как может быть выполнено и может работать устройство электроактивного материала, на фиг.1 и 2 изображены два возможных рабочих режима электроактивного полимерного устройства, которое содержит слой 14 электроактивного полимера, расположенный между электродами 10, 12 на противоположных сторонах слоя 14 электроактивного полимера.
На фиг.1 изображено устройство, которое не закреплено на несущем слое. Напряжение используется для вызывания расширения слоя электроактивного полимера во всех направлениях, как показано.
На фиг.2 изображено устройство, которое выполнено таким образом, что расширение возникает только в одном направлении. Для этой цели конструкция на фиг.1 зафиксирована или закреплена на несущем слое 16. Напряжение используется для вызывания искривления или сгиба электроактивного полимерного слоя. Характер этого перемещения возникает вследствие взаимодействия между активным слоем, который расширяется при активации, и пассивным несущим слоем, который не расширяется при активации.
На фиг.3 изображен первый пример светопропускающего оптического компонента 30, который содержит структуру 32 слоя электроактивного материала, содержащую оптически активный слой, который осуществляет оптическую функцию. Электродный узел предусмотрен для регулировки деформации слоя 32 электроактивного материала, таким образом, чтобы изменять функцию обработки оптического излучения компонента, такую как пропускание света. Электродное устройство изображено в виде электродных слоев 33 на противоположных сторонах конструкции 32 слоя. Однако гребенчатое электродное устройство вместо этого может использоваться только на одной стороне.
Приводной узел 34 предусмотрен для приложения управляющих сигналов к электродному узлу, таким образом, управляя деформацией слоя 32 электроактивного материала. Для упрощения он показан только на левом изображении чертежа. Правое изображение и большая часть других чертежей исключают приводной узел для упрощения.
На фиг.3 изображено неактивированное состояние слева и активированное состояние справа. В этом примере структура слоя имеет клинообразную форму как в неактивированном, так и в активированном состояниях. Активация вызывает поперечное расширение и утончение слоя. Активированное состояние вызывает неравномерную степень деформации в различных местоположениях, поскольку для устройства, приводимого в действие полем, напряженность электрического поля является разной в материале в различных местоположениях разной толщины.
Активация, таким образом, вызывает различные относительные изменения толщины в различных областях слоя электроактивного материала. Например, изображенная более тонкая сторона может уменьшаться по толщине на 50%, тогда как более толстая сторона может уменьшаться на 20%. Это то, что означает разное относительное изменение толщины, т.е., относительно исходной толщины. Относительное изменение, например, является функцией напряженности электрического поля. Это также может означать то, что угол заострения становится другим между неактивированным и активированным состояниями. Это изменение угла заострения будет зависеть от поперечной ширины структуры по сравнению с разностью толщин.
Слой 32 электроактивного материала выполняет оптическую функцию. Это может быть просто тем, что он имеет показатель преломления, который отличается от материала на наружной стороне устройства, или он может выполнять рассеивание света, изменение цвета, или другую оптическую функцию. Результатом является то, что компонент обеспечивает неодинаковое изменение оптической функции между этими различными областями при активации. Обычно, оптическая функция изменяется везде, когда устройство активировано, но изменение является неодинаковым.
Причиной различных относительных изменений толщины может быть общая форма слоя или конфигурация электрода или приводной узел или локальные свойства материала слоя. Различные варианты обсуждены ниже. Однако, в основном, приводной узел выполнен с возможностью вызывания различных относительных изменений толщины в различных областях слоя электроактивного материала, таким образом, обеспечивая желаемое неодинаковое изменение оптической функции между этими различными областями.
Компонент обрабатывает оптический луч, который передается через компонент. Различные части оптического луча имеют различную оптическую функцию, применяемую относительно них, в зависимости от активации слоя электроактивного материала. На фиг.3 изображен падающий луч 36 и переданный луч 38.
На фиг.3 изображена структура 32 слоя электроактивного материала в виде одного слоя. Толщина слоя влияет на выполнение оптической функции. Структура 32 может, например, выполнять оптическое затухание, рассеивание или преобразование цветов, и длина траектории через структуру в каждом местоположении определяет уровень применяемой оптической функции.
Что касается структуры слоя со светопоглощающими свойствами, оптическая функция должна вызывать изменение интенсивности света. Активация устройства будет приводить к изменению отклонения интенсивности света, проходящего через устройство. В примере на фиг.3 изменение интенсивности света будет больше на левой стороне устройства, чем на правой стороне, обе стороны устройства станут ярче, но левая сторона будет относительно более яркой.
Что касается структуры слоя со светорассеивающими свойствами, оптическая функция должна изменять рассеяние луча или степень коллимации. Изначально коллимированный луч может стать рассеиваться за счет различных степеней в различных областях устройства. Активация устройства затем будет вызывать другую диаграмму неравномерного рассеяния луча.
Устройство может иметь различные размеры в зависимости от применения. В качестве примера толщина устройства (вертикальное направление на фиг.3) может обычно составлять 50 мкм - 1 мм. В основном, исполнительный механизм может быть образован в виде набора более тонких активных слоев.
Тонкая часть клинообразной формы может, например, иметь толщину в диапазоне 20-80% от толщины толстой части клина. Устройство может быть квадратом или диском или кольцом, причем толстая часть находится на внутреннем диаметре или наружном диаметре.
Также возможно, чтобы как внутренний диаметр (или одна сторона), так и наружный диаметр (или противоположная сторона) являлись например тонкими, и чтобы толстая часть была между ними. Промежуточная часть наоборот может быть более тонкой частью.
Поперечный размер обычно будет находиться в диапазоне от 1 мм до десятков сантиметров.
На фиг.3 изображен один слой. Структура может напротив содержать множество слоев, как показано на фиг.4. Структура 32 слоя электроактивного материала, таким образом, образована в виде набора слоев 40. Все слои могут быть одинаковыми, и в этом случае функция является неизменной, а целью является просто легкое изготовление в виде ламинированного набора слоев.
Однако набор может содержать чередующиеся слои с различным показателем преломления. Все они могут быть электроактивными материалами, или могут быть слоями электроактивного материала с расположенными между ними пассивными полимерными слоями. Границы показателя преломления затем выполняют функцию отражателей, так что набор может выполнять функцию диэлектрической дифракционной решетки, так что переданный свет имеет конкретный спектр. Этот спектр отличается по площади устройства в результате различных толщин слоев в различных местоположениях. Активация устройства также влияет на толщины слоев и, следовательно, оптическую функцию.
Электроактивный материал, таким образом, образует «структуру» в смысле того, что она может быть одним слоем (фиг.3) или множеством слоев (фиг.4).
Многослойный интерференционный светофильтр на фиг.4 осуществляет изменение цвета. Альтернативный вариант управления цветом должен содержать люминофор или светопреобразующие частицы внутри структуры 32 слоя. В этом случае активация устройства будет приводить к изменению отклонения в цвете через устройство. В ситуации на фиг.3 изменение цвета будет больше на левой стороне устройства, чем на правой стороне, при большем изменении количества люминофора. Подобным образом, что касается структуры на фиг.4, расстояние многослойного интерференционного светофильтра уменьшено относительно больше в более тонких областях, таким образом, обеспечивая большее изменение цвета.
На фиг.5 изображен вариант осуществления в виде лученаправляющего компонента. Структура 32 слоя имеет другой показатель преломления относительно материала на наружной стороне устройства. Показатель преломления может быть отрегулирован путем добавления частиц в слой электроактивного материала. Верхняя поверхность обеспечивает рефракционное перенаправление падающего света. Активация вызывает изменение угла верхней поверхности, так что обеспечена другая функция направления луча.
Угол отклонения изменяется при изменении угловой ориентации границы раздела между материалами с различным показателем преломления на каждой стороне.
Все примеры, приведенные выше, используют один или более слоев электроактивного материала с неодинаковой толщиной. Одинаковый эффект может быть достигнут с помощью слоев одинаковой толщины с конусовидными (или другой формы) промежуточными диэлектрическими слоями. На фиг.6 изображен набор слоев 60 электроактивного материала постоянной толщины с клинообразными промежуточными диэлектрическими промежуточными слоями 61.
В областях более толстых промежуточных слоев напряженность электрического поля в слоях электроактивного материала становится меньше из-за большего расстояния, и, таким образом, активация/отклонение в этой области будет меньше, даже если слои электроактивного материала имеют постоянную толщину. Промежуточные слои 61 являются клинообразными вязкими слоями, и имеются верхний и нижний электроды. В качестве альтернативы, могут быть расположены электродные слои для каждого промежуточного слоя и пары слоев электроактивного материала.
Можно видеть, что, в основном, желаемая неодинаковая толщина (например, клинообразная форма) может быть осуществлена в любом одном или более слоев электроактивного материала, промежуточных клеевых слоев или электродных слоев.
Изменение толщины не ограничивается клинообразной формой. Например, другие формы, такие как тороидальная форма, возможны, где середина устройства функционирует по-другому относительно наружной окружности.
Все конструкции, упомянутые выше, имеют неодинаковую толщину в релаксированном (неактивированном) состоянии. Однако, это не является важным. На фиг.7 изображен вариант, в котором неактивированное состояние имеет одинаковую толщину. Структура 32 слоя электроактивного материала имеет области 70, 72, 74, 76 с разной диэлектрической постоянной, за счет, например, локального увеличения концентрации наполнителя частиц с более высокой диэлектрической постоянной.
Результатом является то, что постоянное напряжение, приложенное к электродам, будет приводить к разной напряженности электрического поля в различных частях слоя. В результате различные части будут реагировать по-разному на сигнал активации, как показано на правом изображении, обеспечивая неодинаковую толщину в активированном состоянии. Этот вариант может быть объединен с любым из возможных вариантов, описанных выше.
Все вышеприведенные примеры используют единственный общий сигнал активации, приложенный ко всему устройству, и локальная геометрия устройства или физические/электрические свойства приводят к неравномерной деформации.
Альтернативный вариант изображен на фиг.8. Один электрод (или это могут быть оба) образован в виде набора вспомогательных электродов 80. Они обеспечивают изменение заряда или приложенного напряжения на поверхности устройства. Это приводит к изменению оптических свойств (которые могут быть любыми из возможных вариантов, описанных выше, т.е., преобразования цветов, поглощения, рассеяние, управления). Это может быть достигнуто путем использования отдельных частей электрода. Этот возможный вариант может быть объединен с любым из других вариантов, описанных выше, для дополнительного увеличения эффекта.
На фиг.8 изображено устройство в неактивированном и активированном состояниях.
На фиг.8 только верхний электрод разделен на части, например, образован в виде вспомогательных электродных полос, и имеется общее заземление в нижней части. Каждая электродная пара (между верхним вспомогательным электродом и общим заземлением) приводится в действие с разной амплитудой напряжения. Чем меньше рабочая амплитуда, тем меньше отклонение будет в данной области. Нелинейные клинообразные формы или волнообразные формы могут быть получены.
На каждый вспомогательный электрод может быть подан свой собственный сигнал управления. Однако, вариант, который показан на фиг.8, предназначен для каждого вспомогательного электрода, который должен быть связан с блоком 82 обработки сигналов для обработки совместно используемого сигнала 84 возбуждения электрода для получения модифицированных локальных сигналов возбуждения электродов.
Блоки 82 могут, например, содержать резистивную схему, такую как делитель напряжения, содержащий небольшие компоненты устройства для поверхностного монтажа, закрепленные между вспомогательными электродами. Они могут использоваться для внутреннего уменьшения амплитуд напряжения для отдельных электродных пар. Блоки 82 могут напротив содержать реактивную схему, например, для ввода конкретной временной диаграммы и/или ограничения заряда, подаваемого на каждую электродную пару. Например, могут использоваться емкостной делитель напряжения или конденсатор последовательно с каждым вспомогательным электродом.
Другим вариантом для получения неодинаковой толщины, таким как клинообразная форма, является локальное добавление или заделывание мягких частиц (например, силиконовых наночастиц) в слой электроактивного материала. В области, в которой содержатся мягкие частицы, отклонение будет затруднено и, следовательно, будет меньше.
Можно видеть, что неравномерное изменение толщины может быть достигнуто на основании сочетания одного или более эффектов:
- слоя электроактивного материала или набора слоев, который имеет неравномерную толщину в неактивированном состоянии, или на основании электроактивных слоев неравномерной толщины или промежуточных слоев или электродов неравномерной толщины;
- слоя электроактивного материала или набора слоев, который имеет неодинаковые диэлектрические свойства по своей площади;
- слоя электроактивного материала или набора слоев, к которому приложены различные сигналы возбуждения в различных областях;
- слоя электроактивного материала или набора слоев, который имеет неравномерную толщину в неактивированном состоянии, который имеет неравномерные физические деформационные свойства, такие как мягкость в различных областях.
Хотя в подробном описании, приведенном выше, в данном документе конструкция и работа устройств и систем в соответствии с изобретением были описаны для электроактивных полимеров, изобретение фактически может быть использовано для устройств на основании других типов электроактивного материала. Следовательно, если не указано иное, вышеуказанные электроактивные полимерные материалы могут быть заменены другими электроактивными полимерными материалами. Такие другие электроактивные полимерные материалы известны в области техники, и специалист в данной области техники должен знать, где их найти и как их использовать. Ряд возможных вариантов будет описан в данном документе ниже.
Общая подгруппа устройств электроактивных материалов включает в себя электроактивные материалы, приводимые в действие полем и приводимые в действие током или зарядом (ионами). Электроактивные материалы, приводимые в действие электрическим полем, активируются за счет электромеханического соединения, в то время как приводной механизм для электроактивных материалов, приводимых в действие током или зарядом, включает в себя диффузию ионов. Последний механизм более часто обеспечен соответствующими органическими электроактивными материалами, такими как электроактивные полимеры. В то время как электроактивные материалы, приводимые в действие полем, обычно приводятся в действие сигналами напряжения и требуют соответствующие делители напряжения/контроллеры, электроактивные материалы, приводимые в действие током, обычно приводятся в действие сигналами тока или заряда, иногда требующими делители тока. Оба класса материалов имеют множество родственных элементов, причем каждый имеет свои собственные преимущества и недостатки.
Электроактивные материалы, приводимые в действие полем, могут быть органическими или неорганическими материалами, и если органические материалы, то они могут быть одномолекулярными, олигомерными или полимерными. Для настоящего изобретения они предпочтительно являются органическими и, кроме того, также олигомерными или даже полимерными. Органические материалы и особенно полимеры являются новым классом материалов, вызывающим растущий интерес, так как они сочетают свойства активации со свойствами материалов, такими как минимальный вес, дешевое изготовление и легкая обработка.
Электроактивные материалы, приводимые в действие полем, и, таким образом, также электроактивные полимеры обычно являются пьезоэлектрическими и возможно ферроэлектрическими и, таким образом, включают в себя самопроизвольную продолжительную поляризацию (дипольный момент). В качестве альтернативы, они являются электрострикционными и, таким образом, включают в себя только поляризацию (дипольный момент) при активации, но не включают в себя поляризацию (дипольный момент), когда они не активированы. В качестве альтернативы, они являются диэлектрическими релаксорными материалами. Такие полимеры включают в себя, но не ограничиваются этим, подклассы: пьезоэлектрические полимеры, ферроэлектрические полимеры, электрострикционные полимеры, релаксорные ферроэлектрические полимеры (такие как ПВДФ на основе релаксорных полимеров или полиуретанов), диэлектрические эластомеры, жидкие кристаллические эластомеры. Другие примеры включают в себя электрострикционные привитые сополимеры, электрострикционную бумагу, электреты, электро-вязкоупругие эластомеры и жидкие кристаллические эластомеры.
Отсутствие самопроизвольной поляризации означает то, что электрострикционные полимеры имеют небольшие гистерезисные потери или не имеют гистерезисные потери даже при очень высоких частотах работы. Однако преимущества обеспечиваются за счет температурной стабильности. Релаксорные материалы работают лучше в ситуациях, в которых температура может быть стабилизирована в пределах приблизительно 10°C. Это может казаться большим ограничением на первый взгляд, но при условии, что электрострикционные материалы отличаются при высоких частотах и полях с очень низким возбуждением, тогда применения обычно осуществляются в специальных микро исполнительных механизмах. Температурная стабилизация таких небольших устройств является относительно простой и часто представляет собой только незначительную проблему для общей конструкции и процесса разработки.
Релаксорные ферроэлектрические материалы могут иметь электрострикционную постоянную, которая является достаточно высокой для оптимального практического использования, т.е. предпочтительной для функций мгновенного измерения и активации. Релаксорные ферроэлектрические материалы являются неферроэлектрическими, когда приложено нулевое поле возбуждения (т.е. напряжение) к ним, но становятся ферроэлектрическими во время возбуждения. Следовательно, отсутствует электромеханическое соединение в материале при отсутствии приведения в действие. Электромеханическое соединение становится не нулевым, когда приложен сигнал возбуждения и может быть измерено за счет подачи высокочастотного сигнала с малой амплитудой, наложенного на сигнал возбуждения, в соответствии со способами, описанными выше. Релаксорные ферроэлектрические материалы, кроме того, имеют преимущество на основании единственного сочетания высокого электромеханического соединения при ненулевом сигнале возбуждения и хороших характеристик возбуждения.
Наиболее часто используемыми примерами неорганических релаксорных ферроэлектрических материалов являются ниобат свинца-магния (PMN), ниобат свинца-магния-титанат свинца (PMN-PT), цирконат-титанат свинца-лантана (PLZT). Но другие известны в технике.
Релаксорные ферроэлектрические полимеры на основе ПВДФ имеют самопроизвольную электрическую поляризацию, и они могут быть предварительно деформированными для улучшенной работы в деформируемом направлении. Они могут быть любым, выбранным из группы материалов, приведенных ниже, в данном документе.
Поливинилденфторид (ПВДФ (PVDF)), поливинилденфторид-трифторэтилен (PVDF-TrFE), поливинилденфторид-трифторэтилен-хлорфторэтилен (PVDF-TrFE-CFE), поливинилденфторид-хлортрифторэтилен- хлорфторэтилен (PVDF-TrFE-CTFE), поливинилденфторид-гексафторпропилен (PVDF-HFP), полиуретаны и их смеси.
Электроактивные материалы и электроактивные полимеры, приводимые в движение током, содержат сопряженные полимеры, металлокомпозиты ионных полимеров, ионные гели и полимерные гели.
Примерами ионных приводимых в действие электроактиных полимеров являются сопряженные полимеры, композиции полимера и углеродной нанотрубки (CNT) и композиции ионного полимера и металла (IPMC).
Диэлектрические эластомеры подкласса включают в себя, но не ограничиваются этим, акрилаты, полиуретаны, силиконы.
Сопряженные полимеры подкласса включают в себя, но не ограничиваются этим, полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли(p-пениленсульфид), полианилины.
Вышеупомянутые материалы могут быть внедрены как чистые вещества, суспензированные в материале матрицы. Материалы матриц могут содержать полимеры.
Для любой активируемой структуры, содержащей электроактивный материал, могут быть обеспечены дополнительные пассивные слои для оказания влияния на характеристику слоя электроактивного материала в соответствии с приложенным сигналом возбуждения.
Активируемый узел или структура электроактивного полимерного устройства может иметь один или более электродов для приложения сигнала управления или сигнала возбуждения к, по меньшей мере, части электроактивного материала. Предпочтительно, конструкция содержит два электрода. Электроактивный полимер может быть размещен между двумя или более электродами. Это размещение необходимо для конструкции исполнительного механизма, которая содержит эластомерный диэлектрический материал, так как его приведение в действие, в том числе, вызвано сжимающей силой, приложенной электродами, притягивающимися друг к другу вследствие сигнала возбуждения. Два или более электродов могут быть также заделаны в эластомерный диэлектрический материал. Электроды могут быть расположены по установленной схеме или нет.
Также возможно расположение электродного слоя, например, только на одной стороне, используя встречно-гребенчатые электроды. Если электроды расположены только на одной стороне, отражательное устройство может быть образовано без необходимости в прозрачных электродах.
Подложка может быть частью активируемого узла. Она может быть закреплена на наборе электроактивного полимера и электродах между электродами или на одном из электродов на наружной стороне.
Электроды могут быть растягиваемыми, так что они следуют за деформацией (находятся в зависимости от деформации) слоя электроактивного материала. Это особенно является предпочтительным для электроактивных полимерных материалов. Материалы, пригодные для электродов, также известны и могут, например, быть выбраны из группы, состоящей из тонких металлических пленок, таких как золотые, медные или алюминиевые, или органических проводников, таких как углеродная сажа, углеродные нанотрубки, полианилин (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофен(PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен) поли (стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Также могут быть использованы металлизированные полиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (PET), например, используя алюминиевое покрытие.
Материалы для различных слоев буду выбраны, например, с учетом модуля упругости (модуля Юнга) различных слоев.
Могут быть использованы для улучшения электрической или механической характеристики устройства дополнительные слои для слоев, обсужденных выше, такие как дополнительные полимерные слои.
По меньшей мере, некоторые примеры, приведенные выше, используют композиционные материалы, которые сочетают электроактивный материал (в частности, полимер) и другие частицы (которые будут обычно называться «наполнителем») для изменения оптических свойств, таких как сдвиг длины волны, рассеивание, поглощение или изменение диэлектрической постоянной. Это могут быть твердые частицы или жидкость или капельки геля внутри связующей матрицы, или инкапсулированные капли, эффективно образующие частицы. Наиболее предпочтительно, используются твердые частицы.
Ниже будет описан способ, с помощью которого такие композиционные материалы могут быть изготовлены, а также влияния на физические и электрические свойства электроактивного материала.
Сначала, будет описан пример диэлектрических эластомерных электроактивных материалов. Они расположены между двумя электродами для образования диэлектрических электроактивных полимерных исполнительных механизмов. Силиконовые каучуки являются основной используемой эластомерной группой. Деформация является результатом сил притяжения между положительно и отрицательно заряженными электродами.
Составление смеси частиц в силиконах широко используется в производственном масштабе. В качестве примера линзы ультразвукового излучателя выполнены из силикона (PDMS, полидиметилсилоксан), наполненного частицами оксида железа и силикона для увеличения акустического импеданса и износостойкости. PDMS (кремнийорганические) соединения, содержащие рутил (TiO2), широко используются для увеличения показателя преломления или образования белых отражающих материалов.
Относительно работы диэлектрического электроактивного полимера составление смеси с непроводящими твердыми частицами, такими как керамика, имеет два основных значительных эффекта. Во-первых, жесткость материала увеличивается, требуя больших сил для получения одинаковых уровней деформации. Другим эффектом является то, что диэлектрическая постоянная композита изменяется (в основном, эффект наполнителя будет выше эффекта силиконов, который находится близко к 3). Является ли эффект деформации в зависимости от напряжения положительным или отрицательным зависит от диэлектрической постоянной частиц и размера частицы, так как более мелкие частицы в большей степени влияют на жесткость.
Это обсуждено у автора S. Somiya, в «Справочнике усовершенствованной керамики. Материалы, применения, обработка и свойства» с нелинейными диэлектрическими свойствами многослойных керамических конденсаторов, Walthan, Academic press, 2013, p.415. В качестве примера добавление частиц увеличивает диэлектрическую постоянную и также увеличивает жесткость.
Таким образом, смешивание наполнителей с эластомерами для оказания влияния на свойства диэлектрического электроактивного полимера известно. Добавление частиц с высокой диэлектрической постоянной для увеличения диэлектрической постоянной эластомера было широко изучено.
3
3
На фиг.9 изображен эффект добавления BaTiO к силиконовому эластомеру в электроактивном полимере. Он показывает напряжение в зависимости от приложенного электрического поля для различных концентраций частиц, причем частицы являются частицами с размером 1 мкм с плотностью 6г/см. При около 20 масс.% деформация электроактивного полимера как функция напряженности поля увеличена, так как положительный эффект увеличенной диэлектрической постоянной превосходит отрицательный эффект увеличенной жесткости.
Увеличение диэлектрической постоянной увеличивает деформацию в зависимости от напряжения, тогда как увеличение жесткости уменьшает деформацию.
Силиконовые эластомеры в основном получают путем смешивания двух компонентов. Один из них содержит Pt или катализатор перекисного отверждения. Различные компоненты можно смешивать в высокоскоростном миксере. В одном и том же процессе можно добавлять наполнитель, или наполнитель может быть предварительно смешен с одним или обоими компонентами. Материал наполнителя в основном используется в растворителе, который испаряется во время обработки. После или во время смешивания в высокоскоростном миксере, обычно, используется вакуум для удаления воздушных включений (и или растворителей). После этого смесь может быть отлита и отверждена. Температура и время отверждения зависят от полимерного сорта, и обычно составляют около 80°C в течение 10 минут. Большая часть частиц соответствует силиконам, пока они не инактивируют катализатор (например, материалы, содержащие серу). Силиконы перекисного отверждения являются менее чувствительными.
Силиконы могут быть получены литьем под давлением (жидкий силиконовый каучук, LSR). Два компонента впрыскивают на шнек после прохождения через (статичный) миксер литьевой машины для LSR. Частицы наполнителя могут быть предварительно смешаны с одним или обоими компонентами. Материал перемещается холодным шнеком и впрыскивается в горячую форму, в которой он быстро отверждается в зависимости от температуры. Так как LSR имеет очень низкую вязкость, могут быть получены очень тонкие части. Обычные температуры отверждения близки к 180°C, и время составляет от около 30 сек до 1 минуты.
Помимо отливки и литья под давлением имеется массив других способов формирования для получения компонентов смеси силиконового каучука также в форме тонких пленок. Примерами являются экструзия (пленки и профили), обкатка пленок, ламинирование и обкатка полимолекулярных слоев, отливка пленок с помощью ножевого устройства, ротационное отложение и сетчатая печать.
Наполнение может осуществляться локально в момент изготовления, например, путем использования многокомпонентного литья под давлением (двуструнного литья под давлением или многокомпонентного формования), дозирования силикона и наложения или послойного аддитивного наращивания силикона (т.е. 3D-печать).
Пример пьезоэлектрических полимерных композитов будет описан ниже.
Композиты пьезоэлектрических полимеров, содержащих смесь PVDF (матричный полимер) и керамические частицы, такие как PZT, были изучены. Способы изготовления подобные формованию окунанием в раствор и ротационному отложению являются пригодными. Кроме того, способы холодного и горячего прессования являются пригодными. После растворения PVDF могут затем осуществляться испарение растворителя до тех пор, пока не будет получена вязкая смесь и, введение в смесь частиц наполнителя. Композиты на основе PVDF полимера с хорошо диспергированным гранулометрическим составом и неповрежденной полимерной матрицей могут быть получены.
Далее будет описан пример исполнительных механизмов релаксорных электроактивных полимеров.
Они являются классом частично кристаллических терполимеров, которые могут обеспечивать относительно большое усилие со средней деформацией. Следовательно, эти исполнительные механизмы имеют широкий диапазон возможных применений. Релаксорные электроактивные полимеры были получены из «нормальных» PVDF полимеров путем использования соответствующих модификаций дефектов. Они содержат винилиденфторид (VDF), трифторэтилен (TiFE) и 1, 1-хлорфторэтилен (CFE) или хлортрифторэтилен (CTFE).
Добавление дефектов в виде химических мономеров типа 1, 1-хлорфторэтилена (CFE), который сополимеризован с VDF-TrFE, исключает нормальную ферроэлектрическую фазу, приводя к релаксорному ферроэлектрику с электромеханической деформацией, большей 7%, и плотностью энергии упругой деформации 0,7 Дж/см3 при 150 мВ/м. Кроме того, было описано, что путем внесения дефектов через высокую электронную эмиссию P(VDF-TrFE) сополимеров, сополимер также может быть преобразован из «нормального» ферроэлектрического P(VDF-TrFE) сополимера в ферроэлектрический релаксорный сополимер.
Материалы могут быть образованы за счет синтеза полимеров, как описано у F. Carpi и др., в книге «Диэлектричесие эластомеры и электромеханические преобразователи. Основные принципы, материалы, устройства, модели и применения способа изготовления перспективных электроактивных полимеров», Oxford, Elsevier, 2011, 53 p. В ней раскрыто сочетание процесса суспензионной полимеризации и активного катализатора, насыщенного кислородом. Эти пленки могут быть образованы путем наливания раствора на стеклянную подложку и затем испарения раствора.
Желаемый наполнитель может быть добавлен в растворитель перед отливкой пленки. После отливки композит затем может быть подвергнут отжигу для удаления растворителя и увеличения степени кристалличности. Скорость кристаллизации может уменьшаться в зависимости от концентрации наполнителя и гранулометрического распределения. Вытягивание будет выравнивать молекулярные цепочки и будет становиться более трудным, так как частицы могут пробивать молекулярные цепочки. Диэлектрическая постоянная будет увеличиваться для большей части добавок, которые уменьшают необходимое напряжение активации для достижения конкретной деформации. Жесткость материала будет увеличивать снижение деформации.
Таким образом, процесс изготовления включает в себя образование раствора полимера, добавление частиц, смешивание после отливки (например, отливки пленки), потенциально сочетаемой с ламинированием. Вариантами является ротационное отложение, прессование и т.д.
Локальные изменения концентрации могут быть осуществлены с использованием распределения и или 3D печати растворителя. Толщины слоев 10-20 мкм, например, возможны за счет процесса 3D печати.
Во всех примерах добавка наполнителя обычно влияет на напряжение пробоя. Максимальная деформация, которая может быть достигнута с помощью электроактивного полимера, определена максимальным напряжением, которое может быть приложено, которое является напряжением пробоя (прочностью на пробой).
Напряжение пробоя полимеров связано с диссоциацией полимерных молекул под действием приложенного внешнего поля. Добавка частиц наполнителя в полимерную матрицу может оказывать значительное влияние на напряжение пробоя. Особенно большие частицы могут локально увеличивать поля. Следовательно, приготовление смеси полимеров с частицами в субмикронном диапазоне имеет меньший негативный эффект на напряжение пробоя. Кроме того, структура поверхности раздела полимер-наполнитель может сильно влиять на напряжение пробоя.
Агломерация частиц является другим эффектом, который уменьшает напряжение пробоя. Однако, путем модификации поверхностей частиц, предотвращения агломерации и увеличения структуры поверхности раздела, негативный эффект уровней напряжения пробоя может быть уменьшен. Однако наполненные полимеры могут обеспечивать меньшую прочность на пробой по сравнению с ненаполненными полимерами, приводя к меньшей деформации активации.
В заключение, для диэлектрических электроактивных полимеров приготовление смеси с частицами, может быть достигнуто с использованием широкого диапазона промышленных способов приготовления смеси и формирования. Для поддержания эффекта на жесткость и, следовательно, уменьшения длины хода для ограниченного исполнительного механизма, предпочтительны меньшие концентрации, для заданной объемной концентрации также предпочтительны не слишком маленькие частицы для поддержания эффекта на ограниченную жесткость. Полимер с мягким основанием может быть выбран для компенсации для увеличения жесткости. Увеличенная диэлектрическая постоянная может обеспечивать активацию при уменьшенных напряжениях. Для поддержания прочности на пробой размер частиц и концентрация должны быть ограниченны, и измерения могут быть выполнены для увеличения поверхности раздела полимер-наполнитель, а также дисперсии частиц. Изменения локальной концентрации могут быть напечатаны.
Для электроактивных полимеров релаксорного типа приготовление смеси с частицами также возможно. Подобные тенденции относительно влияния концентрации и размера частиц на жесткость и прочность на пробой сравнимы с эффектами, описанными выше. Частицы могут быть добавлены после полимеризации. Растворенные полимеры могут быть сформированы с использованием различных способов, таких как отлив пленки и ротационное осаждение. Кроме того, возможны локальные изменения концентрации.
Могут использоваться различные частицы наполнителя.
Для поглощающих свет или рассеивающих свет частиц наполнителя задан размер, который является важным относительно длины волны света, такой как более 1/10 длины волны. Таким образом, частицы, обычно, имеют линейный размер от 20 нм до множества мкм. В основном, размер частиц не должен быть большим по сравнению с толщиной слоя электроактивного материала или подслоя, так как это может влиять на работу. Конечно, даже если небольшие частицы скапливаются, они будут все-еще поглощать или рассеивать свет.
Светопоглощающие частицы могут, например, иметь углерод, такой как графит или сажа, или темные керамические частицы, такие как карбиды.
2
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
Светорассеивающие частицы или частицы для регулировки показателя преломления выбирают со значительной разницей показателя преломления с матрицей. Примерами пригодных материалов являются один или более оксидов, выбранных из TiO, ZrO, YO, NiO, CrO, VO, ZnO, CuO, BiO и HfO или неоксидные керамические частицы, такие как CdS.
Эти частицы обеспечивают регулировку показателя преломления электроактивного материала. Делая размер частицы небольшим по сравнению с длиной волны обрабатываемого света, поглощение и рассеивание света уменьшены.
Что касается частиц для преобразования цветов, могут быть использованы люминофорные частицы, которые необходимы для взаимодействия со светом. Следовательно, диметр не должен быть намного короче длины волны света. Очень небольшие, но многие частицы имеют одно и то же преобразование цветов, как несколько большие частицы. Однако, многие небольшие частицы увеличивают жесткость в большей степени, таким образом, ограничивая активацию. В большинстве случаев электроактивные полимеры имеют многослойную структуру для уменьшения напряжения возбуждения, и подслои имеют толщину нескольких микрон. Сложенный многослойный материал имеет, например, толщину 100 мкм. Частицы будут значительно тоньше толщины слоя или подслоя. Частицы, например, имеют диаметр приблизительно 1 мкм и, обычно 30 нм-3 мкм.
Частицами для преобразования света могут быть люминофоры, керамика, полимеры, квантовые точки, и они могут быть органическими или неорганическими. Керамические частицы являются наиболее легкими для выполнения и будут очень устойчивыми в полимерной матрице.
Некоторыми примерами керамических люминофоров являются
YAG:Ce (желтый)
GdYAG:Ce (желтый)
CaAlSiN3:Eu (красный) Ca может быть заменено Sr или Ba
(Zn, Cd)S:Ag (желтый)
ZnS:Cu (зеленый)
Некоторыми примерами квантовых точек (в которых размер определяет длину волны эмиссии) являются
CdSe/GdS (стержень/оболочка)
InP/ZnS
CuInS/ZnS
Органические люминофоры и органометаллические люминофоры также могут быть использованы.
Можно видеть из примеров, приведенных выше, что изобретение может применяться для создания распределения интенсивности и/или диаграммы рассеивания и/или цветного растра, который изменяется после активации. Это обеспечивает условия освещения, подлежащие изменению более полным способом по сравнению с простой интенсивностью или управления направлением. Пример регулируемого автомобильного освещения был приведен выше. Существует много других применений, в которых условия функционального или эстетического освещения являются регулируемыми.
Другие изменения в раскрытых вариантах осуществления могут быть понятны и осуществлены специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения на основании изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, и использование единственного не исключает множества. Сам по себе тот факт, что конкретные меры перечислены во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает того, что сочетание этих мер не может быть использовано для получения преимущества. Любые ссылочные позиции не должны истолковываться как ограничивающие объем.