TW201444127A - 電活性聚合物驅動光圈 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種設備。該設備包括一剛性框架；一電活性聚合物薄膜，定義一光圈，在此該電活性聚合物薄膜具有一第一與第二側。一第一電極，放置在該電活性聚合物薄膜的第一側上，以及一第二電極，放置在該電活性聚合物的第二側上。該光圈經組態以在施加一電壓電位到第一與第二電極時變形。本發明也揭露一種製造一電活性裝置的方法。該方法包括放置一電活性聚合物薄膜於一剛性框架內以及形成一光圈於該電活性聚合物薄膜內。本發明揭露另一種設備。該設備包括一剛性框架、一第一光欄、附加到第一光欄的一第二光欄、以及定義在第一與第二光欄之一中央部分上的一光圈。

Description

電活性聚合物驅動光圈
在35 USC§ 119(e)之下，本申請案主張美國臨時申請案的權益：案號61/734,627，2012年12月7日提出申請，標題為〝EAP光圈〞，全部在此以引用的方式併入。
本發明一般針對電活性聚合物裝置，包含一可變形光圈與用於產生其的製造過程。更特別地，本發明針對電活性聚合物裝置，其包含當施加一電壓電位到被耦合到該電活性聚合物薄膜之電極時尺寸改變的一光圈以及用於生產它的製造過程。
今日所使用的許多不同裝置依靠一種或另一種驅動器，以將電能轉換成機械能。相反地，許多電力產生應用藉由將機械動作轉換成電能而運作。被使用以用此方式得到機械能，相同型態的裝置可被稱為產生器。同樣地，為了測量之目的，當該結構被使用來將物理刺激(譬如振動或壓力)轉換成一電訊號時，它具有一感應器的特徵。然而，該術語〝轉換器〞一般可被使用來意指在此所說明的任何電活性裝置。
就轉換器的製造而言，許多設計上的考量偏好高級介電彈性體材料的選擇與使用，其同樣被稱為〝電活性彈性體〞。這些考量包括位力、功率密度、功率轉換/消耗、尺寸、重量、成本、反應時間、工作循環、服務需求、環境衝擊等等。因此，在許多應用中，電活性聚合物技術提供一理想的替代給壓電、形狀記憶體合金與電磁裝置(譬如馬達與電磁圈)。
一電活性聚合物轉換器包含具有可變形特徵並且由一薄彈性介電材料所分開的兩電極。當將一電壓差施加到該等電極時，該等相反電荷的電極會彼此吸引，因而壓縮在它們之間的該聚合 物介電層。當該等電極被拉地更靠在一起，該介電聚合物薄膜會變得更薄(該Z-軸配件會收縮)，當它在該等平面方向中展開時(沿著X-與Y-軸)，亦即該薄膜的位移是面內的。該電活性聚合物薄膜也經組態以在垂直該薄膜結構的一方向中(沿著Z軸)產生移動，亦即，該薄膜的位移是面外的。美國專利案第7,567,681號揭露電活性聚合物薄膜構造，該等構造提供此面外位移一其也被稱為表面變形或稱為厚度模組偏斜。
該電活性聚合物薄膜的材料與物理特性可能會改變並且被控制，以定制該轉換器所遭受的變形。更特別地，譬如該聚合物薄膜與該電極材料之間的相對彈性、該聚合物薄膜與電極材料之間的相對厚度與/或該聚合物薄膜與/或電極材料的改變厚度、該聚合物薄膜與/或電極材料的物理圖案(以提供局部化的活性與非活性區域)、整體上置於該電活性聚合物薄膜上的拉伸或預應變、與被施加到該薄膜的電壓量或者在該薄膜上被感應的電容量的因子可被控制與改變，以定制當呈一活性模式時的該薄膜特徵。
受益於此等電活性聚合物薄膜所提供之該等優點的各種應用存在(不論單獨使用該薄膜或者將它使用於一電活性聚合物驅動器)。許多應用的其中一個包含使用電活性聚合物轉換器當作驅動器，以在使用者介面裝置中產生觸覺反饋(該資訊可通訊到一使用者，其經由被施加到該使用者體部的力)。
包含電活性聚合物材料的驅動器係經組態以當施加一電壓電位到被耦合到該電活性聚合物薄膜的電極時控制一光圈的相對尺寸。當該電活性聚合物材料沒有被一電壓電位賦能時，該光圈係由一第一維度所定義，且當該電活性聚合物材料被一電壓電位賦能時，該光圈係由一第二維度所定義。在一電活性聚合物驅動器之中心的光圈尺寸因此可被控制。然而，使用此方法，該光圈限制該電活性聚合物薄膜可施加的復原力數量，並且潛在地增加應力到該光圈周圍的材料，並且當它受到一電場(電壓)影響時，造成非均勻的薄膜幾何形狀。
電活性聚合物驅動光圈裝置包括，但不限於平面、光欄、厚度模組、滾筒與被動耦合裝置(混合物)以及在此所引用之該等共同指定專利與申請案中所說明的任何型態的電活性聚合物裝置。
在一項實施例中，一電活性裝置包含定義一光圈的一電活性聚合物薄膜。當一電壓電位被施加到耦合到該電活性聚合物薄膜的電極時，該光圈會遭受變形。在一項實施例中，該電活性聚合物薄膜會被事先拉伸。在一項實施例中，彈性體強化元件或環會被施加到該電活性聚合物薄膜有關該光圈的頂部與/或底部部分。
在一項實施例中，可提供一設備。該設備包含一剛性框架；一電活性聚合物薄膜，定義一光圈，該電活性聚合物薄膜具有一第一與第二側；一第一電極，放置在該電活性聚合物薄膜的第一側上；以及一第二電極，放置在該電活性聚合物的第二側上。該光圈可經組態以在施加一電壓電位到第一與第二電極時變形。
在另一項實施例中，可提供一種製造一電活性裝置的方法，該方法包含放置一電活性聚合物薄膜於一剛性框架內；以及形成一光圈於該電活性聚合物薄膜內。
在另一項實施例中，可提供一種設備。該設備包含一剛性框架；一第一光欄；一第二光欄，附加到第一光欄；以及一光圈，定義在第一與第二光欄的一中央部分上。
本發明的這些與其他特徵、目標與優點對那些熟諳該技藝者在研讀本發明之細節上(在以下有更完整的說明)將變得顯而易見。此外，在此所說明之過程與裝置的變化包括該等實施例或該等實施例之態樣的組合(在此可能在本發明的範圍內，既使那些組合不會被明確顯示或討論)。
10‧‧‧轉換器薄膜
12‧‧‧介電薄膜
12‧‧‧介電層
14、16‧‧‧電極
102‧‧‧事先拉伸電活性聚合物薄膜
104‧‧‧剛性框架
106a、106b‧‧‧電極
108a、108b‧‧‧事先拉伸環
110‧‧‧薄膜塊
112‧‧‧光圈
114‧‧‧中央部分
120‧‧‧事先拉伸電活性裝置
122‧‧‧圓形剛性框架
124‧‧‧電活性聚合物薄膜
126‧‧‧光圈
128‧‧‧事先拉伸環
130a、130b‧‧‧電極
140‧‧‧事先拉伸電活性裝置
142‧‧‧剛性框架
144‧‧‧電活性聚合物薄膜
146a、146b‧‧‧電極
148a‧‧‧光圈
148b‧‧‧光圈
149a、149b‧‧‧內環
150‧‧‧事先拉伸電活性裝置
152‧‧‧剛性框架
154‧‧‧電活性聚合物薄膜
156a‧‧‧頂部側電極
156b‧‧‧底部側電極
158a‧‧‧光圈
158b‧‧‧光圈
159a‧‧‧頂部側環
159b‧‧‧底部側環
160‧‧‧事先拉伸電活性裝置
164‧‧‧電活性聚合物薄膜
166a‧‧‧頂部側電極
166b‧‧‧底部側電極
168a‧‧‧光圈
168b‧‧‧光圈
169a‧‧‧頂部側環
169b‧‧‧底部側環
d1‧‧‧第一直徑
d2‧‧‧第二直徑
d1’‧‧‧內直徑
d2’‧‧‧內直徑
172‧‧‧截面模組
174a‧‧‧帶子
174b‧‧‧帶子
200‧‧‧電活性裝置
202‧‧‧事先拉伸光圈
204‧‧‧事先拉伸電活性聚合物薄膜
206‧‧‧剛性框架
208‧‧‧撓曲電路
210‧‧‧雙光欄電活性聚合物裝置
212‧‧‧各別定址電活性部分
214‧‧‧光圈
216‧‧‧剛性框架
218、220‧‧‧第一與第二光欄
222‧‧‧中央區域
當結合附圖來研讀時，本發明可從以下詳細說明來最佳理解。為了有助於理解，相同的參考數字可被使用(在實用之處)，以指定該等圖式所共用的相同元件。以下被包括在該等圖式中： 圖1A與1B顯示根據本發明一項實施例之施加一電壓到電極之前與之後之一電活性裝置的一頂部透視圖；圖2A-2D顯示根據本發明一項實施例之與一種製造電活性裝置之過程有關的各種步驟，其包含將一事先拉伸光圈形成在一事先拉伸電活性聚合物薄膜內，在此：圖2A顯示根據本發明一項實施例之將一事先拉伸電活性聚合物薄膜放置在一剛性框架內的一側邊剖面圖；圖2B顯示根據本發明一項實施例之將電極施加到圖2A所示之該事先拉伸電活性聚合物薄膜的兩側；圖2C顯示根據本發明一項實施例之將事先拉伸環施加到圖2B所示之該事先拉伸電活性聚合物薄膜的兩側；以及圖2D顯示根據本發明一項實施例之將一光圈定義在圖2C所示之該電活性聚合物薄膜的該事先拉伸環內；圖3顯示根據本發明一項實施例之一事先拉伸電活性裝置的頂部圖，其具有一圓形剛性框架與電活性聚合物薄膜，以定義一光圈於事先拉伸環內；圖4A-4B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位到電極之前與之後、具有一適當形狀剛性框架與電活性聚合物薄膜之一事先拉伸電活性裝置的頂部圖，其指示該等內環的收縮；圖5A-5B顯示根據本發明一項實施例之在施加電壓電位之前與之後、圖4A-4B所示之該事先拉伸電活性裝置的側面截面圖，其指示該等內環的收縮；圖6A-6B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位之前與之後、一事先拉伸電活性裝置的頂部圖影像，其指示該等內環的收縮；圖7A-7B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位500V之前與之後、一25%事先拉伸電活性裝置的頂部圖影像，其指示該等內環的收縮；圖8A-8B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位730V之前與之後、一25%事先拉伸電活性裝置的頂部圖影像， 其指示該等內環的收縮；圖9A-9B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位1000V之前與之後、一25%事先拉伸電活性裝置的頂部圖影像，其指示該等內環的收縮；圖10A-10B係為根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位到電極之前與之後、一電活性裝置的一截面模型的圖形顯示，其指示該等內環的收縮；圖11顯示根據本發明一項實施例之施加一電壓電位到電極之前與之後、半徑變化對施加到一事先拉伸電活性裝置之預應變的一圖形代表；圖12顯示根據本發明一項實施例之施加一電壓電位到電極之前與之後、半徑變化對施加到一事先拉伸電活性裝置之預應變與電壓的一圖形代表；圖13顯示根據本發明一項實施例之包含一事先拉伸光圈形成在被耦合到一剛性框架與電耦合到一撓曲電路之一事先拉伸電活性聚合物薄膜內的一電活性裝置；圖14顯示根據本發明一項實施例之一雙光欄的一透視截面圖，其包含各別定址電活性部分的一圖案與形成在其中央部分的一光圈；圖15顯示根據本發明一項實施例之在圖14所示之雙光欄的一頂部圖。
自該圖式所示者的本發明變化會被預期。
電活性聚合物裝置與它們應用的實例例如被說明在美國專利案案號7,394,282；7,378,783；7,368,862；7,362,032；7,320,457；7,259,503；7,233,097；7,224,106；7,211,937；7,199,501；7,166,953；7,064,472；7,062,055；7,052,594；7,049,732；7,034,432；6,940,221；6,911,764；6,891,317；6,882,086；6,876,135；6,812,624；6,809,462；6,806,621；6,781,284；6,768,246；6,707,236；6,664,718；6,628,040；6,586,859；6,583,533；6,545,384；6,543,110；6,376,971； 6,343,129；7,952,261；7,911,761；7,492,076；7,761,981；7,521,847；7,608,989；7,626,319；7,915,789；7,750.532；7,436,099；7,199,501；7,521,840；7,595,580；7,567,681；7,595,580；7,608,989；7,626,319；7,750,532；7,761,981；7,911,761；7,915,789；7,952,261；8,183,739；8,222,799；8,248,750以及在美國專利申請案公告號2007/0200457；2007/0230222；2011/0128239；以及2012/0126959，全部在此以引用的方式併入。
在各項實施例中，本發明提供一種電活性裝置，其包含定義一光圈的一電活性聚合物薄膜。當施加一電壓電位到被耦合到該電活性聚合物薄膜的電極時，該光圈會遭受變形。在一項實施例中，該電活性聚合物薄膜會被事先拉伸。在另一項實施例中，一部份的該電活性聚合物薄膜可被移除，以定義該光圈。在一項實施例中，彈性體強化元件或環可被施加到該電活性聚合物薄膜關於該光圈的頂部與/或底部部分。在一項實施例中，在將該薄膜事先拉伸之後，該等環可被施加到該電活性聚合物薄膜。在一項實施例中，在將該等環施加到該電活性聚合物薄膜之後，該光圈可被形成。
必須注意，在此所討論的該等圖式概略地顯示使用具有此等電活性聚合物薄膜之電活性聚合物薄膜或轉換器之裝置與過程的例示性組態。許多變化係在本發明的範圍內，例如，在該裝置的變異中，該電活性聚合物轉換器可被實施以控制具有變化幾何形狀的該光圈尺寸。
在任一應用中，由該電活性聚合物轉換器所產生的該位移係完全面內，其係被感應為橫向位移，或者面外(其係被感應為垂直位移)。或者，該電活性聚合物轉換器材料可被切片，以獨立地提供可定址/可移動片段，以便提供該外殼或電子媒體裝置的角位移或者其他型態位移的組合。此外，任何數目的電活性聚合物轉換器或者薄膜(如在此所列出之該申請案與專利所揭露者)可被合併於在此所說明的該等光圈裝置中。
該電活性聚合物轉換器可經組態，以在施加一電壓電位時位移，其有助於連同具有反饋裝置之一控制系統一起使用 之一光圈尺寸的程式化。就許多因素而言，電活性聚合物轉換器對許多此等應用是理想的。例如，由於他們的輕重量與最小配件，電活性聚合物轉換器提供非常低的輪廓，且因此，其係對使用於知覺/觸覺/光學反饋應用而言是理想的。
本發明的實施例可使用各種過程來製造。
用來控制一光圈尺寸之電活性聚合物轉換器或裝置的各項實施例可被詳細地說明於下。不過，在說明此等實施例之前，圖1A-1B顯示根據本發明一項實施例之施加一電壓電位到電極之前與之後之一電活性裝置的一頂部透視圖，其係並且提供用於產生此等架構之一般電活性聚合物結構與過程的一簡短說明。
於是，該說明現在回到圖1A與1B，其顯示一電活性聚合物薄膜或膜10結構的一實例。一薄的彈性介電薄膜或層12會被夾於順應式或可伸展電極板或層14與16之間，因而形成一電容結構或薄膜。該介電層的長度〝l〞與寬度〝w〞以及該組合結構的長度〝l〞與寬度〝w〞，會非常大於它的厚度〝t〞。較佳地，該介電層的厚度範圍從大約10微米至大約100微米，該結構的總厚度範圍從大約15微米至大約10公分。此外，選擇彈性係數、厚度與/或電極14、16的幾何形狀，以致於他們貢獻給致動器的額外勁度通常會小於介電層12的勁度，其具有相當低的彈性係數，亦即，小於大約100MPa且更較佳地小於大約10MPa，但是有可能比各電極厚。適合與這些適用電容結構一起使用的電極係為那些在沒有起因於機械疲勞之失效下能夠經得起大於1%之週次應變的電極。
如在圖1B中所見，當將一電壓施加通過該等電極時，在兩電極14、16中的不同電荷會彼此吸引，而且這些彈性吸力會壓縮介電薄膜12(沿著Z軸)。介電薄膜12因此被導致以隨著電場的變化而偏斜。由於電極14、16係為順應式，所以他們會隨著介電層12而改變形狀。在本發明的背景中，〝偏斜〞意指一部份介電薄膜12的任何位移、膨脹、壓縮、扭曲、線性或面積應變、或者任何其他變形。依據其中使用電容性結構10(共同稱為〝轉換器〞)的該架構，例如，一框架，此偏斜可被使用來產生機械功。各種不同的轉 換器架構係被揭露與說明於以上所識別的專利參考中。
以所施加的一電壓，轉換器薄膜10持續偏斜，直到機械力平衡驅動該偏斜的該靜電力為止。該機械力包括該介電層12的彈性恢復力、該電極14、16的順應式或伸展以及耦合到轉換器10之一裝置與/或負載所提供的任何外部阻力。起因於該施加電壓之該轉換器10的所得偏斜也可依據許多其他因子，譬如該彈性材料的介電常數與它的尺寸與勁度。該電壓差與該感應電荷的移除會導致逆效果。
在一些情形中，相對於該薄膜的總面積，電極14與16涵蓋一有限部分的介電薄膜12。這被進行以避免該介電邊緣周圍的電擊穿或者得到在其特定部分中的定制偏斜。介電材料係在一活性區域以外(後者係為具有致使那部分偏斜之充分靜電力的一部份介電材料)，其係可被導致以充當做在偏斜期間內之該活性區域上的一外部彈簧力。更特別地，在該活性區域外面的材料可抵抗或增強起藉由它的壓縮或膨脹的活性區域偏斜。
該介電薄膜12可被事先應變。該事先應變改善電與機械能之間的轉換，亦即，該事先應變允許該介電薄膜12更偏斜並且提供更大的機械功。一薄膜的事先應變，其係以在事先應變之後之在一方向中的維度相對於在事先應變之前之在那方向之該維度的變化來說明。該事先應變包括該介電薄膜的彈性變形，其係並且例如藉由拉伸在緊張狀態的該薄膜並且當拉伸時固定該等邊緣的其中一個或多個來形成。該事先應變可被加諸在該薄膜的該等邊界上或用於該薄膜的僅僅一部份，其係並且可藉由使用一剛性框架或者藉由使該薄膜的一部份變硬來實施。
圖1A與1B的轉換器結構與其他類似的順應式結構與它們構造的細節可被更完整地說明於在此所揭露的許多個參考專利與出版品。以下的說明現在回到電活性裝置的各種實施例，以用來改變在藉由一剛性框架而被局限於它的周長邊緣上之一事先拉伸電活性聚合物薄膜內所定義之一光圈的尺寸或使之變形。
於是，圖2A-2D顯示根據本發明一項實施例之與一 種製造電活性裝置之過程有關的各種步驟，其包含將一事先拉伸光圈形成在一事先拉伸的電活性聚合物薄膜內。在一項實施例中，該過程包括(1)將一印刷電活性聚合物薄膜堆疊在一襯墊上，以保護在一切割過程期間內之薄膜的事先應變；(2)用一雷射、晶粒或其他適當工具來切割在該堆疊薄膜之中央部分上的一光圈；以及(3)從該薄膜移除該襯墊。
圖2A顯示根據本發明一項實施例之放置在一剛性框架104內之一事先拉伸電活性聚合物薄膜102的一側邊剖面圖。如圖2B所示，根據本發明的一項實施例，電極106a、106b被施加到圖2A所示之該事先拉伸電活性聚合物薄膜102的兩側。在一項實施例中，在框架104內的事先拉伸之前，電極106a、106b可被施加到電活性聚合物薄膜102。當電壓電位施加到電極106a、106b時，電極106a、106b會彼此吸引並且壓縮該事先拉伸電活性聚合物薄膜102於其間。將理解的是，電活性聚合物薄膜102雖然以單層來顯示，其係實際上卻以複數層堆疊來實施。在此堆疊組態中，電極106a、106b可被放置在該堆疊層的相反外側上，以壓縮電活性聚合物薄膜的整個堆疊層。在其他堆疊薄膜組態中，電極106a、106b可被嵌入於任何兩層電活性聚合物薄膜之間。在其他堆疊薄膜組態中，電極106a、106b可被放置在該堆疊薄膜組態之該兩外層的外面上，同時一或多個其他電極可被嵌入於該等電活性聚合物薄膜層的任何兩層之間。其他堆疊組態則被預期在本發明的範圍內。
如圖2C所示，根據本發明的一項實施例，事先拉伸環108a、108b會被施加到圖2B所示之事先拉伸電活性聚合物薄膜102的兩側。在一項實施例中，事先拉伸彈性環108a、108b會被施加到電活性聚合物薄膜102的頂部與底部部分，並且定義一中央部分114於將被切開或者另外被移除以定義一光圈的該等環108a、108b內。當將一電壓電位施加到電極106a、106b時，事先拉伸彈性環108a、108b提供恢復力、減少應力並且減少非均勻的幾何形狀。在一項實施例中，在切開薄膜102中的中央部分114以定義一光圈之前，該彈性環108a、108b可被施加到該電活性聚合物薄膜。
圖2D顯示根據本發明一項實施例之一光圈112定義在圖2C所示之該電活性聚合物薄膜102的該事先拉伸環108a、108b內。雖然透明或半透明電活性聚合物薄膜的使用致能一些光控制光圈的應用，但是那些熟諳該技藝者將確認其他應用需要一開口於該薄膜中。於是，光圈112係藉由切開在該等環108a、108b之該中央部分114內的一薄膜塊110(以虛線顯示)來形成。在從該事先拉伸薄膜102切開該薄膜塊110以定義該光圈112之後，事先拉伸該等環108a、108b則保存或保留該電活性聚合物薄膜102的均勻拉伸特性。將理解地是，藉由事先拉伸該等環108a、108b與該薄膜102，〝環〞108a、108b與光圈112在形狀上不會被強迫為圓形。同樣地，因為〝環〞108a、108b使薄膜102上的力相等，所以在不具有造成該薄膜102撕裂之應力濃度之下，在薄膜102中進行不同形狀之光圈的切割則變得是可能的。於是，〝環〞108a、108b與光圈112則以任何適當的形狀來形成，包括，不限於圓形、橢圓形、長橢圓形、方形、矩形、三角形、六角形、或任何其他適當的多邊形，還有別的。在各種實施例中，方形、矩形、三角形、六角形或其他適當多邊形之任一個的裡面角落可變圓，以避免撕裂該薄膜，在此另外的尖銳角落將被定義。
當該電活性聚合物薄膜102在一圓形光圈112上被雙軸伸展時，該薄膜可被塗層在具有一電極106a、106b層的兩側上。這些層係呈多種形狀，不論是環狀、圓形或橢圓形。光圈112係在該薄膜102的中央被形成或切開，以改善徑向收縮。當一差分電壓電位被施加到該頂部與底部電極106a、106b時，該電活性聚合物薄膜12會變形並且朝著該光圈中央向內收縮，以減少光圈112的全部尺寸(例如，半徑或直徑)。當施加一電壓電位到該等電極106a、106b時，該薄膜102會垂直壓縮，以提供該必要的徑向力來固持該光圈112於一預定的直徑上。此組態允許該光圈112更快速且在一更薄的平面中收縮與延伸。
在一項實施例中，本發明保留該電活性聚合物薄膜120的均勻張力，猶如沒有任何光圈112形成在該薄膜102中，同時 產生一清楚的光學路徑通過該不見或被移除的薄膜區域(亦即，光圈112)。此均勻張力消除或減輕在該光圈112之邊緣上的高環應力，該等應力會導致該薄膜102在致動力之下起皺紋，並且致使該光圈112的希望尺寸在操作之前與期間內被更準確地維持。由於光圈112，本技術提供清楚的光學路徑通過該致動器的中央，其係並且避免或最小化在該光圈112之邊緣周圍的應力，該應力會在當一電壓電位被施加到該薄膜102上之該等電極106a、106b時的致動期間內、造成該薄膜102起皺紋或者另外以一令人不希望的方式變形。
包含一可致動光圈的電活性裝置可被使用於各種應用中，以產生一電活性聚合物光圈112於薄裝置(譬如照相機透鏡、光學光圈系統、流體流動控制、或任何其它的應用)，在此，控制一光圈以調節或改變通過該光圈112之光線、流體(譬如空氣、液體或甚至固態材料)的數量將是令人希望的。目前在行動電話與平板電腦中所提供的照相機系統，例如，要求該等裝置為一特定深度，而且使用較薄的部分可導致總厚度減少。在一項實施例中，該光圈可被使用來決定來到該影像平面中之一焦點之一束光線的一圓錐角。該開口的尺寸係以被施加到該電活性薄膜電極的電壓來控制。在一項實施例中，該光圈係使用以光學裝置來控制該光線輸入到一成像晶片(或薄膜)上。其他應用則被預期是在本發明的範圍內。
圖3顯示根據本發明一項實施例之一事先拉伸電活性裝置120的頂部圖，其包含一圓形剛性框架122。根據本發明一項實施例，一電活性聚合物薄膜124定義一光圈126於事先拉伸環128內。放置在該薄膜124以上與以下的電極130a、130b係經組態以接收一電壓電位。當由該電壓電位致動時，該等電極130a、130b壓縮該薄膜124，以在相對於沒有施加該電壓電位到該等電極130a、130b之光圈126半徑之尺寸，導致光圈126的徑向壓縮。
圖4A-4B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位到電極之前與之後之一事先拉伸電活性裝置140的頂部圖，其指示該等內環149a、149b的收縮(圖5A-5B)。該電活性裝置140包含一適當形狀的剛性框架142，以捕捉具有電極146a、146b(圖 5A-5B)設置在該薄膜144之各側上的一電活性聚合物薄膜144。圖4A顯示在施加一電壓電位到該等電極146a、146b之前之呈一非活性狀態的該事先拉伸電活性裝置140，其係並且定義一具有一第一直徑d1的一光圈148a於該事先拉伸環內。圖4B顯示在施加一電壓到該等電極146a、146b之後之呈一活性狀態之圖4A所示的事先拉伸電活性裝置140，其係並且定義一具有一第二直徑d2的一光圈148b於該事先拉伸環149a、149b內，在此d1>d2。
圖5A-5B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位到電極146a、146b之前與之後、圖4A-4B所示之該事先拉伸電活性裝置140的側面截面圖，其指示該等內環149a、149b的收縮。電活性裝置140包含一適當形狀的剛性框架142，以捕捉具有電極146a、146b設置在該薄膜144之兩側上的一電活性聚合物薄膜144。圖5A顯示在施加一電壓到該等電極146a、146b之前之呈一非活性狀態的該事先拉伸電活性裝置140，其係並且定義具有一第一直徑d1的一光圈148a於該等事先拉伸環149a、149b內。圖5A顯示在施加一電壓到該等電極146a、146b之後之呈活性狀態之圖5B所示的電活性裝置140，並且定義一具有第二直徑d2的一光圈148b於該等事先拉伸環內，在此d1>d2。
如先前所討論地，兩電極146a、146b具有可變形的特徵，並且由薄電活性聚合物薄膜144所隔開。當將一電壓電位差施加到電極146a、146b時，相反電荷的電極146a、146b彼此吸引，因而壓縮電活性聚合物薄膜144層於其間，例如，如圖5B所示。當電極146a、146b被拉地更靠在一起時，介電聚合物薄膜144會變得更薄(Z軸元件會收縮)，當它在平面方向中延伸時(沿著X-與Y-軸)，亦即，薄膜144的位移是面內的。
電活性聚合物薄膜144的材料與物理特性會變化並且被控制，以定制該電活性140所受到的變形。更特別地，譬如聚合物薄膜144與電極146a、146b材料之間的相對彈性、聚合物薄膜144與電極146a、146b材料之間的相對厚度與/或聚合物薄膜144與/或電極146a、146b材料的改變厚度、聚合物薄膜144與/或電極146a、146b 材料的物理圖案(以提供局部化的活性與非活性區域)、整體上置於該電活性聚合物薄膜144上的拉伸或預應變、與被施加到的電壓電位量或者在薄膜144上被感應的電容量之因子可被控制與改變，以定制當呈活性模式時的薄膜144之特徵。
圖6A-6B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位到電極之前與之後之一事先拉伸電活性裝置150的頂部圖影像，其指示該等內環的收縮。因為只有該事先拉伸電活性裝置150的頂部圖影像被顯示，所以圖6A-6B僅僅顯示該頂部側電極156a與該頂部側環159a。然而，根據圖2D、5A、5B的說明，將理解地是，該事先拉伸電活性裝置150包含一底部側電極156b(沒顯示)與一底部側環159b(沒顯示)。該電活性裝置150包含一適當形狀的剛性框架152，以捕捉一具有電極156a、156b(底部側電極156b，沒顯示)設置在該薄膜154之兩側上的一電活性聚合物薄膜154。圖6A顯示在施加一電壓電位到該等電極156a、156b之前之呈一非活性狀態的事先拉伸電活性裝置150，並且定義一具有第一直徑d1的光圈158a於該等事先拉伸環159A、159b內(底部側環159b，沒顯示)。圖6B顯示在施加一電壓電位到該等電極156a、156b之後之呈一活性狀態之圖6A所示的該事先拉伸電活性裝置150的一頂部圖影像，其係並且定義具有第二直徑d2的一光圈158b於該事先拉伸環159a、159b內，在此d1>d2。
仍參考圖6A-6B，在一項實例中，在缺乏施加電壓電位到該等電極156a、156b之下，該光圈158a的直徑d1大概是4669μm，且在施加一電壓電位到該等電極156a、156b時，該光圈158b的直徑d2大概是4150μm，以用於大約519μm之光圈尺寸的變化。
圖7A-7B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位500V到電極之前與之後、一25%事先拉伸電活性裝置160的一頂部圖影像，其指示該等內環的收縮。由於只有該事先拉伸電活性裝置160的頂部圖影像被顯示，所以圖7A-7B僅僅顯示該頂部側電極166a與該頂部側環169a。電活性裝置160包含一剛性框架，以捕捉具有電極166a、166b(底部側電極166b沒被顯示)被設置在該薄 膜164之兩側上的一電活性聚合物薄膜164。圖7A顯示在施加一電壓電位到該等電極166a、166b之前之呈一非活性狀態的一25%事先拉伸電活性裝置160的一頂部圖影像，並且定義一具有一第一直徑d1的光圈168a於該事先拉伸環內(底部側環169b，沒顯示)。圖7B顯示在施加一電壓電位500V到電極166a、166b之後之呈一活性狀態之圖7A所示的該25%事先拉伸電活性裝置的一頂部圖影像，並且定義一具有第二直徑d2的光圈168b於該等事先拉伸環169a、169b內，在此d1>d2。更者，當施加一電壓電位500V到該等電極166a、166b時，該等環169a、169b的內直徑也受到從d1’至d2’的一變形。
仍參考圖7A-7B，在一種實例中，在缺乏一施加電壓電位到該等電極166a、166b之下，該光圈168a的直徑d1大概是5361μm，且在施加一電壓電位500V到該等電極166a、166b時，該光圈168b的直徑d2大概是4865μm，以用於大約-496μm之光圈尺寸的變化。同樣地，在缺乏一施加電壓電位到該等電極166a、166b之下，環169a、169b的內直徑d1’大概是5879μm，且在施加一電壓電位500V到電極166a、166b時，該等環169a、169b的內直徑d2’大概是5383μm，以用於大約-496μm之光圈尺寸的變化。
圖8A-8B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位730V到電極之前與之後、一25%事先拉伸電活性裝置160的一頂部圖影像，其指示該等內環的收縮。由於只有該事先拉伸電活性裝置160的頂部圖影像被顯示，所以圖8A-8B僅僅顯示該頂部側電極166a與該頂部側環169a。該電活性裝置160包含一剛性框架，以捕捉具有電極166a、166b(底部側電極166b沒被顯示)被設置在該薄膜164之兩側上的一電活性聚合物薄膜164。圖8A顯示在施加一電壓電位730V到電極166a、166b之前之呈非活性狀態的一25%事先拉伸電活性裝置160的一頂部圖影像，其係並且定義一具有第一直徑d1的一光圈168a於該事先拉伸環內(底部側電極169b，沒顯示)。圖8B顯示在施加一電壓電位730V到電極166a、166b之後之呈活性狀態之圖8A所示的該25%事先拉伸電活性裝置的一頂部圖影像，其係並且定義一具有第二直徑d2的光圈168b於該等事先拉伸環169a、169b內。
仍參考圖8A-8B，在一種實例中，在缺乏一施加電壓電位到該等電極166a、166b之下，該光圈168a的直徑d1大概是5334μm，且在施加一電壓電位730V到該等電極166a、166b時，該光圈168b的直徑d2大概是4511μm，以用於大約-823μm之光圈尺寸的變化。同樣地，在缺乏一施加電壓電位到該等電極166a、166b之下，該等環169a、169b的內直徑d1’大概是5835μm，且在施加一電壓電位730V到該等電極166a、166b時，該等環169a、169b的內直徑d2’大概是5012μm，以用於大約-823μm之光圈尺寸的一變化。
圖9A-9B顯示根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位1000V到電極之前與之後之一25%事先拉伸電活性裝置160的頂部圖影像，其指示該等內環的收縮。由於只有該事先拉伸電活性裝置160的頂部圖影像被顯示，所以圖9A-9B僅僅顯示該頂部側電極166a與該頂部側環169a。該電活性裝置160包含一剛性框架，以捕捉具有電極166a、166b(底部側電極166b沒被顯示)被設置在該薄膜164兩側上的一電活性聚合物薄膜164。圖9A顯示在施加一電壓電位到電極166a、166b之前之呈非活性狀態的一25%事先拉伸電活性裝置160的頂部圖影像，其係並且定義具有第一直徑d1的一光圈168a於該事先拉伸環內(底部側環169b，沒顯示)。圖9B顯示在施加一電壓電位1000V到該等電極之後之呈活性狀態之圖9A所示的25%事先拉伸電活性裝置的頂部圖影像，其係並且定義一具有第二直徑d2的光圈168b於該事先拉伸環169a、169b內。
仍參考圖9A-9B，在一種實例中，在缺乏一施加電壓電位到電極166a、166b之下，該光圈168a的直徑d1大概是5911μm，且在施加一電壓電位1000V到電極166a、166b時，該光圈168b的直徑d2大概是4424μm，以用於大約-1469μm之光圈尺寸的變化。
圖10A-10B係為根據本發明一項實施例之在施加一電壓電位到電極之前與之後之一電活性裝置的截面模型172的圖形顯示170a、170b，其指示該內環的收縮。該水平與垂直軸代表變形位移(m)而且各種陰影代表表面應變能量密度(Pa)。圖10A係為在一電壓電位被施加到該電活性裝置之電極之前之截面模組172 的一圖形顯示170a。圖10B係為在一電壓電位被施加到該電活性裝置之後之截面模組172的一圖形顯示170b。注意，帶子174b相對於圖10A之帶子174a的向左移動，指示出根據本發明實施例之該內環的收縮，以及因此該光圈的變形。
圖11顯示根據本發明一項實施例之施加一電壓電位到電極之前與之後之半徑變化對施加到一事先拉伸電活性裝置之預應變的一圖形代表180。當將一電壓電位500V施加到該電活性聚合物薄膜時，水平軸代表被施加到該電活性聚合物薄膜的預應變百分比(%)且垂直軸代表一光圈的對應半徑變化(m)。在25%預應變上，在左邊的條182代表具有500V電壓電位被施加到電極之一模型電活性裝置的半徑變化，且在右邊的條184代表具有500V電壓電位被施加到電極之真實電活性裝置的半徑變化。在30%預應變上，在左邊的條186代表具有500V電壓電位被施加到電極之一模型電活性裝置的該半徑變化，且在右邊的條188代表具有500V電壓電位被施加到電極之一真實電活性裝置的該半徑變化。由圖形代表180所示，光圈半徑變形的尺寸隨著被施加到電活性聚合物薄膜之預應變百分比的增加而增加。
圖12顯示根據本發明一項實施例之施加一電壓電位到電極之前與之後之半徑變化對施加到該事先拉伸電活性聚合物薄膜之預應變百分比與電壓電位的圖形代表190。當將一電壓電位施加到該電活性聚合物薄膜時，水平軸代表被施加到該電活性聚合物薄膜的預應變百分比(%)與電壓(V)，且垂直軸代表該對應的半徑變化(m)。標為192的條代表被測試的一真實電活性聚合物裝置，且標為194的條代表一模型電活性聚合物裝置。由圖形代表190所示，該光圈半徑變形的尺寸隨著被施加到電活性聚合物薄膜之預應變百分比的增加而增加，如在圖11的圖形代表180所顯示。如圖12所示，就被施加到電活性聚合物薄膜的已知百分比預應變而言，該光圈半徑的變形尺寸會隨著被施加到電活性聚合物薄膜之電壓電位的增加而增加。
圖13顯示根據本發明一項實施例之包含一事先拉 伸光圈202形成在被耦合到剛性框架206與電耦合到撓曲電路208之一事先拉伸電活性聚合物薄膜204內的一電活性裝置200。該撓曲電路208將該等電極電耦合到電壓電位的一來源，以在施加一電壓電位到該等電極時，促動該電活性裝置200並且使該光圈202變形。
圖14顯示根據本發明一項實施例之一雙光欄電活性聚合物裝置210的透視截面圖，其包含各別定址電活性部分212與形成在其中央部分之光圈214的圖案。雙光欄210包含一剛性框架216以及附接到該剛性框架216的第一與第二光欄218、220。第一與第二光欄218、220會被連接在一中央區域222，以致於光欄218、220的各個能夠定義一錐台。該光圈214係被設置在該中央區域222中。黑色實線區域包含如圖15所示之電活性聚合物之各別可定址電活性部分212的一圖案。一電壓電位之施加到電活性聚合物的該各別可定址電活性部分212會造成該光圈214變形。透鏡也可被安裝到該雙光欄210的該結構性材料，該雙光欄接著可隨著該錐台的高度來調整或者相關於該外框架216的平面來傾斜，以致使焦距長度、傾角與全景功能的改變。當透鏡/光圈以適當頻率移動時，可得到影像穩定度。在一項實施例中，該切段的電活性部分212獨立地提供可定址/可移動部分，以便提供該外殼或電子媒體裝置的角度位移或者其他型態位移的組合。
圖15顯示根據本發明一項實施例之在圖14所示之雙光欄210的一頂部圖。在圖14所示的各別可定址電活性部分212定義電活性聚合物之各別可定址活性區域212的一圖案。該等各別可定址電活性部分212各包含第一與第二電極，以回應到該等電極的一施加電壓電位而來促動該各別可定址的電活性部分212。
至於本發明的其他細節、材料與交替的相關組態可在那些熟諳該相關技術者的程度內被使用。相關於依據通常或邏輯上被使用之額外行動之本發明之以過程為基礎的態樣，也是如此。此外，雖然本發明已經參考許多實例隨意地合併各種特徵來說明，但是本發明並不限於被說明或者被指示為相關於本發明的各變化來考量者。可對被說明的本發明進行各種變化，而且等同物(不 論在此被詳述或者為了某種簡短性而不被包括)可在不背離本發明的真正精神與範圍下被取代。所顯示之任何數目的各別部份或次組件可被整合在它們的設計中。此等改變或其他可藉由設計用來組裝的原理來從事或引導。
同樣地，預期所說明之本發明變化的任何隨意特徵可被獨立地或者結合在此所說明之該等特徵的任一個或多個來陳述與申請。對單數項目的參考，包括有複數個相同項目存在的可能性。更具體地，如在此所使用地且在附加申請專利範圍中，單數形式〝一(a)〞、〝一(an)〞、〝所述(said)〞與〝該(the)〞包括複數個參考對象，除非有另外特別陳述。換言之，文章的使用允許在以上說明以及在以下申請專利範圍中的〝至少一個〞主要項目。進一步注意，該等申請專利範圍係被設計來排除任何隨意的元件。因此，此陳述意圖充當做使用此獨佔性用詞(如〝單獨〞、〝只有〞與類似物)結合申請元件之敘述或〝負〞限制之使用的先前基礎。在沒有使用此獨佔性用詞之下，在該等申請專利範圍中之用詞〝包含〞將允許任何額外元件的納入一不論已知數目的元件是否被列舉在該申請專利範圍中，或者一特徵的加入可被視為轉換在該等申請專利範圍中所陳述的元件特性。除非在此被特別定義，另外陳述在此所使用的全部機械與科學項目，其係儘可能廣地給予一共同理解意義，同時維持申請專利範圍的正確性。
在此所說明之主題的各種態樣係在以下編號的子句中開始：
1.一種設備，包含：一剛性框架；一電活性聚合物薄膜，定義一光圈，該電活性聚合物薄膜具有一第一與第二側；一第一電極，放置在該電活性聚合物薄膜的第一側上；以及一第二電極，放置在該電活性聚合物的第二側上；其中該光圈可經組態以在施加電壓電位到第一與第二電極時變形。
2.如子句1之設備，其中該電活性聚合物薄膜包含電活性聚合物薄膜的堆疊層。
3.如子句1之設備，其中該電活性聚合物薄膜被事 先拉伸。
4.如子句1之設備，其中該電活性聚合物薄膜的一部份已經被移除。
5.如子句1之設備，進一步包含放置在該電活性聚合物薄膜之第一側上的至少一第一強化元件。
6.如子句5之設備，其中該強化元件係由彈性材料所形成。
7.如子句5之設備，其中該強化元件係被事先拉伸。
8.如子句5之設備，其中該強化元件係經組態以在施加電壓電位到第一與第二電極時變形。
9.一種製造電活性裝置的方法，該方法包含：放置一電活性聚合物薄膜於一剛性框架內；施加第一電極於該電活性聚合物薄膜的第一側上；施加第二電極於該電活性聚合物薄膜的第二側上；以及形成一光圈於該電活性聚合物薄膜內。
10.如子句9之方法，進一步包含在形成該光圈之前，事先拉伸該電活性聚合物薄膜。
11.如子句9之方法，進一步包含堆疊兩或多層電活性聚合物薄膜。
12.如子句9之方法，進一步包含施加至少一第一強化元件於該電活性聚合物薄膜的第一側上。
13.如子句12之方法，其中該光圈形成在該強化元件的中央部分內。
14.如子句12之方法，進一步包含在施加該事先拉伸強化元件於該電活性聚合物的第一側上之前，事先拉伸該強化元件。
15.一種設備，包含：一剛性框架；一第一光欄；一第二光欄，附加到第一光欄；以及一光圈，定義在第一與第二光欄的一中央部分上。
16.如子句15之設備，其中第一與第二光欄，各個 均包含可各別定址的電活性部分。
120‧‧‧事先拉伸電活性裝置
122‧‧‧圓形剛性框架
124‧‧‧電活性聚合物薄膜
126‧‧‧光圈
128‧‧‧事先拉伸環
130a‧‧‧電極
130b‧‧‧電極

Claims (16)

  1. 一種設備，其包含：一剛性框架；一電活性聚合物薄膜定義一光圈，該電活性聚合物薄膜具有一第一與第二側；一第一電極，放置在該電活性聚合物薄膜的該第一側上；以及一第二電極，放置在該電活性聚合物的該第二側上；其中該光圈可經組態以在施加一電壓電位到該第一與第二電極時變形。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該電活性聚合物薄膜包含電活性聚合物薄膜堆疊層。
  3. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該電活性聚合物薄膜被預先拉伸。
  4. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該電活性聚合物薄膜的一部份已經被移除。
  5. 如申請專利範圍第1項之設備，進一步包含放置在該電活性聚合物薄膜之該第一側上的至少一第一強化元件。
  6. 如申請專利範圍第5項之設備，其中該強化元件係由一彈性材料所形成。
  7. 如申請專利範圍第5項之設備，其中該強化元件係被事先拉伸。
  8. 如申請專利範圍第5項之設備，其中該強化元件係經組態以在施加該電壓電位到該第一與第二電極時變形。
  9. 一種製造一電活性裝置的方法，該方法包含：放置一電活性聚合物薄膜於一剛性框架內；施加一第一電極於該電活性聚合物薄膜的一第一側上；施加一第二電極於該電活性聚合物薄膜的一第二側上；以及形成一光圈於該電活性聚合物薄膜內。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，進一步包含在形成該光圈之前，預先拉伸該電活性聚合物薄膜。
  11. 如申請專利範圍第9項之方法，進一步包含堆疊兩或多層的該電活性聚合物薄膜。
  12. 如申請專利範圍第9項之方法，進一步包含施加至少一第一強化元件於該電活性聚合物薄膜的一第一側上。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該光圈形成在該強化元件的一中央部分內。
  14. 如申請專利範圍第12項之方法，進一步包含在施加該事先拉伸強化元件於該電活性聚合物的該第一側上之前，預先拉伸該強化元件。
  15. 一種設備，其包含：一剛性框架；一第一光欄；一第二光欄，附加到該第一光欄；以及一光圈，定義在第一與第二光欄的一中央部分上。
  16. 如申請專利範圍第15項之設備，其中第一與第二光欄，各個均包含可各別定址的電活性部分。
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