基于电活性聚合物的致动器和传感器设备制造技术

提供了一种组合的致动器和传感器设备，其具有电活性聚合物(EAP)结构(22)以及用于生成施加到所述EAP结构的驱动信号的控制器。所述控制器适于将小的高频率AC感测信号叠加到较大的致动驱动信号(32)上，所述感测信号具有的频率与所述EAP结构的机械共振频率或反共振频率共振。施加机械负载至所述设备可以识别为由机械共振的阻尼所引起的EAP结构的阻抗的改变。以这种方式，所述设备利于同时的感测和致动。也提供了同时感测和致动的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于电活性聚合物的致动器和传感器设备
本专利技术涉及利用用于致动和感测的电活性材料的致动器/传感器设备。
技术介绍
电活性材料(EAM)是电响应材料领域内的一类材料。当在致动设备中实施时，使EAM经受电驱动信号能够使得其改变尺寸和/或形状。该效应能够被用于致动和感测目的。存在无机EAM和有机EAM。一种特殊类型的有机EAM是电活性聚合物(EAP)。电活性聚合物(EAP)是一种新兴种类的电响应材料。EAP(如EAM)能够用作传感器或致动器，但是能够更容易被制造成各种形状，这允许容易集成到各种各样的系统中。EAP的其他优点包括：低功率、小形状因子(formfactor)、柔性、无声操作以及准确、高分辨率的可能性、快速响应时间以及循环致动。EAP设备能够被用在基于电致动而期望部件或特征的小量的移动的任何应用中。类似地，所述技术能够被用于感测小的移动。EAP的使用实现了之前不可能的功能，或者相比于常见致动器，由于相对大的变形以及在小体积中的力或者薄的形状因子而提供了优于常见传感器/致动器方案的大的优点。EAP也给出了无声操作、准确的电子控制、快速响应以及大的范围的可能的致动频率，诸如0–20kHz。作为EAM设备能够如何构建以及能够如何操作的范例，图1和图2示出了针对EAP设备的两种可能的操作模式，所述EAP设备包括电活性聚合物层14，电活性聚合物层14被夹置在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间。图1示出了未被夹持到载体层的设备。电压被用于引起所述电活性聚合物层如所示的沿着所有方向扩展。图2示出了被设计成使得仅在一个方向上出现扩展的设备。对此，图1的结构被夹持或附接至载体层16。电压被用于引起电活性聚合物层弯曲或弓弯。该移动的性质起因于当被致动时扩展的活性层与不扩展的被动载体层之间的相互作用。针对特定种类的EAP，向所述设备施加小的力(机械负载)作为响应而生成电信号。这允许单个EAP结构被用于致动和感测两者。然而，现有技术的基于EAP的致动器/传感器通常提供彼此分离的感测功能和致动功能：或者是物理上分离——其中，所述设备的不同的区域或部分被用于感测或者用于致动，例如利用向其中的每个分离地提供的电连接；或者是时间上分离——其中，单个设备在感测功能与致动功能之间顺次地交替。例如，US2014/0139329公开了一种EAP系统，其包括：感测电路、致动电路以及切换电路。所述感测电路适于检测在EAP变形时来自所述EAP的信号。随后是，切换电路然后激活致动电路，使得致动电路能够基于感测输入来生成致动。因此，感测和致动在时间上彼此分离：感测和致动顺次地发生，一个跟随另一个。需要一种设备和操作方法，其中，感测功能被优化以提供高传感器灵敏度，能够在对所施加的负载的测量中实现显著改善的准确度和/或精确度。
技术实现思路
本专利技术的目标是至少部分地满足前述需要。该目标是利用如在独立权利要求所限定的本专利技术来实现的。从属权利要求提供有利的实施例。根据本专利技术，提供了一种设备，其能够同时地致动和感测。致动器能够是换能器。所述设备能够是致动器和/或传感器或者换能器设备。根据本专利技术，也提供了一种使用致动器同时感测和致动的方法。在下文中，针对所述设备而描述的特征能够转换成所述方法的特征或步骤，并且反之亦然，除非以其他方式指示。所转换的特征至少具有与针对原始特征所描述的相同的优点。在本专利技术中，第一控制信号用于对所述设备的致动，而电气第二控制信号用于由所述设备来感测。因此，使用有效地包括致动信号和感测信号的控制信号来控制所述设备。由于电活性材料，所述致动器响应于电场或者由这样的场所生成的力。因此，至少所述感测信号是电信号，使得能够根据该电感测信号来确定致动器的机械共振。所述第一控制信号能够是任何类型的控制信号，只要其适合于引起致动。因此，所述第一控制信号能够是光学控制信号。在所述第一控制信号是光学控制信号的情况下，所述电活性材料也必须以变形来对光学信号的施加做出响应。本领域技术人员将知道在本领域中在哪里找到这样的材料。在这样的情况下，所述设备的布置能够包括用于将光学信号引导至材料的第一部分的单元。这样的单元能够包括反光镜、透镜光纤等。方便的是，也使用被用于感测的致动器的电活性性质来对所述致动器进行致动。在后者的情况下，所述致动信号需要是电气致动信号，并且所述设备和/或电活性结构能够包括用于施加这样的致动控制信号的一个或多个电极布置。所述致动信号和所述感测信号当这两者都是电气时能够被分离地提供到一个或多个电极布置，而且也能够被叠加以形成组合的控制信号，之后将所述组合的控制信号提供到一个或多个电极布置。优选地，仅存在同一个电极布置用于提供致动信号和感测信号。本专利技术的设备和方法利用了以下效应。当以与EAM结构的机械共振频率或者其谐波之一相匹配的频率施加所述感测信号时，在所述结构中建立机械驻波，这继而影响所述结构的电特性。具体地，由于机械振动与所述感测信号同相，针对匹配所述共振频率的感测信号(并且因此针对控制信号的该部分)，所述结构的阻抗是较低的。相反，由于机械振动与所述感测信号异相，针对匹配材料的反共振频率的感测信号，所述材料的阻抗是较高的。看起来，在这样的频率下，感测是极其有效的，同时其不干扰更长期的同时致动。被施加到所述电活性结构的任何机械负载(诸如，例如压力)可以引起所述结构中的阻尼，这引起其共振频率(以及反共振频率)偏离其平常的无阻尼值，从而诱发高频率感测信号与机械振动的基准频率之间的不一致(或者反共振等效，在反共振匹配的情况下)。由共振频率偏移的改变所引起的共振电活性材料结构的特性的所有改变能够有利地被用于以增加的灵敏度来检测机械负载。因此，能够检测和/或确定共振频率的偏离。能够完成对阻抗的检测和/或确定，具有如在本文中下文将阐述的优点。上文内容适用于基于EAM进行致动和感测两者的所有设备。因此，本专利技术也能够被用在如在US2014/0139329中所描述的设备中。也能够使用一设备来使用本专利技术，其中，电活性材料结构包括用于致动的第一部分和用于感测的第二部分，其中，第二部分不同于第一部分，并且其中，所述控制信号被施加到所述电活性材料结构，使得所述致动信号被施加到所述第一部分，并且所述感测信号被施加到所述第二部分。在本专利技术中，将所述致动信号与所述感测信号相组合能够包括及时地至少部分地叠加所述致动信号与所述感测信号或者由及时地至少部分地叠加所述致动信号与所述感测信号组成。以这种方式生成的控制系统能够向所述设备提供同时的致动能力(由于致动信号部分)和感测能力(由于感测信号部分)。这给予设备在激活期间进行感测的能力。如在本文中之前所描述的，US2014/0139329仅描述了顺次的感测和致动，这意味着致动需要在感测能够开始之前被停止。尤其结合先前段落的特征，所述控制信号优选被提供到活性材料结构的相同部分，而替代这样的情况：其中，所述控制信号被施加到电活性材料结构以使得所述致动信号被施加到第一部分并且所述感测信号被施加到第二部分，并且第二部分不同于第一部分。尽管后者提供了与前者一样的同时的致动和感测，但是这处在空间上不同的位置处(空间上不同的活性电活性材料结构区域)，而对于前者，这能够处在相同的位置处(EAM结构的单个活性区域)。由于前者本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于同时进行致动和感测的设备，包括：‑致动器(22)，其包括：‑致动器材料，其能够在向其施加控制信号时变形，所述致动器具有机械共振频率以及对应的机械反共振频率；‑用于向所述致动器材料的至少第一部分施加用于在致动中使用的第一控制信号的布置；‑电极布置，其用于向所述致动器材料的至少第二部分施加用于在感测中使用的电气第二控制信号，‑控制器(30)，其被配置用于：‑将所述第一控制信号提供到所述布置；‑将所述电气第二控制信号提供到所述电极布置，其中，所述控制器还被配置用于：‑提供所述第一控制信号和所述电气第二控制信号，使得所述第一控制信号和所述电气第二控制信号能够被同时施加到所述致动器材料的相应部分；并且‑将所述电气第二控制信号提供为交变信号，所述交变信号具有与所述机械共振频率或所述机械反共振频率相协调的感测频率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.31 EP 15183152.61.一种用于同时进行致动和感测的设备，包括：-致动器(22)，其包括：-致动器材料，其能够在向其施加控制信号时变形，所述致动器具有机械共振频率以及对应的机械反共振频率；-用于向所述致动器材料的至少第一部分施加用于在致动中使用的第一控制信号的布置；-电极布置，其用于向所述致动器材料的至少第二部分施加用于在感测中使用的电气第二控制信号，-控制器(30)，其被配置用于：-将所述第一控制信号提供到所述布置；-将所述电气第二控制信号提供到所述电极布置，其中，所述控制器还被配置用于：-提供所述第一控制信号和所述电气第二控制信号，使得所述第一控制信号和所述电气第二控制信号能够被同时施加到所述致动器材料的相应部分；并且-将所述电气第二控制信号提供为交变信号，所述交变信号具有与所述机械共振频率或所述机械反共振频率相协调的感测频率。2.根据权利要求1所述的设备，其中：-所述布置是第一电极布置；-所述电极布置是第二电极布置；并且所述控制器还被配置用于将所述第一控制信号作为电气第一第二控制信号而提供到所述第一电极布置。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一电极布置和所述第二电极布置被配置为使得所述致动器材料的所述至少第一部分和所述致动器材料的所述至少第二部分完全地或部分地交叠。4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述第一电极布置与所述第二电极布置是相同的。5.根据权利要求3或4所述的设备，其中，所述控制器被配置用于通过叠加电气第一控制信号与所述电气第二控制信号来生成组合的电气控制信号，并且所述控制器包括用于将所述组合的电气控制信号提供到一个或多个电极布置的电气输出终端。6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，还包括与所述第一电极布置电气通信的感测元件(52)，其中，所述感测元件被配置用于：-针对一个或多个时间时刻中的每一个，测量所述电气第一控制信号的一个或多个电气参数或者所述组合的电气控制信号的一个或多个电气参数，根据所述一个或多个电气参数将能确定在所述一个或多个时间时刻中的每一个处的所述致动器(22)的阻抗，或者-针对一个或多个时间时刻中的每一个，测量所述电气第一控制信号的一个或多个电气参数或者所述组合的电气控制信号的一个或多个电气参数，并且随后根据测量到的一个或多个电气参数来确定针对所述一个或多个时间时刻中的每一个的所述致动器(22)的阻抗。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述感测元件还被配置为：根据所述测量到的一个或多个电气参数或者根据所述致动器的所确定的阻抗，来确定在所述一个或多个时间时刻处被施加到所述致动器(22)的机械负载的量值。8.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述控制器还被配置为：-提供具有第一水平的所述电气第一控制信号；并且-提供信号幅度小于所述第一水平的所述电气第二控制信号。9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述控制器还被配置为：-将所述电气第一控制信号提供为交变信号，所述交变信号具有小于所述感测频率的致动频率。10.根据权利要求1至7中的任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·A·范登恩德，M·T·约翰逊，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL