基于电活性聚合物的致动器设备制造技术

技术编号:18844154 阅读:6 留言:0更新日期:2018-09-05 08:59
一种致动器设备(21),包括电活性聚合物(EAP)和用于生成电驱动信号的驱动器(20),所述电驱动信号给出相反极性的电压,并且因此在不同时间在电活性聚合物之内提供电场。通过这种方式,能够减少或避免电荷积聚,同时延长激活时间仍然是可能的。这改善了设备的性能和/或寿命。

Actuators based on electroactive polymers

An actuator device (21) includes an electroactive polymer (EAP) and a driver (20) for generating an electric drive signal that gives an opposite polarity voltage and therefore provides an electric field within the electroactive polymer at different times. In this way, it is possible to reduce or avoid charge accumulation while prolonging activation time. This improves the performance and / or life of the equipment.

【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设备
本专利技术涉及利用电活性聚合物的致动器设备以及用于操作这样的致动器设备的方法。
技术介绍
在基于对电活性聚合物(EAP)的电刺激而致动的致动器设备中,当发生这样的刺激时,通过EAP材料的尺寸和/或形状的改变而造成致动。在EAP应用于致动器时,EAP组合了若干有利性质。尽管它们能够作为具有良好机械致动性质的机械致动器工作,但是利用其有机聚合物性质,也能够将它们容易地制造成各种形状,从而允许容易地集成到各种系统中。已经开发了具有相当高致动应力和应变的材料。技术风险已经被降低到产品开发可接受的水平,使得EAP在商业和技术上正变得越来越吸引人。EAP的优点包括低功率、小外形因子、柔性、无噪音操作、操作准确度、可能的高分辨率、快速响应时间和循环致动。作为EAP设备操作的范例,图1和图2示出了针对基于EAP的设备的两种可能操作模式。该设备包括夹置在电极10、12之间的EAP层14,电极10、12被附接到EAP层14的相对侧。尽管在图1中,包括电极的EAP层是能自由移动的,但是在图2中,整个EAP层以及其电极都被夹持(附接),利用一个层侧面来支撑承载层16。在电极10和电极12上施加的电压差形式的驱动信号被用于令EAP层在其厚度方向上收缩,由此在横向方向上扩展。对于电介质弹性体EAP而言,这是由于电极向EAP层施加的收缩力导致层变薄,而压电和/或电致伸缩EAP也能够经由与电场直接耦合而起作用(收缩),因此不需要接触电极以提供收缩力。尽管在图1中这导致在所指示的方向上的扩展形式的对称变形,由于层被自由悬置,而伴随EAP层的层变薄(横向扩展连带变薄),在图2中相同的致动导致所述设备由于在一侧上夹持而使运动自由度受限而弯折。使用设备工程学,于是在致动EAP层时、即在驱动所述设备时能够调用各种各样的设备输出。因此,为了获得如所示的围绕轴的对称弯曲,例如可以施加分子取向(膜拉伸),迫使在一个方向上移动。弯折可能源自EAP聚合物中的不对称性,或者可能源自承载层性质的不对称性,或者这两者的组合。
技术实现思路
专利技术人已经发现,针对基于EAP的致动器,当在需要在持续长时间和/或频繁时间段期间致动的应用中使用时,所述致动随时间不恒定和/或设备的不同后续致动时段的驱动对致动曲线随时间改变。这阻碍了致动器的实际应用。因此,需要一种经改进的致动器以及操作这样的致动器的方法,以减轻或消除前述问题。该目的至少部分是利用由独立权利要求所定义的专利技术来实现的。从属权利要求提供了有利的实施例。根据本专利技术,由此提供了一种致动方法以及用于使用该致动方法的致动设备,其中,采用了在一次致动事件(单次连续致动)内和/或针对后续致动事件(由至少静息时段分隔的多个连续致动事件)的驱动信号或致动信号的极性的周期性反转。所述周期性反转意指驱动信号被或者能够被提供至EAP结构,所述EAP结构跨EAP导致“正极性”电压差,使得EAP中的电场能够在不同致动时段和/或在不同致动事件时在整个材料中具有相反方向。第一极性能够为正,使得第二极性为负,或者反之依然。电极之间的电压差的极性界定了被施加到EAP结构的EAP材料的至少部分的电场的方向。能够使用由本专利技术定义的这样的反转驱动来减轻前述问题的事实基于专利技术人的以下发现:●EAP致动器常常需要每微米EAP层厚数十伏量级的大电场,以便对其进行驱动/致动,并且这些高致动场是若干种干扰过程的原因,诸如,例如取决于场的电荷传输以及在实际驱动/致动之后接着发生的聚合物结构驰豫效应。●EAP致动器的致动仅对场的大小(涉及电压差电平)而不对其方向做出响应,而导致上述所发现的问题的干扰过程中的许多干扰过程(如果不是全部)都取决于场大小和场方向两者。这种差异被有利地用于本专利技术,以减小或消除干扰过程的影响。因此,尽管本专利技术指定在驱动期间或者在驱动之间反转电压极性,但是同时,EAP结构的致动具有与电压差极性无关的致动方向。尽管如此,如在本文中上文已经指出的,所述致动仅取决于场的大小而不取决于场的方向(由极性确定)。本专利技术对于表现出对称致动行为的设备效果良好,亦即,针对被提供给相同电极的不同电压极性的驱动信号,致动在相同的方向上。因此,利用本专利技术,能够减轻或防止由跨致动器的电场导致和驱动的带电或双极性物质的运动效应和/或致动器、并且尤其是EAP之内的(极性)物质(分子或分子部分)的(重)取向。(半永久)带电物质层或极化物质层的积聚可以通过越来越多地屏蔽所施加的致动场而影响(例如,导致实现相同致动所需的更高的电压)致动器设备操作,利用本专利技术能够减轻或者甚至防止这种情况。同样地,能够减小或防止由半永久带电物质的积聚或者EAP分子、离子或其他物质的重取向导致的在致动器的静息状态下(例如,在非致动驱动信号应用时,或者换言之,在未施加致动信号时)的意外致动的效果。此外,可以减轻或防止由可能在缺陷部位处的带电物质的机械运动和磨损、累积和捕获导致的致动器的老化和电击穿效应。重要的是,以上优点中的一个或多个优点能够至少部分在不影响所需的设备致动的情况下实现。在本专利技术的语境内,所述电驱动信号能够是具有电压信号电平的电压信号(电压驱动)或者具有电流信号电平的电流信号(电流驱动)。所述电流信号将伴随有跨所述电极的相关联的电压差。当被提供至电极布置时,所述电驱动信号在电极布置的电极之间导致电压差,这继而在EAP的至少部分上方导致电场。作为定义,针对在仅具有正电压或者仅具有负电压(相对于一个参考)的电极上方导致电压差的电驱动信号,所述驱动信号和相关的电压差被定义为单极性。类似地,针对导致相反极性的电压差的驱动信号,驱动信号和相关电压差被定义为双极性。驱动信号和0V的电压差被定义为没有极性,因为其既不是正的也不是负的。所述电驱动信号包括第一电驱动信号和第二电驱动信号,所述第一电驱动信号在第一时间段中造成第一电压极性(例如,相对于所述电极中的一个电极为正),所述第二电驱动信号在第二时间段中导致第二电压极性(例如,相对于所述电极中的同一电极为负)。本专利技术的驱动信号因此使得电极上方的电压差在致动事件或时段期间和/或在操作时间段期间的多个后续致动事件期间或者在设备的致动寿命的至少一部分期间是双极性的。因此,通过完全或部分反转驱动信号,能够解决干扰前述机制的负面效应中的一些或全部负面效应。所述致动器包括EAP结构,所述EAP结构定义通过向所述EAP结构施加电驱动信号能获得的非致动状态和至少一种致动状态(与非致动状态不同)。所述致动状态以机械致动的形式提供致动,所述机械致动能够是由所述EAP结构因为该结构在被施加所述驱动信号时变形的倾向而提供的力(压力)和/或冲击。利用具有用于向EAP结构应用驱动信号的一个或多个电极的电极布置向EAP结构提供电驱动信号。所述电极能够是分段的。所述EAP材料可以处在电极结构的电极之间(例如,夹置在其之间)。备选地,电极能够在EAP材料的同一侧。在任一种情况下,电极都能够直接地在其之间没有任何(无源)层的情况下或者间接地在其之间有额外的(无源)层的情况下被物理附接至所述EAP材料。但是并非需要始终这样。例如,对于弛豫体或永久压电或铁电EAP而言,不必与电极直接机械接触。在这些情况下,在EAP附近的电极就足够了,只要所述电极能够向E本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种操作致动器设备(21)的方法,包括:‑电极布置(10和12),其包括第一电极(10)和第二电极(12),所述电极布置用于接收电驱动信号,以由此在所述第一电极与所述第二电极之间造成电压差;‑电活性聚合物结构(14),其用于响应于所述电压差而提供致动,所述致动具有与所述电压差的极性无关的致动方向;所述方法包括:‑将所述电驱动信号施加到所述电极布置,其中,所述电驱动信号包括:‑在第一时段(41、51)期间的第一电驱动信号(45、55),其用于使所述电压差在所述第一时段中具有第一极性;以及‑在与所述第一时段不同的第二时段(43、53)中的第二电驱动信号(46、56),其用于使所述电压差在所述第二时段中具有与所述第一极性不同的第二极性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.25 EP 16152574.61.一种操作致动器设备(21)的方法,包括:-电极布置(10和12),其包括第一电极(10)和第二电极(12),所述电极布置用于接收电驱动信号,以由此在所述第一电极与所述第二电极之间造成电压差;-电活性聚合物结构(14),其用于响应于所述电压差而提供致动,所述致动具有与所述电压差的极性无关的致动方向;所述方法包括:-将所述电驱动信号施加到所述电极布置,其中,所述电驱动信号包括:-在第一时段(41、51)期间的第一电驱动信号(45、55),其用于使所述电压差在所述第一时段中具有第一极性;以及-在与所述第一时段不同的第二时段(43、53)中的第二电驱动信号(46、56),其用于使所述电压差在所述第二时段中具有与所述第一极性不同的第二极性。2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述电压差在所述第一时段上的积分的绝对值和所述电压差在所述第二时段上的积分的绝对值是相同的。3.根据权利要求1或2所述的方法,其中,所述第一时段和/或所述第二时段长于:10毫秒、50毫秒、0.1秒、0.5秒、1秒、5秒、10秒或50秒。4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,所述第一时段和所述第二时段同样长,并且/或者在所述第一时段中的所述电压差的所述绝对值和在所述第二时段中的所述电压差的所述绝对值是既恒定又相同的。5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,所述第一电信号和/或所述第二电信号具有多个不同的电压电平以定义不同的电压差。6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,在所述第一时段期间的所述电压差是恒定的,并且在所述第二时段期间的所述电压差是恒定的。7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法,其中,所述致动是在驱动时段(57、57’)内的连续致动,并且所述驱动时段包括所述第一时段(51)中的一个或多个第一时段以及所述第二时段(53)中的一个或多个第二时段或者由所述第一时段(51)中的一个或多个第一时段以及所述第二时段(53)中的一个或多个第二时段构成。8.根据权利要求7所述的方法,其中,所述第一电驱动信号和所述第二电驱动信号彼此跟随,使得所述致动不改变超过从包括以下项的组中选取的值:50%、20%、10%、5%、2%、1%和0%。9.根据权利要求7或8所述的方法,其中,所述驱动信号包括第一多个(59)第一电驱动信号(55)以及第二多个(59’)第二电驱动信号(56),所述第一多个驱动信号和所述第二多个驱动信号一起形成交变信号,所述交变信号具有在时间上交变的第一电驱动信号(55)和第二电驱动信号(56)。10.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法,其中,所述致动包括由至少静息时段(47)人工分离的第一连续致动和第二连续致动,并且其中,所述第一电驱动信号(45)贡献于所述第一连续致动,并且所述第二电驱动信号(46)贡献于所述第二连续致动。11.根据权利要求10所述的方法,其中,针对多个第一连续致动和多个第二连续致动,一个或多个第一电驱动信号跟随有一个或多个第二驱动信号和/或一个或多个第二电驱动信号跟随有一个或多个第一驱动信号;多个第一电驱动信号能够是预定数量的。12.根据权利要求11所述的方法,其中,所述方法包括:-针对在预定时间间隔内的一个或多个第一电驱动信号...

【专利技术属性】
技术研发人员:M·T·约翰逊D·A·范登恩德E·G·M·佩尔塞斯
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

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