电活性聚合物致动器装置和驱动方法制造方法及图纸

一种致动器装置具有电活性聚合物致动器(35)和集成的压电变压器(30)。至少变压器的次级侧(34)与电活性聚合物致动器共享压电电活性聚合物层(36)，使得可以将较低的外部电压施加到该装置上。二极管(46)连接在变压器的次级侧和电活性聚合物致动器之间。

Electroactive Polymer Actuator Device and Driving Method

An actuator device has an electroactive polymer actuator (35) and an integrated piezoelectric transformer (30). At least the secondary side (34) of the transformer shares a piezoelectric active polymer layer (36) with the electroactive polymer actuator, so that a lower external voltage can be applied to the device. The diode (46) is connected between the secondary side of the transformer and the electroactive polymer actuator.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电活性聚合物致动器装置和驱动方法
本专利技术涉及电活性聚合物致动器。
技术介绍
电活性聚合物(EAP)是电响应性材料领域内的一类新兴材料。EAP可用作传感器或致动器，且可轻松地被制造成各种形状，从而允许轻松地整合到各种各样的系统中。材料已经研发到具有诸如致动应力和应变的特性，该特性在过去十年得到了显著改善。技术风险已降低到产品开发可接受的水平，使得EAP在市场上和技术上都越来越受关注。EAP的优点包括低功率、小形状因子、柔性、无噪音操作、准确度、高分辨率可能性、快速响应时间以及周期性致动。EAP材料的改善的性能和特定优势形成了对新应用的适用性。EAP装置可用于期望一个部件或特征有基于电致动的少量移动的任何应用中。类似地，该技术可用于感测少量移动。本专利技术尤其涉及致动器。由于与常用致动器相比将相对大的变形和力与小的体积或薄的形状因子相结合，使用EAP能够实现之前不可能实现的功能，或者提供优于常用致动器解决方案的较大优势。EAP致动器还提供无噪音操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可行的致动频率，诸如0-1MHz，更通常地低于20kHz。使用电活性聚合物的装置可被细分为场驱动材料和离子驱动材料。场驱动型EAP的示例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的驰豫型聚合物)和电介质弹性体。其它示例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电致粘弹性弹性体和液晶弹性体。离子驱动型EAP的示例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合材料(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其它示例包括离子聚合物凝胶。本专利技术尤其涉及包括场驱动型EAP材料的致动器装置。这些装置通过直接机电耦合而由电场驱动。由于它们的电容性质，它们需要高场(每米伏特)但需要低电流。聚合物层通常很薄，以保持尽可能低的驱动电压。场驱动型EAP的值得注意的第一子类是压电聚合物和电致伸缩聚合物。尽管传统的压电聚合物的机电性能有限，但改善此性能的一项突破性进展已导致产生了PVDF弛豫型聚合物，其显示出自发性的电极化(场驱动对准)。这些材料可以是预应变的，以便改善应变方向上的性能(预应变导致更好的分子对准)。正常情况下会使用金属电极，因为应变通常处于适中的状态(1-5％)。也可使用其它类型的电极(诸如导电聚合物、基于碳黑的油、凝胶或弹性体等)。电极可以是连续的或分段的。场驱动型EAP的所关注的另一子类是电介质弹性体。这种材料的薄膜可夹在适形电极之间，从而形成平行板电容器。在电介质弹性体的情况下，由所施加的电场感应出的麦克斯韦(Maxwell)应力导致在薄膜上产生应力，从而使得薄膜的厚度减小而面积扩大。应变性能通常通过对弹性体进行预应变(需要框架以保持预应变)而增大。应变可以是相当大的(10-300％)。这也约束了可使用的电极类型：对于低应变和中等应变来说，可考虑金属电极和导电聚合物电极；对于高应变状态来说，通常使用基于碳黑的油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。图1和2示出了用于EAP装置的两种可能的操作模式。该装置包括夹在电极10、12之间的电活性聚合物层14，电极位于电活性聚合物层14的相反两侧上。图1示出了未被夹住的装置。使用电压以致使电活性聚合物层如图所示沿所有方向扩展。图2示出了被设计成仅沿一个方向发生扩展的装置。该装置由载体层16支撑。使用电压以致使电活性聚合物层弯曲或拱起。举例而言，这种移动的本质源于在被致动时扩展的主动层与被动载体层之间的交互作用。为了获得如图所示围绕轴线的不对称性弯曲，例如，可应用分子取向(膜拉伸)，迫使沿一个方向移动。沿一个方向的扩展可起因于EAP聚合物中的不对称性，或者其可起因于载体层特性中的不对称性，或两者的组合。US2007/216735公开了一种使用压电致动器来喷射墨水的喷墨头。压电变压器与致动器集成在一起。
技术实现思路
如上所提及的，场驱动型电活性聚合物的问题是需要相当高的操作电压，以在装置中实现高电场强度来实现所期望的偏转。使用电子驱动电路来产生这些高电压。这些EAP需要高达1kV的驱动电压幅值，使得需要使用和实施高电压装置，从而极大地增加了电子装置的成本(和尺寸)。驱动电子装置和EAP致动器通常在本地彼此分隔开，从而导致在驱动器与致动器之间使用高电压馈线。然而，这例如在断线的情况下可能是个安全问题，并且还导致产生较高的不想要的(或甚至不允许的)电场和磁场以及电磁辐射，这可能导致合规性认证问题，或者甚至可能伤害用户。因此需要一种解决这些问题的EAP致动器设计。本专利技术的目的是至少部分地满足这种需要。本专利技术由独立权利要求限定，并且从属权利要求提供有利的实施例。根据本专利技术的一方面的示例提供了一种致动器装置，包括：电活性聚合物致动器；和压电变压器，该压电变压器具有初级侧和次级侧，其中，该致动器装置包括压电电活性聚合物层，该压电电活性聚合物层包括第一部分和第二部分，其中，该电活性聚合物层的第一部分形成压电变压器的次级侧的一部分，而该电活性聚合物层的第二部分形成电活性聚合物致动器的一部分。在这种致动器装置中，EAP致动器的一部分(其不形成该装置的致动(输出)部分的一部分)被用于形成压电变压器的至少一部分。以这种方式，可以使用集成的高电压变压器在本地产生所需的高压驱动信号。这具有成本优点，避免了对高电压馈线的需要，并且还放松了电磁辐射效应。二极管装置电连接在压电变压器的次级侧与电活性聚合物致动器之间。这用作集成的整流器，并且还可以用于针对具有不期望的极性的高电压幅值提供保护。在一组示例中，压电电活性聚合物层的第一部分也形成压电变压器的初级侧的一部分。以这种方式，共享EAP层被用于整个装置的初级变压器侧、次级变压器侧和致动器部分。这提供了具有最大集成度的低成本解决方案。压电电活性聚合物层的第一部分可在初级侧处具有第一分子取向，并且在次级侧处具有不同的第二分子取向。以这种方式，尽管使用共享层，但是可以定制属性以实现变压器的改进性能。例如，第一分子取向可以处于在压电变压器与电活性聚合物致动器之间延伸的纵向方向上，并且第二分子取向可以垂直于压电电活性聚合物层的平面(即，竖直的)。在另一组示例中，压电变压器的初级侧和次级侧由不同的电活性聚合物材料形成。在次级侧与致动器之间仍然存在共享层。然而，通过在初级侧和次级侧处使用不同的材料可以改进变压器的性能。初级侧提供电到机械的转换，而次级侧提供机械到电的转换。在这个装置中，可以使用不同的EAP技术类型。例如，压电变压器的初级侧的电活性聚合物材料包括预应变的电介质弹性体。在所有示例中，压电变压器的初级侧可以包括多层堆叠。这使得能够获得所期望的变压比。电活性聚合物致动器也可以形成为多层堆叠。可以在压电变压器的次级侧与电活性聚合物致动器之间的压电电活性聚合物层中设置隔离区域。这可以用于在变压器与致动器之间提供机械脱联。尤其是，可以减小致动器操作对变压器功能的阻尼。隔离区域可以包括在压电电活性聚合物层中的一个或多个开口和/或附加的界面材料。压电变压器可以包括一组共面的变压器元件。以这种方式，每个变压器元件可以具有厚度与线性尺寸(在该层的平面中)的所期望的比率。具体而言，如果为了小型化目的而需要低的厚度，则使用多个(较小面积的)共面的变压器元件来维持厚度与面内尺寸的所期望的比率。这有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种致动器装置，包括：电活性聚合物致动器(35)；和压电变压器(30)，所述压电变压器具有初级侧(32)和次级侧(34)，其中，所述致动器装置包括压电电活性聚合物层(36)，所述压电电活性聚合物层包括第一部分(36a)和第二部分(36b)，所述电活性聚合物层的所述第一部分(36a)形成所述压电变压器的所述次级侧(34)的一部分，并且所述电活性聚合物层的所述第二部分(36b)形成所述电活性聚合物致动器(35)的一部分，所述装置还包括电连接在所述压电变压器的所述次级侧(34)与所述电活性聚合物致动器(35)之间的二极管装置(46)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.14 EP 16174294.51.一种致动器装置，包括：电活性聚合物致动器(35)；和压电变压器(30)，所述压电变压器具有初级侧(32)和次级侧(34)，其中，所述致动器装置包括压电电活性聚合物层(36)，所述压电电活性聚合物层包括第一部分(36a)和第二部分(36b)，所述电活性聚合物层的所述第一部分(36a)形成所述压电变压器的所述次级侧(34)的一部分，并且所述电活性聚合物层的所述第二部分(36b)形成所述电活性聚合物致动器(35)的一部分，所述装置还包括电连接在所述压电变压器的所述次级侧(34)与所述电活性聚合物致动器(35)之间的二极管装置(46)。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电变压器的所述初级侧(32)和/或所述电活性聚合物致动器(35)包括多层堆叠。3.根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置包括在所述压电变压器的所述次级侧(34)与所述电活性聚合物致动器之间的所述压电电活性聚合物层中设置的隔离区域(50)。4.根据权利要求3所述的器件，其特征在于，所述隔离区域(50)包括在所述压电电活性聚合物层中的一个或多个开口(52)和/或附加的界面材料。5.根据任一前述权利要求所述的装置，其特征在于，所述压电变压器(30)包括一组共面的变压器元件(60、60b、60c、60d)。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述变压器元件并联电连接，其中它们的输入部并联并且它们的输出部并联，或者串联，或者作为并联和串联的变压器元件的组合。7.根据任一前述权利要求所...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·希尔格斯，D·A·范登恩德，M·T·约翰逊，R·A·范德莫伦赫拉夫，
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