基于电活性聚合物或光活性聚合物的致动器设备制造技术

一种致动器设备包括具有有效长度的电活性聚合物设备或光活性聚合物设备，在所述有效长度上，通过致动引发扩展或收缩。所述有效长度大于聚合物布置所占空间的最大线性物理维度。以这种方式，提供了能够支持大的致动位移的紧凑设计。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于电活性聚合物或光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或光活性聚合物的致动器设备。
技术介绍
电活性聚合物(EAP)和光活性聚合物能够用于基于电刺激或光刺激将力施加到负载或者将位移施加到非负载表面。电活性聚合物(EAP)尤其是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP能够作为传感器或致动器使用，并且能够很容易被制造成各种形状，从而允许被集成到各种系统中。本专利技术尤其涉及致动器设计。已经开发出具有诸如致动应力和应变的特性的材料，这些特性在过去的十年中已经得到显著改善。技术风险已经降低到产品开发可接受的水平，使得EAP在商业和技术上越来越受到关注。EAP的优点包括低功耗、小形状因数、灵活性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间以及循环致动。EAP材料的改进性能和特殊优势使其适用于新的应用。EAP设备能够用于其中需要基于电致动而使部件或特征进行少量移动的任何应用中。与普通的致动器相比，EAP的使用实现了以前不可能实现的功能，或者提供了比普通的致动器解决方案很大的优点，这归因于相对大的变形和小体积中的力或薄外形因数的组合。EAP还可以实现无噪声操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可能的驱动频率，例如，0-20kHz。使用电活性聚合物的设备能够被细分成场驱动材料和离子驱动材料。场驱动EAP的范例是介电弹性体、电致伸缩聚合物(例如，基于PVDF的弛豫聚合物或聚氨酯)以及液晶弹性体(LCE)。离子驱动EAP的范例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合材料以及离子聚合物金属复合材料(IPMC)。场驱动EAP通过直接的机电耦合由电场致动，而离子EAP的致动机制涉及离子的扩散。这两类都有多个家族成员，每个家族成员都有各自的优点和缺点。图1和图2示出了EAP设备的两种可能的操作模式。该设备包括夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间的电活性聚合物层14。图1示出了未被夹紧的设备。如图所示，使用电压来使电活性聚合物层在所有方向上扩展。图2示出了被设计为使得仅在一个方向上产生扩展的设备。该设备由载体层16支撑。使用电压来使电活性聚合物层弯曲或弓弯。这种移动的性质例如是由在被致动时扩展的主动层与被动载体层之间的相互作用引起的。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，可以例如应用分子取向(膜拉伸)，从而迫使在一个方向上的移动。在一个方向上的扩展可能是由EAP聚合物的不对称引起的，或者可能是由于载体层性质的不对称或以上两者的组合引起的。EAP设备的扩展和随之而来的移动或形状改变在许多情况下用于向外部部件递送致动力。然而，在一些应用中，移动的冲程(stroke)也是重要的。能够应用基本的机械方法来增加EAP致动器的纵向尖端位移。例如，通过串联连接多个致动器或通过增加单个致动器的长度L，可以增加冲程。由致动应变与原始长度的乘积给出致动器尖端的位移。在这两种情况下，惩罚都是致动器的增大的总长度。当结合体积限制时需要大的尖端位移时会出现问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是至少部分解决上述问题。该目的通过独立权利要求所定义的本专利技术来实现。从属权利要求提供了有利的实施例根据本专利技术的一个方面的范例，提供了一种致动器设备，包括：电活性聚合物布置或光活性聚合物布置，其包括由中间层连接的至少两个叠置的聚合物单元的堆叠，其中，所述至少两个叠置的聚合物单元中的一个聚合物单元被连接到所述中间层的一个端部，并且所述至少两个叠置的聚合物单元中的另一个聚合物单元被连接到所述中间层的相反的端部，其中，所述中间层包含另外的电活性聚合物单元或光活性聚合物单元，使得所述堆叠包括顶部、中部和底部电活性聚合物单元或光活性聚合物单元；以及驱动单元，其中，所述驱动单元能够以至少第一模式、第二模式和第三模式进行操作，其中：在所述第一模式中，所述顶部聚合物单元和所述底部聚合物单元被驱动关闭，并且所述中部电活性聚合物单元被驱动开启；在所述第二模式中，所述顶部聚合物单元和所述底部聚合物单元被驱动开启，并且所述中部电活性聚合物单元被驱动关闭；并且在所述第三模式中，所述顶部聚合物单元、所述中部聚合物单元和所述底部聚合物单元全部都被驱动关闭，并且其中，在所述第三模式中，这三个聚合物单元具有相同的长度。本专利技术使得EAP致动器或光活性聚合物致动器能够提供大于单个线性设备或一系列这样的设备串所实现的位移的位置。具体地，致动器设备的有效长度(即，单个线性致动器递送相同位移所需的长度)大于设备的物理尺寸。位移可以例如大于致动器外部维度(长度)乘以致动应变。这允许开发小形状因数的致动器。下文使用术语“聚合物布置”和“聚合物单元”来分别一般性地指示光活性或电活性聚合物布置或单元。现在将更全面解释在该背景中使用的术语“有效长度”的含义。如果基于给定的致动信号(电信号或光信号)，聚合物单元的长度改变了x％，那么当对于相同的给定致动信号存在实际观测到的长度变化y时，“有效长度”Le能够被推导为Le＝y/(x/100)。因此，Le是基于材料的性质，特别是基于针对给定的致动信号所预期的长度x的百分比变化，将引起观察到的长度的绝对变化y的原始长度。Le能够被认为是提供观测到的绝对长度变化y所需的单个致动器设备的长度。对于实际长度为Lr的单个线性致动器，长度的变化将是y＝Lr(x/100)。在这种情况下，Le＝Lr。对于两个长度为Lr且端部到端部串联的致动器，观察到的长度变化将为y＝2Lr(x/100)。在这种情况下，Le＝2Lr。如果这两个致动器是以这种方式进行端部到端部的简单连接，那么物理长度也将是2Lr，并且没有实现节省空间。本专利技术提供了其中物理长度小于有效长度Le的设计，并且从而有效长度大于布置的最大物理线性维度。例如，堆叠布置可以使得物理长度能够保持在Lr(即，构成整个布置的一个单元的长度)，但是堆叠设计给出比单个单元更大的长度变化。请注意，“有效长度”不是各个单元的全部长度的简单总和。例如，在多个单元简单并联的情况下，有效长度仅仅是一个这样的单元的长度，这是因为移动的范围不会由于这样的配置而增加。相反，力会增加。在各个单元串联的情况下，有效长度实际上是各个单元的长度的总和，但是这些单元的物理长度是相同的。优选地，有效长度比最大线性物理维度大至少50％，例如是最大线性维度的至少两倍，甚至更优选为三倍或更多倍。所述聚合物布置包括由所述中间层连接的所述至少两个叠置的聚合物单元的堆叠，其中，所述至少两个叠置的聚合物单元中的一个聚合物单元被连接到所述中间层的一个端部，并且所述至少两个叠置的聚合物单元中的另一个聚合物单元被连接到所述中间层的相反的端部。这定义了Z字形结构，其具有交错叠置的一对聚合物单元。如果两个聚合物单元扩展或收缩，则总体扩展或收缩将两个单元的个体扩展或收缩结合起来，这与线性单元串的情况一样，但是它们的叠置减小了设备的尺寸。所述中间层包括另一电活性聚合物单元或光活性聚合物单元，使得所述堆叠包括顶部、中部和底部电活性聚合物单元或光活性聚合物单元。通过具有三层堆叠，当顶部单元和底部单元处于其长模式中时，中部单元能够处于其短模式中。为此目的，所述设备包括驱动单元，其中，所述驱动单元能够以至少三种模式进行操作。在所述第三模式中，这三个聚合物单元具有相同的长度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种致动器设备，包括：电活性聚合物布置或光活性聚合物布置，其包括由中间层(26)连接的至少两个叠置的聚合物单元(22、24)的堆叠，其中，所述至少两个叠置的聚合物单元中的一个聚合物单元(22)被连接到所述中间层的一个端部，并且所述至少两个叠置的聚合物单元中的另一个聚合物单元(24)被连接到所述中间层的相反的端部，其中，所述中间层(26)包含另外的电活性聚合物单元或光活性聚合物单元，使得所述堆叠包括顶部、中部和底部电活性聚合物单元或光活性聚合物单元；以及驱动单元(68)，其中，所述驱动单元能够以至少第一模式、第二模式和第三模式进行操作，其中：在所述第一模式中，所述顶部聚合物单元和所述底部聚合物单元被驱动关闭，并且所述中部电活性聚合物单元被驱动开启；在所述第二模式中，所述顶部聚合物单元和所述底部聚合物单元被驱动开启，并且所述中部电活性聚合物单元被驱动关闭；并且在所述第三模式中，所述顶部聚合物单元、所述中部聚合物单元和所述底部聚合物单元全部都被驱动关闭，并且其中，在所述第三模式中，这三个聚合物单元都具有相同的长度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.02 EP 15183464.51.一种致动器设备，包括：电活性聚合物布置或光活性聚合物布置，其包括由中间层(26)连接的至少两个叠置的聚合物单元(22、24)的堆叠，其中，所述至少两个叠置的聚合物单元中的一个聚合物单元(22)被连接到所述中间层的一个端部，并且所述至少两个叠置的聚合物单元中的另一个聚合物单元(24)被连接到所述中间层的相反的端部，其中，所述中间层(26)包含另外的电活性聚合物单元或光活性聚合物单元，使得所述堆叠包括顶部、中部和底部电活性聚合物单元或光活性聚合物单元；以及驱动单元(68)，其中，所述驱动单元能够以至少第一模式、第二模式和第三模式进行操作，其中：在所述第一模式中，所述顶部聚合物单元和所述底部聚合物单元被驱动关闭，并且所述中部电活性聚合物单元被驱动开启；在所述第二模式中，所述顶部聚合物单元和所述底部聚合物单元被驱动开启，并且所述中部电活性聚合物单元被驱动关闭；并且在所述第三模式中，所述顶部聚合物单元、所述中部聚合物单元和所述底部聚合物单元全...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·P·亨德里克斯，M·T·约翰逊，D·A·范登恩德，E·G·M·佩尔塞斯，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