包含电活性聚合物致动器的致动器设备和驱动方法技术

一种致动器设备包括电活性聚合物致动器(116)和用于驱动电活性聚合物致动器的控制电路，并且所述控制电路包括至少一个电容器(114；C11、C12、C13)。电活性聚合物层(110)形成活动区域(112)中的电活性聚合物致动器以及不活动区域(111)中的电容器的介电层。这提供了部件的集成，从而降低了成本并实现了小型化。

Actuator equipment and driving method including electroactive polymer actuators

An actuator device includes an electroactive polymer actuator (116) and a control circuit for driving the electroactive polymer actuator, and the control circuit includes at least one capacitor (114; C11, C12, C13). The electroactive polymer layer (110) forms the dielectric layer of the electroactive polymer actuator in the active region (112) and the capacitor in the inactive region (111). This provides integration of components, thereby reducing costs and achieving miniaturization.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含电活性聚合物致动器的致动器设备和驱动方法
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)是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP可以作为传感器或致动器使用，并且可以轻松制造成各种形状，允许轻松集成到各种系统中。已经研究出具有诸如致动应力和应变等特性的材料，其在过去的十年中已经显著改善。技术风险已经降低到产品开发的可接受水平，使得EAP在商业和技术上变得越来越感兴趣。EAP的优势包括低功耗、小的形状因子、灵活性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间和循环致动。EAP材料的改进性能和特殊优势使其适用于新的应用。基于电致动，EAP设备可用于需要少量移动部件或特征的任何应用中。类似地，所述技术可以用于感测小的移动。本专利技术具体而言涉及致动器。EAP在致动器设备中的使用实现了之前不可能实现的功能，或者提供了相对于普通致动器解决方案的大的优势，这是由于与普通致动器相比在小体积或薄形状因子中相对大的变形和力的组合。EAP致动器还提供无噪声操作，精确的电子控制，快速响应以及大范围的可能驱动频率，例如0-1MHz，最典型地低于20kHz。使用电活性聚合物的器件可以细分为场驱动的和离子驱动的材料。场驱动EAP的范例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(例如基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体。其他范例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、电子驻极体、电粘弹性弹性体和液晶弹性体。离子驱动的EAP的范例包括共轭/导电聚合物，离子聚合物金属复合物(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其他范例包括离子聚合物凝胶。本专利技术特别涉及包含场驱动EAP材料的致动器设备。这些设备通过直接机电耦合由电场驱动。它们需要高的场(伏特每米)但由于其电容性质而需要低的电流。聚合物层通常很薄，以保持驱动电压尽可能低。场驱动EAP的第一个值得注意的子类是压电和电致伸缩聚合物。虽然传统压电聚合物的机电性能有限，但是在改善这种性能方面的突破导向了PVDF弛豫聚合物，其示出自发的电极化(场驱动的对齐)。可以这些材料进行预应变以在应变方向上改善性能(预应变导致更好的分子对齐)。通常，使用金属电极，因为应变通常处于中等范围(1-5％)。也可以使用其他类型的电极(例如导电聚合物，炭黑基油，凝胶或弹性体等)。电极可以是连续的或分段的。场驱动的EAP的另一个感兴趣的子类是介电弹性体。这种材料的薄膜可以夹在柔性电极之间，形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由施加的电场引起的麦克斯韦应力导致膜上的应力，使其在厚度上收缩并在面积上扩张。通常通过预应变弹性体(需要框架来保持预应变)来放大应变性能。应变可能相当大(10-300％)。这也限制了可以使用的电极类型：对于低应变和中等应变，可以考虑金属电极和导电聚合物电极，对于高应变范围，通常使用炭黑基油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。图1和图2显示了EAP设备的两种可能的操作模式。该设备包括电活性聚合物层14，所述电活性聚合物层14夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间。图1示出了钳夹的设备。如图所示，使用电压来使电活性聚合物层在所有方向上扩张。图2示出了被设计为使得扩张仅在一个方向上出现的设备。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弯转。例如，该运动的性质源自在被致动时扩张的主动层与被动载体层之间的相互作用。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，可以例如施加分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上移动。在一个方向上的扩张可能由EAP聚合物的不对称性引起，或者可能由载体层的性质中的不对称或两者的组合引起。如上所述，场驱动电活性聚合物的一个问题是需要相当高的操作电压，以在设备中实现高电场强度以实现所需的偏转。电子驱动电路被用于生成这些高电压并执行其他信号处理。这些EAP需要高达1kV的驱动电压幅值，因此需要使用和实施高压设备，极大地增加了电子器件的成本(和尺寸)。除了需要高电压之外，其他信号处理功能也占用空间，这可能妨碍所需的小型化水平。另一个问题是驱动电子设备和EAP致动器通常在局部彼此分离，导致在驱动器与致动器之间使用高压馈电线。然而，这可能是安全问题，例如在断线的情况下，并且还导致高的、不期望的(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中的一个或多个的EAP致动器设计，例如以提高小型化的可能性和/或使得高电压问题能够得以解决。
技术实现思路
上述需要至少部分地由独立权利要求所限定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示例提供了一种用于将电输入转换为机械输出的致动器设备，包括：电活性聚合物致动器；以及用于驱动所述电活性聚合物致动器的控制电路，其中，所述控制电路包括升压电路，并且至少包括电容器，其中，所述致动器设备包括电活性聚合物层，所述电活性聚合物层具有用于根据所施加的致动信号而变形的活动区域和机械非活动区域，其中，所述活动区域形成电活性聚合物致动器的至少一部分，并且所述机械非活动区域形成所述电容器的电介质的至少一部分。在该设备中，EAP层既用于形成活动致动器的至少一部分，又用于形成控制电路中使用的电容器的电介质的至少一部分。因此，电活性聚合物致动器的活动层和电容器的介电层都至少部分地包括所述电活性聚合物层的一部分。这使得整个设备小型化并降低了(制造)成本。升压控制电路可以包括使用电活性聚合物层和电活性聚合物层外部的部分形成的部分。例如，控制电路可以包括各个级，并且这些级中的至少一个使用与电活性聚合物致动器集成的电容器。控制电路可以包括电压平滑级，所述电压平滑级包括与电活性聚合物致动器并联的电容器。平滑电容器，其为升压电路的一部分，以这种方式与致动器本身集成在一起。控制电路可包括至少一个二极管和电容器。电容二极管电路可用于在升压电路内执行各种功能。例如，二极管可以是标准二极管或齐纳二极管。所述二极管可以是连接到电活性聚合物层上的外部端子的外部部件。因此，电容器被集成在致动器的结构中，并且存在到二极管的外部端子连接。替代地，二极管可以是集成到电活性聚合物层中的薄膜层设备。这提供了将电容器和二极管部件集成到EAP致动器中。二极管可以例如是MIM二极管。在一个示例中，控制电路包括与电活性聚合物致动器串联的二极管以及与电活性聚合物致动器和二极管的串联连接并联的电容器。然后，二极管可以用作整流器或高压保护部件，其防止不希望的极性的高电压到达致动器。控制电路还可以包括连接到电活性聚合物致动器与二极管之间的相交点的放电端子。这可以用于致动器的快速停用，其否则将被二极管阻碍。在另一个范例中，控制电路包括与电活性聚合物致动器并联的二极管和与电活性聚合物致动器并联的电容器。并联二极管提供电压保护，并且可以例如包括齐纳二极管。在另一组示例中，控制电路是电荷泵浦电压升压电路。以这种方式，可以使用集成电路在本地产生所需的高压驱动信号。这又具有成本和小型化的优点，并且还避免了对高压馈电线的需要。电荷泵浦控制电路例如包括第一和第二电容器以及二极管布置，每个电容器具有由电活性聚合物层形成的电介质。控制电路可以包括倍压器电路或多个倍压器电路，或三倍倍压器电路或多个三倍倍压器电路。在一组范例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于将电输入转换为机械输出的致动器设备，包括：电活性聚合物致动器(116)；以及控制电路(114)，其用于驱动所述电活性聚合物致动器，其中，所述控制电路包括升压电路，并且至少包括电容器，其中，所述致动器设备包括电活性聚合物层(110)，所述电活性聚合物层具有用于根据所施加的致动信号而变形的活动区域(112)和机械非活动区域(111)，其中，所述活动区域形成所述电活性聚合物致动器的至少一部分，并且所述机械非活动区域形成所述电容器的电介质的至少一部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.13 EP 16174115.21.一种用于将电输入转换为机械输出的致动器设备，包括：电活性聚合物致动器(116)；以及控制电路(114)，其用于驱动所述电活性聚合物致动器，其中，所述控制电路包括升压电路，并且至少包括电容器，其中，所述致动器设备包括电活性聚合物层(110)，所述电活性聚合物层具有用于根据所施加的致动信号而变形的活动区域(112)和机械非活动区域(111)，其中，所述活动区域形成所述电活性聚合物致动器的至少一部分，并且所述机械非活动区域形成所述电容器的电介质的至少一部分。2.根据权利要求1所述的致动器设备，其中，所述控制电路包括电压平滑级，所述电压平滑级包括与所述电活性聚合物致动器(116)并联的所述电容器(114)。3.根据权利要求1所述的致动器设备，其中，所述控制电路包括至少一个二极管(120)和所述电容器(114)。4.根据权利要求3所述的致动器设备，其中，所述二极管(120)是连接到所述电活性聚合物层上的外部端子的外部部件。5.根据权利要求3所述的致动器设备，其中，所述二极管是集成到所述电活性聚合物层中的薄膜层设备。6.根据权利要求5所述的致动器设备，其中，所述二极管是MIM二极管。7.根据权利要求3所述的致动器设备，其中，所述控制电路包括与所述电活性聚合物致动器串联的二极管(120)以及与串联连接的所述电活性聚合物致动器和所述二极管并联的电容器(114)。8.根据权利要求7所述的致动器设备，其中，所述控制电路还...

【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，
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