致动器设备和方法技术

本发明专利技术总体涉及具有嵌入的磁性颗粒的电活性材料致动器(和组合的传感器‑致动器)，以促进增强的致动和/或感测效果。

Actuator equipment and method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】致动器设备和方法
本专利技术涉及致动器设备，特别是包括电活性材料的致动器设备。
技术介绍
电活性材料(EAM)，并且特别是电活性聚合物(EAP)，是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP能够用作传感器或致动器，并且能够轻松制造成各种形状，从而允许容易地集成到各种系统中。已经开发了具有诸如致动应力和应变的特性的材料，其在过去十年中已经显著改善。技术风险已经降低到对于产品开发可接受的水平，从而EAP在商业和技术上越来越受到关注。EAP的优点包括低功率、小形状因子、灵活性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间以及循环致动。EAP材料的经改进的性能和特定优点使其适用于新的应用。EAP设备能够用于需要基于电致动的部件或特征的小量的移动的任何应用中。类似地，该技术能够用于感测小的移动。与普通致动器相比，由于在小体积或薄形状因子中组合相对大的变形和力，EAP的使用实现了之前不可能的功能，或者提供了超过常见传感器/致动器解决方案的显著优点。EAP还提供了：无噪声操作，准确的电子控制，快速响应，以及大范围的可能致动频率，诸如0-1MHz，最典型地低于20kHz。使用电活性聚合物的设备能够细分为场驱动材料和离子驱动材料。场驱动EAP的示例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体。其他示例包括电致伸缩性接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电粘弹性弹性体和液晶弹性体。离子驱动的EAP的示例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合物(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其他示例包括离子聚合物凝胶。场驱动的EAP通过直接机电耦合由电场来驱动。其通常需要高的场(每米数十兆伏)但是低的电流。聚合物层通常是薄的，以保持驱动电压尽可能低。离子EAP通过电诱发的离子和/或溶剂的传输而激活。其通常需要低的电压但是高的电流。其需要液体/凝胶电解质介质(但是一些材料系统也能够使用固体电解质操作)。这两类EAP都具有多个族成员，每个族成员都具有自己的优点和缺点。场驱动EAP的第一值得注意的子类是压电和电致伸缩聚合物。尽管常规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致PVDF弛豫聚合物显示出自主的电极化(场驱动排列)。这些材料能够预应变以在应变方向上改善性能(预应变导致更好的分子排列)。通常，使用金属电极，因为张力通常处于中等状态(1-5％)。也能够使用其他类型的电极(诸如导电聚合物、炭黑基油、凝胶或弹性体等)。电极能够是连续的或分段的。场驱动的EAP的另一感兴趣子类是介电弹性体。这种材料的薄膜可以被夹置在顺应性电极之间，形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由所施加的电场诱发的麦克斯韦应力导致膜上的应力，使得其在厚度上收缩并且在面积上扩张。通常通过对弹性体进行预应变(需要框架来保持预应变)来扩大应变性能。应变能够相当大(10-300％)。这也限制了能够使用的电极的类型：对于低应变和中等应变，能够考虑金属电极和导电聚合物电极；对于高应变的方案，通常使用炭黑基油、凝胶或弹性体。电极能够是连续的或分段的。离子EAP的第一值得注意的子类是离子聚合物金属复合物(IPMC)。IPMC由溶剂溶胀的离子交换聚合物膜组成，其被层压在两个薄金属或碳基电极之间，并且需要使用电解质。典型的电极材料是Pt、Gd、CNT、CP、Pd。典型的电解质是Li+和Na+水基溶液。当施加场时，阳离子通常与水一起行进到阴极侧。这导致亲水簇的重组以及聚合物的扩张。阴极区域中的应变导致聚合物基质的其余部分中的应力，这导致朝向阳极弯曲。反转所施加的电压会使弯曲反转。众所周知的聚合物膜是和离子聚合物的另一值得注意的子类是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常由夹置在两层共轭聚合物之间的电解质组成。电解质用于改变氧化态。当通过电解质向聚合物施加电势时，电子被添加到聚合物或者从聚合物中除去，从而驱动氧化和还原。还原导致收缩，氧化导致扩张。在一些情况下，当聚合物自身缺乏足够的导电性(尺度相关)时，添加薄膜电极。电解质能够是液体、凝胶或固体材料(即，高分子量聚合物和金属盐的复合物)。最常见的共轭聚合物是聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PTh)。致动器也可以由碳纳米管(CNT)形成，悬置在电解质中。电解质与纳米管形成双层，允许注入电荷。这种双层电荷注入被认为是CNT致动器的主要机制。CNT充当电极电容器，其中，电荷被注入到CNT中，然后通过电解质移动到CNT表面而形成的电双层进行平衡。改变碳原子上的电荷导致C-C键长的变化。结果，能够观察到单个CNT的扩张和收缩。图1和图2示出了针对EAP设备的两种可能的操作模式。所述设备包括电活性聚合物层8，其被夹置在电活性聚合物层8的相对侧上的电极4、6之间。图1示出了未夹紧的设备。如所示的，使用电压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仅在一个方向上产生扩张的设备。所述设备由载体层10支撑。电压用于使电活性聚合物层弯曲或弯折。可以认为电极、电活性聚合物层和载体一起构成整个电活性聚合物结构。该运动的性质例如源于在被致动时扩张的有源层与无源载体层之间的交互。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，例如可以施加分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上移动。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不对称，或者由这两者的组合引起。如上文所描述的电活性聚合物结构可以用于致动和感测两者。最突出的感测机制是基于力测量和应变检测。例如，介电弹性体能够通过外力容易地拉伸。通过在传感器上施加低电压，能够根据电压来测量应变(电压是面积的函数)。利用场驱动系统进行感测的另一种方式是直接测量电容变化或者根据应变来测量电极电阻的变化。压电和电致伸缩聚合物传感器能够响应于所施加的机械应力而生成电荷(假设结晶的量足够高以生成可检测的电荷)。共轭聚合物能够利用压电离子效应(机械应力导致离子的运用)。当暴露于能够测量的应力时，CNT经受CNT表面上的电荷变化。还已经表明，当与气态分子(例如O2、NO2)接触时，CNT的电阻发生变化，使得CNT可用作气体检测器。机械致动器通常能够根据术语来表征一组特定的应力-应变组合，在其致动性能中，其能够实现。这种可实现的应力-应变组合的范围受到致动器的固有特性的限制，并且因此针对致动器的可能应用将受到限制。对于电活性材料致动器，将期望扩张可实现的应力-应变组合的范围，由此拓宽该技术的潜在应用。迄今为止，仅通过构造复杂的复合致动器结构才能实现该领域的改进，所述复合致动器结构由耦合在一起的多个EAP致动器的组合形成。这种结构制造复杂、具有大的形状因子、并且需要大量额外的驱动电子设备进行控制。这自身限制了这些解决方案的应用范围。除了致动性能的限制之外，现有技术的EAP致动器还在可实现的感测性能中受到限制。众所周知的，能够通过将低幅度AC感测信号叠加到致动器驱动信号上来检测EAP致动器的致动程度。然而，使用这些方法的感测性能是受限的。特别地，EAP的信噪比在某种程度上是限制性的，并且因此，在反馈测量中需要高精度的应用通常需要提供额外的传感器。已知扩增具有附加专用感测层的EAP致动器以促进更精确的感测测量。然而，这增加了致动器的复杂性和形状因子，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种致动器设备，包括：致动器构件，其包括：电活性材料，其适于响应于电刺激的施加而变形；以及硬磁材料的颗粒，其被散布在所述电活性材料内，并且被排序以使得所述致动器构件的至少一部分呈现在给定方向上的磁化；磁场生成单元，其能操作用于生成用于跨所述致动器构件的至少一部分施加的可配置场强模式的磁场；电刺激生成单元；以及控制器，其能操作用于以协调的方式来控制所述磁场生成单元和所述电刺激生成单元，由此在所述致动器构件中实现一种或多种变形模式。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.09 EP 16203287.41.一种致动器设备，包括：致动器构件，其包括：电活性材料，其适于响应于电刺激的施加而变形；以及硬磁材料的颗粒，其被散布在所述电活性材料内，并且被排序以使得所述致动器构件的至少一部分呈现在给定方向上的磁化；磁场生成单元，其能操作用于生成用于跨所述致动器构件的至少一部分施加的可配置场强模式的磁场；电刺激生成单元；以及控制器，其能操作用于以协调的方式来控制所述磁场生成单元和所述电刺激生成单元，由此在所述致动器构件中实现一种或多种变形模式。2.根据权利要求1所述的致动器设备，其中：所述磁场生成单元被配置为生成用于跨所述致动器构件施加的不均匀场强的磁场；并且/或者所述硬磁材料的颗粒被非均质地散布在所述致动器构件中；从而在任何一种情况下实现跨所述致动器构件的不均匀变形模式。3.根据权利要求1或2所述的致动器设备，其中，所述协调的控制包括同时地激活所述两个单元，并且/或者包括顺序地激活所述两个单元。4.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述控制器能操作用于执行用于控制所述致动器构件的变形的预定控制调度，所述控制调度包括用于控制所述电刺激生成单元和所述磁场生成单元两者的步骤，并且任选地，其中，所述控制调度包括取决于一个或多个输入参数的步骤。5.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述硬磁材料的颗粒包括以下中的至少一种：硬铁磁材料；铁氧体材料，SmCo，和NdFeB。6.根据任一前述权利要求所述的致动器设备，其中，所述硬磁材料是磁致伸缩材料，所述磁致伸缩材料用于响应于由所述磁场生成单元对磁场的施加而实现所述致动器构件的收缩或扩张。7.根据权利要求6所述的致动器设备，其中，所述磁场生成单元被配置为生成用于跨所述致动器构件施加的均匀场强的磁场。8.根据权利要求1-6中的任一项所述的致动器设备，其中，所述磁场生成单元被配置为生成用于跨所述致动器构件施加的不均...

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