致动器装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术主要涉及嵌置有磁性颗粒(42)的电活性材料致动器(和组合式传感器—致动器)，以促进增强的致动和/或感测效果。

Actuator device and method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】致动器装置和方法
本专利技术涉及一种致动器装置，特别是包括电活性材料的致动器装置。
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可用作传感器或致动器，并且可被容易地制造成多种形状，从而允许容易地集成到多种系统中。已经开发出具有诸如致动应力和应变之类的特性的材料，这些材料在过去十年中已经得到了显著改善。对于产品研发来说，技术风险已被降低到可接受的程度，使得EAP在商业和技术上越来越受到关注。EAP的优点包括功率低、形状因数小、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材料的改进性能和具体优势使其适用于新应用。基于电致动，EAP装置可用于需要部件或特征少量移动的任何应用中。同样，该技术可被用于感测小运动。由于在体积小或形状因数薄中结合有相对大的变形和力，导致EAP的使用实现了之前不可能实现的功能，或者提供了优于常用传感器/致动器解决方案的显著优势。EAP还提供了无噪声操作、精确的电子控制、快速响应及可能的大致动频率范围，例如0-1MHz、最典型地低于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EAP的示例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(例如基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体。其它示例包括电致伸缩的接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电粘弹的弹性体和液晶弹性体。离子驱动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)。其它示例包括离子聚合物凝胶。场驱动EAP由电场通过直接机电耦合来驱动。它们通常需要高电场(每米数十兆伏)，但需要低电流。聚合物层通常是很薄的，以保持驱动电压尽可能低。离子EAP通过离子和/或溶剂的电致传输而被活化。它们通常需要低电压，但需要高电流。它们需要液体/凝胶电解质介质(尽管一些材料系统也可使用固体电解质来运转)。两类EAP都具有多个家族成员，每个家族成员都具有其自身的优点和缺点。值得注意的第一子类的场驱动EAP是压电聚合物和电致伸缩聚合物。虽然传统的压电聚合物的机电性能是有限的，但是在改善这种性能方面的突破已导致了PVDF弛豫聚合物，其示出了自发的电极化(场驱动排列)。这些材料可被预加应变以改善应变方向上的性能(预应变导致更好的分子排列)。通常，使用金属电极，这是因为应变通常处于中等状态(1-5％)。也可以使用其它类型的电极(例如导电聚合物、基于炭黑的油、凝胶或弹性体等)。电极可以是连续的或分段的。所关注的另一子类的场驱动EAP是介电弹性体。该材料的薄膜可被夹置在柔性电极之间，从而形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由施加的电场感生的麦克斯韦应力在该膜上产生应力，从而导致膜在厚度方面收缩并且在面积方面扩大。通常通过对弹性体预加应变(需要框架来保持该预应变)来扩展应变性能。应变可能是相当大的(10-300％)。这也限制了可用电极的类型：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，对于高应变状态，通常使用基于炭黑的油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。值得注意的第一子类的离子EAP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，该膜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和聚合物膨胀。阴极区域中的应变在聚合物基体的其余部分中产生应力，从而导致朝向阳极弯曲。使施加的电压反转会使弯曲反转。众所周知的聚合物膜是和值得注意的另一子类的离子聚合物是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常由被夹置在两层共轭聚合物之间的电解质组成。该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中或被从聚合物中除去，从而驱动氧化和还原。还原导致收缩，氧化导致膨胀。在一些情况下，当聚合物本身缺乏足够的导电性(在尺寸方向上)时，添加薄膜电极。电解质可以是液体、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)。致动器也可由被悬置在电解质中的碳纳米管(CNT)形成。电解质与纳米管形成双层，从而允许注入电荷。这种双层电荷注入被视为是CNT致动器中的主要机制。CNT充当电极电容器，其中，电荷被注入到CNT中，该电荷随后被通过由电解质到CNT表面的移动形成的电气双层予以平衡。改变碳原子上的电荷导致C-C键长的变化。结果，可以观察到单个CNT的膨胀和收缩。图1和图2示出了用于EAP装置的两种可能的操作模式。该装置包括电活性聚合物层8，其被夹置在位于电活性聚合物层8的相反两侧上的电极4、6之间。图1示出了未被夹持住的装置。如所示，使用电压致使电活性聚合物层在所有的方向上膨胀。图2示出了一种装置，其被设计成使得仅在一个方向上产生膨胀。该装置由载体层10支撑。电压用于使电活性聚合物层弯曲或屈曲。电极、电活性聚合物层和载体可被共同视为构成了整个电活性聚合物结构。例如，该运动的性质源于在被致动时膨胀的有源层与无源载体层之间的相互作用。为了获得如所示的围绕轴线的不对称弯曲，可以例如施加分子取向(膜拉伸)，从而迫使在一个方向上移动。在一个方向上的膨胀可能由EAP聚合物中的不对称性所引起，或者它可能由载体层的性质中的不对称性或两者的组合所引起。如上所述的电活性聚合物结构可被用于致动和感测。最为有名的感测机制基于力测量和应变检测。例如，介电弹性体可通过外力而被容易地拉伸。通过在传感器上施加低电压，可以测量作为电压的函数的应变(电压是面积的函数)。利用场驱动系统进行感测的另一种方法是直接测量电容变化或测量电极电阻的作为应变的函数的变化。压电聚合物传感器和电致伸缩聚合物传感器可响应于所施加的机械应力而生成电荷(假设结晶度的大小是足够高的以生成可检测到的电荷)。共轭聚合物可利用压电离子效应(机械应力导致离子作用)。当暴露于可被测量到的应力时，CNT在CNT的表面上经历电荷变化。同样已经表明的是，当与气态分子(例如O2、NO2)接触时，CNT的电阻发生变化，从而使得可将CNT用作气体检测器。机械致动器通常可根据术语而被表征为一组特定的应力-应变组合，在这些致动器的致动性能中，它们能够实现这些组合。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，并且因此致动器的可能应用将受到限制。对于电活性材料致动器，所期望的是，扩展可实现的应力-应变组合的范围，从而拓宽该技术的潜在应用。迄今为止，只有通过构造复杂的复合致动器结构才能在该领域中实现改进，这些复合致动器结构由联接在一起的多个EAP致动器构成的组合形成。这种结构制造复杂，具有大形状因数，且需要相当多的额外的驱动电子器件来进行控制。这本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方面是受限的。众所周知，可以通过将低幅度的AC感测信号叠加到致动器驱动信号来检测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，并且因此在反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种致动器装置，包括：致动器构件，所述致动器构件包括电活性材料，所述电活性材料适于响应于电刺激的施加而变形；和分散在所述电活性材料内的软磁性材料的颗粒；磁场生成装置，所述磁场生成装置能够操作以生成具有能够配置的场强图案的磁场，用于施加于所述致动器构件；电刺激生成装置；和控制器，所述控制器能够操作以便以协调的方式控制所述磁场生成装置和所述电刺激生成装置，从而在所述致动器构件中实现一个或多个变形图案。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.09 EP 16203279.11.一种致动器装置，包括：致动器构件，所述致动器构件包括电活性材料，所述电活性材料适于响应于电刺激的施加而变形；和分散在所述电活性材料内的软磁性材料的颗粒；磁场生成装置，所述磁场生成装置能够操作以生成具有能够配置的场强图案的磁场，用于施加于所述致动器构件；电刺激生成装置；和控制器，所述控制器能够操作以便以协调的方式控制所述磁场生成装置和所述电刺激生成装置，从而在所述致动器构件中实现一个或多个变形图案。2.根据权利要求1所述的致动器装置，其中：所述磁场生成装置被配置成生成具有不均匀场强的磁场，以便施加在所述致动器构件上；和/或软磁性材料的所述颗粒被不均匀地分散在所述致动器构件中；以便在任一情况下都在所述致动器构件上获得不均匀的变形图案。3.根据权利要求1或2所述的致动器装置，其中，协调的所述控制包括同时启动所述两个装置。4.根据任一前述权利要求所述的致动器装置，其中，协调的所述控制包括顺序地启动所述两个装置。5.根据任一前述权利要求所述的致动器装置，其中，所述控制器能够操作以执行用于控制所述致动器构件的变形的预定控制时程，所述控制时程包括用于控制所述电刺激生成装置和所述磁场生成装置的步骤，并且可选地，所述控制时程包括取决于一个或多个输入参数的步骤。6.根据任一前述权利要求所述的致动器装置，其中，软磁性材料的所述颗粒包括以下中的至少一种：软铁磁性材料、顺磁性材料和超顺磁性材料。7.根据任一前述权利要求所述的致动器装置，其中，所述软磁性材料是磁致伸缩材料，用于响应于由所述磁场生成装置施...

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