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致动器结构及其致动方法

阅读:1064发布:2020-06-21

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1.一种适于补偿致动位移中的热变化的致动器结构(40),所述结构包括:
有源层结构(44),其包括一个或多个材料层(48),每个材料层包括能够响应于电刺激变形的电活性材料;
无源载体层结构(45),其被耦合到所述有源层结构;以及
无源补偿模(46),其被布置为根据温度修改被提供到所述有源层结构的所述电活性材料的电刺激的电流电压,从而补偿致动位移中的所述热变化,其中所述无源补偿模块包括多层温度相关电容器结构,并且其中,所述无源载体层结构适于形成所述电容器结构。
2.根据权利要求1所述的致动器结构(40),其中,所述有源层结构(44)根据温度来呈现热变形,并且其中,所述无源补偿模块以诸如引起抵消所述热变形的电学变形中的结果变化的比率根据温度来修改所述电流或电压。
3.根据权利要求1或2所述的致动器结构(40),其中,所述多层电容器结构被布置为与所述有源层结构(44)的所述电活性材料电串联
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的致动器结构,其中,所述电容器结构的多个层形成多个电容器,所述多个电容器优选地并联连接。
5.根据权利要求4所述的致动器结构,其中,由所述电容器结构形成的所述多个电容器中的至少两个电容器具有不同电容。
6.根据权利要求3所述的致动器结构(40),其中,所述无源补偿模块还包括温度相关电阻器。
7.根据权利要求1或2所述的致动器结构(40),其中,所述无源补偿模块还是由所述材料层(48)中的一个或多个材料层的材料性质提供的。
8.根据权利要求7所述的致动器结构(40),其中,所述材料性质是根据温度而变化的电容率,并且任选地,其中,所述电容率根据增加的温度而减小。
9.根据任一前述权利要求所述的致动器结构(40),其中,所述致动器结构包括电容调节模块,所述电容调节模块被布置为将可控制偏置电压供应到所述多层电容器结构,从而用于根据所施加的偏置电压来调节由所述多层电容器结构呈现的电容。
10.根据权利要求2和权利要求9所述的致动器结构(40),其中,所述电容补偿模块被配置为调节所供应的偏置电压的电平,使得由所述电容器结构根据温度呈现的所述电容以诸如引起抵消作为致动位移的所述热变化的电学变形中的结果变化的比率来修改所述电流或电压。
11.根据权利要求10所述的致动器结构(40),其中,所述控制器(62)在使用中适于向所述有源层结构(44)提供持久电偏置以刺激所述有源层结构的部分变形。
12.根据任一前述权利要求所述的致动器结构(40),其中,所述有源层结构(44)被配置为在没有所述有源层结构的电学变形或热变形的情况下呈现第一方向上的弯曲偏置,并且被配置为在电学变形或热膨胀的情况下呈现相反方向上的弯曲偏置,并且任选地,其中,控制器在使用中适于向所述有源层结构提供持久电偏置以部分地抵消所述第一方向上的所述弯曲偏置。
13.根据任一前述权利要求所述的致动器结构(40),其中,所述载体层结构(44)包括一个或多个预应材料层,并且其中,所述载体层结构呈现随着温度正变化的弹性,并且任选地,其中,至少所述有源层结构呈现随着温度负变化的热膨胀。
14.一种致动方法,包括控制致动器结构(40)的电刺激,所述致动器结构包括:
有源层结构(44),其包括一个或多个材料层(48),每个材料层包括能够响应于电刺激而变形的电活性材料,以及
无源载体层结构,其被耦合到所述有源层结构,
并且所述方法包括:
向所述有源层结构提供电刺激,其中,所述电刺激的电流或电压由无源补偿模块根据温度预修改,从而补偿所述致动器结构的致动位移中的热变化,其中
所述无源补偿模块包括多层温度相关电容器结构,并且其中,所述无源载体层结构适于形成所述电容器结构。
15.根据权利要求14所述的致动方法,其中,所述有源层结构(44)根据温度呈现热变形,并且其中,所述无源补偿模块以诸如引起抵消所述热变形的电学变形中的结果变化的比率根据温度来修改所述电压或电流。

说明书全文

致动器结构及其致动方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种包括电活性材料的致动器结构,以及一种用于控制其的方法。

背景技术

[0002] 电活性材料(EAM)是电响应材料领域内的材料的类。当在致动设备中实现时,使EAM经受电驱动信号可以使其在大小和/或形状方面改变。该效果可以被用于致动和感测目的。存在无机和有机EAM。一个特定种类的有机EAM是一种电活性聚合物(EAP)。
[0003] 电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP可以充当传感器或致动器,并且可以容易地制造成各种形状,从而允许容易地集成到各种各样的系统中。
[0004] 已经开发出具有诸如致动应和应变的特性的材料,其在过去的十年中已经显著改进。技术险已经降低到产品开发的可接受平,使得EAP在商业和技术上变得越来越令人感兴趣。EAP的优点包括低功率、小形状因子、柔性、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。
[0005] EAP材料的改进性能和特定优点引起对新的应用的适用性。
[0006] EAP设备可以用于期望基于电致动的部件或特征的少量移动的任何应用中。类似地,所述技术能够用于感测小的移动。
[0007] 对EAP的使用实现了以前不可能的功能,或者提供了优于常规传感器/致动器解决方案的大的优点,这是因为与常规致动器相比的相对大的变形和在小的体积或薄的形状因子中的力的组合。EAP还给出无噪声操作、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,大多数典型地小于10kHz。
[0008] 已知的基于电活性材料的致动器经历显著的热漂移。热漂移意味着由环境温度的改变引起的致动器的致动位移的未控制的漂移或变化。其由于电活性材料随着引起致动器的致动位移的不可忽略的漂移的增加的温度膨胀而发生。
[0009] 热漂移致使致动器不准确,特别地当应用中非空调环境中,例如当并入医学探头时,其在进入人体时,经受温度的显著改变。
[0010] 使用有源补偿模克服热漂移是可能的,其中,温度的改变有效检测,并且响应于补偿控制的施加电流电压的变化有效检测。然而,这样的有效反馈机制致使致动器昂贵并且复杂。
[0011] 因此,用于克服基于EAM的致动器中的热漂移的困难的装置是期望的,其比已知装置更不昂贵和复杂。

发明内容

[0012] 本发明由权利要求书定义。
[0013] 根据本发明的方面,提供了一种适于补偿致动位移中的热变化的致动器结构,所述结构包括:有源层结构,其包括一个或多个材料层,每个材料层包括响应于电刺激而可变形的电活性材料;无源载体层结构,其耦合到所述有源层结构;以及无源补偿模块,其被布置为根据温度修改提供到所述有源层结构的电活性材料的电刺激的电流或电压,从而补偿致动位移中的所述热变化,其中,所述无源补偿模块包括多层温度相关电容器结构,并且其中,所述无源载体层结构适于形成所述电容器结构。
[0014] 本发明基于通过模块的实现方式抵消致动位移中的热变化(即热致变化),所述模块通过某个无源物理机构实现幅度取决于温度的供应到的有源层结构的驱动电流或电压的修改。无源模块可以包括“积分”,在所述模块基于属于所述模块的一些内在物理或电学性质的意义上,而不是例如依赖于外部传感器以实现闭环控制操作。无源与有源相反使用,其意指有效地收集来自例如外部传感器的数据或者测量结果,并且因此调节电流或电压。无源可以意指“一步”,即依赖于单个积分物理或电学机构,而不是例如多步机构,诸如其中,例如取得外部测量结果并且作为响应采取有源逻辑“决策”。
[0015] 通过使用无源补偿模块,热漂移可以以任选简单的方式补偿。由于要求的部分的数目比有源补偿模块更少,因而致使制造更简单并且更便宜。可靠性还可以由于降低数目的部分和降低的复杂性而改进。
[0016] 所述无源补偿模块特别地包括多层温度相关电容器结构。电容随温度的变化率可以诸如向有源层结构提供被配置为补偿致动位移中的温度相关变化的幅度的供应电压或电流中的温度相关升高。
[0017] 所述致动器结构包括无源载体层结构,其耦合到所述有源层结构。所述载体层结构是背衬层结构。与所述有源层结构相反,无源意指非电响应。所述无源载体层结构应当足够柔性以承受由致动器的弯曲引起的机械应变。
[0018] 所述载体层结构适于形成所述多层电容器结构。因此,所述无源层结构的层有效地形成所述温度相关电容器结构的层,反之亦然。这通过将所述无源层结构与所述无源补偿模块集成使所述致动器结构的形状因子和占用面积最小化。
[0019] 此外,由于在这种情况下所述温度相关电容器保持非常接近于所述有源层结构(通过耦合到其),还确保每个结构处的温度变化是非常类似的。优选地,所述有源层结构和电容器层结构热耦合到彼此或以其他方式彼此热连通。
[0020] 将所述无源补偿模块集成到所述背衬结构中承载包括所述补偿模块和所述有源层的降低的形状因子和更紧密的温度耦合的优点。然而,对于许多电活性材料,诸如电活性聚合物,需要大电容以便将呈现的电学变形调节足够量以抵消所述热变形。这部分因为这些材料具有高电容率。以所述背衬层结构的小形状因子提供足够的电容提出问题。
[0021] 本发明通过提供多层电容器结构克服该问题。通过使用多层电容器结构,较大电容可以组合使用不同层建立以提供大总体电容。所述层结构可以提供多个个体电容器层,例如,其可以连接在一起(例如并联)以从相对小区域提供大总体电容。
[0022] 在范例中所述无源载体层可以包括聚合物材料的薄膜的层堆叠(例如具有金属化电极)和/或陶瓷材料的薄层(例如具有金属化内电极)。使得能够形成所述多层电容器结构并且为所述载体层功能提供必要的结构特性的适合的陶瓷材料包括例如酸钡、钛酸锶、钛酸铋、钛酸钠。除电容器结构形成层之外可以包括的其他陶瓷材料包括例如化钇或氧化铌或这些和类似材料的组合,如对于技术人员将显而易见的。
[0023] 陶瓷可以特别地适于当所述无源载体层堆叠的结构使得所述陶瓷层在所述致动器结构的中性弯曲轴上或接近于其时使用,其中,弯曲应力是可忽略的。这可以将所述陶瓷层的厚度限于大约10微米,其对应于仅若干层(2-4取决于所述材料)。标准聚合物电容器材料(诸如聚丙烯、聚酯和聚苯硫醚)更能够承受当用作背衬时重要的机械应变。
[0024] 所述有源层结构可以根据温度呈现热变形,并且其中,所述无源补偿模块以诸如引起抵消所述热变形的电学变形的结果变化的比率根据温度修改所述电压或电流。所述变形可以是平面内变形。在所述有源层结构被夹住或包括刚性背衬的情况下,这可以转换为出平面变形。
[0025] 所述多层电容器结构可以与所述有源层结构的电活性材料串联连接并且被布置用于接收要供应到有源层结构的驱动电压或电流。
[0026] 所述电容器结构可以形成用于所述致动器结构的驱动电压输入电路,使得施加到所述有源层结构的电流或电压穿过所述部件,并且所述电容器结构可以在驱动电压或电流上电学操作以取决于温度无源地调节供应电压。
[0027] 根据一组范例,所述无源补偿模块还可以包括温度相关电阻器。这可以与所述电容器结构串联电连接例如以提供温度相关阻抗的额外的源。电阻随温度的变化率可以诸如以组合所述温度相关电容器结构被配置为补偿致动位移中的温度相关变化的比率减少所述有源层结构的供应电压或电流。
[0028] 根据一个或多个范例,所述电容器结构的多个层可以形成多个分离的电容器。优选地存在并行连接。例如,所述多层结构的每个层可以形成分离的电容器。备选地,在一些情况下两个或更多个层可以形成一个电容器。
[0029] 在这种情况下由所述电容器结构形成的多个电容器中的至少两个可以具有不同电容。以这种方式,所述结构可以精确调谐到特定期望电容电平,即,以调谐电容-温度曲线的水平。
[0030] 根据另一组实施例,所述无源补偿模块还可以由所述有源层结构的材料层中的一个或多个的材料性质提供。以这种方式,所述有源层结构的材料自身根据引起跨其呈现的电流或电压的变化的温度呈现电学性质或参数的某种内在变化。
[0031] 在一组范例中,所述材料性质可以是根据温度变化的电容率。材料的电容率是当形成跨所述材料的电场时遭遇的电阻的量度。所述电容率越低,响应于施加的外电场跨所述材料建立的位移场越低。
[0032] 在范例中,所述电容率可以根据增加的温度而减小。对于固定的施加的驱动电压,这将导致根据增加温度跨所述材料的实际内部经历位移场的减小。这可以抵抗热膨胀
[0033] 根据一个或多个实施例,所述致动器结构可以包括电容调节模块,其被布置为向由所述背衬层结构形成的多层电容器结构供应可控制的偏置电压。这允许通过根据所述施加的偏置电压来调节由所述多层电容器结构呈现的电容。任选地,所述控制器可以提供所述电容调节模块。备选地,分离的电压供应模块可以被提供以施加可控制的偏置。
[0034] 电容器的电容率(以及关于温度的电容率梯度)是电压相关的(并且电容自然地取决于所述电容率)。因此通过提供可控制的偏置电压,可以调节电容行为。
[0035] 电容调节模块允许所述电容器结构的电容的电平被校准以实现给定场景中的最佳温度补偿。例如,所述有源层的温度变形的呈现水平可以取决于环境,或者可以根据所述致动器结构改变的性质随时间变化。其还可能难以提前精确地知道所述致动漂移的水平和行为。所述电容补偿模块允许所述水平在操作中设定,或者被调节用于不同场景。这增加灵活性。
[0036] 所施加的偏置电压可以被配置为例如基于用户输入命令可调节,或者可以自动配置,例如基于感测或者监测致动位移中的热变化的水平,并且调节偏置电平使得所提供的补偿抵消致动位移中的漂移。可以提供两者的组合。
[0037] 在一些情况下,所述偏置电压可以根据温度来调节。在这种情况下,偏置电压-温度关系可以被配置为补偿致动位移中的热变化。温度传感器可以被提供以促进该功能。
[0038] 在任何范例中所述电容补偿模块可以被配置为调节所供应的偏置电压的电平,使得根据温度由所述电容器结构呈现的电容以诸如引起抵消致动位移中的热变化的电学变形的结果变化的比率修改所述电流或电压。
[0039] 根据一个或多个实施例,所述致动器结构还可以包括控制器,其适于控制向所述有源层结构提供电刺激以控制所述层结构的变形,所述电刺激经由所述无源补偿模块提供。所述控制器可以根据期望致动程度提供驱动电压或电流。所述驱动电压经由所述无源补偿模块施加。所述电容器结构可以与所述控制器的电学输出串联连接,例如从而定义无源补偿控制电路。这还可以与所述无源补偿模块的任何其他部件或元件串联连接。
[0040] 所述有源层结构可以包括用于将电场或电流施加到所述有源层结构的材料层的电活性材料的电极布置或者与其合作布置。
[0041] 根据一组或多组实施例,所述控制器可以适于在使用中向所述有源层结构提供持久电偏压以刺激所述有源层结构的部分变形。该电偏置可以具有将所述有源层结构驱动到完全致动状态的幅度。受控的变形(致动)然后通过相当地利用期望的致动位移程度减少驱动电压或电流来实现。
[0042] 特别地对于弛豫体EAP材料(一种电活性材料),当处于完全致动状态下时,所述材料处于全反式状态下。该状态具有比其他状态更低的热膨胀系数。其是导致致动位移中的热漂移的随着温度的EAP材料的固有热膨胀。因此,通过将所述电活性材料保持在完全致动状态下,初始呈现的热漂移降低。与所述无源补偿模块组合,这实现热漂移的更高效并且有效的减轻,和/或要求由所述补偿模块造成的施加的驱动电流的较少改变,从而改进效率。
[0043] 根据任何实施例,所述有源层结构可以被配置为在没有所述有源层结构的电学变形的情况下在第一方向上呈现弯曲偏置,并且被配置为在电学变形的情况下在相反方向上呈现弯曲偏置。
[0044] 该配置的优点在于,不管无源补偿模块的减轻效果而仍然发生的任何残余热漂移可以总是被补偿以通过施加小程度的驱动电压将所述致动器结构带回到参考或“平面”形状。所述残余热漂移无论在哪个方向上起作用,要么使用电学变形(在朝向预弯曲方向的漂移的情况下)要么使用所述弯曲偏置自己(在对预弯曲方向的漂移抵消的情况下)将所述致动器结构返回平面形状将是可能的。
[0045] 任选地,控制器被提供并且在使用中适于向所述有源层结构提供持久电偏置以在第一方向上部分地抵消所述弯曲偏置。在这种情况下,所述致动器结构被带到第一参考温度处的参考状态。任何温度改变基本上由所述无源补偿模块补偿。然而,剩余的任何残余漂移可以通过简单地稍微减少或增加所述驱动电压以将所述致动器结构带回到其参考配置来补偿。
[0046] 因此,在这些配置中在用于温度诱导致动位移漂移的调节中提供高度灵活性。
[0047] 根据任何实施例,所述载体层结构可以包括一个或多个预应变材料层,并且其中,所述载体层结构呈现随着温度正变化的弹性。这意指利用增加的温度,所述载体(背衬)层变得更灵活使得所述有源层结构的(正或负)热膨胀能够被容纳,并且从而避免或减轻热漂移。
[0048] 在特定范例中,例如,至少所述有源层结构可以呈现随着温度负变化的热膨胀。在这种情况下,随着增加的温度,所述有源层结构将倾向于收缩,而所述载体层结构变得更灵活,从而允许其预应变中的一些在平面内释放,这还导致结果轻微收缩。因此,两个层彼此平行收缩并且其对彼此的相应效果有效地无效或取消。从而避免热漂移。注意,为此在该范例中为了有效,所述载体层结构应当利用压缩应力进行预应力,使得随着弹性增加,所释放预应力导致收缩。
[0049] 与所述无源补偿模块组合,该适配确保热诱导致动位移漂移的甚至更鲁棒和高效的减轻。
[0050] 注意,通过“预应力”通常意指适于(例如预处置)呈现持久平面内应变。
[0051] 根据本发明的另一方面的范例提供一种致动方法,包括控制致动器结构的电刺激,所述结构包括:有源层结构,其包括一个或多个材料层,每个材料层包括响应于电刺激而可变形的电活性材料,以及无源载体层结构,其耦合到所述有源层结构;并且所述方法包括:向所述有源层结构提供电刺激,其中,所述电刺激的电流或电压由无源补偿模块根据温度预修改,从而补偿所述致动器结构的致动位移中的热变化,其中,所述无源补偿模块包括多层温度相关电容器结构,并且其中,所述无源载体层结构适于形成所述电容器结构。
[0052] 所述有源层结构可以根据温度呈现热变形,并且其中,所述无源补偿模块以诸如引起抵消所述热变形的电学变形的结果变化的比率根据温度修改所述电压或电流。附图说明
[0053] 现在将参考附图详细描述本发明的范例,其中:
[0054] 图1和图2示出了用于EAP设备的两个可能操作模式;
[0055] 图3示出了关于温度的热漂移的改变的图形;
[0056] 图4图示了在一个边缘处夹住的基本EAM致动器;
[0057] 图5示出了根据本发明的一个或多个实施例的范例致动器结构;
[0058] 图6示出了图示根据(反转)温度的三个材料的电容率的图形;
[0059] 图7示出了图示根据温度的电活性材料和填充复合物的范围的电容率的图形;
[0060] 图8示意性地描绘了包括用于提供温度相关电容率和温度相关电容的混合载体层结构的范例致动器结构;
[0061] 图9示出了范例EAP材料的三个材料状态;
[0062] 图10示出了根据增加的施加的驱动电压的弛豫体电EAP的热漂移率的变化;
[0063] 图11图示了根据本发明的一个或多个实施例的范例致动器结构的可能实现方式;并且
[0064] 图12图示了根据本发明的一个或多个实施例的范例致动器结构的另一可能实现方式。

具体实施方式

[0065] 本发明提供包括呈现根据温度的致动位移的固有变化的基于电活性材料的有源层结构的致动器结构。无源补偿模块被提供以根据温度修改施加到有源层结构的电刺激的电流或电压,诸如以补偿致动位移中的所述热诱导变化。无源补偿模块包括多层温度相关电容器结构,并且由耦合到有源层结构的提供的无源载体层结构的层形成。
[0066] 本发明利用电活性材料(EAM),其如上所述是电响应材料的领域内的材料的类。EAM内的一个新兴类尤其是电活性聚合物(EAP)的类。如所述,EAP能够用作传感器或者致动器并且可以容易地制造为允许容易集成到各种各样的系统中的各种形状。
[0067] 使用电活性聚合物的设备可以细分为场驱动材料和离子驱动材料。
[0068] 场驱动EAP的范例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫体聚合物)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、驻极体、电致伸缩弹性体和液晶弹性体。
[0069] 离子驱动EAP的范例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合物(IPMC)和纳米管(CNT)。其他范例包括离子聚合物凝胶。
[0070] 场驱动EAP通过直接机电耦合由电场致动。其通常要求高场(伏特每米)但是低电流。聚合物层通常薄以保持驱动电压尽可能低。
[0071] 离子EAP由离子和/或溶剂的电感应传输激发。其通常要求低电压但高电流。其要求液体/凝胶电解质介质(但是一些材料系统还可以使用固态电解质操作)。
[0072] 这两类的EAP具有多个族成员,每个具有其自身的优点和缺点。
[0073] 场驱动EAP的第一显著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是有限的,但是在改进该性能中的击穿已经导致PVDF弛豫体聚合物,其示出自发电极化(场驱动对齐)。这些材料可以预应变用于应变方向中的经改进的性能(预应变导致更好的分子对齐)。通常,使用金属电极,因为应变通常在中等范围(1-5%)中。还可以使用其他类型的电极,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。
[0074] 场驱动EAP的另一感兴趣子类是介电弹性体的子类。该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展。通常通过预应变弹性体(需要框架来保持预应变)来扩大应变性能。应变能够为相当大(10-300%)。这还约束可以使用的电极的类型:对于低和中应变,可以考虑金属电极和导电聚合物电极,对于高应变范围,通常使用基于碳黑的油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。
[0075] 在一些情况下,当聚合物自身缺乏足够的导电性(逐尺寸)时,添加薄膜电极。电解质可以是液体、凝胶或固体材料(即,高分子重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)。
[0076] 致动器还可以由电解质中悬浮的碳纳米管(CNT)形成。电解质形成具有纳米管的双层,从而允许电荷的注射。该双层电荷注射被认为是CNT致动器中的主要机构。CNT充当具有注射到CNT中的电荷的电极电容器,其然后通过由电解质到CNT表面的移动形成的电学双层平衡。改变碳原子上的电荷导致C-C键长度的改变。结果,可以观察单个CNT的扩展和收缩。
[0077] 图1和图2示出了用于EAP设备的两种可能的操作模式。
[0078] 所述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。
[0079] 图1示出了未夹紧的设备。如图所示,电压被用于使电活性聚合物层在所有方向上膨胀。
[0080] 图2示出了被设计为使膨胀仅在一个方向上出现的设备。所述设备由载体层16支撑。电压被用于使电活性聚合物层弯曲或成弓形(bow)。
[0081] 电极、电活性聚合物层和载体可以一起被认为是构成总体电活性聚合物结构。
[0082] 这种移动的性质例如产生于无源载体层与当被致动时膨胀的有源层之间的相互作用。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲,可以例如应用分子取向(膜拉伸),迫使在一个方向上的移动。
[0083] 一个方向上的膨胀可以由EAP聚合物的不对称性引起,或者其可以由载体层的性质中的不对称性或两者的组合引起。
[0084] 如上文所描述的电活性聚合物结构可以被用于致动和感测两者。最突出的感测机构基于力测量和应变检测。介电弹性体例如可以通过外力容易地拉伸。通过将低电压放在传感器上,应变可以被测量为电压的函数(电压是面积的函数)。
[0085] 利用场驱动系统感测的另一方式是直接地测量电容改变或者根据应变测量电极电阻中的改变。
[0086] 压电和电致伸缩聚合物传感器可以响应于施加的机械应力而生成电荷(给定结晶度的量足够高以生成可检测的电荷)。共轭聚合物可以利用压电离子效应(机械应力导致离子的施加)。CNT经历当暴露于可以测量的应力时的CNT表面上的电荷的改变。还已经示出CNT的电阻当与气体分子(例如,O2、NO2)接触时改变,从而使CNT可用作气体检测器。
[0087] 在以下的详细范例中,提供了包括EAP材料的响应材料元件。然而,这仅通过图示并且在所有情况下应理解,在所描述的实施例中,EAP材料元件可以在不改变本发明的一般概念、运行或者实现一般优点的情况下由不同的各种响应材料元件(由适合的刺激刺激的)替换。
[0088] 本发明基于补偿致动器位移中的热漂移。热漂移意指在没有由环境温度的改变引起的任何电刺激的情况下的致动器的致动位置中的未受控的漂移或变化。其由于电活性材料随着引起致动器的致动位移的不可忽略的漂移的增加的温度膨胀而发生。
[0089] 通过范例,图3示出了随着环境温度(y轴、右:℃)变化针对独立式铁电电活性聚合物致动器测量的随时间(x轴;秒)的位移(y轴,左;mm)。线22示出了位移的变化,而线24示出了温度的变化。
[0090] 不施加致动电压。位移针对在一个边缘处夹住的致动器来测量,并且沿着垂直于在距夹具3mm的距离处的致动器的层的平面延伸的轴来测量。这示意性地被图示在图4中,图4示出了通过夹具元件28在一个边缘处夹住的EAP致动器28,以及距夹具构件3mm定位的测量位移的位移轴30。
[0091] 返回图3,随着时间,环境温度波动,从而导致致动器的弯曲。作为增加温度的结果,致动器位移增加(致动器向上弯曲)。近似3℃的温度波动导致近似0.15mm的偏转(漂移)。这相对于典型致动偏转(其大体在0-2mm之间)是大的。对于精确致动应用(其中,要求细得多的程度的位移),这样的漂移特别大,并且可能甚至超过总期望位移或者期望的位移改变。
[0092] 对于弛豫体铁电EAP材料,用于致动的理想操作温度范围限制在铁电-顺电(F-P)转换温度周围。在典型情况下,环境温度不超过该转换温度周围的+/-10度。
[0093] 对于介电弹性体致动器,操作温度必须高于玻璃转换温度。对于离子致动器,温度由膜层的漫射性质限制并且在湿系统的情况下(利用液体/凝胶电解质介质的那些)最终由液体的沸点限制。如果承载离子的液体沸,则将生成将抑制有效功能并且可能甚至导致由于热膨胀的爆炸的气泡。
[0094] 对于精确应用,如果温度在致动期间波动,则致动器可能具有漂移的问题。这对于要求在变化温度条件下的长期精确致动(例如保持固定位移位置或在非常小的位移间隔之间动态移位,诸如传感器位置校正)的致动器(例如对于被布置为在能够在使用期间加热的功能部件附近操作的EAP)是特别有问题的。
[0095] 对于精确应用,可以使用校准技术校准致动器。然而,在某个固定温度处执行校准。如果使用中的环境温度与校准温度不同,则致动器可以具有致动的偏移。
[0096] 例如,对于体内应用,环境温度可以针对健康对象从36.6-37.5℃变化并且针对具有发烧的患者高达39℃。在以上范例中,这些温度差异可以产生用于致动器的0.05-0.15mm的偏移。
[0097] 出于该原因,本发明提出用于抵消致动位移中的热诱导漂移的补偿模块。本发明特别地提出使用无源电学补偿模块实现该效果。根据实施例,实现补偿模块,其具有根据温度负面地改变供应的驱动电流或者电压以补偿热漂移的效果。所得致动器结构可以使用在致动期间经受改变的温度环境中。
[0098] 无源补偿模块至少包括多层温度相关电容器结构。该温度相关电容器结构特别地由致动器结构自己的背衬层结构的层形成。这提供特别紧凑和高效的布置。电容器结构可以与有源层结构的电活性材料串联连接并且取决于温度而修改供应到其的电流或电压。
[0099] 在图5中示意性地描绘了根据本发明的一个或多个实施例的这样的布置的范例。
[0100] 致动器结构400包括有源部分44和背衬(载体)部分45。有源部分由包括多个堆叠材料层48的有源层结构组成,每个包括电活性聚合物材料。层可以完全由电活性聚合物形成,即,形成EAP材料的主体,或者可以包括EAP作为一个构成。在图示的范例中,有源层包括四个基于EAP的材料层48的结构或堆叠,然而在其他范例中,可以提供不同数目的层,其中,这可以与仅单个层一样少。
[0101] 有源层结构被配置为与包括被布置为夹在有源层结构的材料层48中的每个之间的多个电极58的电极布置56电通信。有源层结构通常包括并入结构自己内的电极材料,其被定位延伸材料层中的每一个的任一侧。在这种情况下电极布置部分地由这些材料层形成并且部分地由从电极材料层中的每个延伸到控制器62的一组电连接形成。控制器62适于通过经由串联连接的电容器背衬结构46向有源层结构施加电刺激控制材料层的刺激。
[0102] (非致动)背衬或载体部分45由包括多个材料层50的层结构组成。材料层被配置为一起形成一个或多个温度相关电容器。
[0103] 特别地,提供了从多层电容器的领域已知的多层电容器配置。每个材料层50包括位于两个电极59之间的介电材料。多个层并联连接以增加电容。并联电容器布置因此有效地形成具有等于个体层的电容的和的总电容的单个总体复合电容器。
[0104] 在其他范例中,层的集合可以一起形成单个电容器。在这种情况下,可以提供单对电极
[0105] 该背衬电容器结构与有源层结构44电学串联连接。驱动电压或者电流经由电容器背衬施加到有源层结构,如由图5中所图示的正和负连接点所指示的。
[0106] 背衬结构46从而为致动器结构40提供无源补偿模块46。由背衬层结构45形成的(一个或多个)电容器的温度相关电容诸如根据温度改变供应到有源层结构44的总电压。电容器结构在从电连接的控制器62接收到的驱动电压上操作并且动作以根据温度对其进行修改。感应电压或电流随温度改变的比率诸如在有源层结构中引起将致动位移漂移的固有比率与有源层结构的电活性材料的温度匹配的致动位移中的对应的改变(在相反方向上)。以这种方式,可以补偿热漂移。
[0107] 提供了被设置在有源层44与背衬层结构45之间以将其彼此电隔离的电隔离层60。这确保两个结构之间的电学通信仅经由其相应电极布置56、59之间提供的串联电连接。
[0108] 尽管图5示出了穿过致动器构件42的中心的垂直间隙61,但是这仅仅出于示意性说明性目的,以指示致动器构件比图5中所示的更宽。致动器构件的层实际上跨从一侧到另一侧的致动器构件的整个水平宽度持续不间断。
[0109] 如所示,在图5的特定范例中,背衬层结构46包括比有源层结构更大数目的材料层50(在这种情况下七层,而不是四层)。然而,在其他范例中,背衬层结构可以包括比有源层结构更少的材料层。
[0110] 有源层结构44任选地还包括相邻层48之间的(一个或多个)结合材料52以将多个层耦合或固定到彼此。
[0111] 有源层结构的层可以形成非常薄层的多层堆叠。这保持驱动电压低,只要电极被提供在每个层的任一侧,使得每个电极可以直接刺激。
[0112] 如上所述,为了形成电容器布置,背衬层结构46还可以包括电极布置。以这种方式,每个材料层可以形成分离的电容器,这些然后并联连接。在这种情况下,提供多个电极的布置(如在图5的范例中),其被布置为夹在每个材料层之间。
[0113] 在范例中,材料层可以由任何软或顺从聚合物介电材料形成,或者在其他范例中,实心(例如介电)粒子可以用于嵌入在柔性或顺从聚合物基质中。
[0114] 更特别地,在范例中无源载体层可以包括聚合物材料的薄膜的层堆叠(例如具有金属化内电极)和/或陶瓷材料的薄层(例如具有金属化内电极)。使得能够形成多层电容器结构并且为载体层功能提供必要的结构特性的适合的陶瓷材料包括例如钛酸钡钛酸锶、钛酸铋、钛酸钠。除电容器结构形成层之外可以包括的其他陶瓷材料包括例如氧化钇或氧化铌或这些和类似材料的组合,如对于技术人员将显而易见的。
[0115] 陶瓷可以特别地适于当载体层堆叠的结构使得陶瓷层在致动器结构的中性弯曲轴上或接近于其时使用,其中,弯曲应力是可忽略的。这可以将陶瓷层的厚度限于大约10微米,其对应于仅若干层(2-4层,取决于材料)。标准聚合物电容器材料(诸如聚丙烯、聚酯和聚苯硫醚)更能够承受当用作背衬时重要的机械应变。
[0116] 通过利用背衬结构的层作为温度相关电容器,所得电容器紧密接近于有源层结构设置。这确保电容器跟随与具有高精确度的有源层结构相同的温度波动。
[0117] 根据一组实施例,还可以提供温度相关电阻器(即,热敏电阻器),这形成无源补偿模块的额外部分。例如,这可以与电容器结构串联连接。两者的阻抗一起组合以提供复合补偿模块。
[0118] 优选地,提供了正温度系数(PTC)热敏电阻器。在这样的实施例中温度相关电阻器通过载体层结构45与电容器结构形式电学串联连接。驱动电压或者电流经由温度相关电阻器供应到有源层结构。关于温度的电阻的变化率是诸如施加偏移或基本上抵消致动位移中的任何热漂移的随着温度的驱动电流或电压的修改。
[0119] 在这种情况下温度相关电阻器优选地以有源层结构的电活性材料强热连通布置,使得两者的温度波动接近一致。以这种方式,电阻的改变应当诸如补偿漂移(假定两个部件的良好匹配的温度相关性行为)。
[0120] 根据一组或多组实施例,无源补偿模块还可以通过致动器结构的有源层结构的材料性质提供,以补偿致动位移中的热漂移。特别地,对于致动EAP材料(除弛豫体铁电三元共聚物之外),有源层结构的电学特性可以调谐以补偿任何热诱导漂移。在范例中,该电学特性可以包括材料的电容率。
[0121] 对于介电弹性体EAP,EAP的热膨胀(根据温度)是正的,这意指EAP随着升高温度在平面内膨胀。该平面内膨胀导致关于温度的致动位移中的漂移。
[0122] 如果弹性体材料的电容率使得其根据增加温度而减小,则效果是对于施加的每个单位驱动电压,引起的所得致动位移降低。因此,如果随着温度的电容率的(负)改变适当地调谐,则可以使其偏移或抵消(通过有源层结构对施加的驱动电压的降低的致动响应)致动位移中的温度诱导漂移。
[0123] 电容率对温度的要求的负相关性通过多个类型的例如介电弹性体材料呈现。这些特别地包含某些丙烯酸树脂橡胶。这被图示在图6中,其示出针对三个不同范例材料的根据(反转)温度(x轴;单位1000/K)的介电常数(y轴)的变化。线74示出了用于VHB(丙烯酸)的相关性,线76用于硅树脂186(硅橡胶),并且线78用于M聚力材料。这些全部是可商购的材料。
[0124] 如所示,全部呈现随着增加温度的负电容率相关性(在图6中示出为关于反转温度的正相关性)。
[0125] 根据范例,介电弹性体的电容率的温度相关性的性质可以通过添加填充物粒子调谐,从而形成填充物-弹性体复合材料。通过调节填充物材料与弹性体材料的比例,电容率-温度相关性可以调谐到宽范围的不同水平中的任一个。以这种方式,电容率行为可以调谐从而确切地补偿期望的任何特定致动器的热漂移行为。
[0126] 这通过图7的图形图示,图7示出了针对一组多个不同PDMS/碳黑复合物的不同AC频率的电容率(y轴)与温度(℃)的关系,每个复合物包括PDMS与碳黑的不同比例。在每个图形中,线示出(从上到下)1kHz驱动频率、10kHz频率、100kHz和1MHz处的呈现关系。
[0127] 图7(a)示出了针对没有碳黑的纯PDMS的关系。如所示,存在电容率与增加温度的强负相关性。图7(b)示出了针对具有90%PDMS、10%碳黑的复合物的关系。此处,相关性稍微降低,并且对于较高频率更是如此。图7(c)示出了针对80%PDMS、20%碳黑的复合物的关系。此处,相关性对于除最高驱动频率之外的全部实际上是正的。对于图7(d)中所示的70%PDMS、30%碳黑的复合物同样如此,尽管此处,正相关性甚至在最高驱动频率处存在。图7(e)示出了针对60%PDMS、40%碳黑的复合物的相关性。此处,存在用于较高驱动频率的非常轻微的正相关性,但是在最低驱动频率处几乎零相关性。
[0128] 因此从此清楚的是,取决于无论正或负的期望偏移的特定热漂移行为和比率,并且取决于针对致动器结构的预期驱动电压,适合的复合材料可以选择呈现关于温度的要求的补偿电容率变化以确切或基本上使热漂移偏移。
[0129] 在电容率的温度相关性要被提供用于无源载体层结构的材料层的情况下,材料层和层结构必须被配置为提供该功能并且提供集成在载体层结构中的多层电容器结构。
[0130] 因此,当与有源层结构相比较的载体(或背衬)层结构中的相反的电容率-温度变化要被提供时,背衬结构的材料层将需要是能够承受由于致动的机械应变的材料和呈现电容率的负温度系数的材料。
[0131] 在这种情况下适合的材料包括弹性体(诸如硅氧烷或丙烯酸弹性体-其中的一些范例例如在上文相对于图6描述)。然而,在一些情况下,这些材料可以不提供足够的机械性质以充当无源背衬(特别地当例如弛豫体铁电EAP材料使用在有源层中时)。
[0132] 在这些EAP材料被使用在有源层内的情况下,载体层结构可以优选地包括多层堆叠,其包括提供必要的结构性质的至少一组结构层和提供电容率的负温度相关性的另一组层。优选地仅另一组层具有由施加电场影响的电学性质,而结构聚合物层不由电场影响。在这样的配置中,背衬结构提供足够的机械性质以及对于电学补偿EAP的热漂移所需的介电函数。必要结构性质是机械应变的阻力,以允许背衬提供当有源层在平面内膨胀时迫使弯曲的要求的效果。结构层因此优选地是弹性层。
[0133] 图8示意性地描绘了包含这样的混合载体层结构的范例致动器结构的截面视图。有源层结构44被示出为包括具有包含电极的EAP材料的单个层,但是在其他范例中有源层结构可以包括超过一个材料层。载体层结构45包括用于提供弯曲弹性的第一组材料层50a,和用于除温度相关电容行为之外提供负电容率温度相关性的第二组材料层50b。两组材料层是交错的。示出了电极结构。电极被设置在每个相邻材料层对之间。在该范例中,电极仅部分通路跨相应层延伸。电极跨相应层延伸通路的大多数。
[0134] 在其他范例中,载体层结构可以包括提供负电容率温度相关性行为的一个区段和提供多层温度相关电容器函数的另一相邻区段。
[0135] 根据本发明的任何实施例,致动器结构的层的结构或机械性质可以诸如适于为仍然持续的任何残余热漂移提供基于机械的补偿。特别地,在其中有源层结构包括场驱动EAP材料的情况下,可能的是,基本上将材料的热膨胀性质与有源层结构的背衬的热诱导弹性变化匹配,使得两种效果可以抵消。在这种情况下,未由无源补偿模块偏移的任何残余热漂移由致动器结构的层的机械性质抵消。
[0136] 例如,对于弛豫体铁电PVDF三元共聚物材料,在大多数情况下在致动器结构处于完全致动位置之前(在该点处,材料的机械性质暂时转换),温度膨胀系数是负的(即,电活性材料倾向于随着增加温度而收缩)。如果提供有源层结构的电活性材料层的背衬层(例如以诱发在变形后有源层结构的弯曲行为),则背衬可以被提供预应变并且具有随着温度减小的硬度(即,随着温度增加的弹性)。在这种情况下,随着增加的温度,所述有源层结构将倾向于收缩,而所述背衬层结构变得更灵活,从而允许其预应变中的一些在平面内释放,这还导致结果轻微收缩。因此,两个层彼此平行收缩并且其对彼此的相应效果有效地无效或取消。从而避免热漂移。注意,为此在该范例中为了有效,背衬层结构应当利用压缩应力进行预应力,使得随着弹性增加,所释放的预应力导致收缩。
[0137] 注意,通过“预应力”通常意指适于(例如预处置)呈现持久平面内应变。
[0138] 优选地在这种情况下,背衬材料的玻璃转换温度可以等于EAP的铁电-顺电(F-P)转换。在这种情况下,背衬的降低的硬度的机械效果将大大抵消EAP的不需要的热膨胀。EAP材料的F-P转换引起负热膨胀(并且结果热漂移)。在背衬的玻璃转换温度周围,背衬的硬度显著降低。在这种情况下,这两个效果(有源层的膨胀和背衬的降低硬度)可以彼此抵消。
[0139] 任选地,背衬层的材料性质中的至少一些的温度相关性还可以通过包括具有不同机械和热特性的不同材料的适合的组合调谐到任何期望的行为。
[0140] 根据一组或多组实施例,致动器结构可以在“反驱动”模式中驱动,其中,致动器在完全致动状态下保持空闲(从而在使用中时保持EAP上的电学预加载),并且其中,任何致动位移通过暂时降低驱动电压实现。
[0141] 驱动的该模式的优点在于,特别地对于弛豫体铁电EAP材料,材料将初始地保持在全反式状态,即,当空闲时(参见图9,中间图示状态)。该状态具有比铁电-顺电(F-P)转换温度处的其他两个状态的组合更低的热膨胀系数,其是较不稳定的(注意,其是驱动这些EAP的主电学位移行为的该效果)。
[0142] F-P转换温度通常是用于致动器设备的优选操作温度(如上所述)。出于以下原因,其还表示用于期望全反式状态的维护的目前考虑实施例的特别有利的温度。
[0143] 可以在铁电和顺电状态两者中实现图9中的全反式状态。在铁电相中,聚合物将在电场的移除之后停留在全反式状态。在顺电相中,聚合物将在场被移除之后恢复回到TGTG'状态。如果做出电诱导应变与两个不同状态的材料的比例成比的(简化)假设,则总体应变将在每施加的单位电场的顺电相中更大。
[0144] 然而,在顺电状态下,全反式状态更难以实现(即,要求较大的电场以将聚合物切换到全反式配置)。
[0145] 因此,在铁电-顺电相转换周围,存在每单位施加电场的应变的最佳值。
[0146] 特别地对于要求相对小但是精确致动的应用,该“相反”驱动方法将减少热膨胀效应,因为200-250V致动电压处的热膨胀系数(CTE)低于0V周围的CTE。这通过图10图示,图10示出了针对弛豫体铁电EAP的致动位移随着温度(y轴,单位:μm/℃)vs施加驱动电压(x轴,单位:V)的变化率。可以看到,随着施加的驱动电压增加,材料的膨胀系数下降。
[0147] 因此,根据该模式驱动致动器结构还可以增强本发明的热漂移补偿效应,确保由无源补偿模块未完全抵消的任何残余热漂移还可以由这些机械效应抵消。
[0148] 根据本发明的任何实施例,致动器结构的原始形状可以以这样的方式配置:总是能够使用用于致动以使致动器返回“参考”(例如基本上平坦的)状态的驱动信号的部分-至少在操作的某个预想温度范围内。
[0149] 这可以特别地通过配置致动器的原始形状使得热漂移在与有源层结构的电刺激的相反的方向上将致动器构件偏置来实现。这确保在实施例中发生的任何残余热漂移(即,其未由无源补偿模块完全补偿)可以总是通过致动器构件的部分致动手动校正,从而使致动器构件返回“参考”(例如平坦的)状态。
[0150] 例如,如果怀疑致动器设备将通常在其特定预期应用中经历增加温度(例如如果其要在加热的部件附近使用,或者要使用或植入在身体内),则致动器的参数可以使得在加热情况下的弯曲与由致动造成的弯曲相反。
[0151] 范例在图11中示意性地图示,图11示出通过夹具元件82在一侧处夹住的范例致动器构件42。尽管所图示的致动器结构的背衬层被示出为单层,但是其可以被配置为多层结构。
[0152] 图11(a)示出了零施加电压和温度T=T0的状态处的致动器。
[0153] 图11(b)示出了仍然具有零施加电压的致动器,但是其中,环境温度已经增加到T=T0+ΔT。因此,位移漂移已经在距离Δd的向下方向上引起。
[0154] 图11(c)示出了现在仍然在温度T=T0+ΔT处的致动器,但是其中,刺激电压ΔV已经施加到有源层结构。对致动器构件进行配置,使得有源层结构的电刺激导致向上方向上的致动偏置。因此,通过施加小致动电压,热诱导位移漂移可以“校正”以将致动器构件返回近似平坦参考状态。
[0155] 根据一组备选范例,致动器可以以这样的方式“预弯曲”:甚至在没有电或热刺激变形的情况下,致动器构件在某个方向上偏置。此处再次,致动器的热诱导位移可以通过将电刺激施加到有源层结构校正,从而使致动器构件返回参考状态。然而,该实施例的优点在于,不需要预期热漂移将使致动器在哪个方向上弯曲。初始“预弯曲”偏置允许在任一方向上的热漂移的程度,而确保通过电刺激使致动器返回正常(例如“平坦的”)位置总是仍然可能的。
[0156] 范例在图12中示意性地图示,图12再次示出通过夹具元件82在一侧处夹住的范例致动器构件42。再次,可以提供多层背衬。图12(a)示出了零施加电压和温度T=T0的状态处的致动器。如所示,致动器构件的预偏置在没有任何施加电压或热膨胀的情况下导致向下弯曲。
[0157] 图12(b)示出了仍然在T=T0处的致动器,但是其中,刺激电压ΔV已经施加到有源层结构从而使致动器构件返回参考状态。
[0158] 图12(c)另一方面示出了环境温度已经增加到T=T0+ΔT的状态,因此向上引起残余致动漂移。作为响应,致动电压已经相应地降低,使得其现在返回在V=0处。因此,可以看到,该实施例允许更大的灵活性以容纳改变的环境温度,因为致动电压可以总是在必要的程度上用于将致动器构件42返回到参考(例如平坦的)状态。当然,这以稍微更小的可用致动行程为代价而到来。
[0159] 根据一个或多个实施例,致动器结构可以包括电容调节模块,其被布置为向由背衬层结构45形成的多层电容器结构供应可控制的偏置电压。这允许通过根据施加的偏置电压来调节由多层电容器结构呈现的电容。任选地,控制器可以提供电容调节模块。备选地,分离的电压供应模块可以提供以施加可控制的偏置。
[0160] 电容器的电容率(以及关于温度的电容率梯度)是电压相关的(并且电容自然地取决于所述电容率)。因此通过提供可控制的偏置电压,可以调节所述电容行为。
[0161] 电容调节模块允许电容器结构的电容的水平校准以实现给定场景中的最佳温度补偿。例如,有源层的温度变形的呈现水平可以取决于环境,或者可以根据致动器结构改变的性质随时间变化。其还可能难以提前精确地知道致动漂移的水平和行为。电容补偿模块允许水平在操作中设定,或者被调节用于不同场景。这增加灵活性。
[0162] 施加的偏置电压可以被配置为例如基于用户输入命令而是可调节的,或者可以自动配置,例如基于感测或者监测致动位移中的热变化的水平,并且调节偏置电平使得所提供的补偿抵消致动位移中的漂移。可以提供两者的组合。在一些情况下,偏置电压可以取决于温度而调节,其中,偏置电压-温度关系被配置从而补偿致动位移中的热变化。
[0163] 电容补偿模块可以被配置为调节供应偏置电压的电平,使得根据温度由电容器结构呈现的电容以诸如引起抵消致动位移中的热变化的电学变形的结果变化的比率修改电流或电压。
[0164] 实际上,这可以以不同方式实现。
[0165] 根据至少一组实施例,电容器结构45上的供应偏置电压可以被配置为根据温度而变化(动态地跟随温度改变)。专用控制电路可以被提供用于实现该功能。例如,偏置电压可以施加在分压器上,其中,热敏电阻器被提供为分压器的部件之一。以这种方式,使施加的偏置电压为温度相关。EAP的工作温度范围内的致动位移漂移的准确补偿所需的施加偏置电压可以例如通过跟踪或校准致动器随温度的热漂移并且将值存储在查找表中来确定。分压器可以调谐从而呈现对应的偏置电压-温度变化。
[0166] 根据至少一组实施例,偏置电压可以通过分离的控制器调节。该控制器可以以不同方式配置。在一组范例中,控制器可以被配置为根据温度调节偏置电压,温度是使用例如温度传感器来获得的。
[0167] 在其他范例中,控制器可以被配置为直接地取决于致动器位移中的感测温度-诱导变化而调节偏置电压。例如,电容调节模块可以包括致动器变形感测机构。控制器可以被布置为接收来自该感测机构的输入并且检测在没有施加的致动驱动电压的任何并发改变的情况下发生的致动位移的任何改变。如果检测到这样的异常变形改变,则控制器可以通过调节施加到电容器结构的偏置电压来作出响应,从而诱导补偿热诱导漂移的致动位移改变。位移的给定改变所需的必要的偏置电压可以例如存储在查找表中并且由控制器咨询以确定正确偏置电压调节来补偿感测的致动位移漂移。
[0168] 在力对致动器起作用的情况下,额外的力感测机构可以被提供以使能由于要识别并且与温度诱导改变隔离的施加力的致动位移的改变。
[0169] 在上文所描述的实施例中,已经描述了包括根据本发明的无源热漂移补偿模块的致动器结构的不同实施例。全部包括耦合到有源层结构的载体层结构,并且其中,载体层结构的层形成多层电容器结构从而提供补偿模块的至少一部分。另外的选项包括以下内容。
[0170] 呈现取决于温度并且被用于调节致动电压或电流以补偿漂移的电学参数的温度相关电学部件之外的使用。这可以与多层电容器结构串联连接。在特定范例中,这样的元件可以是温度相关电容器或温度相关电阻器。然而,还可以使用具有在电流的驱动电压上操作诸如以根据温度修改这样的电压或电流的效果的任何电学部件。
[0171] 在范例中无源补偿模块还可以通过给有源层结构提供被预应力并且具有随着温度增加而降低并且反之亦然的硬度的背衬来支持或支援。这可以被用于抵消有源层结构的电活性层的负或正(相应地)热膨胀。因此,背衬层随着增加温度的机械性质改变还可以补偿剩余的任何残余热漂移。
[0172] EAP材料可以在作为设备的空闲或者休息状态的完全致动状态下连续驱动。致动位移通过将致动器移动到较少致动状态实现。
[0173] 本文所描述和要求保护的范例致动器结构可以应用于各种不同应用中的任一个。这些包括但不限于:个人护理设备(例如剃须刀、修剪器、皮肤护理设备)、口腔健康设备(例如牙刷、舌头清洁器、封口件、空气牙线设备)、个人健康设备(例如手持式设备、可穿戴装置)和医学设备(例如导管导丝、CMUT探头或其他设备)。
[0174] 尽管在以上本文中的详细描述中已经针对EAP描述根据本发明的设备和系统的构建和操作,但是本发明实际上可以被用于基于其他种类的响应材料的设备,包括其他种类的EAM材料。因此,除非另行指示,否则在上文中的EAP材料可以利用其他响应材料(诸如其他EAM材料)替换。这样的其他响应材料在本领域中是已知的并且本领域的技术人员将知道何处找到其并且如何应用其。
[0175] 适合于EAP元件的材料是已知的。电活性聚合物包括但不限于以下子类别:压电聚合物、机电聚合物、弛豫铁电聚合物、电致伸缩聚合物、电介质弹性体、液晶弹性体、共轭聚合物、离子聚合物金属复合物、离子胶体和聚合物胶体。
[0176] 子类别电致伸缩聚合物包括,但不限于:
[0177] 聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氯乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-三氯乙烯-氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏氟乙烯-三氯乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚亚安酯或者其混合物。
[0178] 电介质弹性体的子类别包括但不限于:丙烯酸酯、聚甲酸酯、硅树脂。
[0179] 子类别共轭聚合物包括但不限于:聚吡咯、聚-3,4-乙烯二氧噻吩、聚(p-聚苯硫醚)、聚苯胺。
[0180] 在所有这些范例中,额外无源层可以被提供用于响应于施加的电场而影响EAP元件的电学和/或机械行为。
[0181] 每个EAP元件可以夹在电极之间。电极可以是可伸缩的,使得其跟随EAP材料层的变形。适于电极的材料应当是超声透射的并且包括例如薄金属膜,诸如金、;或者有机导体,诸如炭黑、碳纳米管、石墨、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT),例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)。
[0182] 如果电极被布置在不对称配置中,则所施加的电压能够引起所有种类的变形,诸如扭曲、滚动、扭转、旋转以及不对称的弯曲变形。
[0183] 如上文所讨论的,本发明的实施例利用控制器。控制器可以利用软件和/或硬件以多种方式实施,以执行所需的各种功能。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个范例,所述一个或多个微处理器可以使用软件(例如,微代码)来编程以执行所需的功能。然而,控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实施,并且还可以实施为执行一些功能的专用硬件和处理器(例如,一个或多个编程的微处理器和相关联的电路)的组合以执行其他功能。
[0184] 可以在本公开的各种实施例中采用的控制器部件的范例包括但不限于常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程阵列(FPGA)。
[0185] 在各种实施方式中,处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联,诸如易失性和非易失性计算机存储器,诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以编码有一个或多个程序,当在一个或多个处理器和/或控制器上运行时,所述程序执行所需的功能。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内,或者可以是可运送的,使得存储在其上的一个或多个程序可以加载到处理器或控制器中。
[0186] 本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求,在实践所请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中,“包括”一词不排除其他元件或步骤,并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中,但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为对范围的限制。
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