[发明专利]电活性聚合物致动器装置和驱动方法

说明书

一种致动器装置具有电活性聚合物致动器(35)和集成的压电变压器(30)，该变压器的初级侧(32)和次级侧(34)由不同的电活性聚合物材料形成。至少变压器的次级侧(34)与电活性聚合物致动器共享压电电活性聚合物层(36)，使得可以将较低的外部电压施加到该装置上。

技术领域

本发明涉及电活性聚合物致动器。

背景技术

电活性聚合物(EAP)是电响应性材料领域内的一类新兴材料。EAP可用作传感器或致动器，且可轻松地被制造成各种形状，从而允许轻松地整合到各种各样的系统中。

材料已经研发到具有诸如致动应力和应变的特性，该特性在过去十年得到了显著改善。技术风险已降低到产品开发可接受的水平，使得EAP在市场上和技术上都越来越受关注。EAP的优点包括低功率、小形状因子、柔性、无噪音操作、准确度、高分辨率可能性、快速响应时间以及周期性致动。

EAP材料的改善的性能和特定优势形成了对新应用的适用性。

EAP装置可用于期望一个部件或特征有基于电致动的少量移动的任何应用中。类似地，该技术可用于感测少量移动。本发明尤其涉及致动器。

由于与常用致动器相比将相对大的变形和力与小的体积或薄的形状因子相结合，使用EAP能够实现之前不可能实现的功能，或者提供优于常用致动器解决方案的较大优势。EAP致动器还提供无噪音操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可行的致动频率，诸如0-1MHz，更通常地低于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。

场驱动型EAP的示例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的驰豫型聚合物)和电介质弹性体。其它示例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电致粘弹性弹性体和液晶弹性体。

离子驱动型EAP的示例是共轭/导电聚合物、离子聚合物金属复合材料(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其它示例包括离子聚合物凝胶。

本发明尤其涉及包括场驱动型EAP材料的致动器装置。这些装置通过直接机电耦合而由电场驱动。由于它们的电容性质，它们需要高场(每米伏特)但需要低电流。聚合物层通常很薄，以保持尽可能低的驱动电压。

场驱动型EAP的值得注意的第一子类是压电聚合物和电致伸缩聚合物。尽管传统的压电聚合物的机电性能有限，但改善此性能的一项突破性进展已导致产生了PVDF弛豫型聚合物，其显示出自发性的电极化(场驱动对准)。这些材料可以是预应变的，以便改善应变方向上的性能(预应变导致更好的分子对准)。正常情况下会使用金属电极，因为应变通常处于适中的状态(1-5％)。也可使用其它类型的电极(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。

场驱动型EAP的所关注的另一子类是电介质弹性体。这种材料的薄膜可夹在适形电极之间，从而形成平行板电容器。在电介质弹性体的情况下，由所施加的电场感应出的麦克斯韦(Maxwell)应力导致在薄膜上产生应力，从而使得薄膜的厚度减小而面积扩大。应变性能通常通过对弹性体进行预应变(需要框架以保持预应变)而增大。应变可以是相当大的(10-300％)。这也约束了可使用的电极类型：对于低应变和中等应变来说，可考虑金属电极和导电聚合物电极；对于高应变状态来说，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。

图1和2示出了用于EAP装置的两种可能的操作模式。

该装置包括夹在电极10、12之间的电活性聚合物层14，电极位于电活性聚合物层14的相反两侧上。

图1示出了未被夹住的装置。使用电压以致使电活性聚合物层如图所示沿所有方向扩展。

图2示出了被设计成仅沿一个方向发生扩展的装置。该装置由载体层16支撑。使用电压以致使电活性聚合物层弯曲或拱起。