[发明专利]基于电活性聚合物的致动器和传感器设备

说明书

利用致动信号对电活性材料致动器和传感器进行致动，该致动信号具有用于对致动器充电的激活时段和用于使致动器放电的去激活时段。通过感测激活时段期间的稳态电流来确定致动器的并联电阻，并且基于在激活时段开始时致动器的充电期间的电荷流量来确定致动器的串联电容。通过利用振荡轮廓控制通过致动器的电流来获得串联电阻，使得能够测量致动器的电流与电压之间的相位关系。振荡电流吸收器用于实现电路部件测量，这实现了感测功能。

技术领域

本发明涉及利用电活性材料进行致动和感测的致动器/传感器设备。

背景技术

电活性材料(EAM)是电响应材料领域中的一类材料。当其在致动设备中实施时，使EAM经受电驱动信号能够使其改变尺寸和/或形状。这种效果能够用于致动和感测目的。存在无机EAM和有机EAM。一种特殊的有机EAM是电活性聚合物(EAP)。

电活性聚合物(EAP)是一类新兴的电响应材料。像EAM这样的EAP能够用作传感器或致动器，但是也能够被更容易地制造成各种形状，从而允许被容易地集成到各种各样的系统中。EAP的其他优点包括功率低，外形小，灵活，操作无噪声，准确、可能实现高分辨率，响应时间快速以及循环驱动。基于电致动，EAP设备能够用于期望部件或特征发生小量移动的任何应用中。类似地，该技术能够用于感测小的移动。EAP的使用使得能够实现以前不可能实现的功能，或者提供了优于普通传感器/致动器解决方案的巨大优势，这是因为与普通致动器相比，在小体积或薄外形的情况下结合了相对较大的变形和力。EAP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能致动频率(例如，0-20kHz)。

作为如何能够构造和操作EAM设备的示例，图1和图2示出了EAP设备的两种可能的操作模式，EAP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。图1示出了未被夹紧到载体层上的设备。如图所示，使用电压使电活性聚合物层在所有方向上扩展。图2示出了被设计为使得仅在一个方向上产生扩展的设备。为此，图1的结构被夹紧或被附接到载体层16。使用电压使电活性聚合物层弯曲或屈曲。这种移动性质源自于在被致动时发生扩展的主动层与不发生扩展的被动载体层之间的相互作用。

对于某些类别的EAM，向设备施加小的力(机械负载)会生成响应的电信号。这允许单个EAM结构既用于致动又用于感测。这种双重功能是有益的，因为不需要两个单独的部件(用于致动和感测)，因此节省了成本和尺寸。

感测能够例如用于确定作用在设备上的压力或力，或者感测能够用于以反馈方式控制致动水平。

电活性材料致动器的感测能力基于电复合输入阻抗的确定。

已知的基于EAM的致动器/传感器通常提供感测功能和致动功能，所述感测功能和致动功能要么在物理上彼此分开(其中，设备的不同区域或部分用于感测和用于致动，例如单独对每个区域或部分提供电连接)，要么在时间上彼此分开(其中，单个设备在感测功能与致动功能之间按顺序交替)。例如，US 2014/0139329公开了一种EAP系统，其包括感测电路、致动电路和开关电路。感测电路适于在EAP变形时检测来自EAP的信号。然后，开关电路随后才激活致动电路，使得致动电路能够基于感测输入来生成致动。因此，感测和致动在时间上彼此分开：感测和致动按顺序发生，一个接着一个地发生。

最近，已经提出了使用同一设备同时进行感测和致动。举例来说，申请人已经提出(但尚未在本申请的优先权日期公布)能够同时进行致动和感测的设备。第一控制信号用于对设备的致动，而第二控制信号用于对设备的感测。第二感测信号是被选择为使得能够根据电感测信号确定致动器的机械共振的AC电信号。第一致动信号能够是适合于引起致动的任何类型的控制信号。