Исполнительное устройство на основе электроактивного полимера - RU2730430C2
Код документа: RU2730430C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к исполнительным устройствам, которые используют электроактивные полимеры, и к способам работы таких исполнительных устройств.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
В исполнительных устройствах, в которых включение (срабатывание) основано на электрической стимуляции электроактивного полимера (electroactive polymer - EAP), включение обусловливается изменением размера и/или формы EAP-материала, когда такая стимуляция имеет место. EAP имеют несколько предпочтительных свойств, когда речь идет об их применении в исполнительных устройствах. В то время как они могут работать в качестве механических исполнительных устройств с хорошими механическими свойствами включения, в силу своей органической полимерной природы, они также могут быть легко изготовлены в различных формах, что позволяет легко их встраивать в разнообразные системы. Были разработаны материалы с относительно высоким механическим напряжением и усилием включения. Технологические риски были уменьшены до приемлемых для разработки изделий уровней, так что EAP становятся все более интересными с коммерческой и технической точки зрения. Преимущества EAP включают в себя низкое энергопотребление, малый формфактор, гибкость, бесшумную работу, операционную точность, возможность высокого разрешения, быструю динамическую реакцию, и циклическое включение.
В качестве примера работы EAP-устройства, фиг. 1 и 2 показывают два возможных режима работы для устройства на основе EAP. Это устройство содержит EAP-слой 14, расположенный между электродами 10, 12, присоединенными к противоположным сторонам EAP-слоя 14. В то время как на фиг. 1 EAP-слой, включающий в себя электроды, является свободно-подвижным, на фиг. 2 весь EAP-слой и его электроды скреплены (соединены) с одной стороны слоя с опорным несущим слоем 16. Сигнал возбуждения в виде разности напряжений, приложенной к электродам 10 и 12, используют для обеспечения сжатия EAP-слоя в его направлении толщины, чтобы он в результате этого расширялся в поперечных направлениях. В случае диэлектрических эластомерных EAP это имеет место вследствие силы сжатия, прикладываемой электродами к EAP-слою, которая вызывает утончение слоя, в то время как пьезоэлектрические и/или электрострикционные EAP могут также функционировать (сжиматься) посредством прямой связи с электрическим полем, таким образом, в этом случае нет необходимости в контакте с электродами для обеспечения силы сжатия. В то время как на фиг. 1 это приводит к симметричной деформации в виде расширения в указанных направлениях, сопровождаемого утончением (поперечное расширение с утончением) EAP-слоя, вследствие того, что слой является свободно подвешенным, то же самое включение на фиг. 2 приводит к изгибу устройства вследствие ограниченной свободы движения из-за закрепления с одной стороны. С использованием технологий проектирования устройств, разнообразные выходные действия устройств могут быть инициированы после включения EAP-слоя, т.е. после возбуждения устройства. Таким образом, для получения показанного асимметричного изгиба вокруг оси, может быть, например, применена молекулярная ориентация (растяжение пленки), усиливающая перемещение в одном направлении. Изгиб может быть следствием асимметрии EAP-полимера, или он может быть следствием асимметрии свойств несущего слоя, или следствием их комбинации.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Авторы изобретения обнаружили, что для исполнительных устройств на основе EAP, используемых в применениях, которые требуют включения в течение длительных и/или частых периодов времени, включение не является постоянным с течением времени, и/или что кривые зависимости включения от возбуждения разных последовательных периодов включения устройства изменяются с течением времени. Это препятствует практическому применению этих исполнительных устройств.
Таким образом, существует потребность в улучшенном исполнительном устройстве и способе работы такого исполнительного устройства для уменьшения или устранения вышеупомянутых проблем.
Эта цель достигается по меньшей мере частично настоящим изобретением, определяемым независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения обеспечивают предпочтительные варианты осуществления.
Таким образом, согласно настоящему изобретению обеспечен способ включения и исполнительное устройство, использующее упомянутый способ включения, где используется периодическая инверсия полярности сигнала возбуждения или включения в течение одного события включения (единственного непрерывного включения) или в течение последовательных событий включения (множественных событий непрерывного включения, разделенных по меньшей мере периодом покоя).
Периодическая инверсия означает, что на EAP-структуру подаются или могут быть поданы сигналы возбуждения, которые обеспечивают на EAP разности напряжений «противоположных полярностей» таким образом, чтобы созданное в EAP электрическое поле имело противоположные направления по толщине материала в разных периодах включения и/или в разных событиях включения. Первая полярность может быть положительной, так что вторая полярность будет отрицательной, или наоборот. Полярность разности напряжений между электродами определяет направление электрического поля, прикладываемого по меньшей мере к части EAP-материала EAP-структуры. Тот факт, что такое возбуждение инверсии, определяемое настоящим изобретением, может быть использовано для уменьшения вышеупомянутых проблем, основан на обнаружении авторами изобретения того, что:
- Исполнительные EAP-устройства часто требуют большого электрического поля порядка десятков вольт на микронную толщину EAP-слоя для их возбуждения/ включения, и эти большие поля для включения являются причиной появления нескольких мешающих процессов, таких как, например, эффекты зависящего от поля переноса зарядов и релаксации структуры полимера, наряду с эффектами фактического возбуждения/ включения.
- Включение исполнительного EAP-устройства зависит только от величины поля (связанной с уровнем разности напряжений) и не зависит от его направления, в то время как многие, если не все, мешающие процессы, вызывающие вышеупомянутые обнаруженные проблемы, зависят как от величины поля, так и от направления поля. Эта разница используется настоящим изобретением с преимуществом для уменьшения или устранения эффектов мешающих процессов.
Таким образом, в то время как настоящее изобретение обеспечивает реверсирование полярностей напряжений течение периодов возбуждения или между ними, в то же время, включение EAP-структуры имеет направление включения, которое является независимым от полярности разности напряжений. Наконец, как уже было указано здесь выше, включение зависит только от величины поля и не зависит от направления поля (определяемого полярностью). Настоящее изобретение хорошо работает для устройств, которые демонстрируют симметричное поведение включения, а именно, включение в одном и том же направлении при сигналах возбуждения напряжений разных полярностей, обеспечиваемых на одних и тех же электродах.
Таким образом, в случае настоящего изобретения, эффекты движения заряженных или двухполюсных частиц и/или (пере)-ориентации (поляризованных) частиц (молекул или частей молекул) в пределах исполнительного устройства, и, конкретно, EAP, которые вызываются и возбуждаются электрическим полем, приложенным к исполнительному устройству, могут быть уменьшены или предотвращены. Создание слоев (полупостоянных) заряженных частиц или слоев поляризованных частиц может влиять (например, обусловливать более высокое напряжение, требуемое для обеспечения того же самого включения) на работу исполнительного устройства вследствие увеличивающегося экранирования прикладываемого поля включения, и это может быть уменьшено или даже предотвращено настоящим изобретением. Также может быть уменьшен или предотвращен эффект наличия непреднамеренного включения в состоянии покоя исполнительного устройства (например, при не-подаче сигнала возбуждения включения, или другими словами, в отсутствие подачи сигнала включения), вызванный созданием полупостоянных заряженных частиц или переориентацией EAP-молекул, ионов или других частиц. Кроме того, может быть уменьшен или предотвращен эффект старения и электрического пробоя исполнительного устройства, вызванный механическим движением и износом, накоплением и захватом заряженных частиц, возможно, в местах дефектов. Важно, что одно или несколько вышеупомянутых преимуществ могут быть по меньшей мере частично обеспечены без ухудшения требуемого от устройства включения.
В контексте настоящего изобретения, электрический сигнал возбуждения может быть сигналом напряжения (возбуждение напряжением), имеющим уровни сигнала напряжения, или сигналом тока с уровнями сигнала тока (возбуждение током). Сигнал тока будет сопровождаться соответствующими разностями напряжений на электродах. При подаче на электродную систему, электрический сигнал возбуждения обеспечивает разности напряжений между электродами электродной системы, которые в свою очередь обеспечивают электрическое поле по меньшей мере на части EAP. По определению, для электрического сигнала возбуждения, вызывающего на электродах разности напряжений, имеющие только положительные или только отрицательные напряжения (относительно одного начала отсчета), определим, что этот сигнал возбуждения и соответствующие разности напряжений являются униполярными. Подобным образом, для сигнала возбуждения, вызывающего разности напряжений противоположных полярностей, определим, что этот сигнал возбуждения и соответствующие разности напряжений являются биполярными. Определим, что сигнал возбуждения и разность напряжений, соответствующие напряжению 0В, не имеют никакой полярности, поскольку они не являются ни положительными, ни отрицательными.
Электрический сигнал возбуждения содержит первый электрический сигнал возбуждения, который вызывает первую полярность напряжения (например, положительную относительно одного из электродов) в первый период времени, и второй электрический сигнал возбуждения, который вызывает вторую полярность напряжения (например, отрицательную относительно того же самого одного из электродов) во второй период времени. Сигнал возбуждения настоящего изобретения является, таким образом, таким, что разности напряжений на электродах являются биполярными в течение события или периода включения и/или в течение множества последовательных событий включения в течение периода времени работы или в течение по меньшей мере части срока службы исполнительного устройства. Таким образом, посредством полной или частичной инверсии сигнала возбуждения могут быть устранены некоторые или все отрицательные эффекты вышеупомянутых мешающих механизмов.
Исполнительное устройство содержит EAP-структуру, которая определяет невключенное состояние и по меньшей мере одно включенное состояние (отличное от невключенного состояния), достижимое посредством подачи электрического сигнала возбуждения на EAP-структуру. Включенное состояние обеспечивает включение в виде механического включения, которое может быть силой (давления) и/или ударом, обеспечиваемым структурой вследствие склонности EAP-структуры к деформированию после подачи сигнала возбуждения.
Электрический сигнал возбуждения подают на EAP-структуру с использованием электродной системы, имеющей один или несколько электродов для подачи сигнала возбуждения. Электроды могут быть сегментированными. EAP-материал может находиться между (например, может быть расположен между) электродами электродной структуры. Альтернативно, электроды могут находиться на одной и той же стороне EAP-материала. В любом случае, электроды могут быть физически прикреплены к EAP-материалу либо прямо, без каких-либо (пассивных) слоев между ними, либо непрямо, с дополнительными слоями между ними. Но это не обязательно должно быть так всегда. Например, для релаксоров или постоянных пьезоэлектрических или сегнетоэлектрических EAP, прямой механический контакт с электродами не является необходимым. В этих случаях достаточно, чтобы электроды находились вблизи EAP, поскольку электроды могут обеспечить электрическое поле для EAP. Однако для диэлектрических эластомеров в качестве EAP, электроды должны находиться в физическом контакте (например, должны быть соединены) с EAP-материалом таким образом, чтобы электрическое поле, приложенное к электродам, могло приложить к EAP силу, которая заставит EAP деформироваться. Таким образом, электроды могут быть частью электроактивной полимерной структуры.
В настоящем изобретении, абсолютное значение интеграла разности напряжений по заданному интервалу времени и абсолютное значение интеграла разности напряжений по второму периоду могут быть одинаковыми. Следовательно, напряженность электрического поля сохраняется одинаковой в течение первого и второго периодов. Одинаковость может означать нахождение в пределах отклонения, меньшего, чем 10%, меньшего, чем 5%, но предпочтительно меньшего, чем 1%. В упомянутом устройстве, возбудитель может быть, таким образом, выполнен с возможностью генерирования или переключения электрических сигналов возбуждения таким образом, чтобы электрическое поле с одной полярностью (напряжение с одной полярностью) имело такую же напряженность электрического поля, интегрированную по времени, что и электрическое поле с противоположной полярностью (напряжение с другой полярностью). Это означает, что общее электрическое поле с течением времени обеспечивается одинаковым для двух полярностей, для минимизации долгосрочного дисбаланса зарядов. Таким образом, может быть обеспечено общее нейтральное перемещение зарядов, диполей и других дефектов в EAP.
В настоящем изобретении, первый период и/или второй период могут быть более длительными, чем период времени, выбираемый из группы, состоящей из: 10 миллисекунд, 50 миллисекунд, 0,1 секунды, 0,5 секунды, 1 секунды, 5 секунд, 10 секунд, 50 секунд. Конкретно, для таких более длительных включений настоящее изобретение обеспечит хороший эффект. Для ограничения рабочих напряжений EAP-структур, их размеры (например, толщина) между электродами имеют предпочтительный верхний предел. Предпочтительно, реверсирование полярности может быть тогда основано на масштабе времени, с которым заряды мигрируют через EAP-слой с определенным размером между электродами. Таким образом, в настоящем изобретении, первый период и/или второй период находятся в диапазоне от 10 миллисекунд до 10 секунд. Следовательно, при использовании такого периода, заряд в EAP-слое не может полностью перейти с одного электрода на другой электрод и обеспечить полное разделение зарядов, и это облегчает компенсацию в случае сигнала разностей напряжений противоположных полярностей.
В настоящем изобретении, первый период и второй период могут иметь равную длительность, и/или абсолютное значение разности напряжений в первом периоде и абсолютное значение разности напряжений во втором периоде оба могут быть постоянными и одинаковыми. Следовательно, коэффициенты заполнения для импульсов обеих полярностей обеспечивают таким образом, чтобы они были более подобными или даже одинаковыми, и только число импульсов каждой полярности должно быть уравновешено, чтобы обеспечить хороший эффект компенсации. Этот эффект может быть даже лучшим, когда электрическое поле с одной полярностью имеет такую же напряженность электрического поля, что и электрическое поле с противоположной полярностью. Таким образом, может быть обеспечено одинаковое включение EAP при обеих полярностях. Последний признак также производит эффект, состоящий в том, что вибрации, вызываемые схемой возбуждения инверсии, могут быть более ограниченными, поскольку интенсивность включения является одинаковой.
Обеспечен способ по любому из предшествующих пунктов, в котором разность напряжений в течение первого периода является постоянной, и разность напряжений в течение второго периода является постоянной. В этом случае, только длительность в виде первого периода и второго периода или число первых периодов на каждый второй период должны быть настроены для оптимизации равновесия импульсов положительной и отрицательной полярности для обеспечения компенсации.
В настоящем изобретении, каждый из первого и/или второго электрического сигнала может иметь множественные разные уровни сигнала для определения множественных разных разностей напряжений. Таким образом, возбудитель может быть выполнен с возможностью генерирования, для каждой полярности, одноуровневого сигнала или многоуровневого сигнала. Многоуровневый сигнал возбуждения может быть использован для обеспечения возможности возбуждения исполнительного устройства в промежуточных состояниях. Это обеспечивает более сложное использование сигналов для включений. Предпочтительно, форма кривой абсолютного значения разности напряжений в зависимости от времени в течение первого периода является такой же, как форма кривой абсолютного значения разности напряжений в зависимости от времени в течение второго периода. Последнее позволяет использовать разные уровни сигналов, но с обеспечением управляемой компенсации посредством спаривания сигналов, которые обеспечивают одинаковое воздействие электрического сигнала во время разностей напряжений противоположных полярностей.
Для выполнения вышеупомянутых способов возбуждения, возбудитель может быть выполнен с возможностью генерирования и/или переключения электрических сигналов возбуждения, соответственно, первого и второго электрических сигналов возбуждения. Следовательно, устройство, имеющее возбудитель, выполненный с возможностью обеспечения признаков способа, будет иметь те же самые преимущества, что и преимущества, описанные в связи с одним или несколькими признаками способа.
В настоящем изобретении, включение предпочтительно является непрерывным включением в течение периода возбуждения, причем период возбуждения содержит или состоит из одного или нескольких первых периодов и одного или нескольких вторых периодов. Непрерывное включение является единственным событием включения. Таким образом, электрические сигналы возбуждения выполнены с возможностью содержать по меньшей мере первый электрический сигнал возбуждения и второй электрический сигнал возбуждения в течение периода возбуждения непрерывного включения. Таким образом, электрический сигнал возбуждения для единственного включения может стать самокомпенсирующимся. Таким образом, любой дисбаланс зарядов в EAP-материале, вызываемый первым электрическим сигналом включения, может быть скомпенсирован вторым электрическим сигналом возбуждения в течение периода возбуждения. Таким образом, любое следующее единственное включение будет начинаться из скомпенсированной ситуации. Компенсация может быть выполнена описанными выше путями определения первого и второго электрических сигналов. Таким образом, это означает, что может быть обеспечено, чтобы не было почти никакого разделения зарядов в конце каждого цикла включения. Числа фаз каждой полярности в течение единственного цикла включения могут быть равными.
В настоящем изобретении, применяемом к единственному событию включения, первый электрический сигнал возбуждения и второй электрический сигнал возбуждения предпочтительно следуют друг за другом таким образом, что после перехода от первого электрического сигнала возбуждения ко второму электрическому сигналу возбуждения или наоборот, включение не изменяется более чем на значение, выбираемое из группы, состоящей из: 50%, 20%, 10%, 5%, 2% 1%, и 0%. Чем быстрее будет переключение с первого электрического сигнала возбуждения на второй электрический сигнал возбуждения или наоборот, тем меньшее изменение состояния включения будет, в общем, вызвано. Следовательно, включение может оставаться более точным во время компенсации, и вибрации могут быть минимизированы.
В настоящем изобретении, применяемом к единственному событию включения, сигнал возбуждения может содержать первое множество первых электрических сигналов возбуждения и второе множество вторых электрических сигналов возбуждения, причем первое и второе множество сигналов возбуждения вместе образуют переменный сигнал с первыми электрическими сигналами возбуждения и вторыми электрическими сигналами возбуждения, чередующимися во времени. Таким образом, в течение периода возбуждения существует переменный сигнал. Таким образом, EAP могут быть возбуждены до стабильного состояния включения переменным сигналом, возбуждение которого обеспечивает компенсацию. Число чередований на каждый период возбуждения предпочтительно является как можно большим. Оно может быть, например, большим или равным, чем: 5, 10, 50, 100, 500, 1000, 5000, 10000. Частота переключения может быть большей, чем механическая релаксация EAP-структуры (с электродами или без них). Поскольку типичные исполнительные EAP-устройства могут быть механически включены из статического состояния в квазистатическое состояние с частотой вплоть до килогерцового диапазона (хотя и с ограниченной амплитудой), пригодные частоты инверсии сигналов возбуждения будут по меньшей мере в 2 раза большими этой частоты и, более предпочтительно, будут еще большими (например, в 5, 10, 50, 100 или даже 500 раз больше).
В настоящем изобретении, применяемом к множественным отдельным событиям включения, включение может содержать первое непрерывное включение и второе непрерывное включение, взаимно разделенные по меньшей мере периодом покоя, и причем первый электрический сигнал возбуждения (который появляется в первом периоде) способствует первому непрерывному включению, и второй электрический сигнал возбуждения (который появляется во втором периоде) способствует второму непрерывному включению. Снова, непрерывное включение означает единственное событие включения, т.е. событие включения, которое по меньшей мере не возвращается к нулевому включению ни через какой период времени. Период покоя является периодом, в течение которого нет включения.
В настоящем изобретении, для множества первых непрерывных включений и множества вторых непрерывных включений, за одним или множеством первых электрических сигналов возбуждения следуют один или множество вторых электрических сигналов возбуждения и/или наоборот. Множество первых электрических сигналов возбуждения может быть заданным числом. Таким образом, полярность переключается после множества первых и вторых электрических сигналов. В предельном случае, может быть только одно переключение полярности в течение срока службы устройства. Или, более предпочтительно, полярность переключается более часто, например, после каждого (сигнала) непрерывного включения. Таким образом, накопление зарядов уменьшается, поскольку изменение полярности осуществляется каждый раз, когда на устройство подается управляющий сигнал.
В настоящем изобретении способ может содержать:
- этап определения для одного или нескольких первых электрических сигналов возбуждения в течение заданного интервала времени одной или нескольких из следующих характеристик:
- их числа;
- одного или нескольких уровней сигналов;
- одного или нескольких первых периодов возбуждения;
- одного или нескольких интегралов разности напряжений по времени;
- в зависимости от одной или нескольких определенных характеристик, этап настройки одной или нескольких из тех же самых характеристик для одного или нескольких вторых электрических сигналов возбуждения, следующих в течение заданного интервала времени.
Таким образом, активное определение будущих сигналов в любой момент времени для улучшенной компенсации может быть основано на обратной связи с предыдущими включениями. Следовательно, компенсация может быть обеспечена даже тогда, когда необходимы изменяющиеся включения для изменяющихся ситуаций. Это облегчает применение настоящего изобретения ко многим устройствам. Устройство может иметь компьютер и память для хранения одного или нескольких вышеупомянутых элементов данных о предыдущих включениях.
Обеспечивается компьютерный программный продукт, содержащий машиночитаемый код, который хранится или может храниться на машиночитаемом носителе, или может загружаться из сети связи, причем это код, при исполнении на компьютере, может вызывать или вызывает исполнение этапов любого из способов, заявленных в пунктах 1-12 формулы изобретения. Способ настоящего изобретения может быть реализован в программном средстве, которое способно управлять возбудителем исполнительного устройства таким образом, чтобы EAP-структура исполнительного устройства вела себя необходимым образом.
Как упомянуто выше, настоящее изобретение может быть реализовано в исполнительном устройстве, содержащем:
- электродную систему (10 и 12), содержащую первый электрод (10) и второй электрод (12), причем электродная система предназначена для приема электрического сигнала возбуждения для обеспечения с его помощью разности напряжений между первым электродом и вторым электродом;
- электроактивную полимерную структуру (14) для обеспечения включения в ответ на разность напряжений;
- возбудитель (20) для подачи электрического сигнала возбуждения на электрод, причем электрический сигнал возбуждения содержит:
- первый электрический сигнал возбуждения в первом периоде, для обеспечения того, чтобы разность напряжений имела первую полярность в первом периоде; и
- второй электрический сигнал возбуждения во втором периоде, отличном от первого периода, для обеспечения того, чтобы разность напряжений имела вторую полярность, отличную от первой полярности, во втором периоде. Это устройство является предпочтительным, поскольку оно может выполнить способ настоящего изобретения. Возбудитель устройства выполнен с возможностью обеспечения всех электрических сигналов возбуждения, определенных здесь выше. Следовательно, все признаки этапов способа могут быть использованы для определения возбудителя устройства. Также, это устройство будет иметь более точное включение и/или больший срок службы, поскольку будут скомпенсированы отрицательные эффекты, ухудшающие материал.
В устройстве настоящего изобретения возбудитель может быть предназначен для переключения электрического сигнала возбуждения с первого электрического сигнала возбуждения на второй электрический сигнал возбуждения или наоборот по меньшей мере один раз в течение периода возбуждения непрерывного включения. Снова, в отношении соответствующего пункта формулы изобретения на способ, это означает, что может не существовать почти никакого разделения зарядов в конце каждого цикла включения. Это обеспечивает очень сильно увеличившуюся свободу использования, поскольку компенсация может происходить в течение каждого отдельного события включения независимо от того, являются ли такие события включения одинаковыми или разными. Числа фаз каждой полярности в течение единственного цикла включения могут быть равными.
В устройстве настоящего изобретения по меньшей мере первый электрод может содержать два отдельных электродных сегмента, и возбудитель предназначен для обеспечения отдельных электрических сигналов возбуждения, причем отдельные электродные сегменты выполнены с возможностью приема отдельных электрических сигналов возбуждения и обеспечения разности напряжений на разных участках электроактивной полимерной структуры. Отдельные электродные сегменты могут быть, таким образом, отдельно адресуемыми. В случае такого устройства, включение EAP-структуры разделяется по разным участкам EAP-структуры, и может быть использовано дифференцированное переключение между участками для минимизации искажений, привносимых переключением. Отдельные электрические сигналы возбуждения не обязательно должны быть идентичными, но во многих случаях они являются идентичными. В любом случае, они должны быть поданы на электроды таким образом, чтобы по меньшей мере один первый период одного из отдельных сигналов частично или полностью перекрывался во времени с одним вторым периодом другого из отдельных сигналов. Таким образом, электродная система может содержать по меньшей мере два сегмента, каждый из которых предназначен для приложения электрического поля к отличному участку слоя электроактивного полимера, причем возбудитель выполнен с возможностью подачи сигналов противоположных полярностей по меньшей мере на упомянутые по меньшей мере два сегмента. Этот подход может уменьшить нежелательные изменения деформации, которые являются следствием переключения, в течение сигнала возбуждения единственного события включения, который может быть, таким образом, переменным сигналом.
В настоящем изобретении для события непрерывного включения, электродная система и электроактивная полимерная структура включают в себя исполнительный блок, причем устройство содержит по меньшей мере два отдельных исполнительных блока, каждый из которых способствует его включению для обеспечения одного и того же выходного действия устройства, и возбудитель предназначен для обеспечения отдельных электрических сигналов возбуждения для разных блоков из упомянутых по меньшей мере двух отдельных исполнительных блоков. Отдельные исполнительные блоки могут быть или не быть идентичными. Они могут быть как изгибными исполнительными блоками, так и исполнительными блоками линейного расширения, или их комбинацией. Может быть обеспечено более двух таких блоков. Отдельные электрические сигналы возбуждения, снова, могут обеспечить несинфазное возбуждение и/или переключение, описанное для устройства с сегментированными электродами. Следовательно, во время переключения одного из блоков, уменьшение или потеря его выходного действия включения может приниматься на себя или компенсироваться выходным действием другого блока таким образом, чтобы это оказывало минимальное влияние на единое выходное действие устройства.
В устройствах с множественными сегментами или с множественными исполнительными блоками, возбудитель может быть предназначен для обеспечения разных электрических сигналов возбуждения таким образом, чтобы переключение с первого электрического сигнала возбуждения на второй электрический сигнал возбуждения для разных электрических сигналов возбуждения происходило несинфазно. Если момент перехода с первого периода электрического возбуждения на второй период электрического возбуждения или наоборот будет отличным для разных сегментов или исполнительных блоков, то тогда стабилизация включения будет улучшена после такого переключения.
Возбудитель может быть предназначен для переключения с первого электрического сигнала возбуждения на второй электрический сигнал возбуждения или наоборот между периодами возбуждения непрерывного включения и:
- после одного или нескольких первых электрических сигналов возбуждения, и/или
- после одного или нескольких вторых электрических сигналов возбуждения.
В одном примере, возбудитель выполнен с возможностью переключения полярности после множества первых электрических сигналов возбуждения и/или после множества вторых электрических сигналов возбуждения. В предельном случае, может быть только одно переключение полярности в течение срока службы устройства. Более предпочтительно, возбудитель выполнен с возможностью переключения полярности более часто, например, после каждого (сигнала) непрерывного включения. Таким образом, накопление зарядов уменьшается, поскольку изменение полярности осуществляется каждый раз, когда на устройство подается управляющий сигнал.
Возбудитель может содержать:
- источник электропитания для генерирования электрических сигналов первой полярности и второй полярности для использования в электрическом сигнале возбуждения; или
- источник электропитания для генерирования электрических сигналов по меньшей мере первой полярности или по меньшей мере второй полярности для использования в электрическом сигнале возбуждения, и переключающую систему для переключения подачи электрического сигнала возбуждения на электродную систему. В случае переключении упомянутой подачи, может быть обеспечено переключение с первой полярности на вторую полярность или наоборот.
Возбудитель может содержать генератор сигналов для генерирования сигналов противоположных полярностей. Альтернативно, возбудитель может содержать генератор сигналов для генерирования сигналов единственной полярности и переключающую систему для подачи выходного сигнала возбудителя на электродную систему. Эти варианты обеспечивают альтернативные пути подачи сигналов противоположных полярностей на EAP-слой. При использовании переключающего блока может быть использован более простой и дешевый генератор сигналов.
Устройство настоящего изобретения может содержать процессор и память, причем память может иметь хранимый в ней компьютерный программный продукт настоящего изобретения, и процессор предназначен для исполнения компьютерного программного продукта для управления возбудителем. Процессор может быть полупроводниковым процессором, таким как центральный процессор и т.д. Память может быть памятью RAM или ROM любого типа, к которой может обращаться процессор.
Меры для модификации, описанные для системы или устройства, могут быть использованы для модификации соответствующего способа. Такая модификация может иметь те же самые преимущества, что и преимущества, описанные для заявленной или описанной системы или устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры настоящего изобретения будут теперь подробно описаны со ссылкой на сопутствующие схематичные чертежи, в которых одинаковые ссылочные позиции представляют одни и те же признаки, и в которых:
Фиг. 1 показывает известную электроактивную полимерную структуру, которая не скреплена, для линейного включения в плоскости;
Фиг. 2 показывает известную электроактивную полимерную структуру, которая ограничена опорным (несущим) слоем для изгибного включения;
Фиг. 3 показывает основную компоновку исполнительного устройства, включающего в себя соединение возбудителя.
Фиг. 4А-4Е показывают схемы возбуждения с разностью напряжений или инверсией сигнала между отдельными событиями включения;
Фиг. 5A и 5D показывают схемы возбуждения с разностью напряжений или инверсией сигнала в течение единственных отдельных событий включения;
Фиг. 6A и 6В, соответственно, показывают вид сверху и сечение, перпендикулярное виду сверху и взятое по линии 65, электроактивной полимерной структуры с компоновкой с чередующимися электродами;
Фиг. 6C-6E показывают схемы возбуждения для отдельных электрических сигналов возбуждения, в которых переключение между полярностями разностей напряжений происходит несинфазно.
Фиг. 6F показывает исполнительное устройство, имеющее два отдельных блока, каждый из которых имеет электродную систему и электроактивную полимерную структуру, причем включения обоих блоков способствуют одному единственному выходному действию устройства.
Фиг. 7 показывает форму сигнала возбуждения, подаваемого в качестве экспериментальной демонстрации эффекта использования биполярной формы сигнала возбуждения (сигналы с первой и второй полярностями), в сравнении с униполярной формой сигнала возбуждения (разность напряжений только одной полярности);
Фиг. 8 сравнивает первые 10 циклов униполярного (разность напряжений только одной полярности) возбуждения со следующими 10 циклами биполярного возбуждения (сигналы с первой и второй полярностями); и
Фиг. 9 сравнивает следующие 10 циклов униполярного (разность напряжений только одной полярности) возбуждения со следующими 10 циклами биполярного возбуждения (сигналы с первой и второй полярностями).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение включает в себя инвертирование направления прикладываемого к EAP электрического поля посредством инвертирования разности напряжений между электродами (изменения полярности напряжения), на которые подаются сигналы возбуждения, причем электроды выполнены с возможностью обеспечения электрического поля по меньшей мере на части электроактивной полимерной структуры. Инвертирование происходит по меньшей мере один раз в течение срока службы устройства. В предельном случае, может быть только одно изменение полярности напряжения посередине срока службы устройства. Предпочтительно, для более практической реализации настоящего изобретения, инвертирование выполняется много раз в течение срока службы устройства. Это может осуществляться с регулярными интервалами времени в течение срока службы устройства, или в течение некоторого (заданного или основанного на обратной связи с предыдущими данными) периода времени или цикла включения устройства. Инверсии могут осуществляться между отдельными событиями включения и/или в течение события включения. Число инверсий и сигналы возбуждения, необходимые для конкретного устройства, будут зависеть от поведения дрейфа кривой выходного действия возбуждения-включения устройства, а также от обстоятельств включения во время использования устройства. Возбуждение может настраиваться в зависимости от устройства. Это может потребовать возбуждения устройства с использованием униполярной (разность напряжений с одной единственной полярностью) схемы сигналов возбуждения для наблюдения характеристик дрейфа и затем настройки и регулировки возбуждения с использованием биполярной (с использованием разностей напряжений разных полярностей) схемы возбуждения согласно настоящему изобретению. Настройка затем происходит таким образом, чтобы биполярная схема возбуждения обеспечивала требуемое механическое включение, которое могло бы быть получено с использованием униполярной схемы сигналов возбуждения, но с уменьшенным или даже отсутствующим дрейфом кривой возбуждения-включения. Эти данные калибровки могут храниться в справочной таблице, используемой во время фактического использования устройства. Могут быть использованы многие биполярные схемы сигналов возбуждения согласно настоящему изобретению, но только некоторые из них будут описаны здесь ниже для более подробного разъяснения настоящего изобретения. Возбудители для обеспечения сигналов возбуждения и схемы возбуждения могут быть возбудителями напряжения и возбудителями тока, поскольку они являются пригодными для обеспечения электрических полей (посредством разностей напряжений) в предпочтительных EAP. Некоторое количество пригодных EAP будет также описано здесь ниже.
Настоящее изобретение применимо к исполнительным устройствам, которые имеют электроактивную полимерную структуру, включающую в себя EAP-материал, причем эта структура способна обеспечить механическое включение после подвергания по меньшей мере части EAP-материала воздействию электрического сигнала возбуждения. Механическое включение основано на способности EAP вызывать деформацию структуры при подаче электрического сигнала возбуждения. Могут быть разработаны многие разные такие структуры и устройства, но только некоторые иллюстративные структуры и устройства будут описаны здесь ниже. Тем не менее, настоящее изобретение может быть применено ко всем исполнительным устройствам на основе EAP или другим полимерным исполнительным устройствам, которые возбуждаются с использованием напряжений и которые демонстрируют подобные эффекты релаксации.
Фиг. 1 и 2 показывают иллюстративные структуры исполнительных устройств на основе EAP, которые могут быть использованы в исполнительных устройствах согласно настоящему изобретению. Иллюстративное исполнительное устройство, включающее в себя возбудитель, показано на фиг. 3.
В то время как структуры фиг. 1 и 2 были описаны во введении к этой заявке, фиг. 3 показывает устройство, имеющее исполнительную структуру в виде EAP-слоя 14 с постоянной толщиной по всей структуре, расположенного между электродами 10 и 12, прикрепленными к EAP-слою 14. Это могут быть любые из структур фиг. 1 и 2, или любые другие структуры, при необходимости. В этом случае, электродная система является частью EAP-структуры и прикреплена к ней, но это не обязательно должно быть так всегда. EAP в этом случае является диэлектрическим эластомером. Электрод 10 заземлен (с нулевым потенциалом или напряжением) для обеспечения начала отсчета, и электрод 12 соединен с выходом возбудителя 20, который способен обеспечить электрический сигнал возбуждения в виде изменяющихся, переменных или настраиваемых уровней напряжения в течение предопределенных или настраиваемых периодов времени. Соединение с землей может быть общим отдельным соединением с землей (не показано), но в этом случае оно обеспечивается другим выходом возбудителя, который, в свою очередь, имеет внутреннее соединение с общей землей (например, розетки). Возбудитель 20 может, и в этом случае включает в себя источник напряжения (отдельно не показан) или генератор сигналов напряжения, который способен обеспечить положительные (например, с первой полярностью) и отрицательные (например, со второй полярностью) сигналы напряжения. Альтернативно, может быть использован и соединен с возбудителем отдельный источник напряжения. Возбудитель содержит переключающий блок, либо внутри, как показано, либо снаружи, для использования напряжений источника напряжения для генерирования электрических сигналов возбуждения, подаваемых на электродную систему.
Возбудитель выполнен с возможностью подачи сигналов возбуждения с биполярными уровнями напряжений на электрод 12 таким образом, что уровни напряжений вместе с сигналом заземления определяют разности напряжений с соответствующими положительной (первой полярностью) или отрицательной (второй полярностью) полярностями (и, следовательно, направлениями электрического поля) между электродами. Либо электрод 12, либо электрод 10 может быть использован в качестве начала отсчета для определения знака полярностей (направления электрического поля). В этом случае, полярности определяются относительно заземленного электрода в виде разности между сигналом на электроде 12 и сигналом заземления. Любое другое опорное напряжение может быть также использовано, поскольку уровни напряжений сигнала возбуждения настраиваются затем таким образом, что разность напряжений содержит положительные и отрицательные разности напряжений относительно, например, опорного электрода.
Специалистам в данной области техники следует понимать, что разности напряжений могут быть также сгенерированы с использованием сигналов возбуждения, подаваемых на оба электрода, снова, поскольку они составлены таким образом, что разности напряжений вызывают изменение полярности относительно одного выбранного опорного электрода согласно требованиям настоящего изобретения (по меньшей мере один раз в течение срока службы исполнительного устройства), примеры которого приведены здесь ниже.
Фиг. 4 и 5 показывают электрические сигналы возбуждения согласно настоящему изобретению для двух ситуаций. Хотя существуют и другие сигналы, они служат для объяснения общего применения настоящего изобретения. Фиг. 4А-Е используются для объяснения того, как настоящее изобретение может быть использовано для множественных последовательных отдельных включений с периодом покоя (который является периодом без какого-либо включения) между ними, в то время как фиг. 5A-D служат для объяснения реализации настоящего изобретения в течение одного и того же включения.
На фиг. 4, электрический сигнал 40 возбуждения (также называемый формой сигнала) включает в себя положительный сигнал/импульс 45 напряжения (первый электрический сигнал возбуждения) в течение первого периода 41, за которым следует второй отрицательный сигнал/импульс 46 напряжения (второй электрический сигнал возбуждения) в течение второго периода 43. Эти импульсы определяют отдельные события включения, и, таким образом, между ними существует период 47 покоя с нулевым напряжением. Таким образом, в электрическом сигнале 40 возбуждения существуют два независимых включения, использующие биполярную схему напряжения. Период покоя может быть длительным или коротким, даже таким коротким, как нулевой интервал времени. Между импульсами 45 и 46 могут происходить другие события, но они не показаны для ясности. С целью объяснения оптимального эффекта настоящего изобретения предполагается, что оба импульса 45 и 46 являются идентичными по абсолютному значению уровня напряжения и первому и второму периоду, но это не обязательно тот случай, когда настоящее изобретение обеспечивает по меньшей мере некоторый эффект улучшения.
Импульс 45 вызовет некоторое механическое включение (непрерывное включение) в течение первого периода 41 (выходное действие механического включения не показано для ясности). Это означает, что в течение периода 41 состояние включения EAP-структуры может изменяться, но не возвращается в состояние нулевого включения. Только после импульса 45, структура исполнительного устройства релаксирует обратно в ее невключенное состояние или состояние покоя, чтобы она была готова подвергнуться второму включению с использованием импульса 46.
В способах предшествующего уровня техники, после такой релаксации до состояния нулевого включения, второе подобное механическое включение может быть обеспечено посредством подачи второго импульса 45, вызывающего разность напряжений той же самой полярности, что и полярность первой разности напряжений. Это приводит к накапливающемуся дрейфу кривой возбуждения-включения. Это дополнительно объясняется со ссылкой на фиг. 7.
Согласно первой реализации настоящего изобретения, второе включение теперь обеспечивается тем, что после первого импульса 45, полярность сигнала возбуждения реверсируется, и на устройство подается импульс 46. Следует отметить, что хотя напряжение имеет разные полярности, включение будет происходить в одном и том же направлении, поскольку включение зависит только от величины напряжения (поля) и не зависит от полярности (направления поля). Таким образом, импульс 46 приведет к тому же самому включению, что и включение, полученное с использованием импульса 45, но с использованием импульса, который будет противодействовать мешающим эффектам, вызванным импульсом 45, как описано выше. Следовательно, после сигнала возбуждения со сдвоенными импульсами фиг. 4А, кривая возбуждения-включения будет демонстрировать меньший дрейф, чем в случае сигнала возбуждения со сдвоенными импульсами предшествующего уровня техники, составленного из двух последовательных импульсов с идентичной полярностью.
Исполнительным устройством, таким образом, можно управлять с использованием сигналов возбуждения, причем для каждого события включения (непрерывного включения) можно использовать сигнал возбуждения с противоположной полярностью.
Величина компенсации дрейфа зависит от некоторого количества параметров, среди которых находятся, например, используемые уровни напряжения, используемые периоды возбуждения, число и частота повторения используемых импульсов и т.д. Все они могут настраиваться в соответствии с практическими ситуациями, требующими разных схем включения. Настройки могут быть выполнены заданным способом (с использованием, например, калибровки, описанной здесь выше) или с использованием механизма обратной связи, использующего предыдущие данные о возбуждении с этими параметрами. Некоторые возможности для эффективного осуществления этого будут описаны ниже.
Не углубляясь в теорию, один важный мешающий эффект материала первого порядка может появляться вследствие движения зарядов или диполей внутри EAP-структуры под влиянием приложенного электрического поля (сигнала возбуждения напряжения, подаваемого на EAP-слой данной толщины). Поскольку скорость таких движений задается произведением (подвижность зарядов/ диполей) * (напряженность электрического поля), время инверсии (время, после которого необходима инверсия полярности разности напряжений) должно уменьшаться, когда напряженность электрического поля увеличивается. Это преобразуется в ситуацию, в которой после импульса с высоким уровнем напряжения и первой длительностью, должен следовать импульс с низким уровнем напряжения, но большей длительностью, или наоборот, для обеспечения компенсации.
Для типичных EAP-полимеров, подвижность электронов находится обычно между 1e-11 м2/Вс и 1e-13 м2/Вс, и напряженность электрического поля находится обычно между 10В/мкм и 150В/мкм. Предпочтительные времена инверсии будут тогда составлять порядка 1 секунды (например, будут находиться в диапазоне от 10 миллисекунд до 10 секунд) для компенсации эффектов подвижности первого порядка.
Подвижные заряды также захватываются на примесях в EAP-материалах и поверхностях кристаллитов, как, например, в PVDF-содержащих полимерах, что приводит к ограниченной подвижности и накоплению зарядов в местах захватывания. Заряды, накопившиеся в этих местах захватывания, могут приводить к преждевременному электрическому пробою вследствие их высоких концентраций в этих местах. Также, заряды, захватываемые в этих местах, остаются относительно стабильными, даже после удаления поля, в результате чего обеспечивается их накопление на протяжении повторяющихся дискретных включений. Если полярность реверсируется, то захваченные в глубине заряды вынуждаются рекомбинировать, что освобождает полимер от избыточных накопленных зарядов на протяжении больших промежутков времени.
Возбуждение с инверсией также является эффективным на протяжении больших промежутков времени, таких как минуты или часы (в отношении возбуждаемых постоянным током (DC) исполнительных устройств). Отсюда очевидно, что некоторый вид уравновешивания импульсов противоположных полярностей относительно уровней сигналов, и/или длительностей сигналов и/или числа повторений может быть тогда осуществлен многими путями и будет производить положительный эффект.
Возвращаясь к примерам фиг. 4, нижеследующие изменения могут быть использованы с преимуществом. Таким образом, возбудитель может переключать полярность импульсов после каждого отдельного события включения таким образом, чтобы за импульсом 45 всегда следовал импульс 46 или наоборот, и чтобы между ними не было никаких других событий включения. Сигнал 42 возбуждения фиг. 4В показывает такую серию или последовательность импульсов (включений) с чередующимися первым 45 и вторым 46 электрическими сигналами возбуждения для реализации настоящего изобретения. Периоды покоя, такие как период 47 покоя, между событиями включения (импульсами) присутствуют, но не указаны для ясности.
Альтернативно, возбудитель может переключать сигнал возбуждения таким образом, чтобы полярность напряжения реверсировалась после кратного числа сигналов 46 возбуждения одной и той же полярности, как, например, в случае сигнала 44 возбуждения Фиг. 4С. Полярность переключается после 2 импульсов 46. Снова, любые периоды покоя между включениями опущены для ясности.
Другая последовательность включений на основании сигнала 48 возбуждения показана на фиг. 4D в виде 3 импульсов (3 включений) 45, за которыми следуют 3 импульса (3 включения) 46. Снова, любые периоды покоя между включениями опущены для ясности.
Хотя последовательности импульсов в схемах 42, 44 и 48 являются разными, эффекты компенсации будут сравнимыми или даже идентичными, поскольку числа импульсов 45 и 46 являются одинаковыми. В частности, это может быть так, если импульсы 45 и 46 будут идентичными, не считая их знака.
В приведенных выше примерах предполагалось, что импульсы имеют одинаковую длительность (период 41 или период 43) и амплитуду (абсолютное значение). Таким образом, в этом случае спаривание импульсов 46 и 45 в пределах любой последовательности импульсов обеспечит хорошее равновесие для уменьшения недостатков, связанных с эффектами зарядки/релаксации. Предпочтительно, спаривание осуществляется с использованием последовательных импульсов 45 и 46, как в описанных выше сигналах возбуждения. Фиг. 4D показывает сигнал 48 возбуждения в случае спаривания импульсов только после каждых трех подобных последовательных импульсов 45 и 46.
Таким образом, хотя формы сигналов фиг. 4A-4D показывают разные числа инверсий полярности (1 на фиг. 4A и 4D, 3 на фиг. 4B и 2 на фиг. 4C), вторые две инверсии в форме 44 сигнала имеют измененный порядок, обеспечиваемый таким образом, чтобы на протяжении всего периода времени форм сигналов импульсов 45 было столько же, сколько импульсов 46.
Уравновешивание числа положительных импульсов и числа отрицательных импульсов является, таким образом, предпочтительным для уменьшения эффектов зарядки-релаксации. Снова, на чертежах показано, что импульсы имеют одинаковые амплитуды и длительности, но они могут быть разными.
Последовательности во всех формах 40, 42 44 и 48 сигналов могут повторяться или изменяться с реверсированием и т.д. Может быть выбран заданный интервал времени, в течение которого будет контролироваться предыстория импульсов в отношении их числа, уровней напряжения, длительностей периодов и других характеристик. Переключения полярностей могут быть затем реализованы на основе предыстории. Например, это может быть реализовано таким образом, чтобы равные числа импульсов разных полярностей присутствовали в заданном интервале.
Могут быть использованы многие другие последовательности, реализующие принцип возбуждения с инверсией по меньшей мере один раз на протяжении выбранного интервала времени, который в предельном случае может быть сроком службы устройства, но предпочтительно является более коротким.
В приведенных выше примерах предполагалось, что длительность импульса и абсолютный уровень сигнала являются идентичными. В ситуациях реальной жизни это может быть не всегда практичным, поскольку могут потребоваться разные включения. Таким образом, например, может потребоваться, чтобы первое включение было отличным от второго включения, что достигается отличными уровнями сигналов возбуждения, например, для получения отличных уровней включения, и т.д. Снова, простая инверсия полярности напряжения будет производить свой эффект. Таким образом, даже если бы на фиг. 4A-4D импульсы 45 имели абсолютные уровни сигнала, отличные от абсолютных уровней сигнала импульсов 46, то инверсия улучшила бы дрейф по сравнению с любым возбуждением без инверсии.
Однако в случае, когда напряжения разных включений должны быть разными, дополнительное улучшение может быть обеспечено также настройкой длительностей импульсов. Это обеспечивается с использованием разъясненного выше принципа движения зарядов или других эффектов релаксации, зависящих не только от уровня сигнала, но и от длительности сигнала. Таким образом, сигнал 49 возбуждения фиг. 4Е показывает импульс 45 с первым периодом 41, более коротким, чем второй период 43 импульса 46. Для компенсации различия в периоде, уровень напряжения периода 46 выбран меньшим, чем уровень напряжения импульса 45.
Инверсии полярности могут быть осуществлены после заданных интервалов времени. Например, время инверсии может быть меньшим, чем время, требуемое для того, чтобы заряды переместились с одной стороны EAP-слоя на другую его сторону, что может случаться, если EAP-слои являются тонкими, как и в случае EAP, поскольку напряжения возбуждения масштабируются толщиной этого слоя. Таким образом, напряжения возбуждения могут поддерживаться относительно низкими (вследствие малой толщины EAP), в то время как максимальное расстояние разделения зарядов может быть уменьшено и может поддерживаться меньшим, чем размер толщины устройства. Это особенно полезно, если инверсия используется в течение единственного события включения.
В более общей форме компенсации, импульсы выбирают и организуют таким образом, чтобы площадь под кривой зависимости напряжения от времени импульсов одной полярности в течение некоторого периода времени соответствовала площади под кривой зависимости напряжения от времени импульсов другой полярности в течение того же самого периода времени. Этот эффект можно улучшить для данного периода времени улучшенным уравновешиванием интегралов уровней сигналов возбуждения (абсолютного значения разностей напряжений) для противоположных разностей напряжений по их соответствующим длительностям в течение этого периода. Такой интеграл может быть вычислен с использованием по меньшей мере пары сигналов включения противоположных полярностей (например, пары импульсов 45 и 46 на фиг. 4A-4E), или он может быть вычислен для каждого (заданного) интервала времени.
Реверсирование полярности реверсирует движение заряженных или поляризованных частиц, в результате чего величина созданного заряда или созданного внутреннего поля - по меньшей мере в некоторой степени - уменьшается.
Период времени между инверсиями напряжений и, таким образом, электрического поля может быть значительно меньшим, чем срок службы устройства. Например, перед каждым изменением полярности может быть установленное число включений.
В приведенных выше примерах существовало время, в течение которого исполнительная структура релаксировала в свое невключенное состояние между отдельными включениями. Эта релаксация происходит вследствие того факта, что когда разность напряжений уменьшается до нуля, до нуля уменьшается число зарядов на электродах, соответствующая напряженность электрического поля, приложенного между ними и по толщине EAP-материала, и, следовательно, соответствующее включение. Однако вследствие временных задержек реакции включения, исполнительное устройство может не во всех ситуациях релаксировать обратно полностью в свое «выключенное» состояние, т.е. в свое механически не включенное состояние или невозбужденное состояние. Величина релаксации будет зависеть от скорости механической релаксации (постоянной времени механической релаксации) и от времени, предоставляемого для релаксации (определяемого электрической постоянной времени). Последнее зависит от скорости изменения электрического поля, т.е. заряда (т.е. скорости изменения напряжения (или скорости изменения тока)) и полного сопротивления системы. Это различие постоянных механической и электрической релаксации может быть использовано настоящим изобретением.
Скорость изменения заряда (скорость обновления) и скорость инверсии полярности напряжения могут быть, таким образом, выбраны (посредством электрической схемы на основе полного сопротивления) таким образом, чтобы они были достаточно большими для того, чтобы релаксация механического состояния включения была неполной, очень малой или даже отсутствовала во время переключения полярности разности напряжений (например, после перехода от импульса 45 к импульсу 46 и т.д.).
Таким образом, в то время как примеры фиг. 4A-E используют инверсию полярности между отдельными событиями включения, т.е. между событиями включения с первым интервалом времени и со вторым интервалом времени, и могут быть короткие (почти нулевой длительности) и длительные периоды покоя между последовательными событиями включения (таким образом, между импульсами противоположных полярностей), настоящее изобретение можно также применить в ходе единственного события включения. Это может фактически соответствовать ситуации, в которой инверсия импульсов является настолько быстрой, что механическая релаксация EAP-структуры не может следовать или не полностью следует за инверсией, так что состояние включения остается по существу одним и тем же в течение первого периода и второго периода, или по меньшей мере не возвращается к нулевому включению.
Преимущество этого состоит в том, что компенсации, обеспечиваемые настоящим изобретением, могут быть осуществлены в одном и том же событии включения таким образом, что для компенсации не потребуется никаких спариваний и отслеживаний предыдущих включений, описанных в связи с примерами фиг. 4A-E, описанными выше.
Например, время нулевого напряжения между фактическими импульсами может быть нулевым, и/или фронты импульсов могут быть крутыми. Для этого, возбудитель и/или электродная система вместе с EAP-структурой (электрическая емкость и/или сопротивление) могут настраиваться согласно общей электрической теории. Тогда реверсирование напряжения может быть выполнено к началу второго периода времени без значительного или полного изменения релаксации включения, обеспеченного в течение первого периода времени. Предпочтительно, с использованием этого способа обеспечиваются изменения включения, меньшие, чем 50%, 20%, 10%, 5%, 2%, 1%, или 0%. Следовательно, одно состояние механического включения может поддерживаться с использованием схемы возбуждения переменного сигнала. Этому эффекту, конечно, способствовало бы то, если бы напряженность электрического поля (и, таким образом, амплитуда напряжения при постоянной толщине EAP-слоя) была одинаковой для обеих полярностей напряжения, таким образом, чтобы одинаковый уровень напряжения включения обеспечивался при двух противоположных полярностях. Это также ограничивает вибрации вследствие реверсирований полярности.
Иллюстративные схемы возбуждения показаны посредством сигналов возбуждения фиг. 5A-D, используемых, например, с устройством фиг. 3. В течение одного периода 57 непрерывного включения (периода непрерывного включения), существует импульс 55 с первым периодом 51 и импульс 56 с периодом 53, причем эти импульсы имеют инвертированные полярности. Импульсы следуют друг за другом так быстро, что механическое включение не нарушается после инверсии (или по меньшей мере не возвращается к нулю).
В форме 50 сигнала фиг. 5А, дрейф, создаваемый в течение импульса 55, будет компенсироваться в течение импульса 56. Создание и точность компенсации могут быть увеличены посредством уменьшения периодов и использования множественных импульсов 55 и/или 56. Это обеспечивается, например, в случае схемы 52 возбуждения фиг. 5В. Она показывает форму сигнала переменного напряжения в течение интервала 57 времени, содержащую множество импульсов 55 с периодами 51 и множество импульсов 56 с периодами 53. Импульсов 55 имеется столько же, сколько импульсов 56. Таким образом, в случае формы сигнала переменного напряжения, может быть обеспечено подобное включение, но с меньшим абсолютным дрейфом для каждого первого и второго периода.
В этих случаях, и это предпочтительно, импульсы 55 и 56 снова являются одинаково большими в терминах абсолютного уровня и длительности, поскольку это обеспечивает наилучший эффект компенсации, но это не обязательно тот случай, когда настоящее изобретение обеспечивает некоторый эффект.
Как описано выше, улучшенная компенсация может быть обеспечена переменными сигналами. Таким образом, предпочтительно, импульсы 55 и 56 (а также 55' и 56') являются частью переменного сигнала с множественными длинами волн сигнала в одном интервале (57 или 57') времени включения. Следовательно, тогда на фиг. 5А может быть показана только одна длина волны такого переменного сигнала. В вышеупомянутых случаях каждое включение тогда содержит переменный сигнал, подаваемый на электроды таким образом, что общая разность напряжений между электродами чередуется. Разделение зарядов, таким образом, дополнительно уменьшается, и может быть обеспечено по существу нулевое разделение зарядов или другой дефект в конце каждого периода включения (каждого единственного события включения).
Таким образом, если механическое включение должно нарушаться как можно меньше, то тогда возбуждение может быть обеспечено возбуждением исполнительного устройства переменным сигналом возбуждения с частотой инверсии, значительно большей, чем скорость механического включения устройства. Поскольку типичные исполнительные EAP-устройства могут быть механически включены из статического состояния в квазистатическое состояние с частотой вплоть до килогерцового диапазона (хотя и с ограниченной амплитудой), пригодные частоты инверсии сигналов возбуждения будут по меньшей мере в 2 раза большими этой частоты и, более предпочтительно, будут еще большими (например, в 5, 10, 50, 100 или даже 500 раз больше).
В таких случаях, когда исполнительное устройство должно быть включено из своего положения равновесия (невозбужденного положения) в состояние включения, сначала может быть обеспечен сигнал возбуждения, который имеет частоту, достаточно низкую (возможно, режим постоянного тока) для того, чтобы исполнительное устройство механически деформировалось. Если требуемая деформация (включение) достигнуто, то низкочастотный сигнал преобразуют в высокочастотный сигнал с той же самой амплитудой, что и амплитуда низкочастотного сигнала, таким образом, чтобы при этой высокой частоте исполнительное устройство не могло релаксировать, и чтобы она в то же время соответствующим образом подавляла побочный эффект длительного включения. Иллюстративная схема 54 возбуждения показана на фиг. 4С. Первый импульс 55 является более длительным, чем другие импульсы, и этот импульс может быть использован в качестве квазистатического импульса. Его длительность и/или амплитуда могут быть настроены для обеспечения конкретного состояния включения, которое затем поддерживается остальной частью схемы 54, которая состоит из чередующихся импульсов 55 и 56.
Числа положительных и отрицательных импульсов в пределах каждого сигнала включения являются предпочтительно равными (или по меньшей мере почти равными), и это обеспечивается легче посредством увеличения частоты возбуждения. Снова, интегрирование площадей под кривой может быть использовано для управления равновесием положительных и отрицательных полярностей.
Частоты возбуждения могут быть откалиброваны посредством измерения выходного действия механического включения как функции формы сигнала (сигнал в форме меандра, синусоидальный, треугольный сигнал или другие сигналы), амплитуд и/или частот возбуждения, и сохранения одного или нескольких из этих параметров для конкретного выходного действия механического включения, которое должно быть достигнуто. Подход со справочной таблицей может быть затем использован для выбора подходящего сигнала возбуждения для генерирования требуемого выходного действия механического включения.
Переменный сигнал предпочтительно имеет форму меандра, поскольку это обеспечивает наименьшую деформацию, когда полярность меняется (после инверсии). Но могут быть использованы другие формы, такие как синусоидальные, треугольные, или смешанные формы. Переменные сигналы могут иметь постоянную амплитуду или изменяющуюся амплитуду во время включения.
В любом из вышеупомянутых случаев, компенсация в формах сигналов фиг. 5A-5D обеспечивается в течение одного события включения. Это обеспечивает то, что могут быть использованы взаимно отличающиеся события включения, каждое из которых является самокомпенсирующимся. Для оптимизации любой компенсации не требуется никакого отслеживания предыстории импульсов, или требуется минимальное отслеживание предыстории импульсов.
Фиг. 5D показывает два последовательных отдельных события включения, одно с периодом 57 включения и другое с периодом 57' включения. Между ними находится период покоя (не показан), подобный периоду 47 покоя фиг. 4А. Каждое из событий включения использует самокомпенсацию посредством инвертирования полярности напряжения по меньшей мере один раз. Таким образом, без потери эффекта компенсации, интервал 57' времени может быть теперь выбран отличным от интервала 57 времени. Также амплитуды импульсов могут быть разными для импульсов 55 и 55'. Следовательно, совершенно отдельные и независимые включения могут быть осуществлены почти с полной компенсацией недостатков, поскольку компенсация происходит во время каждого отдельного включения. Снова, форма переменного сигнала, использующая множество импульсов 55 и 56 для каждого периода возбуждения, может быть использована, как было описано со ссылкой на фиг. 5В.
При использовании инверсии поля в ходе единственного включения устройства, можно использовать настраиваемые устройства для улучшения механической стабилизации выходного действия устройства. Таким образом, если конкретный полимер имеет такую задержку в реакции включения, следующей за электрическим сигналом, что она не может следовать, например, за сигналом в форме меандра, то при изменении полярности может возникнуть нежелательная деформация. Эта нежелательная деформация может быть минимизирована с использованием до некоторой степени настраиваемых исполнительных устройств.
Один путь состоит в использовании устройства с сегментированными электродами, показанными на фиг. 6А и 6В, вместе с несинфазным возбуждением сегментированных электродов. Фиг. 6А показывает вид сверху EAP-структуры, содержащей два перемежающихся гребенчатых электрода 60, 62 в качестве электродных сегментов. Например, электрод 12 устройства фиг. 3 может быть таким перемежающимся гребенчатым электродом из-за того, что он содержит сегменты 60 и 62. Заземленный электрод 64 (электрод 10 на фиг. 3) находится под перемежающимися электродами 60 и 62, а также на другой стороне слоя 66 EAP-материала (который не показан для ясности на фиг. 6А). Таким образом, на фиг. 3 электрод 64 может быть представлен единственным совместно используемым электродом 10. Альтернативно, могут быть соответствующие электроды на каждой стороне EAP-слоя, причем в этом случае также электрод 64 может быть сегментирован (может перемежаться) (например, оба электрода 10 и 12 на фиг. 3 могут быть сегментированы). При использовании сегментированного электрода (электродов), примыкающие части 68 (для ясности показаны только две из них) EAP-материала покрыты перемежающимися частями гребенчатого электрода (электродов).
Сегментированные электроды предпочтительно являются значительно меньшими, чем общая площадь электрода, и равномерно и однородно распределены по всей площади исполнительного устройства. Однако в зависимости от конструктивных требований также могут быть использованы все виды других структурированных электродов с повторяющимися формами.
Устройство может теперь иметь возбудитель, который способен обеспечить электрические сигналы возбуждения согласно настоящему изобретению для каждого из разных сегментов. Эти электрические сигналы возбуждения могут быть затем обеспечены для разных сегментов таким образом, чтобы переключение полярности напряжения возбуждения могло быть осуществлено между сегментами несинфазно, а именно, чтобы один из них возбуждался с одной полярностью, в то время как другой сегмент возбуждался с противоположной полярностью по меньшей мере в течение части времени.
Первая иллюстративная схема возбуждения обеспечена на фиг. 6С, причем в ней в течение периода 57 возбуждения непрерывного включения верхняя кривая сигнала представляет электрический сигнал возбуждения, обеспечиваемый для первого сегмента 60, в то время как нижняя кривая сигнала представляет другой электрический сигнал возбуждения, обеспечиваемый для второго сегмента 62. Переключение обеспечивается таким образом, что в то время как один сегмент переключается с первой на вторую полярность, другой сегмент переключается со второй на первую полярность. Уровни и длительности сигналов в разных кривых (для разных сегментов) могут быть одинаковыми (что обеспечивает улучшенную стабильность) или разными (для изменения состояния включения).
На фиг. 6С переключение для обоих сегментов обеспечивается в фазе, но полярность на участках 68 сегмента 60 и 62 обеспечивается несинфазно.
В схеме сигнала возбуждения фиг. 6D, переключения для разных сегментов (на верхней кривой 69 и нижней кривой 69) осуществляются в разные моменты времени (несинфазно) таким образом, что в то время как один сегмент поддерживается под разностью напряжений, другой сегмент переключается. В этом случае, переключение одной кривой находится посередине импульса другой кривой. Однако могут быть использованы другие несинфазные соотношения. Следует отметить, что интеграл сигнала по времени является одинаковым для обеих кривых сигналов. Эти схема может быть использована для уменьшения потерь включения во время переключения и, следовательно, для дополнительного уменьшения механических вибраций во время переключений или для обеспечения более постоянного уровня включения.
Фиг. 6Е показывает еще один путь реализации несинфазного возбуждения. В этом случае, любой уровень включения может поддерживаться одинаковым в течение всего периода 57, поскольку результат уровней обеих кривых в любой конкретный момент времени будет одинаковым. В этом случае, сигналы возбуждения являются треугольными (в каждой из верхней и нижней кривых имеются треугольные кривые). В этом отношении сигналы возбуждения могут иметь форму сигнала, которая является непрерывной функцией с непрерывной первой производной. Примером может быть синусоидальная треугольная форма сигнала, где один сигнал возбуждения сегмента переключается, в то время как другой находится на максимальном уровне. В случае такого перекрытия сигналов во времени, когда амплитуды таких форм сигналов равны для двух сегментов, может быть получено даже лучшее уменьшение вибраций или даже более постоянный уровень механического выходного действия.
Следует отметить, что примеры фиг. 6 показывают только одно переключение полярности разности напряжений в каждом периоде 57, но снова, как разъяснялось здесь выше, сигналы могут быть переменными для обеспечения множества таких переключений в каждом периоде 57. Частоты могут быть настроены, как указано выше.
В то время как несинфазное возбуждение сегментов выполнено с возможностью обеспечения инверсии сигнала с уменьшенным нарушением механического выходного действия, такое уменьшенное нарушение может быть также получено устройством, имеющим две отдельные электроактивные полимерные структуры со своими соответствующими электродами, причем обе эти структуры способствуют тому же самому механическому выходному действию, когда они возбуждаются несинфазно подобным образом, что и сегменты устройства фиг. 6А и В. На фиг. 6F показано такое альтернативное устройство. Части со ссылочными позициями, уже описанными на фиг. 2 или 3, являются такими же, как на последних фигурах. Таким образом, устройство на фиг. 6F включает в себя два изгибных исполнительных блока, каждый из которых образован, как описано в отношении фиг. 2. Каждый изгибный исполнительный блок, таким образом, содержит пакет, включающий в себя EAP-материал 14, находящийся между электродами 10 и 12, ламинированный на несущее тело 16. Между упомянутыми пакетами находится изолирующий материал 18, к которому пакеты не прикреплены, но с которым они находятся в механическом контакте. Возбудитель 20 подает электрические сигналы на электроды 10, в то время как электроды 12 заземлены.
При возбуждении, верхний пакет изгибного исполнительного устройства изгибается своими внешними (левой и правой в плоскости чертежа) сторонами в направлении 17, в то время как нижний пакет изгибного исполнительного устройства изгибается своими внешними сторонами в направлении 17'. Следовательно, механические включения могут усилить или поддержать друг друга через слой 18 и способствовать выходному действию включения устройства. Весь модуль пакетов может быть расположен в держателе, причем дно модуля пакетов может быть размещено на дне держателя, и поверхность 38 может обеспечивать выходное действие включения устройства.
Устройство фиг. 6F может возбуждаться, как разъяснено для устройства с сегментированными электродами, причем разные электрические сигналы возбуждения, подаваемые на сегментированные электроды, вместо этого теперь подаются на разные электроды 12 разных исполнительных блоков. Следовательно, релаксация включения одного блока во время переключения может быть скомпенсирована увеличенным включением другого блока и наоборот. Этот принцип возбуждения может быть, конечно, использован для устройства, имеющего множество таких независимо адресуемых исполнительных блоков.
Случай фиг. 6F показывает пакетированные изгибные исполнительные устройства, но они могут также параллельно поддерживать один выходной исполнительный элемент. Также могут быть использованы другие исполнительные структуры/ блоки, например, исполнительные структуры/ блоки, которые обеспечивают расширение (см. например, исполнительное устройство фиг. 1), вместо или дополнительно к изгибным исполнительным устройствам.
Во всех приведенных выше примерах, интегралами напряженности электрического поля или напряжений, используемых для обеспечения этого поля, по времени, для двух сигналов противоположных полярностей, можно управлять таким образом, чтобы они имели равную величину (абсолютное значение). Это дает возможность получить длительное нейтральное движение зарядов при включении.
Вместо прямого соединения между возбудителем и электродами исполнительного устройства, показанного на фиг. 3 и 6A или F, напряжение может быть инвертировано с использованием физического или электронного переключателя, в результате чего соединения единственного источника напряжения (такого как аккумуляторная батарея) могут периодически соединяться с противоположными электродами, например, электродами 10 и 12. Это позволяет использовать генератор сигналов, который должен генерировать импульсы напряжения только одной полярности.
Фиг. 3 и 6А или F, вместо этого, показывают, что один из электродов исполнительного устройства возбуждается по меньшей мере двумя уровнями выходного сигнала противоположных полярностей по сравнению с напряжением, подаваемым на другой электрод исполнительного устройства. Для простоты, если первый электрод возбуждается напряжением 0В, как показано, то уровни выходного сигнала для второго электрода 12 являются положительными и отрицательными.
Настоящее изобретение требует, чтобы сигналы, подаваемые на электроды, между которыми генерируется разность напряжений, были такими, чтобы разность напряжений инвертировалась согласно вышеупомянутым принципам. На фиг. 3 или 6А или F, только сигнал, подаваемый на один электрод, изменяется для этой цели, в то время как другой электрод заземлен. Опорный уровень заземления может быть также другим опорным уровнем. Например, он может быть конечным положительным напряжением. Тогда сигнал возбуждения на другом электроде может быть выполнен таким образом, чтобы разности напряжений требуемых полярностей возникали на электродах. Это может быть осуществлено с использованием переменных сигналов на обоих электродах, между которыми генерируется разность напряжений.
Уровни выходных сигналов противоположных полярностей могут иметь идентичную величину, как схематично показано на фиг. 3. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что исполнительное устройство будет одинаково включаться упомянутыми двумя уровнями выходного сигнала.
Устройство фиг. 6A или F может иметь фазовращатель, присоединенный между выходом возбудителя и одним из сегментов или исполнительных блоков. Следовательно, электрические сигналы возбуждения, подаваемые между сегментами или блоками, будут сдвинуты только во времени, и не потребуется никакого генерирования отдельного сигнала.
Для создания одинаковых интегралов по времени напряжений/ напряженности электрического поля в двух направлениях (полярностях), при осуществлении инверсии с использованием физического переключателя, управляемого возбудителем, возбудитель может иметь средство для синхронизации времен переключения, т.е. поля с равными интегралами обеспечиваются посредством обеспечения того, чтобы переключатель удерживался в одном режиме так же долго, как и в другом режиме. Когда инверсия напряжения реализуется в пределах возбудителя, поля с равными интегралами могут быть обеспечены посредством обеспечения того, чтобы суммы произведений (напряжение возбудителя)* (длительность импульса напряжения) были равны как для положительных, так и для отрицательных напряжений (предположим для простоты, что второй электрод находится под напряжением 0В). Следует отметить, что существуют многие пути для обеспечения того, чтобы эти суммы были равными, в зависимости от числа напряжений возбудителя, которые доступны для возбудителя.
Действительно, вместо сигналов с двумя уровнями, показанных на вышеупомянутых фигурах, возбудитель может иметь множество уровней выходного сигнала, причем по меньшей мере два из них имеют противоположные полярности по сравнению с напряжением, подаваемым на первый электрод исполнительного устройства. Таким образом, может быть обеспечено некоторое количество деформаций исполнительного устройства. Снова, многие или все уровни выходного сигнала противоположных полярностей могут иметь идентичную величину. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что исполнительное устройство будет одинаково включаться уровнями выходного сигнала с одинаковой амплитудой, но противоположными полярностями.
Электродная система может содержать электроды, находящиеся на противоположных поверхностях слоя электроактивного полимера, как показано выше на фиг. 3. Они обеспечивают поперечное электрическое поле для управления толщиной EAP-слоя. Это в свою очередь вызывает расширение или сжатие EAP-слоя в плоскости слоя (фиг. 1), что в случае подложки, соединенной с пакетом слоев, используется (фиг. 2) для изгибания исполнительного устройства.
Электродная система может вместо этого содержать пару гребенчатых электродов на одной поверхности слоя электроактивного полимера. Это обеспечивает электрическое поле в плоскости, для прямого управления размерами слоя в плоскости. Схемы инверсии, описанные выше, могут быть также применены с хорошим эффектом.
Примеры, приведенные выше, используют слой электроактивного полимера, который включают для обеспечения его расширения (см. фиг. 1 и 3, например), и это может быть обычно преобразовано в изгибное движение, например, с использованием конструкции, показанной на фиг. 2. Однако, в зависимости от конструкции исполнительного элемента могут быть также индуцированы другие типы движений. Настоящее изобретение будет эффективно для любой из таких конструкций.
Настоящее изобретение может быть использовано для устройств, которые обеспечивают бистабильное включение, т.е. устройств, которые сохраняют включенные состояния в отсутствие сигнала возбуждения, поскольку даже в этих устройствах включение должно иметь место для возбуждения их перехода в такое бистабильное сохраняющееся состояние, и во время возбуждения может быть реализовано реверсирование полярности.
Влияние на эффективность исполнительного устройства использования биполярной схемы возбуждения было определено экспериментально. Смещение исполнительного устройства измеряли как функцию прикладываемого напряжения (с постоянной внешней нагрузкой, прикладываемой к исполнительному устройству) при униполярной схеме возбуждения и при биполярной схеме возбуждения. Фиг. 7 показывает форму подаваемых сигналов возбуждения. Она содержит четыре последовательных цикла по 200с в каждом. Первый цикл имеет 10 периодов униполярного сигнала возбуждения с амплитудой 250В. Второй цикл имеет 10 периодов биполярного сигнала возбуждения также с амплитудой 250В. Третий цикл имеет 10 периодов униполярного сигнала возбуждения, и четвертый цикл имеет 10 периодов биполярного сигнала возбуждения.
Фиг. 8 показывает смещение (ось y) как функцию прикладываемого напряжения возбуждения (ось х). Отрицательное смещение соответствует изгибу вверх изгибного исполнительного устройства.
Фиг. 8 показывает результаты для первых двух циклов из 10 периодов циклов униполярного возбуждения (кривая 80) и 10 периодов циклов биполярного возбуждения (кривая 82), показанных на фиг. 7. Униполярное возбуждение 80 появляется только на части положительных напряжений оси х. Биполярное возбуждение 82 обеспечивает одинаковую функцию смещения для противоположных полярностей (смещения в правой и левой части оси напряжений являются по существу одинаковыми).
Фиг. 8 также показывает, что биполярная схема возбуждения предпочтительно обеспечивает приблизительно на 15% большее смещение (смещение от -1,07мм до -1,65мм по сравнению со смещением от -1,15мм до -1,65мм) по сравнению со смещением, вызванным униполярной схемой возбуждения.
Фиг. 9 показывает результаты для последних двух циклов, т.е. третьих 10 периодов униполярного возбуждения (кривая 90) и четвертых 10 периодов биполярного возбуждения (кривая 92), показанных на фиг. 7.
Этот график показывает дрейф кривой смещения вверх, и максимальное смещение, обеспечиваемое исполнительным устройством, кажется уменьшившимся для униполярной схемы возбуждения. Таким образом, биполярная схема возбуждения также обеспечивает более воспроизводимые результаты по сравнению с униполярной схемой возбуждения. При возбуждении с напряжением 0В (состояние покоя исполнительного устройства), для униполярной схемы возбуждения наблюдается дрейф смещения, в то время как он отсутствует или сильно подавлен в случае использования биполярной схемы возбуждения. Следовательно, биполярная схема возбуждения обеспечивает лучший и более воспроизводимый возврат в состояние покоя исполнительного устройства.
Эта ухудшенная реакция в случае униполярного возбуждения является следствием дрейфа свободных зарядов к одному электроду, который вызывает экранирование электрического поля. Также, в случае униполярного возбуждения, домены кристаллитов захватываются в результате плохой релаксации, и, таким образом, не способствуют смещению исполнительного устройства.
Настоящее изобретение относится, в частности, к включению исполнительных EAP-устройств, содержащих EAP в качестве части EAP-структуры. EAP-структура, таким образом, содержит EAP-материал. Этот материал является материалом, который может обеспечить деформацию EAP-структуры при подаче электрического сигнала на EAP-структуру. По существу, EAP-материал может быть смесью (гомогенной или гетерогенной), содержащей или состоящей из одного или нескольких материалов с матрицей с одним или несколькими EAP. Это может быть обеспечено, например, диспергированием EAP в дополнительном полимерном материале с матрицей. Этот дополнительный полимерный материал с матрицей может быть сетчатым полимером, который обеспечивает деформацию, вызываемую EAP, подмешанным в матричную сетку или диспергированным в ней. EAP-материал может быть диспергирован в ней. Упругие материалы являются примерами таких сеток. Предпочтительно, количество EAP в таких композитных EAP-материалах выбирают из группы, состоящей из >50 весовых или молярных процентов, >75 весовых или молярных процентов, или >90 весовых или молярных процентов. EAP-материалы могут также содержать полимеры, которые содержат в своих молекулах части EAP (или активные группы EAP) и части других неактивных полимеров. Могут быть использованы многие электроактивные полимеры, некоторые из которых будут описаны ниже. Однако используемые EAP должны обеспечивать симметричное включение, т.е. включение, для которого направление включения не зависит от направления электрического поля (другими словами, от полярности напряжений, прикладываемых к электродам для генерирования электрического поля).
В подклассе возбуждаемых полем EAP, первым заметным подклассом возбуждаемых полем EAP являются электрострикционные полимеры. В то время как электромеханическая эффективность традиционных пьезоэлектрических полимеров является ограниченной, прорыв в улучшении этой эффективности привел к появлению релаксорных полимеров, таких как релаксорные полимеры на основе (P)VDF, которые демонстрируют электрическую поляризацию (возбуждаемое полем выравнивание) и, следовательно, симметричную реакцию включения. Эти материалы могут быть предварительно деформированы для улучшения эффективности в направлении деформации (предварительная деформация приводит к лучшему выравниванию молекул). Другим подклассом возбуждаемых полем EAP является подкласс диэлектрических эластомеров.
Тонкая пленка таких материалов может быть расположена между деформируемыми электродами, с образованием конденсатора, например, конденсатора с параллельными обкладками. В случае диэлектрических эластомеров, максвелловское механическое напряжение, индуцируемое прикладываемым электрическим полем, приводит к механическому напряжению на пленке, вызывающему ее сжатие по толщине и расширение по площади. Эффективность деформации обычно увеличивается при предварительной деформации эластомера (причем требуется рама для удерживания предварительной деформации). Деформации могут быть значительными (10-300%). Для этого класса диэлектрических эластомеров, электроды предпочтительно механически прикрепляют либо прямо, либо с использованием слоев промежуточных материалов, к EAP-материалу.
Для первого подкласса материалов обычно используются тонкопленочные металлические электроды, поскольку деформации обычно находятся в умеренном диапазоне (1-5%), а также могут быть использованы другие типы электродов, такие как, например, проводящие полимеры, основанные на углеродной саже масла, гели или эластомеры, и т.д. Для второго класса материалов тип материалов электродов обычно ограничивается большими деформациями. Таким образом, для диэлектрических материалов с малыми и умеренными деформациями, могут рассматриваться металлические электроды и электроды из проводящих полимеров, для условий с большими деформациями обычно используются основанные на углеродной саже масла, гели или эластомеры.
В связи вышеупомянутыми материалами, более подробно, классы электроактивных полимеров, пригодные для настоящего изобретения, таким образом, могут включать в себя, но не ограничены этим, следующие подклассы: электромеханические полимеры, релаксорные сегнетоэлектрические полимеры, электрострикционные полимеры, диэлектрические эластомеры.
Подкласс электрострикционных полимеров включает в себя, но не ограничен этим:
поливинилиденфторид (PVDF), поливинилиденфторид - трифторэтилен (PVDF-TrFE), поливинилиденфторид - трифторэтилен - хлорфторэтилен (PVDF-TrFE-CFE), поливинилиденфторид - трифторэтилен - хлортрифторэтилен (PVDF-TrFE-CTFE), поливинилиденфторид - гексафторпропилен (PVDF - HFP), полиуретаны и их смеси.
Подкласс диэлектрических эластомеров включает в себя, но не ограничен этим:
акрилаты, полиуретаны, полисиланы или силиконы.
Электроды EAP-структуры могут иметь многие конфигурации, каждая из которых обеспечивает конкретные преимущества и эффекты.
Если осажденные гальваническим способом электроды расположены в несимметричной конфигурации, то подаваемые сигналы (например, напряжения) могут вызывать все виды деформаций, такие как деформация скручивания, деформация закатывания, деформация кручения, деформация изгиба, и деформация несимметричного изгиба EAP-структуры.
Во всех этих примерах, дополнительные пассивные слои могут быть обеспечены для обеспечения влияния на электрическое и/или механическое поведение слоя EAP-материала в ответ на приложенное электрическое поле или ток.
Слой EAP-материала каждого блока может быть расположен электродами. Альтернативно, электроды могут находиться на одной и той же стороне EAP-материала. В любом случае, электроды могут быть физически прикреплены к EAP-материалу либо прямо, без каких-либо (пассивных) слоев между ними, либо непрямо, с дополнительными (пассивными) слоями между ними. Но это не обязательно должно быть так всегда. Для релаксоров или постоянных пьезоэлектрических или сегнетоэлектрических EAP, прямой контакт не является необходимым. В последнем случае достаточно, чтобы электроды находились вблизи EAP, поскольку электроды могут обеспечить электрическое поле для EAP, и электроактивная полимерная структура будет выполнять свою функцию включения. Электроды могут быть растяжимыми таким образом, чтобы они следовали за деформацией слоя EAP-материала. Материалы, пригодные для электродов, также известны и могут быть, например, выбраны из группы, состоящей из: тонких металлических пленок, таких как пленки из золота, меди, или алюминия, или органических проводников, таких как углеродная сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен): поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Также могут быть использованы металлизированные полиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (PET), например, с использованием алюминиевого покрытия.
Материалы для разных слоев могут выбираться, например, с учетом модулей упругости (модулей Юнга) разных слоев.
Для адаптации электрического или механического поведения устройства дополнительно к слоям, описанным выше, могут быть использованы слои, такие как дополнительные полимерные слои.
Устройство может быть использовано в качестве единственного исполнительного устройства, или же может быть обеспечена линия или массив устройств, например, для обеспечения управления двумерным (2D) или трехмерным (3D) контуром.
Настоящее изобретение может быть применено во многих EAP-применениях, включающих в себя примеры, в которых представляет интерес пассивный массив-матрица исполнительных устройств, в частности, в виде результата пороговой функции, описанного выше для некоторых примеров исполнительных устройств.
Во многих применениях, основная функция изделия основана на (локальном) управлении человеческой тканью, или на включении контактирующих с тканью интерфейсов. В таких применениях исполнительные EAP-устройства обеспечивают уникальные преимущества, главным образом, вследствие малого формфактора, гибкости и высокой плотности энергии. Следовательно, EAP могут быть легко встроены в мягкие, трехмерные и/или миниатюрные изделия и интерфейсы. Примерами таких применений являются:
Устройства для кожных косметических процедур, такие как кожные исполнительные устройства в виде кожных пластырей на основе EAP, которые обеспечивают постоянное или циклическое растяжение кожи для обеспечения натяжения кожи или уменьшения морщин;
Дыхательные устройства с интерфейсной маской пациента, которая имеет активную подушку или прокладку на основе EAP, для обеспечения переменного нормального давления на кожу, которое уменьшает или предотвращает покраснения на лице;
Электробритвы с адаптивной бреющей головкой. Высота контактирующих с кожей поверхностей может быть настроена с использованием исполнительных EAP-устройств, для обеспечения баланса между близостью к коже и раздражением кожи;
Устройства для очистки ротовой полости, такие как «воздушная зубная нить», с динамическим сопловым исполнительным устройством для улучшения проникновения брызг, особенно в пространства между зубами. Альтернативно, могут быть обеспечены зубные щетки с активируемыми щетинками;
Бытовые электронные устройства или сенсорные панели, которые обеспечивают локальную тактильную обратную связь через массив EAP-преобразователей, который встроен в пользовательский интерфейс или находится вблизи него;
Катетеры с управляемым наконечником для обеспечения легкого наведения в извилистых кровеносных сосудах.
Другая категория релевантных применений, которые получают пользу от исполнительных EAP-устройств, относится к модификации света. Оптические элементы, такие как линзы, отражающие поверхности, решетки, и т.д., могут быть выполнены адаптивными посредством адаптации формы или положения с использованием исполнительных EAP-устройств. Здесь преимуществом EAP является, например, низкое энергопотребление.
Другие варианты раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия, и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а форма единственного числа не исключает множественного числа. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно отличающихся пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с преимуществом. Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не следует толковать как ограничение объема формулы изобретения.
В заключение, настоящее изобретение обеспечивает исполнительное устройство, содержащее электроактивный полимер (EAP) и возбудитель для генерирования электрических сигналов возбуждения, которые обеспечивают напряжения противоположных полярностей и, таким образом, электрическое поле внутри электроактивного полимера в разные моменты времени. Таким образом, может быть уменьшено или предотвращено накопление зарядов, в то время как длительные интервалы времени включения все же будут возможны. Это улучшает эффективность и/или срок службы упомянутого устройства.
Реферат
Изобретение относится к исполнительным устройствам, которые используют электроактивные полимеры, и к способам их работы. Сущность: исполнительное устройство (21) содержит электроактивный полимер (EAP), электродную систему (10 и 12) и возбудитель (20) для генерирования электрических сигналов возбуждения. Электроактивная полимерная структура (14) обеспечивает включение в ответ на разность напряжений, причем включение имеет направление включения, которое не зависит от полярности разности напряжений. Способ включает подачу электрического сигнала возбуждения на электродную систему. Электрический сигнал возбуждения содержит первый электрический сигнал (45, 55) возбуждения в течение первого периода (41, 51), имеющий первую полярность, и второй электрический сигнал (46, 56) возбуждения во втором периоде (43, 53), имеющий вторую полярность, противоположную первой полярности. Технический результат: уменьшение или предотвращение накопления зарядов, что улучшает эффективность и/или срок службы устройства. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.
Формула
Документы, цитированные в отчёте о поиске
Электроактивный полимерный актюатор
