[发明专利]用于触觉反馈设备的电活性聚合物换能器

说明书

相关申请

本申请是2009年3月10日提交的标题为“Haptic Devices”的美国临时申请第61/158,806号的非临时申请；并且也是2009年5月7日提交的标题为“Haptic Devices”的美国临时申请第61/176,417号的非临时申请；并且其中每个申请的全部内容通过引用被并入。

发明领域

本发明涉及提供感觉反馈的电活性聚合物换能器的使用。

背景

现今所使用的种类繁多的设备依靠一种或另一种致动器来将电能转变为机械能。相反地，许多发电应用通过将机械作用转变成电能来操作。用于以这种方式获得机械能的相同类型的致动器可称作发电机。同样地，当结构用于将物理刺激例如振动或压力转变成电信号用于测量目的时，该结构可被称为传感器。然而，术语“换能器”可用于一般指任何设备。

很多设计考虑因素为了换能器的制造而支持也称作“电活性聚合物”(EAP)的高级介电弹性体材料的选择和使用。这些考虑因素包括潜在的力、功率密度、功率转换/消耗、尺寸、重量、成本、响应时间、占空比、服务要求、环境影响等。因此，在许多应用中，EAP技术提供了对于压电形状记忆合金(SMA)以及电磁设备例如马达和螺线管的理想的替代。

在美国专利号7,394,282、7,378,783、7,368,862、7,362,032、7,320,457、7,259,503、7,233,097、7,224,106、7,211,937、7,199,501、7,166,953、7,064,472、7,062,055、7,052,594、7,049,732、7,034,432、6,940,221、6,911,764、6,891,317、6,882,086、6,876,135、6,812,624、6,809,462、6,806,621、6,781,284、6,768,246、6,707,236、6,664,718、6,628,040、6,586,859、6,583,533、6,545,384、6,543,110、6,376,971和6,343,129中，并且在美国专利申请公布号2009/0001855、2009/0154053、2008/0180875、2008/0157631、2008/0116764、2008/0022517、2007/0230222、2007/0200468、2007/0200467、2007/0200466、2007/0200457、2007/0200454、2007/0200453、2007/0170822、2006/0238079、2006/0208610、2006/0208609和2005/0157893中，并且在2009年1月22日提交的美国专利申请号12/358,142中，在PCT申请号PCT/US09/63307中，以及在PCT公布号WO2009/067708中都描述了EAP设备及其应用的实例，这些文件的全部内容通过引用而并入本文。

EAP换能器包括两个电极，这两个电极具有可变形的特性并且用薄弹性介电材料分离开。当电压差施加至电极时，电性相反的电极互相吸引，由此压缩其间的聚合物介电层。当电极被一起拉得更靠近时，介电聚合物膜由于其在平面方向上(沿着x轴和y轴)膨胀而变得更薄(z轴的部分收缩)，即膜的移位在平面内。EAP膜也可配置成在垂直于膜结构的方向上(沿z轴)产生运动，即膜的移位在平面外。美国专利申请序列号2005/0157893公开了提供这样的平面外移位——也称作表面变形或厚度模式偏转——的EAP膜结构。

可改变和控制EAP膜的材料性质和物理性质，以定制换能器所经受的表面变形。更具体地，可控制和改变因素，例如聚合物膜和电极材料之间的相对弹性、聚合物膜和电极材料之间的相对厚度和/或聚合物膜和/或电极材料的变化厚度、聚合物膜和/或电极材料的物理图样(以提供局部的活性区和非活性区)、作为整体置于EAP膜上的张力或预应变以及施加到膜的电压量或在膜上所感应的电容量，以定制膜在活性模式中时的表面特征。