[发明专利]基于电活性材料的致动器设备

说明书

一种设备包括布置为线性组的多个电活性材料致动器单元。在数据线上提供用于控制个体单元的驱动的数据，并且在每个相邻电活性材料致动器单元对之间进行数据线连接。根据来自数据线的接收数据来控制电活性材料致动器单元。当需要在小型应用环境中寻址和控制多个致动器时，这提供了降低的布线复杂性。

技术领域

本发明涉及利用诸如电活性聚合物的电活性材料的致动器设备。

背景技术

电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP可以充当传感器或致动器，并且可以容易地制造成各种形状，从而允许容易地集成到各种各样的系统中。

已经开发出具有诸如致动应力和应变的特性的材料，其在过去的十年中已经显著改进。技术风险已经降低到产品开发的可接受水平，使得EAP在商业和技术上变得越来越令人感兴趣。EAP的优点包括低功率、小形状因子、柔性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间和循环致动。

EAP材料的改进性能和特定优点引起对新的应用的适用性。

EAP设备可以用于期望基于电致动的部件或特征的少量移动的任何应用中。类似地，所述技术能够用于感测小的移动。

对EAP的使用实现了以前不可能的功能，或者提供了优于常规传感器/致动器解决方案的大的优点，这是因为与常规致动器相比的相对大的变形和在小的体积或薄的形状因子中的力的组合。EAP还给出无噪声操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可能致动频率，诸如0-20kHz。

使用电活性聚合物的设备可以细分为场驱动材料和离子驱动材料。

场驱动EAP的范例是电介质弹性体、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫聚合物或聚氨酯)以及液晶弹性体(LCE)。

离子驱动EAP的范例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合物以及离子聚合物金属复合物(IPMC)。

场驱动EAP由电场通过直接机电耦合来致动，而针对离子EAP的致动机制涉及离子的扩散。这两个类都具有多个族成员，每个族成员具有其自身的优点和缺点。

图1和图2示出了用于EAP设备的两种可能的操作模式。

所述设备包括夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间的电活性聚合物层14。

图1示出了未夹紧的设备。如图所示，电压被用于使电活性聚合物层在所有方向上膨胀。

图2示出了被设计为使膨胀仅在一个方向上出现的设备。所述设备由载体层16支撑。电压被用于使电活性聚合物层弯曲或成弓形(bow)。

这种移动的性质例如产生于无源载体层与当被致动时膨胀的有源层之间的相互作用。为了获得如图所示的围绕轴的不对称弯曲，可以例如应用分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上的移动。

一个方向上的膨胀可以由电活性聚合物的不对称性引起，或者其可以由载体层的性质中的不对称性或两者的组合引起。

由于其固有的小形状因子，电活性聚合物非常适合用于需要实现多种功能并且因此需要多个致动器的应用中。例如，在特定应用中，致动器的阵列可以是有用的，例如在定位系统和受控拓扑结构表面中。

然而，基本互连解决方案将需要至少一条接线或线缆连接到致动器中的每个以及额外的一个(公共)接地连接。致动器的数量越高，电连接变得越复杂。如果需要例如以类似矩阵的方式寻址数百个致动器，则这不能够通过常规布线方案容易地实现，尤其是在需要诸如移动设备或医学手术装备中的小形状因子的情况下。

例如，在基于导管或导丝的设备中，使所有致动器设备由从设备的端部出现的接线个体地控制将是不实际的，因为这将要求接线贯穿设备的长度上延伸。在实际情况下，不存在容纳这些接线的空间，并且此外接线会降低设备的可操纵性。