[发明专利]电活性材料致动器及驱动方法

说明书

本发明提供了一种由驱动电压驱动的场驱动电活性材料驱动器。所述驱动器适于将致动电压从第一电压水平驱动到第二电压水平，其中，通过过渡函数的方式，所述第二电压水平低于所述第一电压水平，所述过渡函数在过渡时间内发生。所述过渡函数包括平滑函数。所述过渡时间为至少0.5ms。

技术领域

本发明涉及电活性材料(EAM)致动器和驱动EAM致动器的方法。

背景技术

电活性材料(EAP)是电响应材料领域中的一类材料。当在致动装置中实施时，使EAM经受电驱动信号可使它们的尺寸和/或形状发生变化。该效应可以用于致动和感测目的。存在无机和有机EAM。一种特殊的有机EAM是电活性聚合物(EAP)。

电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP可以作为传感器或致动器使用，并且可以容易地制造成各种形状，允许容易地集成到各种系统中。

已经研究出具有诸如致动应力和应变等特性的材料，其在过去的十年中已经显著改善。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感兴趣。EAP的优势包括低功耗、小的形状因子、灵活性、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殊优势使其适用于新的应用。

基于电致动，EAP设备可用于需要少量移动部件或特征的任何应用中。类似地，所述技术可以用于感测小的移动。

EAP的使用实现了之前不可能实现的功能，或者提供了相对于常规传感器/致动器解决方案的大的优势，这是由于与普通致动器相比在小体积或薄形状因子中相对大的变形和力的组合。EAP还提供无噪声操作，精确的电子控制，快速响应以及大范围的可能驱动频率，例如0-1MHz，最典型地低于20kHz。

使用电活性聚合物的器件可以细分为场驱动的和离子驱动的材料。

场驱动EAP的范例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(例如基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体。其他范例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、电子驻极体、电粘弹性弹性体和液晶弹性体。

离子驱动的EAP的范例包括共轭/导电聚合物，离子聚合物金属复合物(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其他范例包括离子聚合物凝胶。

本发明尤其涉及场驱动的电活性材料致动器。

场驱动的EAP通过直接机电耦合的电场来致动。它们通常需要高的场(伏特/米)但是低的电流。聚合物层通常很薄，以保持驱动电压尽可能低。离子EAP通过电诱导的离子和/或溶剂的传输而致动。它们通常需要低的电压但是高的电流。它们需要液体/凝胶电解质介质(但是一些材料系统也可以使用固体电解质)。

EAP的两个类别都有多个族成员，每个族都有自己的优点和缺点。

场驱动EAP的第一个值得注意的子类是压电和电致伸缩聚合物。虽然传统压电聚合物的机电性能有限，但是在改善这种性能方面的突破导向了PVDF弛豫聚合物，其示出自发的电极化(场驱动的对齐)。可以对这些材料进行预应变以在应变方向上改善性能(预应变导致更好的分子对齐)。通常，使用金属电极，因为应变通常处于中等范围(1-5％)。也可以使用其他类型的电极(例如导电聚合物，炭黑基油，凝胶或弹性体等)。电极可以是连续的或分段的。

场驱动的EAP的另一个感兴趣的子类是介电弹性体。这种材料的薄膜可以夹在柔性电极之间，形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由施加的电场引起的麦克斯韦应力导致膜上的应力，使其在厚度上收缩并在面积上扩张。通常通过预应变弹性体(需要框架来保持预应变)来放大应变性能。应变可能是可观的(10-300％)。这也限制了可以使用的电极类型：对于低应变和中等应变，可以考虑金属电极和导电聚合物电极，对于高应变范围，通常使用炭黑基油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。