CN108496255B - 基于电活性聚合物的致动器设备 - Google Patents

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Abstract

一种致动器设备(21)，包括电活性聚合物(EAP)和用于生成电驱动信号的驱动器(20)，所述电驱动信号给出相反极性的电压，并且因此在不同时间在电活性聚合物之内提供电场。通过这种方式，能够减少或避免电荷积聚，同时延长激活时间仍然是可能的。这改善了设备的性能和/或寿命。

Description

基于电活性聚合物的致动器设备
技术领域
本发明涉及利用电活性聚合物的致动器设备以及用于操作这样的致动器设备的方法。
背景技术
在基于对电活性聚合物(EAP)的电刺激而致动的致动器设备中，当发生这样的刺激时，通过EAP材料的尺寸和/或形状的改变而造成致动。在EAP应用于致动器时，EAP组合了若干有利性质。尽管它们能够作为具有良好机械致动性质的机械致动器工作，但是利用其有机聚合物性质，也能够将它们容易地制造成各种形状，从而允许容易地集成到各种系统中。已经开发了具有相当高致动应力和应变的材料。技术风险已经被降低到产品开发可接受的水平，使得EAP在商业和技术上正变得越来越吸引人。EAP的优点包括低功率、小外形因子、柔性、无噪音操作、操作准确度、可能的高分辨率、快速响应时间和循环致动。
作为EAP设备操作的范例，图1和图2示出了针对基于EAP的设备的两种可能操作模式。该设备包括夹置在电极10、12之间的EAP层14，电极10、12被附接到EAP层14的相对侧。尽管在图1中，包括电极的EAP层是能自由移动的，但是在图2中，整个EAP层以及其电极都被夹持(附接)，利用一个层侧面来支撑承载层16。在电极10和电极12上施加的电压差形式的驱动信号被用于令EAP层在其厚度方向上收缩，由此在横向方向上扩展。对于电介质弹性体EAP而言，这是由于电极向EAP层施加的收缩力导致层变薄，而压电和/或电致伸缩EAP也能够经由与电场直接耦合而起作用(收缩)，因此不需要接触电极以提供收缩力。尽管在图1中这导致在所指示的方向上的扩展形式的对称变形，由于层被自由悬置，而伴随EAP层的层变薄(横向扩展连带变薄)，在图2中相同的致动导致所述设备由于在一侧上夹持而使运动自由度受限而弯折。使用设备工程学，于是在致动EAP层时、即在驱动所述设备时能够调用各种各样的设备输出。因此，为了获得如所示的围绕轴的对称弯曲，例如可以施加分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上移动。弯折可能源自EAP聚合物中的不对称性，或者可能源自承载层性质的不对称性，或者这两者的组合。
发明内容
发明人已经发现，针对基于EAP的致动器，当在需要在持续长时间和/或频繁时间段期间致动的应用中使用时，所述致动随时间不恒定和/或设备的不同后续致动时段的驱动对致动曲线随时间改变。这阻碍了致动器的实际应用。
因此，需要一种经改进的致动器以及操作这样的致动器的方法，以减轻或消除前述问题。
根据本发明，由此提供了一种致动方法以及用于使用该致动方法的致动设备，其中，采用了在一次致动事件(单次连续致动)内和/或针对后续致动事件(由至少静息时段分隔的多个连续致动事件)的驱动信号或致动信号的极性的周期性反转。
所述周期性反转意指驱动信号被或者能够被提供至EAP结构，所述EAP结构跨EAP导致“正极性”电压差，使得EAP中的电场能够在不同致动时段和/或在不同致动事件时在整个材料中具有相反方向。第一极性能够为正，使得第二极性为负，或者反之依然。电极之间的电压差的极性界定了被施加到EAP结构的EAP材料的至少部分的电场的方向。能够使用由本发明定义的这样的反转驱动来减轻前述问题的事实基于发明人的以下发现：
·EAP致动器常常需要每微米EAP层厚数十伏量级的大电场，以便对其进行驱动/致动，并且这些高致动场是若干种干扰过程的原因，诸如，例如取决于场的电荷传输以及在实际驱动/致动之后接着发生的聚合物结构驰豫效应。
·EAP致动器的致动仅对场的大小(涉及电压差电平)而不对其方向做出响应，而导致上述所发现的问题的干扰过程中的许多干扰过程(如果不是全部)都取决于场大小和场方向两者。这种差异被有利地用于本发明，以减小或消除干扰过程的影响。
因此，尽管本发明指定在驱动期间或者在驱动之间反转电压极性，但是同时，EAP结构的致动具有与电压差极性无关的致动方向。尽管如此，如在本文中上文已经指出的，所述致动仅取决于场的大小而不取决于场的方向(由极性确定)。本发明对于表现出对称致动行为的设备效果良好，亦即，针对被提供给相同电极的不同电压极性的驱动信号，致动在相同的方向上。
因此，利用本发明，能够减轻或防止由跨致动器的电场导致和驱动的带电或双极性物质的运动效应和/或致动器、并且尤其是EAP之内的(极性)物质(分子或分子部分)的(重)取向。(半永久)带电物质层或极化物质层的积聚可以通过越来越多地屏蔽所施加的致动场而影响(例如，导致实现相同致动所需的更高的电压)致动器设备操作，利用本发明能够减轻或者甚至防止这种情况。同样地，能够减小或防止由半永久带电物质的积聚或者EAP分子、离子或其他物质的重取向导致的在致动器的静息状态下(例如，在非致动驱动信号应用时，或者换言之，在未施加致动信号时)的意外致动的效果。此外，可以减轻或防止由可能在缺陷部位处的带电物质的机械运动和磨损、累积和捕获导致的致动器的老化和电击穿效应。重要的是，以上优点中的一个或多个优点能够至少部分在不影响所需的设备致动的情况下实现。
在本发明的语境内，所述电驱动信号能够是具有电压信号电平的电压信号(电压驱动)或者具有电流信号电平的电流信号(电流驱动)。所述电流信号将伴随有跨所述电极的相关联的电压差。当被提供至电极布置时，所述电驱动信号在电极布置的电极之间导致电压差，这继而在EAP的至少部分上方导致电场。作为定义，针对在仅具有正电压或者仅具有负电压(相对于一个参考)的电极上方导致电压差的电驱动信号，所述驱动信号和相关的电压差被定义为单极性。类似地，针对导致相反极性的电压差的驱动信号，驱动信号和相关电压差被定义为双极性。驱动信号和0V的电压差被定义为没有极性，因为其既不是正的也不是负的。
所述电驱动信号包括第一电驱动信号和第二电驱动信号，所述第一电驱动信号在第一时间段中造成第一电压极性(例如，相对于所述电极中的一个电极为正)，所述第二电驱动信号在第二时间段中导致第二电压极性(例如，相对于所述电极中的同一电极为负)。本发明的驱动信号因此使得电极上方的电压差在致动事件或时段期间和/或在操作时间段期间的多个后续致动事件期间或者在设备的致动寿命的至少一部分期间是双极性的。因此，通过完全或部分反转驱动信号，能够解决干扰前述机制的负面效应中的一些或全部负面效应。
所述致动器包括EAP结构，所述EAP结构定义通过向所述EAP结构施加电驱动信号能获得的非致动状态和至少一种致动状态(与非致动状态不同)。所述致动状态以机械致动的形式提供致动，所述机械致动能够是由所述EAP结构因为该结构在被施加所述驱动信号时变形的倾向而提供的力(压力)和/或冲击。
利用具有用于向EAP结构应用驱动信号的一个或多个电极的电极布置向EAP结构提供电驱动信号。所述电极能够是分段的。所述EAP材料可以处在电极结构的电极之间(例如，夹置在其之间)。备选地，电极能够在EAP材料的同一侧。在任一种情况下，电极都能够直接地在其之间没有任何(无源)层的情况下或者间接地在其之间有额外的(无源)层的情况下被物理附接至所述EAP材料。但是并非需要始终这样。例如，对于弛豫体或永久压电或铁电EAP而言，不必与电极直接机械接触。在这些情况下，在EAP附近的电极就足够了，只要所述电极能够向EAP提供电场即可。然而，对于如EAP的电介质弹性体而言，所述电极需要与EAP材料物理接触(诸如，例如被附接至其上)，使得被施加于所述电极的电场能够向EAP施加力，使得EAP变形。因此，所述电极能够是电活性聚合物结构的部分。
在本发明中，所述电压差在预定时间间隔上的积分的绝对值和所述电压差在所述第二时段上的积分的绝对值能够是相同的。因此，在第一时段和第二时段期间电场强度保持相同。相同能够意指偏差小于10％、小于5％，但是优选小于1％。在该设备中，驱动器因此可以适于生成或切换电驱动信号，使得具有一种极性的电场(具有一种极性的电压)与具有相反极性的电场(具有另一极性的电压)具有随着时间而积分的相同电场强度。这意指对于两种极性而言，使得随着时间的总体电场相同，以使长期电荷不平衡最小化。同样通过这种方式，可以实现EAP中电荷、偶极子和其他缺陷的总体中性移动。
在本发明中，第一时段和/或第二时段能够比从包括以下项的组中选取的时间段更长：10毫秒、50毫秒、0.1秒、0.5秒、1秒、5秒、10秒、50秒。尤其地，对于这样的更长致动而言，本发明将具有良好效果。为了限制EAP结构的操作电压，在电极之间EAP结构的尺度(例如，厚度)具有优选上限。优选地，极性反转然后可以基于电荷跨电极之间的定义尺度的EAP层迁移的时间尺度。因此，在本发明中，第一时段和/或第二时段在10毫秒至10秒的范围内。因此，EAP层中的电荷不能够完全从一个电极跨到另一个电极以利用这样的时段给出完整的电荷分离，并且这便于利用相反极性的电压差信号进行补偿。
在本发明中，所述第一时段和所述第二时段能够同样长，和/或所述第一时段中的所述电压差的绝对值和所述第二时段中的所述电压差的绝对值能够既恒定又相同。因此，使得针对两种极性脉冲的占空比更相似或者甚至相同，并且仅需要使每种极性的脉冲的数量平衡来给出良好的补偿效果。当具有一种极性的电场与具有相反极性的电场具有相同的电场强度时，这种效果甚至更好。通过这种方式，可以实现EAP在这两种极性中相同的致动。后一种特征还具有以下效果：由于致动强度相同，由反转驱动方案诱发的振动会更受限制。
在本发明的方法的实施例中，在所述第一时段期间的电压差是恒定的，并且在所述第二时段期间的电压差是恒定的。在这种情况下，仅需要调节第一时段和第二时段或者每第二时段的第一时段的数量形式的持续时间，来优化用于补偿的正极性脉冲和负极性脉冲的平衡。
在本发明中，第一电信号和/或第二电信号中的每个都能够具有多个不同的信号电平以限定多个不同的电压差。因此，所述驱动器可以适于针对每种极性生成单电平信号或多电平信号。所述多电平驱动信号可以被用于使致动器能够被驱动到中间状态。这样允许为致动使用更复杂的信号。优选地，在第一时段内的时间上的电压差的绝对值的曲线形状与在第二时段内的时间上的电压差的绝对值的曲线形状相同。后者允许使用不同的信号电平，但是为通过对在相反极性电压差期间给出相同电信号暴露的信号进行配对的受控补偿。
为了完成上述驱动方法，驱动器可以适于相应地生成和/或切换电驱动信号、第一电驱动信号和第二电驱动信号。因此，具有适于实现方法特征的驱动器的设备将具有与结合方法特征中的一个或多个方法特征而描述的相同益处。
在本发明中，所述致动优选是在驱动时段内的连续致动，其中，所述驱动时段包括所述第一时段中的一个或多个第一时段以及所述第二时段中的一个或多个第二时段或者由所述第一时段中的一个或多个第一时段以及所述第二时段中的一个或多个第二时段构成。连续致动是单致动事件。因此，所述电驱动信号被设计成包括连续致动的驱动时段内的至少第一电驱动信号和第二电驱动信号。通过这种方式，用于单次致动的电驱动信号能够变为自我补偿的。因此，能够由驱动时段内的第二电驱动信号来补偿由致动的第一电信号诱发的EAP材料中的任何电荷不平衡。因此，任何下一单次致动从受补偿状况开始。能够通过定义第一电信号和/或第二电信号的先前描述的方式来进行补偿。因此，这意指在每个致动周期的结束处能够接近没有电荷分离。单次致动周期之内的每种极性的相位的数量可以是相等的。
在被应用于单致动事件的本发明中，第一电驱动信号和第二电驱动信号优选彼此跟随，使得在从第一电驱动信号变为第二电驱动信号时或者在从第二电驱动信号变为第一电驱动信号时时，致动不改变超过从包括以下项的组中选取的值：50％、20％、10％、5％、2％、1％和0％。从第一电信号越快切换至第二电信号或者从第二电信号越快切换至第一电信号，一般将导致越少的致动状态改变。因此，在补偿期间能够保持致动更准确，并且能够使振动最小化。
在被应用于单致动事件的本发明中，所述驱动信号能够包括第一多个第一电驱动信号和第二多个第二电驱动信号，所述第一多个驱动信号和所述第二多个驱动信号一起形成交变信号，所述交变信号具有在时间上交变的第一电驱动信号和第二电驱动信号。因此，在驱动时段内有交变信号。因此，能够利用给出补偿的交变信号来将EAP驱动到稳定致动状态。每个驱动时段的交变的次数优选尽可能高。例如，其可以等于或大于：5、10、50、100、500、1000、5000、10000。切换的频率可以高于EAP结构(在有电极或无电极的情况下)的机械驰豫。由于典型的EAP致动器能够从静止被机械致动到高达kHz范围(尽管大小受限)的准静态，适合的驱动信号反转频率将至少是该频率的2倍，并且更优选地，甚至更高(例如，5、10、50、100或者甚至500倍)。
在被应用于多个独立致动事件的本发明中，所述致动能够包括由至少静息时段人工分离的第一连续致动和第二连续致动，并且其中，所述第一电驱动信号(其发生于第一时段中)贡献于所述第一连续致动，并且所述第二电驱动信号(其发生于第二时段中)贡献于所述第二连续致动。再次地，连续致动意指单次致动事件，即，在任何时段期间不反转到零致动的事件。静息时段是没有致动的时段。
在本发明中，针对多个第一连续致动和多个第二连续致动，一个或多个第一电驱动信号跟随有一个或多个第二驱动信号，和/或一个或多个第二电驱动信号跟随有一个或多个第一驱动信号。所述多个第一电驱动信号能够是预定数量的。通过这种方式，由此在多个第一或第二电信号之后切换极性。在极限情况下，在设备的寿命期间，可能仅有一次极性切换。或者，更优选地，更频繁地切换极性，例如，在每次连续致动(信号)之后。通过这种方式，减少了电荷积聚，因为在每次利用控制信号对设备寻址时都实现极性改变。
在本发明中，所述方法能够包括：
-针对在预定时间间隔内的一个或多个第一电驱动信号来确定以下特性中的一个或多个特性：
-第一电驱动信号的数量；
-一个或多个信号电平；
-一个或多个第一驱动时段；
-电压差在时间上的一个或多个积分；
-根据所确定的特性中的一个或多个特性，针对跟随所述预定时间间隔的一个或多个第二电驱动信号来调节相同特性中的一个或多个特性。
因此，用于经改进的补偿的在任一个时间点的将来信号的主动定义能够基于历史致动的反馈。因此，即使当需要针对变化的状况的变化的致动时，也能够进行补偿。这方便了将本发明应用于许多设备。所述设备能够具有计算机和存储器，以存储以上历史致动数据中的一项或多项。
一种包括计算机可读代码的计算机程序产品，所述计算机可读代码被存储在或者能存储在计算机可读介质上，或者能从通信网络下载，所述代码当在计算机上执行时导致或者能够导致执行本发明的方法中的任一种方法的步骤。本发明的方法能够实现在软件中，所述软件能够控制致动设备的驱动器以根据需要使致动设备的EAP结构行动。
如上所述，能够在一种致动器设备中实施本发明，所述致动器设备包括：
-电极布置(10和12)，其包括第一电极(10)和第二电极(12)，所述电极布置用于接收电驱动信号，以由此在所述第一电极与所述第二电极之间造成电压差；
-电活性聚合物结构(14)，其用于响应于所述电压差而提供致动；
-驱动器(20)，其用于向所述电极施加所述电驱动信号，其中，所述电驱动信号包括：
-在第一时段期间的第一电驱动信号，以使所述电压差在所述第一时段中具有第一极性；以及
-在与所述第一时段不同的第二时段中的第二电驱动信号，以使所述电压差在所述第二时段中具有与所述第一极性不同的第二极性。该设备是有利的，因为其能够执行本发明的方法。所述设备的驱动器被配置成提供如在本文中之前所定义的所有所述电驱动信号。因此，能够使用方法步骤的所有特征来定义设备的驱动器。同样地，这种设备将具有更精确的致动和/或更长寿命，因为负面材料劣化效应得到补偿。
在本发明的设备中，所述驱动器能够用于在连续致动驱动时段内将所述电驱动信号从第一电驱动信号切换至第二电驱动信号或者从第二电驱动信号切换至第一电驱动信号至少一次。再次地，针对对应的方法，这意指在每个致动周期的结束处能够接近没有电荷分离。这提供了得到很大改善的使用自由，因为不论这样的致动事件相同或不同，都能够在每个单独致动事件内进行补偿。单个致动周期内每种极性的相位数量可以是相等的。
在本发明的设备中，至少所述第一电极能够包括两个单独的电极段，并且所述驱动器用于提供所述电驱动信号中的单独的电驱动信号，所述单独的电极段被布置应用接收所述电驱动信号中的单独的电驱动信号并且导致所述电活性聚合物结构的不同部分处的电压差。因此，单独的电极段能够被个体地寻址。利用这样的设备，在EAP结构的不同部分上划分EAP结构的致动，能够使用各部分之间的差别切换来使切换引入的失真最小化。电驱动信号中的单独的电驱动信号不需要相同，但是在许多情况下相同。在任何情况下，必须要向电极提供电驱动信号，使得单独的信号之一的至少一个第一时段部分或完全在时间上与所述单独的信号中的其他信号的一个第二时段交叠。因此，所述电极布置可以包括至少两个段，每个段都用于向电活性聚合物层的不同部分施加电场，其中，驱动器适于向至少两段施加相反极性的信号。这种方法可以减少不希望的变形改变，其源自单致动事件驱动信号之内的切换，因此其可以是交变信号。
在用于连续致动事件的发明中，所述电极布置和所述电活性聚合物结构涵盖致动单元，其中，所述设备包括致动单元中的至少两个单独的致动单元，每个致动单元将其致动贡献于所述设备的相同致动输出，并且所述驱动器用于将所述电驱动信号的单独的电驱动信号提供至至少两个单独的致动单元中的不同的致动单元。
所述致动单元中的单独的致动单元能够是相同或不同的。其既可以是弯折致动单元，或者可以是线性扩展致动单元，或者是其混合体。可以有超过两个这样的单元。所述电驱动信号中的单独的电驱动信号再次可以给出如针对分段电极设备所描述的异相驱动和/或切换。因此，在对单元之一的切换期间，可以由其他单元的输出接替或补偿其致动输出的减小或损失，使得单个设备的输出仅受最小影响。
在多段或多致动单元设备中，所述驱动器能够用于提供所述电驱动信号的不同电驱动信号，使得针对所述电驱动信号的不同电驱动信号从所述第一电驱动信号切换至所述第二电驱动信号是异相的。如果第一电驱动时段变为第二电驱动时段或者第二电驱动时段变为第一电驱动时段的时刻针对不同的段或致动单元是不同的，那么在这样的切换时改善了致动稳定性。
所述驱动器能够用于在连续致动驱动时段之间以及在以下情况下将第一电驱动信号切换至第二电驱动信号或者将第二电驱动信号切换至第一电驱动信号：
-在一个或多个第一电驱动信号之后，和/或
-在一个或多个第二电驱动信号之后。
在一个范例中，所述驱动器适于在多个第一电驱动信号之后和/或在多个第二电驱动信号之后切换极性。在极限情况下，在设备的寿命期间，可能仅有一次极性切换。更优选地，所述驱动器适于更频繁地、例如在每次连续致动(信号)之后来切换极性。通过这种方式，减少了电荷积聚，因为在每次利用控制信号对设备寻址时都实现了极性改变。
所述驱动器能够包括：
-电源，其用于生成第一极性和第二极性的电信号，以在所述电驱动信号中使用；或者
-电源，其用于生成至少第一极性或至少第二极性的电信号，以在所述电驱动信号中使用；以及切换布置，其用于对所述电驱动信号至所述电极布置的耦合进行切换。利用对耦合的切换，能够实现从第一极性到第二极性或从第二极性到第一极性的切换。
所述驱动器可以包括用于生成相反极性信号的信号生成器。备选地，所述驱动器可以包括用于生成单极性信号的信号生成器以及用于将驱动器输出耦合到电极布置的切换布置。这些提供了向EAP层提供相反极性信号的备选方式。当采用切换单元时，能够使用简化的更廉价的信号生成器。
本发明的设备能够包括处理器和存储器，在所述存储器中已经存储了本发明的计算机程序，并且所述处理器用于执行所述计算机程序产品以控制所述驱动器。所述处理器可以是半导体处理器，诸如中央处理单元等。所述存储器能够是任何种类的RAM或ROM存储器，其能够被处理器访问。
能够使用如针对所述系统或所述设备所描述的修改措施来修改对应的方法。这样的修改能够具有与针对所主张或所描述的系统或设备相同的优点。
附图说明
现在将参考随附的示意性附图来描述本发明的范例，在附图中，相似的数字表示相同的特征，在附图中：
图1示出了为了在平面中线性致动而未被夹持的已知电活性聚合物结构；
图2示出了被用于弯折致动的背衬(承载)层约束的已知电活性聚合物结构；
图3示出了包括驱动器连接的致动器设备的基本布局；
图4A至图4E示出了利用个体致动事件之间的电压差或信号反转的驱动方案；
图5A至图5D示出了利用单个体致动事件之内的电压差或信号反转的驱动方案；
图6A和图6B分别示出了垂直于并且在具有备选电极布局的电活性聚合物结构的线65的位置处的顶视图和截面图；
图6C至图6E示出了针对电驱动信号的单独电驱动信号的驱动方案，其中，电压差极性之间的切换是异相的；
图6F示出了具有两个单独单元的致动器设备，每个单独单元都具有电极布置和电活性聚合物结构，其中，这两个单元的致动都贡献于单设备致动输出；
图7示出了所施加的驱动波形，作为使用双极性(第一极性信号和第二极性信号)驱动波形与单极性(仅一个极性的电压差)驱动波形相比的效果的试验证实；
图8比较了前10个周期的单极性(仅一个极性的电压差)驱动与后续10个周期的双极性(第一极性信号和第二极性信号)驱动；并且
图9比较了接下来10个周期的单极性(仅一个极性的电压差)驱动与后续10个周期的双极性(第一极性信号和第二极性信号)驱动。
具体实施方式
本发明涉及通过反转被施加驱动信号的电极上的电压差(改变电压极性)来反转所施加的电场的方向，其中，电极被布置成能够在电活性聚合物结构的至少一部分上提供电场。在设备的工作寿命期间，反转至少发生一次。在极限情况下，在设备的整个寿命期间，中途仅有一次电压极性改变。优选地，针对本发明的更实际的实施方式而言，在设备的寿命期间进行多次反转。可以在设备的寿命期间以定期时间间隔或者在设备的特定(预定的或基于驱动历史反馈的)时间段或致动周期之内这样做。能够在单独的致动事件之间和/或在致动事件内进行反转。针对特定设备所需的反转和驱动信号的数量将取决于设备的驱动-致动输出曲线的漂移行为以及在使用设备期间的致动环境。能够针对设备来调谐所述驱动。这可能需要利用单极性(一个单极性电压差)驱动信号方案来驱动设备，以便观测漂移特性，并且然后，根据本发明通过使用双极性(使用不同极性的电压差)驱动方案来调节和调谐驱动。然后进行调谐，使得双极性驱动方案提供如利用单极性驱动信号方案可以获得的期望的机械致动，但是驱动-致动曲线的漂移减小或者甚至消失。能够将校准存储在查找表中，以在实际使用设备期间采用。能够使用根据本发明的许多双极性驱动信号方案，但是下文将仅描述其中的一些以更详细地解释本发明。用于提供驱动信号和驱动方案的驱动器能够是电压驱动器或电流驱动器，只要其适合在所选取的EAP中提供电场(通过电压差)即可。在本文中下文还将描述若干适当的EAP。
本发明能适用于具有包括EAP材料的电活性聚合物结构的致动器设备，其中，所述结构能够在使EAP材料的至少部分经受电驱动信号作用时提供机械致动。所述机械致动基于EAP能够在施加电驱动信号时使该结构变形。能够设计出许多不同的这样的结构和设备，但是在本文中下文将仅描述一些示范性结构和设备。然而，能够将本发明应用于使用电压驱动并且表现出相似驰豫效应的所有基于EAP的致动器或者其他聚合物致动器。
图1和图2示出了能够用于根据本发明的致动器设备中的示范性基于EAP的致动器结构。在图3中示出了包括驱动器的示范性致动器设备。
尽管已经在本申请的介绍中描述了图1和图2的结构，但是图3示出了一种具有致动结构的设备，所述致动结构的形式为EAP层14，EAP层14跨被夹置在被附接至EAP层14的电极10与电极12之间的结构上具有恒定厚度。其可以是图1和图2的结构中的任一种结构，或者如果需要的话可以是任何其他结构。在这种情况下，电极布置是EAP结构的一部分并且被附接至EAP结构，但是并非始终需要这样。在这种情况下，EAP是电介质弹性体聚合物。电极10被接地(处于零电势或电压)作为基准，并且电极12被连接至来自驱动器20的输出部，驱动器能够在预定义或能调节时间段期间提供变化、可变或可调电压电平形式的电驱动信号。地连接能够是一般的单独的地连接(未示出)，但是在这种情况下，由驱动器的另一输出部提供，所述输出部继而在内部被连接到(例如，插座的)公共地。驱动器20可以包括并且在这种情况下包括电压源(未单独示出)或者电压信号生成器，其能够提供正(例如，第一极性)电压信号和负(例如，第二极性)电压信号。备选地，单独的电压源能够被使用并且被连接至驱动器。所述驱动器包含如所示的在内部或者在外部的开关单元，以使用电压源的电压，以便生成要被施加至电极布置的电驱动信号。
所述驱动器适于向电极12施加具有双极性电压电平的驱动信号，使得电压电平与地信号一起定义电极之间的电压差，所述电压差具有相关联的正极性(第一极性)或负极性(第二极性)(以及因此，电场方向)。电极12或电极10中的任一个都能够被用作参考以确定极性的符号(电场的方向)。在这种情况下，相对于接地电极将极性确定为电极12上的信号与地信号之间的差异。也能够使用任何其他参考电压，只要然后调节驱动信号的电压电平，使得电压差包括相对于例如参考电极的正电压差和负电压差。
本领域技术人员应当理解，根据在本文中下文示范的本发明的要求(在设备的致动寿命期间至少一次)，也能够再次通过使用被供应到这两个电极的驱动信号来生成电压差，只要其构成使得电压差导致极性相对于一个选取的参考电极发生变化。
图4和图5示出了根据本发明针对两种状况的电驱动信号。尽管存在其他状况，但是其用以解释本发明的一般应用。图4A至图4E被用于解释能够如何使用本发明进行多次后续的单独致动，在单独致动之间具有静息时段(即没有任何致动的时段)，而图5A至图5D用以解释在同一次致动内实施本发明。
在图4中，所述电驱动信号(或者也被称为波形)40包括第一时段41内的正电压信号/脉冲45(第一电驱动信号)，接着是第二时段43内的第二负电压信号/脉冲46(第二电驱动信号)。这些脉冲定义单独的致动事件，并且因此，在其之间有具有零电压的静息时段47。因此，在电驱动信号40中，有使用双极性电压方案的两次单独致动。所述静息时段能够是长或短的，甚至短到零时间。在脉冲45与脉冲46之间可以有其他事件，但是为了清晰起见未示出这些事件。为了解释以及本发明最优效果，假设两个脉冲45和脉冲46两者相对于电压电平以及第一时段和第二时段的绝对值相同，但是本发明要具有至少一些改善效果并不需要这点。
脉冲45将在第一时段41内导致特定的机械致动(连续致动)(为了清晰起见未示出机械致动)。这意指在时段41内EAP结构的致动状态可以改变，但是不会反转到零致动状态。仅在脉冲45之后，致动器结构才弛豫回到其非致动状态或静息状态，以准备好利用脉冲46进行第二次致动。
在现有技术的方法中，在这样弛豫到零致动状态之后，将通过施加第二脉冲45，导致与第一脉冲相同的电压极性差，来实现第二相似的机械致动。这导致驱动-致动曲线的累积漂移。参考图7进一步解释这种情况。
根据本发明的第一实施方式，现在实现了第二致动，因为在第一脉冲45之后，驱动信号的极性被反转，并且向设备施加脉冲46。注意，尽管该电压具有不同极性，但是致动将处在相同方向中，因为致动仅取决于电压(场)的大小而不取决于极性(场的方向)。因此，脉冲46将导致与利用脉冲45所获得的相同的致动，但是具有以下脉冲，该脉冲将对抗如前所述由脉冲45造成的干扰效应。因此，在图4A的双脉冲驱动信号之后，驱动-致动曲线将表现出比现有技术的双脉冲驱动信号更少的漂移，该双脉冲驱动信号由两个相继的相同极性脉冲构成。
致动器因此可以使用驱动信号来操作，其中，针对每个致动事件(连续致动)，使用具有相反极性的驱动信号。
漂移的补偿量取决于若干参数，其中，例如所使用的电压电平、所使用的驱动时段、所使用的脉冲的数量以及重复率等。这些全都能够被调节以匹配需要不同致动方案的实际状况。能够以预定方式(例如，使用如在本文中之前所描述的校准)或者通过使用反馈机制来进行调节，所述反馈机制利用了这些参数的历史驱动数据。下文将描述有效这样做的一些选项。
不希望被理论束缚，一种重要的一阶干扰材料效应可能是由于在所施加的电场(在给定厚度EAP层上方施加的电压驱动信号)的影响下EAP结构内部的电荷或双极性运动。由于这样运动的速度是由(电荷/偶极子迁移率)×(电场)给出的，所以反转时间(之后需要电压差极性反转的时间)应当随着电场增大而增大。这转换成一种状况，其中，在具有高电压电平和第一持续时间的脉冲之后，应当跟随具有较低电压电平但是较长持续时间的脉冲，或者反之，以进行补偿。
针对典型的EAP聚合物，电子迁移率典型介于1e-11m2/Vs与1e-13m2/Vs之间，并且电场典型介于10V/μm与150V/μm之间。优选的反转次数然后将大约为1秒的量级(例如，在10毫秒到10秒的范围中)，以补偿第一阶迁移率效应。
迁移的电荷还在EAP材料和晶体表面中的掺杂处被捕获，例如，如在包含PVDF的聚合物中那样，导致捕获部位处的迁移率受限并且电荷积聚。在这些捕获部位积聚的电荷可能由于在这些部位处的高浓度而造成过早电击穿。同样地，在这些部位处捕获的电荷保持相对稳定，甚至在移除电场之后保持相对稳定，因此，便于在反复次数的离散致动期间积聚。如果极性被反转，则迫使深度捕获的电荷复合，这使聚合物从更长时间尺度上的过度积聚而释放。
反转驱动在更长时间尺度、诸如分钟或小时上(例如，针对DC驱动的致动器)也是有效的。据此将明了，能够以许多种方式进行相反极性脉冲相对于信号电平和/或信号持续时间和/或重复次数的某种平衡，并且将具有改善的效果。
返回图4的范例，能够有利地使用以下变化。因此，所述驱动器能够在每次单独的致动事件之后切换脉冲极性，使得脉冲45之后始终跟随有脉冲46，或者反之亦然，在其之间没有其他致动事件。图4B的驱动信号42示出了脉冲(致动)的这样串或序列，其具有交替的第一电驱动信号45和第二电驱动信号46，以实施本发明。为了清晰起见，在致动事件(脉冲)之间有静息时段，诸如47，但是未示出。
备选地，驱动器能够切换驱动信号，使得在多个相同极性的电压信号46、诸如图4C的驱动信号44之后反转电压极性。在2个脉冲46之后切换所述极性。再次地，为了清晰起见，已经省略了致动之间的任何静息时段。
在图4D中示出了来自驱动信号48的致动的另一序列，其具有3个脉冲(3次致动)45，接着为3个脉冲(3次致动)46。再次地，为了清晰起见，已经省略了致动之间的任何静息时段。
尽管在方案42、44和48中的脉冲的序列不同，但是补偿效果将相当或者甚至相同，因为脉冲45和脉冲46的数量是相同的。如果脉冲45和脉冲46除其符号之外是相同的，可能尤其是这种情况。
在以上范例中，假设脉冲具有相同的持续时间(时段41或时段43)和大小(绝对值)。因此，在那种情况下，在脉冲的任何一个序列内的成对脉冲46和脉冲45将给出良好的平衡，以减少不利的充电/弛豫效应。优选地，如在上述驱动信号中那样，与相继脉冲45和脉冲46进行配对。图4D示出了驱动信号48，其仅在每三个相似相继脉冲45或46中才有脉冲配对。
因此，尽管图4A至图4D的波形展示了不同数量的极性反转(图4A和4D中为1，在图4B中为3，并且在图4C中为2)，波形44中的后两个反转已经被切换次序，使得在波形的整个时间期间内，存在于脉冲46同样多的脉冲45。
因此，对正脉冲的数量与负脉冲的数量进行平衡对于减小充电弛豫效应是有利的。再次地，脉冲被绘示为具有相同大小和相同持续时间，但是这些可以是不同的。
波形40、42、44和48的全部中的序列都能够被重复或者变为被反转等。能够选取预定时间间隔，其中，相对于其数量、电压电平、时段长度和其他特性来监测脉冲历史。然后，能够基于所述历史来实现极性切换。例如，能够实施极性切换，使得在预定间隔之内存在相等数量的不同极性的脉冲。
能够使用许多其他序列在选取的时间间隔内至少一次实施反转驱动原理，所述选取的时间间隔最终可以是设备的寿命，但是优选更短。
在以上范例中，假设脉冲持续时间和绝对信号电平是相同的。在现实状况中，这样可能并非始终是实际情况，因为可能需要不同的致动。因此，例如，第一致动可能需要与第二致动不同，以利用不同的驱动信号电平来实现，例如，获得不同的致动电平等。再次地，电压极性的简单反转将具有其效果。因此，即使在图4A至图4D中，脉冲45也将具有与脉冲46不同的绝对信号电平，与没有反转的任何驱动相比，反转将改善漂移。
然而，在不同致动的电压需要不同的情况下，还能够通过调节脉冲持续时间来获得进一步的改善。这使得上文所解释的电荷运动原理或者其他弛豫效应的使用不仅取决于信号电平，而且也取决于信号持续时间。因此，图4E的驱动信号49示出了脉冲45，脉冲45的第一时段41短于脉冲46的第二时段43。为了补偿时段的差异，选取时段46的电压电平低于脉冲45的电压电平。
可以在预定时间间隔之后执行极性反转。例如，反转时间可以少于电荷从EAP层的一侧移动到另一侧所需的时间，如果EAP层如EAP那样薄，可能发生这种移动，因为驱动电压随着该层厚而缩放。通过这种方式，能够将驱动电压保持相对低(因为EAP厚度小)，同时可以减小最大电荷分离距离，并且保持其低于设备的厚度尺度。如果在单致动事件期间使用反转，则这尤其有用。
在更一般形式的补偿中，选取并组织脉冲，使得在特定时间段之内一个极性的脉冲的电压时间曲线下方的面积匹配同一时间段期间的另一极性的脉冲的电压时间曲线下方的面积。这种效应可以在给定时间段之内得到改善，在该时段之内，相反电压差的驱动信号电平(电压差的绝对值)在其相应持续时间内的积分的平衡增大。能够使用相反极性的至少一对致动信号来进行这样的积分(例如，图4A至图4E中的一对脉冲45和脉冲46)，或者能够针对每个(预定)时间间隔这样做。
所述极性反转使带电或极性物质的运动反转，由此至少在一定程度上减少了电荷积聚或内部场积聚的量。
电压以及与其相关的电场的反转之间的时间段可以显著短于设备的寿命。例如，在每次极性改变之前，可以有设定次数的致动。
在以上范例中，有时间供致动结构在单独致动之间弛豫到其非致动状态。发生这种弛豫是由于以下事实：如果电压差减小到零，则电极上的电荷、其之间并且通过EAP材料的相关联的电场以及因此还有对应的致动也将改变。然而，由于致动响应的时间延迟，致动器可能不会在所有状况下都完全弛豫回到其“关闭”状态，即，其非机械致动状态或非驱动状态。弛豫的量将取决于机械弛豫的速率(机械弛豫时间常数)以及为弛豫给出的时间(由电气时间常数确定)。后者取决于电场的变化率，即系统电荷(即，电压变化率或电流变化率)和阻抗的变化率。可以在本发明中利用机械和电弛豫常数的这种差异。
因此，可以(通过基于阻抗的电气设计)选取电荷变化率(刷新率)和电压极性的反转率，以足够快，使得在电压差极性的切换期间(例如，在从脉冲45至脉冲46等时)，机械致动状态的弛豫未完成、非常少或者甚至没有弛豫。
因此，尽管图4A至图4E的范例利用了单独致动事件之间、即第一时间段与第二时间段的单独致动事件之间的极性反转，但是在相继致动事件之间(因此在相反极性脉冲之间)可能有短的时段(几乎零时间)和长的时段，在单致动事件的过程期间也能够应用反转。实际上这将对应于这样的状况：其中，脉冲反转非常快，使得EAP结构的机械弛豫不能够或者未完全跟随反转，使得致动状态在第一时段和第二时段内基本保持相同，或者至少不反转到零致动。
这样的优点在于，能够在同一次致动事件中执行由反转所提供的补偿，使得为了补偿，不需要进行对历史致动的配对和跟踪，如结合在本文中之前所描述的图4A至图4E的范例所描述的。
例如，实际脉冲之间的零电压时间可以为零和/或脉冲侧翼可以是陡的。根据针对其的一般电气理论，可以调节与EAP结构(电容和/或电阻)相组合的驱动器和/或电极结构。然后，可以完成电压的反转，同时在第一时间段内实现的致动的弛豫在第二时间段开始时尚未显著或完全改变。优选地，利用这种方法实现了少于50％、20％、10％、5％、2％、1％或0％的致动改变。因此，能够利用交变信号驱动方案维持一种机械致动状态。如果电场强度(并且因此，如果在恒定EAP层厚下的电压大小)对于这两种电压极性都是相同的，则这种效应当然是有帮助的，从而在两个相对极性处提供相同的致动电压电平。这还限制了由于极性反转导致的振动。
在用于例如图3的设备时，由图5A至图5D的驱动信号示出了示范性驱动方案。在连续致动的一个时段57(连续致动时段)内，有具有第一时段51的脉冲55以及时段53内的脉冲56，其中，这些脉冲具有反转的极性。所述脉冲彼此跟随很快，使得反转时的机械致动不被干扰(或者至少不反转到零)。
在图5A的波形50中，将在脉冲55期间构建漂移，同时将在脉冲56期间得到补偿。能够通过缩短所述时段并且使用多个脉冲55和/或脉冲56来增大补偿的积聚和精度。例如，利用图5B的驱动方案52这样做。其示出了在时间段57内的交变电压波形，时间段57包括具有时段51的多个脉冲55以及具有时段53的多个脉冲56。脉冲55与脉冲56一样多。因此，对于交变的电压波形，能够实现相似的致动，但是每个第一时段和第二时段的绝对漂移更小。
在这些情况下并且这是优选的，脉冲55和脉冲56在绝对电平和持续时间方面再次等大，因为这将具有最好的补偿效果，但是本发明要具有一些效果，不需要是这样的。
如所描述的，能够利用交变信号来实现改善的补偿。因此，优选地，脉冲55和脉冲56(还有55’和56’)是交变信号的部分，在一个致动时间段(57或57’)中有多个信号波长。因此，在图5A中，那么将示出这样的交变信号的仅一个波长。在以上情况下，那么每次致动包括被施加至电极的交变信号，使得电极之间的总电压差交替变换。由此进一步减小了电荷分离，并且在每个致动时段(每个单致动事件)的结束处可以基本为零电荷分离或其他缺陷。
因此，如果要尽可能少地干扰机械致动，那么能够通过利用交变驱动信号驱动致动器来实现驱动，所述交变驱动信号的反转频率显著快于设备的机械致动的速度。由于典型的EAP致动器能够从静止被机械致动到高达kHz范围(尽管大小受限)的准静态，适当的驱动信号反转频率将至少是该频率的2倍，并且更优选地，甚至更高(例如，5、10、50、100或者甚至500倍)。
在这样的情况下，当致动器需要从其平衡(非驱动)位置致动到致动状态时，首先能够提供驱动信号，其具有足够慢的频率(可以是DC)，以使致动器机械变形。如果达到期望的变形(致动)，低频信号被改变为与慢信号具有相同幅度的高频信号，使得在利用快速频率的情况下，致动器不能够驰豫，同时适当抑制延长致动的副作用。在图5C中示出了示范性驱动方案54。第一脉冲55比其他脉冲更长，并且可以将该脉冲用作准静态脉冲。能够调节其长度和/或幅度以达到基本由方案54的其余部分、即交变脉冲55和56接下来维持的特定致动状态。
每个致动信号内的正脉冲和负脉冲的数量优选相等(或者至少接近相等)，通过提高驱动频率使这种操作更容易。再次地，可以使用曲线下方的面积积分来控制正极性与负极性的平衡。
能够通过测量机械致动输出，根据波形形状(方波、正弦、三角形等)、幅度和/或驱动频率，并且针对要达到的特定机械致动输出而存储这些参数的一个或多个参数，来校准驱动频率。然后，能够使用查找表方法来选择适当的驱动信号，以生成期望的机械致动输出。
所述交变信号优选具有方波的形式，因为这在极性变化时(反转时)给出最小变形。但是可以使用其他形状，诸如正弦或三角形或混合形状。所述交变信号在致动期间能够具有恒定幅度或变化的幅度。
在以上情况中的任何情况中，在一个致动事件内实现图5A到图5D的波形补偿。这允许能够使用相互不同的致动事件，每个事件都是自我补偿的。原则上，不需要对脉冲历史进行跟踪或需要最少的跟踪来优化任何补偿。
图5D示出了两个相继的单独致动事件，一个具有致动时段57，一个具有致动时段57’。在其之间是静息时段(未示出)，类似于图4A的静息时段47。致动事件中的每个致动事件都通过将电压极性反转至少一次来使用自我补偿。因此，现在可以选取与57不同的时间段57’而不失去补偿效果。同样地，脉冲的幅度可以对于脉冲55和脉冲55’是不同的。因此，能够执行完全个体并且独立的致动，几乎完全补偿不利效应，因为在每个个体致动期间都发生补偿。再次地，如参考图5B所描述的那样，能够使用每个驱动时段使用多个脉冲55和脉冲56的交变波形。
当在设备的单次致动的过程期间使用场反转时，能够使用经调节的设备来改善设备的机械输出稳定性。因此，如果特定聚合物具有跟随所述电信号的致动响应延迟，从而不能够跟随例如波形的方波信号，当极性变化时将有不希望的变形。能够通过使用经稍微调节的致动设备来使这种不希望的变形最小化。
一种方式是组合分段电极的异相驱动使用如在图6A和图6B中所示的具有分段电极的设备。图6A示出了EAP结构的顶视图，其包括两个交织的梳状电极60、62作为电极段。例如，图3的设备的电极12可以是这样的交织梳状电极，因为其包括段60和段62。接地电极64(在图3中的电极10)在交织电极60和62下方，并且也在EAP材料层66的另一侧上(为了清楚起见，在图6A中未示出)。因此，在图3中，能够由单个共享电极10来表示电极64。备选地，在EAP层的每侧上可以有对应的电极，在这种情况下，电极64也将是分段的(交织的)(例如，在图3中的电极10和电极12能够是分段的)。使用(一个或多个)分段的电极，利用(一个或多个)梳状电极的交织部分覆盖EAP材料的抵靠部分68(为了清晰起见仅示出了两个)。
所述分段的电极优选比所述电极的总面积小得多，并且在总致动器区域上均匀地分布。然而，根据设计需求，也能够使用所有种类的其他图案化的重复形状的电极。
所述设备现在可以具有以下驱动器，所述驱动器能够根据本发明向不同的段中的每个段提供电驱动信号。然后，可以将这些电驱动信号提供给不同的段，使得可以使得驱动电压极性切换在各段之间异相，亦即，一个段被驱动到一种极性，而另一个段在至少部分时间被驱动到相反极性。
在图6C中提供了第一示范性驱动方案，其中，在连续致动驱动时段57期间，上方的信号迹线表示被提供给第一段60的电驱动信号，而下方信号迹线表示被提供给第二段62的另一电驱动信号。所述切换使得在一个段从第一极性切换到第二极性时，另一段从第二极性切换到第一极性。在不同的迹线(针对不同段)中的信号电平和持续时间可以是相同的(给出改进的稳定性)或不同的(用于改变致动状态)。
在图6C中，针对这两个段的切换都是同相的，但是段60和段62的部分68上方的电压极性是异相的。
在图6D的驱动信号方案中，不在相同时刻对不同段(上方迹线69和下方迹线69中)进行切换(异相)，使得将一个段保持在电压差时，另一段被切换。在这种情况下，一条迹线的切换在另一条迹线的脉冲的中途。然而，能够使用其他异相关系。需要注意，信号随时间的积分在两条信号迹线中是相同的。能够使用这种方案减少在切换期间的致动的损耗，并且因此，进一步减少在切换期间的机械振动或者提供更恒定的致动电平。
图6E示出了实施异相驱动的又一种方式。在这种情况下，能够在整个时段57期间保持任何致动电平相等，因为这两条迹线在任何特定时刻的电平结果是相同的。在这种情况下，所述驱动信号(在上方迹线和下方迹线的每条迹线中)都是三角形迹线。就此而言，所述驱动信号可以具有波形，所述波形是具有连续一阶导数的连续函数。范例可以是正弦三角形波形，其中，一段驱动信号在另一段处于最大电平时切换。利用在时间上这样的信号交叠，当这样的波形的幅度对于两段相等时，能够获得振动的更好减小或者甚至更恒定的机械输出水平。
要指出的是，图6的范例仅示出了每个时段57一次电压差极性切换，但是再次地，如在本文中之前所描述的那样，信号可以是交变的，以提供每个时段57多次这样的切换。如上文中所指出的那样能够调节频率。
尽管各段的异相驱动能够以减小的机械输出干扰来实现信号反转，也能够利用具有两个单独的电活性聚合物结构的设备获得这样减小的干扰，所述电活性聚合物结构具有其对应的电极，其中，当这些结构在与图6A和图6B的设备的各段以相似方式异相驱动时，都贡献于相同的机械输出。在图6F中，示出了这样的备选设备。也在图2或图3中描述的具有附图标记的部分与后面图中的相同。因此，图6F的设备包括两个弯折致动器单元，每个致动器单元都如针对图2所描述的那样构建。每个弯折致动器单元因此包括层压到载体主体16的电极10与电极12之间的包括EAP材料14的堆栈。在所述堆栈之间是隔离材料18，堆栈未被附接到隔离材料18上，但是它们以机械方式接触。驱动器20向电极10提供电信号，而电极12被接地。
当被驱动时，顶部弯折的致动器堆栈以其外(在图平面中为左右)侧在方向17上弯折，而底部弯折的致动器堆栈以其外侧在方向17’上弯折。因此，机械致动能够经由层18彼此加强或支撑，以便贡献设备致动输出。整个堆栈组件能够被以布置在保持器中，堆栈组件的底部被放置在保持器的底部上，并且表面38用于提供设备致动输出。
图6F的设备可以如针对分段的电极设备所描述的那样被驱动，其中，被提供给分段电极的不同电驱动信号转而被供应给不同致动器单元的不同电极12。因此，可以由另一个单元的增大致动来补偿切换期间一个单元的致动驰豫，并且反之亦然。这种驱动原理当然能够用于具有多个这样独立可寻址致动器单元的设备。
图6F的情况示出了堆叠的弯折的致动器，但是这些也可以平行地支撑一个致动输出构件。同样地，能够使用另一致动器结构/单元，诸如提供扩展(参见，例如图1的致动器)而不是或补充弯折致动器的致动器结构/单元。
在以上所有范例中，可以控制用于提供针对两个相反极性信号的这样的场的电场或电压随时间的积分，以具有相等大小(绝对值)。这给出了在致动时获得长期中性运动的可能性。
并非如在图3以及图6A或图6F中所示在驱动器与致动器电极之间直接连接，能够通过使用物理或电气开关来反转电压，由此将单个电压源(诸如电池)的连接周期性地附接到相反电极，例如，电极10和电极12。这使得能够使用信号生成器，其仅需要生成一种极性的电压脉冲。
图3以及图6A或图6F转而示出了与被施加到致动器的其他电极的电压相比，以相反极性的至少两个输出电平驱动致动器的电极之一。为了简单起见，如果如所示以0V驱动第一电极，则针对第二电极12的输出电平为正的和负的。
本发明要求被施加到其之间生成电压差的电极的信号使得根据以上原理来反转电压差。在图3或图6A或图6F中，仅被施加到一个电极的信号对此而交变，而另一电极被接地。参考电平地也可以是不同的参考电平。例如，其可以是有限正电压。然后，能够设计在另一电极上的驱动信号，使得在电极上发生期望的电压差极性。也可以使用其之间生成电压差的这两个电极上的交变信号这样做。
相反极性输出电平可以如在图3中示意性所示地那样大小相同。这具有以下优点：致动器将由两个输出电平均等地致动。
图6A或图6F的设备可以具有被耦合在驱动器的输出部与段或致动单元中的一个之间的移相器。因此，在段或单元之间提供的所述电驱动信号将仅在时间上偏移，而不需要单独的信号生成。
为了创建在两个方向(极性)上的电压/电场的相同时间积分，当使用由驱动器操作的物理开关进行反转时，所述驱动器能够具有模块(means)对开关时间提供时钟，即，通过确保开关在一种设置中与在另一种设置中保持同样长时间，实现相等积分的场。当在驱动器之内实施电压反转时，可以通过确保(驱动器电压)×(电压脉冲长度)之和对于正负电压两者都相等(为简单起见假设第二电极为0V)来实现相等积分的场。需要注意，根据能从驱动器获得的驱动器电压的数量，有许多种方式来确保和相等。
实际上，替代在以上图中示出的两个电平信号，所述驱动器可以具有多个输出电平，与被施加到致动器第一电极的电压相比，具有至少两个相反极性。通过这种方式，可以实现若干致动器变形。再次地，相反极性的输出电平的许多或全部可以大小相同。这具有以下优点：致动器将由幅度相同但是极性相反的输出电平来均等地致动。
所述电极布置可以包括如上文在图3中所示的电活性聚合物层的相对面上的电极。这些提供了横向电场，以控制EAP层的厚度。这继而导致EAP层在层的平面(图1)中的扩展或收缩，在使用连接到层堆的衬底(图2)的情况下，导致所述致动器弯曲。
所述电极布置可以继而包括电活性聚合物层的一个面上的一对梳状电极。这样提供了共面电场，以直接控制共面层的尺度。也可以应用上述反转方案而实现良好效果。
以上范例利用了电活性聚合物层，所述电活性聚合物层被致动以使其扩展(参见，例如图1和3)，这典型地可以被转换成具有例如在图2所示的构造的弯折运动。然而，根据致动构件的构造，也可以引起其他类型的运动。本发明将针对任何构造具有效果。
本发明能够用于提供双稳态致动的设备，即，在无需驱动信号来维持致动状态的那些设备，因为即使在这些设备中，也需要发生致动以将其驱动到这样的双稳态可维持状态，在驱动期间，能够实施极性反转。
已经通过试验确定了提供使用双极性驱动方案对致动器的性能的影响。致动器的位移被测量为在单极性驱动方案期间和双极性驱动方案期间所施加的电压(施加到致动器恒定的外部负载)的函数。图7示出了所施加的驱动波形。其包括序列中每个200s的四个周期。第一周期是幅度为250V的单极性驱动波形的10个时段。第二周期是幅度也为250V的双极性驱动波形的10个时段。第三周期是单极性驱动波形的10个时段，并且第四周期为双极性驱动波形的10个时段。
图8示出了作为所施加的驱动电压(x轴)函数的位移(y轴)。负位移对应于弯折致动器的向上弯折。
图8示出了在图7中所示的10个时段的单极性驱动周期(曲线图80)和10个时段的双极性驱动(曲线图82)周期的前两个周期的结果。单极性驱动80仅出现在x轴的正电压部分上。双极性驱动82针对相反极性给出相同的位移函数(左右电压轴位移基本相同)。
图8还示出了，与单极性驱动方案导致的位移相比，双极性驱动方案有利地给出了大约15％更多的位移(与-1.15mm到-1.65mm相比，为-1.07mm到-1.65mm)。
图9示出了针对后两个周期、即在图7中所示的第三10个时段的单极性驱动(曲线图90)和第四10个时段的双极性驱动(曲线图92)的结果。
该曲线图示出了位移曲线向上的漂移，以及利用致动器能获得的最大位移似乎对于单极性驱动方案消失。因此，双极性驱动方案与单极性驱动方案相比也给出了更可再现的结果。在0伏驱动(致动器设备的静息状态)下，针对单极性驱动方案而观测到位移的漂移，而通过使用双极性驱动方案不存在这种情况或者被大大抑制。因此，双极性驱动方案给出了更好并且更可再现地返回到致动器的静息状态。
这在单极性驱动源自自由电荷漂移到一个电极的情况下会劣化响应，这屏蔽电场。同样地，利用单极性驱动，晶畴能够被捕获，导致驰豫不良，因此对致动器的位移没有贡献。
本发明特别涉及包括EAP作为EAP结构一部分的EAP致动器的致动。因此，EAP结构包括EAP材料。这是一种能够在向EAP结构提供电信号时使EAP结构变形的材料。这样，EAP材料能够是包括一种或多种基质材料与一种或多种EAP或者由其构成的混合物(均质或异质)。这例如能够是另外的聚合物基质材料中的EAP扩散。另外的聚合物基质材料能够是网络聚合物，其允许基质网络之内混合或散布的EAP诱发变形。能够在其中散布EAP材料。弹性材料是这样的网络的范例。优选地，在这样的合成EAP材料中的EAP的量是从包括>50重量或摩尔百分比、>75重量或摩尔百分比或>90重量或摩尔百分比的组中选取的。EAP材料还能够包括在其分子中包含EAP(或EAP活性基团)的部分和非活性其他聚合物的部分的聚合物。能够使用许多电活性聚合物，下文将描述其中的若干种。然而，要使用的EAP必须提供对称致动，即，对于该致动，致动方向与电场方向无关(换言之，被施加到电极成以生成电场的电压的极性)。
在场驱动EAP的子类中，场驱动EAP的第一公知子类是电致伸缩聚合物。尽管传统压电聚合物的电机械性能受到限制，但是改善这种性能方面的突破已经获得了驰豫聚合物，诸如基于(P)VDF的驰豫聚合物，其展示出电极化(场驱动对准)，并且因此展示出对称致动响应。这些材料能够是预应变的，用于在应变方向上获得改善的性能(预应变导致更好的分子对准)。场驱动EAP的另一子类是电介质弹性体子类。
这样的材料的薄膜可以被夹置在顺应性电极之间，形成电容器，诸如平行板电容器。就电介质弹性体而言，由所施加的电场诱发的麦克斯韦应力在膜上导致应力，使其在厚度上收缩，在面积上扩展。典型地，通过使弹性体预应变(需要框架保持预应变)而放大应变性能。应变会相当大(10-300％)。对于这类电介质弹性体材料，电极优选直接或者利用中间材料层机械附接至EAP材料。
针对第一子类的材料，通常使用薄膜金属电极，因为应变通常在中等状况(1-5％)中，也能够使用其他类型的电极，诸如，例如导电聚合物、基于炭黑的油、凝胶或弹性体等。针对第二类材料，典型地，电极材料的类型受到高应变的约束。因此，对于具有低和中应变的电介质材料，能够考虑金属电极和导电聚合物电极，对于高应变状况，典型地使用基于炭黑的油、凝胶或弹性体。
关于以上材料并且更详细地，因此适合本发明的电活性聚合物类别能够包括，但不限于以下子类：电机械聚合物、驰豫铁电聚合物、电致伸缩聚合物、电介质弹性体。
子类电致伸缩聚合物包括，但不限于：
聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF–HFP)、聚氨酯或者其混合物。
子类电介质弹性体包括，但不限于：
丙烯酸酯、聚氨酯、聚硅烷或硅酮。
EAP结构的电极能够具有许多配置，每种配置都具有特定优点和效果。
如果电镀电极被布置成不对称配置，所施加的信号(例如，电压)能够诱发所有种类的变形，诸如扭转、轧制、扭动、转动和EAP结构的不对称弯折变形。
在所有这些范例中，可以提供额外的无源层，以响应于所施加的电场或电流来影响EAP材料层的电和/或机械行为。
每个单元的EAP材料层都可以被夹置在电极之间。备选地，电极能够在EAP材料的同一侧。在任一种情况下，电极都能够直接地在其之间没有任何(无源)层的情况下或者间接地在其之间有额外的(无源)层的情况下被物理附接至EAP材料。但是并非需要始终这样。对于弛豫体或永久压电或铁电EAP而言，不必进行直接接触。在后一种情况下，在EAP附近的电极就足够了，只要电极能够向EAP提供电场即可，电活性聚合物结构将具有其致动功能。电极可以是能拉伸的，使得其遵循EAP材料层的变形。适合电极的材料也是已知的，并且例如可以从包括以下项的组中选择的：金属薄膜，诸如金、铜或铝；或者有机导体，诸如炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)，例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)。还可以使用金属化聚酯膜，例如金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，例如，使用铝涂层。
将例如考虑不同层的弹性模量(杨氏模量)来选择不同层的材料。
可以使用除上述那些之外的额外的层以调整设备的电或机械行为，诸如额外的聚合物层。
所述设备可以被用作单个致动器，或者可以有一排设备或设备的阵列，例如，以提供对2D或3D轮廓的控制。
能够在许多EAP应用中应用本发明，包括以下范例，其中，对致动器的无源矩阵阵列感兴趣，特别是上文针对一些致动器范例所描述的阈值函数的结果。
在许多应用中，所述产品的主要功能依赖于人体组织的(局部)操控或接触界面的组织的致动。在这样的应用中，EAP致动器提供了独有的优势，主要因为小外形、灵活性和高能量密度。因此，能够容易地在软3D形状和/或微型产品和界面中集成EAP。这样的应用的范例是：
皮肤美容处置，诸如基于EAP的皮肤贴片形式的皮肤致动设备，其向皮肤施加恒定或周期性拉伸，以便使皮肤张紧或减小皱纹；
具有患者接口面罩的呼吸设备，其具有基于EAP的主动衬垫或密封件，以向皮肤提供交替的正常压力，这样减小或防止了面部红色印记；
具有自适应剃须头的电动剃刀。能够使用EAP致动器来调节皮肤接触表面的高度，以便影响接近度和刺激之间的平衡；
口腔清洁设备，诸如具有动态喷嘴致动器的空气牙线，以改善喷雾的达到范围，尤其是牙齿之间的空间中。备选地，可以提供具有被激活毛簇的牙刷；
消费电子设备或触摸面板，其经由EAP换能器的阵列提供局部触觉反馈，换能器集成于用户接口中或附近；
具有能引导的尖端的导管，以能够容易地在曲折的血管中导航。
受益于EAP致动器的另一类相关应用涉及光的改变。能够使用EAP致动器，通过形状或位置调整来使诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件自适应。在此，EAP的益处例如是更低功耗。
通过研究附图、公开和所附权利要求，所公开实施例的其他变化可以被本领域技术人员在实践所主张发明期间理解和实现。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中提到特定措施的简单事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应当被解释为限制范围。
概括地说，本发明提供了一种致动器设备，包括电活性聚合物(EAP)和用于生成电驱动信号的驱动器，所述电驱动信号给出相反极性的电压，并且因此在不同时间在电活性聚合物之内提供电场。通过这种方式，可以减少或避免电荷积聚，同时延长激活时间仍然是可能的。这改善了设备的性能和/或寿命。

Claims (34)

1.一种操作致动器设备(21)的方法，包括：
-电极布置(10和12)，其包括第一电极(10)和第二电极(12)，所述电极布置用于接收电驱动信号，以由此在所述第一电极与所述第二电极之间造成电压差；
-电活性聚合物结构(14)，其用于响应于所述电压差而提供致动，所述致动具有与所述电压差的极性无关的致动方向；
所述方法包括：
-将所述电驱动信号施加到所述电极布置，
其中，所述电驱动信号包括：
-在第一时段(41、51)期间的第一电驱动信号(45、55)，其用于使所述电压差在所述第一时段中具有第一极性；以及
-在与所述第一时段不同的第二时段(43、53)中的第二电驱动信号(46、56)，其用于使所述电压差在所述第二时段中具有与所述第一极性不同的第二极性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压差在所述第一时段上的积分的绝对值和所述电压差在所述第二时段上的积分的绝对值是相同的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时段和/或所述第二时段长于10毫秒。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时段和/或所述第二时段长于50毫秒。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时段和/或所述第二时段长于0.1秒。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时段和/或所述第二时段长于0.5秒。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时段和/或所述第二时段长于1秒。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时段和/或所述第二时段长于5秒。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时段和/或所述第二时段长于10秒。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一时段和/或所述第二时段长于50秒。
11.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一时段和所述第二时段同样长，并且/或者在所述第一时段中的所述电压差的所述绝对值和在所述第二时段中的所述电压差的所述绝对值是既恒定又相同的。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电驱动信号和/或所述第二电驱动信号具有多个不同的电压电平以定义不同的电压差。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一时段期间的所述电压差是恒定的，并且在所述第二时段期间的所述电压差是恒定的。
14.根据权利要求1-13中的任一项所述的方法，其中，所述致动是在驱动时段(57、57’)内的连续致动，并且所述驱动时段包括所述第一时段(51)中的一个或多个第一时段以及所述第二时段(53)中的一个或多个第二时段。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一电驱动信号和所述第二电驱动信号彼此跟随，使得所述致动不改变超过50％。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一电驱动信号和所述第二电驱动信号彼此跟随，使得所述致动不改变超过20％。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一电驱动信号和所述第二电驱动信号彼此跟随，使得所述致动不改变超过10％。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一电驱动信号和所述第二电驱动信号彼此跟随，使得所述致动不改变超过5％。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一电驱动信号和所述第二电驱动信号彼此跟随，使得所述致动不改变超过2％。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一电驱动信号和所述第二电驱动信号彼此跟随，使得所述致动不改变超过1％。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一电驱动信号和所述第二电驱动信号彼此跟随，使得所述致动不改变超过0％。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述驱动信号包括第一多个第一电驱动信号(55)以及第二多个第二电驱动信号(56)，所述第一多个电驱动信号和所述第二多个电驱动信号一起形成交变信号，所述交变信号具有在时间上交变的第一电驱动信号(55)和第二电驱动信号(56)。
23.根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，其中，所述致动包括由至少静息时段(47)人工分离的第一连续致动和第二连续致动，并且其中，所述第一电驱动信号(45)贡献于所述第一连续致动，并且所述第二电驱动信号(46)贡献于所述第二连续致动。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，针对多个第一连续致动和多个第二连续致动，一个或多个第一电驱动信号跟随有一个或多个第二驱动信号和/或一个或多个第二电驱动信号跟随有一个或多个第一驱动信号；多个第一电驱动信号能够是预定数量的。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述方法包括：
-针对在预定时间间隔内的一个或多个第一电驱动信号来确定以下特性中的一个或多个特性：
-所述第一电驱动信号的数量；
-一个或多个信号电平；
-一个或多个第一驱动时段；
-所述电压差在时间上的一个或多个积分；
-根据所确定特性中的一个或多个特性，针对跟随所述预定时间间隔的一个或多个第二电驱动信号来调节相同特性中的一个或多个特性。
26.一种计算机可读介质，其存储计算机可读代码，所述计算机可读代码当在计算机上被执行时能够导致执行根据权利要求1至25所述的方法中的任一种方法的步骤。
27.一种致动器设备，包括：
-电极布置(10和12)，其包括第一电极(10)和第二电极(12)，所述电极布置用于接收电驱动信号，以由此在所述第一电极与所述第二电极之间造成电压差；
-电活性聚合物结构(14)，其用于响应于所述电压差而提供致动，所述致动具有与所述电压差的极性无关的致动方向；
-驱动器(20)，其用于向所述电极施加所述电驱动信号，其中，所述电驱动信号包括：
-在第一时段期间的第一电驱动信号，其用于使所述电压差在所述第一时段中具有第一极性；以及
-在与所述第一时段不同的第二时段中的第二电驱动信号，其用于使所述电压差在所述第二时段中具有与所述第一极性不同的第二极性。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述驱动器(20)用于在连续致动驱动时段内将所述电驱动信号从第一电驱动信号切换至第二电驱动信号或者从第二电驱动信号切换至第一电驱动信号至少一次。
29.根据权利要求28所述的设备，其中，至少所述第一电极包括两个不同的电极段(60、62)，并且所述驱动器用于提供所述电驱动信号中的单独的电驱动信号，所述不同的电极段被布置用于接收所述电驱动信号中的所述单独的电驱动信号并且导致在所述电活性聚合物结构(66)的不同部分(68)处的所述电压差。
30.根据权利要求28所述的设备，所述电极布置和所述电活性聚合物结构(14)包含致动单元，其中，所述设备包括致动单元中的至少两个单独的致动单元，每个致动单元将其致动贡献于所述设备的相同致动输出，并且所述驱动器用于将所述电驱动信号中的单独的电驱动信号提供至所述至少两个单独的致动单元中的不同的致动单元。
31.根据权利要求29或30所述的设备，其中，所述驱动器用于提供所述电驱动信号中的不同的电驱动信号，使得针对所述电驱动信号中的所述不同的电驱动信号从所述第一电驱动信号到所述第二电驱动信号的所述切换是异相的。
32.根据权利要求27或28所述的设备，其中，所述驱动器(20)用于在连续致动驱动时段之间并且在以下情况下将第一电驱动信号切换至第二电驱动信号或者将第二电驱动信号切换至第一电驱动信号：
-在一个或多个第一电驱动信号之后，和/或
-在一个或多个第二电驱动信号之后。
33.根据权利要求27至30中的任一项所述的设备，其中，所述驱动器(20)包括：
-电源，其用于生成所述第一极性的电信号和所述第二极性的电信号，以在所述电驱动信号中使用；或者
-电源，其用于生成至少所述第一极性的电信号或者至少所述第二极性的电信号，以在所述电驱动信号中使用；以及切换布置，其用于对所述电驱动信号到所述电极布置的耦合进行切换。
34.根据权利要求27至30中的任一项所述的设备，包括处理器和存储器，所述存储器已经在其中存储了根据权利要求26所述的计算机可读介质的计算机可读代码，并且所述处理器用于执行所述计算机可读代码。
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