CN109155356A - 基于电活性聚合物的致动器设备 - Google Patents

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M·T·约翰逊
C·P·亨德里克斯
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Abstract

本发明涉及在一个或多个致动信号之前和之后向致动器的电活性聚合物结构提供复位信号。所述复位信号能够引起缺陷(例如，EAP或EAP结构中的俘获电荷、偶极子和/或其他缺陷)的弛豫，使得在随后使用驱动信号激活时，初始致动状态被定义为比没有使用所述复位信号时更为恒定。因此，采用本发明的设备的致动输出更具可重现性。本发明适用于具有包括EAP材料的电活性聚合物结构的致动器设备，其中，该结构能够在EAP材料的至少部分经受电驱动信号时提供机械致动。

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、用于致动这种设备的控制器以及用于操作这种致动器设备或控制器的方法。
背景技术
在致动是基于对电活性聚合物(EAP)的电刺激的致动器设备中，致动是由EAP材料的尺寸和/或形状的变化引起的。当涉及到EAP针对致动器的应用时，EAP组合了许多有利的属性。EAP的优点包括：操作功率低，形状规格小，灵活，无噪声操作，可能得到高分辨率，快速响应时间以及循环致动。然而，虽然EAP能够用作将电功率转换成机械功率的转换器，但是由于EAP的有机聚合物性质，EAP还能够被容易地制造成各种形状，从而允许其被容易地集成到各种各样的设备和系统中。
作为EAP设备操作的范例，图1和图2示出了针对示例性EAP设备的两种可能的操作模式。该设备包括EAP结构，该EAP结构包括夹在被附接到EAP层14的相对侧的电极10、12之间的EAP层14。而在图1中，包括电极的EAP层能自由移动，在图2中，整个EAP结构是一侧夹持(附接)到支撑或载体层16。用于在电极10和12上产生电压差而施加的驱动信号用于使EAP层在其厚度方向上收缩，从而在横向方向上扩展。对于介电弹性体EAP，这是由于由电极施加到EAP层的收缩力引起层变薄，而压电和/或电致伸缩EAP也能够经由与电场的直接耦合起作用(收缩)，因此不需要电极的接触来提供收缩力。而在图1中，这种致动引起在所指示的方向上的扩展形式的对称变形(图1中的箭头)，伴随着由于EAP层自由悬挂而引起的EAP层的层变薄(具有变薄的横向扩展)，图2中的相同致动(图2中的箭头)由于在一侧上的夹紧限制了运动自由度而引起设备弯曲。因此，通过使用设备工程设计能够在对EAP层的致动时设计和调用各种各样的设备输出。为了获得如图2所示的围绕轴的不对称弯曲，可以例如施加分子取向(膜拉伸)，迫使在一个方向上移动。弯曲可能由EAP聚合物中的不对称性引起，或者弯曲可能由载体层的属性的不对称性引起，或者弯曲可能由以上两者的组合引起。
发明内容
发明人已经发现：对于EAP致动器，当在需要长时间和/或频繁的时间段内致动的应用中使用EAP致动器时，致动不总是随时间恒定并且/或者设备的不同的随后的致动周期的驱动-致动曲线随时间变化，即，发生曲线漂移。这妨碍了致动器的实际应用。
因此，需要改进的致动器和操作这种致动器以减少或消除上述问题的方法。
利用通过独立权利要求所定义的本发明至少部分地实现了这种目的。从属权利要求提供了有利实施例。
因此，根据本发明，提供了致动方法、用于执行该方法的计算机编程产品，以及适于使用该致动方法的设备，在所述设备和方法中，在一个或多个致动事件之前和/或之后采用复位信号。
能够使用本发明所定义的复位信号来减少上述问题的关键是基于以下认识：
-对于EAP致动器的致动，通常使用几十伏特/微米EAP层厚度的数量级的大电场对EAP致动器进行驱动/致动，并且这些高致动场是若干干扰过程(例如，依赖场的电荷传输和聚合物结构(例如，局部偶极子重新定向和/或微晶重新定向和/或聚合物分子重新定向等)弛豫效应，所有这些干扰过程都发生在实际驱动/致动旁边)的原因；
-弛豫效应对施加的场和激励时间的变化具有互不相同的响应，因为它们发生的时间常数通常是不同的。因此，就干扰过程的结果而言，致动器的最终状态取决于致动历史，因此是可变的或甚至是不可预测的；
-在致动期间，弛豫效应是场驱动的，在没有施加场的情况下进行致动之后，在没有场的情况下发生或需要发生后弛豫，因此后弛豫会慢得多。因此，虽然因与弛豫相同的原因，后弛豫也是依赖历史的，但是在一些致动循环或等待时间之后，后弛豫也可能不完整。
与无机电活性材料相比，干扰过程的上述效应在聚合物材料中尤为明显，这是因为聚合物材料具有至少部分无序的分子结构。这种分子结构通常会阻碍在因驱动而改变结构之后到原始结构状态的恢复。因此，取决于致动历史，致动器在致动之后可以处于具有可变的、通常不可预测的“俘获”缺陷的状态，从而在连续致动期间造成启动致动状态的移位和/或驱动致动曲线的漂移。
利用本发明，能够抵消上述效应中的一种或多种效应。因此，能够抵消例如由跨致动器的电场所引起的、致动器(特别是EAP)内的运动效应和可能的带电物质或偶极物质的俘获效应和/或(极性)物质(分子或分子部分)的(重新)定向效应。(半永久性)带电物质层或极化物质层的聚积可以通过越来越多地屏蔽所施加的致动场来影响(例如导致实现相同致动所需的更高电压)致动器设备操作，并且利用本发明能够减小或者甚至阻止这个问题。而且，能够减小或防止因半永久性带电物质的聚积或EAP分子、离子或其他物质的重新取向而导致的致动器的静止状态下(例如，在施加非致动驱动信号的情况下，或者换种说法，在不施加致动信号的情况下)具有无意致动的效应。此外，可以减小或防止由机械运动和磨损引起的致动器的老化和电击穿的效应以及带电物质可能在缺陷部位处的累积和俘获。重要的是，能够至少部分实现上述优点中的一个或多个优点而不损害所需的设备致动。
该设备可以是致动器设备。驱动信号用于引起电活性聚合物致动器及其一起的设备所需的致动。复位信号不用于提供所需的致动输出。它是控制信号的部分，但是用于补偿电活性聚合物致动器的致动偏移漂移。这种漂移可能由驱动信号引起。驱动信号能够具有驱动信号持续时间以引起致动。复位信号优选在驱动信号持续时间之外进行施加，但也能够是驱动信号持续时间的部分。
复位信号在驱动信号之前和/或之后。在任一种情况下，两者之间都可能存在延迟时间。
复位信号的简单形式是块脉冲信号。
复位信号的水平小于驱动信号的水平。“水平”意指信号的幅值，或者，例如在信号是周期性信号或循环性信号的情况下，“水平”意指信号的幅度或峰值幅值。因此，水平可以指“峰值水平”，并且在整个申请中将被解读为与术语“峰值水平”同义。
所述驱动信号能够具有驱动信号水平，并且所述复位信号能够具有复位信号水平，其中，所述复位信号水平等于或小于水平缩放因子与所述驱动信号水平的乘积，所述水平缩放因子选自包括以下项的组：0.5、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01。
虽然复位信号并不用于生成期望的致动输出(即，驱动信号的函数)，但是在一些情况下，它可能导致临时的潜在干扰致动输出。复位信号水平或幅度越小，相关联的临时致动响应就越小。如果驱动信号水平不是恒定的(如是变化的、脉动的或甚至交变的驱动信号)，则能够使用最大驱动信号水平，例如，峰值信号水平或幅度。同样，如果复位信号水平在复位信号持续时间上不是恒定的(如是变化的、脉动的或甚至交变的复位信号)，则能够使用最大复位信号水平，例如，峰值信号水平或幅度。
所述复位信号能够具有复位信号水平，使得当由所述复位信号引起的跨所述电活性聚合物结构的电场被施加到所述电极装置时，所述电场在10伏特/微米至300伏特/微米之间。
优选地，所述电场在10伏特/微米至50伏特/微米之间。
能够在复位信号持续时间期间施加所述复位信号，所述复位信号持续时间在0.01秒至1秒之间。该持续时间的复位信号通常足够长以具有显着的改善效应，并且足够短而不会显着干扰用于致动的频率。优选地，复位信号持续时间大于0.05秒或者甚至大于0.1秒。与其组合或备选地，复位信号持续时间能够小于0.5秒。较短的复位信号脉冲(其可能具有高(例如高达驱动信号水平的一半的)复位信号水平)可以用于生成较少的临时致动响应，特别是在电活性聚合物机械响应时间与信号复位脉冲周期非常不同的情况下。
所述驱动信号能够具有驱动信号水平和驱动信号持续时间，并且所述复位信号能够具有复位信号水平和复位信号持续时间，其中，所述复位信号水平在所述复位信号持续时间上的积分等于或小于积分缩放因子与所述驱动信号水平在所述驱动信号持续时间上的积分的乘积，所述积分缩放因子选自包括以下项的组：0.5、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01。补偿基于信号水平(场)乘以信号水平的施加时间而得到的积分的平均度量。在某些情况下，这能够给出良好的补偿平衡。在驱动信号具有两个极性的情况下，驱动信号的积分优选基于信号水平的非绝对值，使得极性效应以计算值的平均数给出。
所述驱动信号能够具有驱动信号持续时间，其中：
-在整个驱动信号持续时间期间或在所述驱动信号持续时间的结束部分期间，所述驱动信号具有第一极性，并且所述复位信号包括与所述第一极性相反的第二极性的至少一个部分。如果整个驱动信号或其末端部分是正(第一极性)信号，则使用负(第二极性)的复位信号，反之亦然。由于EAP结构内的驱动信号和复位信号所引起的电场方向取决于信号的极性，因此相反的极性可以消除可能导致观察到不想要的致动曲线漂移的不想要的效应。与使用驱动信号水平和/或复位信号水平在其持续时间上的积分相比，这是一种更简单的补偿方法。
所述复位信号能够包括可变信号或者由可变信号组成。可变信号是在其信号持续时间或施加时间期间具有变化的信号水平的信号。它可以是具有随机变化水平的单脉冲信号。单脉冲信号能够是块脉冲、三角脉冲、正弦脉冲或具有变化信号水平的任何其他形状的脉冲。单脉冲能够在时间上对称或在时间上不对称，急剧增大和缓慢减小，反之亦然。减小和增大可以根据不同的功能发生。能够根据对特定电活性聚合物致动器的测试需要而选择脉冲的形状。这种类型的复位信号实际上是一种具有许多不同场强的振荡信号。因此，在其应用于电活性聚合物致动器期间，可以更有效地弛豫需要不同的干扰效应。可变信号能够具有随机变化的信号水平，该信号水平在其持续时间期间逐渐增大，逐渐减小，或者具有增大部分和减小部分。
所述复位信号包括多个复位信号脉冲或者由多个复位信号脉冲组成。
这种复位信号为每一个脉冲提供弛豫振荡，即，每个复位信号振荡几次。一些干扰效应可能需要多次振荡才能有效弛豫。优选地，脉冲的数量在2至20的范围内进行选择。更优选地，脉冲的数量在2至10的范围内进行选择。甚至更优选地，脉冲的数量在5至10的范围内进行选择。复位信号脉冲可以具有等长的持续时间或者具有不同的持续时间。脉冲可以相对于例如持续时间、信号水平和/或形状随机组织。备选地，脉冲可以以一种形状的脉冲和/或一个信号水平和/或一个持续时间的形式组织。因此可能存在一串相等水平的信号脉冲，每个脉冲具有相同的持续时间或者具有例如针对复位信号中的每一个下一脉冲减小的脉冲长度。在多个复位信号脉冲中的任何一对连续的复位信号脉冲之间可以存在弛豫时间。弛豫时间是施加零驱动信号的时间段。
所述复位信号包括具有恒定周期或变化周期的交变信号或者由具有恒定周期或变化周期的交变信号组成。这种交变信号能够例如包括多个复位信号脉冲中的一个或多个复位信号脉冲。
所述复位信号脉冲中的每个复位信号脉冲都具有最大复位信号脉冲水平，并且所述最大复位信号脉冲水平的绝对值针对所述复位信号内的多个复位脉冲中的每个下一复位脉冲减小。首先使需要强烈复位脉冲的干扰效应弛豫，则下一较低强度脉冲将不会消除整个获得的复位，因为每个下一脉冲都不够强烈，无法对最难激活的脉冲进行致动，这些脉冲都是用先前的脉冲弛豫的。因此，弛豫是逐渐进行的。
所述复位信号能够至少包括第一极性和与所述第一极性相反的第二极性。对干扰效应的补偿可能需要在电活性聚合物结构内周期性地反转电场。一些效应需要在它们能够弛豫之前在两个方向上进行振荡。这是利用双极性信号或具有两种极性的信号来实现的。为此，可以使用不同的极性复位信号。优选地，复位信号是或包括具有恒定周期或变化周期的交变信号的部分。如果复位信号包括多个复位信号脉冲，则每个脉冲可以具有一个特定极性。在交变复位信号的情况下，连续脉冲可以具有相反的极性。
所述方法还能够包括：
-提供查找表，所述查找表包括用于定义多个驱动信号的驱动信号数据和用于定义多个复位信号的复位信号数据，所述驱动信号数据中的每个驱动信号数据与所述复位信号数据中的一个复位信号数据相关；
-根据驱动信号的定义，基于所述查找表内的一个或多个驱动信号数据从所述查找表中检索针对复位信号的复位信号数据；
-使用所述复位信号数据和检索到的复位信号数据来生成所述控制信号的所述驱动信号和所述复位信号；
能够使用复位信号数据与驱动信号数据的直接匹配。备选地，如果所需的驱动信号数据(针对致动驱动信号)与查找表中的驱动信号数据之间不存在精确匹配，则可以使用插值从对应的复位信号数据中确定合适的所需复位信号数据。
在本发明中，所述方法还能够包括：
-确定所述电活性聚合物致动器的致动历史；并且
-基于所述致动历史来生成复位信号。
致动历史可以包括以下中的任一个：跟踪随时间提供的信号水平、极性和/或驱动信号的数量，跟踪致动器随时间的致动输出。该构思是在更加剧烈的致动和/或基于更多单极性的致动和/或更多数量的致动之后，可以施加更强大的复位信号。这仍然能够通过使用预定义的查找表来完成。基于连续提供的致动次数，能够提供期望的复位脉冲。因此，例如提供了更多的驱动信号。
优选地，跟踪在致动器的静止状态下的致动输出以及在致动之前或之后的致动输出，例如通过(临时)存储值以便能够比较它们。如果与预定参考值的偏离变得大于预定阈值，则可以提供复位脉冲以进行校正。可以根据确定的差异来调整该复位脉冲。
所述复位信号能够：
-在每一个驱动信号或多个驱动信号之后和/或之前。
有时不需要使每一个驱动信号都有一个复位信号。这增加了致动器的实际运行时间，因为复位信号需要时间而不提供致动器输出。
优选地，一个或多个(随后的)驱动信号之后是复位信号。更优选地，每一个驱动信号之后是复位信号。
一个或多个随后的驱动信号之前能够是复位信号，一个或多个随后的驱动信号之后是复位信号。因此，每一个驱动信号能够在驱动信号之前和之后。但是，也可能存在针对一组驱动信号的复位信号。这能够意味着在两个驱动信号之间可以存在至少两个复位信号，一个复位信号在第一驱动信号之后，另一个复位信号在第二驱动信号之前。前一个信号提供了一个新的起始点，从这个新的起始点开始驱动，而驱动信号之后的复位脉冲具有其通常的效应。
优选地，这种配置与致动器的反馈或历史跟踪相结合，以更好地控制致动输出曲线漂移。
本发明提供了一种计算机程序产品，包括被存储或能存储在计算机可读介质上或者能从通信网络下载的计算机可读代码，所述计算机可读代码当在计算机上运行时能够引起或者引起对根据权利要求1至14中所要求保护的方法中的任一种方法的步骤的执行。因此，本发明的方法能够用能够控制控制器的软件来实施，所述控制器可能包括用于控制电活性聚合物致动器以使其根据需要致动的信号发生器。
所述设备能够包括处理器和存储器，所述存储器存储有根据权利要求13所述的计算机程序产品，并且所述处理器被布置用于运行所述计算机程序产品。可选地，所述设备能够包括用户输入和/或输出设备以及用于自动或手动操作所述设备的相关接口。
通过适配控制器或计算机程序产品，能够将该方法的所有特征及其优点转化为计算机程序产品或控制器的特征。处理器能够是半导体处理器，例如，中央处理单元等。存储器能够是能够由处理器访问的任何类型的RAM或ROM存储器。这样的存储器可以包括SD或闪速存储器、硬盘或光盘，例如，CD或DVD或蓝光光盘。存储器能够被包括在计算机可读介质中。备选地，计算机可读介质能够是诸如LAN或WAN的通信网络或能够从其下载计算机程序的其他数据网络。
所述控制器能够包括：
-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供电驱动信号使用的电源；或者
-用于生成至少所述第一极性的电信号或至少所述第二极性的电信号以供电驱动信号使用的电源，以及用于切换所述电驱动信号到电极装置的耦合的切换装置。利用耦合切换，能够实现从所述第一极性到所述第二极性的切换，反之亦然。
所述控制器可以包括用于生成相反极性信号的信号发生器。备选地，所述驱动器可以包括用于产生单极性信号的信号发生器和用于将驱动器输出耦合到所述电极装置的切换装置。这些部件提供了向EAP层提供相反极性信号的备选方式。当采用切换单元时，能够使用简化且更便宜的信号发生器。
能够使用针对系统或设备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要求保护或描述的系统或设备所描述的优点相同的优点。
附图说明
现在将参考所附示意图来详细描述本发明的范例，其中，相同的数字表示相同的特征，并且其中：
图1示出了已知的电活性聚合物结构，它没有被夹紧，以便在平面内进行线性致动。
图2示出了已知的电活性聚合物结构，它被背衬(载体)层约束，以用于在平面外进行弯曲致动；
图3A和图3B示出了包括驱动器连接的致动器设备的基本布局。图3B的致动器具有两个共用公共电极12的EAP层14。
图4示出了应用于致动器的根据本发明的不采用复位信号的驱动方案。
图5示出了通过将图4的驱动方案用于图4的致动器所观察到的致动循环。
图6示出了应用于图4的致动器的具有单脉冲三角形复位信号的驱动方案。
图7示出了通过将图6的驱动方案用于图4的致动器所观察到的致动循环。
图8再次示出了图7的致动循环曲线，但现在包括在负电压极性区域处的致动。
图9A至图9C示出了控制信号序列。
图10示出了在驱动信号之前和之后具有复位信号的控制信号。
图11A和图11B示出了具有不同极性复位信号的控制信号。
图12A和图12B分别示出了具有恒定幅度的脉动复位信号和具有衰减幅度的脉动复位信号。
图13A示出了没有衰减的交变复位信号。
图13B和图13C示出了具有衰减幅度的交变复位信号。
图14示出了根据本发明的示例性控制信号。
图15示出了根据本发明的设备。
图16示出了根据本发明的设备(例如，图15中的设备)的操作的流程图。
具体实施方式
电活性聚合物致动器包括电活性聚合物结构EAP，其定义非致动状态和能通过向EAP结构施加电驱动信号而获得的至少一个致动状态(不同于非致动状态)。致动状态提供机械致动形式的致动，该致动能够是由于EAP结构在施加驱动信号时变形的倾向而由结构提供的力(压力)、力(压力)变化和/或冲程。
利用电极结构将电驱动信号提供给EAP结构，该电极装置具有一个或多个用于接收控制信号的电极。EAP结构可以处于电极结构的电极之间(例如夹在电极结构之间)。备选地，电极能够位于EAP结构的同一侧。在任何一种情况下，电极能够以物理方式直接附接到EAP材料而不需要在它们之间有任何(钝化)层，或者利用在它们之间的额外(钝化)层而间接附接到EAP材料。但并非总是如此。例如，对于张弛振荡器或永久压电或铁电EAP，不一定需要与电极直接机械接触。在这些情况下，只要EAP附近的电极能够为EAP提供电场，EAP附近的电极就足够了。然而，对于作为EAP的介电弹性体，电极需要与EAP材料物理接触(例如附接到EAP材料)，使得施加到电极的电场能够向EAP强加使EAP变形的力。因此，电极能够是电活性聚合物结构的部分。
在本发明的语境中，驱动信号和复位信号能够是具有电压信号水平(电压驱动)的电压信号或具有电流信号水平(电流驱动)的电流信号。电流信号将伴随有跨电极的相关联的电压差。当电驱动信号和复位信号被提供给电极装置时，电驱动信号和复位信号引起电极装置的电极之间的电压差，这继而又在EAP结构的至少部分上产生电场。根据定义，对于在仅具有正电压或仅具有负电压(相对于一个参比)的电极上引起电压差的电信号，驱动信号和相关的电压差被定义为单极性。同样，对于引起相反极性的电压差的信号，驱动信号和复位信号的电压差被定义为双极性。驱动信号与0V的电压差被定义为没有极性，因为它既非正也非负。
本发明涉及在针对一个或多个致动事件的一个或多个致动信号之前和/或之后向致动器的电活性聚合物结构提供复位信号。该复位信号引起EAP中的俘获电荷、偶极子和/或其他缺陷的弛豫，使得在使用驱动信号进行随后的致动时，初始致动状态被定义为比不使用复位信号时更为恒定。
本发明适用于具有包括EAP材料的电活性聚合物结构的致动器设备，其中，该结构能够在使EAP材料的至少部分经受电驱动信号时提供机械致动。该机械致动基于以下事实：EAP能够在电驱动信号被施加时使结构变形。
能够设计出许多不同的这种致动器，但是下文仅描述一些示例性的致动器以示出能够如何使用本发明。尽管如此，本发明能够应用于所有基于EAP的致动器或其他聚合物致动器，其使用电压进行驱动并且显示出类似的弛豫效应。
图1和图2示出了能够在根据本发明的致动器设备中使用的示例性EAP结构。在图3中描绘了包括驱动器30和图1的致动器结构的示例性致动器设备。已经在本申请的导言中描述了图1的结构。图3示出了连接到电极10和12的驱动器30。在这种情况下，EAP层14是介电弹性体聚合物，其跨电极区具有恒定的层厚度。电极10接地(在零电势或电压下)作为参比，并且电极12连接到驱动器30的输出部，该输出部能够在预定义或可调节的时间段期间以变化的、可变的或可调节的电压水平的形式向电极提供电控制信号。接地连接能够是一般的单独的接地连接(未示出)，但是在这种情况下由驱动器的另一输出部提供，该输出部继而又从内部连接到公共地(例如，插座的公共地)。如图所示，驱动器30在内部包含切换单元，或者驱动器30在外部包含用于使用电压源的电压的切换单元，以便生成要施加到电极装置的电驱动信号。因此，在这种情况下，驱动器适于将具有双极性电压水平的驱动信号施加到电极12，使得电压水平与接地信号一起定义在电极之间具有相关联的正极性(第一极性)或负极性(第二极性)的电压差(因此，电场方向)。由此，能够反转电极之间的电场方向并因此将该电场方向提供给EAP材料。电极12或10都能够用作参比以确定极性的符号(电场的方向)。在这种情况下，相对于接地电极确定极性，作为电极12上的信号与接地信号之差。也能够使用任何其他参比电压，只要随后调节驱动信号的电压水平，使得电压差包括相对于例如参比电极的正电压差和负电压差。
本领域技术人员将了解，也能够通过使用被提供给两个电极的驱动信号来生成电压差，只要这两个电极被组成为使得所引起的电压差根据本发明的要求相对于一个选定的参比电极改变极性。
将驱动信号施加到EAP结构能够使其以本申请的导言中描述的方式进行致动。
在图3A中，致动器结构是单EAP层结构。这是一种基本配置。备选地，并且通常在实践中使用多层EAP结构，这种多层结构包括至少两个EAP层的堆叠，其中，堆叠交替地包括EAP层和电极。图3B提供了具有两个EAP层和3个电极的范例。其他数量的层和电极也是可能的。例如，多EAP层结构允许具有更强大的致动，而对于相同的机械功率输出，能够保持较低的致动电压。具体地，在图3B中，多层堆叠有效地包括具有电极10和12的子堆叠，其间具有EAP层14。能够通过使用同一驱动器和适当的电极连接，以与图3A中的子堆叠相同的方式驱动每个子堆叠，以便向EAP层提供正确的电压。虽然许多其他致动器配置也是可能的，但是本发明对所有这些配置都是有效的，因此将使用示例性多层堆叠来解释本发明的工作和效应。示例性堆叠是Novansentis PVDF-relaxor type 1HD。这些堆叠是堆叠的致动器(12×14mm)，其附接到基板(如图2所示那样操作)。
图4示出了具有四个连续驱动信号41的驱动方案(控制信号)40，以用于在总共40秒的时间段42内引起四个连续的致动事件。每个致动驱动信号是0至200伏特之间的正弦电压信号(正弦振幅为100伏特)，周期为10秒。当用这种驱动方案(控制信号)驱动示例性致动器时，表示作为驱动方案电压的函数的EAP结构的位移的致动曲线如图5所示。垂直位移轴的位置是任意选择的。该设备的静止状态(非致动状态)在零伏特时为－0.6毫米，而最大位移在200伏特时为0.2毫米，因此对于0至200伏特之间的信号，致动动态范围为～0.8毫米。最值得注意的是，在图5中能够看出，由四个正弦驱动信号引起的4个致动曲线51、52、53和54随着每一个下一致动事件向上移位。对于每个连续信号，非致动状态以及在200伏特处达到的位移因此是不同的。
即使在连续致动循环之间施加静止时段(未驱动EAP结构的时段)，也会发生这种曲线移位效应。因此，这种效应是持久的，并且能够归因于EAP结构内的前述的俘获电荷、偶极子等的缺陷。由于这种效应与聚合物材料的性质和EAP结构的构造(例如，电极的层压和附接)强烈相关，因此在许多(如果不是所有)类型的EAP结构中，将在某种程度上存在这种效应。这种效应妨碍了基于EAP的致动器的应用，因为对于相同驱动信号的期望致动是不可重现的和/或取决于使用历史。
本发明旨在减少或消除这种影响。图6和图7的范例用于解释本发明的第一范例。图6示出了具有与图4的四个连续正弦驱动信号相同的四个连续正弦驱动信号61(用于引起四个连续致动事件)的驱动方案(控制信号)60。每个致动驱动信号是0至200伏特之间的正弦电压信号(正弦振幅为100伏特)，周期为10秒。因此，该驱动方案在很大程度上与驱动方案40相同，除了它包括根据本发明的4个复位信号62。更具体地，在每个致动驱动信号之后存在负电压、单峰值、三角形复位信号62，其幅度为－50伏特，周期为0.1秒(由图6中的向下指向的尖峰62表示)。
当用该驱动方案60驱动示例性致动器时，表示EAP结构的位移的致动曲线如图7所示。类似于图5中的曲线，垂直位移轴的位置是任意选择的。该设备的静止状态在零伏特时再次为－0.6毫米，而最大位移在200伏特时为～0.2毫米，使得与图5相同，对于0至200伏特之间的驱动信号，致动动态范围为～0.8毫米。然而，与图5的曲线相反，图7的曲线在很大程度上重叠，即，图5中曲线的向上移位在图7中大为减小。因此，致动更可重现并且每一个致动驱动信号达到的端点位移实际上是相同的。此外，沿着电压标度的致动轨迹对于四条不同曲线也几乎相同。因此，大大提高了驱动的重现性。
图8示出了曲线82至88，它们与图7中的曲线相同，但是现在不仅作为致动器电压范围89的函数，而且还作为复位电压范围87的函数。虽然复位脉冲在这种情况下确实引起位移，但是由于四个致动循环的曲线几乎重叠，因此在正致动电压下它不会影响所获得的位移的重现性。由(在零伏特处测量的)～0.1毫米的复位脉冲引起的位移小于在没有使用这样的复位脉冲时由致动器曲线的(在图5中的零伏特处测量的)～0.15毫米的漂移引起的残余位移。再次，该复位脉冲引起的位移是恒定的，并且因此能够考虑达到或定义要实现的任何绝对期望位移。
因此，本发明具有提高操作期间的可靠性和致动精确度的重要优点。本发明使得能够实现更稳定且更准确的致动器性能，而不必使用闭环操作进行校正。此外，能够使用非理想材料而不管它们的非理想特性和对EAP电极材料改善等的复杂研究以及EAP结构的结构至少部分过时等因素如何。
在上述范例中，复位脉冲是单脉冲，其电压极性与驱动信号的极性相反，并且每个驱动信号之后是复位脉冲。然而，能够使用许多其他配置和变型，其中的一些在下文进行描述。
控制信号能够具有一个或多个驱动信号，以用于引起一个或多个致动事件。图9A示出了控制信号90，其具有一个单个驱动信号91和一个复位信号93，单个驱动信号91具有持续时间92，复位信号93在驱动信号91之后具有复位信号持续时间94，以补偿由驱动信号引起的任何偏移产生的效应。备选地，在控制信号中每个复位信号能够有超过一个的驱动信号。图9B示出了具有两个连续驱动信号91，之后是复位信号93的控制信号90。在驱动信号之间能够存在预定延迟，但这不是必需的。驱动信号能够是相同的，但也能够是不同的。每个复位信号可能有超过两个的驱动信号。
与图4至图7的范例一样，图9A和图9B的复位信号在它们要补偿的(一个或多个)驱动信号之后。然而，应当注意，并且这对于本发明通常是成立的，这并不一定意味着控制信号应当始终具有在驱动信号之后的复位信号。毕竟，还能够在下一驱动信号之前提供补偿复位信号，并且仅将其定义为下一控制信号的部分。图9C示出了能够如何实现这一点。存在两个驱动信号91和91'，在对应的驱动信号91和91'之前有对应的复位信号93和93'。现在设计复位信号93'以补偿先前驱动信号91的驱动信号91等。
根据使用要求，控制信号的连续驱动信号之间的等待时间能够根据期望从零秒到预定非零时间。如果等待时间长，则每一个或多个驱动信号具有两个复位脉冲(即，一个或多个驱动信号之前仅有一个复位信号并且一个或多个驱动信号之后仅有一个复位信号(图10))可能是有利的。恰好在一个或多个驱动信号之前和之后的复位信号能够具有相反的极性或相同的极性。在任何信号之间可能存在延迟时间，但这不是必需的，因为这通常取决于致动器的使用要求。通过使用多个控制信号，每个控制信号在驱动信号之前具有一个或多个复位脉冲并且在驱动信号之后具有一个或多个复位脉冲(例如，如图10的控制信号100中那样)，因此在致动器设备的操作期间在连续的驱动信号之间能够存在多个复位信号，即，一个复位信号(最后的复位信号)源自第一控制信号，并且一个复位信号(开始的复位信号)源自第二控制信号。
优选地，复位信号具有至少一个部分或至少一个复位信号脉冲，其具有与驱动信号极性相反的极性。例如当用单极性驱动信号进行驱动或者主要用一个极性驱动信号进行驱动时，这将是有利的。复位信号的相反极性将引起与EAP结构内的驱动信号的电场方向相反的电场方向，并且可以通过复位信号减小或抵消在驱动信号期间引起偏移现象的所生成的任何依赖场的缺陷。图9和图10示出了具有负电压(负极性)的复位信号和具有与复位信号的电压相反的正电压(正极性)的驱动信号。
如果驱动信号具有正极性信号和负极性信号两者，那么能够使用不同的选择。图11A示出了在持续时间112期间具有驱动信号的控制信号110，其包括具有正电压的第一驱动信号部分111和具有比部分111小的水平的负电压的另外的驱动信号部分111'。例如，对于能够提供取决于信号极性的致动输出方向的致动器，可能需要这样的信号。
如果驱动信号的第二部分111'能够补偿由第一部分111引起的偏移效应，那么复位信号能够用于补偿由驱动信号的第二部分111'引起的任何偏移效应。然后，复位脉冲极性可以与部分111'的复位脉冲极性相反。在这种情况下，其他复位信号特性(参见下文)可以(但不必)完全基于驱动信号111'的第二部分。
备选地，如果驱动信号111'的第二部分不足以消除由驱动信号的第一部分111引起的任何偏移效应，那么能够选择与第二部分111'的脉冲极性相反(即，与第一部分111的极性相同)的脉冲极性。这在图11B中示出。在这些情况下，能够基于表示在例如包括驱动信号111'的第二部分的至少部分的驱动信号持续时间112的预定时间段内的信号水平周围的不对称性的度量来选择复位信号极性。这样的度量能够是在预定时间段内在驱动信号下的总面积。例如，在图11B中，在持续时间112内电压随时间的积分将得到正值，指示复位脉冲需要具有至少相同的极性部分。在预定时段内信号水平的平均值的符号也能够用作度量，并且本领域技术人员能够想到其他这样的度量。预定时间段不需要是整个持续时间112并且能够更短，但是使用整个时段是有利的，因为它能够考虑部分111和111'的信号水平变化和/或相对持续时间，并且可能考虑整个控制信号时段。
在一些情况下，复位信号能够具有与驱动信号相同的极性，并且不需要任何相反极性的部分。然后，复位脉冲能够去除在动力学上俘获的缺陷，这些缺陷可能导致部分偏移效应。然而，如前所述，对于大多数情况，这不是优选的方式。在任何情况下，很明显，如果复位信号极性不需要与驱动信号极性不同，那么致动器设备(例如，图3A和图3B的致动器设备)的驱动器30不需要能够提供两种极性。
在先前描述的范例中，复位信号仅包括一个复位信号脉冲。然而，复位信号能够具有各种形状或波形，包括将它们有效定义为具有多个复位信号脉冲的形状或波形。能够使用诸如可变信号(随机或非随机)、脉动信号或甚至交变信号的复位信号。可变信号能够是连续变化的信号或者一个极性或两个极性的步进信号。
在一组范例中，复位信号包括多个复位信号脉冲。这种复位信号能够是用于连续几次干扰缺陷的振荡型信号，以实现对曲线移位效应的进一步改善的减小。例如，针对上述示例性致动器，已经通过实验验证出：与具有相同类型的单个复位信号脉冲并具有等于多脉冲信号的复位信号持续时间的复位信号周期的复位信号相比，在复位信号持续时间内具有多个单极性复位信号脉冲的复位信号给出了改善的弛豫效应。
在一个子集中，复位信号能够是脉动信号，其中，所有多个脉冲都具有相同的极性(单极性脉动复位信号)。图12A至12B示出了复位信号120的范例，复位信号120具有复位信号持续时间121并且包括三个连续的三角形复位信号脉冲122、122'和122”，每个三角形复位信号脉冲具有对应的复位信号脉冲周期123、123'和123”以及复位信号幅度124、124'和124”。在图12A中，复位信号脉冲周期和幅度是相同的。在图12B中，幅度124、124'和124”针对每一个下一复位信号脉冲减小。因此可能存在复位信号脉冲幅度的衰减。例如，第二脉冲幅度能够是第一脉冲幅度的一半，依此类推。能够使用其他脉冲幅度变化，例如，线性衰减、指数衰减等，或甚至随机变化，如下文所解释的。
在多脉冲复位信号的另一子集中，静止信号包括多个复位信号脉冲，其中，多个复位信号脉冲中的至少两个复位信号脉冲具有相反的极性。不同极性复位信号脉冲的数量及其在复位信号中的顺序能够是随机的，但优选不是随机的。因此，复位信号能够是交变信号。优选地，在复位信号脉冲之间没有延迟时间，但不一定是这种情况。图13A、图13B和图13C示出了具有三角形脉冲和方波脉冲的交变信号的范例。图13C的三角形恒定幅度复位信号130包括三个连续的三角形复位信号脉冲131、131'和131”，在复位信号持续时间132内具有对应的周期133、133'和133”。图13B和13C的复位信号分别在复位信号持续时间132内具有10个和6个方波复位信号脉冲。在每种情况下，只有复位信号脉冲131、131'和131”具有对应的周期133、133'和133”，为了清楚起见，用附图标记对其进行指示。在这两种情况下，复位信号的幅度都会衰减。而在图13A中，复位信号脉冲的幅度在每两个随后的脉冲之后减小，在图13C中，这是在每一个下一复位信号脉冲时完成的。
对于多脉冲复位信号，具有不同复位信号脉冲极性(每个集合内的正个体脉冲和负个体脉冲)的不均匀分布的双极性脉冲的多个集合是有利的。因此，例如，可能希望在驱动信号以正部分结束之后以负(复位)电压开始，并且在以正驱动信号继续到下一致动之前以负电压结束，或者以相反方式，如图13C所示。能够根据驱动历史如上所述地选择第一脉冲的极性。具有不均匀数量的正脉冲和负脉冲的复位信号不仅在脉冲本身内提供多个有效复位，而且还针对极性中的一个极性产生更大的有效电压与时间的乘积，这与具有偶数个脉冲的情况相反。
表1多脉冲复位信号极性方向的范例“－”和“+”表示相反的复位信号脉冲极性
复位信号幅度
如上文所例示的，对于单脉冲复位信号和多脉冲复位信号，能够使复位信号水平或复位信号幅度在复位信号期间衰减。而对于单个复位脉冲，这仅意味着其水平随时间降低(见上文)。对于包括一系列连续复位信号脉冲的多脉冲复位信号，幅度以某种预定方式减小。特别是具有幅度衰减配置的多脉冲复位信号被期望更有效地用于“难以复位”类型的EAP材料或结构。毕竟，一些导致偏移效应的缺陷可能需要高场(脉冲幅度)以用于复位，而其他缺陷需要较低场。一旦实现了具有第一复位信号脉冲的高场复位并随后进行低场复位，这可以防止先前复位部分受到较早脉冲的干扰。复位信号脉冲衰减的精确数值细节取决于驱动的EAP结构的特性。但是可以使用具有线性、指数或其他类型的衰变的方案。例如，每一个下一脉冲的幅度可以更小，其系数为1/5、1/3、1/2等。
根据一般的静电考虑，在提供驱动信号或复位信号时在EAP结构内生成的电场取决于信号水平(电压)和提供电压的距离。对于EAP结构，这意味着电场和电压通过EAP结构的层厚度相关。
通过使用相反极性的驱动脉冲，针对复位脉冲的乘积(电压×时间)小于针对致动电压的乘积能够实现针对漂移和致动幅度的益处。在这些范例中，针对复位脉冲的乘积(电压×时间)优选比针对致动电压的乘积小10倍。
基于对上述示例性致动器的经验，利用下文针对复位信号的参数范围能够实现良好的效应。
复位信号脉冲幅度电场在10伏特/微米至300伏特/微米之间，其中，低场将有利于避免致动器变形，而高场将如参考图8所述那样进行解释。因此，场的优选范围在10伏特/微米至100伏特/微米或者甚至10伏特/微米至50伏特/微米之间。优选地，复位信号水平小于其要补偿的驱动信号水平的十分之一。
复位信号脉冲持续时间大于或等于0.01秒。优选地，持续时间大于或等于0.05秒。如果只有一个脉冲，则该持续时间表示针对复位信号持续时间的值。
-复位信号中的复位脉冲数等于1至10的值。能够使用高于1的复位脉冲，但通常不需要这样的复位脉冲。
在上文的范例中，复位信号包括特定类型、形状或波形的复位脉冲(例如，三角形波、方波等)或由其组成。然而，在本发明的范例中能够使用其他形状或波形而不损失本发明的效应等，这样的波形包括但不限于正弦波、方波、其他波形或组合波形。
在所有多脉冲复位信号中，在连续的复位信号脉冲之间可能存在时间延迟，但不一定是这种情况。
在所有多脉冲或可变复位信号中，静止信号脉冲周期或变化周期或时间能够是不同的或相同的。如果引起偏移效应的缺陷具有不同的弛豫时间尺度，则不同的这种周期可能具有优点。虽然在该范例中在复位信号期间复位信号脉冲周期保持恒定，但是复位信号脉冲周期可以在复位信号持续时间121内变化(例如，其能够针对每一个下一复位信号脉冲减小或增大)。持续时间或周期能够变得更小以用于更高的静止信号水平或脉冲幅度。
在上文的所有多脉冲信号范例中，存在三个信号复位脉冲。然而，也可以使用其他数量的脉冲，这些脉冲对于不同复位信号可以不同。因此，可能存在具有大于：2、3、4、5、10、100或1000的脉冲数的复位信号。脉冲数可以取决于它们的周期和总复位信号持续时间。通常少于10个脉冲将会起作用。较低数量的脉冲能够限制复位信号的持续时间，并且由于复位信号能够分散设备的实际使用时间，因此通常将其限制为尽可能小的值会是有利的。
可以使用叠加在标称复位脉冲形状上的高频扰动，以便改善移出效应/去除EAP结构中的内部摩擦。
如上文所讨论的，能够选择复位信号的许多参数组合以实现对偏移效应的所需补偿。例如，在复位信号或其任何复位信号脉冲中，能够单独地或组合地设置以下参数：类型形状或波形(例如，方波、三角形波、正弦波或其他静止脉冲和/或例如可变、脉动、交变复位信号)、脉冲数、持续时间或周期、极性、水平或幅度、水平或幅度的衰减或增加、频率。这些参数中的一个或多个集合可以向特定致动器给出更好或最佳的偏移效应补偿，即，参数集合将取决于所使用的EAP结构和材料的设计以及所需的(将利用相关联的驱动信号实现的)致动。因此，能够优化复位信号参数。
这种优化能够通过以下操作来完成：使用测试和校准；事先或使用主动反馈。例如，能够在没有复位信号的情况下向致动器提供用于期望致动的所需驱动信号的集合，以便估计致动器的偏移效应。然后，具有不同特性的复位信号能够与驱动信号组合，观察到它们对减少偏移效应的效应。然后能够基于这些结果来选择复位信号，并且在设备的实际使用过程中使用这些复位信号。
校准设备能够用于测试或反馈。这样的设备能够是电子设备，包括用于提供根据本发明的驱动信号和复位信号的信号发生器，以及用于观察或测量用信号调用的致动的器件。这意味着能够例如是用于观察致动的相机，或者在测量光束偏转时从致动器反射的激光束，或者是测量EAP结构或材料的依赖致动的电特性(例如，电容)的电反馈。也能够使用任何其他致动反馈提供设备。
利用校准方法和设备，能够构造查找表，所述查找表具有与驱动信号数据或甚至致动数据(因为这些数据将需要一些驱动信号)相关的存储的复位信号参数数据。还能够使用与增量驱动信号或致动相关的复位信号的增量参数。因此，例如，如果驱动信号幅度随增量值增大，则需要增大和/或拉长复位信号。
校准和设备能够被实施为反馈和反馈设备。这给予针对偏移效应补偿的选择自由度，这取决于在某个时间点为不可预测的致动选择的驱动信号，能够提供基于准确反馈的复位信号。
对于这两种情况，能够实施驱动信号历史跟踪。它能够存储或甚至确定(测量)在最后一个复位信号之后提供的驱动信号的数据(参数)，基于此能够选择数据复位信号参数(参见上文的参数)。例如，能够存在信号积分器。
作为本发明的实施本发明的设备的实施方式的范例，图15示出了图3的设备，其具有包括信号发生器151的控制器150'，用于控制信号发生器的处理器152以及能够由处理器访问的数据(例如，电子)存储器153。处理器和存储器能够是使用标准技术制造的半导体IC。处理器运行用于执行某些任务以实施本发明的方法的软件。在存储器中存储如前所述的查找表。
该软件使得用户能够将复位信号数据和驱动信号数据存储在存储器中以用于创建查找表。但是，备选地，能够在工厂级别预定并固定查找表。在查找表中存储例如使驱动信号幅度与复位信号幅度相关的数据。因此，例如，对于较大的驱动信号，需要较大的复位信号。
设备的存储器153还存储其他(在这种情况下为预定的)复位信号数据，以用于将复位信号定义为例如0.1秒长，包含三个等长的三角形脉冲的信号。该数据还将该信号定义为其极性与复位信号之前的驱动信号的最后部分的极性相反。存在复位信号脉冲幅度衰减，使得每一个下一幅度都是前一幅度的一半。在该范例中，这些数据都是固定的，但都能够由用户定义。
设备151'还能够包括用户输入设备，例如，键盘、鼠标触摸屏，其利用适当的接口连接到处理器。同样地，该设备能够具有输出设备，例如，显示器或音频设备，其利用适当的接口连接到处理器。因此，输入设备和软件能够适合于让用户定义预定的静止信号数据。备选地，这样的数据能够是工厂定义的。
设备150能够包括包含EAP结构的致动器。这可以是根据本发明的任何类型的致动器。因此，该设备能够是导管或其他体腔设备、个人护理设备等。如果该设备能从驱动器上拆卸下来，则能够根据需要利用驱动器驱动不同类型的致动器。
图16示出了致动器设备150的可能操作方法的示例性流程图160。该设备接收用户的输入161，目的是使设备输出由控制信号167'施加168到EAP结构所调用的特定致动(位移或受力压力等)。基于输入161'，在步骤162中定义用于实现特定致动的驱动信号162'。基于驱动信号162'，在步骤165中检索针对复位信号的驱动信号相关数据165'(在这种情况下例如为复位信号幅度和与驱动信号的极性相反的极性)，在步骤166中检索预定的复位信号数据166'(例如，信号形状持续时间和脉冲数)，并且在步骤164中组合预定的复位信号数据166'以形成复位信号164'。在步骤167中，将驱动信号162'和复位信号164'进行组合以形成控制信号167'。随后在步骤168中将控制信号施加到EAP结构，以使致动器设备输出所需的致动。
本发明特别涉及包括EAP材料作为EAP结构的部分的EAP致动器的致动。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材料能够是包含一种或多种具有一种或多种EAP的基质材料或由其组成的混合物(均相或非均相)。例如，这能够是另外的聚合物基质材料中的EAP分散体。另外的聚合物基质材料能够是网络聚合物，其允许由混合在基质网络中或分散在基质网络内的EAP引起的变形。EAP材料能够分散在另外的聚合物基质材料中。弹性材料是这种网络的范例。优选地，这样的复合EAP材料中的EAP的量选自包括以下项的组：>50％的重量％或摩尔％，>75％的重量％或摩尔％或者>90％的重量％或摩尔％。EAP材料还能够包含在其分子中含有部分EAP(或EAP活性基团)和部分非活性其他聚合物的聚合物。能够使用许多电活性聚合物，其中的许多电活性聚合物将在下文中进行描述。
在场驱动EAP的子类中，场驱动EAP的第一个值得注意的子类是压电聚合物和电致伸缩聚合物。虽然传统的压电聚合物的机电性能有限，但是在改善这种性能方面取得了突破，得到了PVDF弛豫聚合物，其显示出自发的电极化(场驱动对齐)。这些材料能够发生预应变以在应变方向上改善性能(预应变得到更好的分子排列)。
场驱动EAP的另一个子类是介电弹性体。这种材料的薄膜能够被夹在柔性电极之间，从而形成电容器，例如，平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由施加的电场引发的麦克斯韦应力引起膜上的应力，使其在厚度上收缩并在面积上扩展。通常通过对弹性体进行预应变(需要框架来保持预应变)来扩大应变性能。应变可能相当大(10-300％)。对于这类材料，电极优选以机械方式直接附接到EAP材料或者利用中间材料层被附接到EAP材料。
对于第一子类材料，通常使用薄膜金属电极，因为应变通常处于中等范围(1-5％)，也能够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。对于第二类材料，通常类型的电极材料受到高应变的约束。因此，对于具有低应变和中等应变的介电材料，能够考虑金属电极和导电聚合物电极，对于高应变方案，通常使用炭黑基油、凝胶或弹性体。
离子EAP的第一个值得注意的子类是离子聚合物金属复合物(IPMC)。IPMC包括溶剂溶胀的离子交换聚合物膜，其被层压在两个薄金属或碳基电极之间，并且需要使用电解质。典型的电极材料是Pt、Gd、CNT、CP、Pd。典型的电解质是Li+和Na+的水溶液。当施加场时，阳离子通常与水一起行进到阴极侧。这引起亲水簇的重组和聚合物的扩展。阴极区中的应变引起聚合物基质的其余部分中的应力，从而引起朝向阳极弯曲。反转施加的电压会使弯曲反转。众所周知的聚合物膜是和
离子聚合物的另一个值得注意的子类是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常包括被夹在两层共轭聚合物之间的电解质。电解质用于改变氧化态。当通过电解质向聚合物施加电势时，电子被添加到聚合物中或从聚合物中移除，从而驱动氧化和还原。还原引起收缩，氧化引起扩展。
在一些情况下，当聚合物本身缺乏足够的导电性(逐尺寸)时，添加薄膜电极。电解质能够是液体、凝胶或固体材料(即，高分子量聚合物和金属盐的复合物)。最常见的共轭聚合物是聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PTh)。
致动器也能够由碳纳米管(CNT)形成，悬浮在电解质中。电解质与纳米管形成双层，允许注入电荷。这种双层电荷注入被认为是CNT致动器的主要机制。CNT充当电极电容器，其中，电荷被注入CNT，然后通过以下机制来平衡电极电容器：通过电解质移动到CNT表面而形成的双电层。改变碳原子上的电荷引起C-C键长的变化。结果，能够观察到单个CNT的扩展和收缩。
更详细地关于上述材料，电活性聚合物因此能够包括但不限于以下子类：压电聚合物、机电聚合物、弛豫铁电聚合物、电致伸缩聚合物、介电弹性体、液晶弹性体、共轭聚合物、离子聚合物金属复合物、离子凝胶，以及聚合物凝胶。
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-氯氟乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚氨酯或其共混物。
子类介电弹性体包括但不限于：丙烯酸酯、聚氨酯、有机硅。
子类共轭聚合物包括但不限于：聚吡咯、聚-3、4-亚乙二氧基噻吩、聚(对亚苯基硫醚)、聚苯胺。
离子设备可以基于离子聚合物-金属复合物(IPMC)或共轭聚合物。离子聚合物-金属复合物(IPMC)是一种合成复合纳米材料，其在被施加的电压或电场下显示出人造肌肉行为。
更详细地，IPMC包括离子聚合物(如Nafion或Flemion)，其表面经化学电镀或物理涂覆有导体，例如，铂或金或碳基电极。在施加的电压下，由于跨IPMC带强加的电压引起的离子迁移和再分布会引起弯曲变形。聚合物是溶剂溶胀的离子交换聚合物膜。该场使阳离子与水一起行进到阴极侧。这引起亲水簇的重组和聚合物的扩展。阴极区中的应变引起聚合物基质的其余部分中的应力，从而引起朝向阳极弯曲。反转施加的电压会使弯曲反转。
EAP结构的电极能够具有许多配置，每个配置都具有特定的优点和效应。
如果电镀电极以非对称配置布置，则强加的信号(例如，电压)能够引发各种变形，例如，EAP结构的扭曲、滚动、扭转、转动以及非对称弯曲变形。
在所有这些范例中，可以提供额外的钝化层，以用于响应于施加的电场或电流而影响EAP材料层的电行为和/或机械行为。
每个单元的EAP材料层能够被夹在电极之间。备选地，电极能够位于EAP材料的同一侧。在任一种情况下，电极能够直接物理附接到EAP材料而不需要在它们之间有任何(钝化)层，或者在它们之间具有额外的(钝化)层而间接附接到EAP材料。但并非总是如此。对于弛豫或永久压电或铁电EAP，不需要直接接触。在后一种情况下，只要电极能够向EAP提供电场，EAP附近的电极就是足够的，电活性聚合物结构将具有其致动功能。电极可以是可拉伸的，以便它们遵循EAP材料层的变形。适用于电极的材料也是已知的，并且可以例如选自包括以下项的组：金属薄膜(例如。金、铜或铝)或有机导体(例如，炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3、4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)(例如，聚(3、4-亚乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)))。也可以使用金属化聚酯薄膜(例如，金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(例如使用铝涂层))。
能够选择用于不同层的材料，例如考虑不同层的弹性模量(杨氏模量)。因此，太硬的层将抵抗由EAP材料引起的致动力。因此，优选地，额外层的硬度低于EAP材料层或部件本身的硬度。
可以使用上文讨论的那些额外层(例如，用于粘附的额外聚合物层)来适配设备的电气性能或机械性能。
该设备可以用作单个致动器，或者可以存在设备的线或阵列，以例如提供对2D或3D轮廓的控制。
本发明能够应用于许多EAP应用，包括对致动器的钝化矩阵阵列感兴趣的范例，特别是作为上文针对一些致动器范例描述的阈值函数的结果。
在许多应用中，产品的主要功能依赖于对人体组织的(局部)操纵或对组织接触接口的致动。在这些应用中，EAP致动器提供独特的益处，主要是因为外形小，具有灵活性和高能量密度。因此，EAP能够被容易地集成到软的、3D形状的和/或微型产品和接口中。这样的应用的范例如下：
皮肤美容护理，例如基于EAP的皮肤贴片形式的皮肤致动设备，其对皮肤施加恒定或循环的拉伸，以便拉紧皮肤或减少皱纹；
具有患者接口面罩的呼吸设备，其具有基于EAP的活动垫或密封件，以向皮肤提供交变的正常压力，从而减少或防止面部红色痕迹；
带有自适应剃须刀头的电动剃须刀。能够使用EAP致动器调节皮肤接触表面的高度，以便影响紧密度与刺激度之间的平衡；
口腔清洁设备，例如带有动态喷嘴致动器的空气牙线，以改善喷雾的触及范围，特别是在牙齿之间的空间中触及范围。备选地，可以为牙刷提供活动刷毛；
消费电子设备或触摸板，其经由集成在用户接口中或附近的EAP换能器阵列而提供局部触觉反馈；
具有可操控尖端的导管，其使得能够在曲折的血管中容易地进行导航。
受益于EAP致动器的另一类相关应用涉及光的修改。通过使用EAP致动器进行的形状或位置适配，能够使诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件进行自适应。这里，EAP的益处是例如较低的功耗。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指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被解释为对范围的限制。
总之，本发明涉及在一个或多个致动信号之前和之后向致动器的电活性聚合物结构提供复位信号。所述复位信号能够引起缺陷(例如，EAP或EAP结构中的俘获电荷、偶极子和/或其他缺陷)的弛豫，使得在随后使用驱动信号激活时，初始致动状态被定义为比没有使用所述复位信号时更为恒定。因此，采用本发明的设备的致动输出更具可重现性。本发明适用于具有包括EAP材料的电活性聚合物结构的致动器设备，其中，该结构能够在EAP材料的至少部分经受电驱动信号时提供机械致动。

Claims (17)

1.一种操作设备(21)的方法，所述设备包括电活性聚合物致动器，所述电活性聚合物致动器包括：
-电极装置(10、12)，其用于接收控制信号；以及
-电活性聚合物结构(14)，其用于响应于所述控制信号而提供致动；
所述方法包括：
-生成所述控制信号以包括：
-驱动信号，其用于引起所述致动，所述驱动信号具有第一极性；以及
-复位信号，其具有与所述第一极性相反的第二极性，所述复位信号在所述驱动信号之前和/或之后；并且
-将所述控制信号施加到所述电极装置，
其中，
所述复位信号的水平小于所述驱动信号的水平。
2.根据权利要求1所述的方法，所述驱动信号具有驱动信号水平，并且所述复位信号具有复位信号水平，其中，所述复位信号水平等于或小于水平缩放因子与所述驱动信号水平的乘积，所述水平缩放因子选自包括以下项的组：0.5、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述复位信号具有复位信号水平，使得当由所述复位信号引起的跨所述电活性聚合物结构的电场被施加到所述电极装置时，所述电场在10伏特/微米至300伏特/微米之间。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，在复位信号持续时间期间施加所述复位信号，所述复位信号持续时间在0.01秒至1秒之间。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，所述驱动信号具有驱动信号水平和驱动信号持续时间，并且所述复位信号具有复位信号水平和复位信号持续时间，其中，所述复位信号水平在所述复位信号持续时间上的积分等于或小于积分缩放因子与所述驱动信号水平在所述驱动信号持续时间上的积分的乘积，所述积分缩放因子选自包括以下项的组：0.5、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述驱动信号具有驱动信号持续时间，其中：
-在整个驱动信号持续时间期间或在所述驱动信号持续时间的结束部分期间，所述驱动信号具有第一极性，并且所述复位信号包括与所述第一极性相反的第二极性的至少一个部分。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述复位信号包括可变信号或交变信号或者由可变信号或交变信号组成。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述复位信号包括多个复位信号脉冲或者由多个复位信号脉冲组成。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述复位信号包括具有恒定周期或变化周期的交变信号或者由具有恒定周期或变化周期的交变信号组成。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述复位信号脉冲中的每个复位信号脉冲都具有最大复位信号脉冲水平，并且所述复位信号脉冲水平的绝对值针对所述复位信号内的多个复位脉冲中的每个下一复位脉冲减小。
11.根据权利要求7至10中的任一项所述的方法，其中，所述复位信号至少包括第一极性和与所述第一极性相反的第二极性。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：
-提供查找表，所述查找表包括用于定义多个驱动信号的驱动信号数据和用于定义多个复位信号的复位信号数据，所述驱动信号数据中的每个驱动信号数据与所述复位信号数据中的一个复位信号数据相关；
-根据驱动信号的定义，基于所述查找表内的一个或多个驱动信号数据从所述查找表中检索针对复位信号的复位信号数据；
-使用所述复位信号数据和检索到的复位信号数据来生成所述控制信号的所述驱动信号和所述复位信号。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：
-确定所述电活性聚合物致动器的致动历史；并且
-基于所述致动历史来生成复位信号。
14.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述复位信号：
-在每一个驱动信号之后和/或之前；
-在多个驱动信号之后和/或之前。
15.一种计算机程序产品，包括被存储在计算机可读存储介质上的计算机可读代码，所述计算机可读代码当在计算机上运行时引起对根据权利要求1至14所述的方法中的任一种方法的步骤的执行。
16.一种设备，包括：
-电活性聚合物致动器，其包括：
-电极装置(10、12)，其用于接收来自控制器的控制信号；以及
-电活性聚合物结构(14)，其用于响应于所述控制信号而提供致动；
-控制器，其用于控制所述电活性聚合物致动器，
其中，所述控制器适于：
-生成所述控制信号以包括：
-驱动信号，其用于引起所述致动，所述驱动信号具有第一极性；以及
-复位信号，其具有与所述第一极性相反的第二极性，所述复位信号在所述驱动信号之前和/或之后；并且
-将所述控制信号施加到所述电极装置，
其中，
所述复位信号的水平小于所述驱动信号的水平。
17.根据权利要求16所述的设备，包括处理器和存储器，所述存储器包括根据权利要求15所述的计算机程序产品，并且所述处理器被布置用于运行所述计算机程序产品的所述计算机可读代码。
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