CN110678994A

CN110678994A - Eap致动器和驱动方法

Info

Publication number: CN110678994A
Application number: CN201880035003.5A
Authority: CN
Inventors: R·A·范德莫伦赫拉夫; D·A·范登恩德; M·T·约翰逊
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2020-01-10
Also published as: EP3631871A1; WO2018219724A1; EP3631871B1; EP3410504A1; US20200168783A1

Abstract

所提出的驱动电活性聚合物致动器(70)的构思利用存储器，所述存储器包括例如查找表(74)，所述查找表存储表示用于从第一致动状态切换到第二致动状态的致动水平随时间的变化的数据。控制器(76)在考虑所述存储的数据的情况下控制驱动器(72)以施加在两个驱动电压之间的驱动波形。以这种方式考虑了致动器材料的非理想响应(滞后、蠕变)，使得可以尽可能快速且精确地操作致动器。这尤其适合于诸如PVDF之类的铁电弛豫聚合物。

Description

EAP致动器和驱动方法

技术领域

本发明涉及电活性聚合物致动器和包括这种致动器的设备或系统以及用于驱动这种致动器的方法。本发明还涉及用于执行该方法的计算机实施的发明。

背景技术

电活性聚合物致动器是能够将电输入转变为(机械)输出(例如，力或压力)或者能够将机械输入转变为电输出的设备。因此，EAP致动器能够用作机械致动器，并且根据所使用的EAP，通常还能够用作传感器。为此，EAP致动器包含电活性聚合物(EAP)，其能够在致动刺激或信号的影响下变形或改变形状。场驱动的EAP的一些示例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(例如，基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体，但是还存在其他一些场驱动的EAP。

EAP致动器能够很容易地制成各种形状，从而允许被容易地集成到各种各样的系统(例如，医学设备或消费设备)中。另外，基于EAP的致动器/传感器将高应力和应变与诸如以下特性结合在一起：功耗低，外形小，灵活，无噪声运行，准确运行，可能具有高分辨率，响应时间快速和循环致动。

通常，EAP致动器的特性使EAP致动器可用于例如其中可用空间很小并且需要基于电气致动使部件或特征少量移动的任何应用中。类似地，该技术能够用于感测微小的移动。

图1和图2示出了示例性EAP致动器的两种可能的操作模式。它包括这样的EAP结构：该EAP结构包括EAP层14，该EAP层14夹在EAP层14的相对的两侧上的电极10、12之间。图1示出了这样的致动器：该致动器没有被任何载体层或基板所夹住(或者没有被附接到任何载体层或基板)。如图所示，施加到电极的驱动电压用于使EAP层在所有方向上扩展。图2示出了这样的致动器：该致动器被设计成使得扩展仅出现在一个方向上。在这种情况下，与图1所示的EAP结构相似的EAP结构被载体层16支撑并夹住，即，被机械地附接到载体层16。如图1所示，施加到电极两端的电压再次用于使EAP层在所有方向上扩展。然而，夹住限制了实际的扩展，使得整个结构发生弯曲。因此，这种弯曲移动的本质源自于被动载体层与主动层之间的相互作用，该主动层在被致动时发生扩展。

看起来当使用电驱动方案来激活诸如图1和图2中的EAP致动器之类的EAP致动器时，实际期望的机械致动响应在计时和/或致动状态方面偏离了期望的机械致动响应。例如，在开始驱动与达到期望致动状态之间会发生一定的时间延迟。这种不一致会阻碍EAP设备的应用，例如，会对快速且准确的机械响应造成困难。

此外，可重现的致动程度还要求致动器变形相同的量，而与之前的致动历史(例如，先前驱动信号的极性，信号之间的延迟等)无关。致动历史(尤其是延迟时间历史)也会对致动响应产生影响。

发明内容

本发明的目的是针对前文中提及的不一致提供一种改进的EAP致动器。

该目的通过由独立权利要求定义的本发明至少部分地实现。从属权利要求提供了有利的实施例。

本发明的设备和方法使用致动器，该致动器包括电活性聚合物结构，该电活性聚合物结构用于根据供应给它的驱动信号来提供机械致动输出。能够使用电极来施加这种信号。因此，第一驱动电压使该结构达到第一致动状态，而与第一电压不同的第二驱动电压使该结构达到与第一致动状态不同的第二致动状态。该电活性聚合物结构包括能够在施加驱动信号时改变其形状的电活性聚合物(EAP)。参考图1和图2描述了这种EAP结构的示例，但是还存在其他示例，并且本发明不限于这些示例。

EAP结构的电阻抗包括由该结构的EAP和电极和/或其他层配置定义的电容器的电容。EAP结构的机械致动取决于有效电容器内的电场，并且因此取决于有效电容器上的电荷。这是因为致动器要么是电场驱动的，并且该电场取决于电荷，要么是电流驱动的，其中，电流又是由电场引起的。因此，致动器的“固有”切换速度因此取决于该有效电容器的充电速度。由于阻抗，到达EAP结构的某个机械致动位置所需的电容电荷需要一定的时间才能累积到特定水平。因此，仅在特性时间常数的一定倍数之后才达到这种充电水平。通常，在该特性时间常数的5倍的持续时间之后，对于指定的驱动信号会达到最大致动扩展(或终端位置)。对于需要快速响应且延迟时间有限或需要更高操作频率的应用，该行为可能是不利的并且会阻碍EAP致动器的使用。

还相信在某些类型的场驱动的EAP致动器中存在作为电场的函数的残余极化的问题。这也使得致动响应取决于致动器的历史驱动。

根据本发明的示例，提供了一种致动器设备，包括：

电活性聚合物结构，其用于至少采用第一致动状态和与所述第一致动状态不同的第二致动状态，所述第一致动状态具有与其相关联的第一驱动电压，并且所述第二致动状态具有与其相关联的第二驱动电压；

驱动器，其适于将所述驱动电压施加到所述电活性聚合物结构，以将所述电活性聚合物结构从所述第一致动状态切换到所述第二致动状态；

存储器，其存储表示在从所述第一驱动电压到所述第二驱动电压的致动之后致动水平随时间的变化的数据；以及

控制器，其用于控制所述驱动器来施加驱动波形，以在考虑查找表数据的情况下在所述第一致动状态与所述第二致动状态之间转变。

所述设备使用包括查找表或由查找表组成的存储器，以存储所述致动器随时间对特定驱动电平的响应。

可以存储对驱动电平从稳定的非致动状态(例如，0V驱动信号)到致动状态(例如，100V驱动信号)的变化的响应。然而，也可以存储针对多对驱动电平的致动状态的变化，从而表示从第一稳定驱动电平(例如，0V、50V、100V、150V、200V)到另一更高或更低的驱动电平(例如，比第一个驱动电平高50V的阶跃)的致动状态的变化。以这种方式，对于可能的顺序致动水平对的集合(如在特定应用中使用致动设备时将出现的那样)，在查找表中对弛豫行为进行建模。

利用足够多的致动水平对，可以在所存储的查找表数据之间进行外推，从而实现预测从任何第一致动水平到任何第二致动水平的驱动的时间响应。

基于对物理致动行为的了解，然后可以选择致动波形以实现期望的机械响应。这样可以完全控制致动器的位移，从而使设备具有提高的性能。因此，本发明使得能够基于对特殊驱动方案的使用(尤其是利用基于查找表的方法)来实现可重现的致动水平。可以根据设备的滞后曲线(即，驱动脉冲的极性和方向)以及连续的致动步骤之间的时间延迟来调节驱动电压波形，即，驱动电压电平及其持续时间。

针对多个不同的第一驱动电压和第二驱动电压中的每个，查找表可以存储离散致动水平点的集合随时间的对数函数。该对数函数使得能够随时间预测针对施加的致动信号的致动响应。该函数能够从离散点集中外推得出。

查找表可以存储表示在驱动到第二致动状态之前在第一致动状态下的保持时段的影响的数据。以这种方式考虑了历史驱动电平，尤其是在先前驱动电平下的持续时间。该历史驱动信息影响致动器如何对新的驱动电压做出响应，因此通过考虑历史驱动，可以实现更准确的致动。

表示保持时段的影响的数据可以例如包括位移与致动电压电平的函数的斜率。表示保持时段的影响的数据例如可以包括从第一致动状态到第二致动状态的转变开始时的位移的起始值。

电活性聚合物结构优选包括场驱动的电活性聚合物，尤其是PVDF弛豫聚合物致动器。这种类型的场驱动的EAP致动器示出作为电场的函数的残余极化。

根据本发明的另一方面的示例提供了一种驱动致动器设备的方法，所述致动器设备包括电活性聚合物结构，所述电活性聚合物结构用于至少采用第一致动状态和与所述第一致动状态不同的第二致动状态，所述第一致动状态具有与其相关联的第一驱动电压，并且所述第二致动状态具有与其相关联的第二驱动电压，其中，所述方法包括：

将第一驱动电压施加到所述电活性聚合物结构，以将所述电活性聚合物结构保持在所述第一致动状态下；并且

提供在所述第一驱动电压与所述第二驱动电压之间的电压波形，以将所述致动器设备驱动到所述第二致动状态；

其中，所述电压波形是通过对存储器进行寻址来确定的，所述存储器存储表示在从所述第一驱动电压到所述第二驱动电压的致动之后致动水平随时间的变化的数据。所述存储器可以以查找表或其他格式存储所述数据。

通过考虑致动器响应函数，能够施加在一定时间后引起期望的致动水平的驱动电压。

所述方法可以包括通过在离散点的集合之间进行外推来形成针对多个不同的第一致动状态和第二致动状态中的每个的、所述致动水平随时间的对数函数。

所述方法可以包括在所述查找表中存储表示在驱动到所述第二致动状态之前在所述第一致动状态下的保持时段的影响的数据。以这种方式，在确定对驱动信号变化的将来的致动器响应时，将考虑驱动历史。

表示所述保持时段的所述影响的所述数据可以包括位移与致动电压电平的函数的斜率。额外地或替代地，表示所述保持时段的所述影响的所述数据包括当从所述第一致动状态到所述第二致动状态的转变开始时的位移的起始值。

所述方法可以至少部分地在软件中实施。

附图说明

现在将参考附图来详细描述本发明的示例，在附图中：

图1示出了已知的EAP致动器，其不受约束并且因此在平面上扩展；

图2示出了已知的EAP致动器，其受到约束并且因此在平面外变形；

图3示出了EAP致动器的等效电路；

图4示出了PVDF弛豫聚合物致动器响应于锯齿驱动波形的位移的标绘图；

图5示出了如何能够使图4的锯齿驱动方案适于引入延迟；

图6示出了对图5的锯齿驱动方案的致动响应；

图7示出了根据本发明的致动器设备；

图8示出了针对三个驱动电压的作为延迟的函数的位移；

图9示出了作为先前延迟的函数的不同电压范围的斜率；

图10示出了在50V的受限电压范围内位移与电压的线性行为；并且

图11示出了不同的延迟对图10的标绘图的影响。

具体实施方式

本发明提供了一种驱动电活性聚合物(EAP)致动器的方法，并且提供了一种能够执行或适于执行该方法的EAP致动器。利用本发明，使用经调节的驱动方案来将致动从一个致动状态(第一致动状态或开始致动状态)更准确地改变为另一致动状态(第二致动状态或期望致动状态)。尤其地，致动器利用查找表，该查找表存储表示用于从第一致动状态到第二致动状态的致动的致动水平随时间的变化的查找表数据。驱动器施加在第一驱动电压与第二驱动电压之间的驱动波形，该驱动波形考虑了查找表数据。以这种方式，例如基于不同的历史驱动电平以及致动器对静态驱动电平的响应来考虑致动器的响应，使得致动器可以被尽可能快速和准确地操作。

第一致动状态能够是静息状态(也被称为非致动状态)，而期望状态能够是致动状态，或者反之亦然。第一致动状态能够是致动状态，而期望状态能够是更进一步的致动状态。然而，期望致动状态也能够是较少致动的状态。本发明将改善在任一种情况下从一种状态到另一种状态的切换。查找表使得能够在不损坏EAP结构的情况下提高EAP结构(以及因此致动器)响应的速度和准确度，并且这样做不会造成较大的致动超调。

通常，EAP致动器及其EAP结构包括用于接收由驱动器供应给电极的电驱动信号的电极。驱动器能够借此控制致动器。驱动器通常包括用于将所需的电驱动信号提供给电极的驱动电路。电驱动信号通常是本发明所适用的场驱动的致动器的电压驱动信号。

当EAP结构被激活时，驱动器向电极施加(或生成)电压幅度(交流，例如，AC，缓慢变化；准静态或静态，例如，DC)，以借此使EAP结构进入所需的致动状态(例如，致动位置)。

EAP结构和电子驱动电路都不是理想的。例如，电子驱动电路总是具有内部电阻。因此，EAP致动器的致动响应不仅取决于EAP结构本身，而且还取决于驱动电路。为了减少驱动器的影响，EAP的工作电压通常被存储在与EAP并联的电容器中，并且在致动方面，该存储的电压由电子开关(例如，晶体管、MOSFET)馈送到EAP致动器。

由于EAP致动器的作用是对驱动器(电压或电流驱动器)具有阻抗的电负载，因此在通过驱动器设置一定的电压或电流时，致动器电极上产生的电压差通常不会与信号设置完全同步。

更具体地，并且参考图3，从电气角度来看，EAP致动器(例如，图1中的EAP致动器)能够被描述为引起电阻器R_s和电容器C1的串联连接，电阻器R_s和电容器C1都与另外的电阻器R_p并联。然后，将这种被称为描述EAP致动器的等效RC电路连接到驱动器。虽然其他RC电路也可以用于描述EAP结构，但是图3中的RC电路将EAP描述到一阶。

EAP结构根据电容器内的电场而变形，并且因此根据该电容器上的电荷而变形，电容器上的电荷再次取决于由驱动器提供的施加电压幅度。如果EAP处于停用状态，则能够断开施加的电压，因此EAP将经由其内部并联电阻Rs缓慢放电，并且最后将返回其初始位置。然而，能够在特定情况下应用其他放电方法，例如提供其他电压幅度，这将在下文中进一步描述。

实质上，RC串联电路定义了电时间常数τ＝R_s·C1(以秒为单位)，它是描述这种配置的时间行为的重要参数。如前所述，EAP致动器的机械位移(即，移动)与电容器C1上的电荷Q有关，电荷Q由所施加的电压V1和电容本身来定义(Q＝C·V)。由于电容器的电容是具有固定电容的“固定”分量，这取决于设备的致动结构的设计和构造(即，虽然电容在驱动期间有所变化，但是首先是由设计配置和使用的EAP来定义的)，所施加的电压是描述EAP在稳态下的机械变形的主要参数。

然而，在达到稳态之前，存储在电容器C1上的电荷(以及因此电容器两端的电压)决定了瞬时致动水平并因此决定了位移。虽然由驱动器提供的电压V1用于驱动EAP结构(等效电路)，但是其实是电容器C1两端的电压决定了致动水平或位移。因此，重要的思想是，在将EAP结构切换到期望的致动水平时，如果将过驱动电压V1施加到EAP结构，则EAP结构的机械响应将不会超调期望的致动水平，只要电容器两端的电压保持在与所需致动水平相对应的电压以下即可。

本发明基于以下认识：致动行为不能简单地基于所示的等效电路。取而代之的是，EAP材料可能会因提供的驱动电平而发生电极化，这会影响驱动响应。因此，本发明尤其适用于示出作为电场变化的函数的残余极化的场驱动的EAP致动器，这从下面的描述中将是显而易见的。

解决的主要问题是致动状态的重现性和准确度。速度是次要问题(实际上可以容忍较慢的响应以实现更好的准确度)。

重现性差的原因在于设备本身，尤其是设备内的变化，这种变化是由先前在设备上的电场(例如，残余电极化)引起的。电极化等效于在压电材料中发生的机理。实质上，EAP材料的某些部分能够被电极化。这种残余极化取决于先前的驱动电压历史。

本发明是基于对实验结果的分析导出的。这些实验旨在根据基于延迟的驱动历史来识别准确驱动致动器所需的输入函数。

图4示出了PVDF弛豫聚合物致动器响应于锯齿驱动波形的位移的标绘图，该锯齿驱动波形以1Hz的频率在-200V与200V之间线性循环。x轴是电压，并且y轴是位移。

主动驱动发生在滞后曲线的第一部分(即，图4中的从0V到200V的部分40和从0V到-200V的部分44)中。相比于弛豫到降低的电压期间(部分42和46)，在驱动到增加的(绝对)电压期间，位移的变化率更大(因此曲线更陡)。该标绘图以40、42、44、46的顺序循环。在弛豫部分期间，逐渐去除场，此后分子从铁电体的所有反式构象返回到顺电相(反式-旁式构型(TGTG')和T3GT3G'构型的混合物)。

然而，可以将该曲线的所有部分视为示出激活，从较高的电压到较低的电压，或者从较低的电压到较高的电压。

在第一示例中，本发明的系统考虑了致动器被保持在期望的驱动电压的延迟时段。进行的实验旨在确定由于致动器在致动到新的水平之前保持在一个水平上的延迟以及致动器被保持在新的水平上的延迟的结果所引起的致动器的行为。

首先讨论对长时间静态致动的响应的性质。

为了获得仅受电流延迟(即，保持电流驱动电平的时间长度)影响的行为，其他先验致动历史(例如，驱动信号的极性)会在进行具有延迟的实验之前被多个双极磨合循环所抵消。这些磨合循环可以确保达到稳态情况。这意味着在不改变延迟时段的情况下，第一个实验循环应当与磨合序列的最后一个循环相匹配。这些磨合循环具有使极化随机化的作用。

图4中的所有信号的重叠(在同一曲线图上标绘了五个循环)表明达到了稳态行为。

然后能够给双极循环的序列(即，图4的锯齿循环操作)提供延迟，然后能够在这种延迟期间监测位移。在不同的驱动电压下会建立延迟。

图5示出了如何能够使图4的锯齿驱动方案适于引入这些延迟。每幅标绘图均示出电压与时间的关系，其中，电压在-200V与+200V之间循环。

图5A示出了用于磨合序列的基本锯齿波形。

图5B示出了在每个50V阶跃之后施加的0.1s的第一延迟。

图5C示出了在每个50V阶跃之后施加的较大的2s的第二延迟。

使用如图5所示的驱动方案能够得到如图6所示的结果。

图6A与连续锯齿波形有关并因此对应于图4。

图6B涉及图5B的锯齿波形。标绘图60示出在磨合序列结束时实现的稳态响应，即，对应于图6A的波形。标绘图62示出具有引入的延迟(示出5个循环)的响应偏离稳态响应。

图6C涉及图5C的锯齿波形。标绘图60再次示出稳态响应，即，对应于图6A的波形。标绘图64示出具有引入的延迟(示出5个循环)的响应与稳态响应的偏差更大。

图6C最清楚地示出，在每个电压电平下，致动水平不是静态的，而是在施加下一个电压电平之前经历了阶跃。

图6还示出，当延迟时间增加时，总位移也会增加。通过研究不同的延迟时间也能够证明这一点。在延迟时段期间，位移继续改变。

与对致动器进行主动寻址期间没有延迟的滞后(最后一次磨合循环的稳态响应)相比，每个延迟之后(即，阶跃之间)的位移示出滞后曲线的斜率不同。

图6C示出了当电压增加和电压减小时致动都存在阶跃变化。由于转变到较高电压或较低电压，因此极化明显改变。当电压降低时，电极化部分的极化变得越来越不均匀(它们自身去极化以减少系统的总能量)。

在不希望受到理论限制的情况下，认为这种行为背后的机理与极化域有关，该极化域争取最小能量状态，从而得到最大位移。

本发明基于通过使用特殊的驱动方案(尤其是使用基于查找表的方法来获得准确的设备致动)来实现对致动器属性(尤其是致动器位移)的完全控制。尤其地，可以根据设备的滞后曲线(即，驱动脉冲的极性和方向)以及致动波形中的连续阶跃之间的时间延迟来调节驱动电压及其持续时间。通过考虑这些参数，有可能将致动器驱动到相同的致动幅度，而不管延迟时间。

上面示出的实验表明，当使用相对较长的延迟(或相对较慢的电压斜变)时，能够实现最高的致动水平。这能够被理解为，为了使材料达到平衡需要更长的时间段(即，极化域已经达到了最小能量状态)。因此，这些平衡致动水平可以用作参考水平，该参考水平将通过使用查找表致动方案来瞄准。

图7示出了根据本发明的致动器设备，该致动器设备包括电活性聚合物结构70，该电活性聚合物结构70能够在至少两个具有各自的相关联的驱动电压的致动状态之间被驱动。驱动器72将驱动电压施加到电活性聚合物结构以在致动状态之间切换。查找表74存储查找表数据，该查找表数据表示用于在致动状态之间的致动的致动水平随时间的变化。控制器76控制驱动器施加考虑了查找表数据的驱动波形。

现在将说明查找表数据的使用方式。

在第一示例中，考虑了在静态驱动电压下的延迟的影响。为了说明的目的，假设致动器具有与100V的驱动电压相关联的位移。已经观察到，在增加致动电压(例如增加到150V)之前的延迟越长，在将致动电压保持在100V的同时位移将持续增加。

在延迟期间，致动器位移将朝着稳定情况变化，在该稳定情况下，极化域在该特定静态电压下已经达到最小能量状态。

下表1示出了作为延迟(以秒为单位)的函数的三个静态电压(100V、150V和200V)下的位移(以μm为单位)。

表1

	延迟(s)	0.1	0.5	0.67	1	2	10	20
									100V	21.3	52.7	55.5	54.2	63.9	76.8	84.6
150V		40.8	97.9	94.2	106.3	127.7	169.1	181.9
									200V	52.7	146.4	144.9	163.3	182.3	235.9	241.3

测量位置和致动器属性(基于材料成分)当然会引起不同的位移。然而，无论测量位置和致动器属性如何，位移的趋势都是延迟的函数。

在图8中能够看到这种趋势，图8示出了针对三个驱动电压100V、150V、200V的作为延迟的函数的位移。已经确定，每幅标绘图都能够用对数函数来拟合。

这种趋势表明，在每个特定的静态激励电压下都有快速反应的种类和慢速反应的种类。

使用该对数函数，能够基于有限次数的测量来生成查找表。在与该应用应用相关联的驱动历史会影响位移曲线的意义上，查找表将是特定于应用的，并且查找表将是特定于致动器的，因为材料成分和致动器架构会影响位移。

图8的标绘图示出了用于从第一致动水平到第二致动水平(在时间零时)的致动的致动水平随时间的变化。致动的阶跃变化之后的时间则包括第二致动水平下的延迟时间。

使用仅收集针对上述对数函数的有限数量的数据点的方法来填充查找表。

图8中的每幅标绘图都从0V到100/150/200V的电平开始。因此，这些标绘图用于从0V电平的致动，并且如果先前的电压之前不是0V(或者如果致动器在0V时并未完全稳定)，则不使用这些标绘图。

一旦有了常规(生产)设备，就能够使用实验来建立查找表，然后将查找表与设备和驱动系统一起递送。能够为不同电压值之间的阶跃提供诸如图8之类的标绘图，然后可以将不同标绘图之间的外推结果用于确定对未得到直接建模的电压阶跃的响应。

因此，可以提供用于多个可能阶跃的标绘图，例如，0V至200V，50V至200V，100V至200V，150V至200V等。

创建对数标绘图所需的有限次数的测量能够作为初始设备建模流程的部分而定期重复进行，使得能够在致动器系统的使用寿命期间调节函数。

例如，可以提供固定的查找表集合，当更多地使用该设备时能够切换这些查找表。可以通过记录驱动器中的电压和致动时间并在达到与这些值的乘积相关的某个阈值后进行切换来监测这种使用情况。另一选择是提供一种校准设备，该校准设备执行几次测量(即，仅是图8中描述的类型的一条曲线)并基于该校准来选择最合适的查找表。因此，可以执行定期的重新校准，例如，年度服务校准。

利用该更新的函数将提供关于预期在延迟时段期间的位移的输入，然后能够将该输入用于将致动器准确驱动到下一定义位置。

更新的函数还能够用于确定致动器到达其最终位置的特定时间以及精确的时间-位移特性。针对给定的阶跃输入，这能够用于区分朝向相同最终状态的快速响应和慢速响应。也可以选择延迟，使得在提供下一驱动信号之前到达定义位置。

注意，为了在设置的延迟时段之后达到期望致动状态，驱动方案可能会引起致动器过驱动到比与最终期望的端部位移相关联的电压更高的电压。因此，所使用的波形可能不会简单地从第一驱动电压(其与第一致动状态相关联)转变为第二驱动电压(其与第二致动状态相关联)。

当存在延迟时致动器在每个电压阶跃之间的相对位移对于多次致动保持相对稳定。然而，在绝对位移中观察到漂移(虽然在附图中不容易看到)。

能够使用以下函数将绝对位移(y_abs)更精确地计算为EAP循环运行后的致动循环次数的函数：

y_abs＝c*n+y_rel，

其中，y_rel是表1所示的相对位移，n是致动运行后的循环次数，并且c是常数。

因此，能够使用该线性校正来修改由查找表数据预测的位移，以考虑致动循环的次数。

上面的第一示例考虑了致动器在特定的驱动电压下保持多长时间以及因此在致动状态下保持多长时间。然而，转变到该特定驱动电压之前的历史(尤其是延迟历史)也有影响。该历史给出了依赖于延迟的滞后曲线。

针对第二示例，考虑以下情况：在定义的延迟之后，致动器从一个状态被驱动到另一状态：换句话说，在第一致动转变与第二致动转变之间存在延迟，其中，对第二转变的影响受到延迟的影响。

当先前的延迟时间增加时，会观察到致动随时间的变化率不太陡峭(较低的斜率)。

下表2示出了滞后斜率如何根据延迟时间而变化。第一行以秒为单位示出了延迟时间。

斜率是固定电压点之间的μm/V图的梯度。例如，参考图6C，尤其是左下分支，如果施加-100V达2秒钟，然后扫频到-50V，则致动随电压的变化率要慢得多——斜率更低。图6B的0.1秒延迟的斜率在无等待情况之间并因此更接近无等待情况。等待期过后，所有这些中间变化率都是相同的。因此，如果使用没有等待期的已知斜率(图6A)在2秒的等待期后进行内插，则会引起对致动的显著的过高估计。

为了便于说明，假设在较小的电压范围(例如，50V，但这取决于致动器)内，位移以线性方式起作用。

表2

	0	0.1	0.5	0.67	1	2	10	20
									50V-100V	0.0021	0.0015	0.0014	0.001	0.0011	0.001	0.0012	0.0011
100V-150V	0.0037	0.0031	0.0029	0.0028	0.0029	0.0029	0.0026	0.0027
									150V-200V	0.0066	0.0055	0.0047	0.0051	0.005	0.0047	0.0044	0.0045

该表示出了针对在初始转变到新的驱动电压之前的不同延迟的滞后标绘图的斜率(以μm/V为单位)。针对每个电压范围，斜率在较长的延迟时间内稳定下来。斜率在一段时间后稳定下来，因为在初始电压下已经达到最大极化。

图9示出了作为先前延迟(以秒为单位)的函数的不同电压范围的斜率(以μm/V为单位)。

该数据也能够被转变为查找表，使得先前的延迟(作为致动历史的部分)被转变为斜率，该斜率能够用于通过选择合适的时间和/或驱动电压来将致动器精确地驱动到某个位置。

因此，在该示例中，查找表额外存储表示在驱动到第二致动状态之前在第一致动状态下的保持时段的影响的数据。

在另一示例中，将依赖于延迟的输入(即，图8的信息)与对驱动历史的滞后曲线依赖性(即，图9的信息)进行组合。

图10示出了从50V到100V的电压阶跃的位移变化并示出了在该50V的受限电压范围内位移与电压的线性行为。

驱动中间电压，因此图中具有不同点。电压在大约50ms内从50V扫频到100V(总锯齿波形为1秒—1Hz—如图4所示)。因此能够从图6B和图6C的图中获得位置。

该电压阶跃的线性函数具有以下形式：y＝ax+b。

在这种情况下，y＝位移，x是电压，并且b定义位移起始值。因此，值b确定线性函数在y轴(位移轴)上的位置。

在该公式中，b受延迟历史的直接影响，因为较长的延迟会引起更多的位移并因此会引起b的另一个值。延迟时间历史与b的值之间存在线性相关性。

例如，在从150V-200V主动驱动致动器之前，要考虑一系列在150V下的延迟。

图11示出了不同的延迟(不同的标绘点)对b的值的影响。b的值在x轴上并且涉及从150V到200V的驱动，并且y轴标绘在150V的起始电压下的位移。

b的值与延迟时间历史具有线性依赖性(在延迟期间，位移继续)。如图10所示，能够看出b的值为-2.06(针对该特定情况)。如果该电压阶跃(50V-100V)之前的延迟较长(针对不同的延迟历史)，则b的负值会更大，从而减小位移并改变斜率。

图11针对不同的电压阶跃(150V-200V)，但是具有相同的行为。在该电压阶跃之前有短暂延迟的情况下，b的值为2.12，引起位移约为180μm。在电压阶跃(例如最后一个数据点)之前有很长延迟的情况下，b的值为2.63，引起位移约为40μm。

在将致动器主动驱动到新的电压时，能够将用于确定在所需的静态电压下的延迟期间的位移的对数函数直接用作针对线性函数的输入。

因此，系统可以结合使用线性函数(其捕获延迟历史信息)和对数函数(其捕获对静态驱动电压的驱动响应)。第一示例的对数函数成为针对第二示例的线性滞后函数的输入。

因此，在本发明的第一示例中，考虑了致动器在静态电压下经历延迟的情况。然后，这还确定了在第二示例中使用的线性函数中位移的起始值。同时，延迟还确定了线性函数的b的值。

因此，当在查找表中提供两个值时，它能够经由线性延迟历史函数来精确描述主动驱动(例如，从100V到150V)期间的位移。

能够仅使用少量参考测量结果来有效地创建查找表，然后查找表使得能够导出这两个函数。参考测量结果的集合使得能够外推到任何所需的致动曲线。

如上所述，旨在在目标时间时达到目标致动水平的最终驱动方案将引起一定程度的过驱动，即，致动器可能被暂时驱动到高于平衡电压的电压，以补偿较短的延迟时间。

如果需要的话，能够扩展查找表以考虑先前的驱动电平的极性。极性反转就像降低电压的过度情况一样——不仅极化区会去极化，而且现在驱动电压正在将极化区主动驱动到新的情况。有效地，这将需要稍微较长的时间以达到稳态。

本发明尤其涉及对EAP致动器的致动，EAP致动器包括作为EAP结构的部分的EAP。因此，EAP结构包括EAP材料。这是能够在向EAP结构提供电信号时使EAP结构变形的材料。正因如此，EAP材料能够是包括具有一种或多种基质材料和一种或多种EAP的(均质或异质)混合物或由一种或多种基质材料和一种或多种EAP组成的(均质或异质)混合物。例如，这能够是在另外的聚合物基质材料中的EAP分散体。该另外的聚合物基质材料能够是网络聚合物，其允许由混合或分散在基质网络中的EAP引起的变形。EAP材料能够被分散在基质网络中。弹性材料是这种网络的示例。优选地，在这种复合EAP材料中的EAP的量选自包括以下的组：>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)。EAP材料还能够包括在分子中包含EAP(或EAP活性基团)部分和非活性其他聚合物部分的聚合物。能够使用许多电活性聚合物，下面将对其进行描述。

本发明具体涉及场驱动的EAP以及示出作为电场的函数的剩余极化的场驱动的EAP。

它们可以包括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受到限制，但是改善该性能的突破得到了PVDF弛豫聚合物，其表现出自发电极化(场驱动排列)。能够对这些材料进行预应变，以提高其在应变方向上的性能(预应变会引起更好的分子排列)。

通常使用这种膜金属电极，因为应变通常处于中等范围(1-5％)内，也可以使用其他类型的电极，例如，也能够使用导电聚合物、炭黑基油、凝胶或弹性体等。

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-氯三氟乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚氨酯或其混合物。

可以提供额外的被动层，以影响EAP材料层响应于施加的电场或电流的电行为和/或机械行为。

每个单元的EAP材料层可以被夹在电极之间。替代地，电极能够在EAP材料的同一侧。在任一种情况下，都能够将电极直接物理地附接到EAP材料，在它们之间没有任何(被动)层；或者也能够将电极间接附接到EAP材料，在它们之间有额外(被动)层。但情况并非总是如此。针对弛豫体或永久性压电或铁电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，在EAP附近有电极就足够了，EAP结构将具有其致动功能。适合于电极的材料也是已知的并且例如可以选自包括以下各项的组：金属膜(例如，金膜、铜膜或铝膜)或有机导体(例如，炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-乙基二氧噻吩)(PEDOT)(例如，聚(3,4-乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)))。也可以使用金属化的聚酯膜，例如，(例如使用铝涂层的)金属化的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

EAP结构因此可以用于致动。替代地或额外地，它也可以用于感测。最突出的感测机制是基于力的测量和应变检测。压电聚合物传感器和电致伸缩聚合物传感器能够响应于施加的机械应力而生成电荷(假设压电EAP中的结晶度足够高而能够生成可检测的电荷)。本发明能够应用于许多EAP致动器系统，包括其中对致动器的矩阵阵列感兴趣的示例。

在许多应用中，产品的主要功能依赖于对人体组织的(局部)操纵或对组织接触界面的致动。例如，在这样的应用中，EAP致动器具有独特的优势，这主要是因为其外形小巧、灵活性高且能量密度高。因此，它们能够被容易地集成到柔软的3D形状和/或微型产品和界面中。这样的应用的示例包括：

皮肤美容治疗，例如，基于响应性聚合物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，其具有基于响应性聚合物的主动式缓冲垫或密封垫，以为皮肤提供交替的法向压力，从而减少或防止面部红斑；

具有自适应剃须刀头的电动剃须刀。能够使用响应性聚合物致动器来调节皮肤接触表面的高度，以影响紧密度与刺激性之间的平衡。

具有动态喷嘴致动器的口腔清洁设备，例如，空气牙线，该动态喷嘴致动器改善喷雾的触及范围，尤其是在牙齿之间的空间中的触及范围。替代地，牙刷可以被提供有激活的刷毛。

消费电子设备或触摸面板，其经由被集成在用户接口中或附近的响应性聚合物换能器阵列来提供局部触觉反馈；

具有可转向的尖端的导管，其使得能够在曲折的血管中轻松导航。

另一类受益于这种致动器的相关应用涉及光路改变。通过使用这些致动器，能够通过形状或位置调整来使诸如透镜、反射面、光栅等光学元件得到调整。在这里，一个EAP益处例如是更低的功耗。

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。虽然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。

总而言之，电活性聚合物致动器包括电活性聚合物结构和用于提供致动驱动信号的驱动器。在一个方面中，具有过驱动电压的第一驱动信号用于改变将结构从一种致动状态切换到另一种致动状态所需的电活性聚合物结构的电荷。当电活性聚合物结构致动接近或处于另一种致动状态时或之后，使用驱动电压将电活性聚合物结构置于并保持在致动状态。这种临时的过驱动方案提高改善速度响应，而不会损坏电活性聚合物结构。

Claims

1.一种致动器设备，包括：

电活性聚合物结构(70)，其用于至少采用第一致动状态和与所述第一致动状态不同的第二致动状态，所述第一致动状态具有与其相关联的第一驱动电压，并且所述第二致动状态具有与其相关联的第二驱动电压；

驱动器(72)，其适于将所述驱动电压施加到所述电活性聚合物结构，以将所述电活性聚合物结构从所述第一致动状态切换到所述第二致动状态；

控制器(76)，其用于控制所述驱动器来施加驱动波形，以在考虑所述数据的情况下在所述第一致动状态与所述第二致动状态之间转变。

2.如权利要求1所述的致动器设备，其中，所述存储器包括查找表(74)或由查找表组成，所述查找表以查找表数据的形式存储所述数据。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述数据包括针对多个不同的第一驱动电压和第二驱动电压中的每个的驱动电压的、离散致动水平点的集合随时间的对数函数。

4.如前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述数据表示在驱动到所述第二致动状态之前在所述第一致动状态下的保持时段的影响。

5.如权利要求4所述的设备，其中，表示所述保持时段的所述影响的所述数据包括位移与致动电压电平的函数的斜率。

6.如权利要求4或5所述的设备，其中，表示所述保持时段的所述影响的所述数据包括当从所述第一致动状态到所述第二致动状态的所述转变开始时的位移的起始值。

7.如前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述电活性聚合物结构包括场驱动的电活性聚合物。

8.如权利要求7所述的设备，其中，所述场驱动的电活性聚合物包括PVDF弛豫聚合物致动器。

9.一种驱动致动器设备的方法，所述致动器设备包括电活性聚合物结构，所述电活性聚合物结构用于至少采用第一致动状态和与所述第一致动状态不同的第二致动状态，所述第一致动状态具有与其相关联的第一驱动电压，并且所述第二致动状态具有与其相关联的第二驱动电压，其中，所述方法包括：

其中，所述电压波形是通过对存储器进行寻址来确定的，所述存储器存储表示在从所述第一驱动电压到所述第二驱动电压的致动之后致动水平随时间的变化的数据。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述存储器包括查找表或由查找表组成，并且所存储的数据是查找表数据。

11.如权利要求9所述的方法，包括通过在离散点的集合之间进行外推来形成针对多个不同的第一致动状态和第二致动状态中的每个的、所述致动水平随时间的对数函数。

12.如权利要求9或10所述的方法，包括在所述存储器中存储表示在驱动到所述第二致动状态之前在所述第一致动状态下的保持时段的影响的数据。

13.如权利要求12所述的方法，其中，表示所述保持时段的所述影响的所述数据包括位移与致动电压电平的函数的斜率。

14.如权利要求12或13所述的方法，其中，表示所述保持时段的所述影响的所述数据包括当从所述第一致动状态到所述第二致动状态的转变开始时的位移的起始值。

15.一种计算机程序产品，包括被存储在计算机可读介质上或能被存储在计算机可读介质上或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在计算机上运行时令驱动器执行如权利要求9至14中的任一项所述的方法的步骤。