CN109417121A - Eap致动器和驱动方法 - Google Patents

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Abstract

一种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，第一驱动电平被用于将电活性聚合物结构从非致动状态充电到致动状态。在电活性聚合物结构达到致动状态时或之后，较低的第二驱动电平被用于将电活性聚合物结构保持在致动状态处。该临时过驱动方案改进了速度响应，而不损坏电活性聚合物结构。在另一方面中，一种驱动方法随时间利用若干不同的电平段，所述若干不同的电平段补偿EAP致动器的延迟致动响应。

Description

EAP致动器和驱动方法
技术领域
本发明涉及EAP致动器、包括这样的致动器的设备或***以及用于驱动这样的致动器、设备或***的方法。其还涉及用于执行本发明的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这样的设备：其可以将电输入转换成诸如力或压力的(机械)输出，或者反之亦然。因此，EAP致动器可以用作机械致动器，并且取决于所使用的EAP，常常也可以用作传感器。为此，其包括电活性聚合物(EAP)，所述电活性聚合物可在致动刺激或信号的影响下变形或改变形状。场驱动EAP的一些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，但存在其他的范例。
EAP致动器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***中，诸如例如医学或消费者设备。此外，基于EAP的致动器/传感器将高应力和应变与诸如以下的特性组合：低功率、小形状因子、灵活性、无噪声操作、准确操作、高分辨率的可能性、快速响应时间，以及循环致动。
通常，它们的特性使得EAP致动器有用于例如这样的任何应用：其中，小空间可用，并且其中，基于电致动的部件或特征的少量移动是期望的。类似地，该技术能够用于感测小移动。
图1和2示出了针对示范性EAP致动器的两种可能的操作模式。其包括EAP结构，所述EAP结构包括夹在EAP层14的相对侧上的电极10、12之间的EAP层14。图1示出了未被任何载体层或基板夹钳(附接到任何载体层或基板)的致动器。施加到电极的驱动电压用于使EAP层在所有方向上扩展，如所示的。图2示出了一种致动器，其被设计使得仅在一个方向上产生扩展。在这种情况下，与图1中的EAP结构类似的EAP结构被支撑和夹钳，即机械地附接到载体层16。施加到电极的电压再次用于使EAP层在所有方向上扩展，如图1所指示的。然而，夹钳限制了实际的扩展，使得代替地引起整个结构的弓弯。因此，该弯曲运动的性质来源于被动载体层和主动层之间的相互作用，所述主动层在被致动时扩展。
EP 2 654 194公开了一种收缩凝胶致动器，其中，位置检测和反馈用于控制致动器的致动，以便实现更准确的位置控制。
发明内容
表现为当EAP致动器(诸如图1和图2中的EAP致动器)被激活时，实际期望致动输出相对于初始获得和要保持致动的稳定性偏离期望的致动输出。例如，许多EAP致动器当在长时间段内保持该状态时不响应于阶跃电压而提供位置稳定性，其中，长例如被解释为在第二或更长的时间尺度上。由于机械响应难以保持实质性恒定，该差异妨碍了EAP致动器应用于精确定位部件，例如，在微型流体控制阀、微镜或传感器中。
本发明的目的是提供一种相对于至少保持致动响应的稳定性的改进的EAP致动器。
该目的通过如由独立权利要求所定义的本发明来至少部分地实现。从属权利要求提供了有利实施例。
本发明的设备和方法使用包括电活性聚合物结构的致动器，以根据供应给其的驱动信号提供机械致动输出。可以使用可以是EAP结构的部分的电极将这种信号施加到其。因此，第一信号电平使得结构达到第一致动状态，而不同于第一信号电平的第二信号电平使得其达到不同于第一致动状态的第二致动状态。电活性聚合物结构包括为此目的的电活性聚合物(EAP)，其能够在施加驱动信号后改变其形状。参考图1和2描述了这样的EAP结构的范例，但是存在其他的范例，并且本发明不限于这些范例。
本发明基于以下见解：EAP结构在恒定的驱动条件下经受弛豫特性。因此，本发明的设备和驱动方法提供针对至少中间电压的阶跃增加和从中间电压到第二电压的随后随时间的更逐渐降低。
利用本发明的设备和方法，可以通过补偿一个或多个弛豫特性来控制致动器以稳定初始到达和期望致动状态，并且这可以扩大EAP致动器的潜在应用的范围。
致动器包括电活性聚合物致动器。电活性聚合物结构包括电活性聚合物材料，其能够在使其经受驱动信号时允许或诱导(实质的)机械变形。
EAP结构可包括用于接收电驱动信号的电极结构。电极结构可以包括两个电极，其间具有EAP，例如作为层堆叠的一部分。
驱动信号可以基于电压驱动，使得信号电平是电压电平或者基于被驱动的电流使得信号电平是电流电平。注意，关于电流驱动，信号电平也可以是由于由驱动器设置的电流的电压电平。对于场驱动EAP结构，优选使用电压驱动。
致动器的致动输出取决于EAP结构的变形(由其引起)。致动状态输出可以是在具有或不具有致动器结构的实际的实质性机械移动、位移、变形或敲击的情况下的任何类型的机械致动，诸如力、压力或应变。
第一致动状态可以是非致动状态(也称为静止状态)，而没有向设备提供的任何电驱动信号。备选地，第一致动状态可以是与第二致动状态不同的致动状态。致动器可以具有不止第一和第二致动状态(例如，多个状态)。
第一时段期间的驱动信号用于将EAP结构致动到中间致动状态。中间状态可以与第二致动状态相同，但不必相同。因此，直接在第一时段之后，致动器可以已经达到第二状态或可以没有达到第二状态。
在第一时段期间，驱动信号电平可以具有仅阶跃增加。其还可以具有子时段，其中，驱动信号电平基本恒定在中间信号电平中。这些是简单的实施方式。能够存在施加的更复杂的驱动信号，其具有多个信号电平(恒定或可变)或一个连续变化的信号电平。在所有这些中，在第一时段的结束处，电驱动信号达到中间电平。
第二时段直接在第一时段之后，并且不是实质上为零的时间段。第二时段也称为保持时段。
在第二时段期间的驱动信号用于将第二致动状态保持为比在第二时段期间将已经使用恒定的驱动信号电平时更加恒定。因此，该驱动方案补偿了EAP致动器随时间的弛豫，并且允许更长的致动时段与更恒定的保持位移(致动状态)。换言之，具有降低的第二电平的第二时段驱动信号以及随之的总驱动方案用于使得第二时段期间的实际致动变化小于在第二时段期间将已经使用恒定的第二电平时。由于弛豫通常导致具有已经恒定的第二电平的致动的持续增加，因此降低可以补偿增加，使得致动的变化较小并且由此致动更加恒定。在具有弛豫引起的增加和第二电平的经调整的降低之间的几乎完美匹配的最终情况下，在大部分或整个第二时段期间可以实现实质上恒定的致动，直到当不再需要用于补偿的降低信号时的点，因为关于该点的弛豫然后已结束。
该方法和驱动器可以额外地适于在随时间的降低之后提供第二电压作为恒定驱动电压。在所有弛豫效应的补偿之后，这用作保持电压。
可以调整方法和驱动器，使得中间电平比第二电平高至少5％、或至少10％或至少20％。第二时段优选等于或长于0.5秒。优选地，其长于1秒或甚至长于2秒或5秒。聚合物材料中的弛豫效应在数秒内发生，使得在这种情况下可以进行有效的补偿。
电活性聚合物结构包括用于接收驱动信号的电极装置，电极装置定义电容器，实施电容器具有与电阻串联连接的电容，电容和电阻的乘积定义用于在第一时段期间对电容器充电的特征时间常数。因此，可以调整方法和驱动器，使得第一时段等于或长于因子和特征时间常数的乘积，其中，因子选自包括以下项的组：2、5、10、20、50、100。如果电容针对第一和第二致动状态不同(这对于EAP结构常常如此)，那么例如可以在产品中使用两者的平均电容或最高电容。这给出了允许完全充电的时间。因此，通过稳态充电的初始电驱动主要在第一时段内完成。因此，第二时段主要涉及弛豫效应。
在本发明中，第二时段期间驱动信号电平的降低可以以逐步的方式发生。可能与步骤之间的恒定信号相结合。这可以允许使用更简单的驱动器。减少可以采取连续的方式。因此，可以提供对弛豫效应的更精确的补偿。
随时间的降低可以是线性降低部分。备选地，随时间的降低可以是具有不同平均斜率(即降低的速率)的第一降低部分和随后的第二降低部分。第一部分可以具有0.5至5秒之间的持续时间，并且第二部分可以具有超过1秒的持续时间。优选地，其超过2、5或甚至10秒。其可能短于20秒。第一部分可以具有负平均斜率，所述负平均斜率具有比第二部分更陡的梯度。这两个部分可以是线性降低部分。
在第二时段或其部分中的一个或多个期间，驱动信号的降低速率可以随时间是恒定的。当弛豫效应继续发生时，这随时间给出恒定的补偿。这可能随电流驱动EAP发生。备选地，驱动信号的降低速率可以随时间减小。当弛豫效应随时间变得越来越小时，可以使用这种方法。
在第一时段的整体或部分期间，在第二时段开始之前驱动信号电平可以保持在高于(用于切换到更高的致动状态)或低于(在切换到较低致动状态的情况下)中间电平的过驱动电平。通过从第一个提到的值中减去第二个提到的值来计算电平差，在所述值之间差异被确定。
过驱动电平可以是第一时段的部分或整个第一时段。其可以施加短于0.5s(例如小于0.3s或甚至小于0.1s)。这提供了用于快速设置致动的初始尖峰，随后在逐渐降低之前快速下降到第一电压电平。以这种方式，存在短持续时间的大过驱动，随后是较长持续时间的较小的过驱动，所述较小的过驱动更逐渐地被移除。在过驱动电压期间，跨电活性聚合物结构的有效电容的电压可以处于或低于第二驱动电压。
初始过驱动信号用于降低达到致动状态中的延迟，并且这可以扩大EAP致动器的潜在应用的范围。过驱动具有有限的持续时间。驱动波形的该初始部分考虑了EAP结构的电容性质，所述EAP结构通过电荷注入来驱动。通过增加驱动电压，额外的电荷被递送到电活性聚合物结构，但没有跨EAP结构的电压超过限制。
可以提供反馈***，以用于控制在至少第二时段期间驱动信号的持续时间、幅度和/或形状。因此，在第二时段期间驱动信号分布的选择可以是被动的或主动的。反馈***可包括位移传感器或闭环驱动器控制器，以用于调节驱动电平。
本发明涉及一种方法和驱动器。驱动器可以适于在被使用时执行所述方法。因此，针对所述方法描述的优点也适用于所述设备。所述设备可以具有用于执行计算机程序产品的CPU。其甚至可以具有用于存储该计算机程序产品的存储器，使得CPU可以从该存储器运行其。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的范例，其中：
图1示出了已知的EAP致动器，其不受约束并因此在平面内扩展；
图2示出了已知的EAP致动器，其被约束并因此使平面的输出变形；
图3示出了EAP致动器的等效电路；
图4示出了常规驱动方案和根据第一范例的驱动方案；X轴：0至500毫秒，具有50ms/Div；以及Y轴：0至270V，具有30V/Div；
图5示出了常规驱动方案和根据第二范例的一组驱动方案。X轴：0至800毫秒，具有50ms/Div，以及Y轴：0至330V，具有30V/Div；
图6示出了使用标准阶跃驱动电压的较长致动脉冲；
图7显示了电流、驱动电压和位移；
图8示出了致动信号的不同部分如何由不同弛豫机制影响；
图9示出了创建矩形位移分布的长脉冲的第一驱动电压波形；
图10示出了创建矩形位移分布的长脉冲的第二驱动电压波形；并且
图11示出了EAP致动器***。
具体实施方式
本发明提供了一种用于操作包括电活性聚合物(EAP)致动器的致动器设备的方法。其还提供了适于执行所述方法的这样的致动器设备。为此目的的设备包括能够根据所述方法提供驱动信号的驱动器。在所述方法中，第一驱动电压用于将EAP结构从第一致动状态(其可以是非致动或静止状态)驱动到第二致动状态。当EAP结构达到第二致动状态时或之后，驱动电压被调节为实质上稳定地将EAP结构保持在第二致动状态处。因此，经调节的驱动电压随时间使用不同的电压段，这补偿了由EAP结构中发生的弛豫效应引起的EAP结构的延迟致动响应。
以上已经参考图1和图2描述了范例EAP结构。在本文下面的描述中，图2的类型的、但是具有夹在两个电极之间的相同EAP材料的多个堆叠的致动器已经被使用。它们根据与图2的致动器相同的原理操作。
通常，EAP致动器设备包括用于将驱动信号供应给致动器的EAP结构的驱动器。驱动器可以以其来控制致动器。驱动器通常包括用于向电极提供所需的电驱动信号的驱动电路。电驱动信号可以包括或者是需要电压驱动器或电流驱动器的电压驱动信号或电流驱动信号。在这两种情况下，致动器的驱动将使得在电极之间形成电压差。
当EAP结构正被激活时，驱动器将电压幅度(交流(诸如AC)、缓慢地变化的准确静态或静态(诸如DC))施加(或者甚至生成)到电极，由此使EAP结构进入期望致动状态(例如致动位置)。
EAP结构和电子驱动电路两者都不理想。一方面，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是EAP结构本身的功能，而且也是驱动电路的功能。为了减少驱动器的影响，EAP的操作电压通常存储在与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。
因此，当图2的类型的致动器从其静止状态(第一致动状态)被驱动到期望的致动状态(第二致动状态)时，驱动器用于提供与第二状态相关联的电压。致动状态被测量形成致动器的位移曲线，毕竟，致动器是提供机械输出的机械致动器，在这种情况下，所述机械输出是导致致动器的可移动部分的位移的致动器的变形。图3A示出了作为曲线30的EAP致动器对保持10秒的150V(第二电压)的阶跃电压(曲线32)的位移响应。致动器在致动的开始处处于静止状态(零伏的第一电压)处。
显然，尽管向EAP结构提供了阶跃电压驱动信号，但其致动输出决不是遵循该阶跃函数的。代替地，与连续变化的致动一起观察到相当大的致动延迟。如果电压还已经保持超比10秒更长的时段，则致动位移的增加还将继续。高度期望更方形的位移响应。一个效应是，甚至在首次提供驱动电压之后的几秒钟，位移和因此致动也继续上升。如果期望长期期望致动34，则这样的致动响应是不充分的。
图3B示出了图3A的响应，其中，此时额外地示出了作为曲线34的电流。为清楚起见，已经省略了阶跃电压曲线31。电流图示出了在电压脉冲31的开始和结束处的尖峰34和34’，并且这些对应于由EAP结构定义的电容器的充电电流和放电电流，以向EAP材料提供电压信号(还参见图1，图1解释了EAP材料层和电极如何形成薄膜电容器)。
在图3B中可以看出，充电在大约半秒后就结束了。因此，图3A和3B示出了如何在较长时间段(在该范例中为10s)上保持驱动电压允许弛豫效应变得显着，因为在充电之后位移继续累积。因此，位移响应的较大部分显然是EAP结构以及例如其EAP材料的机械效应。对于弛豫铁电聚合物，诸如EAP范例中使用的，可以存在贡献于位移响应的分子水平上的识别的四种不同的时间方案：
1、EAP的电容充电(电负载增加)
2、聚合物微晶内分子链的取向
3、微晶畴的重新取向
4、致动器中(被动)胶层和基板的机械弛豫
这四种效应在图3B中可视化。这四种效应具有不同时间段上的影响，如x轴下面的附图标记1至4所示。注意，x轴在零电流处绘制并且部分地由噪声电流图34遮挡。
如图所示，效应部分交叠。机械弛豫(4)通常从致动开始就存在，因为其示出被动响应，即仅受电感应位移的影响，并且通常具有比(初级)电位移效应更小的效应。电容充电是相对短的持续时间效应。
将清楚，对于每种EAP材料和结构，四种效应的中的每个的持续时间和范围将不同。因此，尽管上述效应主要适用于弛豫铁电聚合物，但下面描述的本发明的驱动方案也可以应用于其它聚合物致动器，例如介电弹性体致动器类。在EAP致动器中使用的该类介电弹性体聚合物中，主导变形机制是弹性体的麦克斯韦应力和机械弛豫，其给出与图3A和3B的位移响应类似的位移响应。
本发明旨在降低EAP结构中的机械弛豫效应的影响，并且由此实现在更长的时间段内更接近地类似于阶跃机械响应的位移响应。因此，一旦达到期望水平，就需要在例如图3A和3B中的水平32处保持基本恒定。
本发明提供了一种驱动机构，其范例如下所述。本发明涉及在整个致动持续时间内的驱动信号。然而，具体地，其超出了电原点弛豫。因此，在一些情况下，随时间提供不同的驱动信号段。在下面的情况下，电压信号被用于解释范例。然而，当需要电流驱动时，驱动信号可以是电流信号，尽管这些信号也将在EAP结构的电极上提供电压信号。
图4用于解释EAP结构的电学行为。由于EAP致动器表现为具有针对驱动器的阻抗的驱动器的电负载，因此在由驱动器设置特定电压或电流后(如例如以本文上面描述的方式完成的)，跨致动器电极形成的电压差(并且因此其上的电荷)通常与驱动信号的设置不完全同步。从电学观点来看，EAP致动器(诸如图1和图2的EAP致动器)可以被描述为引起电阻器Rs和电容器C1的串联连接，两者都与另一电阻器Rp并联。描述EAP致动器的该所谓的等效RC电路40然后通过点43和44连接到驱动器41。尽管其他RC电路可以用于描述EAP结构，但是图4中的电路很好描述了到一阶的EAP。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，所述电荷再次取决于由驱动器41提供的施加的电压。如果EAP被去激活，则施加的电压可以被断开并且因此EAP将经由其内部并联电阻Rs缓慢放电，并且最终将返回其初始位置。然而，其他放电方法可以应用于特定情况，诸如提供其他电压幅度，如本文下面将进一步描述的。
实质上，RC串联电路定义电时间常数τ＝Rs·C1(以秒为单位)，这是描述这样的配置的时间特性的重要参数。如所述的，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由施加的电压V1和电容本身定义(Q＝C·V)。由于电容器的电容是具有取决于设备的致动结构的设计和构造的固定电容的“固定”部件(即，尽管电容在驱动期间稍微变化，但其首先由设计配置和EAP定义，为了解释图4，使用并假设EAP是恒定的)，所施加的电压是描述EAP在稳态下的机械变形的主要参数。稳态将是用于长期保持致动状态的状态。
然而，在达到稳态之前，存储在电容器C1上的电荷(以及因此电容器上的电压)确定致动/位移的瞬时水平。
为了实现EAP致动器的期望致动水平，跨电容器并且因此在节点43和45之间的电压需要达到特定电平或幅度。理想情况下，在没有任何(明显的)延迟的情况下达到该电压电平或幅度。然而，由于串联电阻Rs，将引入延迟。出于该原因，期望位置所需的整体电荷Q不会立即建立在EAP结构上，由此EAP结构不会以最大速度直接开始向其最终水平致动。代替地，其朝向由瞬时电荷水平确定的较不变形的最终状态并且具有次最优速度。
不希望受理论束缚，通常，如果将电压V0施加到电容器，则作为时间t的函数的充电电压vc(t)是：
时间常数τ由Rs和C1的乘积给出。
τ＝Rs·C1 等式2
因此，跨电容器C1的充电电压在时间常数τ内达到其最终幅度的63.2％，并且在5倍的τ后达到99.3％。
典型的EAP致动器例如包括电极之间的弛豫铁电材料或弹性体***。图3电路的等效分量值可以是：
C1＝800nF
Rs＝80kΩ
Rp＝10MΩ
这给出了0.064s的时间常数，使得五个时间常数(达到99.3％的驱动位移)对应于0.32s。
在上文中，假设C1具有恒定电容。然而，对于许多实际的EAP致动器而言，其值不仅在切换期间变化，而且对于不同的致动器状态而言不同。因此，在从一种状态进入另一种状态时，可能并且通常存在C1电容的(显着)变化。这主要是由于经由电容器几何结构的变化(例如，包括EAP层厚度的电容器电介质能够变化和/或电极区域能够变化)和/或经由电容器介电材料性质(例如，介电常数)的变化而变化的致动器设计因子。后一种效应例如在铁电体内看到。本发明可以考虑这些变化。一种方法是基于在其期间被切换的状态的最高有效电容来确定电响应时间。通常，多数致动状态需要最高的电压幅度，并且由此具有与之相关联的最高电容。因此，可以针对任何数量的致动电压(稳态)电平来确定C，以便用于本文描述的计算中的任一个。
上面使用的等效分量值和针对任何实际***的等效分量值可以使用本领域已知的阻抗测量方法来确定。诸如图4中的RC模型的各种RC模型可以适合于这样的测量的结果，以确定实际***的实际电阻和电容值。可以根据在稳态下观察到的值来确定或估计有效电容，因为然后充电已经停止并且在电容值上施加电压。如果这些实质上影响稳态电压值，则能够需要考虑由于泄漏损耗的电压贡献。
根据本发明，可以采用使用分段驱动方案的驱动方法。方法可以使位移分布随时间变平，至少在比结构的初始充电已经实质上停止的几秒钟长的时间跨度内。
图5A示出了针对与用于产生图3A和3B的响应的致动器相同的致动器，当代替于图3A中使用的阶跃电压驱动信号使用倾斜驱动信号51时的位移响应50。尤其是在信号51的上升之后几秒之后，位移水平超过图3A中的情况。其更好得多地接近0.2mm位移的期望状态。在图5B中可以看到类似的效应，但是是针对0.4mm位移的更高致动状态的。
可以使用实验来确定和调节平整的尺寸和器开始的时间，以优化驱动信号的斜率和/或所使用的斜率的类型和/或斜率开始的时刻。尽管这也会影响达到的最终位移水平，但是也可以使用驱动信号幅度来调节该水平，毕竟，如从图5A和5B的比较可以看到的，后者在位移曲线平整大致相当时示出大约两倍高的位移。
图6A至6D示出了根据本发明的驱动信号的不同范例。在所有情况下，电压初始在第一时段内从第一电压61增加到中间电压62，之后在第二时段期间实施驱动信号的降低以在第一时段之后(优选地直接在第一时段之后)的特定时间处开始。
如果假设曲线63A是图5A中使用的曲线，则为了在大约3秒的时刻之后实现更加线性的位移曲线51，可以在第二时段60(有时也被指示为保持时段)期间稍微降低驱动电压降低的斜率，例如与曲线64A一样。备选地，随着时间的推移，斜率可以以减小的斜率连续地变化，如曲线65A的衰变。而且，可以如曲线64B那样实施斜率的延迟变化。在该曲线(和类似曲线)中，保持时段具有由衰变被调节的时刻67分开的两个段66和68。另一个范例在图6C中给出。此处斜率的衰变仅在时间67之后开始，而在此之前没有实施衰变。因此，在时刻67之前，与驱动信号相比，机械输出可以最大化，其中，衰变从信号的初始上升开始。再次，与曲线64C一样，衰变可以是单调的，或者与曲线63C一样，随着时间的推移，衰变可以是恒定的斜率减小。驱动信号63D在初始上升之后实施立即开始的衰变，其中，在时段66中衰变小于单调并且在时间67之后的时段68中是单调的。在第二时段60和/或时段66和68中的一个或多个期间的信号电平的降低可以与信号63A、63B、64A、64B、64C、65A一样以连续的方式或以例如逐步的方式进行，如例如在时间67处具有阶跃减小的信号63C。可以实现在时段60期间的多个阶跃，一个或多个具有恒定信号电平(未示出)。在第二时段60内可以使用两个以上的支持时段66和68。
时段66或该时段的第一部分可用于对EAP结构充电。因此，在实施电压衰变之前，衰减可以在该时段或其一部分之后开始以实现预定充电量。因此，驱动信号在可实现的切换速度和致动状态保持响应之间提供了良好的平衡。充电时间与例如等式2中的时间常数有关。因此，跨电容器C1的充电电压在时间常数τ内达到其最终幅度的63.2％，并且在5倍的τ后达到99.3％。因此，时段66或其部分可以大于τ。更优选地其大于5τ，甚至更优选大于10τ或甚至50τ。因此，在采用衰减策略之前实现完全充电。可以通过确定EAP结构的相关电参数(例如C1和Rs)来设置这样的充电时段的定时，如本文上面指示的。因此，可以针对所使用的任何EAP结构优化定时。
因此，驱动信号的仔细构造可以调谐EAP结构的位移行为，以获得在特定时间内几乎恒定的位移，如果使用简单的阶跃电压驱动信号则不会实现该位移。
通过使用非预先公开的欧洲专利申请号16176918.7中描述的过驱动原理来优化充电速度可以获得另外的改进，通过引用将其并入本文，并且为了解释本发明的实施方式，下面的部分被再现。
参考图4的讨论已经涉及基于电特性的EAP致动器的初始致动，并且这可以用于确保致动器以尽可能高效的方式达到期望的致动状态。
因此，尽管由连接器43和44之间的驱动器提供的电压V1用于驱动EAP结构(等效电路)，但是跨连接器43和45之间的电容器C1的电压确定了致动或位移的水平。因此，重要的概念是，在将EAP结构切换到期望的致动水平时，如果过驱动电压V1施加到结构，则EAP结构的机械响应将不会过冲期望的致动水平，只要跨电容器的电压保持低于对应于期望致动水平的电压。
较高的过驱动电压将具有限制，因为即使电容放电，也存在针对设备的击穿电压。优选地，利用本发明施加的电压低于击穿电压。
过驱动提供了一种方法，通过所述方法更快地建立EAP上的期望电荷水平，而不会以不希望的方式干扰达到实际的致动水平(例如，具有显着的过冲)。为了加速EAP结构的机械响应时间，其在比达到期望致动位置所需的正常操作电压(稳态电压)更高的电压下被驱动特定时间，使得电容器的充电将加速并因此EAP朝向由该较高瞬时电荷水平确定的致动状态发展。这样一来，如果仅在其标称操作电压下操作达到期望致动状态所需的电压，则其反应速度比其将已经完成的速度快。该方法可用于更快地增加致动水平，即从静止或从开始致动到更高致动。
当达到或即将达到设想的最终位置时，即当在EAP电容器C1上存在或几乎存在与期望位移相关联的正确电荷量Q时，驱动电压幅度可以改变(例如，减小或增加)成保持EAP致动器的恒定位置的电压。假设到达EAP致动器的特定位置所需的电压幅度V0，并且还假设向EAP致动器施加更高的电压(其可以认为是过驱动电压Vod)，则电容器电压如下：
最后，如果在预定时间t期间应该达到EAP致动位置，则可以将所施加的过驱动电压计算为：
以类似的方式，如果过驱动电压Vod是已知的，则可以估计EAP致动器将何时，即多快到达其所需的致动位置：
为了实施本发明的过驱动原理，本领域技术人员将知道若干驱动拓扑。因此，在以下电路仿真中，假设理想的可编程电压源。
如上所示，如果请求特定EAP结构响应时间，则可以确定所需的过电压。
在以下参考图7和图8的范例中，EAP结构的致动被认为是对应于250V的稳态电压的位移状态(期望的致动状态)。而且，开始致动状态是零伏处的静止状态。在静止状态是非零伏状态的情况下，然后过驱动电压要被添加到开始状态电压电平或从开始状态电压电平减去，以便确定施加到致动设备的实际电压。这是因为过驱动电压与驱动信号中的电压幅度步长有关。
因此，例如，如果要实现0.2s的响应时间，则可以基于等式4计算对应的过驱动电压。
在图7的情况下，利用具有本文上面提供的等效分量的EAP结构，在0.2s的时隙内提供261.5V的过驱动电压，之后施加的电压恢复到250V的稳态电压。
施加的电压和在EAP结构的有效电容上电压在图7中示出，具有跨电容器C1(例如，图4中的节点33和35之间)的电压的曲线70和74(所述电压对应于致动器位移水平；见本文上面)以及在节点33和34之间施加的驱动电压72和76。
曲线70是在零时刻初始阶跃增加之后对恒定驱动电压72(在这种情况下为250V的稳态电压)的常规响应(其中，EAP致动器处于对应于静止或非致动状态的初始放电状态)。曲线74是针对第一时段的具有261.5V的较高第一电压76的驱动电压的响应，所述第一时段在该范例中为0.2s，在所述时段之后电压电平恢复到250V的稳态值。尽管通常电容器在约5τ(＝0.32s)后充满电，但EAP致动器现在在定义的0.2s后达到所需的电荷(以及因此电压幅度)。这相当于响应时间的30％减少。
在一组范例中，本发明涉及致动器的近直流驱动。这意味着致动器保持在dc电平一时段，所述时段与致动时间相当或更长。因此，第二驱动电压保持至少与第一驱动电压一样长。对于图7的范例，第二电压保持至少0.2s。在这种情况下，致动的总持续时间至少为0.4s，给出2.5赫兹的最大操作频率。
第二驱动电压可以保持第一驱动电压的至少两倍长。在这种情况下，致动的总持续时间至少为0.6秒，给出1.7Hz的最大操作频率。
因此，该方面涉及缓慢的近dc致动。例如，最大操作频率可以低于10Hz，例如低于5Hz或甚至恒定电压。
图7示出了当EAP致动器正在充电时(在曲线70的电压建立期间)跨电容器C1(其是EAP致动器的有效电容)的电压处于或低于第二驱动电压72。以这种方式，跨电容器C1不会超过第二驱动电压72，使得不会存在机械响应的过冲。因此，致动器的精确定位可以实现并且具有更快的响应时间。
如上所述，如果已知过驱动电压(或例如受限于可应用于整个EAP致动器以防止击穿的最大电压)，则当EAP致动器到达其所需位置(即其对应的电荷)时的时刻(t主动)也可以根据等式5计算。该时刻也可以描述为EAP致动器本身的时间常数τ的相关性：
t主动＝n·τ 等式6
因此，如果已知过驱动电压的可允许幅度，则可以定义当EAP致动器到达其请求位置(电荷)时的参数n。对于Vod＝300V的过驱动电压，在这些模拟中建模的EAP致动器的响应被示出在图8中。
图8示出了用于过驱动电压86的一组不同的持续时间以及针对每个的对应的曲线84。曲线84以相应的n个值(n＝0、1.0、1.5、1.8、2.0、3.0、5.0)标记。相应电压脉冲86的300V的过驱动电压可以从图8中从标记过驱动脉冲86中的每个的端部的垂直线读取。例如，过驱动电压需要施加0.115s以便达到所要求的致动位置(即达到有效电容器C1上的所要求的电荷和电压)。这对应于参数n＝1.8，这意味着与仅将已经使用250V的稳态电压相比，EAP位置可以0.32/0.115＝2.78的因子更快地达到。
如从图8中可以看出的，如果过驱动电压施加到EAP致动器的时间段太短(例如n＝1.0或n＝1.5)，则响应也可以加速，但其是不再是最佳的。另一方面，如果对EAP致动器施加过电压的时间段太长(例如n＝3.0或n＝5.0)，则EAP致动器过驱动，并且甚至花费比5τ的时段更长的时间来达到期望位置，因为现在需要校正过冲。请注意，这是机械过驱动，因此如果机械输出需要精确，这会令人不安。本发明可以防止这种机械过驱动。
然而，该机械过冲可以被有利地使用。例如，如果EAP致动器正被用作触觉用户接口的形式，则具有轻微过冲的响应可以增加交互的有效性，同时在稳态下保持接口的相对平滑的轮廓。
因此可以施加第一驱动电压，直到跨EAP致动器的有效电容的电压超过第二驱动电压预定量，使得电压随后下降回第二驱动电压。这样的预定量可以是例如50％、20％、10％、5％、2％、1％。
在这种情况下，(有意的)过冲之后还可以跟随有意的较低施加的电压的时段，以在初始故意过冲之后将从过冲的时间减少回到期望的稳态。以这种方式，例如可以存在触觉响应(尖峰)的增加感觉，但是响应时间减少。因此，较低的电压可以包括第三电压，所述第三电压低于第二电压，并且施加在第一和第二电压之间。
甚至在这种情况下，在期望结束电压处存在一致动时段，所述致动时段优选地具有等于或长于初始过驱动电压的持续时间的持续时间。因此，触觉接口仍然是低频操作。
这种低频操作(如上所述小于10Hz)远低于设备的共振频率行为。对于独立式设备或单边缘夹钳设备(具有约10mm的典型长度)，该共振频率通常在约40Hz至约60Hz的范围内，但对于夹钳在两个边缘上的***，该共振频率可以是200Hz至400Hz。共振频率将取决于设备的设计。
如从上述研究中可以看出的，通过在时间段内向EAP致动器施加比在稳态下达到所需位置所需的电压更高的电压，可以极大地改进EAP致动器的响应时间。
而且，已知所有聚合物(因此包括EAP)的最大适用电压或击穿电压是时间相关的。因此，EAP致动器可以在短时间段内抵抗更高的最大电压。因此，过驱动电压可以暂时增加到高于EAP设备的最大(长期)工作电压，而没有过早击穿的风险。在上面的范例中，EAP致动器的最大工作电压电平或幅度为250V，但在短时间段内，这些EAP致动器可承受更高的电压(在10-100ms范围内的时间段内达350V)。
用于过驱动的上述范例基于矩形脉冲形过驱动电压，其可以被认为是叠加在正常驱动电压上的矩形过电压。持续时间可以是可变的，并且可以与由EAP致动器本身定义的电时间常数相关。过驱动电压的电平或幅度也可以是可变的，并且由于过驱动脉冲的短性质，甚至能够超过EAP致动器的最大工作电压电平或幅度。
非矩形电压波形是可能的。例如，可以随时间降低过驱动电压的幅度。理想地，当达到EAP的所需位置时(即，如果达到了达到设想位置的所需电荷水平)，过驱动电压幅度将降低到标称操作电压。
EAP设备的加速行为以及瞬态响应可以受到施加到部件的信号的形状的影响。代替于将具有恒定电平或幅度的过驱动电压施加到EAP致动器，可以应用任何其他线性或非线性电压形式-具有任意形状。具体地，可以使用如多个逐步矩形脉冲(具有相同或不同的占空比)的波形，基于指数和对数的分布，或这些的组合。这包括逐步线性和非线性电压波形。
通常，电压/时间曲线下的积分面积超过稳态电压的积分面积，并且可以使用许多不同的波形形状。
过驱动可以应用于将致动器从较低致动状态(例如静止状态)切换到更致动状态或反之亦然。图9A示出了用于将致动器从与第一电压91相关联的第一致动状态切换到与第二电压97相关联的第二致动状态的范例驱动信号波形90。因此，首先，致动器以对应于低致动状态的第一电压91驱动。在这种情况下，电压91高于零伏，因为零伏处于电平92处，因此第一致动状态在这种情况下不是静止状态。在时间93处，过驱动时段94开始并且驱动信号电压通过电压变化96而增加到过驱动电压95，其中，该电压变化大于第二电压97和第一电压91之间的差异(差异被定义为电压97减去电压91)。注意，当电压差为正时，变化是正值。在过驱动时段94期间，过驱动电压保持在恒定电平处，以在时间98处降低到第二电压97。第二电压97在保持时段94”期间保持恒定。
在图9A的切换情况下，随着从致动器的较低电压状态到较高电压状态发生的切换，电压既为正且针对驱动而增加。然而，本发明以类似的方式用于相反的情况，其中，相同的致动器从较高的致动状态切换到较低的致动状态。
因此，图9B示出了用于将图9A的致动器从与第一电压91’相关联的第一致动状态切换到与第二电压97’相关联的第二致动状态的范例驱动信号波形90’。因此，首先，致动器以对应于高致动状态的第一电压91’驱动。在时间93’处，过驱动时段94’开始并且驱动信号电压通过电压变化96’而降低到过驱动电压95’，其中，该电压变化大于第二电压97’与第一电压91’之间的差异(差异被定义为电压97’减去电压91’)。请注意，由于电压电平之间的差异为负，因此变化为负值。在过驱动时段94’期间，过驱动电压保持在恒定电平处，以在时间98’处在其端部处增加到第二电压97’。保持电压97’在保持时段94”’期间保持恒定。
在极端情况下，过驱动电压95’甚至可以改变符号，使得施加负电压例如直到跨电容的电压接近第二电压的点。
过驱动方案可以用于增加位移的初始变化的斜率。因此，图3A和3B中的特定期望的致动水平32或图5A和5B中的52可以比没有过驱动更快地获得。而在图7和图8中，以及图9A和9B中，保持时段在第二电压处具有恒定值驱动信号，当使用本发明时，这样的第二电压将是在第二时段期间将发生电压电平降低到第二电压的中间电压。
图10示出了EAP结构的第一范例驱动方案100，其中，第一段100a中的初始过驱动脉冲之后的电压具有朝向段100b和100c期间的最终目标电压的形状减小。
驱动电压100具有三个段100、100b、100c以平衡EAP致动器的位移。第一段利用如上所述的过驱动电压100a。电压的过驱动使得EAP致动器能够快速充电，从而优化位移的速度直到第一电平103。该电压尖峰的持续时间通常与EAP的充电一致，并且例如小于0.5s，例如小于0.3秒，并且甚至可以小于0.1秒。其可以与关于等式2和6提到的特征充电时间相同或更少，并且通过使用其电参数调谐到所讨论的EAP。
第二段利用电压100b，电压100b线性地降低以补偿由非电弛豫效应引起的位移，例如，EAP中聚合物链的分子重新取向。现在得到的位移更多接近于以线106指示的期望水平。为了比较，回顾图3A和3B，如果没有以段100b和100c的形式使用补偿，则在段100b的开始处位移将继续增加，以在驱动信号100的端部处远远高于水平106。
例如，第二段(其是减少阶段的第一部分)具有0.5与5s之间的持续时间。第三段利用电压100c，电压100c线性地降低以补偿可以例如由EAP中微晶的分子重新取向引起的位移。(通常EAP材料是无定形基质，其中，聚合物的百分比在结晶域中组织)。
例如，第三段(其是减少阶段的第二部分)具有1和20s之间的持续时间。
降低阶段的第一部分具有比降低阶段的第二部分更大的电压降低速率。例如，第一部分具有2至20V/s的范围内的平均降低速率，第二部分具有1至10V/s的范围内的平均降低速率。第二阶段的降低速率例如小于第一阶段的降低速率的一半。
整个斜坡(在该范例中具有两个区段)直到最终电压(在该范例中为150V)通常持续至少2秒，例如至少5秒。
在图10中，驱动信号包括在0.05s(4600V/s斜率)内的初始230V矩形电压脉冲，并跃变降至180V，然后是第二区段100b中的从180V到170V的1.5s的斜坡下降，和在第三段100c中在8.5s内到150V的进一步斜坡下降。得到的位移响应如曲线102所示。组合斜坡部分的该结束电压可以被认为是第二电压。如在以上范例中，第二驱动电压较低适合于将电活性聚合物结构保持在致动状态。
在这三个驱动段之后，电压也可以恢复到在期望致动水平下与致动器的稳态致动电压一致的恒定电平-在该情况下为150V。
注意，驱动电压将根据EAP层的厚度被缩放。
注意，斜坡部分的最终电压可能不等于保持电压，因此在斜坡部分的端部处能够存在另一阶跃电压降。
斜坡部分100b的开始通常具有比保持致动的前10秒的期望终止电压高至少10％的开始电压。如果需要更长的保持时间，可以添加若干斜坡部分以补偿连续变形。例如，可以添加每十倍(100s-1000s-10000s)具有1-5％电压降低的斜坡以补偿正在进行的弛豫效应。
下表比较了图10的致动器响应与图3A的针对基本阶跃电压响应的过驱动的关键特征。
清楚地，针对相同最终电压的最大位移可以在更短得多的时间内实现(在该范例中大约更快10倍)并且位移响应比作为逐步电压的函数的响应更加稳定得多。
最终位移也高于致动循环结束时阶跃电压的最终位移。这还意味着可以降低致动期间EAP上的平均电压，以实现与10秒后的阶跃输入响应相同的最终位移。这有利于节省功率并延长EAP致动器的寿命两者。
上述电压段的持续时间以及所施加的电压可以具有不同的值，以区分机械致动效应。持续时间和电压通常将取决于EAP并且在某种程度上取决于所涉及的致动结构。可以校准EAP结构以确定用于实现期望效应的最佳值。校准期间获得的电压可以作为与定时相关的施加驱动信号的对存储在查找表中。然后，如果指示了特定的致动，则可以从表中检索并由驱动器使用过驱动“校正”驱动信号。
尽管上述方法利用了3个驱动段，但是也可以通过仅使用2个段实现具有合理的致动水平准确度的响应时间的改进。备选地，可以使用多于3个段来获得更多操作参数，例如当需要更长的致动时间时。
图11示出了具有三个段的驱动电压方案，即具有过驱动电压脉冲110a和单个线性衰变电压110b，这实现响应112，其不如响应102理想，但是对于应用而言可能足够好，其中，在其余的致动时段期间，快速响应比响应随时间的稳定性更重要。现在第二和第三段被组合成一个线性段。
相反，还可以通过向驱动信号添加更多段来优化驱动方案来改进电压响应。
定时段中的任何一个或多个中的电压可以是恒定的。备选地，其可以单调降低或以其他速率降低。该速率可以是恒定或非恒定的，例如渐进的。每段的电压的确切需要可以通过如本文之前指示的校准获得。这种校准例如将需要观察根据首先恒定驱动(电压或电流)信号的在具体定义的机械负载(可以是零负载，但也可以是有限力或压力负载)下随时间的机械行为，以确定在非校正驱动条件下的行为。然后，可以使用一个或多个分段改变(降低的驱动信号)实行类似的测量，以减少在第一次测量下观察到的致动状态变化。
在本文上面通过对图6A至6D的讨论已经给出了衰变的范例。
在另一个范例中，可以实施时间延迟的闭环控制。驱动方案可以例如以如上所述的高压过驱动信号开始。在该初始尖峰信号之后，位移(致动状态)传感器可用于在一定时间内测量响应位移(机械致动状态)并对应地调节EAP上的驱动信号(例如电压)以补偿时间延迟的致动状态位移效应。分离初始驱动信号(例如电压)尖峰和闭环操作具有允许相对低频反馈回路***的优点，这不需要提供初始驱动信号(例如电压)尖峰所需的快速响应时间。
在另一个范例中，可以实施连续闭环控制。驱动方案再次以(例如高压)过驱动信号开始，但闭环控制从开始被实施以调节驱动信号(例如电压)，以便尽快实现期望位置并保持稳定位移(即在一定带内)。反馈回路可以在单次致动期间逐渐减慢其工作频率，以降低驱动和控制电子器件的功耗。
很清楚，在以上所有范例中，响应的速度受高的过驱动信号(例如电压)的强烈影响。出于该原因，如果需要最大响应速度，则该信号应该被选择为尽可能接近致动器的最大允许信号(例如受限于可接受寿命的击穿信号)。如果仅需要相对小的致动的变化，例如如果最终稳态电压仅为几十伏，则情况也是如此。
然而，选择最大初始信号可能将使得准确和/或快速达到稳态致动更加复杂。因此，在准确度优先于速度的情况下，能够优选使用低于最大值的初始过驱动信号。
因此，尽管不需要达到第一致动状态，但是可以以上述方式使用大的初始峰值(过驱动)驱动电压，以快速驱动EAP结构(对由EAP材料和电极定义的电容器充电)并且优化位移的速度直至期望水平(例如水平103)。这然后在驱动方案中跟随有一个或多个段，其补偿EAP的延迟致动响应，所述响应与EAP致动器的典型电学或机械响应一致。这些段随时间使位移分布变平(使其更加恒定)。
图12示出了驱动器120被用于将驱动信号(在这种情况下再次是电压)施加到EAP致动器122。其还示出了在以上范例中的一些中使用的任选反馈路径124(机械、光学或电学)。
驱动器可以包括具有常规PCB和分立电学元件的电子电路。备选地，其可以是半导体实施的器件，例如本领域已知的IC。驱动器可以被配置为使用外部电源的切换设备，并且从其生成和/或切换针对电活性聚合物结构的功率信号。其还可以包括电源，诸如电压源或电流源。还可以存在用于控制驱动器的电路的计算机或CPU。驱动信号通常作为电压被提供给EAP结构的电极，使得其在它们之间生成电压差。诸如零伏的参考电压可用于将电极中的一个接地。计算机可以实施在驱动器中，但也可以远程连接(使用本领域已知的标准有线或无线连接)。存储(在任何已知类型的计算机存储器中)或运行在计算机上的软件可以存在，其具有使驱动器实施驱动的代码。该软件可以具有允许用户提供参数值的代码。该软件可以存储在计算机可读介质上，诸如本领域已知的电子存储器，例如RAM或ROM、FLASH、SD等，或磁性存储器，诸如HDD等，或光学存储器，诸如CD、DVD、蓝光等的等。备选地，软件可以通过如例如本领域已知的通信网络(诸如，3G或4G、LAN WAN、有线或无线网络)可操作或从其可下载。
包括存储器的CPU可以被定位于与包括致动器并因此包括EAP结构的另外的子设备分开的子设备中。因此，两个子设备都是根据本发明的设备的部分。然后还存在通信单元，例如位于子设备和另外的子设备中的有线或无线数据发送器和/或接收器，以允许CPU与驱动器通信，从而实施致动器的远程控制。子设备可以是任何种类的手持式控制设备，专用于应用或通用，诸如移动电话、可穿戴设备或类似设备。
由于EAP致动器机械响应不仅由其电性能定义(其他延迟和死区时间可以添加到电延迟)，因此所施加的过驱动电压电平和形状可以相关并适应于总延迟的组合。备选地，机械或光学反馈可以用于将机械响应与EAP致动器的电性能相关。
电子驱动器可以用于以期望的方式根据时间改变输出电压。这包括开环控制，例如使用过驱电压电平和幅度以及时隙长度的查找表。备选地，可以使用闭环控制，其具有基于反馈传感器的设置。反馈传感器可以提供电学、机械或光学反馈。
本发明具体涉及包括作为EAP结构的部分的EAP的EAP致动器的致动。因此，EAP结构包括EAP材料。这是可以在向EAP结构提供电信号时使EAP结构变形的材料。这样一来，EAP材料可以是包含具有一种或多种EAP的一种或多种基质材料或由其组成的混合物(均匀或非均匀)。例如，这可以是另外的聚合物基质材料中的EAP分散。另外的聚合物基质材料可以是网络聚合物，其允许由混合在或分散在基质网络内的EAP调用的变形。EAP材料可以分散在其中。弹性材料是这种网络的范例。优选地，这种复合EAP材料中EAP的量选自包括>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。EAP材料还可以包括在其分子中含有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。可以使用许多电活性聚合物，其中许多将在下面描述。
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和电致伸缩聚合物。尽管常规压电聚合物的机电性能有限，但是在改进这种性能方面的突破已经导致PVDF弛豫聚合物，其示出自发的电极化(场驱动对齐)。这些材料可以针对在应变方向上的改进的性能被预应变(预应变导致更好的分子对齐)。
场驱动EAP的另一个子类是介电弹性体的子类。该材料的薄膜可以夹在柔性电极之间，形成电容器，诸如平行板电容器。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展。通常通过预应变弹性体(需要框架来保持预应变)来扩大应变性能。应变能够为相当大(10-300％)。对于该类材料，电极优选直接机械连接或利用中间材料层机械连接到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％)内，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。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，对于具有低和中等应变的介电材料，可以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的第一值得注意的子类是离子聚合物金属复合物(IPMC)。IPMC包括层压在两个薄金属或基于碳的电极之间的溶剂膨胀离子交换膜并且需要电解质的使用。典型电极材料是Pt、Gd、CNT、CP、Pd。典型电解质是基于Li+和Na+水的溶液。当场被施加时，阳离子通常与水一起行进到阴极侧。这导致亲水团簇的重新组织和聚合物膨胀。阴极区中的应变导致聚合物基体的剩余部分中的应变，从而导致朝向阳极的弯曲。反转施加电压使弯曲反转。公知的聚合物膜是和
离子聚合物的另一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由两层共轭聚合物夹住的电解质。电解质被用于改变氧化状态。当电势通过电解质被施加到聚合物时，电子被添加到聚合物或从聚合物移除，从而驱动氧化和还原。还原导致扩展中的收缩、氧化。
在一些情况下，当聚合物自身缺乏足够的导电性(逐尺寸)时，添加薄膜电极。电解质可以是液体、凝胶或固体材料(即，高分子重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)。
致动器还可以由电解质中悬浮的碳纳米管(CNT)形成。电解质形成具有纳米管的双层，从而允许电荷的注射。该双层电荷注射被认为是CNT致动器中的主要机构。CNT充当具有注射到CNT中的电荷的电极电容器，其然后通过由电解质到CNT表面的移动形成的电学双层平衡。改变碳原子上的电荷导致C-C键长度的改变。结果，可以观察单个CNT的扩展和收缩。
关于以上材料并且更详细地，电活性聚合物因此可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、离子凝胶和聚合物凝胶。
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-TiFE)、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。
子类介电弹性体包括但不限于：丙烯酸酯、聚氨酯、硅树脂。
子类共轭聚合物包括但不限于：
聚吡咯、聚3，4-乙撑二氧噻吩、聚对亚苯硫醚、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)是在施加电压或电场下显示人造肌肉行为的合成复合纳米材料。
更详细地，IPMC包括如Nafion或Flemion的离子聚合物，其表面被化学电镀或物理涂覆有导体，诸如铂或金或基于碳的电极。在施加电压下，由于跨IPMC的条带的施加电压的离子迁移和重新分布导致弯曲的变形。聚合物是溶剂膨胀离子交换聚合物膜。场使得阳离子与水一起行进到阴极侧。这导致亲水团簇的重新组织和聚合物膨胀。阴极区中的应变导致聚合物基体的剩余部分中的应变，从而导致朝向阳极的弯曲。反转施加电压使弯曲反向。
EAP结构的电极可以具有许多配置，每个配置具有特定的优点和效应。
如果电镀电极以非对称配置布置，则施加的信号(例如电压)可以引起所有种类的变形，例如EAP结构的扭曲、滚动、扭转、转动和非对称弯曲变形。
在所有这些范例中，可以提供额外的被动层，以用于响应于施加的电场或电流而影响EAP材料层的电学和/或机械行为。
每个单元的EAP材料层可以夹在电极之间。备选地，电极可以位于EAP材料的相同侧。在任一种情况下，电极可以直接物理附接到EAP材料，而没有在它们之间的任何(被动)层，或间接地在其间具有额外的(被动)层。但并不需要总是如此。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，只要电极可以向EAP提供电场，EAP附近的电极就足够了，电活性聚合物结构将具有其致动功能。电极可以是可伸缩的，使得其跟随EAP材料层的变形。适于电极的材料也是已知的，并且可以从包括以下各项的组中选择：薄金属膜，诸如金、铜或铝；或有机导体，诸如碳黑、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，诸如金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，例如使用铝涂层。
本发明可以应用于许多EAP，包括致动器矩阵阵列为感兴趣的范例。
在许多应用中，产品的主要功能依赖于人体组织的(局部)操纵，或组织接触界面的致动。在这样的应用中，EAP致动器例如提供独特的益处，主要是因为小的形状因子、灵活性和高能量密度。因此可以容易地集成在软3D形状和/或微型产品和接口中。这样的应用的范例如下：
皮肤美容治疗，诸如皮肤致动设备，其采取基于响应性聚合物的皮肤片块的形式，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，其具有基于响应性聚合物的活性垫或密封，以向皮肤提供交替的常压，这减少或防止面部红斑；
带有自适应剃须刀头部的电动剃须刀。可以使用响应性聚合物致动器调节皮肤接触表面的高度，以影响紧密度和刺激性之间的平衡；
口腔清洁设备，诸如带有动态喷嘴致动器的气针，以改进喷雾的范围，尤其是在牙齿之间的空间中。备选地，可以为牙刷提供激活的簇；
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响应性聚合物换能器的阵列提供局部触觉反馈；
导管，其具有可操纵的尖端以实现在曲折的血管中的轻松导航。
受益于这种致动器的另一类别的相关应用涉及光的修改。通过使用这些致动器进行形状或位置调整，可以使诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件自适应。例如，EAP的一个益处是更低的功耗。
通过研究附图、公开内容和权利要求，本领域技术人员在实践请求保护的发明时可以理解和实现所公开实施例的其他变型。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。尽管在相互不同的从属权利要求中记载了特定措施，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不应被解释为对范围的限制。

Claims (16)

1.一种驱动致动器的方法，所述致动器包括电活性聚合物结构以采用至少第一致动状态和不同于所述第一致动状态的第二致动状态，所述第一致动状态具有与所述第一致动状态相关联的第一驱动电平，并且所述第二致动状态具有与所述第二致动状态相关联的第二驱动电平，所述方法包括：
-将具有驱动信号电平的驱动信号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，
其中，所述驱动信号包括：
-第一时段，在所述第一时段中，所述驱动信号电平从所述第一电平改变为超过所述第二电平的中间电平，并且
-所述第一时段之后的第二时段，在所述第二时段中，所述驱动信号电平从所述中间电平降低到所述第二电平。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述第二时段之后，所述驱动信号电平恒定在所述第二电平处。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述中间电平比所述第二电平高至少5％或者至少10％或者至少20％，并且所述第二时段等于或长于0.5秒。
4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中：
-所述电活性聚合物结构包括用于接收所述驱动信号的电极装置，所述电极装置定义具有与电阻串联连接的电容的电容器，所述电容与所述电阻的乘积定义用于在所述第一时段期间对所述电容器充电的特征时间常数，并且
-其中，所述第一时段等于或长于因子与所述特征时间常数的乘积，其中，所述因子被选择形成包括以下项的组：2、5、10、20、50、100。
5.如任一前述权利要求所述的方法，其中，在所述第二时段的至少部分期间所述驱动信号电平以连续或逐步的方式随时间(90c)降低。
6.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在所述第二时段期间，所述驱动信号电平随着具有不同平均降低速率的第一部分(90b)和随后的第二部分(90c)随时间降低。
7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在整个第二时段、所述第一部分和所述第二部分中的一个或多个期间所述驱动信号的降低速率是：
-随时间恒定，或者
-随时间降低。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述第一部分(90b)具有0.5秒与5秒之间的持续时间，并且所述第二部分(90c)具有超过1秒的持续时间。
9.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在所述第一时段的至少部分期间所述驱动信号包括过驱动电平，其中，所述过驱动电平与所述第一电平之间的电平差超过所述中间电平与所述第一电平之间的电平差。
10.如权利要求9所述的方法，其中：
-所述电活性聚合物结构包括用于接收所述驱动信号的电极装置，所述电极装置定义具有电容的电容器，并且
-在所述过驱动电平的施加期间跨所述电容的电平处于所述第二电平处或者低于所述第二电平。
11.一种包括计算机可读代码的计算机编程产品，所述计算机可读代码被存储在或者能够存储在计算机可读介质上或者能够从通信网络下载，所述代码当在计算机上运行时能够使驱动器实施方法1至10中的任一项的步骤。
12.一种设备，包括：
-致动器，其包括电活性聚合物结构以采用至少第一致动状态和不同于所述第一致动状态的第二致动状态，所述第一致动状态具有与所述第一致动状态相关联的第一驱动电平，并且所述第二致动状态具有与所述第二致动状态相关联的第二驱动电平，以及
-驱动器，其适于将具有驱动信号电平的驱动信号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，其中，所述驱动信号包括：
-第一时段，在所述第一时段中，所述驱动信号电平从所述第一电平改变为超过所述第二电平的中间电平，并且
-所述第一时段之后的第二时段，在所述第二时段中，所述驱动信号电平从所述中间电平降低到所述第二电平。
13.如权利要求12所述的设备，其中：
-所述电活性聚合物结构包括用于接收所述驱动信号的电极装置，所述电极装置定义具有电容的电容器，并且
-在所述第一时段的至少部分期间所述驱动信号包括过驱动电平，其中，所述过驱动电平与所述第一电平之间的电平差超过所述中间电平与所述第一电平之间的电平差，并且跨所述电容的电平在所述过驱动电平的施加期间处于所述第二电平处或者低于所述第二电平。
14.如权利要求12所述的设备，其中，所述设备包括存储如权利要求11所述的计算机程序产品的存储器。
15.如任一前述权利要求所述的设备，还包括反馈***(104)，所述反馈***用于控制所述第二时段期间所述驱动信号的持续时间、幅度和/或形状。
16.如权利要求15所述的设备，其中，所述反馈***包括位移传感器或者闭环驱动器控制器，以用于调节所述驱动信号电平。
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