CN110574178A - 电活性材料致动器及驱动方法 - Google Patents

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Abstract

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

Description

电活性材料致动器及驱动方法
技术领域
本发明涉及电活性材料(EAM)致动器和驱动EAM致动器的方法。
背景技术
电活性材料(EAP)是电响应材料领域中的一类材料。当在致动装置中实施时，使EAM经受电驱动信号可使它们的尺寸和/或形状发生变化。该效应可以用于致动和感测目的。存在无机和有机EAM。一种特殊的有机EAM是电活性聚合物(EAP)。
电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP可以作为传感器或致动器使用，并且可以容易地制造成各种形状，允许容易地集成到各种***中。
已经研究出具有诸如致动应力和应变等特性的材料，其在过去的十年中已经显著改善。技术风险已经降低到产品开发的可接受水平，使得EAP在商业和技术上变得越来越感兴趣。EAP的优势包括低功耗、小的形状因子、灵活性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间和循环致动。
EAP材料的改进性能和特殊优势使其适用于新的应用。
基于电致动，EAP设备可用于需要少量移动部件或特征的任何应用中。类似地，所述技术可以用于感测小的移动。
EAP的使用实现了之前不可能实现的功能，或者提供了相对于常规传感器/致动器解决方案的大的优势，这是由于与普通致动器相比在小体积或薄形状因子中相对大的变形和力的组合。EAP还提供无噪声操作，精确的电子控制，快速响应以及大范围的可能驱动频率，例如0-1MHz，最典型地低于20kHz。
使用电活性聚合物的器件可以细分为场驱动的和离子驱动的材料。
场驱动EAP的范例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(例如基于PVDF的弛豫聚合物)和介电弹性体。其他范例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、电子驻极体、电粘弹性弹性体和液晶弹性体。
离子驱动的EAP的范例包括共轭/导电聚合物，离子聚合物金属复合物(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其他范例包括离子聚合物凝胶。
本发明尤其涉及场驱动的电活性材料致动器。
场驱动的EAP通过直接机电耦合的电场来致动。它们通常需要高的场(伏特/米)但是低的电流。聚合物层通常很薄，以保持驱动电压尽可能低。离子EAP通过电诱导的离子和/或溶剂的传输而致动。它们通常需要低的电压但是高的电流。它们需要液体/凝胶电解质介质(但是一些材料***也可以使用固体电解质)。
EAP的两个类别都有多个族成员，每个族都有自己的优点和缺点。
场驱动EAP的第一个值得注意的子类是压电和电致伸缩聚合物。虽然传统压电聚合物的机电性能有限，但是在改善这种性能方面的突破导向了PVDF弛豫聚合物，其示出自发的电极化(场驱动的对齐)。可以对这些材料进行预应变以在应变方向上改善性能(预应变导致更好的分子对齐)。通常，使用金属电极，因为应变通常处于中等范围(1-5％)。也可以使用其他类型的电极(例如导电聚合物，炭黑基油，凝胶或弹性体等)。电极可以是连续的或分段的。
场驱动的EAP的另一个感兴趣的子类是介电弹性体。这种材料的薄膜可以夹在柔性电极之间，形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下，由施加的电场引起的麦克斯韦应力导致膜上的应力，使其在厚度上收缩并在面积上扩张。通常通过预应变弹性体(需要框架来保持预应变)来放大应变性能。应变可能是可观的(10-300％)。这也限制了可以使用的电极类型：对于低应变和中等应变，可以考虑金属电极和导电聚合物电极，对于高应变范围，通常使用炭黑基油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。
在一些情况下，当聚合物本身缺乏足够的导电性(尺寸方向)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)。
致动器也可以由悬浮在电解质中的碳纳米管(CNT)形成。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，其中电荷注入CNT，然后通过电解质移动到CNT表面形成的电双层而平衡。改变碳原子上的电荷会导致CC键长的变化。结果，可以观察到单个CNT的膨胀和收缩。
图1和图2示出了EAP设备的两种可能的操作模式。
该设备包括电活性聚合物层14，所述电活性聚合物层14夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间。
图1示出了未夹紧的设备。如图所示，使用电压来使电活性聚合物层在所有方向上扩张。
图2示出了被设计为使得扩张仅在一个方向上出现的设备。该设备由载体层16支撑。使用电压来使电活性聚合物层弯曲或弯转。
可以认为电极、电活性聚合物层和载体一起构成整个电活性聚合物结构。
例如，所述运动的性质源自在被致动时扩张的主动层与被动载体层之间的相互作用。为了获得如图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。
在一个方向上的扩张可能由EAP聚合物的不对称性引起，或者可能由载体层的性质中的不对称或两者的组合引起。
如上所述的电活性聚合物结构可用于致动和感测。最突出的感测机制基于力测量和应变检测。例如，介电弹性体可以通过外力容易地拉伸。通过在传感器上施加低电压，可以将应变测量为电压的函数(电压是面积的函数)。
用场驱动***进行感测的另一种方法是直接测量电容变化或测量作为应变的函数的电极电阻的变化。
压电和电致伸缩聚合物传感器可响应于所施加的机械应力而生成电荷(假设结晶度足够高以生成可检测的电荷)。共轭聚合物可以利用压电离子效应(机械应力导致影响离子)。当暴露于可以测量的应力时，CNT经历CNT表面上的电荷变化。还已经表明，当与气态分子(例如O2，NO2)接触时，CNT的电阻发生变化，使得CNT可用作气体检测器。
在激活EAP致动器时，会发生由电容行为引起的特定时间延迟。近似地，EAP响应遵循非线性指数函数，所述函数基本上与电容器的充电曲线非常相似。
为了达到EAP的特定位置，所述电容电荷也需要达到相应的水平。在时间常数τ的特定倍数之后达到这种充电水平。通常，在5τ的持续时间后，将达到最大伸展距离(或终点位置)。对于需要快速响应且延迟时间有限或需要较高操作频率的应用，此行为可能是不利的，并且会阻碍EAP的使用。
电活性聚合物(EAP)可以用于可能存在不同精度要求的几种应用中。例如，如果用作简单的触觉反馈设备，EAP如何反应就不重要了。它只要反应并且因此给出了反馈可能就足够了。但是，在某些应用中可能需要非常高的精度，在这种情况下，需要非常准确地对EAP进行去激活或者部分去激活。在这种情况下，理想的是需要阶梯状的机械变形。例如，如果将EAP用作通断开关，情况就是这样。根据输入信号，EAP需要将其机械状态从第一(激活)状态更改为第二(去激活或部分去激活)状态。替代地，存在如下的应用：其中，例如在诸如导管的转向设备中需要无抖动的致动。
但是，对于某些EAP，已经观察到非常特定的行为。如果通过矩形驱动电压进行操作，则机械变形(去激活)将显示出非常强的振荡性能，如图3中所呈现。
上图示出了驱动电压与时间的关系，下图示出了机械响应与时间的关系。这在某些应用中可能导致严重的问题，例如需要提供非常精确的开关状态的应用中。通常，定义一个阈值以在关闭状态与打开状态之间进行分隔。如果设备在该阈值附近振荡，则开关状态未定义，开关本身将抖动。对于转向应用，问题在于转向方向不确定(并且在一些点不正确)。因此，如果可以尽快将EAP去激活，但在去激活阶段没有任何振荡，将是非常有益的。
Xiang,X.,Alici,G.,Mutlu,R.,&Li,W.(2014)的文章"How the type ofinputfunction affects the dynamic response of conducting polymer actuators"Smart Materials and Structures,23,11，公开了一种在最小化电耗的同时提高导电聚合物致动器的指令跟随能力的方法。已经发现，与锐利输入(例如具有不连续的高阶导数的阶跃输入)相比，平滑输入消耗的电能更少。这项工作涉及响应缓慢的电流驱动(离子)致动器，对于其，在激活阶段期间产生振荡。此外，未解决去激活阶段期间的振荡。
如上所述，本发明特别涉及场驱动的电活性聚合物致动器。它们能够在高频下响应，因此发现遭受振荡问题。
发明内容
本发明由权利要求所定义。
根据本发明的一个方面的示例，提供了一种场驱动电活性材料致动器，其包括：
电活性材料结构；以及
用于向电活性材料结构提供致动电压的驱动器，其中，所述驱动器适于：
通过过渡函数的方式将致动电压从第一电压水平驱动到第二电压水平，所述第二电压水平低于所述第一电压水平，所述过渡函数在过渡时间内发生，其中，所述过渡函数包括平滑函数，其中，所述过渡时间为至少为0.5ms。
该布置用于低频电压驱动的EAP致动器。不是使用单个阶跃函数在第一电压和第二电压之间进行转换，而是使用包括平滑函数并且在至少0.5ms的时间内发生的过渡函数。以这种方式，可以防止致动器的机械振荡，同时对于特定的EAP技术而言保持尽可能短的去激活时段。
特别地，驱动器最优选地适于将致动电压从第一电压水平驱动到第二电压水平，所述第二电压水平低于所述第一电压水平并且位于所述第一水平与零之间。
根据这组优选的实施例，本发明尤其涉及其中通过将驱动电压降低到第一水平与零之间的水平来部分地对电活性材料致动器进行去激活以便达到较低的致动水平的情况。在这种情况下，振荡问题最为严重。为了解释，如果EAP被完全去激活，则所施加的电压将被断开，因此EAP将通过其内部并联电阻缓慢放电，并最终返回其初始位置。但是，如果EAP被部分地去激活，使得达到在第一水平与零之间较低的致动水平，则EAP将通过驱动电路的输出电阻放电，所述电阻通常远低于EAP本身的内部并联电阻。通过使用过渡函数移动到包括平滑函数并在至少0.5ms的时间内发生的第二电压水平，可以基本上避免这种情况下的振荡。
可以选择平滑函数的特定梯度和形状，以在振荡抑制和响应速度之间找到最佳折衷方案。
在一个实施例中，所述平滑函数包括以下至少之一：斜变函数；抛物线函数；以及指数函数。
为了减少和/或消除在去激活阶段由EAP生成的振荡，平滑函数的斜率以及过渡函数的斜率应尽可能浅。可以实现这一点的最简单方法是采用类似斜变的响应，从第一电压水平开始，以单条直线终止于第二电压水平。因此，斜变函数在至少0.5ms的时间内发生。在这种情况下，整个过渡时间与平滑函数有关。
过渡时间可以是至少1.0ms或至少2.0ms或至少5.0ms。
对于平滑函数，也可以考虑其他形状，例如抛物线函数和指数函数。特别地，指数波形易于在电子***中通过包含电容器来实现。另外，可以组合波形形状以形成平滑函数。例如，在总过渡时间的第一时间范围内，可以使用斜变，然后可以在第二时间帧内跟随其后的是指数函数或抛物线函数。
在一些实施例中，平滑函数被近似为一组离散的点。
在其他实施例中，平滑函数还包括离散的点之间的内插数据点。
可以通过逐步逼近来实现选择用于管理EAP的去激活过渡的平滑函数。例如，可以使用具有或不具有任何内插中间值的阶跃函数，其中，选择阶跃以将任何振荡减少到合理的数量。插值可以恰好在平滑函数的相应点上或附近。
在一些设计中，过渡函数还包括以下至少之一：第一阶跃函数，其在所述第一电压水平与所述平滑函数之间；第二阶跃函数，其在所述平滑函数与第二电压水平之间。
以此方式，可以增加过渡函数的速度，同时防止过度的振荡。
在一种布置中，致动器还包括适于检测电活性材料结构的振荡的反馈***。
在另一种布置中，所述反馈***包括以下至少之一：机械传感器；以及电传感器。
在又一布置中，驱动器适于在由反馈***检测到的振荡高于阈值的情况下改变驱动电压。
用于检测致动器振荡的机械传感器可能包括：PVDF箔；应变仪；光学距离/偏转传感器；或任何其他能够检测致动器机械振荡的外部传感器。
电传感器可以适于检测致动器的驱动信号/电流中的振荡变化，以便识别机械振荡。一个简单的实现方式是将小的电阻与致动器串联。
由于传感器只能检测到现有的振荡，因此包含了“允许”振荡水平的阈值。如果超过阈值，则相应地调整驱动信号。
在一些实施例中，过渡函数还包括抗振荡函数，所述抗振荡函数具有与电活性材料结构的振荡相同的频率。
给定EAP致动器的机械振荡取决于其设计，例如其形式、大小和形状、其负载条件和去激活要求。因此，对于具有已知振荡的致动器，可以生成特定的过渡信号，例如初始阶跃函数，然后是dc偏置的抗振荡函数。为了相消地干涉致动器的振荡，抗振荡函数的频率需要与致动器的振荡频率匹配。
在另外的实施例中，抗振荡函数相对于电活性材料结构的振荡具有在170°与190°之间的相移。
这种幅度的相移允许抗振荡函数实现对致动器振荡的完全相消干涉。
在一个实施例中，所述驱动器包括存储器，所述存储器适于存储用于驱动致动电压的预定值的查找表。
以此方式，驱动器可以快速可靠地使用过渡和平滑函数，以减少和/或消除由于计划的EAP致动器去激活而引起的振荡。
在一种布置中，所述致动器还包括微控制器。
根据本发明的一个方面的示例，提供了一种用于驱动场驱动电活性材料致动器的方法，所述方法包括：
为电活性材料结构提供致动电压；以及
通过过渡函数的方式将致动电压从第一电压水平驱动到第二电压水平，所述第二电压水平低于所述第一电压，所述过渡函数在过渡时间内发生，其中，所述过渡函数包括平滑函数，其中，所述过渡时间为至少为0.5ms。
优选地，所述第二电压水平在第一水平与零之间。
在一个实施例中，所述方法还包括将平滑函数近似为一组离散的点。
在另一个实施例中，所述方法还包括在离散的点之间***数据点。
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，其不受约束并且因此在平面上扩张；
图2示出了已知的EAP致动器，其被约束并且因此使平面的输出变形；
图3示出了常规驱动方案的波形以及致动器对驱动波形的响应；
图4示出了根据若干实施例的驱动方案的各种波形以及致动器的相关联的机械响应；
图5示出了图4中的致动器的机械响应的更详细的视图；
图6示出了图4的波形以及先前已经广泛使用的致动器的相关联的机械响应；
图7示出了图6中的致动器的机械响应的更详细的视图；
图8示出了根据实施例的驱动方案的波形；
图9为波形如何阶跃或接近而不是平滑；
图10示出了包括抗振荡函数的驱动方案的波形；
图11和图12示出了用于确定致动器的振荡频率的方法；
图13示出了用于EAP结构的示例驱动器与用于检测EAP结构的振荡的反馈***的组合；并且
图14示出了驱动场驱动电活性材料致动器的方法的框图。
具体实施方式
本发明提供了一种由驱动电压驱动的场驱动电活性材料驱动器。所述驱动器适于将致动电压从第一电压水平驱动到第二电压水平，其中，第二电压水平通过过渡函数的方式低于第一电压水平，所述过渡函数在过渡时间内发生。所述过渡函数包括平滑函数。所述过渡时间为至少0.5ms。
通常，EAP由驱动电路控制，所述驱动电路提供操作部件所需的电压。如果激活了EAP，则驱动器通常会生成具有一定幅度的步进dc电压，以将EAP置于期望的位置。由于电子驱动电路不是理想的(例如，它们始终具有内部电阻)，因此致动响应不仅取决于EAP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。
然后，EAP致动器根据其电荷开始变形，这再次取决于所施加的电压幅度。如果EAP被全去激活，则所施加的电压将被断开，因此EAP将通过其内部并联电阻缓慢放电，并最终返回其初始位置。如果EAP被部分地去激活，从而达到较低的驱动水平，则驱动电压被降低。在这种情况下，EAP将通过驱动电路的输出阻抗放电，所述阻抗通常远低于EAP本身的内部并联电阻。
问题在于电压的阶跃下降会引起机械振荡。特别地，申请人在实验研究期间观察到，由矩形电压操作的电压(场)驱动的EAP在去激活阶段显示出强烈的振荡，而正弦操作不会造成这些振荡。发现去激活阶段期间的振荡是由控制(致动)电压的突然变化引起的。在数学上，这可以描述为斜率或电压导数dv/dt。
如果该斜率超过阈值，则发现出现振荡。如果通过提供遵循一组合适的数学平滑函数中的一个的过渡函数来限制斜率，则可以减少这些振荡，或者甚至可以完全消除或几乎完全消除这些振荡。协助提供EAP的非振荡去激活的另一措施是去激活阶段与最终稳态之间的平稳过渡。同样，工作电压中的较大步进可能会导致振荡。因此，在该过渡处的电压幅度的变化也应受到限制。例如，在去激活阶段和最终稳态位置之间的过渡点，斜率或电压导数dv/dt可能很小或为零。
为了确定用于去激活过渡最合适的数学平滑函数，已使用标准电压驱动EAP致动器进行了各种测量。
表1可能的平滑函数
表1中给出的示例性平滑函数仅限于迫使EAP将致动状态从初始状态更改为较低状态的时间。在数学上，对应的时间t被限制为：t0<t≤t1，其中，t0是去激活开始的时间点，并且t1是过渡应该结束的时间点。通常，这是EAP应该达到其新驱动水平的时间点。此外，v0是t0处的实际电压，并且v1是t1处的所需电压。
图4的顶部曲线图20示出了六个过渡函数，以电压V对时间t的形式绘制，其中，每个函数包括具有不同梯度的类似斜变的平滑函数。从200V的第一电压水平到100V的第二电压水平发生过渡。相关的振荡EAP响应在下部曲线图22中绘制为相对于时间的偏差d。过渡函数24是覆盖第一电压水平和第二电压水平之间的整个过渡的函数。在一些情况下，平滑函数可能会占据整个过渡函数，如图4所示。相反，在其他情况下，平滑函数可能仅占据过渡函数的一部分，如以下进一步所示。
顶部曲线图20的最左边的过渡函数30示出了通常在常规EAP致动器***中使用的先前讨论的阶跃函数。在这种情况下，过渡函数的理论梯度是无限负的，这意味着过渡时间在理论上是无限小的，从而导致较大的振荡，如下部曲线图22的最左边的信号31所示。下表显示了每个过渡中使用的近似梯度，以及底部曲线图22中的对应的绘图。
表2研究的斜率
函数 近似斜率(V/s) 机械响应绘图
30 -∞(理论上) 31
32 -1280 33
34 -640 35
36 -320 37
38 -160 39
40 -80 41
从下部曲线图22可以容易地看出，过渡梯度的绝对值的减小，以及过渡时间的增加，导致在EAP中观察到的振幅和振荡次数的显著减小。
如上表所示，绝对梯度可以例如小于2kV/s，例如小于20kV/s，例如小于200kV/s。通过使过渡比真正的阶跃函数浅，可以减少或避免振荡。例如，从200V到零的转换可能会在1ms或更长时间内发生。
图5示出了图4的下部曲线图22的更详细的视图。可以看出，对于所有研究的斜率，几乎完全消除了振荡。然而，也可以观察到，具有最低的绝对梯度41的过渡函数导致延迟的响应，这意味着到达目标致动点的时间比期望的晚一些，并且可能进一步导致小的偏移。通过驱动到比示例性的v1＝100V稍低的电压，可以避免这种偏移。
这样的校正可以由驱动器例如存储在查找表中。通过增加过渡函数的绝对梯度，从而减少过渡时间，可以减少偏移量和延迟。对于此特定EAP，具有约-1280V/s的梯度的过渡函数32最接近原始响应，但是具有严重降低的振荡33。该梯度导致大约0.8ms的过渡时间。过渡时间可以进一步减少；但是，将过渡时间降低到0.5ms以下可能增加产生振荡的风险。
图6在曲线图52中示出了在曲线图50上绘制的图4的五个过渡函数在已被广泛使用的EAP上的机械响应。五个函数分别是上面表2中定义的30、34、36、38和40。某些EAP的行为可能取决于其历史记录，这意味着EAP过去的操作/驱动可能会对实际性能产生影响。另外，随着时间的推移的劣化可能会对机械变形产生强烈的影响。除此之外，机械(去激活)响应可能还取决于所需的致动水平本身。更具体地，机械响应可以取决于目标致动水平在EAP的中间区域中是接近最大值还是接近于EAP的最小致动水平。这是导致EAP设备的激活和去激活机制的结果，例如：压电效应；电容效应；偶极效应；以及微晶排序；并且这些机制会在不同的电压范围和不同的电压变化率下激活。具体而言，某些机制(例如偶极子和压电机制)具有非常快的响应时间，而其他机制(例如微晶有序)则很慢并且因此非常依赖于使用历史。当电压升高、降低或完全消除时，机制的行为也有所不同。
与图4和5所示的第一组测量相反，图6和7所示的第二组测量呈现了另一个EAP的性能，所述EAP已经使用了几个小时，并且在各种驱动条件下使用。图6下部曲线图52的最左侧信号60示出了常规阶跃函数30下EAP的行为。将此与表示未使用的EAP的图4和5的对应信号31进行比较，可以观察到机械响应的明显差异。尽管在第一种情况下，所需的驱动水平通过指数衰减而缓慢达到，在缓慢的局部增加后达到第二个EAP的最终驱动水平。在这两种情况下，都可以观察到响应于阶梯状转变函数30的振荡。
图7示出了图6的下部曲线图52的详细的视图。如在图5的情况下，具有最低的绝对梯度62的过渡函数导致延迟的响应和从目标致动点的小的偏移。再次发现，大约0.8毫秒的过渡时间导致了响应时间与观察到的振荡次数之间的理想平衡。
如上所述，平滑函数可以采用表1中所示的多种不同形状或多种形状的组合。为了减少或防止振荡，可以包括一个或多个平滑时间的过渡时间应至少为0.5ms。
图8示出了过渡函数70的实施例，其包括平滑函数72，其被绘制为相对于时间步长ts的归一化电压Vnorm。过渡函数还包括在第一电压水平与平滑函数之间的第一阶跃函数74，以及在平滑函数与第二电压水平之间的第二阶跃函数76。以这种方式，可以加速去激活过渡，而同时减少或防止振荡。
图9示出了过渡函数80，其包括由虚线示出的指数平滑函数82。在不能完美地再现指数函数的情况下，可以通过逐步逼近来实现平滑函数，例如实线84所示的具有插值的阶跃函数，或虚线86所示的无插值的阶跃函数。插值可以恰好在平滑函数的相应点上或附近。通过执行对平滑函数的这种近似，可以降低驱动EAP的驱动电压所需的处理能力和/或***的复杂性。
图10示出了响应于常规阶跃转移函数的、关于致动器的偏转轴线d的机械振荡90。另外，所述图描绘了关于电压轴V的示例性过渡函数92，其包括抗振荡函数94。
如上所述，观察到的特定EAP的振荡取决于其设计，负载条件和(去)激活要求。因此，对于具有已知振荡的致动器，可以生成特定的去激活信号。例如，可以首先使用阶梯式响应，然后使用dc偏置的抗振荡函数94。抗振荡函数需要具有与机械振荡相同的频率，但是为了获得相消干涉，其在相位上被移位约180°。更具体地说，为了主动地补偿机械振荡，需要调整相移，以使驱动信号的领先略小于180°。
由于振荡频率取决于EAP几何形状、钳位、历史和驱动电压，因此有必要在去激活发生之前确定确切的振荡频率，以实现最有效的抗振荡函数。EAP的典型振荡频率的电测量可用于确定抗振荡幅值。这消除了针对对EAP振荡幅度的反馈的需要，例如通过使用一个额外的传感器。
EAP的振荡频率可以通过在主驱动电压的顶部驱动小的AC电压信号来确定。这个小的AC电压信号足够小，以避免给EAP增加额外的机械变形，但是仍然可以用电子方式进行测量。通常，小的交流电压信号将小于主致动电压的1％。
图11和12示出了，如曲线95所示，由于驱动电压而引起的EAP的偏折，以及如曲线96所示的通过在一定频率范围内驱动的小型AC电压测量的EAP的阻抗。阻抗的虚部(由Theta标度表示)取决于振荡频率，如图11所示。通过取阻抗的二阶导数，在图12示出为曲线图98，振荡频率的位置可以容易地根据反谐振频率far确定，具有10％的典型准确度。在这种情况下，阈值可以设置为-1。实际上，阻尼机电***(例如EAPS)中的***振频率通常比共振频率高10％。因此，抗振荡函数的更精确的驱动频率为0.9*far。
图13示出了用于使用驱动器100将驱动电压施加到EAP结构102。它还示出了任选的反馈***104，其可以包括机械、光学和/或电传感器。反馈***可以允许驱动器100改变EAP的驱动电压，以便补偿所检测到的任何振荡。由于反馈***仅能够检测现有的振荡，因此这可能无法防止振荡。这样，可能需要包括允许的振荡阈值，在该阈值之上，驱动器适于开始振荡补偿。
为了生成所需的过渡函数，可以使用几种实现方式。在某些情况下，可以使用基本的模拟电路，例如使用电容器来生成指数平滑函数。此外，数字微控制器可以计算过渡函数所需的模拟数据点，然后可以通过任何常规的功率放大器解决方案对其进行放大。
更进一步地，可以实施查找表方法。预先计算所有必需的数据点并将其保存在驱动器或其他合适的控制设备的内存中。然后可以根据时间读取数字或模拟数据点。
图14示出了本发明的方法110。
在步骤112中，向EAP结构提供致动电压。
在步骤114中，可以将平滑函数近似为一组离散的点。
在步骤116中，可以在离散数据点之间插值数据点，以便更好地近似原始平滑函数。
在步骤118中，将致动电压从第一电压水平驱动到第二电压水平，其中，通过过渡函数的方式，所述第一电压水平高于所述第二电压水平，所述过渡函数在过渡时间内发生。过渡函数至少部分地包括平滑函数，其中，过渡时间为至少0.5ms。
本发明尤其涉及EAP致动器的致动。但是，它可以用于EAP设备既执行传感功能又执行运行功能的应用中。
尽管在上文的详细描述中，已经针对EAP描述了根据本发明的设备和***的构造和操作，但是本发明实际上可以用于基于其他种类的EAM材料的设备。因此，除非另有说明，否则上述EAP材料可用其他EAM材料代替。这样的其他EAM材料在本领域中是已知的，并且本领域技术人员将知道在哪里找到它们以及如何使用它们。
适用于EAP层的材料是已知的。电活性聚合物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-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。
在所有这些示例中，可以提供额外的非活动层，用于响应于施加的电场而影响EAP层的电和/或机械行为。
每个单元的EAP层可以夹在电极之间。电极可以是可拉伸的，使得它们跟随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。
如果电极以非对称结构布置，则施加的电压可以引起各种变形，例如扭曲、滚动、扭转、转动和非对称弯曲变形。
本发明可以应用于许多EAP和聚合物应用，包括感兴趣的非活动矩阵阵列的范例。
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，EAP和光响应聚合物可以容易地集成在柔软的3D形状和/或微型产品和界面中。此类应用程序的示例如下：
皮肤美容治疗，例如皮肤致动设备，其形式为响应性聚合物基皮肤贴剂，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，其具有响应性聚合物基活动垫或密封，以向皮肤提供交替的常压，从而减少或防止面部红斑；
带有自适应剃须刀头的电动剃须刀。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，例如带有动态喷嘴致动器的气针，以改善喷雾的范围，特别是在牙齿之间的空间中。替代地，可以为牙刷提供致动的簇；
消费电子设备或触摸板，其经由集成在用户新年好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；
导管，其具有可操纵的尖端，以使得能够在曲折的血管中轻松导航；
生理人体参数的测量，例如心跳、SpO2和血压。
受益于这种致动器的另一类相关应用涉及光的调整。通过使用这些致动器的形状或位置调整，可以使诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件可调整。例如，EAP的一个好处是功耗更低。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且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。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种场驱动电活性材料致动器，包括：
电活性材料结构(102)；以及
驱动器(100)，其用于向所述电活性材料结构提供致动电压，其中，所述驱动器适于：
通过过渡函数(24)的方式来将所述致动电压从第一电压水平驱动到第二电压水平，所述第二电压水平低于所述第一电压水平，并且位于所述第一水平与零之间，所述过渡函数发生于过渡时间内，其中，所述过渡函数包括平滑函数(82)，其中，所述过渡时间为至少0.5ms。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述平滑函数(72)包括以下至少之一：斜变函数；抛物线函数；以及指数函数。
3.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中，所述平滑函数(82)被近似为一组离散的点(86)。
4.根据权利要求3所述的致动器，其中，所述平滑函数(82)还包括所述离散的点(86)之间的内插数据点(84)。
5.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中，所述过渡函数(24)还包括以下至少之一：第一阶跃函数(74)，其在所述第一电压水平与所述平滑函数之间；以及第二阶跃函数(76)，其在所述平滑函数与所述第二电压水平之间。
6.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中，所述致动器还包括适于检测所述电活性材料结构(102)的振荡的反馈***(104)。
7.根据权利要求6所述的致动器，其中，所述反馈***(104)包括以下至少之一：机械传感器；以及电传感器。
8.根据权利要求6或7所述的致动器，其中，所述驱动器(100)适于在由所述反馈***(104)检测到的振荡高于阈值的情况下改变所述驱动电压。
9.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中，所述过渡函数还包括抗振荡函数(94)，所述抗振荡函数具有与所述电活性材料结构的振荡相同的频率。
10.根据权利要求9所述的致动器，其中，所述抗振荡函数(94)相对于所述电活性材料结构的所述振荡具有在170°与190°之间的相移。
11.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中，所述驱动器(100)包括存储器，所述存储器适于存储用于驱动所述致动电压的预定值的查找表。
12.根据任一前述权利要求所述的致动器，其中，所述致动器还包括微控制器。
13.一种用于驱动场驱动电活性材料致动器的方法(110)，所述方法包括：
为电活性材料结构提供(112)致动电压；以及
通过过渡函数的方式将所述致动电压从第一电压水平驱动(118)到第二电压水平，所述第二电压水平低于所述第一电压水平，并且位于所述第一水平与零之间，所述过渡函数发生于过渡时间内，其中，所述过渡函数包括平滑函数，其中，所述过渡时间为至少0.5ms。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法还包括将所述平滑函数近似(114)为一组离散的点。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法还包括在所述离散的点之间插值(116)数据点。
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