Актуаторное устройство на основе электроактивного полимера
Использование: для приведения в действие актуаторного устройства. Сущность изобретения заключается в предоставлении способа приведения в действие актуаторного устройства, включающего в себя актуатор на основе электроактивного полимера, содержащий: блок электродов для приема управляющего сигнала; и структуру электроактивного полимера для обеспечения срабатывания в ответ на упомянутый управляющий сигнал, причем срабатывание вызывает переход структуры электроактивного полимера из состояния покоя в активированное состояние, и затем возврат в его состояние покоя в результате релаксации; при этом способ включает в себя: формирование управляющего сигнала, включающего: сигнал возбуждения, вызывающий упомянутое срабатывание, причем сигнал возбуждения имеет первую полярность; и сигнал сброса со второй полярностью, противоположной первой полярности, причем сигнал сброса предшествует сигналу возбуждения и/или следует за ним и предназначен для уменьшения или устранения смещения состояния покоя в течение последовательных срабатываний; и подачу управляющего сигнала на блок электродов; при этом величина амплитуды сигнала сброса равна или меньше произведения коэффициента пересчета уровня на величину амплитуды сигнала возбуждения, причем коэффициент пересчета уровня выбирается из группы, состоящей из: 0,5; 0,2; 0,1; 0,05; 0,02 и 0,01. Технический результат: обеспечение возможности воспроизводимого срабатывания устройства. 3 н. 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 16 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится к актуаторному (приводному) устройству, в котором применяются электроактивные полимеры, контроллеру для приведения в действие такого устройства, и способам эксплуатации такого актуаторного устройства или контроллера.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В актуаторных устройствах, срабатывание (приведение в действие) которых основывается на электрическом возбуждении электроактивного полимера (ЭАП), срабатывание вызывается изменением размера и/или формы ЭАП-материала. ЭАП-материалы сочетают ряд преимущественных свойств, когда речь идет об их применения в качестве актуаторов (приводов/исполнительных элементов). Преимущества ЭАП включают: низкую рабочую мощность, небольшие габаритные размеры, гибкость, бесшумную работу, возможность высокого разрешения, высокое быстродействие и цикличность срабатывания. Но, в то время как они могут действовать как преобразователи для преобразования электрической энергии в механическую энергию, вследствие их органической полимерной природы они также могут быть изготовлены простым путем с разнообразными формами, обеспечивая возможность легкого встраивания в самые многообразные устройства и системы.
В качестве примера действия ЭАП-устройства, Фигуры 1 и 2 показывают два возможных режима работы примерных ЭАП-устройств. Устройства содержат ЭАП-структуру, включающую ЭАП-слой 14, размещенный между электродами 10, 12, присоединенными к противолежащим сторонам ЭАП-слоя 14. В то время как на Фиг. 1 включающий электроды ЭАП-слой является свободно подвижным, на Фиг. 2 вся ЭАП-структура закреплена (присоединена) одной стороной на подложке или несущем слое 16. Для побуждения слоя ЭАП к сокращению в направлении его толщины с расширением тем самым в боковых направлениях используется сигнал возбуждения, подаваемый для подведения разности напряжений на электроды 10 и 12. В случае диэлектрических эластомерных ЭАП это обусловливается сжимающей силой, прилагаемой электродами к ЭАП-слою, вызывая утончение слоя, тогда как пьезоэлектрические и/или электрострикционные ЭАП также могут действовать (сжиматься) в результате непосредственного взаимодействия с электрическим полем, тем самым без необходимости в контакте с электродами для приложения сжимающей силы. В то время как на Фиг. 1 это срабатывание приводит к симметричному деформированию в виде расширения в указанных направлениях (стрелки на Фиг. 1), которое сопровождается утончением ЭАП-слоя (боковое расширение с утончением) благодаря тому, что слой находится в свободно взвешенном состоянии, такое же срабатывание на Фиг. 2 (стрелки на Фиг. 2) приводит к изгибанию устройства вследствие ограниченной степени подвижности за счет закрепления на одной стороне. Таким образом, путем технологического проектирования устройства может быть разработано и задействовано при срабатывании ЭАП-слоя огромное многообразие выходных характеристик устройства. Для получения несимметричного изгибания вокруг оси, как показано на Фиг. 2, может быть применена, например, молекулярная ориентация (растяжение пленки), побуждающая перемещение в одном направлении. Изгибание может быть обусловлено асимметрией ЭАП-полимера или же оно может быть результатом асимметрии свойств несущего слоя, или комбинацией обеих.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что для актуаторов на основе ЭАП при использовании в приложениях, которые требуют срабатывания (приведение в действие) в течение продолжительных и/или повторяемых периодов времени, срабатывание не всегда постоянно во времени, и/или что кривая зависимости возбуждения и срабатывания в различных последовательных периодах приведения устройства в действие изменяется со временем, то есть возникает смещение кривой. Это затрудняет практическое применение актуаторов.
Поэтому существует потребность в усовершенствованном актуаторе и в способе эксплуатации такого актуатора, уменьшающего или устраняющего вышеупомянутые проблемы.
Эта цель достигается, по меньшей мере частично, изобретением, которое охарактеризовано независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения предоставляют предпочтительные варианты осуществления.
Согласно изобретению, тем самым представлен способ приведения в действие, компьютерный программный продукт для осуществления способа, и устройство, приспособленное для применения способа приведения в действие, причем в устройстве и способе до и/или после одного или более событий срабатываний используется сигнала сброса.
Тот факт, что для уменьшения вышеупомянутых проблем может быть использован сигнал сброса, который охарактеризован изобретением, основан на понимании того, что:
- для срабатывания ЭАП-актуатора часто для его возбуждения/приведения в действие применяется сильное электрическое поле порядка десятков Вольт на микрон толщины ЭАП-слоя, и эти сильные поля приведения в действие являются причиной некоторых мешающих процессов, например, таких как возникновение зависимого от поля переноса зарядов и эффектов релаксации структуры полимера (например, локальная переориентация диполей и/или переориентация кристаллитов, и/или переориентация молекул полимера, и т.д.), все из которых происходят вслед за этим действительным возбуждением/приведением в действие;
- релаксационные эффекты обладают взаиморазличной реакцией на изменение приложенного поля и время приведения в действие, так как их постоянные времени, с которыми они возникают, как правило различны. Поэтому конечное состояние актуатора в плане результата воздействия мешающих процессов зависит от истории срабатываний и тем самым является изменяемым или даже непредсказуемым;
- в то время как во время срабатывания релаксационные эффекты возбуждаются полем, после срабатывания, когда поле не прилагается, происходит или должна происходить обратная релаксация в отсутствие поля и, следовательно, является гораздо более медленной. Тем самым, в то время как обратная релаксация также составляет часть истории, зависящую от тех причин, что и релаксация, она может быть неполной после нескольких циклов срабатывания или времени ожидания.
Вышеуказанные влияния мешающих процессов могут быть особенно выраженными в полимерных материалах, по сравнению с неорганическими электроактивными материалами, как следствие их, по меньшей мере частично, неупорядоченной молекулярной структуры. Такие молекулярные структуры обычно препятствуют восстановлению исходного структурного состояния после изменений структуры вследствие возбуждения. Поэтому, в зависимости от истории срабатываний, актуатор после срабатывания (приведения в действие) может оставаться в состоянии изменяемых, часто непредсказуемых, «захваченных» дефектов, обусловливающих сдвиг исходного состояния при срабатывании и/или смещение кривой возбуждения/срабатывания во время последующих срабатываний.
С помощью изобретения могут быть нейтрализованы один или более из вышеуказанных эффектов. Таким образом, например, могут быть нейтрализованы эффекты перемещения и возможного захвата заряженных или биполярных частиц и/или (пере)ориентация (полярных) частиц (молекул или частей молекул) в пределах актуатора, и особенно ЭАП, которые вызываются и возбуждаются электрическим полем в актуаторе. Выстраивание (полупостоянных) слоев заряженных частиц или слоев поляризованных частиц может влиять (например, обусловливать более высокое напряжение, необходимое для достижения такого же срабатывания) на работу актуатора путем увеличенного экранирования прилагаемого для срабатывания поля, и это может быть уменьшено или даже предотвращено с помощью изобретения. Кроме того, может быть уменьшен или предотвращен эффект непреднамеренного срабатывания актуатора в состоянии покоя (например, при подаче сигнала возбуждения, не предназначенного для приведения в действие, или, иначе говоря, без приложения сигнала на срабатывание), обусловленный выстраиванием полупостоянных заряженных частиц или переориентацией ЭАП-молекул, ионов или иных частиц. Кроме того, может быть уменьшен или предотвращен эффект старения и электрического пробоя актуатора, вызванный механическим перемещением и износом, накоплением и захватом заряженных частиц, возможно, в местах дефектов. Важно, что одно или более из вышеуказанных преимуществ могут быть, по меньшей мере частично, достигнуты без ущерба требуемому срабатыванию устройства.
Устройство может представлять собой актуаторное устройство (устройство с актуатором). Сигнал возбуждения предназначается и используется, чтобы вызвать требуемое срабатывание актуатора на основе электроактивного полимера и тем самым устройства. Сигнал сброса не предназначен для обеспечения требуемого результата срабатывания (отдачи). Он является частью сигнала возбуждения, но предназначается и используется для компенсирования постепенного смещения срабатывания актуатора на основе электроактивного полимера. Такое смещение может быть вызвано сигналом возбуждения. Сигнал возбуждения может иметь продолжительность сигнала возбуждения, вызывающего срабатывание. Сигнал сброса предпочтительно подается вне продолжительности сигнала возбуждения, но также может быть его частью.
Сигнал сброса предшествует сигналу возбуждения и/или следует за ним. В любом случае между ними обоими может быть или может не быть временной задержки.
Простой формой сигнала сброса является прямоугольно-импульсный сигнал.
Сигнал сброса имеет уровень, меньший уровня сигнала возбуждения. Под «уровнем» подразумевается величина сигнала, или, например, когда сигнал является периодическим или циклическим сигналом, амплитуда или максимальная величина сигнала. Поэтому уровень может относиться к «пиковому уровню» и должен интерпретироваться на всем протяжении этой заявки как синонимичный с термином «пиковый уровень».
Сигнал возбуждения может иметь уровень сигнала возбуждения, и сигнал сброса может иметь уровень сигнала сброса, причем уровень сигнала сброса равен или меньше произведения коэффициента пересчета уровня на уровень сигнала возбуждения, причем коэффициент пересчета уровня выбирается из группы, состоящей из: 0,5; 0,2; 0,1; 0,05; 0,02; 0,01.
Хотя сигнал сброса не предназначается и не используется, чтобы вызвать требуемый результат срабатывания (который представляет собой функцию сигнала возбуждения), в некоторых случаях он может вызывать временное потенциальное нарушение результата срабатывания. Чем меньше уровень или амплитуда сигнала сброса, тем меньше будет и связанная с этим временная реакция на срабатывание. Если уровень сигнала возбуждения не является постоянным (как в случае изменяемого, пульсирующего или даже переменного сигнала возбуждения), может быть использован максимальный уровень сигнала возбуждения, такой как пиковый уровень или амплитуда сигнала. Подобным образом, если уровень сигнала сброса непостоянен в пределах продолжительности сигнала сброса (как в случае изменяемого, пульсирующего или даже переменного сигнала сброса), может быть использован максимальный уровень сигнала сброса, такой как пиковый уровень или амплитуда сигнала.
Сигнал сброса может иметь такой уровень сигнала сброса, что электрическое поле в структуре электроактивного полимера, вызываемое сигналом сброса при подаче на блок электродов, составляет от 10 Вольт на микрон до 300 Вольт на микрон. Предпочтительно оно составляет от 10 Вольт на микрон до 50 Вольт на микрон.
Сигнал сброса может быть подан в течение продолжительности сигнала сброса, которая составляет от 0,01 секунды до 1 секунды. Сигнал сброса такой продолжительности обычно достаточно длительный, чтобы обладать существенным улучшающим влиянием, и достаточно короткий, чтобы не нарушать заметно частоту применения для срабатывания. Предпочтительно продолжительность сигнала сброса составляет более 0,05 или даже более 0,1 секунды. В комбинации с этим или альтернативно продолжительность сигнала сброса может быть менее 0,5 секунды. Более короткие импульсы сигнала сброса, возможно высокого уровня сигнала сброса (например, до половины уровня сигнала возбуждения) могут быть использованы для создания меньших временных откликов возбуждения, в особенности, если время механического отклика электроактивного полимера очень сильно отличается от периодов следования импульсов сигнала сброса.
Сигнал возбуждения может иметь уровень сигнала возбуждения и продолжительность сигнала возбуждения, и сигнал сброса может иметь уровень сигнала сброса и продолжительность сигнала сброса, причем интеграл уровня сигнала сброса по продолжительности сигнала сброса равен или меньше произведения коэффициента пересчета интеграла на интеграл уровня сигнала возбуждения по продолжительности сигнала возбуждения, причем коэффициент пересчета интеграла выбирается из группы, состоящей из: 0,54; 0,2; 0,1; 0,05; 0,02; 0,01. Компенсация основывается на усредненном показателе на основе интеграла уровня сигнала (поля), умноженном на время приложения уровня сигнала. В некоторых случаях это может приводить к хорошему балансу компенсации. В случаях с сигналом возбуждения, имеющим обе полярности, интеграл сигнала возбуждения предпочтительно основывается на неабсолютных значениях уровней сигнала, так что эффект полярностей усредняется в расчетном значении.
Сигнал возбуждения может иметь продолжительность сигнала возбуждения, причем:
- в течение всей продолжительности сигнала возбуждения или в конечной части продолжительности сигнала возбуждения сигнал возбуждения имеет первую полярность, а сигнал сброса включает по меньшей мере одну часть второй полярности, противоположной первой полярности. Если весь сигнал возбуждения или его конечная часть были положительным сигналом (первой полярности), тогда применяется отрицательный сигнал сброса (второй полярности), и наоборот. Поскольку направление электрического поля вследствие сигналов возбуждения и сброса в ЭАП-структуре зависит от полярности сигналов, противоположные полярности могут подавлять нежелательные эффекты, которые могут приводить к наблюдаемому нежелательному смещению кривых срабатывания. Это представляет собой более простой путь компенсирования, чем применение интегралов уровней сигнала возбуждения и/или уровней сигнала сброса по их продолжительностям.
Сигнал сброса может содержать или состоять из изменяемого сигнала. Изменяемый сигнал представляет собой сигнал с меняющимся уровнем сигнала во время его продолжительности или времени подачи. Он может быть одноимпульсным сигналом со случайно меняемым уровнем. Одноимпульсный сигнал может быть прямоугольно-импульсным, треугольно-импульсным, синусоидально-импульсным или с импульсом любой другой формы с изменяющимся уровнем сигнала. Одиночный импульс может быть симметричным во времени или асимметричным во времени, с крутым возрастанием и пологим снижением, или наоборот. Снижение и возрастание могут происходить согласно различным функциям. Форма импульса может выбираться соответственно потребности по результатам испытаний конкретного актуатора на основе электроактивного полимера. Сигнал сброса этого типа по существу представляет собой тип “встряхивающего” сигнала со многими различными напряженностями поля. Поэтому во время его подачи на актуатор на основе электроактивного полимера могут быть более эффективно смягчены мешающие эффекты, требующие различного воздействия. Изменяемый сигнал может иметь случайно изменяющийся уровень сигнала, постепенно увеличивающийся, постепенно уменьшающийся или имеющий участки увеличения и уменьшения в течение его продолжительности.
Сигнал сброса включает или состоит из множества импульсов сигнала сброса.
Такие сигналы сброса обеспечивают встряхивание для релаксации для каждого импульса, то есть несколько встряхиваний на сигнал сброса. Для некоторых мешающих эффектов могут потребоваться множественные встряхивания для их эффективной релаксации. Число импульсов предпочтительно выбирается в диапазоне от 2 до 20. Более предпочтительно оно изменяется в диапазоне от 2 до 10. Еще более предпочтительно оно изменяется в диапазоне от 5 до 10. Импульсы сигнала сброса могут иметь одинаково длительные продолжительности или иметь различные продолжительности. Импульсы могут быть организованы случайным образом относительно, например, продолжительности, уровня и/или формы сигнала. В альтернативном варианте они могут быть организованы в виде импульсов одной формы и/или одного уровня сигнала, и/или одной продолжительности. Тем самым может быть последовательность импульсов одинакового уровня сигнала с одинаковой продолжительностью на импульс или, например, с уменьшенной длиной импульса для каждого последующего импульса в сигнале сброса. Время релаксации может быть или может не быть в интервале между любой парой последовательных импульсов из множества импульсов сигнала сброса. Время релаксации представляет собой период времени с нулевым приложенным сигналом возбуждения.
Сигнал сброса включает или состоит переменный сигнал, имеющий постоянный или изменяющийся период. Такой переменный сигнал, например, может включать один или более из множества импульсов сигнала сброса.
Каждый из импульсов сигнала сброса может иметь максимальный уровень импульса сигнала сброса, и абсолютное значение максимального уровня импульса сигнала сброса уменьшается для каждого следующего из множества импульсов сброса в пределах сигнала сброса. Сначала ослабляют мешающие эффекты, требующие интенсивного импульса сброса, и следующий импульс с более низкой интенсивностью не будет устранять весь полученный сброс, так как каждый последующий импульс не является достаточно интенсивным для стимулирования наиболее трудно активируемых сбросов, которые были проведены для релаксации предшествующим импульсом. Поэтому релаксация происходит постепенно.
Сигнал сброса может содержать по меньшей мере первую полярность и вторую полярность, противоположную первой полярности. Компенсация мешающих эффектов может потребовать периодического изменения направления электрического поля в пределах структуры электроактивного полимера. Для некоторых эффектов требуется так называемое встряхивание в двух направлениях перед тем, как они могут ослабляться. Это достигается с помощью биполярных сигналов или сигналов, имеющих обе полярности. Для этого могут быть использованы сигналы сброса с различной полярностью. Сигнал сброса предпочтительно представляет собой или включает часть, которая представляет собой переменный сигнал с постоянным или изменяющимся периодом. Если сигнал сброса включает множество импульсов сигнала сброса, каждый импульс может иметь одну конкретную полярность. В случае переменного сигнала сброса последовательные импульсы тогда имеют противоположные полярности.
Способ может дополнительно включать:
- обеспечение справочной таблицы, содержащей данные сигнала возбуждения для задания множества сигналов возбуждения и данные сигнала сброса для задания множества сигналов сброса, причем каждый элемент упомянутых данных сигнала возбуждения связан с элементом упомянутых данных сигнала сброса;
- после задания сигнала возбуждения извлечение из справочной таблицы данных сигнала сброса для сигнала сброса на основе одного или более элементов данных сигнала возбуждения в справочной таблице;
- формирование сигнала возбуждения и сигнала сброса управляющего сигнала с использованием упомянутых данных сигнала сброса и извлеченных данных сигнала сброса.
Может быть использовано непосредственное согласование данных сигнала сброса и данных сигнала возбуждения. В альтернативном варианте, если в справочной таблице нет точного соответствия между необходимыми данными сигнала возбуждения (для сигнала возбуждения на срабатывание) и данными сигнала возбуждения, может быть использована интерполяция для определения, по данным соответствующего сигнала сброса, подходящих данных требуемого сигнала сброса.
В изобретении способ может дополнительно включать:
- определение истории срабатываний актуатора на основе электроактивного полимера; и
- формирование сигнала сброса на основе истории срабатываний.
История срабатываний может включать любое из следующего: отслеживание уровней сигналов, полярностей и/или числа сигналов возбуждения, выданных в течение времени, отслеживание результатов срабатывания актуатора в течение времени. Идея состоит в том, что после более напряженного срабатывания и/или срабатывания, основанного на более чем единственной полярности, и/или большего числа срабатываний, может быть подан более мощный сигнал сброса. Однако это может быть сделано с использованием предварительно заданной справочной таблицы. Основываясь на числе обеспеченных в последовательности срабатываний, может быть подан требуемый импульс сброса. Так, например, было подано больше сигналов возбуждения.
Результат срабатывания предпочтительно отслеживается в состоянии покоя актуатора и перед или сразу же после срабатывания, например, с (временным) сохранением значений, чтобы можно было сравнивать их. Если становится более значительным смещение от заданного контрольного значения, чем заданное пороговое значение, тогда для корректирования может быть подан сигнал сброса. Этот сигнал сброса может быть отрегулирован согласно выявленной разности.
Сигнал сброса может:
- следовать за и/или предшествовать каждому сигналу возбуждения или множеству сигналов возбуждения.
Иногда нет необходимости в подаче сигнала сброса при каждом сигнале возбуждения. Это увеличивает фактическое время действия актуатора, поскольку сигналы сброса занимают время без обеспечения результата срабатывания.
Предпочтительно сигнал сброса следует за одним или более (последовательными) сигналами возбуждения. Более предпочтительно сигнал сброса следует после каждого сигнала возбуждения.
Сигнал сброса может предшествовать одному или более последовательным сигналам возбуждения и следовать за ними. Таким образом, каждому сигналу возбуждения может предшествовать и следовать за ним сигнал возбуждения. Но также сигнал сброса может быть предусмотрен для группы сигналов возбуждения. Это может означать, что между двумя сигналами возбуждения могут быть по меньшей мере два сигнала сброса, один следующий за первым сигналом возбуждения, а другой предшествующий второму сигналу возбуждения. Предшествующий сигнал обеспечивает свежее исходное состояние, из которого начинается возбуждение, тогда как импульс сброса, следующий за сигналом возбуждения, оказывает свое обычное влияние.
Эта конфигурация предпочтительно сочетается с обратной связью или отслеживанием истории актуатора для обеспечения лучшего контроля смещения кривой результата срабатывания.
Изобретение предоставляет компьютерный программный продукт, содержащий считываемый компьютером код, сохраненный или сохраняемый на считываемом компьютером носителе, или загружаемый из сети связи, при этом код при исполнении на компьютере может вызывать или вызывает исполнение этапов по любому из способов, которые заявлены в пунктах 1-14 формулы изобретения. Способ по изобретению тем самым может быть реализован в программном обеспечении, которое способно управлять контроллером, возможно, включающим генератор сигналов для управления актуатором на основе электроактивного полимера с приведением его в действие, как требуется.
Устройство может включать процессор и запоминающее устройство, имеющее сохраненный на нем компьютерный программный продукт по пункту 13 формулы изобретения, и при этом процессор предназначен для исполнения компьютерного программного продукта. Устройство необязательно может включать в себя пользовательские устройства ввода и/или вывода и соответствующие интерфейсы для управления устройством либо автоматически, либо вручную.
Все признаки способа и его преимущества могут быть распространены на признаки компьютерного программного продукта или контроллера путем адаптации контроллера или компьютерного программного продукта. Процессор может представлять собой полупроводниковый процессор, такой как центральный процессор. Запоминающее устройство может представлять собой оперативное запоминающее устройство (RAM) или постоянное запоминающее устройство (ROM) любого типа, к которому контроллер может иметь доступ. Такое запоминающее устройство может включать SD-карту памяти или флэш-карту, жесткий диск или оптический диск, такой как CD или DVD, или Blue Ray. Запоминающее устройство может входить в состав считываемого компьютером носителя. В альтернативном варианте считываемый компьютером носитель может представлять собой сеть связи, такую как локальная сеть (LAN) или глобальная сеть (WAN), или другая сеть передачи данных, из которой может быть загружена компьютерная программа.
Контроллер может включать в себя:
- источник электропитания для формирования электрических сигналов первой полярности и второй полярности для применения в электрическом сигнале возбуждения; или
- источник электропитания для формирования электрических сигналов по меньшей мере первой полярности или по меньшей мере второй полярности для применения в электрическом сигнале возбуждения, и переключатель для коммутирования соединения электрического сигнала возбуждения с блоком электродов. При коммутировании соединения может достигаться переключение с первой полярности на вторую полярность или наоборот.
Контроллер может содержать генератор сигналов для формирования сигналов противоположной полярности. В альтернативном варианте устройство возбуждения может содержать генератор сигналов для формирования сигналов одной полярности и переключатель для соединения входа устройства возбуждения с блоком электродов. Тем самым обеспечиваются альтернативные пути подачи сигналов противоположной полярности на ЭАП-слой. Когда применяется переключатель (коммутирующий блок), может быть использован упрощенный и более дешевый генератор сигналов.
Подходы для модификации, которые описаны для системы или устройства, могут быть применены для модификации соответствующего способа. Такая модификация может обеспечивать такие же преимущества, как описанные для заявленных или описанных системы или устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь будут подробно описаны примеры изобретения со ссылкой на сопроводительные схематические чертежи, на которых подобные числовые обозначения представляют подобные признаки и на которых:
Фиг. 1 показывает известную структуру электроактивного полимера, которая не зажата, для линейного срабатывания в плоскости;
Фиг. 2 показывает известную структуру электроактивного полимера, которая ограничена опорным (несущим) слоем, для срабатывания с изгибанием из плоскости;
Фигуры 3А и 3В показывают базовые топологии актуаторных устройств, включающих подключение устройства возбуждения. Актуатор на Фиг. 3В имеет два ЭАП-слоя 14, которые совместно используют общий электрод 12.
Фиг. 4 показывает схему возбуждения без применения сигнала сброса согласно изобретению, который подают на актуатор;
Фиг. 5 показывает циклы срабатывания, которые наблюдаются при применении схемы возбуждения по Фиг. 4 для актуаторного устройства по Фиг. 4;
Фиг. 6 показывает схему управления с одноимпульсным треугольным сигналом сброса, который подают на актуатор по Фиг. 4.
Фиг. 7 показывает циклы срабатывания, которые наблюдаются при применении схемы возбуждения по Фиг. 6 для актуатора по Фиг. 4;
Фиг. 8 снова показывает кривые цикла срабатывания по Фиг. 7, но теперь со срабатывание с предусматриваемым участком отрицательной полярности напряжения.
Фигуры 9А-9С показывают последовательности управляющих сигналов.
Фиг. 10 показывает управляющий сигнал с сигналом сброса до и после сигнала возбуждения.
Фигуры 11А и 11В показывают управляющие сигналы с сигналами сброса различной полярности.
Фигуры 12А и 12В показывают пульсирующий сигнал сброса с постоянной амплитудой и пульсирующий сигнал сброса с затухающей амплитудой соответственно.
Фиг. 13А показывает переменный сигнал сброса без затухания.
Фигуры 13В и 13С показывают переменные сигналы сброса, имеющие затухающую амплитуду.
Фиг. 14 показывает примерный управляющий сигнал по изобретению.
Фиг. 15 показывает устройство по изобретению.
Фиг. 16 показывает блок-схему работы устройства по изобретению, такого как устройство по Фиг. 15.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Актуатор на основе электроактивного полимера включает структуру электроактивного полимера (ЭАП), которая задает неактивированное состояние и по меньшей мере одно активированное состояние (отличное от неактивированного состояния), достигаемое подачей электрического сигнала возбуждения на ЭАП-структуру. Активированное состояние подразумевает приведение в действие в виде механического срабатывания, которое может быть усилием (давлением), изменением усилия (давления) и/или ударом, обеспечиваемым упомянутой структурой вследствие стремления ЭАП-структуры к деформированию при подаче сигнала возбуждения.
Электрический сигнал возбуждения подается на ЭАП-структуру, принимающую управляющий сигнал, с помощью блока электродов, имеющим один или более электродов. ЭАП-структура может находиться между электродами структуры электродов (например, располагаться между ними). В альтернативном варианте электроды могут быть на одной и той же стороне ЭАП-структуры. В любом случае электроды могут быть физически присоединены к ЭАП-материалу либо непосредственно, без каких-либо (пассивных) слоев между ними, либо опосредованно с дополнительными (пассивными) слоями между ними. Но это не всегда является обязательным. Например, для релаксорных или постоянных пьезоэлектрических или ферроэлектрических ЭАП прямой механический контакт с электродами не является необходимым. В этих случаях достаточно электродов вблизи ЭАП, при условии, что электроды могут создавать электрическое поле на ЭАП. Однако для диэлектрических эластомеров в качестве ЭАП электроды должны быть в физическом контакте (например, таком, как присоединение) с ЭАП-материалом таким образом, чтобы создаваемое электродами электрическое поле могло прилагать усилие к ЭАП, которое деформирует ЭАП. Таким образом, электроды могут быть частью структуры электроактивного полимера.
В объеме контекста изобретения сигнал возбуждения и сигнал сброса могут представлять собой сигнал напряжения (возбуждение напряжением), имеющий уровни сигнала напряжения, или токовый сигнал с уровнями токового сигнала (возбуждение током). Токовый сигнал будет сопровождаться связанными с ним разностями напряжений на электродах. При подаче на блок электродов электрические сигнал возбуждения и сигнал сброса создают разность напряжений между электродами блока электродов, которая, в свою очередь, создает электрическое поле на по меньшей мере части ЭАП-структуры. По определению, для электрического сигнала, создающего разности напряжений на электродах, имеющих только положительные или только отрицательные напряжения (относительно одного контроля), сигнал возбуждения и связанные с ним разности напряжений определяются как однополярные. Подобным образом, для сигнала, создающего разности напряжений противоположной полярности, разности напряжений сигнала возбуждения и сигнала сброса определяются как биполярные. Сигнал возбуждения с разностью напряжений 0 В определяется как не имеющий полярности, так как он не является ни положительным, ни отрицательным.
Изобретение включает подачу на структуру электроактивного полимера актуатора сигнала сброса до и/или после одного или более сигналов на приведение в действие для одного или более событий срабатывания. Сигнал сброса вызывает релаксацию захваченного заряда, диполей и/или других дефектов в ЭАП, так что при последующем срабатывании с использованием сигнала возбуждения исходное для срабатывания состояние определяется как более постоянное, чем без применения сигнала сброса.
Изобретение применимо к актуаторам, которые имеют структуру электроактивного полимера, включающую ЭАП-материал, где структура способна создавать механическое срабатывание при подвергании по меньшей мере части ЭАП-материала воздействию электрического сигнала возбуждения. Механическое срабатывание основывается на ЭАП, способном вызывать деформацию структуры при подаче электрического сигнала возбуждения.
Может быть придумано множество таких различных актуаторов, но здесь ниже будут описаны только некоторые их примеры, показывающие, как изобретение может быть осуществлено на практике. Тем не менее, изобретение может быть применено ко всем актуаторам на основе ЭАП или другим полимерным актуаторам, которые возбуждаются с использованием напряжений и которые демонстрируют подобные релаксационные эффекты.
Фигуры 1 и 2 показывают примерные ЭАП-структуры, которые могут быть использованы в актуаторных устройствах по изобретению. Примерное актуаторное устройство, включающее структуру актуатора по Фиг. 1 и устройство 30 возбуждения, изображено на Фиг. 3. Структура по Фиг. 1 была описана во введении этой заявки. Фиг. 3 показывает устройство 30 возбуждения, подлежащее подключению к электродам 10 и 12. ЭАП-слой 14 в этом случае представляет собой диэлектрический эластомерный полимер с постоянной толщиной слоя по всей площади электродов. Электрод 10 заземлен (на нулевой потенциал или напряжение) в качестве контроля, а электрод 12 соединен с выводом устройства 30 возбуждения, которое способно подавать на электроды электрический управляющий сигнал в форме напряжения с изменяющимися, переменными или регулируемыми уровнями во время предварительно заданных или регулируемых периодов времени. Заземление может быть отдельным обычным заземлением (не показано), но в этом случае обеспечивается другим выводом устройства возбуждения, который, в свою очередь, подключен внутри к общему заземлению (например, розетки). Устройство 30 возбуждения содержит переключатель либо внутри, как показано, либо снаружи, для использования напряжений источника питания, чтобы формировать электрические сигналы возбуждения, подлежащие подаче на блок электродов. Таким образом, в этом случае устройство возбуждения предназначено для подачи сигналов возбуждения с уровнями биполярного напряжения на электрод 12 так, что уровни напряжения совместно с сигналом заземления определяют разности напряжений со связанными с этим положительной (первой полярностью) или отрицательной (второй полярностью) полярностями (и, следовательно, направлениями электрического поля) между электродами. Тем самым направление электрического поля между электродами может быть обращено и таким образом приложено к ЭАП-материалу. В качестве контрольного может быть использован либо электрод 12, либо 10 для определения знака полярности (направления электрического поля). В этом случае полярности определяются относительно заземленного электрода как разность между сигналом на электрод 12 и сигналом заземления. Также может быть применено любое другое контрольное напряжение (опорное напряжение для сравнения) при условии, что уровни напряжения сигнала возбуждения затем корректируются так, чтобы разность напряжений включала разности положительного и отрицательного напряжений относительно, например, электрода сравнения.
Квалифицированным специалистам в этой области техники будет понятно, что разности напряжений также могут быть сформированы с использованием сигналов возбуждения, подаваемых на оба электрода, опять же при условии, что они образованы так, что разности напряжений вызывают изменение полярности относительно выбранного электрода сравнения согласно требованиям изобретения.
Подача сигналов возбуждения на ЭАП-структуру может побуждать ее срабатывать таким образом, как описано во введении к этой заявке.
На Фиг. 3А структура актуатора представляет собой структуру с единственным ЭАП-слоем. Это является базовой конфигурацией. В альтернативном варианте и часто на практике применяется многослойная ЭАП-структура, которая включает пакет из по меньшей мере двух ЭАП-слоев, при этом пакет попеременно содержит ЭАП-слои и электроды. Пример с двумя ЭАП-слоями и 3 электродами приведен на Фиг. 3В. Также возможно другое число слоев и электродов. Многослойная ЭАП-структура позволяет, например, иметь более мощное срабатывание, тогда как напряжения для приведения в действие могут поддерживаться более низкими для такой же отдачи механической мощности. Более конкретно в отношении Фиг. 3В, многослойный пакет по существу включает подпакеты с электродами 10 и 12 с ЭАП-слоями 14 между ними. Каждый подпакет может быть возбужден таким же путем, как пакет по Фиг. 3А, с использованием одного и того же устройства возбуждения и подходящего соединения электродов, чтобы создать правильные напряжения на ЭАП-слоях. Хотя возможны многие другие конфигурации актуаторов, изобретение работает для всех из них, и тем самым примерный многослойный пакет будет использован для разъяснения принципов действия и эффектов изобретения. Примерные пакеты представляли собой PVDF-релаксор Novansentis типа 1 HD. Они представляют собой уложенные стопкой актуаторы (12×14 мм), присоединенные к подложке (действующей так, как на Фиг. 2).
Фиг. 4 показывает схему возбуждения (управляющий сигнал) 40 с четырьмя последовательными сигналами 41 возбуждения, чтобы вызвать четыре последовательных события срабатывания в пределах общего периода 42 времени из 40 секунд. Каждый сигнал возбуждения на срабатывание представляет собой синусоидальный сигнал напряжения от 0 до 200 Вольт (синусоидальная амплитуда 100 Вольт) с периодом 10 секунд. Когда примерный актуатор возбуждается с помощью этой схемы возбуждения (управляющим сигналом), кривая срабатывания, представляющая смещение ЭАП-структуры в зависимости от напряжения схемы возбуждения, показана на Фиг. 5. Положение вертикальной оси смещения было выбрано произвольным. Состояние покоя (неактивированное состояние) устройства находится при ~-0,6 миллиметра при нуле Вольт, тогда как максимальное смещение приходится на ~0,2 миллиметра при 200 Вольт, так что динамический диапазон срабатывания составляет ~0,8 миллиметра для сигналов от 0 до 200 Вольт. Наиболее примечательно, как можно видеть на Фиг. 5, что 4 кривых 51, 52, 53 и 54 срабатывания, вызванного четырьмя синусоидальными сигналами возбуждения, сдвигаются вверх с каждым следующим событием срабатывания. Тем самым для каждого последующего сигнала неактивированное состояние, а также смещение, достигаемое при 200 Вольт, является различным.
Этот эффект смещения кривой проявляется даже тогда, когда между последовательными циклами срабатывания выдерживался период покоя (период, в котором ЭАП-структура не возбуждается). Тем самым эффект является стойким и может быть отнесен на счет вышеупомянутых дефектов в виде захваченного заряда, диполей и т.д. в ЭАП-структуре. Поскольку это, помимо всего прочего, в высокой степени относится к природе полимерных материалов и конструкции ЭАП-структуры (например, наслоению и присоединению электродов), эффект будет проявляться до некоторой степени во- многих, если не во всех типах ЭАП-структурах. Эффект препятствует применению актуаторов на основе ЭАП, поскольку требуемые срабатывания при одних и тех же сигналах возбуждения не являются воспроизводимыми и/или зависят от истории применения.
Изобретение имеет целью уменьшение или устранение этого эффекта. Например, Фигуры 6 и 7 использованы для разъяснения первого примера изобретения. Фиг. 6 показывает схему возбуждения (управляющий сигнал) 60 с четырьмя последовательными синусоидальными сигналами 61 возбуждения (вызывающими четыре последовательных события срабатывания), которые являются такими же, как сигналы по Фиг. 4. Каждый сигнал возбуждения на срабатывание представляет собой синусоидальный сигнал напряжения от 0 до 200 Вольт (синусоидальная амплитуда 100 Вольт) с периодом 10 секунд. Таким образом, схема возбуждения практически идентична схеме 40 возбуждения, за исключением того, что она включает 4 сигнала 62 сброса согласно изобретению. Более конкретно, после каждого сигнала возбуждения на срабатывание имеется сигнал 62 сброса с отрицательным напряжением, в виде одиночного треугольного пика с амплитудой -50 Вольт и периодом 0,1 секунды (представленного направленными вниз острыми выступами 62 на Фиг. 6).
Когда примерный актуатор возбуждается с помощью этой схемы 60 возбуждения, кривые срабатывания, представляющие смещение ЭАП-структуры, являются такими, как показано на Фиг. 7. Аналогично кривым на Фиг. 5, положение вертикальной оси смещения было выбрано произвольным. Состояние покоя устройства снова находится при ~-0,6 миллиметра от нуля Вольт, тогда как максимальное смещение находится на ~0,2 миллиметра при 200 Вольт, так что, подобно ситуации на Фиг. 5, динамический диапазон срабатывания составляет ~0,8 миллиметра для сигналов от 0 до 200 Вольт. Однако, в отличие от кривых по Фиг. 5, кривые по Фиг. 7 практически перекрываются, то есть сдвиг вверх кривых на Фиг. 5 очень сильно уменьшен на Фиг. 7. Таким образом, срабатывание является более воспроизводимым, и смещение конечной точки, достигаемое с каждым сигналом возбуждения на срабатывание, практически идентично. Более того, траектория срабатывания вдоль шкалы напряжения также по существу идентична для четырех различных кривых. Таким образом, весьма улучшается воспроизводимость срабатывания при возбуждении.
Фиг. 8 показывает кривые 82-88, которые являются такими же, как по Фиг. 7, но теперь не только в зависимости от диапазона 89 напряжения срабатывания, но также в зависимости от диапазона 87 напряжения сброса. Хотя импульс сброса не вызывает смещения в этом случае, он не влияет на воспроизводимость достигаемого смещения при положительных напряжениях срабатывания, так как кривые четырех циклов срабатывания почти совпадают. Смещение на ~0,1 миллиметр, вызванное импульсом сброса (измеренное при нуле Вольт), меньше остаточного смещения, вызванного смещением на ~0,15 миллиметра (измеренное при нуле Вольт на Фиг. 5) кривой срабатывания, когда такой импульс сброса не применялся. Опять же, вызванное этим импульсом сброса смещение является постоянным, и может приниматься в расчет для обеспечения или задания любого абсолютного требуемого смещения, подлежащего получению.
Тем самым изобретение имеет важное преимущество в повышении надежности и точности срабатывания во время эксплуатации. Изобретение позволяет обеспечивать более стабильные и более точные технические характеристики актуатора без необходимости применения операции корректировки по замкнутому контуру. Кроме того, могут быть применены неидеальные материалы, независимо от их неидеальных характеристик, и без сложного исследования для улучшения материалов ЭАП, электродов и т.д., и по меньшей мере частично устаревшей конструкции ЭАП-структуры.
В вышеуказанном примере импульс сброса представляет собой одиночный импульс с полярностью напряжения, противоположной полярности сигналов возбуждения, и после каждого сигнала возбуждения следует импульс сброса. Однако могут быть использованы многие другие конфигурации и вариации, ряд из которых описывается здесь ниже.
Управляющий сигнал может иметь один или более сигналов возбуждения, вызывающих один или более событий срабатывания. Фиг. 9А показывает управляющий сигнал 90, имеющий один одиночный сигнал 91 возбуждения с продолжительностью 92 и после сигнала 91 возбуждения сигнал 93 сброса с продолжительностью 94 сигнала сброса для компенсации любых создающих смещение эффектов, обусловленных сигналом возбуждения. В альтернативном варианте в управляющем сигнале может быть более одного сигнала возбуждения на сигнал сброса. Фиг. 9В показывает управляющий сигнал 90 с двумя последовательными сигналами 91 возбуждения, после которых следует сигнал 93 сброса. Может иметься заданная задержка между сигналами возбуждения, но это не является необходимым. Сигналы возбуждения могут быть одинаковыми, но также могут быть различными. Могут иметься более двух сигналов возбуждения на каждый сигнал сброса.
Как в примерах по Фигурам 4-7, сигналы сброса по Фигурах 9А и 9В, следующие за сигналом(ами) возбуждения, предназначены для компенсации. Однако следует отметить, и это в общем имеет силу для изобретения, что это не обязательно подразумевает, что управляющий сигнал всегда должен иметь сигнал сброса, следующий за сигналом возбуждения. В конце концов, компенсирующий сигнал сброса также мог бы предусматриваться перед следующим сигналом возбуждения, и задаваться именно как часть следующего управляющего сигнала. Фиг. 9С показывает, как это может быть осуществлено. Имеются два сигнала 91 и 91' возбуждения, каждый с соответствующим сигналом 93 и 93' сброса перед соответствующими сигналами 91 и 91' возбуждения. Сигнал 93' сброса теперь предназначен для компенсации действия сигнала 91 возбуждения от предшествующего сигнала 91 возбуждения, и т.д.
Время ожидания между последовательными сигналами возбуждения управляющего сигнала может быть соответствующим требуемому от нуля секунд до заданного ненулевого времени согласно требованию применения. Если время ожидания является продолжительным, может быть преимущественным предусматривать два импульса сброса на один или более сигналов возбуждения, то есть один сигнал сброса непосредственно перед упомянутыми одним или более сигналами возбуждения, и один сигнал сброса сразу после упомянутых одного или более сигналов возбуждения (Фиг. 10). Сигналы сброса непосредственно до и после одного или более сигналов возбуждения могут быть противоположной полярности или одной и той же полярности. Могут быть времена задержки между любыми сигналами, но это не требуется, так как это как правило может зависеть от требований применения актуатора. Тем самым при использовании многочисленных управляющих сигналов, каждый из которых имеет один или более импульсов сброса до сигнала возбуждения и один или более импульсов сброса после него (например, как в управляющем сигнале 100 по Фиг. 10), могут быть многочисленные сигналы сброса между последовательными сигналами возбуждения во время работы актуаторного устройства, то есть один (последний сигнал сброса), происходящий из первого управляющего сигнала, и один (начальный сигнал сброса), происходящий из второго управляющего сигнала.
Предпочтительно, чтобы сигнал сброса имел по меньшей мере одну часть или по меньшей мере один импульс сигнала сброса, который имеет полярность, противоположную полярности сигнала возбуждения. Например, это будет преимущественным, когда возбуждение происходит с помощью сигналов возбуждения единственной полярности или когда возбуждение выполняется сигналами возбуждения преимущественно одной полярности. Противоположная полярность сигнала сброса будет создавать электрическое поле в направлении, противоположном направлению поля сигнала возбуждения в ЭАП-структуре, и любые возникшие зависимые от поля дефекты, вызывающие явления смещения во время сигнала возбуждения, могут быть уменьшены или нейтрализованы сигналом сброса. Фигуры 9 и 10 показывают сигналы сброса с отрицательным напряжением (отрицательной полярностью) и сигналы возбуждения с положительным напряжением (положительной полярностью), которая противоположна полярности сигнала сброса.
Если сигнал возбуждения имеет сигналы как положительной, так и отрицательной полярности, тогда возможны различные варианты. Фиг. 11А показывает управляющий сигнал 110 с сигналом возбуждения в течение продолжительности 112, которая включает первую часть 111 сигнала возбуждения, имеющую положительное напряжение, и дополнительную часть 111' сигнала возбуждения с отрицательным напряжением, с меньшим уровнем, чем часть 111. Такой сигнал, например, может понадобиться для актуатора, который способен обеспечивать результат срабатывания в направлении, зависящем от полярности сигнала.
Если вторая часть 111' сигнала возбуждения способна компенсировать эффекты смещения, вызванные первой частью 111, тогда сигнал сброса может быть использован для компенсации любых эффектов смещения, обусловленных второй частью 111' сигнала возбуждения. Тогда полярность импульса сброса может быть противоположной полярности части 111'. Также в этом случае другие характеристики сигнала сброса (смотри здесь ниже) могут быть (но не должны) полностью основаны на второй части 111' сигнала возбуждения.
В альтернативном варианте, если вторая часть 111' сигнала возбуждения недостаточна для устранения любых эффектов смещения, вызванных первой частью 111 сигнала возбуждения, тогда полярность импульса может быть выбрана противоположной полярности второй части 111', то есть такой полярности, как у первой части 111. Это показано на Фиг. 11В. В этих случаях полярность сигнала сброса может быть выбрана на основе меры, показательной для асимметрии около уровня сигнала в пределах заданного периода времени, например, продолжительности 112 сигнала возбуждения, включающей по меньшей мере отрезок второй части 111' сигнала возбуждения. Такая мера могла бы представлять собой общую площадь под сигналом возбуждения в течение заданного периода времени. Например, на Фиг. 11В интеграл напряжения по времени в пределах продолжительности 112 имел бы положительное значение, показывающее, что сигнал сброса должен иметь по меньшей мере часть той же полярности. Знак среднего значения уровня сигнала в течение заданного периода также может быть использован в качестве показателя, и квалифицированные специалисты в этой области техники могут представить себе и прочие такие меры. Заданный период времени не должен составлять всю продолжительность 112, и может быть короче, но использование всего периода является преимущественным, так как при этом можно учитывать изменения уровня сигнала и/или относительные продолжительности обеих частей 111 и 111', и может распространяться на весь период управляющего сигнала.
В некоторых случаях сигнал сброса может иметь такую же полярность, как сигнал возбуждения, и не должен иметь какие-либо части противоположной полярности. Импульс сброса тогда может быть предназначен для устранения кинетически захваченных дефектов, которые могут обусловливать часть эффектов смещения. Однако, как указано ранее, это во многих случаях не является предпочтительным путем. В любом случае будет ясно, что, если полярность сигнала сброса не должна отличаться от полярности сигнала возбуждения, тогда устройство 30 возбуждения актуаторного устройства, такого как показанное на Фиг. 3А и В, не должно быть способно обеспечивать обе полярности.
В описанных ранее примерах сигнал сброса содержал только один импульс сигнала сброса. Однако сигнал сброса может иметь разнообразные профили или формы сигнала, в том числе формы, включая такие, которые фактически определяют их как имеющие многочисленные импульсы сигнала сброса. Могут быть использованы сигналы сброса, такие как изменяемые сигналы (произвольно или нет), пульсирующие сигналы или даже переменные сигналы. Изменяемый сигнал может быть непрерывно меняющимся сигналом или квантованным сигналом одной полярности или двух полярностей.
В одной группе примеров сигнал сброса включает множество импульсов сигнала сброса. Такой сигнал сброса может быть сигналом встряхивающего типа для разрушения дефектов несколькими последовательными воздействиями, достигающими дополнительного улучшенного уменьшения эффекта смещения кривой. Например, на вышеуказанном примерном актуаторе было экспериментально подтверждено, что сигнал сброса с множеством униполярных импульсов сигнала сброса в пределах продолжительности сигнала сброса дает улучшенный эффект релаксации по сравнению с сигналом сброса с одиночным импульсом сигнала сброса такого же типа, и с периодом сигнала сброса, равным продолжительности сигнала сброса многоимпульсного сигнала.
В одной подгруппе сигнал сброса может представлять собой пульсирующий сигнал со всеми из множества импульсов, имеющими одинаковую полярность (униполярный пульсирующий сигнал сброса). Фиг. 12А-12В показывают примеры с сигналами 120 сброса с продолжительностью 121 сигнала сброса, и включающими три последовательных импульса 122, 122' и 122ʺ сигнала сброса треугольной формы, каждый с соответствующим периодом 123, 123' и 123ʺ импульса сигнала сброса и амплитудой 124, 124' и 124ʺ сигнала сброса. На Фиг. 12А периоды импульсов и амплитуды сигнала сброса одинаковы. На Фиг. 12В амплитуды 124, 124' и 124ʺ уменьшаются для каждого следующего импульса сигнала сброса. Тем самым имеет место затухание амплитуды импульса сигнала сброса. Например, амплитуда 2-ого импульса может составлять половину амплитуды 1-ого импульса и так далее. Могут быть применены другие вариации амплитуды импульсов, такие как линейное затухание, экспоненциальное затухание и т.д., или даже произвольная вариация, как будет разъяснено ниже.
В еще одной подгруппе многоимпульсных сигналов сброса сигнал сброса включает множество импульсов сигнала сброса, в которых по меньшей мере два из множества импульсов сигнала сброса имеют противоположную полярность. Число импульсов сигнала сброса с различной полярностью и их порядок в сигнале сброса могут быть произвольными, но предпочтительно не являются произвольными. Сигнал сброса тем самым может быть переменным сигналом. Предпочтительно времена задержки между импульсами сигнала сброса отсутствуют, но это не является обязательным. Примеры переменных сигналов с треугольными импульсами и с импульсами в виде прямоугольной волны показаны на Фигурах 13А, 13В и 13С. Треугольный сигнал сброса 130 с постоянной амплитудой по Фиг. 13С включает три последовательных треугольных импульса 131, 131' и 131ʺ сигнала сброса с соответствующими периодами 133, 133' и 133ʺ в пределах продолжительности 132 сигнала сброса. Сигналы сброса по Фигурам 13В и 13С имеют десять и шесть импульсов прямоугольной волны сигнала сброса, соответственно, в пределах продолжительности 132 сигнала сброса. В каждом случае для ясности ссылочными позициями были обозначены только импульсы 131, 131' и 131ʺ сигнала сброса с соответствующими периодами 133, 133' и 133ʺ. В обоих случаях амплитуда сигнала сброса затухает. В то время как на Фиг. 13А амплитуда импульса сигнала сброса уменьшается после каждых двух последовательных импульсов, на Фиг. 13С это производится с каждым следующим импульсом сигнала сброса.
Для многоимпульсного сигнала сброса преимущественно иметь наборы биполярных импульсов с неравным распределением различных полярностей импульсов сигнала сброса (положительные и отрицательные индивидуальные импульсы в каждом наборе). Так, например, может быть желательным начинать с отрицательного (сбросового) напряжения после сигнала возбуждения, завершающегося положительной частью, и заканчивать с отрицательным напряжением перед продолжением следующего срабатывания действием положительного сигнала возбуждения, или следовать другим путем, как показано на Фиг. 13С. Полярность первого импульса может быть выбрана, как описано выше, в зависимости от истории срабатываний. Сигнал сброса с неравным числом положительных и отрицательных импульсов не только создает множественные эффективные сбросы в пределах самого импульса, но также обусловливает повышенное произведение «эффективного напряжения×время» для одной из полярностей, в отличии от ситуации с равным числом импульсов.
Таблица 1. Примеры направлений полярности многоимпульсного сигнала сброса. «-» и «+» представляют противоположные полярности импульсов сигнала сброса.
| Число импульсов сигнала сброса в сигнале сброса | Распределение полярности импульсов сигнала сброса в пределах сигнала сброса | ||
| 3 | -+- | ||
| 4 | -+-- | --+- | |
| 5 | -+--- | --+-- | ---+- |
| 5 | -+-+- |
Амплитуда сигнала сброса
Как иллюстрировано выше, для одно- и многоимпульсных сигналов сброса уровень сигнала сброса может быть выполнен затухающим в течение сигнала сброса. В то время как для одиночного импульса сброса это просто означает, что его уровень уменьшается во времени (смотри выше). Для многоимпульсного сигнала сброса, включающего набор последовательных импульсов сигнала сброса, амплитуда уменьшается некоторым предварительно заданным образом. Более конкретно, многоимпульсный сигнал сброса с конфигурацией затухания амплитуды, как предполагается, действует более эффективно в отношении «трудных для сброса» типов ЭАП-материалов или структур. В конечном счете для некоторых дефектов, вызывающих эффект смещения, может потребоваться более сильное поле (амплитуда импульса) для возврата в исходное состояние, тогда как для других требуется слабое поле. Как только был достигнут сильнопольный сброс первым импульсом сигнала сброса, следует слабопольный сброс, который может предотвращать нарушение частей ранее произведенного сброса более ранним импульсом. Точные численные подробности для затухания импульса сигнала сброса зависят от характеристик возбужденной ЭАП-структуры. Но могут быть использованы схемы с линейным, экспоненциальным или другим типом затухания. Например, амплитуда каждого следующего импульса может быть меньшей на коэффициент 1/5, 1/3, 1/2 и т.д.
По соображениям общей электростатики электрическое поле, сформированное в ЭАП-структуре при подаче сигнала возбуждения или сигнала сброса, зависит от уровня сигнала (напряжения) и расстояния, на которое подано напряжение. Для ЭАП-структур это означает, что электрическое поле и напряжение связаны между собой сообразно толщине слоев ЭАП-структуры.
Применение импульсов возбуждения противоположной полярности, в результате чего произведение (напряжение×время) для импульса сброса меньше, чем для напряжения срабатывания, может обеспечивать преимущество как в отношении смещения, так и амплитуды срабатывания. В этих примерах произведение (напряжение×время) для импульса сброса предпочтительно более чем в 10 раз меньше, чем для напряжения срабатывания.
На основе опыта с вышеописанным иллюстративным актуатором, хороший эффект может быть достигнут уже при следующих диапазонах параметров для сигналов сброса. Амплитуда импульса сигнала сброса с электрическим полем от 10 Вольт/микрон до 300 Вольт/микрон, при этом слабые поля преимущественным образом не приводят к деформации актуатора, тогда как сильные поля будут приводить к этому, как разъясняется со ссылкой на Фиг. 8. Поэтому предпочтительный диапазон напряженности поля составляет от 10 Вольт/микрон до 100 Вольт/микрон или даже от 10 Вольт/микрон до 50 Вольт/микрон. Предпочтительно компенсирующим его предполагается уровень сигнала сброса по меньшей мере в 10 раз меньше уровня сигнала возбуждения.
Продолжительность импульса сигнала сброса превышает или равна 0,01 секунды. Предпочтительно продолжительность больше или равна 0,05 секунды. Если имеется только один импульс, тогда эта продолжительность представляет значение для продолжительности сигнала сброса.
Число импульсов сброса в сигнале сброса равно значению от 1 до 10. Может быть использовано больше, чем один, но часто не требуется.
В вышеуказанных примерах сигналы сброса включают или состоят из импульсов сброса конкретных типа, профиля или формы волны, например, треугольные, прямоугольные волны и т.д. Однако в примерах могут быть использованы другие профили или формы волн без потери эффекта изобретения, и такие формы волн включают, но не ограничиваются этим, синусоидальные, прямоугольные волны, прочие или комбинации.
Во всех из многоимпульсных сигналов сброса может иметь место время задержки между последовательными импульсами сигналов сброса, но это не является обязательным условием.
Во всех из многоимпульсных или изменяемых сигналов сброса периоды импульсов сигналов сброса или периоды или времена изменения могут быть различными или одинаковыми. Различие таких периодов может быть преимущественным, если дефекты, вызывающие эффект смещения, имеют различные временные масштабы релаксации. В то время как уровень сигнала сброса в этом примере удерживается постоянным, период импульсов сигнала сброса может изменяться в течение продолжительности 121 сигнала сброса (например, он может уменьшаться или увеличиваться для каждого следующего импульса сигнала сброса). Продолжительность или период могут становиться меньшими для больших уровней или амплитуды импульса сигналов сброса.
Во всех вышеуказанных примерах многоимпульсных сигналов были приведены три импульса сигнала сброса. Однако могут быть использованы другие количества импульсов, и среди них один сигнал сброса может отличаться от другого. Так, могут быть сигналы сброса, имеющие число импульсов более чем: 2, 3, 4, 5, 10, 100 или 1000. Число импульсов может зависеть от их периода и общей продолжительности сигнала сброса. Часто будут действенными импульсы числом менее 10. Более низкое число импульсов может ограничивать продолжительность сигнала сброса, и поскольку сигнал сброса может нарушаться фактическим временем применения устройства, часто преимущественным является ограничение его до настолько малого значения, насколько возможно.
Могут быть использованы высокочастотные возмущения, наложенные на номинальную форму импульса сброса, чтобы улучшить эффекты устранения/удаление внутренних трений в ЭАП-структуре.
Как описано выше, могут быть выбраны множества комбинаций параметров сигналов сброса для достижения требуемой компенсации эффекта смещения. Например, из сигнала сброса или любого из его импульсов сигнала сброса могут быть заданы индивидуально или в комбинации следующие параметры: тип профиля или формы волны (например, прямоугольная, треугольная, синусоидальная волна, или другой импульс сброса, и/или, например, изменяемый, пульсирующий, переменный сигнал сброса), число импульсов, продолжительность или период, полярность, уровень или амплитуда, затухание или возрастание уровня или амплитуды, частота. Один или более наборов этих параметров могут приводить к лучшей или самой лучшей компенсации эффекта смещения для конкретного актуатора, т.е. набор параметров будет зависеть от конструкции ЭАП-структуры и использованных материалов, а также от требуемых срабатываний (достигаемых с помощью ассоциированных сигналов возбуждения). Поэтому параметры сигнала сброса могут быть оптимизированы.
Эта оптимизация может быть выполнена с использованием испытания и калибровки; заранее или с использованием активной обратной связи. Например, набор (серия) необходимых сигналов возбуждения для требуемого срабатывания может быть подан на актуатор без сигнала сброса, чтобы оценить эффекты смещения актуатора. Затем сигналы сброса с различными характеристиками могут быть комбинированы с сигналами возбуждения, чтобы выявить их влияние на уменьшение эффектов смещения. Затем могут быть выбраны сигналы сброса на основе этих результатов и использованы во время фактического применения устройства.
Устройство калибровки может быть применено для испытания или обратной связи. Такое устройство может представлять собой электронное устройство, включающее генератор сигналов для подачи сигналов возбуждения и сигналов сброса согласно изобретению, и средство для наблюдения или измерения срабатывания, обусловленного этими сигналами. Это средство может представлять собой, например, камеру для наблюдения срабатывания, или лазерный пучок, отражающийся от актуатора в то время, когда измеряется отклонение пучка, или электрическая обратная связь, измеряющая срабатывание в зависимости от электрических характеристик ЭАП-структуры или материала (например, электрическая емкость). Также может быть применено любое другое устройство, обеспечивающее обратную связь при срабатывании.
С помощью метода и устройства калибровки может быть составлена справочная таблица, имеющая сохраненные данные параметров сигнала сброса, коррелирующие с данными сигнала возбуждения или даже данными срабатывания (поскольку они потребуют определенного сигнала возбуждения). Кроме того, могут быть использованы параметры приращения сигналов сброса, коррелирующие с параметрами приращения сигналов возбуждения или срабатываний. Так, например, если амплитуда сигнала возбуждения увеличивается со значением приращения, тогда сигнал сброса должен быть увеличен и/или сделан более продолжительным.
Калибровка и устройство могут быть реализованы в виде обратной связи и устройства обратной связи. Это создает свободу выбора компенсации эффекта смещения, так как в зависимости от сигнала возбуждения, выбранного в некоторый момент времени для непредсказуемого срабатывания, может быть обеспечена точная обратная связь на основе сигнала сброса.
Для обоих случаев может быть реализовано отслеживание истории сигналов возбуждения. Могут сохраняться или даже определяться (измеряться) данные (параметры) сигналов возбуждения, полученные после последнего сигнала сброса, причем на основе этих данных могут быть выбраны параметры сигнала сброса (смотри здесь выше для параметров). Например, может присутствовать интегратор сигналов.
В качестве примера реализации устройства по изобретению Фиг. 15 показывает устройство по Фиг. 3 с контроллером 150ʺ, включающим генератор 151 сигналов, процессор 152 для управления генератором сигналов, и запоминающее устройство 153 (например, электронное) для хранения данных, к которому процессор может иметь доступ. Процессор и запоминающее устройство могут представлять собой полупроводниковую интегральную схему (IC), выполненную с использованием стандартной технологии. Процессор запускает программное обеспечение для выполнения определенных задач для реализации способа по изобретению. В запоминающем устройстве сохраняется справочная таблица, которая описана здесь ранее.
Программное обеспечение может обеспечивать пользователю возможность сохранять данные сигнала сброса и данные сигнала возбуждения в запоминающем устройстве для создания справочной таблицы. Но, в альтернативном варианте, справочная таблица может быть сформирована заранее и встроена на заводском уровне. Например, в справочной таблице сохраняются данные, коррелирующие амплитуду сигнала возбуждения и амплитуду сигнала сброса. Таким образом, например, для более интенсивного сигнала возбуждения потребуется более сильный сигнал сброса.
Запоминающее устройство 153 устройства дополнительно сохраняет другие (в этом случае заданные) данные сигналов сброса для определения того, что сигнал сброса, например, представляет собой сигнал с продолжительностью 0,1 секунды, тремя, равной продолжительности, треугольными импульсами. Данные дополнительно определяют, что сигнал должен иметь полярность, противоположную последней части сигнала возбуждения, предшествующего сигналу сброса. Предусматривается затухание амплитуды импульса сигнала сброса таким образом, что каждая следующая амплитуда составляет половину величины предыдущей. В этом примерном случае эти данные фиксируются, но могут быть сделаны задаваемыми пользователем.
Устройство 151' может дополнительно включать пользовательское устройство ввода, такое как клавиатура, мышь, сенсорный экран, соединенное с процессором с помощью подходящих интерфейсов. Подобно этому, устройство может иметь устройство вывода, такое как дисплей или звуковое устройство, соединенное с процессором с помощью подходящих интерфейсов. Устройство ввода и программное обеспечение тем самым могут быть пригодны для обеспечения пользователю возможности задавать данные сигналов сброса. В альтернативном варианте, такие данные могут быть заданы на заводе.
Устройство 150 может включать в себя актуатор, содержащий ЭАП-структуру. Он может быть актуатором любого типа согласно изобретению. Поэтому устройство может представлять собой катетер или другое устройство для полостей тела, устройство личной гигиены и т.д. При возможности отсоединения от устройства возбуждения с помощью устройства возбуждения по необходимости могут быть возбуждены актуаторы различных типов.
Фиг. 16 показывает иллюстративную блок-схему 160 возможного способа эксплуатации актуаторного устройства 150. Устройство принимает входной сигнал 161 от пользователя с той целью, чтобы устройство выдавало конкретное срабатывание (смещение или давление усилия и т.д.), вызываемое подачей 168 управляющего сигнала 167' на ЭАП-структуру. На основе входного сигнала 161' на этапе 162 задается сигнал 162' возбуждения для достижения конкретного срабатывания. На основе сигнала 162' возбуждения на этапе 165 извлекаются зависимые от сигнала возбуждения данные 165' для сигнала сброса (в этом случае, например, амплитуда сигнала сброса и полярность, противоположная полярности сигнала возбуждения), на этапе 166 извлекаются предварительно заданные данные 166' сигнала сброса (например, форма, продолжительность сигнала и число импульсов) и объединяются на этапе 164 для формирования сигнала 164' сброса. На этапе 167 сигнал 162' возбуждения и сигнал 164' сброса объединяются с образованием управляющего сигнала 167'. Управляющий сигнал затем подается на ЭАП-структуру на этапе 168, чтобы актуаторное устройство выдавало требуемое приведение в действие (срабатывание).
Это изобретение относится, в частности, к приведению в действие ЭАП- актуаторов, включающих ЭАП-материалы в качестве ЭАП-структуры. Это материал, который может обеспечивать деформирование ЭАП-структуры при подаче электрического сигнала на ЭАП-структуру. В качестве такого ЭАП-материала может быть смесь (однородная или неоднородная), содержащая или состоящая из один или более матричных материалов с одним или более ЭАП. Например, это может быть дисперсия ЭАП в дополнительном полимерном матричном материале. Дополнительный полимерный матричный материал может быть сетчатым полимером, который обеспечивает возможность деформации, вызываемой ЭАП, смешанным или диспергированным в матричной сетке. ЭАП-материал может быть диспергирован в ней. Примерами таких сетчатых структур (сеток) являются упругие материалы. Предпочтительно количество ЭАП в таких композитных ЭАП-материалах выбирается из группы, состоящей из >50 процентов по массе или молярных процентов, >75 процентов по массе или молярных процентов или >90 процентов по массе или молярных процентов. ЭАП-материалы также могут включать полимеры, которые содержат в своих молекулах части ЭАП (или ЭАП-активные группы) и части других неактивных полимеров. Могут быть использованы многие электроактивные полимеры, ряд которых будет описан ниже.
В пределах подкласса возбуждаемых полем ЭАП первым значительным подклассом возбуждаемых полем ЭАП являются пьезоэлектрические и электрострикционные полимеры. В то время как электромеханические характеристики традиционных пьезоэлектрических полимеров ограничены, настоящим прорывом в улучшении этих характеристик стало создание релаксорных PVDF-полимеров, которые демонстрируют самопроизвольную электрическую поляризацию (возбуждаемое полем выравнивание). Эти материалы могут быть предварительно деформированы для улучшенных характеристик в направлении деформации (предварительное деформирование приводит к лучшему выстраиванию молекул).
Другой подкласс возбуждаемых полем ЭАП представляет собой диэлектрические эластомеры. Тонкая пленка этого материала может быть размещена между гибкими электродами, образуя конденсатор, такой как параллельный плоский конденсатор. В случае диэлектрических эластомеров натяжение Максвелла, индуцированное приложенным электрическим полем, приводит к механическому напряжению на пленке, вызывая ее сокращение по толщине и расширение по площади. Степень деформации обычно повышается предварительным деформированием эластомера (требующим рамку для сохранения предварительного деформирования). Деформации (например, растяжения) могут быть значительными (10-300%). Для этого класса материалов электроды предпочтительно механически присоединяются к ЭАП-материалу либо непосредственно, либо с промежуточными слоями материалов.
Для первого подкласса материалов обычно применяются металлические электроды из тонкой фольги, поскольку деформации обычно происходят в умеренном режиме (1-5%), также могут быть использованы электроды других типов, например, такие как проводящие полимеры, масла, гели или эластомеры на основе сажи и т.д. Для второго класса материалов обычно тип электродных материалов ограничивается высокими деформациями. Так, для диэлектрических материалов с низкими и умеренными деформациями могут предусматриваться металлические электроды и электроды из проводящих полимеров, для условий с высокими деформациями обычно используются масла, гели или эластомеры на основе сажи.
Первым важным подклассом ионных ЭАП являются ионные полимер-металлические композиты (IPMC). IPMC состоят из набухшей в растворителе мембраны из ионообменного полимера, наслоенной между двумя тонкими металлическими электродами или электродами на углеродной основе, и требуют применения электролита. Типичными электродными материалами являются Pt, Gd, углеродные нанотрубки (CNT), технический углерод (CP), Pd. Типичными электролитами являются водные растворы ионов Li+ и Na+. Когда прилагается поле, катионы обычно перемещаются к стороне катода вместе с водой. Это приводит к реорганизации гидрофильных кластеров и к расширению полимера. Деформация в области катода приводит к механическому напряжению в остальной части полимерной матрицы, обусловливая изгибание в сторону анода. Изменение знака приложенного напряжения производит реверсирование изгиба. Общеизвестными полимерными мембранами являются Nafion® и Flemion®.
Другим важным подклассом ионных полимеров являются сопряженные/проводящие полимеры. Актуатор на основе сопряженного полимера обычно состоит из электролита, размещенного между двумя слоями сопряженного полимера. Электролит используется для изменения состояния окисления. Когда на полимер через электролит подается потенциал, электроны добавляются к или удаляются из полимера, вызывая окисление и восстановление. Восстановление приводит к сокращению, окисление - к расширению.
В некоторых случаях вводятся тонкопленочные электроды, когда сам полимер не имеет достаточной проводимости (в плане размеров). Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым материалом (то есть комплексом полимеров с высокой молекулярной массой и солей металлов). Наиболее общеизвестными сопряженными полимерами являются полипиррол (PPy), полианилин (PANi) и политиофен (PTh).
Актуатор также может быть сформирован из углеродных нанотрубок (CNT), суспендированных в электролите. Электролит образует двойной слой с нанотрубками, обеспечивая инъекцию зарядов. Эта инъекция зарядов двойного слоя рассматривается как основной механизм в CNT-актуаторах. CNT действуют как электродный конденсатор с инжектированным в CNT зарядом, который затем уравновешивается электрическим двойным слоем, образованным при перемещении электролита к поверхности CNT. Изменение заряда на атомах углерода приводит к изменениям длины С-С-связей. В результате этого может наблюдаться расширение и сокращение одиночных CNT.
В отношении вышеуказанных материалов и более подробно электроактивные полимеры тем самым могут включать, но не ограничиваются этим, подклассы: пьезоэлектрических полимеров, электромеханических полимеров, релаксорных ферроэлектрических полимеров, электрострикционных полимеров, диэлектрических эластомеров, жидкокристаллических эластомеров, сопряженных полимеров, ионных полимер-металлических композитов, ионных гелей и полимерных гелей.
Подкласс электрострикционных полимеров включает, но не ограничивается этим:
поливинилиденфторид (PVDF), поливинилиденфторид-трифторэтилен (PVDF-TrFE), поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлорфторэтилен (PVDF-TrFE-CFE), поливинилиденфторид-трифторэтилен-хлортрифторэтилен (PVDF-TrFE-CTFE), поливинилиденфторид-гексафторпропилен (PVDF-HFP), полиуретаны или их смеси.
Подкласс диэлектрических эластомеров включает, но не ограничивается этим:
акрилаты, полиуретаны, силиконы.
Подкласс сопряженных полимеров включает, но не ограничивается этим:
полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли(p-фениленсульфид), полианилины.
Ионные устройства могут быть основаны на ионных полимер-металлических композитах (IPMC) или сопряженных полимерах. Ионный полимер-металлический композит (IPMC) представляет собой синтетический композитный наноматериал, который отображает поведение искусственных мускулов при приложенных напряжении или электрическом поле.
Более подробно, материалы IPMC состоят из ионного полимера типа Nafion или Flemion, поверхности которого химически или физически покрыты проводниками, такими как платина или золото, или электродами на основе углерода. При приложении напряжения миграция и перераспределение ионов вследствие приложенного к полосе IPMCs напряжения приводит к изгибной деформации. Полимер представляет собой набухшую в растворителе мембрану из ионообменного полимера. Поле вызывает перемещение катионов к стороне катода вместе с водой. Это приводит к реорганизации гидрофильных кластеров и к расширению полимера. Деформация в области катода приводит к механическому напряжению в остальной части полимерной матрицы, обусловливая изгибание в сторону анода. Изменение знака приложенного напряжения производит реверсирование изгиба.
Электроды в ЭАП-структуре могут иметь многие конфигурации, каждая из которых имеет конкретные преимущества и эффекты.
Если электроды с нанесенным покрытием размещены в несимметричной конфигурации, наложенные сигналы (например, напряжение) могут индуцировать деформации всех видов, такие как закручивание, свертывание, продольное скручивание, сворачивание и деформация несимметричного изгибания ЭАП-структуры.
Во всех из этих примеров могут быть предусмотрены дополнительные пассивные слои для влияния на электрическое и/или механическое поведение слоя ЭАП-материала в ответ на приложенное электрическое поле или подведенный ток.
Слой ЭАП-материала в каждом блоке может быть размещен между электродами. В альтернативном варианте электроды могут находиться на одной и той же стороне ЭАП-материала. В любом случае электроды могут быть физически присоединены к ЭАП-материалу либо непосредственно без каких-либо (пассивных) слоев между ними, либо опосредованно с дополнительными (пассивными) слоями между ними. Но это требуется не всегда. Для релаксорных или постоянных пьезоэлектрических или ферроэлектрических ЭАП непосредственный контакт не является необходимым. В последнем случае достаточно электродов вблизи ЭАП при условии, что электроды могут создавать электрическое поле для ЭАП, при этом структура электроактивного полимера будет демонстрировать свою функцию срабатывания. Электроды могут быть растяжимыми с тем, чтобы они следовали за деформацией слоя ЭАП-материала. Пригодные для электродов материалы также известны, и, например, могут быть выбраны из группы, состоящей из тонких пленок металла, такого как золото, медь или алюминий, или органических проводников, таких как сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли-(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли-(3,4-этилендиокситиофен)поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Также могут быть применены металлизированные сложнополиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (PET), например, использующий покрытие алюминием.
Материалы для различных слоев могут быть выбраны, например, с учетом модуля упругости (модуля Юнга) различных слоев. Таким образом, слишком жесткие слои будут противодействовать силам срабатывания, создаваемым ЭАП-материалами. Поэтому дополнительные слои предпочтительно являются менее жесткими, чем слои ЭАП-материала или их части.
Для адаптации электрического и механического поведения устройства могут быть использованы слои, дополнительные к обсуждаемым выше, такие как дополнительные слои полимеров для адгезии.
Устройство может быть применено в виде одиночного актуатора или же может быть последовательностью или матрицей из таких устройств, например, для обеспечения контроля двухмерного (2D) или трехмерного (3D) контура.
Изобретение может быть применено во многих ЭАП-приложениях, в том числе в примерах, где представляет интерес пассивная матричная конфигурация актуаторов, в частности, в результате пороговой функции, описанной выше для некоторых примеров актуаторов.
Во многих применениях основная функция изделия основывается на (локальном) обращении с человеческой тканью или приведении в действие контактирующих с тканью поверхностей раздела. В таких применениях ЭАП-актуаторы обеспечивают уникальные благоприятные возможности, главным образом благодаря небольшим габаритным размерам, гибкости и высокой плотности энергии. Поэтому ЭАП могут быть легко встроены в мягкие, с трехмерной формой и/или миниатюрные изделия и поверхности раздела. Примерами таких применений являются:
косметические средства ухода за кожей, такие как актуаторы для кожи в виде масок для кожи на основе ЭАП, которые создают постоянное или циклическое растяжение кожи, чтобы натянуть кожу или сократить морщины;
респираторные устройства с надеваемой на лицо пациента маской, которая имеет основанный на ЭАП подстилающий слой или уплотнение, для приложения переменного нормального давления к коже, которое сокращает или предотвращает красные следы на лице;
электрические бритвы с адаптивной бреющей головкой. Высота контактирующих с кожей поверхностей может регулироваться с использованием ЭАП-актуаторов, чтобы влиять на баланс между близостью и раздражением;
средства гигиены полости рта, такие как ирригаторы с динамическим приводом сопла, улучшающие доступ струи, в особенности в промежутки между зубами. В альтернативном варианте зубные щетки могут быть снабжены активируемыми щетинками;
бытовые электронные устройства или сенсорные панели, которые создают локальную тактильную обратную связь через матрицу ЭАП-преобразователей, которая встроена в пользовательский интерфейс или находится вблизи него;
катетеры с ориентируемым наконечником, упрощающим целенаправленное продвижение в извилистых кровеносных сосудах.
Другая категория соответственного применения, которая выгодна при использовании ЭАП-актуаторов, относится к регулированию света. Оптические элементы, такие как линзы, отражающие поверхности, дифракционные решетки и т.д., могут быть выполнены адаптируемыми по форме или положению с использованием ЭАП-актуаторов. Здесь преимущества ЭАП проявляются, например, в более низком энергопотреблении.
Другие вариации к раскрытым вариантам осуществления могут быть понятны и осуществлены квалифицированными специалистами в этой области техники при практической реализации заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В пунктах формулы изобретения слово «включающий»/«содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключает множества. Лишь тот факт, что определенные меры изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что не может быть использована с преимуществом комбинация этих мер. Все условные обозначения в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем.
В порядке обобщения, изобретение включает подачу сигнала сброса на структуру электроактивного полимера актуатора до и/или после одного или более сигналов на срабатывание. Сигнал сброса может вызывать релаксацию дефектов, например, таких как захваченный заряд, диполи и/или прочие в ЭАП или ЭАП-структуре, таким образом, что при последующей активации с использованием сигнала возбуждения исходное состояние срабатывания задается как более постоянное, чем без применения сигнала сброса. Поэтому результат срабатывания устройства, применяющего изобретение, является более воспроизводимым. Изобретение применимо к актуаторным устройствам, которые имеют структуру электроактивного полимера, включающую ЭАП-материал, где структура способна создавать механическое срабатывание при подвергании по меньшей мере части ЭАП-материала воздействию электрического сигнала возбуждения.
1. Способ приведения в действие актуаторного устройства (21), включающего в себя актуатор на основе электроактивного полимера, содержащий:
блок электродов (10, 12) для приема управляющего сигнала; и
структуру (14) электроактивного полимера для обеспечения срабатывания в ответ на упомянутый управляющий сигнал, причем срабатывание вызывает переход структуры электроактивного полимера из состояния покоя в активированное состояние, и затем возврат в его состояние покоя в результате релаксации;
при этом способ включает:
формирование управляющего сигнала, включающего:
сигнал возбуждения, вызывающий упомянутое срабатывание, причем сигнал возбуждения имеет первую полярность; и
сигнал сброса со второй полярностью, противоположной первой полярности, причем сигнал сброса предшествует сигналу возбуждения и/или следует за ним и предназначен для уменьшения или устранения смещения состояния покоя в течение последовательных срабатываний; и
подачу управляющего сигнала на блок электродов;
при этом величина амплитуды сигнала сброса равна или меньше произведения коэффициента пересчета уровня на величину амплитуды сигнала возбуждения, причем коэффициент пересчета уровня выбирается из группы, состоящей из: 0,5; 0,2; 0,1; 0,05; 0,02 и 0,01.
2. Способ по п. 1, в котором величина амплитуды сигнала сброса такова, что электрическое поле в структуре электроактивного полимера, вызванное сигналом сброса при подаче на блок электродов, составляет от 10 до 300 В/мкм.
3. Способ по п. 1 или 2, включающий подачу сигнала сброса в течение продолжительности сигнала сброса, которая составляет от 0,01 до 1 с.
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором интеграл величины амплитуды сигнала сброса по продолжительности сигнала сброса равен или меньше произведения коэффициента пересчета интеграла на интеграл величины амплитуды сигнала возбуждения по продолжительности сигнала возбуждения, причем коэффициент пересчета интеграла выбирается из группы, состоящей из: 0,5; 0,2; 0,1; 0,05; 0,02 и 0,01.
5. Способ по любому из предшествующих пунктов, причем сигнал возбуждения имеет продолжительность сигнала возбуждения, при этом:
в течение всей продолжительности сигнала возбуждения или в конечной части продолжительности сигнала возбуждения сигнал возбуждения имеет первую полярность, а сигнал сброса включает по меньшей мере одну часть второй полярности, противоположной первой полярности.
6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором сигнал сброса включает или состоит из изменяемого сигнала или переменного сигнала.
7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором сигнал сброса включает или состоит из множества импульсов сигнала сброса.
8. Способ по п. 7, в котором сигнал сброса включает или состоит из переменного сигнала, имеющего постоянный или изменяющийся период.
9. Способ по п. 7 или 8, в котором каждый из импульсов сигнала сброса имеет максимальный уровень импульса сигнала сброса, и абсолютное значение уровня импульса сигнала сброса уменьшается для каждого следующего из множества импульсов сброса в сигнале сброса.
10. Способ по любому из пп. 6-9, в котором сигнал сброса включает по меньшей мере первую полярность и вторую полярность, противоположную первой полярности.
11. Способ по любому из пп. 1-10, причем способ дополнительно включает:
обеспечение справочной таблицы, содержащей данные сигнала возбуждения для задания множества сигналов возбуждения и данные сигнала сброса для задания множества сигналов сброса, причем каждый элемент упомянутых данных сигнала возбуждения связан с элементом упомянутых данных сигнала сброса;
после задания сигнала возбуждения извлечение из справочной таблицы данных сигнала сброса для сигнала сброса на основе одного или более элементов упомянутых данных сигнала возбуждения в справочной таблице;
и формирование сигнала возбуждения и сигнала сброса управляющего сигнала с использованием упомянутых данных сигнала сброса и извлеченных данных сигнала сброса.
12. Способ по любому из пп. 1-11, причем способ дополнительно включает:
определение истории срабатываний актуатора на основе электроактивного полимера; и
формирование сигнала сброса на основе истории срабатываний.
13. Способ по любому из пп. 1-6, в котором сигнал сброса:
следует за каждым сигналом возбуждения и/или предшествует ему;
или следует за множеством сигналов возбуждения и/или предшествует им.
14. Запоминающее устройство, включающее в себя компьютерный программный продукт, содержащий считываемый компьютером код, при этом код при исполнении на актуаторном устройстве, включающем в себя ЭАП-актуатор, вызывает исполнение этапов по любому из способов по пп. 1-13.
15. Актуаторное устройство, содержащее:
актуатор на основе электроактивного полимера, ЭАП, включающий в себя:
блок электродов (10, 12) для приема управляющего сигнала от контроллера; и
структуру (14) электроактивного полимера для обеспечения срабатывания в ответ на управляющий сигнал, причем срабатывание вызывает переход структуры электроактивного полимера из состояния покоя в активированное состояние, а затем возврат в его состояние покоя в результате релаксации;
и контроллер для управления актуатором на основе электроактивного полимера, причем контроллер предназначен для:
формирования управляющего сигнала, содержащего:
сигнал возбуждения, вызывающий упомянутое срабатывание, причем сигнал возбуждения имеет первую полярность; и
сигнал сброса со второй полярностью, противоположной первой полярности, причем сигнал сброса предшествует сигналу возбуждения и/или следует за ним, для уменьшения или устранения смещения состояния покоя в течение последовательных срабатываний; и
подачу управляющего сигнала на блок электродов;
при этом величина амплитуды сигнала сброса равна или меньше произведения коэффициента пересчета уровня на величину амплитуды сигнала возбуждения, причем коэффициент пересчета уровня выбирается из группы, состоящей из: 0,5; 0,2; 0,1; 0,05; 0,02 и 0,01.
16. Актуаторное устройство по п. 15, содержащее процессор и запоминающее устройство по п. 14, при этом процессор предназначен для исполнения считываемого компьютером кода компьютерного программного продукта.
