Исполнительное и считывающее устройство на основе электроактивного полимера

Изобретение относится к области актуаторов и датчиков. Техническим результатом является повышение точности управления. Исполнительное и считывающее устройство на основе электроактивного материала приводится в действие сигналом срабатывания, имеющим период активации для зарядки исполнительного устройства и период деактивации для разрядки исполнительного устройства. Параллельное сопротивление исполнительного устройства определяют посредством считывания установившегося тока во время периода активации, и последовательную емкость исполнительного устройства определяют на основе потока зарядов во время зарядки исполнительного устройства в начале периода активации. Последовательное сопротивление получают посредством регулирования тока через исполнительное устройство с использованием осциллирующего профиля таким образом, чтобы могло быть измерено фазовое соотношение исполнительного устройства между током и напряжением. Осциллирующий сток тока используют для обеспечения возможности измерения компонентов схемы, которые реализуют функциональность считывания. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Это изобретение относится к исполнительным/считывающим устройствам, которые используют электроактивные материалы для срабатывания и считывания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Электроактивные материалы (electroactive material - EAM) являются классом материалов в области электрически управляемых материалов. При реализации в исполнительном устройстве, воздействие электрического сигнала возбуждения на EAM может заставить его измениться по размеру и/или форме. Этот эффект может быть использован в целях обеспечения срабатывании и считывания. Существуют органические и неорганические EAM. Особой разновидностью органических EAM являются электроактивные полимеры (electroactive polymer - EAP).

Электроактивные полимеры (EAP) являются новым классом электрически управляемых материалов. EAP, подобно EAM, могут работать в качестве датчиков или исполнительных устройств и легко могут быть изготовлены в различных формах, допускающих легкую интеграцию в целый ряд систем. Другие преимущества EAP включают в себя низкую мощность, малый формфактор, гибкость, бесшумную работу, и точность, возможность высокого разрешения, малое время срабатывания, и циклическое срабатывание. Устройство на основе EAP может быть использовано в любом применении, в котором требуется малая величина перемещения компонента или элемента на основе электрического срабатывания. Подобным образом, эта технология может быть использована для считывания малых перемещений. Использование EAP обеспечивает функции, которые были невозможны прежде, или обеспечивает большое преимущество перед обычными решениями датчиков/ исполнительных устройств, вследствие комбинации относительно большой деформации и усилия в малом объеме или тонком формфакторе, по сравнению с обычными исполнительными устройствами. EAP также обеспечивают бесшумную работу, точное электронное управление, быстрое срабатывание, и большой диапазон частот срабатывания, например, 0-20 кГц.

В качестве примера того, как устройство на основе EAM может быть сконструировано и может работать, фиг. 1 и 2 показывают два возможных режима работы устройства на основе EAP, которое содержит слой 14 электроактивного полимера, расположенный между электродами 10, 12, расположенными на противоположных сторонах слоя 14 электроактивного полимера. Фиг. 1 показывает устройство, которое не прикреплено к несущему слою. Чтобы вызвать показанное расширение слоя электроактивного полимера во всех направлениях, используют напряжение. Фиг. 2 показывает устройство, которое выполнено таким образом, что расширение возникает только в одном направлении. Для этой цели, конструкция фиг. 1 прикреплена или присоединена к несущему слою 16. Чтобы вызвать изгиб или выгиб слоя электроактивного полимера, используют напряжение. Природа этого перемещения состоит во взаимодействии между активным слоем, который расширяется при срабатывании, и пассивным несущим слоем, который не расширяется при срабатывании.

Для некоторых классов EAM, при приложении к устройству малой силы (механической нагрузки), в ответ генерируется электрический сигнал. Это позволяет использовать единственную EAM-конструкцию как для срабатывания, так и для считывания. Эта двойная функциональность является предпочтительной, поскольку она не требует двух отдельных компонентов (для срабатывания и считывания) и, таким образом, обеспечивает экономию затрат и размера.

Считывание может быть, например, использовано для определения давления или силы, действующих на устройство, или оно может быть использовано для контроля уровня срабатывания в режиме обратной связи.

Способность к считыванию исполнительного устройства на основе электроактивного материала основана на определении электрического входного полного сопротивления.

Известные исполнительные устройства/датчики на основе EAM обычно обеспечивали функции считывания и срабатывания, которые были отделены друг от друга либо физически, когда для считывания и срабатывания использовались разные области или участки устройства, например, с отдельно обеспеченным электрическим соединением для каждой области или участка, либо во времени, когда единственное устройство последовательно переключалось между функцией считывания и функцией срабатывания. Например, заявка на патент США № 2014/0139329 раскрывает EAP-систему, содержащую схему считывания, схему срабатывания, и схему переключения. Схема считывания выполнена с возможностью детектировать сигнал от EAP, когда он деформируется. Только после детектирования сигнала от EAP, схема переключения активизирует схему срабатывания таким образом, чтобы она могла генерировать срабатывание на основе входного сигнала считывания. Следовательно, считывание и срабатывание отделены во времени друг от друга: считывание и срабатывание происходят последовательно, причем одно из них следует из другого.

Совсем недавно было предложено одновременное считывание и срабатывание и использование одного и того же устройства. В качестве примера, заявитель предложил (но еще не опубликовал, по состоянию на дату приоритета этой заявки) устройство, способное одновременно обеспечивать срабатывание и считывание. Первый управляющий сигнал предназначен для использования в срабатывании устройства, и второй управляющий сигнал предназначен для использования в считывании устройством. Второй сигнал считывания является электрическим сигналом переменного тока, выбираемым таким образом, чтобы на основании этого электрического сигнала считывания мог быть определен механический резонанс исполнительного устройства. Первый сигнал срабатывания может быть управляющим сигналом любого типа, лишь бы он был пригодным для обеспечения срабатывания.

Сигнал срабатывания и сигналы считывания могут накладываться с образованием объединенного управляющего сигнала. При подаче сигнала считывания с частотой, соответствующей частоте механического резонанса EAM-конструкции или одной из ее гармоник, в конструкции создается механическая стоячая волна, которая, в свою очередь, влияет на электрические характеристики конструкции. В частности, полное сопротивление конструкции является меньшим для сигнала считывания (и, таким образом, для этой части управляющего сигнала), соответствующего резонансной частоте, вследствие механических вибраций, которые совпадают по фазе с сигналом считывания. Напротив, полное сопротивление материала является большим для сигнала считывания, соответствующего антирезонансной частоте материала, вследствие механических вибраций, которые не совпадают по фазе с сигналом считывания. Представляется, что на таких частотах считывание является очень эффективным, и при этом оно не создает помехи для более длительного одновременного срабатывания.

Любая механическая нагрузка, такая как, например, давление, прикладываемая к конструкции на основе электроактивного материала, может вызывать в конструкции успокоение, вызывающее сдвиг ее резонансной частоты (и антирезонансной частоты) от обычного значения без успокоения, в результате чего создается несоответствие между высокочастотным сигналом считывания и основной частотой механических вибраций (или ее антирезонансным эквивалентом, в случае антирезонансного соответствия). Таким образом, может быть детектирован и/или определен сдвиг в резонансной частоте, и он может быть затем скоррелирован с внешней механической нагрузкой.

В заявке на патент США № 2002/0130673 также упоминается возможность обеспечения объединенного считывания и срабатывания в одной и той же активной области полимера посредством наложения низкоамплитудного высокочастотного сигнала считывания переменного тока на исходный сигнал возбуждения (срабатывания).

При использовании зарядового считывания возникает проблема, состоящая в том, что требуются очень чувствительные электрометрические усилители, что делает считывание сложным, когда требуется срабатывание. Использование высокочастотного сигнала считывания требует отдельного генератора напряжения для генерирования осциллирующего сигнала, подаваемого на считывающий элемент. Наложение разных напряжений также требует электрических схем. Таким образом, требуются сложные возбуждающие схемы.

Дополнительной проблемой, возникающей при использовании накладываемых сигналов переменного и постоянного тока, является то, что высокочастотный источник должен быть защищен от высокого постоянного рабочего напряжения, и электрический генератор постоянного тока должен быть отвязан от источника переменного тока. Таким образом, могут потребоваться объемные и дорогостоящие решения со смещением постоянным током. Дополнительно, модуляция переменного тока может приводить к малым осцилляциям, которые могут создавать помехи для самой активации.

Существует потребность в устройстве и способе работы, в которых может быть обеспечено одновременное считывание и срабатывание с использованием упрощенных схем считывания.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Объект настоящего изобретения по меньшей мере частично удовлетворяет вышеупомянутую потребность. Этот объект обеспечивается изобретением, определенным независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения обеспечивают предпочтительные варианты осуществления.

Примеры согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечивают устройство для одновременного срабатывания и считывания, содержащее:

исполнительный и считывающий компонент на основе электроактивного материала, имеющий эквивалентную электрическую схему, состоящую из первого резистора, параллельно соединенного с последовательной комбинацией из конденсатора и второго резистора;

электродную систему;

датчик тока для считывания тока, протекающего к компоненту;

источник тока для регулирования тока через компонент;

средство для определения напряжения на компоненте;

контроллер, выполненный с возможностью обеспечивать сигнал срабатывания для электродной системы, который содержит период активации, для зарядки компонента,

причем контроллер дополнительно выполнен с возможностью:

определять сопротивление первого резистора посредством считывания установившегося тока во время периода активации;

определять емкость конденсатора посредством определения потока зарядов во время зарядки компонента в начале периода активации и учета сопротивления первого резистора; и

определять сопротивление второго резистора посредством регулирования тока через компонент с использованием источника тока во время зарядки или разрядки, для обеспечения осциллирующего профиля и определения фазового соотношения между током, считываемым датчиком тока, и напряжением, измеряемым вольтметром.

Это устройство позволяет использовать компонент на основе электроактивного материала (такой как исполнительное устройство на основе электроактивного полимера (EAP)) в качестве как считывающего элемента, так и исполнительного устройства, без необходимости в дополнительном источнике напряжения для генерирования осциллирующего напряжения для измерения (изменения) входного полного сопротивления компонента. Посредством использования осциллирующего стока тока, не требуются никакие объемные и дорогостоящие блоки смещения постоянным током и компоненты связи по переменному току, поскольку источник тока может быть реализован просто в виде управляемой транзисторной схемы. Наконец, устройство может обеспечить считывание, не влияющее на сам уровень срабатывания.

Сигнал срабатывания предпочтительно является формой напряжения. Средство для определения напряжения может содержать вольтметр для снятия показаний напряжения на компоненте. Однако вместо этого напряжение может быть известным, поскольку оно является результатом сигнала срабатывания, и тогда может не потребоваться дополнительное измерение.

Фазовое соотношение может быть использовано для определения сопротивления второго резистора после определения величин первого (параллельного) резистора и конденсатора.

Исполнительный и считывающий компонент на основе электроактивного материала может быть компонентом с полевым управлением или с токовым управлением. Эквивалентная схема является, в основном, одной и той же и представляет собой конденсатор с потерями.

Сигнал срабатывания предпочтительно имеет период активации, составляющий по меньшей мере 0,5 с. Таким образом, устройство предназначено для относительно медленных изменений срабатывания. Это позволяет устройству достигать электрически установившегося состояния, так что сопротивления могут измеряться в отсутствие влияния емкости. Период активации может составлять по меньшей мере 1,0 с.

Частота осцилляций может быть значительно большей относительно длительности периода активации, так что время разрядки может быть значительно меньшим. Например, ток разрядки может осциллировать с f=1 кГц, причем для обеспечения разрядки необходимо 5 циклов, что дает в результате время разрядки, составляющее 5 мс.

Существуют многие применения, где не обязательно требуется высокая скорость срабатывания, например, применения для катетеров.

Осциллирующий профиль предпочтительно имеет частоту, составляющую по меньшей мере 100 Гц, например, по меньшей мере 1 кГц. Таким образом, осциллирующий сигнал может иметь короткую длительность для обеспечения минимального влияния на срабатывание. Осциллирующий сигнал является единственным измерением, которое не использует нормальный профиль срабатывания. Он может быть ограничен малым числом циклов, которое будет достаточным только для определения фазового соотношения.

Осциллирующий профиль может иметь смещение постоянным током для уменьшения влияния на активацию или деактивацию компонента. Например, если осциллирующий профиль применяется во время деактивации, может быть желательным сохранять активированное состояние как можно дольше. Смещение постоянным током может быть использовано для этой цели, так что при определении фазового соотношения может иметь место только частичная механическая деактивация компонента.

Осциллирующий профиль может иметь частоту, которая изменяется с течением времени. Это может быть использовано для обеспечения возможности определения резонансного отклика. Этот резонанс будет детектирован для полной электрической схемы. Выполняют измерение резонансной частоты, а также измерение фазы. Сток тока с переменной частотой может быть реализован микроконтроллером, управляющим стоком тока (например, транзистором или транзисторной схемой) посредством цифроаналогового преобразования.

Контроллер может быть выполнен с возможностью определять сопротивление второго резистора во время разрядки, как упомянуто выше. Однако вместо этого он может быть выполнен с возможностью определять сопротивление второго резистора во время зарядки. Например, часть сигнала срабатывания может содержать участок без регулирования тока (для измерений в установившемся режиме), и другая часть может содержать участок с регулированием тока.

Контроллер может быть дополнительно выполнен с возможностью определять на основании определенных сопротивлений и емкости внешнюю силу, давление или температуру у компонента.

Примеры согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечивают способ одновременного срабатывании и считывания, использующий исполнительный и считывающий компонент на основе электроактивного материала, имеющий эквивалентную электрическую схему, состоящую из первого резистора, параллельно соединенного с последовательной комбинацией из конденсатора и второго резистора, причем способ содержит этапы, на которых:

обеспечивают сигнал срабатывания для электродной системы, который содержит период активации, для зарядки компонента,

определяют сопротивление первого резистора посредством считывания установившегося тока во время периода активации;

определяют емкость конденсатора посредством определения потока зарядов во время зарядки компонента в начале периода активации и учета сопротивления первого резистора; и

определяют сопротивление второго резистора посредством регулирования тока через компонент во время зарядки или разрядки, для обеспечения осциллирующего профиля и определения фазового соотношения между считываемым током и напряжением.

Этот способ позволяет определить электрические характеристики компонента простым способом без оказания влияния на требуемое срабатывание. Эти характеристики отражают считываемый внешний параметр (такой как температура, сила или давление).

Способ может содержать этап, на котором генерируют осциллирующий профиль с частотой, составляющей по меньшей мере 100 Гц, например, по меньшей мере 1 кГц. Осциллирующий профиль может иметь смещение постоянным током для уменьшения влияния на активацию или деактивацию компонента. Осциллирующий профиль может иметь частоту, которая изменяется с течением времени. Определение сопротивления второго резистора может иметь место во время зарядки или разрядки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Примеры настоящего изобретения будут теперь подробно описаны со ссылкой на сопутствующие чертежи, в которых:

Фиг. 1 показывает известное устройство на основе электроактивного полимера, которое не закреплено;

Фиг. 2 показывает известное устройство на основе электроактивного полимера, которое ограничено защитным слоем;

Фиг. 3 показывает исполнительную и считывающую систему на основе EAP;

Фиг. 4 показывает типичную электрическую эквивалентную схему неактивированного EAP;

Фиг. 5 показывает электрическую схему эквивалентной схемы EAP в моделирующем программном средстве;

Фиг. 6 показывает результаты моделирования, показывающие напряжение на EAP, а также ток через него;

Фиг. 7 показывает увеличенный вид части формы волны фиг. 6;

Фиг. 8 показывает модель схемы для обеспечения функциональности схемы фиг. 3;

Фиг. 9 показывает синхронизацию сигнала срабатывания;

Фиг. 10 показывает моделируемое напряжение на EAP и токовый отклик;

Фиг. 11 показывает поток зарядов;

Фиг. 12 показывает поведение при разрядке;

Фиг. 13 показывает увеличение части формы волны фиг. 12;

Фиг. 14 показывает уровень заряда на исполнительном устройстве на основе EAP в альтернативном измерительном подходе; и

Фиг. 15 показывает способ считывания и срабатывания.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает исполнительное устройство на основе электроактивного материала с функциональностью датчика, которое приводится в действие сигналом срабатывания, имеющим период активации для зарядки исполнительного устройства и, необязательно, также период деактивации для разрядки исполнительного устройства. Параллельное сопротивление исполнительного устройства определяют посредством считывания установившегося тока во время периода активации, и последовательную емкость исполнительного устройства определяют на основе потока зарядов во время зарядки исполнительного устройства в начале периода активации. Последовательное сопротивление получают посредством регулирования тока через исполнительное устройство с использованием осциллирующего профиля таким образом, чтобы могло быть измерено фазовое соотношение исполнительного устройства между током и напряжением. Осциллирующий сток тока используют для обеспечения возможности измерения компонентов схемы, которые реализуют функциональность считывания.

Фиг. 3 показывает исполнительное устройство 22 на основе EAP, содержащее верхний слой 24 материала на основе EAP, расположенный между двумя электродами. Эта трехслойная структура расположена и присоединена поверх нижнего несущего слоя 26. Электроды электрически соединены с датчиком 30 тока, для считывания тока, протекающего к исполнительному устройству, с источником 32 тока, для регулирования тока через исполнительное устройство (в частности, тока разрядки), необязательно, с вольтметром 34, для снятия показаний напряжения на исполнительном устройстве, и с контроллером 36. Контроллер 36 обеспечивает сигнал срабатывания для электродной системы, который содержит период активации, для зарядки исполнительного устройства, и период деактивации для разрядки исполнительного устройства.

Настоящее изобретение основано на определении электрических характеристик исполнительного устройства для обеспечения функции считывания, в частности, функции полного сопротивления.

Типичная электрическая эквивалентная схема неактивированного EAP показана на фиг. 4. Эта схема является схемой с последовательным включением первого резистора (R_s) и конденсатора (C_s), к которым параллельно присоединен второй, параллельный резистор (R_p). В упрощенной версии, эта эквивалентная схема может быть преобразована в показанную схему с последовательным включением сопротивления (R) и емкости (C). В качестве примера, величины компонентов схемы составляют: R_p=10 МОм, R_s=80 кОм, C_s =800 нФ.

Действительная часть (R) и мнимая часть (X_C=1/ωC) упрощенной эквивалентной схемы могут быть вычислены посредством распределения напряжения, а также фазового сдвига между напряжениями и общим током, протекающим через оба компонента. Таким образом, посредством измерений тока и напряжения могут быть получены сопротивление R и емкость С. Однако, это не обеспечивает все параметры полной (3-компонентной) эквивалентной схемы, так что требуются дополнительные измерения, объясненные ниже.

Сначала будут определены параметры схемы:

Полное сопротивление Уравнение 1

Сопротивление Уравнение 1

Реактивное сопротивление Уравнение 2

Реактивное сопротивление Уравнение 3

Фаза Уравнение 4

Согласно определениям, приведенным выше, полное сопротивление определяется его действительной частью (R) и мнимой частью (X), а также фазовым сдвигом (ϕ) между обоими значениями. Все три параметра могут быть также записаны в виде функции единственных значений (R_s, X_s и R_p) полной эквивалентной схемы фиг. 4.

Полным сопротивлением полной эквивалентной схемы является:

Полное сопротивление Уравнение 5

Посредством разделения уравнения 6 на его действительную и мнимую части, получаем:

Сопротивление

Уравнение 6

Реактивное сопротивление

Уравнение 7

Фазовый сдвиг задается следующим образом:

Фаза Уравнение 8

Наконец, модуль полного сопротивления схемы может быть вычислен как .

Во время измерения полного сопротивления, известное напряжение генерируется для обеспечения тока, протекающего через компонент на основе EAP. На основе измеренного тока (часто измеряемого как падение напряжения на последовательном резисторе) и фазового сдвига между током и напряжением, может быть вычислено полное сопротивление.

Теперь будет показано, как измерения, выполняемые в схеме фиг. 4, могут быть использованы для получения значений всех трех компонентов, а не только упрощенных значений R и C.

Для этого вычисления рассматривается постоянное синусоидальное напряжение =10 В с частотой осцилляций f=10 Гц. Посредством измерения определяют ток и фазовый сдвиг ϕ (фазовый сдвиг между и ). Оба значения обычно измеряют посредством добавления малого сопротивления последовательно измеряемому полному сопротивлению.

Тогда будут известны все значения, необходимые для вычисления параметров упрощенной эквивалентной схемы:

Полное сопротивление Уравнение 9

Сопротивление Уравнение 10

Реактивное сопротивление Уравнение 11

Однако, затем необходима дополнительная информация для получения значений компонентов для полной эквивалентной схемы. Преобразование из упрощенной эквивалентной схемы в подробную схему фиг. 4 обычно выполняют посредством исследования частотного поведения и подходов с численной аппроксимацией (в случае, когда не существует никакого аналитического решения) или посредством измерения сопротивления (полного сопротивления) при постоянном напряжении/токе (что приводит к отсутствию тока через реактивную часть после полной зарядки емкости).

Модель схемы будет теперь использована, чтобы показать, как требуемая дополнительная информация может быть получена с использованием способа настоящего изобретения. Эта модель в первую очередь представляет собой стандартную технологию измерения полного сопротивления, реализуемую посредством измерения напряжения на EAP и измерения тока через EAP, и эта модель расширяет эти измерения дополнительным измерением осциллирующего тока.

Фиг. 5 показывает электрическую схему, основанную на эквивалентной схеме EAP в моделирующем программном средстве. Полная эквивалентная схема исполнительного устройства на основе EAP возбуждается источником 50 напряжения через измерительный резистор Rm.

EAP управляется источником 50 переменного напряжения, генерирующим упомянутое выше синусоидальное напряжение с удвоенной амплитудой 10 В и частотой 10 Гц. Соответствующие результаты моделирования, показывающие напряжение на EAP (график 60), а также ток через него (график 62), показаны на фиг. 6.

Посредством реализации вычислений, указанных выше, могут быть определены амплитуды этого напряжения и тока, а также их фазовый сдвиг. Этими значениями полностью определяется полное сопротивление. Увеличенный вид части формы волны показан на фиг. 7.

Числовыми значениями являются:

Фазовый сдвиг ϕ=13,85°

Реактивное сопротивление Х=19,581 кОм

Сопротивление R=79,404 кОм.

Это показывает, что анализ формы волны способен правильно определить значения компонентов (упрощенной) эквивалентной схемы. Очень малые отличия от аналитических результатов основаны на численных эффектах моделирования. Однако получено только полное сопротивление для упрощенной схемы, и для выделения значений последовательного сопротивления, параллельного сопротивления и емкости из общего полного сопротивления, необходимо предпринять дополнительные усилия.

Настоящее изобретение обеспечивает устройство и способ для определения параметров полной эквивалентной схемы для получения самого полного обзора характеристик EAP.

Выше было показано, что модель схемы может быть использована для определения действительной и мнимой части, а также фазового сдвига полного сопротивления, хотя они могут быть также получены на практике посредством измерения напряжения на исполнительном и считывающем компоненте на основе EAP и тока через него.

Фиг. 8 показывает модель схемы для реализации схемы (т.е. фиг. 3) и измерительного подхода настоящего изобретения.

Схема содержит эквивалентную схему исполнительного устройства на основе EAP, соединенную с выходным контактом идеального устройства возбуждения. Выходной контакт устройства возбуждения соединяется с включателем 80 для подачи рабочего постоянного напряжения Vdc (например, 200 В) на этот контакт, и с выключателем 82 для соединения заземления с этим контактом для выключения исполнительного устройства на основе EAP. Постоянное возбуждающее напряжение (V_dc), а также цифровые управляющие сигналы (V_on, V_off) для переключателей моделируются как идеальные источники напряжения.

Ветвь разрядки состоит из (идеального) стока 84 тока (или соответствующего переменного сопротивления) и необязательного разряжающего резистора R_m.

Ветвь разрядки реализует синусоидальную форму волны тока разрядки, реализуемую в модели цифровым сигналом (V_sens).

Вся схема управляется таким образом, что через 0,5 с EAP будет активированным в течение 1,0 с. Во время следующего кванта времени, равного 1,0 с, EAP деактивируется (разряжается) через ветвь разрядки.

Эта синхронизация графически показана на фиг. 9. График 90 показывает напряжение, прикладываемое к упомянутому контакту двумя переключателями 80, 82, и график 92 показывает напряжение Vsens, используемое для регулирования тока, протекающего по цепи разрядки. Это напряжение Vsens может просто считаться сигналом активации, и, как объяснено ниже, оно приводит к подаче конкретной формы волны тока, такой как осциллирующая форма волны тока с конкретным током и частотой.

В общем, предлагаемая процедура для определения параметров полной эквивалентной схемы исполнительного устройства на основе EAP состоит из трех этапов:

1. Вычисляют параллельное сопротивление R_p при постоянном срабатывании компонента на основе EAP. В частности, сопротивление первого резистора R_p получают посредством считывания установившегося тока во время периода активации.

2. Определяют последовательную емкость посредством вычислений заряда во время работы в установившемся режиме. В частности, емкость конденсатора получают посредством определения потока зарядов во время зарядки исполнительного устройства в начале периода активации и учета сопротивления первого резистора R_p.

3. Определяют фазовый сдвиг последовательного полного сопротивления при (квази-) линейной зарядке или разрядке компонента. Линейная зарядка или разрядка имеет постоянный ток. Вместо этого используют осциллирующий зарядный или разрядный ток, но с постоянной амплитудой, т.е. постоянный переменный ток. Таким образом, сопротивление второго резистора R_s получают посредством регулирования тока через исполнительное устройство с использованием источника тока во время зарядки или разрядки для обеспечения осциллирующего профиля и определения фазового соотношения между считываемым током и напряжением.

Эти три этапа подробно объяснены ниже.

Параллельное сопротивление R_p получают при постоянном срабатывании EAP. Когда собственная емкость C_s исполнительного устройства на основе EAP полностью заряжена, постоянный ток протекает только через параллельную ветвь и ограничен параллельным сопротивлением R_p. Соответственно, это сопротивление может быть вычислено посредством деления прикладываемого напряжения на фактический ток. Прикладываемое напряжение в любом случае известно контроллеру. Таким образом, только постоянный ток необходимо определить посредством измерения. Этот ток может быть легко измерен, когда он является постоянным, что в примере тока имеет место по прошествии около 1 секунды, т.е. 0,5 с в периоде активации.

Фиг. 10 показывает моделируемое напряжение на EAP (график 100) и токовый отклик. Ток протекает в обеих параллельных ветвях эквивалентной схемы, причем ток ветви конденсатора (график 102) экспоненциально затухает, а ток ветви параллельного резистора (график 104) является постоянным во время срабатывания (между 0,5 с и 1,5 с). Следует отметить, что фиг. 10 показывает ток параллельного резистора, умноженный на 10, для обеспечения его видимости.

Постоянный ток составляет 20 мкА. Таким образом, можно вычислить, что параллельное сопротивление R_p составляет 200В/20мкA= 10MОм.

Следует отметить, что параллельный ток, протекающий через первый резистор R_p, может быть измерен на основе вычисления потока зарядов. Это может представлять интерес, поскольку связанные с зарядом данные в любом случае используются для определения реактивного сопротивления X_Cs, описанного ниже. Конечно, поток зарядов может быть измерен в виде интеграла мгновенного тока по времени.

Интерес представляет заряд, подаваемый на EAP, который определяется интегралом по времени тока, протекающего через компонент. Математически это описывается согласно уравнению 12.

Заряд Уравнение 12

Поток зарядов показан на фиг. 11. В момент времени t= 1 с заряд составляет Q_tot= 169 мкAс. Во время активации, заряды также протекают через параллельное сопротивление R_p. Эти заряды могут быть вычтены из общего заряда для определения зарядов, накапливающихся в емкости.

Поток зарядов через параллельное сопротивление R_p может быть легко вычислен, поскольку параллельное сопротивление уже было определено и в этом примере составляет 10 МОм.

Ток через 0,5 с составлял 20 мкА, соответственно, поток зарядов в течение этого времени составляет Q_Rp= 20мкA * 0,5с= 10мкАс. Таким образом, заряд, подаваемый на емкость, составляет Q_Cs= 169мкАс -10мкАс=159мкАс. Поскольку прикладывается постоянное напряжение, емкость может быть вычислена согласно Уравнению 14 (для переменного напряжения необходимо рассмотреть интегральное определение):

Заряд Q=C*V Уравнение 13

Таким образом, можно вычислять, что емкость составляет Cs= 159 мкАс/200В= 795 нФ. Это очень близко к фактическому значению, составляющему 800 нФ. Отличие, составляющее всего 0,6%, основано на точности численного моделирования.

На основе емкости, составляющей 795 нФ, реактивное сопротивление X_C на частоте 10 Гц может быть вычислено согласно Уравнению 4. Это дает X_C, составляющее 20,019 кОм.

Последовательное и параллельное сопротивления, а также емкость Cs могут быть заданы уже после изготовления как в виде функции частоты, так и при разных режимах нагрузки. Справочная таблица может быть, например, использована для преобразования измеренных значений в считываемую внешнюю силу.

Наконец, для получения последовательного сопротивления R_s, измеряют фазовый сдвиг последовательного полного сопротивления при линейной разрядке или зарядке компонента.

В первом примере используют разрядную часть цикла. Для этой цели, таким образом, используют разрядную ветвь, и, в частности, поведение схемы между временными метками 1,5 с и 2,5 с. Исполнительное устройство на основе EAP разряжают в управляемом режиме в течение этого периода времени под управлением сигнала Vsens.

Таким образом, сток тока разряда спроектирован или управляется таким образом, что постоянный переменный ток, составляющий 100 мкА, вытекает из исполнительного устройства на основе EAP.

Это поведение при разрядке показано на фиг. 12. График 120 показывает напряжение Veap на исполнительном устройстве, и график 122 показывает разрядный ток, т.е. ток через резистор Rm. График 124 является дополнительным искусственным компенсационным напряжением, объясненным ниже.

Фиг. 13 показывает увеличение интересного временного кадра между 1,5 с и 2,5 с. Для дальнейшего определения параметров эквивалентной схемы необходимо определить фазовый сдвиг между напряжением и разрядным током.

Как можно увидеть на фиг. 13, напряжение 120 на EAP уменьшается как функция времени. Таким образом, фазовый сдвиг между напряжением и током будет искажаться. Однако вследствие (почти) линейного поведения уменьшения напряжения (постоянная τ времени является очень большой), это уменьшение может быть скомпенсировано простым математическим уравнением типа m*x+b, где b является максимальным напряжением, равным 200В, и m является (отрицательным) наклоном уменьшения напряжения, который составляет (119В - 200В)/1с=-81В/с. Это обеспечивает форму 124 волны напряжения компенсации.

Тогда может быть определен фазовый сдвиг между напряжением и током, и в этом примере он составляет 13,98°.

Определение наклона уменьшения напряжения может быть выполнено в самом применении, или может быть выполнено еще до применения, в качестве части процедуры калибровки, непосредственно после изготовления или незадолго до реализации.

Оно может также выполняться по необходимости. Например, наклон может быть вычислен во время первой половины цикла деактивации (например, по прошествии 0,5 с), и требуемый фазовый сдвиг может быть затем вычислен во время второй половины цикла деактивации.

Реактивное сопротивление и фазовый сдвиг, таким образом, являются известными, так что последовательное сопротивление может быть тогда вычислено согласно Уравнению 5. В этом примере, это дает R_s=80,411 кОм.

После получения параметров эквивалентной схемы, может быть тогда установлено отображение между этими параметрами и внешним сигналом, подлежащим считыванию. Внешний сигнал может быть давлением или силой, или он может быть температурой.

Во время процедуры калибровки или охарактеризования (например, для обеспечения информации для спецификации системы), к EAP прикладывают несколько уровней срабатывания с разными нагрузками, силами, давлениями и/или температурами, и параметры эквивалентной схемы идентифицируют известными способами, например, с использованием анализатора полного сопротивления. Результаты могут сохраняться в справочных таблицах (и пропущенные записи могут находиться посредством интерполяции), или на основании этих данных могут быть получены аналитические аппроксимированные функции. Конечно, чем больше записей будет иметь такая таблица, тем большей будет точность.

Это определение может быть выполнено на одной фиксированной частоте, для которой 10 Гц является только одним примером.

Во время изменения параметров на стадии калибровки или охарактеризования, резонансная частота может быть также получена и также сохранена в справочной таблице. Во время последующего применения, уровень срабатывания будет известным, и параметры эквивалентной схемы на конкретной (известной) резонансной частоте могут быть тогда также определены.

Изменение электрических характеристик исполнительного устройства/датчика на основе EAP в ответ на прикладываемую силу является общеизвестным. В отношении измерения температуры, заявитель предложил, но еще не опубликовал применение исполнительного устройства на основе EAP с измерениями электрических характеристик на по меньшей мере первой и второй разных частотах. На основании этих измерений может быть получена температура у устройства на основе электроактивного материала и внешнее давление или сила, прикладываемые к устройству на основе электроактивного материала. Это означает, что датчик может быть использован в качестве датчика давления для считывания нагрузки, например, давления контакта с кожей, и в качестве датчика температуры. Этот подход основан на наложении высокочастотного сигнала считывания на низкочастотный или постоянный сигнал срабатывания. Посредством обеспечения считывания на двух или более частотах, может быть детектировано влияние температуры на частоту механического резонанса, и, следовательно, может быть определена температура.

Это изобретение позволяет получать полное сопротивление на разных частотах посредством использования осциллирующих форм волны тока на разных частотах.

Параллельное сопротивление R_p и последовательную емкость Cs получают в установившемся режиме. Наиболее важным параметром является последовательное сопротивление R_s, для которого также определяют частотное поведение. Для механической системы, которая затухает в соответствии с прикладываемой извне силой или давлением, это затухание оказывает прямое влияние на значение R_s. Это влияние на параллельное сопротивление R_p и на последовательную емкость имеет значимость второго порядка и, таким образом, ими можно пренебречь.

Существуют различные возможности для способа управления осциллирующим током. В приведенном выше примере, определенная и управляемая разрядка с осциллирующим током устройства на основе EAP обеспечивается для определения фазового сдвига между напряжением и током и, в конце концов, для вычисления полного сопротивления. Эти вычисления могут основываться на ранее полученном параметре, который получен либо до периода разрядки, либо в результате калибровки.

Измерение разрядки требует деактивации исполнительного устройства. В общем, будут существовать периоды деактивации, например, при циклической работе. Если требуемая деактивация является более длительной, чем требуется для схемы срабатывания, то этот способ может приводить к нежелательному поведению в применении. Однако требуется только несколько циклов осцилляций, и если будет выбрана высокая частота (например, 1 кГц или даже частота в мегагерцовом диапазоне - где механический отклик EAP не может последовать), то фаза деактивации может быть очень короткой, так что осцилляции не будут распознаны в самом применении.

Если способности считывания EAP будут необходимы, но без какой-либо деактивации, то может быть реализован высокочастотный сигнал, упомянутый выше. Дополнительно, разрядка может быть уменьшена посредством добавления смещения постоянным током к разряжающим осцилляциям. Это помогает как можно дольше сохранять состояние срабатывания.

Как обсуждалось выше, резонансное поведение устройства на основе EAP важно для определения давления, силы или температуры. Однако для детектирования резонансной частоты или антирезонансной частоты, должно быть определено полное сопротивление как функция частоты. Соответственно, предлагаемая процедура может быть расширена посредством использования качания частоты во время фазы деактивации. Приблизительная резонансная частота и антирезонансная частота могут быть получены перед применением на основе размеров устройства или посредством калибровочных измерений при разных нагрузочных условиях, как объяснено выше.

В другом наборе примеров, осциллирующий ток может быть обеспечен в качестве части цикла активации. В этом случае, может быть трехстадийный цикл зарядки. Параллельное сопротивление может быть получено на основании поведения в установившемся режиме, как объяснено выше. Емкость может быть получена на основании поведения при зарядке во время управляемой по напряжению части процесса зарядки, также описанной выше. Однако последовательное сопротивление может быть затем вычислено на основании управляемой по току части цикла зарядки. Исполнительное устройство на основе EAP может возбуждаться напряжением, меньшим конечного напряжения для первых двух измерений, и тогда конечное возбуждение срабатывания имеет место с управлением по току для определения последовательного сопротивления.

Фиг. 14 показывает уровень заряда на исполнительном устройстве на основе EAP в таком подходе.

Другой альтернативный подход состоит в обеспечении непрерывного низкочастотного заряжающего или разряжающего постоянного тока. Это может быть использовано в течение времени квазистатического срабатывания исполнительного устройства на основе EAP. Это обеспечивает смешанный подход без модуляции сигнала возбуждения, но с осуществлением попутно иногда также измерений в установившемся режиме, например, по прошествии некоторого периода ожидания или при идентификации любого изменения.

Фиг. 15 показывает способ одновременного срабатывания и считывания, использующий исполнительный и считывающий компонент на основе электроактивного материала, причем этот компонент имеет эквивалентную электрическую схему, состоящую из первого резистора R_p, параллельного соединенного с последовательной комбинацией из конденсатора C_s и второго резистора R_s. Способ содержит следующие этапы:

на этапе 150 для электродной системы обеспечивают сигнал срабатывания, который содержит период активации, для зарядки компонента,

на этапе 152 определяют сопротивление первого резистора R_p посредством считывания установившегося тока (I) во время периода активации;

на этапе 154 получают емкость C_s посредством определения потока (Q) зарядов во время зарядки компонента в начале периода активации и учета сопротивления первого резистора R_p;

на этапе 156 определяют сопротивление второго резистора R_s посредством регулирования тока через компонент с использованием источника тока во время зарядки или разрядки, для обеспечения осциллирующего профиля и определения фазового соотношения (ϕ) между считываемым током и считываемым напряжением.

Хотя в подробном описании, приведенном выше, конструкция и работа устройств и систем согласно настоящему изобретению были описаны для EAP, настоящее изобретение может быть фактически использовано для устройств на основе других видов материала на основе EAM. Следовательно, если не указано иное, то материалы на основе EAP, упомянутые выше, могут быть заменены другими материалами на основе EAM. Такие другие материалы на основе EAM известны в данной области техники, и специалисты в данной области техники знают, где их найти и как их применять. Несколько вариантов будет описано ниже.

Устройства на основе EAM обычно подразделяют на EAM с полевым управлением и EAM с токовым или зарядовым (ионным) управлением. EAM с полевым управлением приводятся в действие электрическим полем посредством прямого электромеханического соединения, в то время как механизм срабатывания EAM с токовым или зарядовым управлением включает в себя диффузию ионов. Последний механизм более часто обнаруживается в соответствующих органических EAM, таких как EAP. В то время как EAM с полевым управлением обычно возбуждаются сигналами напряжения и требуют соответствующих контроллеров/формирователей напряжения, EAM с токовым управлением обычно возбуждаются сигналами тока или заряда, иногда требующими формирователей тока. Оба класса имеют множество членов семейства, каждый из которых имеет свои собственные преимущества и недостатки.

EAM с полевым управлением могут быть органическими или неорганическими материалами и, в случае, когда они являются органическими, они могут быть одномолекулярными, олигомерными или полимерными материалами. Для настоящего изобретения они предпочтительно являются органическими и, тогда, также олигомерными или даже полимерными. Эти органические материалы и, в частности, полимеры являются новым классом материалов, к которым появляется растущий интерес, поскольку они объединяют свойства срабатывания с такими свойствами материалов, как легкий вес, дешевизна в изготовлении и легкость обработки.

EAM с полевым управлением и, таким образом, также EAP являются, в общем, пьезоэлектриками и, возможно, сегнетоэлектриками и, таким образом, содержат спонтанную постоянную поляризацию (дипольный момент), являются электрострикционными и, таким образом, содержат поляризацию (дипольный момент) только при возбуждении, но не в отсутствие возбуждения, или являются диэлектрическими релаксорными материалами. Такие полимеры включают в себя, но не ограничены этим, подклассы: пьезоэлектрических полимеров, сегнетоэлектрических полимеров, электрострикционных полимеров, релаксорных сегнетоэлектрических полимеров, диэлектрических эластомеров, жидкокристаллических эластомеров.

Отсутствие спонтанной поляризации означает, что электрострикционные полимеры демонстрируют малые гистерезисные потери или не имеют никаких гистерезисных потерь на очень высоких частотах работы. Эти преимущества, однако, достигаются за счет температурной стабильности. Релаксоры лучше всего работают в ситуациях, когда температура может быть стабилизирована в диапазоне, приблизительно, 10°С. Это может показаться на первый взгляд сильным ограничением, но при условии, что электрострикторы имеют преимущество на высоких частотах и очень слабых управляющих полях, эти применения, как правило, имеют место в специализированных микро-исполнительных устройствах. Температурная стабилизация таких малых устройств является относительно простой и часто не является значительной проблемой в общем процессе конструирования и разработки.

Предпочтительно, материал на основе EAM или EAP является электрострикционным полимером. Более предпочтительно, он является релаксорным сегнетоэлектрическим материалом. Такие материалы могут иметь константу электрострикции, которая достаточно велика для хорошего практического применения, т.е. они могут быть предпочтительными одновременно для функций считывания и срабатывания. Релаксорные сегнетоэлектрические материалы не являются сегнетоэлектриками, когда к ним приложено нулевое возбуждающее поле (т.е. напряжение), но становятся сегнетоэлектриками при возбуждении. Следовательно, в отсутствие возбуждения в материале не существует электромеханической связи. Электромеханическая связь становится ненулевой, когда подается сигнал возбуждения, и может быть измерена посредством подачи высокочастотного сигнала с малой амплитудой поверх сигнала возбуждения, согласно процедурам, описанным выше. Кроме того, релаксорные сегнетоэлектрические материалы имеют преимущество вследствие уникальной комбинации большой электромеханической связи при ненулевом сигнале возбуждения и хороших характеристик срабатывания.

Наиболее часто используемыми примерами неорганических релаксорных сегнетоэлектрических материалов являются: ниобат свинца - магния (lead magnesium niobate - PMN), ниобат свинца - магния - титанат свинца (lead magnesium niobate-lead titanate - PMN-PT) и цирконат - титанат свинца - лантана (lead lanthanum zirconate titanate - PLZT). Но в данной области техники известны и другие неорганические релаксорные сегнетоэлектрические материалы.

Примерами EAP-устройств с полевым управлением являются пьезоэлектрические полимеры, сегнетоэлектрические полимеры, электрострикционные полимеры (такие как релаксорные полимеры или полиуретаны на основе PVDF), диэлектрические эластомеры, и жидкокристаллические эластомеры (liquid crystal elastomers - LCE). Таким образом, предпочтительно материал на основе EAP является релаксорным сегнетоэлектрическим полимером, таким как, например, релаксорный сегнетоэлектрический полимер на основе PVDF. Такие материалы могут быть выбраны из группы материалов, приведенных здесь ниже.

Подкласс электрострикционных полимеров включает в себя, но не ограничен этим:

поливинилиденфторид (Polyvinylidene fluoride - PVDF), поливинилиденфторид - трифторэтилен (Polyvinylidene fluoride - trifluoroethylene - PVDF-TrFE), поливинилиденфторид - трифторэтилен - хлорфторэтилен (Polyvinylidene fluoride - trifluoroethylene - chlorofluoroethylene - PVDF-TrFE-CFE), поливинилиденфторид - трифторэтилен - хлортрифторэтилен (Polyvinylidene fluoride - trifluoroethylene - chlorotrifluoroethylene - PVDF-TrFE-CTFE), поливинилиденфторид - гексафторпропилен (Polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene - PVDF - HFP), полиуретаны или их смеси.

EAM и EAP с токовым управлением содержат сопряженные полимеры, ионные полимерно-металлические композиционные материалы, ионные гели и полимерные гели.

Примерами EAP с ионным управлением являются сопряженные полимеры, полимерные композиционные материалы на основе углеродных нанотрубок (carbon nanotube - CNT) и ионные полимерно-металлические композиционные материалы (Ionic Polymer Metal Composites - IPMC).

Подкласс диэлектрических эластомеров включает в себя, но не ограничен этим:

акрилаты, полиуретаны, силоксаны.

Подкласс сопряженных полимеров включает в себя, но не ограничен этим:

полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли(п-фениленсульфид), полианилины.

Материалы, упомянутые выше, могут быть внедрены в виде чистых материалов или в виде материалов, суспендированных в матричных материалах. Матричные материалы могут содержать полимеры.

Для любой исполнительной конструкции, содержащей материал на основе EAM, могут быть обеспечены дополнительные пассивные слои, влияющие на поведение EAM-слоя в ответ на подаваемый сигнал возбуждения.

Исполнительная система или конструкция устройства на основе EAP может иметь один или более электродов для обеспечения управляющего сигнала или сигнала возбуждения для по меньшей мере части электроактивного материала. Предпочтительно, эта система содержит два электрода. EAP может быть расположен между двумя или более электродами. Эта трехслойная структура необходима для исполнительной системы, которая содержит эластомерный диэлектрический материал, поскольку ее срабатывание происходит, среди прочего, вследствие сжимающего усилия, оказываемого электродами, притягивающимися друг к другу вследствие подачи сигнала возбуждения. Упомянутые два или более электродов могут быть также встроены в эластомерный диэлектрический материал. Электроды могут быть структурированными (с сформированным рисунком) или неструктурированными.

Подложка может быть частью исполнительной системы. Она может быть прикреплена к набору из EAP и электродов между электродами или к одному из электродов снаружи.

Электроды могут быть растяжимыми, чтобы они следовали за деформацией слоя материала на основе EAM. Это особенно предпочтительно для материалов на основе EAP. Материалы, пригодные для электродов, также являются общеизвестными и могут быть, например, выбраны из группы, состоящей из тонких металлических пленок, таких как золотые, медные, или алюминиевые пленки, или органических проводников, таких как углеродная сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Также могут быть использованы металлизированные полиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (polyethylene terephthalate - PET), например, с использованием алюминиевого покрытия.

Материалы для разных слоев могут выбираться, например, с учетом модулей упругости (модулей Юнга) разных слоев.

Для адаптации электрических или механических свойств устройства могут быть использованы слои, дополнительные к слоям, описанным выше, например, дополнительные полимерные слои.

Устройство может быть использовано в виде единственного исполнительного устройства, или же может быть обеспечена линия или массив устройств, например, для обеспечения управления двумерным (2D) или трехмерным (3D) контуром.

Настоящее изобретение может быть применено во многих EAP-применениях, включающих в себя примеры, в которых представляет интерес пассивный матричный массив исполнительных устройств.

Во многих применениях, основная функция изделия основана на (локальном) управлении человеческой тканью, или на срабатывании контактирующих с тканью интерфейсов. В таких применениях исполнительные устройства на основе EAP обеспечивают уникальные преимущества, главным образом, вследствие малого формфактора, гибкости и высокой плотности энергии. Следовательно, EAP могут быть легко встроены в мягкие, трехмерные и/или миниатюрные изделия и интерфейсы. Примерами таких применений являются:

устройства для кожных косметических процедур, такие как кожные исполнительные устройства в виде кожных пластырей на основе EAP, которые обеспечивают постоянное или циклическое растяжение кожи для обеспечения натяжения кожи или уменьшения морщин;

дыхательные устройства с интерфейсной маской пациента, которая имеет активную подушку или прокладку на основе EAP, для обеспечения переменного нормального давления на кожу, которое уменьшает или предотвращает покраснения на лице;

электробритвы с адаптивной бреющей головкой. Высота контактирующих с кожей поверхностей может быть настроена с использованием исполнительных устройств на основе EAP для обеспечения баланса между близостью к коже и раздражением кожи;

устройства для очистки ротовой полости, такие как «воздушная зубная нить», с динамическим сопловым исполнительным устройством для улучшения проникновения брызг, особенно в пространства между зубами. Альтернативно, могут быть обеспечены зубные щетки с активируемыми щетинками;

бытовые электронные устройства или сенсорные панели, которые обеспечивают локальную тактильную обратную связь через массив преобразователей на основе EAP, который встроен в пользовательский интерфейс или находится вблизи него;

катетеры с управляемым наконечником для обеспечения легкого наведения в извилистых кровеносных сосудах.

Другая категория релевантных применений, которые получают пользу от исполнительных EAP-устройств, относится к модификации света. Оптические элементы, такие как линзы, отражающие поверхности, решетки, и т.д., могут быть выполнены адаптивными посредством адаптации формы или положения с использованием исполнительных устройств на основе EAP. Здесь преимуществом EAP является, например, низкое энергопотребление.

Другие варианты раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, из изучения чертежей, раскрытия, и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а форма единственного числа не исключает множественного числа. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с преимуществом. Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не следует толковать как ограничение ее объема.

1. Устройство для одновременного срабатывания и считывания, содержащее:

исполнительный и считывающий компонент (22) на основе электроактивного материала, имеющий эквивалентную электрическую схему из первого резистора (Rp), параллельно соединенного с последовательной комбинацией из конденсатора (Cs) и второго резистора (Rs);

электродную систему;

датчик (30) тока для считывания тока, протекающего к упомянутому компоненту;

источник (32) тока для регулирования тока через упомянутый компонент;

средство (34) для определения напряжения на упомянутом компоненте;

контроллер (36), выполненный с возможностью обеспечивать сигнал срабатывания для электродной системы, который содержит период активации для зарядки упомянутого компонента,

причем контроллер дополнительно выполнен с возможностью:

определять сопротивление первого резистора (Rp) посредством считывания установившегося тока во время периода активации;

определять емкость конденсатора (Cs) посредством определения потока зарядов во время зарядки упомянутого компонента в начале периода активации и учета сопротивления первого резистора; и

определять сопротивление второго резистора (Rs) посредством регулирования тока через упомянутый компонент с использованием источника тока во время зарядки или разрядки, для обеспечения осциллирующего профиля и определения фазового соотношения между током, считываемым датчиком тока, и напряжением, измеряемым вольтметром.

2. Устройство по п. 1, в котором сигнал срабатывания имеет период активации, составляющий по меньшей мере 0,5 с.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором осциллирующий профиль имеет частоту, составляющую по меньшей мере 100 Гц, например, по меньшей мере 1 кГц.

4. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором осциллирующий профиль имеет смещение постоянным током для уменьшения влияния на активацию или деактивацию упомянутого компонента.

5. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором осциллирующий профиль имеет частоту, которая изменяется с течением времени.

6. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором контроллер (36) выполнен с возможностью обеспечивать период деактивации для разрядки упомянутого компонента и определять сопротивление второго резистора во время разрядки.

7. Устройство по любому из пп. 1-5, в котором контроллер выполнен с возможностью определять сопротивление второго резистора (Rs) во время зарядки.

8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором контроллер дополнительно выполнен с возможностью определять на основании определенных сопротивлений и емкости внешнюю силу, давление или температуру у упомянутого компонента.

9. Способ одновременного срабатывании и считывания, использующий исполнительный и считывающий компонент (22) на основе электроактивного материала, имеющий эквивалентную электрическую схему из первого резистора (Rp), параллельно соединенного с последовательной комбинацией из конденсатора (Cs) и второго резистора (Rs), причем упомянутый способ содержит этапы, на которых:

обеспечивают сигнал срабатывания для электродной системы, который содержит период активации для зарядки упомянутого компонента,

определяют сопротивление первого резистора посредством считывания установившегося тока во время периода активации;

определяют емкость конденсатора посредством определения потока зарядов во время зарядки упомянутого компонента в начале периода активации и учета сопротивления первого резистора; и

определяют сопротивление второго резистора посредством регулирования тока через упомянутый компонент во время зарядки или разрядки для обеспечения осциллирующего профиля и определения фазового соотношения между считываемым током и напряжением.

10. Способ по п. 9, содержащий этап, на котором генерируют осциллирующий профиль с частотой, составляющей по меньшей мере 100 Гц, например, по меньшей мере 1 кГц.

11. Способ по п. 10, содержащий этап, на котором генерируют осциллирующий профиль со смещением постоянным током для уменьшения влияния на активацию или деактивацию упомянутого компонента.

12. Способ по пп. 9, 10 или 11, содержащий этап, на котором генерируют осциллирующий профиль, который имеет частоту, которая изменяется с течением времени.

13. Способ по любому из пп. 9-12, дополнительно содержащий этап, на котором обеспечивают период деактивации для разрядки упомянутого компонента, и определяют сопротивление второго резистора во время разрядки.

14. Способ по любому из пп. 9-12, содержащий этап, на котором определяют сопротивление второго резистора во время зарядки.

15. Способ по любому из пп. 9-14, содержащий этап, на котором определяют на основании определенных сопротивлений и емкости внешнюю силу, давление или температуру у упомянутого компонента.