УСТРОЙСТВО ПРИВОДА, ИМЕЮЩЕЕ В СВОЕМ СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОАКТИВНЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ ПРИВОД, И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ
DRIVE DEVICE, HAVING AN ELECTROACTIVE POLYMER DRIVE, AND A CONTROL METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Это изобретение относится к электроактивным полимерным приводам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Электроактивные полимеры (ЭАП) представляют собой перспективный класс материалов в области электрочувствительных материалов. ЭАП могут работать как датчики или приводы, и при изготовлении им могут быть легко приданы различные формы, позволяющие простую интеграцию в разнообразные системы.
Были разработаны материалы с характеристиками, такими как механическое напряжение и деформация активации привода, которые значительно улучшились за последние десять лет. Технологические риски были снижены до допустимых уровней для разработки продукта, и ЭАП приобрели возрастающий интерес в коммерческом и техническом плане. Преимущества ЭАП включают в себя малую мощность, миниатюрный форм-фактор, гибкость, бесшумную работу, точность, возможность высокого разрешения, быстрый отклик и циклическую активацию привода.
Улучшенные рабочие характеристики и особые преимущества материалов ЭАП служат основанием для их пригодности для новых применений.
ЭАП-устройство может использоваться в любом применении, в котором желательным является небольшая величина перемещения компонента или элемента на основе электрической активации привода. Аналогичным образом, технология может использоваться для обнаружения малых движений. Это изобретение относится, в частности, к приводам.
Использование ЭАП в устройствах привода делает возможными функции, которые не были возможны прежде, или предлагает большое преимущество перед обычными решениями для приводов благодаря комбинации относительно большой деформации и силы в небольшом объеме или тонком форм-факторе по сравнению с обычными приводами. Приводы ЭАП также обеспечивают бесшумную работу, точное электронное управление, быстрый отклик и большой спектр возможных частот активации привода, такой как 0-1 МГц, как правило ниже 20 кГц.
Устройства, использующие электроактивные полимеры, могут быть подразделены на управляемые полем и ионно-управляемые материалы.
Примеры управляемых полем ЭАП включают в себя пьезоэлектрические полимеры, электрострикционные полимеры (такие как полимеры-релаксоры на основе PVDF) и диэлектрические эластомеры. Другие примеры включают в себя электрострикционные привитые полимеры, электрострикционную бумагу, электреты, электровязкоупругие эластомеры и жидкокристаллические эластомеры.
Примерами ионно-управляемых ЭАП являются сопряженные/проводящие полимеры, ионные полимер-металлические композиты (IPMC) и углеродные нанотрубки (CNT). Другие примеры включают в себя ионные полимерные гели.
Это изобретение относится, в частности, к устройствам привода, которые заключают в себе управляемый полем материал ЭАП. Эти устройства приводятся в действие электрическим полем через прямую электромеханическую связь. Они требуют высоких полей (вольты на метр), но низкий ток вследствие их емкостной природы. Полимерные слои обычно являются тонкими, чтобы поддерживать управляющее напряжение насколько возможно низким.
Первым примечательным подклассом управляемых полем ЭАП, являются пьезоэлектрические и электрострикционные полимеры. В то время как электромеханические рабочие характеристики традиционных пьезоэлектрических полимеров ограничены, прорыв в улучшении этих рабочих характеристик привел к полимерам-релаксорам PVDF, которые проявляют самопроизвольную электрическую поляризацию (управляемое полем выравнивание). Эти материалы могут быть предварительно деформированы для улучшения рабочих характеристик в направлении деформации (предварительная деформация приводит к более хорошему молекулярному выравниванию). Обычно используются металлические электроды, поскольку деформации обычно находятся в умеренном режиме (1-5%). Также могут использоваться другие типы электродов (такие как проводящие полимеры, масла, гели или эластомеры на основе сажистого углерода и т.д.). Электроды могут быть непрерывными или сегментированными.
Другим подклассом управляемых полем ЭАП является подкласс диэлектрических эластомеров. Тонкая пленка этого материала может быть помещена между гибкими электродами, формируя конденсатор с параллельными пластинами. В случае диэлектрических эластомеров напряжение Максвелла, вызванное приложенным электрическим полем, приводит к напряжению на пленке, заставляя ее сжаться по толщине и расшириться по площади. Рабочие характеристики деформации, как правило, увеличиваются посредством предварительной деформации эластомера (требуется рамка для поддержания предварительной деформации). Деформации могут быть значительными (10-300%). Это также ограничивает тип электродов, которые могут использоваться: для низких и умеренных деформаций могут рассматриваться металлические электроды и проводящие полимерные электроды, для режима высоких деформаций обычно используются масла, гели или эластомеры на основе сажистого углерода.
Фиг. 1 и 2 показывают два возможных режима работы для ЭАП-устройства.
Устройство содержит электроактивный полимерный слой 14, помещенный между электродов 10, 12 на противоположных сторонах электроактивного полимерного слоя 14.
Фиг. 1 показывает устройство, которое не зажато. Напряжение используется, чтобы заставить электроактивный полимерный слой расширяться во всех направлениях, как показано.
Фиг. 2 показывает устройство, которое сконструировано таким образом, что расширение возникает только в одном направлении. Устройство поддерживается несущим слоем 16. Напряжение используется, чтобы заставить электроактивный полимерный слой изгибаться или наклоняться.
Природа этого движения, например, является результатом взаимодействия между активным слоем, который расширяется, когда активируется, и пассивным несущим слоем. Чтобы получить асимметричный изгиб вокруг оси, как показано, может быть применена молекулярная ориентация (растяжение пленки), вынуждающая к движению в одном направлении.
Расширение в одном направлении может являться результатом асимметрии в полимере ЭАП, или оно может являться результатом асимметрии в свойствах несущего слоя, или комбинации обеих.
Документ US 2007/216735 раскрывает струйную головку, которая использует пьезоэлектрический привод, чтобы выпрыснуть чернила. Пьезоэлектрический трансформатор интегрирован с приводом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проблема управляемых полем электроактивных полимеров состоит в том, что требуются довольно высокие рабочие напряжения, как упомянуто выше, для достижения высоких интенсивностей электрического поля в устройствах для реализации желаемых отклонений. Электронные управляющие схемы используются для генерации этих высоких напряжений. Для этих ЭАП требуются амплитуды управляющего напряжения до 1 кВ, и, таким образом, необходимо использовать и реализовать устройства высокого напряжения, чрезвычайно увеличивая стоимость (и размеры) электроники. Управляющая электроника и ЭАП-привод обычно локально отделены друг от друга, что приводит к использованию проводов подачи высокого напряжения между компонентом управления и приводом. Однако это может представлять собой проблему безопасности, например, в случае обрывов провода, а также дает в результате высокие, нежелательные (или даже недопустимые) электрические и магнитные поля, а также электромагнитное излучение, которое может вызвать проблемы сертификации соответствия или даже может вредить пользователям.
Таким образом, существует потребность в конструкции ЭАП-привода, которая решает эти проблемы.
Задача изобретения состоит в том, чтобы удовлетворить эту потребность по меньшей мере частично. Изобретение определено независимыми пунктами формулы изобретения, и зависимые пункты формулы изобретения обеспечивают предпочтительные варианты осуществления.
Примеры в соответствии с аспектом изобретения обеспечивают устройство привода, содержащее:
электроактивный полимерный привод; и
пьезоэлектрический трансформатор, имеющий первичную сторону и вторичную сторону,
причем устройство привода содержит пьезоэлектрический электроактивный полимерный слой, содержащий первую часть и вторую часть,
причем первая часть электроактивного полимерного слоя является частью вторичной стороны пьезоэлектрического трансформатора, и вторая часть электроактивного полимерного слоя является частью электроактивного полимерного привода.
В этом устройстве привода часть ЭАП-привода, которая не является (выходной) частью активации устройства, используется для формирования по меньшей мере части пьезоэлектрического трансформатора. Таким образом, требуемый управляющий сигнал высокого напряжения может быть сгенерирован локально с использованием интегрированного трансформатора высокого напряжения. Это имеет преимущества по затратам, предотвращает необходимость проводов подачи высокого напряжения, а также ослабляет воздействие электромагнитной радиации.
Диодная структура электрически соединена между вторичной стороной пьезоэлектрического трансформатора и электроактивным полимерным приводом. Она функционирует как интегрированный выпрямитель и может также использоваться для обеспечения защиты от амплитуд высокого напряжения с нежелательной полярностью.
В одном множестве примеров первая часть пьезоэлектрического электроактивного полимерного слоя также является частью первичной стороны пьезоэлектрического трансформатора. Таким образом, общий ЭАП-слой используется на первичной стороне трансформатора, вторичной стороне переноса и частях привода всего устройства. Это обеспечивает недорогое решение с максимальной интеграцией.
Первая часть пьезоэлектрического электроактивного полимерного слоя может иметь первую молекулярную ориентацию на первичной стороне и вторую, другую, молекулярную ориентацию на вторичной стороне. Таким образом, хотя используется общий слой, свойства могут быть адаптированы для достижения улучшенных рабочих характеристик трансформатора.
Например, первая молекулярная ориентация может быть в продольном направлении, простирающемся между пьезоэлектрическим трансформатором и электроактивным полимерным приводом, и вторая молекулярная ориентация может быть перпендикулярной плоскости пьезоэлектрического электроактивного полимерного слоя (т.е. вертикальной).
В другом множестве примеров первичная сторона и вторичная сторона пьезоэлектрического трансформатора сформированы из разных электроактивных полимерных материалов. По-прежнему имеется общий слой между вторичной стороной и приводом. Однако рабочие характеристики трансформатора могут быть улучшены посредством использования разных материалов на первичной стороне и на вторичной стороне. Первичная сторона обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую, и вторичная сторона обеспечивает преобразование механической энергии в электрическую. В этом устройстве могут использоваться различные типы технологии ЭАП.
Электроактивный полимерный материал первичной стороны пьезоэлектрического трансформатора, например, содержит предварительно деформированный диэлектрический эластомер.
Во всех примерах первичная сторона пьезоэлектрического трансформатора может содержать многослойную стопку. Это позволяет получить желаемый коэффициент трансформации. Электроактивный полимерный привод также может быть сформирован как многослойная стопка.
В пьезоэлектрическом электроактивном полимерном слое между вторичной стороной пьезоэлектрического трансформатора и электроактивным полимерным приводом может быть обеспечена изоляционная область. Она может использоваться, чтобы обеспечить механическое разъединение между трансформатором и приводом. В частности, может быть сокращено демпфирование функции трансформатора посредством работы привода.
Изоляционная область может содержать одно или более отверстий в пьезоэлектрическом электроактивном полимерном слое и/или дополнительном промежуточном материале.
Пьезоэлектрический трансформатор может содержать множество компланарных трансформаторных элементов. Таким образом, каждый трансформаторный элемент может иметь желаемое отношение толщины к линейному измерению (в плоскости слоя). В частности, если желательной является малая толщина в целях миниатюризации, использование нескольких (меньших по площади) компланарных трансформаторных элементов поддерживает желаемое отношение толщины к размеру на плоскости. Это помогает поддержать высокую эффективность трансформатора.
Трансформаторные элементы могут быть электрически соединены параллельно, причем их входы соединены параллельно, и их выходы соединены параллельно, или последовательно, или как комбинация параллельных и последовательных трансформаторных элементов.
Пьезоэлектрический трансформатор может быть гибким. Пьезоэлектрический электроактивный полимерный слой, например, содержит поливинилиденфторид (PVDF) или поливинилиденфторид-трифторэтилен (PVDF-TrFE).
Примеры в соответствии с другим аспектом изобретения обеспечивают способ управления электроактивным полимерным приводом, содержащий:
подачу управляющего сигнала на пьезоэлектрический трансформатор, имеющий первичную сторону и вторичную сторону;
присоединение вторичной стороны пьезоэлектрического трансформатора к электроактивному полимерному приводу с использованием общего пьезоэлектрического электроактивного полимерного слоя таким образом, что первая часть электроактивного полимерного слоя является частью вторичной стороны пьезоэлектрического трансформатора, и вторая часть электроактивного полимерного слоя является частью электроактивного полимерного привода;
присоединение диодной структуры между вторичной стороной (34) пьезоэлектрического трансформатора и электроактивным полимерным приводом (35); и
управление электроактивным полимерным приводом с использованием выхода от пьезоэлектрического трансформатора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры изобретения будут теперь описаны подробно со ссылкой на приложенные схематические чертежи.
Фиг. 1 показывает известное электроактивное полимерное устройство, которое не зажато;
Фиг. 2 показывает известное электроактивное полимерное устройство, которое ограничено подложкой;
Фиг. 3 показывает первый пример интегрированного ЭАП-привода и трансформатора;
Фиг. 4 показывает второй пример интегрированного ЭАП-привода и трансформатора;
Фиг. 5 показывает третий пример интегрированного ЭАП-привода и трансформатора; и
Фиг. 6 показывает три возможных схемы трансформатора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение обеспечивает устройство привода, которое имеет электроактивный полимерный привод и интегрированный пьезоэлектрический трансформатор. По меньшей мере вторичная сторона трансформатора имеет общий с электроактивным полимерным приводом пьезоэлектрический электроактивный полимерный слой. Это обеспечивает устройство с интегрированным трансформатором, в результате чего на устройство могут подаваться более низкие внешние напряжения.
В общих чертах управляемые полем электроактивные полимерные (ЭАП) приводы состоят из электрически изолирующего материала, встроенного между двумя электрически проводящими электродами. В качестве функции приложенного напряжения электрическое поле между электродами вызывает механическую деформацию ЭАП. Как разъяснено выше, посредством использования дополнительных материалов с разными коэффициентами удлинения (например, жесткостью) для ЭАП-слоя механическая деформация может быть направлена в некоторых заданных направлениях. Посредством реализации многослойной технологии интенсивность поля между электродами может быть увеличена, и, следовательно, для управления ЭАП-приводом требуются более низкие амплитуды напряжения, или могут быть реализованы более высокие механические деформации. Эта базовая конфигурация очень похожа на электрический многослойный конденсатор.
Пьезоэлектрический трансформатор (также известный как диэлектрический трансформатор) является другим известным пассивным устройством, которое может использовать как многослойные, так и однослойные технологии. В зависимости от конфигурации могут быть сгенерированы очень высокие напряжения, например в диапазоне нескольких киловольт с очень высокой эффективностью, например более 90%. Такие трансформаторы могут быть сформированы как плоские устройства для использования в плоских приложениях, где имеется недостаточно пространства для традиционных магнитных трансформаторов.
Недостатком известных пьезоэлектрических трансформаторов является их жесткость и хрупкость, вызванные обычно используемым керамическим материалом. Поэтому они, как правило, встраиваются в гибкие (например, силиконовые) держатели. В дополнение к механической защитной функции эта мягкая и гибкая вложенная конструкция позволяет механическую вибрацию трансформатора. Это сокращает механическое демпфирование, которое уменьшило бы эффективность. Приложенное электрическое поле на первичной стороне (на основе приложенного входного напряжения) заставляет первичную сторону деформироваться. Первичная и вторичная стороны механически соединены как единое интегрированное устройство, таким образом, механическая первичная деформация присоединяется ко вторичной стороне устройства. Механическая деформация генерирует электрическое поле снова, вызывая падение напряжения на присоединенной нагрузке.
С эксплуатационной точки зрения можно рассмотреть разные моды колебаний устройства. Наиболее распространенными являются поперечная, продольная, толщинная, планарная или радиальная моды, а также их комбинация. Обычно, трансформаторы типа Rosen используют комбинацию поперечной и продольной мод колебаний. Также известны устройства, которые основаны на толщинной и радиальной модах колебаний.
Коэффициент трансформации напряжения от первичной стороны до вторичной стороны в основном зависит от форм-фактора, длины (l) и высоты (d) (т.е., толщины) компонента, а также количества внутренних слоев первичной стороны (n) и вторичной стороны. Рабочие характеристики зависят от нескольких параметров материалов и конструкции, как известно специалистам в области техники. Кроме того, с точки зрения электротехники, выходное напряжение также проявляет зависимость от частоты работы (ω=2 π f) и условий нагрузки.
Изобретение использует пьезоэлектрический слой ЭАП, чтобы сформировать по меньшей мере часть электромеханического конверсионного слоя трансформатора. Тот же самый слой затем формирует по меньшей мере часть трансформатора (вторичную сторону), а также ЭАП-привод.
Фиг. 3 показывает первый пример устройства привода. Устройство показано в поперечном сечении в вертикальной плоскости. Оно содержит единое интегрированное устройство, которое объединяет пьезоэлектрический трансформатор 30, имеющий первичную сторону 32 и вторичную сторону 34, с электроактивным полимерным приводом 35.
Источник 31 переменного напряжения находится на входе трансформатора.
И частота работы, и коэффициент трансформации трансформатора зависят от конструкции трансформатора и могут быть настроены. Типичными значениями для серийно выпускаемого пьезоэлектрического трансформатора являются частота 85 кГц и коэффициент трансформации 50.
Обычно частота может находиться в диапазоне от нескольких кГц до нескольких сотен кГц, например, от 10 кГц до 100 кГц. Коэффициент трансформации напряжения находится, например, в диапазоне от 1 (только обеспечение изоляции и преобразование импеданса) до 1000, например, в диапазоне 10-100.
В показанном примере имеется единственный электроактивный полимерный слой 36, который содержит первую часть 36a, которая простирается через первичную и вторичную стороны трансформатора 30, и вторую часть 36b, которая простирается через привод 35.
Каждая сторона трансформатора содержит часть пьезоэлектрического электроактивного полимерного слоя 36, помещенную между верхним и нижним электродами. Первичная сторона 32 имеет верхний электрод 38 и нижний электрод 39, и вторичная сторона 34 имеет верхний электрод 40 и нижний электрод 41. Электроактивный полимерный привод 35 имеет верхний электрод 42 и нижний электрод 43.
Первая часть 36a электроактивного полимерного слоя, таким образом, является частью пьезоэлектрического трансформатора, и вторая часть 36b электроактивного полимерного слоя является частью электроактивного полимерного привода 35.
Несущий слой 44, показанный в ЭАП-приводе 35, предназначен для управления или ограничения движения ЭАП-привода 35. Безусловно, он может простираться по всему устройству.
Пьезоэлектрический трансформатор, таким образом, реализован с использованием пьезоэлектрического ЭАП-слоя 36. Требуется, чтобы ЭАП-слой 36 был пьезоэлектрическим по меньшей мере на вторичной стороне 34 трансформатора, чтобы обеспечить требуемое преобразование механической энергии в электрическую. Таким образом, пример на фиг. 3 использует единственный полимерный материал, который является пьезоэлектрическим. В качестве примера могут использоваться PVDF или PVDF-TrFE или другие пьезоэлектрические полимеры.
Преимущество использования материала ЭАП в трансформаторе, в дополнение к интеграции с приводом, состоит в том, что устраняется базовый недостаток керамического пьезоэлектрического трансформатора, который представляет собой его хрупкость. Таким образом, возможные применения расширяются, и возможные формы менее ограничены (например, керамические пьезоэлектрические трансформаторы в общем случае ограничены прямоугольными профилями, и в общем случае имеют высоту по меньшей мере 2 мм). Могут быть изготовлены более тонкие трансформаторы, но тогда они являются еще более хрупкими. Трансформатор на основе ЭАП вместо этого может представлять собой гибкое легкое устройство, которое может быть легко сконструировано в любой произвольной форме, например, с изогнутой конструкцией. Он также может иметь высоту лишь нескольких сотен микрометров.
Желаемые размеры (на виде сверху) будут зависеть от нескольких параметров и конструктивной реализации, например, от свойств материала и количества слоев. Также очень важна способность передачи мощности/энергии, которая соотносится с частотой передачи заряда (в сочетании с напряжением). Это вновь относится к выбранным свойствам материала и объему. Также важными являются высота (т.е., толщина) компонента, а также ширина и длина.
ЭАП являются компонентами малой мощности, и в соответствии с этим перенос энергии является низким по своей природе. Например, стандартный ЭАП, управляемый импульсами 200 В с крутым прямоугольным фронтом, требует пиковой мощности приблизительно лишь 230 мВт. После полной активации к работе в стационарном состоянии требуемая мощность находится в низком милливаттном режиме (чтобы компенсировать внутренние потери).
Показатель относительно диапазона подходящих размеров может быть получен на основе требуемых рабочих характеристик. Например, чтобы достигнуть поставляемой пиковой мощности, в ЭАП должна быть помещена энергия 2,1 мВт·с (например, в течение периода времени приблизительно 20 мс). Линеаризация этой энергии приводит к средней энергии ½*2,1 мВт·с=1,05 мВт·с, которая должна быть поставлена трансформатором.
3
3
На основе литературы "Biomedical Applications of EAPs"; F. Carpi, E. Smelal; Wiley; p. 327 известно, что плотность энергии материала P(VDF-TrFE-CFE), который является подходящим кандидатом для материала трансформатора, составляет 1,22 Вт·с/см. Для сравнения плотность энергии стандартного керамического PZT составляет лишь 0,1 Вт·с/см.
3
3
3
Таким образом, в этом примере, требуется объем 1,05 мВт·с*1 см/1,22 Вт·с=0,0009 см, т.е. приблизительно 1 мм.
Для боковых размеров, одна часть обмотки трансформатора может занимать 10 мм x 10 мм. Это приводит к высоте в диапазоне 10 мкм (исключая электроды). Таким образом, весь трансформатор (и первичная, и вторичная стороны) имеет размеры порядка 20 мм x 10 мм x 0,01 мм.
Это лишь иллюстрация, чтобы показать, что требуемый размер трансформатора находится в диапазоне размера активной части ЭАП-привода (даже если взять маленькую толщину 10 мкм) и, следовательно, не увеличивает высоту такого привода.
Желательно, чтобы функция активации привода не влияла на работу трансформатора, например, на коэффициент трансформации. Таким образом, движение ЭАП-привода должно быть изолировано от трансформатора. Это может быть обеспечено посредством определения механически неактивной части ЭАП-слоя 36 между трансформатором и ЭАП-приводом, например, посредством наличия области без какого-либо слоя из покрывающего материала, тогда как покрывающий слой (с разными механическими коэффициентами расширения) используется в ЭАП-приводе. Это показано на фиг. 3, где несущий слой 44 используется только в ЭАП-приводе 35. Однако механическая деформация, вызванная активацией привода, обычно обеспечивает сокращенную толщину слоя, что, в свою очередь (с пользой) увеличивает коэффициент трансформации напряжения трансформатора на основе ЭАП.
Эти проблемы могут быть приняты во внимание в конструкции всего устройства.
Дополнительный слой также может быть обеспечен на одной или на обеих сторонах устройства для улучшения механической связи между первичной и вторичной сторонами трансформатора. Дополнительный более жесткий слой или слои могут использоваться, чтобы обеспечить предпочтительное направление механической деформации.
Для сокращения дополнительного демпфирования функции трансформатора, вызванного этим более жестким слоем, внутренние стороны на границе раздела между дополнительным более жестким слоем и трансформатором могут быть подготовлены для уменьшения трения, например, с использованием поверхностей с низким тернием или с уменьшающей трение текучей среды, такой как масло.
Для первичной стороны трансформатора желательна высокая деформация с достаточной механической энергией для переноса ко вторичной стороне. Для вторичной стороны желателен высокий пьезоэлектрический эффект. Существует несколько способов улучшить рабочие характеристики по сравнению с единственным однородным ЭАП-слоем на трансформаторе, такой как полимер-релаксор PVDF.
Первая модификация представляет собой использование управляемой молекулярной ориентации на первичной стороне и вторичных сторонах. Выбранная молекулярная ориентация увеличит электромеханическую связь (k). Например, первичная сторона может иметь молекулярную ориентацию в продольном (горизонтальном) направлении, что приводит к тому, что больше механической энергии обеспечивается вторичной стороне. Вторичная сторона может иметь молекулярную ориентацию в вертикальном направлении. Более высокое значение коэффициента связи приведет к большему количеству преобразования в электрическую энергию.
Вторая модификация представляет собой использование двух разных материалов, один для первичной стороны и один для вторичной стороны. Первичная сторона, например, может использовать предварительно деформированный диэлектрический эластомер (например, акриловый), имеющий высокую механическую энергию и высокий коэффициент связи, или полимер-релаксор PVDF. Конструкция выбирается для оптимизации преобразования из электрической в механическую энергию.
Использование разных материалов может быть комбинировано с выбором разных молекулярных ориентаций.
Вторичная сторона тогда может содержать материал, который приводится в резонанс первичной стороной на основе относительно высокого пьезоэлектрического эффекта, например, пьезоэлектрический полимер (пленка), пьезоэлектрический сополимер или полимер-релаксор PVDF с низким содержанием CFE/CTFE. Сегнетоэлектрики могут использоваться на вторичной стороне вследствие их высокого пьезоэлектрического эффекта.
Первичная сторона 32 трансформатора 30 может использовать многослойную стопку 48, как показано на фиг. 4, механически соединенную с однослойной вторичной стороной 34. Многослойная структура 46 на первичной стороне означает, что очень высокие интенсивности поля прикладываются к внутренним слоям, вызывая большие механические деформации и первичной стороны, и механически связанной вторичной стороны.
Многослойная стопка 48 содержит более тонкие ЭАП-слои, каждый из которых обеспечен между парой электродных слоев, и слои расположены в стопке с электродами переменной полярности. Таким образом, необходима только одна пара управляющих сигналов, и расположенные чередующимися слоями гребни электродов обеспечивают управление нескольких слоев. Деформация на вторичной стороне приводит к формированию еще более высокой интенсивности электрического поля на выходных электродах устройства и соответствующим образом коррелированного электрического напряжения.
Трансформатор 30 не требует каких-либо жестких слоев и может поддерживаться полностью гибким. Низкое напряжение подается на первичную сторону трансформатора, которое затем преобразовывается и подается на активный ЭАП-привод 35. Эта компоновка особенно эффективна для миниатюрных приводов.
Если требуется постоянное рабочее напряжение (dc) (вместо импульсного режима работы), между вторичной стороной трансформатора и ЭАП-приводом может быть добавлен выпрямительный диод.
Фиг. 4 (а также фиг. 3) также показывает выход вторичной стороны, выпрямленный простым диодом 46, который соединен между электродом 40 вторичной стороны и электродом 42 ЭАП-привода. В дополнение к функции выпрямления диод обеспечивает защиту привода от нежелательных амплитуд высокого напряжения с противоположной полярностью, приводя их к желаемой управляющей полярности. Тогда к ЭАП-приводу может быть добавлен разрядный электрод (не показан).
Существуют разные возможные режимы работы привода, и для некоторых из них диод может быть необходим, а для других нет.
В импульсном режиме работы привод может использоваться для генерации коротких (не статических) механических отклонений. В этом случае диод не является необходимым между вторичной стороной трансформатора и приводом. Высокочастотный импульс может использоваться для поддержания механического отклонения, хотя это может внести потери и привести к нагреванию и температурному дрейфу.
В режиме стационарного состояния привод может быть механически отклонен, и может требоваться поддержание его состояния в течение периода времени. Если подается только один импульс, механическое отклонение изменится со временем. В этом случае используется постоянное (DC) управляющее напряжение, и используется диод. Секция трансформатора работает только с непостоянным входом (синусоидальная или импульсная форма сигнала). Таким образом непостоянное напряжение на вторичной стороне выпрямляется диодом. Собственная емкость привода также будет сглаживать сигнал.
Чтобы увеличить механическую деформацию ЭАП-привода 35, многослойная методика также может использоваться в ЭАП-приводе 35, как было разъяснено в связи с первичной стороной 32 трансформатора. Это увеличивает интенсивность электрического поля и, таким образом, вызывает более крупные отклонения.
Трансформатор может быть (частично) поляризован для улучшения рабочих характеристик трансформации напряжения. Любая поликристаллическая керамика состоит из множества беспорядочно ориентированных кристаллов (диполей), и объемные свойства являются суммой свойств этих кристаллитов. При изготовлении пьезоэлектрической керамики подходящему сегнетоэлектрическому материалу сначала придается желаемая форма, и накладываются электроды. Затем пьезоэлектрический элемент нагревается до температуры Кюри: температуры, выше которой прекращают существование самопроизвольная поляризация и пьезоэлектрический эффект. Нагревание выполняется в присутствии сильного постоянного поля. Это поляризует керамику (т.е., выравнивает молекулярные диполи керамики в направлении приложенного поля). Поле поляризации остается замороженным на месте, когда температура становится ниже точки Кюри и удаляется поле. Чем больше количество выровненных доменов, тем больше пьезоэлектрический эффект.
Посредством соответствующей поляризации первичной и вторичной сторон пьезоэлектрического трансформатора (причем идеальное направление диполей зависит от выбранного принципа трансформатора) эффективность может быть увеличена очень хорошо.
Механическая связь между трансформатором и ЭАП-приводом посредством общего ЭАП-слоя означает, что активация привода может затронуть функцию трансформатора, как упомянуто выше.
Фиг. 5 показывает один подход для сокращения механической связи между трансформатором 30 и ЭАП-приводом 35. Показан вид сверху (без диода). Соединение между вторичной стороной 34 трансформатора и областью ЭАП-привода включает в себя изоляционную область 50. В показанном примере изоляционная область содержит множество вертикальных отверстий 52, которые сокращают эффект механического демпфирования посредством ЭАП-привода на трансформаторе. Отверстия не должны быть вертикальными. Действительно, любая ослабляющая структура может использоваться, чтобы обеспечить функцию изоляции.
Вместо использования отверстий для изоляционной области 50 вторичная сторона трансформатора и ЭАП-привод могут быть соединены дополнительным промежуточным материалом в форме мягкого материала для сокращения механической связи. Этот материал, например, может заполнить еще большие отверстия в ЭАП-слое.
Наибольшее разъединение может быть достигнуто посредством разделения ЭАП-слоя на две отдельных части, соединенные проводами электродов или слоями, и собранные на поднесущей (например, на гибкой печатной плате или фольге). В этом случае ЭАП-слой является прерывистым, но он по-прежнему сформирован как части общего полного слоя. Другими словами, одинаковый тип ЭАП-слоя 36 сформирован для трансформатора (вторичная сторона) и привода.
Одним из преимуществ использования ЭАП в качестве материала трансформатора является интеграция функций трансформатора и привода, как описано выше. Чтобы оптимизировать рабочие характеристики трансформатора, отношение толщины к длине (или ширине) трансформатора не должно быть слишком малым. Если оно будет слишком малым, то усиление эффективности и напряжения трансформатора значительно уменьшится. Преимущество материалов ЭАП состоит в том, что они могут быть преобразованы, например, посредством способов печати или вытягивания пленок, в очень тонкие слои, обычно тоньше, чем керамические материалы. Это имеет два преимущества.
Во-первых, количество внутренних слоев первичной стороны может быть увеличено для заданной толщины вторичной части, увеличивая усиление напряжения.
Во-вторых, общая толщина устройства может быть уменьшена. Это второе преимущество дало возможность миниатюризации трансформатора, как описано выше. Однако отношение толщины к длине (или ширине) трансформатора должно оставаться достаточно высоким. Это может быть достигнуто посредством разделения трансформатора на массив трансформаторных элементов посредством структурирования электродов в массив трансформаторов типа Розена.
Фиг. 6A показывает два трансформаторных элемента 60a, 60b, соединенных параллельно. Источник 31 напряжения параллельно соединяется со входами обоих трансформаторных элементов, и они оба параллельно соединяются с выходом 62a, 62b. Параллельное соединение обеспечивает конструкцию трансформатора с более высоким током.
Фиг. 6B показывает два трансформаторных элемента 60a, 60b, соединенных последовательно, причем выход первого трансформаторного элемента 60a формирует вход второго трансформаторного элемента 60b, и выход второго трансформаторного элемента 60b соединяется с выходом трансформатора 62a, 62b. Последовательное соединение обеспечивает конструкцию трансформатора с более высоким отношением напряжения.
Фиг. 6C показывает комбинацию последовательного и параллельного соединений с двумя параллельными элементами 60a, 60b и двумя последовательными элементами 60c, 60d.
Описанное выше интегрированное устройство позволяет уменьшить требуемое входное напряжение для устройства, повышая безопасность компонента и улучшая электромагнитные рабочие характеристики. Устройство может быть чрезвычайно плоским и гибким, не требующим каких-либо соединений высокого напряжения. Кроме того, могут использоваться более низкие управляющие частоты, сокращая потери в управляющей электронике по сравнению с керамическими пьезоэлектрическими трансформаторами. Трансформатор также вносит гальваническую изоляцию между ЭАП-приводом и источником питания.
Материалы, подходящие для ЭАП-слоя, известны.
Первичная сторона трансформатора может использовать любой материал, имеющий желаемую функцию преобразования электрической энергии в механическую. Материал для вторичной стороны является пьезоэлектрическим материалом для обеспечения требуемого преобразования механической энергии в электрическую.
Электроактивные полимеры включают в себя, но без ограничения, подклассы: пьезоэлектрические полимеры, электромеханические полимеры, сегнетоэлектрические релаксоры, электрострикционные полимеры, диэлектрические эластомеры, жидкокристаллические эластомеры, сопряженные полимеры, ионные полимер-металлические композиты, ионные гели и полимерные гели.
Подкласс электрострикционные полимеры включает в себя, но без ограничения:
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 диэлектрические эластомеры включают в себя, но без ограничения:
акрилаты, полиуретаны, силиконы.
Подкласс сопряженные полимеры включает в себя, но без ограничения:
полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли(p-фенилен сульфид), 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 проявляет поведение искусственных мышц при приложении напряжения или электрического поля.
Более конкретно IPMC состоят из ионного полимера, такого как Nafion или Flemion, на поверхности которого посредством химического или физического покрытия нанесены проводники, например, платиновые или золотые электроды, или электроды на основе углерода. Под приложенным напряжением перенос и перераспределение ионов вследствие поданного напряжения на полоску из IPMC приводят к деформации изгиба. Полимер представляет собой мембрану из набухающего при растворении ионообменного полимера. Поле вызывает перемещение катионов на сторону катода вместе с водой. Это приводит к реорганизации гидрофильных кластеров и к расширению полимера. Деформация в области катода приводит к напряжению в остальной части полимерной матрицы, приводящему к изгибу в сторону анода. Изменение полярности приложенного напряжения меняет направление изгиба.
Если осажденные электроды размещены в несимметричной конфигурации, наложенное напряжение может вызвать все виды деформаций, таких как извивание, свертывание, скручивание, накручивание и несимметричная деформация изгиба.
Во всех этих примерах дополнительные пассивные слои могут быть обеспечены для влияния на электрическое и/или механическое поведение слоя ЭАП в ответ на приложенное электрическое поле.
Слой ЭАП каждого блока может быть помещен между электродами. Электроды могут быть растягивающимися, чтобы следовать за деформацией слоя материала ЭАП. Материалы, подходящие для электродов, также известны и, например, могут быть выбраны из группы, содержащей тонкие металлические пленки, например, золотые, медные или алюминиевые, или органические проводники, например, сажистый углерод, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен) поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Также могут использоваться металлизированные полиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (PET), например, с использованием алюминиевого покрытия.
Изобретение может быть применено во многих применениях ЭАП и фотоактивных полимеров, включая примеры, в которых интерес представляет пассивный матричный массив приводов.
Во многих применениях главная функция продукта основывается на (локальной) манипуляции человеческой ткани или активации поверхностей контакта с тканью. В таких применениях ЭАП-приводы, например, предоставляют уникальные преимущества главным образом благодаря миниатюрному форм-фактору, гибкости и высокой плотности энергии. Следовательно, ЭАП и фоточувствительные полимеры могут быть легко интегрированы в мягкие, трехмерные и/или миниатюрные продукты и интерфейсы. Далее приведены примеры таких применений.
Косметический уход за кожей, например, приборы активации кожи в форме кожного пластыря на основе чувствительного полимера, которые придают коже постоянное или циклическое растяжение, чтобы натянуть кожу или уменьшить морщины.
Дыхательные устройства с маской взаимодействия с пациентом, которые имеют активную подушку или прокладку на основе чувствительного полимера, чтобы обеспечить переменное нормальное давление на кожу для сокращения или предотвращения красных отметин на лице.
Электрические бритвы с адаптивной бреющей головкой. Высота поверхностей контакта с кожей может регулироваться с использованием приводов из чувствительного полимера для влияния на баланс между близостью и раздражением.
Приборы для очистки полости рта, такие как воздушная зубная нить с приводом динамического сопла для улучшения проникновения струи, особенно в промежутках между зубами. В качестве альтернативы зубные щетки могут быть снабжены активированными пучками.
Устройства бытовой электроники или сенсорные панели, которые обеспечивают локальную тактильную обратную связь через массив чувствительных полимерных преобразователей, которые интегрированы в пользовательский интерфейс или находятся рядом.
Катетеры с направляемым кончиком для упрощения навигации в извилистых кровеносных сосудах.
Измерения физиологических параметров человеческого тела, таких как частота сердцебиения, SpO2 и кровяное давление.
Еще одна категория соответствующего применения, которой принесет пользу использование таких приводов, относится к модификации света. Оптические элементы, такие как линзы, отражающие поверхности, дифракционные решетки и т.д., могут быть сделаны адаптивными по форме или с адаптацией позиции с использованием этих приводов. В этом случае одним преимуществом ЭАП является, например, более низкое потребление энергии.
Приведенные выше примеры основаны на трансформаторе, работающем на основе поперечной моды, с электрической изоляцией между первичной стороной и вторичной стороной. Однако возможны также трансформаторы на основе другой моды колебаний. Внутренние электроды также могут быть добавлены ко вторичной стороне. Первичная сторона может использовать единственный слой или многослойную структуру. Первичная и вторичная стороны могут ссылаться на общий потенциал.
Один аспект изобретения относится к использованию диода с устройством. Существуют другие аспекты, которые не требуют этого признака.
Общими признаками изобретения является устройство привода, содержащее:
электроактивный полимерный привод (35); и
пьезоэлектрический трансформатор (30), имеющий первичную сторону (32) и вторичную сторону (34),
причем устройство привода содержит пьезоэлектрический электроактивный полимерный слой (36), содержащий первую часть (36a) и вторую часть (36b),
причем первая часть (36a) электроактивного полимерного слоя является частью вторичной стороны (34) пьезоэлектрического трансформатора, и вторая часть (36b) электроактивного полимерного слоя является частью электроактивного полимерного привода (35).
Использование диодной структуры (46) электрически соединена между вторичной стороной (34) пьезоэлектрического трансформатора и электроактивным полимерным приводом (35) представляет собой один аспект.
Второй аспект представляет собой формирование первичной стороны (32) и вторичной стороны (34) пьезоэлектрического трансформатора из разных электроактивных полимерных материалов.
Третий аспект состоит в том, что трансформаторные элементы электрически соединены параллельно, причем их входы соединены параллельно, и их выходы соединены параллельно, или последовательно, или как комбинация параллельных и последовательных трансформаторных элементов.
Эти второй и третий аспекты не требуют использования диода.
Следует отметить, что эти другие аспекты могут быть объединены с другими признаками, такими как гибкая конструкция, изоляционная область и конструкция с несколькими стопками.
Другие изменения для раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в области техники при осуществлении на практике заявленного изобретения на основе изучения чертежей, раскрытия и зависимых пунктов формулы изобретения. В пунктах формулы изобретения слово "содержит" не исключает другие элементы или этапы, и употребление единственного числа не исключает множество. Тот лишь факт, что некоторые меры описаны во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что комбинация этих мер не может использоваться для получения преимуществ. Любые знаки для ссылок в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.