致动器设备和致动器设备的阵列的制作方法

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致动器设备和致动器设备的阵列的制作方法

本发明涉及致动器设备及其使用,所述设备利用能够示出如驱动响应曲线的阈值的活性材料。

本发明还涉及包括多个这样的设备(这样的设备的阵列)的系统、驱动这样的系统的方法和计算机程序产品。



背景技术:

电或光活性材料是当利用合适的控制信号电学地或光学地驱动时示出机械变形的材料。这些材料的特定种类还呈现相反效应,即它们当经受机械变形时能够提供电学或光学信号。以上效应发生的精确机制取决于选择的材料,并且在一些情况下也取决于将它们嵌入设备的方式。由于以上效应,这些材料的大多数常见应用是在致动器和/或传感器中。

电活性聚合物(EAP)和光活性聚合物(OAP)是新兴的材料种类。它们对将其有利的致动响应性质与多个有利的工程性质进行性组合,从而允许在新应用领域中使用。因此,例如相比于常见的其他机械致动器或基于无机EAM的致动器,EAP通常在小体积或薄形式因子中呈现相对大的变形和力。EAP还给出无噪声操作、准确的电学控制、快速的响应、和具有大范围的可能致动频率(诸如0–20kHz)的高分辨率和周期致动的可能性。OAP提供了其他优点。并且所有这些性质和优点伴随使用完善的方法轻松制造成各种形状,从而允许轻松地集成到各种系统中。

EAP和OAP可以特别地有利地使用在其中期望部件或特征的少量的移动的任何应用中。类似地,技术可以被用于感测小移动。

作为EAP设备操作的范例,图1和图2示出了基于EAP的设备的两个可能操作模式。设备包括被夹在EAP层14的相对侧上的电极10、12之间的EAP层14。尽管在图1中EAP层是自由可移动的,但是在图2中全部EAP层和其电极与一层侧夹到支持载体层16。应用在电极10和12上面的电压差(驱动信号)被用于提供EAP层上面的电场以使得EAP层在如所示的所有方向上扩张。尽管在图1中由于层自由地悬停这导致EAP层的变形,但是由于由夹住造成的运动的受限的自由度,图2中的相同致动导致设备的弯曲。使用设备工程设计,在EAP层的致动后(即,在设备的驱动后),可以调用大量的设备输出。因此,为了获得如所示的围绕轴的非对称曲线,可以例如应用分子取向(薄膜伸展),这迫使一个方向上的移动。在一个方向上的扩张可以由EAP层的不对称引起,或其可以由载体层的性质的不对称引起,或两者的组合。

基于EAP或OAP的设备(如图1和图2的那些设备)通常是模拟设备,其意味着驱动器对输出响应曲线是连续的曲线。因此,除零电平/强度信号外的任何信号将导致致动输出。然而,一些应用(例如,这样的设备的矩阵阵列)中的期望和有用性质是给予提供仅高于某个阈值驱动的输出效应的设备。



技术实现要素:

本发明的目标是定义可以基于驱动基于电活性或光电活性材料的致动布置提供致动输出的设备,其中,所述设备具有如驱动-输出响应行为的阈值。另一目标是提供包括多个这样的设备的系统和驱动这样的系统的方法。

这些和其他目标由如独立权利要求定义的本发明至少部分地实现。从属权利要求提供有利的范例或实施例。

根据本发明,定义一种用于响应于驱动信号而提供致动输出的设备,所述设备包括:

-致动布置,其用于提供机械致动,所述致动布置包括可以基于将驱动信号应用到所述致动布置,从而引起所述机械致动变形的活性材料(20),所述致动输出取决于所述机械致动。

致动输出意味着力、压力或移动/撞击类型的输出中的一个或多个。所述机械致动可以是力和/或应力和/或撞击/移动。所述机械致动引起所述致动布置的所述响应并且基于所述活性材料的特性以当驱动信号被应用到所述致动布置时允许或调用(生成)其自己的变形(尺寸和/或形状中的改变)。

所述活性材料可以是电活性材料或光电活性材料并且是能够允许、引起或调用所述机械致动的材料。下面在本文中将描述适合的材料的范例和种类。

要使用的驱动信号取决于选择的活性材料。因此,对于电活性材料而言,所述驱动信号可以是电信号(诸如电压信号或电流信号)。同样地,对于光电活性材料而言,所述驱动信号是光学信号。一些材料允许两者各自与其自己的致动特性一起使用。所述驱动信号还可以是电学或光学调用信号,例如其可以是电学调用压缩或伸出力信号。例如,对于包括被夹在两个电极之间的电活性材料的电活性布置而言,电极上的电压差的形式的驱动信号可以引起电活性材料上的压缩力,其由于该力当布置被驱动时被压缩。

本发明的设备特征在于其包括以下各项的事实:

-延迟布置,其具有与所述致动布置的延迟交互,使得所述延迟布置:

-防止针对从驱动信号的第一范围或第一类型选择的驱动信号的所述致动输出;并且

-允许针对从与驱动信号的第一范围或第一类型不同的驱动信号的第二范围或第二类型选择的驱动信号的所述致动输出。

对所述延迟布置进行配置,使得其具有与所述致动布置的交互,使得对于由所述驱动信号调动的一个或一范围机械致动,这样的机械致动未被允许或足以提供所述设备的所述致动输出,同时对于另一范围的机械致动而言,所述机械致动的至少一部分被转移或被用于提供所述致动输出。特别地,该布置意味着驱动信号的第一范围或类型未引起所述设备的致动,然而驱动信号的第二范围或类型引起所述设备的致动。驱动信号的第一范围或类型未专有地包括零信号(即,调用设备的休息状态的信号)。其意味着包括将引起所述致动布置的致动的至少一个驱动信号。该布置实现用于驱动的阈值。

因此,所述延迟布置通过实现阈值使得(致动器)设备具有更期望的驱动输出行为(例如,当其自己使用时或当被使用在其他系统或应用中)。例如,其可以有利地被用于响应于由其所接收的小噪声信号(低于阈值)避免致动,或者在使用用于由于串扰信号而向所述阵列的不同的设备提供所述驱动信号的共同连接线驱动阵列中的设备的驱动期间如通常地可以发生的部分驱动。与对于非阈值设备的仅两级驱动相反,本发明还使能具有被动矩阵阵列中的多级(灰度级)致动驱动的驱动。因此,本发明实现这样的设备:可以利用经改进的可靠性或可预测性操作并且可以被实施在阵列中并且因此在经改进的效应(例如,较少的串扰)的情况下驱动。

根据本发明的设备的驱动输出延迟通过致动布置和延迟布置交互的方式定义。延迟布置的许多实施方式可以提供该驱动输出延迟功能。如在下文中将变为清楚的,存在将允许向所述致动布置提供第一驱动信号的实施例,同时所述设备仍然不提供输出,要么因为所述机械致动未被发送到提供所述设备输出的致动输出布置,要么因为所述致动布置直接地或间接地抑制提供其机械致动。备选地,存在其中第一驱动信号根本不导致任何驱动信号被应用到所述致动布置的实施例。因此,在这些实施例中,甚至在将驱动信号应用到所述设备时,不存在所生成的实际机械致动并且还不存在致动输出。

术语“延迟”不旨在在提供所述设备的所述输出时传达时间延迟。其表达以下事实:致动输出被延迟,直到足够的驱动信号到达或提供。如果所述驱动信号立即在足够的水平处,则优选地不存在或不需要时间延迟。然而,如果驱动信号倾斜,则也可以存在引起的时间延迟。因此,所述延迟布置可以被解译为基本上是阈值布置。

在本发明中,所述驱动信号可以从驱动信号的第一范围和/或类型选择并且所述第二驱动信号可以从与驱动信号的第一范围和/或类型不同的驱动信号的第二范围和/或类型选择。术语“范围”不仅隐含一组驱动电压信号和/或水平,但是情况可以是这样。

驱动信号的第一范围或类型可以包括低于驱动信号的第二范围或类型的驱动水平的驱动水平。第二范围的驱动水平的开始可以定义阈值驱动水平。两个范围优选地关于彼此仅由所述阈值水平分离。所述阈值驱动信号然后划定所述第一驱动信号范围和第二驱动信号范围。额外地或者备选地,驱动信号的第一范围或类型可以包括与驱动信号的第二范围或类型的频率不同(优选地低于)的频率。

取决于所述设备中使用的所述致动材料,所述驱动信号可以是电信号(诸如电压信号、电流信号或功率信号)。在该情况下,所述驱动水平可以是例如以下各项中的任一项:电压水平、电流电平、功率水平。这些信号可以是直流和/或交流。信号可以是具有各种脉冲形状等的脉冲信号。对于电场驱动的致动材料而言,驱动信号优选地是电压驱动信号。因此,第二范围可以高于阈值电压信号,而第一范围可以低于阈值电压信号。然而,驱动信号的第一和第二范围可以取决于例如使用在当前驱动材料(基于离子移动的)材料的情况中的所述活性材料不同,驱动信号优选地为电流驱动信号。在这种情况下,驱动信号还或仅由其极性表征。非致动信号可以是具有一个极性的高电流信号,或者不足以建立电荷的特定电平的短时间段的信号。致动信号可以具有相反极性的较低电流或用于更长的时间段。抑制或允许使所述设备致动的不同的驱动信号的特性可以以各种方式不同。

光活性信号可以基于特定光学信号的应用而变形。例如,基于这样的材料与特定颜色或频率/波长的辐射的相互作用(吸收/散射)、辐射的强度或功率,结构材料改变可以调用机械响应。一个范例材料在下面本文所描述的光的影响下顺序-反序操作。因此,第一驱动信号和第二驱动信号可以参考通过材料对频率、颜色、功率和强度或其吸收和/或散射中的一个或多个不同。

如在上文中所指示的,延迟布置可以以全部具有本发明的有利效应的许多方式实施。实施方式可以包括所述设备的部分、构件或结构的特定布置和/或构造,如在下文中将描述的。

在本发明的一些实施例中,致动布置将期望的致动输出直接地提供为所述机械致动并且其仅当所述致动布置的某个阈值致动被实现时或当如所实现的某个阈值驱动时提输出。这提供简单设计。

在本发明的其他实施例中,所述延迟布置包括致动输出布置。后者布置然后提供所述设备的所述致动输出。使所述致动布置(是机械致动的源)与所述致动输出布置(是所述设备输出的源)分离允许更容易的方式的延迟布置的实施方式,如所述设备的并非所有功能需要被包含在一个布置和/或一个活性材料中。因此,在驱动时,例如将不需要具有致动的固有延迟的活性材料的重新设计。所述致动输出布置优选地包括或包含机械结构或构件。该构件可以是硬构件(诸如弹簧类型构件),使得其在其可以提供致动输出之前(例如,在其可以移动之前)要求阈值力。

在本发明中,可以对所述致动输出布置和所述致动布置进行布置,使得:在他们之间存在最小间隙;并且所述机械致动减小所述最小间隔,使得:所述机械致动最好足以关闭针对从第一范围和类型的驱动信号选择的驱动信号的所述最小间隙,并且所述机械致动至少足以关闭针对从驱动信号的第二范围或类型选择的驱动信号的所述最小间隙。

因此,所述间隙至少部分地减小或对于从驱动信号的第一范围或类型选定的驱动信号减小到零。因此,选择所述间隙,使得利用该驱动信号引起的机械致动的第一数量未“发送”或“转换”为所述致动输出,即,可以说,该数量的机械致动“允许发生或吸收”在所述间隙内。仅当所述间隙被减小到预定程度时,当所述机械致动减小进展到利用从驱动信号的第二范围或类型选择的驱动信号驱动时是被发送或被转换为实际致动输出的任何机械致动。

该设计利用首先必须在所述设备的致动输出发生之前由所述致动布置的所述致动部分或完全跨越/桥接的间隙。该设计具有以下优点:没有机械致动力需要由提供任何延迟使用的相反力丢失(克服)(例如,由于如下面所实现的致动保持布置)。

所述延迟布置可以包括:致动传输布置,其用于提供所述延迟交互,使得:所述机械致动由针对从驱动信号的第一范围或类型选择的驱动信号的所述致动传输布置吸收;并且所述机械致动的至少一部分由所述致动传输布置发送到针对从驱动信号的第二范围或类型选择的驱动信号的所述致动输出布置。

所述吸收使得所述机械致动未引起任何致动输出。所述致动的传输使得其从而引起任何致动输出。

因此,可以对所述延迟布置进行构建,使得所述致动布置与所述致动输出布置之间的交互通过传输布置发生。该后者布置被设计为仅对于从驱动信号的第二范围或类型选择的驱动信号而言使得所述机械致动至少部分地被发送到所述致动输出布置从而生成所述致动输出。所述设计可以利用在所述致动布置与所述致动输出布置之间操作的任何种类的力。吸收意味着在不将所述机械致动发送到所述致动输出布置的情况下容纳。

所述致动传输布置可以包括或包含机械布置/结构。其可以永久地被连接到所述致动布置和所述致动输出布置,但是这不需要是这样。其可以包括任何种类的构建,其具有被连接到允许在其使得被连接到所述致动输出布置的第二部分产生旋转移动和/或滑动移动或变形之前允许旋转移动和/或滑动移动或变形的所述致动布置的第一部分,从而生成所述致动输出。

还可以使用机电装置实施所述传输布置。例如,所述传输布置可以包括组合所述致动输出布置与所述致动布置之间的间隙生成所述致动输出布置与所述致动布置之间的相反的电或磁性力的装置,使得第一间隙减小信号可以被用于将电或磁性力操作增加到其中其变得足够高以引起所述致动输出布置的致动的水平。具有第二驱动信号的进一步的间隙减小然后引起所述实际致动输出。这可以被称为将所述机械致动间接传输到所述致动输出布置。因此,在任何机械致动的剩余部分转换为致动输出之前,力场可以被用于吸收机械致动的一部分。这还可以与所述致动输出布置内的预定硬度组合,使得其在其可以提供致动输出之前要求阈值力。下面在本文中将描述其他布置/构造。

致动传输布置可以包括用于使得磁性力和/或电力在所述致动布置与所述致动输出布置之间操作从而提供所述延迟交互的一个或多个部分。这样的部分可以包括永磁体、电磁体或电极、电容性操作电极布置、线圈接线等。

所述延迟布置可以包括用于将阈值力应用到所述致动布置来实现所述延迟交互的保持布置,该阈值力抵抗所述机械致动并且被选择为使得:由针对从驱动信号的第一范围或类型选择的驱动信号的所述机械致动递送的所述力不足够大以克服所述阈值力;并且使得由针对从驱动信号的第二范围或类型选择的驱动信号的所述机械致动递送的力足够大以克服所述阈值力。

如果所述设备包括致动输出布置,那么所述阈值力可以被应用在所述致动输出布置、所述致动布置或两者上。如果其被应用在所述致动输出布置上,那么其将间接地还将所述致动布置保持为两个交互。可以不存在致动输出布置,在该情况下所述保持布置用于直接地保持所述致动布置。在所有情况下,存在将不导致足以提供可以克服由所述保持布置应用的所述阈值力的致动力的机械致动的驱动信号的第一范围或类型。优选地,所述设备或延迟布置可以包括针对其保持布置提供其保持功能的固定支持或支持结构。

存在实施保持布置的多个方式。所述保持系统可以包括以下各项中的一个或多个:机械保持系统、静电保持系统或磁性保持布置。然而所述机械保持布置利用机械定义的保持力操作,所述机电保持系统利用静电保持力操作并且所述磁性保持系统利用磁性保持力操作。

所述保持布置可以包括集成或连接到所述致动布置的弹簧或硬衬底。优选地,所述弹簧或衬底将是卡扣类型弹簧或衬底。所述保持布置系统可以包括一个或多个弹簧操作保留挂钩或锁存器、用于提供压力引起的保持力的一个或多个压力量规。所述弹簧可以为弹簧或橡胶单元类型或用于提供空气或流体静压力的单元或其他类型的形式。

所述保持布置有效地提供与由所述致动布置所生成的所述力相反的保持力。尽管在一些实施例中该保持布置可以引起实际的致动输出力(由于从致动力减去的永久相反保持力),适当的设计可以具有以下优点:撞击范围相对于利用如在上文中所描述的致动传输布置操作的延迟布置增加。

所述保持布置可以包括被布置在与用于提供所述阈值力的所述致动布置(180)和/或所述致动输出布置的摩擦接合中的支持层(182)。所述阈值力可以然后是摩擦力。所述摩擦接合使得对于驱动信号的第一范围或类型而言,所述致动布置和/或所述致动输出布置不能相对于所述支持层移动,从而防止所述致动输出,并且还使得对于驱动信号的第二范围或类型而言,所述致动布置和/或所述致动输出布置可以实际上相对于所述支持层移动,从而允许所述致动输出。该设计适于在其中例如移动引起滑动移动的情况。可以使用不同类型的驱动信号有利地影响(例如,减小或移除)所述摩擦。因此,第一类型的驱动信号可以是具有交流信号的一个,而第二类型的驱动信号可以是具有交流信号的一个。备选地,这两种类型的信号可以具有交流信号,而第一类型的频率低于阈值频率(没有可能移动),而第二类型的频率高于所述阈值频率(可能移动)。备选地,频率是相同的,但是所述幅度是不同的。利用更强的驱动(更高的幅度),创建克服摩擦的较高力。

所述延迟布置可以包括用于应用的一个或多个部分和/或用于生成磁性力和/或电力以在所述致动布置和/或的所述致动输出布置上操作的设备,以用于提供所述保持力或阈值力。

所述保持布置可以被设计为利用保持力(即,适当的部分之间的吸引力和/或排斥力)操作。

此外,用于应用或生成磁性力或电力的所述部分可以包括:磁体(永久或电磁体)或可能地与电荷源(电压或电流)组合的一个或多个电极。

用于保持布置的电力的实施方式的有利方式通过提供具有至少两个电极的布置,其中的一个被附接到所述致动布置并且另一个被附接到所述致动输出布置或对着其所述保持布置提供其保持功能的固定支持或支持结构。所述电极可以利用相反的电荷可充电从而提供吸引力或具有相同极性电荷以创建排斥力。通过直接机械力使用这样的场驱动力的所述优点在于,其取决于将所述力应用在彼此上的部分之间的力。因此,驱动将允许:在没有任何机械致动的传输的情况下增加力直到其中其变得足够高以使得所述机械致动的至少一部分传输到所述致动输出中的某个点,或者将用于所述保持的力减小直到其可以由所述机械制动力克服使得机械致动转译为致动输出的某个点。

保持力的电学实施方式允许所述设备的操作期间的所述保持力的电学调谐(如果需要的话)而不要求所述设备的重新设计。额外驱动信号可以被用于调节该阈值力。所述保持信号还可以是与所述驱动信号部分或完全相同的信号。在其中由所述驱动信号调用的所述致动力高于由应用到所述保持布置的所述相同驱动信号提供的所述保持力的情况下,这是有利的。所述保持布置可以被调谐以通过用于创建静电力的所述电极之间的相对位置、尺寸和电介质确保这样的情况。此外,该保持布置实现或引起所述驱动信号的阈值。

所述机电保持系统还可以包括用于对所述致动构件和/或所述输出构件起作用的静电保持力的至少一个永磁性单元或电磁单元。存在实现这样的保持系统的多个布置。因此,所述输出构件和/或所述致动构件可以包括磁性单元,而所述设备的固定支持或载体部分还可以包括要么磁性单元要么对所生成的磁场作出反应的材料。所述永磁性单元具有其不要求磁场生成信号的优点。因此,经由磁体的调谐实施固定阈值电压等。对于电动力磁性单元的保持信号可以是与所述驱动信号不同的信号。这允许在所述设备的操作期间的所述磁性保持力的电学调谐(如果需要的话)。

在另一范例集中,所述延迟布置包括驱动信号控制部件(110),其被配置用于:接收所述驱动信号;并且用于控制将所述驱动信号应用到所述致动布置,使得:其不将能够引起所述致动输出的所述驱动信号应用到针对从驱动信号的第一范围或类型选择的所接收的驱动信号的所述致动布置;并且使得其将能够引起所述致动输出的所述驱动信号应用到针对从驱动信号的第二范围或类型选择的所接收的驱动信号的所述致动布置。

因此,该延迟布置包括实施用于控制所述驱动信号到所述致动布置的应用的阈值驱动信号的部件。以这种方式,驱动信号部分或全部被防止到达所述设备的所述致动布置直到阈值驱动信号被到达。

所述驱动信号控制部件可以包括或包含电学部件(110)和/或用于实施在驱动信号被应用到所述致动布置之前必须由所接收的驱动信号克服的阈值驱动信号的光学部件。在电学部件的情况下,其可以实现阈值电压(诸如利用例如静电放电设备)。在光学部件的情况下,其可以实现阈值光强度和/或光频率(诸如利用滤光器或光学开关)。

所述驱动信号控制部件可以包括:另外的致动布置,其用于提供另外的机械致动,所述另外的致动布置包括可以在将所述驱动信号应用到所述另外的致动布置,从而引起所述另外的机械致动变形的情况下的另外的活性材料,所述另外的致动布置被布置用于接收所述驱动信号并且用于将所述驱动信号应用到所述致动布置,使得:所述另外的机械致动不足以使得将所述驱动信号应用到针对从驱动信号的第一范围或类型选择的驱动信号的所述致动布置;并且使得所述另外的机械致动足以使得将所述驱动信号应用到针对从驱动信号的第二范围或类型选择的致动信号的所述致动布置。

所述另外的致动布置通常地以与如基于所述另外的活性材料的所述功能的所述致动布置相同的方式操作。在利用所述驱动信号驱动所述另外的致动布置的情况下,如利用驱动信号的范围或类型调用的其另外的机械致动(基于另外的活性材料的变形)不足以用于其将所述驱动信号提供到所述致动布置。因此,这样的驱动不导致机械致动并且从而不导致所述设备的致动输出。在利用所述驱动信号的第二范围或类型驱动所述部件的情况下,其将所述驱动信号或其至少一部分提供到所述致动布置,使得可以生成致动输出。

这有效地可以提供两个致动布置的串联耦合并且所述另外的致动构件和致动构件因此按顺序致动。因此,对所述致动构件进行布置,使得需要用于其的另外的机械致动的预定量以将所述驱动信号转移或切换到所述致动布置。可以对所述设备进行配置,使得所述链中的所述第二个定义所述设备的所述主要输出,并且其仅当所述第一个已到达特定水平的机械致动时被触发。该特定数量然后引入所述驱动信号中的所述阈值。所述另外的致动布置可以因此低于所述致动布置,使得所述第一个仅是开关功能,而所述后者具有负载承载功能。

然而,在备选设计中,所述致动布置和/或所述另外的致动布置可以各自定义顺序地操作为所述驱动信号的功能以各自提供所述设备致动输出或其一部分的负载承载部分。

可以存在被布置为串联操作的三个或更多个致动布置的集合,如针对上面本文中的两个致动器布置的集合所描述的。在使一个致动构件变形预定量的情况下,应用的驱动信号被耦合到下一致动构件。以这种方式,定义按顺序或取决于应用的驱动水平操作的设备的链。

另外的活性材料可以与所述活性材料不同以给定用于实施所述信号应用功能的设计自由度(即,以调节所述阈值信号)。这样的实施方式还可以通过这两个致动布置的几何或结构设计的选择实现。优选地,所述活性材料和所述另外的活性材料是相同的。因此,这允许仅一个材料类型需要被设计的设备(可以在相同材料或设备层中)并且给定更简单的设备制造和/或更小和/或更鲁棒的设备设计。

在本发明的一些范例中,所述致动布置包括用于接收所述驱动信号的电极;并且所述另外的致动布置包括用于将所述驱动信号提供到所述电极的另外的电极,所述电极被调整,使得:所述电极和所述另外的电极未提供电接触,使得所述驱动信号可以被发送到针对从驱动信号的第一范围或类型选择的驱动信号的所述电极;并且使得所述电极和所述另外的电极提供电接触,使得所述驱动信号可以被发送到针对从驱动信号的第二范围或类型选择的驱动信号的所述电极。

因此,在利用驱动信号的第二范围或类型的驱动信号驱动所述设备的情况下并且所述另外的电极变得电耦合或连接以将第二驱动信号或其一部分转移到所述致动布置,而这样的连接或耦合未被建立用于驱动信号的第一范围或类型。所述电连接可以通过电容性、感应或直流(物理接触)耦合。

在光学驱动活性材料的情况下,先前地所描述的所述操作的任何电极和/或其他电极可以利用光导和另一光导替换以提供或发送或耦合光学驱动信号。

本发明还提供包括如根据本发明定义的多个设备的系统。

优选地,所述多个设备被布置在阵列中。更优选地,所述系统是被动矩阵阵列。该阵列提供实施阵列的类型的便宜和容易,其中,根据本发明的设备的延迟类型允许不仅具有两个水平驱动的简单寻址,而且具有多个水平驱动(灰度级)并且具有减小或没有串扰。

在某些应用中,致动器的阵列可以例如在定位系统和受控的拓扑表面中是有用的。阵列是仅使用行和列连接的阵列驱动系统的实施方式并且具有比阵列中的个体驱动的设备更低的成本和复杂性。所述阵列可以是线性或二维阵列。

所述系统可以包括m个第一信号线和n个第二信号线,m和n表示整数并且m和n中的至少一个高于1,其中,所述多个设备中的每一个被连接到第一信号线和第二信号线用于将所述驱动信号提供到所述多个设备中的那一个。

所述第一连接线可以是用于选择或未选择设备的行线并且所述第二连接线可以是数据线或者反之亦然。

所述系统还可以包括驱动器布置用于:生成选定信号、取消选定信号和数据信号,使得:所述选定信号和/或所述数据信号中的每个个体地提供从驱动信号的第一范围或类型选择的所述驱动信号;并且使得所述选定信号和所述数据信号一起形成从驱动信号的第二范围或类型选择的所述驱动信号。

一起意味着针对预定时间段组合或至少在时间方面重叠。

所述驱动器布置可以被连接到m个第一信号线和n个第二信号线,使得信号可以使用m个第一信号线和n个第二信号线被提供到所述多个设备中的每一个。优选地,所述选定信号和取消选定信号通过m个第一信号线被提供,而所述数据信号通过n个第二信号线被提供。因此,所述设备选定信号可以是Ssel,而所述设备未选定信号可以是Sunsel。所述数据信号可以是Sdr/data。

所述驱动器布置可以包括用于提供电学驱动信号的电路或集成电路。驱动器信号可以是电压信号,包括用于或其他的脉冲中的DC电压信号和/或AC电压信号。驱动器布置可以包括行驱动器和列驱动器。行驱动器可以用于向一个或多个行提供选择和未选择的信号并且所述列驱动器用于向所述设备提供数据信号。

所述驱动器还可以提供用于提供光学信号的光学切换系统。所述信号线可以是例如带(薄层)或光纤中的光导。这样的系统可以具有快门或其他光开关以及其他光操纵部分。

具有所述驱动器的系统现在有效地可以仅需要用于操作的功率和数据输入。备选地,所述功率提供和数据输入提供也是所述系统的一部分。如可以要求的情况,功率输入可以是电学或光学的。

所述驱动器布置使得任何形式的被动矩阵寻址能够被使用。

注意,不同的驱动水平可以由所述驱动器布置的不同的驱动器生成,即,所述驱动器布置可以由行驱动器和列驱动器组成,其一起递送不同的信号水平的集合。

当所述延迟布置包括所述致动布置和支持层的摩擦接合(如上文所解释的),所述系统所述驱动器可以被配置用于生成所述选定信号以包括具有能够减小所述摩擦接合的频率的交流信号。

优选地,所述选定信号的频率比所述未选定信号的频率更高。所述驱动器可以用于递送第一和第二恒定驱动水平和第三交流驱动信号,其中,所述设备输出仅响应于所述第二恒定驱动水平和所述交流驱动信号的所述组合而生成。

该布置利用交流信号选择或未选择所述摩擦耦合,并且从而使得所述阈值被克服。

本发明可以被用于所有类型电活性材料(EAM)。电活性聚合物通常并且在规则层厚度处不要求几十伏特的相对高的操作电压。因此,如果需要的话,可以针对该驱动器容纳驱动器。优选地,本发明被用于有机或甚至有机聚合物材料或包括如允许与复杂设备(诸如阵列)容易集成的这些的材料的有机聚合物。在下文中描述了适合的材料。这些材料中的许多材料提供撞击与力之间的好的平衡,同时可集成到各种设备中。这样对于无机物材料不总是真实的。

如果所述设备包括电活性材料和/或另一电活性材料,那么优选地一个或多个电极被用于提供所述驱动信号。所述一个或多个电极优选地是所述致动布置的一部分,并且如果存在的话,所述另外的致动布置还包括一个或多个电极。所述电极优选地被附接到所述布置。所述电极优选地被布置为提供电活性材料和/或另外的电活性材料的电场或一部分或将电流提供到电活性材料和/或所述另外的电活性材料。

如果所述设备包括光学驱动活性材料,那么其优选地包括将所述光学驱动信号提供到所述致动布置的光导部分。这样的光导部分可以包括:透镜、棱镜、反射镜、条带、层、光透明材料的接线或管、颜色/频率滤波器、全部根据用于将光学信号引导到所述布置或活性材料的需要的极化元件。因此,优选地,致动布置包括用于引导所述光学驱动信号的至少一个光导部分或层。

任何致动布置可以包括一层或多层活性材料。优选地,以这样的方式:贡献形成不同层的添加到彼此。

所述致动布置和/或所述另外的致动布置可以具有限制一个或多个方向上的所述活性材料的变形的支持层或衬底。这可以被用于使得所述活性材料的变形导致所述相应布置的不同的类型的机械致动。该一个范例是参考图2所描述的背衬层。

本发明提供驱动根据本发明的系统的方法。所述方法包括指导驱动器布置执行以下步骤:

-生成选定信号、取消选定信号和数据信号,使得:

-所述选定信号和/或所述数据信号均个体地提供从驱动信号的第一范围或类型选择的所述驱动信号;并且

-所述选定信号和/或所述数据信号一起形成从驱动信号的第二范围或类型选择的所述驱动信号。

分裂驱动信号(即,包括数据信号部分和选择或未选定信号部分结合本发明的设备的一个)的生成使用线或列驱动给定所述系统的方便的驱动,其中,由所述驱动信号的个体部分引起的交叉污染信号可以保持低于所述设备的阈值。因此,没有串扰致动输出利用简单驱动观察并且还允许灰度级或多水平数据信号驱动。

在所述方法中,生成所述选定信号可以包括所述取消选定信号并且所述数据信号包括以下各项:

-所述选定信号包括选定信号水平;

-所述未选定信号包括未选定信号水平;

-所述数据信号包括从包括至少第一水平和第二更高水平的一组水平选择的数据信号水平;

其中,所述信号水平被选择,使得:

-所述数据信号与所述未选定信号之间的差异的绝对值提供从驱动信号的第一范围或类型选择的所述驱动信号;并且

-数据信号与所述选定信号之间的差异的绝对值要么提供从驱动信号的第一范围或类型选择的所述驱动信号,要么提供从驱动信号的第二范围或类型选择的所述驱动信号。

所述数据信号的生成优选地包括其可以具有从所述至少第一水平与第二更高水平之间的一系列水平选择的数据信号水平。

所述未选定信号水平优选地在所述选定信号水平与所述数据信号水平之间。其优选地是零水平。这可以例如是零伏特、电流或零光强度。所述选定信号水平和所述数据信号水平优选地具有相反的极性或符号。

在多个设备被电学致动的情况下,所述水平可以是电流水平或电压水平。对于光致动设备而言,所述水平可以是光强度或频率。

本发明提供一种包括可存储在计算机可读介质上或被存储在其上或从通信网络可下载的计算机可读代码,该代码当在计算机上运行时能够实施根据方法权利要求中的任一项所述的方法的步骤。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的范例,其中:

图1示出了未被夹住的已知EAP设备;

图2示出了由背衬层约束的已知EAP设备;

图3示出了用于EAP设备的典型的位移电压特性;

图4示出了如具体地实现被动矩阵寻址的EAP设备的更期望的位移电压特性;

图5示出了EAP设备的第一范例;

图6示出了图5的设备如何更改位移电压特性;

图7示出了EAP设备的第二范例;

图8示出了EAP设备的第三范例;

图9示出了基于图8的方法设计的相对于用于一个设备的驱动电压的静电力和位移;

图10示出了基于图8的方法设计的相对于用于另一设备的驱动电压的静电力和位移;

图11示出了EAP设备的第四范例;

图12示出了EAP设备的第五范例;

图13示出了图12的设备如何更改位移电压特性;

图14示出了EAP设备的第六范例;

图15示出了EAP设备的第七范例;

图16示出了基于图15的方法的不同的范例;

图17示出了EAP设备的第八范例;

图18示出了EAP设备的第九范例;

图19被用于解释第一被动矩阵寻址方案;

图20示出了实现具有较低阈值的被动矩阵寻址的理想位移电压特性;

图21被用于解释第二被动矩阵寻址方案;并且

图22被用于解释第三被动矩阵寻址方案。

具体实施方式

本发明提供可以是致动器设备的设备。设备包括:致动结构,其包括当经受驱动信号时可以变形的活性材料,设备输出从由活性材料的任何变形引起的致动结构的机械致动导出。设备还包括:延迟布置,其基本上防止将机械致动转变为用于驱动信号的第一范围或类型的设备输出。设备实施用于设备输出的阈值驱动。

设备例如特别地适于使用在被动矩阵系统中。理想地,在设备的被动矩阵布置中,每个个体致动器应该致动直到一个或其最大致动而不影响相邻致动器。然而,实际上沿着矩阵的行和列驱动到相邻致动器的串扰被发现存在。当驱动信号(诸如例如用于基于电活性材料的设备的驱动电压或电流)被应用以使一个致动器致动,其周围的一个或多个致动器还经历驱动信号并且将部分地致动,这对许多应用而言是不想要的效应。

将针对基于电活性材料的设备的阵列完成以下解释。具体地,电活性材料是电活性聚合物。然而,考虑还适于采用其他类型的活性材料和对应的驱动信号的设备的阵列。

除了其他以外,串扰效应由于EAP的典型刺激响应(驱动-输出)曲线的特性。图3示出了用于电活性聚合物(EAP)结构的基本位移(d)对电压(V)函数的形式的这样的曲线。尽管曲线示出了非线性响应对电压驱动,但是已经存在来自驱动的开始的响应,曲线是基本上连续的。

图4示出了例如使得设备能够被使用在被动矩阵驱动设置和方案中的理想期望驱动响应曲线。在这种情况下,设备将不提供实质输出,直到某个阈值电压VT驱动被应用。因此,对于低于VT的“第一驱动信号”而言,不存在设备输出,而对于高于VT的任何“第二驱动信号”而言,存在设备输出。具有这样的曲线的设备对于低于未引起得到的输出的VT的一些刺激是容许的。该容许提供对于许多应用和目的适合或经改进的设备(诸如例如,串扰的减小或甚至防止)。本发明允许阈值驱动的实施方案而不必调节或修改现有活性(例如,电活性或光活性)材料,其可能是麻烦的过程。尽管针对具有阈值电压的电激活设备解释的,类似原因可以对具有阈值电流的电激活设备或具有阈值光强度或阈值光频率(颜色)的光学激活设备适用。

本发明提供引起人工创建的阈值驱动的设备设计。该阈值可以使用要么机械效应要么驱动效应(或这些的组合)实施。下面给定各种范例,但是可以在不损失本发明的效应的情况下想到其他范例。

在本发明中,刺激与驱动信号相同。如果设备采用电活性材料,则驱动信号可以是电信号。通常并且优选地,其是电压信号,但是其可以是电流信号并且这取决于设备中使用的实际电活性材料。优选地,所述设备包含一个或多个电极或电极布置以将驱动信号供应到电活性材料的整个区或体积的一部分。在一些情况下(例如诸如当电活性弹性体被使用在电活性材料中),电极布置的电极优选地被附接到电活性材料的层的相对侧以便使电极将力应用到弹性材料。

驱动信号还可以是在利用光电活性材料操作的设备的情况下的光学信号。在这样的情况下,设备还可以具有用于向材料提供光学信号的部分。这样的部分可以是具有特定透明度的光导(诸如光纤和层)。而且,可以使用透镜或其他光学部件。

响应或设备输出旨在是某种类型的设备的机械响应。其可以是设备的一部分的形状改变或部分或完整位移或两者(即,输出结构和/或致动结构)。输出还可以是提供有发生的致动输出结构的最小或没有实际变形的力或压力。

阈值效应可以使用各种输出延迟布置或机构实施。一个种类或类型基于设备输出的致动变换的被动机械延迟。这可以通过例如焊接设备几何结构(构造)和/或机械传输系统实现。还可以实现对设备输出的致动的变换的有效相反。这可以例如通过引入提供与机械致相反动直到阈值驱动的力的特征完成。范例可以是:机械夹住、表面“硬度”、相反压力、摩擦效应或其他永久或电动力生成力。

因此,基于需要由致动的致动结构克服的实际相反力,可以在致动器设备中实施阈值驱动。备选地,可以对所述设备进行构建,使得致动的致动结构将仅导致致动输出结构以在致动结构的某个阈值量的致动响应已发生之后作出响应。延迟布置或传输结构有效地吸收致动结构的致动直到某个阈值驱动。而且,可以实现电生成的阈值驱动效应。这可以例如使用静电、电动力或磁性吸引或电击穿行为完成。以上效应的组合还可以被用于高效地实施驱动阈值。

基于特殊种类的活性材料(名为电活性聚合物EAP),参考以下范例进一步解释本发明。然而,本发明不限于这样的材料或特定实施例并且本领域的技术人员将能够设计其他范例,包括例如根据本发明并且具有本发明的效应的其他类型的活性材料。

图5A和B示出了使用机械结构或设计来实施延迟布置的基于几何或构建效应的本发明的第一范例。设备包括EAP结构20作为室22内的致动布置。室具有悬停在EAP结构20上的构件(盖)24,使间隙23留在构件与EAP结构之间。构件盖坐落在边缘上,其意味着其悬停在EAP结构上。构件24有效地形成被布置为给定实际设备输出的致动输出布置。尽管为了清晰起见未示出,但是EAP结构具有电极布置以便利用电压信号驱动EAP。例如,可以使用如本申请的图2中所示的电极和EAP配置。然而,可以构建其他。利用第一范围驱动信号(在这种情况下电压)驱动EAP使其弯曲,使得其一部分朝向构件(盖)24上升。尽管致动结构因此利用该第一范围的信号致动,但是尚不存在实质设备输出,因为构件24尚未接触和/或位移。在间隙23已桥接并且因此在构件24与EAP层之间已进行接触之后(在驱动信号的第一范围内的最大驱动信号处),设备的另一致动使得EAP结构变得与其进一步致动,使得构件与增加的力和/或增加的位移变得接触(上升的)。因此,存在仅引起盖下面的间隙内的EAP结构的移动而不引起设备输出的一系列输入驱动信号。当该范围中的最大驱动信号(在这种情况下,最高电压)被到达时,与构件进行接触并且设备输出开始。该最高信号对应于总体设备的阈值驱动信号(阈值电压)。在该驱动信号上面,第二范围中的另一驱动提供构件的渐进增压和/或位移(提升盖),其对应于设备的输出。

因此,然而部分致动元件将不使构件(盖)位移,完全致动致动器将给定该构件的位移。为了获得这样的阈值相关设备行为,因此必须牺牲利用EAP结构完全可访问的位移的一部分。如在图6中所示,因此,延迟布置的效应是降低设备的位移曲线,使得不存在位移直到阈值VT被到达。在该设备中,构造具有减小如果在设备上尚未引入间隙则基于EAP结构将已将到达的最大位移的效应。另一方面,该配置的优点在于,没有力需要在阈值驱动之前克服,使得设备输出对利用致动结构可到达的力的全范围有益。因此,设备对于最高力减小的撞击应用而言是有用的。

当延迟布置将与EAP致动响应相反的力施加的致动器上在直到某个阈值力时,可以围绕减小的最大位移。在这种情况下,延迟布置有效地具有保持布置。在有或没有位移延迟与间隙、有或没有致动力的牺牲和有或没有致动结构与致动输出结构之间的(机械)交互的情况下,这可以以许多方式实现。下面在本文中将给定范例。

因此,如果其EAP致动器结构使用保持器系统(例如,卡扣系统)夹住以创建用于致动的阈值电压,则设备可以提供更多位移。该阈值电压然后对应于克服保持器功能的要求的力。利用这样的保持器系统,一旦保持器力被克服,设备输出对从致动结构可用的全力有益。当一旦驱动超过阈值时,通常可以获得该效应或部分等效效应,保持力比由致动结构所提供的致动力更强地减小。这可以利用非线性地或线性地取决于距离或一个或该驱动信号(在下文中还看到)的保持器力。

图7示出了具有构件(盖)24必须在位移之前通过的安全钩的形式的保持布置70的范例。在这种情况下,在位移构件与致动构件之间不存在间隙,与图5的范例的情况一样。在其可以移动越过挂钩之前,安全钩要求阈值力被应用到构件24。

在突弹跳变之后,致动器将利用更多驱动信号(应用电压)保持增加其位移。当电压被移除时,系统返回其初始平坦状态。安全钩可以允许盖的向下方向中的自由通道,否则设备可能需要由额外的应用力重置。确保设备的可逆性的其他方式可以利用本发明工作。

示出了对应于图7的范例的位移对电压特性(绘图72)以及力对电压特性(绘图74)。清楚地,并且与图5的范例相反,不存在在实际的设备输出被实现之前的EAP致动位移的牺牲。某个驱动信号处的完整的EAP输出仅被延迟并且在克服相反力之后,其在设备输出中变为完全可用的。

在另一机械实施例中,可以通过在EAP结构(即,聚合物层和其自身的衬底)与支持结构之间添加定义的“粘性”引起阈值电压。粘性可以仅通过增加跨EAP层的电压直到其力克服系统的粘性来克服。

粘性可以通过以下各项中的任何一项或多项实现:

-表面的化学修改(应用类似胶水的性质),

-在表面之间引入流体(使用毛细力),

-表面的机械/拓扑修改(例如,“Velcro”类结构)。

以上范例基于机械结构利用延迟布置,其例如定义设备的输出。备选方案基于静电效应。

与致动相反的静电感应力的一个范例如图8中所示。致动器具有EAP结构20,其包括用于其驱动的电极布置(再次,例如如图2之一)。设备具有EAP结构下面的设备支持面上的额外电极80。该电极不与驱动电极布置的电极中的任一个直接电接触。可以例如在容纳此的两者之间存在间隙或绝缘层。EAP结构20的电极部件的一个电极与表面上的额外电极80之间的静电吸引创建约束位移(在这种情况下)弯曲的约束力。静电力由以下项给定:

并且弯曲力是EAP材料性质的函数。因此,延迟布置包括用于将静电力应用到EAP结构的电极。

如果静电力由弯曲力克服,则致动器将弯曲。这剧烈地减小静电力,因为力是方形的电极(d)之间的分离的函数。任何弯曲将增加d并且静电力被减小,这导致进一步的弯曲并且因此F_静电的更多减小,并且阈值被克服。

图8中的图形示出了对应的位移对电压特性(绘图82)、力对电压特性(绘图84)和静电力对电压特性(绘图86)。

该系统的优点在于,静电力是几乎即时的并且EAP结构力缓慢反应,其对于在较低电压处紧密地夹住的致动器是有利的。可以通过利用EAP结构与衬底之间的电容中的差异实现动态效应。在该配置中,静电力将工作以一旦电压被应用,则约束EAP结构。EAP结构然而将缓慢地从阶跃电压输入建立直到其最大力。这可以引起延迟的阈值效应。因此,当阶跃电压被应用时,静电力首先保持EAP结构下降直到致动力克服静电力阈值并且突然跳出以给定位移。

阈值可以因此由致动器的几何结构部分地并且由致动的速度部分地确定。

对于具有衬底的正方形形状的致动器而言,以及3.5的相对电容率、144mm2的面积和80微米的厚度,EAP层力和静电力在大约110V的电压处的平衡处。这示出在示出静电夹紧力90和EAP层弯曲力92的图9中。

对于具有70微米的衬底厚度的相同系统而言,阈值是大约240V,如在图10中所示。对于该系统而言,静电夹紧电容器的电容是用于图9的大约55pF和用于图10的65pF,而EAP层的电容通常在200-500nF周围,其意味着充电时间中的差异是大约3000的因子。

因此,设计可以被定制到期望的阈值电压和要求的响应特性。

先前范例利用静电力。可以使用电磁体制造基于电感应力的类似地工作的实施例。作为另一范例,甚至永磁体可以被用于完成保持效应。因此,与以上静电调用的相反力类似,设备可以具有主动地防止EAP结构致动直到特定阈值驱动的永久或电磁体。因此,EAP结构和设备支持结构中的任一个或两者可以具有磁性层或部分并且EAP结构和设备支持结构中的任一个中的另一个可以具有从磁体吸引或拒绝的材料。用于创建EAP致动相反力的吸引或拒绝力的使用可以由设备的设计或结构定制,因为其取决于引起这样的力的部分的相对位置。这贯穿本发明是真实的。磁性力可以被调谐,以便考虑有助于如从标准电磁考虑已知的这样的力的参数,通过调谐设备的磁体、材料和构建创建期望的阈值力。本领域的技术人员将知道如何使用规则技术这样做。

延迟布置的另一可能实施方式包括引入阈值驱动信号的部件。一个范例是实施用于控制将驱动信号应用到EAP结构的阈值电压或击穿电压的电学部件。

图11A示出了范例,其中,EAP层20与被示出为DIAC(二极管AC开关)的电阈值或击穿元件110串联电连接。可以使用其他阈值元件(诸如肖克莱二极管、硅可控整流器或其他半导体闸流管)。该元件可以是EAP结构的一部分,例如,作为有机半导体层(按p-n-p-n序列),作为衬底堆叠的一部分。备选地,对于阵列中的较大致动器而言,元件可以是与每个致动器串联连接的表面安装设备部件。

对于低于击穿或阈值电压的应用电压而言,不存在当电压降跨越阈值或击穿元件上升时引起的变形。对于较大的应用电压而言,EAP层将变形。

在光学驱动致动器的情况下,这样的部件可以为OLED或LED的形式。OLED要求具有如驱动输出曲线的阈值电压的电信号。光输出可以调谐并且适于激活光电活性材料结构。而且,部件可以具有允许仅频率的特定范围的通道的非线性光学滤波器或光学滤波器。

用于延迟布置的另一可能实施方式包括包含第二致动布置的部件。作为这样的部件的范例,基于电活性材料的设备可以具有额外的EAP结构作为部件,其中,额外的EAP结构包括用于接收驱动信号并且将其应用到设备的致动布置的电极,其中,在使额外的EAP结构变形预定量的情况下,驱动信号被耦合到(主)EAP结构。

图12示出了范例。总体设备包括主致动器120(其是“EAP结构”)和辅助致动器122(其是“额外的EAP结构”)。辅助致动器小于主致动器并且其定义在这种情况下是非负载承载设备的控制部分。

两个顺序致动器的使用使得阈值能够被实施。辅助致动器充当机械开关,而主致动器是功能致动器。当电压低于阈值电压时,开关关闭,如在图12(a)和12(b)中的电压V=0和V=V1所示。

在阈值电压处和上面,例如如在图12(c)中所示的V=V2,开关打开并且功能致动器立刻完全供电到该电压。

两个致动器之间的接触提供其驱动电极的接触,使得辅助致动器延迟将驱动电压应用到主致动器。

图13示出了用于主致动器的位移功能,并且可以看到,存在位移函数的突然截止。因此,未给定设备的致动,低于VT的电压信号是第一驱动信号。给定致动输出,高于VT的任何电压信号是第二驱动信号。截止可以通过调节致动器之间的间隙大小或通过调节活性材料和/或控制活性材料上的致动场的活性层几何结构(诸如厚度)被调节设计。

利用不同的致动器配置和切换致动器几何结构,可以以若干不同的方式对顺序的次序进行配置。启用焊接构建。可以通过EAP结构的电极或通过在衬底的背面上做出的额外接触垫进行接触,这取决于致动器几何结构。在图14(a)至14(c)中示出了三个范例。

在图14中,每个致动器被示出为载体层上的EAP层140。在EAP层140的相对侧存在电极,并且这些中的一个接地并且放在适当的参考电平处。当辅助致动器变形时,非接地电极进入接触。三个设计的状态未示出有应用的致动电压,因此在辅助驱动器变形之前。

在图14(a)中,每个致动器的非接地电极继续在载体层的边缘周围,使得载体层进入接触,并且这产生非接地电极之间的电连接。

在图14(b)中,EAP层140延伸超过载体的区,使得尽管载体层彼此面对,但是其是EAP层,以及进入接触的其相应的非接地电极。

在图14(c)中,EAP层彼此面对并且其相应的非接地电极进入接触。

图15示出了在其中致动器120、122两者可以是负载承载的实施方式。

在这种情况下,第一负载承载致动器122(其是第二(辅助)EAP结构)与第二负载承载致动器120(其是(主)EAP结构)进行接触。第一致动器和第二致动器两者负责功能致动。

因此,延迟仅被应用到主致动器120并且低于阈值,第二输出功能由辅助致动器122实施。

在应用电压时,第一负载承载致动器122向上变形直到在其接触第二致动器120时的点。取决于第二致动器的参数选择,存在图16中示意性地表示的各种可能性。

图16(a)示出如果第一致动器和第二致动器是相同的,则在进行接触时第二致动器120将立即地变形为与第一致动器122相同的形状,由此致动中的阶跃函数将发生。

图16(b)示出如果第二致动器120比第一122是更响应性的(例如,具有更薄的EAP层或更薄或更相容的衬底),第二致动器120将立即地比第一致动器进一步变形,由此致动中的更大的阶跃函数将发生。

图16(c)示出如果第二致动器120比第一是更少响应性的(例如,具有更厚的EAP层或更鲁棒的的衬底),第二致动器120将比第一致动器变形更少程度,由此致动中的更小的阶跃函数将发生。

如果第二致动器120自身具有超过引起接触所要求的电压的致动的阈值电压(例如,通过使用上文所描述的阈值或击穿设计),第二致动器将直到电压进一步增加才变形,由此没有致动中的立即步骤将发生。

在进行接触之后,这两个致动器将继续随着电压增加而变形,直到其到达其最后的致动状态。

因此,在图16的范例中,当0V被应用时,这两个致动器具有零位移。当电压被应用时,第一致动器122开始弯曲。当弯曲足够高以与第二致动器进行接触时,第二致动器120即时经历相同电压。可以使第二致动器递送与第一致动器相同、高于第一致动器或低于第一致动器的位移。

该方法的修改是具有序列中的致动器的数目(超过2),其中,第一致动器是仅覆盖完全致动器输出区的某个部分的负载承载致动器。一般而言,可以存在串联的三个或更多个EAP结构的集合,其中,在使一个EAP结构变形预定量的情况下,应用的驱动信号被耦合到下一EAP结构。

图17示出了在其中四个致动器被布置在提供开放格式致动器的序列中的范例,以及枢转角的内边缘上的夹具170。

如果致动器通常向上弯曲,则每个个体致动器的端部将向下弯曲。外部边缘172的移动被用于在左右和上下致动器之间进行接触。致动的设备的数目取决于应用的电压。

例如,当底部致动器(被标记为1)已变形足以在电极172处进行接触时,上下致动器(被标记为2)被供电。当垂直致动器变形足够时,顶部电极(被标记为3)仅被致动。

因此,在V<VT1处,底部致动器(1)变化但是不接触其他相邻负载承载致动器(2)。在VT1<V<VT2处,底部致动器(1)变化足以接触侧致动器(2)并且使其变形但是不足以使顶部致动器(3)变形。在V>VT2处,所有致动器变形。

如上文所提到的,实现延迟功能的另一方式是通过引入粘性性质。

图18示出了在其中EAP层180的扩张被约束在平面内的实施方式。

该设计可以基于自由独立的EAP(如在图1中)。例如,两个层可以固定在一侧(诸如如在附图中所示的左侧),并且否则自由在所有方向上扩张。

抵靠衬底182提供层并且在他们之间存在摩擦阻力,其阻挡相对滑动直到摩擦力被克服。

这样,摩擦用作延迟布置,并且确定阈值。

为了以克服摩擦的方式驱动设备,可以使用ac驱动方案。例如,控制器184被用于应用添加到dc驱动信号的高频ac纹波以当致动器从一个位置移动到下一位置时实现相对滑动。下一位置还可以通过归因于摩擦的应用的电压的移除保持,使得获得辅助效应。可以实施设备和其AC驱动,如在具有申请人案号2015PF00205的非预公开的专利申请中所描述的,并且其内容通过引用并入本文。

如在图18中的电压时间分布图中所示,设备的驱动从具有仅小dc偏移的ac电压开始。EAP以用于振荡频率的振荡方式致动,使得将产生非致动状态周围的振动。这将导致摩擦的减小并且准备EAP层用于平滑致动移动,其一旦驱动电压增加则发生。

EAP层然后继续在图形中所描绘的下一时间段期间变形,其中,在变形期间存在活动振动(由叠加在上升dc电压电平上的ac分量引起的)。

最后地,跟随其中ac信号被叠加在基本恒定dc水平上的短时段,为了允许到达其最后状态中的EAP层的移动中的任何延迟,移除电压,如果剩余摩擦是足够的,则其将使得第二固定状态被保持。随后地,设备可以通过仅应用小ac信号以克服摩擦并且使设备返回其原始状态设置。因此,设备具有具有重置可能性的多个任意稳定状态。在该实施例中,缓慢地减小ac信号幅度以允许设备设定到其最稳定(最高摩擦)状态可以是有利的。

上文所描述的各种范例基本上提供具有阈值功能的致动器设备。

如上文所提到的,在某些应用中,致动器阵列可以例如在定位系统和受控的拓扑表面中是有用的。然而,由于致动器的驱动电压是相当高的(高于50V),因而单独地利用其自身的驱动器IC驱动每个致动器迅速地变得昂贵。

被动矩阵阵列是使用仅行(n个行)和列(m个列)线的阵列驱动系统的简单实施方式,其中,在行线与列线的每个交点之间,待驱动的设备被连接用于其驱动。其具有比活动矩阵变型更低的成本和复杂性,因为后者要求交点中的更多接线、更多复杂驱动器和额外的切换模块。如在被动矩阵中,驱动器布置仅要求(n+m)个驱动器以寻址直到(n x m)设备(致动器),这是远得多的成本效益的方法——并且还节省额外接线的成本和空间。

根据本发明的设备可以以这样的方式被连接到行(第一连接线)和列线(第二连接线):电极布置的一个电极被连接到行线,而电极布置中的另外的电极被连接到列线。在根据本发明的设备包括具有另外的电极布置的一个或多个另外的致动构件(例如诸如如利用图12至16例示的设备)的情况下,利用提供驱动信号发送的第一延迟的致动器布置的另外的电极布置进行连接。例如,图12的设备的接地电极两者被连接到行线(其自身不需要是接地线),而最小致动构件的另外的电极(另一致动构件)被连接到列线。

存在各种可能的被动矩阵寻址方案。一般而言,然而,期望被动矩阵中寻址的致动器设备在没有活动驱动电路的情况下维护其状态直到其可以再次刷新。为此目的,驱动信号Snm分为行或选定信号(Ssel/unsel)和列或数据信号(Sdr)。换句话说,选定信号和数据信号一起形成驱动信号。选定信号确定正寻址的行并且行上的所有n个设备同时地寻址。当行上的设备被选择或被寻址时,选定信号水平(Ssel(诸如例如Vsel电压)被应用,并且所有其他行利用未选定信号水平(Sunsel(诸如例如Vunsel电压))未选择。数据信号(Sdr)然后利用个体地用于每个m个列的数据信号水平应用。设备上因此利用数据信号水平(Son(诸如例如Von电压))驱动并且设备外的驱动对应于提供外数据信号水平(Soff(诸如例如Voff电压))。提供到连接到行i和列j的相应地选定设备和未选择设备的驱动信号然后由在交叉线上应用的电压之间的差定义并且因此由以下各项定义:

Snm(选定设备)=Sdr–Ssel

以及

Snm(未选择设备)=Sdr-Sunsel

所提供的数据信号Sdr确定选定行上的致动器设备是开还是关(即,是否递送输出),并且如果其打开,则提供多少致动。

理想地在被动矩阵设备中,每个个体致动器应该能够致动直到其最大电压而不影响相邻致动器(即,不提供设备的串扰引起的致动)。然而,在传统的EAP致动设备中(即,没有信号阈值的一个),相邻致动器的一些串扰将存在。当驱动信号被应用以致动一个致动器时,其周围的致动器还经历电压并且将部分地致动,其是对于许多应用的不想要的效应。因此,通过范例,假定图19(a)的阵列具有由电压信号操作的行和列线(利用圆形指示的)的交点上的传统的EAP。一旦通过给其提供Ssel=-Vth作为非零电压并且同时地给列提供Sdr=非零Vdr V或Sdr=0V选择第一行,黑颜色的圆形指示的致动器设备将具有(Vdr+Vth)V的全驱动电压。然而,其他设备要么将具有当在具有Vdr的列上和除第一行的行上时(Vdr+0)V的电压,要么将具有当在具有-Vth的行上并且在除第一或三列外的列上时的(0+Vth)的电压。因此,给定串扰输出,所有其他设备将部分地致动。

如针对例如以上范例中的任一个所描述的在其生成其输出(例如,致动变形)之前具有阈值电压的致动器使得被动矩阵或复用设备(即,复用分割致动器阵列)在没有或有减小串扰的情况下形成。实际上,在致动器致动之前应用非零电压直到电压电平使得设备给定输出是可能的。该阈值电压可以例如是大约改变致动器的形状所要求的电压或比其更高。

使用这样的基于阈值的致动器设备,启用利用许多驱动方案驱动的设备的许多阵列。下面描述了这些阵列和驱动方案中的一些。如基于EAM材料的大多数致动器是电压驱动设备,将使用电压信号描述方案。然而,将理解到,如下面所描述的类似概念通常可以对被用于驱动致动器的其他类型的信号适用。如上文所描述的,这取决于使用在这样的设备中的实际致动器材料。

通常,对于具有第一驱动信号和第二驱动信号的根据本发明的致动器设备而言,由驱动器递送的驱动信号Snm应该要么是第一驱动信号要么第二驱动信号。因此,尽管给设备提供第二驱动信号的类型的Snm(对于致动而言),由于串扰引起的其他设备上的Snm应该因此优选地具有第一驱动信号的类型。如果阈值驱动信号由致动器设备定义,那么Snm低于或等于用于第一驱动信号的阈值驱动信号并且高于用于第二驱动信号的阈值驱动信号。信号Ssel/unsel和Sdr/data因此优选地选择,使得用于Snm的先决条件被实现。下面给定实现这些一般考虑的驱动方案的一些范例。

寻址方案1

图19被用于解释具有时间寻址处的一个线的被动矩阵方案。在这种情况下,交点处的致动设备根据本发明的选项之一,使得其是电压驱动的致动器,其中,设备具有低于其设备输出基本上缺少并且高于其设备输出生成的阈值电压Vth。

在该范例中,设备的阈值电压(Vth)超过数据信号Vdr的电压的范围(即,在任何一个期望的驱动信号处,Vth>Vdr)。Vdr是完全致动EAM设备所要求的数据电压范围。在图13中示出该情况,其中,数据电压范围Vdr被示出为高于VT的电压范围。这意味着如果0V被应用到设备的致动结构的一个电极和全数据电压Vdr被应用到另外的电极,则致动器根本不致动,因为驱动信号然后将仍然仅总计达低于Vth的Vdr+0V。取代另外的电极上的0V,在另外的电极上需要负电压以使总体电压差(即,设备驱动信号)高于Vth。

在范例中,阵列由能够提供两级寻址信号(即,Ssel=–Vth(或理想地仅低于阈值电压)V(具有选定信号水平-Vth的选定信号))的行驱动器驱动和Sunsel=0V(具有0V的未选定信号水平的未选定信号)。行驱动器能够提供两级或多级数据信号(即,0V(第一信号水平)与Vdr V(第二信号水平)的Sdr(Sdata))。

驱动器因此利用低Ssel、高Vdr和两者之间的0V的参考信号。参考信号不需要是0V,但是可以在另一电势处。这是利用更多独立参考信号的更一般驱动器的某种程度上更简单的范例。

致动器设备具有仅在其上生成设备输出的Vth。因此,最大第一驱动信号(即,未生成输出的驱动信号的第一范围)具有等于阈值电压的上限。

在该范例中,对驱动器和/或致动器设备进行配置,使得Ssel和Sunsel以及Sdr或Sdata电平利用选定的值递送,使得构成第一驱动信号,而如上文所定义的Snm构成第二驱动信号。因此,更特别地,第一信号水平与第三信号水平之间的差的绝对值和第四信号水平与第二信号水平之间的差的绝对值提供第一驱动信号(即,低于最大第一驱动信号(或Vth))。换句话说,差因此是要么Vth要么Vdr并且这两者低于Vth,因此对于这些种类的串扰信号而言,未生成输出。

寻址阵列以在示出4x4阵列的范例的图19中解释的方式中继续。

所有行利用0V(未选择的)初始地寻址(即,具有应用到行的0V)。在该情况下,跨越个体设备中的最大电压差是Vdr(来自列驱动器的最大电压)。由于这低于Vth,因而阵列中的所有设备将在非致动模式中。

因此,如在图19(a)中所示,第一行1利用-Vth(或仅低于-Vth)寻址(选择)。两个列1和3利用电压Vdr驱动,并且两个列2和4利用0V驱动。在该情况下,跨越列1和3上的两个设备的电压差是(Vdr+Vth)V(使用来自列驱动器的最大电压Vdr)。由于这高于Vth,因而行中的这两个设备将在致动模式中,如由实线圆形所示。跨越列2和4上的其他两个设备的电压差是(0+Vth)V(使用来自列驱动器的最小电压0V),由此行中的这两个设备将在非致动模式中。而且,跨越除在1外的行上和列1和3上的设备的电压差具有(Vdr+0)V的非零电压差。然而,这仍然低于Vth并且因此这些设备还仍然在非输出模式中。

第一行然后恢复到0V的寻址信号并且行中的所有致动器恢复到非致动模式。

第四行然后利用-Vth寻址(选择),如在图19(b)中所示。开关以与用于行1的选择相同的方式开始。

第二行然后恢复到0V寻址与并且第二行中的所有致动器恢复到非致动模式。

第四行然后利用-Vth寻址,如在图19(c)中所示。现在三个列利用电压Vdr驱动,并且一个列具有0V。在该情况下,跨越设备中的三个的电压差是(Vdr+Vth)V(使用来自列驱动器的最小电压,Vdr)。由于这高于Vth,因而行中的这些三个设备将在致动模式中。跨越其他设备的电压差是(0+Vth)V(使用来自列驱动器的最小电压,0V),由此该设备将在非致动模式中。

第三行然后恢复到0V并且行中的所有致动器恢复到非致动模式。

第四行然后利用-Vth寻址,如在图19(d)中所示。此处,所有四个列利用电压0V驱动。在该情况下,跨越所有四个设备的电压差是(0+Vth)V(使用来自列驱动器的最小电压,0V),由此行中的所有设备将在非致动模式中。

第四行然后恢复到0V并且行中的所有致动器保持非致动模式。

行寻址然后跟随新周期。

以这种方式,一次一行单独地致动阵列中的所有设备是可能的,由此设备以顺序的方式致动。列驱动器或数据驱动器被用于致动或不致动行上的设备并且确定这样的设备在什么程度上(灰度级类型致动)被致动。该数据信号可以是0V与Vdr max之间的范围中的连续可变或类似数据信号。备选地,该数据信号可以是0V与Vdr max之间的范围内的逐步可变(数字)数据信号。

值得注意的一个特征在于,尽管个体致动器、沿着行的多达m个致动器的重复、沿着列的多达n个致动器的重复或重复行或重复列的数目可以在给定时间处致动,通常具有同时致动的阵列中的致动器的任何随机图案是不可能的,因为不存在内置到致动器中的存储器。下面在寻址方案3中描述了一个这样的范例。当电压被移除时,使得多个行中的致动器将不同时打开。

寻址方案2

图19的方案可以被修改为利用减小的电压驱动器。这是有利的,因为用于基于EAM的致动器和特别地基于EAP的致动器设备的致动电压(或通常信号)可以是相当高的(诸如在几十伏特或几百伏特范围中)。对于致动器-类似图12的顺序致动器-具有如图12中所示的完美或几乎完美的阶跃函数位移,列可以通过提供电压Vdr>Vth/2V驱动并且行可以提供有电压Vsel=–Vth/2V。

Vdr稍微高于Vth/2V(例如,(Vth/2+Δ)V)。同时驱动电压(Vdr-Vsel)>Vth×ΔV足以致动设备。Vdr可以被选择以包含任何Δ。

这具有以下优点:由每个驱动器造成的驱动电压可以尽可能保持低(其限制IC的成本)。其还确保矩阵中的非致动设备上的电压比Vth低得多,其允许对于某个裕度而言设备的阈值电压应该随时间或由于温度波动而减小。而且,非致动设备仅由Vth/2而不是Vth电气加压,如果寿命由峰值电压确定则其还可以增加寿命。

如果寿命由峰值电压和占空比的组合确定,则图19的方案可以相反是优选的。在该情况下,尽管峰值电压更高(Vth),但是其仅针对短时间应用,而阵列的一个线被寻址并且因此存在非常低的占空比。所有其他设备仅接收至多Vdr,并且Vdr<Vth。

Vdr(列电压)和Vs(行电压)的其他值也可能作为中间解(Vsel直到Vth和Vth直到Vdr),使得在驱动电压电平与设备致动范围之间存在折中。

尽管以上方案可以减小仅两个驱动电平的阵列中的驱动器成本,但是情况可以在其中要求多个驱动电平的阵列中是不同的(即,当设备需要被致动到不同的水平)。在这种情况下,数据驱动器变为更昂贵的。因此,在其中阈值未漂移的情况下,最低成本解可以仍然使数据(列)驱动器上的电压最小化并且维持寻址(行)驱动器接近于-Vth的那个。

寻址方案3

有时,同时致动许多设备是期望的,由此同时寻址多个线是必要的。因此,在另一范例中,致动器设备的阵列被提供有阈值电压(Vth),如上文所描述的。与方案1一样,阈值电压再次超过完全致动设备所要求的数据电压范围(如上文所解释的)(Vdr)(即,Vth>Vdr)。

阵列由能够提供0V和-Vth的两级寻址信号的行驱动器(再次理想地仅低于Vth)和能够提供0V与Vdr V之间的两级或多级数据信号的列驱动器驱动。

参考图21,寻址阵列继续,如下面所描述的。在该范例中,备选地阵列的上半部(图21(a))和下半部(图21(b))中的所有设备被致动。

所有行利用0V初始地寻址(未选择的)(未示出在附图中)。在该情况下,跨越设备中的最大电压差是Vdr(来自列驱动器的最大电压)。由于这低于Vth,因而阵列中的所有设备将在非致动模式中。

如在图21(a)中所示,第一和第二行利用-Vth寻址(选择)。所有列利用数据电压Vdr驱动,在该情况中,跨越阵列的前两行中的所有设备的电压差是(Vdr+Vth)V(使用来自列驱动器的最大电压Vdr)。由于这高于Vth,因而设备的两个行将在致动模式中。因此,较低的两行(行2和4)利用0V选定信号未选择,使得这些行上的设备利用低于Vth的(Vdr+0)V的电压信号驱动。因此,这些设备关闭。

第一和第二行恢复到0V并且行中的所有致动器恢复到非致动模式。

第三和第四行利用-Vth寻址,如在图21(b)中所示。所有列利用电压Vdr驱动,在该情况下,跨越阵列的底部两行中的所有设备的电压差是(Vdr+Vth)V(使用来自列驱动器的最大电压Vdr)。由于这高于Vth,因而设备的两个行将在致动模式中。现在,以上两个行1和2利用给定(Vdr+0)V的驱动信号的0V选定信号驱动,其不足以用于设备输出为低于Vth。

第三和第四行恢复到0V并且行中的所有致动器恢复到非致动模式。

此外,对于具有位移中的完美阶跃函数的致动器而言,列可以使用如在寻址方案2中解释的较低电压驱动。

因此,该方案同时给行的寻址提供相同内容。

寻址方案4

如参考图18解释的,存在其中基于保持结构(诸如通过设备的物理摩擦性质实现保持的一个保持结构)实现延迟功能的设备设计。这样的设备可以要求在某种程度上与方案1到3的那些不同的寻址方案。例如,图18中的一个可以利用交流电驱动分量驱动。一般而言,添加到驱动信号的AC纹波更高,摩擦更低。

该摩擦控制的阈值行为可以被用于驱动AC驱动设备的阵列。在这种情况下,驱动继续如下:

在该方案的第一范例中,AC电压被应用到寻址线(行)。在缺少ac寻址信号的情况下,设备将不致动直到将被应用到列的某个最大数据电压(Vdr)。在存在AC寻址信号的情况下,设备将被致动到由将被应用到列的数据电压(Vdr)所确定的电平。

阵列由能够提供AC寻址信号VAC的行驱动器和能够提供0V与VdrV之间的幅度的(多级)DC数据信号的列驱动器驱动。

图22被用于解释操作,但是仅考虑前两行。在这种情况下,驱动继续如下。

所有行利用0V初始地寻址(未选择的)。在该情况下,跨越设备中的最大电压差是Vdr(来自列驱动器的最大电压)。由于不存在应用到行的ac信号,将不存在设备的致动。

第一行利用VAC寻址,如在图22(a)中所示。两个列利用电压Vdr驱动,两个列利用0V驱动,如所示。在该情况下,跨越设备中的两个的电压差是(Vdr+VAC)V(使用来自列驱动器的最小电压,Vdr)。由于存在叠加在dc电压Vdr上的ac电压,因而行中的这两个设备将在致动模式中,因为防止致动的摩擦被减小,这释放用于其基于列驱动信号提供其输出的设备的致动构件。跨越其他两个设备的电压差(0+VAC)V(使用来自列驱动器的最小电压,0V),由此行中的这两个设备将有效地在非致动模式中(取决于VAC的值和设备的响应曲线,可以存在设备的最小致动)。

任选地,所有列驱动器暂时地恢复到0V,由此行中的所有致动器恢复到非致动模式。第四行然后恢复到0V并且行中的所有致动器保持非致动模式。

第二行然后利用Vac寻址。此外,相同两个列利用电压Vdr驱动,两个列利用0V驱动,如在图22(b)中所示。此外,由于存在叠加在dc电压Vdr上的ac电压,因而行中的这两个设备将在致动模式中。跨越其他两个设备的电压差是Vac+0V=Vac(使用来自列驱动器的最小电压,0V),由此行中的这两个设备将有效地在非致动模式中(取决于Vac的值和设备的响应曲线,可以存在设备的最小致动)。

可选地,所有列驱动器暂时地恢复到0V,由此行中的所有致动器恢复到非致动模式。第四行恢复到0V并且行中的所有致动器保持非致动模式。寻址逐行继续。

这些ac驱动方案还可以使用在顺序地操作的振动器的情况中,在该情况中切换致动器由ac驱动部件控制。寻址和驱动信号将被应用到切换致动器,因为这是定义第二致动器(负载承载致动器)是否实际上被致动的致动器。

尽管在以上范例中ac信号被应用到行,但是其可以同样应用到列。将ac信号应用到行和列也是可能的。在这种情况下,以这样的方式利用异相条件和/或可变幅度信号致动阵列中的某些位置中的设备是可能的:如果未致动,则电压总是零并且如果致动则在某个电压处(由重新定相信号所获得的)。

上文所解释的各种驱动方案可以被应用到展示阈值电压的上文所描述的全部致动器设计。在顺序致动器的情况下,寻址和驱动信号将被应用到两个致动器(切换致动器)中的第一个,因为这是定义第二致动器(负载承载致动器)是否实际上被致动的致动器。

清楚地,阵列可以是对称的,因此术语行和列在某种程度是任意的。将寻址驱动器应用到列并且将数据驱动应用到行将同样地是可能的,由此阵列一次一列(或多列)地寻址。

在以上范例中,仅详细描述两级数据驱动器(0V和Vdr)。这将导致最低成本驱动器IC。然而,在备选实施例中,其可以优先地还部分地使致动器致动。为了实现这样,将要求具有直到Vdr的多个数据电压的数据驱动器。

对于具有完美阶跃函数的致动器设备而言,Vth需要稍微低于阈值。这需要避免当-Vth被应用时反应的致动器的整行,因为设备是对称的。这还将被要求,因为设备自身还充当电容器。因此如果一个被寻址并且稍后不应该被寻址,其可以将足够的电流给定到相邻设备以针对短时间段寻址不想要的设备。

尽管当电压下降到Vth以下时如此处所描述的设备恢复到其原始状态,对原始状态的放松的状态可以是缓慢的(因为其由机械性质而非由驱动电压确定)。出于该原因,在一些实施例中,应用重置以使致动器到其原始状态可以是有益的。由于基于EAM的设备在变形中是对称的,因而重置电压必须通过额外机构转换为设备中的相反致动。例如,重置可以由针对功能致动器工作的致动器应用,因此其能够驱动机械重置。该相反致动器可以是单个致动器或全部连接到相同(重置)驱动器的个体致动器的集合。备选地,重置可以是机械重置(诸如按压)或压力重置(诸如真空)。

仅在下一行将被寻址之前,重置可以被应用到阵列的所有行和列中的致动器。全部设备被重置到其非致动状态。备选地,重置可以被应用到仅单个行,其仅在下一行将被寻址之前被致动。

已经沿着基于电活性材料的设备描述阵列。然而,将明显的是,还可以制造使用光学驱动的活性材料的系统。连接和信号线然后需要被布置用于将光学信号引导到设备。因此,电极需要是用于将提供到致动布置中的活性材料的光波导接线和层。驱动的系统和方法还将具有其用于这些阵列的有利效应。

电极布置可以包括用于场驱动设备的EAM层的相对面的电极,如上文所示。这些提供用于控制EAM层的厚度的横向电场。这进而引起层的平面内的EAM层的扩张或收缩。

电极布置可以代替地包括EAM层的一个面上的一对梳状电极。这提供用于直接地控制平面内的层的尺寸的平面内电场。

尽管在以上本文中的详细描述中已经针对EAP描述根据本发明的设备和系统的构建和操作,但是本发明可以实际上被用于基于任何种类的EAM材料的设备。因此,除非另外指示,否则在上文中的EAP材料可以利用其他EAM材料替换。这样的其他EAM材料在本领域中是已知的并且本领域的技术人员将知道何处找到他们并且如何应用他们。下面在本文中将描述若干选项。

在许多EAM设备中间,共同子划分进入基于场驱动和离子驱动的EAM的那些子划分中。场驱动的EAM通过直接机电耦合由电场致动,而用于离子EAP的致动机构包含离子扩散。这两个种类具有多个家庭成员,各自具有其自身的优点和缺点。

存在具有有机或无机性质的许多场驱动的EAM。例如,EAM材料可以是弛豫振荡器铁电无机材料。这样的材料可以具有足够高以用于实际使用的电致伸缩常量。最常用的范例是:铌镁酸铅(PMN)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)和钛酸锆酸镧铅(PLZT)。

特殊种类的EAM材料是电活性聚合物(EAP)还属于的有机电活性材料OEAM。有机材料和特别地聚合物是增长兴趣的新兴种类的材料,因为其将致动性质与材料性质(诸如轻重量、便宜的制造和容易的处理)。

场驱动的EAP通过直接机电耦合由电场致动。其通常要求高场(伏特每米)但是低电流。聚合物层通常薄以保持驱动电压尽可能低。

离子EAP由离子和/或溶剂的电感应传输激发。其通常要求低电压但是高电流。其要求液体/凝胶电解质介质(但是一些材料系统还可以使用固态电解质操作)。

这两个种类的EAP具有多个家庭成员,各自具有其自身的优点和缺点。

电活性聚合物包括但不限于子类:压电聚合物、机电聚合物、弛豫振荡器铁电聚合物、电致伸缩聚合物、电介质弹性体、液晶弹性体、共轭聚合物、离子聚合物金属合成物、离子凝胶和聚合物凝胶。

子类电致伸缩聚合物包括但不限于:

聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TiFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯三氟乙烯)(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF–HFP)、聚氨酯或其混合物。

子类电介质弹性体包括但不限于:

丙烯酸酯、聚氨酯、硅树脂。

子类共轭聚合物包括但不限于:

聚吡咯、聚(3,4-乙撑二氧噻吩)、聚对亚苯硫醚、聚苯胺。

场驱动EAP的第一显著子类是压电和电致伸缩聚合物。尽管传统的压电聚合物的机电性能是有限的,在改进该性能中的击穿已导致PVDF弛豫振荡器聚合物,其示出自发电极化(场驱动对齐)。这些材料可以预应变用于应变方向中的经改进的性能(预应变导致更好的分子对齐)。通常,使用金属电极,因为应变通常在中等制度(1-5%)中。还可以使用其他类型的电极(诸如导电聚合物、基于碳黑的油、凝胶或弹性体等)。电极可以是连续的或分段的。

场驱动的EAP的感兴趣的另一子类是电介质弹性体。该材料的薄膜可以夹在相容电极之间,形成平行板电容器。在电介质弹性体的情况下,由应用电场引起的Maxwell应力导致薄膜上的应力,这使得其在厚度方面收缩并且在面积方面扩张。应变性能通常由预应变弹性体扩大(要求帧保持预应变)。应变可以是相当大的(10-300%)。这还约束可以使用的电极的类型:对于低和中应变而言,可以考虑金属电极和导电聚合物电极,对于高应变制度而言,通常使用基于碳黑的油、凝胶或弹性体。电极可以是连续的或分段的。

场驱动EAP的范例是电介质弹性体(优选地夹在致动结构中的电极之间)、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫振荡器聚合物或聚氨酯)和液晶弹性体(LCE)。离子驱动的EAP的范例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合物和离子聚合物金属复合物(IPMC)。

离子EAP的第一显著子类是离子聚合物金属复合物(IPMC)。IPMC包括层压在两个薄金属之间的溶剂膨胀离子交换膜或基于碳的电极并且要求电解质的使用。典型的电极材料是Pt、Gd、CNT、CP、Pd。典型的电解质是基于Li+和Na+水的溶液。当场被应用时,阳离子通常连同水行进到阴极侧。这导致亲水团的重新组织和聚合物膨胀。阴极面积中的应变导致致使弯向阳极的聚合物基体的剩余部分中的应变。反转应用电压反向弯曲。众所周知的聚合物膜是和

离子聚合物的另一显著子类是共轭/导电聚合物。共轭聚合物致动器通常包括由两层共轭聚合物夹住的电解质。电解质被用于改变氧化态。当电势通过电解质被应用到聚合物时,电子被添加到聚合物或从聚合物移除,从而驱动氧化和还原。还原导致膨胀中的收缩、氧化。

额外被动层可以被提供用于响应于应用电场而影响EAM层的行为。

EAM层可以夹在电极之间,但是可以使用其他电极配置(诸如在要么有要么没有EAM层的另一侧的电极的情况下在EAM层的一侧交替)。电极可以是可伸缩的,使得其跟随EAM材料层的变形。适于电极的材料也是已知的,并且可以选自包括以下各项之一:薄金属膜(诸如金、铜或铝或有机导体(诸如碳黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT),例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)))。还可以使用金属化聚酯薄膜(诸如金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(例如使用铝涂层))

在一些情况下,当聚合物自身缺乏足够的导电性(逐尺寸),添加薄膜电极。电解质可以是液体、凝胶或固态材料(即,高分子重量聚合物和金属盐的络合物)。最常见的共轭聚合物是聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PTh)。

致动器还可以由电解质中悬浮的碳纳米管(CNT)形成。电解质与纳米管形成双层,这允许电荷的注射。该双层电荷注射被认为是CNT致动器中的主要机构。CNT充当具有注射到CNT中的电荷的电极电容器,其然后通过由电解质移动到CNT表面形成的电双层平衡。改变碳原子上的电荷导致C-C键长度的改变。因此,可以观察单个CNT的扩张和收缩。

例如,考虑不同层的弹性模数(杨氏模量),将选择用于不同层的材料。

上文所讨论的那些的额外层可以被用于适配设备的电气或机械行为(诸如额外聚合物层)。

EAM设备可以是电场驱动的设备或离子设备。离子设备可以基于离子聚合物-金属复合物(IPMC)或共轭聚合物。离子聚合物-金属复合物(IPMC)是在应用电压或电场下显示人造肌肉行为的合成复合纳米材料。

IPMC包括如Nafion或Flemion的离子聚合物,其表面化学板或物理涂有导体(诸如铂或金或基于碳的电极)。在应用电压下,归因于跨越IPMC的条带的应用电压的离子迁移和重新分布导致弯曲的变形。聚合物是溶剂膨胀离子交换聚合物膜。场使得阳离子连同水行进到阴极侧。这导致亲水团的重新组织和聚合物膨胀。阴极面积中的应变导致致使弯向阳极的聚合物基体的剩余部分中的应变。反转应用电压反向弯曲。

如果平板电极被布置在非对称配置中,应用电压可以引起所有种类的变形(诸如扭曲、轧制、扭转、转动和非对称弯曲变形)。

可以在现有技术中找到还有时被称为照片响应形状改变材料的光驱动活性材料(其以其整体内容通过引用加以合并)诸如例如在以下各项中:

-由材料2013,6,116-142中的Danish Iqbal和Muhammad Haris Samiullah的Photo-Responsive Shape-Memory和Shape-Changing Liquid-Crystal Polymer Networks;

-由Harris,K.D.;Cuypers,R.;Scheibe,P.;van Oosten,C.L.;Bastiaansen,C.W.M.;Lub,J.;Broer,D.J.in J.Mater.Chem.2005,15,5043–5048的高弹性模型聚合物致动器中的大幅度光诱发移动;

-由Chensha Li,Chi-Wei Lo,Difeng Zhu,Chenhui Li,Ye Liu,Hongrui Jiang,in Macromol.Rapid Commun.2009,30,1928–1935 2009的Synthesis of a Photoresponsive LiquidCrystalline Polymer Containing Azobenzene;

-由George K.Knopf,Yukitoshi Otani,CRC Press,Taylor and Francis Group,2013编辑的Optical Nano and Micro Actuator Technology;

-由Sergey S.Sarkisov;Michael J.Curley;LaQuieta Huey;Aisha B.Fields;in Optical Engineering Volume 45,Issue 3,March 2006的Light-driven actuators based on polymer films;以及

-由Harris,K.D.,Cuypers,R.,Scheibe,P.,Oosten,C.L.van,Bastiaansen,C.W.M.,Lub,J.&Broer,D.J.(2005)的Large amplitude light-induced motion in high elastic modulus polymer actuators.。Journal of Materials Chemistry,15(47),5043-5048;

对于本领域的技术人员而言将明显的是,当以上现有技术的材料中的任一个被使用在本发明的设备中时,还可以包含用于提供适当的驱动信号的适当的部件。

设备可以被用作单个致动器,否则可以存在设备的线或阵列例如以提供2D或3D轮廓的控制。

本发明可以被应用在许多应用中,包括其中致动器的被动矩阵阵列感兴趣的范例。

在许多应用中,产品的主要功能依赖于人类组织的(局部)操纵或组织接触界面的致动。在这样的应用中,主要地由于小形式因子、灵活性和高能量密度,因而EAM致动器提供唯一益处。因此,EAM可以容易地被集成在软、3D形状和/或微型产品和接口。这样的应用的范例是:

皮肤美容除皱术(诸如基于EAM的皮肤贴片的形状的皮肤致动设备),其将恒定或循环伸展应用到皮肤以便使皮肤拉紧或减少皱纹;

具有患者界面罩的呼吸设备,其具有基于EAM的活性垫层或密封,以将交替正常压力提供到减少或防止面部红罩的皮肤;

具有自适应剥皮机头的电动剃刀。皮肤接触表面的高度可以使用EAM致动器调节以便影响密闭与刺激之间的平衡;

口部清洁设备(诸如与动态喷嘴的空气牙线)以改进特别地牙齿中间的空间中的喷雾的到达。备选地,牙刷可以被提供有活化簇绒产品;

经由被集成在用户接口中或附近的EAM换能器阵列提供局部触觉反馈的消费者电子设备或触摸面板;

具有实现弯曲血管中的容易的导航的可操纵的尖端的导管。

从EAM致动器获益的相关申请的另一类别涉及光的修改。可以通过使用EAM致动器的形状或位置适配使诸如透镜、反射表面、光栅等的光学元件自适应。此处,EAP的益处是例如较低的功耗。

通过研究附图、说明书和随附的权利要求书,本领域的技术人员在实践所主张的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中,词语“包括”不排除其他元件或者步骤,并且词语“一”或“一个”不排除多个。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对范围的限制。

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