致动器结构及其致动方法技术

一种所公开的致动器结构(40)包括：有源层结构(44)，其包括根据温度呈现致动位移中的固有变化的电活性材料(48)；以及无源补偿模块(46)，其适于根据温度修改施加到所述有源层结构的电流或电压，以补偿所述热诱导位移变化。所述无源补偿模块包括多层温度相关电容器结构，并且由耦合到所述有源层结构的无源载体层结构(45)的层形成。

Actuator structure and actuation method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】致动器结构及其致动方法
本专利技术涉及一种包括电活性材料的致动器结构，以及一种用于控制其的方法。
技术介绍
电活性材料(EAM)是电响应材料领域内的材料的类。当在致动设备中实现时，使EAM经受电驱动信号可以使其在大小和/或形状方面改变。该效果可以被用于致动和感测目的。存在无机和有机EAM。一个特定种类的有机EAM是一种电活性聚合物(EAP)。电活性聚合物(EAP)是电响应材料领域中新兴的一类材料。EAP可以充当传感器或致动器，并且可以容易地制造成各种形状，从而允许容易地集成到各种各样的系统中。已经开发出具有诸如致动应力和应变的特性的材料，其在过去的十年中已经显著改进。技术风险已经降低到产品开发的可接受水平，使得EAP在商业和技术上变得越来越令人感兴趣。EAP的优点包括低功率、小形状因子、柔性、无噪声操作、准确性、高分辨率的可能性、快速响应时间和循环致动。EAP材料的改进性能和特定优点引起对新的应用的适用性。EAP设备可以用于期望基于电致动的部件或特征的少量移动的任何应用中。类似地，所述技术能够用于感测小的移动。对EAP的使用实现了以前不可能的功能，或者提供了优于常规传感器/致动器解决方案的大的优点，这是因为与常规致动器相比的相对大的变形和在小的体积或薄的形状因子中的力的组合。EAP还给出无噪声操作、准确的电子控制、快速响应以及大范围的可能致动频率，诸如0-1MHz，大多数典型地小于10kHz。已知的基于电活性材料的致动器经历显著的热漂移。热漂移意味着由环境温度的改变引起的致动器的致动位移的未控制的漂移或变化。其由于电活性材料随着引起致动器的致动位移的不可忽略的漂移的增加的温度膨胀而发生。热漂移致使致动器不准确，特别地当应用中非空调环境中，例如当并入医学探头时，其在进入人体时，经受温度的显著改变。使用有源补偿模块克服热漂移是可能的，其中，温度的改变有效检测，并且响应于补偿控制的施加电流或电压的变化有效检测。然而，这样的有效反馈机制致使致动器昂贵并且复杂。因此，用于克服基于EAM的致动器中的热漂移的困难的装置是期望的，其比已知装置更不昂贵和复杂。
技术实现思路
本专利技术由权利要求书定义。根据本专利技术的方面，提供了一种适于补偿致动位移中的热变化的致动器结构，所述结构包括：有源层结构，其包括一个或多个材料层，每个材料层包括响应于电刺激而可变形的电活性材料；无源载体层结构，其耦合到所述有源层结构；以及无源补偿模块，其被布置为根据温度修改提供到所述有源层结构的电活性材料的电刺激的电流或电压，从而补偿致动位移中的所述热变化，其中，所述无源补偿模块包括多层温度相关电容器结构，并且其中，所述无源载体层结构适于形成所述电容器结构。本专利技术基于通过模块的实现方式抵消致动位移中的热变化(即热致变化)，所述模块通过某个无源物理机构实现幅度取决于温度的供应到的有源层结构的驱动电流或电压的修改。无源模块可以包括“积分”，在所述模块基于属于所述模块的一些内在物理或电学性质的意义上，而不是例如依赖于外部传感器以实现闭环控制操作。无源与有源相反使用，其意指有效地收集来自例如外部传感器的数据或者测量结果，并且因此调节电流或电压。无源可以意指“一步”，即依赖于单个积分物理或电学机构，而不是例如多步机构，诸如其中，例如取得外部测量结果并且作为响应采取有源逻辑“决策”。通过使用无源补偿模块，热漂移可以以任选简单的方式补偿。由于要求的部分的数目比有源补偿模块更少，因而致使制造更简单并且更便宜。可靠性还可以由于降低数目的部分和降低的复杂性而改进。所述无源补偿模块特别地包括多层温度相关电容器结构。电容随温度的变化率可以诸如向有源层结构提供被配置为补偿致动位移中的温度相关变化的幅度的供应电压或电流中的温度相关升高。所述致动器结构包括无源载体层结构，其耦合到所述有源层结构。所述载体层结构是背衬层结构。与所述有源层结构相反，无源意指非电响应。所述无源载体层结构应当足够柔性以承受由致动器的弯曲引起的机械应变。所述载体层结构适于形成所述多层电容器结构。因此，所述无源层结构的层有效地形成所述温度相关电容器结构的层，反之亦然。这通过将所述无源层结构与所述无源补偿模块集成使所述致动器结构的形状因子和占用面积最小化。此外，由于在这种情况下所述温度相关电容器保持非常接近于所述有源层结构(通过耦合到其)，还确保每个结构处的温度变化是非常类似的。优选地，所述有源层结构和电容器层结构热耦合到彼此或以其他方式彼此热连通。将所述无源补偿模块集成到所述背衬结构中承载包括所述补偿模块和所述有源层的降低的形状因子和更紧密的温度耦合的优点。然而，对于许多电活性材料，诸如电活性聚合物，需要大电容以便将呈现的电学变形调节足够量以抵消所述热变形。这部分因为这些材料具有高电容率。以所述背衬层结构的小形状因子提供足够的电容提出问题。本专利技术通过提供多层电容器结构克服该问题。通过使用多层电容器结构，较大电容可以组合使用不同层建立以提供大总体电容。所述层结构可以提供多个个体电容器层，例如，其可以连接在一起(例如并联)以从相对小区域提供大总体电容。在范例中所述无源载体层可以包括聚合物材料的薄膜的层堆叠(例如具有金属化内电极)和/或陶瓷材料的薄层(例如具有金属化内电极)。使得能够形成所述多层电容器结构并且为所述载体层功能提供必要的结构特性的适合的陶瓷材料包括例如钛酸钡、钛酸锶、钛酸铋、钛酸钠。除电容器结构形成层之外可以包括的其他陶瓷材料包括例如氧化钇或氧化铌或这些和类似材料的组合，如对于技术人员将显而易见的。陶瓷可以特别地适于当所述无源载体层堆叠的结构使得所述陶瓷层在所述致动器结构的中性弯曲轴上或接近于其时使用，其中，弯曲应力是可忽略的。这可以将所述陶瓷层的厚度限于大约10微米，其对应于仅若干层(2-4取决于所述材料)。标准聚合物电容器材料(诸如聚丙烯、聚酯和聚苯硫醚)更能够承受当用作背衬时重要的机械应变。所述有源层结构可以根据温度呈现热变形，并且其中，所述无源补偿模块以诸如引起抵消所述热变形的电学变形的结果变化的比率根据温度修改所述电压或电流。所述变形可以是平面内变形。在所述有源层结构被夹住或包括刚性背衬的情况下，这可以转换为出平面变形。所述多层电容器结构可以与所述有源层结构的电活性材料串联连接并且被布置用于接收要供应到有源层结构的驱动电压或电流。所述电容器结构可以形成用于所述致动器结构的驱动电压输入电路，使得施加到所述有源层结构的电流或电压穿过所述部件，并且所述电容器结构可以在驱动电压或电流上电学操作以取决于温度无源地调节供应电压。根据一组范例，所述无源补偿模块还可以包括温度相关电阻器。这可以与所述电容器结构串联电连接例如以提供温度相关阻抗的额外的源。电阻随温度的变化率可以诸如以组合所述温度相关电容器结构被配置为补偿致动位移中的温度相关变化的比率减少所述有源层结构的供应电压或电流。根据一个或多个范例，所述电容器结构的多个层可以形成多个分离的电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适于补偿致动位移中的热变化的致动器结构(40)，所述结构包括：/n有源层结构(44)，其包括一个或多个材料层(48)，每个材料层包括能够响应于电刺激而变形的电活性材料；/n无源载体层结构(45)，其被耦合到所述有源层结构；以及/n无源补偿模块(46)，其被布置为根据温度来修改被提供到所述有源层结构的所述电活性材料的电刺激的电流或电压，从而补偿致动位移中的所述热变化，其中/n所述无源补偿模块包括多层温度相关电容器结构，并且其中，所述无源载体层结构适于形成所述电容器结构。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170720 EP 17182292.71.一种适于补偿致动位移中的热变化的致动器结构(40)，所述结构包括：
有源层结构(44)，其包括一个或多个材料层(48)，每个材料层包括能够响应于电刺激而变形的电活性材料；
无源载体层结构(45)，其被耦合到所述有源层结构；以及
无源补偿模块(46)，其被布置为根据温度来修改被提供到所述有源层结构的所述电活性材料的电刺激的电流或电压，从而补偿致动位移中的所述热变化，其中
所述无源补偿模块包括多层温度相关电容器结构，并且其中，所述无源载体层结构适于形成所述电容器结构。


2.根据权利要求1所述的致动器结构(40)，其中，所述有源层结构(44)根据温度来呈现热变形，并且其中，所述无源补偿模块以诸如引起抵消所述热变形的电学变形中的结果变化的比率根据温度来修改所述电流或电压。


3.根据权利要求1或2所述的致动器结构(40)，其中，所述多层电容器结构被布置为与所述有源层结构(44)的所述电活性材料电串联。


4.根据权利要求1-3中的任一项所述的致动器结构，其中，所述电容器结构的多个层形成多个电容器，所述多个电容器优选地并联连接。


5.根据权利要求4所述的致动器结构，其中，由所述电容器结构形成的所述多个电容器中的至少两个电容器具有不同电容。


6.根据权利要求3所述的致动器结构(40)，其中，所述无源补偿模块还包括温度相关电阻器。


7.根据权利要求1或2所述的致动器结构(40)，其中，所述无源补偿模块还是由所述材料层(48)中的一个或多个材料层的材料性质提供的。


8.根据权利要求7所述的致动器结构(40)，其中，所述材料性质是根据温度而变化的电容率，并且任选地，其中，所述电容率根据增加的温度而减小。


9.根据任一前述权利要求所述的致动器结构(40)，其中，所述致动器结构包括电容调节模块，所述电容调节模块被布置为将可控制偏置电压供应到所述多层电容器结构，从而用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·A·范登恩德，F·J·G·哈肯斯，C·P·亨德里克斯，A·希尔格斯，R·A·霍芬坎普，M·T·约翰逊，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL