Исполнительная структура и ее способ срабатывания
Изобретение относится к исполнительной структуре, содержащей электроактивный материал, и к способу управления ей. Сущность: исполнительная структура (40) содержит активную слоевую структуру (44), включающую в себя электроактивный материал (48), который изменяет смещение срабатывания в зависимости от температуры, и пассивное компенсационное средство (46). Пассивное компенсационное устройство выполнено с возможностью изменять электрический ток или напряжение, подаваемые на активную слоевую структуру, в зависимости от температуры для компенсации термически индуцированного изменения смещения. Пассивное компенсационное средство содержит многослойную температурно-зависимую конденсаторную структуру и образовано слоями пассивной несущей слоевой структуры (45), соединенной с активной слоевой структурой. Технический результат: упрощение компенсации температурного дрейфа. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 12 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится к исполнительной структуре, содержащей электроактивный материал, и к способу управления ей.
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 на EAM электрическим сигналом возбуждения может заставить его изменить размер и/или форму. Этот эффект может быть использован в целях обеспечения срабатывания или считывания. Существуют неорганические и органические EAM. Одним конкретным видом органических EAM являются электроактивные полимеры (electroactive polymer - EAP).
Электроактивные полимеры (EAP) являются новым классом материалов в области электрически управляемых материалов. EAP могут работать в качестве датчиков или исполнительных устройств и легко могут быть изготовлены в различных формах, допускающих легкую интеграцию в большое множество систем.
Были разработаны материалы с характеристиками, такими как механическое напряжение и деформация срабатывания, которые были значительно улучшены за последние десять лет. Технологические риски были снижены до приемлемых для разработки изделий уровней, так что EAP становятся все более интересными с коммерческой и технической точек зрения. Преимущества EAP включают в себя низкую мощность, малый формфактор, гибкость, бесшумную работу, точность, возможность высокого разрешения, малое время срабатывания, и циклическое срабатывание.
Улучшенные характеристики и конкретные преимущества материалов на основе EAP обуславливают их пригодность к новым применениям.
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 возможных частот срабатывания, например, 0-1МГц, чаще всего менее 20 кГц.
Известные исполнительные устройства на основе электроактивных материалов подвержены значительному температурному дрейфу. Температурный дрейф означает неуправляемый дрейф или изменение смещения срабатывания исполнительного устройства, вызванные изменениями окружающей температуры. Это происходит, поскольку электроактивный материал расширяется с увеличением температуры, что вызывает значительные отклонения смещения срабатывания исполнительного устройства.
Температурный дрейф делает исполнительные устройства неточными, в частности, при применении в некондиционированных средах, например, при встраивании в медицинские зонды, которые после вхождения в человеческое тело начинают подвергаться значительному увеличению температуры.
Температурный дрейф можно преодолеть с использованием активного компенсационного средства, в котором активно детектируются изменения температуры и, в ответ, осуществляется управление изменениями подаваемого тока или напряжения для обеспечения компенсации. Однако такие механизмы активной обратной связи делают исполнительное устройство дорогостоящим и сложным.
Таким образом, требуется средство для преодоления трудностей, связанных с температурным дрейфом в исполнительных устройствах на основе EAM, которое является менее дорогостоящим и сложным, чем известные средства.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение определяется формулой изобретения.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, обеспечена исполнительная структура, выполненная с возможностью компенсировать тепловое изменение смещения срабатывания, причем структура содержит: активную слоевую структуру, содержащую один или более слоев материалов, каждый из которых включает в себя электроактивный материал, деформируемый в ответ на электрическую стимуляцию; пассивную несущую слоевую структуру, соединенную с активной слоевой структурой; и пассивное компенсационное средство, выполненное с возможностью модифицировать ток или напряжение электрического стимула, обеспечиваемого для электроактивного материала активной слоевой структуры, в зависимости от температуры для компенсации посредством этого упомянутого теплового изменения смещения срабатывания, причем пассивное компенсационное средство содержит многослойную температурно-зависимую конденсаторную структуру, и причем упомянутая пассивная несущая слоевая структура выполнена с возможностью образовывать конденсаторную структуру.
Настоящее изобретение основано на противодействии тепловому изменению (т.е. термически индуцированному изменению) смещения срабатывания посредством реализации средства, которое оказывает влияние, посредством некоторого пассивного физического механизма, на модификацию тока или напряжения возбуждения, подаваемого на активную слоевую структуру, причем величина упомянутой модификации зависит от температуры. Пассивное средство может включать в себя «внутреннее» в том смысле, что это средство основано на некотором внутреннем физическом или электрическом свойстве, относящемся к этому средству, а не на, например, внешних датчиках, для реализации системы управления с обратной связью. Термин «пассивный» используется в противоположность термину «активный», который означает активный сбор данных или измерений от, например, внешних датчиков и настройку тока или напряжения соответствующим образом. Термин «пассивный» может означать «одношаговый», т.е. основанный на единственном внутреннем физическом или электрическом механизме, а не на, например, многошаговых механизмах, когда, например, принимаются внешние измерения, и в ответ принимаются активные логические «решения».
Посредством использования пассивного компенсационного средства, температурный дрейф может быть скомпенсирован операционно простым способом. Производство становится более простым и дешевым, поскольку число требуемых частей является меньшим, чем для активного компенсационного средства. Вследствие уменьшения числа частей и уменьшения сложности может быть также улучшена надежность.
Пассивное компенсационное средство содержит, в частности, многослойную температурно-зависимую конденсаторную структуру. Скорость изменения емкости с температурой может быть такой, чтобы обеспечивалось температурно-зависимое усиление подаваемого на активную слоевую структуру напряжения или тока до величины, выполненной с возможностью компенсировать температурно-зависимые изменения смещения срабатывания.
Исполнительная структура содержит пассивную несущую слоевую структуру, соединенную с активной слоевой структурой. Несущая слоевая структура является опорной слоевой структурой. Пассивное средство не является электрически управляемым в отличие от активной слоевой структуры. Пассивная несущая слоевая структура должна быть достаточно гибкой, чтобы выдерживать механическую деформацию, вызванную изгибом исполнительного устройства.
Несущая слоевая структура выполнена с возможностью образовывать многослойную конденсаторную структуру. Таким образом, слои пассивной слоевой структуры эффективно образуют слои температурно-зависимой конденсаторной структуры, или наоборот. Это минимизирует формфактор и площадь опорной поверхности исполнительной структуры посредством объединения пассивной слоевой структуры с пассивным компенсационным средством.
Дополнительно, поскольку в этом случае температурно-зависимый конденсатор находится в непосредственной близости от активной слоевой структуры (посредством соединения с ней), также обеспечивается, что температурные изменения каждого из них являются очень похожими. Предпочтительно, активная слоевая структура и конденсаторная слоевая структура термически связаны друг с другом, или, иначе, имеют тепловую связь друг с другом.
Встраивание пассивного компенсационного средства в опорную структуру обеспечивает преимущества, включающие в себя уменьшение формфактора и более точную температурную связь компенсационного средства и активного слоя. Однако, для многих электроактивных материалов, таких как электроактивные полимеры, большая емкость необходима для настройки демонстрируемой электрической деформации на достаточную величину для противодействия тепловой деформации. Это отчасти имеет место, поскольку эти материалы имеют высокую диэлектрическую проницаемость. Обеспечение достаточной емкости в малом формфакторе опорной слоевой структуры представляет собой проблему.
Настоящее изобретение преодолевает эту проблему посредством обеспечения многослойной конденсаторной структуры. Посредством использования многослойной конденсаторной структуры, большая емкость может быть создана с использованием разных слоев в комбинации для обеспечения большой общей емкости. Слоевая структура может обеспечивать множественные отдельные конденсаторные слои, которые, например, могут быть соединены вместе, например, параллельно, для обеспечения большой общей емкости от относительно малой площади.
Пассивная несущая слоевая структура может в примерах содержать пакет слоев тонких пленок из полимерного материала, например, с металлизированными внутренними электродами, и/или тонкие слои керамического материала, например, с металлизированными внутренними электродами. Пригодные керамические материалы, обеспечивающие возможность образования многослойной конденсаторной структуры и обеспечивающие необходимые структурные свойства для функции несущего слоя, включают в себя титанат бария, титанат стронция, титанат висмута, титанат натрия. Другие керамические материалы, которые могут быть включены дополнительно в слои, образующие конденсаторную структуру, включают в себя, например, оксид иттрия или оксид ниобия или комбинации этих и подобных материалов, как будет понятно специалистам в данной области техники.
Керамики могут быть, в частности, пригодными для использования, когда структура пассивного несущего пакета слоев является такой, что керамические слои находятся на или вблизи оси нейтрального изгиба исполнительной структуры, где механические напряжения изгиба являются незначительными. Это может ограничить толщину керамических слоев величиной около 10 мкм, которая соответствует только нескольким слоям (2-4 в зависимости от материала). Стандартные полимерные конденсаторные материалы (такие как полипропилен, полиэфиры и сульфид полифенилена) способны выдерживать большую механическую деформацию, что является важным при использовании в качестве опоры.
Активная слоевая структура может демонстрировать тепловую деформацию в зависимости от температуры, и причем пассивное компенсационное средство модифицирует упомянутое напряжение или ток в зависимости от температуры с такой скоростью, чтобы вызывалось последовательное изменение электрической деформации, которое противодействует упомянутой тепловой деформации. Деформация может быть деформацией в плоскости. Если активная слоевая структура закреплена или содержит жесткую опору, то эта деформация может быть преобразована в деформацию вне плоскости.
Многослойная конденсаторная структура может быть соединена последовательно с электроактивным материалом активной слоевой структуры и выполнена с возможностью принимать напряжение или ток возбуждения, подаваемые на активную слоевую структуру.
Конденсаторная структура может образовывать такую цепь ввода напряжения возбуждения для исполнительной структуры, чтобы ток или напряжение, подаваемые на активную слоевую структуру, проходили через этот компонент, и конденсаторная структура могла электрически воздействовать на напряжение или ток возбуждения для пассивного регулирования подаваемого напряжения в зависимости от температуры.
Согласно одному набору примеров, пассивное компенсационное средство может дополнительно включать в себя температурно-зависимый резистор. Этот резистор может быть электрически соединен последовательно с конденсаторной структурой, например, для обеспечения дополнительного источника температурно-зависимого полного сопротивления. Скорость изменения сопротивления с температурой может быть такой, чтобы подаваемые на активную слоевую структуру напряжение или ток уменьшались со скоростью, выполненной с возможностью, в комбинации с температурно-зависимой конденсаторной структурой, компенсировать температурно-зависимые изменения смещения срабатывания.
Согласно одному или более примерам, множественные слои конденсаторной структуры могут образовывать множество отдельных конденсаторов. Они предпочтительно могут быть соединены параллельно. Например, каждый слой многослойной структуры может образовывать отдельный конденсатор. Альтернативно, два или более слоев могут в некоторых случаях образовывать один конденсатор.
По меньшей мере два из множества конденсаторов, образованных конденсаторной структурой, в этом случае могут иметь отличающиеся емкости. Таким образом, структура может быть точно настроена на конкретный требуемый уровень емкости, т.е. для настройки уровня кривой «емкость-температура».
Согласно дополнительному набору вариантов осуществления, пассивное компенсационное средство может быть дополнительно снабжено свойством материала одного или более слоев материалов активной слоевой структуры. Таким образом, материал активной слоевой структуры сам демонстрирует некоторое внутреннее изменение электрического свойства или параметра в зависимости от температуры, которое вызывает изменение тока или напряжения, подаваемого на него.
В одном наборе примеров, это свойство материала может быть диэлектрической проницаемостью, которая изменяется в зависимости от температуры. Диэлектрическая проницаемость материала является мерой сопротивления, возникающего при образовании электрического поля поперек материала. Чем меньше диэлектрическая проницаемость, тем меньше поле смещения, устанавливающееся поперек материала в ответ на прикладываемое внешнее электрическое поле.
В примерах, диэлектрическая проницаемость может уменьшаться в зависимости от увеличения температуры. Для фиксированного прикладываемого напряжения возбуждения, это может привести к уменьшению фактического внутренне действующего поля смещения поперек материала в зависимости от увеличения температуры. Это может противодействовать тепловому расширению.
Согласно одному или более вариантам осуществления, исполнительная структура может включать в себя средство настройки емкости, выполненное с возможностью подавать управляемое напряжение смещения на многослойную конденсаторную структуру, образованную опорной слоевой структурой. Это позволяет настраивать емкость, демонстрируемую многослойной конденсаторной структурой, в зависимости от прикладываемого напряжения смещения. Необязательно, контроллер может обеспечивать средство настройки емкости. Альтернативно, отдельное средство подачи напряжения может быть обеспечено для подачи управляемого смещения.
Диэлектрическая проницаемость конденсатора (а также градиент диэлектрической проницаемости с температурой) зависит от напряжения (и емкость, естественно, зависит от диэлектрической проницаемости). Следовательно, посредством обеспечения управляемого напряжения смещения может быть настроено поведение емкости.
Средство настройки емкости позволяет калибровать уровень емкости конденсаторной структуры для достижения оптимальной температурной компенсации в данном сценарии. Например, демонстрируемый уровень температурной деформации активного слоя может зависеть от обстоятельств или может изменяться с течением времени при изменении свойств исполнительной структуры. Может быть также трудно точно узнать заранее уровень и поведение дрейфа срабатывания. Емкостное компенсационное средство позволяет устанавливать этот уровень при эксплуатации или настраивать его для разных сценариев. Это увеличивает гибкость.
Прикладываемое напряжение смещения может быть выполнено с возможностью настраиваться на основе, например, входных команд пользователя или может конфигурироваться автоматически, например, на основе считывания или контроля уровня теплового изменения смещения срабатывания и настройки уровня смещения таким образом, чтобы обеспечиваемая компенсация противодействовала дрейфу смещения срабатывания. Может быть обеспечена комбинация обоих эффектов.
В некоторых случаях, напряжение смещения может настраиваться в зависимости от температуры. Соотношение «напряжение смещения - температура» может в этом случае конфигурироваться таким образом, чтобы компенсировалось тепловое изменение смещения срабатывания. Датчик температуры может быть обеспечен для обеспечения этой функциональности.
Емкостное компенсационное средство может быть в любом примере выполнено с возможностью настраивать уровень подаваемого напряжения смещения таким образом, чтобы емкость, демонстрируемая конденсаторной структурой в зависимости от температуры, модифицировала ток или напряжение с такой скоростью, чтобы вызывалось последовательное изменение электрической деформации, которое противодействует тепловому изменению смещения срабатывания.
Согласно одному или более вариантам осуществления, исполнительная структура может дополнительно содержать контроллер, выполненный с возможностью управлять обеспечением электрической стимуляции для активной слоевой структуры для управления деформацией слоевой структуры, причем электрическая стимуляция обеспечивается через упомянутое пассивное компенсационное средство. Контроллер может обеспечивать напряжение или ток возбуждения согласно требуемой степени срабатывания. Напряжение возбуждения подается через упомянутое пассивное компенсационное средство. Конденсаторная структура может быть соединена последовательно с электрическим выходом контроллера, например, для определения посредством этого пассивно компенсируемой цепи управления. Эта конденсаторная структура может быть дополнительно соединена последовательно с любыми другими компонентами или элементами пассивного компенсационного средства.
Активная слоевая структура может включать в себя или может быть выполнена с возможностью совместно работать с электродной системой для подачи электрического поля или тока на электроактивный материал слоев материалов активной слоевой структуры.
Согласно одному или более наборам вариантов осуществления, контроллер может быть выполнен с возможностью при эксплуатации обеспечивать постоянное электрическое смещение для активной слоевой структуры для стимулирования частичной деформации активной слоевой структуры. Это электрическое смещение может иметь величину, достаточную для перевода активной слоевой структуры в состояние полного срабатывания. На управляемую деформацию (срабатывание) тогда оказывают влияние посредством уменьшения напряжения или тока возбуждения в соответствии с требуемой степенью смещения срабатывания.
Для материалов на основе релаксорных сегнетоэлектрических EAP (класс электроактивных материалов), в частности, при нахождении в состоянии полного срабатывания, эти материалы находятся в полностью транс-состоянии. Это состояние имеет меньший коэффициент теплового расширения, чем другие состояния. Он является внутренним коэффициентом теплового расширения материала на основе EAP при изменении температуры, который приводит к температурному дрейфу смещения срабатывания. Следовательно, посредством удерживания электроактивного материала в состоянии полного срабатывания, исходно демонстрируемый температурный дрейф может быть уменьшен. В комбинации с пассивным компенсационным средством, это обеспечивает даже более эффективное и действенное ослабление температурного дрейфа и/или требует меньшего изменения подаваемого компенсационным средством тока возбуждения, что улучшает эффективность.
Согласно любому варианту осуществления, активная слоевая структура может быть выполнена с возможностью демонстрировать изгибающее смещение в первом направлении в отсутствие электрической деформации активной слоевой структуры, и выполнена с возможностью демонстрировать изгибающее смещение в противоположном направлении при электрической деформации.
Преимущество этой конфигурации состоит в том, что любой остаточный температурный дрейф, который все же действительно возникает несмотря на ослабляющие эффекты пассивного компенсационного средства, всегда может быть скомпенсирован для перевода исполнительной структуры обратно в эталонную или «плоскую» форму посредством приложения напряжения возбуждения малой величины. В каком бы направлении ни действовал остаточный температурный дрейф, можно будет вернуть исполнительную структуру обратно в плоскую форму, либо с использованием электрической деформации (в случае дрейфа в направлении предварительного изгиба), либо с использованием самого изгибающего смещения (в случае дрейфа в направлении, противоположном направлению предварительного изгиба).
Необязательно, обеспечивают контроллер, который выполнен с возможностью при эксплуатации обеспечивать постоянное электрическое смещение для активной слоевой структуры для частичного противодействия упомянутому изгибающему смещению в первом направлении. В этом случае, исполнительная структура переводится в эталонное состояние при первой эталонной температуре. Любое изменение температуры по существу компенсируется пассивным компенсационным средством. Однако, любой остаточный дрейф, который остается, может быть скомпенсирован простым небольшим уменьшением или увеличением напряжения возбуждения для перевода исполнительной структуры обратно в ее эталонную конфигурацию.
Таким образом, в этих конфигурациях обеспечивается высокая степень гибкости в настройке температурно-индуцированного дрейфа смещения срабатывания.
Согласно любому варианту осуществления, несущая слоевая структура может включать в себя один или более предварительно напряженных слоев материалов, и причем несущая слоевая структура демонстрирует упругость, которая положительно изменяется с температурой. Это означает, что с увеличением температуры несущий (опорный) слой становится более гибким, что позволяет компенсировать (положительное или отрицательное) тепловое расширение активной слоевой структуры и посредством этого предотвратить или ослабить температурный дрейф.
В конкретных примерах, например, по меньшей мере активная слоевая структура может демонстрировать тепловое расширение, которое отрицательно изменяется с температурой. В этом случае, с увеличением температуры, активная слоевая структура будет стремиться сократиться, в то время как несущая слоевая структура становится более гибкой, что позволяет высвободить некоторую часть ее предварительного механического напряжения в плоскости, что приводит также к последующему небольшому сокращению. Следовательно, упомянутые два слоя сокращаются параллельно друг другу, и их соответствующие влияния друг на друга эффективно аннулируются или компенсируются. Таким образом, температурный дрейф предотвращается. Следует отметить, что для того, чтобы это было эффективно в этом примере, несущая слоевая структура должна быть предварительно напряжена сжимающим механическим напряжением таким образом, чтобы, когда упругость будет увеличиваться, высвобождающееся предварительное механическое напряжение приводило к сокращению.
В комбинации с пассивным компенсационным средством, эта адаптация обеспечивает даже более надежное и эффективное ослабление термически индуцированного дрейфа смещения срабатывания.
Следует отметить, что «предварительно напряженный» обычно означает адаптированный (например, предварительно обработанный) для обеспечения постоянного механического напряжения в плоскости.
Примеры согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения обеспечивают способ срабатывания, содержащий этап, на котором управляют электрической стимуляцией исполнительной структуры, причем структура содержит: активную слоевую структуру, содержащую один или более слоев материалов, каждый из которых включает в себя электроактивный материал, деформируемый в ответ на электрическую стимуляцию; и пассивную несущую слоевую структуру, соединенную с активной слоевой структурой; и причем способ содержит этап, на котором обеспечивают электрическую стимуляцию для активной слоевой структуры, причем ток или напряжение электрической стимуляции предварительно модифицируются в зависимости от температуры пассивным компенсационным средством для компенсации посредством этого теплового изменения смещения срабатывания исполнительной структуры, причем пассивное компенсационное средство содержит многослойную температурно-зависимую конденсаторную структуру, и причем упомянутая пассивная несущая слоевая структура выполнена с возможностью образовывать упомянутую конденсаторную структуру.
Активная слоевая структура может демонстрировать тепловую деформацию в зависимости от температуры, и причем упомянутое пассивное компенсационное средство выполнено с возможностью модифицировать упомянутое напряжение или ток в зависимости от температуры с такой скоростью, чтобы вызывалось последовательное изменение электрической деформации, которое противодействует тепловой деформации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры настоящего изобретения будут теперь подробно описаны со ссылкой на сопутствующие чертежи, в которых:
Фиг. 1 и 2 показывают два возможных режима работы для устройства на основе EAP;
Фиг. 3 показывает график, показывающий изменение температурного дрейфа с температурой;
Фиг. 4 показывает базовое исполнительное устройство на основе EAM, закрепленное на одном крае;
Фиг. 5 показывает иллюстративную исполнительную структуру согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 6 показывает график, показывающий диэлектрическую проницаемость трех материалов в зависимости от (обратной) температуры;
Фиг. 7 показывает график, показывающий диэлектрическую проницаемость ряда композиционных материалов на основе электроактивных материалов и наполнителей в зависимости от температуры;
Фиг. 8 схематично показывает иллюстративную исполнительную структуру, содержащую гибридную несущую слоевую структуру для обеспечения температурно-зависимой диэлектрической проницаемости и температурно-зависимой емкости;
Фиг. 9 показывает три состояния материала иллюстративного материала на основе EAP;
Фиг. 10 показывает изменение скорости температурного дрейфа релаксорного сегнетоэлектрического EAP в зависимости от увеличения прикладываемого напряжения возбуждения;
Фиг. 11 показывает возможную реализацию иллюстративной исполнительной структуры согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 12 показывает дополнительную возможную реализацию иллюстративной исполнительной структуры согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает исполнительную структуру, содержащую активную слоевую структуру на основе электроактивного материала, которая демонстрирует внутреннее изменение смещения срабатывания в зависимости от температуры. Пассивное компенсационное средство обеспечено для модификации тока или напряжения электрической стимуляции, подаваемых на активную слоевую структуру, в зависимости от температуры таким образом, чтобы компенсировать упомянутое термически индуцированное изменение смещения срабатывания. Пассивное компенсационное средство содержит многослойную температурно-зависимую конденсаторную структуру и образовано слоями обеспеченной пассивной несущей слоевой структуры, соединенной с активной слоевой структурой.
Настоящее изобретение использует электроактивные материалы (EAM), которые, как отмечено выше, являются классом материалов в области электрически управляемых материалов. Одним новым классом в пределах EAM, в частности, является класс электроактивных полимеров (EAP). Как отмечено выше, EAP могут работать в качестве датчиков или исполнительных устройств и легко могут быть изготовлены в различных формах, допускающих легкую интеграцию в большое множество систем.
Устройства, использующие электроактивные полимеры, могут быть подразделены на материалы с возбуждением полем и материалы с ионным управлением.
Примеры EAP с возбуждением полем включают в себя пьезоэлектрические полимеры, электрострикционные полимеры (такие как релаксорные полимеры на основе PVDF) и диэлектрические эластомеры. Другие примеры включают в себя электрострикционные графт-полимеры, электрострикционную бумагу, электреты, электро-вязкоупругие эластомеры и жидкокристаллические эластомеры.
Примерами EAP с ионным управлением являются сопряженные/проводящие полимеры, ионные полимерно-металлические композиционные материалы (Ionic Polymer Metal Composites - IPMC) и углеродные нанотрубки (carbon nanotube - CNT). Другие примеры включают в себя ионные полимерные гели.
EAP с возбуждением полем приводятся в действие электрическим полем посредством прямой электромеханической связи. Им обычно требуются большие напряженности поля (вольт на метр), но низкие токи. Слои полимеров обычно являются тонкими, чтобы поддерживать как можно меньшее напряжение возбуждения.
Ионные EAP приводятся в действие электрически индуцируемым перемещением ионов и/или растворителя. Им обычно требуются низкие напряжения, но высокие токи. Им требуется жидкая/ гелевая электролитическая среда (хотя некоторые системы материалов могут также работать с использованием твердых электролитов).
Оба класса EAP имеют множество членов семейства, каждый из которых имеет свои собственные преимущества и недостатки.
Первым значительным подклассом EAP с возбуждением полем являются пьезоэлектрические и электрострикционные полимеры. В то время как электромеханические характеристики традиционных пьезоэлектрических полимеров являются ограниченными, прорыв в улучшении этих характеристик привел к созданию релаксорных полимеров на основе PVDF, которые демонстрируют спонтанную электрическую поляризацию (выравнивание с возбуждением полем). Эти материалы могут быть предварительно деформированы для улучшения характеристик в направлении деформации (предварительная деформация приводит к лучшему молекулярному выравниванию). Обычно используют металлические электроды, поскольку деформации обычно осуществляются в умеренном режиме (1-5%). Также могут быть использованы другие типы электродов (например, проводящие полимеры, масла, гели или эластомеры на основе углеродной сажи, и т.д.). Электроды могут быть непрерывными или сегментированными.
Другим интересным подклассом EAP с возбуждением полем является подкласс диэлектрических эластомеров. Тонкая пленка этого материала может быть расположена между деформируемыми электродами, в результате чего образуется плоский конденсатор. В случае диэлектрических эластомеров, максвелловское механическое напряжение, индуцируемое приложенным электрическим полем, приводит к механическому напряжению на пленке, вызывающему ее сжатие по толщине и расширение по площади. Характеристики деформации обычно увеличиваются посредством предварительного деформирования эластомера (причем требуется каркас для удерживания предварительной деформации). Деформации могут быть значительными (10-300%). Это также ограничивает типы электродов, которые могут быть использованы: для малых и умеренных деформаций могут быть использованы металлические электроды и электроды на основе проводящих полимеров, для режима больших деформаций обычно используют масла, гели или эластомеры на основе углеродной сажи. Электроды могут быть непрерывными или сегментированными.
В некоторых случаях, добавляют тонкопленочные электроды, когда сам полимер имеет недостаточную удельную электропроводность (в отношении размера). Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым материалом (т.е. комплексом полимеров с большим молекулярным весом и солей металлов). Наиболее распространенными сопряженными полимерами являются полипиррол (PPy), полианилин (PANi) и политиофен (PTh).
Исполнительное устройство может быть также образовано из углеродных нанотрубок (Carbon Nano Tube - CNT), суспендированных в электролите. Электролит образует двойной слой с нанотрубками, что обеспечивает возможность инжекции зарядов. Эта инжекция зарядов двойного слоя считается основным механизмом в исполнительных устройствах на основе CNT. CNT действует в качестве электродного конденсатора с зарядом, инжектированным на CNT, который затем уравновешивается электрическим двойным слоем, образуемым посредством перемещения электролита к поверхности CNT. Изменение заряда на атомах углерода приводит к изменениям длины связи С-С. В результате, можно наблюдать расширение и сжатие единственной CNT.
Фиг. 1 и 2 показывают два возможных режима работы устройства на основе EAP.
Устройство содержит слой 14 электроактивного полимера, расположенный между электродами 10, 12, расположенными на противоположных сторонах слоя 14 электроактивного полимера.
Фиг. 1 показывает устройство, которое не закреплено. 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. Это устройство поддерживается несущим слоем 10. Чтобы вызвать изгиб или выгиб слоя электроактивного полимера, используют напряжение.
Можно считать, что электроды, слой электроактивного полимера, и несущий слой вместе образуют общую структуру на основе электроактивного полимера.
Природа этого перемещения состоит, например, во взаимодействии между активным слоем, который расширяется при срабатывании, и пассивным несущим слоем. Для получения показанного асимметричного изгиба вокруг некоторой оси, может быть применена, например, молекулярная ориентация (растяжение пленки), усиливающая перемещение в одном направлении.
Расширение в одном направлении может быть результатом асимметрии EAP-полимера, или оно может быть результатом асимметрии свойств несущего слоя, или оно может быть результатом комбинации обоих факторов.
Структура на основе электроактивного полимера, описанная выше, может быть использована как для срабатывания, так и для считывания. Наиболее известные механизмы считывания основаны на измерениях усилия и детектировании деформации. Диэлектрические эластомеры, например, могут быть легко растянуты под действием внешней силы. Посредством подачи низкого напряжения на датчик, деформация может быть измерена в зависимости от напряжения (напряжение зависит от площади).
Другой способ считывания с использованием систем с возбуждением полем состоит в прямом измерении изменения емкости или в измерении изменений сопротивления электродов в зависимости от деформации.
Датчики на основе пьезоэлектрических и электрострикционных полимеров могут генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение (при условии, что степень кристалличности является достаточно высокой для генерирования детектируемого изменения). Сопряженные полимеры могут использовать пьезо-ионный эффект (механическое напряжение приводит к обнаружению ионов). В CNT под действием механического напряжения возникает изменение заряда на поверхности CNT, которое может быть измерено. Также было показано, что сопротивление CNT изменяется в контакте с молекулами газов (например, O2, NO2), что делает CNT полезными в качестве детекторов газов.
В нижеследующих подробных примерах обеспечены управляемые материальные элементы, содержащие материал на основе EAP. Однако это обеспечено только в качестве иллюстрации, и во всех случаях следует понимать, что в описанных вариантах осуществления элемент из материала на основе EAP может быть заменен другим множеством управляемых материальных элементов (стимулируемых пригодным стимулом) без изменения общей идеи, функционирования или обеспечиваемых общих преимуществ настоящего изобретения.
Настоящее изобретение основано на компенсации температурного дрейфа смещения исполнительного устройства. Температурный дрейф означает неуправляемый дрейф или изменение смещения срабатывания исполнительного устройства в отсутствие какой-либо электрической стимуляции, вызванные изменениями окружающей температуры. Это происходит, поскольку электроактивный материал расширяется с увеличением температуры, что вызывает значительные отклонения смещения срабатывания исполнительного устройства.
В качестве примера, фиг. 3 показывает смещение (ось y, слева; мм) с течением времени (ось х; секунды), измеряемое для свободно располагающегося исполнительного устройства на основе релаксорного сегнетоэлектрического электроактивного полимера при изменении окружающей температуры (ось y, справа; °С). Линия 22 показывает изменение смещения, в то время как линия 24 показывает изменение температуры.
Никакое напряжение срабатывания не подается. Смещение измеряли для исполнительного устройства, закрепленного на одном крае, и измеряли вдоль оси, проходящей перпендикулярно плоскости слоев исполнительного устройства на расстоянии 3 мм от закрепления. Это схематично показано на фиг. 4, которая показывает исполнительное устройство 28 на основе EAP, закрепленное на одном крае закрепляющим элементом 28, и ось 30 смещения, вдоль которой измеряли смещение, расположенную на расстоянии 3 мм от закрепляющего элемента.
Возвращаясь к фиг. 3, окружающая температура с течением времени флуктуирует, что приводит к изгибу исполнительного устройства. В результате увеличения температуры смещение исполнительного устройства увеличивается (исполнительное устройство изгибается вверх). Флуктуация температуры, приблизительно составляющая 3°С, приводит к отклонению (дрейфу), приблизительно составляющему 0,15 мм. Это отклонение является большим относительно типичного отклонения срабатывания, которое обычно находится между 0-2 мм. Для применений с точным срабатыванием (где требуются значительно более точные степени смещения), такой дрейф является особенно большим и может даже превышать общее требуемое смещение или требуемое изменение смещения.
Для материалов на основе релаксорных сегнетоэлектрических EAP, идеальный диапазон рабочих температур для срабатывания ограничен, приблизительно, температурой перехода «сегнетоэлектрик - параэлектрик» (ferroelectric-paraelectric - F-P). В типичных ситуациях, окружающая температура не является большей, чем +/-10 градусов около этой температуры перехода.
Для исполнительных устройств на основе диэлектрических эластомеров, рабочая температура должна быть большей, чем температура стеклования. Для ионных исполнительных устройств, температура ограничена диффузионными свойствами мембранного слоя в случае жидких систем (систем, использующих жидкостную/гелевую электролитическую среду), в конечном счете, температурой кипения жидкости. Если несущая ионы жидкость закипит, то могут быть сгенерированы пузырьки газа, которые могут воспрепятствовать эффективной функциональности и могут даже привести к взрыву вследствие теплового расширения.
В точных применениях, исполнительное устройство может страдать от дрейфа, если температура будет флуктуировать во время срабатывания. Это является особенно проблематичным для исполнительных устройств, которые требуют долговременного точного срабатывания (например, удерживания фиксированного положения смещения или динамического сдвига между очень малыми интервалами смещения, такими как коррекции положения датчика) при изменяющихся температурных условиях, например, для EAP, выполненных с возможностью работать вблизи функциональных компонентов, которые могут нагреваться во время использования.
В точных применениях, исполнительное устройство может быть откалибровано с использованием технологии калибровки. Однако, калибровка выполняется при некоторой фиксированной температуре. Если окружающая температура при эксплуатации будет отличной от температуры калибровки, то исполнительное устройство может иметь отклонение при срабатывании.
Например, во внутрителесных применениях окружающая температура может изменяться от 36,5 до 37,5°С для здоровых субъектов и вплоть до 39°С для пациентов с жаром. Эти температурные различия могут создавать отклонения, составляющие 0,05-0,15 мм для исполнительного устройства в примере, приведенном выше.
По этой причине, настоящее изобретение предлагает компенсационное средство для противодействия термически индуцированному дрейфу смещения срабатывания. Настоящее изобретение предлагает, в частности, использовать пассивное электрическое компенсационное средство для обеспечения этого эффекта. Согласно вариантам осуществления, реализовано компенсационное средство, имеющее эффект пассивного изменения подаваемого тока или напряжения возбуждения в зависимости от температуры для компенсации температурного дрейфа. Результирующая исполнительная структура может быть использована в температурных средах, которые подвергаются изменениям во время срабатывания.
Пассивное компенсационное средство содержит по меньшей мере многослойную температурно-зависимую конденсаторную структуру. Эта температурно-зависимая конденсаторная структура, в частности, образована слоями опорной слоевой структуры самой исполнительной структуры. Это обеспечивает особенно компактное и эффективное расположение. Конденсаторная структура может быть соединена последовательно с электроактивным материалом активной слоевой структуры и модифицирует ток и напряжение, подаваемые на нее, в зависимости от температуры.
Пример такого расположения, согласно одному или более вариантам осуществления настоящего изобретения, схематично показан на фиг. 5.
Исполнительная структура 40 содержит активную часть 44 и опорную (несущую) часть 45. Активная часть состоит из активной слоевой структуры, содержащей множество пакетированных слоев 48 материалов, каждый из которых содержит электроактивный полимерный материал. Слои могут быть полностью образованы из электроактивного полимера, т.е. могут образовывать тело из материала на основе EAP, или могут содержать EAP в качестве одной составляющей. В показанном примере, активный слой содержит структуру или пакет из четырех слоев 48 материала на основе EAP, однако в других примерах может быть обеспечено другое число слоев, причем этот пакет может состоять всего лишь из единственного слоя.
Активная слоевая структура имеет электрическую связь с электродной системой 56, содержащей множество электродов 58, образующих трехслойную структуру с каждым слоем 48 материала активной слоевой структуры. Активная слоевая структура обычно содержит электродный материал, встроенный в саму структуру и продолжающийся с каждой стороны каждого слоя материала. Электродная система в этом случае частично образована этими слоями материалов и частично образована набором электрических соединений, продолжающихся от каждого из слоев электродного материала к контроллеру 62. Контроллер 62 выполнен с возможностью управлять стимуляцией слоев материалов посредством подачи электрических стимулов на активную слоевую структуру через последовательно соединенную конденсаторную опорную структуру 46.
(Несрабатывающая) опорная или несущая часть 45 состоит из слоевой структуры, содержащей множество слоев 50 материалов. Слои материалов выполнены с возможностью вместе образовывать один или более температурно-зависимых конденсаторов.
В частности, обеспечена многослойная конденсаторная конфигурация, известная в области многослойных конденсаторов. Каждый слой 50 материала содержит диэлектрический материал, расположенный между двумя электрическими электродами 59. Множественные слои соединены параллельно для увеличения емкости. Параллельное расположение конденсаторов, таким образом, эффективно образует единственный общий композиционный конденсатор, имеющий общую емкость, равную сумме емкостей отдельных слоев.
В других примерах, набор слоев может образовывать единственный конденсатор. В этом случае может быть обеспечена единственная пара электродов.
Эта опорная конденсаторная структура электрически соединена последовательно с активной слоевой структурой 44. Напряжения или токи возбуждения подаются на активную слоевую структуру через конденсаторную опору, как указано положительными и отрицательными точками соединения, показанными на фиг. 5.
Опорная структура 46, таким образом, обеспечивает пассивное компенсационное средство 46 для исполнительной структуры 40. Температурно-зависимая емкость конденсатора (конденсаторов), образованного опорной слоевой структурой 45, является такой, чтобы общее напряжение, подаваемое на активную слоевую структуру 44, изменялось в зависимости от температуры. Конденсаторная структура действует на напряжения возбуждения, принимаемые от электрически соединенного контроллера 62, и действует для модификации их в зависимости от температуры. Скорость индуцированного изменения напряжения или тока с температурой является такой, чтобы в активной слоевой структуре индуцировалось соответствующее изменение смещения срабатывания (в обратном направлении), которое соответствует внутренней скорости дрейфа смещения срабатывания при изменении температуры электроактивных материалов активной слоевой структуры. Таким образом может быть скомпенсирован температурный дрейф.
Электрически изолирующий слой 60, расположенный между активной слоевой структурой 44 и опорной слоевой структурой 45, обеспечен для их электрической изоляции друг от друга. Это обеспечивает то, что электрическое соединение между этими двумя структурами имеет место только через последовательное электрическое соединение, обеспечиваемое между их соответствующими электродными системами 56, 59.
Хотя фиг. 5 показывает вертикальный зазор 61, проходящий через центр исполнительного элемента 42, он показан только в целях схематичной иллюстрации для указания на то, что исполнительный элемент является более широким, чем показано на фиг. 5. Слои исполнительного элемента фактически продолжаются без разрыва по всей горизонтальной ширине исполнительного элемента с одной стороны к другой стороне.
Как показано в конкретном примере фиг. 5, опорная слоевая структура 46 содержит большее число слоев 50 материалов, чем активная слоевая структура (семь слоев в этом случае, а не четыре). Однако в дополнительных примерах опорная слоевая структура может содержать меньше слоев материалов, чем активная слоевая структура.
Активная слоевая структура 44, необязательно, может дополнительно включать в себя связующий материал (материалы) 52 между смежными слоями 48 для присоединения или прикрепления множественных слоев друг к другу.
Слои активной слоевой структуры могут образовывать многослойный пакет очень тонких слоев. Это позволяет сохранять низкие напряжения возбуждения, поскольку электроды обеспечены на каждой стороне каждого слоя таким образом, что каждый слой может стимулироваться прямо.
Как отмечено выше, для образования конденсаторного расположения, опорная слоевая структура 46 может также содержать электродную систему. Таким образом, каждый слой материала может образовывать отдельный конденсатор, причем эти конденсаторы соединены параллельно. В этом случае обеспечивают систему из множественных электродов (как в примере фиг. 5), образующих трехслойную структуру с каждым слоем материала.
Слои материалов могут быть образованы, в примерах, из любого мягкого или податливого полимерного диэлектрического материала, или, в дополнительных примерах, могут быть использованы твердые (например, диэлектрические) частицы, встроенные в гибкую или податливую полимерную матрицу.
Более конкретно, пассивная несущая слоевая структура может в примерах содержать пакет слоев тонких пленок полимерного материала, например, с металлизированными внутренними электродами, и/или тонкие слои керамического материала, например, с металлизированными внутренними электродами. Пригодные керамические материалы, обеспечивающие возможность образования многослойной конденсаторной структуры и обеспечивающие необходимые структурные свойства для функции несущего слоя, включают в себя, например, титанат бария, титанат стронция, титанат висмута, титанат натрия. Другие керамические материалы, которые могут быть дополнительно включены в слои, образующие конденсаторную структуру, включают в себя, например, оксид иттрия или оксид ниобия или комбинации этих и подобных материалов, как будет понятно специалистам в данной области техники.
Керамики могут быть, в частности, пригодными для использования, когда структура несущего пакета слоев является такой, что керамические слои находятся на или вблизи оси нейтрального изгиба исполнительной структуры, где механические напряжения изгиба являются незначительными. Это может ограничить толщину керамических слоев величиной около 10 мкм, которая соответствует только нескольким слоям (2-4 слоя в зависимости от материала). Стандартные полимерные конденсаторные материалы (такие как полипропилен, полиэфиры и сульфид полифенилена) способны выдерживать большую механическую деформацию, что является важным при использовании в качестве опоры.
Посредством использования слоев опорной структуры в качестве температурно-зависимого конденсатора, результирующий конденсатор расположен в непосредственной близости от активной слоевой структуры. Это обеспечивает то, что конденсатор подвергается с высокой степенью точности тем же температурным флуктуациям, что и активная слоевая структура.
Согласно одному набору вариантов осуществления, может быть также обеспечен температурно-зависимый резистор (т.е. терморезистор), причем этот резистор образует дополнительную часть пассивного компенсационного средства. Этот резистор может быть, например, соединен последовательно с конденсаторной структурой. Полные сопротивления этих двух элементов суммируются для обеспечения составного компенсационного средства.
Предпочтительно, обеспечивают терморезистор с положительным температурным коэффициентом (positive temperature coefficient - PTC). Температурно-зависимый резистор в таких вариантах осуществления электрически соединен последовательно с конденсаторной структурой, образованной несущей слоевой структурой 45. Напряжения или токи возбуждения подают на активную слоевую структуру через температурно-зависимый резистор. Скорость изменения сопротивления с температурой является такой, чтобы обеспечивалась модификация тока или напряжения возбуждения с температурой, которая компенсирует или по существу противодействует любому температурному дрейфу смещения срабатывания.
Температурно-зависимый резистор в этом случае предпочтительно расположен в сильной тепловой связи с электроактивным материалом активной слоевой структуры, чтобы температурные флуктуации этих двух компонентов находились в точном соответствии. Таким образом, изменение сопротивления должно быть таким, чтобы компенсировался дрейф (предполагается хорошее соответствие температурно-зависимого поведения этих двух компонентов).
Согласно одному или более наборам вариантов осуществления, пассивное компенсационное средство может быть дополнительно снабжено свойством материала активной слоевой структуры исполнительной структуры для компенсации температурного дрейфа смещения срабатывания. В частности, для срабатывающих материалов на основе EAP (за исключением релаксорных сегнетоэлектрических терполимеров), электрические характеристики активной слоевой структуры могут быть настроены для компенсации любого термически индуцированного дрейфа. Эта электрическая характеристика может в примерах включать в себя диэлектрическую проницаемость материала.
Для диэлектрических эластомерных EAP, тепловое расширение EAP (в зависимости от температуры) является положительным, что означает, что EAP расширяется в плоскости с увеличением температуры. Это расширение в плоскости приводит к дрейфу смещения срабатывания при изменении температуры.
Если диэлектрическая проницаемость эластомерного материала является такой, что она уменьшается в зависимости от увеличения температуры, то этот эффект состоит в том, что для каждого прикладываемого единичного напряжения возбуждения вызванное результирующее смещение срабатывания уменьшается. Следовательно, если (отрицательное) изменение диэлектрической проницаемости с температурой будет настроено соответствующим образом, то оно сможет компенсировать или противодействовать (посредством уменьшенной реакции срабатывания активной слоевой структуры на прикладываемое напряжение возбуждения) вызванному температурой дрейфу смещения срабатывания.
Требуемая отрицательная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры демонстрируется несколькими типами, например, диэлектрических эластомерных, материалов. Эти материалы включают в себя, в частности, некоторые акриловые смолы и силоксановые каучуки. Это показано на фиг. 6, которая показывает изменение диэлектрической проницаемости (ось y) в зависимости от (обратной) температуры (ось х; единицы 1000/К) для трех разных иллюстративных материалов. Линия 74 показывает зависимость для VHB (акриловой смолы), линия 76 для Sylgard 186 (силоксановый эластомер), и линия 78 для материала M-Polypower. Все эти материалы являются доступными для приобретения материалами.
Как показано, все материалы демонстрируют отрицательную зависимость диэлектрической проницаемости с увеличением температуры (показано на фиг. 6 в виде положительной зависимости от обратной температуры).
Природа температурной зависимости диэлектрической проницаемости диэлектрических эластомеров может быть настроена, согласно примерам, посредством добавления частиц наполнителя, в результате чего образуется композиционный материал «наполнитель-эластомер». Посредством настройки соотношения материала наполнителя и материала эластомера, зависимость диэлектрической проницаемости от температуры может быть настроена на любой уровень из широкого диапазона разных уровней. Таким образом, поведение диэлектрической проницаемости может быть настроено с тем, чтобы точно компенсировать поведение температурного дрейфа любого конкретного исполнительного устройства, которое требуется.
Это показано графиками фиг. 7, которые показывают связь диэлектрической проницаемости (ось y) с температурой (°С) для разных частот переменного тока (АС) набора из множественных разных композиционных материалов на основе PDMS/углеродной сажи, каждый из которых содержит отличное соотношение PDMS и углеродной сажи. На каждом графике, линии показывают (сверху вниз) демонстрируемые соотношения на частоте возбуждения, составляющей 1 кГц, частоте, составляющей 10 кГц, 100 кГц и 1 МГц.
Фиг. 7(а) показывает соотношение для чистого PDMS без углеродной сажи. Как показано, существует сильная отрицательная зависимость диэлектрической проницаемости от увеличения температуры. Фиг. 7(b) показывает соотношение для композиционного материала с 90% PDMS, 10% углеродной сажи. Здесь, зависимость немного уменьшилась и больше уменьшилась для более высоких частот. Фиг. 7(c) показывает связь для композиционного материала с 80% PDMS, 20% углеродной сажи. Здесь зависимость фактически является положительной для всех частот, кроме наивысшей частоты возбуждения. То же самое истинно для композиционного материала с 70% PDMS, 30% углеродной сажи, показанного на фиг. 7(d), хотя здесь положительная зависимость присутствует даже на наивысших частотах возбуждения. Фиг. 7(e) показывает зависимость для композиционного материала с 60% PDMS, 40% углеродной сажи. Здесь существует очень небольшая положительная зависимость для более высоких частот возбуждения, но почти нулевая зависимость при наименьшей частоте возбуждения.
Таким образом, отсюда ясно, что в зависимости от конкретного поведения и скорости температурного дрейфа, который требуется скомпенсировать, независимо от того, является ли он положительным или отрицательным, и в зависимости от заданного напряжения возбуждения для исполнительной структуры, может быть выбран пригодный композиционный материал, демонстрирующий требуемое компенсационное изменение диэлектрической проницаемости с температурой для точной или значительной компенсации температурного дрейфа.
В случае, когда температурная зависимость диэлектрической проницаемости должна быть обеспечена для слоев материалов пассивной несущей слоевой структуры, слои материалов и слоевая структура должны быть выполнены с возможностью обеспечивать как эту функциональность, так и многослойную конденсаторную структуру, встроенную в несущую слоевую структуру.
Следовательно, когда должно быть обеспечено противоположное изменение «диэлектрическая проницаемость - температура» в несущей (или опорной) слоевой структуре по сравнению с активной слоевой структурой, слои материалов опорной структуры должны быть материалами, способными выдерживать механическую деформацию вследствие срабатывания, и материалами, демонстрирующими отрицательные температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости.
Пригодные материалы в этом случае включают в себя эластомеры (такие как силоксановые или акриловые эластомеры - некоторые примеры которых были описаны в качестве примера выше в связи с фиг. 6). Однако в некоторых случаях эти материалы могут не обеспечивать адекватные механические свойства для действия в качестве пассивной опоры (в частности, когда, например, материалы на основе релаксорных сегнетоэлектрических EAP используются в активном слое).
Когда эти материалы на основе EAP используются в активном слое, несущая слоевая структура может предпочтительно содержать многослойный пакет, который включает в себя по меньшей мере один набор структурных слоев, обеспечивающих необходимые структурные свойства, и дополнительный набор слоев, обеспечивающих требуемую отрицательную температурную зависимость диэлектрической проницаемости. Предпочтительно, только дополнительный набор слоев имеет электрические свойства, на которые влияет прикладываемое электрическое поле, в то время как на структурные полимерные слои электрическое поле не влияет. В такой конфигурации, опорная структура обеспечивает как адекватные механические свойства, так и диэлектрическую функцию, которая необходима для электрической компенсации температурного дрейфа EAP. Необходимыми структурными свойствами является стойкость к механической деформации, позволяющая опоре обеспечивать требуемый эффект усиления изгиба, когда активный слой расширяется в плоскости. Структурные слои предпочтительно являются, таким образом, упругими слоями.
Фиг. 8 схематично показывает поперечное сечение иллюстративной исполнительной структуры, включающей в себя такую гибридную несущую слоевую структуру. Показана активная слоевая структура 44, содержащая единственный слой материала на основе EAP с окружающими электродами, но активная слоевая структура может содержать в других примерах более одного слоя материала. Несущая слоевая структура 45 содержит первый набор слоев 50а материалов для обеспечения изгибной упругости и второй набор слоев 50b материалов для обеспечения поведения отрицательной зависимости «диэлектрическая проницаемость - температура» дополнительно к температурно-зависимому поведению емкости. Упомянутые два набора слоев материалов чередуются. Показана электродная структура. Электрод расположен между каждыми двумя соседними слоями материалов. В этом примере, электроды продолжаются только на часть пути по соответствующему слою. Электроды продолжаются на большую часть пути по соответствующему слою.
В других примерах, несущая слоевая структура может содержать одну секцию, которая обеспечивает поведение отрицательной зависимости «диэлектрическая проницаемость - температура», и другую соседнюю секцию, которая обеспечивает функцию многослойного температурно-зависимого конденсатора.
Согласно любому варианту осуществления настоящего изобретения, структурные или механические свойства слоев исполнительной структуры могут быть адаптированы таким образом, чтобы обеспечивать механическую компенсацию любого все еще сохраняющегося остаточного температурного дрейфа. В частности, в случаях, когда активная слоевая структура содержит материал на основе EAP с возбуждением полем, можно по существу согласовать свойства теплового расширения материала с термически индуцированными изменениями упругости опоры активной слоевой структуры таким образом, чтобы эти два эффекта могли компенсировать друг друга. В этом случае, любому остаточному температурному дрейфу, не скомпенсированному пассивным компенсационным средством, противодействуют механические свойства слоев исполнительной структуры.
Например, для материалов на основе релаксорного сегнетоэлектрического PVDF-терполимера, коэффициент теплового расширения является отрицательным (т.е. электроактивный материал стремится сократиться с увеличением температуры) в большинстве случаев до того, как исполнительная структура будет находиться в положении полного срабатывания (в момент которого механические свойства материала временно преобразуются). Если обеспечен опорный слой для слоев электроактивного материала активной слоевой структуры (например, чтобы вызывать поведение изгиба активной слоевой структуры при деформации), то опора может быть обеспечена в предварительно напряженном состоянии и с жесткостью, которая уменьшается с температурой (т.е. упругостью, которая увеличивается с температурой). В этом случае, с увеличением температуры, активная слоевая структура будет стремиться сократиться, в то время как опорная слоевая структура становится более гибкой, в результате чего обеспечивается высвобождение некоторой части ее предварительного механического напряжения в плоскости, что приводит также к последующему небольшому сокращению. Следовательно, упомянутые два слоя сокращаются параллельно друг другу, и их соответствующие влияния друг на друга эффективно аннулируются или компенсируются. Таким образом, температурный дрейф предотвращается. Следует отметить, что для того, чтобы это было эффективно в этом примере, опорная слоевая структура должна быть предварительно напряжена сжимающим механическим напряжением таким образом, чтобы, когда упругость будет увеличиваться, высвобождающееся предварительное механическое напряжение приводило к сокращению.
Следует отметить, что «предварительно напряженный» обычно означает адаптированный (например, предварительно обработанный) для обеспечения постоянного механического напряжения в плоскости.
В этом случае, предпочтительно, температура стеклования опорного материала может быть равна температуре перехода «сегнетоэлектрик - параэлектрик» (F-P) EAP. В этом случае, механический эффект уменьшенной жесткости опоры будет в значительной степени компенсировать нежелательное тепловое расширение EAP. F-P-переход материала на основе EAP вызывает отрицательное тепловое расширение (и последующий температурный дрейф). Около температуры стеклования опоры жесткость опоры значительно уменьшается. В этом случае, эти два эффекта (расширение активного слоя и уменьшение жесткости опоры) могут компенсировать друг друга.
Необязательно, температурная зависимость по меньшей мере некоторых свойств материалов опорного слоя может также настраиваться на любое требуемое поведение посредством включения пригодных комбинаций разных материалов с разными механическими и тепловыми свойствами.
Согласно одному или более наборам вариантов осуществления, исполнительная структура может возбуждаться в режиме «обратного возбуждения», в котором исполнительное устройство находится в холостом режиме в состоянии полного срабатывания (при этом при эксплуатации на EAP поддерживается электрическая предварительная нагрузка), и при этом любое смещение срабатывания обеспечивается временным уменьшением напряжения возбуждения.
Преимущество этого режима возбуждения состоит в том, что, например, для материала на основе релаксорного сегнетоэлектрического EAP, материал будет сначала поддерживаться в полностью транс-состоянии, т.е. в холостом режиме (см. фиг. 9, среднее показанное состояние). Это состояние имеет меньший коэффициент теплового расширения, чем комбинация двух других состояний при температуре перехода «сегнетоэлектрик - параэлектрик» (F-P), которые являются менее стабильными (следует отметить, что именно этот эффект управляет основным электрическим поведением смещения этих EAP).
Температура F-P-перехода является, в общем, предпочтительной рабочей температурой для исполнительного устройства (как отмечено выше). Она также представляет собой конкретную предпочтительную температуру для рассматриваемых сейчас вариантов осуществления, в которых требуется сохранение полностью транс-состояния, по следующим причинам.
Полностью транс-состояние на фиг. 9 может быть обеспечено как в сегнетоэлектрическом, так и в параэлектрическом состояниях. В сегнетоэлектрической фазе, полимер будет оставаться в полностью транс-состоянии после удаления электрического поля. В параэлектрической фазе, полимер будет возвращаться обратно в TGTG-состояние при удалении поля. Если сделать (упрощающее) предположение о том, что электрически индуцируемая деформация пропорциональна количественному соотношению материалов в этих двух разных состояниях, то общая деформация будет большей в параэлектрической фазе на единицу прикладываемого электрического поля.
Однако в параэлектрическом состоянии полностью транс-состояние обеспечить труднее (т.е. большее электрическое поле требуется для перевода полимера в полностью транс-конфигурацию).
Таким образом, около фазового перехода «сегнетоэлектрик - параэлектрик» существует оптимум в деформации на единицу прикладываемого электрического поля.
В частности, в применениях, которые требуют относительно малых, но точных срабатываний, этот подход «обратного» возбуждения будет уменьшать эффект теплового расширения, поскольку коэффициент теплового расширения (thermal expansion coefficient - CTE) при напряжении срабатывания, составляющем 200-250 В, является меньшим, чем CTE около 0 В. Это показано на фиг. 10, которая показывает скорость изменения смещения срабатывания с температурой (ось y; единицы: мкм/°С) в зависимости от прикладываемого напряжения возбуждения (ось х, единицы: В) для релаксорного сегнетоэлектрического EAP. Можно увидеть, что когда прикладываемое напряжение возбуждения увеличивается, коэффициент расширения материала уменьшается.
Возбуждение исполнительной структуры согласно этому режиму может, таким образом, дополнительно усилить эффекты компенсации температурного дрейфа настоящего изобретения и обеспечить, чтобы любой остаточный температурный дрейф, не полностью скомпенсированный пассивным компенсационным средством, мог быть дополнительно скомпенсирован этими механическими эффектами.
Согласно любому варианту осуществления настоящего изобретения, исходная форма исполнительной структуры может быть выполнена таким образом, чтобы всегда можно было использовать часть сигнала возбуждения, используемого для срабатывания, для перевода исполнительного устройства обратно в «эталонное» (например, по существу плоское) состояние - по меньшей мере в пределах некоторого предполагаемого температурного диапазона работы.
Это может быть обеспечено, в частности, конфигурированием исходной формы исполнительного устройства таким образом, чтобы температурный дрейф смещал исполнительный элемент в направлении, противоположном электрической стимуляции активной слоевой структуры. Это обеспечивает то, что любой остаточный температурный дрейф, который действительно возникает в вариантах осуществления (т.е. не компенсируется полностью пассивным компенсационным средством), всегда может быть скорректирован вручную посредством частичного срабатывания исполнительного элемента для перевода, таким образом, исполнительного элемента обратно в «эталонное» (например, плоское) состояние.
Например, если предполагается, что исполнительное устройство будет, в общем, подвергаться воздействию возрастающих температур в его конкретном заданном применении (например, если оно должно быть использовано вблизи компонентов, которые нагреваются, или должно быть использовано или имплантировано внутри тела), то параметры исполнительного устройства могут быть такими, чтобы изгиб после нагревания противодействовал изгибу при срабатывании.
Пример схематично показан на фиг. 11, которая показывает иллюстративный исполнительный элемент 42, закрепленный на одной стороне закрепляющим элементом 82. Хотя опорный слой показанной исполнительной структуры показан в виде единственного слоя, он может быть сконфигурирован в виде многослойной структуры.
Фиг. 11(a) показывает исполнительное устройство в состоянии при нулевом прикладываемом напряжении и температуре T=T0.
Фиг. 11(b) показывает исполнительное устройство все еще при нулевом прикладываемом напряжении, но при этом окружающая температура увеличилась до T=T0+ΔТ. В результате был индуцирован дрейф смещения в направлении вниз на расстояние Δd.
Фиг. 11(c) показывает теперь исполнительное устройство все еще при температуре T=T0+ΔТ, но при этом напряжение ΔV стимуляции было приложено к активной слоевой структуре. Исполнительный элемент сконфигурирован таким образом, что электрическая стимуляция активной слоевой структуры приводит к смещению срабатывания в направлении вверх. Следовательно, посредством приложения малого напряжения срабатывания, термически индуцированный дрейф смещения может быть «скорректирован» для возврата исполнительного элемента в приблизительно плоское эталонное состояние.
Согласно альтернативному набору примеров, исполнительное устройство может быть «предварительно изогнуто» таким образом, чтобы даже в отсутствие электрической или термически стимулируемой деформации, исполнительный элемент был смещен в некотором направлении. Здесь снова термически индуцированное смещение исполнительного устройства может быть скорректировано посредством приложения электрической стимуляции к активной слоевой структуре с тем, чтобы перевести исполнительный элемент обратно в эталонное состояние. Однако, преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что нет необходимости предвидеть, в каком направлении температурный дрейф будет изгибать исполнительное устройство. Начальное «предварительно изгибающее» смещение допускает некоторую степень температурного дрейфа в любом направлении и в то же время всегда обеспечивает возможность перевода исполнительного устройства обратно в нормальное (например, «плоское») положение посредством электрической стимуляции.
Пример схематично показан на фиг. 12, которая снова показывает иллюстративный исполнительный элемент 42, закрепленный на одной стороне закрепляющим элементом 82. Снова, может быть обеспечена многослойная опора. Фиг. 12(a) показывает исполнительное устройство в состоянии при нулевом прикладываемом напряжении и температуре T=T0. Как показано, предварительное смещение исполнительного элемента приводит к изгибу вниз в отсутствие какого-либо прикладываемого напряжения или теплового расширения.
Фиг. 12(b) показывает исполнительное устройство все еще при T=T0, но при этом напряжение ΔV стимуляции было приложено к активной слоевой структуре для перевода, таким образом, исполнительного элемента обратно в эталонное состояние.
Фиг. 12(c), с другой стороны, показывает состояние, в котором окружающая температура увеличилась до T=T0+ΔТ и, таким образом, индуцировала остаточный дрейф срабатывания вверх. В ответ, напряжение срабатывания было уменьшено соответствующим образом так, чтобы оно вернулось к V=0. Следовательно, можно увидеть, что этот вариант осуществления позволяет обеспечить большую гибкость для приспособления к изменяющимся окружающим температурам, поскольку напряжение срабатывания может быть всегда приложено в необходимой степени для возврата исполнительного элемента 42 в эталонное (например, плоское) состояние. Конечно, это обеспечивается за счет немного меньшего полезного хода срабатывания.
Согласно одному или более вариантам осуществления, исполнительная структура может включать в себя средство настройки емкости, выполненное с возможностью подавать управляемое напряжение смещения на многослойную конденсаторную структуру 45, образованную опорной слоевой структурой. Это позволяет настраивать емкость, демонстрируемую многослойной конденсаторной структурой, в зависимости от прикладываемого напряжения смещения. Необязательно, контроллер может обеспечивать средство настройки емкости. Альтернативно, отдельное средство подачи напряжения может быть обеспечено для подачи управляемого смещения.
Диэлектрическая проницаемость конденсатора (а также градиент диэлектрической проницаемости при изменении температуры) зависит от напряжения (и емкость, естественно, зависит от диэлектрической проницаемости). Следовательно, посредством обеспечения управляемого напряжения смещения может быть настроено поведение емкости.
Средство настройки емкости позволяет калибровать уровень емкости конденсаторной структуры для достижения оптимальной температурной компенсации в данном сценарии. Например, демонстрируемый уровень температурной деформации активного слоя может зависеть от обстоятельств или может изменяться с течением времени при изменении свойств исполнительной структуры. Может быть также трудно точно узнать заранее уровень и поведение дрейфа срабатывания. Емкостное компенсационное средство позволяет устанавливать этот уровень при эксплуатации или настраивать его для разных сценариев. Это увеличивает гибкость.
Прикладываемое напряжение смещения может быть выполнено с возможностью настраиваться на основе, например, входных команд пользователя или может конфигурироваться автоматически, например, на основе считывания или контроля уровня теплового изменения смещения срабатывания и настройки уровня смещения таким образом, чтобы обеспечиваемая компенсация противодействовала дрейфу смещения срабатывания. Может быть обеспечена комбинация обоих эффектов. В некоторых случаях, напряжение смещения может настраиваться в зависимости от температуры, причем соотношение «напряжение смещения - температура» конфигурируется таким образом, чтобы компенсировалось тепловое изменение смещения срабатывания.
Емкостное компенсационное средство может быть выполнено с возможностью настраивать уровень подаваемого напряжения смещения таким образом, чтобы емкость, демонстрируемая конденсаторной структурой в зависимости от температуры, модифицировала ток или напряжение с такой скоростью, чтобы вызывалось последовательное изменение электрической деформации, которое противодействует тепловому изменению смещения срабатывания.
На практике, это может быть реализовано разными путями.
Согласно по меньшей мере одному набору вариантов осуществления, подаваемое на конденсаторную структуру 45 напряжение смещения может быть выполнено с возможностью изменяться в зависимости от температуры (для динамического следования за изменениями температуры). Специальные схемы управления могут быть обеспечены для реализации этой функциональности. Например, напряжение смещения может быть подано на делитель напряжения с терморезистором, обеспеченным в качестве одного из компонентов делителя. Таким образом, прикладываемое напряжение смещения делается температурно-зависимым. Прикладываемое напряжение смещения, которое требуется для точной компенсации дрейфа смещения срабатывания в диапазоне рабочих температур EAP может быть, например, определено посредством отслеживания или калибровки температурного дрейфа исполнительного устройства с температурой и запоминания значений в таблице поиска. Делитель напряжения может быть настроен таким образом, чтобы он демонстрировал соответствующее температурное изменение напряжения смещения.
Согласно по меньшей мере одному набору вариантов осуществления, напряжение смещения может регулироваться отдельным контроллером. Этот контроллер может быть сконфигурирован разными путями. В одном наборе примеров, контроллер может быть выполнен с возможностью настраивать напряжение смещения в зависимости от температуры, причем температура приобретается с использованием, например, датчика температуры.
В других примерах, контроллер может быть выполнен с возможностью настраивать напряжение смещения в прямой зависимости от считываемого индуцированного температурой изменения смещения исполнительного устройства. Например, средство настройки емкости может содержать механизм считывания деформации исполнительного устройства. Контроллер может быть выполнен с возможностью принимать входные данные от этого механизма считывания и детектировать любые изменения смещения срабатывания, которые возникают в отсутствие какого-либо одновременного изменения прикладываемого напряжения возбуждения срабатывания. Если такие аномальные изменения деформации будут детектированы, то контроллер может ответить настройкой напряжения смещения, прикладываемого к конденсаторной структуре, с тем, чтобы индуцировать изменение смещения срабатывания, которое компенсирует термически индуцированный дрейф. Необходимые напряжения смещения, требуемые для индуцирования данных изменений смещения, могут, например, запоминаться в таблице поиска и находиться контроллером для определения корректной настройки напряжения смещения для компенсации считываемого дрейфа смещения срабатывания.
В случаях, когда на исполнительное устройство действует сила, может быть обеспечен дополнительный механизм считывания силы для обеспечения идентификации изменений смещения срабатывания вследствие прикладываемой силы и изоляции их от индуцированных температурой изменений.
В описанных выше вариантах осуществления были описаны разные варианты осуществления исполнительной структуры, содержащей пассивное средство компенсации температурного дрейфа согласно настоящему изобретению. Все они включают в себя несущую слоевую структуру, соединенную с активной слоевой структурой, и причем слои несущей слоевой структуры образуют многослойную конденсаторную структуру для обеспечения посредством этого по меньшей мере части компенсационного средства. Дополнительные возможности включают в себя следующее.
Использование, дополнительно, температурно-зависимого электрического компонента, демонстрирующего электрический параметр, который зависит от температуры и который используется для настройки напряжения или тока срабатывания для компенсации дрейфа. Этот компонент может быть соединен последовательно с многослойной конденсаторной структурой. Такой элемент может в конкретных примерах быть температурно-зависимым конденсатором или температурно-зависимым резистором. Однако, может быть также использован любой электрический компонент, обеспечивающий эффект воздействия на напряжение или ток возбуждения таким образом, чтобы модифицировать такое напряжение или ток в зависимости от температуры.
Пассивное компенсационное средство может быть дополнительно поддержано или усилено в примерах посредством обеспечения для активной слоевой структуры опоры, которая предварительно напряжена и имеет жесткость, которая уменьшается с увеличением температуры и наоборот. Это может быть использовано для противодействия отрицательному или положительному (соответственно) тепловым расширениям электроактивных слоев активной слоевой структуры. Следовательно, изменение механических свойств опорного слоя с увеличением температуры может дополнительно компенсировать любой оставшийся остаточный температурный дрейф.
Материал на основе EAP может непрерывно возбуждаться до состояния полного срабатывания в качестве холостого состояния или состояния покоя устройства. Смещение срабатывания обеспечивается перемещением исполнительного устройства в состояние меньшего срабатывания.
Иллюстративная исполнительная структура, описанная и заявленная здесь, может быть применена в любом применении из большого множества разных применений. Эти применения включают в себя, но не ограничены этим: персональные устройства ухода (например, бритвы, триммеры, устройства ухода за кожей), устройства ухода за полостью рта (например, зубные щетки, устройства очистки языка, мундштуки, устройства на основе воздушной нити), персональные медицинские устройства (например, ручные устройства, носимые устройства), и медицинские устройства (например, катетеры, проволочные направители, CMUT-зонды или другие устройства).
Хотя в подробном описании, приведенном здесь выше, конструкция и работа устройств и систем согласно настоящему изобретению была описана для EAP, настоящее изобретение может быть фактически использовано для устройств на основе других видов управляемых материалов, в том числе других видов материала на основе EAM. Следовательно, если не указано иное, то материалы на основе EAP, упомянутые выше, могут быть заменены другими управляемыми материалами, такими как другие материалы на основе EAM. Такие другие управляемые материалы известны в данной области техники, и специалисты в данной области техники знают, где найти их и как их применять.
Материалы, пригодные для элемента на основе EAP, являются общеизвестными. Электроактивные полимеры включают в себя, но не ограничены этим, подклассы: пьезоэлектрических полимеров, электромеханических полимеров, релаксорных сегнетоэлектрических полимеров, электрострикционных полимеров, диэлектрических эластомеров, жидкокристаллических эластомеров, сопряженных полимеров, ионных полимерно-металлических композиционных материалов, ионных гелей и полимерных гелей.
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.
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.
Во всех этих примерах, дополнительные пассивные слои могут быть обеспечены для оказания влияния на электрическое и/или механическое поведение элемента на основе EAP в ответ на прикладываемое электрическое поле.
Каждый элемент на основе EAP может быть прослоен между электродами. Электроды могут быть растяжимыми, чтобы они следовали за деформацией материала на основе EAP. Материалы, пригодные для электродов, должны пропускать ультразвук и включают в себя, например, тонкие металлические пленки, такие как золотые, медные, или алюминиевые пленки, или органические проводники, такие как углеродная сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS).
Если электроды будут расположены в несимметричной конфигурации, то прикладываемое напряжение может вызывать все виды деформаций, такие как кручение, свертывание, закручивание, изгиб и деформация несимметричного изгиба.
Как описано выше, варианты осуществления настоящего изобретения используют контроллер. Контроллер может быть реализован многими путями, программными и/или аппаратными средствами, для выполнения различных требуемых функций. Процессор является одним примером контроллера, который использует один или более микропроцессоров, которые могут быть запрограммированы с использованием программного средства (например, микрокода) выполнять требуемые функции. Контроллер может быть, однако, реализован с использованием или без использования процессора, а также может быть реализован в виде комбинации специального аппаратного средства для выполнения некоторых функций и процессора (например, одного или более программируемых микропроцессоров и соответствующих схем) для выполнения других функций.
Примеры компонентов контроллера, которые могут быть использованы в различных вариантах осуществления настоящего раскрытия, включают в себя, но не ограничены этим: общепринятые микропроцессоры, специализированные интегральные схемы (application specific integrated circuit - ASIC) и матрицы программируемых логических вентилей (field-programmable gate array - FPGA).
В различных реализациях, процессор или контроллер могут быть связаны с одним или более носителями данных, такими как энергозависимая и энергонезависимая компьютерная память, такая как RAM, PROM, EPROM, и EEPROM. Носители данных могут быть закодированы одной или более программами, которые, при выполнении на одном или более процессорах и/или контроллерах, выполняют требуемые функции. Различные носители данных могут быть установлены внутри процессора или контроллера или могут быть переносными, чтобы одна или более программ, запоминаемых на них, могли быть загружены в процессор или контроллер.
Другие изменения раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, на основе изучения чертежей, раскрытия, и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а форма единственного числа не исключает множественного числа. Тот факт, что некоторые меры перечислены 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. Исполнительная структура (40), выполненная с возможностью компенсировать тепловое изменение смещения срабатывания, причем упомянутая структура содержит:
активную слоевую структуру (44), содержащую один или более слоев (48) материалов, каждый из которых включает в себя электроактивный материал, деформируемый в ответ на электрическую стимуляцию;
пассивную несущую слоевую структуру (45), соединенную с активной слоевой структурой; и
пассивное компенсационное средство (46), выполненное с возможностью модифицировать ток или напряжение электрического стимула, обеспечиваемого для электроактивного материала активной слоевой структуры, в зависимости от температуры для компенсации посредством этого упомянутого теплового изменения смещения срабатывания, причем
пассивное компенсационное средство содержит многослойную температурно-зависимую конденсаторную структуру, и при этом упомянутая пассивная несущая слоевая структура выполнена с возможностью образовывать конденсаторную структуру.
2. Исполнительная структура (40) по п. 1, в которой упомянутая активная слоевая структура (44) демонстрирует тепловую деформацию в зависимости от температуры и в которой пассивное компенсационное средство модифицирует упомянутый ток или напряжение в зависимости от температуры с такой скоростью, чтобы вызывать последовательное изменение электрической деформации, которое противодействует упомянутой тепловой деформации.
3. Исполнительная структура (40) по п. 1 или 2, в которой многослойная конденсаторная структура расположена электрически последовательно с электроактивным материалом активной слоевой структуры (44).
4. Исполнительная структура по любому из пп. 1-3, в которой множественные слои конденсаторной структуры образуют множество конденсаторов, предпочтительно соединенных параллельно.
5. Исполнительная структура по п. 4, в которой по меньшей мере два из множества конденсаторов, образованных конденсаторной структурой, имеют разные емкости.
6. Исполнительная структура (40) по п. 3, в которой пассивное компенсационное средство дополнительно включает в себя температурно-зависимый резистор.
7. Исполнительная структура (40) по п. 1 или 2, в которой пассивное компенсационное средство дополнительно снабжено свойством материала одного или более слоев (48) материалов.
8. Исполнительная структура (40) по п. 7, в которой свойство материала является диэлектрической проницаемостью, которая изменяется в зависимости от температуры и необязательно в которой упомянутая диэлектрическая проницаемость уменьшается в зависимости от увеличения температуры.
9. Исполнительная структура (40) по любому предшествующему пункту, причем упомянутая исполнительная структура включает в себя средство настройки емкости, выполненное с возможностью подавать управляемое напряжение смещения на многослойную конденсаторную структуру для настройки посредством этого емкости, демонстрируемой многослойной конденсаторной структурой, в зависимости от прикладываемого напряжения смещения.
10. Исполнительная структура (40) по пп. 2 и 9, в которой емкостное компенсационное средство выполнено с возможностью настраивать уровень подаваемого напряжения смещения таким образом, чтобы емкость, демонстрируемая конденсаторной структурой в зависимости от температуры, модифицировала упомянутый ток или напряжение с такой скоростью, чтобы вызывать последовательное изменение электрической деформации, которое противодействует тепловому изменению смещения срабатывания.
11. Исполнительная структура (40) по п. 10, в которой контроллер (62) выполнен с возможностью при эксплуатации обеспечивать постоянное электрическое смещение для активной слоевой структуры (44) для стимулирования частичной деформации активной слоевой структуры.
12. Исполнительная структура (40) по любому предшествующему пункту, в которой активная слоевая структура (44) выполнена с возможностью демонстрировать изгибающее смещение в первом направлении в отсутствие электрической деформации или тепловой деформации активной слоевой структуры и выполнена с возможностью демонстрировать изгибающее смещение в противоположном направлении при электрической деформации или тепловой деформации и необязательно в которой контроллер выполнен с возможностью при эксплуатации обеспечивать постоянное электрическое смещение для активной слоевой структуры для частичного противодействия упомянутому изгибающему смещению в первом направлении.
13. Исполнительная структура (40) по любому предшествующему пункту, в которой несущая слоевая структура (44) содержит один или более предварительно напряженных слоев материалов и в которой несущая слоевая структура демонстрирует упругость, которая положительно изменяется с температурой, и необязательно в которой по меньшей мере активная слоевая структура демонстрирует тепловое расширение, которое отрицательно изменяется с температурой.
14. Способ срабатывания, содержащий этап, на котором управляют электрической стимуляцией исполнительной структуры (40), причем упомянутая исполнительная структура содержит:
активную слоевую структуру (44), содержащую один или более слоев (48) материалов, каждый из которых включает в себя электроактивный материал, деформируемый в ответ на электрическую стимуляцию, и
пассивную несущую слоевую структуру, соединенную с активной слоевой структурой,
и при этом упомянутый способ содержит этап, на котором:
обеспечивают электрическую стимуляцию для активной слоевой структуры, причем ток или напряжение электрической стимуляции предварительно модифицируются в зависимости от температуры пассивным компенсационным средством для компенсации посредством этого теплового изменения смещения срабатывания исполнительной структуры, причем
пассивное компенсационное средство содержит многослойную температурно-зависимую конденсаторную структуру, и причем упомянутая пассивная несущая слоевая структура выполнена с возможностью образовывать упомянутую конденсаторную структуру.
15. Способ срабатывания по п. 14, в котором активная слоевая структура (44) демонстрирует тепловую деформацию в зависимости от температуры и в котором упомянутое пассивное компенсационное средство выполнено с возможностью модифицировать упомянутое напряжение или ток в зависимости от температуры с такой скоростью, чтобы вызывалось последовательное изменение электрической деформации, которое противодействует упомянутой тепловой деформации.
