双向致动器的制作方法

文档编号:14477986
研发日期:2018/5/19

本发明涉及双向小型化致动器。



背景技术:

存在很多这样的应用,它们可以受益于减小尺寸的致动器,但是它们会引起显著的行程且应用显著的力。

电动机最普遍用作致动器,以用于产生大的行程和力。对于很多小型化应用,即使小电动机仍是过度大、重、吵闹和昂贵。另外,小型化电动机遭受更低的效率。

形状记忆材料(SMM),特别是形状记忆合金(SMA),当加热超过其特定相变温度时能够提供显著的力和行程。即使材料的尺寸是小的,所传递的力和行程相对于这些尺寸在非常长时间周期上以及在许多切换操作后是非常高和准确的。

使用形状记忆材料以提供取决于温度的致动信号因此已经被研究。例如,US2014/0007572公开形状记忆合金线的使用,该形状记忆合金线在温度上升高于材料的相变温度时收缩,由此接合致动器。在温度降低并且线转变回到低温相时,通过附加偏置弹簧的使用,实现线的原始长度的恢复并且因此重置致动器,该偏置弹簧将线拉伸回到它的低温长度。

对于外部机械偏置的需求来重置致动器的形状是不利的,这由下述事实产生:当存在温度降低时,相改变回到原始相,但是形状没有。因此,在致动器可以被再一次使用前,在温度降低后,外部致动必须被发起以反转SMM的形状改变。

外部机械偏置为致动器装置引入显著的体积、成本和加工复杂度,经常破坏SMA的应用可以传递的许多关键优势。另外,永久机械偏置弹簧的使用减少致动器的有效行程。

因此期望的是小型化致动器装置,该致动器装置利用SMA材料以便提供显著的致动力,具有双向的能力,但是不需要体积大或者复杂的反转偏置机构以便在行程之间重置致动器。



技术实现要素:

本发明由权利要求定义。

依据本发明的一方面,提供一种双向致动器,包含:

热敏形状记忆层,该形状记忆层包含形状记忆合金,该合金在低于第一温度时以第一相存在并且在高于第二温度时以第二相存在,并且其中从第一相至第二相的转变激发该层从任何第一形状移动至第二预定形状;

电活性聚合物层,与该形状记忆合金层耦合使得两者遵循相同形状,该电活性聚合物层响应于所应用电压是可变形的;以及

加热装置,用于控制该热敏形状记忆层的温度。

电活性聚合物(EAP)包含一组材料,其响应于所应用电场经历受控的变形。由EAP在经历变形时产生的应力显著小于由经历变形时的形状记忆合金(SMA)产生的应力,并且因此在致动应用中自身具有受限的利用。然而,由EAP产生的应力足以克服当SMA处于它的低温相时所述SMA的阻力,并且因此足以在这种相期间使这种层的形状变形。

本发明的实施例因此利用EAP的形状变形性质以便在基于SMA的致动器的情况下提供“反转致动”功能。SMA层可以利用加热装置被加热,并且因此被引起从初始形状转变至它的高温形状记忆形状,从而传递致动力,正如它确实传递致动力那样。一旦冷却至低于它的相转变温度,SMA变成超弹性,并且可以用比在它的高温相期间更少的应用的力来操纵。然后电场可以跨过耦合的EAP层被建立,引起所述层响应地变形,此变形用它牵拉SMA层,并且因此将致动器“重置”回到其原始的初始的形状。

EAP层因此有助于致动器的双向性而不引发任何显著增加的体积—因为在小型化致动器的情况下,仅仅非常薄的EAP箔足以在处于低温相时使SMA层变形。

尽管由EAP在变形期间产生的力比SMA的力小,在“反转历程”期间产生的、超过且高于使SMA位移所需力的任何过剩力还是可以被利用以执行一些(不那么强烈的)反转致动功能。另外,电活性聚合物拥有这样的性质:通过改变应用于它们的电场的强度,可以可控地改变它们变形的程度。更大的场将引发更大的应变,更小的场将引发更小的应变。这与SMA形成对照,SMA通常从一个结束态切换至另一个,没有办法控制变形的程度。因此,EAP层在一些实施例中可以被利用以提供附加功能:在与SMA变形相反的方向上的低烈度但仔细地可控的致动。

在实施例的一个群组中,加热装置包含至少两个接触端子,其与形状记忆合金电连通,用于传递电流穿过合金。

通过跨过两个端子应用电势差,合金层被激发而经历焦耳加热。端子可以例如被提供于合金组件的两个相对的端部,由此有助于跨过材料的全部范围加热。

虽然焦耳加热代表提高合金温度的直接和高效手段,在某些实施例中,跨过合金本身引起电流会是不利的或者有问题的—例如其中这种电流在具体应用中会干涉相邻组件。因此,依据实施例的不同群组,加热装置包含与形状记忆层热连通的加热元件。加热元件在一些情况下可以包含物理地附着于合金的元件,或者可替换地,可以包含被布置和调适成加热环绕合金或者环绕双层结构整体的环境的元件。

在一些实施例中热敏形状记忆层可以包含具有嵌入的形状记忆合金线的聚合物材料层。在这种情况下,聚合物层可以充当在SMA线和EAP材料之间的电和热绝缘。在可替换的实施例中,形状记忆层可以简单地包含形状记忆合金的薄片或者箔,没有周围的聚合物组件。

依据本发明的一方面,进一步提供一种光束成形元件,包含:

具有一个或者多个边界壁的通道,至少一个边界壁包含一个或者多个如任何前述权利要求所述的致动器。

通过可控地激发包含边界壁的致动器,通道的形状和/或相对方向取向可以被动态调整。例如,光束成形元件可以有助于在照明应用中的动态光束转向,其中被相对地放置的致动器被激发在相同给定方向上平行地弯曲,由此将通道的一开放端部从一个方向取向扫描至另一个方向取向。可替换地,被相对地放置的致动器可以被激发而朝向彼此地“向内”变形,由此“挤压”通道并且改变通道的至少一个开放端部的直径。

另外,光束成形元件可以进一步包含布置在通道的一个端部的一个或者多个光学元件。这些可以是单个元件或者元件的阵列。至少元件的子集可以被安装于通道的一端部,使得当通道以上述方式被激发而“扫描”时元件随通道移动。

依据本方面的一方面,进一步提供一种自适应照明装置,包含:

一个或者多个如上所述的光束成形元件;以及

被放置在通道的边界壁内的一个或者多个固态照明元件。

固态照明元件可以被放置在位于光束成形元件的底部的基底层或者PCB上,使得从元件产生的光可以被调适以提供期望的输出分布或者光束形状/方向。

依据本发明的另一方面,还提供一种用于皮肤毛发剃刮装置的皮肤接触结构,该皮肤接触结构用于在由剃刮装置剃刮所述皮肤期间接触一皮肤接触部分,该结构包含如权利要求1-4中任何一个所述的致动器,用于变更至少一部分的该皮肤接触结构和该皮肤部分之间的相对位置或者方向。

EAP层的可控地变形可以例如被采用到这样的实施例中,以便根据用户使剃须刀跨过皮肤的移动而实时地提供精确的皮肤-剃须刀位置调整。皮肤接触结构和皮肤的相对位置可以被调整,以便保持持续的皮肤接触以得到跨过给定皮肤区域的最大化的切割效率。

依据本发明的另一方面,提供一种双向致动方法,包含:

使用加热装置以提高第一层元件的温度,该元件包含形状记忆合金,并且温度的升高激发合金从在第一温度的第一形状转变至在第二温度的第二预定形状;

降低该第一层元件的温度至第三温度;并且

应用电压至第二层元件,该第二层元件与第一层元件耦合使得两者遵循相同形状,并且该第二层元件包含电活性聚合物,该电压激发该聚合物从第二预定形状变形至第三形状,该第三形状取决于该电压的强度。

第一形状通常可以包含SMA层在处于其低温(低应力)相时已经外部变形到的任何任意形状。第一温度通常可以是低于具体的“低相至高相”转变温度(其具体值取决于具体合金材料)的任何温度。使用加热装置加热该合金以使其高于此转变温度,在这个点该合金被激发以从其初始形状改变至第二预定的形状记忆形状。第二温度通常是高于低-高转变温度的任何温度。

在变形至其形状记忆形状时,层的温度然后被降低至第三温度,此第三温度是低于属于该材料的具体的“高相至低相”转变温度的任何温度。在此第三温度,该层再一次处于它的低温(延展性的)相。在一些实施例中温度降低可以包含“被动地”降低温度;加热装置被切断,并且该层被允许通过转移热量至周围环境而冷却。可替换地,通过一些外部冷却元件或者装置的应用,该层的温度可以被主动地降低。

一旦SMA层被冷却至其低温相,EAP层可以被电激发以在与SMA层的变形相反的“方向”上变形,由此将致动器带到第三形状。在某些实施例中,电压被应用至第二层元件,该电压具有一强度使得该第三形状与该第一形状相同。以这种方式,EAP层的变形使致动器返回或者“重置”至初始的、开始的第一形状。

在去激活所应用电流时,(仍然处于其低温相的)SMA层的内部阻力足以阻止致动器返回至EAP的自然的低电压形状,并且因此该致动器维持它的形状且不变形。尽管EAP在被电激活时产生足够应力以克服SMA层处于低温相时的阻力,当未激活时SMA的内部应力超过EAP的应力,允许SMA保持致动器的形状。

在上文方法的一些实施例中,第一层元件的形状转变被使用以传递致动力,然而在其他实施例中,第二层元件的形状转变可以被用于传递致动力。在另外其他实施例中,两种形状转变都可以被使用以传递致动力。

如上所述,第一层元件的形状转变在其变形期间能够执行比第二层更大的工作,但是第二层的转变就其程度和其改变速率而言是可控的。在不同应用内,不同的这些实施例可以是最有用的。

在上述致动方法中的加热装置可以包含焦耳加热过程,其中电流被传送穿过第一层元件的至少一部分。

在一些实施例中,电压可以经由第一层元件被应用至第二层元件,第一层元件与第二层元件电连通。第一层元件在这种情况下对第二层元件而言充当阳极和/或阴极。这避免需要向EAP层提供专用端子用于电压的传递。由于在执行致动方法中,从来不会出现第一层需要被加热同时第二层需要被电激发的情况,使用第一层作为第二层的阳极/阴极不需要干涉所述第一层的任何焦耳加热过程。

依据本发明的另一方面,提供一种制作双向致动器的方法,包含:

将包含形状记忆合金的第一层元件耦合至包含电活性聚合物的第二层元件,使得两个元件遵循相同形状;并且

提供加热装置,使得该加热装置与该第一层元件热连通。

在某些实施例中耦合可以例如包含层压过程。在其他实施例中,耦合可以例如通过在合金层上的聚合物层的“涂层”而实现。

附图说明

本发明的示例现在参照附图予以详细描述,在附图中:

图1示出对于形状记忆合金的温度-相关系;

图2示出对于形状记忆材料的温度-应力-应变关系;

图3示出对于适合在本发明中使用的典型EAP的应变-电压曲线;

图4示出第一示例致动器实施例;

图5示出依照第一致动器实施例的第一示例致动方法;

图6表示就致动器变形、SMA温度和EAP电压随时间的改变而言,第一致动方法的图形表示;

图7a-b示出含有一个或者多个致动器实施例的示例光束成形元件;

图8a-b示出含有致动器的实施例的剃须刀装置的皮肤接触元件。

具体实施方式

本发明提供一种热和电可控的小型化致动器,其包含由与电活性聚合物层耦合的形状记忆合金层形成的双层结构。加热装置被提供用于形状记忆合金层的热激发,此层从在第一温度的初始形状转变至在第二温度的第二预定形状。电场应用至电活性聚合物层以一应力激发此层响应地变形,该应力会超过该合金层处于低温相时的应力。进一步提供致动方法,其包括激发聚合物层以在与合金层的变形相反的“方向”上变形,因此允许致动器在行程之间被“重置”。还提供制作致动器的方法。

形状记忆材料(SMM),特别是形状记忆合金(SMA)是众所周知的。两种主要类型的形状记忆合金是铜-铝-镍和(已知为镍钛诺(Nitinol))的镍-钛(NiTi)。镍钛诺例如以线、棒以及杆可获得,或者作为薄膜可获得。然而SMA也可以通过使锌、铜、金和铁合金化而创造。

SMA可以在两种不同相中存在,具有三种不同的晶体结构(即孪晶马氏体、去孪晶马氏体和奥氏体)。镍钛诺合金当被加热时从马氏体状态改变至奥氏体状态,并且当被冷却时恢复。

图1示出在加热和冷却期间马氏体份数(fraction)作为加热的函数。在加热期间,As和Af是从马氏体至奥氏体的转化开始和结束的温度。温度As是转变温度。在冷却期间,Ms和Mf是转变至马氏体开始和完成的温度。

加热转变和冷却转变之间的不同引起迟滞,其中一些机械能在该过程中损失。曲线的形状取决于形状记忆合金的材料特性,诸如合金化和加工硬化。

从马氏体相至奥氏体相的转变仅仅取决于温度和应力,不取决于时间。当形状记忆合金处于其冷态时(低于As),金属可以被弯曲或者拉伸并且将保持那些形状直至被加热高于转变温度。在加热时,形状改变至其原始形状。当金属再次冷却时,它将改变相但是不改变形状,并且因此保持在热形状,直至再次变形。

伴随这个单向效应,从高温冷却不导致宏观的形状改变。变形对再造低温形状是必要的。镍钛诺的转变温度As是由合金类型和组成决定的,并且可以在-150°C和200°C之间变化。通常,在-20°C至120°C范围内的转变温度被使用。因此,转变温度可以被调谐至具体应用。

还存在基于冷加工或者硬化的具有双向形状记忆效应的材料,其在马氏体相中具有高应力。然而,该效应不允许重复的温度循环,因为应力随时间被释放。本发明特别涉及单向形状记忆材料。

如上文提到,相转变取决于应力及温度。图2是示出对于形状记忆效应的应力-应变-温度函数的示意图。应力示为σ并且应变示为ε。

材料被退火以记住特定形状。通过应用应力至材料,材料沿着路径10变形至其低温形状。这是去孪晶区域。在应力-应变曲线中存在斜率的急剧增加,在此之后该材料变得更加难以进一步变形。一旦如路径12所示应力被释放,巨大应变仍然留在材料中直至加热超过转变温度。这是加热路径14以将材料带到奥氏体相。然后它可以沿着路径16冷却回到孪晶马氏体相,在这个点该材料中的应变已经弛豫(但是形状未改变回来)。

SMA的高温相的弹性模量(E模量)显著高于低温相的E模量。

在加热期间伴随这个相改变的形状改变能够传递第一力F1。在温度降低低于相变温度后,并且因此在相变至低温相后,必须有较低的力F2以将SMA再成形至其原始形式(在图2中路径10)。

电活性聚合物是这样的聚合物群组,其在由电场激发时呈现尺寸或者形状上的改变。特别地,电活性聚合物包括电致伸缩聚合物和离子聚合物,其在被应用电压时能够产生受控变形。变形的程度可以通过改变所应用电压被控制,这允许对位移的数字控制。与(甚至在材料已经再次进入低温相后高温形状存留的)形状记忆合金成对比,电激发一被移除,电活性聚合物就恢复回到其原始形状。

图3示出典型电活性聚合物的示例性应变-电压曲线,应变对应于全部引发的变形作为材料总长度的比例,并且E对应于跨过材料应用的电场。与SMA的应变-温度关系(在图2中图示)不同,对于电活性聚合物,两者之间存在一一对应关系,使得零电压总是使材料返回至单一具体的零应变(不变形的)形状。

图3的曲线对应的具体EAP是场驱动弛豫铁电EAP。示出的应变相对于所应用电场的关系对于诸如PVDF-TrFE-CFE的PVDF基三元共聚物系统是典型的。与诸如离子聚合物和介电弹性体的其他EAP相比,PVDF-TrFE-CFE材料典型地具有相对高的弹性模量并且因此典型地适合于使SMA变形。

本发明基于将形状记忆合金的形状改变特性与电活性聚合物的形状改变特性结合,以便提供能够在至少一个方向上传递高的致动力的致动器装置,但是其也呈现双向功能,使得致动器可以被反向变形而不需要大体积的外部机械偏置。形状记忆合金的层被与电活性聚合物的层耦合以形成该致动器装置。在低温和高温相之间转变时,形状记忆合金变形,产生显著的过剩力,过剩力在致动事件中可以被容易地利用。通过电场的应用,电活性聚合物允许SMA远离其高温相往回的“人工”变形,并且另外允许此变形的速度和程度被控制。

在图4中示出依照本发明的致动器的简单的第一示例。电活性聚合物(EAP)层22和形状记忆合金(SMA)层24在平面界面26被耦合,使得两者遵循相同形状。SMA层被提供有加热装置,其包含阳极28和阴极30,有助于跨过层应用电流以用于引起材料的焦耳加热。加热装置因此包括用于应用电流进行焦耳加热的电极。加热装置可以进一步包含切换组件32,其用于控制在应用正电压至阳极28时层的加热。然而,在可替换实施例中,可以改为利用外部控制模块,用于可控地在多种阳极和阴极上应用电压,并且因此切换组件是不被需要的。

另外注意,尽管在图4的具体示例中,致动器包含完全由形状记忆合金材料组成的形状记忆层24,在可替换示例中形状记忆层可以包含部分地或者大部分地由聚合物(或者一些其他非导电的)材料组成的层,但是具有嵌入的形状记忆元件,诸如形状记忆线。在这种情况下阳极28和阴极30被直接地提供至所述元件或者线,而不是提供至周围的层结构。在这种情况下,聚合物材料可以起作用以提供在SMA元件和EAP材料之间的电和热绝缘。这可以是有用的,例如其中在SMA材料的高温和低温相两者期间期望EAP层的温度保持基本上恒定或者稳定。

第二阴极34被提供到EAP层26,其经由第二切换元件36连接至地电势。当在阳极28应用非零电压以及第一阴极切换元件32开路时,跨过SMA层的合金材料获得在阳极应用的电势,并且因此使阳极的表面面积有效地延伸以覆盖EAP层的整个顶表面。与第二阴极34组合,SMA层因此激发跨过EAP层的电场。由于EAP材料本身是非金属的,此过程部不产生通过这些层中的任何一层的电流—并且SMA的非预期焦耳加热因此被避免。

虽然在图4的示例中SMA层本身被利用作为EAP层的电极,在其他实施例中EAP层可以改为被提供专用阳极-阴极对,使得可以跨过该材料独立于上方的SMA层而引起电激发。这种实施例会是优选的,例如,其中两个层之间的电和/或热连通是不期望的或者不利的。在这些情况下,两个层之间的绝缘可以被附加地提供—例如以附加的中间层的形式,在这种情况下EAP层的独立的电激发会是优选的。

因此,在所有情况下,存在与EAP层联系的电极布置,其可以包含专用电极对或者另外可以在加热电极布置被实施为焦耳加热布置时与该加热电极布置分享一电极。

另外,尽管图4的示例包括加热装置,其包括阳极28和阴极30(用于促进焦耳加热),在其他实施例中加热装置可以改为包含外部加热组件,该外部加热组件或者物理地附着于SMA层,或者以其它方式布置以便加热环绕SMA层的环境。虽然焦耳加热代表提高合金温度的直接和高效的方法,在某些实施例中,引起跨过合金本身的电流会是不利的或者有问题的—例如其中这种电流在具体应用中会干涉相邻部件。在这些情况下,对于用于引导电流跨过层的阳极和阴极,与(至少)SMA层热连通的专用加热元件会是优选的。

通过对在三个接触端子28、30、34的所应用电压的控制,图4的双层结构可以被激发以在向前方向和相反方向二者上提供致动。图5中示出根据本发明实施例在第一示例致动循环中的阶段(a)-(e)。在(开始)阶段(a),致动器是“平坦的”或者“未致动的”形状。第一阴极30和第二阴极34两者未接合并且没有电场或者电流正在起作用。在循环中在此阶段的SMA层处于其低温马氏体相—即,在至少低于As的温度(参见图1)。

通过第一阴极28的接合,致动器的第一次激活在阶段(b)被激发,由此引起跨过SMA层的焦耳加热。作为响应,SMA层温度从低于As的第一温度提高至高于Af的第二温度。随着温度从As提高至Af,SMA材料的相从马氏体转变至奥氏体,因此激发该材料以转变至其高温记忆形状。如上所述,此形状改变代表通过使材料从其记忆形状变形的过程而释放在材料中积累的应力,并且此过剩应力可以被利用以便传递致动力F1。

图5(b)示出一旦SMA已经获得温度T>Af以及一旦伴随的形状转变已经发生的致动器。在这个点,跨过层的电流是未接合的,并且SMA层被允许再次冷却至低于Mf的温度。随着温度从Ms降低至Mf,该层再一次转变回到其马氏体相。图5(c)示出一旦这个冷却已经发生的致动器。在从奥氏体转变至马氏体时,该层维持其形状,但是其弹性模量显著地降低。在仿真中,在奥氏体相期间呈现75GPa的弹性模量的SMA层被使用,在马氏体相期间此弹性模量下降至25GPa。刚度的这种降低意味着SMA层可以利用力F2被人工地变形,该力F2远小于在其从阶段(a)转变至阶段(b)期间由该层本身施加的力F1。

因此,在阶段(d),第二阴极34是接合的,由此引起跨过EAP层的电场。EAP响应于所应用电场而变形,变形程度取决于所应用电压的强度(参见图3)。电压被应用在阳极28,该电压具有足够强度,使得EAP层从形状(c)(SMA层的记忆形状)变形至与致动器在阶段(a)中开始时相同的平坦形状。一旦冷却,SMA层的弹性模量足够低,使得由EAP在其变形期间产生的力足以一致地弯曲两个层,并且由此再成形整个致动器结构。因此EAP层的电激发变形在(d)中被利用于将致动器“重置”返回初始的“未致动的”配置。

在使阴极34未接合并且由此终止电场时,由EAP内部地产生的应力下降至零(参见图3)。然而,冷SMA的弹性模量超过未激发的EAP的弹性模量,并且因此甚至一旦场已经被切断,致动器维持其平坦形状。图5(e)描述致动循环的这个最终阶段,其使致动器返回至与在阶段(a)中相同的状态。

图5的示例致动循环被在图6中图形地示出,其中线条40代表致动器的变形(相对于初始的平坦形状),线条42代表SMA层的温度,并且线条44代表跨过EAP应用的电压。阶段(a)-(e)沿着曲线图标记在它们发生的点。在阶段(a)和阶段(b)之间,随着SMA层从马氏体相转变至奥氏体相并且再形成为其形状记忆形状,温度和变形共同提高。在(b)和(c)之间,温度降低回到其(a)阶段水平,但是变形仅仅非常轻微地减少—此减少是由于该材料“平衡”到其低温弹性。在(c)和(d)之间,EAP电压稳定地从零提高,并且致动器变形响应地降低(几乎成比例地),当电压处于其最高值时返回至阶段(a)“零”变形。在(d)和(e)之间,EAP的电压被切断,但是变形维持不变。由于SMA层处于其马氏体相,EAP电压是零,并且致动器返回至其“平坦的”形状,阶段(e)与阶段(a)是物理地相同的,并且从这个状态起,致动循环可以再次开始,从(a)/(e)继续继续直至(d)。

尽管在由图5描绘和如上述描述的具体致动方法中,SMA层通过跨过材料应用电流被加热,在可替换实施例中加热可以通过不同手段实现,例如通过与SMA层热连通的外部加热元件。但是在这种情况下致动循环的各阶段将是相同的。另外,在某些实施例中,电场可以经由与所述层连通的分开的专用的阳极-阴极对(而不是经由SMA层和正极28)跨过EAP层被建立。

尽管图5中描述的具体示例致动方法示出包含从平坦配置位移的“弯曲”配置的SMA高温形状,在可替换实施例中,SMA记忆形状可以改为包含该平坦配置。在这种情况下,EAP层会使致动器变形至弯曲形状,并且SMA的加热将激发向该平坦形状的转变。在例如需要“牵拉”致动动作而不是“推动”致动动作的应用中,这会是优选的。

如上所述,SMA层从其马氏体形状转变至其奥氏体形状能够传递显著的力,并且因此在图5的示例循环中从阶段(a)至阶段(b)的转变可以典型地被用于在任何致动方法内提供主要致动力。然而,尽管由EAP层在其变形期间产生的力显著地小于由SMA在其形状改变期间产生的力,但是该力足以执行低强度的致动功能。另外,如上文也讨论的那样,EAP变形的程度可以通过改变所应用电场而被控制:更大的场会产生更大的变形程度。因此在一些实施例中,从阶段(c)至阶段(d)的转变也可以被利用以执行附加或者甚至唯一的致动功能。特别地,这样的应用可以受益于采用EAP转变以给予致动力:在该应用中,控制致动速度或者实时控制例如致动器变形的进程将是有利的。

在一些应用中,在致动时显著行程力的传递可以不如致动器能够实现的独特双向功能那样显著。一个这种示例应用图示于图7a和7b,其中根据本发明的一对致动器52、54被使用以形成LED光束成形装置56的一部分。在此具体示例中,LED 58被安装在PCB 60上,并且在光学腔体62内被配置在第一固定柱镜阵列结构64之下。环绕LED和第一阵列结构的是两个致动器52、54,其形成光引导通道的壁。在通道的端部安装有第二柱镜阵列66,其在两个致动器“壁”之间跨越。

如图7a和7b所图示,通过一致地激活各致动器,在交替的“向前”和“向后”变形中,通道的方向取向可以被变更,从一侧至另一侧“扫描”输出角度,并且由此变更所发射光束的传播方向。次级光学器件(柱镜阵列64、66)允许所发射光的聚焦或者准直,以便提供例如高度地方向性的光束输出。这在车辆前照明的领域中会是特别地有利的,例如其中输出光束的方向性控制可以被使用以提供自适应/动态可控的光输出。另外,该光学器件可以设置在某个位置并且保持在那里达延长的时间段,而不必须维持向EAP应用电压(由于当SMA处于马氏体相时,对变形的调整保持不变,甚至一旦电压被切断)。附加地,致动器是足够稳固的以避免低频振动,该低频振动对观察者会是可见的并且在美观上令人不快的。

虽然在图7a-b的图示性示例中,光引导通道的壁被描述为包含仅仅一对致动器,在更复杂示例中,例如在通道的“前方”和“后方”可以使用更多的致动器,如在图7中所示那样。以这种方式,通道可以被提供跨过两不同平面的方向性控制:一侧至另一侧以及前方至后方。可替换地,通道壁的剩余部分可以简单地包含柔性的膜,以便提供光的封装,并且允许通道在其不同位置之间挠曲。

如上所讨论,在EAP层转变期间致动器的可控变形致使该致动器在致动的速度或者程度的灵敏控制是期望的应用中是特别有用的。这种应用的一个具体示例图示于图8a和8b,其中具有SMA层74和EAP层76的致动器72形成剃须刀装置80的皮肤接触元件78的一部分,并且被使用以调整剃须刀和用户的皮肤之间的相对位置和/或压力。例如,该致动器可以被使用以便提供在剃须刀接触区域82和用户的脸之间的持续接触,因此提高剃须刀装置的效率或者效力。如由图8b所示出,致动器72的致动可以被利用以提高剃须刀的皮肤接触区域82的“竖直”定位,由此调整相对于用户的皮肤的该接触区域的位置。然后,通过对EAP层76的后续的受控的电压应用,此竖直位置可以根据应用至剃须刀接触元件78的定位或者压力而被仔细地减少。

根据本发明的一方面,进一步提供一种制作双向致动器的手段,其包含将第一层元件(包含形状记忆合金)耦合至第二层元件(包含电活性聚合物)—使得两者遵循相同形状—并且附加地提供加热装置,使得该加热装置与该第一层元件热连通。

在某些实施例中,该耦合可以例如包含层压过程。

可替换地,在其他实施例中,该耦合可以例如通过在合金层上的该聚合物层的涂层而实现。依照此方法,致动器的合金层和聚合物层电连通,并且因此图4的实施例—其中SMA层被利用作为EAP层的电极—将是容易实现的。另外,通过使用涂层方法,由于不需要层压层(其将具有最小所需厚度和结构刚性),该致动器可以更薄。

如上所解释,场驱动EAP装置优选地被使用,但是本发明不限于这种EAP装置。然而,可以被使用的电活性聚合物可以被细分为场驱动材料和离子驱动材料。

场驱动EAP的示例包括压电聚合物、电致伸缩聚合物(诸如PVDF基弛豫聚合物或者聚氨酯)和介电弹性体。其他示例包括电致伸缩接枝聚合物、电致伸缩纸、驻极体、电粘弹性弹性体和液晶弹性体。

离子驱动EAP的示例是共轭/导电的聚合物、离子聚合物金属复合材料(IPMC)和碳纳米管(CNT)。其他示例包括离子聚合物凝胶。

场驱动EAP由电场通过直接机电耦合被致动。它们经常需要强的场(伏特每米)但是低的电流。聚合物层通常是薄的以保持驱动电压尽可能低。离子EAP由离子和/或溶剂的电引起传输被激活。它们通常需要低的电压但是高的电流。它们需要液体/凝胶电解质介质(尽管一些材料系统也可以使用固体电解质工作)。两个类别的EAP均具有多个家族成员,每个家族成员具有它们自己的优点和缺点。

场驱动EAP的第一个显著子类是压电和电致伸缩聚合物。虽然传统压电聚合物的机电性能是有限的,在改进其性能中的突破已经带来PVDF弛豫聚合物,该PVDF弛豫聚合物表现自发电极化(场驱动配向)。这些材料可以是预应变的,以得到在受应变方向上的改进性能(预应变导致更好的分子排列)。一般使用金属电极,由于应变通常是在适度范围(1-5%)。也可以使用其他类型的电极(诸如导电聚合物,基于炭黑的油状物、凝胶或者弹性体等)。电极可以是持续的或者分段的。

场驱动EAP的兴趣的另一个子类是介电弹性体的子类。此材料的薄膜可以被夹在柔性电极之间,形成平行板电容器。在介电弹性体的情况下,由所应用电场引起的麦克斯韦应力导致在该膜上的应力,致使它在厚度上收缩并且在面积上扩展。通过使弹性体预应变(需要框架以保持该预应变),典型地扩大应变性能。应变可以是相当大的(10-300%)。这也约束了可以被使用的电极的类型:对于低和适度的应变,金属电极和导电聚合物电极可以被考虑,对于高的应变范围,基于炭黑的油状物、凝胶或者弹性体被典型地使用。电极可以是持续的或者分段的。

离子EAP的第一个显著子类是离子聚合物金属复合材料(IPMC)。IPMC由层压在两个薄金属或者碳基电极之间的溶剂溶胀的离子交换聚合物膜组成,并且需要使用电解质。典型的电极材料是Pt、Gd、CNT、CP、Pd。典型的电解质是Li+和Na+水基溶液。当电场被应用时,阳离子典型地与水一起移动至阴极侧。这导致亲水团簇的重组和聚合物膨胀。在阴极区域中的应变导致在聚合物基体的其余部分中的应力,这导致朝向阳极弯曲。使所应用电压反向使得弯曲反转。众所周知的聚合物膜是Nafion®和Flemion®。

离子聚合物的另一个显著子类是共轭/导电的聚合物。共轭聚合物致动器典型地由电解质组成,该电解质由该共轭聚合物的两个层夹住。电解质被使用以改变氧化态。当电势通过电解质被应用至聚合物时,电子被添加至聚合物或者从聚合物移除,驱动氧化和还原。还原导致收缩,氧化导致膨胀。

在一些情况下,当聚合物本身缺少足够导电性(尺寸关联的)时,薄膜电极被添加。该电解质可以是液体、凝胶或者固体材料(即,高分子量聚合物和金属盐的复合物)。最常见的共轭聚合物是聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)和聚噻吩(PTh)。

致动器也可以由悬浮于电解质的碳纳米管(CNT)形成。电解质利用纳米管形成双层,允许电荷的注入。此双层电荷注入被认为是CNT致动器中的主要机制。CNT作为电极电容器,电荷被注入CNT中,其然后被电气双层平衡,该电气双层由电解质移动到CNT表面而形成。改变在碳原子上的电荷导致C-C键长度的改变。结果,单个CNT的膨胀和收缩可以被观察到。

适合于EAP层的材料是已知的。电活性聚合物包括但不限于下述子类:压电聚合物、机电聚合物、弛豫铁电聚合物、电致伸缩聚合物、介电弹性体、液晶弹性体、共轭聚合物、离子聚合物金属复合材料、离子凝胶和聚合物凝胶。

子类电致伸缩聚合物包括但不限于:

聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯三氟乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚氨酯或者其混合物。

子类介电弹性体包括但不限于:

丙烯酸酯、聚氨酯、硅树脂。

子类共轭聚合物包括但不限于:

聚吡咯、聚3,4乙撑二氧噻吩、聚苯硫醚、聚苯胺。

离子装置可以基于离子聚合物金属复合材料(IPMC)或者共轭聚合物。离子聚合物金属复合材料(IPMC)是合成的复合纳米材料,其在应用的电压或者电场下展示人工肌肉行为。

更详细地,IPMC由像Nafion或者Flemion的离子聚合物组成,其表面利用诸如铂或者金或者基于碳的电极的导体进行化学电镀或者物理地涂覆。在所应用电压下,由于跨过IPMC的带施加的电压引起的离子迁移和再分布导致弯曲变形。聚合物是溶剂溶胀的离子交换聚合物膜。场导致阳离子与水一起移动至阴极侧。这导致亲水团簇的重组和聚合物膨胀。在阴极区域中的应变导致在聚合物基体的其余部分中的应力,这导致朝向阳极弯曲。使所应用电压反向使得弯曲反转。

如果所电镀电极以非对称配置被布置,所施加电压会引起各种变形,诸如扭曲、滚动、扭转、转向和非对称的弯曲变形。

在所有这些示例中,附加的钝化层可以被提供,用于影响EAP层响应于所应用电场的电和/或机械的行为。

每个单元的EAP层可以被夹在电极之间。电极可以是可拉伸的使得它们遵循EAP材料层的变形。适合于电极的材料也是已知的,并且例如可以从由下述组成的组中选择:薄的金属膜,诸如金、铜或者铝;或者有机导体,诸如炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3,4乙撑二氧噻吩)(PEDOT)(例如,聚(3,4乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS))。也可以使用金属化聚酯膜,诸如,例如使用铝涂层的金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

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