專利名稱：電活性聚合物換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電活性聚合物結(jié)構(gòu)，其可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。特別 地，本發(fā)明涉及預(yù)應(yīng)變聚合物致動(dòng)器和換能器的框架和網(wǎng)狀構(gòu)型。
背景技術(shù)：
當(dāng)前使用的大量各種裝置依賴于一種或另一種致動(dòng)器(actuator)，來(lái)將電能轉(zhuǎn)換 為機(jī)械能。此致動(dòng)器給這些產(chǎn)品“賦予生命”，驅(qū)動(dòng)它們運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。相反地，許多發(fā)電應(yīng)用的 操作是通過(guò)將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能。以這種方式用來(lái)獲取機(jī)械能的這種類型的致動(dòng)器可被 稱為發(fā)電機(jī)。同樣地，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)被用來(lái)將諸如振動(dòng)或壓力的物理刺激轉(zhuǎn)換為用于測(cè)量目 的的電信號(hào)時(shí)，它可被稱為換能器。然而，“換能器(transducer)”這一術(shù)語(yǔ)可被用來(lái)統(tǒng)稱 這些裝置。無(wú)論采用什么名字，利用電活性聚合物(electroactive polymer)的新一類元 件能夠經(jīng)配置后提供這些功能。特別是對(duì)于致動(dòng)器和發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，許多設(shè)計(jì)考慮關(guān)注于選擇和使用基于高級(jí)電 活性聚合物技術(shù)的換能器。這些考慮包括有勢(shì)力(potential force)、功率密度、能量轉(zhuǎn)換/ 消耗、尺寸、重量、成本、響應(yīng)時(shí)間、占空比、運(yùn)行要求、環(huán)境影響等等。由SRI International and licensee Artificial Muscle公司研發(fā)的電活性聚合物人造肌肉(Electroactive Polymer Artificial Muscle，EPAM )技術(shù)，在每一個(gè)范疇中相對(duì)于其它可用技術(shù)處于領(lǐng)先 地位。在許多應(yīng)用中，EPAM 技術(shù)完美地替代了壓電式的形狀記憶合金(SMA)以及諸如電 動(dòng)機(jī)及螺線管等電磁裝置。作為一種致動(dòng)器，EPAM 技術(shù)通過(guò)在由彈性電介質(zhì)聚合物隔開的兩個(gè)彈性薄膜電 極上施加電壓來(lái)操作。當(dāng)向這些電極施加電壓差時(shí)，反向充電的構(gòu)件相互吸引，從而對(duì)彼此 間聚合物產(chǎn)生壓力。這個(gè)壓力將電極拉到一起，導(dǎo)致電介質(zhì)聚合物變得更薄(ζ軸分量收 縮)，而沿平面方向延展(聚合物薄膜的χ和y軸伸長(zhǎng))。另一個(gè)因素驅(qū)使聚合物薄膜變薄 和延展。分布在各個(gè)彈性薄膜電極上的類似(同樣)電荷導(dǎo)致嵌入至薄膜內(nèi)的導(dǎo)電粒子相 互排斥，從而使聚合物薄膜相連的彈性電極和電介質(zhì)延展。利用這種“形狀記憶”技術(shù)，Artificial Muscle公司正在研發(fā)一系列的新型固態(tài) 裝置，以便用于各種各樣的工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)者和電子應(yīng)用。當(dāng)前產(chǎn)品的體系包括致動(dòng)器、 電動(dòng)機(jī)、換能器/傳感器、泵和發(fā)電機(jī)。致動(dòng)器由上面討論的操作來(lái)使能。當(dāng)材料發(fā)生物理 變形時(shí)，發(fā)電機(jī)和傳感器依靠改變電容來(lái)使能。Artificial Muscle公司現(xiàn)已引入了許多基本的“齊全即可使用(turnkey) ”類型 的裝置，這些裝置可用作構(gòu)建部件以取代現(xiàn)有裝置。每個(gè)裝置都采用支架或框架結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì) 電介質(zhì)聚合物進(jìn)行預(yù)應(yīng)變(pre-strain)。據(jù)觀察，預(yù)應(yīng)變改善了聚合物的電介質(zhì)強(qiáng)度，由此通過(guò)容許更高的場(chǎng)電勢(shì)而改善電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。這些致動(dòng)器中，“彈簧輥”類型的線性致動(dòng)器是通過(guò)在螺旋狀彈簧周圍覆蓋EPAM 材料層來(lái)制備的。將EPAM 材料連接至彈簧末端處的帽/罩以固定其位置。彈簧體支撐對(duì) EPAM 的徑向或圓周方向的預(yù)應(yīng)變，而彈簧長(zhǎng)度方向的壓縮提供了軸向預(yù)應(yīng)變。所施加的 電壓使得薄膜在厚度上向下擠壓而在長(zhǎng)度方向上舒馳，從而容許彈簧(由此，整個(gè)裝置)延 展。通過(guò)形成電極以圍繞圓周產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)處理的部分，電氣激活一個(gè)這樣的部分 導(dǎo)致輥延伸以及整個(gè)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離那一側(cè)彎曲。彎曲梁(bending beam)致動(dòng)器的形成是通過(guò)沿著梁的表面粘貼一層或多層伸展 的EPAM 材料。當(dāng)施加電壓時(shí)，EPAM 材料在厚度方向上收縮，在長(zhǎng)度方向上伸長(zhǎng)。沿著梁 的一側(cè)上的長(zhǎng)度增加導(dǎo)致梁遠(yuǎn)離活性層彎曲。成對(duì)的電介質(zhì)彈性體薄膜(或諸如上述“彈簧輥”的全套致動(dòng)器組件)可布置為 “推-拉(push-pull)”構(gòu)造。從一個(gè)致動(dòng)器到另一個(gè)致動(dòng)器切換電壓可來(lái)回地移動(dòng)組件的 位置。激活系統(tǒng)的相對(duì)兩側(cè)使得該組件固定在中性點(diǎn)。如此配置后，致動(dòng)器就像控制人手 臂運(yùn)動(dòng)的相對(duì)的二頭肌和三頭肌那樣動(dòng)作。無(wú)論推-拉式結(jié)構(gòu)包括固定至平面框架的薄膜 部分，還是包括一個(gè)或多個(gè)相對(duì)的彈簧輥等等，一個(gè)EPAM 結(jié)構(gòu)都可用作另一個(gè)EPAM- 結(jié) 構(gòu)的偏置構(gòu)件，反之亦然。另一類裝置將一個(gè)多個(gè)薄膜部分放置在封閉式聯(lián)動(dòng)或彈簧鉸鏈框架結(jié)構(gòu)中。當(dāng)使 用聯(lián)動(dòng)框架時(shí)，一般利用偏置彈簧來(lái)預(yù)應(yīng)變EPAM 薄膜。彈簧鉸鏈結(jié)構(gòu)可能內(nèi)在地包括必 需的偏置。無(wú)論如何，施加電壓將會(huì)改變框架或聯(lián)動(dòng)裝置的構(gòu)型，由此提供所需要的機(jī)械輸
出ο膜片致動(dòng)器(diaphragm actuator)的制作是通過(guò)在剛性框架中的開口上伸展 EPAM 薄膜。膜片致動(dòng)器的已知實(shí)例是通過(guò)彈簧、通過(guò)設(shè)置在彈簧和EPAM 之間的中間桿 或柱塞，通過(guò)彈性泡沫材料或氣壓來(lái)直接進(jìn)行偏置(即，推進(jìn)/推出或者推上/推下)。偏 置保證了當(dāng)電極活性/厚度收縮而不只是起皺時(shí)，膜片將沿著偏置方向移動(dòng)。膜片致動(dòng)器 能夠使容量移動(dòng)位置，使它們適合用作泵或揚(yáng)聲器等等。還可以構(gòu)造出更為復(fù)雜的致動(dòng)器。“inch-worm”和回轉(zhuǎn)輸出類型的裝置提供了實(shí) 例。關(guān)于上面提到的裝置以及其它裝置的進(jìn)一步描述和細(xì)節(jié)可在下面的專利和/或?qū)＠?請(qǐng)公開中找到6，812，624電活性聚合物6，809，462電活性聚合物傳感器6，806，621電活性聚合物回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)6，781，284電活性聚合物換能器和致動(dòng)器6，768，246生物學(xué)驅(qū)動(dòng)的電活性聚合物發(fā)電機(jī)6，707，236非接觸式電活性聚合物電極6，664，718整體式電活性聚合物6，628，040電活性聚合物熱電發(fā)電機(jī)6，586，859電活性聚合物活動(dòng)裝置6，583，533電活性聚合物電極6，545，384電活性聚合物裝置
6，376，971電活性聚合物電極
6，343，129彈性體電介質(zhì)聚合物薄膜聲波致動(dòng)器
20040217671軋制的電活性聚合物
20040263028電活性聚合物
20040232807電活性聚合物換能器和致動(dòng)器
20040217671軋制的電活性聚合物
20040124738電活性聚合物熱電發(fā)電機(jī)
20040046739易撓裝置的導(dǎo)航方法以及設(shè)備
20040008853用于移動(dòng)流體的電活性聚合物裝置
20030214199用于控制流體流動(dòng)的電活性聚合物裝置
20030141787非接觸式電活性聚合物電極
20030067245主/從電活性聚合物系統(tǒng)
20030006669軋制的電活性聚合物
20020185937電活性聚合物回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)
20020175598電活性聚合物回轉(zhuǎn)離合器電動(dòng)機(jī)
20020175594可變硬度的電活性聚合物系統(tǒng)
20020130673電活性聚合物傳感器
20020050769電活性聚合物電極
20020008445節(jié)能的電活性聚合物和電活性聚合物裝置
20020122561彈性體電介質(zhì)聚合物薄膜聲波致動(dòng)器
20010036790電活性聚合物活動(dòng)裝置
20010026165整體式電活性聚合物
為了提供關(guān)于基本技術(shù)和特性的背景和/或進(jìn)一步細(xì)節(jié)，通過(guò)引用將這些公開全
部合并于此，該基本技術(shù)和特征與本文所陳述的本發(fā)明方面相關(guān)聯(lián)使用或相結(jié)合使用。盡管上面描述的裝置提供了 EPAM 技術(shù)換能器的高性能實(shí)例，但是仍然繼續(xù)有志 于研制更高效的EPAM 換能器。由根據(jù)本發(fā)明的換能器所提供的效率增益可以在預(yù)應(yīng)變的 改進(jìn)、與受驅(qū)動(dòng)/驅(qū)動(dòng)部件的接口、輸出、可加工性等等方面來(lái)獲得。本領(lǐng)域的熟練人員將 理解這些可應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了許多EPAM 換能器設(shè)計(jì)，以擴(kuò)大由此技術(shù)受讓人(Artificial Muscle公司)提供的“齊全即可使用(tum-key)”工具的范圍。這些設(shè)計(jì)都需要用于以所 需構(gòu)型來(lái)預(yù)加載彈性體薄膜電極和電介質(zhì)聚合物的框架部件或固定部件。某些實(shí)施例包括推拉式子配件。本發(fā)明的一個(gè)方面可包括復(fù)雜的框架結(jié)構(gòu)以緊密 結(jié)合不同類型的致動(dòng)器。本發(fā)明的另一個(gè)方面包括帶有用于平面內(nèi)和/或平面外輸入/輸 出的可選推拉式致動(dòng)器構(gòu)造的框架結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的又一個(gè)方面集中于制造出更加堅(jiān)固和/ 或更加容易加工的致動(dòng)器結(jié)構(gòu)。在這點(diǎn)上，制造出平截頭體形狀的膜片致動(dòng)器，其中該結(jié)構(gòu) 的頂部包括有帽。此帽可為實(shí)心圓盤、圓環(huán)或其它形式的構(gòu)造。該帽在相對(duì)的平截頭體之間提供穩(wěn)定接觸面，和/或提供了諸如彈簧的機(jī)械預(yù)加載部件。本發(fā)明還包括本主題換能 器結(jié)構(gòu)的有益應(yīng)用。一個(gè)這樣的應(yīng)用是用于泵。泵可以使用單平截頭體的致動(dòng)器設(shè)計(jì)或雙平截頭體的 致動(dòng)器設(shè)計(jì)。在前一種情況下，平截頭帽提供了穩(wěn)定的表面來(lái)依靠它對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械偏 置。這種結(jié)構(gòu)可制造得非常堅(jiān)固和緊密。雙平截頭體設(shè)計(jì)不需要額外的預(yù)加載源。而且， 其經(jīng)配置后可用作雙動(dòng)泵。此外，使用串聯(lián)放置的兩個(gè)致動(dòng)器提供了使擺動(dòng)(stroke)加倍 的可能。在本發(fā)明中也同樣考慮了其它的串聯(lián)致動(dòng)器配置。另一個(gè)應(yīng)用是用于照相機(jī)，其中鏡頭的位置由平截頭體類型的致動(dòng)器來(lái)操縱。此 外，單平截頭體或雙平截頭體設(shè)計(jì)都可被使用。根據(jù)使用其中一側(cè)進(jìn)行位置檢測(cè)和預(yù)加載 以及使用另一側(cè)進(jìn)行啟動(dòng)的觀點(diǎn)，可能雙平截頭體方案合乎需要。另一個(gè)照相機(jī)的應(yīng)用使 用復(fù)雜的框架，其中平截頭體類型的致動(dòng)器控制鏡頭的位置，一個(gè)或多個(gè)平面致動(dòng)器部件 控制變焦。本主題換能器的另外可能應(yīng)用包括閥、或閥控制元件、揚(yáng)聲器振膜、多軸位置傳感 器/操縱桿、振動(dòng)器、觸覺(jué)或力反饋控制裝置、多軸致動(dòng)器等?！捌浇仡^體”從技術(shù)上說(shuō)是處于兩平行平面間的幾何體的一部分。平截頭體通常被 認(rèn)為是通過(guò)用一般平行于底部的平面來(lái)切除頂部而形成的圓錐體或棱錐的基部。當(dāng)然，根 據(jù)本發(fā)明的平截頭體類型的致動(dòng)器可采取已截去尖端的圓錐體的形式，由此具有圓形的橫 截面，或可使用各種橫截面構(gòu)型。取決于其應(yīng)用，合乎要求的可選橫截面幾何形狀包括三角形、正方形、五邊形、六 邊形等等。通常，根據(jù)材料性能一致的觀點(diǎn)，對(duì)稱形狀的構(gòu)件將為所需。然而，對(duì)于給定的 應(yīng)用——特別是那些空間受限的應(yīng)用，橢圓形、矩圓形、矩形或其它形狀證明是更好的。本 主題“平截頭體”換能器的進(jìn)一步變化也被考慮到了，即該形式的頂部和/或底部不必為扁 平或平面，它們也不必平行。從最一般的意義上說(shuō)，本發(fā)明中所使用的“平截頭體”形狀可 認(rèn)為是體積被截去頂端或在一端處加帽的主體。通常其端部具有更小的直徑或更小的橫截 面面積。各種裝置的動(dòng)作可由本文所描述的特定致動(dòng)器或其它致動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)。然而，每一 個(gè)裝置在其設(shè)計(jì)中都加入有膜片。有利地，致動(dòng)器的帽和裝置的膜片為相同的一個(gè)，由此合 并子配件。本發(fā)明提供了一種電活性聚合物換能器，包括開放式框架和電活性聚合物材料，其中，所述聚合物材料由所述框架保持在拉伸狀態(tài)從而形成膜片，其中所述膜片 的中心部分具有比相鄰材料低的柔韌性，其中，向所述裝置施加電壓來(lái)移動(dòng)所述膜片。本發(fā)明所提供的換能器中，在膜片中可形成凹形。所述凹形可以為平截頭體形狀。連接到膜片的帽可形成所述柔韌性低的中心部分。換能器可以為致動(dòng)器，并且所述帽可適合于沿著增加和減少凹形的深度的方向移動(dòng)。帽可以為平面的，并且換能器可適合于沿著垂直于帽的表面的方向移動(dòng)帽。
裝置可包括揚(yáng)聲器、泵、閥、振動(dòng)器、照相機(jī)或鏡頭中的一個(gè)。換能器可適合于用作傳感器或致動(dòng)器。換能器可包括至少兩部分電活性聚合物材料。聚合物材料部分可配置為相互遠(yuǎn)離的凹形。聚合物材料部分可配置為相互面對(duì)的凹形。聚合物材料部分實(shí)質(zhì)上可以是平面的。聚合物材料部分實(shí)質(zhì)上可以是彼此平行的。換能器還可包括放置在聚合物材料部分之間的隔片和連接到所述隔片的桿。


這些圖說(shuō)明了本發(fā)明的典型方面。這些圖為圖IA和IB表示EPAM 層的相對(duì)兩側(cè)；圖2是EPAM 疊層的裝配圖；圖3是EPAM 平面致動(dòng)器的裝配圖；圖4A和4B分別是平面換能器構(gòu)型的裝配圖和立體圖；圖5是圖4A和4B中的裝置的頂視圖，該裝置電連接以便進(jìn)行平面啟動(dòng)(planar actuation)；圖6A和6B分別是圖4A和圖4B中的換能器的裝配圖和立體圖，其設(shè)置為備選的 平截頭體構(gòu)型以便進(jìn)行平面外啟動(dòng)(out-0f-plane actuation)；圖7A-7C圖解說(shuō)明了平截頭體形狀致動(dòng)器的幾何形狀和操作；圖8是多相位的平截頭體形狀致動(dòng)器的頂視圖；圖9A是另一種平截頭體形狀的致動(dòng)器的裝配圖，以及圖9B是具有交錯(cuò)框架結(jié)構(gòu) 的同一個(gè)基本致動(dòng)器的側(cè)視圖；圖10是平行堆疊型的平截頭體換能器的截面立體圖；圖11是表示帶有平截頭體形狀換能器的可選輸出軸裝置的側(cè)面剖視圖；圖12是備選的倒置平截頭體換能器構(gòu)型的側(cè)面剖視圖；圖13是線圈彈簧偏置的單平截頭體換能器的截面立體圖；圖14是板簧偏置的單平截頭體換能器的立體圖；圖15是重物偏置(weight biased)的單平截頭體換能器的立體圖；圖16是串聯(lián)配備以便增大擺動(dòng)的平截頭體形狀換能器的立體圖；圖17是提供各種類型換能器的可重新裝配的初步系統(tǒng)的立體圖，以及圖18A-18C 是關(guān)于圖17中系統(tǒng)的各種可選構(gòu)型的裝配圖；圖19A是利用平截頭體致動(dòng)器來(lái)控制聚焦的照相機(jī)鏡頭組件的截面立體圖；圖 19B是帶有圖19A所示系統(tǒng)的照相機(jī)元件的裝配圖；圖20是利用另一種類型的平截頭體致動(dòng)器來(lái)控制聚焦的照相機(jī)鏡頭組件的截面 立體圖；圖21A是利用致動(dòng)器組合來(lái)控制每一個(gè)變焦和聚焦的另一種照相機(jī)鏡頭組件的 截面立體圖，圖21B是帶有圖21A所示系統(tǒng)的照相機(jī)元件的裝配圖；圖22A和22B分別是表示控制變焦的可選裝置的立體圖，圖23A-23C是表示圖22k和22B中換能器配置的致動(dòng)的漸進(jìn)階段的立體圖；圖24A是閥機(jī)構(gòu)的裝配圖，圖24B和MC是圖解閥啟動(dòng)的圖M中閥的側(cè)面剖視 圖；圖25-27是不同閥構(gòu)型的側(cè)面剖視圖；圖觀是根據(jù)本發(fā)明的壓力測(cè)量換能器的側(cè)面剖視圖；圖29A是主動(dòng)止回閥的側(cè)面剖視圖；圖29B是圖29A所示結(jié)構(gòu)的立體圖；圖30A和30B是設(shè)置在專用外殼內(nèi)的同軸(inline)閥的側(cè)面剖視圖；圖31A和31B是表示利用平截頭體形狀致動(dòng)器的第一個(gè)泵的變化的截面立體圖；圖32和33是表示利用平截頭體形狀致動(dòng)器的其它泵變化的截面立體圖；圖34是利用上述圖示的各種閥和泵的集成流控制系統(tǒng)的立體圖；圖35是表示帶有結(jié)合泵膜片形成的集成止回閥的泵外殼的立體裝配圖；圖36是表示包含止回閥的另一種泵組件的立體裝配圖；圖37是振動(dòng)器部件的立體圖；圖38是觸覺(jué)反饋控制器的截面立體圖；以及圖39是利用若干平截頭體和/或雙平截頭體換能器的揚(yáng)聲器系統(tǒng)的立體圖?？紤]了根據(jù)圖中所示的本發(fā)明的變化。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的各種典型實(shí)施例如下描述。首先描述各種致動(dòng)器/換能器實(shí)施例。接著， 描述任選結(jié)合這種裝置的系統(tǒng)。最后，描述加工技術(shù)、使用和成套工具的應(yīng)用方法，后面有 對(duì)所考慮到變化的討論。對(duì)這些例子所做的標(biāo)記并無(wú)限制意義。提供它們是更廣泛地舉例 說(shuō)明本發(fā)明的適用方面。換能器圖IA和IB表示EPAM 層10的相對(duì)兩側(cè)。該層包括夾入彈性薄膜電極中間的電 介質(zhì)聚合物。圖IA表示繪制有“熱”電極12和14的層的側(cè)面。每一個(gè)電極都連接至導(dǎo)線 16。圖IB表示繪制有公共“地”電極18的層10的相對(duì)側(cè)，電極18連接至單個(gè)導(dǎo)線16。如圖2所示，多個(gè)薄膜層10堆疊，并且以伸展的狀態(tài)保持于框架零件20內(nèi)。許多 單獨(dú)的EPAM 層10有利地堆疊以形成復(fù)合層10’。這樣做增大了系統(tǒng)的有勢(shì)力。所堆疊 的層的數(shù)目從2到10或更多。通常，應(yīng)當(dāng)堆疊偶數(shù)層，以便接地電極都朝向任何暴露面以 提供最大的安全性。無(wú)論如何，EPAM 層或多個(gè)EPAM 層可以總稱為EPAM “薄膜”。由于在框架中緊固有一層或多層材料，所以可使用該框架來(lái)構(gòu)造復(fù)雜的換能器機(jī) 構(gòu)。圖3表示在現(xiàn)有技術(shù)中已知的這樣一種結(jié)構(gòu)。此處，單獨(dú)的卡盤(cartridge)部件22 緊固于輔助部分或主體框架部分M?？山Y(jié)合任意的薄膜框架和中間框架構(gòu)件來(lái)得到一個(gè)組 合(即，如所示用緊固件來(lái)連結(jié)，粘結(jié)在一起等等)框架結(jié)構(gòu)沈。隔片觀為輸入/輸出桿 30提供了接觸面，該輸入/輸出桿經(jīng)導(dǎo)孔32由框架來(lái)支撐。隔片通過(guò)互補(bǔ)的支架34與薄 膜相連結(jié)，該支架34利用隔片來(lái)粘結(jié)或夾持EPAM 薄膜。為了啟動(dòng)根據(jù)圖3而構(gòu)造的裝置，對(duì)電極12或14中的一個(gè)施加電壓。通過(guò)對(duì)一 側(cè)施加電壓，該側(cè)擴(kuò)張，而另一側(cè)放松其預(yù)加載并且收縮。其它的啟動(dòng)模式參照上面。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)裝置可以類似構(gòu)造和操作。圖4A和4B提供了根據(jù)本發(fā)明的換能器40的裝配圖和立體圖，能夠兩者擇一地將其配置為平面啟動(dòng)(如圖3中的裝置) 和平面外啟動(dòng)。如同參照前面圖中所描述的裝置一樣，框架20支撐接地電極朝外的層 10/10，。此外，單獨(dú)的卡盤部件22用輔助框架M和其間的隔片28來(lái)堆疊，隔片提供為框 架所支撐的輸入/輸出桿30提供了接觸面。然而，在此構(gòu)造中的隔片觀被連接至大體上 呈正方形的帽42元件。更為對(duì)稱的接觸面部分提供如下將說(shuō)明的優(yōu)勢(shì)。圖4B表示已裝配 好的裝置。此處，將框架沈表示為一個(gè)完整的單元。至于裝置的啟動(dòng)，圖5表示了一個(gè)基本的電路圖，其中向電路的A側(cè)和B側(cè)相對(duì)于 接地通電，從而導(dǎo)致桿30沿著X軸相對(duì)于框架做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。然而，在另一種構(gòu)造中，同樣的EPAM 層卡盤能夠用于制造適于向平面外或Z軸輸 入/輸出的換能器。圖6A和6B圖解說(shuō)明了這樣的一種裝置。此外，換能器50組件可使用 一個(gè)更厚的主體框架24’。通過(guò)利用這種框架和省略隔片，當(dāng)將帽42彼此緊固時(shí)，它們生成 相互面對(duì)或相互遠(yuǎn)離的深的凹形狀52。為了驅(qū)動(dòng)換能器做簡(jiǎn)單地Z軸運(yùn)動(dòng)，通過(guò)施加電壓， 使其中一個(gè)凹面?zhèn)?平截頭體側(cè)擴(kuò)張，而使另一側(cè)松馳。這樣的動(dòng)作增加了一個(gè)凹形狀52 的深度，而減少了另一個(gè)凹形狀的深度。在最簡(jiǎn)單的例子中，所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)通常垂直于帽的 平面。圖7A-7C圖解說(shuō)明了這些凹面/凸面或平截頭體形狀的致動(dòng)器在簡(jiǎn)化的二維模式 下的運(yùn)行方式。圖7A說(shuō)明了換能器平截頭體形狀的由來(lái)。無(wú)論當(dāng)從上面觀察時(shí)是圓錐形、 正方形還是橢圓形等等，從側(cè)面提供截去頂端的形狀60是通過(guò)修改現(xiàn)有膜片致動(dòng)器的構(gòu) 造來(lái)得到，這一修改是向此結(jié)構(gòu)的頂部(或底部)加帽。當(dāng)處于張力之下(under tension) 時(shí)，帽42改變了 EPAM 層10/10’應(yīng)有的形狀。在這個(gè)例子中，當(dāng)一個(gè)集中載荷拉伸薄膜時(shí)， 這個(gè)薄膜可能呈現(xiàn)圓錐形(如由界定三角形頂部62的虛線所指示)。然而，當(dāng)加帽或改變 以形成更加剛硬的頂部結(jié)構(gòu)時(shí)，按圖7A中的實(shí)線64所指示將這個(gè)形狀截平。如此修改這個(gè)結(jié)構(gòu)基本上改變了其性能。其一，它分散了壓力，不然該壓力將集中 于結(jié)構(gòu)66的中點(diǎn)而不是圍繞主體的外圍68。為了影響這種力分布，向EPAM 層添加帽。可 能使用粘結(jié)結(jié)合。另外，可以使用諸如熱結(jié)合、摩擦焊接、超聲焊接的任意可行技術(shù)來(lái)粘結(jié) 該組合件，或者將該組合件機(jī)械鎖緊或鉗制到一起。而且，此加帽結(jié)構(gòu)可包括一部分薄膜， 通過(guò)一些熱、機(jī)械或諸如硫化等化學(xué)工藝，來(lái)充分地使得該部分薄膜更加剛硬。通常，帽部分將按規(guī)定尺寸制作，以生成足夠長(zhǎng)度的周長(zhǎng)來(lái)充分分散施加到材料 上的壓力。帽的尺寸與支撐EPAM 層的框架的直徑之間的比率可能變化。顯然，用于帽的 圓盤、正方形等等的尺寸在更高的壓力/作用力施加下將變得更大。對(duì)于EPAM 層的給定 拉伸量，這個(gè)結(jié)構(gòu)的相對(duì)截?cái)?對(duì)比于集中載荷的圓錐、壓力偏置的圓頂?shù)鹊?對(duì)減少換能 器在使用中所占據(jù)的總體積/空間尤為重要。而且，在平截頭體類型的膜片致動(dòng)器中，帽或 膜片42元件可用作有源元件(例如在給定系統(tǒng)中的閥座等等)。由于形成或適當(dāng)?shù)卦O(shè)置更加剛硬或充分剛硬的帽部分，所以當(dāng)由框架所罩入的 EPAM 材料沿著垂直于帽的方向拉伸時(shí)(通過(guò)比較圖4A/4B和6A/6B所示的EPAM/框架構(gòu) 造可觀察到)，它將產(chǎn)生截平形狀。否則，EPAM 薄膜充分保持扁平或平坦。返回圖7A，由于帽42限定了穩(wěn)定的頂面/底面，所以該結(jié)構(gòu)的所連結(jié)EPAM 聚合 物側(cè)10/10’呈一個(gè)角度。當(dāng)不被啟動(dòng)時(shí)，設(shè)置EPAM 的角度α的范圍可為15到大約85度。更典型地，該角度可在大約30到60度范圍內(nèi)。當(dāng)施加電壓以便壓縮EPAM 材料并且 使其沿著平面范圍增長(zhǎng)時(shí)，它呈現(xiàn)第二個(gè)角度β，在幾乎同樣的范圍內(nèi)加上大約5到15度。 最佳角度可根據(jù)應(yīng)用的技術(shù)要求來(lái)確定。單側(cè)平截頭體換能器還有雙側(cè)結(jié)構(gòu)都在本發(fā)明所考慮的范圍內(nèi)。為了預(yù)加載，單 側(cè)裝置利用任何與帽相接觸的彈簧(例如，線圈、恒力或滾動(dòng)彈簧、板簧等等)、氣壓或液 壓、磁吸力、重物(以便其重力提供對(duì)系統(tǒng)的預(yù)加載)，或這些方法的任意組合以及其它。在雙側(cè)平截頭體換能器中，一側(cè)通常提供對(duì)另一側(cè)的預(yù)加載。還有，這種裝置包括 有額外的偏置零件/構(gòu)件。圖7Β圖示說(shuō)明了基本的“雙平截頭體”架構(gòu)70。此處，沿著連 接部分27，ΕΡΑΜ 材料的相對(duì)層或ΕΡΑΜ- 薄膜的一側(cè)和基本彈性聚合物的一側(cè)在張力之 下保持在一起。這個(gè)連接部分27通常包括一個(gè)或多個(gè)剛性或半剛性的帽元件42。然而，通 過(guò)將聚合物的兩層在其連接處粘附在一起，材料的結(jié)合區(qū)域以最基本的方式獨(dú)自地提供相 當(dāng)硬或更缺少柔韌性的帽區(qū)域，以得到穩(wěn)定的換能器連接部分。然而構(gòu)造后，雙平截頭體換能器如圖7Β所示運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)對(duì)一個(gè)薄膜側(cè)74通電時(shí)，其 松馳并且用更少的力拉著，從而釋放在偏置側(cè)74中存儲(chǔ)的彈性能量，并且通過(guò)力和擺動(dòng)來(lái) 工作。這種運(yùn)動(dòng)由圖7Β中的虛線來(lái)指示。如果兩個(gè)薄膜元件都包括ΕΡΑΜ 薄膜，那么致動(dòng) 器可相對(duì)于中心位置(由圖7Α和7Β中的實(shí)線表示)向內(nèi)/向外或向上/向下移動(dòng)，如雙 箭頭80所示。如果只提供一個(gè)活動(dòng)側(cè)74/76，受迫運(yùn)動(dòng)被限制于中心位置82的一側(cè)。在這種情 況下，裝置的不活動(dòng)側(cè)可能簡(jiǎn)單地包括彈性聚合物以提供預(yù)加載/偏置(如上面所提及)， 或包括ΕΡΑΜ 材料，電連接該材料以專門感知電容的變化，或者用作發(fā)電機(jī)以便采用再生 電容的形式來(lái)恢復(fù)裝置中運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)輸入。根據(jù)本發(fā)明換能器的進(jìn)一步任意變化包括提供多角度/多軸感應(yīng)或啟動(dòng)。圖8表 示帶有三個(gè)(92，94，96)可獨(dú)立編址的區(qū)域或相位的圓環(huán)形ΕΡΑΜ 卡盤90結(jié)構(gòu)。當(dāng)配置為 致動(dòng)器時(shí)，通過(guò)施加不同的電壓，該部件擴(kuò)張各異，從而引起帽42傾斜一個(gè)角度。這種多相 位裝置能夠取決于控制方式提供多方向傾斜和平移。當(dāng)配置用于傳感時(shí)，從桿或其它緊固 件或連接件到帽的輸入引起角度偏轉(zhuǎn)，這可以通過(guò)材料電容的變化來(lái)測(cè)量。如圖8所示的ΕΡΑΜ 部件是圓形的。圖9Α提供圓平截頭體換能器100的裝配圖。 所使用的主體框架構(gòu)件M是實(shí)心的，與使用在上面圖4Α-6Β所示的組合式或可拆合式的致 動(dòng)器中的相類似。然而，圖9Α所示的裝置為專用膜片型致動(dòng)器(雖然它可能使用如圖8所 示的多相位結(jié)構(gòu))。這種致動(dòng)器的另一可選擇結(jié)構(gòu)如圖9Β所示。此處，用簡(jiǎn)單的框架隔片 24”來(lái)替代整體式框架部件24。圖10表示另一個(gè)結(jié)構(gòu)變換，其中換能器在雙平截頭體裝置100的每一側(cè)上包括有 多個(gè)卡盤層22。各個(gè)帽42組合或堆疊在一起。為了容納所增加的厚度，多框架部件M同 樣可相互堆疊在一起?；叵氲矫總€(gè)卡盤22都可使用復(fù)合式的ΕΡΑΜ 層10’。使用一種方法或兩種方法 一同使用來(lái)增加本裝置的輸出潛力。此外，可設(shè)置堆疊形式(在裝置的一側(cè)或兩側(cè)上)的 至少一個(gè)卡盤構(gòu)件用于感應(yīng)，這與啟動(dòng)相反，其有利于主動(dòng)的致動(dòng)器控制或操作驗(yàn)證。關(guān)于 這種控制，任意類型的反饋技術(shù)，例如PI或PID控制器，都可在這個(gè)系統(tǒng)中使用，以非常準(zhǔn) 確和/或精確地控制致動(dòng)器的位置。
圖11是表示帶有平截頭體類型換能器110的可選輸出軸裝置的側(cè)面剖視圖。在 帽元件任意一側(cè)上的帶螺紋的軸套112提供了用于機(jī)械輸出的連接裝置。該軸套可為與帽 相連接的分立元件或可與帽形成為一體。盡管所示為內(nèi)螺紋裝置，還可使用外螺紋軸。這 種裝置可包括單根軸，該軸穿過(guò)帽轉(zhuǎn)動(dòng)并且用螺帽以典型阻塞-螺帽(jam-nut)配置固定 于任意一側(cè)。其它的緊固件或連接選擇同樣也是可能的。圖12是備選換能器120構(gòu)造的側(cè)面剖視圖，其中代替使用了兩個(gè)相互遠(yuǎn)離的凹體 結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)凹體/平截頭體部件122彼此面對(duì)。用以迫使薄膜成型的對(duì)EPAM 層的預(yù)加 載或偏置由帽42之間的墊片或隔片IM來(lái)保持。如所示，該隔片包括環(huán)體。在本發(fā)明的這 一變化以及其他變化中，帽可能還包括有開口。還注意到，圖12中的本發(fā)明的向內(nèi)面對(duì)的 變化在單獨(dú)的卡盤部件22之間不需要中間框架構(gòu)件24。實(shí)際上，在裝置兩側(cè)上EPAM 層 能夠相互接觸。因此，在安裝空間有限的情況下，本發(fā)明的這一變化可提供幫助。下面還討 論了這個(gè)裝置構(gòu)造的進(jìn)一步用途。然而，首先描述用于平截頭體類型的致動(dòng)器的其它偏置 方法。特別地，圖13提供了線圈彈簧偏置的單平截頭體換能器130的截面立體圖。此 處，插入到帽42和與框架相連的擋板墻134(或框架自身的一部分)之間的線圈彈簧132 偏置EPAM 結(jié)構(gòu)。在如圖14所示的換能器140中，板簧142偏置換能器的帽部分。所示板 簧142在帽的另一側(cè)上通過(guò)螺栓146或者固定在螺栓和螺帽(未顯示)之間的隔片來(lái)連接 到軸套144。板簧的兩端由支架148來(lái)引導(dǎo)。在圖15所圖示的另一個(gè)換能器例子150中， EPAM 薄膜可由單一重物152來(lái)偏置，該單一重物與帽42相連結(jié)或與帽42形成為一體。盡 管為了便于觀看而將裝置表示成向上傾斜，但它通常水平運(yùn)行，以便重物上的重力拉伸可 將換能器沿著Z軸對(duì)稱地偏置?；谏厦妫瑧?yīng)當(dāng)顯而易見(jiàn)，可以改變本主題換能器的許多參數(shù)來(lái)適應(yīng)于給定的應(yīng) 用。非窮舉的列表包括輸出緊固件或與帽相連的連接裝置(它可能為帶螺紋的軸套，隔 片、軸、環(huán)、圓盤等等)；EPAM 薄膜上的預(yù)應(yīng)變(大小、角度或方向等等)；薄膜類型(硅樹 脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯等等)；薄膜厚度；活性層對(duì)非活性層；層的數(shù)量；薄膜卡盤的數(shù)量； 相位的數(shù)量；裝置“側(cè)”的數(shù)量以及裝置側(cè)的方向。MM在更為復(fù)雜的組件中還可使用任意的本主題換能器。圖16提供了一種換能器實(shí) 例160，其中許多平截頭體類型的換能器子單元100串聯(lián)堆疊用于增大擺動(dòng)。而且，向內(nèi)面 對(duì)的雙平截頭體換能器120通過(guò)與其框架20相連接來(lái)提供第二個(gè)輸出相位。當(dāng)這個(gè)構(gòu)件 的高度因其內(nèi)部空間(如上所指)而穩(wěn)定時(shí)，框架的位置可活動(dòng)來(lái)提供第二階段輸出或輸 入。除了中心階段120之外，在外部換能器100之間使用簡(jiǎn)單的隔片來(lái)實(shí)現(xiàn)增大基本 擺動(dòng)的目的。為了進(jìn)一步增大擺動(dòng)，于是，又一個(gè)如此堆疊可被設(shè)置在第一個(gè)堆疊上。為了 提供另一個(gè)啟動(dòng)階段，可以采用其它向內(nèi)面對(duì)的換能器。再一種變化考慮到用向外面對(duì)的 換能器和向內(nèi)面對(duì)的換能器配對(duì)成致動(dòng)器傳感器對(duì)。自然地，其它的組合也落入本發(fā)明的 范圍內(nèi)。結(jié)合圖17來(lái)圖示說(shuō)明由本發(fā)明提供的另一個(gè)非常靈活的問(wèn)題解決方法或?qū)嶒?yàn)式 方法。此處，所示為可提供各種類型換能器的可重新裝配的初步系統(tǒng)170。圖18A-18C是關(guān)于圖17中系統(tǒng)的各種可選構(gòu)性的裝配圖。利用如圖18A所示的元件堆疊裝置172，系統(tǒng) 170適于用作平面致動(dòng)器。利用如圖18B所示的元件堆疊裝置174，系統(tǒng)170適于用作膜片 致動(dòng)器。利用如圖18C所示的元件堆疊裝置176，系統(tǒng)170適于用作膜片泵。這個(gè)泵將在下 面進(jìn)一步詳細(xì)描述。至于系統(tǒng)170，此處只要說(shuō)本主題架構(gòu)本身傾向于具有極大的靈活性， 這就夠了。圖19A提供了使用本發(fā)明的另一個(gè)應(yīng)用的視圖。這個(gè)圖詳細(xì)描述了使用平截頭體 類型的致動(dòng)器182來(lái)控制聚焦的照相機(jī)鏡頭組件180。換能器184的帽或膜片呈環(huán)狀打開， 以便光線可傳到設(shè)置在殼體188內(nèi)的鏡頭186。所示板簧190與殼體相接觸以偏置EPAM 薄膜。如圖19B所示，完整的照相機(jī)組件將至少包括護(hù)罩或蓋子192，內(nèi)部框架元件194， 用于獲取圖像的CCD196(電荷耦合器件)以及電子器件198?？杉稍撾娮悠骷?lái)驅(qū)動(dòng)整 個(gè)裝置，或板200上的電子器件可簡(jiǎn)單地提供EPAM 致動(dòng)器所需要的電壓升高和控制。用于這種用途的合適電源模塊包括EMCO High Voltage Corp. (California)的Q、 Ε、F、G模塊和Pico Electronics, Inc. (New York)的系列V V單元。當(dāng)然，也可以使用定 制的電源。無(wú)論如何，提及的電源不僅可用于照相機(jī)實(shí)施例中，還可用于變化本主題換能器 的任意系統(tǒng)中。圖20表示另一種照相機(jī)鏡頭組件226。然而除了板簧外，這種設(shè)計(jì)使用雙平截頭 體類型的致動(dòng)器100，其中裝置228的預(yù)加載側(cè)可能不是EPAM 薄膜，而只是一個(gè)彈性體網(wǎng) 狀物。然而，如果側(cè)/層2 包括有EPAM 材料，那么它可能最為有利地用于根據(jù)電容變化 來(lái)感知位置。在本發(fā)明的另一種變化中，圖21A表示一種照相機(jī)組件210，其利用致動(dòng)器組合 212來(lái)控制變焦和聚焦。如前所述，該裝置包括由根據(jù)本發(fā)明的膜片致動(dòng)器214驅(qū)動(dòng)的聚焦 臺(tái)。此外，該裝置包括平面致動(dòng)器216的變焦臺(tái)支架。通常聚焦調(diào)節(jié)需要在0. 1到2. Omm 之間的運(yùn)動(dòng)；變焦通常需要那個(gè)擺動(dòng)量的5至10倍。因此，變焦由不同類型的致動(dòng)器來(lái)處理。在圖21A中，變焦功能由一對(duì)相互交叉 (across)的平面型換能器216來(lái)啟動(dòng)。益處在于每一個(gè)平面致動(dòng)器和膜片致動(dòng)器都由在普 通框架部件218之上或上面伸展的EPAM 薄膜來(lái)形成。這種功能由所示的雙鏡頭布置來(lái)提 供。變焦的實(shí)現(xiàn)改變鏡頭186和鏡頭220之間的距離。鏡頭220相對(duì)于鏡頭186的整體運(yùn) 動(dòng)通過(guò)與變焦鏡頭框架2M相連接的機(jī)械臂222來(lái)實(shí)現(xiàn)。組合使用的框架提供了根據(jù)本發(fā)明的另一種選項(xiàng)，其可適用于任意的情形，其中 需要整體運(yùn)動(dòng)和精細(xì)調(diào)整，或者(如在照相機(jī)中)需要單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)部分。盡管未顯示，但是 也考慮到組合式框架的多個(gè)面可能獨(dú)自地承載著膜片致動(dòng)器或平面致動(dòng)器。更進(jìn)一步，可 使用非直角的框架幾何形狀。關(guān)于本發(fā)明的照相機(jī)應(yīng)用，能夠?qū)⑶笆鱿到y(tǒng)制造得非常緊湊。同樣地，它們特別適 用于緊湊型的數(shù)字或蜂窩電話的照相機(jī)。當(dāng)具有更多的可用空間時(shí)，可以需要提供適于更長(zhǎng)變焦行程的EPAM 變焦/聚焦 引擎來(lái)增加裝置的操作范圍。圖22A和22B是表示備選平面照相機(jī)系統(tǒng)230的立體圖，其 中提供平面致動(dòng)器的伸縮裝置232來(lái)控制變焦。這些圖表示了最小和最大變焦位置，分別 如箭頭232、234所指示。
致動(dòng)器的連接和操作方式由放大截面圖來(lái)清晰描述，這些放大截面圖由表示換能 器堆疊啟動(dòng)階段的圖23A-23C來(lái)提供。這個(gè)漸進(jìn)運(yùn)動(dòng)是如下實(shí)現(xiàn)的通過(guò)將連續(xù)輸出棒 238(部分隱藏)連接至框架部分20，而最終輸出桿340以及所連接的桿30浮動(dòng)，或者更適 合地，驅(qū)動(dòng)變焦元件。本發(fā)明進(jìn)一步包括許多流控制裝置。這些裝置包括有閥、混合器和泵。圖24A為閥機(jī)構(gòu)的裝配圖。閥240包括構(gòu)成如上所討論的雙平截頭體類型致動(dòng)器 100的部件。也就是，閥包括EPAM 薄膜，該薄膜伸展于框架構(gòu)件內(nèi)并且由帽來(lái)固定。此外， 閥240包括蓋M2，其內(nèi)部容納有配件M4J46。圖24B和24C是在圖示閥啟動(dòng)的圖24A中的閥的側(cè)面剖視圖。在圖24B中閥是關(guān) 閉的。帽/多個(gè)帽42用作膜片，在中央薄膜(通電或未通電)的情況下，在“正常關(guān)閉”的 構(gòu)造中，其阻塞運(yùn)轉(zhuǎn)中的配件對(duì)4。在圖24C中，閥的打開是通過(guò)啟動(dòng)換能器，來(lái)沿箭頭對(duì)8 的方向驅(qū)動(dòng)帽42，以容許流經(jīng)在裝置之內(nèi)形成的腔體250。圖25表示另一種單面雙平截頭體膜片閥沈0。這個(gè)裝置的區(qū)別只在于，為了得到 更寬范圍的控制，而配備了錐形針狀裝置沈2。圖沈表示三向混合閥270。入口配件272被連接至與不同流體/氣體源(未顯 示)相互流體連通的線路(未顯示)。出口配件274、276被連接至普通的出口線路(未顯 示)。帽膜片42的位置，其可能隨著雙向箭頭278的指示而變化，該位置支配能夠進(jìn)入出口 配件的每一種不同流的比例。當(dāng)然，這個(gè)裝置還可包括像前述的其他閥那樣的錐形針狀閥， 此處所描述的其它裝置也同樣可以包括有錐形針狀閥。圖27表示一種同軸閥觀0。前述閥使用無(wú)孔膜片，在這種情況下的膜片282包括 通孔觀4。如此，流體能夠通過(guò)配件286和288從裝置的一側(cè)流到另一側(cè)，其中膜片282調(diào) 整能夠流經(jīng)或流入運(yùn)轉(zhuǎn)中的配件觀8的流量。圖觀是根據(jù)本發(fā)明的壓力測(cè)量換能器四0的側(cè)面剖視圖。進(jìn)入到腔體四2的流 體壓力可通過(guò)與電容變化相關(guān)聯(lián)來(lái)感知，電容變化是由伸展EPAM 薄膜而引起的。與傳統(tǒng) 的EPAM 膜片換能器相比，帽42為系統(tǒng)提供了新級(jí)別的穩(wěn)健性。圖29々和^B圖示說(shuō)明了可變“開裂壓力(cracking pressure) ”的止回閥四4。 致動(dòng)器四6的EPAM 材料伸展，以便帽以一定壓力固定在閥桿244的遠(yuǎn)端。當(dāng)對(duì)材料施加 電壓時(shí)，它的厚度收縮，并且沿箭頭四8的方向延伸，由此減少在閥連接處的預(yù)加載。當(dāng)如 此松馳后，處于相對(duì)低的壓力下的流體能夠經(jīng)過(guò)帽42 (或閥針等)泄漏出，并通過(guò)配件246 流出。圖30A和30B提供了同軸閥構(gòu)造300的視圖，其中平截頭體類型的閥302被設(shè)置 于專用的殼體304內(nèi)。在這種情況下，殼體經(jīng)配置后可替換用于內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用的蒸汽罐排氣 閥。圖30A表示處于閉合配置的閥；圖30B表示處于開啟配置的閥。該閥通常是關(guān)閉的，在 對(duì)EPAM 薄膜施加電壓的情況下開啟。這個(gè)閥包括與帽或膜片308形成為一體的桿306。 除了使用雙平截頭體的設(shè)計(jì)來(lái)偏置之外，在單側(cè)設(shè)計(jì)中可使用線圈彈簧310。至于本主題系統(tǒng)的其它應(yīng)用，接著將舉例說(shuō)明許多泵。這些泵可用于壓力下的流 體或氣體傳送，或用于產(chǎn)生真空。可將閥結(jié)構(gòu)安裝于泵體或形成在泵體內(nèi)/與泵體形成為 一體。圖3IA和3IB表示使用雙平截頭體類型致動(dòng)器100的第一個(gè)泵320和320，的變化。每個(gè)裝置都包括單個(gè)腔體322的膜片泵。與各種雙平截頭體換能器設(shè)計(jì)結(jié)合，可設(shè)置 EPAM 致動(dòng)器部件用于如上面所討論的單相位或兩相位啟動(dòng)。泵包括一對(duì)被動(dòng)止回閥324、 326，其中由流體(包括氣體)壓力推進(jìn)的膜片3 的運(yùn)動(dòng)兩者擇一地打開和關(guān)閉閥，這顯 而易見(jiàn)。圖31B中的泵320’等同于圖31A中的泵，除了其包括添加到帽/膜片42部分的 膜片壁330之外。與在先前泵的變化中所使用的EPAM 薄膜自身相比，壁330提供全面改 進(jìn)的腔體壁接觸面(例如，一方面是不容易受到彈性變形的影響，提供更好的對(duì)于腐蝕性 化學(xué)制劑的材料相容性)。類似于先前的裝置，圖32中所示的泵340使用被動(dòng)止回閥324、326。然而，它隨著 裝置不同而變化，這是因?yàn)樗蓪?shí)現(xiàn)為集成的雙腔體342、344或雙工泵。此外，致動(dòng)器可為 單相位或雙相位類型的換能器。圖33表示一個(gè)腔體的泵350。當(dāng)然，它可重新組裝為如圖32中泵340的雙腔體設(shè) 計(jì)。然而，所關(guān)心的是在裝置中使用的止回閥不是被動(dòng)的，而是類似于或如上關(guān)于圖觀的 所描述的EPAM 閥352、354。當(dāng)然，可使用其它的EPAM 閥構(gòu)造(例如，如圖24A-24C所示 的裝置)。其實(shí)，圖33提供不同流體流子部件的裝配圖示，用以生成比已知系統(tǒng)更具極大優(yōu) 勢(shì)的集成EPAM 受控裝置。圖34圖示說(shuō)明了本主題裝置如何根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行自身組合或 與其它裝置相結(jié)合，來(lái)提供具有更大使用性的系統(tǒng)。如圖34所描述的“完整”流體處理系 統(tǒng)360包括泵350，流控制閥280和/或壓力傳感器四0。當(dāng)然，這種系統(tǒng)可適當(dāng)?shù)厥褂霉?道來(lái)探測(cè)(Plumb)——可能如箭頭362所指示。這種系統(tǒng)的一個(gè)潛在應(yīng)用可能在于填滿或 控制作為汽車座椅中腰部支撐的氣囊或貯氣器的裝填量。當(dāng)然，其它的應(yīng)用和系統(tǒng)構(gòu)造也 同樣是可能的。一般來(lái)說(shuō)，可將泵腔體相串聯(lián)以增大泵吸過(guò)程所獲得的壓力量，或相并聯(lián)以 增大泵吸量。在使用這種聯(lián)接方式的組合時(shí)，可同樣提供一排泵。更進(jìn)一步，某個(gè)泵或流連接部件可集成到致動(dòng)器本身的設(shè)計(jì)中。圖35提供了泵 400的實(shí)例，其中流導(dǎo)管402集成至裝置結(jié)構(gòu)中。EPAM 10/10’薄膜伸展開，以形成每個(gè)平 截頭體/截平膜片部件60和部分的止回閥404。圓盤406與薄膜相連，并且通過(guò)薄膜中的 張力來(lái)緊靠閥座408預(yù)加載該圓盤。當(dāng)圓盤離開其閥座時(shí)，流體流過(guò)圓盤的中心。將圓盤 406粘結(jié)至薄膜，薄膜的每一側(cè)粘結(jié)一個(gè)圓盤。根據(jù)使用相同薄膜來(lái)界定單個(gè)流系統(tǒng)中的泵和致動(dòng)器的觀點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)非常有優(yōu) 勢(shì)。更進(jìn)一步地，通過(guò)將閥結(jié)構(gòu)偏移至換能器主體的側(cè)面，可最小化整個(gè)結(jié)構(gòu)的厚度。這種 形式因素在某些需要“更薄”設(shè)計(jì)的應(yīng)用中是可取的。圖36表示又一個(gè)實(shí)例泵410。此處，止回閥412形成于泵殼的側(cè)板組件414中。 這種設(shè)計(jì)為在泵的應(yīng)用中使用基本換能器架構(gòu)提供了一種模塊化和緊湊化的方法。而且， 與圖35中的設(shè)計(jì)相比，這個(gè)設(shè)計(jì)提供了更小“占用面積”的潛力。在只提供第二側(cè)板416來(lái) 完成該組件時(shí)，兩個(gè)止回閥類型的平板改為用于提供雙工泵，該雙工泵在概念上類似于圖 32所示的雙工泵。關(guān)于本主題技術(shù)的其它可能應(yīng)用，圖37表示了一種振動(dòng)器類型的裝置370。在雙 平截頭體致動(dòng)器構(gòu)造中，質(zhì)量塊372的往復(fù)運(yùn)動(dòng)被傳送到與換能器框架沈相連接的更大的 裝置殼體。
無(wú)論是否提供質(zhì)量塊來(lái)產(chǎn)生振動(dòng)，本主題換能器的另一種應(yīng)用如圖38所示，用于 觸覺(jué)反饋控制器380。該控制器可為帶有“操縱桿” 382的游戲控制臺(tái)裝置，其將振動(dòng)發(fā)生 器的觸覺(jué)或力反饋傳送給用戶。在另一種變化中，操縱桿與多相位換能器384相連結(jié)，由于 變形時(shí)產(chǎn)生的電容變化，該換能器能夠在用戶輸入端或控制裝置中感知用戶操縱或發(fā)信號(hào) 通知用戶操縱。這種裝置的應(yīng)用范圍為從游戲控制臺(tái)結(jié)構(gòu)到為外科醫(yī)生提供高精確度接口 來(lái)促進(jìn)機(jī)器人手術(shù)。最終，圖39圖示說(shuō)明本發(fā)明的一種變化，其中提供使用多個(gè)平截頭體和/或雙平 截頭體換能器392、394、396的揚(yáng)聲器系統(tǒng)390。“高頻揚(yáng)聲器”驅(qū)動(dòng)器392最小，接著是更大 一些的“中頻”驅(qū)動(dòng)器394，最后是大的“低頻揚(yáng)聲器”驅(qū)動(dòng)器396。由于平截頭體幾何形狀 的改進(jìn)性能，能夠產(chǎn)生大的和小的(低頻和高頻調(diào)諧的)揚(yáng)聲器。它們可在高功率下驅(qū)動(dòng)， 并且仍然提供輕型的高性能揚(yáng)聲器，這是因?yàn)椴槐叵竦湫碗姶艙P(yáng)聲器那樣需要沉重的磁鐵 或線圈。而且，換能器不引人注目的外觀可適應(yīng)于揚(yáng)聲器箱體398的設(shè)計(jì)變化，從而給高保 真音響愛(ài)好者提供不可缺少的樣式選項(xiàng)。加工無(wú)論本主題換能器選擇如何結(jié)構(gòu)，都可方便地使用各種加工技術(shù)。特別地，對(duì)于批 量構(gòu)造，使用掩膜板夾具(未顯示)來(lái)精確定位用于成形電極的掩膜是有用的。而且，對(duì)于 批量構(gòu)造，使用組件夾具(未顯示)來(lái)精確定位多個(gè)部件也是有用的。結(jié)合上面提及的專 利和公開，以及本技術(shù)領(lǐng)域中熟練人員通常所知曉或理解的知識(shí)，應(yīng)當(dāng)理解關(guān)于加工的其 它細(xì)節(jié)。方法考慮到與本主題換能器相關(guān)的方法，其中這些方法是由EPAM 致動(dòng)器來(lái)執(zhí)行。這 些方法也可使用本主題裝置或其它裝置來(lái)執(zhí)行。這些方法都包括有提供適當(dāng)換能器裝置的 動(dòng)作。這個(gè)提供可由終端用戶來(lái)執(zhí)行。換句話說(shuō)，“提供”(例如，泵)僅僅需要終端用戶獲 取、使用、接近、放置、設(shè)置、激活、通電或其它動(dòng)作，來(lái)提供本主題方法中的必需裝置。全套元件本發(fā)明的又一個(gè)方面包括全套元件，具有此處所描述裝置的任意組合——無(wú)論是 以封裝組合提供還是由技術(shù)人員裝配以便操作使用、使用說(shuō)明書等等。全套元件包括根據(jù)本發(fā)明的任意數(shù)量的換能器。全套元件包括與換能器一同使用 的各種其它組件，包括機(jī)械或電氣連接件、電源等等。本主題全套元件還包括本裝置或其組 件的書面使用說(shuō)明書。全套元件說(shuō)明書可印刷于基底上，例如紙或塑料等等。同樣地，說(shuō)明書也可在本全 套元件中作為包裝插入物提供，在全套元件的包裝箱的標(biāo)簽中提供，或者在其組合(例如， 與封裝或子封裝有關(guān))中提供，等等。在其它實(shí)施例中，說(shuō)明書作為電子存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件來(lái)提 供，該電子存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件存在于合適的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)媒介上，如CD-ROM，磁盤等等。在又 一個(gè)實(shí)施例中，實(shí)際說(shuō)明書并不在套件中，而提供從諸如互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程資源中獲取說(shuō)明書 的方法。這種實(shí)施例的一個(gè)例子是全套元件包含可瀏覽說(shuō)明書和/或可下載說(shuō)明書的網(wǎng) 址。如同說(shuō)明書一樣，用于獲取說(shuō)明書的方法能夠記錄于合適的媒介上。變化 至于本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)，可使用落入相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中熟練人員知識(shí)水平范圍內(nèi)的材料和有關(guān)替換構(gòu)型。就作為普通使用或邏輯上使用的附加動(dòng)作來(lái)說(shuō)，關(guān)于本發(fā)明基于方 法的方面也同樣適用上述說(shuō)明。此外，盡管本發(fā)明參照幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明，可隨意地包含各種 特征，但是本發(fā)明并不限制于考慮到有關(guān)本發(fā)明的每一種變化所描述或所指示的特征。在 不偏離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，可對(duì)所描述的本發(fā)明做各種改變，以及可替換等效方 案(無(wú)論此處已陳述或?yàn)榱撕?jiǎn)潔而不包含于此)。所示的任意數(shù)量的單獨(dú)部件或子配件可 集成于其設(shè)計(jì)中。用于裝配的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可承擔(dān)或指導(dǎo)這種改變或其它的改變。同樣也考慮到，可獨(dú)立地，或與此處所描述的一個(gè)或多個(gè)特征組合地，提出和要求 所描述的獨(dú)創(chuàng)性變化的任意可選特征。對(duì)單一項(xiàng)的引用，包括存在許多相同項(xiàng)的可能性。尤 其特別地，如此處和后附權(quán)利要求中所使用，單數(shù)形式“a”、“an”、“Said”和“the”包括復(fù)數(shù) 對(duì)象，除非另有特別陳述。換句話說(shuō)，在上面描述以及下面的權(quán)利要求中，冠詞的使用允許 主語(yǔ)項(xiàng)“至少一個(gè)”。更加要注意的是，權(quán)利要求可經(jīng)設(shè)計(jì)后排除任何可選部件。同樣地，這 個(gè)陳述試圖用作在前基礎(chǔ)，以便連同權(quán)利要求項(xiàng)的陳述一起使用這種諸如“單獨(dú)地”、“唯一 地”等排他性術(shù)語(yǔ)以及類似語(yǔ)，或使用“否定”限制。如果沒(méi)有使用這種排他性術(shù)語(yǔ)，在權(quán)利 要求中的術(shù)語(yǔ)“包括”應(yīng)當(dāng)允許包含任意附加部件——不管給定數(shù)量的部件已在權(quán)利要求 中列舉，還是附加的特征被認(rèn)為改變了在權(quán)利要求中所陳述部件的本質(zhì)。例如，添加一個(gè)緊 固件或軸套、復(fù)雜的表面幾何形狀或另一個(gè)特征到權(quán)利要求中所列出的“膜片”中，不應(yīng)當(dāng) 阻止權(quán)利要求項(xiàng)繼續(xù)陳述權(quán)利所要求的結(jié)構(gòu)。其它方面的陳述，除非本文特別限定，在保持 權(quán)利要求的有效性的同時(shí)，本文所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)都將被賦予盡可能寬范圍的 普遍理解的含義。本發(fā)明的范圍并不由所提供的實(shí)例來(lái)限制。所以說(shuō)，我要求。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括 開放式框架；以及電活性彈性體材料，其固定在所述框架內(nèi)，且所述彈性體材料的中心區(qū)域形成膜片， 其中，所述中心區(qū)域具有比所述彈性體材料較低的柔韌性，其中所述彈性體材料被伸 展成凹形或凸形，且其中所述中心區(qū)域包括通過(guò)彈簧耦合到所述框架的實(shí)質(zhì)上剛性的帽。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述彈簧從板簧和線圈彈簧中選擇。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述彈簧偏置所述電活性彈性體材料在平面外成凹 形或凸形。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述膜片形成平截頭體結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述中心區(qū)域是無(wú)孔的。
6.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述中心區(qū)域具有內(nèi)部開口部分。
7.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中裝置適合于用作傳感器。
8.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中裝置適合于用作致動(dòng)器。
9.如權(quán)利要求10所述的裝置，包括至少兩個(gè)膜片，其中至少兩個(gè)彈性體材料部分的每 個(gè)伸展成平截頭體的形狀。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中一個(gè)膜片偏置另一膜片。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述平截頭體的部分彼此反向面向。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述平截頭體的部分彼此面向。
13.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述中心區(qū)域是固定在一起。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述彈性體材料包括多個(gè)獨(dú)立編址部分。
15.一種組件，包括多個(gè)堆疊的如權(quán)利要求1所述的膜片。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中堆疊的膜片串聯(lián)連接。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中堆疊的膜片平行連接。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中堆疊的膜片的一部分面向一個(gè)方向，而堆疊的膜 片的另一部分面向相反的方向。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中通過(guò)在電活性彈性體兩端施加電壓改變所述凹形 或凸形。
全文摘要
公開了一種電活性聚合物結(jié)構(gòu)，其可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，反之亦然。本主題的換能器(致動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、傳感器或其組合)都需要用于以所需構(gòu)型來(lái)預(yù)加載彈性體薄膜電極和電介質(zhì)聚合物的框架部件或固定部件。這個(gè)結(jié)構(gòu)在推拉式裝置中整體偏置，或由另一個(gè)部件來(lái)預(yù)加載/偏置。
文檔編號(hào)H01L41/09GK102088652SQ20101027602
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2006年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月21日
發(fā)明者喬恩·赫姆 申請(qǐng)人:人工肌肉有限公司