專利名稱：高性能電活性聚合物換能器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及電活性聚合物結構，其可將電能轉換為機械能，反之 亦然。特別地，本發(fā)明涉及預應變聚合物致動器和換能器的框架和網狀構 型。
背景技術：
當前使用的大量各種裝置依賴于一種或另一種致動器(actuator),來 將電能轉換為機械能。此致動器給這些產品"賦予生命"，驅動它們運轉 起來。相反地，許多發(fā)電應用的操作是通過將機械運動轉換為電能。以這 種方式用來獲取機械能的這種類型的致動器可被稱為發(fā)電機。同樣地，當 這種結構被用來將諸如振動或壓力的物理刺激轉換為用于測量目的的電 信號時，它可被稱為換能器。然而，"換能器(transducer)"這一術語可被 用來統(tǒng)稱這些裝置。無論采用什么名字，利用電活性聚合物(electroactive polymer)的新一類元件能夠經配置后提供這些功能。特別是對于致動器和發(fā)電機的應用，許多設計考慮關注于選擇和使用 基于高級電活性聚合物技術的換能器。這些考慮包括有勢力(potential force)、功率密度、能量轉換/消耗、尺寸、重量、成本、響應時間、占空 比、運行要求、環(huán)境影響等等。由SRI International and licensee Artificial Muscle 乂>司研發(fā)的電活性聚合物人造肌肉(Electroactive Polymer Artificial Muscle, EPAMTM)技術，在每一個范疇中相對于其它可用技術處于領先 地位。在許多應用中，EPAMTM技術完美地替代了壓電式的形狀記憶合金 (SMA)以及諸如電動機及螺線管等電磁裝置。作為一種致動器，EPAM 技術通過在由彈性電介質聚合物隔開的兩個彈性薄膜電極上施加電壓來操作。當向這些電極施加電壓差時，反向充 電的構件相互吸引，從而對彼此間聚合物產生壓力。這個壓力將電極拉到 一起，導致電介質聚合物變得更薄(Z軸分量收縮)，而沿平面方向^L(聚合物薄膜的x和y軸伸長)。另一個因素驅使聚合物薄膜變薄和延展。分 布在各個彈性薄膜電極上的類似(同樣)電荷導致嵌入至薄膜內的導電粒子相互排斥，從而使聚合物薄膜相連的彈性電極和電介質延展。利用這種"形狀記憶，，技術，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、消費者和電子應用。當 前產品的體系包括致動器、電動機、換能器/傳感器、泵和發(fā)電機。致動 器由上面討論的操作來使能。當材料發(fā)生物理變形時，發(fā)電機和傳感器依 靠改變電容來使能。Artificial Muscle公司現已引入了許多基本的"齊全即可使用 (turnkey)"類型的裝置，這些裝置可用作構建部件以取代現有裝置。每 個裝置都采用支架或框架結構來對電介質聚合物進行預應變(pre-strain )。 據觀察，預應變改善了聚合物的電介質強度，由此通過容許更高的場電勢 而改善電能和機械能之間的轉換。這些致動器中，"彈簧輥，，類型的線性致動器是通過在螺旋狀彈簧周 圍覆蓋EPAMTM材料層來制備的。將EPAMTM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EPAMTM的徑向或圓周方向的預應變，而 彈簧長度方向的壓縮提供了軸向預應變。所施加的電壓使得薄膜在厚度上 向下擠壓而在長度方向上舒馳，從而容許彈簧(由此，整個裝置)延展。 通過形成電極以圍繞圓周產生兩個或多個單獨處理的部分，電氣激活一個 這樣的部分導致輥延伸以及整個結構遠離那 一側彎曲。彎曲梁(bending beam)致動器的形成是通過沿著梁的表面粘貼一層 或多層伸展的EPAmTm材料。當施加電壓時，EPAMm材料在厚度方向上 收縮，在長度方向上伸長。沿著梁的一側上的長度增加導致梁遠離活性層 彎曲。成對的電介質彈性體薄膜(或諸如上述"彈簧輥"的全套致動器組件) 可布置為"推-拉(push-pull)"構造。從一個致動器到另一個致動器切換
電壓可來回地移動組件的位置。激活系統(tǒng)的相對兩側使得該組件固定在中 性點。如此配置后，致動器就像控制人手臂運動的相對的二頭肌和三頭肌 那樣動作。無論推-拉式結構包括固定至平面框架的薄膜部分，還是包括一個或多個相對的彈簧輥等等， 一個EPAM 結構都可用作另 一個EPAM 結構的偏置構件，反之亦然。另 一類裝置將一個多個薄膜部分放置在封閉式聯(lián)動或彈簧鉸鏈框架 結構中。當使用聯(lián)動框架時， 一般利用偏置彈簧來預應變EPAMTM薄膜。 彈簧鉸鏈結構可能內在地包括必需的偏置。無論如何，施加電壓將會改變 框架或聯(lián)動裝置的構型，由此提供所需要的機械輸出。膜片致動器(diaphragm actuator)的制作是通過在剛性框架中的開口 上伸展EPAMTm薄膜。膜片致動器的已知實例是通過彈簧、通過設置在彈 簧和EPAM，之間的中間桿或柱塞，通過彈性泡沫材料或氣壓來直接進行 偏置(即，推進/推出或者推上/推下)。偏置保證了當電極活性/厚度收縮而 不只是起皺時，膜片將沿著偏置方向移動。膜片致動器能夠使容量移動位 置，使它們適合用作泵或揚聲器等等。還可以構造出更為復雜的致動器。"inch-worm"和回轉輸出類型的裝 置才是供了實例。關于上面提到的裝置以及其它裝置的進一步描述和細節(jié)可 在下面的專利和/或專利申請公開中找到6,812,624電活性聚合物6,809,462電活性聚合物傳感器6,806,621電活性聚合物回轉電動機6,781,284電活性聚合物換能器和致動器6,768,246生物學驅動的電活性聚合物發(fā)電機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6,586,859電活性聚合物活動裝置6,583,533電活性聚合物電極6,545,384電活性聚合物裝置 6,543,110 電活性聚合物制造 6,376,971 電活性聚合物電極 6,343,129彈性體電介質聚合物薄膜聲波致動器 20040217671軋制的電活性聚合物 電活性聚合物電活性聚合物換能器和致動器 軋制的電活性聚合物 電活性聚合物熱電發(fā)電機 易撓裝置的導航方法以及設備 用于移動流體的電活性聚合物裝置 用于控制流體流動的電活性聚合物裝置 非接觸式電活性聚合物電極 主/從電活性聚合物系統(tǒng) 軋制的電活性聚合物 電活性聚合物回轉電動機 電活性聚合物回轉離合器電動機 可變硬度的電活性聚合物系統(tǒng) 電活性聚合物傳感器 電活性聚合物電極節(jié)能的電活性聚合物和電活性聚合物裝置 彈性體電介質聚合物薄膜聲波致動器 電活性聚合物活動裝置 整體式電活性聚合物為了提供關于基本技術和特性的背景和/或進一步細節(jié)，通過引用將這 些/〉開全部合并于此，該基本才支術和特征與本文所陳述的本發(fā)明方面相關 聯(lián)使用或相結合使用。盡管上面描述的裝置提供了 EPAMTM技術換能器的高性能實例，但是 仍然繼續(xù)有志于研制更高效的EPAMTM換能器。由根據本發(fā)明的換能器所 提供的效率增益可以在預應變的改進、與受驅動/驅動部件的接口、輸出、20040263028 20040232807 20040217671 20040124738 20040046739 20040008853 20030214199 20030141787 20030067245 20030006669 20020185937 20020175598 20020175594 20020130673 20020050769 20020008445 20020122561 20010036790 20010026165
可加工性等等方面來獲得。本領域的熟練人員將理解這些可應用的優(yōu)勢。 發(fā)明內容本發(fā)明提供了許多EPAMTM換能器設計，以擴大由此技術受讓人 (Artificial Muscle公司)提供的"齊全即可使用(turn-key)"工具的范圍。 這些設計都需要用于以所需構型來預加載彈性體薄膜電極和電介質聚合 物的框架部件或固定部件。某些實施例包括推拉式子配件。本發(fā)明的一個方面可包括復雜的框架 結構以緊密結合不同類型的致動器。本發(fā)明的另 一個方面包括帶有用于平 面內和/或平面外輸入/輸出的可選推拉式致動器構造的框架結構。本發(fā)明 的又一個方面集中于制造出更加堅固和/或更加容易加工的致動器結構。在 這點上，制造出平截頭體形狀的膜片致動器，其中該結構的頂部包括有帽。 此帽可為實心圓盤、圓環(huán)或其它形式的構造。該帽在相對的平截頭體之間 提供穩(wěn)定接觸面，和/或提供了諸如彈簧的機械預加載部件。本發(fā)明還包括 本主題換能器結構的有益應用。一個這樣的應用是用于泵。泵可以使用單平截頭體的致動器設計或雙 平截頭體的致動器設計。在前一中情況下，平截頭帽提供了穩(wěn)定的表面來 依靠它對該結構進行機械偏置。這種結構可制造得非常堅固和緊密。雙平 截頭體設計不需要額外的預加載源。而且，其經配置后可用作雙動泵。此 外，使用串聯(lián)放置的兩個致動器提供了使擺動(stroke)加倍的可能。在本 發(fā)明中也同樣考慮了其它的串聯(lián)致動器配置。另一個應用是用于照相機，其中鏡頭的位置由平截頭體類型的致動器 來操縱。此外，單平截頭體或雙平截頭體設計都可被使用。根據使用其中 一側進行位置檢測和預加載以及使用另 一側進行啟動的觀點，可能雙平截 頭體方案合乎需要。另一個照相機的應用使用復雜的框架，其中平截頭體 類型的致動器控制鏡頭的位置， 一個或多個平面致動器部件控制變焦。本主題換能器的另外可能應用包括閥、或閥控制元件、揚聲器振膜、 多軸位置傳感器/操縱桿、振動器、觸覺或力反饋控制裝置、多軸致動器等。 "平截頭體"從技術上說是處于兩平行平面間的幾何體的一部分。 平截頭體通常被認為是通過用一般平行于底部的平面來切除頂部而形成 的圓錐體或棱錐的基部。當然，根據本發(fā)明的平截頭體類型的致動器可采 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 截面構型。取決于其應用，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，根據材料性能一致的觀點，對稱形狀的構件 將為所需。然而，對于給定的應用一一特別是那些空間受限的應用，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，本發(fā)明中所使用的"平截頭 體"形狀可認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。各種裝置的動作可由本文所描述的特定致動器或其它致動器來驅動。 然而，每一個裝置在其設計中都加入有膜片。有利地，致動器的帽和裝置 的膜片為相同的一個，由此合并子配件。


這些圖說明了本發(fā)明的典型方面。這些圖為圖1A和1B表示EPAMTM層的相對兩側；圖2是EPAM 疊層的裝配圖；圖3是EPAMTM平面致動器的裝配4A和4B分別是平面換能器構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行平面啟 動(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 i殳置為備選的平截頭體構型以j更進行平面外啟動(out-of-plane actuation); 圖7A-7C圖解說明了平截頭體形狀致動器的幾何形狀和操作；圖8是多相位的平截頭體形狀致動器的頂視圖；圖9A是另一種平截頭體形狀的致動器的裝配圖，以及圖9B是具有交 錯框架結構的同 一個基本致動器的側視圖；圖IO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面剖視圖；圖12是備選的倒置平截頭體換能器構型的側面剖視圖；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(weightbiased)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是關于圖17中系統(tǒng)的各種可選構型的裝配圖；圖19A是利用平截頭體致動器來控制聚焦的照相機鏡頭組件的截面立 體圖；圖19B是帶有圖19A所示系統(tǒng)的照相機元件的裝配圖；圖20是利用另一種類型的平截頭體致動器來控制聚焦的照相積/鏡頭 組件的截面立體圖；圖21A是利用致動器組合來控制每一個變焦和聚焦的另一種照相機鏡 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22A和22B中換能器配置的致動的漸進階段的立體圖；圖24A是閥機構的裝配圖，圖24B和24C是圖解閥啟動的圖24中閥 的側面剖^L圖；圖25-27是不同閥構型的側面剖視圖；圖28是根據本發(fā)明的壓力測量換能器的側面剖視圖；圖29A是主動止回閥的側面剖視圖；圖29B是圖29A所示結構的立 體圖；圖30A和30B是設置在專用外殼內的同軸(inline)閥的側面剖視圖；圖31A和31B是表示利用平截頭體形狀致動器的第一個泵的變化的截 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是振動器部件的立體圖；圖38是觸覺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聲器系統(tǒng)的立 體圖?？紤]了根據圖中所示的本發(fā)明的變化。
具體實施方式
本發(fā)明的各種典型實施例如下描述。首先描述各種致動器/換能器實施 例。接著，描述任選結合這種裝置的系統(tǒng)。最后，描述加工技術、使用和 成套工具的應用方法，后面有對所考慮到變化的討論。對這些例子所做的 標記并無限制意義。提供它們是更廣泛地舉例說明本發(fā)明的適用方面。換能器圖1A和1B表示EPAMTM層10的相對兩側。該層包括夾入彈性薄膜 電極中間的電介質聚合物。圖1A表示繪制有"熱"電極12和14的層的
側面。每一個電極都連接至導線16。圖1B表示繪制有公共"地，，電極18 的層10的相對側，電極18連接至單個導線16。如圖2所示，多個薄膜層IO堆疊，并且以伸展的狀態(tài)保持于框架零 件20內。許多單獨的EPAMTM層IO有利地堆疊以形成復合層10，。這樣 做增大了系統(tǒng)的有勢力。所堆疊的層的數目從2到IO或更多。通常，應 當堆疊偶數層，以便接地電極都朝向任何暴露面以提供最大的安全性。無 論如何，EPAMTM層或多個EPAMTM層可以總稱為EPAMTM "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構造復雜 的換能器機構。圖3表示在現有技術中已知的這樣一種結構。此處，單獨 的卡盤(cartridge )部件22緊固于輔助部分或主體框架部分24?？山Y合l壬 意的薄膜框架和中間框架構件來得到一個組合(即，如所示用緊固件來連 結，粘結在一起等等)框架結構26。隔片28為輸入/輸出桿30提供了接 觸面，該輸入/輸出桿經導孔32由框架來支撐。隔片通過互補的支架34與 薄膜相連結，該支架34利用隔片來粘結或夾持EPAMTM薄膜。為了啟動根據圖3而構造的裝置，對電極12或14中的一個施加電壓。通過對一側施加電壓，該側擴張，而另一側放松其預加載并且收縮。其它 的啟動模式參照上面。根據本發(fā)明的第一個裝置可以類似構造和操作。圖4A和4B提供了根 據本發(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(如圖3中的裝置)和平面外啟動。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，單獨的卡盤部件22用輔助框架24和其間的隔片26來堆疊， 隔片提供為框架所支撐的輸入/輸出桿28提供了接觸面。然而，在此構造 中的隔片26被連接至大體上呈正方形的帽42元件。更為對稱的接觸面部 分提供如下將說明的優(yōu)勢。圖4B表示已裝配好的裝置。此處，將框架26 表示為一個完整的單元。至于裝置的啟動，圖5表示了一個基本的電路圖，其中向電路的A側 和B側相對于接地通電，/人而導致桿30沿著X軸相對于框架啦支往復運動。 然而，在另一種構造中，同樣的EPAMTM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圖解說明了這樣的一種裝 置。此外，換能器50組件可使用一個更厚的主體框架24'。通過利用這種 框架和省略隔片，當將帽42彼此緊固時，它們生成相互面對或相互遠離 的深凹形狀52。為了驅動換能器做簡單地Z軸運動，通過施加電壓，使其 中一個凹面?zhèn)?平截頭體側擴張，而使另一側松馳。這樣的動作增加了一個 凹腔52的深度，而減少了另一個凹腔的深度。在最簡單的例子中，所產 生的運動通常垂直于帽的平面。圖7A-7C圖解說明了這些凹面/凸面或平截頭體形狀的致動器在簡化 的二維模式下的運行方式。圖7A說明了換能器平截頭體形狀的由來。無 論當從上面觀察時是圓錐形、正方形還是橢圓形等等，從側面提供截去頂 端的形狀60是通過修改現有膜片致動器的構造來得到，這一修改是向此 結構的頂部(或底部)加帽。當處于張力之下(under tension)時，帽42 改變了 EPAMTM層10/10，應有的形狀。在這個例子中，當一個集中載荷拉 伸薄膜時，這個薄膜可能呈現圓錐形(如由界定三角形頂部62的虛線所 指示)。然而，當加帽或改變以形成更加剛硬的頂部結構時，按圖7A中的 實線64所指示將這個形狀截平。如此修改這個結構基本上改變了其性能。其一，它分散了壓力，不然 該壓力將集中于結構66的中點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?？赡苁褂谜辰Y結合。另外，可以使用諸如 熱結合、摩擦焊接、超聲焊接的任意可行技術來粘結該組合件，或者將該 組合件機械鎖緊或鉗制到一起。而且，此加帽結構可包括一部分薄膜，通 過一些熱、機械或諸如硫化等化學工藝，來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，以生成足夠長度的周長來充分分散 施加到材料上的壓力。帽的尺寸與支撐EPAMTM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。對于EPAMTM層的給定拉伸量，這個結構的相對截 斷(對比于集中載荷的圓錐、壓力偏置的圓頂等等)對減少換能器在使用 中所占據的總體積/空間尤為重要。而且，在平截頭體類型的膜片致動器中，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)。由于形成或適當地設置更加剛硬或充分剛硬的帽部分，所以當由框架所罩入的EPAMTM材料沿著垂直于帽的方向拉伸時(通過比較圖4A/4B和 6A/6B所示的EPAM/框架構造可觀察到)，它將產生截平形狀。否則，EPAM-TM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，所以該結構的所連結 EPAMTM聚合物側10/10'呈一個角度。當不被啟動時，設置EPAM，的角 度a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。當施加電壓以便壓縮EPAM 材料并且使其沿著平面范圍增長時， 它呈現第二個角度P,在幾乎同樣的范圍內加上大約5到15度。最佳角 度可根據應用的技術要求來確定。單側平截頭體換能器還有雙側結構都在本發(fā)明所考慮的范圍內。為了 預加載，單側裝置利用任何與帽相^t妄觸的彈簧(例如，線圈、恒力或滾動 彈簧、板簧等等)、氣壓或液壓、磁吸力、重物(以便其重力提供對系統(tǒng) 的預加載)，或這些方法的任意組合以及其它。在雙側平截頭體換能器中， 一側通常提供對另一側的預加載。還有， 這種裝置包括有額外的偏置零件/構件。圖7B圖示說明了基本的"雙平截 頭體"架構701。此處，沿著連接部分72， EPAMTM材料的相對層或EPAM-TM薄膜的一側和基本彈性聚合物的一側在張力之下保持在一起。這個連接 部分72通常包括一個或多個剛性或半剛性的帽元件42。然而，通過將聚 合物的兩層在其連接處粘附在一起，材料的結合區(qū)域以最基本的方式獨自 地提供相當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。然而構造后，雙平截頭體換能器如圖7B所示運轉。當對一個薄膜側 74通電時，其松馳并且用更少的力^立著，從而釋放在偏置側74中存儲的 彈性能量，并且通過力和擺動來工作。這種運動由圖7B中的虛線來指示。 如果兩個薄膜元件都包括EPAM 薄膜，那么致動器可相對于中心位置(由 圖7A和7B中的實線表示)向內/向外或向上/向下移動，如雙箭頭80所示。
如果只提供一個活動側74/76，受迫運動被限制于中心位置82的一側。 在這種情況下，裝置的不活動側可能筒單地包括彈性聚合物以提供預加載 /偏置(如上面所提及)，或包括EPAMTM材料，電連接該材料以專門感知 電容的變化，或者用作發(fā)電機以便采用再生電容的形式來恢復裝置中運動 或振動輸入。根據本發(fā)明換能器的進一步任意變化包括提供多角度/多軸感應或啟 動。圖8表示帶有三個(92, 94, 96)可獨立編址的區(qū)域或相位的圓環(huán)形 EPAMTM卡盤90結構。當配置為致動器時，通過施加不同的電壓，該部件 擴張各異，從而引起帽42傾斜一個角度。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。當配置用于傳感時，從桿或其它緊固件或 連接件到帽的輸入引起角度偏轉，這可以通過材料電容的變化來測量。如圖8所示的EPAMTM部件是圓形的。圖9A提供圓平截頭體換能器 100的裝配圖。所使用的主體框架構件24是實心的，與使用在上面圖4A-6B 所示的組合式或可拆合式的致動器中的相類似。然而，圖9A所示的裝置 為專用膜片型致動器(雖然它可能使用如圖8所示的多相位結構)。這種 致動器的另一可選擇結構如圖9B所示。此處，用簡單的框架隔片24"來 替代整體式框架部件24。圖IO表示另一個結構變換，其中換能器在雙平截頭體裝置100的每 一側上包括有多個卡盤層22。各個帽42組合或堆疊在一起。為了容納所 增加的厚度，多框架部件24同樣可相互堆疊在一起?；叵氲矫總€卡盤22都可使用復合式的EPAM，層10，。使用一種方法 或兩種方法一同使用來增加本裝置的輸出潛力。此外，可設置堆疊形式(在 裝置的一側或兩側上)的至少一個卡盤構件用于感應，這與啟動相反，其 有利于主動的致動器控制或操作驗證。關于這種控制，任意類型的反饋技 術，例如PI或PID控制器，都可在這個系統(tǒng)中使用，以非常準確和/或精 確地控制致動器的位置。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面剖 視圖。在帽元件任意一側上的帶螺紋的軸套112提供了用于機械輸出的連 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，該軸穿過帽轉動并且用螺帽以典型阻塞-螺帽(jam-nut)配置固定于任意一側。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構造的側面剖視圖，其中代替使用了兩個相 互遠離的凹體結構，這兩個凹體/平截頭體部件122彼此面對。用以迫使薄 膜成型的對EPAMTM層的預加載或偏置由帽42之間的墊片或隔片124來 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)明的向內面對的變化在 單獨的卡盤部件22之間不需要中間框架構件24。實際上，在裝置兩側上 EPAMTM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。下面還討論了這個裝置構造的進一步用途。然而，首 先描述用于平截頭體類型的致動器的其它偏置方法。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EPAMTM結構。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在帽的另一側上通 過螺栓146或者固定在螺栓和螺帽(未顯示)之間的隔片來連接到軸套144。 板簧的兩端由支架148來引導。在圖15所圖示的另一個換能器例子150 中，EPAMTM薄膜可由單一重物152來偏置，該單一重物與帽42相連結或 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 通常水平運行，以^^重物上的重力拉伸可將換能器沿著Z軸對稱地偏置?；谏厦?，應當顯而易見，可以改變本主題換能器的許多參數來適應 于給定的應用。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)；EPAMTM薄膜上的預應 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；活性層對非活性層；層的數量；薄膜卡盤的數量；相 位的數量；裝置"側"的數量以及裝置側的方向。系統(tǒng)在更為復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。而且，向內面對的雙平截頭體換能器120通過與其框架20 相連接來提供第二個輸出相位。當這個構件的高度因其內部空間(如上所 指)而穩(wěn)定時，框架的位置可活動來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IOO之間使用簡單的隔片來實 現增大基本擺動的目的。為了進一步增大擺動，于是，又一個如此堆疊可 ^皮設置在第一個堆疊上。為了提供另一個啟動階^殳，可以采用其它向內面 對的換能器。再一種變化考慮到用向外面對的換能器和向內面對的換能器 配對成致動器傳感器對。自然地，其它的組合也落入本發(fā)明的范圍內。結合圖17來圖示說明由本發(fā)明提供的另一個非常靈活的問題解決方 法或實驗式方法。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是關于圖17中系統(tǒng)的各種可選構性的裝配圖。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。這個泵 將在下面進一步詳細描述。至于系統(tǒng)170，此處只要說本主題架構本身傾 向于具有極大的靈活性，這就夠了。圖19A提供了使用本發(fā)明的另一個應用的視圖。這個圖詳細描述了使 用平截頭體類型的致動器182來控制聚焦的照相機鏡頭組件180。換能器 184的帽或膜片呈環(huán)狀打開，以便光線可傳到設置在殼體188內的鏡頭 186。所示板簧190與殼體相接觸以偏置EPAMTM薄膜。如圖19B所示，完整的照相機組件將至少包^fe護罩或蓋子192，內部 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。可集成該電子器件來驅動整個裝置，或板200上的電子器件可簡單 地提供EPAM 致動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、 E、 F、 G才莫塊和Pico Electronics, Inc. (New York) 的系列VV單元。當然，也可以使用定制的電源。無"i侖如何，提及的電源 不僅可用于照相機實施例中，還可用于變化本主題換能器的任意系統(tǒng)中。
圖20表示另一種照相機鏡頭組件226。然而除了板簧外，這種設計使 用雙平截頭體類型的致動器100,其中裝置228的預加載側可能不是 EPAMTm薄膜，而只是一個彈性體網狀物。然而，如果側/層228包括有 EPAM 材料，那么它可能最為有利地用于根據電容變化來感知位置。
在本發(fā)明的另一種變化中，圖21A表示一種照相^i且件210,其利用 致動器組合212來控制變焦和聚焦。如前所述，該裝置包括由根據本發(fā)明 的膜片致動器214驅動的聚焦臺。此外，該裝置包括平面致動器216的變 焦臺支架。通常聚焦調節(jié)需要在0.1到2.0 mm 之間的運動；變焦通常需要 那個擺動量的5至IO倍。
因此，變焦由不同類型的致動器來處理。在圖21A中，變焦功能由一 對相互交叉(across)的平面型換能器216來啟動。益處在于每一個平面 致動器和膜片致動器都由在普通框架部件218之上或上面伸展的EPAMTM 薄膜來形成。這種功能由所示的雙鏡頭布置來提供。變焦的實現改變鏡頭 186和鏡頭220之間的距離。鏡頭220相對于鏡頭186的整體運動通過與 變焦鏡頭框架224相連接的機械臂222來實現。
組合使用的框架提供了4艮據本發(fā)明的另 一種選項，其可適用于任意的 情形，其中需要整體運動和精細調整，或者(如在照相機中)需要單獨的 運動部分。盡管未顯示，但是也考慮到組合式框架的多個面可能獨自地承 載著膜片致動器或平面致動器。更進一步，可使用非直角的框架幾何形狀。
關于本發(fā)明的照相機應用，能夠將前述系統(tǒng)制造得非常緊湊。同樣地， 它們特別適用于緊湊型的數字或蜂窩電話的照相機。
當具有更多的可用空間時，可以需要提供適于更長變焦行程的 EPAM 變焦/聚焦引擎來增加裝置的操作范圍。圖22A和22B是表示備選 平面照相機系統(tǒng)230的立體圖，其中提供平面致動器的伸縮裝置232來控 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。
致動器的連接和操作方式由放大截面圖來清晰描述，這些放大截面圖 由表示換能器堆疊啟動階段的圖23A-23C來提供。這個漸進運動是如下實
現的通過將連續(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，或者更適合地，驅動變焦元件。
本發(fā)明進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為閥機構的裝配圖。閥240包括構成如上所討論的雙平截頭體 類型致動器100的部件。也就是，閥包括EPAMTM薄膜，該薄膜伸展于框 架構件內并且由帽來固定。此外，閥240包括蓋242，其內部容納有配件 244、 246。
圖24B和24C是在圖示閥啟動的圖24A中的閥的側面剖^L圖。在圖 24B中閥是關閉的。帽/多個帽42用作膜片，在中央薄膜(通電或未通電) 的情況下，在"正常關閉"的構造中，其阻塞運轉中的配件244。在圖24C 中，閱的打開是通過啟動換能器，來沿箭頭248的方向驅動帽42,以容許 流經在裝置之內形成的腔體250。
圖25表示另一種單面雙平截頭體膜片閥260。這個裝置的區(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262。
圖26表示三向混合閥270。入口配件272被連4妄至與不同流體/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，該位置支配能夠進入出口配件的每一種不同流的比例。 當然，這個裝置還可包括像前述裝置那樣的錐形針狀閥，此處所描述的其 它裝置也同樣可以包括有錐形^"狀閥。
圖27表示一種同軸閥280。前述閥使用無孔膜片，在這種情況下的膜 片282包括通孔284。如此，流體能夠通過配件286和288從裝置的一側 流到另一側，其中膜片282調整能夠流經或流入運轉中的配件288的流量。
圖28是根據本發(fā)明的壓力測量換能器2卯的側面剖一見圖。進入到腔 體292的流體壓力可通過與電容變化相關聯(lián)來感知，電容變化是由伸展 EPAMTm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) 提供了新級別的穩(wěn)健性。
圖29A和29B圖示說明了可變"開裂壓力(cracking pressure )，，的止
回閥294。致動器296的EPAMTm材料伸展，以便帽以一定壓力固定在閥 桿244的遠端。當對材料施加電壓時，它的厚度收縮，并且沿箭頭298的 方向延伸，由此減少在閥連接處的預加載。當如此松馳后，處于相對低的 壓力下的流體能夠經過帽42 (或閥針等)泄漏出，通過配件246流出。
圖30A和30B提供了同軸閥構造300的視圖，其中平截頭體類型的閥 302被設置于專用的殼體304內。在這種情況下，殼體經配置后可替換用 于內燃機應用的蒸汽罐排氣閥。圖30A表示處于閉合配置的閥；圖30B表 示處于開啟配置的閥。該閥通常是關閉的，在對EPAMTM薄膜施加電壓的 情況下開啟。這個閥包括與帽或膜片308形成為一體的桿306。除了使用 雙平截頭體的設計來偏置之外，在單側設計中可使用線圈彈簧310。
至于本主題系統(tǒng)的其它應用，接著將舉例說明許多泵。這些泵可用于 壓力下的流體或氣體傳送，或用于產生真空?？蓪㈤y結構安裝于泵體或形 成在泵體內/與泵體形成為 一體。
圖31A和31B表示使用雙平截頭體類型致動器100的第一個泵320 和320，的變化。每個裝置都包括單個腔體322的膜片泵。與各種雙平截頭 體換能器設計結合，可設置EPAMTM致動器部件用于如上面所討論的單相 位或兩相位啟動。泵包括一對一皮動止回閥324、 326,其中由流體(包括氣 體)壓力推進的膜片328的運動兩者擇一地打開和關閉閥，這顯而易見。
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纟是供全面改進的腔體壁接觸面(例如， 一方面是不容易受 到彈性變形的影響，提供更好的對于腐蝕性化學制劑的材料相容性)。
類似于先前的裝置，圖32中所示的泵340使用被動止回閥324、 326。 然而，它隨著裝置不同而變化，這是因為它可實現為集成的雙腔體342、 344或雙工泵。此外，致動器可為單相位或雙相位類型的換能器。
圖33表示一個腔體的泵350。當然，它可重新組裝為如圖32中泵340 的雙腔體設計。然而，所關心的是在裝置中使用的止回閥不是^f皮動的，而 是類似于或如上關于圖28的所描述的EPAMTM閥352、 354。當然，可使
用其它的EPAMTM閥構造(例如，如圖24A-24C所示的裝置)。
其實，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)勢的集成EPAMTM受控裝置。圖34圖示說明了本主題裝置 如何根據本發(fā)明進行自身組合或與其它裝置相結合，來提供具有更大使用 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290。當然，這種系統(tǒng)可適當地使用管道來探測 (plumb) _—可能如箭頭362所指示。這種系統(tǒng)的一個潛在應用可能在 于填滿或控制作為汽車座椅中腰部支撐的氣嚢或貯氣器的裝填量。當然， 其它的應用和系統(tǒng)構造也同樣是可能的。 一般來說，可將泵腔體相串聯(lián)以 增大泵吸過程所獲得的壓力量，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，可同樣提供一排泵。
更進一步，某個泵或流連接部件可集成到致動器本身的設計中。圖35 提供了泵400的實例，其中流導管402集成至裝置結構中。EPAM 10/10， 薄膜伸展開，以形成每個平截頭體/截平膜片部件60和部分的止回閥404。 圓盤406與薄膜相連，并且通過薄膜中的張力來緊靠閥座408預加載該圓 盤。當圓盤離開其閥座時，流體流過圓盤的中心。將圓盤406粘結至薄膜， 薄膜的每一側粘結一個圓盤。
根據使用相同薄膜來界定單個流系統(tǒng)中的泵和致動器的觀點，這種結 構非常有優(yōu)勢。更進一步地，通過將閥結構偏移至換能器主體的側面，可 最小化整個結構的厚度。這種形式因素在某些需要"更薄"設計的應用中 是可取的。
圖36表示又一個實例泵410。此處，止回閥412形成于泵殼的側4反組 件414中。這種設計為在泵的應用中使用基本換能器架構提供了一種模塊 化和緊湊化的方法。而且，與圖35中的設計相比，這個設計提供了更小 "占用面積"的潛力。在只提供第二側板416來完成該組件時，兩個止回 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。
關于本主題技術的其它可能應用，圖37表示了一種振動器類型的裝 置370。在雙平截頭體致動器構造中，質量塊372的往復運動^皮傳送到與
換能器框架26相連接的更大的裝置殼體。
無論是否提供質量塊來產生振動，本主題換能器的另一種應用如圖38
所示，用于觸覺反饋控制器380。該控制器可為帶有"操縱桿"382的游 戲控制臺裝置，其將振動發(fā)生器的觸覺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，由于變形時產生的電容變化， 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)信號通知用 戶操縱。這種裝置的應用范圍為從游戲控制臺結構到為外科醫(yī)生提供高精 確度接口來促進機器人手術。
最終，圖39圖示說明本發(fā)明的一種變化，其中提供使用多個平截頭 > 體和/或雙平截頭體換能器392、 394、 396的揚聲器系統(tǒng)390。"高頻揚聲 器"驅動器392最小，接著是更大一些的"中頻"驅動器394，最后是大 的"低頻揚聲器"驅動器396。由于平截頭體幾何形狀的改進性能，能夠 產生大的和小的(低頻和高頻調諧的)揚聲器。它們可在高功率下驅動， 并且仍然提供輕型的高性能揚聲器，這是因為不必像典型電磁揚聲器那樣 ; 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于揚聲器 箱體398的設計變化，從而給高保真音響愛好者提供不可缺少的樣式選項。
力口工
無論本主題換能器選擇如何結構，都可方便地使用各種加工技術。特 別地，對于批量構造，使用掩膜板夾具(未顯示)來精確定位用于成形電 ' 極的掩膜是有用的。而且，對于批量構造，使用組件夾具(未顯示)來精 確定位多個部件也是有用的。結合上面提及的專利和公開，以及本技術領 域中熟練人員通常所知曉或理解的知識，應當理解關于加工的其它細節(jié)。
方法
考慮到與本主題換能器相關的方法，其中這些方法是由EPAM，致動 ;器來執(zhí)行。這些方法也可使用本主題裝置或其它裝置來執(zhí)行。這些方法都 包括有提供適當換能器裝置的動作。這個提供可由終端用戶來執(zhí)行。換句 話說，"提供"(例如，泵)僅僅需要終端用戶獲取、使用、接近、放置、 設置、激活、通電或其它動作，來提供本主題方法中的必需裝置。
全套元件
本發(fā)明的又一個方面包括全套元件，具有此處所描述裝置的任意組合 一一無論是以封裝組合提供還是由技術人員裝配以便操作使用、使用說明 書等等。
全套元件包括根據本發(fā)明的任意數量的換能器。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明書。
全套元件說明書可印刷于基底上，例如紙或塑料等等。同樣地，說明 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簽 中提供，或者在其組合(例如，與封裝或子封裝有關)中提供，等等。在 其它實施例中，說明書作為電子存儲數據文件來提供，該電子存儲數據文
件存在于合適的計算機可讀存儲媒介上，如CD-ROM,磁盤等等。在又一 個實施例中，實際說明書并不在套件中，而提供從諸如互聯(lián)網的遠程資源 中獲取說明書的方法。這種實施例的一個例子是全套元件包含可瀏覽說明 書和/或可下載說明書的網址。如同說明書一樣，用于獲取說明書的方法能 夠記錄于合適的媒介上。
變化
至于本發(fā)明的其它細節(jié)，可使用落入相關技術領域中熟練人員知識水 平范圍內的材料和有關替換構型。就作為普通使用或邏輯上使用的附加動 作來說，關于本發(fā)明基于方法的方面也同樣適用上述說明。此外，盡管本 發(fā)明參照幾個例子來說明，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) 明實質和范圍的情況下，可對所描述的本發(fā)明做各種改變，以及可替換等 效方案(無論此處已陳述或為了簡潔而不包含于此)。所示的任意數量的 單獨部件或子配件可集成于其設計中。用于裝配的設計準則可承擔或指導 這種 文變或其它的改變。
同樣也考慮到，可獨立地，或與此處所描述的一個或多個特征組合地， 提出和要求所描述的獨創(chuàng)性變化的任意可選特征。對單一項的引用，包括
存在許多相同項的可能性。尤其特別地，如此處和后附權利要求中所使用，單數形式"a"、 "an"、 "said"和"the"包括復數對象，除非另有特別陳述。 換句話說，在上面描述以及下面的權利要求中，冠詞的使用允許主語項"至 少一個"。更加要注意的是，權利要求可經設計后排除任何可選部件。同 樣地，這個陳述試圖用作在前基礎，以便連同權利要求項的陳述一起使用 這種諸如"單獨地"、"唯一地，，等排他性術語以及類似語，或使用"否定" 限制。如果沒有^f吏用這種排他性術語，在權利要求中的術語"包括"應當 允許包含任意附加部件一一不管給定數量的部件已在權利要求中列舉，還 是附加的特征被認為改變了在權利要求中所陳述部件的本質。例如，添加 一個緊固件或軸套、復雜的表面幾何形狀或另 一個特征到權利要求中所列 出的"膜片"中，不應當阻止權利要求項繼續(xù)陳述權利所要求的結構。其 它方面的陳述，除非本文特別限定，在保持權利要求的有效性的同時，本 文所使用的所有技術和科學術語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例來限制。所以說，我要求
權利要求
1. 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移動所述膜片。
2. 如權利要求l的換能器，其中在所述膜片中形成凹形。
3. 如權利要求2的換能器，其中所述凹形為平截頭體形狀。
4. 如權利要求l、 2或3的換能器，其中連接到所述膜片的帽形成所 述柔韌性低的中心部分。
5. 如權利要求4的換能器，其中所述換能器為致動器，并且所述帽 適合于沿著增加和減少所述凹形的深度的方向移動。
6. 如權利要求5的換能器，其中所述帽為平面的，并且所述換能器 適合于沿著垂直于所述帽的表面的方向移動所述帽。
7. 如權利要求1的換能器，其中所述裝置包括揚聲器、泵、閥、振 動器、照相機或鏡頭中的一個。
8. 如權利要求1的換能器，其中所述換能器適合于用作傳感器或致 動器。
9. 如權利要求l的換能器，包括至少兩部分電活性聚合物材料。
10. 如權利要求9的換能器，其中所述聚合物材料部分配置為相互遠 離的凹形。
11. 如權利要求9的換能器，其中所述聚合物材料部分配置為相互面 乂于的凹形。
12. 如權利要求9的換能器，其中所述聚合物材料部分實質上是平面的。
13. 如權利要求12的換能器，其中所述聚合物材料部分實質上是彼 此平行的。
14. 如權利要求13的換能器，進一步包括放置在所述聚合物材料部 分之間的隔片和連接到所述隔片的桿。
全文摘要
公開了一種電活性聚合物結構，其可將電能轉換為機械能，反之亦然。本主題的換能器(致動器、發(fā)電機、傳感器或其組合)都需要用于以所需構型來預加載彈性體薄膜電極和電介質聚合物的框架部件或固定部件。這個結構在推拉式裝置中整體偏置，或由另一個部件來預加載/偏置。
文檔編號H01L41/08GK101147271SQ200680008946
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月21日 優(yōu)先權日2005年3月21日
發(fā)明者喬恩·赫姆 申請人:人工肌肉有限公司