專利名稱：由聚合物換能器提供動(dòng)力的泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體泵，其用于將流體介質(zhì)從泵的入口轉(zhuǎn)移到泵的出口，該泵包 括外殼和換能器，外殼在入口與出口之間形成路徑，該換能器被布置成產(chǎn)生泵送作用以使 流體移動(dòng)通過該路徑。
背景技術(shù)：
排量泵用于多種醫(yī)學(xué)和非醫(yī)學(xué)器具中用于泵送和選擇性地壓縮流體介質(zhì)。舉例而 言，泵已用于傳遞所有類型的流體、鹽水等到治療區(qū)等，泵已用于從透析機(jī)器等輸送血液， 且除了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，泵在多種機(jī)械設(shè)施中起到重要作用，用于輸送流體，混合流體，特別是壓 縮流體，例如與制冷系統(tǒng)的結(jié)合。在傳統(tǒng)正排量泵中，活塞在缸體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且通過交替地打開和關(guān)閉入口閥和 出口閥，由活塞泵送流體且選擇性地壓縮流體?；钊透左w由相對(duì)非柔性金屬材料制成，提 供活塞泵良好的效率和長壽命，活塞和缸體必須以精密公差制成。通常，這種泵的制造成 本的大部分是花在活塞、缸體與其它移動(dòng)部件之間的機(jī)械相互作用上。傳統(tǒng)活塞泵的一個(gè) 問題在于它們可產(chǎn)生過量噪聲，特別是在由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸上的偏心元件產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)的情況 下。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種正排量泵(positive displacement pump)，其中以交 替方式提供泵送活動(dòng)，且因此提供潛在地更牢靠且更具成本效率的泵。另一目的在于提供 一種潛在地更靜音的泵。因此，本發(fā)明提供一種泵，其中換能器包括層壓件，該層壓件具有 在第一導(dǎo)電材料層與第二導(dǎo)電材料層之間布置的電介質(zhì)聚合物材料膜，使得該膜可響應(yīng)于 在層之間施加的電場(chǎng)而偏轉(zhuǎn)，其中該層壓件被布置成在膜偏轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生泵送作用。由于聚合物材料的偏轉(zhuǎn)造成泵送作用，因此可顯著地降低噪聲和對(duì)精密公差的需 要。泵送作用的意思是流體由于該作用從入口移動(dòng)到出口。通常，該作用涉及循環(huán)地 改變腔室的體積的過程，該腔室具備截止閥或類似閥，這些閥確保了流體從入口通過腔室 到出口的單向流動(dòng)。在本文中換能器的意思是能將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能和相反地將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能 的元件。這使得能使用換能器作為致動(dòng)器，當(dāng)在第一導(dǎo)電材料層與第二導(dǎo)電材料層之間施 加電場(chǎng)時(shí)，致動(dòng)器工作以移動(dòng)流體通過路徑，和/或使用該換能器作為傳感器，其根據(jù)路徑 中的流動(dòng)條件的變化提供電特征(例如，在導(dǎo)電材料層之間的電容)的變化。因此，換能器 可提供與控制系統(tǒng)的雙向通信，由此控制系統(tǒng)操作該換能器以用作致動(dòng)器使流體移動(dòng)通過 該路徑，且換能器向控制系統(tǒng)提供信息以能夠(例如)基于流動(dòng)阻力或通過換能器的膜偏 轉(zhuǎn)可測(cè)量的其它特征來進(jìn)行閉環(huán)控制。外殼可以任何類型的材料提供，例如以硬聚合材料，以金屬(諸如黃銅或鋁)或甚至以軟聚合材料(諸如硅酮)等提供，泵也可包括微通道且可(例如)包括硅晶片等。在本文中偏轉(zhuǎn)的意思是在壓力影響下彎曲或變形。在膜的情況下，由在導(dǎo)電層之 間施加的電場(chǎng)所致的引力或斥力下來自導(dǎo)電層的壓力觸發(fā)偏轉(zhuǎn)。在本文中層壓件的意思是由兩個(gè)或兩個(gè)以上材料層制成的產(chǎn)品。作為實(shí)例，層壓 件可包括具有電介質(zhì)性質(zhì)的材料，在下文中簡(jiǎn)稱做電介質(zhì)材料。電介質(zhì)材料可為非導(dǎo)電聚 合物或彈性體材料。導(dǎo)電材料可在聚合物或彈性體的每一側(cè)上形成電極圖案。該至少兩種 材料通過燒結(jié)而結(jié)合在一起(例如粘合地)，或者簡(jiǎn)單地布置成彼此接觸。電介質(zhì)材料可為任何材料，其能夠維持電場(chǎng)而不會(huì)傳導(dǎo)電流，諸如相對(duì)介電常數(shù) ε大于或等于2的材料。電介質(zhì)材料可為聚合物，例如，彈性體，諸如硅酮彈性體，諸如弱 粘性硅酮或大體上在彈性變形方面具有類似彈性體特征的材料。舉例而言，Elastosil RT 625,Elastosil RT 622,Elastosil RT 601 (這三個(gè)都是購自 Wacker-Chemie)可用作電介 質(zhì)材料。在本文中，術(shù)語‘電介質(zhì)材料’應(yīng)特別地理解但非排它性地表示相對(duì)介電常數(shù)ε r 大于或等于2的材料。在使用非彈性體的電介質(zhì)材料的情況下，應(yīng)當(dāng)指出的是電介質(zhì)材料應(yīng)例如在彈性 方面應(yīng)當(dāng)具有類似彈性體的性質(zhì)。因此，電介質(zhì)材料應(yīng)是可變形的，變形程度使得該復(fù)合層 能夠偏轉(zhuǎn)從而由于電介質(zhì)材料的變形而進(jìn)行推和/或拉。膜和導(dǎo)電層可具有相對(duì)均勻的厚度，例如，最大厚度小于膜的平均厚度的110%， 最小厚度為膜的平均厚度的至少90%。相對(duì)應(yīng)地，第一導(dǎo)電層的最大厚度可小于第一導(dǎo)電 層的平均厚度110%，最小厚度可為第一導(dǎo)電層的平均厚度的至少90%。按絕對(duì)值計(jì)算， 導(dǎo)電層的厚度可在0. ΟΙμ 至0. Ιμ 范圍內(nèi)，諸如在0. 02 μ m至0. 09 μ m范圍內(nèi)，諸如在 0. 05 μ m至0. 07 μ m范圍內(nèi)。因此，導(dǎo)電層優(yōu)選地以很薄的層涂覆到膜上。這便于良好的性 能且便于該導(dǎo)電層能夠根據(jù)偏轉(zhuǎn)遵循膜表面的波紋圖案。膜的厚度可在ΙΟμ 與200μπι之間，諸如在20μπι與150 μ m之間，諸如在30 μ m 與100 μ m之間，諸如在40 μ m與80 μ m之間。在本文中，膜的厚度被定義為從膜的一個(gè)表 面上的一點(diǎn)到位于膜的波紋表面上的波峰和波谷之間半途的中間點(diǎn)的最短距離。導(dǎo)電層的電阻率可小于10_2Ω μπι，諸如10_4Ω .cm.通過提供具有很低電阻率的 導(dǎo)電層，導(dǎo)電層的總電阻將不會(huì)變得過大，即使是在使用很長導(dǎo)電層的情況下。由此，機(jī)械 能與電能之間的轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時(shí)間能夠維持在可接受的水平同時(shí)允許復(fù)合層大的表面積，從 而在泵中獲得大的致動(dòng)力。在現(xiàn)有技術(shù)中，尚不能提供具有充分低電阻的波紋導(dǎo)電層，主要 是因?yàn)樾枰m當(dāng)考慮材料的其它性質(zhì)來選擇現(xiàn)有技術(shù)導(dǎo)電層的材料以提供順從性。利用本 發(fā)明，因此能由很低電阻率的材料提供順從性的導(dǎo)電層。這允許獲得大的致動(dòng)力同時(shí)維持 換能器的可接受的響應(yīng)時(shí)間。導(dǎo)電層可優(yōu)選地由金屬或?qū)щ姾辖鹬瞥?，例如，由選自銀、金和鎳組成的組中的金 屬制成。或者，可選擇其它合適的金屬或?qū)щ姾辖?。由于金屬和?dǎo)電合金通常具有很低的 電阻率，上文所提到的優(yōu)點(diǎn)通過利用金屬或任何類型的導(dǎo)電材料制作導(dǎo)電層而獲得，該金 屬或任何類型的導(dǎo)電材料的例如彈性模量高于電介質(zhì)材料的彈性模量，即，導(dǎo)電層在彈性 范圍內(nèi)可具有比電介質(zhì)材料更高的剛度。電介質(zhì)材料的電阻率可大于IOkiQ · cm。優(yōu)選地，電介質(zhì)材料的電阻率遠(yuǎn)高于導(dǎo)電層的電阻率，優(yōu)選地高至少IO14-IO18倍。為了便于在一個(gè)方向中增加換能器的順從性，為了便于泵改進(jìn)的反應(yīng)時(shí)間和因此 改進(jìn)的性能和可控制性，或者為了潛在地提供換能器延長的壽命，表面圖案可包括波紋，其 使得導(dǎo)電層在長度方向的長度大于這種復(fù)合層在長度方向的長度。導(dǎo)電層的波紋形狀因此 便于該復(fù)合層在長度方向中拉伸而不會(huì)在該方向中拉伸該導(dǎo)電層，而只是使導(dǎo)電層的波紋 形狀變平。根據(jù)本發(fā)明，導(dǎo)電層的波紋形狀可為膜的表面圖案的復(fù)制形式。波紋圖案可包括波，波形成在一個(gè)共同方向中延伸的波峰和波谷，這些波限定各 向異性特征，便于在垂直于該共同方向的方向中移動(dòng)。根據(jù)此實(shí)施例，波峰和波谷類似于具 有基本上平行波陣面的駐波。但這些波未必是正弦波，而是可具有任何合適形狀，只要限定 波峰和波谷。根據(jù)此實(shí)施例，波峰(或波谷)將限定基本上線性的等高線，即，相對(duì)于整個(gè) 復(fù)合層沿著具有相等高度的波紋部分的線。這至少基本線性的線將至少基本平行于由其它 波峰和波谷所形成的類似等高線，且該至少基本線性的線的方向限定共同方向。以此方式 限定的共同方向具有發(fā)生各向異性的結(jié)果，且便于該復(fù)合層在垂直于該共同方向的方向中 的移動(dòng)，即，該復(fù)合層，或者至少布置于波紋表面上的導(dǎo)電層，在垂直于該共同方向的方向 中是順從的。凸起和凹陷表面部分的變化可相對(duì)宏觀且易于由人肉眼檢測(cè)到，且它們可為制造 商故意行為的結(jié)果。周期性變化可包括由在用于制造該膜的輥上形成的一個(gè)或多個(gè)接頭造 成的記號(hào)或印記。作為替代或作為補(bǔ)充，周期性變化可以基本上微觀的規(guī)模發(fā)生。在此情 況下，周期性變化可具有在制造該膜期間使用的工具(諸如輥)的制造公差的數(shù)量級(jí)。即 使預(yù)期和試圖提供完美的輥，具有完美的圖案，實(shí)際上也總是會(huì)由于制造公差而在輥所限 定的圖案中存在較小變化。無論這種變化有多小，它們將造成在使用該輥重復(fù)地生產(chǎn)的膜 上出現(xiàn)周期性變化。以此方式，膜可具有兩種周期性變化，第一種是結(jié)構(gòu)的壓印表面圖案， 諸如垂直于該膜成形的波紋，此可被稱作變化的子圖案，且另外由于相同輥或者壓印的陰 圖版(negative plate)的重復(fù)壓印，由重復(fù)的子圖案形成超圖案。通過重復(fù)地使用相同的形狀限定元件來制造該膜允許將膜制造成任何預(yù)期長度， 只以導(dǎo)致該預(yù)期長度的多次來使用該形狀限定元件。由此，沿著長度方向的復(fù)合層的尺寸 并不受到用于制造過程的工具尺寸限制。這是非常有利的。該膜可成卷地生產(chǎn)和儲(chǔ)存，且 之后，在向膜涂覆一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層時(shí)，膜可展開。在波紋表面中的每個(gè)波可限定一高度，該高度為波峰與相鄰波谷之間的最短距 離。在此情況下，每個(gè)波限定最大波，最大波具有平均波高度的至多110%的高度，和/或每 個(gè)波可限定最小波，最小波具有平均波高度的至少90%的高度。根據(jù)此實(shí)施例，波高度的變 化很小且獲得很均勻的圖案。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，波的平均波高度可在1/3μπι與20μπι之間，諸如在Iym與 15 μ m之間，諸如在2 μ m與10 μ m之間，諸如在4μπι與8μπι之間。作為替代或作為補(bǔ)充，波的波長可限定為在兩個(gè)波峰之間的最短距離，且在波的 平均高度與平均波長之間的比率可在1/30與2之間，諸如在1/20與1. 5之間，諸如在1/10 與1之間。波的平均波長可在Ιμ 至20μπι范圍內(nèi)，諸如在2 μ m至15 μ m的范圍內(nèi)，諸如在 5μπι至10 μ m的范圍內(nèi)。
在波的平均高度與膜的平均厚度之間的比例可在1/50與1/2之間，諸如在1/40 與1/3之間，諸如在1/30與1/4之間，諸如在1/20與1/5之間。第二導(dǎo)電層可類似于第一層，具有表面圖案，例如，包括波紋形狀，其可被提供為 膜的表面圖案的復(fù)制形式?；蛘?，第二導(dǎo)電層是基本平坦的。如果第二導(dǎo)電層是平坦的，該 復(fù)合層將僅在其兩個(gè)表面之一上具有順從性，而第二導(dǎo)電層傾向于防止另一表面伸長。這 提供下面這樣的復(fù)合層當(dāng)施加電位穿過兩個(gè)導(dǎo)電層時(shí)，該復(fù)合層彎曲。制作層壓件的一種方式是組合幾個(gè)復(fù)合層為具有層壓結(jié)構(gòu)的多層復(fù)合層。每個(gè)復(fù) 合層可包括-由電介質(zhì)材料制成的膜，其具有前表面和后表面，前表面包括凸起和凹陷表面部 分的表面圖案，以及，-第一導(dǎo)電層，其沉積到表面圖案上，該導(dǎo)電層具有由膜的表面圖案形成的波紋形 狀。在此結(jié)構(gòu)中，可限定電極組結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)第二導(dǎo)電層變成第一組電極且每個(gè)中 間導(dǎo)電層變成第二組電極的電極。在兩組電極之間的電位差將造成位于它們之間的膜層變 形，因此該復(fù)合層是有電活性的。在這種分層配置中，最后的層將保持無活性。因此，具有 三層的多層復(fù)合層包括2個(gè)活性層，具有10層的多層復(fù)合層包括9個(gè)活性層等。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，每個(gè)復(fù)合層的膜的表面圖案的凸起和凹陷表面部分可具有沿著 前表面的至少一個(gè)方向周期性地變化的形狀和/或尺寸。這已在上文中解釋。如果導(dǎo)電層沉積于膜的前表面上，可有利地將這些層布置成后表面朝向彼此。以 此方式，多層復(fù)合層變得不太易受膜中缺點(diǎn)的影響。如果在一層中的膜具有能夠?qū)е略谄?相反表面上的電極短路的缺陷，那么其后表面布置成抵靠有問題膜的層在相同位置具有缺 陷是非常不可能的。換言之，兩個(gè)膜中的至少一個(gè)提供兩個(gè)導(dǎo)電層的電分隔。多層復(fù)合層可通過以下步驟制成將復(fù)合層布置成堆且在該堆中每個(gè)相鄰導(dǎo)電層 之間施加電位差使得這些層朝向彼此偏壓同時(shí)使它們變平。由于膜的物理或特征性質(zhì)，上 述方法可將層結(jié)合在一起。作為替代或補(bǔ)充，這些層可由布置于每一層之間的粘合劑而結(jié) 合。優(yōu)選地應(yīng)選擇粘合劑不阻尼多層結(jié)構(gòu)的順從性。因此，對(duì)于膜和粘合劑，可優(yōu)選地選擇 相同材料，或者至少選擇彈性模量小于膜的彈性模量的粘合劑。在多層復(fù)合層中的復(fù)合層優(yōu)選地應(yīng)相同以在施加電場(chǎng)時(shí)確保通過所有層的多層 復(fù)合層的均勻變形。而且，可有利地提供每一層的波紋圖案，使得一層的波峰與相鄰層的波 峰相鄰或者使得一層的波峰與相鄰層的波谷相鄰。在一個(gè)實(shí)施例中，泵基于變形和因此路徑的部分的體積變化。這可(例如)在該 路徑的該部分的相反側(cè)上結(jié)合閥。作為實(shí)例，諸如片狀閥的止回閥可被布置成提供單向流 動(dòng)，即，在一個(gè)方向流動(dòng)通過該路徑，使得該部分重復(fù)的體積變化造成通過該路徑的流體流 動(dòng)。該路徑的該部段可設(shè)于可彈性變形材料的主體中，例如硅酮材料的軟管，橡膠材料的波 紋管或者大體上具有可柔性變形壁的主體。換能器可被布置成在膜偏轉(zhuǎn)時(shí)使該主體偏轉(zhuǎn)， 由此該路徑改變體積。換能器可布置于該路徑外，該路徑內(nèi)，或者其可形成可彈性變形材料 的主體的部分。該換能器可具備至少三個(gè)獨(dú)立活動(dòng)部分，這三個(gè)獨(dú)立活動(dòng)部分可獨(dú)立地致動(dòng)且每 個(gè)部分被布置成能夠使該主體在沿著該路徑的不同位置處變形。以此方式，在流動(dòng)方向上游的第一部分可首先被致動(dòng)以擠壓該主體且在上游第一位置關(guān)閉該路徑。隨后，可致動(dòng)位 于其它兩個(gè)部分之間的第二部分，同時(shí)第一部分防止該路徑中的回流。由第二部分造成的 主體的變形將在下游方向壓該路徑中的流體。隨后，可致動(dòng)最后的第三部分以在釋放第一 部分和第二部分時(shí)防止該路徑中的回流。為此目的，可提供控制系統(tǒng)，其適于以預(yù)定順序致 動(dòng)這些部分。該主體可具有內(nèi)置壓力裝置，其朝向中立配置壓該路徑，可由換能器對(duì)抗該內(nèi)置 壓力裝置將路徑從中立配置朝向致動(dòng)配置推動(dòng)。中立配置可為路徑中的流動(dòng)阻力小于或高 于致動(dòng)配置中的流動(dòng)阻力的配置。作為替代或作為補(bǔ)充，由換能器保持該主體的形狀，換能器在不同變形狀態(tài)之間 主動(dòng)地移動(dòng)該主體，而無需來自該主體本身的任何支承。作為實(shí)例，該主體可包括柔性箔材 料袋，例如，塑料袋。在一個(gè)實(shí)施例中，該主體至少部分地由其層壓件本身構(gòu)成。為此目的， 已提及的來自制成層壓件的至少兩個(gè)的復(fù)合層可形成構(gòu)成該主體的袋的前表面和后表面。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，可卷繞該層壓件以形成電介質(zhì)材料和電極的盤繞圖案。在下文 的描述中，帶有卷繞的層壓件的換能器被稱作卷繞的換能器。在本文中，術(shù)語“盤繞圖案”應(yīng) 被理解為表示換能器的截面呈現(xiàn)平坦、螺旋狀圖案的電極與電介質(zhì)材料。因此，卷繞的換能 器類似瑞士卷或瑞士卷的部分。根據(jù)此實(shí)施例，優(yōu)選地通過卷繞或纏繞潛在無限長度的層壓件成厚壁柱狀自支承 結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)該換能器，該自支承結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度以防止在泵正常操作期間屈曲。層壓件可繞軸向延伸的軸線卷繞以形成在軸向方向延伸的伸長形狀的換能器。卷繞的層壓件可形成管狀構(gòu)件。這應(yīng)被理解為卷繞的層壓件限定外表面和朝向卷 繞的層壓件的中空內(nèi)腔的內(nèi)表面。因此，在此情況下，換能器形成“管”，但“管”可具有任何 合適形狀。在卷繞的換能器形成管狀構(gòu)件的情況下，卷繞的層壓件可形成基本圓柱形或類似 圓柱形的構(gòu)件。在本文中，術(shù)語“類似圓柱形”應(yīng)被理解為表示限定縱向軸線的形狀，且其 中該構(gòu)件沿著至少基本垂直于縱向軸線的平面的截面的尺寸和形狀至少基本獨(dú)立于沿著 縱向軸線的位置。因此，根據(jù)此實(shí)施例，該截面可具有至少基本圓形的形狀，由此限定基本 圓柱形的管狀構(gòu)件。但是，優(yōu)選地，該截面具有非圓形的形狀，諸如橢圓形、卵形、矩形或甚 至不對(duì)稱形狀。非圓形的形狀是優(yōu)選的，因?yàn)樾枰诓僮髌陂g改變換能器的截面積，同時(shí)至 少維持該截面基本上恒定的周長。在截面具有圓形的形狀的情況下，這是不可能的，因?yàn)榫?有恒定周長的圓形的形狀不能改變其面積。因此，非圓形的形狀是優(yōu)選的。卷繞的換能器可限定截面積A，其為卷繞的換能器的截面的部分的面積，形成卷 繞的換能器的材料定位在該面積，且A可在IOmm2至20000mm2的范圍內(nèi)，諸如在50mm2至 2000mm2的范圍內(nèi)，諸如在75mm2至1500mm2的范圍內(nèi)，諸如在200mm2至700mm2的范圍內(nèi)。 因此，A可被認(rèn)為是由換能器所‘占據(jù)’的卷繞的換能器的總截面積的部分的尺寸。換言之， A是在一側(cè)由外表面且在另一側(cè)由朝向卷繞結(jié)構(gòu)的中空腔的內(nèi)表面界定的截面積。卷繞的層壓件可限定回轉(zhuǎn)半徑，rg，由~ = g給出，其中I是卷繞的換能器的面積
慣性矩，且rg可在5mm至IOOmm的范圍內(nèi)，諸如在IOmm至75mm的范圍內(nèi)，諸如在25mm至 50mm的范圍內(nèi)?；剞D(zhuǎn)半徑，rg，反映距沿著管狀構(gòu)件的縱向軸線伸展的中心軸線的距離，如
9果卷繞的換能器的整個(gè)截面位于自中心軸線的該距離，這將會(huì)得到相同的慣性矩，I。而且，卷繞的層壓件可限定長細(xì)比，λ，由λ = L/rg給出，其中L是卷繞的層壓件 的軸向長度，且λ可小于20，諸如小于10。因此，長細(xì)比，λ，反映在卷繞的層壓件的軸向 長度與上文所限定的半徑之間的比率。因此，如果λ較高，軸向長度與半徑相比較大，且卷 繞的層壓件將因此表現(xiàn)為‘較細(xì)長’物體。另一方面，如果λ較低，長度與半徑相比較小， 且卷繞的換能器將因此表現(xiàn)為‘扁平’物體，因此稱該術(shù)語為‘長細(xì)比’。具有較低長細(xì)比的 物體傾向于展示比具有高長細(xì)比的物體更大的剛度。因此，在具有低長細(xì)比的卷繞的層壓 件中，避免或至少在很大程度上減小了在致動(dòng)期間的屈曲。卷繞的層壓件可限定壁厚t，且比率t/rg可在1/1000至2的范圍內(nèi)，諸如在1/500 至1的范圍內(nèi)，諸如在1/300至2/3的范圍內(nèi)。此比率反映與卷繞的層壓件的總尺寸相比， 由卷繞的層壓件限定的壁是怎樣的薄或厚。如果該比率高，那么壁厚就大，且由卷繞的換能 器限定的中空腔相對(duì)較小。在另一方面，如果該比率低，那么壁厚就小，且由卷繞的層壓件 限定的中空腔就相對(duì)的大。作為替代或作為補(bǔ)充，卷繞的層壓件可具有壁厚t，且可包括多個(gè)繞組，η,在每毫 米壁厚5至100個(gè)繞組的范圍內(nèi)，諸如在每毫米壁厚10至50個(gè)繞組的范圍內(nèi)。這個(gè)數(shù)字 越大，展開的層壓件就得越薄。與具有較厚薄膜的較少量繞組的類似換能器(即，具有相同 或類似截面積)相比，薄膜的大量繞組允許以電極之間較低的電位差實(shí)現(xiàn)給定致動(dòng)力。這 是非常有利的。電活性膜的機(jī)械和靜電性質(zhì)用作估計(jì)每單位面積和沖程的致動(dòng)力的基礎(chǔ)。如上文 所述的卷繞的層壓件是通過卷繞/纏繞很薄的復(fù)合層(例如，具有在微米范圍內(nèi)的厚度) 而制成。這種類型的典型換能器可由纏繞成數(shù)千繞組的層壓件制成。當(dāng)致動(dòng)時(shí)，引導(dǎo)/推動(dòng)換能器將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。此能量的部分以勢(shì)能形式存 儲(chǔ)于換能器材料中且當(dāng)換能器放電時(shí)可再次使用。機(jī)械能的其余部分有效地用于致動(dòng)。只 有在加強(qiáng)該換能器結(jié)構(gòu)抵抗機(jī)械不穩(wěn)定性(諸如熟知的由于軸向壓縮所致的屈曲)的情況 下，才有可能使此機(jī)械能的此其余部分完全轉(zhuǎn)換成致動(dòng)能。這可通過一方面加強(qiáng)換能器的 截面積且然后根據(jù)歐拉理論(Euler’ s theory)優(yōu)化換能器的長度實(shí)現(xiàn)。優(yōu)化過程始于限定給定泵所需的力水平。然后基于每單位面積的致動(dòng)力，有可能 估計(jì)達(dá)到該力水平所需的截面積。穩(wěn)定換能器抵抗任何機(jī)械不穩(wěn)定性需要通過增加其截面的面積慣性矩I而加強(qiáng) 其截面。I的低值導(dǎo)致較不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)且I的高值導(dǎo)致很穩(wěn)定的抗屈曲結(jié)構(gòu)。用于加強(qiáng)該
結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)是回轉(zhuǎn)半徑;rg( =芯),其涉及截面積A和面積慣性矩I。、的低值導(dǎo)
致不太穩(wěn)定的換能器結(jié)構(gòu)且rg的高值導(dǎo)致很穩(wěn)定的換能器結(jié)構(gòu)。在限定了面積A與回轉(zhuǎn)半 徑。的最佳范圍之后，有可能以t/rg的形式相對(duì)rg限定卷繞的換能器的壁厚t的最佳范 圍。面積A，半徑rg，和壁厚t是用于加強(qiáng)換能器截面獲得最大穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)參數(shù)。t/^的 低值導(dǎo)致高度穩(wěn)定的換能器結(jié)構(gòu)且t/rg的高值導(dǎo)致不太穩(wěn)定的換能器結(jié)構(gòu)。一旦確定了截面參數(shù)的范圍，就需要估計(jì)換能器的最大長度L，對(duì)于所需力水平在 該長度下不會(huì)發(fā)生由于軸向壓縮所致的屈曲。如上文所限定的長細(xì)比，λ，是與歐拉理論相 關(guān)的常用參數(shù)。λ的低值導(dǎo)致抵抗屈曲的高度穩(wěn)定的換能器結(jié)構(gòu)且λ的高值導(dǎo)致抵抗屈曲的不太穩(wěn)定的換能器結(jié)構(gòu)。一旦確定了最佳工作引導(dǎo)換能器的所有設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)于具有在徽米范圍內(nèi)的具體 厚度的給定電活性膜，就有可能基于換能器壁厚t和每毫米的繞組數(shù)目η來估計(jì)制造換能 器所需的繞組總數(shù)。卷繞的換能器可包括中心桿，中心桿被布置成使得換能器繞中心桿卷繞，中心桿 的彈性模量低于電介質(zhì)材料的彈性模量。根據(jù)此實(shí)施例，由管狀構(gòu)件限定的中空腔可由中 心桿填充，或者該中心桿可為中空的，即，其可具有管狀結(jié)構(gòu)。中心桿可支承該卷繞的換能 器。但是，重要的是中心桿的彈性模量低于電介質(zhì)材料的彈性模量以防止中心桿抑制換能 器的功能。作為替代或作為補(bǔ)充，卷繞的換能器可包括中心桿，中心桿被布置成使得換能器 繞該中心桿卷繞，且中心桿可具有鄰接該卷繞的換能器的外表面，所述外表面的摩擦允許 該卷繞的換能器在該換能器致動(dòng)期間沿著所述外表面滑動(dòng)。在此情況下，中心桿可例如為 彈簧。由于允許卷繞的換能器沿著中心桿的外表面滑動(dòng)，中心桿的存在將不會(huì)抑制換能器 沿著由中心桿限定的縱向方向的伸長，換能器的操作將由此不會(huì)受到中心桿存在的抑制， 這是由于中心桿的低摩擦特征。包括卷繞的層壓件的換能器可具有截面的面積慣性矩，其為展開的換能器的截面 的面積慣性矩的至少50倍，諸如至少75倍，諸如至少100倍。根據(jù)本發(fā)明，此增加的面積 慣性矩優(yōu)選地通過利用充分的繞組數(shù)目卷繞該換能器以實(shí)現(xiàn)卷繞結(jié)構(gòu)的預(yù)期面積慣性矩 而得到。因此，盡管展開的換能器優(yōu)選地很薄，且因此必將具有很低的面積慣性矩，但卷繞 的換能器的預(yù)期面積慣性矩可簡(jiǎn)單地以充分?jǐn)?shù)量的繞組卷繞該換能器而獲得。卷繞的換能 器的面積慣性矩應(yīng)優(yōu)選地足以在正常操作期間防止換能器屈曲。因此，卷繞的換能器可具有足以實(shí)現(xiàn)卷繞的換能器的截面的面積慣性矩為展開的 換能器的截面的面積慣性矩的平均值的至少50倍(諸如至少75倍，諸如至少100倍)的 多個(gè)繞組。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，正電極和負(fù)電極可以一定圖案布置于電介質(zhì)材料的相同表面 上，且可通過卷繞上面布置有電極的電介質(zhì)材料使得卷繞的換能器限定下面這樣層而形成 換能器在每一層中，正電極與負(fù)電極相對(duì)布置，且在正電極與負(fù)電極之間有電介質(zhì)材料。 根據(jù)此實(shí)施例，優(yōu)選地可通過提供電介質(zhì)材料的長膜且在膜的一個(gè)表面上沉積電極來制造 該換能器。電極可例如沿著長膜的縱向方向以交替方式排列。然后可卷繞該長膜使得上面 帶有正電極的膜的部分將布置成與屬于先前相鄰繞組且上面帶有負(fù)電極的膜的部分相鄰。 由此，正電極與負(fù)電極將彼此相對(duì)布置，且在正電極與負(fù)電極之間有電介質(zhì)膜部分的。因 此，當(dāng)膜卷繞時(shí)形成換能器?？衫缦鄬?duì)于這些層中的至少一個(gè)的表面圖案卷繞該層壓件，使得膜的變形造成 換能器的徑向膨脹。這可獲得平行于卷繞該層壓件所繞的軸線延伸的波紋圖案?；蛘?，可 相對(duì)于層中至少一個(gè)的表面圖案卷繞該層壓件，使得膜的變形造成換能器軸向膨脹和因此 在換能器的軸向相反端面之間的可變距離。這可獲得垂直于卷繞該層壓件所繞的軸線延伸 的波紋圖案，使得波紋的波峰和波谷(chests)繞換能器在周向延伸。如果卷繞該層壓件以形成中空的圓柱形主體部分，那么卷繞的層壓件自身可形成 該路徑的至少一部分。
該泵可包括至少一個(gè)卷繞的換能器，選擇性為多個(gè)卷繞的換能器，用于軸向伸長 且布置于圓柱形腔室中，且端部作為活塞在該腔室中移動(dòng)。如果以此方式提供多個(gè)卷繞的 換能器，那么它們可布置成相鄰換能器的端面朝向彼此，形成在連續(xù)圓柱形腔室中的換能 器的連續(xù)行。換能器可例如在端部之間的位置固定于腔室壁上。當(dāng)致動(dòng)換能器時(shí)，它們?cè)谳S向 膨脹從而減小在相鄰換能器之間提供的空間體積。當(dāng)換能器軸向收縮時(shí)，在相鄰換能器之 間的空間體積增加。在換能器中每一個(gè)的端面之間，即在卷繞的層壓件的外表面與圓柱形 腔室的內(nèi)表面之間或者在卷繞的換能器內(nèi)的內(nèi)腔中提供額外空間。當(dāng)換能器同時(shí)收縮或膨 脹時(shí)，這些額外空間相對(duì)于換能器之間的空間以相反順序增加或減小。通過在空間的每一 端提供一組止回閥或具有類似單向功能的閥，當(dāng)同時(shí)致動(dòng)缸體中所有換能器時(shí)，可獲得泵 送作用。在泵的非卷繞實(shí)施例中，換能器包括層壓件的平面薄片，且泵包括控制系統(tǒng)，控制 系統(tǒng)適于以對(duì)應(yīng)于平面層壓件的諧振頻率的頻率驅(qū)動(dòng)該變換器，從而能夠利用低能量供應(yīng) 以相對(duì)較大的移動(dòng)振幅獲得層壓件的振動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)可變體積腔室。
現(xiàn)將參看附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中圖1和圖2示出根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)不同泵結(jié)構(gòu)；圖3示出用于換能器的層壓件；圖4和圖5分別示出卷繞該層壓件以伸長和膨脹；圖6示出通過堆疊兩個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)而制作卷繞的換能器的替代方式；圖7至圖沈示出各種替代泵；以及圖27示出用于控制泵的控制系統(tǒng)的電氣圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出泵1，其包括外殼2，外殼2具有在內(nèi)部布置的固定心軸3，心軸3在外表 面上具有螺旋形翅片4的螺紋結(jié)構(gòu)。外殼形成使流體進(jìn)入到泵中的入口 5，和用于使流體從 泵排出的出口 6。路徑在外殼的內(nèi)表面7與心軸的外表面8之間從入口延伸到出口。外殼 由可彈性變形的材料制成，且換能器9附著到外表面上以造成外殼偏轉(zhuǎn)。圖Ic和圖Id示 出外殼的兩種不同偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，且圖le、lf和圖Ig示出繞固定心軸3的偏轉(zhuǎn)順序。繞心軸的 順序偏轉(zhuǎn)造成流體受心軸引導(dǎo)從入口 5移動(dòng)到出口 6。每個(gè)換能器9由層壓件制成，該層壓件具有在第一導(dǎo)電材料層與第二導(dǎo)電材料層 之間布置的電介質(zhì)聚合物材料膜，使得該膜可響應(yīng)于在層之間施加的電場(chǎng)而彈性地變形。 該層壓件被卷繞、堆疊或折疊。圖2示出替代泵，其具有軟管10和多個(gè)換能器11，軟管10可由于施加壓力而變 形，且多個(gè)換能器11繞該軟管布置以在壓力下變形?？捎芍聞?dòng)順序來提供泵送效果，其中 輪流致動(dòng)換能器以提供從入口 12到出口 13的流動(dòng)，也參看圖7。提供層壓件使得其更易于在一個(gè)順從方向而不是其它方向中變形。該層壓件還具 備各向異性特征使得其在一個(gè)特定方向的順從性小于在其它方向的順從性。如圖3所示，這個(gè)特征可由波形表面結(jié)構(gòu)提供，由于波形表面結(jié)構(gòu)，該層壓件可由于聚合物材料16的彈 性變形在由粗箭頭14、15所示的順從縱向方向膨脹，而涂覆到波形表面的導(dǎo)電材料被拉直 而不是拉伸。通過選擇導(dǎo)電材料，使導(dǎo)電材料彈性變形所需的力大于使聚合物材料變形所需的 力，且通過在由粗箭頭17、18所示的整個(gè)橫向方向(即，平行于波的波峰和波谷延伸的方 向)涂覆導(dǎo)電材料，層壓件變得各向異性。各向異性表示層壓件在縱向方向是順從的且在 橫向方向是不順從的。卷繞圖3所示的層壓結(jié)構(gòu)以形成管狀致動(dòng)器。如圖4所示，可繞著平行于波峰和 波谷延伸的軸線來卷繞該層壓件。這在聚合物變形時(shí)提供管狀致動(dòng)器的徑向膨脹，在本文 中被稱作“卷繞以膨脹”。如圖5所示，也可繞著垂直于波峰和波谷延伸的軸線來卷繞該層 壓件。這在聚合物變形時(shí)提供管狀致動(dòng)器的軸向伸長，在本文中被稱作“卷繞以伸長”。當(dāng) 卷繞該層壓件時(shí)，兩個(gè)相反的導(dǎo)電材料層，在下文中稱作頂層和底層，必須由額外的非導(dǎo)電 材料膜將彼此電分隔。圖6示出層壓件，其被卷繞以形成管狀結(jié)構(gòu)且其包括具有至少兩個(gè)復(fù)合層的多層 結(jié)構(gòu)。復(fù)合層是相同的，每個(gè)包括膜19和第一導(dǎo)電材料層20，膜19由電介質(zhì)聚合物材料 制成且具有前表面和后表面，前表面包括凸起和凹陷表面部分的表面圖案，第一導(dǎo)電材料 層20沉積到該表面圖案上。當(dāng)這兩個(gè)復(fù)合層布置在彼此的頂部時(shí)，形成層壓件，該層壓件 具有在兩個(gè)導(dǎo)電層之間的聚合物材料膜。第二膜提供頂層與底層之間的隔離。復(fù)合層可如 圖所示布置，一個(gè)復(fù)合層的前表面抵靠相鄰復(fù)合層的后表面?；蛘?，復(fù)合層可被布置成后表 面抵靠彼此以形成下面這樣的層壓件兩個(gè)膜抵靠彼此且兩個(gè)導(dǎo)電層在兩個(gè)膜的相反側(cè)上 形成外表面。圖2中的換能器各由被卷繞以伸長的層壓件制成。卷繞的層壓件的軸向端部隨后 接合以形成環(huán)形狀。圖7還示出此泵的順序和原理。圖8a和圖8b示出帶有管20和一行換能器21的泵。換能器各由被卷繞以伸長的 層壓件制成，且卷繞的層壓件的軸向端部之一朝向管20布置以通過與之直接接觸或者經(jīng) 由布置于卷繞的層壓件的軸向端與管的外表面之間的壓力元件(未圖示)而使管20變形。 圖8a至圖8c示出該泵具有下面這樣的結(jié)構(gòu)其僅工作對(duì)抗在該管20中泵送的流體的動(dòng)態(tài) 壓力。當(dāng)考慮換能器21必須作用于管上的力時(shí)，在管中最低壓力與管外的壓力之間的靜態(tài) 壓差可忽略。圖9示出插入于圖8a至圖8c中的管20中或者圖2中的軟管10中的止回閥元件 22。圖10示出泵的替代設(shè)計(jì)，其中被動(dòng)軟管M的部分與主動(dòng)軟管的部分交替排列。主 動(dòng)軟管部分包括先前提到類型的層壓件且因此構(gòu)成用于該泵的換能器。該層壓件被卷繞以 伸長使得在主動(dòng)部分中能進(jìn)行徑向收縮和膨脹，且通過合適的致動(dòng)順序，流體可從入口 26 通過軟管對(duì)、25轉(zhuǎn)移到出口 27，如圖11所示。圖12示出帶外殼28和兩個(gè)換能器的泵，換能器包括移位構(gòu)件四、30，移位構(gòu)件 29,30可通過使用被卷繞以伸長的層壓件32、33而移動(dòng)進(jìn)出通道31。該泵包括布置在處于 粗箭頭所示的流動(dòng)方向中的換能器的相反側(cè)上的兩個(gè)止回閥34、35。圖13a至圖13c示出根據(jù)本發(fā)明的泵的替代實(shí)施例。泵36包括多個(gè)復(fù)合層37、38，每個(gè)復(fù)合層具有三個(gè)導(dǎo)電層39、40和41。在兩個(gè)復(fù)合層37、38之間形成腔42且通過 復(fù)合層遠(yuǎn)離彼此或朝向彼此地排斥或收縮，可改變腔42的體積。偏壓電壓最初可向?qū)щ妼?39提供，由此復(fù)合層的上部朝向彼此偏壓，而液體進(jìn)入到入口 43。隨后，去除在導(dǎo)電層39 之間的偏壓電壓且偏壓電壓施加到導(dǎo)電層41。這關(guān)閉了入口 43且偏壓電壓能夠施加到導(dǎo) 電層40，由此復(fù)合層的中間部分朝向彼此偏壓且減小腔42的體積。因此通過出口 44將該 腔中的流體從腔室泵出。圖14示出帶外殼45的泵，外殼45形成腔室46，且止回閥47、48處于相反的端部。 由被卷繞以膨脹或伸長的層壓件形成的換能器49布置于腔室46中使得腔室中的自由體積 可循環(huán)改變，并使得從入口 50通過腔室向出口 51泵送流體。圖15示出圖14中的泵結(jié)構(gòu)， 其中該腔室呈“心”形。圖16和圖17示出帶外殼52的泵，外殼52具有槽53，槽53形成在入口 55與出口 56之間延伸的腔室M。通過使用換能器57、58使外殼變形，換能器57、58包括被卷繞以伸 長的層壓件。外殼52還包括多個(gè)腔或貫通內(nèi)孔，其使得外殼更易于偏轉(zhuǎn)。止回閥可位于腔 室M的相對(duì)端以確保該流動(dòng)僅在一個(gè)方向。圖18示意性地示出帶外殼59的泵，外殼59在兩個(gè)止回閥61、62之間形成通道 60。彈簧結(jié)構(gòu)卷盤63布置于該通路中。該卷盤是由伸長元件制成，該伸長元件由被卷繞以 伸長的層壓件構(gòu)成。在層壓件的伸長或收縮期間，該卷盤張開且因此增加在繞組之間空間 64的尺寸，或者閉合且減小在繞組之間的空間，由此在通道中提供泵送作用。圖19示出無 止回閥的相同泵。在此情況下，由通道的幾何形狀或者盤繞的層壓件提供泵送作用，由于其 形狀，由卷繞的層壓件的收縮在泵送方向中推動(dòng)流體。圖20至圖22示出帶外殼的泵，外殼帶有管65，換能器66以及止回閥67、68，換能 器66包括圍繞該管卷繞以膨脹和收縮的層壓件。圖23示出帶有外殼69的泵，外殼69具有入口 70和出口 71，入口和出口設(shè)有止回 閥，止回閥在圖23中未示出。止回閥提供從入口到出口的單向流動(dòng)。泵包括波紋管72，波 紋管72形成具有可變體積的腔室73。換能器74、75被布置成移動(dòng)腔室73的頂壁76且因 此造成腔室體積變化。每個(gè)換能器包括被卷繞以伸長的層壓件。圖M示出帶外殼77的泵，外殼77形成腔室78，腔室78具有入口 79和出口 80。 入口和出口設(shè)有止回閥81、82，止回閥提供從入口到出口的單向流動(dòng)。換能器83包括被卷 繞以膨脹的層壓件且在腔室78中作為在缸體中的活塞來回移動(dòng)從而造成腔室78可變的體 積且因此提供泵送效果。圖25示出泵送效果，其中陰影區(qū)域代表填充腔室78且無陰影區(qū) 域代表清空腔室78。時(shí)間沿著X軸且換能器83的端面84的位置沿著Y軸。圖沈示出帶有層壓件85的泵，層壓件85形成泵的換能器。層壓件移動(dòng)一個(gè)且可 能兩個(gè)活塞86、87，活塞86、87在相對(duì)應(yīng)的缸體88、89中移動(dòng)從而形成可變體積的腔室90、 91。帶有止回閥96、97、98、99的入口和出口 92、93、94、95在泵送活動(dòng)中提供通過腔室的單 向流動(dòng)。彈簧力結(jié)構(gòu)，例如，呈螺旋盤繞彈簧100的形式，可被布置成調(diào)整泵的特征。圖27示出用于控制泵操作的控制系統(tǒng)的電氣圖。控制系統(tǒng)特別適合于與某種排 量泵結(jié)合，其中通過使具有可變體積的腔室偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)泵送，即當(dāng)腔室在一個(gè)方向中偏轉(zhuǎn) 時(shí)，該體積增加且該腔室充滿流體且當(dāng)腔室在另一方向偏轉(zhuǎn)時(shí)，該體積減小且流體從腔室 排出。
控制系統(tǒng)是基于以下事實(shí)層壓件具有電容器結(jié)構(gòu)，其中電容指示第一層與第二 層之間的距離，由此指示膜偏轉(zhuǎn)度。通過確定層壓件的電容，控制系統(tǒng)能確定泵上的壓差，且如果泵是排量泵，也能確 定在泵的可變體積腔室中的排量等級(jí)。這個(gè)特點(diǎn)可例如用于劑量目的，在這里根據(jù)本發(fā)明 的泵能夠通過確定膜的偏轉(zhuǎn)度和因此確定可變體積腔室的壓縮程度而提供相對(duì)精確的流 體劑量。在下文的描述中，詞語“偏壓電壓”描述了在第一層與第二層之間施加以使膜偏轉(zhuǎn) 的電壓，且“測(cè)量電壓”描述了施加以確定層壓件的電容的電壓。根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)能在層之間施加已知的偏壓電壓且同時(shí)確定層壓件的電 容。根據(jù)泵的參考特征，所施加的偏壓電壓應(yīng)提供膜的理論偏轉(zhuǎn)和因此排量泵的理論體積 變化。通過在施加偏壓電壓時(shí)測(cè)量電容，控制系統(tǒng)能導(dǎo)出實(shí)際獲得的膜偏轉(zhuǎn)和因此導(dǎo)出實(shí) 際獲得的從可變體積腔室排出的流體排量?？刂葡到y(tǒng)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量101，其中規(guī)定了從腔室排出的流體排量與致動(dòng)器電 容之間的比率。在最簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，該比率作為離散值存儲(chǔ)。計(jì)算裝置102與數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 裝置101通信且基于待由泵排出的流體劑量來確定理論偏壓電壓103，通過理論偏壓電壓 103，使膜在理論上偏轉(zhuǎn)以造成預(yù)期的腔室體積變化。計(jì)算裝置將理論偏壓電壓傳送到誤差 校正裝置104，偏壓源105從誤差校正裝置104接收輸入以設(shè)置到換能器106的高電壓偏壓 信號(hào)。致動(dòng)裝置106包括已描述類型的層壓件，且在此圖中，此層壓件對(duì)應(yīng)于電容器。除了偏壓信號(hào)之外，偏壓源105經(jīng)由連接線107提供低電壓測(cè)試信號(hào)，低電壓測(cè)試 信號(hào)與偏壓信號(hào)同時(shí)施加到層壓件。濾波器108從高電壓信號(hào)提取低電壓信號(hào)，且電容測(cè) 量裝置109確定換能器106的實(shí)際電容。在膜由高電壓偏壓信號(hào)偏轉(zhuǎn)時(shí)確定電容，且因此，電容指示偏壓信號(hào)使膜偏轉(zhuǎn)多 少。在圖示實(shí)施例中，電容被轉(zhuǎn)換成反饋信號(hào)110，在此情況下，以比較偏壓電壓的形式，即 與泵的參考特征一起提供實(shí)際發(fā)生且通過測(cè)量電容而確定的膜偏轉(zhuǎn)的偏壓電壓。在校正裝 置104中從確定的偏壓電壓減去比較偏壓電壓且由偏壓源105接收所得校正偏壓電壓111。一般而言，反饋信號(hào)110可經(jīng)由不同類型的放大器和轉(zhuǎn)換器以各種方式處理。電容測(cè)量裝置也可實(shí)施于常規(guī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，且其可包括(但不限于)以下測(cè)量 原理中的任何原理AC功率、AC電壓、RMS功率、峰值檢測(cè)器、對(duì)數(shù)檢測(cè)器、RSSI、阻抗、脈沖 測(cè)量電路或頻譜測(cè)量電路。向致動(dòng)器提供高電壓偏壓信號(hào)的設(shè)置電壓通常大于300伏且小于10kV。一實(shí)例將 為500V至2. 5kV。低電壓測(cè)試信號(hào)將通常在IV與IOV之間，一實(shí)例將為3V至5V。高電壓 致動(dòng)器控制信號(hào)通常為直流至小于IKHz重復(fù)頻率的低頻，一實(shí)例將為50Hz。AC測(cè)試信號(hào) 通常在顯著高于致動(dòng)器的頻率，通常以10的倍數(shù)高于致動(dòng)器重復(fù)頻率。具有2.5kV信號(hào)， IOHz重復(fù)頻率的致動(dòng)器可具有5V的AC測(cè)試信號(hào)和IKHz的重復(fù)頻率。數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)還可適于使用確定的可變體積腔室的偏轉(zhuǎn)來提供具體流動(dòng)信息。這 種信息可基于第二數(shù)據(jù)文件中的信息，第二數(shù)據(jù)文件的信息描述了在可變體積腔室的偏轉(zhuǎn) 與在泵上的壓降、經(jīng)過泵的具體流體的流動(dòng)速度等之間的比率。而且，控制系統(tǒng)可適于控制該泵用于定劑量目的。作為實(shí)例，控制系統(tǒng)可具有讀取 使用者關(guān)于流量的請(qǐng)求的能力。作為實(shí)例，這可為預(yù)期壓降，預(yù)期流動(dòng)速度或者通過泵釋放
15的流體介質(zhì)的預(yù)期劑量。基于該請(qǐng)求，控制系統(tǒng)向第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層施加偏壓電壓， 同時(shí)測(cè)量電容。以此方式，確定可變體積腔室的偏轉(zhuǎn)且通過使用在第一數(shù)據(jù)文件和第二數(shù) 據(jù)文件中的數(shù)據(jù)，可履行該請(qǐng)求。
權(quán)利要求
1.一種用于從入口向出口轉(zhuǎn)移流體介質(zhì)的流體泵，所述泵包括外殼，其在所述入口 與出口之間形成路徑；以及，換能器，其包括層壓件，層壓件具有布置在第一導(dǎo)電材料層與 第二導(dǎo)電材料層之間的電介質(zhì)聚合物材料膜，使得所述膜可響應(yīng)于施加在所述層之間的電 場(chǎng)而偏轉(zhuǎn)，其中所述層壓件被布置成在所述膜偏轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生泵送作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泵，其中所述膜具有第一表面和相反的第二表面，至少所述 第一表面包括凸起和凹陷表面部分的表面圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的泵，其中所述第一導(dǎo)電層沉積在所述表面圖案上且具有凸起 和凹陷表面部分的形狀，所述形狀由所述表面圖案形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2至3中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述凸起和凹陷表面部分具有沿著所 述第一表面的至少一個(gè)方向周期性地變化的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述凸起和凹陷表面部分具有沿著所 述第一表面的至少一個(gè)方向周期性地變化的尺寸。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述第一導(dǎo)電層的彈性模量高于所述膜 的彈性模量。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述膜的厚度在所述膜的平均厚度的 90%與110%之間。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述第一導(dǎo)電層的厚度在所述第一導(dǎo)電 層的平均厚度的90%與110%之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至8中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述表面圖案包括波，這些波形成基本 在一個(gè)共同方向上延伸的波谷和波峰。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的泵，其中每個(gè)波限定成為波峰與相鄰波谷之間的最短距離 的高度，所述波的高度的平均值在1/3 μ m與20 μ m之間。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述膜的平均厚度在IOym與200μπι 之間。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述第一導(dǎo)電層的厚度在 0.01-0. Ιμ 范圍內(nèi)。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求2至12中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述第二表面是基本平坦的。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述層壓件包括多層結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)具 有至少兩個(gè)復(fù)合層，每個(gè)復(fù)合層包括-由電介質(zhì)聚合物材料制成的膜，其具有前表面和后表面，所述前表面包括凸起和凹陷 表面部分的表面圖案，以及-沉積到所述表面圖案上的第一導(dǎo)電材料層，所述導(dǎo)電材料層具有波紋形狀，該波紋形 狀由所述膜的表面圖案形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的泵，其中至少兩個(gè)相鄰復(fù)合層被布置成后表面朝向彼此。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的泵，其中至少兩個(gè)相鄰復(fù)合層被布置成前表面朝向彼此。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的泵，其中至少兩個(gè)相鄰復(fù)合層被布置成一個(gè)復(fù)合層的后表 面朝向另一個(gè)復(fù)合層的前表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述多層結(jié)構(gòu)由多個(gè)復(fù)合層制成， 所述多個(gè)復(fù)合層獲得的截面的面積矩足以彎曲所述多層結(jié)構(gòu)，所述面積矩是單獨(dú)的每個(gè)復(fù)合層的面積慣性矩的平均值的至少2倍。
19.根據(jù)權(quán)利要求14至18中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述路徑的一部分由在所述復(fù)合層 之間的空間形成。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其包括至少兩個(gè)止回閥，該至少兩個(gè)止回閥 布置在所述路徑中以在它們之間形成泵送空間。
21.根據(jù)權(quán)利要求19與20所述的泵，其中所述閥結(jié)構(gòu)由每個(gè)復(fù)合層的膜上的附加導(dǎo)電 材料層形成。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的泵，其中所述換能器形成為使得所述層壓件在無支承狀態(tài) 下關(guān)于在泵的正常操作范圍內(nèi)的穩(wěn)定性符合歐拉標(biāo)準(zhǔn)。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述路徑的至少一部分設(shè)在可彈性變 形材料的主體中，所述換能器被布置成在所述膜偏轉(zhuǎn)時(shí)使所述主體偏轉(zhuǎn)，由此所述路徑改 變體積。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的泵，其中所述換能器設(shè)有至少三個(gè)獨(dú)立活動(dòng)部分，每個(gè)部 分被布置成能使所述主體在沿著所述路徑的不同位置處變形。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的泵，其還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適于按順序在另一 個(gè)部分之后提供一個(gè)部分的隨后致動(dòng)，這實(shí)現(xiàn)泵送作用，由此在所述路徑中在流動(dòng)方向上 推動(dòng)流體。
26.根據(jù)權(quán)利要求M至25中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述主體具有內(nèi)置壓力裝置，所述 內(nèi)置壓力裝置朝向中立配置壓所述路徑，所述路徑可被所述換能器克服所述內(nèi)置壓力裝置 從所述中立配置朝向致動(dòng)配置推動(dòng)。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的泵，其中所述中立配置相比所述致動(dòng)配置在所述路徑中提 供更低的流動(dòng)阻力。
28.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的泵，其中所述中立配置相比所述致動(dòng)配置在所述路徑中提 供更高的流動(dòng)阻力。
29.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述換能器布置在所述路徑外部。
30.根據(jù)權(quán)利要求1至觀中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述換能器布置在所述路徑中。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的泵，其中所述換能器被布置成在所述膜偏轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生所述路 徑的一部分的體積變化。
32.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述層壓件被卷繞以形成伸長的換能 器，伸長的換能器具有軸向相反的端面和在所述端面之間的圓柱形主體部分。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的泵，其包括至少兩個(gè)止回閥，所述至少兩個(gè)止回閥布置在 所述換能器的相反側(cè)上且提供在所述入口與出口之間的單向流動(dòng)，所述閥元件中的至少一 個(gè)附著到所述端面或形成所述端面的部分。
34.根據(jù)權(quán)利要求32至34中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述圓柱形主體部分是中空的且形 成所述路徑的部分。
35.根據(jù)權(quán)利要求32至34中任一項(xiàng)所述的泵，其包括布置在連續(xù)圓柱形腔室中的多個(gè) 伸長的換能器，相鄰換能器的端部朝向彼此。
36.根據(jù)權(quán)利要求32至35中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述層壓件相對(duì)于所述層中至少一 個(gè)的表面圖案被卷繞，使得所述膜的偏轉(zhuǎn)造成所述換能器的徑向膨脹。
37.根據(jù)權(quán)利要求32至35中任一項(xiàng)所述的泵，其中所述層壓件相對(duì)于所述層中至少一 個(gè)的表面圖案被卷繞，使得所述膜的偏轉(zhuǎn)造成所述換能器的軸向膨脹。
38.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其包括具有內(nèi)部空間的波紋管，所述換能器 被布置成使所述波紋管偏轉(zhuǎn)從而提供所述空間中可變的體積。
39.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其包括缸體和活塞，所述缸體形成所述路徑 的部分且設(shè)有兩個(gè)止回閥，所述止回閥被布置造成從所述入口通過所述缸體到所述出口的 單向流動(dòng)，所述活塞可在所述缸體中移動(dòng)，其中所述換能器被布置成使所述活塞相對(duì)于所 述缸體移動(dòng)。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的泵，其中所述換能器的層壓件是平面層壓件，且所述泵包 括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適于以對(duì)應(yīng)于所述平面層壓件的諧振頻率的頻率驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)換ο
41.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的泵，其包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適于在所述 層之間施加已知偏壓電壓，同時(shí)確定對(duì)于所述層壓件的電容具有重要意義的測(cè)量。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的泵，其中所述換能器被布置成提供可變體積腔室的偏轉(zhuǎn)。
43.根據(jù)權(quán)利要求1至40中任一項(xiàng)所述的泵的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適于在所述層 之間施加已知偏壓電壓，同時(shí)確定所述泵的層壓件的電容。
全文摘要
本發(fā)明提供一種泵，該泵帶換能器，該換能器包括層壓件，該層壓件具有在第一導(dǎo)電材料層與第二導(dǎo)電材料層之間布置的電介質(zhì)聚合物材料膜，使得該膜可響應(yīng)于在層之間施加的電場(chǎng)而偏轉(zhuǎn)，其中該層壓件被布置成在膜偏轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生泵送作用。本發(fā)明還提供泵的控制系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F04B43/04GK102084133SQ200980125444
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者B·湯森, C·莫塞, M·K·漢森, M·本斯利馬內(nèi), M·特里森, Y·伊斯坎達(dá)拉尼 申請(qǐng)人:丹佛斯強(qiáng)力聚合公司