隔膜致動器以及制作隔膜致動器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隔膜致動器及制作隔膜致動器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]此處使用的術(shù)語“致動器”指代一種部件或組件，利用該部件或組件使電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而產(chǎn)生致動器的部件的移動，該移動可以被傳遞至待被致動的元件。這種類型的致動器可以被有益地用在流體閥技術(shù)中，比如以便使閥致動。
[0003]隔膜致動器的特征在于:其具有用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的隔膜層。為了這個目的，隔膜層可以典型地由電活性聚合物形成，其中當(dāng)施加電壓時該電活性聚合物伸張或收縮。通過這種方式，通過施加電壓施加的電能被轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，這會導(dǎo)致致動器的輸出部件的移動。
[0004]適合的電活性聚合物可以比如為、硅樹脂、聚亞安酯以及丙烯酸酯。
[0005]從現(xiàn)有技術(shù)已知的是將這種隔膜致動器疊層在彼此的頂部上以形成疊層隔膜致動器從而增加了其可用力。例如，這種類型的疊層隔膜致動器通過W02008/08325A是已知的，在其中，每個隔膜層被夾持在兩個框架部件之間。多個這些隔膜致動器被彼此疊層以形成疊層隔膜致動器。
[0006]在這種類型的疊層隔膜致動器中，已經(jīng)證明是無益的:由于各個隔膜致動器中的每個通過它們的框架部件彼此抵靠在頂部上，因此它們需要很多空間。然而，框架具有比隔膜層的有效區(qū)域具有更大的高度，這會產(chǎn)生移動，即隔膜層的區(qū)域設(shè)布置在電極之間。從而更多的空間被浪費了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目標(biāo)是形成這樣一種隔膜致動器，其可以施加高水平的力而需要很小的安裝空間。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，通過以下隔膜致動器來實現(xiàn)所述目標(biāo)，所述隔膜致動器包括包括第一框架部件和第二框架部件，其中，至少兩個隔膜層以疊層方式布置在所述第一框架部件和第二框架部件之間，并且被形成為電活性聚合物層。
[0009]本發(fā)明的基本思想是減少所需用于隔膜致動器的空間，因為并不是每個隔膜層被夾持在其自己的框架內(nèi)。在更希望的情形中，由電活性聚合物(EAP隔膜)制成的多個隔膜層被夾持在單一框架之間。因此，這種類型的隔膜致動器還可以被稱為多層隔膜致動器，因為多個隔膜層被布置在致動器中、尤其是致動器的框架中。然而多個隔膜層可以提供高水平力，從而以這種方式形成的隔膜致動器可以為現(xiàn)有技術(shù)已知的疊層隔膜致動器產(chǎn)生可比較的力但具有更低的結(jié)構(gòu)高度。
[0010]尤其是隔膜致動器可以為電介質(zhì)彈性致動器。
[0011]電介質(zhì)彈性致動器大體上以具有大表面積的電極為基礎(chǔ)，所述電極被布置在電介質(zhì)聚合物薄膜的兩個相對側(cè)的每個上。如果足夠強(qiáng)的電壓施加至電極，則電極彼此靠攏因此在期間放置的聚合物薄膜被壓縮。由于使用的電介質(zhì)聚合物薄膜幾乎是不可壓縮的，因此，在電極之間的空間的減少導(dǎo)致形狀上的變化。當(dāng)電壓被施加至隔膜兩側(cè)上的電極時，在隔膜中、比如圓形隔膜的中部相對外邊緣在軸線方向上可以被偏置；電介質(zhì)聚合物薄膜在厚度上的減少、簡單的說、被轉(zhuǎn)換為隔膜的更大軸向長度。
[0012]本發(fā)明的一方面提供直接彼此抵靠的至少兩個活性隔膜層。通過這種方式，隔膜致動器的空間需求被顯著地降低，這是因為各個隔膜層非常薄并且沒有另外部件布置在其間。
[0013]此外，提供能夠抵靠至少兩個隔膜層的第一表面的第一框架部件和/或提供能夠抵靠所述至少兩個隔膜層的第二表面的第二連接部件，其中，所述第一表面與第二表面對置。第一框架部件可以組成隔膜致動器的下截至部，然而第二框架部件形成隔膜致動器的上截至部。設(shè)置在框架部件之間的隔膜層可以以安全和固定的方式被保持。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的隔膜致動器的第一實施例，提供抵靠所述至少兩個隔膜層的第一表面的第一連接部件和/或提供抵靠所述至少兩個隔膜層的第二表面的第二連接部件，其中，尤其是所述第一連接部件和/或第二連接部件居中地位于相應(yīng)表面上。通過第一或第二連接部件，隔膜致動器可以與待被致動的元件協(xié)作。這可以發(fā)生在，比如隔膜致動器通過第一和/或第二連接部件連接至在每個情形中待被移動的相應(yīng)部件?？蛇x地，連接部件還可以用作為截至元件，該截至元件在致動器移動時與待被致動的元件接合。此外，待被致動的相應(yīng)元件還可以被分配至兩個連接部件。通過第一和/或第二連接部件的中心布置，確保了連接部件在隔膜致動器激活時的同質(zhì)的移位移動。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，通過了至少兩個隔膜層每個均具有開口，所述開口被居中地設(shè)置在相應(yīng)隔膜層中并且尤其是圓形。在這種類型的隔膜致動器中，可以比如針對隔膜層作出這樣一種規(guī)定，當(dāng)使用電壓時隔膜層機(jī)械地伸張或收縮，以使得隔膜層內(nèi)的開口發(fā)生變化。在這個連接中，開口可以在比如、施加電壓時收縮，從而開口的尺寸被減少了。開口可以是圓形的或大致矩形的。
[0016]此外，可以提供為圓形或大致為矩形的至少兩個隔膜層。通過相應(yīng)的隔膜層的形成，當(dāng)其被電激活時可以實現(xiàn)隔膜致動器的不同的機(jī)械移動。
[0017]尤其是第一框架部件和/或第二框架部件可以是圓形的或大致是矩形的?？蚣懿考恍纬梢詫?yīng)相應(yīng)的隔膜層從而確保在每個情形中框架部件可以使隔膜層固定地保持在它們的外邊緣處或者框架部件通過相應(yīng)的邊緣附接至隔膜層。當(dāng)隔膜致動器被通電時，并未被框架部件固定的隔膜層的區(qū)域用作為轉(zhuǎn)換移動的有效區(qū)域。
[0018]本發(fā)明的另一方面提供至少部分柔性的第一框架部件和/或第二框架部件。由于框架部件的部分柔性形成，因此可以創(chuàng)建隔膜致動器，由于框架本身可以由于至少部分柔性框架部件的存在而變形，因此隔膜致動器能夠采用不同形狀或者可以施加移動。隔膜致動器可以包括DEMES結(jié)構(gòu)或者可以由其形成。DEMES結(jié)構(gòu)(電解質(zhì)彈性最小化能量結(jié)構(gòu))是以下結(jié)構(gòu)，其采用根據(jù)能量(平衡狀態(tài))是有利的條件。通過激活隔膜層，能量可以因此被引入到至少部分地由DEMES結(jié)構(gòu)形成的隔膜致動器中，因此使致動器在其平衡狀態(tài)之外變形，這根據(jù)能量是有利的。尤其是，隔膜致動器還可以全部是柔性的，即完全地包括DEMES結(jié)構(gòu)。
[0019]此外，至少兩個隔膜層中的每個包括電極。通過電極，確保了隔膜層可以具有施加到它們上的電壓。當(dāng)電壓施加到它們上時，電活性隔膜層可以因此伸張或收縮。
[0020]具體說，直接相鄰的隔膜層的電極被設(shè)置為彼此相對偏置。通過這種方式，可以確保在具有以疊層方式布置的隔膜層的隔膜致動器的情形中電場被形成在直接相鄰的隔膜層之間。為了這個目的，相互偏置的隔膜層被分配至電源的不同的極。因此，單一電源可以滿足將電力施加至所有隔膜層。
[0021]本發(fā)明另一方面提供具有第一端子的第一框架部件和/或具有第二端子的第二框架部件。通過端子，隔膜層、尤其是其電極具有施加到它們的電壓。用于固定各個隔膜層的框架部件因此同時確保各個隔膜層的間接的電力供給以及在邊緣處的隔膜層的固定。
[0022]具體說，至少兩個隔膜層的電極電連接，其中每個第二隔膜層的電極耦接至第一端子并且其他隔膜層耦接至第二端子。這會導(dǎo)致疊層的隔膜層的非對稱接觸，這是因為總是在每兩個相鄰隔膜層之間形成電場，而這是必須的以便在相應(yīng)隔膜層之間創(chuàng)建電壓。
[0023]通過用于制作隔膜致動器的方法來進(jìn)一步實現(xiàn)本發(fā)明的目標(biāo)，包括以下步驟:
[0024]a)提供第一工具部件，第一框架部件以及由電活性材料制成的聚合物薄膜，
[0025]b)將所述第一框架部件布置在所述第一工具部件上，
[0026]c)夾持所述聚合物薄膜，
[0027]d)機(jī)械地伸張所述聚合物薄膜，
[0028]e)固定所述聚合物薄膜，尤其是固定在所述第一工具部件上，并且
[0029]f)切割所述聚合物薄膜(40)以制作隔膜層(16)。
[0030]通過本發(fā)明的方法，確保的是可以實現(xiàn)隔膜層所需要的預(yù)拉伸(pretens1n)。由于預(yù)拉伸，可以增加隔膜致動器的可用力。通過隔膜層的伸張或伸展限定了致動器的優(yōu)選方向。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的一個方面來執(zhí)行步驟g)，在其中，將至少一個電極附接至所述隔膜層，其中尤其是在步驟c)至步驟e)之后執(zhí)行步驟g)。電極的附接是重要的以使得可以將電極施加至隔膜層。電極應(yīng)該尤其在步驟d)中的機(jī)械伸張之后被附接以對電極的破壞?？梢酝ㄟ^濕化學(xué)工藝、比如噴射、壓印、印刷或絲網(wǎng)印刷術(shù)來附接至少一個電極。大體上，因而可以實現(xiàn)極寬種類的電極圖案。
[0032]此外，步驟c)至步驟e)被重復(fù)執(zhí)行以形成多個隔膜層。取決于重復(fù)來創(chuàng)建多層隔膜致動器，其具有對應(yīng)于重復(fù)的數(shù)量的隔膜層。隔膜致動器的可用力因而被增加了。
[0033]具體地，直接相鄰的隔膜層的電極至少在區(qū)域中設(shè)置為彼此偏置。通過這種方式確保在每個情形中，直接相鄰的隔膜層可以被供給或耦接不同電壓或不同端子，因此當(dāng)被電壓施加隔膜致動器時可以在相鄰隔膜層之間創(chuàng)建電場。
[0034]此外，提供布置在至少一個隔膜層的側(cè)上的第二框架部件，其中所述第二框架部件與所述第一框架部件對置，從而確保了至少一個隔膜層被布置在兩個框架部件之間。至少一個隔膜層因此被固定地夾持。
[0035]此外，提供在步驟d)中單向地或徑向地伸張、尤其是均勻地伸張的聚合物薄膜。通過伸張，可以提供具有預(yù)伸張隔膜層的多層隔膜致動器，該多層隔膜致動器利用緊湊結(jié)構(gòu)提供大的力。徑向伸張尤其在圓形隔膜層中是顯著的。通過均勻地徑向伸張，確保了比如當(dāng)電極作用在其有效區(qū)域中時，被夾持在圓形框架中的圓形隔膜層在被壓縮在電極之間，從而減少了在那個位置處的壁厚。它“變得細(xì)長”因此隔膜的中心相對初始狀態(tài)被偏置。如果電壓從電極抽離，則致動器返回至初始狀態(tài)；隔膜層的壁厚增加，從而中心拉回到它的原始位置中。大體上，預(yù)伸張意味著利用大的力可以實現(xiàn)隔膜致動器的限定移動。
[0036]具體說，在步驟d)中使所述第一工具部件移動以使所述聚合物薄膜機(jī)械地伸張。第一工具部件因此不僅用來固定聚合物層以便形成隔膜層而且以使聚合物薄膜伸張。通過這種方式，提供了一種簡單的用于制作隔膜致動器的方法，尤其是具有預(yù)伸張隔膜層的隔膜致動器。
[0037]此外，提供同樣被移動的第二工具部件以使所述聚合物薄膜伸張。當(dāng)聚合物薄膜或隔膜層的軸向伸張發(fā)生時，可以尤其提供這種第二工具部件。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述第二工具部件具有大致對應(yīng)于所述第一框架部件的結(jié)構(gòu)和/或所述第二工具部件定位成與所述第一框架部件對置。由于第二工具部件的定位和/或設(shè)計，聚合物薄膜的軸向伸張可以發(fā)生。針對這個目的，第二工具部件尤其能夠移動以使得其可以在第一框架部件布置在其上的第一工具部件上行進(jìn)。對應(yīng)形成的結(jié)構(gòu)確保聚合物薄膜的軸向伸張以形成軸向預(yù)伸張的隔膜層。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，將所述第一隔膜層附接至所述第一框架部件，尤其是將所述第一隔膜層粘附或焊接至所述第一框架部件。這確保了在第一框架部件和第一隔膜層的邊緣之間提供薄膜連接，因此第一框架部件和第一隔膜層之間的相對移動不能發(fā)生。
[0040]此外，另外隔膜層也可以連接到以前隔膜層的第一框架部件。連接在邊緣處生效。
[0041]具體地，第一工具部件為具有多個工作表面的工作臺或工作鼓。通過這種方式，可以實現(xiàn)非常經(jīng)濟(jì)的制作方法，該制作方法可以在非常小的空間來執(zhí)行。
[0042]具體地，形成為工作鼓的第一工具部件圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，因此分配至工作表面的聚合