CN1272899C - 电活化聚合体激励器和包含它的隔膜泵 - Google Patents

Abstract

一种电活化聚合体激励器，它具有利用电活化效应提高器件的响应速度和操作可靠性的性能，包含：迭片，通过交替放置多个不同直径的电活化聚合体材料的环形零件以及多个不同直径的环形电极形成该迭片，以便于每个环形零件位于相邻环形电极的内周和外周表面之间；和电压施加装置，用于在从迭片的最内环形电极开始按顺序计数环形电极的情况下，向奇数环形电极和偶数环形电极之间施加电压，从而引起迭片中变形；所述迭片还包括：放置在第二电极周围的第二管状零件，和形成在第二管状零件的外周表面上的第三电极；电压施加装置向第一和第二电极之间以及第二和第三电极之间施加电压，引起迭片中变形。该激励器最好被用作隔膜泵的膜片驱动单元。

Description

电活化聚合体激励器和包含它的隔膜泵

技术领域

本发明涉及一种电活化聚合体激励器，它最好用于诸如小尺寸隔膜泵的器件，还涉及包含该激励器的隔膜泵。

背景技术

过去，对于诸如小尺寸隔膜泵的器件，已经提出了用诸如硅橡胶和丙烯酸材料的电活化聚合体材料薄片组成的迭片，和在迭片两个表面上形成的一对电极层。当向电极层之间施加电压时，迭片发生变形而使迭片厚度(垂直)方向上的尺寸减小，迭片水平方向上的尺寸增大。该现象称为电活化效应。

例如，日本专利的早期公布[kokai]No.2001-263486公开了利用电活化效应的隔膜泵。即，如图12所示，该隔膜泵包括：有凹陷7P的外壳1P，用于提供在其顶表面中的泵室以及吸入和排出通路(2P、3P)；和膜片10P，用于覆盖该凹陷。膜片10P是迭层结构，用电活化聚合体材料的薄片零件12P形成，通过诸如溅射的物理气相淀积在薄片零件的两个表面上形成一对电极层11P。

当向电极层11P之间施加电压时，膜片10P的厚度方向上的尺寸减小且其水平方向上的尺寸增大。这使得由凹陷7P和膜片10P围绕的空间——泵室的容量改变。另一方面，当除去外加电压时，膜片10P恢复其原始形状。因而，根据这一泵室容量改变，有可能经吸入通路2P将诸如空气的流体吸入泵室，然后经排出通路3P排出泵室中的空气。通过向电极层11P之间施加具有所要求的频率的RF电压，可以重复该泵操作。

然而，在利用迭层膜片10P作为膜片的情况下，难以控制泵操作期间膜片的变形。因而，从提供稳定而可靠的泵操作的角度来看，仍有充足的改善空间。另外，由于膜片由包括电活化聚合体材料单薄片件12P的迭层膜片10P形成，所以有膜片的变形力相对小、其变形速度相对慢的问题。这些问题导致了排出量减小和隔膜泵的响应速度的降低。因此，可以说这些问题是妨碍利用电活化效应实际使用诸如小尺寸隔膜泵的器件的原因。

发明内容

从上述问题来看，本发明涉及提供电活化聚合体激励器，它包括利用电活化效应提高器件的响应速度和操作可靠性的性能。

即，电活化聚合体激励器包含：

迭片，包括电活化聚合体材料的管状零件、形成在管状零件内周表面上的第一电极和形成管状零件外周表面上的第二电极；和

电压施加单元，用于向第一和第二电极之间加电压以引起迭片变形；

其中，电活化聚合体激励器的迭片还包括：

电活化聚合体材料的第二管状零件，它放在第二电极周围，以便管状零件的外周表面经过第二电极与第二管状零件的内周表面连接；和

在第二管状零件的外周表面上形成的第三电极；

其中，电压施加装置单元向第一和第二电极之间以及第二和第三电极之间施加电压以引起迭片变形。

此外，为了进一步利用电活化效应提高器件的响应速度和操作可靠性，本发明的还涉及提供一种电活化聚合体激励器，包含：

通过交替放置多个不同直径的电活化聚合体材料的环形零件和多个不同直径的环形电极来形成迭片，以便每个环形零件位于相邻环形电极的内周和外周表面之间；和

电压施加装置，用于在从迭片的最内环形电极按顺序计数环形电极的情况下向奇数环形电极和偶数环形电极之间施加电压，从而引起迭片变形。

本发明还涉及提供一种电活化聚合体激励器，其特征在于，下述的独特配置，它包括利用电活化效应提高器件的响应速度和操作可靠性的性能。即，该激励器包含：

多个迭片，均为三棱镜形，每个迭片包括一对电极和电活化聚合体零件，它们在从三角的顶点，即三棱镜的总表面沿垂线向三角形的基底延伸的方向上交替放置，迭片整体布置成规则多边形图案以便三角形的顶点位于多边形图案的中心附近，每个迭片与相邻迭片按所要求的距离隔开；和

电压施加装置，用于向相对于每个迭片的电活化聚合体材料相互隔开的电极之间加电压，从而使迭片变形。

本发明还涉及提供一种电活化聚合体激励器，其特征在于，通过如下所述卷绕细长的迭片而形成的螺旋结构，它包括利用电活化效应提高器件的响应速度和操作可靠性的性能。即，该激励器包含：

螺旋结构，通过卷绕迭片来形成，迭片包括电活化聚合体材料的拉长薄片、一对在细长薄片的相对表面上形成的第一和第二电极层以及在多个电极层之一的表面上形成的绝缘层；和

电压施加装置，用于向多个电极层之间加电压，从而引起螺旋结构变形。

另外，作为电活化聚合体激励器特别优选的应用，本发明提供了一种隔膜泵，包含：上述电活化聚合体激励器中任何一个的电活化聚合体激励器，作为膜片驱动装置；和柔软材料的薄片，作为膜片，在它的表面上装配电活化聚合体激励器的迭片。

从下面对本发明和本发明最佳实施例的详细描述，本发明的这些和其它目的和优点会更清楚。

附图说明

图1A和1B是根据本发明第一实施例的电活化聚合体激励器的透视和截面图；

图2A和2B是说明施加电压时导致的电活化聚合体激励器变形的截面图；

图3A和3B是利用激励器的隔膜泵的示意性截面图；

图4A和4B是显示电活化聚合体激励器的电路的透视和截面图；

图5是根据第一实施例的第一修改例的电活化聚合体激励器的迭片的透视图；

图6A和6B是显示图5的电活化聚合体激励器的电路的透视和截面图；

图7是根据第一实施例的第二修改例的电活化聚合体激励器的迭片的透视图；

图8是图7的迭片的环形零件的平面图；

图9是根据本发明第二实施例的电活化聚合体激励器的迭片的透视图；

图10是根据本发明第三实施例的电活化聚合体激励器的迭片的透视图；

图11A到11C是显示利用本发明的一对电活化聚合体激励器的双形态型膜片驱动单元的操作的示意图；和

图12是常规隔膜泵的截面图。

具体实施方式

参考附图详细说明本发明的最佳实施例。然而，这些实施例不限制本发明的范围。

<第一实施例>

如图1A和1B所示，第一实施例的电活化聚合体激励器有盘形迭片5，通过交替放置第一到第六环形零件11到16和第一到第七环形电极21到27来形成迭片5，第一到第六环形零件11到16具有不同直径的电活化聚合体材料(如硅橡胶和丙烯酸材料)，第一到第七环形电极21到27具有不同直径的同心图案以便每个环形零件位于相邻环形电极的内周和外周表面之间。图1A中，数字4表示作为膜片的柔软薄片，它附着在迭片5的下表面上。

例如，可以通过在第一环形零件11的内周表面上形成导电层来获得第一环形电极21，可以通过在第一环形零件11的外周表面上形成导电层来获得第二环形电极22。为了形成导电层，例如，最好使用诸如溅射的物理气相淀积。然后，将第二环形零件12放在第二电极22周围以便第一环形零件11的外周表面可以经第二环形电极22与第二管状零件12的内周表面连接。另外，可以通过在第二环形件12B的外周表面上形成导电层来获得第三环形电极23。根据相同方式获得其余的环形电极(24-27)和其余的环形零件(13-16)以便获得迭片5。本实施例中，第一环形电极21位于中心圆柱体40和第一环形零件11之间。

如图1B所示，电活化聚合体激励器有电压施加单元，用于在从迭片5的最内环形电极(即，第一环形电极21)开始奇数环形电极数的情况下向奇数环形电极和偶数环形电极之间施加电压，从而使迭片5变形。本实施例中，第一、第三、第五和第七环形电极(21、23、25、27)与DC电源30的负极连接，第二、第四和第六环形电极(22、24、26)与DC电源30的正极连接。图1B中，数字32表示用于向这些电极之间施加电压的开关。

在具有上述结构的电活化聚合体激励器中，当开关32接通时，迭片5发生变形而使迭片的半径方向上的尺寸减小，迭片的轴向上的尺寸增大，如图1A所示。当迭片5被装配在柔软薄片4上时，柔软薄片4可以被迭片的变形力所弯曲，如图2A所示。然后，当开关32关闭时，迭片5恢复其原始形状，如图2B所示。因而，通过重复该开关操作，可以周期性地使柔软薄片4的膜片变形。

作为实例，在图3A和3B中说明了利用本发明电活化聚合体激励器的隔膜泵。该隔膜泵有：具有凹陷7的外壳1，用于提供在其顶表面中的泵室以及与凹陷连接的吸入通路2和排出通路3；和柔软材料的薄片4，用于作为膜片覆盖凹陷。电活化聚合体激励器的迭片5被装配在与对着凹陷7的表面相反的薄片表面上。当柔软薄片4由金属材料制成时，迭片经所要求的绝缘层(未示)与薄片连接。数字50和52表示内置在吸入和排出通路(2，3)中的单向阀。

当向激励器施加电压时，薄片4被迭片5的变形所弯曲从而减小了泵室的内部容量，如图3A所示，所以经排出通路3从泵室排出诸如空气的流体。然后，当除去外加电压时，激励器的迭片5恢复其原始形状，如图3B所示，所以流体经吸入通路2进入泵室。

根据本发明的上述隔膜泵，可能在响应速度提高下提供稳定的泵操作。即，由于常规电活化聚合体激励器使用由电活化聚合体材料的单薄片零件和一对在薄片零件的两个表面上形成的电极层组成的迭片作为膜片，如上所述，就难以在泵操作期间获得恒定的膜片运动。然而，本发明中，由于具有同心布置的多个电活化聚合体材料的环形零件的迭片5被用作膜片驱动装置，有可能在高响应速度下提供受控膜片的运动。

另外，迭片5的膨胀力和收缩力等于各个环形零件(11-16)的膨胀力和收缩力的和。因而，本实施例的激励器比只利用单个电活化聚合体材料的薄片零件作为膜片的常规激励器可以提供更强大的抽吸动作。此外，另一个优点是可以响应加到激励器的电压的大小精确地控制膜片的变形量。

本发明的激励器中，电活化聚合体材料的环形零件数量不受限制。然而，当利用激励器作为用于隔膜泵的膜片驱动装置时，建议选择数量在3到10范围内的环形件以得到具有稳定性的高抽吸性能。当环形零件的数量大于10时，激励器的尺寸对于小尺寸器件就太大了。另外，会增高激励器的生产成本。

作为实例，本发明的电活化聚合体激励器的迭片可以用下面的方法制造。首先，交替放置多个具有不同直径的电活化聚合体材料的管状件和多个具有不同直径的管状电极，以便获得具有多个同心层的紧密的圆柱体。可以用诸如溅射的PVD方法通过在各个环形零件的外和/或内周表面上形成导电膜来获得每个管状电极。然后，以垂直于其轴向的方向切割(或切片)紧密的圆柱体，获得具有预期轴向长度的盘形迭片。根据该方法，可能有效地制造用于本发明电活化聚合体激励器的迭片。

用这种方式，如图1A所示，本实施例的电活化聚合体激励器的第一到第六环形件(11-16)具有相同的壁厚。这种情况下，根据下面的方式，最好向与DC电源正极连接的奇数环形电极(21、23、25、27)和与负极连接的偶数环形电极(22、24、26)之间施加多个不同的电压(V1，V2，V3，V4)。

即，加到被第一环形零件11隔开的第一和第二环形电极(21，22)之间的电压(V1)值小于加到被第二环形件12隔开的第二和第三环形电极(22，23)的电压(V2)值。类似地，加到被第二环形件12隔开的第二和第三环形电极(22，23)之间的电压(V2)值小于加到被第三环形零件13隔开的第三和第四环形电极(23，24)的电压(V3)值。加到环形电极之间的各个电压的大小被确定成使每个环形零件的轴向膨胀量基本等于相邻环形件的轴向膨胀量。结果，可能实现迭片轴向上的均匀拉长。

如上所述，在向迭片的奇数环形电极和偶数环形电极之间加不同电压的情况下，最好形成如图4A和4B所示的电路。即，在迭片5的顶表面上的偶数环形电极(22，24，26)的露出端形成第一绝缘层(62，64，66)，在迭片的下表面上的奇数环形电极(21，23，25，27)的露出端上形成第二绝缘层(61，63，65，67)。

然后，在迭片5的顶表面上形成多个第一导电层(71，72，73，74)，以便用绝缘层(例如64)将每个第一导电层(例如72)与相邻第一导电层(例如73)分开。结果，每个第一导电层(71-74)与迭片5的露出端上的奇数环形电极(21，23，25，27)连接。另一方面，在迭片5的整个表面上形成单个第二导电层80，以便偶数环形电极(22，24，26)的露出端用第二导电层相互电连接。第二导电层80被用作接地电极。为了向第一导电层(71-74)和接地电极80之间施加所要求的电压(V1，V2，V3，V4)，可以使用多个DC电源(未示)。或者，可以使用Schekel电路。这种情况下，用单个电源可以获得多个电压。

下面，说明本实施例的电活化聚合体激励器的修改型。

作为第一修改例，如图5所示，最好将电活化聚合体激励器的迭片形成为使第一到第四环形零件(11，12，13，14)的壁厚(T1，T2，T3，T4)满足条件T1＞T2＞T3＞T4。即，每个第一到第六环形零件的壁厚被确定为：当向与DC电源30正极连接的奇数环形电极和与负极连接的偶数环形电极之间只施加恒定电压时，每个环形零件的轴向膨胀量基本等于相邻环形零件的轴向膨胀量。结果，可能实现迭片轴向的均匀拉长。

当向迭片5的奇数环形电极(21，23，25)和偶数环形电极(22，24)之间施加恒定电压时，最好形成如图6A和6B所示的电路。即，在迭片的顶表面上的奇数环形电极(21，23，25)的露出端上形成第一绝缘层(61，63，65)，在迭片5的下表面的偶数环形电极(22，24)的露出端上形成第二绝缘层(62，64)。

然后，在迭片5的整个顶表面上形成第一导电层70，以便迭片的顶表面上的偶数环形电极(22，24)的露出端用第一导电层相互电连接。类似地，在迭片5的整个下表面上形成第二导电层80，以便奇数环形电极(21，23，25)的露出端用第二导电层相互电连接。最后，DC电源30被经开关32连接在第一和第二导电层(70，80)之间。

作为第二修改例，如图7和8所示，以中空圆柱形形成每个第一到第五环形零件(21-25)，以便内圈C2的中心P2离开外圈C1的中心P1。当向该迭片5加电压时，迭片发生变形，使迭片的半径方向上的尺寸减小而迭片轴向上的尺寸增大。这种情况下，迭片的R2侧半径方向上的收缩量大于迭片R1侧的收缩量。换句话说，迭片的R2侧的轴向上的拉长大于迭片的R1侧的拉长，所以迭片5弯曲，如图7中箭头所示。

另外，作为第三修改例，电活化聚合体激励器的环形零件可以形成为类似椭圆环，并被放置成使这些环形零件的中轴相互一致，每个环形零件被放在相邻环形电极之间。

<第二实施例>

如图9所示，根据本发明第二实施例的电活化聚合体激励器具有多个迭片5A的配置，每个迭片5A为三棱镜形。每个迭片5A包括多个电极20A和电活化聚合体材料10A，它们从三角顶点P，即三棱镜的总表面沿垂线向三角基底S延伸的方向上交替放置。本实施例中，迭片数为8。

这些迭片5A整体布置成八边形图案，以便三角的顶点P位于八边形图案的中心附近，且每个迭片5A与相邻迭片按所要求的距离d隔开。该激励器也有电压施加单元(未示)，用于向每个迭片的电极20A之间施加电压，从而使迭片变形。通过向所有迭片同时施加电压，附着到迭片5A的配置上的膜片4可以如在第一实施例中那样被弯曲，如图9中箭头所示。

<第三实施例>

如图10所示，第三实施例的电活化聚合体激励器具有螺旋结构5B，通过卷绕迭片来形成螺旋结构5B，迭片包括诸如硅橡胶和丙烯酸材料的电活化聚合体材料的细长薄片10B、一对在细长薄片的两个表面上形成的电极层(21B，22B)以及在电极层22B上形成的绝缘层60B。绝缘层60B防止螺旋结构中的电极层(21B，22B)之间短路。

该激励器也有电压施加单元，用于向电极层之间施加电压，使螺旋结构5B中变形。通过向螺旋结构5B的电极层(21B，22B)之间施加电压，附着到螺旋结构5B的膜片4B可以如第一实施例中的情况那样被弯曲，如图10中箭头所示。

上述第一到第三实施例中，介绍了单形态型膜片驱动单元，其特征在于，在膜片4的一个表面上装配本发明的电活化聚合体激励器的单个迭片5。然而，如图11A到11C所示，也可以使用双形态型膜片驱动单元，其特征在于，在膜片4的两个表面上装配本发明的电活化聚合体激励器的一对迭片5。这种情况下，通过只向上激励器的迭片5施加电压，可以弯曲膜片4，如图11A所示。另外，通过只向下激励器的迭片5施加电压，可以弯曲膜片4，如图11C所示。因而，双形态型膜片驱动单元可以提供增大了的膜片运动范围。

Claims (6)

1.一种电活化聚合体激励器，包含：

迭片，包括电活化聚合体材料的管状零件、在所述管状零件的内周表面上形成的第一电极和在所述管状零件的外周表面上形成的第二电极；和

电压施加装置，用于向所述第一和第二电极之间施加电压，从而引起所述迭片中的变形；

其中所述电活化聚合体激励器的特征在于，所述迭片还包括：

电活化聚合体材料的第二管状零件，它被放置在所述第二电极周围，以便所述管状零件的外周表面经所述第二电极与所述第二管状零件的内周表面连接；和

第三电极，形成在所述第二管状零件的外周表面上；

其中，所述电压施加装置向所述第一和第二电极之间以及所述第二和第三电极之间施加一个或多个电压，从而引起所述迭片中变形。

2.根据权利要求1的电活化聚合体激励器，其中，所述管状零件和所述第二管状零件是具有不同直径的中空圆柱形，它们被同心布置以便获得所述迭片。

3.根据权利要求1的电活化聚合体激励器，其中，每个所述管状零件和所述第二管状零件形成为中空圆柱形，以便由所述管状零件的外周表面形成的外圈中心离开由所述管状零件的内周表面形成的内圈中心，并且由所述第二管状零件的外周表面形成的外圈中心离开由所述第二管状零件的内周表而形成的内圈中心。

4.根据权利要求1的电活化聚合体激励器，其中，所述管状零件的壁厚被确定为大于所述第二管状零件的壁厚，所以，当所述电压施加装置向所述第一和第二电极以及所述第二和第三电极之间施加相同电压时，获得所述管状零件和所述第二管状零件的轴向上的均匀拉长。

5.根据权利要求1的电活化聚合体激励器，其中，所述管状零件和所述第二管状零件具有相同的壁厚，其中，所述电压施加装置向第一和第二电极之间施加小于所述第二和第三电极之间所加电压的电压，获得所述管状零件和所述第二管状零件的轴向方向上的均匀拉长。

6.一种隔膜泵，包含：权利要求1的电活化聚合体激励器，作为膜片驱动装置；和柔软材料的薄片，作为膜片，在膜片的表面上装配电活化聚合体激励器的所述迭片。

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