DE102013013545B4

DE102013013545B4 - Vakuumerzeugervorrichtung

Info

Publication number: DE102013013545B4
Application number: DE102013013545.1A
Authority: DE
Inventors: Metin Giousouf
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2033-08-14
Also published as: DE102013013545A1

Abstract

Vakuumerzeugervorrichtung, mit einer Unterdruckkammer (18), die von mindestens einer elastisch verformbaren Membran begrenzt ist, die einen Innenbereich (6) und einen den Innenbereich (6) umgebenden Außenbereich (4) hat, wobei diese Bereiche (6, 4) durch in Achsrichtung einer Hauptachse (2) wirkende Vorspannmittel (14) auf Zug gegeneinander vorgespannt und durch Ausführung einer in Achsrichtung der Hauptachse (2) orientierten Arbeitshubbewegung (15) unter Veränderung des Volumens der Unterdruckkammer (18) relativ zueinander beweglich sind, wobei die Membran als elektroaktiver Polymeraktuator in Membranform (= Membran-Polymeraktuator [5]) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Membran-Polymeraktuator (5) als dielektrischer Elastomeraktuator in Membranform ausgebildet ist, dessen elektrische Aktivierung eine Verringerung der Membrandicke (DM) hervorruft, so dass die damit einhergehende Querdehnung (17) eine durch die Vorspannmittel (14) hervorgerufene Arbeitshubbewegung (15) bewirkt und der Membran-Polymeraktuator (5) mindestens eine Elastomermaterialschicht (33) aufweist, die auf ihren beiden einander entgegengesetzten Seiten jeweils mit einer Elektrodenschicht (34, 35) versehen ist, wobei an die Elektrodenschichten (34, 35) eine die Aktivierung des Membran-Polymeraktuators (5) bewirkende Betätigungsspannung anlegbar ist, und dass der Außenbereich (4) des Membran-Polymeraktuators (5) an einem starren Tragelement (3) der Vakuumerzeugervorrichtung (1) und der Innenbereich (6) des Membran-Polymeraktuators (5) an einem bezüglich des Tragelementes (3) gesonderten Krafteinleitungselement (12) fixiert ist, wobei die Vorspannmittel (14) außerhalb der Unterdruckkammer (18) platziert sind und einerseits an dem Tragelement (3) und andererseits an dem Krafteinleitungselement (12) angreifen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumerzeugervorrichtung, mit einer Unterdruckkammer, die von mindestens einer elastisch verformbaren Membran begrenzt ist, die einen Innenbereich und einen den Innenbereich umgebenden Außenbereich hat, wobei diese Bereiche durch in Achsrichtung einer Hauptachse wirkende Vorspannmittel auf Zug gegeneinander vorgespannt und durch Ausführung einer in Achsrichtung der Hauptachse orientierten Arbeitshubbewegung unter Veränderung des Volumens der Unterdruckkammer relativ zueinander beweglich sind, wobei die Membran als elektroaktiver Polymeraktuator in Membranform (= Membran-Polymeraktuator) ausgebildet ist.
Die US 8 062 007 B2 offenbart eine in dem vorgenannten Sinne aufgebaute Pumpvorrichtung, die über eine Membran verfügt, die eine Pumpkammer begrenzt und durch eine Federeinrichtung vorgespannt ist. Die Membran besteht aus einer elektrisch leitfähigen Polymerfolie, die eine mit einem Elektrolyt gefüllte Elektrolytkammer begrenzt, der eine zu der Membran beabstandete Elektrode zugeordnet ist. Indem zwischen die elektrisch leitfähige Membran und die gegenüberliegende Elektrode eine Spannung angelegt wird, erfährt die Membran eine elektrochemomechanische Ausdehnung oder Kontraktion, aus der eine Auf- und Abbewegung resultiert, die in der Pumpkammer einen Pumpeffekt hervorruft.
Die EP 1 621 129 A1 beschreibt eine Membranpumpe, die mittels eines Polymeraktuators betätigt wird. Die für den Pumpeffekt verantwortliche Membran ist gesondert zu dem Polymeraktuator ausgebildet, der nicht unmittelbar die Pumpmembran bildet.
Aus der DE 197 20 482 C2 geht eine Mikromembranpumpe hervor, deren Pumpmembran nicht Bestandteil eines Polymeraktuators ist, sondern mittels eines aufgesetzten Piezoaktuators betätigt wird.
Die US 7 287 965 B2 beschreibt Positionserfassungsmaßnahmen im Zusammenhang mit einer ein Gehäuse aufweisenden Membranpumpe, die als Pumpenmembran einen piezoelektrischen Aktuator aufweist, der im Gehäuseinnern fixiert ist.
Die DE 103 24 835 A1 offenbart anhand der dortigen 5 eine als Saugheber ausgebildete Vakuumerzeugervorrichtung, die eine in einem Gehäuse angeordnete elastische Membran aufweist, die mit ihrem Außenbereich an dem Gehäuse und mit ihrem zentralen Innenbereich an einer bezüglich des Gehäuses axial beweglichen Stange befestigt ist. Durch axiales Verschieben der Stange kann der daran fixierte Innenbereich der Membran zu einer Arbeitshubbewegung angetrieben werden, so dass sich das Volumen einer zwischen der Membran und dem Gehäuse definierten Unterdruckkammer verändert. Aus dieser Volumenänderung resultiert ein Unterdruck, der nutzbar ist, um einen an einem Saugnapf des Saughebers angeordneten Gegenstand durch Unterdruck festzuhalten. Die Arbeitshubbewegung wird mittels in das Gehäuse eingespeister Druckluft hervorgerufen, die auf der der Unterdruckkammer entgegengesetzten Seite auf die Membran einwirkt.
Die DE 696 30 971 T2 offenbart eine als Saugspritze ausgebildete Vakuumerzeugervorrichtung, bei der sich durch manuelles Bewegen eines Kolbens in einer Kammer ein Unterdruck erzeugen lässt.
In dem Artikel „Experimental characterization of the hysteretic and rate-dependent electromechanical behavior of dielectric electro-active polymer actuators“, A. York, J. Dunn und S. Seelecke, veröffentlicht in „Smart Materials and Structures“, 2010, Seiten 1 bis 9, wird der Aufbau dielektrischer elektroaktiver Polymeraktuatoren beschrieben, die eine Membranform haben und als Membran-Polymeraktuatoren bezeichnet werden können. Ihr Funktionsprinzip basiert auf dem Anlegen einer Betätigungsspannung an zwei eine Elastomerschicht flankierende Elektroden, woraus elektrostatische Kräfte resultieren, die die Elastomerschicht zusammendrücken und dabei eine Querdehnung rechtwinkelig zur Wirkrichtung der elektrostatischen Kräfte hervorrufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakt bauende, mit hoher Dynamik betätigbare Vakuumerzeugervorrichtung zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass der Membran-Polymeraktuator als dielektrischer Elastomeraktuator in Membranform ausgebildet ist, dessen elektrische Aktivierung eine Verringerung der Membrandicke hervorruft, so dass die damit einhergehende Querdehnung eine durch die Vorspannmittel hervorgerufene Arbeitshubbewegung bewirkt und der Membran-Polymeraktuator mindestens eine Elastomermaterialschicht aufweist, die auf ihren beiden einander entgegengesetzten Seiten jeweils mit einer Elektrodenschicht versehen ist, wobei an die Elektrodenschichten eine die Aktivierung des Membran-Polymeraktuators bewirkende Betätigungsspannung anlegbar ist, und dass der Außenbereich des Membran-Polymeraktuators an einem starren Tragelement der Vakuumerzeugervorrichtung und der Innenbereich des Membran-Polymeraktuators an einem bezüglich des Tragelementes gesonderten Krafteinleitungselement fixiert ist, wobei die Vorspannmittel außerhalb der Unterdruckkammer platziert sind und einerseits an dem Tragelement und andererseits an dem Krafteinleitungselement angreifen.
Indem die zur Erzeugung des Unterdruckes vorhandene Membran unmittelbar selbst als Membran-Polymeraktuator ausgebildet ist, lässt sich eine sehr kompakt bauende Vakuumerzeugervorrichtung realisieren, die sich aufgrund des besonderen Betriebsverhaltens des Membran-Polymeraktuators mit hoher Dynamik betreiben lässt. Im deaktivierten Zustand des Membran-Polymeraktuators, bei dem es sich um einen in Membranform ausgeführten dielektrischen elektroaktiven Polymeraktuator handelt, weist die Unterdruckkammer ein gewisses Ausgangsvolumen auf, wobei der Membran-Polymeraktuator durch die Vorspannmittel auf Zug vorgespannt ist. Wird der Membran-Polymeraktuator aktiviert, stellt sich eine Verringerung der Membrandicke ein, mit der eine Querdehnung der Membran einhergeht, die es dem Innenbereich des Membran-Polymeraktuators ermöglicht, sich durch die Stellkraft der auf ihn einwirkenden Vorspannmittel relativ zu dem Außenbereich zu verlagern, was eine Vergrößerung des Volumens der Unterdruckkammer zur Folge hat. In der zur Umgebung abgedichteten Unterdruckkammer baut sich dadurch ein Vakuum bzw. Unterdruck auf, das in vielfältiger Weise nutzbar ist, beispielsweise um die Vakuumerzeugervorrichtung als Vakuum-Spannvorrichtung oder als Vakuum-Pipettiervorrichtung einzusetzen. Wird der Membran-Polymeraktuator wieder deaktiviert, zieht er sich wieder elastisch zusammen, so dass der Innenbereich und der Außenbereich unter Überwindung der Stellkraft der Vorspannmittel in ihre Ausgangsstellung zurückkehren und die Unterdruckkammer wieder ihr Ausgangsvolumen einnehmen kann.
Als besonders vorteilhaft wird der Aufbau des Membran-Polymeraktuators als ein in Membranform ausgebildeter dielektrischer Elastomeraktuator angesehen. Er enthält mindestens eine Elastomermaterialschicht, die auf ihren beiden Seiten mit jeweils einer ebenfalls elastischen Elektrode beschichtet ist, wobei an den auf diese Weise vorhandenen Elektrodenschichten eine die Aktivierung des Membran-Polymeraktuators bewirkende Betätigungsspannung anlegbar ist. Der dielektrische Elastomeraktuator verfügt im einfachsten Fall über nur eine einzige von Elektrodenschichten flankierte Elastomermaterialschicht. Das typische Querdehnungsvermögen eines derart aufgebauten Membran-Polymeraktuators liegt im Bereich zwischen zehn und dreißig Prozent. Unter „Querdehnung“ ist dabei die Dehnung quer zur Dickenrichtung der Membran bzw. des Membran-Polymeraktuators zu verstehen. Ohne weiteres besteht auch die Möglichkeit, den Membran-Polymeraktuator mit einem Multilayeraufbau zu realisieren, der über mehrere, quasi gestapelte Elastomermaterialschichten verfügt, die jeweils durch eine Elektrodenschicht voneinander getrennt sind. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, bei weiterhin kompakten Abmessungen höhere Kräfte zu erzielen. Die Schichtdicke der einzelnen Elastomerschichten kann bei einem solchen Mehrschichtaufbau problemlos verkleinert werden, um mit geringeren Betriebsspannungen ein vergleichbar großes Arbeitsvermögen zu realisieren. Durch eine Mehrzahl von Elastormermaterialschichten kann in Verbindung mit den zugehörigen Elektrodenschichten eine höhere Kraft für die Arbeitshubbewegung zur Verfügung gestellt werden, wodurch sich die Dynamik des Systems weiter erhöhen lässt. Die Vakuumerzeugervorrichtung enthält ein starres Tragelement, an dem der Außenbereich des Membran-Polymeraktuators fixiert ist, wobei der bezüglich des Außenbereiches auslenkbare Innenbereich des Membran-Polymeraktuators an einem separaten Krafteinleitungselement fixiert ist, das bezüglich des Tragelementes in Achsrichtung der Hauptachse beweglich ist. Die Vorspannmittel befinden sich außerhalb der Unterdruckkammer und greifen einerseits an dem Tragelement und andererseits an dem Krafteinleitungselement an, so dass die Membran durch die Vorspannmittel nicht in Mitleidenschaft gezogen werden kann.
Die Vakuumerzeugervorrichtung lässt sich in der Achsrichtung der Hauptachse mit einer sehr geringen Höhe realisieren und ermöglicht es, in Verbindung mit einem großflächigen Membran-Polymeraktuator auch bei geringem Arbeitshub ein hohes Evakuierungsvolumen zu bewältigen. Die mögliche hohe Hubgeschwindigkeit des Membran-Polymeraktuators begünstigt in Verbindung mit der nur geringen bewegten Masse die Dynamik des Systems.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Es besteht die vorteilhafte Möglichkeit, durch Variation der Betätigungsspannung den Arbeitshub der Membran zu variieren und dementsprechend auf das sich ausbildende Vakuum bzw. auf die Förderleistung anwendungsspezifisch Einfluss zu nehmen.
Vorzugsweise ist die Vakuumerzeugervorrichtung so aufgebaut, dass die Hauptachse, in deren Achsrichtung die Arbeitshubbewegung stattfindet, rechtwinkelig zu einer Referenzebene verläuft, die den Außenbereich des Membran-Polymeraktuators enthält.
Der bezüglich des Außenbereiches verstellbare Innenbereich des Membran-Polymeraktuators nimmt zweckmäßigerweise, in Achsrichtung der Hauptachse betrachtet, eine zentrale Lage bezüglich des Außenbereiches ein.
Vorzugsweise ist der Membran-Polymeraktuator ringförmig gestaltet. Dabei hat er insbesondere eine ringscheibenähnliche Formgebung mit einem scheibenförmigen Aktuatorkörper, der insbesondere mittig eine Durchbrechung aufweist. Bei dem oben erwähnten Außenbereich handelt es sich insbesondere um den äußeren Randbereich des Membran-Polymeraktuators, während der Innenbereich vom inneren Randbereich des ringförmigen Membran-Polymeraktuators gebildet ist.
Zweckmäßigerweise halten die Vorspannmittel den Membran-Polymeraktuator ständig unter Zugspannung. Bei einem ringförmigen Membran-Polymeraktuator äußern sich diese Zugspannungen insbesondere in sowohl radialen Spannungen als auch in Umfangsspannungen. Die Richtung der Spannungen ist also gleich orientiert wie die Richtung der durch Aktivierung des Membran-Polymeraktuators hervorrufbaren Querdehnungen. Auf diese Weise gibt der Membran-Polymeraktuator quasi den Vorspannmitteln nach, wenn er bei seiner Aktivierung eine Querdehnung erfährt.
Bei den Vorspannmitteln handelt es sich vorzugsweise um drückend wirkende Mittel. Durch die Einschaltung der Vorspannmittel zwischen den Innenbereich und den Außenbereich des Membran-Polymeraktuators werden die Druckkräfte der Vorspannmittel in am Membran-Polymeraktuator angreifende Zugkräfte umgewandelt. Grundsätzlich wäre es aber durchaus möglich, die Vorspannmittel von Hause aus als ziehend wirkende Mittel auszuführen. Besonders vorteilhaft ist eine Realisierung der Vorspannmittel als Federmittel. Mögliche Ausführungsformen sind dabei Blattfederstrukturen, Schraubenfederstrukturen oder Spiralfederstrukturen.
Desweiteren besteht die vorteilhafte Möglichkeit die Vorspannmittel als Permanentmagnetmittel zu realisieren, insbesondere derart, dass die Vorspannung durch eine Abstoßwirkung permanentmagnetischer Kräfte hervorgerufen wird. Es besteht außerdem die Möglichkeit, die Vorspannmittel durch einen weiteren Membran-Polymeraktuator zu verwirklichen.
Die Vorspannmittel sind bezüglich des Membran-Polymeraktuators zweckmäßigerweise koaxial angeordnet. Sie sind dem Membran-Polymeraktuator bevorzugt axial vorgelagert. Auf diese Weise verfügt die Vakuumerzeugervorrichtung über sehr kleine Querabmessungen.
Insbesondere zum Schutz vor Beschädigungen können die Vorspannmittel durch einen bezüglich des Außenbereiches des Membran-Polymeraktuators ortsfesten und bevorzugt luftdurchlässigen Deckel abgedeckt sein. Zweckmäßigerweise kommen die Vorspannmittel zwischen diesem Deckel und dem Membran-Polymeraktuator zu liegen.
Je nach Anwendungen kann es wichtig sein, den Hub des Membran-Polymeraktuators zu kontrollieren. Dies gilt insbesondere für Fälle, in denen die Vakuumerzeugervorrichtung zum Dosieren von Flüssigkeiten eingesetzt wird. Da Elastomere mit Elektrodenstrukturen in Folge des viskoelastischen Materialverbundes zu Drifteffekten neigen, können sich trotz unveränderter Betriebsspannung Änderungen im Arbeitshub einstellen, die gegebenenfalls kompensiert werden müssen. Insofern ist es von Vorteil, wenn die Vakuumerzeugervorrichtung mit Hubdetektionsmitteln zur Erfassung des Hubes des Membran-Polymeraktuators ausgestattet ist.
Der Membranhub kann beispielsweise über die sich zwischen den Elektrodenschichten ausbildende elektrische Kapazität gemessen werden, da sich diese gemäß der Membranfläche und Membrandicke im Betrieb der Vakuumerzeugervorrichtung ändert. Diese Messung kann während des Hochspannungsbetriebes durchgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Hubmessung auf elektromagnetischer oder auf optischer Basis stattfinden. Beispielsweise kann mittels einer Hallsensorik eine Hubmessung im Bereich des Zentrums des Membran-Polymeraktuators vorgenommen werden, wobei zweckmäßigerweise ein Permanentmagnet an dem bezüglich des Außenbereiches beweglichen Innenbereich der Membran angeordnet ist. Eine optische Sensorik kann insbesondere Lichtreflexe verarbeiten, die im Zentrumsbereich der Membran auftreten.
Die Vakuumerzeugervorrichtung kann in vorteilhafter Weise als Vakuum-Spannvorrichtung ausgebildet sein, die sich beispielsweise als Sauggreifer zum Festhalten, Anheben und Transportieren von Gegenständen nutzen lässt. Der Vorteil ist, dass hier das zum Festhalten benötigte Vakuum vor Ort direkt in der Vakuum-Spannvorrichtung mittels des Membran-Polymeraktuators erzeugt werden kann. Man erspart sich mithin eine ineffiziente externe Vakuumerzeugung durch eine Vakuumpumpe oder durch Einsatz von Druckluft in Verbindung mit einer Ejektorvorrichtung.
Eine alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Vakuumerzeugervorrichtung ist diejenige einer Vakuum-Pipettiervorrichtung, die nutzbar ist, um Flüssigkeiten dosiert aufzunehmen und abzugeben. Eine solche Pipettiervorrichtung ist beispielsweise für Einsätze in der Laborautomation besonders gut geeignet. Vorteilhaft ist dabei, dass bereits wenige Millimeter Arbeitshub des Membran-Polymeraktuators ausreichen, um einige Milliliter an Flüssigkeit fördern bzw. handhaben zu können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 eine vorteilhafte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumerzeugervorrichtung, hier in einer Ausprägung als Vakuum-Spannvorrichtung, wobei ein unbetätigter Betriebszustand illustriert ist,
2 die Vakuumerzeugervorrichtung aus 1 in einem betätigten Betriebszustand,
3 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vakuumerzeugervorrichtung in einer Ausprägung als Vakuum-Pipettiervorrichtung, wobei ein unbetätigter Betriebszustand gezeigt ist,
4 die Vakuumerzeugervorrichtung aus 3 in einem betätigten Betriebszustand, bei dem es sich um einen Zwischenzustand handelt,
5 die Vakuumerzeugervorrichtung aus 3 und 4 in einem weiteren betätigten Zustand, wobei es sich um einen maximal betätigten Zustand handelt,
6 eine Draufsicht auf die Vakuumerzeugervorrichtung mit Blickrichtung gemäß Pfeil VI aus 3 ohne Berücksichtigung des hier vorteilhaft vorhandenen Deckels, und
7 eine perspektivische Schnittdarstellung einer weiteren, als Vakuum-Pipettiervorrichtung konzipierten Vakuumerzeugervorrichtung.

Sofern im Folgenden keine anderen Angaben gemacht werden, gelten die Erläuterungen gemeinsam für alle illustrierten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vakuumerzeugervorrichtung 1. Die 1 und 2 zeigen eine Ausgestaltung der Vakuumerzeugervorrichtung 1 als Vakuumspannvorrichtung 1a, die übrigen Figuren eine Ausgestaltung als Vakuum-Pipettiervorrichtung 1b.
Die Vakuumerzeugervorrichtung 1 hat eine Haupterstreckungsrichtung, die durch den Längsverlauf einer strichpunktiert angedeuteten Hauptachse 2 definiert ist. Die 1 bis 5 und 7 zeigen jeweils einen Schnitt, dessen Schnittebene durch die Hauptachse 2 und eine hierzu rechtwinkelige Achse aufgespannt wird.
Die Vakuumerzeugervorrichtung 1 enthält zweckmäßigerweise ein starres Tragelement 3, an dem mit einem Außenbereich 4 ein Membran-Polymeraktuator 5 befestigt ist, der außerdem einen von dem Außenbereich 4 umgebenen Innenbereich 6 aufweist.
Bevorzugt ist der Membran-Polymeraktuator 5 ringförmig gestaltet und verfügt über eine zentrale Durchbrechung 7. Der Innenbereich 6 ist der die Durchbrechung 7 umrahmende innere Randbereich 8 des Membran-Polymeraktuators 5. Der Außenbereich 4 ist vom äußeren Randbereich 9 des Membran-Polymeraktuators 5 definiert.
Der an dem Tragelement 3 fixierte Außenbereich 4 ist zweckmäßigerweise ringförmig gestaltet und konzentrisch zu der Hauptachse 2 angeordnet. Der Innenbereich 6 ist zweckmäßigerweise an einem bezüglich des Tragelementes 3 separaten Krafteinleitungselement 12 fixiert, wobei der Innenbereich 6 zweckmäßigerweise ebenfalls ringförmig ausgebildet und konzentrisch zu der Hauptachse 2 angeordnet ist.
Der sich zwischen dem Außenbereich 4 und dem Innenbereich 6 erstreckende, im Folgenden auch als Verformungsabschnitt 13 bezeichnete Abschnitt des Membran-Polymeraktuators 5 ist zweckmäßigerweise auf beiden axialen Seiten unabgestützt, so dass er frei beweglich ist.
Insgesamt mit Bezugsziffer 14 bezeichnete Vorspannmittel sind dem Membran-Polymeraktuator 5 wirkungsmäßig parallelgeschaltet und hierzu als bezüglich des Membran-Polymeraktuators 5 separate Komponente(n) zwischen den Innenbereich 6 und den Außenbereich 4 eingegliedert. Die Vorspannmittel 14 bewirken, dass der Membran-Polymeraktuator 5 ständig unter einer Zugvorspannung steht. Genauer gesagt werden durch die Vorspannmittel 14 in den Innenbereich 6 und den Außenbereich 4 Vorspannkräfte einleitet, die den Innenbereich 6 und den Außenbereich 4 in einander entgegengesetzten Richtungen beaufschlagen, so dass der Verformungsabschnitt 13 auf Zug beansprucht wird.
Die durch die Vorspannmittel 14 hervorgerufenen Zugkräfte wirken in dem Membran-Polymeraktuator 5 rechtwinkelig zu der durch einen Doppelpfeil angedeuteten Dickenrichtung 16 des Membran-Polymeraktuators 5. Die Dickenrichtung 16 verläuft rechtwinkelig zu den Hauptausdehnungsrichtungen des Membran-Polymeraktuators 5.
Die Vorspannmittel 14 greifen einerseits an dem Tragelement 3 und andererseits an dem Krafteinleitungselement 12 an. Bevorzugt bewirken sie, dass das Krafteinleitungselement 12 und das Tragelement 3 in Achsrichtung der Hauptachse 2 voneinander weg gerichtet beaufschlagt werden. Der wirkungsmäßig parallelgeschaltete Membran-Polymeraktuator 5 fungiert dabei als Hubbegrenzungselement, das einen maximalen Axialabstand in Achsrichtung der Hauptachse 2 zwischen dem Tragelement 3 und dem Krafteinleitungselement 12 vorgibt. Dabei ist der Membran-Polymeraktuator 5 in der beschriebenen Weise auf Zug vorgespannt.
Grundsätzlich sind der Innenbereich 6 und das mit dem Innenbereich verbundene Krafteinleitungselement 12 in Achsrichtung der Hauptachse 2 relativ zu dem Außenbereich 4 und dem mit dem Außenbereich 4 verbundenen Tragelement 3 linear beweglich. Die dabei mögliche Relativbewegung sei als Arbeitshubbewegung 15 bezeichnet und ist in der Zeichnung durch einen Doppelpfeil angedeutet. Bei Ausführung der Arbeitshubbewegung 15 verändert sich der in Achsrichtung der Hauptachse 2 gemessene axiale Abstand „A“ zwischen dem Außenbereich 4 und dem Innenbereich 6 des Membran-Polymeraktuators 5.
Die Arbeitshubbewegung 15 ist mittels des Membran-Polymeraktuators 5 hervorrufbar. Der Membran-Polymeraktuator 5 ist ein eine Membranform aufweisender elektroaktiver Polymeraktuator, dessen elektrische Aktivierung eine Verringerung der in der Dickenrichtung 16 gemessenen Membrandicke D_M hervorruft, woraus eine Querdehnung rechtwinkelig zu der Dickenrichtung 16 resultiert.
Wenn der Membran-Polymeraktuator 5 wie beim Ausführungsbeispiel ringförmig gestaltet ist, äußert sich die erwähnte Querdehnung in einer zur Hauptachse 2 radialen Dehnung und einer hierzu überlagerten Umfangsdehnung in der Umfangsrichtung der Hauptachse 2. Insgesamt führt dies zu einer Vergrößerung des zwischen dem Außenbereich 4 und dem Innenbereich 6 gemessenen Abstandes.
Da der Außenbereich 4 und der Innenbereich 6 durch die bezüglich des Membran-Polymeraktuators 5 separaten Vorspannmittel 14 unter ständiger Vorspannung steht, bewirkt eine Veränderung des zwischen dem Außenbereich 4 und dem Innenbereich 6 vorhandenen Abstandes eine Veränderung des zwischen dem Außenbereich und dem Innenbereich 6 gemessenen axialen Abstandes „A“. Folglich kann durch elektrische Aktivierung des Membran-Polymeraktuators 5 die Arbeitshubbewegung 15 erzeugt werden. Bei elektrischer Aktivierung des Membran-Polymeraktuators 5 vergrößert sich der axiale Abstand „A“ aufgrund der durch einen Doppelpfeil angedeuteten Querdehnung 17 des Membran-Polymeraktuators 5. Durch Deaktivierung des Membran-Polymeraktuators 5 wird erreicht, dass sich der axiale Abstand „A“ wieder verringert, weil sich der Membran-Polymeraktuator 5 unter Vergrößerung seiner Wanddicke wieder zusammenzieht.
Die geschilderte Arbeitsweise wird bei allen Ausführungsbeispielen der Vakuumerzeugervorrichtung 1 dazu genutzt, das Volumen einer durch den Membran-Polymeraktuator 5 begrenzten Unterdruckkammer 18 zu verändern, um in dieser Unterdruckkammer 18 einen Unterdruck bzw. ein Vakuum zu erzeugen. Zweckmäßigerweise ist die Vakuumerzeugervorrichtung 1 so ausgebildet, dass das erzeugte Vakuum durch die Betätigung des Membran-Polymeraktuators 5 bei Bedarf auch wieder aufgehoben werden kann.
Zum Zeitpunkt der Vakuumerzeugung ist die Unterdruckkammer 18 zur Umgebung hin luftdicht abgeschlossen. Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die Unterdruckkammer 18 mit mindestens einer Ansaugöffnung 22 der Vakuumerzeugervorrichtung 1 kommuniziert und durch Aktivierung des Membran-Polymeraktuators 5 ein Vakuumaufbau in der Unterdruckkammer 18 stattfindet oder stattfinden kann, wenn die Ansaugöffnung 22 luftdicht verschlossen ist. Dies macht man sich bei den illustrierten Ausführungsbeispielen auf unterschiedliche Weise zu Nutze.
Bei einer Ausgestaltung als Vakuum-Spannvorrichtung 1a wird die Vakuumerzeugervorrichtung 1 genutzt, um durch den in der Unterdruckkammer 18 erzeugten Unterdruck einen Gegenstand 23 festzuhalten. Das Festhalten des Gegenstandes 23 geschieht beispielsweise zum Zwecke einer Umpositionierung des Gegenstandes 23, indem der Gegenstand 23 mit Hilfe der Vakuum-Spannvorrichtung 1a auf Unterdruckbasis ergriffen und festgehalten wird und anschließend durch eine Bewegung der Vakuum-Spannvorrichtung 1a ein Umpositionieren des Gegenstandes 23 stattfindet.
Bei einer solchen, in 1 und 2 illustrierten Ausführungsform der Vakuumerzeugervorrichtung 1 wird der festzuhaltende Gegenstand 23 genutzt, um die Ansaugöffnung 22 zu verschließen.
Die Vakuum-Spannvorrichtung 1a verfügt zweckmäßigerweise über nur eine einzige Ansaugöffnung 22, die zweckmäßigerweise koaxial zu dem Membran-Polymeraktuator 5 angeordnet ist. Beim Ausführungsbeispiel ist das Tragelement 3 ringförmig ausgebildet, so dass man es als Tragring bezeichnen könnte, wobei es die Ansaugöffnung 22 umrahmt. Das Tragelement 3 bildet zweckmäßigerweise eine radial außen liegende, sich rings um die Hauptachse 2 herum erstreckende Seitenwand 24 der Unterdruckkammer 18, die auf der einen axialen Seite von dem Membran-Polymeraktuator 5 luftdicht verschlossen ist und auf der dem Membran-Polymeraktuator 5 axial gegenüberliegenden Seite die Ansaugöffnung 22 definiert.
An dem Tragelement 3 ist zweckmäßigerweise ein die Ansaugöffnung 22 umrahmendes Dichtelement 25 angeordnet, das an dem Gegenstand 23 abdichtend zur Anlage gelangt, wenn die Vakuum-Spannvorrichtung 1a mit der Ansaugöffnung 22 voraus an den Gegenstand 23 angesetzt wird.
Das Dichtelement 25 sorgt dafür, dass die Unterdruckkammer 18 zur Umgebung hin luftdicht abgeschlossen ist, wenn die Vakuum-Spannvorrichtung 1a an den Gegenstand 23 angesetzt ist.
Wird der Membran-Polymeraktuator 5 im an den Gegenstand 23 angesetzten Zustand der Vakuum-Spannvorrichtung 1a aktiviert, verformt sich der Membran-Polymeraktuator 5 in der oben geschilderten Weise, was zu einer Vergrößerung des Volumens der Unterdruckkammer 18 führt und in der Unterdruckkammer 18 einen Unterdruck hervorruft. Auf diese Weise wird der Gegenstand 23 von der Vakuum-Spannvorrichtung 1a festgehalten.
Durch Deaktivieren des Membran-Polymeraktuators 5 kann die Unterdruckkammer 18 wieder auf das Ausgangsvolumen verkleinert werden, so dass der Gegenstand 23 wieder gelöst wird. Beim Deaktivieren des Membran-Polymeraktuators 5 zieht der Membran-Polymeraktuator 5 das Krafteinleitungselement 12 axial wieder zurück in Richtung zu dem Tragelement 3, weil sich die Membrandicke D_M wieder vergrößert.
Die Vakuum-Spannvorrichtung 1a kann auch vorteilhaft betrieben werden, um den zuvor festgehaltenen Gegenstand 23 durch einen Überdruckimpuls wieder abzustoßen. Dies geschieht dadurch, dass der Membran-Polymeraktuator 5 bereits vor dem Ansetzen des Gegenstandes 23 geringfügig aktiviert wird, so dass die Unterdruckkammer 18 zum Zeitpunkt des Ansetzens des Gegenstandes 23 über ein größeres Volumen als das im unbetätigten Zustand vorhandene Ausgangsvolumen aufweist. Durch anschließende weitere Huberhöhung des Membran-Polymeraktuators 5 wird der angesetzte Gegenstand 23 zuverlässig festgehalten. Wenn anschließend der Membran-Polymeraktuator 5 deaktiviert wird, verringert sich das Volumen der Überdruckkammer 18 bis auf das Ausgangsvolumen, so dass darin ein Überdruck entsteht, durch den der Gegenstand 23 von der Vakuum-Spannvorrichtung 1a weggedrückt wird.
Bei einer Ausgestaltung als Vakuum-Pipettiervorrichtung 1b, wie sie exemplarisch anhand der 3 bis 6 illustriert ist, ist die Ansaugöffnung 22 von der Mündung eines Dosierkanals 26 gebildet, der mit der Unterdruckkammer 18 in Verbindung steht und zumindest teilweise in einer an dem Tragelement 3 angeordneten oder unmittelbar von dem Tragelement 3 gebildeten Dosierpipette 27 der Vakuumerzeugervorrichtung 1 verläuft.
Bei der Vakuum-Pipettiervorrichtung 1b verfügt das Tragelement 3 zweckmäßigerweise über eine dem Membran-Polymeraktuator 5 in Achsrichtung der Hauptachse 2 gegenüberliegende Bodenwand 28, die auch von dem Dosierkanal 26 durchsetzt ist, wobei der Dosierkanal 26 an der dem Membran-Polymeraktuator 5 zugewandten Innenfläche der Bodenwand 28 in die Unterdruckkammer 18 einmündet.
Durch Aktivierung des Membran-Polymeraktuators 5 kann in den Dosierkanal 26 durch die Ansaugöffnung 22 hindurch ein zu dosierendes Fluid 32 eingesaugt werden, wenn die Dosierpipette 27 zuvor in ein Fluidreservoir eingetaucht wurde. Durch Deaktivierung des Membran-Polymeraktuators 5 kann das eingesaugte Fluid wieder ausgestoßen werden.
Anhand der 3 bis 5 soll eine bevorzugte Betriebsweise der Vakuum-Pipettiervorrichtung 1b kurz dargestellt werden.
Die 3 zeigt die Vakuum-Pipettiervorrichtung 1b im deaktivierten Zustand des Membran-Polymeraktuators 5. Ausgehend hiervon wird der Membran-Polymeraktuator 5 mit einer geringen Intensität betätigt, so dass er einen geringen Arbeitshub ausführt, der zu dem in 4 illustrierten Zwischenzustand führt. In diesem Zwischenzustand wird die Dosierpipette 27 in die aufzunehmende Flüssigkeit 32 eingetaucht, von der ein Teil infolge Kapillarwirkung bereits in den Dosierkanal 26 eintritt. Dies ist in 4 illustriert.
Anschließend wird der Membran-Polymeraktuator 5 maximal aktiviert, wie dies in 5 illustriert ist. Dies führt zu einer Fortsetzung der Arbeitshubbewegung 15 bis zum Erreichen eines einen maximalen axialen Abstand „A“ ergebenden Maximalhubes des Membran-Polymeraktuators 5. Dabei sorgt der in der Unterdruckkammer 18 erzeugte Unterdruck für ein aktives Einsaugen der Flüssigkeit 32 in den Dosierkanal 26. In diesem Zustand wird dann die Vakuum-Pipettiervorrichtung 1b aus dem Fluidreservoir herausgenommen und über einem Gefäß positioniert, in das die angesaugte Flüssigkeit abgegeben werden soll. Diese Abgabe wird anschließend durch Deaktivieren des Membran-Polymeraktuators 5 bewirkt. Dieses Deaktivieren führt dazu, dass sich der Membran-Polymeraktuator 5 wieder zusammenzieht und sich der axiale Abstand „A“ wieder auf das Ausgangsmaß verringert. Dabei wird das zuvor in den Dosierkanal 26 eingesaugte Fluid aus dem Dosierkanal 26 hinaus verdrängt.
Das Deaktivieren des Membran-Polymeraktuators 5 kann durch Kurzschließen der Elektrodenschichten 34, 35 sehr schnell erfolgen. Dabei kann der Membran-Polymeraktuator 5 mit seinem Innenbereich 6 und insbesondere mit dem Krafteinleitungselement 12 auf die Bodenwand 28 stoßen, was den Vorteil einer Impulsübertragung auf die Spitze der Dosierpipette 27 hat, um etwa vorhandene Tropfen des Fluides 32, welche aufgrund von Adhäsionskräften im Außenbereich der Spitze haften, abzuschütteln. Daher kann der Innenbereich 6 bzw. das Krafteinleitungselement 12 auch vollständig oder teilweise aus einem Material mit hoher Dichte, zum Beispiel Metall, realisiert sein, um den mechanischen Impuls zu vergrößern.
Bei dem Membran-Polymeraktuator 5 handelt es sich um einen elektrisch aktivierbaren dielektrischen Elastomeraktuator mit der Gestalt einer Membran. Bei allen illustrierten Ausführungsbeispielen ist der Membran-Polymeraktuator 5 derart ausgebildet.
Der Membran-Polymeraktuator 5 verfügt über eine maßgeblich für die Membrandicke verantwortliche Elastomermaterialschicht 33, die an ihren einander entgegengesetzten Schichtflächen mit jeweils einer Elektrodenschicht 34, 35 versehen ist. Die Elektrodenschichten 34, 35 sind auch elastisch verformbar, so dass sie die Verformung der Elastomermaterialschicht 33 mitmachen können.
Vorzugsweise bestehen die Elektrodenschichten aus flächenhaft strukturiert ausgebrachten Elektroden, die beispielsweise durch das Aufsprühen von Graphitmaterial oder von Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Material realisierbar sind. Bei dem zwischen den Elektrodenschichten 34, 35 angeordneten Elastomermaterial handelt es sich insbesondere um ein Silikon-Material oder um ein Polyurethan-Material.
Exemplarisch verfügt der Membran-Polymeraktuator 5 über einen nur einschichtigen Membranaufbau, ist also mit nur einer Elastomermaterialschicht 33 versehen. Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel enthält er mehrere aufeinanderliegende Elastormermaterialschichten 33, zwischen denen jeweils eine Elektrodenschicht angeordnet ist und wobei auch die jeweils äußerste Elastomermaterialschicht an ihrer Außenfläche von einer Elektrodenschicht bedeckt ist, so dass sich ein Multilayeraufbau ergibt, der den Vorteil hat, dass vergleichbare Verformungen mit geringeren Bestätigungsspannungen erzeugt werden können.
Die Elektrodenschichten 34, 35 sind mit Außenelektroden 36 verbunden, die für das Anlegen einer Betätigungsspannung an die Elektrodenschichten 34, 35 geeignet sind. Bei denen Außenelektroden 36 kann es sich um separate Kontaktelemente 37 handeln, wie dies bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 6 der Fall ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, wie dies in 7 illustriert ist, die Außenelektroden 36 durch aus dem Tragelement 3 herausgeführte verlängerte Abschnitte der Elektrodenschichten 34, 35 zu bilden. In diesem Fall wird auch ein Verlängerungsabschnitt der Elastomermaterialschicht 33 aus dem Tragelement 3 herausgeführt, der gemeinsam mit den die Außenelektroden 36 definierenden leitfähigen Schichten eine Anschlusszunge 38 bildet, an der die Betätigungsspannung zur Aktivierung des Membran-Polymeraktuators 5 anlegbar ist.
Zweckmäßigerweise ist die Vakuumerzeugervorrichtung 1 dahingehend ausgebildet, dass an den Membran-Polymeraktuator 5 eine variable Betätigungsspannung anlegbar ist. Je höher die Betätigungsspannung ist, desto höher ist der sich einstellende Arbeitshub des Membran-Polymeraktuators 5 und desto größer ist auch das in der Unterdruckkammer 18 erzeugbare Vakuum. Mittels einer variablen Betätigungsspannung ist insbesondere auch die oben geschilderte Betriebsweise möglich, bei der der Membran-Polymeraktuator 5 vor der eigentlichen Nutzung der Vakuum-Erzeugervorrichtung 1 in eine Zwischenstellung ausgelenkt wird, um bei späterer Deaktivierung einen Überdruckimpuls in der Unterdruckkammer 18 erzeugen zu können.
Grundsätzlich arbeitet der Membran-Polymeraktuator 5 derart, dass durch das Anlegen einer Betätigungsspannung zwischen den sich gegenüberliegenden Elektrodenschichten 34, 35 elektrostatische Kräfte entstehen, durch die Elektrodenschichten 34, 35 zueinander gezogen werden. Dabei wird die dazwischen liegende Elastomermaterialschicht 33 zusammengedrückt, wobei sich die Membrandicke D_M, also die Dicke des Membran-Polymeraktuators 5 verringert. Damit einher geht die schon erwähnte Querdehnung quer zur Membrandicke, was letztlich dazu führt, dass der Verformungsabschnitt 13 gelängt wird und sich der Abstand zwischen dem Außenbereich 4 und dem Innenbereich 6 des Membran-Polymeraktuators 5 vergrößert. Auf diese Weise sind die Vorspannmittel 14 in der Lage, den zentralen Innenbereich 6 des Membran-Polymeraktuators 5 in Achsrichtung der Hauptachse 2 relativ zu dem an dem Tragelement 3 fixierten Außenbereich 4 anzuheben. Die dabei stattfindende Arbeitshubbewegung 15 verläuft beim Ausführungsbeispiel rechtwinkelig zu einer den ringförmigen Außenbereich 4 enthaltenden Referenzebene 42. Die Hauptachse 2 ist rechtwinkelig zu dieser Referenzebene 42 ausgerichtet.
Bei allen Ausführungsbeispielen ist sowohl das Tragelement 3 als auch das Krafteinleitungselement 12 mehrteilig ausgebildet, wobei ein ringförmiger Außenbereich 4 des Membran-Polymeraktuators 5 zwischen zwei Bestandteilen des Tragelementes 3 eingespannt ist und wobei ein die Durchbrechung 7 umrahmender ringförmiger Innenbereich 6 des Membran-Polymeraktuators 5 zwischen zwei Bestandteilen des Krafteinleitungselementes 12 eingespannt ist. Es versteht sich jedoch, dass der Membran-Polymeraktuator 5 auch auf andere Weise an dem Tragelement 3 und/oder an dem Krafteinleitungselement 12 befestigt sein kann.
In 5 ist gestrichelt eine vorteilhafte Ausstattungsvariante der Vakuumerzeugervorrichtung 1 angedeutet, bei der sie mit Hubdetektionsmittel 43 zur Detektion des Arbeitshubes des Membran-Polymeraktuators 5 ausgestattet ist. Eine solche Ausstattung ist vor allem dann besonders empfehlenswert, wenn eine reproduzierbare Volumenveränderung der Unterdruckkammer durchgeführt werden soll. Dies trifft beispielsweise für die Ausgestaltung als Vakuum-Pipettiervorrichtung 1b in besonderem Maße zu.
Die illustrierten Hubdetektionsmittel 43 arbeiten nach einem elektromagnetischen Funktionsprinzip unter Verwendung eines an dem Krafteinleitungselement 12 angeordneten Permanentmagneten 44 und eines in der Hubrichtung gegenüberliegend an dem Tragelement 3 angeordneten Hallsensors 45. Zweckmäßigerweise sind Permanentmagnet 44 und Hallsensor 45 auf der den Membran-Polymeraktuator 5 mittig durchsetzenden Hauptachse 2 liegend angeordnet. Mittels mindestens eines mit dem Hallsensor 45 verbundenen, von außen her zugänglichen Abgriffskontaktes 46 lässt sich ein Signal des Hallsensors 45 abgreifen, anhand dessen sich der aktuelle Arbeitshub bestimmen lässt.
Alternativ kann die Hubdetektion auch auf andere Weise erfolgen, wie dies weiter oben schon erwähnt wurde.
Die Vorspannmittel 14 sind zweckmäßigerweise als drückend wirkende Mittel ausgebildet. Die Vorspannmittel 14 drücken den Außenbereich 4 und den Innenbereich 6 des Membran-Polymeraktuators 5 in Achsrichtung der Hauptachse 2 voneinander weg, so dass in der Struktur des Membran-Polymeraktuators 5 eine Zugspannung entsteht, die dafür sorgt, dass die Membran unabhängig vom aktuellen Arbeitshub stets gespannt ist.
Bei allen Ausführungsbeispielen sind die Vorspannmittel 14 von Federmitteln 14a gebildet. Bei diesen Federmitteln 14a handelt es sich insbesondere um Druckfedermittel. Strukturell sind beliebige Ausführungsformen der Federmittel 14a möglich, so beispielsweise als Blattfederstrukturen, als Schraubenfederstrukturen oder als Spiralfederstrukturen, wobei diese Aufzählung nicht als abschließend zu verstehen ist.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass die Federmittel 14a einen mittelbar oder unmittelbar an dem Außenbereich 4 des Membran-Polymeraktuators 5 angreifenden ersten Wirkabschnitt 47 und einen mittelbar oder unmittelbar auf den Innenbereich 6 des Membran-Polymeraktuators 5 einwirkenden zweiten Wirkabschnitt 48 aufweisen. Den Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass es sich bei diesen beiden Wirkabschnitten 47, 48 um Drückabschnitte handelt, die jeweils drückend auf den Membran-Polymeraktuator 5 einwirken.
Vorzugsweise sind die Federmittel 14a so angeordnet und ausgebildet, dass sie nur mittelbar auf den Membran-Polymeraktuator 5 einwirken, was bei allen Ausführungsbeispielen der Fall ist. Hier stützen sich die Federmittel 14a mit ihrem ersten Wirkabschnitt 47 an dem Tragelement 3 und mit ihrem zweiten Wirkabschnitt 48 an dem Krafteinleitungselement 12 ab. Die Abstützung ist derart, dass die beiden genannten Elemente 3, 12 in Achsrichtung der Hauptachse 2 im Sinne einer Vergrößerung des axialen Abstandes „A“ voneinander weg gedrückt werden.
Zweckmäßigerweise ist an dem Tragelement 3 eine axial in Richtung zum Krafteinleitungselement 12 weisende erste Abstützfläche 52 ausgebildet, bei der es sich insbesondere um eine zu der Hauptachse 2 konzentrische Ringfläche handelt. Außerdem ist zweckmäßigerweise an dem Krafteinleitungselement 12 eine axial in Richtung zum Tragelement 3 weisende zweite Abstützfläche 53 angeordnet, bei der es sich bevorzugt ebenfalls um eine zu der Hauptachse 2 konzentrische Ringfläche handelt, deren Durchmesser jedoch geringer ist als derjenige der ersten Abstützfläche 52. Die Federmittel 14a stützen sich mit ihrem ersten Wirkabschnitt 47 an der ersten Abstützfläche 52 und mit ihrem zweiten Wirkabschnitt 48 an der ersten Abstützfläche 53 ab und üben eine die Vorspannkraft bildende Federkraft auf den Membran-Polymeraktuator 5 aus.
Die Federmittel 14a können beispielsweise eine Blattfederstruktur oder eine Tellerfederstruktur haben, wie dies anhand des Ausführungsbeispiels der 1 und 2 illustriert ist. Als besonders vorteilhaft wird eine beim Ausführungsbeispiel der 3 bis 6 realisierte Federstruktur der Federmittel 14a angesehen, die besonders gut in 6 zum Ausdruck kommt. Auch hier ist es, wie bei der Blattfederstruktur oder der Tellerfederstruktur vorteilhaft, wenn die Federmittel 14a eine konische Form haben und sich ausgehend vom Tragelement 3 in Richtung zum Krafteinleitungselement 12 verjüngen.
Anhand der 3 bis 6 ist eine Ausgestaltung der Federmittel 14a gezeigt, bei denen sich zwischen einem ringförmigen ersten Wirkabschnitt 47 und einem einen diesbezüglich kleineren Durchmesser aufweisenden ringförmigen zweiten Wirkabschnitt 48 mehrere gebogene Federarme 54 erstrecken.
Die 7 illustriert eine Vakuumerzeugervorrichtung 1, bei der die Federmittel 14a von einer Schraubenfeder gebildet sind, die sich mit ihrem zweiten Wirkabschnitt 48 an mehreren starren Kraftübertragungsarmen 55 abstützt, die an dem Krafteinleitungselement 12 befestigt sind und von diesem radial abstehen.
Ein Vorteil bei der Verwendung von Federmitteln 14a als Vorspannmittel 14 besteht darin, dass man als Federmaterial eine spezielle Legierung verwenden kann, die eine völlige andere Federkennlinie als eine konventionelle Feder aufweist. Dies gilt vor allem für eine Ausgestaltung als Spiralfeder. So kann man beispielsweise bei Verwendung von gewickelten Drähten aus Formgedächtnis-Legierungen Federkennlinien realisieren, bei denen sich in Abhängigkeit vom Hub die Federkonstante verringert. Dadurch wird in der Vakuumerzeugervorrichtung 1 ein wesentlich höherer Arbeitshub ermöglicht, was im Gegenzug bedeutet, dass der Durchmesser der Vakuumerzeugervorrichtung 1 verringert werden kann.
Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kommen Permanentmagnetmittel als Vorspannmittel 14 zum Einsatz, wobei insbesondere die magnetische Abstoßung zur Erzeugung der Vorspannkraft genutzt wird. Es besteht ferner die Möglichkeit, einen weiteren Membran-Polymeraktuator 5 als Vorspannmittel 14 einzusetzen.
Die Vorspannmittel 14 sind zweckmäßigerweise dem Membran-Polymeraktuator 5 in Achsrichtung der Hauptachse 2 vorgelagert. Zweckmäßigerweise liegen sie auf der der Unterdruckkammer 18 axial entgegengesetzten Seite des Membran-Polymeraktuators 5. Es ist von Vorteil, dass die Vorspannmittel 14 außerhalb der Unterdruckkammer 18 platziert sind.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Vorspannmittel 14 koaxial zu dem Membran-Polymeraktuator 5 angeordnet sind, was für alle Ausführungsbeispiele zutrifft.
Anhand der 1 bis 6 ist noch illustriert, dass die vorteilhafte Möglichkeit besteht, die Vorspannmittel 14 durch einen bezüglich des Außenbereiches 4 des Membran-Polymeraktuators 5 ortsfesten Deckel 56 abzudecken. Somit ergibt sich zwischen dem Membran-Polymeraktuator 5 und dem Deckel 56 eine Aufnahmekammer 57, in der die Vorspannmittel 14, insbesondere Federmittel 14a, geschützt untergebracht werden können.
Vorzugsweise sind in dem Deckel 56 eine oder mehrere Durchbrechungen 58 ausgebildet, die eine Luftdurchlässigkeit des Deckels 56 bewirken und einen Luftaustausch mit der Umgebung ermöglichen, so dass die Verformung des Membran-Polymeraktuators 5 nicht beeinträchtigt wird.
Zumindest im aktivierten Zustand, vorzugsweise aber auch schon im deaktivierten Zustand hat der Membran-Polymeraktuator 5 zweckmäßigerweise eine konische Formgebung, wobei er an seinem Außenbereich 4 einen größeren Durchmesser hat als an seinem Innenbereich 6, wobei der Innenbereich 6 bezüglich des Außenbereiches 4 in Achsrichtung der Hauptachse 2 versetzt ist.
Abschließend sei noch die vorteilhafte Möglichkeit erwähnt, mehrere Vakuumerzeugervorrichtungen 1 in einer Baugruppe oder Baueinheit zusammenzufassen und/oder ein und dieselbe Vakuumerzeugervorrichtung 1 mit mehreren Membran-Polymeraktuatoren 5 und/oder mit mehreren Unterdruckkammern 18 auszustatten. Insbesondere bei einer Verwendung zur Pipettierung ist eine derartige Mehrfachanordnung möglich, dass in einer Einheit mehrere Vakuum-Pipettiervorrichtungen 1b zusammengefasst sind, deren Dosierpipetten 27 in einem gewissen Rastermaß angeordnet sind, das für die gewünschte Anwendung vorteilhaft ist.

Claims

Vakuumerzeugervorrichtung, mit einer Unterdruckkammer (18), die von mindestens einer elastisch verformbaren Membran begrenzt ist, die einen Innenbereich (6) und einen den Innenbereich (6) umgebenden Außenbereich (4) hat, wobei diese Bereiche (6, 4) durch in Achsrichtung einer Hauptachse (2) wirkende Vorspannmittel (14) auf Zug gegeneinander vorgespannt und durch Ausführung einer in Achsrichtung der Hauptachse (2) orientierten Arbeitshubbewegung (15) unter Veränderung des Volumens der Unterdruckkammer (18) relativ zueinander beweglich sind, wobei die Membran als elektroaktiver Polymeraktuator in Membranform (= Membran-Polymeraktuator [5]) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Membran-Polymeraktuator (5) als dielektrischer Elastomeraktuator in Membranform ausgebildet ist, dessen elektrische Aktivierung eine Verringerung der Membrandicke (D_M) hervorruft, so dass die damit einhergehende Querdehnung (17) eine durch die Vorspannmittel (14) hervorgerufene Arbeitshubbewegung (15) bewirkt und der Membran-Polymeraktuator (5) mindestens eine Elastomermaterialschicht (33) aufweist, die auf ihren beiden einander entgegengesetzten Seiten jeweils mit einer Elektrodenschicht (34, 35) versehen ist, wobei an die Elektrodenschichten (34, 35) eine die Aktivierung des Membran-Polymeraktuators (5) bewirkende Betätigungsspannung anlegbar ist, und dass der Außenbereich (4) des Membran-Polymeraktuators (5) an einem starren Tragelement (3) der Vakuumerzeugervorrichtung (1) und der Innenbereich (6) des Membran-Polymeraktuators (5) an einem bezüglich des Tragelementes (3) gesonderten Krafteinleitungselement (12) fixiert ist, wobei die Vorspannmittel (14) außerhalb der Unterdruckkammer (18) platziert sind und einerseits an dem Tragelement (3) und andererseits an dem Krafteinleitungselement (12) angreifen.
Vakuumerzeugervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsspannung variabel ist.
Vakuumerzeugervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse (2) rechtwinkelig zu einer den Außenbereich (4) des Membran-Polymeraktuators (5) enthaltenden Referenzebene (42) verläuft.
Vakuumerzeugervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Membran-Polymeraktuator (5) ringförmig gestaltet ist.
Vakuumerzeugervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenbereich (4) vom äußeren Randbereich (9) und der Innenbereich (6) vom inneren Randbereich (8) des ringförmigen Membran-Polymeraktuators (5) gebildet ist.
Vakuumerzeugervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (14) als drückend wirkende Mittel ausgebildet sind.
Vakuumerzeugervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (14) von Federmitteln (14a) oder von Permanentmagnetmitteln gebildet sind.
Vakuumerzeugervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (14) in einer das Krafteinleitungselement (12) vom Tragelement (3) in Achsrichtung der Hauptachse (2) weg drückenden Weise an dem Tragelement (3) und an dem Krafteinleitungselement (12) angreifen.
Vakuumerzeugervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (14) dem Membran-Polymeraktuator (5) in Achsrichtung der Hauptachse (2) vorgelagert sind und/oder dass die Vorspannmittel (14) koaxial zu dem Membran-Polymeraktuator (5) angeordnet sind.
Vakuumerzeugervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannmittel (14) durch einen bezüglich des Außenbereiches (4) des Membran-Polymeraktuators (5) ortsfesten und bevorzugt luftdurchlässigen Deckel (56) abgedeckt sind, wobei die Vorspannmittel (14) zwischen dem Deckel (56) und dem Membran-Polymeraktuator (5) angeordnet sind.
Vakuumerzeugervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Hubdetektionsmitteln (43) zur Erfassung des Arbeitshubes des Membran-Polymeraktuators (5) ausgestattet ist, die beispielsweise eine elektromagnetische und/oder eine optische Sensorik enthalten und/oder deren Funktion auf einer Kapazitätsmessung des Membran-Polymeraktuators (5) basiert.
Vakuumerzeugervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Vakuumspannvorrichtung (1a) ausgebildet ist, die zum Vakuum basierten lösbaren Festhalten eines Gegenstandes (23) geeignet ist, wobei die Unterdruckkammer (18) eine Ansaugöffnung (22) aufweist, mit der voraus sie an den festzuhaltenden Gegenstand (23) ansetzbar ist.
Vakuumerzeugervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Vakuumpipettiervorrichtung (1b) ausgebildet ist, die eine Dosierpipette (27) aufweist, die von einem mit der Unterdruckkammer (18) in Verbindung stehenden Dosierkanal (26) durchsetzt ist.