DE60221586T2 - Elektrisch aktivierbarer Antrieb aus Polymer und Diaphragmapumpe mit diesem Antrieb - Google Patents

Elektrisch aktivierbarer Antrieb aus Polymer und Diaphragmapumpe mit diesem Antrieb Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektroaktives Polymer-Stellglied, das bevorzugt für Vorrichtungen wie z.B. kleine Membranpumpen verwendet wird, und eine Membran mit diesem Stellglied.
  • STAND DER TECHNIK
  • In der Vergangenheit wurde für Vorrichtungen wie z.B. kleine Membranpumpen vorgeschlagen, ein Laminat zu verwenden, das aus einer Schicht eines elektroaktiven Polymermaterials wie z.B. Silikonkautschuk und einem Acrylmaterial besteht, und einem Paar Elektrodenschichten, die auf beiden Seiten der Schicht geformt sind. Wenn zwischen den Elektrodenschichten eine Spannung angelegt wird, tritt solch eine Verformung des Laminats auf, daß eine Abmessung in der Dickenrichtung (vertikale Richtung) des Laminats abnimmt, und die Abmessung in der horizontalen Richtung des Laminats zunimmt. Dieses Phänomenen ist als elektroaktiver Effekt bekannt.
  • Zum Beispiel offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-263486 eine Membranpumpe, die den elektroaktiven Effekt nutzt. Das heißt, daß, wie in 11 gezeigt, diese Membranpumpe ein Gehäuse 1P umfaßt, mit einer Höhlung 7B, um auf seiner Oberseite eine Pumpkammer und Einlaß- und Auslaßkanäle (2P, 3P) vorzusehen, und einer Membran 10P zum Abdecken dieser Höhlung. Die Membran 10P weist eine Laminatstruktur auf, die aus einem dünne Schichtelement 12P eines elektroaktiven Polymermaterials und einem Paar Elektrodenschichten 11P besteht, die durch physikalisches Aufdampfen wie z.B. Sputtern auf beiden Seiten des dünnen Schichtelements geformt werden.
  • Wenn eine Spannung zwischen den Elektrodenschichten 11P angelegt wird, nimmt die Abmessung in der Dickenrichtung der Membran 10P ab, und die Abmessung in deren horizontalen Richtung nimmt zu. Dies bewirkt eine Volumenänderung der Pumpkammer, d.h. eines Raums, der von der Höhlung 7P und der Membran 10P umgeben ist. Andrerseits, wenn die angelegte Spannung entfernt wird, nimmt die Membran 10P wieder ihre ursprüngliche Form an. Daher ist es dieser Volumenänderung der Pumpkammer entsprechend möglich, ein Fluid wie z.B. Luft durch den Einlaßkanal 2P in die Pumpkammer zu saugen und diese Luft in der Pumpkammer dann durch den Auslaßkanal 3P auszustoßen. Durch Anlegen einer HF-Spannung mit einer erforderlichen Frequenz zwischen den Elektrodenschichten 11P kann dieser Pumpvorgang wiederholt werden.
  • Doch bei Verwendung dieses Laminats 10P als Membran ist es schwer, die Verformung der Membran während des Pumpbetriebs zu regeln. Deshalb besteht im Hinblick auf die Gewährleistung eines stabilen und zuverlässigen Pumpbetriebs noch viel Raum für Verbesserungen. Da die Membran durch das Laminat geformt wird, das das einzige dünne Schichtelement 12P aus dem elektroaktiven Polymermaterial einschließt, liegt zudem das Problem vor, daß eine Verformungskraft der Membran relativ klein ist und eine Verformungsgeschwindigkeit davon relativ langsam ist. Dies kann zu Abnahmen in der Ausstoßmenge und Ansprechgeschwindigkeit der Membranpumpe führen. Deshalb heißt es, daß diese Probleme Gründe sind, die den tatsächlichen Einsatz von Vorrichtungen wie z.B. kleinen Membranpumpen, die den elektroaktiven Effekt nutzen, verhindern.
  • Eine andere Aktivierung gemäß dem Stand der Technik ist in der EP 0 534 082 beschrieben.
  • Im Hinblick auf die oben genannten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektroaktives Polymer-Stellglied zur Verfügung zu stellen, welches die Eigenschaften einer verbesserten Reaktionsgeschwindigkeit und Betriebszuverlässigkeit einer Vorrichtung umfaßt, die diesen elektroaktiven Effekt verwendet.
  • Dies bedeutet, das elektroaktive Polymer-Stellglied umfaßt folgendes:
    ein Laminat bzw. eine Laminatstruktur, die ein schlauchförmiges Element aus einem elektroaktiven Polymermaterial umfaßt, eine erste Elektrode, die an einer inneren Umfangsfläche des schlauchförmigen Elements ausgebildet ist, und eine zweite Elektrode, die an einer äußeren Umfangsfläche des schlauchförmigen Elements ausgebildet ist; und
    eine Spannungsvorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode zum Hervorrufen einer Deformation in dem Laminat bzw. in der Laminatstruktur.
  • Zusätzlich ist es bevorzugt, daß das Laminat bzw. die Laminatstruktur des elektroaktiven Polymer-Stellglieds zusätzlich umfaßt:
    ein zweites schlauchförmiges Element aus einem elektroaktiven Polymermaterial, welches so um die zweite Elektrode angeordnet ist, daß die äußere Umfangsfläche des schlauchförmigen Elements mit einer inneren Umfangsfläche des zweiten schlauchförmigen Elements über die zweite Elektrode verbunden ist;
    eine dritte Elektrode, die an einer äußeren Umfangsfläche des zweiten schlauchförmigen Elements ausgebildet ist;
    wobei die Spannungsvorrichtung die Spannung oder Spannungen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und zwischen der zweiten und der dritten Elektrode anlegt, um eine Deformation in dem Laminat hervorzurufen.
  • Um darüber hinaus eine weiter verbesserte Reaktionsgeschwindigkeit und Betriebszuverlässigkeit der Vorrichtung, die einen elektroaktiven Effekt verwendet, zu erzielen, ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektroaktives Polymer-Stellglied zur Verfügung zu stellen, das folgendes umfaßt:
    ein Laminat oder eine Laminatstruktur, die durch ein abwechselndes Anordnen einer Vielzahl von Ringelementen aus einem elektroaktiven Polymermaterial, die unterschiedliche Durchmesser aufweisen, und einer Vielzahl von Ringelektroden, die einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, so daß jedes der Ringelemente zwischen einer inneren und einer äußeren Umfangsfläche von angrenzenden Ringelektroden angeordnet ist, gebildet wird; und
    eine Spannungsvorrichtung zum Anlegen einer Spannung oder von Spannungen zwischen ungradzahligen Ringelektroden und gradzahligen Ringelektroden bei einem Zählen der Ringelektroden in der Reihenfolge beginnend mit einer innersten Ringelektrode des Laminats bzw. der Laminatstruktur, um dadurch eine Deformation in dem Laminat hervorzurufen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektroaktives Polymer-Stellglied zur Verfügung zu stellen, das durch eine einzigartige Anordnung von nachfolgend beschriebenen Laminaten bzw. Laminatstrukturen charakterisiert ist, die in der Lage sind, die Reaktionsgeschwindigkeit und die Betriebszuverlässigkeit einer Vorrichtung, die einen elektroaktiven Effekt verwendet, zu verbessern. Das bedeutet, ein solches Stellglied umfaßt:
    eine Vielzahl von Laminaten, von denen jedes eine dreieckige Prismenform aufweist, wobei jedes der Laminate ein Paar Elektroden und ein elektroaktives Polymerelement umfaßt, die abwechselnd in einer Richtung einer vertikalen Linie, die sich von einem Scheitel eines Dreiecks, einer allgemeinen Fläche des dreieckigen Prismas, zu einer Basis des Dreiecks erstreckt, wobei die Laminate als Ganzes in einem normalen polygonalen Muster so angeordnet sind, daß der Scheitel des Dreiecks in der Nähe eines Zentrums des polygonalen Musters angeordnet ist, und wobei jedes der Laminate von einem angrenzenden Laminat mit einem erforderlichen Abstand angeordnet ist; und
    eine Spannungsvorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden, die durch das elektroaktive Polymermaterial im Hinblick auf jedes der Laminate mit Abstand voneinander angeordnet sind, so daß eine Deformation in dem Laminat hervorgerufen wird.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektroaktives Polymer-Stellglied zur Verfügung zu stellen, das durch eine spiralförmige Struktur charakterisiert ist, die durch ein Wickeln eines länglichen Laminats, wie nachfolgend beschrieben, gebildet wird, welches die Eigenschaft einer verbesserten Reaktionsgeschwindigkeit und einer verbesserten Betriebssicherheit einer Vorrichtung, die einen elektroaktiven Effekt nutzt, umfaßt. Das bedeutet, daß ein solches Stellglied umfaßt:
    die spiralförmige Struktur, die durch ein Wickeln eines Laminats gebildet wird, welches eine längliche Schicht eines elektroaktiven Polymermaterials umfaßt, ein Paar einer ersten und einer zweiten Elektrodenschicht, die auf gegenüberliegenden Flächen der länglichen Schicht angeordnet sind, und eine Isolationsschicht, die an einer der Elektrodenschichten angeordnet ist; und
    eine Spannungsvorrichtung zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektrodenschichten, um eine Deformation in der spiralförmigen Struktur hervorzurufen.
  • Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung, als eine besonders bevorzugte Anwendung des elektroaktiven Polymer-Stellglieds, eine Membranpumpe, die das elektroaktive Polymer- Stellglied eines der oben genannten elektroaktiven Polymer-Stellglieder als ein Membranpumpenantriebsmittel umfaßt, und eine dünne Schicht eines flexiblen Materials als Membran zur Verfügung, auf deren Oberfläche das Laminat des elektroaktiven Polymer-Stellglieds angebracht ist.
  • Diese und noch weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung noch deutlicher.
  • KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A und 1B sind eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht eines elektroaktiven Polymer-Stellglieds nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2A und 2B sind Querschnittsansichten, die eine Verformung des elektroaktiven Polymer-Stellglieds darstellen, die verursacht wird, wenn eine Spannung angelegt wird;
  • 3A und 3B sind schematische Querschnittsansichten einer Membranpumpe, die das Stellglied verwendet;
  • 4A und 4B sind eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht, die einen Stromkreis des elektroaktiven Polymer-Stellglieds zeigen;
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Laminats des elektroaktiven Polymer-Stellglieds nach einer ersten Modifikation der ersten Ausführungsform;
  • 6A und 6B sind eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht, die einen Stromkreis des elektroaktiven Polymer-Stellglieds von 5 zeigen;
  • 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Laminats des elektroaktiven Polymer-Stellglieds nach einer zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform;
  • 8 ist eine Draufsicht eines Ringelements des Laminats von 7;
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Laminats des elektroaktiven Polymer-Stellglieds nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht eines Laminats des elektroaktiven Polymer-Stellglieds nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 11A bis 11C sind schematische Ansichten, die die Arbeitsweise einer bimorphen Membranantriebseinheit zeigt, die ein Paar der erfindungsgemäßen elektroaktiven Polymer-Stellglieder verwendet; und
  • 12 ist eine Querschnittsansicht einer konventionellen Membranpumpe.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Diese Ausführungsformen schränken den Umfang der vorliegenden Erfindung jedoch nicht ein.
  • <ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM>
  • Wie in 1A und 1B gezeigt, weist ein elektroaktives Polymer-Stellglied der ersten Ausführungsform ein scheibenförmiges Laminat 5 auf, das geformt wird, indem erste bis sechste Ringelemente 11 bis 16 mit verschiedenen Durchmessern aus einem elektroaktiven Polymermaterial wie z.B. Silikonkautschuk und ein Acrylmaterial, und erste bis siebte Ringelektroden 21 bis 27 mit verschiedenen Durchmessern abwechselnd in einem konzentrischen Muster so angeordnet werden, daß jedes der Ringelemente zwischen inneren und äußeren Umfangsflächen benachbarter Ringelektroden liegt. In 1A bezeichnet das Bezugszeichen 4 eine elastische dünne Schicht als Membran, die an eine Unterseite des Laminats 5 befestigt ist.
  • Zum Beispiel kann die erste Ringelektrode 21 erhalten werden, indem auf einer inneren Umfangsfläche des ersten Ringelements 11 eine Leitschicht geformt wird, und die zweite Ringelektrode 22 kann erhalten werden, indem auf einer äußeren Umfangsfläche des ersten Ringelements 11 eine Leitschicht geformt wird. Zur Formung dieser Leitschichten wird zum Beispiel die Verwendung einer physikalischen Aufdampfung wie z.B. Sputtern bevorzugt. Dann wird das zweite Ringelement 12 so um die zweite Elektrode 22 herum angeordnet, daß die äußere Umfangsfläche des ersten Ringelements 11 durch die zweite Ringelektrode 22 mit einer inneren Umfangsfläche des zweiten schlauchförmigen Elements 12 verbunden ist. Außerdem kann die dritte Ringelektrode 23 erhalten werden, indem eine Leitschicht auf einer äußeren Umfangsfläche des zweiten Ringelements 12B geformt wird. Die restlichen Ringelektroden (2427) und die restlichen Ringelemente (1316) werden dementsprechend angeordnet, um das Laminat 5 zu erhalten. In dieser Ausführungsform ist die erste Ringelektrode 21 zischen einem zentralen Zylinderkörper 40 und dem ersten Ringelement 11 angeordnet.
  • Wie in 1B gezeigt, weist das elektroaktive Polymer-Stellglied eine Spannungsanlegeeinheit auf, um eine Spannung zwischen ungeradzahligen Ringelektroden und geradzahligen Ringelektroden anzulegen, wenn die Nummer der Ringelektroden von einer innersten Ringelektrode (d.h., der ersten Ringelektrode 21) aus gezählt wird, um dadurch eine Verformung im Laminat 5 zu bewirken. In dieser Ausführungsform sind die ersten, dritten, fünften und siebten Ringelektroden (21, 23, 25, 27) mit dem Minuspol einer Gleichstromversorgung 30 verbunden, und die zweiten, vierten und sechsten Ringelektroden (22, 24, 26) sind mit dem Pluspol der Gleichstromversorgung 30 verbunden. In 1B bezeichnet das Bezugszeichen 32 einen Ein-Aus-Schalter, der benutzt wird, um die Spannung zwischen diesen Elektroden anzulegen.
  • Wenn im elektroaktiven Polymer-Stellglied mit dem obigen Aufbau der Schalter 32 eingeschaltet wird, tritt eine Verformung des Laminats 5 so auf, daß die Abmessung in der radialen Richtung des Laminats abnimmt und die Abmessung in der axialen Richtung des Laminats zunimmt, wie in 1A gezeigt. Wenn das Laminat 5 auf der elastischen dünnen Schicht 4 befestigt ist, kann die elastische dünne Schicht 4 durch die Verformungskraft des Laminats gebogen werden, wie in 2A gezeigt. Dann, wenn der Schalter 32 ausgeschaltet wird, nimmt das Laminat 5 wieder seine ursprüngliche Form an, wie in 2B gezeigt. Durch Wiederholung dieses Schaltvorgangs kann die aus der elastischen dünnen Schicht 4 bestehende Membran daher periodisch verformt werden.
  • Als Beispiel wird in 3A bis 3B eine Membranpumpe erläutert, die das erfindungsgemäße elektroaktive Polymer-Stellglied verwendet. Diese Membranpumpe weist ein Gehäuse 1 auf, umfassend eine Höhlung 7, um eine Pumpkammer auf seiner Oberseite bereitzustellen, und Einlaß- und Auslaßkanäle (2, 3), die mit der Höhlung verbunden sind, und die dünne Schicht 4 aus einem elastischen Material als Membran zum Abdecken der Höhlung. Das Laminat 5 des elektroaktiven Polymer-Stellglieds ist auf einer Seite der dünnen Schicht befestigt, die der Seite entgegengesetzt ist, die der Höhlung 7 zugewandt ist. Wenn die dünne Schicht 4 aus einem Metallmaterial besteht, ist das Laminat durch eine notwendige Isolierschicht (nicht gezeigt) mit der dünnen Schicht verbunden. Die Bezugszeichen 50 und 52 bezeichnen Einwegeventile, die in den Einlaß- und Auslaßkanälen (2, 3) eingebaut sind.
  • Wenn eine Spannung an das Stellglied angelegt wird, wird die Membran 4 durch die Verformung des Laminats 5 gebogen, um ein Innenvolumen der Pumpkammer zu verkleinern, wie in 3A gezeigt, so daß ein Fluid wie z.B. Luft durch den Auslaßkanal 3 aus der Pumpkammer ausgestoßen wird. Dann, wenn die angelegte Spannung entfernt wird, nimmt das Laminat 5 wieder seine ursprüngliche Form an, wie in 3B gezeigt, so daß das Fluid durch den Einlaßkanal 2 in die Pumpkammer eintritt.
  • Der obigen erfindungsgemäßen Membranpumpe gemäß ist es möglich, einen stabilen Pumpbetrieb und eine erhöhte Ansprechgeschwindigkeit zu gewährleisten. Das heißt, da das konventionelle elektroaktive Polymer-Stellglied als Membran ein Laminat verwendet, das aus einem einzigen Schichtelement des elektroaktiven Polymermaterials und einem Paar Elektrodenschichten besteht, die auf beiden Seiten des Schichtelements geformt sind, ist es schwer, während des Pumpbetriebs eine konstante Membranbewegung zu erhalten, wie oben beschrieben. Da aber in der vorliegenden Erfindung das Laminat 5 die konzentrische Anordnung einer Vielzahl von Ringelementen aufweist, die als Membranantriebsmittel verwendet werden, ist es möglich, eine geregelte Membranbewegung mit hoher Ansprechgeschwindigkeit zu erhalten.
  • Darüber hinaus sind die Expansions- und Kontraktionskräfte des Laminats 5 gleich der Summe der Expansions- und Kontraktionskräfte der jeweiligen Ringelemente (1116). Deshalb kann das Stellglied dieser Ausführungsform eine stärkere Pumpwirkung gewährleisten als das konventionelle Stellglied, das nur ein einziges Schichtelement des elektroaktiven Polymermaterials als Membran verwendet. Ferner liegt ein zusätzlicher Vorteil vor, daß eine Verformungsmenge der Membran mit Genauigkeit einer Größe der am Stellglied anliegenden Spannung entsprechend geregelt werden kann.
  • Im Stellglied der vorliegenden Erfindung ist die Zahl der Ringelemente aus dem elektroaktiven Polymermaterial nicht eingeschränkt. Wenn das Stellglied aber als Membranantriebsmittel für die Membranpumpe verwendet wird, wird empfohlen, die Zahl der Ringelemente innerhalb eines Bereichs von 3 bis 10 zu wählen, um die hohe Pumpleistung auf zuverlässige Weise zu erreichen. Wenn die Zahl der Ringelemente größer als 10 ist, kann es sein, daß die Größe des Stellglieds für kleine Vorrichtungen zu groß ist. Außerdem können die Produktionskosten des Stellglieds steigen.
  • Das Laminat des erfindungsgemäßen elektroaktiven Polymer-Stellglieds kann beispielsweise durch das folgende Verfahren hergestellt werden. Zuerst werden eine Vielzahl von schlauchförmigen Elementen des elektroaktiven Polymermaterials mit verschiedenen Durchmessern und eine Vielzahl von schlauchförmigen Elektroden mit verschiedenen Durchmessern abwechselnd angeordnet, um einen festen Zylinderkörper zu erhalten, der zahlreiche konzentrische Schichten aufweist. Jede der schlauchförmigen Elektroden kann erhalten werden, indem mit Hilfe eines PVD-Verfahrens wie z.B. Sputtern auf der äußeren und/oder inneren Umfangsfläche der jeweiligen Ringelemente eine Leitschicht geformt wird. Dann wird der feste Zylinderkörper in einer Richtung geschnitten (oder in Scheiben geschnitten), die rechtwinklig zu seiner axialen Richtung liegt, um ein scheibenförmiges Laminat zu erhalten, das eine gewünschte axiale Länge aufweist. Diesem Verfahren entsprechend ist es möglich, das Laminat für das erfindungsgemäße elektroaktive Polymer-Stellglied auf rationelle Weise herzustellen.
  • Übrigens weisen die ersten bis sechsten Ringelemente (1116) des elektroaktiven Polymer-Stellglieds dieser Ausführungsform die gleiche Wanddicke auf, wie in 1A gezeigt. In diesem Fall wird bevorzugt, zwischen den ungeradzahligen Ringelektroden (21, 23, 25, 27), die mit dem Pluspol verbunden sind, und den geradzahligen Ringelektroden (22, 24, 26), die mit dem Minuspol der Gleichstromversorgung verbunden sind, auf folgende Weise eine Vielzahl von verschiedenen Spannungen (V1, V2, V3, V4) anzulegen.
  • Das heißt, eine Spannungsgröße (V1), die zwischen den ersten und zweiten Ringelektroden (21, 22) angelegt wird, die durch das erste Ringelement 11 beabstandet sind, ist kleiner als die Spannungsgröße (V2), die zwischen den zweiten und dritten Ringelektroden (22, 23) angelegt wird, die durch das zweite Ringelement 12 beabstandet sind. Dementsprechend ist die Spannungsgröße (V2), die zwischen den zweiten und dritten Ringelektroden (22, 23) angelegt wird, die durch das zweite Ringelement 12 beabstandet sind, kleiner als die Spannungsgröße (V3), die zwischen den zweiten und dritten Ringelektroden (23, 24) angelegt wird, die durch das dritte Ringelement 13 beabstandet sind. Die Größen der jeweiligen Spannungen, die zwischen den Ringelektroden angelegt werden, werden so bestimmt, daß eine Expansionsmenge in der axialen Richtung jedes der Ringelemente im wesentlichen der des benachbarten Ringelements entspricht. Dadurch ist es möglich, eine einheitliche Dehnung in der axialen Richtung des Laminats zu erreichen.
  • Wenn die verschiedenen Spannungen wie oben beschrieben zwischen den ungeradzahligen Ringelektroden und den geradzahligen Ringelektroden des Laminats angelegt werden, wird bevorzugt ein Stromkreis geformt, wie in 4A und 4B gezeigt. Das heißt, erste Isolierschichten (62, 64, 66) werden auf freigelegten Enden der geradzahligen Ringelektroden (22, 24, 26) auf einer Oberseite des Laminats 5 geformt, und zweite Isolierschichten (61, 63, 65, 67) werden auf freigelegten Enden der ungeradzahligen Ringelektroden (21, 23, 25, 27) auf einer Unterseite des Laminats geformt.
  • Dann wird eine Vielzahl von ersten Leitschichten (71, 72, 73, 74) so auf der Oberseite des Laminats 5 geformt, daß jede der ersten Leitschichten (z.B. 72) durch die Isolierschicht (z.B. 64) von einer benachbarten ersten leitfähigen Schicht (z.B. 73) getrennt wird. Dadurch ist jede der ersten Leitschichten (7174) mit dem freigelegten Ende der ungeradzahligen Ringelektroden (21, 23, 25, 27) auf der Oberseite des Laminats 5 verbunden. Andrerseits wird eine einzige zweite Leitschicht 80 auf der ganzen Unterseite des Laminats 5 so geformt, daß die freigelegten Enden der geradzahligen Ringelektroden (22, 24, 26) durch die zweite Leitschicht miteinander elektrisch verbunden sind. Die zweite Leitschicht 80 wird als Erdungselektrode benutzt. Um die erforderlichen Spannungen (V1, V2, V3, V4) zwischen den ersten Leitschichten (7174) und der Erdungselektrode 80 anzulegen, kann eine Vielzahl von Gleichstromquellen (nicht gezeigt) benutzt werden. Alternativ dazu kann eine Schenkelschaltung verwendet werden. In diesem Fall kann eine Vielzahl von Spannungen von einer einzigen Stromquelle erhalten werden.
  • Als nächstes werden Modifikationen des elektroaktiven Polymer-Stellglieds dieser Ausführungsform erläutert.
  • Als eine erste Modifikation, wie in 5 gezeigt, wird bevorzugt, daß ein Laminat des elektroaktiven Polymer-Stellglieds so geformt ist, daß Wanddicken (T1, T2, T3, T4) der ersten bis vierten Ringelemente (11, 12, 13, 14) die Bedingung T1 > T2 > T3 > T4 erfüllen. Das heißt, die Wanddicke jedes der ersten bis sechsten Ringelemente wird so bestimmt, daß eine Expansionsmenge in der axialen Richtung jedes der Ringelemente im wesentlichen der des benachbarten Ringelements entspricht, wenn zwischen den ungeradzahligen Ringelektroden, die mit dem Pluspol verbunden sind, und den geradzahligen Ringelektroden, die mit dem Minuspol der Gleichstromversorgung 30 verbunden sind, eine konstante Spannung angelegt wird. Dadurch ist es möglich, eine einheitliche Dehnung in der axialen Richtung des Laminats zu erreichen.
  • Wenn die konstante Spannung zwischen den ungeradzahligen Ringelektroden (21, 23, 25) und den geradzahligen Ringelektroden (22, 24) des Laminats 5 angelegt wird, wird bevorzugt ein Stromkreis geformt, wie in 6A und 6B gezeigt. Das heißt, erste Isolierschichten (61, 63, 65) werden auf freigelegten Enden der ungeradzahligen Ringelektroden (21, 23, 25) auf einer Oberseite des Laminats geformt, und zweite Isolierschichten (62, 64) werden auf freigelegten Enden der geradzahligen Ringelektroden (22, 24) auf einer Unterseite des Laminats 5 geformt.
  • Dann wird eine erste Leitschicht 70 auf der ganzen Oberseite des Laminats 5 so geformt, daß die freigelegten Enden der geradzahligen Ringelektroden (22, 24) auf der Oberseite des Laminats durch die erste Leitschicht miteinander elektrisch verbunden sind. Dementsprechend wird eine zweite Leitschicht 80 auf der ganzen Unterseite des Laminats 5 so geformt, daß die freigelegten Enden der ungeradzahligen Ringelektroden (23, 25, 25) durch die zweite Leitschicht miteinander elektrisch verbunden sind. Schließlich wird die Gleichstromversorgung 30 durch den Ein-Aus-Schalter 32 zwischen der ersten und zweiten Leitschicht (70, 80) angeschlossen.
  • Als zweite Modifikation, wie in 7 und 8 gezeigt, kann jedes der ersten bis fünften Ringelemente (2115) in einer Zylinderhohlform so geformt sein, daß ein Zentrum P2 des inneren Kreises C2 vom Zentrum P1 des äußeren Kreises versetzt ist. Wenn an dieses Laminat 5 eine Spannung angelegt wird, tritt eine solche Verformung des Laminats auf, daß die Abmessung in der radialen Richtung des Laminats abnimmt und die Abmessung in der axialen Richtung des Laminats zunimmt. Dabei ist eine Kontraktionsmenge in der radialen Richtung auf der Seite R2 des Laminats größer als die Kontraktionsmenge auf der Seite R1 des Laminats. Mit anderen Worten, eine Dehnung in einer axialen Richtung auf der Seite R2 des Laminats ist größer als die Dehnung auf der Seite R1 des Laminats, wodurch das Laminat 5 gebogen wird, wie durch die Pfeile in 7 angezeigt.
  • Darüber hinaus können, als dritte Modifikation, die Ringelemente des elektroaktiven Polymer-Stellglieds in annähernd gleichen elliptischen Ringen geformt sein und so angeordnet sein, daß die Mittelachsen dieser Ringelemente miteinander übereinstimmen und jedes der Ringelemente zwischen benachbarten Ringelektroden angeordnet ist.
  • <ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM>
  • Wie in 9 gezeigt, weist ein elektroaktives Polymer-Stellglied nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Anordnung aus einer Vielzahl von Laminaten 5A auf, die alle die eine Dreiecksprismenform aufweisen. Jedes der Laminate 5A umfaßt eine Vielzahl von Elektroden 20A und elektroaktiven Polymermaterialien 10A, die abwechselnd in Richtung einer vertikalen Linie angeordnet sind, die von einem Scheitel P eines Dreiecks, das eine Hauptfläche des Dreiecksprismas ist, zu einer Grundlinie S des Dreiecks verläuft. In dieser Ausführungsform ist die Zahl der Laminate 8.
  • Diese Laminate 5A sind als Ganzes so in einem achteckigen Muster angeordnet, daß der Scheitel P des Dreiecks in der Nachbarschaft eines Zentrums des achteckigen Musters angeordnet ist, und jedes der Laminate 5A ist in einem erforderlichen Abstand d von einem benachbarten Laminat beabstandet. Dieses Stellglied weist auch eine Spannungsanlegeeinheit (nicht gezeigt) zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 20A jedes der Laminate auf, um eine Verformung des Laminats zu bewirken. Durch gleichzeitiges Anlegen der Spannungen an jedes der Laminate kann eine Membran 4A, die an der Anordnung von Laminaten 5A befestigt ist, wie bei der ersten Ausführungsform gebogen werden, wie durch die Pfeile in 9 angezeigt.
  • <DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM>
  • Wie in 10 gezeigt, weist ein elektroaktives Polymer-Stellglied der dritten Ausführungsform eine Spiralstruktur 5B auf, die durch Wicklung eines Laminats geformt wird, umfassend eine lange Schicht 10B eines elektroaktiven Polymermaterials wie z.B. Silikonkautschuk und ein Acrylmaterial, ein Paar Elektrodenschichten (21B, 22B), die auf beiden Seiten der langen Schicht geformt sind, und eine Isolierschicht 60B, die auf der Elektrodenschicht 22B geformt ist. Die Isolierschicht 60B verhindert den Kurzschluß zwischen den Elektrodenschichten (21B, 22B) in der Spiralstruktur.
  • Dieses Stellglied weist auch eine Spannungsanlegeeinheit zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektrodenschichten auf, um eine Verformung in der Spiralstruktur 5B zu bewirken. Durch Anlegen der Spannung zwischen den Elektrodenschichten (21B, 22B) der Spiralstruktur 5B kann eine Membran 4B, die an der Spiralstruktur 5B befestigt ist, wie bei der ersten Ausführungsform gebogen werden, wie durch die Pfeile in 10 angezeigt.
  • In den obigen ersten bis dritten Ausführungsformen wurde eine unimorphe Membranantriebseinheit vorgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein einziges Laminat 5 des erfindungsgemäßen elektroaktiven Polymer-Stellglieds auf einer Seite der Membran 4 befestigt ist. Wie in 11A bis 11C gezeigt, kann aber auch eine bimorphe Membranantriebseinheit verwendet werden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Paar Laminate 5 des erfindungsgemäßen elektroaktiven Polymer-Stellglieds auf beiden Seiten einer Membran 4 befestigt ist. In diesem Fall kann die Membran 4 gebogen werden, indem eine Spannung nur an das Laminat 5 des oberen Stellglieds angelegt wird, wie in 11A gezeigt. Darüber hinaus kann die Membran 4 auch gebogen werden, indem eine Spannung nur an das Laminat 5 des unteren Stellglieds angelegt wird, wie in 11C gezeigt. Daher kann diese bimorphe Membranantriebseinheit einen größeren Membranbewegungsbereich gewährleisten.

Claims (6)

  1. Membranpumpe, die umfaßt: ein elektroaktives Polymer-Stellglied als Membranantriebsmittel, welches eine Laminatstruktur (5), die ein schlauchförmiges Element (11) aus einem elektroaktiven Polymermaterial umfaßt, eine erste Elektrode (21), die an einer inneren Umfangsfläche des schlauchförmigen Elements ausgebildet ist, und eine zweite Elektrode (22), die an einer äußeren Umfangsfläche des schlauchförmigen Elements ausgebildet ist, und eine Spannungsvorrichtung (30, 32) zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode zum Hervorrufen einer Deformation in der Laminatstruktur umfaßt; und die gekennzeichnet ist durch eine dünne Schicht (4) aus einem flexiblen Material als eine Membran, auf deren Oberfläche die Laminatstruktur (5) des elektroaktiven Polymer-Stellglieds angebracht ist.
  2. Membranpumpe nach Anspruch 1, wobei die Laminatstruktur ferner umfaßt: – ein zweites schlauchförmiges Element (12) aus einem elektroaktiven Polymermaterial, das so um die zweite Elektrode angeordnet ist, daß die äußere Umfangsfläche des schlauchförmigen Elements (11) mit einer inneren Umfangsfläche des zweiten schlauchförmigen Elements über die zweite Elektrode verbunden ist; und – eine dritte Elektrode (23), die an einer äußeren Umfangsfläche des zweiten schlauchförmigen Elements ausgebildet ist; wobei die Spannungsvorrichtung die Spannung(en) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und zwischen der zweiten und der dritten Elektrode anlegt, um eine Deformation in der Laminatstruktur hervorzurufen.
  3. Membranpumpe nach Anspruch 2, wobei das schlauchförmige Element und das zweite schlauchförmige Element in Form von hohlen Zylindern ausgebildet sind, die unter schiedliche Durchmesser aufweisen, welche konzentrisch angeordnet sind, um die Laminatstruktur zu erhalten.
  4. Membranpumpe nach Anspruch 2, wobei sowohl das schlauchförmige Element als auch das zweite schlauchförmige Element in Form eines hohlen Zylinders ausgebildet sind, bei dem ein Zentrum seines äußeren Umfangs von dem Zentrum seines inneren Umfangs versetzt angeordnet ist.
  5. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Paar elektroaktiver Polymer-Stellglieder als Membranantriebsmittel verwendet wird, und wobei Laminatstrukturen (5) der elektroaktiven Polymer-Stellglieder auf gegenüberliegenden Oberflächen der dünnen Schicht (4) angeordnet sind.
  6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner ein Gehäuse (1) mit einer Wölbung (7) zum Bereitstellen einer Pumpkammer umfaßt, wobei die dünne Schicht (4) die Wölbung (7) abdeckt.
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