KR101326339B1

KR101326339B1 - 고성능 전기활성 고분자 변환기

Info

Publication number: KR101326339B1
Application number: KR1020077024031A
Authority: KR
Inventors: 존 헤임
Original assignee: 아트피셜 머슬, 인코퍼레이션
Priority date: 2005-03-21
Filing date: 2006-03-21
Publication date: 2013-11-11
Also published as: CA2602542A1; WO2006102273A3; US7521840B2; RU2007138344A; IL186033A0; US7923902B2; CN101147271B; CN101147271A; AU2006227189B2; CN102088652A; CN102088652B; KR20080003817A; US20090174293A1; JP2008533973A; AU2006227189A1; US20060208610A1; EP1861885A4; HK1113019A1; WO2006102273A2; IL186033A

Abstract

전기활성 고분자 변환기는 개구된 프레임, 개구된 프레임 내에 결합되어 보호되는 전기활성 고분자 소재, 전기활성 고분자 소재 중앙 부위에 형성되는 중앙부를 포함하고, 전기활성 고분자 소재는 중앙부와 함께 다이어프램을 형성하고, 중앙부는 고분자 소재보다 유연성이 낮은 소재로 형성되고, 고분자 소재는 오목한 형상 또는 볼록한 형상으로 팽창 및 수축할 수 있도록 연신된다.

변환기, 작동기, 제너레이터, 센서, 탄성 중합체 필름, 유전성 고분자

Description

고성능 전기활성 고분자 변환기{High-performance electroactive polymer transducers}

본 발명은 일반적으로 전기 에너지를 역학 에너지로 변환하거나 그 역으로 변환하는 전기활성 고분자 구조체(construction), 즉 전기활성 고분자 변환기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 예비응력이 부여된 고분자 작동기 및 변환기를 위한 프레임과 웹(web)의 구성에 관한 것이다.

오늘날 사용되는 매우 다양한 장치들은 역학 에너지로 전기 에너지를 변환하기 위하여 다양한 작동기에 의존한다. 작동기들은 이들 제품들에게 생명을 불어넣어 줌으로써, 동작하게 만든다. 역으로, 많은 전력 생성 응용예들은 기계적 동작을 전기 에너지로 변환시킴으로써 작동한다. 이러한 방식으로 기계적 에너지를 얻기 위하여 사용되는 동일한 형태의 작동기는 제너레이터로서 언급될 수 있다. 마찬가지로, 구조체가 진동 또는 압력과 같은 물리적 자극을 측정 목적으로 하여 전기적 신호로 변환시키기 위하여 사용되는 경우, 이는 변환기로서 언급될 수 있다. 그러나, "변환기"라는 용어는 일반적으로 임의의 장치를 언급하기 위하여 사용될 수 있다. 임의의 이름으로, 전기활성 고분자를 사용하는 새로운 종류의 구성요소들은 이러한 기능을 하도록 구성될 수 있다.

특히 작동기와 제네레이터 응용을 위하여, 설계시 고려할 많은 사항들은 진보된 전기활성 고분자 기술 기반의 변환기의 선택과 사용을 조장한다. 이러한 고려사항에는 포텐셜 포스(potential force), 전력 밀도, 전력 변환/소비, 사이즈, 중량, 비용, 반응 시간, 듀티 사이클, 서비스 요구 사항, 환경 영향 등이 포함된다. 스탠포드 국제 연구소와 피면허자 Artificial Muscle사(이하 AM사)에 의하여 개발된 전기활성 고분자 인공근육(Electroactive Polymer Artificial Muscle)(EPAM) 기술은 다른 이용 가능한 기술에 관한 각각의 범주에서 우수하다. 많은 응용예에서, EPAM 기술은 압전체, 형상기억합금(SMA) 및 모터와 솔레노이드와 같은 전자기 장치에 대해 이상적 대체를 제공한다.

작동기로서, EPAM 기술은 탄성의 유전성의 고분자에 의하여 분리된 2개의 얇은 탄성 필름 전극 양단에 전압을 인가함으로써 작동한다. 전압차가 전극에 인가되는 경우, 반대 방향으로 대전된 부재들은 그들 사이의 고분자에 가하는 압력을 생산하면서 서로를 끌어당긴다. 압력은 전극들을 하나로 화합하여, 유전성 고분자 필름이 평면 방향으로 팽창함(고분자 필름의 x 및 y축은 성장한다)에 따라 얇아지도록 한다(Z축 성분은 감소한다). 다른 요인은 고분자 필름을 박막화시키고 팽창하게 한다. 각각의 탄성 필름 전극을 가로질러 분포된 같은(동일한) 전하는 필름에 내재하는 전도성 입자들이 서로 척력을 가하도록 하여, 탄성 전극과 유전체가 부착된 고분자 필름을 팽창시킨다.

이러한 "형상 전이" 기술을 이용하여, AM사는 다양한 산업상, 의료용, 소비부분 및 전자공학 응용 제품에서 이용될 새로운 입체 회로 소자(solid-state device)를 개발하고 있다. 현재의 제품 구조는 다음을 포함한다: 작동기, 모터, 변환기/센서, 펌프 및 제너레이터. 작동기는 상기에 논의된 동작에 의하여 작동된다. 제너레이터와 센서는 재료의 물리적 변형에 따라 캐패시턴스를 변화함으로써 작동된다.

AM사가 다수의 기본적 "턴키" 유형의 장치들을 도입했고, 이는 현존 장치를 대체하기 위한 빌딩 블록으로서 사용될 수 있다. 각각의 장치는 유전성 고분자를 사전변형하기 위하여 지지체 또는 프레임 구조를 사용한다. 사전변형이 고분자의 절연 내력(dielectric strength)을 개량하며, 이로써 높은 필드 전위(field potential)를 허용함으로써 전기적 에너지와 역학적 에너지 간의 전환을 개선하는 것으로 관찰되었다.

이러한 작동기 중에서, "스프링롤(spring roll)" 유형의 선형 작동기는 나선형 스프링 주위에 EPAM 소재의 층을 랩핑함으로써 준비된다. EPAM 소재는 위치를 고정하기 위하여 스프링 단부에서 캡/커버에 연결된다. 스프링의 본체는 스프링의 세로 압축이 축방향 사전변형을 제공하는 반면에 EPAM 상의 방사상 또는 원주의 사전변형을 지지한다. 인가된 전압은 필름이 두께에서는 압착하고 세로방향으로는 이완하여, 스프링이(그러므로, 전체 장치) 확장되도록 허용한다. 원주에 2개 이상의 개별적으로 조절가능한 섹션을 생성하기 위하여 전극을 형성함으로써, 전기적으로 그러한 섹션을 활성화하는 것은 롤 익스텐드(roll extend) 및 전체 구조가 그 측면으로부터 이격되어 만곡되도록 한다.

벤딩(bending) 빔 작동기들은 빔의 표면을 따라 펼쳐진 하나 이상의 EPAM 소 재층들을 부가함으로써 형성된다. 전압이 인가됨에 따라, EPAM 소재는 두께와 길이 성장에서 수축한다. 빔의 일 측을 따라 길이 성장하는 것은 빔이 활성화된 층(들)로부터 이격되어 만곡되도록 한다.

유전성 탄성중합체 필름(또는 전술한 " 스프링롤 "와 같은 완전한 작동기 패키지)의 쌍들이 "푸쉬풀" 구성방식으로 배열될 수 있다. 하나의 작동기에서 또 다른 작동기로 전압을 스위칭하는 것은 조립체의 위치를 전후로 이동시킨다. 시스템의 대향하는 면을 활성화하는 것은 중성점에서 조립체를 견고하게 만든다. 그렇게 구성되어, 작동기는 사람의 팔의 운동을 제어하는 해당 이두근과 3두근과 같이 작용한다. 푸쉬풀 구조는 평평한 프레임 또는 하나 이상의 대향하는 스프링 롤에 고정되는 필름 섹션을 포함하는지 여부에 관계없이, 이때 하나의 EPAM 구조가 다른 EPAM 구조를 위한 편심 부재(biasing member)로서 사용될 수 있으며, 그 역도 가능하다.

또 다른 종류의 장치들은 하나 이상의 필름 섹션을 폐쇄 연계(closed linkage) 또는 스프링 경첩 프레임 구조에 위치시킨다. 연동 프레임이 사용되는 경우, 바이어스형 스프링이 EPAM 필름의 사전변형에 일반적으로 사용될 것이다. 스프링 경첩 구조는 필요한 바이어싱을 본질적으로 포함할 수 있다. 어떤 경우에는, 전압의 인가는 프레임 또는 연계 구조를 변경하여, 이로써 바람직한 기계출력을 제공하다.

다이어프램 작동기는 라멘구조(rigid frame)의 개구부 상에 EPAM 필름을 연신함으로써 만들어진다. 알려진 다이어프램 작동기의 예들은, 스프링, 스프링과 EPAM 사이에 설치된 중간 로드 또는 플런저, 탄력성 발포제, 또는 공기 압력에 의하여 직접적으로 스프링에 의하여 편향된다(즉, 내외부 또는 상하방으로 밀린다). 바이어싱은 다이어프램이 단순히 주름이 지는 것보다 오히려 전극 활성/두께 수축시 바이어스 방향으로 움직이는 것을 보장한다. 다이어프램 작동기는 볼륨을 디스플레이싱하여, 펌프 또는 확성기 등으로 사용하기에 적합하게 할 수 있다.

또한, 보다 복잡한 작동기가 구성될 수 있다. "인치-웜(inch-worm)" 및 회전 출력식 장치가 그 예이다. 앞서 언급된 장치들은 물론 그 밖의 장치들에 관한 추가적인 설명과 상세한 설명이 다음의 특허 및/또는 특허 출원 공보에서 발견될 수 있다:

6,812,624 Electroactive polymers

6,809,462 Electroactive polymer sensors

6,806,621 Electroactive polymer rotary motors

6,781 284 Electroactive polymer transducers and actuators

6,768,246 Biologically powered electroactive polymer generators

6,707,236 Non-contact electroactive polymer electrodes

6,664,718 Monolithic electroactive polymers

6,628,040 Electroactive polymer thermal electric generators

6,586,859 Electroactive polymer animated devices

6,583,533 Electroactive polymer electrodes

6,545,384 Electroactive polymer devices

6,543,110 Electroactive polymer fabrication

6,376,971 Electroactive polymer electrodes

6,343,129 Elastomeric diefectric polymer film sonic actuator

20040217671 RoIled electroactive polymers

20040263028 Electroactive polymers

20040232807 Electroactive polymer transducers and actuators

20040217671 RoIled electroactive polymers

20040124738 Electroactive polymer thermal electric generators

20040046739 Pliable device navigation method and apparatus

20040008853 Electroactive polymer devices for moving fluid

20030214199 Electroactive polymer devices for controlling fluid flow

20030141787 Non-contact electroactive polymer electrodes

20030067245 Master/slave electroactive polymer systems

20030006669 Rofled electroactive polymers

20020185937 Electroactive polymer rotary motors

20020175598 Electroactive polymer rotary clutch motors

20020175594 Variable stiffness electroactive polymer systems

20020130673 Electroactive polymer sensors

20020050769 Electroactive polymer electrodes

20020008445 Energy efficient electroactive polymers and electroactivepolymer devices

20020122561 Elastomeric dielectric polymer film sonic actuator

20010036790 Electroactive polymer animated devices

20010026165 Monolithic eIectroactive polymers

상기 공개 특허는 본 원에서 설명하는 본 발명의 측면과 연결 또는 결합하여 사용되는 기본적 기술과 특징들에 관한 배경 및/또는 보다 상세한 설명을 제공하기 위한 목적으로 본 원에 전체로서 합체되어 있다.

상기에 기술된 장치가 EPAM 기술 변환기의 고도의 기능적인 실시예를 제공하나, 더 효율적인 EPAM 변환기의 개발에 관한 관심은 계속되고 있다. 본 발명에 따른 변환기에 의하여 제공되는 효율에 있어서의 장점들은 프리로딩 향상, 구동 요소와의 인터페이스, 출력, 제작가능성 등의 측면에서 표현될 수 있다. 당업자에게 있어서 상기 적용 가능한 장점들은 자명할 것이다.

본 발명은 EPAM의 양수인(AM사(Artificial Muscle, INC))에 의하여 제공된 "턴-키" 툴 라인(line)을 증가시키기 위하여 다수의 EPAM 변환기의 디자인을 제공한다. 디자인은 바람직한 구성에서 탄성중합체 필름 전극과 유전성 고분자를 사전 로딩하는데 이용되는 프레임 또는 고정 요소의 요구조건을 온전히 공유한다.

특정의 실시예들은 푸쉬풀 방식 서브어셈블리를 포함한다. 본 발명의 측면들은 여러가지 형태의 작동기와 결합하기 위하여 복합 프레임 구조를 합체할 수 있다. 본 발명의 다른 측면은 면내(in-plane) 및/또는 면외 입/출력을 위한 대안적인 푸쉬풀 방식 작동기 구성의 프레임 구조들을 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면은 더욱 강하고 그리고/또는 용이하게 제조된 작동기 구조들을 생산하는 것과 관련된다. 이 점에서, 절두체 형상의 다이어프램 작동기가 생산되고, 그 구조의 상단은 캡을 포함한다. 상기 캡은 솔리드 디스크, 환형이거나 다른 형태로 구성될 수 있다. 상기 캡은 대향하는 절두체 간 및/또는 스프링과 같은 사전 로딩된 기계적 요소를 위하여 안정적인 인터페이스를 제공한다. 또한 본 발명에는 대상(subject) 변환 구조를 위한 유리한 응용예들이 포함될 수 있다.

그러한 응용예 중 하나의 예는 펌프에 관한 것이다. 펌프는 단일 절두체 또는 이중 절두체 작동기 디자인을 이용할 수 있다. 단일 절두체 경우에, 절두체 캡은 구조체를 기계적으로 바이어싱하는 안정적인 표면을 제공한다. 그러한 구조는 매우 강한 것일 뿐만 아니라 콤팩트할 수 있다. 이중 절두체 디자인은 추가적인 사전로드 소스를 요구하지는 않는다. 또한, 복동식 펌프로 기능하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 직렬로 배열된 2개의 작동기를 사용하는 것은 스트로크(stroke)를 배가하기 위한 포텐셜을 제공한다. 또한, 그 밖의 다른 직렬 작동기 배열들이 본 발명에서 고려된다.

다른 응용예는 절두체 형태의 작동기에 의하여 렌즈의 위치가 조작되는 카메라에 관한 것이다. 역시, 단일 또는 이중 절두체 디자인 중 어느 하나의 디자인이 이용될 수 있다. 이중 절두체 접근법은 위치 센싱과 프리 로드 및 다른 작동을 위하여 하나의 측면을 사용한다는 점에서 바람직할 수도 있다. 다른 카메라 응용예는 절두체 형태의 작동기가 렌즈 위치를 제어하고, 하나 이상의 평면 구동기 섹션이 줌을 제어하는 복합 프레임을 사용한다.

대상 변환기의 다른 잠재적 응용예는 밸브, 밸브 제어 부품, 스피커 다이어프램, 다중축 위치 센서/조이스틱, 바이브레이터, 햅틱(haptic) 또는 포스(force) 피드백 제어 장치, 또는 다중축 작동기 등을 포함한다.

"절두체(frustum)"는 기술적으로 2개의 평행한 면 사이에 놓인 기하체(geometric solid)의 일부분이다. 절두체는 일반적으로, 기저부에 평행한 플레인에 의하여 상단부를 잘라내어 절단된 상단부를 갖는 원뿔체 또는 피라미드의 기초 부분으로서 대개 간주된다. 자연적으로, 본 발명에 따른 절두체 형태의 작동기는 원뿔대의 형태이며, 이로써 원형 단면을 가질 수 있으나, 여러 가지 단면 형상을 사용 수도 있다.

적용 방식에 따라서, 바람직한 대안적인 단면 형상은 삼각형, 정사각형, 오각형, 육각형 등을 포함한다. 대개, 대칭적인 형상의 부재들이 지속적 재료 성능의 관점에서 볼 때 바람직할 것이다. 그러나, 일정한 응용예(특히 공간이 변형된 것들)에 있어서는 난형(ovaloid), 타원형(oblong), 직사각형 또는 그 밖의 형상이 보다 나은 것으로 나타날 수 있다. 상부 및/또는 바닥 형태가 평판 또는 판상일 필요가 없고, 이들이 평행일 필요가 없다는 점에서 대상 "절두체" 변환기의 다른 변형예가 고려될 수 있다. 가장 일반적인 의미로, 본 발명에서 사용된 "절두체" 형상은 단부에 절단되거나 캡핑되는 용적체(body of volume)로서 간주할 수 있다. 대개, 이 단부는 보다 작은 직경 또는 단면적을 가지는 단부이다.

다양한 장치들이 본 원에서 기술된 특정 액츄에이터 또는 그 밖의 다른 것에 의하여 구동될 수 있다. 그러나, 모든 장치는 그들 디자인에 다이어프램을 합체한다. 유리하게는, 작동기 캡 및 장치 다이어프램은 동일한 하나이며, 이로써 서브어셈블리를 일체화한다.

이하의 도면들에는 본 발명의 대표적인 측면들이 도시된다. 이러한 도면들은 :

도 1a와 1b는 EPAM 층의 대향하는 면들을 도시하고;

도 2는 EPAM 적층의 조립도이고;

도 3은 EPAM 평면 구동기의 조립도이고;

도 4a와 4b는 각각 판상의 변환기 구성을 도시한 조립 사시도이고;

도 5는 판상의 작동을 위하여 전기적으로 연결된 도 4a와 4b의 장치의 평면도이고;

도 6a와 6b는 각각 면외(out-of-plane) 작동을 위하여 대안적인 절두체 구성으로 만들어진 도 4a와 4b에 있는 변환기의 조립 사시도이고;

도 7a-7c는 절두체 형상의 작동기의 기학적 배열 및 동작을 도시하고;

도 8은 다중 페이즈(phase) 절두체 형상의 작동기의 평면도이고;

도 9a는 다른 절두체 형상의 작동기의 조립도이고;

도 9b는 대안적인 프레임 구성을 가진 동일 기초의 작동기의 측면도이고;

도 10은 평행하게 적층된 형태의 절두체 변환기의 단면 사시도이고;

도 11은 절두체 형태의 변환기의 선택적 출력 샤프트 배치를 도시하는 측단면도이고;

도 12는 대안적인 인버트된 절두체 변환기 구성의 측단면도이고;

도 13은 코일 스프링 편향 단일 절두체 변환기의 단면 사시도이고;

도 14는 리프(leaf) 스프링 편향 단일 절두체 변환기의 사시도이고;

도 15는 중량 편향(weight biased) 단일 절두체 변환기의 사시도이rh;

도 16이 스트로크 증폭을 위하여 직렬로 제공된 절두체 형태의 변환기의 사시도이고;

도 17은 다양한 형태의 변환기를 제공하는 환경을 재설정할 수 있는 탐색형 시스템의 사시도이고;

도 18a-18c는 도 17의 시스템을 위한 다양한 대안적인 구성의 조립도이고;

도 19a는 초점 조절을 위하여 절두체 작동기를 이용하는 카메라 렌즈 조립체의 단면 사시도이고;

도 19b는 도 19a에 도시된 시스템에 포함된 카메라 구성요소들의 조립 단면도이고;

도 20은 초점 조절에 다른 형태의 절두체 작동기를 이용하는 카메라 렌즈 조립체의 단면 사시도이고;

도 21a는 줌 및 초점을 조절하기 위하여 작동기 조립체(combination)을 사용하는 다른 카메라 렌즈 조립체의 단면 사시도이고, 도 21b는 도 21a에 도시된 시스템에 포함된 카메라 구성요소들의 조립 단면도이고;

도 22a와 22b는 줌을 조절하는 대안적인 수단을 보여주는 사시도이고, 도 23a 내지 23c는 도 22a와 22b의 변환기 배열이 작동시 진행하는 단계를 보여주는 사시도이고;

도 24a는 밸브 메카니즘의 조립도이고;

도 24b와 24c는 밸브 작동을 도해하는 도 24a의 밸브의 측단면도이고;

도 25 내지 27은 여러 가지 밸브 구성의 측단면도이고;

도 28은 본 발명에 따라서 압력 측정 변환기의 측단면도이고;

도 29a는 활동적(active) 체크 밸브의 측단면도이고; 도 29b는 도 29a에 도시된 구조의 사시도이고;

도 30a와 30b는 특정 어플리케이션 하우징 내에 설치된 인라인 밸브의 측단면도이고;

도 31a와 31b는 절두체 형태의 작동기를 사용하는 제1 펌프의 변형예를 보여주는 단면 사시도이고;

도 32와 33은 절두체 형태의 작동기를 사용하는 다른 펌프의 변형예를 보여주는 단면 사시도이고;

도 34가 상기 도시된 다양한 밸브와 펌프를 이용하는 통합 유량 제어 시스템의 사시도이고;

도 35는 펌프 다이어프램와 결합하여 형성된 통합 체크 밸브를 수용되는 펌프를 보여주는 사시 조립도이고;

도 36은 체크 밸브류를 합체하는 또 다른 펌프 조립체를 보여주는 사시 조립도이고;

도 37은 진동소자의 사시도이고;

도 38은 햅틱 피드백 제어부의 단면 사시도이고; 그리고

도 39는 복수의 절두체 및/또는 이중 절두체 변환기를 이용하는 스피커 시스템의 사시도이다.

상기 도면에 도시된 실시예로부터 본 발명의 변형이 예상될 수 있다.

본 발명의 다양한 대표적 실시예들이 이하에서 기술된다. 먼저, 다수의 작동기/변환기 실시예들이 기술된다. 다음, 선택적으로 그러한 장치를 합체한 시스템이 기술된다. 마지막으로, 제조 기술, 적용 가능한 사용법 및 키트들(kits)이 기술되고, 예상되는 변형예들에 관한 논의가 기술된다. 이러한 예들은 비제한적 의미로 참조된다. 이러한 예들은 본 발명의 적용 가능한 측면을 보다 광범위하게 설명하기 위하여 제공된다.

변환기

도 1a와 1b는 EPAM 층(10)의 서로 반대측에 위치하는 면들을 도시한다. 상기 층은 탄성 박막 전극 사이에 내재된 유전성의 고분자를 포함한다. 도 1a는 "핫(hot)" 전극(12 및 14)으로 패턴화된 층의 측면을 보여준다. 각각의 전극은 리드(lead)(16)와 연결된다. 도 1b는 단일 리드(16)와 연결된 공통의 "접지(ground)" 전극(18)으로 패턴화된 층(10)의 대향면을 보여준다.

도 2에 도시된 바와 같이, 다중막층(10)이 프레임 피스(20) 내에서 연신된 상태로 적층되어 유지된다. 다수의 개별적 EPAM 층(10)이 유리하게 적층되어 화합물층(compound layer)(10')을 형성한다. 이와 같이 함으로써, 시스템의 포 스(force) 포텐셜을 증폭한다. 다수의 적층된 층의 숫자는 2개 내지 10개 또는 그 이상일 수 있다. 일반적으로, 접지 전극이 임의의 노광면과 대향하여 최대 안전성을 제공하도록 짝수개의 층을 적층하는 것이 바람직할 것이다. 임의의 경우에 있어서, EPAM 층 또는 층들은 EPAM "필름"으로서 총체적으로 언급될 수 있다.

프레임에서 고정된 소재로 구성된 하나 이상의 층으로, 상기 프레임은 복합적 변환기 메카니즘을 구성하기 위하여 사용될 수 있다. 도 3은 당해 분야에서 알려져 있는 그러한 구성을 보여준다. 여기에서, 개별적인 카트리지 섹션(22)은 보조 또는 본체 프레임부(24)에 고정된다. 임의의 필름 프레임과 중간 프레임 부재가 연결되어 결합된(함께 도면에 나타낸 바와 같이 파스너에 의하여서 부착된, 일체로 본딩된)프레임 구조(26)를 제공한다. 스페이서(28)는 가이드 홀(32)을 통하여 프레임에 수용된 입/출력 로드(30)를 위한 접점(interface)을 제공한다. 상기 스페이서는 EPAM 필름에 결합 또는 고정되는 보완적 마운트(34)를 경유하여 필름에 부착된다.

도 3에 따라서 구성된 장치를 작동시키기 위하여, 전압이 전극들(12 또는 14)의 중 하나의 전극에 인가된다. 일측면에 전압이 인가됨으로써, 그 측면은 팽창하는 반면, 다른 측면은 프리로드를 완화하고 수축한다. 다른 작동 모드는 전술한 바를 참조한다.

본 발명에 따른 제1 장치는 유사하게 구성되고 작동된다. 도 4a와 4b는 평면 작동(장치가 도 3에 있는 것처럼) 및 면외 작동을 위하여 대안적으로 구성될 수 있는 본 발명에 따른 변환기(40)의 조립 사시도를 제공한다. 이전 도면을 참조하여 기술된 장치에서와 같이, 프레임(20)은 외부로 향하는 접지 전극을 가진 층(10/10')을 수반한다.

개별적 카트리지 섹션(22)은 2차적 프레임(24) 및 그 사이의 스페이서(26)를 포함하여 적층되며, 상기 스페이서는 프레임에 의하여 수용된 입/출력 로드(28)에게 접점을 제공한다. 그러나, 이 구성의 스페이서(26)는 실질적으로 정사각형인 캡(42) 요소에 부착된다. 보다 대칭적인 인터페이스 부분은 이하에서 설명되는 바와 같이 장점들을 제공한다. 도 4b는 조립된 장치를 보여준다. 여기에서 프레임(26)은 완전한 단위(unit)로 도시된다.

장치의 작동에 관해서, 도 5는 회로의 A 및 B 측에 접지(ground)에 대하여 전력이 공급되어 프레임에 대한 X-축을 따라 로드(30)가 전후 운동을 하게 만드는 기본 회로 다이어그램을 도시한다.

그러나, 대안적인 구성에서, 동일한 EPAM 층 카트리지가 면외 또는 Z축 입/출력을 위하여 적용되는 변환기를 생산하는데 사용될 수 있다. 도 6a와 6b는 그러한 장치를 도시한다. 여기에서, 변환기(50) 조립체는 두꺼운 본체 프레임(24')을 사용할 수 있다. 그러한 프레임을 사용하고 스페이서를 생략함으로써, 캡(42)들이 서로 고정되는 경우, 이들은 서로 대향하거나 이격되어 깊게 패인(concave) 형태(52)를 이룬다. 단순한 z축 운동을 위하여 변환기를 작동시키기 위하여, 오목 콘케이브/절두체의 일측은 전압의 인가에 의하여 확장되는 반면, 타측은 긴장이 완화된다. 이러한 작용으로 인하여, 하나의 캐비티(52)의 깊이는 증가하고 다른 하나의 캐비티(52)의 깊이는 감소한다. 가장 단순한 경우에 있어서, 산출된 운동은 캡의 표면에 대하여 일반적으로 수직이다.

도 7a-7c는 이러한 오목/볼록한 또는 절두체 형상의 작동기가 단순화된 2 차원적 모델로 기능하는 방식을 도시한다. 도 7a는 변환기의 절두체 형상을 도출하는 것을 도시한다. 구조체의 상부( 또는 바닥)을 캡핑함으로써 기존의 다이어프램 작동기 구성을 수정함으로써, 위에서 볼 때 원추형, 사각형, 난형 등의 형태이고, 측면에서 볼 때는 절두된(truncated) 형태(60)가 제공된다. 인장 상태에서, 캡(42)은 EPAM 층/층들(10/10')이 취하는 형상을 변경한다. 점하중(point load)이 필름을 연신하는 예에서, 필름은 원뿔 형태(삼각형의 상단부(62)를 정의하는 쇄선에 의하여 표시된 것처럼)를 취한다. 그러나, 더 단단한 상부 구조를 형성하기 위하여 캡핑되거나 변경되는 경우, 그 형태는 도 7a에 있는 실선(64)에서 표시된 것처럼 절단된다.

이와 같은 구조로 수정하는 것은 근본적으로 구조의 성능을 변경한다. 일예로써, 본체의 원주(68) 둘레 대신, 구조의 중심(66)에 집중하는 스트레스를 배분한다. 이 힘의 배분의 효력을 나타내기 위하여, 캡이 EPAM 층에 부착된다. 점착성 본딩이 이용될 수 있다. 대안적으로, 구성 조각(constituent pieces)들이 가열 접착, 마찰 용접, 초음파 용접과 같은 임의의 실용적 기술을 사용하여 결합되거나, 구성 조각들이 기계적으로 하나로 고착(locking) 또는 고정(clamping)된다. 더욱이, 캡핑 구조가 일종의 열적, 기계적, 또는 가황처리(vulcanizing)와 같은 화학적 기법을 통하여 실질적으로 더욱 경화되는 필름의 일부를 포함할 수 있다.

일반적으로, 캡 섹션은 소재에 가해진 스트레스를 적절히 분배하기 위하여 충분한 길이의 원주를 생성하는 크기가 될 것이다. EPAM 층을 수용하는 프레임의 직경에 대한 캡의 크기 비율은 변화할 수 있다. 명확하게, 가해지는 스트레스/힘이 증가함에 따라, 캡에 사용된 디스크(disc), 사각형 등의 사이즈도 증가할 것이다. EPAM 층에 대한 주어진 사전 연신량에 대하여, 사용시 변환기가 차지하는 총 용적 또는 공간을 감소하기 위하여, 구조체의 상대적 절단(점하중(point-loaded)의 원뿔체, 압력 편향된 돔 등과 비교하여)은 더욱 중요성을 갖는다. 더욱이, 절두체 형태의 다이어프램 작동기에서, 캡 또는 다이어프램(42) 요소는 활성 성분(주어진 시스템에 있는 밸브 시트 등과 같은 성분)의 역할을 할 수 있다.

적당한 위치에 형성 또는 설치된, 더욱 단단하거나 실질적으로 그러한 캡 섹션에서, 프레임에 의하여 하우징된 EPAM 소재가 캡에 직각을 이루는 방향으로 연신되는 경우(도 4a/4b 및 도 6a/6b에 도시된 바와 같이 EPAM/프레임 구성을 비교함으로써 이해할 수 있는 바와 같이), 상기 캡 섹션은 절두된 형태를 이룬다. 반면에 EPAM 필름은 실질적으로 평판상 또는 판상의 형태를 유지한다.

도 7a을 참조하면, 안정한 상부/바닥 표면을 정의하는 캡(42)에서, 부착된 EPAM 고분자 측면(10/10')들은 각을 이룬다. 비활성 상태에서 이루는 각도 α EPAM는 15° 내지 약 85°의 범위일 수 있다. 더욱 전형적으로는, 그 범위는 약 30° 내지 약 60°일 것이다. 전압이 EPAM 소재가 압축되고, 2차원적 치수가 증가하도록 전압이 인가되는 경우, 동일 범위에 약 5° 내지 15°의 범위 내의 임의의 각을 더한 각도 범위 내에서 제2 각도 β를 이룬다. 최적 각도는 출원 명세서를 기초로 하여 결정될 수 있다.

단면(single-sided) 절두체 변환기가 양면을 가진 구조와 마찬가지로 본 발 명의 예상 범위 내에 포함된다. 예비하중(preload)을 위하여, 단면 장치는 캡에 접속된 임의의 스프링(예컨대, 코일, 정하중(constant force) 또는 롤(roll) 스프링, 리프(leaf) 스프링 등), 공기압 또는 유압, 자력, 중량(중력이 시스템에 예비하중을 제공하도록), 또는 이러한 수단 또는 그밖의 다른 수단들의 임의의 조합을 이용한다.

양면을 가진 절두체 변환기에서, 일측은 일반적으로 다른 것에 예비하중을 제공한다. 더욱이, 그러한 장치는 추가적 바이어스 특징/부재를 포함할 수 있다. 도 7b는 기본적 "이중 절두체" 구조(701)를 도시한다. 여기에서, 기초적 탄성 고분자의 EPAM 및 일측의 EPAM 물질 또는 일측의 대향층들은 인터페이스부(72)를 따라 장력 하에 함께 홀딩된다. 인터페이스부는 대개 하나 이상의 강성 또는 반강성 캡 요소(42)를 포함한다. 그러나, 2개의 고분자 층을 이들의 계면(interface)에서 고착 처리함으로써, 소재의 결합 영역은 가장 기초적인 방법으로 비교적 경직된 또는 덜 유연한 캡 영역을 제공하여 변환기의 안정적인 인터페이스부를 제공한다.

그러나, 이렇게 구성되었다 할지라도, 이중 절두체 변환기는 도 7b에 도시된 바와 같이 작동한다. 하나의 필름 측면(74)에 전압이 가해질 때, 이완되고 더 적은 힘으로 당겨지어, 바이어스 측면(74)에 저장된 탄성 에너지를 방출하고 힘(force)과 스트로크(stroke)를 통하여 동작을 한다. 그러한 동작은 도 7b에서 쇄선으로 표시된다. 양쪽 필름 요소가 EPAM 필름을 포함하는 경우, 작동기는 이중 헤드 화살표 80에 의하여 표시된 것처럼 중립 위치(도 7a와 7b의 각각에서 실선에 의하여 도시됨)에 대하여 내외부 또는 상/하방으로 이동할 수 있다.

단지 하나의 활성 측면(74/76)이 제공되는 경우, 강제되는 운동(forced motion)은 중립 위치(82)의 일측으로 제한된다. 이 경우, 장치의 비활성측이 전기적으로 연결되어 단지 커패시턴스의 변화를 감지하거나, 장치에 입력되는 모션 또는 진동을 재생력(regenerative capacity)으로 회복하는 제너레이터의 역할을 하는 EPAM 소재 또는 프리로드/바이어스(상기와 같음) 제공하기 위하여 단순히 탄성 고분자를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 변환기를 위한 또 다른 선택적 변형예는 다중 각도/축 감지 또는 작동을 위한 설비를 포함한다. 도 8은 3개(92, 94, 96)의 독립적으로 조절가능한 구역(zone) 또는 페이즈(phase)를 갖는 원형의 EPAM 카트리지(90) 구성을 도시한다. 작동기로서 형성되는 경우, 차동전압의 인가에 의하여, 섹션들은 다르게 팽창하여, 캡(42)이 소정 각도로 기울어진다. 이러한 다중 페이즈 장치는 컨트롤의 방식에 의거하여 번역으로 다방향성 경사 및 병진( translation)을 제공할 수 있다. 센싱(sensing)하도록 구성되는 경우, 입력 형태 로드 또는 다른 파스너 또는 각편향(angular deflection)을 일으키는 캡에 대한 부착은 물질 캐패시턴스 변화(material capacitance change)에 의하여 측정될 수 있다.

도 8에 도시된 EPAM 섹션은 원형이다. 도 9a는 원형 절두체 변환기(100)의 조립도를 제공한다. 사용된 본체 프레임 부재(24)는 고체이고, 상기의 도 4a 내지 6b에 도시된 조합 또는 컨버터블식 작동기에 사용된 것과 유사하다. 그러나, 도 9a에 도시된 장치는 전용 다이어프램형 작동기(그것이 도 8에서 도시된 다중 페이즈 구조를 사용할지라도)이다. 이러한 작동기를 위한 대안적인 구성이 도 9b에 도시된다. 여기에서, 일체형(monolithic) 프레임 요소(24)는 단순 프레임 스페이서(24")로 교체된다.

도 10은 변환기가 이중 절두체 장치(100)의 각각의 측면 상에 다중 카트리지층(22)을 포함하는 다른 구성의 변형예를 도시한다. 개별적 캡(42)들은 한벌로 편성되거나 적층된다. 마찬가지로, 증가된 두께를 수용하기 위하여, 다수의 프레임 섹션(24)들이 서로에게 적층될 수 있다.

각각의 카트리지(22)가 합성 EPAM 층(10')을 사용할 수 있다는 것을 상기할 수 있다. 하나 또는 양자 모두의 접근법중 어느 하나가, -- 함께 --, 대상 장치의 출력 포텐셜을 증가시키기 위하여 사용될 수 있다. 대안적으로, 스택 내의 적어도 하나의 카트리지 부재(장치의 일측 또는 양측에)가 활성의 작동기 조절 또는 동작 확인을 용이하게 하기 위한 작동과는 대조적으로 센싱을 위하여 설치될 수 있다. 그러한 조절에 관하여, PI 또는 PID 제어기와 같은 임의의 피드백 접근법이 매우 높은 정확도 및/또는 정밀도로 작동기 위치를 제어하기 위한 그런 시스템에서 사용될 수 있다.

도 11은 절두체 유형 변환기(110)를 포함한 선택적 출력 샤프트 배치 상태를 도시하는 측단면도이다. 캡 조각의 양측에 있는 나사산을 가진 보스(112)들이 기계적인 출력을 위한 연결 수단을 제공한다. 상기 보스들은 캡(들)에 개별적으로 부착된 요소일 수 있거나, 그들과 함께 일체형으로 형성될 수 있다. 비록 내부 나사산 배열이 도시되어 있으나, 외부적으로 나사산을 갖는 샤프트가 이용될 수 있다. 이 러한 배치는 캡(들)을 관통하는 단일 샤프트를 포함할 수 있고, 전형적인 잼 너트(jam nut) 배치에서 양측에 너트로 고정된다. 또한 다른 파스너 또는 접속 옵션들도 가능하다.

도 12는 대안적인 변환기(120)의 구성의 측단면도로서, 서로에 대하여 반대 방향으로 대향하는 2개의 오목부 구조체를 채택하는 대신, 2개의 오목부/절두체 섹션들(122)이 서로 정면으로 대향하는 형태를 도시한다. 필름을 형상 내로 강제로 밀어넣기 위하여 EPAM 층 상의 프리 로드 또는 바이어스는 캡(42) 사이의 끼움쇠(shim) 또는 스페이서(124)에 의하여 유지된다. 도면에 도시된 바와 같이, 상기 스페이스는 환형의 몸체를 포함한다. 상기 캡들은 다른 것과 마찬가지로 본 발명의 이러한 변형예에서 역시 개구부를 포함할 수 있다. 또한, 도 12에 있는 본 발명의 내부 대향(inward-facing) 변형예는 개별적 카트리지 섹션(22) 사이에 중간 프레임 부재(24)를 요구하지 않는다. 실제로, 장치 양측의 EPAM 층은 서로 접촉할 수 있다. 그러므로, 실장 공간이 제한된 상황에서, 본 발명의 이 변형예는 이점을 제공할 수 있다. 또한, 본 장치 구성의 사용에 관한 사항이 추가적으로 논의될 것이다. 그러나, 절두체 형태의 작동기를 위한 다른 바이어싱 접근법이 먼저 기술된다.

특히, 도 13은 코일 스프링 편향 단일의 절두체 변환기(130)의 단면 사시도를 제공한다. 여기에서, 프레임(또는 프레임 자체의 부분)에 연결된 배플(baffle) 벽(134)과 캡(42) 사이에 삽입된 코일 스프링(132)은 EPAM 구조를 편향배치한다. 도 14에 도시된 변환기(140)에서, 리프 스프링(142)은 변환기의 캡 부분을 편향배치한다. 리프 스프링은 캡의 타측에 볼트 및 너트(도시되지 않음)사이에 캡쳐된 볼 트(146) 또는 스페이서에 의하여 보스(144)에 부착되는 것으로 도시된다. 리프의 단부는 레일(148)에 의하여 가이드된다. 도 15에 의하여 도시된 다른 변환기(150) 예에서, EPAM 필름은 캡(들)(42)에 부착되거나 일체형으로 형성된 간단한 웨이트(152)에 의하여 편향배치될 수 있다. 장치가 뷰잉의 목적으로 경사진 것으로 도시될지라도, 이는 일반적으로 평평하여 대칭적 웨이트 상의 중력의 당김은 Z축을 따라 변환기를 대칭적으로 편향배치하도록 한다.

전술한 바를 기초로 하여, 대상 변환기의 임의의 파라미터들의 숫자는 주어진 응용예에게 적합하게 하기 위하여 가변될 수 있다는 점은 자명하다. 비포괄적(non-exhaustive) 목록에는 다음이 포함한다 : 캡(나사산을 가진 보스, 스페이서, 샤프트, 링, 디스크, 기타 등등)에 연결된 출력 파스너 또는 접속 수단; EPAM 필름상의 예비변형(크기, 각도 또는 방향 기타 등등); 필름 형태(실리콘, 아크릴, 폴리우레탄, 기타 등등); 필름 두께; 활성 대비 비활성 층들; 층의 갯수; 필름 카트리지의 갯수; 페이즈의 갯수; 장치 "측면"의 갯수 및 장치 측면의 방향.

시스템

어떤 대상 변환기는 더 복합적인 조립체에서 사용될 수 있다. 도 16은 스트로크 증폭을 위하여 다수의 절두체 형태의 변환기 하위단위체(100)가 직렬로 적층된 변환기 예(160)를 제공한다. 더욱이, 내부로 대향하는 이중 절두체 변환기(120)는 프레임(20)에 부착하여 제2 출력 페이즈를 제공한다. 이러한 부재의 높이는 그것의 내부 공간(상기에 참조됨)으로 인하여 안정적인 반면, 프레임의 위치는 이동이 가능하여 제2 단계 출력 또는 입력을 제공한다.

중앙 스테이지(stage)(120) 대신, 기초 스트로크 증폭 목적을 위하여 간단한 스페이서가 외부 변환기(100)들 사이에 이용될 수 있다. 스트로크를 더욱 증가시키기 위하여, 그러한 다른 스택이 제1 스택 등에 설치될 수 있다. 다른 작동 단계를 제공하기 위하여, 다른 내부 대향(inward-facing) 변환기 등이 이용될 수 있다. 또 다른 변형예는 작동기 센서 쌍에서 내부 대향 변환기를 외부 대향(outward facing) 변환기와 짝을 이루게 하는 것을 고려할 수 있다. 물론, 그 밖의 다른 조합들이 본 발명의 범위 내에 포함된다.

본 발명에 의하여 제공된 다른 고도로 유연한 문제 해결(problem-solving) 또는 실험적인 접근법은 도 17와 관련하여 도시된다. 여기에서, 다양한 타입의 변환기를 제공하는, 재설정 가능한 탐사용 시스템(170)이 제공된다. 도 18a 내지 18c는 도 17의 시스템을 위한 다양한 대안적인 구성예를 도시한 조립도를 제공한다. 도 18a에 도시된 바와 같은 구성요소 스택 배열 상태(172)에 있어서, 시스템(170)은 판상의 구동기의 역할을 하도록 적용된다. 도 18b에 도시된 바와 같은 성분 스택 배열 상태 174에 있어서, 시스템(170)은 다이어프램 작동기의 역할을 하도록 적용된다. 도 18c에 도시된 바와 같은 성분 스택 배열 상태 176에 있어서, 시스템(176)은 다이어프램 펌프로 작동하도록 적용된다. 이러한 펌프는 이하에서 더욱 상세히 기술된다. 시스템(170)에 관하여, 여기에서는 대상 구조가 자체로 대단한 유연성에 도움이 된다는 점만 밝혀둔다.

도 19a는 본 발명을 이용하는 다른 적용예를 제공한다. 상기 도면은 초점을 조절하기 위하여 절두체 형태의 작동기(182)를 사용하는 카메라 렌즈 조립체(180)를 상세하게 도시한다. 변환기(184)의 캡 또는 다이어프램은 빛이 하우징(188) 내에 설치된 렌즈(186)을 통과할 수 있도록 링의 형상으로 개구되어 있다. 리프 스프링(190)은 EPAM 필름을 편향배치하도록 하우징과 접촉하여 있는 것으로 도시된다.

도 19b에 도시된 바와 같이, 완성된 카메라 조립체는 적어도 쉬라우드(shroud) 또는 커버(192), 내부 프레임 성분(들)(194), 이미지 포착을 위한 CCD(196)(전하 접합 장치(charge-couple device)) 및 전자부품(198)을 포함할 것이다. 상기 전자부품은 장치 전체를 구동하기 위하여 일체화될 수 있거나, 보드(200) 상의 전자부품은 EPAM 작동기를 위하여 필요한 전압 스텝업(step-up)과 컨트롤을 간단하게 제공할 수 있다.

이와 같은 사용을 위한 적당한 전원 공급 모듈로는 EMCO 고전압 주식회사(캘리포니아) Q, E, F, G 모델 및 피코 전자 주식회사(뉴욕) 직렬 V V 장치가 포함된다. 물론, 맞춤식(custom) 전력 공급이 이용될 수 있다. 임의의 경우에 있어서, 언급된 전원 공급 방식들은 단지 카메라 실시예 뿐만 아니라, 대상 변환기를 합체하는 임의의 시스템에 이용될 수 있다.

도 20은 다른 카메라 렌즈 조립체(226)를 도시한다. 그러나 리프 스프링 대신, 본 디자인은 장치(228)의 프리로드 측면이 EPAM 필름이 아닌 간단한 탄성 중합체 웹(web)일 수 있는 이중 절두체 형태의 작동기(100)를 이용한다. 그러나, 측면/층(228)이 EPAM 소재를 포함할지라도, 캐패시턴스 변화에 의하여 위치를 감지하는데 있어서 가장 유리하게 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 변형예에 있어서, 도 21a는 각각의 줌과 초점들을 조절하기 위하여 작동기 조합(212)를 사용하는 카메라 렌즈 조립체(210)를 도시한다. 전술한 바와 같이, 장치는 본 발명에 따른 다이어프램 작동기(214)에 의하여 구동되는 초점 단계(focus stage)를 포함한다. 더욱이, 장치는 판상 구동기(216)의 줌 단계 세트를 포함한다. 일반적으로 초점 조절은 0.1 내지 2.0mm 범위의 움직임을 요구한다; 줌은 대개 5 내지 10배의 스트로크 양을 요구한다.

따라서, 줌은 다른 형태의 작동기에 의하여 조작된다. 도 21a에서, 줌 기능은 서로를 가로질러 위치한 한 쌍의 판상의 변환기(216)에 의하여서 작동된다. 각각의 판상 및 다이어프램 작동기들은 통상의 프레임 요소(218) 상에 연신된 EPAM 필름에 의하여 형성된다는 점이 중요하다. 그러한 기능은 도시된 2개의 렌즈 배열 상태에 의하여 제공된다. 줌은 렌즈(186) 및 렌즈(220) 사이의 거리를 변화하면서 달성된다. 렌즈(186)에 대한 렌즈(220)의 벌크 이동(bulk movement)은 줌 렌즈 프레임(224)에 연결된 암(222)에 의하여 달성된다.

결합 사용(combined-use) 프레임은 벌크 이동과 정밀 조정이 요구되는 환경, 또는 (카메라에서와 같이) 분리된 모션 성분이 요구되는 임의의 환경에서 적용될 수 있는 본 발명에 따른 다른 옵션을 제공한다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 결합된 프레임의 다중면들이 단지 다이어프램 작동기 또는 단지 평면 구동기만을 수반할 수 있음을 예상할 수 있다. 더욱이, 비직교 프레임 기하구조가 이용될 수 있다.

본 발명의 카메라 응용예와 관련하여, 전술한 시스템들은 극히 컴팩트하게 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 시스템들은 소형의 디지털 또는 셀룰러 전화기 카메라 등에 이용하기에 특히 적합하다.

더 많은 가용 공간이 있는 경우에, 장치의 동작 범위를 증가시키기 위하여 더 긴 줌 트래블(zoom travel)에 적합한 EPAM 줌/초점 엔진을 제공하는데 바람직할 수 있다. 도 22a와 22b는 줌 조절을 위하여 내부에 판상 작동기의 망원(telescopic) 배열(232)이 제공되는 대안적인 판상의 카메라 시스템(230)을 도시하는 사시도이다. 상기 도면들은 각각 화살표(232 및 234)들에 의하여 표시된 최소 및 최대 줌 위치들을 도시한다.

작동기가 연결되어 동작하는 방식은 변환기 스택 작동의 단계들을 도시하는 도 23a 내지 23c의 확대 단면도에 의하여 명확하게 설명된다. 전진 운동은 최종 출력바(340) 및 부착 로드(30)가 플로우팅 또는, 오히려, 줌 구성요소를 구동하도록 한 상태로, 연속되는 출력바(238)(일부 가려짐)들을 플레임 섹션(20)들에 연결함으로써 달성된다.

본 발명은 다수의 유량 조정 수단들을 더 포함한다. 이러한 수단은 밸브, 혼합기 및 펌프를 포함한다.

도 24a는 밸브 메카니즘의 조립도이다. 밸브(240)는 전술한 바와 같이 이중 절두체 형태의 작동기(100)를 구성하는 구성요소들을 포함한다. 즉, 밸브는 프레임 부재 내에 연신된 EPAM 필름을 포함하고, 캡(들)에 의하여 고정된다. 추가적으로, 밸브(240)는 내부에 수용된 피팅(fitting)들(244, 246)을 갖는 커버(242)를 포함한다.

도 24b 및 24c는 밸브 작동을 도시하는 도 24a의 밸브의 측단면도이다. 도 24b에서 밸브가 닫힌다. 캡/캡들(42)은 중성 필름(전력이 공급되거나 공급되지않음) 상태에서 "정상적으로 닫힌" 구성으로 작동 피팅(244)를 차단하는 다이어프램의 역할을 한다. 도 24c에서, 밸브는 장치 내에 형성된 챔버(250)를 통한 흐름을 허용하도록 화살표 248의 방향으로 드라이브 캡(42)을 구동하기 위하여 변환기를 작동함으로써 개구된다.

도 25는 다른 일방향 이중 절두체 다이어프램 밸브(260)을 도시한다. 상기 장치는 테이퍼된 니들 밸브 배열구조(262)가 제공되어 더 넓은 조절 범위를 제공한다는 점에서만 차이가 있다.

도 26은 3-웨이(three-way) 혼합 밸브(270)을 도시한다. 유입 피팅들(272)이 다른 유체/가스 소스(도시되지 않음)와 유체 연통하는 라인(도시되지 않음)에 연결된다. 유출 피팅(274, 276)들은 공통 배출구 라인(도시되지 않음)에 연결된다. 더블 화살표(278)에 의하여 표시되는 바와 같이 가변하는 캡/다이어프램(42)의 위치는 유출 피팅들로 유입될 수 있는 각각의 서로 다른 흐름(flow)의 비율을 지시한다. 물론, 본 장치는 본 원에서 기술되는 다른 장치가 그렇듯 전술한 장치와 같은 테이퍼된 니들 밸브를 포함할 수도 있다.

도 27은 인-라인 밸브(280)를 도시한다. 이전 밸브가 폐쇄된 다이어프램을 이용하는 경우, 다이어프램(282)은 관통(through) 홀(284)을 포함한다. 이러한 방식으로, 유체는 피팅들(286 및 288)을 통하여 장치의 일측에서 타측으로 통과할 수 있으며, 이 경우, 다이어프램(282)이 동작 피팅(288)을 경유하거나 그 내부로 유입되는 흐름양을 조절한다.

도 28은 본 발명에 따른 압력 측정 변환기(290)의 측단면도이다. 챔버(292)에 유입되는 유압은 EPAM 필름을 연신함으로써 초래된 캐패시턴스의 변화와 관련하여 감지된다. 전형적인 EPAM 다이어프램 변환기와 비교하여, 캡(42)은 시스템에 새로운 수준의 견고함을 제공한다.

도 29a 및 29b는 가변하는 "크래킹 압력" 체크 밸브(294)를 도시한다. 작동기(296)의 EPAM 소재는 연신되어 캡은 밸브 스템(244)의 말단부에 약간의 압력으로 안착된다. 전압이 소재에 인가되는 경우, 두께를 감소시키고, 화살표(298) 방향으로 연장되고, 이에 따라 밸브 인터페이스에서 프리로드를 감소시킨다. 이런 방식으로 완화되는 경우, 비교적 더 낮은 압력에서 유체는 피팅(246)을 통하여 캡(42)(또는 밸브 니들 등) 출구를 거쳐 배출될 수 있다.

도 30a와 30b는 절두체 형태의 밸브(302)가 특정 용도(application specific) 하우징(304) 내에 설치되는 인라인 밸브 구성(300)의 예를 도시한다. 이 경우에, 하우징은 내연 엔진의 적용예에서 사용되는 베이퍼 캐니스터 정화 밸브(vapor canister purge valve)를 대체하도록 구성된다. 도 30a는 닫힌 구조의 밸브를 도시한다; 도 30b는 열린 구조의 밸브를 도시한다. 밸브는 정상적으로 닫히고, EPAM 필름에 전압이 인가되는 경우 열린다. 밸브는 캡 또는 다이어프램(308)이 일체화된 스템(306)을 포함한다. 바이어스를 위하여 이중 절두체 디자인을 사용하는 대신, 코일 스프링(310)이 단일면 디자인에서 사용된다.

대상 시스템들의 다른 적용예에서, 다수의 펌프들이 다음에 도시된다. 상기 펌프는 압력 하에서 유체 또는 가스를 수송하기 위하여 이용되거나 진공 상태를 생 성되기 위하여 사용될 수 있다. 밸브 구조는 펌프 본체에 끼워지거나 내부에 또는 병렬로 일체화될 수 있다.

도 31a 및 31b는 두배의 절두체 형태의 작동기(100)를 이용하는 제1 펌프 (320 및 320')의 변형예를 도시한다. 각각의 장치는 단일 챔버(322) 다이어프램 펌프를 포함한다. EPAM 작동기 섹션은 다양한 이중 절두체 변환기 디자인과 관련하여 상술한 바와 같이 단일 또는 2 단계(phase)의 작동을 하도록 설치될 수 있다. 상기 펌프는 유체(가스를 포함) 압력에 의하여 촉발된 멤브레인(328)의 이동이 분명하게 보이는 바와 같이 교대적으로 밸브들을 개폐하는 한 쌍의 수동 체크 밸브(324 및 326)을 포함한다.

도 31b의 펌프(320') 캡/다이어프램(42) 일부에 추가적으로 다이어프램 벽(330)을 포함하는 것을 제외하고는 도 31a의 펌프와 동일하다. 상기 벽(330)은 가 전술한 펌프 변형에서 사용된 EPAM 필름, 그 자체보다 전반적으로 개선된 챔버 벽 인터페이스(예컨대, 부식성(caustic) 화학 물질에 더 친화적인 소재를 제공하는 등, 탄성 변형에 덜 민감한 것)를 제공한다.

전술한 장치와 유사하게, 도 32에 도시된 펌프(340)는 수동 체크 밸브(324 및 326)를 사용한다. 그러나, 이는 통합된 이중 챔버(342 및 344) 또는 복동 펌프를 구현한다는 점에서 다른 장치와 다르다. 이 또한, 작동기는 하나 또는 두 단계 형태의 변환기일 수 있다.

도 33은 하나의 챔버 펌프 350을 도시한다. 물론, 그것은 도 32에 있는 펌프(340)에서와 같이 2개의 챔버 디자인 내부로 재구성될 수 있다. 그러나, 이 장치에서 사용된 체크 밸브들이 수동식(passive)이 아니라, 오히려 도 28과 관련하여 상기에 기술된 바와 같거나 이와 유사한 EPAM 밸브들(352 및 354)이라는 점은 중요하다. 물론, 다른 EPAM 밸브 구성이 이용될 수도 있다(예컨대, 도 24a 내지 24c에 도시된 배열 구조).

본질적으로, 도 33은 알려진 시스템에 관한 다양한 장점을 제공하는 통합된 EPAM 제어 장치를 생성하기 위하여 다양한 유체 흐름 서브콤포넌트 조립체에 관한 하나의 예를 제공한다. 도 34는 대상 장치들이 자신 또는 본 발명에 따른 기타 장치들과 결합하여 오히려 더 큰 유틸리티 시스템을 제공하는 방법을 도시한다. 도 34에 도시된 바와 같은 "완전한" 유체 취급 시스템(360)은 펌프(350), 유동 제어 밸브(280) 및/또는 압력 센서(290)를 포함한다. 물론, 이러한 시스템은 화살표(362)에 의하여 표시된 바와 같이--적절한 배관(tubing)이 설비될 것이다. 이러한 시스템의 하나의 잠재적인 응용예는 자동차 시트에서 요추 지지대로서의 주머니(bladder) 또는 저장고(reservoir)(도시되지 않음)를 채우거나 필링 수준(filling level)을 조절하는데 있을 수 있다. 명백하게, 다른 응용예 및 시스템 구성이 역시 가능하다. 일반적으로 말하면, 펌프 챔버가 직렬로 연결되어 펌핑에 얻어지는 압력 수준이 증가하거나, 병렬로 연결되어 펌핑 용적을 증가시킬 수 있다. 펌프 배열은 이러한 연결 조합을 이용하여, 유사하게, 제공될 수 있다.

또한, 소정의 펌프 또는 유량 연결 특징들이 작동기 자체의 디자인에 일체화될 수 있다. 도 35는 유량 도관(402)이 소자 구조에서 일체화 된 펌프(400)의 예를 제공한다. EPAM 필름(10/10')이 연신되어 각각의 체크 밸브(404)의 절두체/원뿔형 의 다이어프램 섹션들(60) 및 부분을 형성한다. 디스크(406)는 필름에 부착되고, 필름의 장력에 의하여 밸브 시트(408)에 대하여 프리로딩된다. 디스크들이 시트를 들어 올리는 경우, 유체는 디스크의 중심을 관통하여 흐른다. 디스크(406)들은 필름에 본딩되며, 필름 양측에 하나씩 본딩된다.

이러한 구조는 단일 유량 시스템에서 펌프 및 작동기를 모두를 정의하기 위하여 동일한 필름을 이용한다는 관점에서 매우 유리하다. 더욱이, 밸브 구조를 변환기 본체의 측면으로 오프셋시킴으로써, 구조체 전반으로 두께가 최소화된다. 이러한 형태 요소는 "슬림(thinner)" 디자인이 요구되는 소정의 적용예에서 바람직할 수 있다.

도 36은 펌프(410)의 또 다른 실시예를 도시한다. 여기에서, 체크 밸브(412)는 펌프 하우징의 측면 플레이트 조립체(414) 내에 형성된다. 이러한 디자인은 기본 변환기 구조를 펌프 적용예에 적용하기 위한 모듈화된 컴팩트한 접근법을 제공한다. 더욱이, 이러한 디자인은 도 35의 디자인에 비하여, 더 작은 "풋프린트(footprint)"를 위한 가능성(potential)을 제공한다. 제2 측면 플레이트(416)가 간단하게 제공되어 조립체를 완성하는 반면, 2개의 체크밸브 형태의 플레이트가 대신 사용되어 도 32에 도시된 것과 유사한 복동 펌프를 제공할 수 있다.

대상 기술의 다른 잠재적 응용예에 관하여, 도 37은 진동자형 장치(370)를 도시한다. 이중 절두체 작동기 구조에서, 매스(372)의 왕복 운동은 변환기 프레인(26)에 연결되는 더 큰 장치 하우징에 전송된다.

매스 요소가 제공되어 진동을 생성하거나 생성하지 않거나, 대상 변환기의 다른 적용예가 햅틱 피드백 제어부(380)에 관하여 도 38에 도시된다. 컨트롤러는 사용자에게 촉각(tactile) 또는 포스 피드백을 위한 진동 발생기를 넘겨주는 "조이 스틱(382)"을 구비한 게임 콘솔 장치일 수 있다. 다른 변형예에서, 조이스틱은 변형에 대한 커패시턴스의 변화를 통하여 감지하거나 사용자 입력 또는 제어 수단으로 사용자의 조작을 신호하는 다중 페이즈 변환기(384)에 부착된다. 이러한 장치는 게임 콘솔 구성으로부터 로봇 외과를 용이하게 하기 위하여 외과 의사에게 고도로 정확한 인터페이스를 제공하는 것에 이르기까지 다양하게 적용될 수 있다.

마지막으로, 도 39는 복수의 절두체 및/또는 이중 절두체 변환기(392, 394, 및 396)를 채택한 스피커 시스템(390)이 제공되는 본 발명의 변형예를 도시한다. "트위터(tweeter)" 드라이버(392)가 가장 작고, "중간크기의(mid-range)" 드라이버(394), 마지막으로 대형의 "우퍼(woofer)" 드라이버(396)가 뒤를 잇는다. 절두체 기하구조의 개선된 성능에 의하여, 크고 작은(저주파 및 고주파로 튜닝된) 스피커가 생산될 수 있다. 이들은 통상의 전자기 스피커에서와 같이 강한 자석 또는 코일들이 필요하지 않기 때문에, 고출력에서 구동될 수 있고, 여전히 경량의 고성능 스피커를 제공할 수 있다. 더욱이, 변환기의 작은 두께(low profile)로 인하여 스피커 캐비넷(398) 디자인을 변형하기에 적합하여 오디오 애호가들에게 스타일링에 있어서 자유로운(uncompromised) 선택권을 제공한다.

제조

대상 변환기들에 대하여 선택된 구성에 관계없이, 다양한 제조 기술이 유리하게 이용된다. 특히, 배치(batch) 구성을 위하여 전극을 패터닝하기 위하여 마스 크들을 정확하게 위치시키기 위하여 마스크 고정물을(도시되지 않음) 사용하는 것이 유용하다. 더욱이, 배치 구성을 위하여 다수의 요소를 정확하게 위치시키기 위하여 조립체 고정물을(도시되지 않음) 사용하는 것이 유용하다. 제조에 관한 다른 상세한 사항들은 앞에서 언급한 특허와 공보와 관련하여 이해될 수 있을 뿐만 아니라, 일반적으로 당업자에게 알려지거나 이해될 수 있다.

방법

대상 장치들 관련된 방법들은 EPAM 작동기와 함께 수행되는 것으로 생각된다. 상기 방법들은 대상 장치들 또는 그 밖의 수단들을 사용하여 수행될 수 있다. 본 방법은 적합한 변환기 장치를 제공하는 행위를 모두 포함한다. 이와 같은 준비는 최종 사용자에 의하여 수행될 수 있다. 다시 말해,(예컨대, 펌프를) "공급하는 단계"는 대상 방법으로 필수 장치를 제공하기 위하여 최종 사용자가 입수, 접근(access), 접근(approach), 위치, 활성화, 파워-업하거나 그 밖의 다른 행위를 하는 것을 요구한다.

키트

본 발명의 또 다른 측면은 패키지된 조합 형태로 제공되거나 운영상 사용, 사용법 등을 위한 기술자에 의하여 결합되었던지 여부와 관계없이 -- 본 원에서 기술된 장치의 임의의 조합을 갖는 키트를 포함한다.

키트는 본 발명에 따른 임의 갯수의 변환기를 포함할 수 있다. 키트는 기계적 또는 전기적 커넥터, 전원 등을 포함하여 변환기를 사용하는 필요한 다양한 다른 요소를 포함할 수 있다. 또한, 대상 키트들은 장치 또는 이들의 조립체의 사용 에 필요한 서면 지침을 포함할 수 있다.

키트의 지침은 지면 또는 플라스틱 등과 같은 기판에 인쇄될 수 있다. 이와 같이, 지침은 키트 용기의 라벨링 또는 이의 부품(즉, 패키징 또는 서브-패키징으로 결합된)에 패키지 삽입물로, 키트 내에 존재할 수 있다. 다른 실시예에서, 지침은 예를 들어, CD-롬, 디스켓 등과 같은 적절한 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 제공되는 전자 저장 데이터 파일 형태로 존재할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 현 지침이 키트에서 존재하지 않으나, 예를 들어 인터넷을 통하여 원격 소스로부터 지침를 얻기 위한 수단이 제공된다. 이러한 실시예의 예는 지침이 볼 수 있는 웹 주소 및/또는 지침을 다운로드할 수 있는 웹 주소를 포함하는 키트이다. 지침과 마찬가지로, 지침을 획득하기 위한 이러한 수단은 적절한 매체에 기록된다.

변형

본 발명의 다른 상세한 사항에 관하여, 재료 및 대안적인 관련 구성이 관련 기술 분야에서 숙련된 자들의 수준 범위 내에서 이용될 수 있다. 공통적으로 또는 논리적으로 채택된 추가적 행위들의 견지에서 동일한 사항이 본 발명의 방법 기초 측면과 관련하여 적용될 수 있다. 추가적으로, 비록 본 발명이 몇몇 실시예들을 참조하여 기술되었으며, 선택적으로, 다양한 특징을 합체하고 있으나, 본 발명이 본 발명의 각각의 변형과 대하여 생각되는 바와 같이 기술되거나 표시된 사항에 제한되는 것은 아니다. 다양한 변화들이 본 원에 기술된 본 발명에 적용될 수 있으며, 이의 균등물들(간결함을 위하여 본 원에 인용되거나 포함되지 않았거나)이 본 발명의 실질적 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 대체될 수 있다. 도시된 임의의 갯수 의 개별적 부분 또는 서브어셈블리는 이들의 디자인에 합체될 수 있다. 그러한 변화 또는 그 밖의 다른 것들은 조립체를 위한 디자인의 원칙에 의하여 수행되거나 안내된다.

또한, 기술된 본 발명의 변형예들의 임의의 선택적 사양이 독립적으로 설명되고 청구될 수 있거나, 본 원에 기술된 임의의 하나 이상의 특징들과 결합하여 기술될 수 있다. 단일 항목에 대한 참조는 복수의 동일한 항목들이 제공될 가능성을 포함한다. 보다 상세하게는, 본 명세서 및 첨부된 청구항에서 이용된 바와 같이, 단수 형태 'a', 'an', "상기(said)" 및 "본(the)"은 특별히 역으로 언급되지 않는 한 복수의 참조물을 포함한다. 다시 말하면, 관사의 사용은 아래의 청구항과 마찬가지로 상기의 설명에서 대상 항목의 "적어도 하나"를 고려하는 것이다. 청구항은 임의의 선택 요소를 배제하기 위하여 선별될 수 있다는 점은 더 주목할 만하다. 이에 따라, 이러한 표현은 청구항 구성요소의 인용과 관련하여 "단독으로", "유일한" 등과 같은 배제적인 사용 또는 "부정적" 제한의 사용을 위한 선행 기초의 역할을 하게 할 의도이다. 그러한 배제적인 용어의 사용 없이, -- 주어진 갯수의 구성요소들이 청구항에서 열거되거나, 특징의 추가는 n 청구항에서 설명될 구성요소의 성질을 변형시키는 것으로 간주될 수 있는지 여부에 관계없이 -- 청구항에서 "포함하는"이란 용어는 임의의 추가적 구성요소의 포함을 고려하는 것이다. 예컨대, 청구항에 제시된 것과 같은 "다이어프램"에 파스너 또는 보스를 추가하거나, 복잡한 표면 구조 또는 다른 특징들을 추가하는 것은 종속항이 어큐즈된(accused) 구조로 이해되는 것을 피한다. 특별히 본 원에서 정의되지 않는 한, 달리 표현되는 경우, 본 원에서 사용된 모든 기술적, 과학적 용어들은 청구항의 유효성을 유지하는 한 통상의 광범위한 의미로 이해되는 것으로 간주된다.

본 발명의 사상은 제공된 예들에 의하여 제한되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 본 명세서에서는 다음과 같이 청구하는 바가 청구범위에 기술된다.

Claims

전기활성 고분자 변환기에 있어서, 상기 전기활성 고분자 변환기는:

개구된 프레임;

상기 개구된 프레임 내에 결합되어 보호되는 전기활성 고분자 소재;

상기 전기활성 고분자 소재 중앙 부위에 형성되는 중앙부;

를 포함하고,

상기 전기활성 고분자 소재는 상기 중앙부와 함께 다이어프램을 형성하고,

상기 중앙부는 상기 고분자 소재보다 유연성이 낮은 소재로 형성되고, 상기 고분자 소재는 오목한 형상 또는 볼록한 형상으로 팽창 및 수축할 수 있도록 연신되는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제1항에 있어서,

상기 전기활성 고분자 변환기는 스피커, 펌프, 밸브 및 카메라 렌즈 중 하나로 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 1항에 있어서,

상기 전기활성 고분자 소재는 스프링에 의해 연신하는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 3항에 있어서,

상기 스프링은 상기 전기활성 고분자 소재를 면 외로 바이어싱하게 하는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 1항에 있어서,

상기 다이어프램은 절두체 구조체를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 1항에 있어서,

상기 프레임은 판상이고 상기 다이어프램의 출력동작은 면 외에 있는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 1항에 있어서,

상기 중앙부는 경화된 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 1항에 있어서,

상기 중앙부는 구멍이 없는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 1항에 있어서,

상기 중앙부는 열린 내부 섹션을 갖는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 1항에 있어서,

상기 전기활성 고분자 변환기는 센서, 작동기, 제너레이터 중 하나로서 작동하는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 1항에 있어서,

상기 다이어프램은 복수개이며, 각각의 다이어프램은 상단부가 절단된 형상의 절두체로 형성된 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 11항에 있어서,

상기 복수개의 다이어프램 중 하나는 나머지 다른 다이어프램을 바이어싱하는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 11항에 있어서,

상기 절두체의 상단부가 서로 근접하여 마주보도록 상기 다이어프램들이 배치되는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 11항에 있어서,

상기 절두체의 상단부와는 반대측에 위치하는 각각의 절두체의 일면이 서로 근접하여 마주보도록 상기 다이어프램들이 배치되는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 11항에 있어서,

상기 전기활성 고분자 소재와 함께 상기 다이어프램을 형성하는 상기 중앙부는 다른 다이어프램을 형성하는 다른 중앙부와 함께 근접하여 서로 적층되도록 상기 다이어프램들이 배치되는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 1항에 있어서,

상기 고분자 소재는 개별적으로 수축, 팽창의 조절이 가능한 복수의 섹션들로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기.
제 1항에 따른 다이어프램을 복수개로 적층하여 일체로 구성한 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기용 다이어프램 조립체.
제 17항에 있어서,

상기 적층된 다이어프램들은 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기용 다이어프램 조립체.
제 17항에 있어서,

상기 적층된 다이어프램들은 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 전기활성 고분자 변환기용 다이어프램 조립체.