隔膜致动器以及制作隔膜致动器的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及隔膜致动器及制作隔膜致动器的方法。
【背景技术】
[0002]此处使用的术语“致动器”指代一种部件或组件，利用该部件或组件使电能转换为机械能，从而产生致动器的部件的移动，该移动可以被传递至待被致动的元件。这种类型的致动器可以被有益地用在流体阀技术中，比如以便使阀致动。
[0003]隔膜致动器的特征在于:其具有用于将电能转换为机械能的隔膜层。为了这个目的，隔膜层可以典型地由电活性聚合物形成，其中当施加电压时该电活性聚合物伸张或收缩。通过这种方式，通过施加电压施加的电能被转换为机械能，这会导致致动器的输出部件的移动。
[0004]适合的电活性聚合物可以比如为、硅树脂、聚亚安酯以及丙烯酸酯。
[0005]从现有技术已知的是将这种隔膜致动器叠层在彼此的顶部上以形成叠层隔膜致动器从而增加了其可用力。例如，这种类型的叠层隔膜致动器通过W02008/08325A是已知的，在其中，每个隔膜层被夹持在两个框架部件之间。多个这些隔膜致动器被彼此叠层以形成叠层隔膜致动器。
[0006]在这种类型的叠层隔膜致动器中，已经证明是无益的:由于各个隔膜致动器中的每个通过它们的框架部件彼此抵靠在顶部上，因此它们需要很多空间。然而，框架具有比隔膜层的有效区域具有更大的高度，这会产生移动，即隔膜层的区域设布置在电极之间。从而更多的空间被浪费了。
【发明内容】
[0007]本发明的目标是形成这样一种隔膜致动器，其可以施加高水平的力而需要很小的安装空间。
[0008]根据本发明，通过以下隔膜致动器来实现所述目标，所述隔膜致动器包括包括第一框架部件和第二框架部件，其中，至少两个隔膜层以叠层方式布置在所述第一框架部件和第二框架部件之间，并且被形成为电活性聚合物层。
[0009]本发明的基本思想是减少所需用于隔膜致动器的空间，因为并不是每个隔膜层被夹持在其自己的框架内。在更希望的情形中，由电活性聚合物(EAP隔膜)制成的多个隔膜层被夹持在单一框架之间。因此，这种类型的隔膜致动器还可以被称为多层隔膜致动器，因为多个隔膜层被布置在致动器中、尤其是致动器的框架中。然而多个隔膜层可以提供高水平力，从而以这种方式形成的隔膜致动器可以为现有技术已知的叠层隔膜致动器产生可比较的力但具有更低的结构高度。
[0010]尤其是隔膜致动器可以为电介质弹性致动器。
[0011]电介质弹性致动器大体上以具有大表面积的电极为基础，所述电极被布置在电介质聚合物薄膜的两个相对侧的每个上。如果足够强的电压施加至电极，则电极彼此靠拢因此在期间放置的聚合物薄膜被压缩。由于使用的电介质聚合物薄膜几乎是不可压缩的，因此，在电极之间的空间的减少导致形状上的变化。当电压被施加至隔膜两侧上的电极时，在隔膜中、比如圆形隔膜的中部相对外边缘在轴线方向上可以被偏置；电介质聚合物薄膜在厚度上的减少、简单的说、被转换为隔膜的更大轴向长度。
[0012]本发明的一方面提供直接彼此抵靠的至少两个活性隔膜层。通过这种方式，隔膜致动器的空间需求被显著地降低，这是因为各个隔膜层非常薄并且没有另外部件布置在其间。
[0013]此外，提供能够抵靠至少两个隔膜层的第一表面的第一框架部件和/或提供能够抵靠所述至少两个隔膜层的第二表面的第二连接部件，其中，所述第一表面与第二表面对置。第一框架部件可以组成隔膜致动器的下截至部，然而第二框架部件形成隔膜致动器的上截至部。设置在框架部件之间的隔膜层可以以安全和固定的方式被保持。
[0014]根据本发明的隔膜致动器的第一实施例，提供抵靠所述至少两个隔膜层的第一表面的第一连接部件和/或提供抵靠所述至少两个隔膜层的第二表面的第二连接部件，其中，尤其是所述第一连接部件和/或第二连接部件居中地位于相应表面上。通过第一或第二连接部件，隔膜致动器可以与待被致动的元件协作。这可以发生在，比如隔膜致动器通过第一和/或第二连接部件连接至在每个情形中待被移动的相应部件。可选地，连接部件还可以用作为截至元件，该截至元件在致动器移动时与待被致动的元件接合。此外，待被致动的相应元件还可以被分配至两个连接部件。通过第一和/或第二连接部件的中心布置，确保了连接部件在隔膜致动器激活时的同质的移位移动。
[0015]根据本发明的第二实施例，通过了至少两个隔膜层每个均具有开口，所述开口被居中地设置在相应隔膜层中并且尤其是圆形。在这种类型的隔膜致动器中，可以比如针对隔膜层作出这样一种规定，当使用电压时隔膜层机械地伸张或收缩，以使得隔膜层内的开口发生变化。在这个连接中，开口可以在比如、施加电压时收缩，从而开口的尺寸被减少了。开口可以是圆形的或大致矩形的。
[0016]此外，可以提供为圆形或大致为矩形的至少两个隔膜层。通过相应的隔膜层的形成，当其被电激活时可以实现隔膜致动器的不同的机械移动。
[0017]尤其是第一框架部件和/或第二框架部件可以是圆形的或大致是矩形的。框架部件被形成以对应相应的隔膜层从而确保在每个情形中框架部件可以使隔膜层固定地保持在它们的外边缘处或者框架部件通过相应的边缘附接至隔膜层。当隔膜致动器被通电时，并未被框架部件固定的隔膜层的区域用作为转换移动的有效区域。
[0018]本发明的另一方面提供至少部分柔性的第一框架部件和/或第二框架部件。由于框架部件的部分柔性形成，因此可以创建隔膜致动器，由于框架本身可以由于至少部分柔性框架部件的存在而变形，因此隔膜致动器能够采用不同形状或者可以施加移动。隔膜致动器可以包括DEMES结构或者可以由其形成。DEMES结构(电解质弹性最小化能量结构)是以下结构，其采用根据能量(平衡状态)是有利的条件。通过激活隔膜层，能量可以因此被引入到至少部分地由DEMES结构形成的隔膜致动器中，因此使致动器在其平衡状态之外变形，这根据能量是有利的。尤其是，隔膜致动器还可以全部是柔性的，即完全地包括DEMES结构。
[0019]此外，至少两个隔膜层中的每个包括电极。通过电极，确保了隔膜层可以具有施加到它们上的电压。当电压施加到它们上时，电活性隔膜层可以因此伸张或收缩。
[0020]具体说，直接相邻的隔膜层的电极被设置为彼此相对偏置。通过这种方式，可以确保在具有以叠层方式布置的隔膜层的隔膜致动器的情形中电场被形成在直接相邻的隔膜层之间。为了这个目的，相互偏置的隔膜层被分配至电源的不同的极。因此，单一电源可以满足将电力施加至所有隔膜层。
[0021]本发明另一方面提供具有第一端子的第一框架部件和/或具有第二端子的第二框架部件。通过端子，隔膜层、尤其是其电极具有施加到它们的电压。用于固定各个隔膜层的框架部件因此同时确保各个隔膜层的间接的电力供给以及在边缘处的隔膜层的固定。
[0022]具体说，至少两个隔膜层的电极电连接，其中每个第二隔膜层的电极耦接至第一端子并且其他隔膜层耦接至第二端子。这会导致叠层的隔膜层的非对称接触，这是因为总是在每两个相邻隔膜层之间形成电场，而这是必须的以便在相应隔膜层之间创建电压。
[0023]通过用于制作隔膜致动器的方法来进一步实现本发明的目标，包括以下步骤:
[0024]a)提供第一工具部件，第一框架部件以及由电活性材料制成的聚合物薄膜，
[0025]b)将所述第一框架部件布置在所述第一工具部件上，
[0026]c)夹持所述聚合物薄膜，
[0027]d)机械地伸张所述聚合物薄膜，
[0028]e)固定所述聚合物薄膜，尤其是固定在所述第一工具部件上，并且
[0029]f)切割所述聚合物薄膜(40)以制作隔膜层(16)。
[0030]通过本发明的方法，确保的是可以实现隔膜层所需要的预拉伸(pretens1n)。由于预拉伸，可以增加隔膜致动器的可用力。通过隔膜层的伸张或伸展限定了致动器的优选方向。
[0031]根据本发明的一个方面来执行步骤g)，在其中，将至少一个电极附接至所述隔膜层，其中尤其是在步骤c)至步骤e)之后执行步骤g)。电极的附接是重要的以使得可以将电极施加至隔膜层。电极应该尤其在步骤d)中的机械伸张之后被附接以对电极的破坏。可以通过湿化学工艺、比如喷射、压印、印刷或丝网印刷术来附接至少一个电极。大体上，因而可以实现极宽种类的电极图案。
[0032]此外，步骤c)至步骤e)被重复执行以形成多个隔膜层。取决于重复来创建多层隔膜致动器，其具有对应于重复的数量的隔膜层。隔膜致动器的可用力因而被增加了。
[0033]具体地，直接相邻的隔膜层的电极至少在区域中设置为彼此偏置。通过这种方式确保在每个情形中，直接相邻的隔膜层可以被供给或耦接不同电压或不同端子，因此当被电压施加隔膜致动器时可以在相邻隔膜层之间创建电场。
[0034]此外，提供布置在至少一个隔膜层的侧上的第二框架部件，其中所述第二框架部件与所述第一框架部件对置，从而确保了至少一个隔膜层被布置在两个框架部件之间。至少一个隔膜层因此被固定地夹持。
[0035]此外，提供在步骤d)中单向地或径向地伸张、尤其是均匀地伸张的聚合物薄膜。通过伸张，可以提供具有预伸张隔膜层的多层隔膜致动器，该多层隔膜致动器利用紧凑结构提供大的力。径向伸张尤其在圆形隔膜层中是显著的。通过均匀地径向伸张，确保了比如当电极作用在其有效区域中时，被夹持在圆形框架中的圆形隔膜层在被压缩在电极之间，从而减少了在那个位置处的壁厚。它“变得细长”因此隔膜的中心相对初始状态被偏置。如果电压从电极抽离，则致动器返回至初始状态；隔膜层的壁厚增加，从而中心拉回到它的原始位置中。大体上，预伸张意味着利用大的力可以实现隔膜致动器的限定移动。
[0036]具体说，在步骤d)中使所述第一工具部件移动以使所述聚合物薄膜机械地伸张。第一工具部件因此不仅用来固定聚合物层以便形成隔膜层而且以使聚合物薄膜伸张。通过这种方式，提供了一种简单的用于制作隔膜致动器的方法，尤其是具有预伸张隔膜层的隔膜致动器。
[0037]此外，提供同样被移动的第二工具部件以使所述聚合物薄膜伸张。当聚合物薄膜或隔膜层的轴向伸张发生时，可以尤其提供这种第二工具部件。
[0038]根据本发明的一个方面，所述第二工具部件具有大致对应于所述第一框架部件的结构和/或所述第二工具部件定位成与所述第一框架部件对置。由于第二工具部件的定位和/或设计，聚合物薄膜的轴向伸张可以发生。针对这个目的，第二工具部件尤其能够移动以使得其可以在第一框架部件布置在其上的第一工具部件上行进。对应形成的结构确保聚合物薄膜的轴向伸张以形成轴向预伸张的隔膜层。
[0039]根据本发明的另一方面，将所述第一隔膜层附接至所述第一框架部件，尤其是将所述第一隔膜层粘附或焊接至所述第一框架部件。这确保了在第一框架部件和第一隔膜层的边缘之间提供薄膜连接，因此第一框架部件和第一隔膜层之间的相对移动不能发生。
[0040]此外，另外隔膜层也可以连接到以前隔膜层的第一框架部件。连接在边缘处生效。
[0041]具体地，第一工具部件为具有多个工作表面的工作台或工作鼓。通过这种方式，可以实现非常经济的制作方法，该制作方法可以在非常小的空间来执行。
[0042]具体地，形成为工作鼓的第一工具部件围绕旋转轴线旋转，因此分配至工作表面的聚合