电聚合物马达的制作方法

专利名称：电聚合物马达的制作方法
电聚合物马达
背景技术：
本发明大体上涉及电聚合物马达，具体地讲涉及使小型器具中的从动构件振荡和 /或脉动的电聚合物马达。电聚合物马达通常已被用于机器人技术、镜头定位和泵中。一般来讲，这些马达包 括位于两个导电弹性层(即，电极)之间的聚合物膜层。聚合物可被认为是介电的。聚合 物响应施加在所述一对电极上的电压而变形，从而将电能转换成机械运动。

发明内容
根据本发明，呈现了一种电聚合物马达，所述电聚合物马达包括固定构件和具有 第一端部和第二端部的第一致动器，所述第一端部固定地连接到固定构件。第一致动器可 包括定位在两个电极之间的聚合物。电极可与电源连通。马达也可包括具有第一腿部和第 二腿部的从动构件，使得第一腿部和第二腿部可被轴线分开。从动构件可被固定地连接到 第一致动器的第二端部上。马达也可包括可压缩构件，所述可压缩构件具有固定地连接到 固定构件上的第一端部和固定地连接到从动构件的第二腿部上的第二端部。可压缩构件可 与第一致动器间隔开。第一致动器可当电源在电极之间施加了电压之后伸长以移动从动构 件。根据本发明的另一个实施方案，聚合物可为预应变的。根据本发明的另一个实施方案，从动构件的第一腿部和从动构件的第二腿部可在 整个中心轴线上以第一角度分开。根据本发明的另一个实施方案，电动牙刷包括具有清洁表面的头部，并且呈现了 连接到所述头部的柄部。柄部可具有电源和马达。马达可包括第一致动器，所述第一致动 器具有固定地连接到柄部上的第一端部、和第二端部。第一致动器可包括定位在两个电极 之间的预应变的聚合物。电极可与电源连通。马达也可包括第二致动器，所述第二致动器 具有固定地连接到柄部上的第一端部、和第二端部。第二致动器可与第一致动器间隔开并 与第一致动器大致平行。第二致动器可包括定位在两个电极之间的预应变的聚合物，所述 电极可与电源连通。牙刷也可包括从动构件，所述从动构件包括第一腿部、第二腿部和定位 在第一腿部和第二腿部之间并连接到第一腿部和第二腿部的轴承，使得第一腿部和第二腿 部可在整个轴承上以第一角度分开。第一腿部可连接到第一致动器的第二端部上，并且第 二腿部可连接到第二致动器的第二端部上。最后，牙刷可包括与从动构件的轴承连通的轴。 第一致动器和第二致动器可响应由电源施加的电压而伸长以振荡、脉动和/或线性地移动 从动构件和轴。根据本发明的另一个实施方案，提供了一种电聚合物运动的方法。所述方法可包 括用来自电源的振荡脉冲来交替地致动第一预应变的聚合物致动器和第二预应变的聚合 物致动器，以及通过第一致动器和第二致动器围绕从动构件的轴线来振荡从动构件。根据本发明的另一个实施方案，电源可在交替振荡脉冲之间提供基本上同时的脉 动脉冲以产生从动构件围绕中心轴线的基本上同时的振荡和脉冲运动。
因此，本发明的实施方案的特征是在小型器具中提供电聚合物马达，使得小型器 具具有更具高性价比、重量轻、耗电少且体积小的潜力。参考本文所涵盖的本发明的说明， 本发明的实施方案的其他特征将变得显而易见。


本发明的特定实施方案的下列详述通过参照下列附图可得到最好的理解，其中类 似的结构用类似的附图标号来指示，并且其中图IA示出了根据本发明的另一个实施方案的示例性电聚合物马达的示意图；图IB示出了根据图IA的示例性电聚合物马达的部分地旋转的示意图；图2示出了根据本发明的实施方案的示例性牙刷的透视图；图3示出了根据本发明的实施方案的示例性电聚合物马达的示意图；图4A示出了根据本发明的实施方案的示例性数字振荡电位起伏；图4B示出了根据本发明的实施方案的示例性正弦振荡电位起伏；图5A示出了根据本发明的实施方案的示例性的两种不同振荡频率的正弦电位起 伏；图5B示出了根据本发明的实施方案的示例性的两种不同振荡频率的数字电位起 伏；图6A示出了根据本发明的实施方案的具有一个聚合物致动器和弹簧的示例性电 聚合物马达的示意图；图6B示出了根据图6A的示例性电聚合物马达的示意图，所述马达在部分地旋转 的图示中具有一个聚合物致动器和弹簧；图7示出了根据本发明的实施方案的示例性牙刷的示意图；图8示出了根据本发明的实施方案的牙刷的示例性传动和从动构件的透视图；图9示出了沿着根据图8的示例性牙刷传动系统的A-A截取的剖面图；图10示出了沿着根据图9的示例性牙刷传动系统的B-B截取的剖面图；图11示出了根据本发明的实施方案的示例性电聚合物马达的另一个示意图，所 述马达具有一个聚合物致动器和弹簧；图12示出了根据本发明的实施方案的示例性电聚合物马达的另一个示意图，所 述马达具有两个聚合物致动器；图13示出了根据本发明的实施方案的示例性电聚合物马达的另一个示意图，所 述马达具有两个聚合物致动器。附图中所示的实施方案是例证性的，并不旨在限制由权利要求书限定的本发明。 此外，通过阅读发明详述，附图和本发明的单独特征将变得更明显并可更充分地理解。
具体实施例方式下面的文字广泛地描述了本发明的若干个不同的实施方案。本说明书应被理解为 仅仅是示例性的，其并未描述所有可能的实施方案，因为描述所有可能的实施方案既不实 际也不可能，并且应当理解，本文描述的任何特征、特性、结构、组件、步骤或方法均可被删 除，与本文描述的任何其他特征、特性、结构、组件、产品步骤或方法全部或部分地相组合或取代。可利用现有的技术或在本专利申报日期之后研发的技术来实施若干个可供选择的实 施方案，其仍将落在权利要求的范围内。也应当理解，除非术语在该专利中使用句子“如本文所用，术语“―”在此定义为是 指...”或类似的句子被明确地限定，否则不旨在将该术语的含义限定(无论是明确的还是 暗示的)超出其字面的或普通的含义之外，并且该术语在范围上不应基于本专利中的任何 部分中所做出的任何声明(除权利要求书的语言外)被理解为受到限制。除非指明，否则 任何术语均不旨在对于本发明是必需的。除非声明的元件是通过引用词语“是指”和功能 而不引用任何结构而加以限定，否则任何声明的元件的范围均不旨在基于35U. S. C. § 112 的专利申请(第六段)来解释。在实施方案的下列详细描述中，引用了形成本发明的一部分的附图，在附图中以 例示的方式而非限制的方式示出了其中可实施本发明的具体实施方案。应当了解，也可利 用其它的实施方案，并且在不脱离本发明的实质和范围的情况下可做出逻辑的、机械的和 电的修改。首先参见图1A，其示出了示例性电聚合物马达10的示意图。示例性电聚合物马达 10可包括从动构件35、连接在从动构件35和固定构件15之间的第一致动器20、和连接在 从动构件35和固定构件15之间的可压缩构件55。固定构件15可任选地为马达10的一部 分或为与马达10分离的组件，例如牙刷的柄部(例如，如图7-10中所详示的柄部180)。从动构件35可包括中心体42、从所述中心体42延伸的第一腿部40和从所述中 心体42延伸的与所述第一腿部相对的第二腿部45。第一腿部40和第二腿部45可围绕中 心平面51是对称的。中心体42可沿马达10的纵向轴线50纵向设置，如图2所示。第二 腿部45可围绕纵向轴线50以第一角度80从第一腿部40径向地设置。角度80可介于约 0度至约360度、约30度至约180度、或约45度至约90度之间。从动构件35可围绕纵向 轴线50顺时针和/或逆时针旋转。本示例性实施方案中的中心体42可包括具有圆柱形孔60的大体上圆柱体形状， 所述圆柱形孔穿过纵向轴线50设置或与所述纵向轴线50共轴对齐。如此，孔60可被滑动 到或连结到小型器具例如牙刷的传动轴上。孔60也可包括轴承(未示出)，如本领域的普 通技术人员所知。在可供选择的实施方案中，中心体42可整体地形成小型器具例如牙刷的 传动轴的一部分或连接到此类传动轴上。在另一个示例性实施方案中，如图3所示，第一腿 部40和第二腿部可大体上线性对齐，使得第一角度可大体上为180度。应当理解，第一腿 部和第二腿部可包括整体单元。第一腿部40、第二腿部45和中心体42可全部为单一整体组件，或可为三个分离的 且不同的组件，这三个分离的且不同的组件使用已知的装置和方法连接在一起而形成从动 构件35。如图IA所示，第一腿部40可包括邻近中心体42的近端43和与所述近端相对的 远端41。类似地，第二腿部45可包括邻近中心体的近端44和与所述近端相对的远端46。第一腿部40的远端41可使用各种已知的和未知的连接方法和装置固定地连接到 第一致动器20的第二端部M，所述方法和装置包括但不限于焊接、超声焊接、粘合剂、缝合 技术、托架、层压技术和方法、以及它们的组合等等。尽管显示连接到第一腿部40的远端 41，但应当理解，第一致动器20可沿第一腿部40的长度和/或宽度在任何位置连接。第一 致动器20的第一端部22可使用各种已知的和未知的连接方法和装置固定地连接到固定构件15，所述方法和装置包括但不限于焊接、超声焊接、粘合剂、缝合技术、托架、层压技术和 方法、以及它们的组合等等。如图IA所示，第一致动器20可包括定位在一对电极30之间的聚合物25。所述 一对电极30可以各种方式连结到第一致动器20的相对表面上，所述方式包括但不限于粘 合剂、超声焊接、机械连接器、涂层、以及它们的组合等等。所述一对电极30可与电源(未 示出)连通。所述一对电极30可在聚合物25上施加电压，导致聚合物25在众多不同的 方向(例如长度方向、宽度方向、对角线方向等)上变形(例如，聚合物25可响应所施加 的电压而膨胀和/或收缩)。适用于本发明的聚合物25和电极30进一步描述于美国专利 6，545, 384和6，781，284中，所述专利以引用的方式并入本文以用于所有的目的。第一致动器20可具有约0. Imm至约200mm的长度(L)；更具体地讲，第一致动器 20可具有约0. 5mm至约150mm的长度，并且甚至更具体地讲，第一致动器20可具有约Imm 至约IOOmm的长度。第一致动器20可具有约0. Imm至约80mm的宽度；更具体地讲，第一致 动器20可具有约0. 5mm至约60mm的宽度；并且甚至更具体地讲，第一致动器20可具有约 Imm至约40mm的宽度。单个的致动器20可具有约1 μ m至约200 μ m的厚度；更具体地讲， 单个的致动器20可具有约3 μ m至约150 μ m的厚度；并且甚至更具体地讲，单个的致动器 20可具有约5 μ m至约IOOym的厚度。在另一个示例性实施方案中，一种以上的聚合物25 可被层压在一起以形成更大的位移力。在该实施方案中，层压的聚合物可具有约2 μ m至约 20mm的总体厚度；更具体地讲，层压聚合物可具有约20 μ m至约5mm的总体厚度，并且更具 体地讲，层压聚合物可具有约Imm的总体厚度。在一个实施方案中，致动器20中的聚合物25可为预应变的。在一个实施方案中，
致动器20可被预应变约0. 1至60%。在另一个实施方案中，致动器20可被预应变约2至
20%。在另一个实施方案中，致动器20可被预应变10至15%。预应变的量(ε)可取决
于旋转角度(α)和杠杆臂的长度(Atl)(即，第一腿部40或第二腿部45的长度)之间的关
系，采用下面的公式
权利要求
1.一种电聚合物马达，所述马达包括固定构件；具有第一端部和第二端部的第一致动器，所述第一端部固定地连接到所述固定构件， 所述第一致动器包括定位在两个电极之间的聚合物，其中所述电极与电源连通；从动构件，所述从动构件包括具有轴线的主体以及优选地被所述轴线分开的第一腿部 和第二腿部，其中所述从动构件固定地连接到所述第一致动器的第二端部；以及可压缩构件，所述可压缩构件具有固定地连接到所述固定构件的第一端部和固定地连 接到所述从动构件的主体的第二端部，所述可压缩构件与所述第一致动器间隔开；其中，所述第一致动器在所述电源在所述电极之间施加电压之后改变长度以移动所述 从动构件。
2.如权利要求1中的任一项所述的马达，其中，所述第一致动器的伸长使所述从动构 件围绕所述轴线摆动。
3.如前述任一项权利要求所述的马达，其中，所述从动构件还包括轴承，所述轴承沿着 并围绕所述轴线并定位在所述第一腿部和所述第二腿部之间。
4.如前述任一项权利要求所述的马达，其中，所述聚合物通过在所述电极之间施加静 电场而被电活化，或响应施加到电极上的电压而弹性变形。
5.如前述任一项权利要求所述的马达，其中，所述第一致动器被预应变约0.至约 40%，优选约2%至约20%，优选约10%至约15%。
6.如前述任一项权利要求所述的马达，其中，所述可压缩构件包括第二致动器，所述 第二致动器包含定位在两个电极之间的预应变的聚合物，并且其中所述电极与所述电源连ο
7.如权利要求6所述的马达，其中，所述第一致动器和所述第二致动器的伸长使所述 从动构件围绕所述中心轴线摆动。
8.如权利要求6-7所述的马达，其中，所述从动构件响应从所述电源至所述第一致动 器和所述第二致动器的振荡脉冲而摆动，并响应从所述电源至所述第一致动器和所述第二 致动器的脉动脉冲而脉动。
9.如权利要求6-8所述的马达，其中，所述电源使施加至所述第一致动器和所述第二 致动器的功率交替变换，导致所述从动构件围绕所述轴线摆动，或其中所述电源给所述第 一致动器和所述第二致动器供给基本上同时的功率，导致所述从动构件向所述轴线径向移 动。
10.如前述任一项权利要求所述的马达，还包括控制器，用于控制所述电源向所述电 极施加的电压的量和脉冲图案的频率。
11.一种电动牙刷，所述牙刷包括具有清洁表面的头部；柄部，所述柄部连接到所述头部并具有电源和如前述任一项权利要求所述的马达，其 中所述第一致动器具有第二端部和固定地连接到所述柄部的第一端部，所述第一致动器包 括定位在所述两个电极之间的预应变的聚合物；所述可压缩构件具有第二端部和固定地连接到所述柄部的第一端部并与所述第一致动器间隔开且与所述第一致动器基本上平行，所述可压缩构件包括定位在两个电极之间的 预应变的聚合物，其中所述电极与所述电源连通；所述从动构件包括第一腿部、第二腿部和定位在所述第一腿部和所述第二腿部之间并 连接到所述第一腿部和所述第二腿部的轴承，使得所述第一腿部和所述第二腿部在整个所 述轴承上以第一角度分开，所述第一腿部连接到所述第一致动器的第二端部，并且所述第 二腿部连接到所述可压缩构件的第二端部；以及与所述从动构件的所述轴承连通的轴，其中所述第一致动器和所述第二致动器响应由 所述电源施加的电压而伸长以使所述从动构件和所述轴摆动、脉动和/或线性移动。
12.如权利要求11所述的牙刷，还包括具有头部和颈部的清洁连接件，所述清洁连接 件与所述轴连通。
13.如权利要求11-12所述的牙刷，还包括开关，用于选择由所述电源供给的功率类型。
14.如权利要求11-13所述的牙刷，其中，所述电源基于持续时间而在供给至所述第一 致动器和所述可压缩构件的功率类型之间切换。
15.如权利要求11-14所述的牙刷，还包括前轴承和优选地后轴承，所述前轴承连接 到所述柄部和所述从动构件并且包围所述轴，使得所述前轴承用作所述轴的枢转点，所述 后轴承围绕所述轴是挠性的并挠性地安装到所述柄部，以允许所述轴围绕所述前轴承进行 交替的或叠合的枢转运动。
全文摘要
本发明提供了包括固定构件(15)和第一致动器(20)的电聚合物马达，所述第一致动器具有第一端部和第二端部，所述第一端部固定地连接到固定构件。第一致动器包括定位在两个电极之间的聚合物。电极与电源连通。马达也包括具有第一腿部(40)和第二腿部(45)的从动构件(35)，使得第一腿部和第二腿部被轴线(50)分开。从动构件固定地连接到第一致动器的第二端部上。马达也包括具有第一端部和第二端部的可压缩构件(55)，所述第一端部固定地连接到固定构件，并且第二端部固定地连接到从动构件的第二腿部。可压缩构件与第一致动器间隔开。第一致动器在电源在电极之间施加电压之后伸长以移动从动构件。马达可用来旋转地摆动电动牙刷的头部。
文档编号A61C17/34GK102124587SQ200980131558
公开日2011年7月13日 申请日期2009年8月20日 优先权日2008年8月20日
发明者乌韦·容尼克尔, 贝内迪克特·海尔 申请人:博朗有限公司