[发明专利]由张力修改驱动的低压微流体致动器

说明书

一种张力驱动致动器(100)包括支撑结构(102)和第一弹性隔膜(116)，该支撑结构(102)由至少部分地限定流体腔室(112)的外围有界壁(118)形成，第一弹性隔膜(116)在张力下附接到支撑结构(102)并用支撑结构(102)封闭流体腔室(112)。加压流体(110)被设置在流体腔室(112)中，并且张力修改器结构(108)附接到第一弹性隔膜(116)并且与第一弹性隔膜(116)处于张力下。响应于对张力修改器结构(108)施加电场，张力修改器结构(108)从隔膜张紧位置转变到隔膜松弛位置，使得张力修改器结构(108)在尺寸上变形并收缩，从而减小第一弹性隔膜(116)的张力，使得流体压力引起第一弹性隔膜(116)的一部分的偏移。张力驱动致动器(100)可以是可变控制光学透镜，或者用于其他目的的致动器。

相关申请

本申请要求2017年7月7日提交的美国临时申请号62/529,961的优先权，其通过引用合并于此。

背景技术

许多类型的微致动器利用受力偏移的薄膜或隔膜。这种致动器通常用于随着流体的注入或移除而打开或关闭微型阀。可以使用几种机电转换机制来产生致动力。

一种现有方法使用由具有坡莫合金(permalloy)柱塞的电磁线圈产生的电磁力来产生致动力。在由介电材料隔开的两个导电板之间还以静电方式产生了致动力。这种静电致动器消耗很少的电力，但是由于它们产生的较小的力和偏移而被限制在各种应用中使用。

也已利用压电材料产生致动力。压电致动器消耗非常少的电能，并且可以产生很大的力；然而，压电致动器的偏移很小，除非以堆叠或双压电晶片的形式出现，这会使它们体积增大并且在某些微型应用中不可行。

其他力产生机构包括双金属、热气动和形状记忆合金(SMA)弹簧，作为用于各种目的和各种配置的致动器。

在一些应用中已经结合了上述致动方法，以通过电控制薄膜或隔膜的偏移量来使薄膜或隔膜偏移。但是，这样的配置需要大量的制造和复杂的机电集成，这使得它们对于某些应用是不可行的或不切实际的。

在可变焦距透镜领域中，现有方法包括具有柔性薄膜壁的圆柱形囊，该囊填充有透明光学流体。透镜的形状(并且因此焦距)通过将流体从外部流体供应源泵入和泵出透镜而改变，这导致一个或多个薄膜壁的偏移。一些可商购的示例具有手动调整的液体填充眼镜，其能够在-6到+3屈光度之间调整镜片度数。这种镜片的主要问题是致动机构的尺寸和重量，这对于许多眼镜应用来说是不切实际的。

其他几种致动方法已经尝试过改变镜头的焦距，并取得了不同程度的成功，包括使用外部马达、静电力、电泳运动以及最新的压电技术。市售的最大光圈连续可调可变焦液体镜头是由Optotune制造的，其具有20毫米的透明光圈，而最大的电可调谐液体镜头具有10毫米的光圈。然而，这些镜片都没有足够的光圈用于商业用途的眼镜。更大孔径的流体系统已经实现了，但如果不仔细考虑透镜液体在外部流体供给室中的存储，它们对于轻量化应用是不实用的。实现对眼镜很好地起作用的轻质可调焦距镜头仍然是一个尚未解决的问题。

发明内容

本公开阐述了一种张力驱动致动器，其包括支撑结构和第一弹性隔膜，该支撑结构由至少部分限定流体腔室的外围有界壁形成，该第一弹性隔膜在张力下附接到支撑结构并用支撑结构封闭流体腔室。流体被设置在流体腔室中，并且张力修改器结构附接到第一弹性隔膜，使得该结构与第一弹性隔膜处于张力下。响应于对张力修改器结构施加电场，该结构从隔膜张紧位置转变到隔膜松弛位置，使得该结构在尺寸上变形并收缩，从而减小第一弹性隔膜的张力，使得流体压力引起第一弹性隔膜的一部分的偏移。

在一个示例中，张力驱动致动器包括围绕支撑结构被支撑的封闭部分，并且该封闭部分进一步封闭流体腔室。封闭部分可以包括耦合到支撑结构或形成为支撑结构的一部分的刚性支撑结构。可替代地，封闭部分可以包括第二弹性隔膜。