DE102008006964A1 - Door system for e.g. vehicle, has spring of shape memory alloy or polymer which biases door to open position relative to structural member e.g. vehicle body, when door is in its closed position - Google Patents
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Abstract
Description
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 60/863478, eingereicht am 30. Oktober 2006, und der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 60/887690, eingereicht am 1. Februar 2007, welche hiermit beide in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin miteingeschlossen sind.These The application claims the benefit of the U.S. provisional patent application No. 60/863478, filed Oct. 30, 2006, and U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 887,690, filed February 1, 2007, both hereby in their entirety are incorporated herein by reference.
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Diese Erfindung betrifft Türsysteme mit Federn, um eine Tür selektiv in ihre offene oder geschlossene Stellung zu drücken.These The invention relates to door systems with springs to a door to selectively push into its open or closed position.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Ein typisches Kraftfahrzeug umfasst eine Fahrzeugkarosserie, die einen Fahrgastraum definiert. Türen sind selektiv zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung beweglich, um jeweils den Zugang (Einstieg und Ausstieg) zu dem Fahrgastraum zu erlauben bzw. den Zugang zu dem Fahrgastraum zu versperren, wie für den Fachmann verständlich ist. Eine Verriegelung wird typischerweise dazu verwendet, eine Tür in ihrer geschlossenen Stellung zu halten. Um eine Tür zu öffnen, muss ein Benutzer an einem Türgriff ziehen, um die Verriegelung zu lösen und die Tür manuell in die offene Stellung zu bewegen.One typical motor vehicle comprises a vehicle body, the one Passenger space defined. doors are selectively between an open and a closed position movable to each access (entry and exit) to the Passenger compartment to allow or access to the passenger compartment block as for understand the expert is. A latch is typically used to Door in their closed position. To open a door, must a user at a door handle pull to release the latch and the door manually move to the open position.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Ein Türsystem umfasst ein Konstruktionselement und eine Tür, die in Bezug auf das Konstruktionselement beweglich angebracht ist, um zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung bewegt zu werden. Eine Feder ist in Bezug auf das Konstruktionselement oder die Tür angebracht und ist ausreichend positioniert, um die Tür zu ihrer offenen Stellung hin vorzuspannen, wenn die Tür sich in ihrer geschlossenen Stellung befindet. In beispielhaften Ausführungsformen können auf aktivem Material basierende Betätigungselemente die Feder vor dem Schließen der Tür selektiv komprimieren, um den Kraftaufwand für das Schließen der Tür zu minimieren.One door system includes a structural element and a door that is relative to the structural element movably mounted to between an open position and to be moved in a closed position. A spring is in Reference to the structural element or the door attached and is sufficient positioned to the door to bias to their open position when the door is in their closed position. In exemplary embodiments can Actuators based on active material precede the spring the closing the door to selectively compress the force required to close the close the door minimize.
Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich mit größerer Deutlichkeit aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der besten Umsetzungsarten der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.The The above features and advantages as well as other features and advantages The present invention is more clearly understood from the following, detailed description of the best modes of implementation the invention in conjunction with the accompanying drawings.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
In
Die
Aufhaltverbindung
Ein
Anschlag
Eine Formgedächtnislegierung zeichnet sich durch einen kalten Zustand aus, der gegeben ist, wenn die Temperatur der Legierung unterhalb ihrer Martensitumwandlungs-Endtemperatur Mf liegt. Eine Formgedächtnislegierung zeichnet sich auch durch einen heißen Zustand aus, der gegeben ist, wenn die Temperatur der Legierung oberhalb ihrer Austenitumwandlungs-Endtemperatur Af liegt. Ein von der Legierung gebildeter Gegenstand kann durch eine vorbestimmte Form gekennzeichnet sein. Wenn der Gegenstand im kalten Zustand pseudoplastisch verformt wird, so kann die Dehnung umgekehrt werden, indem der Gegenstand auf eine Temperatur oberhalb der Austenit-Endtemperatur Af erwärmt wird; d. h. eine Erwärmung des Gegenstands auf mehr als seine Af bewirkt, dass der Gegenstand wieder seine vorbestimmte Form annimmt. Auch der Elastizitätsmodul und die Formänderungsfestigkeit einer SMA-Legierung sind im kalten Zustand beträchtlich geringer als im heißen Zustand. Wie es sich für den Fachmann versteht, ist die pseudoplastische Dehnung insofern ähnlich der plastischen Dehnung, als die Dehnung auch nach Wegnahme der Spannung, welche die Dehnung verursacht hat, weiterhin bestehen bleibt. Im Gegensatz zur plastischen Verformung ist die pseudoplastische Verformung jedoch umkehrbar, wenn der Gegenstand auf seinen heißen Zustand erwärmt wird.A shape memory alloy is characterized by a cold state given when the temperature of the alloy is below its martensitic transformation end temperature M f . A shape memory alloy is also characterized by a hot state given when the temperature of the alloy is above its austenite transformation end temperature A f . An article formed by the alloy may be characterized by a predetermined shape. If the article is pseudoplastic deformed in the cold state, the elongation can be reversed by heating the article to a temperature above the austenite end temperature A f ; that is, heating the article to more than its A f causes the article to return to its predetermined shape. Also, the modulus of elasticity and yield strength of an SMA alloy are considerably lower when hot than when hot. As will be understood by those skilled in the art, pseudoplastic elongation is similar to plastic strain in that elongation persists even after removal of the strain which has caused the strain. However, in contrast to plastic deformation, the pseudoplastic deformation is reversible when the article is heated to its hot state.
Der
SMA-Draht
Im
Spezielleren drückt,
wenn der SMA-Draht
In
Der
SMA-Draht
Das
Erwärmen
des SMA-Drahtes
Auf
aktivem Material basierende Betätigungselemente
können
auch zum Schließen
von Türen
verwendet werden. Wenn beispielsweise der SMA-Draht
Es
sei erwähnt,
dass auch andere Betätigungselemente
verwendet werden können.
So kann beispielsweise ein Elektromotor mit dem Ritzel
In
Die
Viertel-Rillenscheibe
Die
Rillenscheibe
Der
SMA-Draht
Das
Erwärmen
des SMA-Drahtes
Die Erwärmung eines SMA-Drahtes erfolgt vorzugsweise durch elektrische Widerstandsheizung, d. h. durch Führen von Strom durch den SMA-Draht, um ihn in Ansprechen auf ein Türöffnungssignal, z. B. eine Funkübertragung von einem Schlüsselanhänger, auf seinen heißen Zustand zu erwärmen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Funkempfänger (nicht gezeigt) derart ausgelegt, dass er ein Signal an einen Controller (nicht gezeigt) überträgt, wenn der Funkempfänger eine Signalübertragung von einem Schlüsselanhänger empfängt. Der Controller ist entsprechend konfiguriert, um in Ansprechen auf das Signal für eine vorbestimmte Zeitspanne oder bis zum Eintreten einer vorbestimmten Veränderung bei der Länge (Längenänderung) eine elektrische Widerstandsheizung des SMA-Drahtes zu bewirken, und zu bewirken, dass eine elektrisch betätigte Verriegelung (nicht gezeigt), die mit der Tür verbunden ist, einen Schließbügel (nicht gezeigt) löst, der mit der Fahrzeugkarosserie verbunden ist. Sensoren (nicht gezeigt) wie beispielsweise Näherungssensoren können derart konfiguriert sein, dass sie die Nähe von Gegenständen zu der Tür überwachen und die Nähe von Gegenständen zu der Tür an den Controller übermitteln, so dass der Controller den Betrag der Türöffnung verändern kann, um einen Kontakt zwischen der Tür und dem Gegenstand zu vermeiden. Sensoren können auch derart konfiguriert sein, dass sie den Öffnungswinkel der Tür und den Zustand des Türöffnungs-Betätigungselements überwachen und den Öffnungswinkel der Tür und den Zustand des Türöffnungs-Betätigungselements an den Controller übermitteln. Der Controller kann beispielsweise auch so programmiert sein, dass er für den Fall, dass sich die Tür von selbst schließen sollte, z. B. wenn die Fahrzeugkarosserie sich in geneigtem Zustand befindet, den Draht erneut erwärmt. Es kann auch wünschenswert sein, Arretierstellungen eines Türanschlags hinzuzufügen bzw. zu verändern, um die Türöffnungs-Betätigungselemente anzupassen oder eine reibungskontinuierliche Arretierung zu schaffen. Es können voreingestellte/programmierbare Anschläge (Türöffnungswinkel) verwendet werden. Sensoren können auch dazu verwen det werden, die Geschwindigkeit und Nähe von Gegenständen zu überwachen, die auf die Tür auftreffen können.The heating of an SMA wire is preferably done by electrical resistance heating, ie by passing current through the SMA wire to make it in response to a door opening signal, e.g. B. a radio transmission from a key fob to heat to its hot state. In an exemplary embodiment, a radio receiver (not shown) is configured to transmit a signal to a controller (not shown) when the radio receiver receives signal transmission from a key fob. The controller is configured to cause electrical resistance heating of the SMA wire in response to the signal for a predetermined period of time or until a predetermined change in length (change in length) occurs, and to cause an electrically actuated latch (not shown), which is connected to the door, a striker (not shown) which is connected to the vehicle body. Sensors (not shown) such as proximity sensors may be configured to monitor the proximity of objects to the door and communicate the proximity of objects to the door to the controller so that the controller may alter the amount of door opening to make contact between the door and the object to avoid. Sensors may also be configured to monitor the opening angle of the door and the state of the door opening actuator and to communicate the opening angle of the door and the state of the door opening actuator to the controller. For example, the controller may be programmed to, in the event that the door should close by itself, e.g. B. when the vehicle body is in an inclined state, the wire reheated. It may also be desirable to add locking positions of a door stop to adjust the door opening actuators or to provide a friction-locked detent. Pre-set / programmable stops (door opening angle) can be used. Sensors can also be used to monitor the speed and proximity of objects that may hit the door.
In
der Klasse der in
In
Der
Stab
Ein
Anschlag
In
Während die
Tür
Während die
Tür
Eine
Feder
Während die
Türanordnung
Das
Segment
In
Die
Aufhaltanordnung
Die
Aufhaltverbindung
Wenn
die Türanordnung
sich in der geschlossenen Stellung befindet, wie in
Die
Erhöhung
Wird
die Aufhaltverbindungsanordnung
In
In
Ein
SMA-Draht
Während des
Betriebs der Türanordnung
In
Ein
SMA-Draht
Der
Draht
Während des
Betriebs der Türanordnung
In
Die
Feder
Der
SMA-Draht
Somit
kann, wenn die Türanordnung
In
Die
Feder
Der
SMA-Draht
Das
Rillenscheibenelement
Somit
kann, wenn die Türanordnung
Die
Türanordnung
Das
Ausklinkelement
In
Das
Türöffnungs-Betätigungselement
Der
SMA-Draht
Eine
Sperrklinke
Die
Sperrklinke
In
Wenn
eine Aufhaltverbindung mit den Türanordnungen
aus
In
Die
Anordnung
Eine
Rillenscheibe
Demgemäß wird durch
das Erwärmen
des Drahtes
In
Der
Draht
Somit
tritt, nachdem der Draht
Demgemäß kann der
Draht
In
einer anderen Ausführungsform
(nicht gezeigt) kann auch eine ganze oder teilweise Rillenscheibe
den teilweisen oder ganzen Hebel
In
noch einer weiteren, alternativen Ausführungsform kommt ein zwischen
zwei Zuständen schaltbarer
Verriegelungs-/Ausklink-Mechanismus (nicht gezeigt) ähnlich jenem,
wie er in gewissen Kugelschreibern mit einziehbarer Mine verwendet
wird, zum Einsatz, so dass bei einmaligem Betätigen des SMA-Drahtes
Die
Sperrklinke
In
Der
Arm
In
einer alternativen Ausführungsform
ist der Nocken
In
In
Während sich
das Element
Die
Verriegelung
Es kann wünschenswert sein, dass ein SMA-Draht mit Elementen wie Tür-Innenblechen, usw. über eine Feder in Wirkverbindung steht, so dass die Feder die Kraft des SMA-Drahtes anpassen kann, wenn dieser wieder seine vorbestimmte Form annimmt, für den Fall, dass ein Gegenstand das Öffnen der Tür blockiert.It may be desirable be that an SMA wire with items like door inner panels, etc. over one Spring is operatively connected so that the spring is the force of the SMA wire can adapt when it returns to its predetermined shape, for the Case that an object is opening the door blocked.
Die hier abgebildeten Ausführungsformen stehen mit einer Fahrzeugtür, d. h. mit einem Verschluss in Zusammenhang. Es sei jedoch angemerkt, dass innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung jedes beliebige Türsystem verwendet werden kann. Beispielsweise kann es sich innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung bei einer "Tür" um jeden beliebigen Verschluss bzw. jede beliebige Schwenkplatte handeln, wie etwa um eine Tür für ein Röst-Backrohr, eine Tür für ein Sportfahrzeug, eine Tür für einen Küchenschrank, eine Fahrzeug-Motorhaube, einen Kofferraumdeckel, eine Heckklappe, eine hintere Bordwand, eine Abdeckung, eine Tür in einem Wohn- oder Bürogebäude, usw. In ähnlicher Weise kann es sich bei einem "Konstruktionselement" innerhalb des Umfangs der Erfindung beispielsweise um eine Fahrzeugkarosserie oder ein Bauteil davon, wie etwa eine Scharniersäule, einen Schwinghebel usw., einen Türrahmen oder eine Wand eines Gebäudes, eine Struktur, die einen Küchenkasten definiert, das Gehäuse eines Toast-Röstofens usw. handeln.The Here are shown embodiments with a vehicle door, d. H. related to a closure. It should be noted, however, that within the scope of the claimed invention, any door system can be used. For example, it may be within the Scope of the claimed invention in a "door" to any acting closure or any swivel plate, such as to a door for a roasting oven, a door for a Sports vehicle, a door for one Kitchen cabinet, a vehicle bonnet, a trunk lid, a tailgate, a rear side wall, a cover, a door in a residential or office building, etc. In similar This may be a "design element" within the scope the invention for example, a vehicle body or a Component thereof, such as a hinge pillar, a rocker arm, etc., a door frame or a wall of a building, a structure that has a kitchen box defines the housing a toast roasting oven etc. act.
Im Folgenden wird eine Anzahl beispielhafter Ausführungsformen von auf aktiven Materialien basierenden Türöffnungs-Betätigungsanordnungen beschrieben. Die hier beschriebenen auf aktivem Material basierenden Betätigungsanordnungen verwenden Drähte aus Formgedächtnislegierung. Es können jedoch auch andere aktive Materialien innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung verwendet werden. Es können beispielsweise auch andere Formgedächtnismaterialien verwendet werden. Unter Formgedächtnismaterialien, einer Klasse aktiver Materialien, die manchmal auch als intelligente Materialien bezeichnet werden, sind Materialien oder Zusammensetzungen zu verstehen, welche die Fähigkeit haben, sich an ihre ursprünglichen Form zu erinnern, die anschließend durch Anwenden oder Aussetzen eines äußeren Reizes (d. h. eines Aktivierungssignals) wieder aufgerufen werden kann. Die Verformung eines Formgedächtnismaterials in Bezug auf seinen ursprünglichen Zustand kann somit einen vorübergehenden Zustand darstellen.In the following, a number of exemplary embodiments of active material based door opening actuation arrangements will be described. The active material based actuator assemblies described herein use shape memory alloy wires. However, other active materials may also be used within the scope of the claimed invention. For example, other shape memory materials may also be used. By shape-memory materials, a class of active materials, sometimes referred to as smart materials, is meant materials or compositions that have the ability to remember their original shape, which is subsequently enhanced by applying or exposing an external stimulus (ie, an activity signal) can be called again. The deformation of a shape memory material with respect to its original state can thus represent a temporary state.
Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen Formgedächtnislegierungen (SMAs), elektrochemisch aktive Polymere (EAPs) wie beispielsweise dielektrische Elastomere, piezoelektrische Polymere und Formgedächtnispolymere (SMPs), magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMAs), Formgedächtniskeramiken (SMCs), Baroplaste, piezoelektrische Keramiken, magnetorheologische Elastomere (MR-Elastomere), ebenso Verbundstoffe aus den vorerwähnten Formgedächtnismaterialien mit Nicht-Formgedächtnismaterialien, sowie Kombinationen, die zumindest eines der vorerwähnten Formgedächtnismaterialien umfassen. Die EAPs, Piezokeramiken, Baroplaste und dergleichen können auf ähnliche Weise verwendet werden, wie die hier beschriebenen Formgedächtnislegierungen, wie für den Fachmann in Hinsicht auf diese Offenbarung leicht festzustellen ist.exemplary Shape memory materials include Shape Memory Alloys (SMAs), electrochemically active polymers (EAPs) such as dielectric elastomers, piezoelectric polymers and shape memory polymers (SMPs), magnetic shape memory alloys (MSMAs), shape memory ceramics (SMCs), baroplasts, piezoelectric ceramics, magnetorheological elastomers (MR elastomers), as well as composites of the aforementioned shape memory materials with Non-shape memory materials, and combinations comprising at least one of the aforementioned shape memory materials include. The EAPs, piezoceramics, baroplasts and the like can be similar Be used as the shape memory alloys described herein, as for the easy to establish expert with regard to this disclosure is.
In der vorliegenden Erfindung umfassen die meisten Ausführungsformen Formgedächtnisdrähte; es können jedoch Formgedächtnismaterialien und andere aktive Materialien innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung auch in einer Vielzahl anderer Formen verwendet werden, beispielsweise als Streifen, Bahnen, Platten, Schaum-, Zellen- und Gitterstrukturen, helixförmige oder rohrförmige Federn, umflochtene Kabel, Rohre, oder es können Kombinationen umfassend zumindest eine der vorerwähnten Formen auf ähnliche Weise verwendet werden, wie für den Fachmann in Hinsicht auf diese Offenbarung festzustellen ist.In of the present invention include most embodiments Shape memory wires; it can however, shape memory materials and other active materials within the scope of the claimed claims Invention can also be used in a variety of other forms, For example, as strips, webs, plates, foam, cell and Lattice structures, helical or tubular Springs, braided cables, pipes, or combinations thereof may be included at least one of the aforementioned forms to similar ones Be used as for the person skilled in the art with respect to this disclosure is determined.
Geeignete Formgedächtnislegierungen können einen Einweg-Formgedächtniseffekt, einen materialeigenen Zweiweg-Effekt oder einen äußeren Zweiweg-Formgedächtniseffekt aufweisen, und zwar abhängig von der Legierungszusammensetzung und dem bisherigen Verarbeitungsverlauf derselben. Die beiden Phasen, die bei Formgedächtnislegierungen auftreten, werden häufig als Martensitphase und Austenitphase bezeichnet. Die Martensitphase ist eine relativ weiche und leicht verformbare Phase der Formgedächtnislegierungen, die im Allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen gegeben ist. Die Austenitphase, die stärkere Phase von Formgedächtnislegierungen, tritt bei höheren Temperaturen auf. Formgedächtnismaterialien, die aus Formgedächtnislegierungszusammensetzungen gebildet sind, welche Einweg-Formgedächtniseffekte aufweisen, bilden sich nicht automatisch zurück und bedürfen, je nach Formgedächtnismaterialentwurf, häufig einer externen mechanischen Kraft, um ihre ursprüngliche Formausrichtung zurückzuerhalten. Formgedächtnismaterialien, die einen materialeigenen Formgedächtniseffekt aufweisen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung gefertigt, die automatisch wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren.suitable Shape Memory Alloys can a disposable shape memory effect, a material's own two-way effect or an outer two-way shape memory effect have, depending from the alloy composition and the past processing history the same. The two phases that occur with shape memory alloys, become common referred to as martensite phase and austenite phase. The martensite phase is a relatively soft and easily deformable phase of the shape memory alloys, which is generally given at lower temperatures. The Austenite phase, the stronger Phase of shape memory alloys, occurs at higher Temperatures up. Shape memory materials, those of shape memory alloy compositions are formed, which have one-way shape memory effects form not automatically back and require, depending on the shape memory material design, often an external mechanical force to recover their original shape alignment. Shape memory materials, which have a material's own shape memory effect, are from a shape memory alloy composition manufactured, which automatically return to their original shape.
Die Temperatur, bei welcher die Formgedächtnislegierung bei der Erwärmung wieder zu ihrer Hochtemperaturform zurückfindet, kann durch geringfügige Änderungen bei der Legierungszusammensetzung und durch Wärmebehandlung angepasst werden. Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie beispielsweise von ungefähr 100°C auf unter ungefähr –100°C verändert werden. Der Formrückbildungsprozess tritt über einen Bereich von einigen Graden auf und Beginn bzw. Ende der Umwandlung können je nach gewünschter Anwendung und Legierungszusammensetzung auf wenige Grade genau gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung können sich über den Temperaturbereich hinweg, in dem sich ihre Umwandlung vollzieht, stark verändern, wodurch typischerweise dem Formgedächtnismaterial Formgedächtniseffekte sowie eine hohe Dämpfungsfähigkeit verliehen werden. Die materialeigene, hohe Dämpfungsfähigkeit der Formgedächtnislegierungen kann dazu verwendet werden, deren energieabsorbierende Eigenschaften weiter zu erhöhen.The Temperature at which the shape memory alloy during heating again returns to its high-temperature form, May be due to minor changes be adapted in the alloy composition and by heat treatment. For nickel-titanium shape memory alloys For example, it may be changed from about 100 ° C to less than about -100 ° C. The shape recovery process occurs over a range of a few degrees and the beginning or end of the conversion can depending on the desired Application and alloy composition controlled to a few degrees become. The mechanical properties of the shape memory alloy can talk about the Temperature range in which their transformation takes place, change a lot, typically causing the shape memory material shape memory effects as well as a high damping capacity be lent. The material's own, high damping ability of the shape memory alloys can be used to their energy absorbing properties continue to increase.
Als geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien sind, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, Nickel-Titanlegierungen, Indium-Titanlegierungen, Nickel-Aluminiumlegierungen, Nickel-Galliumlegierungen, Kupferlegierungen (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Gold-Cadmiumlegierungen, Silber-Cadmiumlegierungen, Indium-Cadmiumlegierungen, Mangan-Kupferlegierungen, Eisen-Platinlegierungen, Eisen-Palladiumlegierungen und dergleichen zu nennen. Bei den Legierungen kann es sich um binäre, ternäre Legierungen oder um Legierungen höherer Ordnung handeln, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt, d. h. eine Ver änderung in der Formausrichtung, der Dämpfungsfähigkeit und dergleichen, aufweist.When suitable shape memory alloy materials are, without any claim to completeness, nickel-titanium alloys, Indium-titanium alloys, nickel-aluminum alloys, nickel-gallium alloys, Copper alloys (eg copper-zinc alloys, copper-aluminum alloys, Copper-gold and Copper-tin alloys), gold cadmium alloys, silver cadmium alloys, Indium-cadmium alloys, manganese-copper alloys, iron-platinum alloys, Iron-palladium alloys and the like. In the alloys can it's binary, ternary Alloys or alloys of higher order, as long as the alloy composition has a shape memory effect, d. H. a change in the mold alignment, the damping ability and the like.
Als weitere geeignete aktive Materialien sind Formgedächtnispolymere zu nennen. Im Verhalten einer Formgedächtnislegierung ähnlich, erfährt auch das Formgedächtnispolymer eine Veränderung in der Formausrichtung, wenn eine Temperaturerhöhung eintritt, die sich über seinen Übergangstemperaturbereich hinweg erstreckt. Im Unterschied zu den SMAs führt hier das Erhöhen der Temperatur über seine Übergangstemperatur hinweg zu einem bedeutenden Abfall des Moduls. Während SMAs sich besser für Betätigungselemente eignen, sind SMPs besser als "Umkehr"-Betätigungselemente geeignet. Insofern als nämlich beim Erwärmen des SMP über dessen Übergangstemperatur hinaus ein bedeutender Abfall des Moduls erfolgt, kann es dabei zu einer Freisetzung von gespeicherter Energie kommen, die von dem SMP in dessen Form mit niedriger Temperatur und hohem Modul blockiert ist. Um die permanente Form des Formgedächtnispolymers festzulegen, muss das Polymer sich ungefähr auf oder über dem Tg oder Schmelzpunkt des harten Segments des Polymers befinden. "Segment" bezieht sich auf einen Polymerblock bzw. eine Polymersequenz, der/die einen Bestandteil des Formgedächtnispolymers bildet. Die Ausbildung der Formgedächtnispolymere erfolgt bei der Temperatur mit einer aufgewendeten Kraft, gefolgt von einem Abkühlen, um die permanente Form festzulegen. Die Temperatur, die erforderlich ist, um die permanente Form festzulegen, liegt vorzugsweise bei 100°C bis 300°C. Das Festlegen der temporären Form des Formgedächtnispolymers macht es erforderlich, dass das Formgedächtnispolymermaterial auf eine Temperatur gebracht wird, die dem Tg bzw. der Übergangstemperatur des weichen Segments entspricht oder darüber liegt, die jedoch unterhalb des Tg bzw. des Schmelzpunktes des harten Segments liegt. Bei der Übergangstemperatur des weichen Segments (auch "erste Übergangstemperatur" ge nannt) wird die temporäre Form des Formgedächtnispolymers festgelegt, worauf ein Abkühlen des Formgedächtnispolymers folgt, um die temporäre Form einzuschließen. Die temporäre Form wird beibehalten, solange es unterhalb der Übergangstemperatur des weichen Segments bleibt. Die permanente Form wird wiedererlangt, wenn die Formgedächtnispolymerfasern erneut auf die bzw. über die Übergangstemperatur des weichen Segments hinaus erwärmt werden. Durch Wiederholen der Schritte des Erwärmens, des Formens und des Abkühlens kann erneut die temporäre Form herbeigeführt werden. Die Übergangstemperatur des weichen Segments für eine bestimmte Anwendung kann durch Modifizieren der Struktur und der Zusammensetzung des Polymers gewählt werden. Die Übergangstemperaturen des weichen Segments variieren in einem Bereich von ungefähr –63°C bis ungefähr 120°C.Other suitable active materials are shape memory polymers. Similar to the behavior of a shape memory alloy, the shape memory polymer also undergoes a change in shape alignment as a temperature increase occurs that extends beyond its transition temperature range. Unlike the SMAs, raising the temperature above its transition temperature leads to a significant drop in the modulus. While SMAs are better for actuators, SMPs are better suited as "reverse" actuators. Insofar as when the heating of the SMP over its transition temperature addition mean If the drop in the module occurs, there may be a release of stored energy blocked by the SMP in its low temperature, high modulus form. To establish the permanent shape of the shape memory polymer, the polymer must be approximately at or above the Tg or melting point of the hard segment of the polymer. "Segment" refers to a polymer block or sequence that forms part of the shape memory polymer. The formation of the shape memory polymers is carried out at the temperature with an applied force, followed by cooling to set the permanent shape. The temperature required to set the permanent shape is preferably 100 ° C to 300 ° C. Setting the temporary shape of the shape memory polymer requires that the shape memory polymer material be brought to a temperature that is equal to or above the Tg or transition temperature of the soft segment, but below the Tg or melting point of the hard segment. At the transition temperature of the soft segment (also called "first transition temperature"), the temporary shape of the shape memory polymer is determined, followed by cooling of the shape memory polymer to enclose the temporary shape. The temporary shape is maintained as long as it remains below the transition temperature of the soft segment. The permanent shape is regained when the shape memory polymer fibers are reheated to above the transition temperature of the soft segment. By repeating the steps of heating, molding and cooling, the temporary shape can be re-established. The transition temperature of the soft segment for a particular application can be selected by modifying the structure and composition of the polymer. The transition temperatures of the soft segment vary in a range of about -63 ° C to about 120 ° C.
Formgedächtnispolymere können mehr als nur zwei Übergangstemperaturen umfassen. Eine Formgedächtnispolymerzusammensetzung, die ein hartes Segment und zwei weiche Segmente umfasst, kann drei Übergangstemperaturen aufweisen: die höchste Übergangstemperatur für das harte Segment und eine Übergangstemperatur für jedes weiche Segment.Shape memory polymers can more than just two transition temperatures include. A shape memory polymer composition, which includes one hard segment and two soft segments can have three transition temperatures have: the highest transition temperature for the hard segment and a transition temperature for each soft segment.
Die meisten Formgedächtnispolymere weisen einen "Einweg"-Effekt auf, wobei das Formgedächtnispolymer eine einzige permanente Form aufweist. Beim Erwärmen des Formgedächtnispolymers auf eine höhere Temperatur als die erste Übergangstemperatur wird die permanente Form erreicht und die Form bildet sich ohne Aufwendung äußerer Kräfte nicht wieder auf die temporäre Form zurück. Als Alternative dazu können bestimmte Formgedächtnispolymerzusammensetzungen so aufbereitet werden, dass sie einen "Zweiweg"-Effekt aufweisen. Diese Systeme bestehen aus zumindest zwei Polymerbestandteilen. Ein Bestandteil könnte zum Beispiel ein erstes vernetztes Polymer sein, während der andere Bestand teil ein anderes vernetztes Polymer ist. Die Bestandteile werden durch Schichttechniken kombiniert oder stellen einander wechselseitig durchdringende Netze dar, wobei zwei Bestandteile vernetzt sind, jedoch nicht miteinander. Durch Verändern der Temperatur verändert das Formgedächtnispolymer seine Form, und zwar in Richtung von der ersten permanenten Form zu der zweiten permanenten Form. Eine jede der permanenten Formen gehört zu einem Bestandteil des Formgedächtnispolymers. Die beiden permanenten Formen befinden sich stets im Gleichgewicht zwischen beiden Formen. Die Temperaturabhängigkeit der Form ist durch die Tatsache bedingt, dass die mechanischen Eigenschaften eines Bestandteils ("Bestandteil A") nahezu unabhängig von der Temperatur innerhalb des relevanten Temperaturintervalls sind. Die mechanischen Eigenschaften des anderen Bestandteils ("Bestandteil B") sind temperaturabhängig. In einer Ausführungsform wird der Bestandteil B bei niedrigen Temperaturen im Vergleich zu dem Bestandteil A stärker, während der Bestandteil A bei hohen Temperaturen stärker ist und die tatsächliche Form bestimmt. Eine Zweiweg-Gedächtnisvorrichtung kann aufbereitet werden, indem die permanente Form des Bestandteils A festgelegt wird ("erste permanente Form"); die Vorrichtung in die permanente Form des Bestandteils B (zweite permanent Form") gebracht wird und die permanente Form des Bestandteils B fixiert wird, während eine Spannung auf den Bestandteil ausgeübt wird.The most shape memory polymers have a "one-way" effect, wherein the shape memory polymer has a single permanent shape. Upon heating of the shape memory polymer a higher one Temperature as the first transition temperature the permanent shape is achieved and the shape forms without Expenditure of external forces is not back to the temporary Shape back. As an alternative, you can certain shape memory polymer compositions be prepared so that they have a "two-way" effect. These systems exist from at least two polymer components. An ingredient could be for Example, a first cross-linked polymer, while the other constituent part another crosslinked polymer. The ingredients are going through Layering techniques combine or contrast each other penetrating networks, with two components being networked, but not with each other. Changing the temperature changes that Shape memory polymer his Form, in the direction of the first permanent shape to the second permanent form. Each of the permanent forms belongs to one component of the shape memory polymer. The two permanent forms are always in balance between both forms. The temperature dependence of the shape is through the fact requires that the mechanical properties of a component ("Component A") almost independent of of the temperature within the relevant temperature interval. The mechanical properties of the other ingredient ("ingredient B") are temperature dependent. In an embodiment Component B is at low temperatures compared to the component A stronger, while component A is stronger at high temperatures and the actual Shape determined. A two-way memory device Can be recycled by adding the permanent form of the ingredient A is set ("first permanent form "); the device in the permanent form of the component B (second permanent form ") is brought and the permanent form of the component B fixed will, while a tension is exerted on the component.
Ähnlich den Formgedächtnislegierungen können auch die Formgedächtnispolymere in zahlreichen verschiedenen Formen und Gestalten ausgelegt sein. Die für die Wiedererlangung der permanenten Form nötige Temperatur kann auf jede beliebige Temperatur zwischen ungefähr –63°C und ungefähr 120°C oder darüber festgelegt werden. Bereits beim Entwurf der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Auswahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung berück sichtigt werden. Eine bevorzugte Temperatur für die Formrückbildung liegt bei größer oder gleich ungefähr –30°C, mehr bevorzugt bei größer oder gleich ungefähr 0°C, und am meisten bevorzugt bei größer oder gleich ungefähr 50°C. Weiterhin liegt eine bevorzugte Temperatur für die Formrückbildung bei kleiner oder gleich ungefähr 120°C, mehr bevorzugt bei kleiner oder gleich 90°C, und am meisten bevorzugt bei kleiner oder gleich ungefähr 70°C.Similar to the Shape memory alloys can also the shape memory polymers be designed in many different shapes and forms. The for The recovery of the permanent form necessary temperature can be applied to each be set any temperature between about -63 ° C and about 120 ° C or above. Already in designing the composition and structure of the polymer itself may consider the selection of a particular temperature for a desired application become. A preferred temperature for the shape recovery is greater or equal to about -30 ° C, more preferably at bigger or about the same 0 ° C, and most preferably greater or about the same 50 ° C. Farther is a preferred temperature for the shape recovery at less or about the same 120 ° C, more preferably at less than or equal to 90 ° C, and most preferred at less than or equal to about 70 ° C.
Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, Duroplaste, interpenetrierende Netzwerke, semi-interpenetrierende Netzwerke, oder gemischte Netzwerke. Bei dem Polymer kann es sich um ein einzelnes Polymer oder um eine Mischung von Polymeren handeln. Bei den Polymeren kann es sich um lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen handeln. Geeignete Polymerbestandteile zur Bildung eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Poly(Aminosäure)n, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalide, Polyester, Polylactide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und deren Copolymere. Beispiele für geeignete Polyacrylate sind Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele für weitere geeignete Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Poly(ethylenoxid)-poly(ethylenterephthalat), Polylethylen/Nylon(Pfropfpolymer), Polycaprolactone-Polyamid(Block-Copolymer), Poly caprolactondimethacrylat-n-butylacrylat, polyhedrales, oligomeres Polynorbornylsilsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Block-Copolymere, Styrol-Butadienstyrol-Copolymere und dergleichen.Suitable shape memory polymers include thermoplastics, thermosets, interpenetrating Networks, semi-interpenetrating networks, or mixed networks. The polymer may be a single polymer or a mixture of polymers. The polymers may be linear or branched thermoplastic elastomers having side chains or dendritic structural elements. Suitable polymer constituents for forming a shape memory polymer include, but are not limited to, polyphosphazenes, polyvinyl alcohols, polyamides, polyesteramides, poly (amino acids), polyanhydrides, polycarbonates, polyacrylates, polyalkylenes, polyacrylamides, polyalkylene glycols, polyalkylene oxides, polyalkylene terephthalates, polyorthoesters, polyvinyl ethers, polyvinyl esters, Polyvinyl halides, polyesters, polylactides, polyglycolides, polysiloxanes, polyurethanes, polyethers, polyetheramides, polyetheresters and their copolymers. Examples of suitable polyacrylates are polymethylmethacrylate, polyethylmethacrylate, polybutylmethacrylate, polyisobutylmethacrylate, polyhexylmethacrylate, polyisodecylmethacrylate, polylaurylmethacrylate, polyphenylmethacrylate, polymethylacrylate, polyisopropylacrylate, polyisobutylacrylate and polyoctadecylacrylate. Examples of other suitable polymers include polystyrene, polypropylene, polyvinylphenol, polyvinyl pyrrolidone, chlorinated polybutylene, polyoctadecyl vinyl ether, ethylene vinyl acetate, polyethylene, poly (ethylene oxide) -poly (ethylene terephthalate), polylethylene / nylon (graft polymer), polycaprolactone polyamide (block copolymer), poly caprolactone dimethacrylate n-butyl acrylate, polyhedral, oligomeric polynorbornylsilsequioxane, polyvinyl chloride, urethane / butadiene copolymers, polyurethane block copolymers, styrene-butadiene styrene copolymers, and the like.
Das Formgedächtnispolymer bzw. die Formgedächtnislegierung kann durch jedes beliebige geeignete Mittel aktiviert werden, vorzugsweise durch ein Mittel, durch welches das Material einer Temperaturveränderung nach oben oder nach unten über eine Übergangstemperatur hinweg unterworfen wird. Zur Temperaturerhöhung kann eine Wärmezufuhr unter Verwendung von heißem Gas (z. B. Luft), Dampf, heißer Flüssigkeit oder elektrischem Strom erfolgen. Das Aktivierungsmittel kann beispielsweise in Form einer Wärmeleitung durch ein mit dem Formgedächtnismaterial in Kontakt befindliches, erwärmtes Element, durch Wärmekonvektion aus einer erwärmten Leitung in der Nähe des thermisch aktiven Formgedächtnismaterials, ein Heißluftgebläse bzw. eine Heißluftdüse, durch Mikrowelleninteraktion, Widerstandsheizung und dergleichen vorliegen. Im Fall einer Temperaturverringerung kann eine Wärmeabfuhr durch den Einsatz von kaltem Gas, oder durch Verdampfen eines Kühlmittels erfolgen. Das Aktivierungsmittel kann beispielsweise in Form eines Kühlraums oder -gehäuses vorliegen, wobei eine Kühlsonde eine gekühlte Spitze, ein Steuersignal für eine thermoelektrische Einheit, ein Kaltluftgebläse bzw. eine Kaltluftdüse oder ein Mittel aufweist, um Kühlmittel (wie beispielsweise flüssigen Stickstoff) zumindest in die Nähe des Formgedächtnismaterials zu führen.The Shape memory polymer or the shape memory alloy can be activated by any suitable means, preferably by a means by which the material of a temperature change up or down over a transition temperature is subjected to. To increase the temperature, a heat supply using hot Gas (eg air), steam, hotter liquid or electric power. The activating agent may be, for example in the form of a heat pipe through with the shape memory material in contact, heated Element, by convection from a heated pipe near the thermally active shape memory material, a hot air blower or a hot air nozzle, through Microwave interaction, resistance heating and the like. In the case of a temperature reduction, heat dissipation through the insert of cold gas, or by evaporation of a coolant. The activating agent may be in the form of a cold room or housing, for example, being a cooling probe a chilled one Tip, a control signal for a thermoelectric unit, a cold air blower or a cold air nozzle or having means to coolant (such as liquid Nitrogen) at least in the vicinity of the shape memory material respectively.
Geeignete magnetische Materialien umfassen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, Weich- oder Hartmagnete; Hämatit; Magnetit; magnetisches Material auf der Grundlage von Eisen, Nickel und Cobalt, Legierungen aus diesen oder Kombinationen, die zumindest eines von diesen umfassen, und dergleichen zu nennen. Legierungen aus Eisen, Nickel und/oder Cobalt können Aluminium, Silicon, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molybden, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen.suitable magnetic materials include, but are not limited to, Soft or hard magnets; hematite; magnetite; Magnetic material based on iron, nickel and cobalt, alloys of these or combinations that at least to include one of these, and the like. alloys Of iron, nickel and / or cobalt, aluminum, silicon, cobalt, nickel, Vanadium, molybdenum, chromium, tungsten, manganese and / or copper.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, eine elastische, polymere Matrix zu nennen, die eine Suspension aus ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln umfasst, wobei die Partikel weiter oben beschrieben sind. Als geeignete polymere Matrices sind, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, Poly-alpha-olefine, Naturkautschuk, Silicon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.suitable MR elastomeric materials include, but are not limited to, to call an elastic, polymeric matrix, which is a suspension ferromagnetic or paramagnetic particles, wherein the particles are described above. As suitable polymers Matrices are, without being exhaustive, poly-alpha-olefins, Natural rubber, silicone, polybutadiene, polyethylene, polyisoprene and the same.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften an den Tag legen. Die Materialien verwenden im Allgemeinen nachgiebige Elektroden, die es Polymerschichten ermöglichen, sich in Ansprechen auf angelegte elektrische Felder oder aufgewendete mechanische Belastungen jeweils in der gleichen Ebene auszudehnen bzw. zusammenzuziehen. Ein Beispiel dafür ist ein elektrostriktives Propfelastomer mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluoretyhlen-Copolymer. Diese Kombination hat die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrisch-elektrostriktiven, molekularen Verbundsystemen zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder sogar als elektrostriktives Betätigungselement betrieben werden. Bei der Aktivierung eines EAP-basierten Dämpfungsglieds wird ein elektrisches Signal verwendet, um eine Veränderung in der Formausrichtung zu bewirken, die ausreichend ist, um eine Längenänderung herbeizuführen. Durch die Umkehrung der Polarität der an das EAP angelegten Spannung kann ein umkehrbarer Schließmechanismus geschaffen werden.Electroactive Polymers include those polymeric materials that are responsive electrical or mechanical fields piezoelectric, pyroelectric Laying, or electrostrictive properties in the day. The materials generally use yielding electrodes, which make it polymer layers enable, in response to applied electric fields or applied to extend mechanical loads in each case in the same plane or contract. An example of this is an electrostrictive one Probstastomer with a piezoelectric polyvinylidene fluoride-trifluoretyhlen copolymer. This combination has the ability to one variable amount of ferroelectric-electrostrictive, molecular To produce composite systems. These can be considered a piezoelectric Sensor or even operated as an electrostrictive actuator. When activating an EAP-based attenuator becomes an electric Signal used to make a change to effect in the mold orientation, which is sufficient to one change in length bring about. By reversing the polarity the voltage applied to the EAP can be a reversible closing mechanism be created.
Als zur Verwendung als elektroaktives Polymer geeignete Materialien können unter anderem jedes beliebige, im Wesentlichen isolierende Polymer bzw. jeder Kautschuk (oder Kombinationen daraus) verwendet werden, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung sich in einer Veränderung des elektrischen Feldes auswirkt. Als beispielhafte Materialien, die sich zur Verwendung als vorgedehnte Polymere eignen, sind unter anderem Silicon-Elastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere umfassend PVDF, Haftklebstoffe, Fluorelastomere, Polymere umfassend Silicon- und Akrylanteile, und dergleichen zu nennen. Polymere umfassend Silicon- und Acrylanteile umfassen beispielsweise Copolymere umfassend Silicon- und Acrylanteile, Polymermischungen umfassend ein Siliconelastomer und ein Acrylelastomer.Materials suitable for use as the electroactive polymer may include, but are not limited to, any substantially insulative polymer or rubbers (or combinations thereof) which deform in response to an electrostatic force or whose deformation translates into an electrical change Fields affects. As exemplary materials, the Suitable for use as pre-stretched polymers are, inter alia, silicone elastomers, acrylic elastomers, polyurethanes, thermoplastic elastomers, copolymers comprising PVDF, pressure sensitive adhesives, fluoroelastomers, polymers comprising silicone and acrylic moieties, and the like. Polymers comprising silicone and acrylic moieties include, for example, copolymers comprising silicone and acrylic moieties, polymer blends comprising a silicone elastomer, and an acrylic elastomer.
Materialien, die als elektroaktive Polymere verwendet werden, können auf der Grundlage einer oder mehrerer Eigenschaften, wie beispielsweise einer hohen elektrischen Durchschlagfestigkeit, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (für große und kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt werden. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens ungefähr 100 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen ungefähr 0,05 MPa und ungefähr 10 MPa, und vorzugsweise zwischen ungefähr 0,3 MPa und ungefähr 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen ungefähr 2 und ungefähr 20, und vorzugsweise zwischen ungefähr 2,5 und ungefähr 12 aufweist. Die vorliegende Erfindung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien gleichermaßen eine hohe Dielektrizitätskonstante und eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme gefertigt und realisiert sein. Für diese dünnen Filme geeignete Dicken können bei unter 50 Mikrometer liegen.Materials, which are used as electroactive polymers can on the basis of one or more properties, such as a high dielectric strength, a low Young's modulus (for large and small deformations), a high dielectric constant and the like selected become. In one embodiment is the polymer selected such that it has a modulus of elasticity from at most about 100 MPa has. In another embodiment, the polymer is so selected that there is a maximum actuation pressure between about 0.05 MPa and about 10 MPa, and preferably between about 0.3 MPa and about 3 MPa having. In another embodiment is the polymer selected such that it is a dielectric constant between about 2 and about 20, and preferably between about 2.5 and about 12. The present invention should not be limited to these ranges. Ideally, it would be materials with a higher one Dielectric constant as the above ranges desirable if the materials alike a high dielectric constant and have a high dielectric strength. In many cases, electroactive polymers can be used as a thin one Films made and realized. Suitable thicknesses for these thin films can be less than 50 microns.
Da elektroaktive Polymere sich bei hohen Dehnungen abgelenkt werden können, sollten die an den Polymeren angebrachten Elektroden sich ebenfalls ohne mechanische oder elektrische Leistungseinbußen ablenken lassen. Im Allgemeinen können für den Gebrauch geeignete Elektroden in Bezug auf Form und Material beliebig ausgebildet sein, vorausgesetzt sie sind in der Lage, einem elektroaktiven Polymer eine geeignete Spannung zuzuführen, bzw. von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant oder über die Zeit hinweg variierend sein. In einer Ausführungsform haften die Elektroden auf einer Oberfläche des Polymers. Die auf dem Polymer haftenden Elektroden sind vorzugsweise nachgiebig und passen sich der sich ändernden Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung nachgiebige Elektroden umfassen, die sich der Form eines elektroaktiven Polymers, an welchem sie angebracht sind, anpassen. Die Elektroden können nur auf einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers aufgebracht sein und gemäß ihrer Geometrie einen aktiven Bereich definieren. Für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind verschiedene Arten von Elektroden, unter anderem strukturierte Elektroden umfassend Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden umfassend veränderliche, nichtplanare Dimensionen, leitfähige Fette wie beispielsweise Kohlenstofffette oder Silberfette, Kolloidsuspensionen, leitfähige Materialien mit großem Seitenverhältnis wie beispielsweise Kohlenstofffibrillen und Kohlenstoff-Nanoröhren, sowie Mischungen aus innenleitfähigen Materialien.There electroactive polymers are deflected at high strains can, The electrodes attached to the polymers should also be can be distracted without mechanical or electrical power losses. In general can for the use suitable electrodes in terms of shape and material designed as desired provided they are capable of an electroactive polymer to supply a suitable voltage, or to receive from this a suitable voltage. The voltage can be either constant or over to be varying over time. In one embodiment, the electrodes adhere on a surface of the Polymer. The electrodes adhering to the polymer are preferably compliant and adapt to the changing shape of the polymer at. Accordingly, the present invention can provide compliant electrodes which take the form of an electroactive polymer on which they are appropriate, adapt. The electrodes can only work on one section be applied to an electroactive polymer and according to their Geometry define an active area. For use with the present Suitable for the invention are various types of electrodes, among others other structured electrodes comprising metal tracks and charge distribution layers, textured electrodes comprising variable, non-planar dimensions, conductive Fats such as carbon fats or silver fats, colloidal suspensions, conductive materials with big aspect ratio such as carbon fibrils and carbon nanotubes, as well Mixtures of internal conductive materials.
Die für Elektroden gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendeten Materialien können variieren. Als geeignete, in einer Elektrode verwendete Materialien können unter anderem Graphit, Ruß, Kolloidsuspensionen, dünne Metalle einschließlich Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere, sowie innenleitfähige oder elektronisch leitfähige Polymere genannt werden. Es versteht sich, dass gewisse Elektrodenmaterialien gut mit bestimmten Polymeren funktionieren und unter Umständen nicht so gut mit anderen funktionieren. So funktionieren etwa Kohlenstofffibrillen gut mit Acrylelastomerpolymeren, jedoch nicht so gut mit Siliconpolymeren.The for electrodes according to the present disclosure used materials can vary. As suitable materials used in an electrode can including graphite, soot, Colloidal suspensions, thin Including metals Silver and gold, silver filled and carbon filled gels and polymers, and ionically conductive or electronically conductive Called polymers. It is understood that certain electrode materials work well with certain polymers and may not work work so well with others. This is how carbon fibrils work good with acrylic elastomer polymers, but not so good with silicone polymers.
Das aktive Material kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In gewissen Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material auch als Betätigungselement ausgelegt sein, das einen raschen Einsatz erlaubt. Der hier verwendete Begriff "piezoelektrisch" soll ein Material beschreiben, das sich mechanisch verformt (die Form ändert) wenn ein Spannungspotential daran angelegt wird, oder in umgekehrter Weise eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Beim Einsatz des piezoelektrischen Materials wird ein elektrisches Signal zur Aktivierung verwendet. Nach der Aktivierung kann das piezoelektrische Material eine Längenänderung in dem angeregten Zustand bewirken. Bei Aussetzen des Aktivierungssignals bilden sich die Streifen wieder in ihre ursprüngliche Formausrichtung, z. B. eine gerade Formausrichtung, zurück.The active material may also comprise a piezoelectric material. In certain embodiments the piezoelectric material can also be designed as an actuating element, which allows a quick deployment. As used herein, the term "piezoelectric" is intended to be a material describe that deforms mechanically (the shape changes) when a voltage potential is applied thereto, or in reverse Way an electrical charge is generated when it is mechanically deformed becomes. When using the piezoelectric material is an electric Signal used for activation. After activation, the piezoelectric material a change in length effect in the excited state. Upon suspension of the activation signal the strips form again in their original shape alignment, z. B. a straight shape alignment, back.
Vorzugsweise ist ein piezoelektrisches Material auf Streifen eines flexiblen Metalls oder einer Keramikschicht angeordnet. Die Streifen können unimorph oder bimorph sein. Vorzugsweise sind die Streifen bimorph, da Bimorphe im Allgemeinen eine größere Längenänderung aufweisen als Unimorphe.Preferably is a piezoelectric material on strips of a flexible Metal or a ceramic layer arranged. The stripes can be unimorphic or bimorph. Preferably, the strips are bimorph, since bimorphs generally a greater change in length exhibit as unimorphs.
Bei einer Art von Unimorph handelt es sich um eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen Element besteht, das extern an eine flexible Metallfolie bzw. einen flexiblen Metallstreifen gebunden ist, welche(r) von dem piezoelektrischen Element angeregt wird, wenn dieses mit wechselnder Spannung aktiviert wird, und dies führt zu einer axialen Verbeulung oder Ablenkung, da sie/er der Bewegung des piezoelektrischen Elements Widerstand entgegenbringt. Bei der Bewegung des Betätigungselements für ein Unimorph kann es sich um eine Kontraktion oder eine Expansion handeln. Unimorphe können eine Dehnung von bis zu ungefähr 10% aufweisen, können jedoch im Allgemeinen nur geringe Belastungen relativ zu den allgemeinen Abmessungen der Unimorphstruktur vertragen.One type of unimorph is a structure consisting of a single piezoelectric element externally bonded to a flexible metal foil or strip that is, which is excited by the piezoelectric element when it is activated with alternating voltage, and this leads to axial buckling or deflection, since it resists movement of the piezoelectric element. The movement of the actuator for a Unimorph may be a contraction or an expansion. Unimorphs can have an elongation of up to about 10%, but generally can tolerate only low stresses relative to the general dimensions of the unimorph structure.
Im Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst eine bimorphe Vorrichtung eine flexible Metall-Zwischenfolie, die zwischen zwei piezoelektrischen Elementen angeordnet ist. Bimorphe weisen deswegen eine größere Längenänderung auf, weil bei angelegter Spannung ein keramisches Element sich zusammenzieht, während das andere sich ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen von bis zu ungefähr 20% aufweisen, können jedoch ähnlich den Unimorphen im Allgemeinen keine hohen Belastungen relativ zu den allgemeinen Abmessungen der Unimorphstruktur vertragen.in the Unlike the unimorph piezoelectric device comprises a bimorph device a flexible metal intermediate foil, the is arranged between two piezoelectric elements. bimorphs therefore have a greater change in length because when a voltage is applied, a ceramic element contracts, while the other expands. Bimorphs may have strains of up to about 20%, can however similar the unimorphs in general no high loads relative to tolerated the general dimensions of the unimorph structure.
Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. In Bezug auf organische Materialien kommen alle polymeren Materialien mit nicht-zentralsymmetrischer Struktur und großer/n Dipolmomentgruppe(n) an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als für den piezoelektrischen Film geeignete Materialien in Frage. Beispiele für geeignete Polymere umfassen, ohne Anspruch auf Vollständig keit, Polynatrium 4-styrolsulfonat ("PSS"), Poly S-119 (Polyvinylamin)-Hauptketten Azochromophor) und deren Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid (("PVDF"), dessen Copolymer Vinilydenfluorid ("VDF"), Trifluoroethylen (TrFE) und deren Derivate; Polychlor-Kohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylchlorid ("PVC"), Polyvinylidenchlorid ("PVDC") und deren Derivate; Polyacrylnitrile ("PAN") und deren Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Polymethacrylsäure ("PMA") und deren Derivate; Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane ("PU") und deren Derivate; Bio-Polymermoleküle, wie beispielsweise Poly-L-Milchsäuren, und deren Derivate, und Membranproteine, sowie Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline und deren Derivate, sowie sämtliche Derivate von Tetraminen; Polyimide, einschließlich Kapton-Moleküle und Polyetherimide ("PEI") und deren Derivate; sämtliche der Membranpolymere; Poly(N-vinylpyrrolidon) ("PVP")-Homopolymer, und dessen Derivate, und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat ("PVAc")-Copolymere; und sämtliche der aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder gleichermaßen in der Hauptkette und den Seitenketten, sowie Mischungen davon.suitable Piezoelectric materials include inorganic compounds, organic compounds and metals. In terms of organic materials All polymeric materials come with non-center-symmetric Structure and big / n Dipole moment group (s) on the main chain or on the side chain or at both chains within the molecules as for the piezoelectric film suitable materials in question. Examples of suitable polymers include without claim of completeness, Polysodium 4-styrenesulfonate ("PSS"), poly S-119 (polyvinylamine) backbone azo chromophore) and their derivatives; Polyfluorohydrocarbons comprising polyvinylidene fluoride (("PVDF"), its copolymer vinylidene fluoride ("VDF"), trifluoroethylene (TrFE) and their derivatives; Polychloro-hydrocarbons, comprising Polyvinyl chloride ("PVC"), polyvinylidene chloride ("PVDC") and their derivatives; Polyacrylonitriles ("PAN") and their derivatives; polycarboxylic comprising polymethacrylic acid ("PMA") and their derivatives; Polyureas and their derivatives; Polyurethanes ("PU") and their derivatives; Bio-polymer molecules, such as poly-L-lactic acids, and their derivatives, and membrane proteins, as well as phosphate biomolecules; polyanilines and their derivatives, as well as all Derivatives of tetramines; Polyimides, including Kapton molecules and polyetherimides ("PEI") and their derivatives; all the membrane polymers; Poly (N-vinylpyrrolidone) ("PVP") homopolymer, and its derivatives, and random PVP-co-vinyl acetate ("PVAc") copolymers; and all the aromatic polymers with dipole moment groups in the main chain or the side chains or equally in the main chain and the Side chains, as well as mixtures thereof.
Weitere mögliche piezoelektrische Materialien können Pt, Pd, Ni, Ti, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metalllegierungen sowie Mischungen daraus umfassen. Außerdem können zu diesen piezoelektrischen Materialien beispielsweise Metalloxid, wie etwa SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4, ZnO und Mischungen daraus; sowie Verbindungen der Gruppe VIA und IIB, wie etwa CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe 2, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen daraus gezählt werden. Geeignete aktive Materialien umfassen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, Formgedächtnislegierungen (SMA), ferromagnetische SMAs, piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP) und magnetorheologische Elastomere (MR).Further possible piezoelectric materials can Pt, Pd, Ni, Ti, Cr, Fe, Ag, Au, Cu and metal alloys and mixtures include. Furthermore can to these piezoelectric materials, for example metal oxide, such as SiO 2, Al 2 O 3, ZrO 2, TiO 2, SrTiO 3, PbTiO 3, BaTiO 3, FeO 3, Fe 3 O 4, ZnO and mixtures thereof; as well as compounds of group VIA and IIB, such as CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe 2, ZnSe, GaP, InP, ZnS and Mixtures of these counted become. Suitable active materials include, without limitation Completeness, Shape Memory Alloys (SMA), ferromagnetic SMAs, piezoelectric materials, electroactive Polymers (EAP) and magnetorheological elastomers (MR).
Als von einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereitgestelltes, mögliches Aktivierungssignal sind unter anderem ein Wärmesignal, ein magnetisches Signal, ein elektrisches Signal, ein pneumatisches Signal, ein mechanisches Signal und dergleichen, sowie Kombinationen daraus zu nennen, die zumindest eines der zuvor erwähnten Signale umfassen, wobei das konkrete Aktivierungssignal jeweils von den Materialien und/oder der Auslegung des aktiven Materials abhängig ist. So kann etwa ein magnetisches und/oder ein elektrisches Signal angewendet werden, um die Eigenschaft des aus magnetostriktiven Materialien gefertigten, aktiven Materials zu verändern. Ein Wärmesignal kann angewendet werden, um die Eigenschaft des aus Formgedächtnislegierungen und/oder Formgedächtnispolymeren gefertigten, aktiven Materials zu verändern. Ein elektrisches Signal kann angewendet werden, um die Eigenschaft des aus elektroaktiven Materialien, Piezoelektrika, elektrostatischen Materialien und/oder Innenpolymer-Metall-Verbundmaterialien gefertigten, aktiven Materials zu verändern.When provided by an activation device (not shown), potential Activation signal include a heat signal, a magnetic Signal, an electrical signal, a pneumatic signal, a mechanical one Signal and the like, as well as combinations thereof, at least one of the aforementioned Include signals, the concrete activation signal from each of depends on the materials and / or the interpretation of the active material. For example, a magnetic and / or electrical signal can be used Be the property of magnetostrictive materials modified active material to change. A heat signal can be applied to the property of shape memory alloys and / or shape memory polymers modified active material to change. An electrical signal Can be applied to the property of electroactive Materials, piezoelectrics, electrostatic materials and / or Internal polymer-metal composites fabricated, active material to change.
Es sind hier zwar die besten Umsetzungsarten der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben, für den Fachmann auf dem Gebiet, zu welchem diese Erfindung gehört, sind jedoch verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen für die Umsetzung der Erfindung im Umfang der beigefügten Patentansprüche erkenntlich.It Although here are the best modes of implementation of the present invention described in detail for those skilled in the art to which this invention pertains are however, various alternative designs and embodiments for the implementation the invention within the scope of the appended claims recognizable.
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