DE102010030034A1 - Actuator for use in e.g. automobile industry, has electrodes, and groups of nanotubes, which are in parallel connection between force transmission elements in mechanical manner, where groups are electrically subjected opposite to each other - Google Patents

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    • F03GSPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/005Electro-chemical actuators; Actuators having a material for absorbing or desorbing gas, e.g. a metal hydride; Actuators using the difference in osmotic pressure between fluids; Actuators with elements stretchable when contacted with liquid rich in ions, with UV light, with a salt solution

Abstract

The actuator (1) has electrodes, and two force transmission elements (4, 5) at which two groups (8, 9) of nanotubes (10-1 to 10-3, 11-1 to 11-4) i.e. carbon nanotubes, are supported. One group of the nanotubes is electrically subjected opposite to the other group of nanotubes. The groups of the nanotubes are in parallel connection between the transmission elements in a mechanical manner. The transmission elements are designed as planar plates (6, 7), where an effective direction and a drawing direction of the nanotubes are oriented transverse to an extension plane of the planar plates.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft einen Aktuator mit zwei Kraftübertragungselementen, an denen sich elektrisch beaufschlagbare Nanotubes abstützen.The invention relates to an actuator with two power transmission elements, on which are supported electrically charged nanotubes.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Bei Nanotubes handelt es sich um Röhren mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern bis hin zu Durchmessern von wenigen Angstrom. Die Länge derartiger Nanotubes beträgt beispielsweise zwischen einigen Mikrometern bis hin zu mehreren Zentimetern. Bekannt sind Nanotubes aus Kohlenstoff, wobei auch Nanoröhren aus Bornitrid, Sulfiden (Molybdän- und Wolframdisulfid, Kupfersulfid), Metalloxide (z. B. V2O5) und Halogeniden (Nickel, Chlorid, Cadmiumchlorid, Cadmiumiodid) Einsatz finden können. Prinzipiell können allen tube-förmigen Materialien verwendet werden, die unter Anlegung elektrischer Größen wie z. B. Spannung oder Strom eine mechanische Auslenkung zeigen. Soweit nachfolgend der Begriff ”Bucky-Paper” verwendet wird, beinhaltet dieser nicht nur Schichten aus Carbon-Nanotubes, sondern auch Schichten aus beliebigen anderen Nanotubes. Die Nanotubes können einwandig (”Single Wall Nanotube” oder ”SWNT”) oder mehrwandig (”Multible Wall Nanotube” oder ”MWNT”) ausgebildet sein, wobei die Wand einen geschlossenen Ring oder eine spiralartige Struktur ausbilden kann und Enden der Röhren geschlossen oder geöffnet sein können mit leerem oder gefülltem Inneren.Nanotubes are tubes with a diameter of less than 100 nanometers up to diameters of a few Angstrom. The length of such nanotubes is for example between a few micrometers to several centimeters. Nanotubes made of carbon are known, whereby nanotubes of boron nitride, sulfides (molybdenum and tungsten disulfide, copper sulfide), metal oxides (eg V 2 O 5 ) and halides (nickel, chloride, cadmium chloride, cadmium iodide) can be used. In principle, all tube-shaped materials can be used, the application of electrical variables such. B. voltage or current show a mechanical deflection. As far as the term "bucky paper" is used below, this includes not only layers of carbon nanotubes, but also layers of any other nanotubes. The nanotubes may be single-walled nanotube or SWNT or multi-walled nanotube or MWNT, wherein the wall may form a closed ring or a spiral-like structure, and ends of the tubes may be closed or opened can be with empty or filled inside.

Aus dem Stand der TechnikFrom the state of the art

  • Gao, M.; Dai, L.; Baughman, R. H.; Spinks, G. M.; Wallace, G. G.: Electrochemical properties of aligned nanotube arrays: basis of new electromechanical actuators; Proc. of SPIE, Vol. 3987, Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD), ed. Y. Bar-Cohen (März 2000) [1]

ist eine Herstellung eines Stellelementes für einen Aktuator bekannt, bei welchem einzelne Nanotubes mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 30–80 nm und mit einer Länge von 10 μm senkrecht zu einem Quarz-Substrat ausgerichtet werden. Derartige ”Blätter” werden vorbereitet durch eine Pyrolyse von Eisen (II) Phthalocyanin, FeC32N8H6 (FePc) unter Ar/H2 bei 800 bis 1100°C entsprechend einem Verfahren, welches aus der Literaturstelle Shaoming, Huang, Liming Dai, Albert W. H. Mau, J. Phys. Chem. B. 1999, 103, 4223 bekannt ist. Vor einer Entfernung des Quarz-Substrates von den ausgerichteten Nanotubes in einer HF/H2O-Lösung wird eine dünne Goldschicht auf der amorphen Carbonschicht angeordnet, die an einem oberen Ende der Nanotubes gewachsen ist, wodurch eine Verbindung der Nanotubes miteinander erfolgt und ein leitendes Substrat bereitgestellt wird. Die einzelnen Nanotubes werden dann in einem Aktuator über das Gold-Subtrat gleichermaßen elektrisch beaufschlagt was dazu führt, dass benachbarte Nanotubes von einander abgestoßen werden. Infolge der biegeweichen Ausgestaltung des Gold-Substrates führen diese Abstoßungskräfte zu einer Verformung des Gold-Substrates, so dass eine anfängliche ebene Ausrichtung des Gold-Substrates mit zunehmender elektrischer Beaufschlagung zu einem bogenförmigen Gold-Substrat reversibel umgeformt wird.
  • Gao, M .; Dai, L .; Baughman, RH; Spinks, GM; Wallace, GG: Electrochemical properties of aligned nanotube arrays: basis of new electromechanical actuators; Proc. of SPIE, Vol. 3987, Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD), ed. Y. Bar-Cohen (March 2000) [1]

For example, it is known to manufacture an actuating element for an actuator in which individual nanotubes having an average diameter of 30-80 nm and a length of 10 μm are aligned perpendicular to a quartz substrate. Such "sheets" are prepared by pyrolysis of ferrous phthalocyanine, FeC 32 N 8 H 6 (FePc) under Ar / H 2 at 800 to 1100 ° C according to a method which is known from the literature Shaoming, Huang, Liming Dai, Albert WH Mau, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 4223 is known. Prior to removal of the quartz substrate from the aligned nanotubes in an HF / H 2 O solution, a thin layer of gold is placed on the amorphous carbon layer grown at an upper end of the nanotube, thereby connecting the nanotubes to each other and conducting Substrate is provided. The individual nanotubes are then electrically charged in an actuator via the gold substrate so that adjacent nanotubes are repelled from each other. As a result of the flexurally soft design of the gold substrate, these repulsion forces lead to a deformation of the gold substrate, so that an initial planar alignment of the gold substrate is reversibly converted to an arcuate gold substrate with increasing electrical impingement.

Andererseits ist ausOn the other hand is off

  • H. P. Monner, S. Mühle, P. Wierach, J. Riemenschneider: Carbon Nanotubes – ein multifunktionaler Leichtbauwerkstoff für die Adaptronik, Adaptronic Congress 2003, 01.–03. April 2003 [2] und
  • J. Riemenschneider, T. Mahrholz, J. Mosch, H. P. Monner, J. Melcher: Carbon Nanotubes – Smart Material of the Future: Experimental Investigation of the System Response; II Eccomas Thematic Conference an Smart Structures and Materials C. A.; Mota Soares et al. (Eds.), Lissabon, Portugal, 18.–21. 07. 2005 [3]

der Einsatz von so genannten ”Bucky-Papers” bekannt, bei denen es sich um Carbon-Nanotubes handeln, die aus statistisch verteilten Carbon-Nanotube-Bündeln bestehen und die in der Art eines Vlies durch Vakuumfiltration hergestellt sind. Bei derartigen Bucky-Papers besteht nur eine schwache Haftung zwischen den einzelnen Nanotubes, so dass diese spröde Materialeigenschaften aufweisen. Zur elektrischen Aktivierung eines Bucky-Papers müssen Ionen an den einzelnen Nanotubes angelagert werden. Hierzu werden diese mit einem Elektrolyt umgeben, beispielsweise einer einmolaren NaCl-Lösung. Wandern Ionen durch den Elektrolyten zu dem Bucky-Paper und orientieren sich um Nanotubes oder ordnen sich um die Nanotubes herum ab, dehnen sich die Nanotubes durch eine elektrochemische Wechselwirkung mit den Ionen aus. Zum Aufbau eines Aktuators wird ein doppelseitiges Klebeband beidseitig mit Bucky-Paper versehen. Die beiden Bucky-Paper werden entgegengesetzt zueinander mit einem Pluspol und einem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden. Dies führt bei Einsatz in einem Elektrolyt dazu, dass sich die Bucky-Paper unterschiedlich stark verlängern, wobei sich die mit dem Klebeband gebildete Struktur krümmt.
  • HP Monner, S. Mühle, P. Wierach, J. Riemenschneider: Carbon Nanotubes - a Multifunctional Lightweight Material for Adaptronics, Adaptronic Congress 2003, 01.-03. April 2003 [2] and
  • J. Riemenschneider, T. Mahrholz, J. Mosch, HP Monner, J. Melcher: Carbon Nanotubes - Smart Materials of the Future: Experimental Investigation of the System Response; II Eccoma's Thematic Conference on Smart Structures and Materials CA; Mota Soares et al. (Eds.), Lisbon, Portugal, 18.-21. 07. 2005 [3]

the use of so-called "Bucky-Papers" known, which are carbon nanotubes, which consist of randomly distributed carbon nanotube bundles and which are produced in the manner of a nonwoven by vacuum filtration. In such Bucky papers, there is only a weak adhesion between the individual nanotubes, so that they have brittle material properties. For electrical activation of a Bucky paper, ions must be attached to the individual nanotubes. For this purpose, they are surrounded by an electrolyte, for example a one-molar NaCl solution. When ions migrate through the electrolyte to the bucky paper and orient themselves around nanotubes or align around the nanotubes, the nanotubes expand through an electrochemical interaction with the ions. For setting up an actuator, a double-sided adhesive tape is provided on both sides with Bucky paper. The two Bucky papers are connected opposite to each other with a positive pole and a negative pole of a voltage source. When used in an electrolyte, this causes the bucky-papers to extend to different extents, whereby the structure formed by the adhesive tape curves.

Gemäß dem aus [3] bekannten Aufbau eines Aktuators findet ein Bucky-Paper Einsatz, welches in einem Elektrolyt als Elektrode eingesetzt ist und in Längsrichtung vorgespannt ist. Weiterhin sind in dem Elektrolyt eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode eingesetzt. Mit einer elektrischen Beaufschlagung der mit dem Bucky-Paper gebildeten Elektrode verändert sich die Längserstreckung des Aktuators, die gemäß [3] mit einem Laser erfasst werden kann. Weiterhin sind in [3] in einem Ausblick Möglichkeiten einer Verbesserung der makroskopischen Struktur der Carbon-Nanotubes angesprochen. Verbesserte strukturelle Eigenschaften sollen hierbei durch Herstellung von Carbon-Nanotube-Fasern erzielt werden oder durch verstärkte Nanotube-Bündel mit Brücken zwischen den einzelnen Nanotubes, vgl. auch die diesbezüglich in [3]. angesprochenen Literaturstellen. Weiterhin ist in dem Ausblick der Einsatz eines in einer festen Phase vorliegenden Elektrolyten für einen auf Carbon-Nanotubes basierenden Aktuator angesprochen.According to the structure of an actuator known from [3], a bucky paper is used, which is used in an electrolyte as an electrode and is prestressed in the longitudinal direction. Farther Are used in the electrolyte, a counter electrode and a reference electrode. By applying an electrical charge to the electrode formed with the bucky-paper, the longitudinal extension of the actuator changes, which can be detected with a laser according to [3]. Furthermore, in [3] opportunities for improving the macroscopic structure of the carbon nanotube are addressed. Improved structural properties should be achieved by producing carbon nanotube fibers or by reinforced nanotube bundles with bridges between the individual nanotubes, cf. also in this respect in [3]. addressed references. Furthermore, in the outlook, the use of a solid-phase electrolyte for a carbon nanotube-based actuator is addressed.

Aus DE 102 44 312 A1 ist es bekannt, modifizierte Bucky-Paper herzustellen, bei denen einzelne Nanotubes eine Vorzugsrichtung aufweisen, so dass die Nanotubes im Wesentlichen in einem Winkel kleiner als 90°, bevorzugt kleiner als 60° oder auch kleiner als 45° bis hin zu einer parallelen Anordnung ausgerichtet sind. Hierbei liegt die Vorzugsrichtung in der Ebene des Bucky-Papers. Weiterhin ist aus DE 102 44 312 A1 ein Aufbau eines Aktuators mit mehreren mit jeweils einem Bucky-Paper ausgebildeten Stellelementen bekannt, bei denen die Vorzugsrichtung der Nanotubes quer zur Stellrichtung des Aktuators orientiert ist.Out DE 102 44 312 A1 It is known to produce modified bucky-paper in which individual nanotubes have a preferred direction, so that the nanotubes substantially at an angle less than 90 °, preferably less than 60 ° or even less than 45 ° aligned to a parallel arrangement are. Here, the preferred direction lies in the plane of the Bucky paper. Furthermore, it is off DE 102 44 312 A1 a structure of an actuator with a plurality of each formed with a bucky-paper control elements, in which the preferred direction of the nanotube is oriented transversely to the direction of adjustment of the actuator.

Aus WO 2000/050771 ist ein Aktuator bekannt, bei dem einzelne Stellelemente auf der Krümmung entgegengesetzt elektrisch beaufschlagter Blätter basieren, wobei zur Erzielung eines Aktuators mit vergrößerten Möglichkeiten der erzielbaren Stellbewegungen mehrere derartige Stellelemente mechanisch hintereinander geschaltet sind.Out WO 2000/050771 An actuator is known in which individual adjusting elements are based on the curvature of oppositely electrically charged leaves, wherein a plurality of such adjusting elements are mechanically connected one after the other in order to achieve an actuator with increased possibilities of the achievable actuating movements.

Aus DE 10 2004 025 603 A1 ist ein Aktuator bekannt, bei dem in mehreren mechanisch hintereinander geschalteten Schichten zwischen Stegen orthogonal zu den Stegen unidirektional orientierte Nanoröhrchen angeordnet sind. Zwischen den Nanoröhrchen und den Stegen besteht eine elektrisch leitfähige Verbindung. Eine mechanische Anbindung der Nanoröhrchen an die Stege erfolgt beidseitig durch eine stoffschlüssige Verbindung. Hierzu kann an Kontaktstellen zwischen den Nanoröhrchen und den Stegen durch eine Festkörperreaktion ein Metallkarbid gebildet werden, welches die Nanoröhrchen und die Stege mechanisch belastbar miteinander verbindet. Zur weiteren Verbesserung einer Verbindung und Kontaktierung können die Kontaktstellen zwischen Nanoröhrchen und Stegen zusätzlich mit einem Metall beschichtet werden, wodurch beispielsweise die Enden der Nanoröhrchen nach der zuvor erläuterten Festkörperreaktion vollständig in Metallkarbid eingebettet sind.Out DE 10 2004 025 603 A1 An actuator is known in which unidirectionally oriented nanotubes are arranged in a plurality of layers connected in series between webs orthogonal to the webs. There is an electrically conductive connection between the nanotubes and the bars. A mechanical connection of the nanotubes to the webs takes place on both sides by a cohesive connection. For this purpose, a metal carbide can be formed at contact points between the nanotubes and the webs by a solid-state reaction, which connects the nanotubes and the webs with each other in a mechanically loadable manner. To further improve a connection and contacting the contact points between nanotubes and webs can be additionally coated with a metal, whereby, for example, the ends of the nanotubes are completely embedded in metal carbide after the previously described solid-state reaction.

Aus WO 03/061107 A2 und Fukuda T. u. a.: Perspective of Nanotube Sensors and Nanotube Aktuators. In: 4th IEEE Conference an Nanotechnology, 2004, S. 41–44 sind weitere Aktuatoren bekannt, bei denen Nanoröhrchen unidirectional ausgerichtet sind und stoffschlüssig an leitende Platten oder Elektroden angebunden sind.Out WO 03/061107 A2 and Fukuda T. et al .: Perspective of Nanotube Sensors and Nanotube Actuators. In: 4th IEEE Conference on Nanotechnology, 2004, pp. 41-44 Further actuators are known in which nanotubes are aligned unidirectionally and are firmly bonded to conductive plates or electrodes.

Weiterer Stand der Technik hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus von Aktuatoren mit Nanotubes, deren Verbindung miteinander und der elektrischen Kontaktierung ist DE 10 2005 034 323 A1 zu entnehmen.Further state of the art with regard to the structural design of actuators with nanotubes, the connection of which with each other and the electrical contacting DE 10 2005 034 323 A1 refer to.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen auf Nanotubes basierenden Aktuator mit einem insbesondere hinsichtlich

  • – des Gewichts,
  • – der elektrischen Kontaktierung und/oder
  • – der erzielbaren Kräfte und Verschiebungen
verbesserten Aktuatorkonzept vorzuschlagen.The invention is based on the object, a nanotube-based actuator with a particular regard
  • - the weight,
  • - the electrical contact and / or
  • - the achievable forces and shifts
to propose an improved actuator concept.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen dieser Lösung ergeben sich entsprechend den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche 2 bis 8.The object of the invention is achieved with the features of independent claim 1. Further embodiments of this solution will become apparent according to the features of the dependent claims 2 to 8.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei bekannten, insbesondere auf Kohlenstoff-Nanotubes (”Carbon-Nanotubes”, im Folgenden ”CNT”) basierende Aktuatorkonzepten zwei Elektroden einsetzen, zwischen denen Ionen wandern können. Bei den bekannten Aktuatorkonzepten besteht eine der Elektroden aus CNTs. Die durch die wandernden Ionen verursachte Dehnung der CNTs erzeugt dann die Längenveränderung und Kraftentfaltung des Aktuators. Die andere, nicht zwingend mit den CNTs gebildete Elektrode ist zwar mit ihrer Masse im Aktuator präsent. Diese Elektrode trägt aber weder zur Steifigkeit noch zur Aktuation des Aktuators bei, vgl. DE 102 44 312 A1 .The present invention is based on the finding that known actuator concepts, in particular based on carbon nanotubes ("carbon nanotubes", in the following "CNT"), use two electrodes between which ions can migrate. In the known actuator concepts, one of the electrodes consists of CNTs. The elongation of the CNTs caused by the migrating ions then produces the change in length and force development of the actuator. The other, not necessarily formed with the CNTs electrode is indeed present with their mass in the actuator. However, this electrode contributes neither to the rigidity nor to the actuation of the actuator, cf. DE 102 44 312 A1 ,

Erfindungsgemäß sind hingegen nicht sämtliche zwischen zwei Kraftübertragungselemente zwischengeschaltete Nanotubes gleichsinng elektrisch beaufschlagt, also derselben Elektrode zugeordnet. Vielmehr bildet eine Teilmenge der Nanotubes eine erste Gruppe sowie eine andere Teilmenge der Nanotubes eine zweite Gruppe. Die Nanotubes der beiden Gruppen sind entgegengesetzt zueinander beaufschlagt, also unterschiedlichen Elektroden zugeordnet und mit unterschiedlichen Polaritäten beaufschlagt.In contrast, according to the invention, not all interposed nanotubes between two force transmission elements are electrically applied in the same sense, ie assigned to the same electrode. Rather, a subset of the nanotubes forms a first group and another subset of the nanotubes forms a second group. The nanotubes of the two groups are opposed to each other, so different electrodes assigned and acted upon with different polarities.

Weiterhin sind erfindungsgemäß die Nanotubes der beiden Gruppen nicht in einzelnen Aktuatorpaketen in mechanischer Reihenschaltung hintereinandergeschaltet. Vielmehr sind die Nanotubes der Gruppen in mechanischer Parallelschaltung zwischen die Kraftübertragungselemente zwischengeschaltet. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung hat die folgenden beispielhaften, nicht zwingenden und die Erfindung nicht beschränkenden Vorteile:

  • – Während gemäß dem Stand der Technik eine Elektrode nur elektrisch genutzt wird und zur Masse beiträgt, ohne die Steifigkeit des Aktuators und die Aktuation des Aktuators zu beeinflussen, sind erfindungsgemäß die mit den Nanotubes der beiden Gruppen gebildeten Elektroden multifunktional, indem diese einerseits elektrisch als Elektroden genutzt werden, aber gleichzeitig auch zur Steifigkeit des Aktuators beitragen und die Aktuation des Aktuators beeinflussen. Durch die multifunktionale Nutzung der Elektroden kann der Bauaufwand verringert und die Masse des Aktuators verringert werden, die Aktuation des Aktuators verbessert werden sowie die Steifigkeit des Aktuators erhöht werden.
  • – In DE 102 44 312 A1 ist beschrieben, dass sich je nach Polarität der elektrischen Beaufschlagung von Nanotubes eine unterschiedliche Amplitude der Aktuation der Nanotubes ergeben kann. Bilden die Nanotubes in einem Aktuator gemäß dem Stand der Technik lediglich eine Elektrode, so führt dies dazu, dass das Aktuationsverhalten des Aktuators von der Polarität abhängig ist. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz mechanisch parallel zueinander geschalteter Nanotubes der beiden Gruppen ergibt sich auch bei Annahme der in DE 102 44 312 A1 beschriebenen Abhängigkeit des Aktuationsverhaltens der Nanotubes von der Polarität eine verringerte Abhängigkeit oder sogar Unabhängigkeit der Amplitude der Aktuation des erfindungsgemäßen Aktuators von der Polarität der elektrischen Beaufschlagung. Grund hierfür ist, dass zwar die Amplitude der Aktuation der Nanotubes in den einzelnen Gruppen unterschiedlich sein kann. Das Gesamtverhalten der beiden Gruppen ”mittelt” aber die unterschiedlichen Amplituden der Aktuationen der Nanotubes heraus, so dass die Gesamtaktuation des Aktuators von der Polarität der elektrischen Beaufschlagung unabhängig ist oder zumindest eine Abhängigkeit von der Polarität verringert ist.
  • – Für aus dem Stand der Technik bekannte Stapelaktuatoren sind die Elektroden räumlich isolierend voneinander zu trennen. Der Einsatz des erforderlichen Isolators hat zur Folge, dass sich ein vergrößerter Abstand zwischen den Elektroden ergibt. Dieser erhöhte Abstand zwischen den Elektroden erhöht aber den Elektrolytwiderstand. Die Zeitkonstante des elektrischen Systems ist proportional zu dem Elektrolytwiderstand, was zur Folge hat, dass für derartige Stapelaktuatoren der Aktuator langsamer auf die elektrische Beaufschlagung anspricht. Erfindungsgemäß kann der Einsatz eines zusätzlichen Isolators entbehrlich sein, wodurch der Bauaufwand verringert wird, eine kompakte Gestaltung ermöglicht ist, das Gewicht verringert werden kann und ein schneller Aktuator mit einer kleinen Zeitkonstante des elektrischen Systems bereitgestellt werden kann.
Furthermore, according to the invention, the nanotubes of the two groups are not connected in series in individual actuator packages in a mechanical series connection. Rather, the nanotubes of the groups are interposed in mechanical parallel connection between the power transmission elements. This embodiment of the invention has the following exemplary, non-limiting and non-limiting advantages of the invention:
  • - While according to the prior art, an electrode is only used electrically and contributes to the mass, without affecting the rigidity of the actuator and the actuation of the actuator, the electrodes formed with the nanotubes of the two groups are multifunctional according to the invention, on the one hand electrically as electrodes but at the same time also contribute to the stiffness of the actuator and influence the actuation of the actuator. By the multifunctional use of the electrodes, the construction cost can be reduced and the mass of the actuator can be reduced, the actuation of the actuator can be improved and the rigidity of the actuator can be increased.
  • - In DE 102 44 312 A1 It is described that, depending on the polarity of the electrical application of nanotubes, a different amplitude of the actuation of the nanotubes can result. Form the nanotubes in an actuator according to the prior art, only one electrode, this leads to the fact that the Aktuationsverhalten of the actuator is dependent on the polarity. The use according to the invention of mechanically connected mutually parallel nanotubes of the two groups also results, assuming the in DE 102 44 312 A1 described dependence of the Aktuationsverhaltens the nanotube of the polarity a reduced dependence or even independence of the amplitude of the actuation of the actuator according to the invention of the polarity of the electrical impingement. The reason for this is that, although the amplitude of the actuation of the nanotubes in the individual groups may be different. However, the overall behavior of the two groups "mediates" the different amplitudes of the actuations of the nanotubes, so that the overall actuation of the actuator is independent of the polarity of the electrical application or at least a dependence on the polarity is reduced.
  • - For known from the prior art Stapelaktuatoren the electrodes are spatially insulating separate from each other. The use of the required insulator results in an increased distance between the electrodes. However, this increased distance between the electrodes increases the electrolyte resistance. The time constant of the electrical system is proportional to the electrolyte resistance, with the result that for such stack actuators, the actuator responds more slowly to the electrical impingement. According to the invention, the use of an additional insulator can be dispensed with, whereby the construction cost is reduced, a compact design is made possible, the weight can be reduced and a fast actuator with a small time constant of the electrical system can be provided.

Durchaus möglich ist, dass in dem Aktuator lediglich zwei Kraftübertragungselemente mit Nanotubes der beiden Gruppen in mechanischer Parallelschaltung, aber unterschiedlicher elektrischer Beaufschlagung Einsatz finden. Soll eine vergrößerte Aktuation des Aktuators, also sollen vergrößerte Stellwege oder vergrößerte Stellkräfte herbeigeführt werden, kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in einem Aktuator eine mechanische Reihenschaltung hintereinandergeschalteter Paare von Kraftübertragungselementen mit jeweils dazwischen angeordneten Nanotubes der ersten und zweiten Gruppe erfolgen. Hierbei ist es auch möglich, dass aneinander angrenzende Kraftübertragungselemente benachbarter Paare als ein gemeinsames integrales Kraftübertragungselement ausgebildet sind.It is entirely possible that in the actuator only two power transmission elements with nanotubes of the two groups in mechanical parallel connection, but different electrical impingement find use. If an enlarged Aktuation of the actuator, so enlarged adjustment paths or increased actuating forces are brought about, can be carried out according to a further embodiment of the invention in an actuator, a mechanical series connection of series-connected pairs of power transmission elements with interposed nanotubes of the first and second group. In this case, it is also possible for adjoining force transmission elements of adjacent pairs to be formed as a common integral force transmission element.

Je nach

  • – der gewünschten Bauform,
  • – dem gewünschten Aktuatorkonzept,
  • – der gewünschten Geometrie,
  • – den herbeiführbaren Wirkrichtungen, also beispielsweise einer Verschiebung oder Verschwenkung des Aktuators mit seiner elektrischen Beaufschlagung,
können beliebige Geometrien der Kraftübertragungselemente und Ausrichtungen der Nanotubes zueinander und zu den Kraftübertragungselementen Einsatz finden. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Aktuators sind die Kraftübertragungselemente als ebene Platten ausgebildet. Die Wirkrichtung sowie Vorzugsrichtung der Nanotubes ist hierbei quer zur Erstreckungsebene der Platten orientiert. Beispielsweise kann – vereinfacht gesagt – auf diese Weise eine Art ”Aktuatorzelle” mit den ebenen Platten und dazwischen angeordneten Nanotubes ausgebildet werden, welche in erster Näherung quaderförmig sein kann.Depending on
  • - the desired design,
  • The desired actuator concept,
  • The desired geometry,
  • The action that can be brought about, that is, for example, a displacement or pivoting of the actuator with its electrical impingement,
Any geometry of the power transmission elements and orientations of the nanotubes to each other and to the power transmission elements can be used. According to an embodiment of an actuator according to the invention, the force transmission elements are designed as flat plates. The effective direction and preferred direction of the nanotube is oriented here transversely to the plane of extension of the plates. For example, in simple terms, a kind of "actuator cell" can be formed with the planar plates and nanotubes arranged therebetween, which in a first approximation can be cuboidal.

Grundsätzlich kann die Verteilung der Nanotubes der beiden Gruppen beliebig sein. Denkbar ist hier eine zufällige Anordnung der Nanotubes der einzelnen Gruppen oder eine regelmäßige Anordnung. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind allerdings Nanotubes der beiden Gruppen jeweils derart angeordnet, dass Nanotubes jeder Gruppe benachbart zueinander angeordnet sind in einer Art Bündel, ohne dass zwischen diesen Nanotubes eines Bündels Nanotubes der anderen Gruppe angeordnet sind. Dies kann vorteilhaft für die Herstellung der Gruppen der Nanotubes durch Bündelung derselben und Bündelung der Anbindung der Nanotubes dieser Gruppe an die elektrische Kontaktierung und die Arbeitsplatten sein.In principle, the distribution of the nanotubes of the two groups can be arbitrary. Conceivable here is a random arrangement of the nanotubes of the individual groups or a regular arrangement. In a further embodiment of the invention, however, nanotubes of the two groups are each arranged such that nanotubes of each group are arranged adjacent to one another in one Type bundles without being arranged between these nanotubes of a bundle of nanotubes of the other group. This can be advantageous for the preparation of the groups of nanotubes by bundling them and bundling the connection of the nanotubes of this group to the electrical contacting and the worktops.

Alternativ oder zusätzlich möglich ist, dass die Nanotubes – gesehen in einem Querschnitt zur Längsachse der Nanotubes – in einer Art Fläche oder Feld angeordnet sind. Die Bündel, Flächen oder Felder der Nanotubes der beiden Gruppen sind dann quer zur Wirkrichtung nebeneinander angeordnet, wobei durch Abstand der Bündel, Flächen oder Felder die Länge der elektrischen Wege zwischen den durch die Nanotubes der beiden Gruppen gebildeten Elektroden vorgegeben wird und somit letztendlich die Zeitkonstante des Aktuators beeinflusst werden kann.Alternatively or additionally, it is possible for the nanotubes-seen in a cross section to the longitudinal axis of the nanotubes-to be arranged in a kind of area or field. The bundles, areas or fields of the nanotubes of the two groups are then arranged side by side transversely to the effective direction, wherein the length of the electrical paths between the electrodes formed by the nanotubes of the two groups is predetermined by the distance of the bundles, areas or fields and thus ultimately the time constant of the actuator can be influenced.

Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt der Erkenntnis zugrunde, dass es insbesondere für einen schnell ansprechenden Aktuator von Vorteil wäre, wenn im Idealfall immer ein Nanotube einer Gruppe eng benachbart einem Nanotube der anderen Gruppe angeordnet wäre, wodurch die elektrischen Wege durch das Elektrolyt minimiert werden könnten. Die Erfindung schlägt vor, dass die Felder der beiden Gruppen jeweils streifenförmig ausgebildet sind. Im Extremfall hätte der Streifen die Breite des Querschnitts der Nanotubes, so dass die Nanotubes eines Streifens eine Reihe bilden. Durchaus möglich ist, dass in der Praxis die Streifen verbreitert ausgebildet sind mit mehreren nebeneinander angeordneten Nanotubes derselben Gruppe. Hierbei können die Nanotubes in einem Streifen in geordneten Reihen angeordnet sein können oder im Streifen zufällig verteilt sein. Die Streifen der Nanotubes der beiden Gruppen sind dann nebeneinanderliegend angeordnet, wobei der Abstand der Streifen voneinander die Länge des Übertrittswegs zwischen den einzelnen Elektroden durch das Elektrolyt vorgibt. Die Länge der Streifen korreliert dann mit der Zahl der Nanotubes, für die dann ein minimierter Abstand zu einem benachbarten Nanotubes eines Streifens der anderen Gruppe der Nanotubes gegeben ist. Die Streifen können hier konstante oder veränderliche Breite besitzen und beliebige Länge. Während durchaus möglich ist, dass die Streifen eine beliebige gekrümmte, kurvenförmige oder kreissegmentförmige Längsachse besitzen, ist für eine Ausgestaltung der Erfindung die Längsachse der Streifen zumindest teilweise geradlinig ausgebildet.A further embodiment of the invention is based on the finding that it would be particularly advantageous for a rapidly responding actuator if ideally one nanotube of one group would always be arranged closely adjacent to a nanotube of the other group, whereby the electrical paths through the electrolyte could be minimized , The invention proposes that the fields of the two groups are each formed strip-shaped. In extreme cases, the strip would have the width of the cross section of the nanotube so that the nanotubes of a strip form a row. It is entirely possible that in practice the strips are widened formed with several juxtaposed nanotubes of the same group. Here, the nanotubes can be arranged in a strip in ordered rows or distributed randomly in the strip. The strips of the nanotubes of the two groups are then arranged next to each other, wherein the distance of the strips from one another determines the length of the passageway between the individual electrodes through the electrolyte. The length of the stripes then correlates with the number of nanotubes, for which there is then a minimized distance to an adjacent nanotube of one stripe of the other group of nanotubes. The strips can have constant or variable width and any length. While it is quite possible that the strips have any curved, curved or circular segment-shaped longitudinal axis, the longitudinal axis of the strips is at least partially rectilinear for an embodiment of the invention.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Felder oder Streifen ineinander geschachtelt sind. Als ein einfaches Beispiel können die Felder oder Streifen eine Art konzentrische Kreise bzw. Ringe bilden. Durchaus möglich ist, dass die Felder oder Streifen allerdings auch beliebige anderweitige geschachtelte Konturen besitzen, beispielsweise rechteckförmig ineinandergeschachtelt sind o. ä.In a further embodiment of the invention, it is proposed that the fields or strips are nested one inside the other. As a simple example, the fields or stripes may form a kind of concentric circles or rings. Quite possible, however, that the fields or strips also have any other nested contours, for example, are rectangularly nested o. Ä.

Auch möglich ist, dass die Felder oder Streifen jeweils mit einer Art Finger ausgebildet sind. Hierbei können die Längsachsen der Finger geradlinig oder kurvenförmig sein und/oder die Breite der Felder oder Streifen kann konstant sein oder variieren. Gemäß dieser Ausgestaltung sind die Finger einer Gruppe in Zwischenräumen angeordnet, die sich zwischen Fingern der anderen Gruppe ergeben, wodurch sich ein kompakter Aufbau ergeben kann mit einer kleinen Zeitkonstante für ein schnelles Ansprechen des Aktuators.It is also possible that the fields or strips are each formed with a kind of finger. Here, the longitudinal axes of the fingers may be straight or curved and / or the width of the fields or strips may be constant or vary. According to this embodiment, the fingers of one group are arranged in spaces which result between fingers of the other group, whereby a compact construction can result with a small time constant for a fast response of the actuator.

Die Kontaktierung der Nanotubes mit den zugeordneten Kontaktelementen zur elektrischen Beaufschlagung derselben kann beliebig gemäß dem Stand der Technik erfolgen. Für eine erfindungsgemäße Ausführungsform sind die Nanotubes einer oder beider Gruppen einseitig und/oder endseitig kontaktiert. Für eine endseitige Kontaktierung kann sich das Kontaktelement unmittelbar an dem Kraftübertragungselement abstützen. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Ausgestaltungsform, bei welcher das Kraftübertragungselement als Baueinheit oder integral mit dem Kontaktelement ausgebildet ist.The contacting of the nanotube with the associated contact elements for the electrical application of the same can be done arbitrarily according to the prior art. For an embodiment according to the invention, the nanotubes of one or both groups are contacted on one side and / or on the end. For an end-side contacting, the contact element can be supported directly on the force transmission element. Particularly advantageous here is an embodiment in which the force transmission element is designed as a structural unit or integrally with the contact element.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Further features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to each other and their relative arrangement and operative connection - refer. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the claims listed features for further embodiments of the invention can be omitted.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.In the following the invention will be further explained and described with reference to preferred embodiments shown in the figures.

1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Aktuator. 1 shows a schematic side view of an actuator according to the invention.

2 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Kontaktelement eines weiteren erfindungsgemäßen Aktuators. 2 shows a schematic plan view of a contact element of another actuator according to the invention.

3 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein weiteres Kontaktelement eines weiteren erfindungsgemäßen Aktuators. 3 shows a schematic plan view of another contact element of another actuator according to the invention.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

1 zeigt schematisch in einer Seitenansicht einen Aktuator 1, welcher Kräften 2 ausgesetzt ist bzw. Kräfte 2 erzeugt, die in Richtung einer Wirkrichtung 3 orientiert sind, die in 1 vertikal orientiert ist. Der Aktuator 1 ist mit Kraftübertragungselementen 4, 5 gebildet, bei denen es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 1 um ebene, quer zur Wirkrichtung 3 orientierte Platten 6, 7 handelt. Über die Kraftübertragungselemente 4, 5 kann die Verbindung mit der Umgebung des Aktuators 1 und/oder benachbarten Bauelementen erfolgen. Ebenfalls möglich ist, dass die Kraftübertragungselemente 4, 5 lediglich einen Teil-Aktuator 1 begrenzen und in Wirkverbindung mit einem anderen entsprechenden oder abweichend ausgebildeten weiteren Teil-Aktuator stehen. 1 shows schematically in a side view an actuator 1 which forces 2 is exposed or forces 2 generated in the direction of a direction of action 3 are oriented in 1 is vertically oriented. The actuator 1 is with power transmission elements 4 . 5 formed, in which it is in accordance with the illustrated embodiment 1 plane, transverse to the direction of action 3 oriented plates 6 . 7 is. About the power transmission elements 4 . 5 can connect to the environment of the actuator 1 and / or adjacent components. It is also possible that the power transmission elements 4 . 5 only a partial actuator 1 limit and be in operative connection with another corresponding or deviating further part-actuator.

Zwischen den Kraftübertragungselementen 4, 5 erstrecken sich Gruppen 8, 9 mit jeweils einer Gruppe 8, 9 zugeordneten Nanotubes 10-1, 10-2, 10-3, ... sowie 11-1, 11-2. 11-3, ... Die Nanotubes 10, 11 besitzen eine Orientierung in eine Vorzugsrichtung, welche parallel zur Wirkrichtung 3 orientiert ist. In der schematischen Darstellung gemäß 1 sind die Nanotubes 10, 11 exakt parallel zur Wirkrichtung 3 orientiert. Ebenfalls umfasst ist eine Ausführungsform, bei welcher die Ausrichtung der Nanotubes 10, 11 stochastisch gegenüber der parallelen Ausrichtung zur Wirkrichtung 3 schwankt, vgl. hierzu beispielsweise die Angaben zu den Vorzugsrichtungen der Nanotubes in DE 10244312 A1 . Weiterhin sind in 1 die Nanotubes 10, 11 schematisch als einzelne Elemente dargestellt. Ebenfalls Einsatz finden können so genannte ”Bucky-Paper”, sofern die hierin enthaltenen Nanotubes 10, 11 eine bevorzugte Ausrichtung in Richtung der Vorzugsrichtung parallel zur Wirkrichtung 3 besitzen.Between the power transmission elements 4 . 5 groups extend 8th . 9 each with a group 8th . 9 associated nanotubes 10-1 . 10-2 . 10-3 , ... such as 11-1 . 11-2 , 11-3 , ... The nanotubes 10 . 11 have an orientation in a preferred direction, which parallel to the direction of action 3 is oriented. In the schematic representation according to 1 are the nanotubes 10 . 11 exactly parallel to the effective direction 3 oriented. Also included is an embodiment in which the orientation of the nanotube 10 . 11 stochastic against the parallel orientation to the direction of action 3 fluctuates, cf. For this example, the information on the preferred directions of Nanotubes in DE 10244312 A1 , Furthermore, in 1 the nanotubes 10 . 11 shown schematically as individual elements. So-called "bucky-paper" may also be used, provided that the nanotubes contained herein 10 . 11 a preferred orientation in the direction of the preferred direction parallel to the direction of action 3 have.

In einem Endbereich sind die Nanotubes 10 elektrisch mit einem Kontaktelement 12 verbunden. Entsprechend sind die Nanotubes 11 mit einem Kontaktelement 13 elektrisch verbunden. Die Kontaktelemente 12, 13 sind durch eine nicht dargestellte elektrische Versorgung mit gleicher elektrischer Amplitude, aber entgegengesetzt elektrisch beaufschlagt, also mit unterschiedlicher Polarität beaufschlagt. Die Nanotubes 10, 11 erstrecken sich in einem Elektrolyt, in dem diese Elektroden 14, 15 unterschiedlicher Polarität bilden.In one end region are the nanotubes 10 electrically with a contact element 12 connected. The nanotubes are corresponding 11 with a contact element 13 electrically connected. The contact elements 12 . 13 are acted upon by an electrical supply, not shown, with the same electrical amplitude, but opposite electrically, so acted upon with different polarity. The nanotubes 10 . 11 extend into an electrolyte in which these electrodes 14 . 15 form different polarity.

Grundsätzlich sind beliebige Verbindungsmöglichkeiten zwischen den Nanotubes 10, 11 im Bereich ihrer Stirnseiten mit den Kraftübertragungselementen 4, 5 und/oder den Kontaktelementen 12, 13 möglich. Beispielsweise können die Stirnseiten lose an den genannten Elementen anliegen, wobei dies unter einer Vorspannung erfolgen kann, welche durch die Kräfte 2 erzeugt werden kann oder durch ergänzende elastisch vorgespannte Vorspannelemente, die zwischen den Kraftübertragungselementen 4, 5 wirken können. Ebenfalls möglich ist, dass eine formschlüssige Verbindung zwischen den Nanotubes 10, 11 und den genannten Elementen 4, 5, 12, 13 erfolgt. Weiterhin möglich ist die stoffschlüssige Befestigung, Anbindung und/oder Kontaktierung. Möglich ist auch, dass ein Kontaktelement 12, 13 aus einem Leitermaterial besteht, welches chemisch und lokal begrenzt am Kontaktpunkt mit den Nanotubes 10, 11 zu einem Karbidbereich umgewandelt werden kann, der dann der stoffschlüssigen und damit stabilen mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen den Nanotubes 10, 11 und den Kontaktelementen 12, 13 dient.Basically, any connection possibilities between the nanotubes 10 . 11 in the area of their end faces with the power transmission elements 4 . 5 and / or the contact elements 12 . 13 possible. For example, the end faces can rest loosely on said elements, which can be done under a bias, which by the forces 2 can be generated or by additional elastically biased biasing elements between the power transmission elements 4 . 5 can act. It is also possible that a positive connection between the nanotubes 10 . 11 and the said elements 4 . 5 . 12 . 13 he follows. Furthermore possible is the cohesive fastening, connection and / or contacting. It is also possible that a contact element 12 . 13 consists of a conductor material which is chemically and locally limited at the point of contact with the nanotubes 10 . 11 can be converted to a carbide area, which then the cohesive and thus stable mechanical and electrical connection between the nanotubes 10 . 11 and the contact elements 12 . 13 serves.

In dem in 1 dargestellten schematischen Ausführungsbeispiel bildet die rechte Hälfte der Kraftübertragungselemente 4, 5, das Kontaktelement 13 und die Nanotubes 11 der Gruppe 9 einen Teil-Aktuator 16, während ein entsprechender Teil-Aktuator 17 mit entgegengesetzter Polarität mit der linken Hälfte der Kraftübertragungselemente 4, 5, dem Kontaktelement 12 und den Nanotubes 10 der Gruppe 8 gebildet ist. Die Teil-Aktuatoren 16, 17 sind in mechanischer Parallelschaltung zueinander miteinander verbunden, indem die genannten Hälften der Platten 6, 7 starr miteinander verbunden sind, was für das Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch einstückige Ausbildung der beiden Hälften in den Platten 6, 7 erfolgt. Durchaus denkbar ist, dass die Teil-Aktuatoren 16, 17 zunächst separat gefertigt sind und dann eine feste Verbindung der zugeordneten Kraftübertragungselemente der Teil-Aktuatoren 16, 17 zur Bildung des gesamten Aktuators 1 erfolgt. Durchaus möglich ist, dass in einem Aktuator 1 mehr als zwei Teil-Aktuatoren 16, 17 bildende Bauelemente eingesetzt sind In einem Querschnitt quer zur Wirkrichtung 3-3 durch die Nanotubes 10, 11 bilden die Nanotubes der Gruppen 8, 9 jeweils separat voneinander ausgebildete Felder oder Flächen 18, 19, in welchen nur Nanotubes 10 bzw. 11 einer einzigen Gruppe 8 bzw. 9 angeordnet sind, ohne dass sich innerhalb dieser Felder oder Flächen 18, 19 Nanotubes 11, 10 der anderen Gruppe 9 bzw. 8 befinden. Innerhalb der Felder 18, 19 sind die Nanotubes 10, 11 bei weitestgehend paralleler Orientierung in der Art von Bündeln 20, 21 angeordnet.In the in 1 illustrated schematic embodiment forms the right half of the power transmission elements 4 . 5 , the contact element 13 and the nanotubes 11 the group 9 a partial actuator 16 while a corresponding part actuator 17 in opposite polarity with the left half of the power transmission elements 4 . 5 , the contact element 12 and the nanotube 10 the group 8th is formed. The part actuators 16 . 17 are connected together in mechanical parallel connection by said halves of the plates 6 . 7 rigidly connected to each other, which is according to the embodiment 1 by integral formation of the two halves in the plates 6 . 7 he follows. Quite conceivable is that the part actuators 16 . 17 initially manufactured separately and then a fixed connection of the associated power transmission elements of the part actuators 16 . 17 to form the entire actuator 1 he follows. Quite possible is that in an actuator 1 more than two part actuators 16 . 17 forming components are used in a cross section transverse to the direction of action 3 - 3 through the nanotubes 10 . 11 form nanotubes of groups 8th . 9 each formed separately from each other Fields or areas 18 . 19 in which only nanotubes 10 respectively. 11 a single group 8th respectively. 9 are arranged without being within these fields or areas 18 . 19 nanotubes 11 . 10 the other group 9 respectively. 8th are located. Within the fields 18 . 19 are the nanotubes 10 . 11 with largely parallel orientation in the manner of bundles 20 . 21 arranged.

In Draufsicht in Richtung der Wirkrichtung 3 sind die Kontaktelemente 12, 13 jeweils ebenfalls flächig ausgebildet. Um lediglich ein einfaches. Beispiel zu nennen, können die Kontaktelemente 12, 13 bei quadratischen Platten 6, 7 rechteckförmig ausgebildet sein, wobei die längere Seite des Rechtecks ungefähr die Länge der Seitenlänge der Platten 6, 7 besitzt, während die kürzere Seite des Rechtecks etwas kleiner ist als die Hälfte der Seitenlänge der quadratischen Platten 6, 7.In plan view in the direction of the effective direction 3 are the contact elements 12 . 13 each also flat. Just a simple one. To name an example, the contact elements 12 . 13 with square plates 6 . 7 be formed rectangular, wherein the longer side of the rectangle approximately the length of the side length of the plates 6 . 7 while the shorter side of the rectangle is slightly smaller than half the side length of the square plates 6 . 7 ,

2 und 3 zeigen weitere Ausführungsformen für die Ausgestaltung der Kontaktelemente 12, 13 und die Verteilung der Nanotubes 10, 11 der Gruppen 8, 9 sowie die Ausbildung der Felder 18, 19 sowie Bündel 20, 21: 2 and 3 show further embodiments of the design of the contact elements 12 . 13 and the distribution of nanotubes 10 . 11 of the groups 8th . 9 as well as the education of the fields 18 . 19 as well as bundles 20 . 21 :

Gemäß 2 sind die Kontaktelemente 12, 13 jeweils mit kreisringförmigen Streifen 22a, 22b sowie 23a, 23b gebildet, welche über eine gemeinsame Leitung 24, 25 mit entgegengesetzter Polarität beaufschlagt werden können. Die jeweiligen Streifen 22, 23 sind unter elektrischer Isolation gegeneinander möglichst eng benachbart zueinander angeordnet. Für das Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind die Streifen 22, 23 kreisringförmig mit gleicher Ringdicke ausgebildet und konzentrisch zueinander ineinandergeschachtelt. Radial nach innen wechseln sich somit Streifen 22a, 23a, 22b, 23b mit unterschiedlicher Polarität ab.According to 2 are the contact elements 12 . 13 each with circular strips 22a . 22b such as 23a . 23b formed, which via a common line 24 . 25 can be acted upon with opposite polarity. The respective stripes 22 . 23 are arranged under electrical isolation against each other as closely as possible adjacent to each other. For the embodiment according to 2 are the stripes 22 . 23 annularly formed with the same ring thickness and nested concentrically with each other. Radial inwards thus change stripes 22a . 23a . 22b . 23b with different polarity.

Für das Ausführungsbeispiel gemäß 3 erstrecken sich von den Leitern 24, 25 parallele Streifen 22, 23, welche konstante Breite und geradlinige Längsachsen besitzen. Die Streifen 22, 23 bilden jeweils eine Art Finger 26, 27. Die Finger 26, die senkrecht zur Zeichenebene orientierte Nanotubes 10 der Gruppe 8 tragen, erstrecken sich in Zwischenräumen zwischen den Fingern 27, die senkrecht zur Zeichenebene orientierte Nanotubes 11 der Gruppe 9 tragen, wobei sich zwischen den Fingern 26, 27 ein verbleibender Abstand oder Spalt ergibt, welcher einen elektrischen Kurzschluss vermeidet.For the embodiment according to 3 extend from the ladders 24 . 25 parallel stripes 22 . 23 which have constant width and straight longitudinal axes. The Stripes 22 . 23 each form a kind of finger 26 . 27 , The finger 26 , which is perpendicular to the plane oriented Nanotubes 10 the group 8th wear, extending in spaces between the fingers 27 , which is perpendicular to the plane oriented Nanotubes 11 the group 9 Wear, being between the fingers 26 . 27 results in a remaining distance or gap, which avoids an electrical short circuit.

In den Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 3 sind die Nanotubes 10, 11 und damit die Last-/Wirkrichtungen jeweils vertikal zur Zeichenebene 2 orientiert. Mit den Streifen 22, 23 sind jeweils Enden der Nanotubes 10, 11 der Gruppen 8, 9 kontaktiert oder die Streifen 22, 23 tragen ergänzend die Nanotubes 10, 11.In the embodiments according to 2 and 3 are the nanotubes 10 . 11 and thus the load / effective directions each vertical to the drawing plane 2 oriented. With the stripes 22 . 23 are each ends of the nanotubes 10 . 11 of the groups 8th . 9 contacted or the stripes 22 . 23 additionally carry the nanotubes 10 . 11 ,

Gemäß 1 sind die Kontaktelemente 12, 13 separat von den Kraftübertragungselementen 4, 5 ausgebildet. Alternativ können die Kraftübertragungselemente 4, 5 und Kontaktelemente 12, 13 eine Baueinheit bilden oder als integrales Bauelement ausgebildet sein. Für das dargestellte Ausführungsbeispiel sind beide Kontaktelemente 12, 13 einem Kraftübertragungselement 5 zugeordnet. Durchaus möglich ist allerdings in Abwandlung, dass ein Kontaktelement 12 einem Kraftübertragungselement 4 zugeordnet ist, während das andere Kontaktelement 13 dem anderen Kraftübertragungselement 5 zugeordnet ist. Dies gilt auch für die in den 2 und 3 dargestellten Konfigurationen, so dass die Streifen 22 mit zugeordnetem Leiter 24 dem Kraftübertragungselement 4 zugeordnet sind, während die anderen Streifen 23 mit zugeordnetem Leiter 25 dem anderen Kraftübertragungselement 5 zugeordnet sind.According to 1 are the contact elements 12 . 13 separate from the power transmission elements 4 . 5 educated. Alternatively, the power transmission elements 4 . 5 and contact elements 12 . 13 form a structural unit or be designed as an integral component. For the illustrated embodiment, both contact elements 12 . 13 a power transmission element 5 assigned. Quite possible, however, in a modification that a contact element 12 a power transmission element 4 is assigned while the other contact element 13 the other power transmission element 5 assigned. This also applies to the in the 2 and 3 illustrated configurations, so that the stripes 22 with associated conductor 24 the power transmission element 4 are assigned while the other strips 23 with associated conductor 25 the other power transmission element 5 assigned.

Der erfindungsgemäße Aktuator kann Einsatz finden beispielsweise

  • – in der Automobilindustrie,
  • – in der Elektro- und Halbleiterindustrie,
  • – im Maschinenbau,
  • – in der Chemieindustrie,
  • – in der Energietechnik,
  • – in der Medizintechnik,
  • – in der Luftfahrt,
  • – in der Raumfahrt,
  • – in der Verkehrstechnik,
  • – in der Mechatronik oder Adaptronik,
um nur einige Beispiele zu nennen.The actuator according to the invention can be used, for example
  • - in the automotive industry,
  • - in the electrical and semiconductor industry,
  • - in mechanical engineering,
  • - in the chemical industry,
  • - in energy technology,
  • - in medical technology,
  • - in aviation,
  • - in space travel,
  • - in traffic engineering,
  • - in mechatronics or adaptronics,
to name just a few examples.

Die Ausrichtung der Nanotubes 10, 11, beispielsweise in einem Bucky-Paper, kann während der Herstellung durch Ausrichtung der Nanotubes 10, 11 mittels physikalischer oder chemischer Methoden erfolgen. Beispielsweise können die Nanotubes 10, 11 durch ein elektrisches, magnetisches und/oder elektromagnetisches Feld und/oder unter Einfluss von Ultraschall in einer Tensidsuspension ausgerichtet werden. Die unter diesen Bedingungen durchgeführte Sedimentation oder die Übertragung auf ein geeignetes Substrat, in Anlegung an die Langmuir-Blodgett-Technik, kann einen höheren Ausrichtungsgrad erzeugen. Ebenfalls möglich ist eine Ausrichtung der Nanotubes durch ein Rotationsverfahren, bei welchem die Nanotubes in einer Suspension durch Rotation im Wesentlichen entlang ihrer Längsachse parallel ausgerichtet werden und die ausgerichtete Nanotube-Schicht anschließend abgeschöpft bzw. auf einen Träger übertragen und getrocknet wird. Hinweise auf einzusetzende Elektrolyte und einzusetzende Konzentrationen derselben sowie Maßnahmen zur Erhöhung der Aktuationsamplitude der Nanotubes 10, 11 können beispielsweise DE 102 44 312 A1 entnommen werden.The orientation of the nanotube 10 . 11 in a bucky paper, for example, can be prepared by alignment of the nanotubes 10 . 11 be done by physical or chemical methods. For example, the nanotubes 10 . 11 be aligned by an electric, magnetic and / or electromagnetic field and / or under the influence of ultrasound in a surfactant suspension. The sedimentation carried out under these conditions or transfer to a suitable substrate, in accordance with the Langmuir-Blodgett technique, can produce a higher degree of alignment. It is also possible to align the nanotube by a rotational method in which the nanotubes are aligned in parallel in a suspension substantially along their longitudinal axis and the aligned nanotube layer is then skimmed off or transferred to a support and dried. Indications of electrolytes to be used and concentrations to be used as well as measures for increasing the actuation amplitude of the nanotubes 10 . 11 for example DE 102 44 312 A1 be removed.

Für die Kontaktelemente 12, 13 können beliebig elektrisch leitende Materialien Einsatz finden, insbesondere Edelmetalle wie Silber, Gold, Platin, Kupfer oder Aluminium, elektrisch leitende Polymere u. a. Die Kontaktelemente können mit den Nanotubes 10, 11 verklebt werden oder auf ein Bucky-Paper aufgewalzt werden. Auch möglich ist, dass eine elektrisch leitende Schicht mittels Sputtern, CVD oder PVD-Verfahren oder Spincoating mit den Nanotubes 10, 11 bzw. dem Bucky-Paper verbunden wird. Ebenfalls möglich ist, dass das Bucky-Paper oder die Nanotubes 10, 11 unmittelbar auf dem Kontaktelement 12, 13 wachsen und hergestellt werden. Möglich ist, dass die Kontaktelemente 12, 13 porös ausgebildet sind. Möglich ist auch die Ausbildung der Kontaktelemente 12, 13 in Form von Stegen mit einem aus einem Carbid gebildeten Leitermaterial oder Titan oder Silizium.For the contact elements 12 . 13 can use any electrically conductive materials, in particular precious metals such as silver, gold, platinum, copper or aluminum, electrically conductive polymers, etc. The contact elements can with the nanotubes 10 . 11 be glued or rolled on a bucky paper. It is also possible that an electrically conductive layer by means of sputtering, CVD or PVD process or spincoating with the nanotubes 10 . 11 or the Bucky paper is connected. Also possible is that the bucky paper or the nanotubes 10 . 11 directly on the contact element 12 . 13 grow and be produced. It is possible that the contact elements 12 . 13 are formed porous. It is also possible to design the contact elements 12 . 13 in the form of webs with a conductor material formed from a carbide or titanium or silicon.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Aktuatoractuator
22
Kraftforce
33
Wirkrichtungeffective direction
44
KraftübertragungselementPower transmission element
55
KraftübertragungselementPower transmission element
66
Platteplate
77
Platteplate
88th
Gruppegroup
99
Gruppegroup
1010
Nanotubenanotube
1111
Nanotubenanotube
1212
Kontaktelementcontact element
1313
Kontaktelementcontact element
1414
Elektrodeelectrode
1515
Elektrodeelectrode
1616
Teil-AktuatorPart of actuator
1717
Teil-AktuatorPart of actuator
1818
Feldfield
1919
Feldfield
2020
Bündelbunch
2121
Bündelbunch
2222
Streifenstrip
2323
Streifenstrip
2424
Leiterladder
2525
Leiterladder
2626
Fingerfinger
2727
Fingerfinger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • WO 2000/050771 [0007] WO 2000/050771 [0007]
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Claims (8)

Aktuator (1) mit zwei Kraftübertragungselementen (4, 5), an denen sich eine erste Gruppe (8) sowie eine zweite Gruppe (9) Nanotubes (10, 11) abstützt, welche elektrisch beaufschlagbar und damit verformbar sind und in eine eine Wirkrichtung (3) vorgebenden Vorzugsrichtung zueinander ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Nanotubes (10) der ersten Gruppe (8) entgegengesetzt zu den Nanotubes (11) der zweiten Gruppe (9) elektrisch beaufschlagt werden und b) die Nanotubes (10) der ersten Gruppe (8) und die Nanotubes (11) der zweiten Gruppe (9) in mechanischer Parallelschaltung zwischen die Kraftübertragungselemente (4, 5) zwischengeschaltet sind.Actuator ( 1 ) with two power transmission elements ( 4 . 5 ), in which a first group ( 8th ) and a second group ( 9 ) Nanotubes ( 10 . 11 ) is supported, which are electrically acted upon and thus deformable and in a direction of action ( 3 ) are given preferential direction, characterized in that a) the nanotubes ( 10 ) of the first group ( 8th ) opposite to the nanotubes ( 11 ) of the second group ( 9 ) and b) the nanotubes ( 10 ) of the first group ( 8th ) and the nanotubes ( 11 ) of the second group ( 9 ) in mechanical parallel connection between the force transmission elements ( 4 . 5 ) are interposed. Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mechanisch in Reihenschaltung hintereinandergeschaltete Paare von Kraftübertragungselementen (4, 5) mit jeweils dazwischen angeordneten Nanotubes (10, 11) der ersten und zweiten Gruppe (8, 9) vorgesehen sind.Actuator ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a plurality of pairs of power transmission elements connected in series in series ( 4 . 5 ) with nanotubes ( 10 . 11 ) of the first and second groups ( 8th . 9 ) are provided. Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungselemente (4, 5) als ebene Platten (6, 7) ausgebildet sind und die Wirkrichtung (3) sowie die Vorzugsrichtung der Nanotubes (10, 11) quer zur Erstreckungsebene der Platten (6, 7) orientiert sind.Actuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the force transmission elements ( 4 . 5 ) as flat plates ( 6 . 7 ) are formed and the effective direction ( 3 ) and the preferred direction of the nanotubes ( 10 . 11 ) transverse to the plane of extension of the plates ( 6 . 7 ) are oriented. Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Nanotubes (10) der ersten Gruppe (8) in einem Bündel (20) oder in einem Querschnitt in einem Feld (18) angeordnet sind und Nanotubes (11) der zweiten Gruppe (9) in einem Bündel (21) oder in einem Querschnitt in einem Feld (19) angeordnet sind und die beiden Bündel (20, 21) oder Felder (18, 19) der Nanotubes (10, 11) der beiden Gruppen (8, 9) bei Blickrichtung quer zur Wirkrichtung (3-3) nebeneinander angeordnet sind.Actuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that nanotubes ( 10 ) of the first group ( 8th ) in a bundle ( 20 ) or in a cross section in a field ( 18 ) and nanotubes ( 11 ) of the second group ( 9 ) in a bundle ( 21 ) or in a cross section in a field ( 19 ) and the two bundles ( 20 . 21 ) or fields ( 18 . 19 ) of nanotubes ( 10 . 11 ) of the two groups ( 8th . 9 ) when viewed transversely to the direction of action ( 3 - 3 ) are arranged side by side. Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Felder (18, 19) der beiden Gruppen (8, 9) jeweils in nebeneinanderliegenden Streifen (22, 23) angeordnet sind.Actuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fields ( 18 . 19 ) of the two groups ( 8th . 9 ) each in adjacent strips ( 22 . 23 ) are arranged. Aktuator (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Felder (18, 19) oder Streifen (22, 23) ineinander geschachtelt sind.Actuator ( 1 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the fields ( 18 . 19 ) or stripes ( 22 . 23 ) are nested inside each other. Aktuator (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Felder (18, 19) oder Streifen (22, 23) jeweils mit Fingern (26, 27) ausgebildet sind und Finger (26) einer Gruppe (8) in Zwischenräumen zwischen Fingern (27) der anderen Gruppe (9) angeordnet sind.Actuator ( 1 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the fields ( 18 . 19 ) or stripes ( 22 . 23 ) each with fingers ( 26 . 27 ) and fingers ( 26 ) of a group ( 8th ) in spaces between fingers ( 27 ) of the other group ( 9 ) are arranged. Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanotubes (10, 11) der beiden Gruppen (8, 9) einseitig und/oder endseitig durch entgegengesetzt zueinander elektronisch beaufschlagte Kontaktelemente (12, 13) kontaktiert sind.Actuator ( 1 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanotubes ( 10 . 11 ) of the two groups ( 8th . 9 ) on one side and / or end by opposite to each other electronically acted upon contact elements ( 12 . 13 ) are contacted.
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