-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem dielektrischen Elastomeraktuator und mit einer Lichtquelle, wobei der Aktuator ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende aufweist. Die Lichtquelle ist an einem der Enden angeordnet.
-
Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 003 548 A1 bekannt. Die Anordnung aus dielektrischen Elastomeraktuator (kurz: Aktuator) und Lichtquelle ist dabei Teil eines Bedienelements. Bedingt durch den dielektrischen Elastomeraktuator kann das Bedienelement einen Bedienmodus und einen Ruhemodus einnehmen. Je nach Modus weist das Bedienelement eine besondere äußere Form an, die von dem Benutzer des Bedienelements haptisch wahrgenommen werden kann. An einer Vorderseite des Bedienelements bzw. an einem vorderen Ende des Aktuators ist eine Leuchtdiode zur Anzeige der Funktion des Bedienelements vorgesehen. Diese Anordnung der Leuchtdiode jedoch führt zu einem aufwändigen Aufbau des Bedienelements, da die Leuchtdiode mit Strom versorgt werden muss.
-
Die
EP 2 416 207 A1 beschreibt ein schaltbares optisches Modulationssystem mit einem Lichtwellenleiter aus einem dielektrischen Elastomer. Die
US 2014/00357351 A1 offenbart eine Implementierung von besonders flachen Tasten einer Computer-Tastatur, bei welcher konventionelle Tasten mit einer Feder durch Tasten mit einem Elastomeraktuator ersetzt sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einer Anordnung mit dielektrischen Elastomeraktuator und Lichtquelle bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist bzw. einen einfachen Aufbau in Kombination mit einem Bedienelement erlaubt.
-
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst. Ausführungsbeispiele der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
-
Gemäß Anspruch 1 ist bei einer Anordnung mit einem dielektrischen und einen Rollenaktuator umfassenden Elastomeraktuator und mit einer Lichtquelle ein optisches System vorgesehen, durch das wenigstens ein Teil des Lichts der Lichtquelle, die an dem ersten axialen Ende des Rollenaktuators angeordnet ist, an dem zweiten axialen Ende des Rollenaktuators sichtbar ist. Ist beispielsweise die Stromversorgung der Lichtquelle an dem ersten axialen Ende des Rollenaktuators viel einfacher zu realisieren als an dem zweiten axialen Ende des Rollenaktuators, kann durch die Erfindung der konstruktive Aufwand der Anordnung gering gehalten werden, gleichwohl an dem zweiten axialen Ende das Licht sichtbar ist. Mit anderen Worten besteht die Idee der Erfindung darin, den Ort der Lichtquelle von dem Ort des Lichtbedarfs unabhängig zu machen, indem Vorkehrungen getroffen werden, das Licht durch den Rollenaktuator zu leiten, der gewöhnlich nicht lichtdurchlässig ist. Der Ort des Lichtbedarfs ist somit unabhängig von der Stromversorgung, die für eine Lichtquelle an diesem Ort ansonsten notwendig wäre.
-
Das optische System kann einen Hohlraum umfassen, der sich von dem ersten axialen Ende bis zu dem zweiten axialen Ende des Rollenaktuators erstreckt. Vorzugsweise weist der Hohlraum eine gradlinige Längsachse auf, entlang derer das Licht von dem ersten Ende zum zweiten Ende gelangen kann. Der Querschnitt des Hohlraums, also die Hohlraumerstreckung senkrecht zur Längsachse, kann rund oder mehreckig sein. Der Querschnitt ist vorzugsweise entlang der Längsachse konstant, kann aber auch entlang der Längsachse variieren.
-
Das optische System kann einen Lichtleiter umfassen, der sich von dem ersten axialen Ende bis zum zweiten axialen Ende des Rollenaktuators erstreckt. Der Lichtleiter muss nicht zwangsläufig gradlinig verlaufen, kann aber beispielsweise in dem oben genannten Hohlraum angeordnet sein.
-
Alternativ oder zusätzlich kann das optische System einen fluoreszierenden Stoff umfassen, der bei Anregung durch die Lichtquelle Licht emittiert, das an dem zweiten axialen Ende sichtbar ist. Trotz des Umstands, dass bei dem fluoreszierenden Stoff das emittierte Licht möglicherweise energieärmer als das vorher absorbierte ist, soll es sich bei bevorzugter Auslegung auch in diesem Ausführungsbeispiel um das Licht der Lichtquelle handeln, das am zweiten Ende sichtbar ist.
-
Der Elastomeraktuator umfasst gemäß Anspruch 1 einen Rollenaktuator, der einen Elastomerkern und eine aktive Schicht umfasst, die den Elastomerkern radial umgreift und gewickelte Elektrodenschichten und wenigstens eine Elastomerschicht aufweist. Die Elastomerschicht ist dabei zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet. Zwischen diesen beiden Elektrodenschichten wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung ein elektrisches Feld erzeugt, wodurch die zwei Elektroden angezogen werden und eine mechanische Spannung in der dazwischen liegenden Elastomerschicht erzeugen. Durch die mechanische Spannung wird die aktive Schicht entsprechend verformt und übt dabei einen Druck auf den Elastomerkern aus, der radial nach innen gerichtet ist und somit den Elastomerkern zusammendrückt. Dabei weicht der der Elastomerkern in axialer Richtung aus. Somit führt das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektrodenschichten zu einer Vergrößerung der axialen Länge des Elastomerkerns. Definiert der Elastomerkern das erste axiale Ende und das zweite axiale Ende des Rollenaktuators, so kann durch die elektrische Spannung die axiale Länge des Rollenaktuators vergrößert werden. Ein solcher Rollenaktuator wird daher auch als „Push“-Aktuator bezeichnet.
-
Der Elastomerkern kann eine Zentralbohrung aufweisen. Vorzugsweise erstreckt sich diese Zentralbohrung vollständig durch den Elastomerkern. Somit kann Licht der an dem ersten Ende angeordneten Lichtquelle durch den Elastomerkern an das zweite axiale Ende des Rollenaktuators geleitet werden. In der Zentralbohrung kann der oben beschriebene Lichtleiter angeordnet sein.
-
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst der Aktuator einen Stapelaktuator, der übereinander gestapelte Elektrodenschichten und wenigstens eine Elastomerschicht aufweist. Die einzelnen Schichten sind dabei eben und bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet. Wird an den Elektrodenschichten eine elektrische Spannung angelegt, führt dies, wie beim Rollenaktuator beschrieben, zu einem elektrischen Feld zwischen diesen Elektrodenschichten. Durch das dabei erzeugte elektrische Feld werden die Elektrodenschichten zueinander angezogen, so dass die Dicke der Elastomerschicht verringert wird. Insgesamt reduziert sich durch die angelegte Spannung die Höhe des Stapelaktuators, also die räumliche Ausdehnung des Stapelaktuators senkrecht zu den einzelnen Schichten. Ein solcher Stapelaktuator wird daher auch als „Pull“-Aktuator bezeichnet.
-
Eine Bohrung oder allgemein eine Durchtrittsöffnung kann senkrecht zu den Elektrodenschichten und Elastomerschichten des Stapelaktuators vorgesehen sein. Die Bohrung kann auch einen Winkel zu den einzelnen Schichten aufweisen, der verschieden von 90 Grad ist und beispielsweise 60 bis 90 Grad beträgt.
-
Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle eine Leuchtdiode, die besonders wenig elektrische Leistung benötigt. Auch ist der Einsatz einer organischen Leuchtdioden (OLED) möglich.
-
An dem ersten axialen Ende des Rollenaktuators ist gemäß Anspruch 1 ein Kontaktschalter oder Sensor und an dem zweiten axialen Ende ein Handschalter beispielsweise in Form eines Druckknopfes vorgesehen. Somit befindet sich der Kontaktschalter oder Sensor an dem gleichen Ende wie die Leuchtdiode. Am gegenüberliegenden zweiten axialen Ende des Rollenaktuators befindet sich der Druckknopf. Licht der Lichtquelle kann somit von dem ersten axialen Ende durch den Rollenaktuator zum Druckknopf gelangen.
-
Der Druckknopf kann einen lichtdurchlässigen Bereich aufweisen, so dass das Licht der Leuchtdioden durch den Rollenaktuator und den Druckknopf für den Bediener von außen sichtbar ist. Das zweite axiale Ende des Rollenaktuators bzw. der Druckknopf können durch die Lichtdurchleitung durch den Rollenaktuator sehr einfach aufgebaut sein, weil der Ort des Lichtbedarfs und der Ort der Lichtquelle entkoppelt sind.
-
Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine Anordnung mit einem Rollenaktuator und einer Lichtquelle;
-
2 die Anordnung der 1 mit einem Lichtleiter;
-
3 eine Anordnung mit Lichtquelle und Stapelaktuator; und
-
4 eine Anordnung mit Rollenaktuator, Lichtquelle und Druckknopf.
-
1 gezeigt eine Anordnung mit einem mit 10 bezeichneten Rollenaktuator und eine mit 20 bezeichnete Lichtquelle. Der Rollenaktuator 10 ist im Längsschnitt dargestellt und weist eine Längsachse 11 auf. Der Rollenaktuator 10 ist zu der Längsachse 11 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet.
-
Der Rollenaktuator 10 umfasst einen Elastomerkern 12 und eine aktive Schicht 13. Der Elastomerkern 12 erstreckt sich in axialer Richtung oder in Richtung der Längsachse 11 von einem ersten axialen Ende 14 bis zu einem zweiten axialen Ende 15. In radialer Richtung, also in Richtung senkrecht zur Längsachse 11, umgreift die aktive Schicht 13 den Elastomerkern 12.
-
Die axiale Ausdehnung der aktiven Schicht 13 ist etwas geringer als die axiale Ausdehnung des Elastomerkerns 12, so dass dieser gegenüber der aktiven Schicht 13 an den Enden 14, 15 leicht übersteht.
-
Der Elastomerkern 12 weist eine Bohrung 16 auf, die koaxial zur Längsachse 11 angeordnet ist. Die Bohrung 16 mit einem kreisrunden Querschnitt erstreckt sich vom ersten Ende 14 bis zum zweiten Ende 15. Licht aus der Lichtquelle 20, die an dem ersten Ende 14 des Rollenaktuators 10 angeordnet ist und in der Verlängerung der Längsachse 11 liegt, kann durch die Bohrung 16 zum zweiten Ende 15 gelangen. Das durch die Lichtquelle emittierte Licht wird durch die Pfeile 21 dargestellt. Das Licht der Lichtquelle 20 bzw. die Pfeile 21 verlaufen dabei parallel zur Längsachse 11.
-
Die aktive Schicht 13 des Rollenaktuators 10 ist ein Wickel einer Schichtenfolge. Beispielsweise kann zur Herstellung der aktiven Schicht 13 ein Polymerfilm verwendet werden, der aus Polyurethan oder auch aus anderen Materialen wie Silikone oder Acryle sein kann. Dieser Polymerfilm wird ober – wie unterseitig jeweils mit einer Elektrodenschicht versehen. Ein weiterer, elektrisch isolierender Polymerfilm wird dann auf einer der beiden Elektrodenschichten aufgebracht. Dieses Laminat bzw. diese Schichtenfolge bestehend aus Elektrodenschicht-Polymerfilm-Elektrodenschicht-Polymerfilm wird dann um den Elastomerkern 12 gewickelt. Über beispielsweise Kupferklebebänder, die vor dem Aufwickeln mit den Elektrodenschichten verbunden werden, lässt sich zwischen den Elektrodenschichten eine Spannung anlegen. Im aufgewickelten Zustand führt das Anlegen einer elektrischen Spannung zu einem Druck der aktiven Schicht 13 auf den Elastomerkern 12. Der Druck auf den Elastomerkern 12 ist dabei radial nach innen gerichtet und presst den Elastomerkern 12 zusammen, so dass das Material des Elastomerkerns 12 in axialer Richtung ausweicht. Somit erfährt der Elastomerkern 12 durch die angelegte Spannung eine Längenänderung. Der Abstand der Enden 14, 15 wird durch die angelegte Spannung leicht vergrößert. Beispielsweise kann die Längenänderung bezogen auf die Länge des Elastomerkerns im spannungsfreien Zustand zwischen 0,5 bis 3 Prozent betragen.
-
Die Spannung zwischen den Elektrodenschichten der aktiven Schicht 13 kann pulsierend mit einer Frequenz von beispielsweise 10 bis 20 Hertz angelegt werden, so dass die Längenänderung des Elastomerkerns 12 an einem der Enden des Rollenaktuators als Vibrieren wahrgenommen werden kann.
-
2 zeigt die Anordnung der 1 zusätzlich mit einem Lichtleiter 17. Bauteile oder Merkmale der 2, die zu Bauteile oder Merkmale der 1 identisch oder ähnlich sind, werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dies gilt sinngemäß auch für alle weiteren Figuren.
-
Der Lichtleiter 17 ist innerhalb der Bohrung 16 angeordnet und erstreckt sich wie dieser vom ersten Ende 14 bis zum zweiten Ende 15. Das Licht der Lichtquelle 20 wird am ersten Ende 14 in den Lichtleiter 17 eingespeist und tritt aus diesem an dem zweiten Ende 15. Die Pfeile 22 sollen schematisch darstellen, dass innerhalb des Lichtleiters 17 das Licht an seinen Wänden reflektiert wird und so durch den Lichtleiter in Längsrichtung geleitet wird.
-
3 zeigt eine Anordnung mit einem Stapelaktuator 30 und der Lichtquelle 20. Die Lichtquelle 20 ist an einem ersten Ende 31 des Stapelaktuators 30 angeordnet. Das gegenüberliegende Ende des Stapelaktuators 30 oder das zweite Ende ist mit 32 bezeichnet.
-
Der Stapelaktuator 30 umfasst mehrere Elastomerschichten 33, eine erste Gruppe von Elektrodenschichten 34 und eine zweite Gruppe von Elektrodenschichten 35. Zwischen zwei benachbarten Elektrodenschichten 34, 35 ist jeweils eine Elastomerschicht 33 angeordnet. Über Stromleiter 36 lässt sich eine Spannung an den Elektrodenschichten 34, 35 anlegen.
-
Senkrecht zu den Schichten 33, 34, 35 erstreckt sich vom ersten Ende 31 bis zum zweiten Ende 32 ein Durchtritt oder eine Bohrung 37, durch den bzw. durch die Licht der Lichtquelle 20 durch den Stapelaktuator 30 vom ersten Ende 31 zum zweiten Ende 32 gelangt. Der Lichtdurchtritt durch den Stapelaktuator 30 ist durch die Pfeile 23 gekennzeichnet. Die Bohrung 37 ist im Ausführungsbeispiel der 3 außermittig angeordnet. Sie kann aber auch mittig angeordnet werden, wobei eine Mittelachse 38 einen gleichen Abstand zu den seitlichen Enden (in der Darstellung der 3 links und rechts) der Elastomerschichten 33 aufweist.
-
Wird eine Spannung angelegt, so ziehen sich zwei benachbarte Elektrodenschichten 34, 35 an. Die dazwischen liegende Elastomerschichten 33 wird zusammengedrückt und dehnt sich dabei innerhalb der Schichtebene aus. Durch die angelegte Spannung zieht sich der Stapelaktuator 30 somit zusammen, so dass der Abstand zwischen dem ersten Ende 31 und dem zweiten Ende 32 verringert wird. Im Gegensatz zum oben beschriebenen Rollenaktuator 10 führt somit das Anlegen der elektrischen Spannung zu einer Reduzierung des Abstands der gegenüberliegenden Enden 31, 32.
-
4 zeigt eine Anordnung mit Rollenaktuator 10, Lichtquelle 20 sowie einem Druckknopf 40. Der Druckknopf 40 soll stellvertretend für einen Handschalter stehen. der beispielsweise auch als Drehknopf ausgebildet sein kann.
-
Der Rollenaktuator 10 der 4 weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau auf wie der Rollenaktuator 10 der 1. Während beim Rollenaktuator 10 der 1 sich die aktive Schicht 13 in axialer Richtung im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Elastomerkerns erstreckt, ist im Ausführungsbeispiel der 4 die aktive Schicht 13 deutlich kürzer ausgeführt. An dem ersten Ende oder dem der Lichtquelle 20 zugewandten Ende 14 ist ein Kontaktschalter 41 angeordnet. Durch den Kontaktschalter 41 soll ein Wechsel von einem Schaltzustand zu einem anderen Schaltzustand einer hier nicht dargestellten elektrischen Anlage möglich sein.
-
Wird der Druckknopf 40 betätigt, so wird der Druckknopf 40 mit dem Rollenaktuator 10 entlang der Längsachse 11 bewegt, so dass der Kontaktschalter 41 geschlossen wird. Somit kann durch Druck auf den Druckknopf der Kontaktschalter 41 geschlossen werden und es findet ein Wechsel des Schaltzustands der elektrischen Anlage statt.
-
Der Druckknopf 40 ist am zweiten Ende 15 auf den Elastomerkern 12 aufgesteckt. Es sind auch andere Verbindungen möglich, die jedoch alle sicherstellen sollten, dass ein axialer Druck auf den Druckknopf 40 auf den Elastomerkern 12 bzw. auf den Rollenaktuator 10 übertragen wird.
-
Der Druckknopf 40 weist einen lichtdurchlässigen Bereich 42 auf, durch den das Licht der Lichtquelle 20, welches durch den Hohlraum 16 des Rollenaktuator 10 geführt wird, an einer Außenseite 43 des Druckknopf 40 sichtbar ist. Das Licht der Lichtquelle 20 ist durch die Pfeile 24 dargestellt.
-
Mit 44 ist eine Wand eines hier nicht weiter dargestellten Schaltschranks dargestellt. Diese Wand 44 weist eine Öffnung 45 auf, durch die der Elastomerkern 12 von einem Innenraum 46 des Schaltschranks nach außen tritt. Somit liegt der Druckknopf 40 und das zweite Ende 15 des Rollenaktuator 10 außerhalb des Schaltschranks. Im Innenraum 46 hingegen ist der Großteil des Rollenaktuators 10, der Kontaktschalter 41 und die Lichtquelle 20 angeordnet. In einer anderen Ausführung kann der Druckknopf 40 auch so ausgebildet sein, dass er mit einem Teil durch die Öffnung 45 der Wand 44 greift, so dass der Rollenaktuator 10 vollständig im Innenraum 46 des Schaltschranks liegt. Alternativ kann auch ein separates Verbindungsstück zwischen dem außen liegenden Druckknopf 40 und dem Rollenaktuator 10 im Innenraum 46 vorgesehen sein. Wichtig dabei ist, dass das Verbindungsstück so beschaffen ist, dass es Licht vom zweiten Ende 15 des Rollenaktuators 10 zum Druckknopf 40 durchleitet.
-
Wie oben bereits beschrieben, wird durch Druck auf den Druckknopf 40 der Kontaktschalter 41 betätigt. Durch eine Steuerungseinheit kann dabei bei erfolgtem Wechsel des Schaltzustands der Anlage der Rollenaktuator 10 mit einer pulsierenden Spannung versorgt werden, so dass der Bediener über die damit einhergehende Vibration des Rollenaktuators 10 eine haptische Rückmeldung erhält. Diese Rückmeldung erfolgt dabei über den Finger, mit dem der Bediener den Druckknopf 40 betätigt hat und der im Moment der Betätigung noch auf dem Druckknopf 40 ruht. Der Bediener weiß nun, dass die Betätigung des Druckknopfes auch wirklich zum erwünschten Wechsel des Schaltzustands der Anlage geführt hat.
-
Zusätzlich zu dieser Rückmeldung erhält der Bediener durch das Licht der Lichtquelle 20, die durch den lichtdurchlässigen Bereich 42 des Druckknopf 40 nach außen tritt, weitere Informationen beispielsweise über den Schaltzustand der elektrischen Anlage. Emittiert die Lichtquelle 20 beispielsweise ein grünes Licht, so befindet sich die Anlage in einem bestimmten Schaltzustand. Durch die Erfindung, nämlich eine Lichtdurchleitung durch den dielektrischen Elastomeraktuator 10, 30, kann somit die Lichtquelle 20 im Innenraum 46 des Schaltschranks untergebracht werden. Wenn also über den Druckknopf 40 auch eine optische Information in Form von Licht für den Bediener bereit gestellt werden soll, ist es nicht notwendig, beispielsweise durch die Öffnung 45 eine Stromleitung zu legen, um eine in dem Druckknopf 40 angeordnete Leuchtdiode mit der notwendigen Spannung zu versorgen. Die Erfindung ermöglicht somit einen einfachen Aufbau derartiger Anordnungen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Rollenaktuator
- 11
- Längsachse
- 12
- Elastomerkern
- 13
- aktive Schicht
- 14
- erstes Ende
- 15
- zweites Ende
- 16
- Bohrung
- 17
- Lichtleiter
- 20
- Lichtquelle
- 21
- Pfeil
- 22
- Pfeil
- 23
- Pfeil
- 24
- Pfeil
- 30
- Stapelaktuator
- 31
- erstes Ende
- 32
- zweites Ende
- 33
- Elastomerschicht
- 34
- Elektrodenschicht
- 35
- Elektrodenschicht
- 36
- Stromleiter
- 37
- Bohrung
- 38
- Mittelachse
- 40
- Druckknopf/Handschalter
- 41
- Kontaktschalter
- 42
- lichtdurchlässige Bereich
- 43
- Außenseite
- 44
- Wand
- 45
- Öffnung
- 46
- Innenraum
