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Die Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem verlagerbaren Aktuatorelement und mit mindestens einem elektroaktiven Polymeraktuator, der mit dem Aktuatorelement einerseits und mit einem ortsfesten ersten Lager andererseits verbunden und mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Aktuatorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Aktuatorvorrichtungen mit elektroaktiven Polymeraktuatoren sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Elektroaktive Polymeraktuatoren beziehungsweise dielektrische elektroaktive Polymere (DEAP) können für den Bau von besonders leisen, leichten, flexiblen und günstigen Aktuatoren mit schneller Reaktionszeit verwendet werden. Unter einem dielektrischen elektroaktiven Polymer wird dabei ein Verbund in Plattenkondensatoranordnung verstanden, der einen hochelastischen Elastomer als Dielektrikum und zwei den Elastomer zwischen sich lagernde elektrisch leitfähige und elastisch dehnbare Schichten, die als Elektroden dienen, aufweist. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Elektroden entstehen Coulombsche Kräfte zwischen diesen aufgrund der sich anziehenden elektrischen Ladungen, welche das dazwischenliegende Elastomer beziehungsweise Dielektrikum stauchen. Diese Stauchung führt zu einer gleichzeitigen Flächenvergrößerung senkrecht zur Stauchungsrichtung und begründet den Aktuierungsprozess des Polymeraktuators.
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Üblicherweise werden Polymeraktuatoren als Stapel- oder Rollenaktuatoren ausgebildet. Beim Stapelaktuator wird eine Vielzahl der Plattenkondensatorverbünde aufeinander gestapelt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung staucht sich jeder einzelne Plattenkondensator und der gesamte Stapel wird kürzer. Aufgrund der Volumenkonstanz wird der Stapel gleichzeitig breiter, wodurch eine Aktuierung begründet wird. Bei einem Rollenaktuator wird eine einzelne, aber sehr lange bandförmige Polymeraktuatorschicht aufgerollt. Beim Anlegen einer Spannung an den aufgerollten Polymeraktuator, der letztendlich ein aufgerolltes Band darstellt, wird die Schichtdicke des Bandes verringert mit dem Resultat, dass sich der Rollenaktuator axial ausdehnt und dadurch eine Aktuierungskraft bereitstellt. Derzeit ermöglichen derartige Rollenaktuatoren einen Aktuatorhub von circa 10% der axialen Länge des Rollenaktuators.
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Aufgrund des begrenzten Aktuatorhubs ist der Einsatz derartiger Polymeraktuatoren nicht überall sinnvoll oder möglich. Für Langhubanwendungen, insbesondere für Hübe von mehr als 50 mm, ist die Kombination eines konventionellen Elektromotors mit einem Getriebe zur Bewegung eines Aktuatorelements technisch und wirtschaftlich bisher die bessere Wahl, auch wenn dies einen verhältnismäßig großen Bauraum fordert und zu Gewichtsnachteilen führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Aktuatorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass trotz Verwendung eines Polymeraktuators ein Langhub von mehr als 50 mm auf einfach und kostengünstige Art und Weise ermöglicht wird, wobei aufgrund der Verwendung des Polymeraktuators Gewicht und Bauraum eingespart werden. Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass der Polymeraktuator als flexibles Zugband ausgebildet ist, das einendig an dem Aktuatorelement und anderendig an dem Lagerteil befestigt ist. Im Unterschied zu dem Rollenaktuator, bei welchem ein Aktuatorband aufgerollt und an seinen Seitenkanten mit dem Lagerteil einerseits und einem Aktuatorelement andererseits fest verbunden ist, um eine Aktuierung in axialer Richtung beziehungsweise in Richtung der Wickelachse zu ermöglichen, ist es bei der Erfindung vorgesehen, dass der Polymeraktuator ein Zugband ist, das an seinen Enden mit dem Aktuatorelement und dem Lagerteil verbunden ist, um durch Zugkraft einen Aktuatorvorgang auszuüben. Das Zugband ist somit nicht aufgerollt, sondern vielmehr gestreckt zwischen dem Aktuatorelement und dem Lagerteil gehalten. Zieht sich das Zugband zusammen, so wird das Aktuatorelement in Richtung des Lagerteils bewegt und ein Aktuierungsvorgang ausgeführt. Dadurch, dass das Zugband nicht als aufgerolltes Band vorliegt, wird die Längenänderung des Zugbands, und nicht wie bei einem Rollenaktuator die Breitenänderung, für die Aktuierung genutzt, und dadurch die Langhubaktuierung ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zugband derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass es sich bei Anlegen der Spannung verlängert. Im Unterschied zu bisherigen Lösungen sieht es die Erfindung somit vor, dass nicht durch das Anlegen der Spannung eine Aktuierung durchgeführt wird, sondern durch das Entfernen der elektrischen Spannung beziehungsweise durch das Verringern der elektrischen Spannung. Das Zugband weist seine maximale Länge bei maximal angelegter elektrischer Spannung auf. Ausgehend von diesem Zustand übt es eine Zugkraft aus, wenn die elektrische Spannung verringert wird. Wird die Spannung wieder erhöht, kann aufgrund der Ausgestaltung des Polymeraktuators als Zugband keine Druckkraft auf das Aktuatorelement ausgeübt werden, sofern sich das Zugband seitlich flexibel auslenken lässt. Wird eine derartige Auslenkung durch Führungsmittel oder dergleichen verhindert, ist es jedoch auch denkbar, durch das Zugband bei anlegen einer elektrischen Spannung eine Druckkraft zu erzeugen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Aktuatorelement wenigstens ein Federelement zugeordnet ist, durch welches das Zugband jederzeit mechanisch vorgespannt ist. Das Aktuatorelement wird durch das Federelement somit in eine Bewegungsrichtung gedrängt, in welcher das Zugband mechanisch vorgespannt wird. Dadurch wird die Position des Aktuatorelements durch das Federelement einerseits und das Zugband andererseits bestimmt, wobei das Zugband dem Federelement entgegenwirkt. Wird das Zugband ausgehend von einer Betriebssituation, in welcher keine Spannung angelegt ist, mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, verlängert es sich, wobei die Längenänderung durch eine Längenänderung des Federelements kompensiert wird, sodass das Zugband gespannt bleibt. Dadurch ist es möglich, durch das Anlegen einer Spannung das Aktuatorelement in die eine Richtung und durch das Verringern der elektrischen Spannung, das Aktuatorelement in die andere Richtung zu bewegen.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Federelement als Zugfeder ausgebildet und an dem Aktuatorelement einerseits und an einem ortsfesten zweiten Lager andererseits befestigt ist. Das Federelement ist somit zweckmäßigerweise auf der dem Zugband abgewandten Seite des Aktuatorelements angeordnet, sodass an dem Aktuatorelement einerseits das Federelement und andererseits das Zugband Zugkräfte ausüben. Je nachdem, ob die spannungsabhängige Zugkraft des Polymeraktuators größer oder kleiner ist als die Zugkraft des Federelements, wird das Aktuatorelement in die eine oder in die andere Richtung verlagert. Hierdurch ist eine genaue Positionierung des Aktuatorelements durch das Einstellen der elektrischen Spannung möglich.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Zugband direkt mit dem ersten Lager und dem Aktuatorelement verbunden ist. Damit ist das Zugband direkt zwischen dem Lager und dem Aktuator verspannt und bildet eine gerade Verbindung zwischen diesen. Dadurch sind die geringstmöglichen Wirkungsverluste erreicht.
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Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass das Zugband durch wenigstens eine feststehende oder drehbar gelagerte Umlenkrolle umgelenkt ist. Dadurch kann sich das Zugband zumindest abschnittsweise in eine Richtung erstrecken, die sich von der Bewegungsrichtung des Aktuatorelements unterscheidet. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den Polymeraktuator an bestimmte Bauraumbedingungen anzupassen. Durch das Umlenken des flexiblen Zugbands wird zwar der Wirkungsgrad des Polymeraktuators geringfügig aufgrund der Reibung an der Umlenkrolle verringert, jedoch ist dies im Zweifelsfall vernachlässigbar gegenüber der besseren Anordnung des Polymeraktuators im vorhandenen Bauraum. Zweckmäßigerweise kann das Zugband auch um mehrere Umlenkrollen umgelenkt sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass zur Ausübung besonders hoher Kräfte, das Zugband in der Art eines Seilzugs um mehrere Umlenkrollen umgelenkt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zugband eine oder mehrere dielektrische Schichten, die jeweils zwischen zwei flexiblen Elektrodenschichten liegen, aufweist. Das Zugband kann insofern einschichtig, also mit einer dielektrischen Schicht, die zwischen zwei Elektrodenschichten liegt, oder mehrschichtig, also mit mehreren dielektrischen Schichten, die zwischen jeweils zwei Elektroden liegen, gefertigt sein. Bei einem mehrschichtigen Aufbau ist insbesondere vorgesehen, dass jeweils zwei benachbarte Schichten sich eine Elektrode teilen, sodass zwischen zwei dielektrischen Schichten nur eine Elektrodenschicht liegt. Insgesamt ist hierdurch ein vorteilhafter und kompakter Aufbau des Zugbands ermöglicht. In Abhängigkeit der Anzahl der verwendeten Schichten lässt sich dabei die Zugkraft des Zugbands an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
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Die Aktuatorvorrichtung zeichnet sich insbesondere außerdem durch eine Steuereinrichtung aus, die bei Bedarf das Zugband mit der elektrischen Spannung beaufschlagt. Die Steuereinrichtung ist somit elektrisch mit den Elektroden des Zugbands verbunden, um bei Bedarf den Aktuierungsprozess durchzuführen. Insbesondere weist die Aktuatorvorrichtung außerdem einen Energiespeicher zur Bereitstellung der für den Aktuierungsprozess notwendigen elektrischen Energie auf. Insbesondere handelt es sich bei dem Energiespeicher um eine wiederaufladbare Batterie, insbesondere Kraftfahrzeugbatterie.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Aktuatorvorrichtung, insbesondere die Steuereinrichtung, eine Messeinrichtung aufweist, die eine aktuelle Kapazität oder Kapazitätsänderung des Zugbands zur Bestimmung der aktuellen Länge des Zugbands überwacht. Durch die Messeinrichtung wird also die Kapazität des Zugbands erfasst und überwacht. In Abhängigkeit der aktuellen Kapazität wird bevorzugt die Länge des Zugbands und damit die Position des Aktuatorelements ermittelt beziehungsweise berechnet. Somit ist es mittels der Messeinrichtung auf einfache Art und Weise möglich, die Position und/oder Bewegungsgeschwindigkeit des Aktuatorelements zu ermitteln und bei der Ansteuerung beziehungsweise bei der Beaufschlagung des Zugbands mit der elektrischen Spannung zu berücksichtigen.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Aktuatorvorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1A und 1B eine Aktuatorvorrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2A und 2B die Aktuatorvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 die Aktuatorvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
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4A und 4B die Aktuatorvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel und
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5A und 5B unterschiedliche Ausführungsformen eines Polymeraktuators der Aktuatorvorrichtung in jeweils einer Schnittdarstellung.
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1A und 1B zeigen in einer vereinfachten Darstellung eine Aktuatorvorrichtung 1 in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen. Die Aktuatorvorrichtung 1 weist ein Trägerelement oder Gehäuse 2 auf, in welchem ein Aktuatorelement 3 verschiebbar gelagert ist. Zum Verschieben des Aktuatorelements 3 sind ein Polymeraktuator 4 und ein Federelement 5 vorhanden, die jeweils mit dem Aktuatorelement 3 und mit dem Gehäuse 2 verbunden sind. Dabei liegt das Aktuatorelement 3 zwischen dem Polymeraktuator 4 und dem Federelement 5.
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Der Polymeraktuator 4 ist als flexibles Zugband 6 ausgebildet, das an dem Aktuatorelement 3 einerseits und an einem Lagerteil 7 des Gehäuses 2 andererseits befestigt. Das Zugband ist somit der Länge nach zwischen dem Aktuatorelement 3 und dem Lagerteil 7 angeordnet. Das Zugband 6 weist eine dielektrische Elastomerschicht 8 auf, die zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten 9 und 10 angeordnet ist, die Elektroden bilden. Die beiden Schichten 9 und 10 sind mit einer Steuereinrichtung 11 verbunden, welche bei Bedarf die Elektroden mit einer elektrischen Spannung UEAP beaufschlagt. Wird das Zugband 6 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so wird gemäß dem Wirkprinzip von Polymeraktuatoren erreicht, dass sich die Elektroden 10 und 9 gegenseitig anziehen, wodurch die dazwischenliegende Elastomerschicht 8 in Längsrichtung des Zugbands 6 gestreckt wird, sodass sich das Zugband 6 verlängert.
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Das Federelement 5 ist vorliegend als Zugfeder ausgebildet, die einendig an dem Aktuatorelement 3 und anderendig an einem zweiten Lagerteil 12 des Gehäuses 2 befestigt ist. Die Zugfeder wirkt somit dem Zugband 6 entgegen. Dadurch entsteht ein Kräftegleichgewicht an dem Aktuatorelement 3, das entweder zum Bewegen eines weiteren Objekts ausgebildet ist, oder das zu bewegende Objekt selbst darstellt. Das Kräftegleichgewicht entsteht durch die elastische Rückstellkraft des Zugbands 6 einerseits und durch die Zugkraft des Federelements 5 andererseits, wobei die Kräfte entgegengerichtet sind. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an das Zugband 6 durch die Steuereinrichtung 11 wird die elastische Rückhaltekraft des Zugbands 6 aufgrund der Längung des Zugbands 6 geschwächt beziehungsweise verringert. Dies führt dazu, dass das Kräftegleichgewicht aufgelöst wird und die Zugkraft des Federelements 5 die Zugkraft des Zugbands 6 übersteigt. Dadurch wird das Aktuatorelement 3 durch das Federelement 5 in Richtung des Lagerteils 12 wegbewegt, wobei sich das Zugband 6 verlängert, bis sich wieder ein neues Kräftegleichgewicht einstellt.
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Dadurch kann das Aktuatorelement 3 beispielsweise in die in 1B gezeigte Position bei anliegender Maximalspannung verlagert werden. Der dabei zurückgelegte Weg ausgehend von der Ausgangssituation, wie sie in 1A dargestellt ist, wenn kein elektrische Spannung an dem Zugband 6 anliegt, wird auch als Hub H bezeichnet. Wird die elektrische Spannung verringert beziehungsweise auf null geführt, kehrt das Reversibilitätsprinzip ein und das Aktuatorelement 3 bewegt sich wieder in Richtung des Zugbands 6, weil dann dessen Rückstellkraft FRAP größer wird als die Rückstellkraft des Federelements 5. Beim Verschieben des Aktuatorelements 3 ist selbstverständlich auch dessen Masse m zu berücksichtigen, die zusammen mit der Schwerkraft zu einer Gewichtskraft Fmg führt, welche die Reibung zwischen dem Aktuatorelement 3 und dem Gehäuse 2 beeinflusst.
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Um die in 1B gezeigte Stellung des Aktuatorelements 3 beizubehalten, muss das Zugband 6 nicht unbedingt dauerhaft mit der maixmalen elektrischen Spannung UEAP = Vmax beaufschlagt werden. Es ist lediglich dafür Sorge zu tragen, dass die durch den insbesondere geringen Leckagestom verlorengehende elektrische Ladung nachgeführt wird. Energetisch gesehen ist dieser Zustand auch auf lange Sicht vertretbar.
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2A und 2B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Aktuatorvorrichtung 1, wobei das Funktionsprinzip dem des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Aus dem ersten Ausführungsbeispiel bereits bekannte Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Dies gilt auch für die weiteren Ausführungsbeispiele. Im Folgenden soll im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Aktuatorvorrichtung zum Bewegen einer externen Last ausgebildet, die in 2A und 2B durch ein weiteres Federelement 13 dargestellt ist.
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Das Federelement 13 beziehungsweise die externe Last wirkt dabei eine Kraft auf das Aktuatorelement 3 aus, die der Zugkraft des Polymeraktuators 4 entgegenwirkt. Wenn das Aktuatorelement 3 in der Figur von rechts nach links bewegt werden soll, um einen Hub auszuüben oder eine Kraft aufzubringen, wird ausgehend von dem in 2A dargestellten Zustand, bei welchem die beauschlagte Spannung UEAP = 0 V beträgt, die Spannung erhöht, sodass die Federkraft FF des Federelements F zusammen mit der Kraft FL der externen Last 13 die Kraft des Zugbandes 6 übersteigt und dadurch das Aktuatorelement 3 von rechts nach links in 2 bewegt, bis ein Kräftegleichgewicht wiederhergestellt ist. Bei einer Bewegung in die entgegengesetzte Richtung wird wie entsprechend zu 1B beschrieben, vorgegangen und eine eingestellte Spannung UEAP > 0V verringert, sodass die Zugkraft des Polymeraktuators 4 zunimmt und dadurch das Aktuatorelement 3 nach rechts bewegt.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Aktuatorvorrichtung 1, das sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass sowohl eine interne Masse m in Form des Aktuatorelements 3 als auch eine externe Last 13 bewegt werden soll. Im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel, bei welchem das Aktuatorelement 3 eine geringer Masse aufweist, weist das Aktuatorelement 3 nunmehr eine zu bewegende Masse auf. Der Betrieb der Aktuatorvorrichtung 1 wird jedoch wie zuvor beschrieben vorgenommen.
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4A und 4B zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der Aktuatorvorrichtung 1, bei welchem im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen kein zusätzliches Federelement 5, das ansonsten auch als Arbeitsfeder bezeichnet werden kann, vorgesehen ist. Vielmehr wirkt lediglich die externe Last mit der Kraft FL dem Zugband entgegen. Bei der externen Kraft FL kann es sich beispielsweise um eine Gewichtskraft handeln. Wie zuvor beschrieben, wird das Aktuatorelement 3, auf welches die externe Last FL wirkt, entgegen der Kraft FL verlagert, indem das Zugband 6 durch Verringern der anliegenden elektrischen Spannung mechanisch gespannt und gekürzt wird, sodass ein Zustand, wie in 4B gezeigt, eingestellt wird. Durch Erhöhen der elektrischen Spannung wird das Zugband 6 durch die externe Last FL wieder gespannt und gelenkt, wie in 4A gezeigt.
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Der Polymeraktuator 4 verrichtet somit in der Aktuatorvorrichtung 1 Arbeit nicht beim Anlegen einer elektrischen Spannung, sondern beim Verringern der elektrischen Spannung.
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Das Zugband 6, das insbesondere in der Art eines Gummibands ausgebildet ist, kann beliebige Formen annehmen und sich so an unterschiedliche Anforderungen, wie beispielsweise eine gewünschte Kraft-Weg-Charakteristik oder an den vorhandenen Bauraum anpassen. Insbesondere ist es möglich, dass das Zugband 6 aufgrund seiner Elastizität auch um eine oder mehrere Umlenkrollen geführt ist, um bei gleichbleibendem Hub H weniger Bauraum zu benötigen.
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5A und 5B zeigen unterschiedliche Querschnittsgeometrien des Zugbands 6. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 5A ist vorgesehen, dass der Polymeraktuator 4 beziehungsweise das Zugband 6 einschichtig ausgebildet sind. Dazu ist die elektroaktive Elastomerschicht 8 zwischen den zwei Elektroden 9 und 10 angeordnet. Vorteilhafterweise ist dieser Plattenkondensatorverbund durch eine Gummischutzschicht 14 umgeben.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 5B ist hingegen vorgesehen, dass der Polymeraktuator 4 beziehungsweise das Zugband 6 mehrschichtig ausgebildet ist, sodass mehrere elektroaktive Elastomerschichten beziehungsweise Dielektrikum-Schichten 8 übereinander gestapelt angeordnet sind, wobei jede Elastomerschicht 8 zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten 9, 10 beziehungsweise 15 liegen. Die Zwischenschichten 15 liegen dabei zwischen jeweils zwei Elastomerschichten 8. Auch dieser mehrschichtige Plattenkondensatorverbund ist bevorzugt durch die Gummihülle 14 umgeben, die elastisch verformbar ausgebildet ist, und den Plattenkondensatorverbund vor äußeren Einflüssen schützt.
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Die Steuereinrichtung 11 überwacht zweckmäßigerweise mittels einer Messeinrichtung die elektrische Kapazität des Zugbands 6 und erfasst dadurch auch Kapazitätsänderungen. Da die Längenänderung des Zugbands 6 mit der Schichtdickenänderung proportional ist, ändert sich die Kapazität des Plattenkondensatorverbunds in Abhängigkeit der Längenänderung, sodass in Abhängigkeit der Kapazität auf die Längenänderung beziehungsweise die aktuelle Länge des Zugbands 6 geschlossen werden kann. Dadurch ist es möglich, insbesondere wenn die Kapazität über i = C × dU/dt ermittelt wird, auf die tatsächliche Länge des Zugbandes 6 und damit auf die Position des Aktuatorelements 3 geschlossen werden. Durch eine Ableitung der Position ist dabei auch die Ermittlung der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Aktuatorelements 3 möglich.
