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Die Erfindung betrifft einen Folienwandler und einen Aktorstreifen für einen Folienwandler.
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Der Folienwandler kann dafür verwendet werden, elektrische Energie in mechanische Arbeit umzusetzen. Bekannt ist beispielsweise, ihn als Aktor einzusetzen.
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Ein Folienwandler weist einen elektroaktiven Verbundaufbau auf, der vereinfacht ausgedrückt aus einem elastisch verformbaren Dielektrikum in der Form einer dünnen Folie besteht, die als Träger für die beiden Elektroden dient. Die Elektroden sind auf der Oberseite und der Unterseite der Folie angebracht. Wenn zwischen den beiden Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt wird, entsteht eine Anziehungskraft zwischen den Elektroden, sodass diese versuchen, den Abstand zwischen sich zu verringern. Dadurch wird der Träger zusammengedrückt. Da das Material des Trägers im Wesentlichen inkompressibel ist, ergibt sich aus einer Verringerung der Dicke des Trägers eine Zunahme der Länge. Hierdurch kann ein Hub des Lastangriffselements erzeugt werden, beispielsweise wenn dieses von einer Feder in eine bestimmte Richtung beaufschlagt wird.
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Im Stand der Technik wird das Halteteil üblicherweise als geschlossener Ring oder Rahmen ausgeführt, der den Verbundaufbau an allen Seiten umschließt. Dieser Rahmen und der Träger können beispielsweise in einer Draufsicht eine Kreisform oder eine rechteckige Form haben. Es hat sich herausgestellt, dass diese Form des Halteteils für verschiedene Anwendungen nicht optimal ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den bekannten Folienwandler so zu verbessern, dass sich ein besseres Verstellverhalten des Lastangriffselements ergibt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Folienwandler vorgesehen mit einem Halteteil, einem elektroaktiven Mehrschicht-Verbundaufbau, der mindestens einen und vorzugsweise mehrere verformbare Träger aufweist, die jeweils auf mindestens einer Seite mit einer flächigen Elektrode beschichtet sind, wobei der Mehrschicht-Verbundaufbau eine langgestreckt rechteckige Grundform aufweist und an seinen kürzeren Seiten in einem Fixierungsabschnitt im Halteteil eingespannt ist, während die längeren Seiten frei sind, wobei die Elektroden des Mehrschicht-Verbundaufbaus abwechselnd an den im Halteteil eingespannten Enden mit einem Kontaktelement verbunden sind, das im Fixierungsabschnitt angeordnet ist. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, einen streifenförmigen Verbundaufbau zu verwenden, der mehrere aufeinandergestapelte Schichten aus Trägern und Elektroden aufweist. Da der Mehrschicht-Verbundaufbau im Halteteil lediglich an den beiden voneinander abgewandten Enden fixiert ist, kann sich insbesondere der zwischen diesen beiden Enden liegende Mittelabschnitt des Streifens sehr gut verformen, da sich die längeren Seiten unbeeinträchtigt vom Halteteil bewegen können. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Folienwandler schmal baut und daher besonders gut für Anwendungen geeignet ist, in denen wenig Bauraum zur Verfügung steht.
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Vorzugsweise ist im Fixierungsabschnitt ein Federelement angeordnet, mit dem die dort eingespannten Enden des Mehrschicht-Verbundaufbaus zusammengedrückt werden. Das Federelement sorgt für eine elastische Vorspannung, sodass der Verbundaufbau auch bei Bewegungserscheinungen und eventuellen Setzungserscheinungen zuverlässig in den Fixierungsabschnitten eingespannt bleibt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Kontaktelement ein Kontaktschwert ist, das in eine Ausnehmung im Halteteil eingeschoben ist. Mit dem Kontaktschwert können die Elektroden zuverlässig kontaktiert werden, nachdem der Verbundaufbau in den Fixierungsabschnitten festgelegt ist.
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Im Hinblick auf eine optimale Effizienz sind die Elektroden abwechselnd in einem und im anderen Fixierungsabschnitt kontaktiert. Dies führt zu einem in Stapelrichtung betrachtet besonders platzsparenden Aufbau, da nicht je Träger zwei Elektroden verwendet werden, sondern die innerhalb des Mehrschicht-Verbundaufbaus angeordneten Elektroden sowohl für den darüberliegenden Träger als auch den darunterliegenden Träger wirken. Es ist somit möglich, entweder genauso viele Elektroden wie Träger zu verwenden (wobei dann ein Träger auf einer der Außenseiten des Mehrschicht-Verbundaufbaus freiliegt und nicht aktiviert werden kann) oder genau eine Elektrode mehr zu verwenden als Träger vorhanden sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die im Fixierungsabschnitt des Halteteils eingespannten Enden des Mehrschicht-Verbundaufbaus gegenüber ihrer Erstreckungsrichtung zwischen den beiden Fixierungsabschnitten umgebogen sind. Hierdurch erstrecken sich die Elektroden etwa senkrecht zur Ebene des Trägers, sodass auf der Außenseite des Mehrschicht-Verbundaufbaus eine große Fläche zur Kontaktierung der Elektroden zur Verfügung steht.
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Die Elektroden sind dabei vorzugsweise auf der Seite des Trägers angeordnet, die nach dem Umbiegen dem Kontaktelement zugeordnet ist. Dieses kann sich außerhalb des Mehrschicht-Verbundaufbaus erstrecken, sodass die Träger nicht mechanisch beschädigt werden oder durchstoßen werden müssen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Elektroden sich an einem Ende des Mehrschicht-Verbundaufbaus bis zum Rand des Trägers erstrecken und am gegenüberliegenden Ende im Abstand vom Rand enden. Hierdurch ist konstruktiv gewährleistet, dass die Elektroden abwechselnd kontaktiert werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Träger mit einer Kontaktzunge versehen sind, die mit der Elektrode beschichtet ist. Die Kontaktzungen können in einer für die Kontaktierung vorteilhaften Position angeordnet werden.
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Dabei ist es möglich, dass die Kontaktzungen in einer Draufsicht gestuft angeordnet werden. Dies ermöglicht, die umgebogenen Kontaktzungen seitlich nebeneinander anzuordnen, sodass kein übermäßig dickes Paket von Kontaktzungen entsteht, welches schlecht umgebogen werden könnte.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Träger des Mehrschicht-Verbundaufbaus unterschiedliche Längen haben und so geschichtet sind, dass ihre Enden, in einer Draufsicht, gestuft angeordnet sind. Auch hierdurch lässt sich verhindern, dass beim Umbiegen der Enden der mit den Elektroden beschichteten Träger ein schlecht handhabbares, dickes Paket entsteht.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Elektroden mit einer Kontaktfahne versehen sind, die im entsprechenden Fixierungsabschnitt kontaktiert ist. Dies bietet sich dann an, wenn zur Kontaktierung mehr Material gewünscht ist, beispielsweise wenn die Kontaktfahnen miteinander verlötet werden sollen.
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Es kann auch ein leitfähiger Kleber verwendet werden, mit dem die Elektroden miteinander elektrisch leitend verklebt sind.
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Vorzugsweise ist eine elektronische Schaltung vorgesehen, die mit den Kontaktelementen verbunden ist. Auf diese Weise kann ein integriertes Bauteil hergestellt werden, das abgesehen von einer Energieversorgung und einer Datenleitung autark ist.
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Die elektronische Schaltung kann in das Halteteil integriert sein, beispielsweise geeignet eingegossen, sodass sie gut geschützt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Montageplatte vorgesehen, an der das Halteteil angebracht ist. Die Montageplatte dient als Versteifung und/oder als Abdeckung für den Folienwandler, sodass der Folienwandler gut geschützt ist und zuverlässig montiert werden kann.
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Die elektronische Schaltung kann auch an der Montageplatte angebracht oder in diese integriert sein, sodass sie gut geschützt ist.
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Vorzugsweise ist zwischen der Montageplatte und dem Lastangriffselement ein Federelement angeordnet. Dieses beaufschlagt den Mehrschicht-Verbundaufbau in einer Auslenkungsrichtung, sodass die Hubrichtung des Folienwandlers präzise definiert ist.
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Am Mehrschicht-Verbundaufbau kann zwischen den Fixierungsabschnitten ein Lastangriffselement angeordnet sein. An diesem können Kräfte in den Mehrschicht-Verbundaufbau eingeleitet beziehungsweise von diesem abgenommen werden. Das Lastangriffselement gewährleistet dabei, dass der Mehrschicht-Verbundaufbau nicht beschädigt wird.
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Das Lastangriffselement kann eine Platte oder ein Stößel sein.
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Im Hinblick auf eine kompakte Gestaltung ist vorgesehen, dass der Stößel sich durch die Montageplatte und durch das Federelement hindurch erstreckt. Der Stößel kann auch becherförmig ausgeführt sein und das Federelement in seinem Inneren aufnehmen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Lastangriffselement ein Schieber ist, der im Halteteil verschiebbar geführt ist und an dem sich das Federelement abstützt. Bei dieser Ausgestaltung wird der Mehrschicht-Verbundaufbau in seitlicher Richtung geführt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Halteteil aus einem Material besteht, das eine höhere Härte aufweist als der Mehrschicht-Verbundaufbau. Das Halteteil kann daher bei den auftretenden Kräften als starr angesehen werden.
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Der Träger ist vorzugsweise ein Dielektrikum, insbesondere ein dielektrisches Polymer. Dieses zeichnet sich durch eine hohe Verformbarkeit aus.
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Geeignete Materialien für den Träger sind eine Folie oder ein Film aus einem Polymer, einem Silikon, aus Acrylat oder PU.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass das Dielektrikum ein gedrucktes Bauteil ist, das insbesondere durch Sieb-Druck-Verfahren, ein Tampon-Druck-Verfahren oder ein 3D-Druck-Verfahren als dünner Film hergestellt worden ist. Mit solchen Verfahren kann der Träger flexibel mit jeweils gewünschten Abmessungen hergestellt werden.
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Das Dielektrikum kann auch ein gegossenes Bauteil sein, das beispielsweise als Rotationsbeschichtung hergestellt ist.
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Die Elektroden, die auf den Trägern angeordnet sind, können aus einer Mischung aus einem Matrixmaterial, einem leitfähigen Material, Lösungsmitteln und Zusätzen bestehen. Dies gewährleistet, dass die Elektroden gut verformbar sind.
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Als Matrixmaterial für die Elektroden kann ein Elastomer-Material verwendet werden, beispielsweise Silikon, Acrylat oder PU. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Verformbarkeit und eine gute Alterungsbeständigkeit aus.
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Das leitfähige Material für die Elektroden kann Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, leitfähige Polymere, Nanodrähte oder eine Mischung aus diesen Materialien sein. Diese Materialien gewährleisten, wenn sie im Matrixmaterial eingebettet sind, eine hohe elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig guter Verformbarkeit.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Elektroden ein gedrucktes Bauteil sind, das insbesondere durch Sieb-Druck-Verfahren, Tampon-Druck-Verfahren, 3D-Druck-Verfahren, Laminierung, Inkjet-Druckverfahren oder Aerosoljet-Verfahren als dünne Schicht aufgebracht worden ist. Mit diesen Verfahren können die Elektroden mit geringem Aufwand in der jeweils gewünschten Geometrie auf dem Träger angeordnet werden.
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Es ist auch möglich, dass die Elektrode separat hergestellt und anschließend mit dem Träger verklebt wird.
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Der Folienwandler kann zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Arbeit verwendet werden. In diesem Fall wirkt er als Aktor.
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Es ist auch möglich, den Folienwandler zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie zu verwenden. Hierbei ändert sich der Abstand der Elektroden voneinander, wenn das Lastangriffselement von außen bewegt wird. Ähnlich wie bei einem aufgeladenen Kondensator, bei dem der Abstand der Kondensatorplatten voneinander geändert wird, ändert sich in diesem Fall beim Folienwandler die Spannung zwischen den Elektroden. Der Folienwandler kann also ähnlich wie ein Sensor oder wie ein Generator eingesetzt werden.
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Das Halteteil kann ein gedrucktes Bauteil sein, beispielsweise hergestellt durch ein Sieb-Druck-Verfahren, ein Tampon-Druck-Verfahren oder ein 3D-Druck-Verfahren. Hierdurch können unterschiedliche Geometrien in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall flexibel hergestellt werden.
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Es ist auch möglich, dass das Halteteil ein Spritzgussteil ist, das in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden kann.
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Als Material für das Halteteil ist insbesondere Epoxidharz geeignet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Mehrschicht-Verbundaufbau ähnlich wie in einem Trampolin gespannt im Halteteil angebracht ist. Der Mehrschicht-Verbundaufbau führt also einen Hub aus, der im Wesentlichen senkrecht zu seiner Erstreckungsrichtung und damit auch senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung ist. Insgesamt ergibt sich dadurch eine geringe Bauhöhe.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Mehrschicht-Verbundaufbau schlaufenähnlich verläuft. Anders ausgedrückt: der Mehrschicht-Verbundaufbau hängt (auch wenn er gespannt sein kann) zwischen den Fixierabschnitten durch, erstreckt sich also weg von der Ebene, die durch die beiden Fixierabschnitte verläuft. Dadurch fällt die Ausdehnungsrichtung des Mehrschicht-Verbundaufbaus mit der Hubrichtung zusammen, so dass größere Hübe realisiert werden können. Außerdem verringert sich die Baubreite des Aktors.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Mehrschicht-Verbundaufbau mittig mit einen Betätigungsabschnitt versehen ist. Dieser kann mit einem Ventilsitz zusammenwirken und je nach Aktivierungszustand des Folienwandlers den Ventilsitz schließen oder freigeben.
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Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Betätigungsabschnitt frei von Elektroden ist. Diese werden nur in Abschnitten vorgesehen, die zur Längenänderung des Aktors verwendet werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Halteteil ein Ring ist. Dies ermöglicht es, einen Mehrschicht-Verbundaufbau gleichmäßig einzuspannen, der nicht aus einem einzigen, sich gerade erstreckenden Streifen besteht, sondern komplexere Formen hat.
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Insbesondere kann der Mehrschicht-Verbundaufbau eine sternförmige Form haben, beispielsweise mit drei vom Betätigungsabschnitt in gleichmäßigem Abstand sich nach außen erstreckende Abschnitte. Dies ermöglicht es, die Betätigungskraft zu erhöhen, während der Betätigungsabschnitt gleichmäßig beaufschlagt wird.
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Die Erfindung betrifft auch einen Aktorstreifen für einen Folienwandler, wie er vorstehend beschrieben wurde, wobei der Aktorstreifen einen Träger enthält, der aus einer elastisch verformbaren Kunststofffolie besteht und in einer Draufsicht eine allgemein langgestreckte, rechteckige Form hat, und eine flächige Elektrode, die mit dem Träger fest verbunden ist und an einem der beiden kürzeren Seitenränder des Trägers einen Kontaktierungsabschnitt bildet. Aus einem solchen Aktorstreifen kann mit geringem Aufwand ein Mehrschicht-Verbundaufbau hergestellt werden, indem die einzelnen Streifen miteinander verklebt oder aufeinander laminiert werden. „Rechteckig“ bedeutet hier in gleicher Weise wie für den Folienwandler insbesondere, dass es zwei längere Seitenränder und zwei kürzere Seitenränder gibt. Beispielsweise beträgt die Länge der längeren Seitenränder mindestens das Doppelte der Länge der kürzeren Seitenränder. „Rechteckig“ bedeutet nicht notwendigerweise, dass der Folienaufbau zwingend gerade Seitenränder und/oder Ecken aufweist. Der Folienaufbau kann eine „Bootsform“, eine Nierenform etc. aufweisen.
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Um die Kontaktierung zu erleichtern, kann der Kontaktierungsabschnitt eine in Längsrichtung überstehende Kontaktfahne aufweisen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Kontaktierungsabschnitt eine Kontaktzunge ist, die mit der Elektrode elektrisch leitend verbunden ist. Dies ermöglicht es, die Kontaktzungen untereinander zu verlöten.
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Der Träger besteht vorzugsweise aus einem dielektrischen Polymer, sodass er gut verformbar ist.
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Die Elektrode besteht vorzugsweise aus einem elastischen, elektrisch leitenden Kunststoff. Sie ist somit ebenso gut verformbar wie der Träger, sodass ein insgesamt sehr gut elastisch verformbarer Aktorstreifen gebildet ist.
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Zur Lösung der o.g. Aufgabe ist erfindungsgemäß auch ein Verfahren zur Kontaktierung der Elektroden eines Mehrschicht-Verbundaufbaus zur Herstellung eines Folienwandlers vorgesehen, wobei mindestens ein Aktorstreifen so in einem Halteteil angeordnet wird, dass er mit einem Kontaktierungsabschnitt über einen Fixierabschnitt des Halteteils übersteht. Anschließend wird der Kontaktierungsabschnitt wird gegenüber der Ausrichtung des Aktorstreifens zwischen den Fixierabschnitten umgebogen, und der Kontaktierungsabschnitt wird kontaktiert. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand zuverlässig eine hohe Zahl von Aktorstreifen in einem Verbundaufbau zuverlässig kontaktiert werden.
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Vorzugsweise werden mehrere Aktorstreifen gestapelt, wobei die Kontaktierungsabschnitte sich abwechselnd auf entgegengesetzten Seiten des Verbundaufbaus befinden. Es muss dann nicht jeder Aktorstreifen separat kontaktiert werden, sondern es werden alle „ungeraden“ Aktorstreifen einerseits und alle „geraden“ Aktorstreifen andererseits jeweils auf ein und dasselbe Potential gebracht.
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Zum Kontaktieren sind verschiedene Verfahren geeignet. Es kann vorgesehene sein, dass zum Kontaktieren ein Kontaktschwert eingeschoben wird, welches alle sich auf der entsprechenden Seite des Halteteils befindenden Kontaktierungsabschnitte kontaktiert. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Kontaktierungsabschnitte mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers kontaktiert werden. Alternativ ist möglich, dass die Kontaktierungsabschnitte miteinander verlötet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
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1 in einer perspektivischen Ansicht einen Folienwandler gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 den Folienwandler von 1 in einer perspektivischen Explosionsansicht;
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3 den Folienwandler von 1 in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht;
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4 das Detail IV von 3;
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5 in einer Draufsicht einen mit einer Elektrode versehenen Träger eines ersten Typs, der im Folienwandler von 1 verwendet wird;
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6 in einer Draufsicht einen Träger eines zweiten Typs;
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7 den Träger von 6 in einer Seitenansicht;
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8 das Detail VIII von 7;
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9 in einer perspektivischen Ansicht das Detail VIII von 8;
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10 in einer Draufsicht einen mit einer Elektrode versehenen Träger gemäß einer ersten Ausführungsvariante;
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11 in einer Draufsicht einen mit einer Elektrode versehenen Träger gemäß einer zweiten Ausführungsvariante;
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12 in einer Draufsicht einen mit einer Elektrode versehenen Träger gemäß einer dritten Ausführungsvariante;
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13 einen Mehrschicht-Verbundaufbau, der aus verschiedenen Varianten der in 12 gezeigten Ausführungsvariante gebildet ist;
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14 in einer Draufsicht einen mit einer Elektrode versehenen Träger gemäß einer vierten Ausführungsvariante;
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15 einen Mehrschicht-Verbundaufbau, der aus verschiedenen Varianten der in 14 gezeigten Ausführungsvariante gebildet ist;
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16 in einer perspektivischen, geschnittenen Ansicht einen Folienwandler gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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17 den Folienwandler von 16 in einer perspektivischen Explosionsansicht;
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18 in einer perspektivischen, geschnittenen Ansicht einen Folienwandler gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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19 den Folienwandler von 18 in einer Explosionsansicht;
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20 in einem Längsschnitt den Folienwandler von 18 im nicht aktivierten Zustand;
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21 in einem Längsschnitt den Folienwandler von 18 im aktivierten Zustand;
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22 in einer perspektivischen, geschnittenen Ansicht einen Folienwandler gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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23 den Folienwandler von 22, wobei der besseren Übersichtlichkeit halber eine Montageplatte nicht dargestellt ist;
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24 in vergrößertem Maßstab das Detail XXIV von 23;
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25 in einer schematischen Ansicht einen Folienwandler gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
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26 in einer Draufsicht ein Ventil mit einem Folienwandler gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
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27 einen Schnitt entlang der Ebene XXVII-XXVII von 26, wobei sich das Ventil im geschlossenen Zustand befindet;
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28 einen Ausschnitt aus 27, wobei sich das Ventil in einem geöffneten Zustand befindet
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29 einen Schnitt entlang der Ebene XXVIII-XXVIII von 26;
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30 den Folienwander gemäß der sechsten Ausführungsform in einer Draufsicht;
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31 den Folienwander von 30 in einer Schnittansicht;
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32 den Folienwander von 30 in einer perspektivischen Ansicht;
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33 einen Rahmen des Folienwandlers von 30 in einer perspektivischen Ansicht;
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34 den Mehrschicht-Verbundaufbau für den Folienwandler von 30 in einer perspektivischen Ansicht;
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35 eine Variante des Folienwandlers gemäß der sechsten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht; und
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36 den Folienwandler von 35 in einer Explosionsansicht.
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In den 1 bis 9 ist ein Folienwandler 2 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Er enthält einen Mehrschicht-Verbundaufbau 10 und ein Halteteil 50.
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Der Mehrschicht-Verbundaufbau 10 ist ein Stapel aus abwechselnd angeordneten Trägern 12 und flächigen Elektroden 14.
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Jeder Träger 12 (siehe insbesondere die 5 und 6) hat eine langgestreckte, rechteckige Grundform. Er besteht aus einer Folie oder einem Film aus einem elastisch verformbaren, dielektrischen Material.
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Bei dem elastisch verformbaren, dielektrischen Material handelt es sich insbesondere um ein elektroaktives Polymer, um Silikon, Acrylat oder PU.
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Die flächige Elektrode 14 ist in derselben Weise elastisch verformbar wie der Träger 12. Grundsätzlich ist möglich, die Elektrode separat vom Träger herzustellen und dann mit dem Träger zu verbinden, beispielsweise indem sie aufgeklebt oder auflaminiert wird. Vorzugsweise wird die Elektrode 14 jedoch als Beschichtung des Trägers ausgeführt, beispielsweise indem sie direkt aufgedruckt wird.
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Die Elektroden bestehen aus einem Matrixmaterial, beispielsweise Silikon, Acrylat oder PU, das mit einem leitfähigen Material versehen ist, beispielsweise Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, leitfähigen Polymeren, Nanodrähten oder einer Mischung auf diesen Materialien.
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Wie insbesondere aus den 5 und 6 zu ersehen ist, gibt es zwei unterschiedliche Arten von Trägern. Bei dem in 5 gezeigten ersten Typ erstreckt sich die Elektrode 14 bis auf den linken Rand des Trägers, während der rechte Rand frei bleibt. Bei dem in 6 gezeigten zweiten Typ ist es genau umgekehrt; die Elektrode erstreckt sich bis zum rechten Rand des Trägers 12, während der linke Rand frei bleibt.
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Die in den 5 und 6 gezeigten Typen von mit Elektroden beschichteten Trägern unterscheiden sich tatsächlich nur hinsichtlich ihrer Ausrichtung im Folienwandler 2; tatsächlich sind sie hier geometrisch identisch.
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Jeder mit einer Elektrode 14 versehene Träger 12 ist mit einem Lastangriffselement 16 versehen, mit dem später eine Kraft in den Mehrschicht-Verbundaufbau 10 eingeleitet oder von diesem abgenommen werden kann. Das Lastangriffselement 16 kann entweder als am Träger 12 bzw. der Elektrode 14 ausgebildetes Verstärkungsplättchen ausgeführt sein oder aus einer nicht (mit Elektroden) beschichteten Region oder auch aus einer Öffnung bestehen, durch die hindurch sich ein Befestigungselement erstreckt, das zwei außenliegende Platten miteinander verbindet, zwischen denen der Mehrschicht-Verbundaufbau 10 eingespannt ist.
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Der Mehrschicht-Verbundaufbau 10 besteht aus einer größeren Anzahl von mit Elektroden 14 versehenen Trägern 12, wobei sich jeweils der erste und der zweite Typ abwechseln.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mit den Elektroden 14 beschichteten Träger 12 in ihrer Längsrichtung betrachtet geringfügig abwechselnd gegeneinander verschoben angeordnet werden, sodass auf jeder Seite die kürzeren Seitenränder des rechteckigen Trägers weiter aus dem gebildeten Stapel herausragen, bei denen sich die Elektroden 14 bis zum äußersten Rand des Trägers 12 erstrecken.
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Die mit der Elektrode 14 versehenen Träger 12 können als separate Aktorstreifen 18 hergestellt werden, die anschließend miteinander zum Mehrschicht-Verbundaufbau verbunden werden. Zu diesem Zweck können sie miteinander verklebt oder aufeinander laminiert werden. Es ist auch möglich, die Träger und die Elektroden schichtweise zu drucken und auf diese Weise den Mehrschicht-Verbundaufbau 10 lagenweise herzustellen.
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Der Verbundaufbau 10 ist innerhalb des Halteteils 50 eingespannt. Das Halteteil 50 ist nach Art eines länglichen Rahmens ausgeführt, der hier aus einem Oberteil 50A und einem Unterteil 50B besteht.
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Das Halteteil 50 weist an seinen kürzeren Seitenrändern jeweils einen Fixierungsabschnitt 52 auf, der dafür dient, die kürzeren Seitenränder des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10 mechanisch einzuspannen und zu halten. Hierfür ist ein Widerlager 54 im Unterteil 50B vorgesehen, gegen das die Außenränder des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10 vom Oberteil 50A gedrückt werden.
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Das Oberteil 50A ist hier mit zwei Federelementen 56 versehen, die den Folienstapel des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10 elastisch gegen die Widerlager 54 drücken. Die Federelemente können durch einstückig mit dem Oberteil 50A ausgeführte Federlaschen gebildet sein oder durch einen Schieber, der von separaten Federn beaufschlagt wird.
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Die beiden Fixierungsabschnitte 52 des Halteteils 50 sind durch zwei Verbindungsabschnitte 58 miteinander verbunden, die sich entlang den längeren Seitenrändern des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10 erstrecken.
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Wie insbesondere in 3 zu sehen ist, ist der Mehrschicht-Verbundaufbau also zwischen den Fixierungsabschnitten 52 des Halteteils 50 in Längsrichtung gespannt gehalten, während er seitlich (also entlang den längeren Seitenrändern) freiliegt (siehe den Spalt s zwischen den längeren Seitenrändern des Verbundaufbaus 10 und den Verbindungsabschnitten 58 des Halteteils 50).
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Die Elektroden 14 des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10 werden abwechselnd an entgegengesetzten Seiten des Halteteils 50 elektrisch kontaktiert, also die Elektroden 1, 3, 5, ... beispielsweise an dem in 1 rechts angeordneten Fixierungsabschnitt 52 und die Elektroden 2, 4, 6, 8, ... an dem in 1 links angeordneten Fixierungsabschnitt 52.
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Zur Kontaktierung werden hier Kontaktelemente 60 verwendet (siehe insbesondere 2), die in eine Aufnahme im Fixierungsabschnitt 52 eingeschoben werden und die sich dort befindenden Elektroden elektrisch kontaktieren. Hierbei werden die Träger 12 mit den sich darauf befindenden Elektroden 14 abgebogen (siehe insbesondere die 4 und 8), sodass dem Kontaktelement nicht die außenliegende Stirnseite des aus Träger und Elektrode bestehenden Aktorstreifens zugewandt ist, sondern die „Oberseite“, also die Elektrode. Hierdurch ist eine großflächige Kontaktierung der Elektrode gewährleistet.
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Die Kontaktelemente 60 sind hier als Kontaktschwerter ausgeführt.
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Der abgebogene Endabschnitt jedes aus Träger 12 und Elektrode 14 gebildeten Aktorstreifens bildet somit einen Kontaktierungsabschnitt 62.
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Zur Ansteuerung des Folienwandlers wird eine elektronische Schaltung verwendet, die beispielsweise in das Halteteil integriert sein kann. Diese Schaltung ist mit den Kontaktelementen 60 verbunden, sodass zwischen den Kontaktelementen 60 ein gewünschtes elektrisches Potential aufgebaut werden kann.
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In 10 ist eine Ausführungsvariante zu dem in den 5 und 6 gezeigten Aktorstreifen 18 dargestellt.
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Der Unterschied zu den Aktorstreifen der 5 und 6 besteht darin, dass bei der in 10 gezeigten Ausführungsvariante eine Kontaktfahne 20 verwendet wird, die ein separates Bauteil ist, welches am Aktorstreifen 18 angebracht wird, und zwar so, dass es mit der Elektrode 14 in elektrisch leitender Verbindung steht.
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Die Kontaktfahne 20 steht über den Träger 12 an einem von dessen kürzeren Seitenrändern über.
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Die Kontaktfahne 20 kann aus einem dünnen Metallblech bestehen. Hierdurch steht genügend Material zur Verfügung, um alle auf einer Seite angeordneten Kontaktfahnen, wenn sie aufeinander gebogen sind, miteinander zu verlöten.
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Die Elektrode 14 kann grundsätzlich die gesamte Oberfläche des Trägers 12 bedecken. Wie in 10 zu sehen ist, kann sie jedoch auch im Abstand von den Außenrändern des Trägers enden.
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In 11 ist eine zweite Ausführungsvariante gezeigt. Sie unterscheidet sich von der aus den 5 und 6 bekannten Variante dadurch, dass die Elektrode 14 an drei der vier Seitenränder des Trägers 12 im Abstand von diesem endet, also der Träger dort freiliegt, während sich die Elektrode ausschließlich an dem Seitenrand, an dem der Kontaktierungsabschnitt 62 gebildet ist, bis zur Außenkante des Trägers 12 erstreckt.
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In 12 ist eine weitere Ausführungsvariante gezeigt.
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Das wesentliche Merkmal des in 12 gezeigten Aktorstreifens 18 besteht darin, dass der Kontaktierungsabschnitt 62 durch eine Kontaktzunge 22 gebildet ist, die an einem der kürzeren Seitenränder des Aktorstreifens 18 in Längsrichtung hervorsteht.
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Die Kontaktzungen 22 können in der Querrichtung des Aktorstreifens 18 betrachtet an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein (siehe 13), beispielsweise am Außenrand, in der Mitte und am gegenüberliegenden Außenrand. Durch diese gestufte Anordnung liegen nicht alle Kontaktierungsabschnitte 62 übereinander, wie dies in 4 zu sehen ist, sondern sie liegen nebeneinander, sodass sie einzeln vom Kontaktelement 60 kontaktiert werden können.
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In 14 ist eine weitere Ausführungsvariante des Aktorstreifens 18 gezeigt. Bei dieser Variante erstreckt sich die Elektrode 14 bis unmittelbar zu den kürzeren Außenrändern des rechteckigen, streifenförmigen Trägers 12.
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Wenn die Aktorstreifen 18 der in 14 gezeigten Ausführungsvariante in der Längsrichtung betrachtet gegeneinander versetzt geschichtet werden, liegt auf jeder Seite jede zweite Elektrode so frei, dass sie kontaktiert werden kann.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Aktorstreifen 18 mit unterschiedlichen Längen ausgeführt werden, insbesondere mit stufenweise zunehmenden Längen. Auf diese Weise ergibt sich der in 15 gezeigte Mehrschicht-Verbundaufbau 10, bei dem die Kontaktierungsabschnitte 62 gestuft freiliegen und somit besonders gut kontaktiert werden können.
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In den 16 und 17 ist eine Ausführungsform des Folienwandlers gezeigt, in der dieser als Aktor ausgeführt ist.
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Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Es ist eine Montageplatte 70 vorgesehen, auf der das Halteteil 50 montiert ist.
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Das Lastangriffselement 16 ist hier als Stößel ausgeführt, der sich mit einem Kopf 72 an der der Montageplatte 70 zugewandten Seite des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10 abstützt. Ein Schaft 74 des Lastangriffselements 16 erstreckt sich durch eine Öffnung 76 der Montageplatte 70 hindurch, sodass auf der vom Halteteil 50 abgewandten Seite der Montageplatte 70 die Stirnseite des Stößels freiliegt.
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Zwischen dem Kopf 72 des Stößels und der Montageplatte 70 ist ein Federelement 78 angeordnet, das hier als Spiralfeder ausgeführt ist. Diese ist auf dem Stößelschaft 74 angeordnet.
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Die Montageplatte 70 kann auch mit der elektronischen Schaltung zur Ansteuerung des Folienwandlers versehen sein. Dabei sind vorzugsweise innerhalb der Montageplatte 70 elektrische Leiterbahnen angeordnet, mittels denen die Kontaktelemente 60 elektrisch kontaktiert werden können. Die Kontaktelemente 60 erstrecken sich zu diesem Zweck in geeignete Aussparungen 80 der Montageplatte 70 hinein.
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In einem Ausgangszustand befindet sich der Stößel 16 etwa in der in 16 gezeigten Stellung. Wenn der Folienwandler 2 angesteuert wird, also ein elektrisches Potential zwischen den Kontaktelementen 60 erzeugt wird, werden die Träger 12 zwischen den Elektroden 14 geringfügig zusammengedrückt, wodurch der Aktorstreifen 18 länger wird. Dadurch ist es dem Federelement 78 möglich, den Stößel 16 bezogen auf 16 nach oben zu verschieben.
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Wenn kein (oder ein geringeres) elektrisches Potential zwischen den Kontaktelementen 60 anliegt, verkürzen sich die Aktorstreifen 18 wieder, sodass der Stößel 16 entgegen der Wirkung des Federelements 78 hin zur Ausgangsstellung verstellt wird.
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In den 18 bis 21 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt, bei der der Folienwandler 2 Teil eines Aktors ist.
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Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zwischen der zweiten und der dritten Ausführungsform besteht allgemein ausgedrückt darin, dass bei der dritten Ausführungsform das Lastangriffselement 16 vollständig zwischen der Montageplatte 70 und dem Mehrschicht-Verbundaufbau 10 angeordnet ist.
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Die Montageplatte 70 ist bei der dritten Ausführungsform in eine Schiebeführung 82 eingeschoben, die in das Oberteil 50A des Halteteils 50 integriert ist. Die Montageplatte 70 weist auf ihrer dem Verbundaufbau 10 zugewandten Seite eine hülsenförmige Führung 84 auf, innerhalb der das Federelement 78 angeordnet ist. Dieses ist hier wieder als Spiral-Druckfeder ausgeführt.
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Auf der Führung 84 ist das Lastangriffselement 16 geführt, das hier als becherförmiger Stößel ausgeführt ist. Der Stößel 16 wird vom Federelement 78 gegen den Mehrschicht-Verbundaufbau 10 gedrückt (siehe insbesondere die 20 und 21).
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Im Ausgangszustand (siehe 20) ist der Mehrschicht-Verbundaufbau 10 vergleichsweise straff zwischen den beiden Fixierungsabschnitten 52 des Halteteils 50 gehalten, vergleichbar mit den Sprungtuch eines Trampolins. Das Federelement 78 ist somit stärker vorgespannt.
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Wenn zwischen den ersten und zweiten Elektroden ein elektrisches Potential wirkt, verlängern sich die Aktorstreifen 18 des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10, sodass das Federelement 78 in der Lage ist, den Stößel 16 von der Montageplatte 70 weg zu beaufschlagen (siehe 21).
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Wenn das Potential wieder entfernt wird, kehrt der Stößel unter der Wirkung des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10 in den in 20 gezeigten Ausgangszustand zurück.
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Der Hub des Stößels 16 kann unmittelbar dadurch genutzt werden, dass die vom Stößel 16 abgewandte Seite des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10 unmittelbar mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, sodass dieser geschlossen oder geöffnet wird. Alternativ kann auf der vom Stößel 16 abgewandten Seite des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10 ein weiteres Lastangriffselement entweder fest angebracht sein oder federbelastet anliegen, sodass der Hub für die in der jeweiligen Anwendung gewünschte Betätigung genutzt wird.
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In den 22 bis 24 ist eine vierte Ausführungsform gezeigt.
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Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Die vierte Ausführungsform entspricht hinsichtlich der Anordnung der Montageplatte 70 und der Anordnung des Federelements 78 der dritten Ausführungsform. Der Unterschied zur dritten Ausführungsform besteht darin, dass sich das Federelement 78 an einem Schieber 90 abstützt, der seitlich in einer Schieberführung 92 geführt ist, die am Halteteil 50 angebracht ist. Der Schieber 90 umfasst den Mehrschicht-Verbundaufbau 10 vollständig, sodass dieser in seitlicher Richtung geführt ist. Dabei ist der Schieber in seitlicher Richtung so breit, dass die (geringfügige) Zunahme der Breite des Verbundaufbaus quer zur Längsrichtung aufgenommen werden kann. Hierdurch wird der Verbundaufbau auch im ausgelenkten Zustand eben gehalten.
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Die vom Federelement 78 abgewandte Unterseite des Schiebers 90 kann hier unmittelbar als freiliegendes Lastangriffselement 16 verwendet werden.
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In 25 ist ein Folienwandler gemäß einer fünften Ausführungsform gezeigt. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der fünften Ausführungsform und beispielsweise der in den 18 bis 21 gezeigten dritten Ausführungsform besteht darin, dass bei der fünften Ausführungsform der Mehrschicht-Verbundaufbau 10 im Ausgangszustand nicht straff im Halteteil 50 gehalten ist, sondern ähnlich einer Schlaufe durchhängt. Am Scheitelpunkt der Schlaufe greift dann ein Lastangriffselement 16 an. Aufgrund des Lastangriffselements 16 hängt der Mehrschicht-Verbundaufbau 10 in der Praxis nicht locker durch, sondern ist straff gehalten.
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Als Folge der schleifenförmigen Anordnung des Mehrschicht-Verbundaufbaus 10 relativ zur Verstellrichtung fällt die Ausdehnungsrichtung des dielektrischen Folienmaterials mit der Hubrichtung zusammen. Dadurch können größere Hübe realisiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dieser Geometrie schmalere Konstruktionen möglich sind, beispielsweise ein schmalerer Betätigungsmechanismus für ein Ventil. Die Baubreite ist in diesen Anwendungsfällen häufig wichtiger als die Bauhöhe. Ein weiterer Vorteil der in 25 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass durch die nahezu verdoppelte Aktorlänge eine annähernd doppelte Kraft zur Verfügung steht.
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In den 26 bis 29 ist ein Ventil 100 gezeigt, in welchem ein Folienwandler gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird. Für die von den vorhergehenden Ausführungsformen bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Das Ventil 100 weist einen Medienzufluss 102 und einen Medienzufluss 104 auf. Der Medienzufluss 102 mündet in einer Ventilkammer 106 in einem Ventilsitz 108. Dem Ventilsitz 108 ist ein Folienwandler gemäß der sechsten Ausführungsform zugeordnet, der im Detail in den 30 bis 34 gezeigt ist.
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Wenn die Anschlüsse 102, 104 umgekehrt angeschlossen werden, ist es grundsätzlich möglich, auch den Anschluss 104 als Medienzugang zu verwenden.
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Der wesentliche Unterschied zwischen der sechsten Ausführungsform und den vorhergehenden Ausführungsformen besteht darin, dass bei der sechsten Ausführungsform der Mehrschicht-Verbundaufbau 10 nicht als durchgehend langgestreckter Streifen ausgeführt ist, sondern an diesem mittig ein Betätigungsabschnitt 110 vorgesehen ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstrecken sich ausgehend vom Betätigungsabschnitt 110 drei Streifenaktoren 112 (siehe insbesondere 34), die im gleichen Winkelabstand voneinander angeordnet sind. Somit enthält der Mehrschicht-Verbundaufbau 10 gedanklich drei Aktorstreifen, die jeweils zwei im Winkel zueinander angeordnete Streifenaktoren 112 und den dazwischenliegenden Betätigungsabschnitt 110 umfassen.
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Das Halteteil 50 ist hier als Kreisring ausgeführt, von dem aus sich drei Montagearme 114 in den Innenraum hinein erstrecken. An diesem sind die drei Streifenaktoren 112 sowohl mechanisch angebracht als auch elektrisch kontaktiert. Die Betätigungsenergie wird durch eine sich vom Halteelement 50 nach außen erstreckende Kontaktfahne 116 zugeführt.
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Der Betätigungsabschnitt 110 besteht hier vorzugsweise aus demselben elastischen Material wie der Träger jedes Streifenaktors 112. Alternativ ist denkbar, die Streifenaktoren 112 separat zu fertigen und dann fest mit dem Betätigungsabschnitt 110 zu verbinden.
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Jeder der Streifenaktoren 112 ist in derselben Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen mit mehreren sich abwechselnden Lagen von Trägern und Elektroden aufgebaut.
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Aus demselben Material wie der Träger oder aus einem anderen elastischen Material ist ein Dichtungsring 118 ausgeführt, der dem Halteteil 50 zugeordnet ist. Der Dichtungsring 118 wird dafür verwendet, den Folienwandler abgedichtet zwischen zwei Gehäusehälften 120A, 120B anzuordnen, die zusammengefügt das Gehäuse des Ventils 100 bilden.
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Wenn der Folienaktor zwischen den beiden Gehäusehälften 120A, 120B angeordnet ist, ist der Betätigungsabschnitt 110 dem Ventilsitz 108 zugeordnet. Im nicht bestromten Ausgangszustand (siehe 27) verschließt der Betätigungsabschnitt 110 den Ventilsitz 108.
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Wenn höhere Schließkräfte erforderlich sind, kann zusätzlich ein Federelement verwendet werden, das auf der vom Ventilsitz 108 abgewandten Seite angeordnet ist und den Betätigungsabschnitt 110 gegen den Ventilsitz 108 drückt.
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Im aktivierten Zustand werden die Streifenaktoren 112 länger, sodass der Betätigungsabschnitt 110 vom Ventilsitz 108 abheben kann. Wenn kein Ventilelement verwendet wird, hebt der Betätigungsabschnitt 110 allein dadurch vom Ventilsitz 108 ab, dass die Streifenaktoren 112 im aktivierten Zustand länger werden. Wird dagegen ein Federelement verwendet, um die Schließkraft zu erhöhen, muss der Mediendruck die Federkraft überwinden, damit sich der Betätigungsabschnitt 110 vom Ventilsitz 108 abhebt.
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Im Bereich des Betätigungsabschnittes 110 kann ein Einlageelement 122 verwendet werden, das aus einem Material mit einer größeren Härte besteht als das Material, das für die Streifenaktoren 112 verwendet wird. Insbesondere kann die Einlage 122 eigenstabil sein.
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In den 35 und 36 ist eine Ausführungsvariante zu dem aus den 30 bis 34 bekannten Folienwandler gezeigt. Der Unterschied besteht darin, dass hier die Streifenaktoren 112 so lang ausgeführt sind, dass sie sich bis hin zum Halteelement 50 erstrecken. Dieses besteht hier aus zwei einzelnen Ringen 50A, 50B, zwischen denen die radial außenliegenden Enden der Streifenaktoren 112 eingespannt sind, wenn sie zu einem Halteelement 50 zusammengefügt sind. In jedem Ring 50A, 50B sind dabei geeignete Kontakte 130 vorgesehen, mittels denen die entsprechenden Elektroden der Streifenaktoren 112 kontaktiert werden können.
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Bei allen Ausführungsformen des Folienwandlers kann eine elastisch verformbare Isolierschicht auf die Elektrode aufgebracht werden.
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Die Isolierschicht kann durch chemische Gasphasenabscheidung aufgebracht werden.
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Die Isolierschicht kann auf die Elektrode auflaminiert sein.
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Die Isolierschicht kann ein gedrucktes Bauteil ist, das insbesondere durch Sieb-Druck-Verfahren, Tampon-Druck-Verfahren oder 3D-Druck-Verfahren aufgebracht wurde.
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Die Härte der Isolierschicht ist geringer als die Härte des Verbundaufbaus.
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Die Isolierschicht besteht aus Silikon, Acrylat oder PU.
