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Die Erfindung betrifft ein integriertes Aktorelement mit elektroaktivem Polymer.
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Elektroaktive Polymere (EAP) sind im Bereich der Luftfahrt beliebt, weil sie ein geringes Gewicht aufweisen und die daraus hergestellten Aktoren nahezu beliebig geformt werden können und flexibel einsetzbar sind. Die Aktoren können mit Zuleitungen versorgt und von Microcontrollern angesteuert werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Aktor anzugeben, dessen Verwendungsmöglichkeiten, insbesondere hinsichtlich Aufwand und Gewicht, verbessert sind.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung schafft ein integriertes Aktorelement, das eine Schichtstruktur aufweist, wobei die Schichtstruktur einen ersten Schichtenbereich und einen daran angebrachten zweiten Schichtenbereich umfasst, wobei der erste Schichtenbereich eine aufgrund von Elektrizität bewegungsfähige elektroaktive Polymerschichtstruktur aufweist, wobei die zweite Schichtenstruktur eine Energiespeicherschichtstruktur aufweist.
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Vorzugsweise umfasst das Aktorelement einen an dem zweiten Schichtenbereich angebrachten dritten Schichtenbereich, der eine aufgrund von Elektrizität bewegungsfähige weitere elektroaktive Polymerschichtstruktur aufweist.
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Vorzugsweise umfasst das Aktorelement eine an wenigstens einem der Schichtenbereiche, vorzugsweise an jedem Schichtenbereich, angebrachte Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung an den ersten Schichtenbereich angeschlossen ist, um eine Bewegung des Aktorelements zu verursachen, und wobei die Steuereinrichtung an den zweiten Schichtenbereich angeschlossen ist, um mit Energie versorgt zu werden.
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Es ist bevorzugt, dass die Steuereinrichtung an den dritten Schichtenbereich angeschlossen ist, um eine Bewegung des Aktorelements zu verursachen.
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Es ist bevorzugt, dass der erste Schichtenbereich als biegefähige und/oder ionische elektroaktive Polymerschichtstruktur ausgebildet ist. Es ist bevorzugt, dass der erste Schichtenbereich als streckfähige und/oder elektronische elektroaktive Polymerschicht ausgebildet ist.
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Es ist bevorzugt, dass der dritte Schichtenbereich als biegefähige und/oder ionische elektroaktive Polymerschichtstruktur ausgebildet ist. Es ist bevorzugt, dass der dritte Schichtenbereich als streckfähige und/oder elektronische elektroaktive Polymerschicht ausgebildet ist.
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Es ist bevorzugt, dass der erste Schichtenbereich eine erste Elektrodenschicht, eine Membranschicht und eine zweite Elektrodenschicht umfasst, die in dieser Reihenfolge aneinander grenzen.
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Es ist bevorzugt, dass der dritte Schichtenbereich eine erste Elektrodenschicht, eine Membranschicht und eine zweite Elektrodenschicht umfasst, die in dieser Reihenfolge aneinander grenzen.
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Es ist bevorzugt, dass der zweite Schichtenbereich als Strukturbatterie ausgebildet ist.
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Es ist bevorzugt, dass der zweite Schichtenbereich eine erste Randseparatorschicht, die elektrisch isolierend ausgebildet ist und vorzugsweise an den ersten Schichtenbereich angrenzt.
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Es ist bevorzugt, dass der zweite Schichtenbereich eine Kathodenschichtstruktur, die leitfähig ausgebildet ist und vorzugsweise an die erste Randseparatorschicht angrenzt.
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Es ist bevorzugt, dass der zweite Schichtenbereich eine Anodenschichtstruktur, die leitfähig ausgebildet ist und vorzugsweise an die Separatorschicht angrenzt.
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Es ist bevorzugt, dass der zweite Schichtenbereich eine Separatorschicht, die einen Elektrolyten, vorzugsweise einen Festelektrolyten, enthält und vorzugsweise an die Kathodenschichtstruktur und/oder an die Anodenschichtstruktur angrenzt.
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Es ist bevorzugt, dass der zweite Schichtenbereich eine zweite Randseparatorschicht, die elektrisch isolierend ausgebildet ist und vorzugsweise an die Anodenschichtstruktur und/oder an den dritten Schichtenbereich angrenzt.
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Es ist bevorzugt, dass die erste Randseparatorschicht, die zweite Randseparatorschicht und/oder die Separatorschicht Fasern, vorzugsweise Glasfasern, enthalten.
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Es ist bevorzugt, dass die Kathodenschichtstruktur eine Stromabnehmerschicht, die ein Metall enthält und die zum Ableiten von Ladungsträgern ausgebildet ist, und eine Verbundelektrodenschicht aufweist, die einen Verbundwerkstoff und/oder einen Elektrolyten, vorzugsweise einen Festelektrolyten, enthält.
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Es ist bevorzugt, dass Anodenschichtstruktur eine Stromabnehmerschicht, die ein Metall enthält und die zum Ableiten von Ladungsträgern ausgebildet ist, und eine Verbundelektrodenschicht aufweist, die einen Verbundwerkstoff und/oder einen Elektrolyten, vorzugsweise einen Festelektrolyten, enthält.
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Vorzugsweise umfasst der Verbundwerkstoff einen faserverstärkten oder einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff.
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Ausführungsbeispiele werden anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines integrierten Aktorelements; und
- 2 eine schematische Ansicht der Schichtstruktur des Aktorelements.
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Es wird zunächst auf die 1 Bezug genommen, die ein Beispiel eines integrierten Aktorelements 10 zeigt.
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Das integrierte Aktorelement 10 umfasst eine Schichtstruktur 12. Die Schichtstruktur 12 weist eine Mehrzahl von Schichtenbereichen 14 auf.
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Ein erster Schichtenbereich 16 enthält eine elektroaktive Polymerschichtstruktur 18. Der erste Schichtenbereich 16 kann auch als oberes elektroaktives Polymer bezeichnet werden. Die elektroaktive Polymerschichtstruktur 18 ist beispielsweise so ausgebildet, dass beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine Biegung eintritt. Die elektroaktive Polymerschichtstruktur 18 kann auch so ausgebildet sein, dass beim Anlegen elektrischer Spannung eine Stauchung und Streckung bzw. Dehnung eintritt.
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Ein zweiter Schichtenbereich 20 grenzt unmittelbar an den ersten Schichtenbereich 16 an. Der zweite Schichtenbereich 20 ist an dem ersten Schichtenbereich 16 angebracht. Der zweite Schichtenbereich 20 enthält eine Energiespeicherschichtstruktur 22. Der zweite Schichtenbereich 20 kann auch als Strukturbatterie bezeichnet werden. Der zweite Schichtenbereich 20 ist so gestaltet, dass er einer Verformung des ersten Schichtenbereiches 16 folgen kann, ohne dass die Energiespeicherfunktion wesentlich beeinträchtigt wird.
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Ferner kann ein dritter Schichtenbereich 24 vorgesehen sein. Der dritte Schichtenbereich 24 grenzt unmittelbar an den zweiten Schichtenbereich 20 an Der dritte Schichtenbereich 24 ist an dem zweiten Schichtenbereich 20 angebracht. Der dritte Schichtenbereich 24 enthält eine weitere elektroaktive Polymerschichtstruktur 26. Der dritte Schichtenbereich 24 kann auch als unteres elektroaktives Polymer bezeichnet werden. Die weitere elektroaktive Polymerschichtstruktur 26 ist vorzugsweise funktional identisch zu der elektroaktiven Polymerschichtstruktur 18 ausgebildet.
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Das integrierte Aktorelement 10 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 28. Die Steuereinrichtung 28 grenzt an die Schichtenstruktur 12, vorzugsweise an jeden Schichtenbereich 14. Die Steuereinrichtung 28 ist an der Schichtenstruktur 12 angebracht. Die Steuereinrichtung 28 ist vorzugsweise als flacher integrierter Mikrocontroller ausgebildet. Die Steuereinrichtung 28 ist an den ersten Schichtenbereich 16 und an den dritten Schichtenbereich 24 angeschlossen, um deren Verformung durch Beaufschlagen mit Elektrizität zu steuern. Die Steuereinrichtung 28 ist ferner an den zweiten Schichtenbereich 20 angeschlossen, um mit Energie versorgt zu werden.
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In das integrierte Aktorelement 10 sind daher dessen Aktorfunktion, Energieversorgung und Steuerung integriert. Die Aktorfunktion wird von dem oberen und unteren elektroaktiven Polymer bereitgestellt, während die Energieversorgung durch Die Strukturbatterie bereitgestellt wird.
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Nachfolgend wird anhand von 2 der genauere Aufbau der Schichtenbereiche 14 näher erläutert. Es sollte beachtet werden, dass als Beispiel flache Schichtenbereiche 14 beschrieben werden, die Idee jedoch auf nahezu beliebig geformte Schichtenbereiche 14 anwendbar ist.
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Der erste Schichtenbereich 16 enthält eine erste Elektrodenschicht 30. Die erste Elektrodenschicht 30 ist an die Steuereinrichtung 28 angeschlossen und kann von dieser mit Elektrizität beaufschlagt werden. Die erste Elektrodenschicht 30 ist derart ausgebildet, dass sie einer Verformung folgen kann, ohne beschädigt zu werden.
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Der erste Schichtenbereich 16 enthält ferner eine Membranschicht 32. Die Membranschicht 32 umfasst ein elastomeres Material. Die Membranschicht 32 grenzt an die erste Elektrodenschicht 30.
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Der erste Schichtenbereich 16 enthält ferner eine zweite Elektrodenschicht 34. Die zweite Elektrodenschicht 34 grenzt an die Membranschicht 32. Mit anderen Worten ist die Membranschicht 32 zwischen der ersten Elektrodenschicht 30 und der zweiten Elektrodenschicht 34 angeordnet. Die zweite Elektrodenschicht 34 ist derart ausgebildet, dass sie einer Verformung der Membranschicht 32 folgen kann, ohne beschädigt zu werden. Die zweite Elektrodenschicht 34 ist an die Steuereinrichtung 28 angeschlossen.
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Werden die Elektrodenschichten 30, 34 mit Elektrizität beaufschlagt, so verformt sich Membranschicht 32 entsprechend den Eigenschaften des elastomeren Materials. Führt die Beaufschlagung mit Elektrizität zu einer Dehnung in einer Achse und einer Schrumpfung in einer dazu senkrechten Achse, spricht man allgemein von einem elektronischen elektroaktiven Polymer. Führt die Beaufschlagung mit Elektrizität hingegen zu einer Biegung, spricht man allgemein von einem ionischen elektroaktiven Polymer, das üblicherweise auch Feuchtigkeit benötigt.
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Der zweite Schichtenbereich 20 enthält eine erste Randseparatorschicht 36. Die erste Randseparatorschicht 36 grenzt an die zweite Elektrodenschicht 34. Die erste Randseparatorschicht 36 ist elektrisch isolierend ausgebildet. Die erste Randseparatorschicht 36 enthält Glasfasern als Isolator.
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Der zweite Schichtenbereich 20 enthält eine Kathodenschichtstruktur 38. Die Kathodenschichtstruktur 38 kann eine oder mehrere Schichten enthalten. Die Kathodenschichtstruktur 38 ist teilweise leitfähig ausgebildet. Die Kathodenschichtstruktur 38 grenzt an die erste Randseparatorschicht 36. Die Kathodenschichtstruktur 38 ist an die Steuereinrichtung 28 angeschlossen, um diese mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Die Kathodenschichtstruktur 38 kann eine Stromabnehmerschicht 40 aufweisen. Die Stromabnehmerschicht 40 enthält ein Metall, wie beispielsweise Aluminium. Die Stromabnehmerschicht 40 sammelt Ladungsträger. Die Stromabnehmerschicht 40 ist an die Steuereinrichtung 28 angeschlossen, um die Ladungsträger an diese weiter zu leiten. Die Stromabnehmerschicht 40 grenzt unmittelbar an die erste Randseparatorschicht 36.
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Die Kathodenschichtstruktur 38 kann eine Verbundelektrodenschicht 42 aufweisen. Die Verbundelektrodenschicht 42 enthält einen Verbundstoff, wie beispielsweise kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFRP). Die Verbundelektrodenschicht 42 enthält ferner einen strukturellen Elektrolyten bzw. Festelektrolyten. Die Verbundelektrodenschicht 42 grenzt an die Stromabnehmerschicht 40. Die Verbundelektrodenschicht 42 ist über die Stromabnehmerschicht 40 elektrisch leitend mit der Steuereinrichtung 28 verbunden.
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Der zweite Schichtenbereich 20 enthält eine Separatorschicht 44. Die Separatorschicht 44 grenzt an die Kathodenschichtstruktur 38, vorzugsweise an die Verbundelektrodenschicht 42. Die Separatorschicht 44 ist teilweise elektrisch isolierend ausgebildet. Die Separatorschicht 44 enthält Glasfasern als Isolator. Die Separatorschicht 44 enthält einen strukturellen Elektrolyten bzw. Festelektrolyten.
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Der zweite Schichtenbereich 20 enthält eine Anodenschichtstruktur 46. Die Anodenschichtstruktur 46 kann eine oder mehrere Schichten enthalten. Die Anodenschichtstruktur 46 ist teilweise leitfähig ausgebildet. Die Anodenschichtstruktur 46 grenzt an die Separatorschicht 44. Die Anodenschichtstruktur 46 ist an die Steuereinrichtung 28 angeschlossen, um diese mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Die Anodenschichtstruktur 46 kann eine Verbundelektrodenschicht 48 aufweisen. Die Verbundelektrodenschicht 48 enthält einen Verbundstoff, wie beispielsweise CFRP. Die Verbundelektrodenschicht 48 enthält ferner einen strukturellen Elektrolyten bzw. Festelektrolyten. Die Verbundelektrodenschicht 48 grenzt an die Separatorschicht 44. Die Verbundelektrodenschicht 48 ist über eine weitere Schicht elektrisch leitend mit der Steuereinrichtung 28 verbunden.
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Die Anodenschichtstruktur 46 kann eine Stromabnehmerschicht 50 aufweisen. Die Stromabnehmerschicht 50 enthält ein Metall, wie beispielsweise Aluminium. Die Stromabnehmerschicht 50 sammelt Ladungsträger. Die Stromabnehmerschicht 50 ist an die Steuereinrichtung 28 angeschlossen, um die Ladungsträger an diese weiter zu leiten. Die Stromabnehmerschicht 50 grenzt unmittelbar an die Verbundelektrodenschicht 48.
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Der zweite Schichtenbereich 20 enthält eine zweite Randseparatorschicht 52. Die zweite Randseparatorschicht 52 grenzt an die Anodenschichtstruktur 46, vorzugsweise an die Stromabnehmerschicht 50. Die zweite Randseparatorschicht 52 ist elektrisch isolierend ausgebildet. Die zweite Randseparatorschicht 52 enthält Glasfasern als Isolator.
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Der dritte Schichtenbereich 24 enthält eine erste Elektrodenschicht 54. Die erste Elektrodenschicht 54 ist an die Steuereinrichtung 28 angeschlossen und kann von dieser mit Elektrizität beaufschlagt werden. Die erste Elektrodenschicht 54 ist derart ausgebildet, dass sie einer Verformung folgen kann, ohne beschädigt zu werden. Die erste Elektrodenschicht 54 grenzt an die zweite Randseparatorschicht 52.
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Der dritte Schichtenbereich 24 enthält ferner eine Membranschicht 56. Die Membranschicht 56 umfasst ein elastomeres Material. Die Membranschicht 56 grenzt an die erste Elektrodenschicht 54.
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Der dritte Schichtenbereich 24 enthält ferner eine zweite Elektrodenschicht 58. Die zweite Elektrodenschicht 58 grenzt an die Membranschicht 56. Mit anderen Worten ist die Membranschicht 56 zwischen der ersten Elektrodenschicht 54 und der zweiten Elektrodenschicht 58 angeordnet. Die zweite Elektrodenschicht 58 ist derart ausgebildet, dass sie einer Verformung der Membranschicht 56 folgen kann, ohne beschädigt zu werden. Die zweite Elektrodenschicht 58 ist an die Steuereinrichtung 28 angeschlossen.
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Werden die Elektrodenschichten 54, 58 mit Elektrizität beaufschlagt, so verformt sich Membranschicht 58 entsprechend den Eigenschaften des elastomeren Materials. Führt die Beaufschlagung mit Elektrizität zu einer Dehnung in einer Achse und einer Schrumpfung in einer dazu senkrechten Achse, spricht man allgemein von einem elektronischen elektroaktiven Polymer. Führt die Beaufschlagung mit Elektrizität hingegen zu einer Biegung, spricht man allgemein von einem ionischen elektroaktiven Polymer, das üblicherweise auch Feuchtigkeit benötigt.
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Mit den hierin beschriebenen Ideen ist es möglich, elektroaktive Polymerschichten in dasselbe Schichtsystem zu integrieren, wie eine Strukturbatterie. Somit kann eine Struktur mit Verformungseigenschaften geschaffen werden, welche die erforderliche Energieversorgung direkt integriert hat. Folglich können Anschlussleitungen und die zum Verlegen dieser erforderlichen Bauteile vermieden werden. Damit ist eine einfache und nahezu widerstandslose Energieversorgung möglich.
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Insgesamt können vier Funktionen, nämlich Struktur, Energiespeicher und -versorgung sowie Betätigung in einem einzelnen Aktorelement integriert werden. Die sich verformenden EAP erfordern keine gesonderte Verkabelung mehr. Auch kann auf Kabelführungen und -halterungen verzichtet werden. Somit kann nicht nur Gewicht eingespart sondern es können auch Fertigungs- und Wartungsaufwand verringert werden. Aufgrund der räumlichen Nähe von sind auch die elektrischen Verluste gering. Ferner können hierin beschriebene Aktorelemente eine geringere Ansprechzeit aufweisen, weil unnötige Leitungslänge entfallen kann. Auch sind keine zusätzlichen Einhausungen für die Aktorelemente erforderlich. Die Aktorelemente können nahezu beliebig geometrisch geformt und für gewünschte Bewegungsabläufe konfiguriert werden. Somit sind die Aktorelemente flexibel einsetzbar, selbst an schwer zugänglichen Stellen.
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Um einen flexibel einsetzbaren und mit geringem Aufwand installierbaren Aktor zu schaffen, wird ein integriertes Aktorelement (10) vorgeschlagen, das eine Schichtstruktur (12) aufweist. Ein Schichtenbereich (16) ist als elektroaktive Polymerschichtstruktur ausgebildet an das ein Schichtenbereich (20) angrenzt, der als Strukturbatterie ausgebildet ist. Zusätzlich kann ein weiterer Schichtenbereich (24) mit einer elektroaktiven Polymerschichtstruktur vorgesehen sein. Die Strukturbatterie (20) ist in diesem Fall zwischen den elektroaktiven Polymerschichtstrukturen (20, 24) angeordnet. Das integrierte Aktorelement (10) kann biegefähig oder stauch- und dehnungsfähig ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- integriertes Aktorelement
- 12
- Schichtstruktur
- 14
- Schichtenbereich
- 16
- erster Schichtenbereich (oberes elektroaktives Polymer)
- 18
- elektroaktive Polymerschichtstruktur
- 20
- zweiter Schichtenbereich (Strukturbatterie)
- 22
- Energiespeicherschichtstruktur
- 24
- dritter Schichtenbereich (unteres elektroaktives Polymer)
- 26
- weitere elektroaktive Polymerschichtstruktur
- 28
- Steuereinrichtung
- 30
- erste Elektrodenschicht
- 32
- Membranschicht
- 34
- zweite Elektrodenschicht
- 36
- erste Randseparatorschicht
- 38
- Kathodenschichtstruktur
- 40
- Stromabnehmerschicht
- 42
- Verbundelektrodenschicht
- 44
- Separatorschicht
- 46
- Anodenschichtstruktur
- 48
- Verbundelektrodenschicht
- 50
- Stromabnehmerschicht
- 52
- zweite Randseparatorschicht
- 54
- erste Elektrodenschicht
- 56
- Membranschicht
- 58
- zweite Elektrodenschicht
