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Anwendungsgebiet
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Diese
Erfindung betrifft eine Elektro-Adhäsionsvorrichtung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Elektro-Adhäsion ist
das Verfahren zur Erzeugung einer Ladung in einem Objekt, wodurch
dieses an eine spezielle Oberfläche
angezogen wird. Elektro-Adhäsionsvorrichtungen
zum Anziehen eines nichtmagnetischen Objektes wie beispielsweise
Papier sind aufgrund der Tatsache, dass sie entweder wirkungslos
sind, da sie keine ausreichend hohe Adhäsionskraft erzeugen, oder aufgrund
der Komplexität
dieser Vorrichtungen in der Herstellung sehr teuer sind, nicht als
Verbraucherprodukte eingeführt
worden.
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Ein
weiteres Problem liegt darin, dass es sehr schwierig ist, eine Adhäsionsvorrichtung
zu schaffen, die Objekte aus einer Verschiedenheit von Materialien
mit ausreichend hoher Kraft anzieht. Diese Anwendung der Erfindung
ist es, die vorwiegend, jedoch nicht ausschließlich, berücksichtigt werden sollte.
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Das
US Patent Nr. 4,384,918 lehrt, dass verschiedene Arten bipolarer
Haltevorrichtungen dazu geeignet sind, entweder elektrizitätsleitende
oder nicht elektrizitätsleitende
Objekte anzuziehen und offenbart eine elektrostatische Vorrichtung
zum Festhalten eines Materials, das wenigstens einen leitenden Teil
aufweist.
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Das
US Patent Nr. 5,838,529 lehrt eine spezielle elektrostatische Klemm-
oder Haltekonfiguration, die es ermöglicht, ein dielektrisches
Substrat bei niedriger als normalen Klemmspannungen festzuhalten
indem der Elektrodenabstand und die Elektrodenbreite auf weniger
als ungefähr
100 μm verringert werden.
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In
der vorbekannten Technik gibt es keine Elektro-Adhäsionsvorrichtung,
die in der Lage ist, sowohl leitende als auch dielektrische Materialien
unter Verwendung einer besonderen Elektrodenkonfiguration, wie in
der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, anzuziehen oder festzuhalten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung wird durch die Kennzeichen des Anspruchs 1 definiert.
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Die
Elektroden können
auf gegenüberliegenden
Seiten der Basis angebracht werden, wenn die Basis aus einer Substanz
mit einer hohen Dielektrizitätskonstante
(Epsilon), typischerweise von wenigstens 5, hergestellt ist. Elektroden
eines Elektrodenpaares können
auf gegenüberliegenden
Seite der Basis angebracht werden, wobei in der Anwendung das Elektrodenpaar
auf solche Weise erregt ist, dass es gegensinnig gepolt ist, wodurch
ein Ladungsunterschied in einem Teil des an das Elektrodenpaar angrenzenden
Objektes verursacht wird, wodurch wiederum das anzuziehende Objekt
auf die Elektro-Adhäsionsfläche gebracht
wird.
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Jede
der Elektroden kann eine von der Basis abgewandte Außenfläche aufweisen,
welche wenigstens einen Teil der Elektro-Adhäsionsfläche bildet und welche in jeder
Richtung Abmessungen aufweist, die größer sind als der Abstand von
einer solchen Außenfläche zur
Basis, wobei der Abstand die Dicke der Elektrode darstellt. Die
Elektrode ist typischerweise äußerst dünn, um eine
statische Aufladung zwischen aneinander angrenzenden Elektroden
zu begrenzen. Die Elektroden sind typischerweise dünner als
5 μm.
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Die
Elektroden können
durch Siebdruck hergestellt sein. Die Elektroden können durch
Aufdampfbeschichtung hergestellt sein.
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Die
Elektro-Adhäsionsvorrichtung
kann so ausgebildet sein, dass so wenig Luft wie möglich zwischen
aneinander angrenzenden Elektroden eingeschlossen ist.
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Die
Elektroden können
langgestreckt und im Wesentlichen parallel zueinander auf einer
Seite der Basis angebracht sein.
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Aneinander
angrenzende Elektroden können im
Abstand voneinander in einem Mindestabstand angebracht werden, der
sich auf eine maximale Haltespannung zwischen den Elektroden bezieht,
bevor ein Überschlag
eintritt. Da die Elektro-Adhäsionskraft proportional
zur Spannung zwischen einem Elektrodenpaar ist, kann der Mindestabstand
derart gewählt werden,
dass ausreichende Spannung zwischen einem Elektrodenpaar erzielt
wird, um eine ausreichende Elektro-Adhäsionskraft
ohne Überschlag
zu erreichen. Aneinander angrenzende Elektroden können voneinander
beabstandet in einem festgelegten oder variablen Abstand, der größer als
der Mindestabstand oder diesem gleich ist, angebracht werden.
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Die
Elektroden können
so geformt sein, dass eine Scharfkantigkeit der Elektroden begrenzt
wird, wodurch sich die Möglichkeit
des Auftretens eines Überschlags
verringert.
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Die
Form der Elektrodenaußenflächen kann je
nach Zusammensetzung des Materials des anzuziehenden Objektes gewählt sein.
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Die
Elektroden wenigstens eines Elektrodenpaares können großflächige Außenflächen zum Anziehen von Metallen
aufweisen. Typischerweise, enthält
die Elektro-Adhäsionsvorrichtung
für Metalle
nur zwei gegensinnig gepolte Elektroden, die durch einen einzigen
Trennspalt voneinander getrennt sind.
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Die
Elektroden wenigstens eines Elektrodenpaares können kleinflächige Außenflächen zum
Anziehen von Nichtmetallen aufweisen.
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Die
veränderliche
Oberfläche
der Elektroden kann sich in Längsrichtung
entlang der Elektroden wiederholen.
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Typischerweise
sind die Elektroden eines Elektrodenpaares gegensinnig durch schwachen Strom
mit relativ hoher Spannung gepolt. Die Elektroden können durch
Gleichstromspannung polarisiert werden. Der schwache Strom liegt
typischerweise unter 5 μA
Gleichstrom und die relativ hohe Spannung über 1500 V Gleichstrom.
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Typischerweise
besteht die Basis aus einer Substanz, die so ausgewählt ist,
dass eine Leckage aus der Elektro-Adhäsionsvorrichtung möglichst
gering gehalten wird, beispielsweise eine Substanz mit hohem spezifischen
Widerstand von wenigstens 1016 Ω/m.
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Die
Elektro-Adhäsionsvorrichtung
kann wenigstens eine Schicht aufweisen, die von Elektroden gebildet
wird und eine Schicht, die von der Basis gebildet wird. Demzufolge
kann die Basis dünn
sein, um eine Schicht der Elektro-Adhäsionsvorrichtung
zu bilden.
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Das
Profil der Basis, auf welcher die Elektroden angebracht sind, bestimmt
typischerweise das Profil der Elektro-Adhäsionsfläche. Dies dient dazu, in der
Anwendung Luftspalte zwischen der Elektro-Adhäsionsfläche und dem anzuziehenden Objekt so
gering wie möglich
zu halten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Profil der Basis, auf der die Elektroden angebracht
sind, typischerweise flach, doch in anderen Ausführungsformen kann das Profil
ein beliebiges sein.
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Die
Basis, auf der die Elektroden angebracht sind, ist typischerweise
glatt. Eine solche Glätte
kann so definiert werden, dass sie eine Oberflächenänderung von weniger als 0,01 μm aufweist.
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Die
Abdeckung ist typischerweise so dünn wie möglich ausgebildet, da die Elektro-Adhäsionskraft
umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Elektroden und dem
anzuziehenden Objekt ist. Die Abdeckung 20 ist typischerweise
dünner
als 100 μm.
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Die
Abdeckung kann in Form eines dünnen Films
vorliegen. Der Film kann als Laminat aufgetragen werden.
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Die
Beschichtung kann im Aufsprühverfahren,
Tauchverfahren oder mit jeglichen anderen geeigneten Auftragungsmitteln
erfolgen.
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Die
Abdeckung besteht typischerweise aus einer Substanz mit hohem Oberflächenwiderstand. Der
Widerstand ist typischerweise höher
als 1016 Ω.
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Die
Abdeckung kann aus einer Substanz mit einer hohen Dielektrizitätskonstante
(Epsilon), typischerweise von wenigstens 6, bestehen.
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Die
Abdeckung kann glatt sein. Eine solche Glätte kann so definiert werden,
dass sie eine Oberflächenänderung
von weniger als 0,01 μm
aufweist.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden, lediglich zur Veranschaulichung, unter
Bezugnahme auf die beigefügten,
nicht einschränkenden
Diagramme erläutert,
worin
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektro-Adhäsionsvorrichtung
in dreidimensionaler Ansicht zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung der Elektro-Adhäsionsvorrichtung gemäß 1 in
Seitenansicht zeigt;
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3 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektro-Adhäsionsvorrichtung
in dreidimensionaler Ansicht mit einer Basis in Form einer Isolationsabdeckung
zeigt; und
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4 eine
schematische Darstellung der Elektro-Adhäsionsvorrichtung gemäß 3 in
Seitenansicht zeigt; und
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5 eine
schematische Darstellung einer Elektrodengruppe einer Elektro-Adhäsionsvorrichtung
in einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt, worin die Außenflächen der Elektroden so ausgebildet
sind, dass sie unterschiedliche Oberflächenzonen aufweisen, so dass
in der Anwendung das anzuziehende Objekt aus einer beliebigen Verschiedenheit
von Materialien, einschließlich
Metallen und Nichtmetallen, hergestellt sein kann.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf die 1 und 2 bezeichnet
die Bezugsziffer 10 im Allgemeinen eine erfindungsgemäße Elektro-Adhäsionsvorrichtung.
Die Elektro-Adhäsionsvorrichtung 10 umfasst
eine Basis 12 und eine erste Gruppe 14 und eine
zweite Gruppe 16 von dünnen
elektrizitätsleitenden
Elektroden 18, die im Abstand voneinander auf einer Seite
der Basis 12 angeordnet sind. Die Elektro-Adhäsionsvorrichtung 10 umfasst
ferner eine Isolationsabdeckung 20 über der ersten und zweiten
Gruppe 14, 16, so dass die Außenseite der Isolationsabdeckung 20 eine
Elektro-Adhäsionsfläche bildet,
so dass in der Anwendung, wenn die Elektroden 18 erregt
sind und ein anzuziehendes Objekt angrenzend an die Isolationsabdeckung 20 aufgelegt
wird, das Objekt mit ausreichend hoher Adhäsionskraft auf die Isolationsabdeckung 20 gezogen
wird.
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Dementsprechend
weist die Elektro-Adhäsionsvorrichtung 10 eine
Schicht auf, die von Elektroden 18 gebildet wird und eine
Schicht, die von der Basis 12 gebildet wird, wobei die
Basis 12 derart dünn
ausgebildet ist, dass sie eine Schicht der Elektro-Adhäsionsvorrichtung 10 bildet.
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Die
erste Gruppe 14 ist von der zweiten Gruppe 16 durch
einen Spalt 22 getrennt, der so klein wie möglich ausgebildet
ist, um eine statische Aufladung zwischen den Gruppen 14, 16 zu
verhindern.
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Typischerweise
besteht die Basis 12 aus einer Substanz, die so ausgewählt ist,
dass eine Leckage aus der Elektro-Adhäsionsvorrichtung 10 möglichst
gering gehalten wird, beispielsweise eine Substanz mit hohem spezifischen
Widerstand von wenigstens 1016 Ω/m.
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Das
Profil der Basis 12 bestimmt das Profil der Oberfläche der
Elektro-Adhäsionsvorrichtung. Demzufolge
ist das Profil der Basis 12 so geformt, dass es der Form
eines Teils des anzuziehenden Objektes entspricht, wobei es sich
bei dem Teil um jenes handelt, das angrenzend an die Elektro-Adhäsionsfläche aufgelegt
wird. Dies dient dazu, in der Anwendung Luftspalte zwischen der
Elektro-Adhäsionsfläche und
dem anzuziehenden Objekt so gering wie möglich zu halten.
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In
dieser Ausführungsform
der Erfindung ist das Profil der Basis 12 flach, es versteht
sich jedoch von selbst, dass in anderen Ausführungsformen der Erfindung
das Profil der Basis 12 ein beliebiges Profil sein kann.
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Typischerweise
ist die Basis 12 glatt mit einer Oberflächenänderung, die unter 0,01 μm liegt.
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Die
Isolationsabdeckung 20 ist so dünn wie möglich ausgebildet, da die Elektro-Adhäsionskraft, unter
anderen Faktoren, umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den
Elektroden 18 und dem anzuziehenden Objekt ist. Die Abdeckung 20 ist
typischerweise dünner
als 100 μm.
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Die
Abdeckung 20 besteht aus einer Substanz mit hohem Oberflächenwiderstand
von typischerweise mehr als 1016 Ω mit einer
hohen Dielektrizitätskonstante
(Epsilon) von typischerweise wenigstens 6. Die Abdeckung 20 besteht
typischerweise aus einem Polymer wie zum Beispiel Nylon 6 oder einer
PVC-Substanz.
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In
manchen Ausführungsformen
der Erfindung ist die Abdeckung 20 als dünner Film
ausgebildet, der als Laminat aufgetragen ist. In anderen Ausführungsformen
ist die Abdeckung 20 als eine Emaille-Beschichtung ausgebildet,
die im Aufsprühverfahren,
Tauchverfahren oder mit jeglichen anderen geeigneten Auftragungsmitteln
erfolgt.
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Die
Abdeckung 20 ist glatt mit einer Oberflächenänderung unter 0,01 μm.
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Mit
besonderer Bezugnahme auf die 3 und 4 bezeichnet
die Bezugsziffer 10.1 im Allgemeinen eine Elektro-Adhäsionsvorrichtung
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung. Die Elektro-Adhäsionsvorrichtung 10.1 ist
im Wesentlichen der Elektro-Adhäsionsvorrichtung 10 ähnlich und
es wurden dementsprechend gleiche Bezugsziffern verwendet, um identische
oder ähnliche
Kennzeichen anzuzeigen, außer
wenn anders angegeben. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist
die Basis in der Form einer Isolationsabdeckung 20.1, wie oben
beschrieben. Dementsprechend sind die Gruppen 14, 16 in
Sandwich-Form zwischen zwei Abdeckungen 20, 20.1 angebracht,
so dass die Elektro-Adhäsionsvorrichtung 10.1 zwei
Elektro-Adhäsionsflächen aufweist.
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5 zeigt
eine Gruppe 14/16 von langgestreckten Elektroden 18,
im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Aneinander angrenzende Elektroden 18 bilden
ein Elektrodenpaar, wobei das genannte Elektrodenpaar in der Anwendung
auf solche Weise erregt ist, dass es gegensinnig gepolt ist, wodurch
ein Ladungsunterschied in einem Teil des an das Elektrodenpaar angrenzenden
Objektes verursacht wird, wodurch wiederum das anzuziehende Objekt
auf die Elektro-Adhäsionsfläche gebracht wird.
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Jede
der Elektroden 18 weist eine von der Basis 12 abgewandte
Außenfläche 24 auf,
die in jeder Richtung Abmessungen aufweist, die größer sind als
der Abstand von einer solchen Außenfläche 24 zur Basis 12,
wobei der Abstand die Dicke der Elektrode 18 darstellt.
Jede Elektrode 18 ist typischerweise äußerst dünn, um eine statische Aufladung
zwischen aneinander angrenzenden Elektroden 18 zu begrenzen.
Jede Elektrode 18 ist typischerweise dünner als 5 μm.
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Die
Elektroden 18 können
typischerweise durch Siebdruck oder durch Aufdampfbeschichtung hergestellt
sein.
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Die
Gruppe 14116 ist so ausgebildet, dass so wenig Luft wie
möglich
zwischen aneinander angrenzenden Elektroden 18 eingeschlossen
ist.
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Aneinander
angrenzende Elektroden 18 sind im Abstand voneinander in
einem Mindestabstand 26 angebracht, der sich auf eine maximale
Haltespannung zwischen den Elektroden bezieht, bevor ein Überschlag
eintritt. Da die Elektro-Adhäsionskraft proportional
zur Spannung zwischen aneinander angrenzenden Elektroden ist, kann
der Mindestabstand 26 derart gewählt werden, dass ausreichende
Spannung zwischen einem Elektrodenpaar erzielt wird, um eine ausreichende
Elektro-Adhäsionskraft
ohne Überschlag
zu erreichen.
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Die
Elektroden 18 sind so geformt, dass eine Scharfkantigkeit
der Elektroden 18 begrenzt wird, wodurch sich die Möglichkeit
des Auftretens eines Überschlags
verringert.
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Die
Form der Außenflächen 24 der
Elektroden 18 wird je nach Zusammensetzung des Materials des
anzuziehenden Objektes gewählt.
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Zum
Anziehen von Metallen würden
die Elektroden 18 großflächige Außenflächen 24 aufweisen.
Typischerweise, enthält
die Elektro-Adhäsionsvorrichtung 10, 10.1 für Metalle
nur zwei gegensinnig gepolte Elektroden 18, die durch einen
einzigen Trennspalt 22 voneinander getrennt sind.
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Zum
Anziehen von Nichtmetallen würden
die Elektroden 18 kleinflächige Außenflächen 24 aufweisen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die Außenflächen 24 der
Elektroden 18 so geformt, dass sie veränderliche Oberflächenzonen
aufweisen, so dass das anzuziehende Objekt bei der Anwendung aus
einer beliebigen Verschiedenheit von Materialien, einschließlich Metallen
und Nichtmetallen hergestellt sein kann, wodurch das Objekt mit
ausreichend hoher Elektro-Adhäsionskraft,
ungeachtet des Materials, angezogen wird. Dementsprechend weist
die Außenfläche 24 jeder
der Elektroden 18 eine lineare Abgrenzung auf einer Seite
und eine sinusförmige
Abgrenzung auf der gegenüberliegenden
Seite auf, so dass die Breite jeder Elektrode 18 sinusförmig in
Längsrichtung
der Elektrode 18 variiert, wodurch sich die veränderliche
Oberflächenzone jeder
Elektrode 18 in Längsrichtung
der Elektrode 18 wiederholt. Folglich sind die Elektroden 18 so
ausgebildet, dass die sinusförmige
Abgrenzung einer Elektrode 18.1 angrenzend an die sinusförmige Abgrenzung
einer angrenzenden Elektrode 18.2 fluchtend ausgerichtet
ist und dass die lineare Abgrenzung einer Elektrode 18.1 angrenzend
an die lineare Abgrenzung einer angrenzenden Elektrode 18.3 fluchtend
ausgerichtet ist, so dass der Mindestabstand 26 zwischen
nebeneinanderliegenden Elektroden (18) ziemlich konstant
bleibt.
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Es
versteht sich, dass die lineare Abgrenzung einer der Endelektroden 18 der
ersten Gruppe 14 parallel zur linearen Abgrenzung einer
der Endelektroden 18 der zweiten Gruppe 16 auf
der Basis 12 angeordnet ist, um den Spalt 22 zu
bilden.
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Es
versteht sich ebenfalls, dass in anderen Ausführungsformen der Erfindung
die Elektroden 18 so geformt und ausgebildet sein können, dass
bestimmte Teile der Elektro-Adhäsionsfläche nur
Metalle anziehen, andere Teile nur Nichtmetalle und wieder andere
Teile beides, Metalle und Nichtmetalle bzw. jegliche Kombination
aus zweien dieser Teile.
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Typischerweise
sind die Elektroden 18 eines Elektrodenpaares gegensinnig
mit schwachem Gleichstrom gepolt, typischerweise weniger als 5 μA Gleichstrom
mit einer relativ hohen Gleichstromspannung, typischerweise höher als
1500 V Gleichstrom.
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Es
versteht sich ferner, dass in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung die Elektroden 18 auf gegenüberliegenden
Seiten der Basis 12 angebracht werden können, wenn die Basis 12 aus
einer Substanz mit einer hohen Dielektrizitätskonstante (Epsilon), typischerweise
von wenigstens 5, hergestellt ist. Elektroden 18 eines
Elektrodenpaares können
auf gegenüberliegenden
Seiten der Basis 12 angebracht werden, wobei bei der Anwendung
das Elektrodenpaar auf solche Weise erregt ist, dass es gegensinnig
gepolt ist, wodurch ein Ladungsunterschied in einem Teil des an
das Elektrodenpaar angrenzenden Objektes verursacht wird, wodurch
wiederum das anzuziehende Objekt auf die Elektro-Adhäsionsfläche gebracht
wird. Elektroden 18 auf der gleichen Seite der Basis 12 können gegensinnig
zu Elektroden 18 auf der gegenüberliegenden Seite der Basis 12 gepolt
werden, wodurch die maximale Haltespannung zwischen den Elektroden 18 zunimmt und
der Effekt von Verunreinigungen auf der Elektro-Adhäsionsfläche abnimmt.
Es versteht sich, dass das Elektrodenpaar in diesem Ausführungsbeispiel der
Erfindung genau die gleichen Merkmale eines mit Bezug auf die Zeichnungen
beschriebenen Elektrodenpaars aufweist, mit der Ausnahme, dass eine Elektrode 18 des
Elektrodenpaars auf der gegenüberliegenden
Seite der Basis 12 angeordnet ist. Dementsprechend ändert sich
das Verhältnis
der auf gegenüberliegenden
Seiten der Basis angebrachten Elektroden 18 eines Elektrodenpaars
in Bezug auf die Elektro-Adhäsionsfläche, jedoch
nicht das Verhältnis
der auf der gleichen Seite der Basis angebrachten Elektroden eines
Elektrodenpaars.
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Man
ist der Ansicht, dass ein Vorteil der Erfindung darin liegt, dass
eine ganze Reihe von kostengünstigen
und wirtschaftlich lebensfähigen
Elektro-Adhäsionsvorrichtungen
entworfen, hergestellt und verkauft werden kann. Ferner ist man
der Ansicht, dass ein Vorteil darin zu sehen ist, dass eine breite
Palette von Objekten durch die Elektro-Adhäsionsvorrichtung mit ausreichend
hoher Kraft angezogen wird, so dass diese Objekte auf einer Elektro-Adhäsionsfläche der
Vorrichtung festgehalten werden können.