Dielektrischer Zug-Druck Aktor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktor nach dem Oberbegriff von An- spruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung solcher Aktoren.
Generell werden Aktoren wie Elektromotore, Schrittmotore oder Piezokristalle in der Robotik (einschliesslich der Mikrotechnik) eingesetzt, wo sie elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Generell haben diese Aktoren im Kleinformat einen schlechten Wirkungsgrad; im grosseren Format sind sie schwer.
Deshalb finden auf elektroaktiven Polymeren basierende Aktoren zunehmend Interesse, insbesondere auch dielektrische Aktoren, die elektrische Spannung in mechanische Arbeit umsetzen, so auch für taktile Anwendungen wie einen taktilen Handschuh oder eine taktile Anzeige für die Braille-Schrift (s. "Miniatu- rised Electrostatic Tactile Display with High Structural Compliance, M. Jungmann, H:F: Schlaak, in Proceedings of the Conference "Eurohaptics 2002").
Häufig - aber im Hinblick auf die vorliegende Erfindung nicht ausschliesslich - bestehen dielektrische Aktoren aus einem inkompressiblen Elastomerfilm bzw. einer inkompressiblen Elastomerfolie, die beidseitig mit Elektroden beschichtet ist. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden wird die Elastomerfolie durch die in den Elektroden wirkende Coulombkraft in Feldrich- tung (d.h. in einer Richtung parallel zur Richtung der Feldlinien) zusammenge- presst, wobei sich das Elastomer, da inkompressibel, zugleich senkrecht zur Feldrichtung ausdehnt; eine Reduktion der angelegten Spannung bewirkt eine Rückkehr des Elastomerfilms in seine ursprüngliche Konfiguration.
Die Ausdehnung des Elastomers senkrecht zur Feldrichtung soll durch die Elektrode nicht behindert werden (da wegen der Inkompressibilität sonst auch die gewünschte Bewegung in Feldrichtung behindert wäre), mit der Folge, dass
die Elektrode sich der Dehnung senkrecht zur Feldrichtung anpassen können muss.
Der dielektrische Aktor kann nun über den Verformungsweg des Elastomers Arbeit leisten. Entweder beim Anlegen einer Spannung, wenn sich das in Feldrichtung zusammengepresste Elastomer dank seiner inkompressiblen Eigenschaften senkrecht zur Feldrichtung ausdehnt, oder aber bei der Reduktion der Spannung in Feldrichtung, wenn die im Elastomer gespeicherte elastische Energie während der Rückverformung frei wird.
Vorteilhaft an solchen dielektrischen Aktoren ist die hohe Energiedichte, die mehr als 0,2 J/cm3 betragen kann, was mehr als der doppelten Energiedichte von piezoelektrischen Aktoren entspricht. Weiter Vorteilhaft ist die Möglichkeit der einfachen Kapselung, so dass solche Aktoren je nach dem verwendeten Elastomer unter den verschiedensten Umgebungsbedingungen einsetzbar sind. Schliesslich sind die Materialkosten für solche Aktoren niedrig; sie sind zudem leicht und geräuschlos.
Der Struktur einer Kapazität entsprechend wirkt im dielektrischen Aktor das Elastomer als Dielektrikum, wobei eine möglichst hohe Dielektrizitätskonstante und möglichst hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit angestrebt wird. Häufig werden Silikone oder Acryle verwendet, z.Bsp. das acrylische Elastomer VHB4910 von 3M, das grösste Dehnungen (bis 300%) zulässt. Eine mechanische Vordehnung des Elastomerfilms bzw. der Elastomerfolie führt zu erhöhter Durchschlagsfestigkeit und geringerer Dicke, was wiederum eine geringere Dicke des Films bzw. der Folie zur Folge hat und so zu tieferen elektrischen Spannungen für den gleichen elektrostatischen Druck.
Bei Feldstärken bis zu 90 V/μm werden bei üblichen Elastomeren Dickendeh- nungen, d.h. Dehnungen in Feldrichtung, bis zu 20% erreicht.
Die Dicke einer Elastomerfolie liegt im μm-Bereich, z.Bsp. bei 20 μm, was auch bei hoch dehnbaren dielektrischen Schichten zwischen den Elektroden kaum
einen nutzbaren Arbeitsbereich über die Dicke (oder Höhe) des Aktors ergibt; entsprechend werden dielektrische Aktoren gestapelt oder auch als Spirale ausgebildet, damit sich die Arbeitswege der einzelnen Aktoren bzw. der einzelnen Windungen der Spirale addieren können, bis der resultierende Arbeitsweg über die Höhe des Stapels bzw. der Spirale für eine Anwendung genügt (während die Arbeitskraft von der Fläche der Aktoren, und nicht von deren Anzahl abhängt).
Die Elektroden werden üblicherweise als Beschichtung auf dem Elastomer auf- gebracht, wobei Graphitpulver Verwendung findet, das bei der Stapelung von Aktoren zwischen den jeweils aufeinanderliegenden Elastomerabschnitten eingeschlossen ist. Bei der Verformung des Elastomers senkrecht zur Feldrichtung können die einzelnen Graphitkörner in der Beschichtung frei auf einander abgleiten und behindern so die Verformung nicht.
Die DE 10 2004 011 029 und die WO 2007/0292275 zeigen verschiedene Konfigurationen von Poymeraktoren in Stapelbauweise, deren Elektrodenaufbau sowie die geeignete Zusammenschaltung gleichpoliger Elektroden.
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten dielektrischen Aktor bereitzustellen.
Dazu besitzt der erfindungsgemässe Aktor die kennzeichnenden Merkmale nach Anspruch 1. Weiter besitzt ein Verfahren zur Herstellung des erfindungs- gemässen Aktors die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 13.
Dadurch, dass die Elektroden eine senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums gerichtete Zugspannung übertragen können, wird ermöglicht, dass der Aktor Arbeit in Feldrichtung bereits beim Anlegen einer Spannung leisten kann, wel- che durch vom Aktor ausgeübte Zugkraft erfolgt. Somit eröffnen sich weitere Einsatzbereiche gegenüber den konventionellen dielektrischen Aktoren, die nur dann in Feldrichtung Arbeit abgeben, wenn bei der Spannungsreduktion die im Dielektrikum gespeicherte Energie frei wird.
Dadurch, dass die Fähigkeit, Arbeit in Feldrichtung über Druck abzugeben, unberührt bleibt, ist der erfindungsgemässe Aktor zudem nach wie vor in den bisherigen Einsatzbereichen einsetzbar.
Über die gestellte Aufgabe hinaus wird durch das erfindungsgemässe Verfahren ein einfacher und günstiger Weg für die Herstellung gegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1. einen dielektrischen Aktor gemäss Stand der Technik, und
Fig. 2 einen erfindungsgemässen Aktor mit dem Aufbau des Aktors von Fig. 1, wobei ein Ausschnitt zwischen zwei benachbarten dielektrischen Schichten dargestellt ist,
Fig. 3a einen aus einem zusammengefalteten Filmstreifen gebildeten Stapel von Einzelaktoren, und
Fig. 3b den Filmstreifen von Figur 3a, min den zu beschichtenden Bereichen.
Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen konventionellen dielektri- sehen Aktor 1, der eine Kapselung 2 und einen aus dielektrischen Einzelaktoren 3 bestehenden Stapel 4 aufweist. Der Stapel 4 ist endseitig begrenzt durch Endstücke 5, mit Übertragungsgliedern 6 für die Übertragung der mechanischen Bewegung des Aktors 1 an die Umgebung.
Zur Entlastung der Figur weggelassen sind die elektrischen Anschlüsse für die zwischen den dielektrischen Schichten des Aktors 1 vorgesehenen Elektroden; über deren Anordnung wird auf die Eingangs erwähnten Publikationen (DE 10 2004 011 029 und die WO 2007/0292275) explizit zum Zweck der Beschrei-
bung solcher Aktoren Bezug genommen, und auf das Wissen des Fachmanns, der den Aktor 1 für den vorgesehenen Verwendungszweck auslegen kann.
Vorsprünge 7 blockieren die Endstücke 5 in deren äusserster Lage, welche dem passiven Zustand des Aktors 1 entspricht: ist keine Spannung an die Einzelaktoren 3 angelegt, befindet sich die jeweils zwischen deren Elektroden eingeschlossenen, elastischen und inkompressiblen Dielektrika im unkomprimierten Zustand, d.h. sie besitzen maximale Höhe (bzw. Dicke) und damit auch ihren minimalem Durchmesser. Ebenso die beidseits einer dielektrischen Schicht aufgesprühte Pulverschicht aus Graphit, die die Elektrodenschicht bildet.
Wird eine Spannung angelegt, laden sich die Elektroden jedes Einzelaktors 3 auf und erzeugen ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien parallel zur Längsachse 10 des Aktors 1 verlaufen. Die zwischen den Ladungen herrschende Cou- lombkraft bewirkt, dass das elastische Dielektrikum im Einzelaktor 3 komprimiert wird, also in Feldrichtung an Höhe verliert, wobei die verdrängte Masse eine Vergrösserung des Durchmessers bewirkt. Die Summe der Höhenänderungen der Einzelaktoren 3 führt dann zu einer Verschiebung des (oder beider) Übertragungsglieder 6 in Richtung der Pfeile 11.
Da die Elektroden aus einer Schicht von grundsätzlich losem Graphitpulver bestehen, bzw. aus Graphitpulver, dessen Körner oder Partikel nicht miteinander verbunden sind, können sich die einzelnen, durch Elektroden getrennten Dielektrika von einander trennen, wenn z.Bsp. die Übertragungsglieder 6 blockiert bzw. zugbelastet sind. Es ist mit anderen Worten so, dass der Aktor 1 keine Arbeit durch Zug (Richtung der Pfeile 11) verrichten kann. Vorteilhaft ist hingegen, dass eine aus losem Graphitpulver bestehende Elektrode der Durchmesserzunahme des Dielektrikums gut folgen kann, d.h. diese nicht behindert.
Arbeit kann der Aktor 1 hingegen verrichten, sobald die an die Einzelaktoren 3 angelegte Spannung reduziert wird, was dazu führt, dass die Dielektrika, von den Coulombkräften entlastet, ihre ursprüngliche Höhe wieder einnehmen: der dadurch von den elastischen Dielektrika ausgeübte Druck wird von den aus der
Graphitpulverschicht bestehenden Elektroden übertragen und bewegt die Endstücke 5 voneinander weg, so dass in Richtung der Pfeile 12 an der Umgebung Arbeit verrichtet werden kann.
Die Dielektrika des Stands der Technik bestehen aus einem dielektrischen Polymer, das Eigenschaften wie Elastizität (Speicherung von Arbeit), Inkompres- sibilität und genügende Dielektrizitätskonstante im Hinblick auf die vorgesehene Anwendung genügend gut in sich vereinigt.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemässen Aktor 20, der im Grundsatz denselben Aufbau besitzt wie der Aktor 1 von Figur 1; der dargestellte Ausschnitt entspricht etwa dem durch die punktierte Linie 13 (Figur 1) angedeuteten Bereich. Die Längsachse des Aktors 20 ist mit 14 bezeichnet.
Ersichtlich ist eine Kapselung 21, die einen Stapel 22 von Einzelaktoren 23 betriebsfähig kapselt. Jeder Einzelaktor 23 ist gebildet durch ein flächig geformtes, hier vorzugsweise scheibenförmiges Dielektrikum 24, das beidseitig auf der flachen Seite mit ebenfalls flächigen Elektroden 25 (z.Bsp. positive Ladung) und 26 (z.Bsp. negative Ladung) versehen ist. Endstücke 29 entsprechen den Endstücken 5 von Figur 1. Als Dielektrikum kommen elektroaktive Polymere, bevorzugt dielektrische Polymere, z.Bsp. Filme oder Folien aus cross linked PDMS (Revosil and Neukasil von Revoflex AG), Neukasil RTV 23 oder auch thermoplastic PDMS (Betaflex vopn Revoflex AG) in Frage, die im Wesentlichen nicht klebrig oder von vergleichsweise geringer Klebrigkeit sind, da Oberflä- chen ohne jede Adhäsivität (siehe unten) im Bereich der Dielektrika kaum existieren.
Als klebrig bezeichnet man insbesondere Oberflächen, die sich durch Adhäsivität auszeichnen und über große Kohäsionskräfte verfügen. Klebrigkeit ist damit ein physikalisch-mechanisches Phänomen. Hierbei kommt die Haftung durch das mechanische Verhaken und Vernetzen von fädigen Oberflächenstrukturen zustande. Im Übergang zum Nanobereich, wie dies bei den kleinsten Partikeln für Elektroden der Fall ist, treten atomare Kräfte wie Van-der-Waals-Kräften
oder Wasserstoffbrückenbindungen in den Vordergrund. Der Natur der Sache nach ist der Übergang von der klebrigen Oberfläche für auch grossere Partikel bis hin zum Haften aufgrund z.Bsp. der van der Waals Kräfte fliessend; der Fachmann kann jedoch im Hinblick auf den konkret herzustellenden Aktor, im Zweifel durch einfache Experimente, leicht feststellen, ob er ein Dielektrikum mit grosser Adäsivität wählen will oder ob das Haften durch z.Bsp. van der Waals Kräfte genügt. Wenn dies nicht der Fall ist, kann er, wie unten beschrieben, Partikel auf einem nicht klebrigen Dielektrikum durch anlegen einer Spannung fixieren.
Wiederum sind die elektrischen Anschlüsse der Elektroden zur Entlastung der Figur weggelassen und auf den diesbezüglichen Stand der Technik (z.Bsp. die Publikationen DE 10 2004 011 029 und die WO 2007/0292275 verwiesen). Zwar ist die Ausbildung der Elektroden 25,26 Gegenstand der vorliegenden Er- findung, dies trifft jedoch für deren elektrische Anschlüsse nicht zu, welche konventionell sind und vom Fachmann jederzeit der vorgesehenen Anwendung entsprechend hergestellt werden können.
Seitlich ist eine elastische, leicht kompressible Distanzhülse 27 angeordnet, die im passiven Zustand des Aktors 20 den Zwischenraum zwischen den Einzelaktoren 23 und der Kapselung 21 füllt, aber soweit nachgiebig und elastisch ist, um im aktiven Zustand die Vergrösserung des Durchmessers (in Richtung des Pfeils 28) zuzulassen, und im Übergang zum passiven Zustand den Zwischenraum wieder auszufüllen.
Erfindungsgemäss bestehen nun die Elektroden 25, 26 der dargestellten Ausführungsform nicht aus einer Schicht von losen Körnern oder Partikeln von Graphitpulver, die z.Bsp. auf das Dielektrikum aufgesprüht worden ist, sondern aus einer einzigen Lage von Partikeln 30 dieses Pulvers, wobei die Partikel 30 auf der Oberfläche des von ihnen berührten Dielektrikums verteilt sind. Es ergibt sich, dass jede einzelne Lage von Partikeln 30, die jeweils eine Elektrode 25,26 bildet, gemeinsam zwei benachbarten Einzelaktoren 23 zugeordnet ist. Dies führt dazu, dass bei der Kontraktion der Dielektrika 24 durch die einzel-
nen Partikel Zugkraft auf das angrenzende Dielektrikum 24 übertragen wird, solange, bis die durch die Coulombkraft erzeugte Haftung des einzelnen Partikels an den ihm zugeordneten Dielektrika überwunden ist. (Natürlich können die Partikel 30 ebenfalls Druck übertragen).
Damit folgt, dass sich benachbarte Dielektrika 24 nicht mehr von einander lösen können, wenn eine Betriebsspannung an den Aktor 20 angelegt wird. Dann verschiebt sich das Endstück 29 in Richtung des Pfeils 11 und kann entsprechend schon in dieser Phase Arbeit leisten.
Mit anderen Worten ist es so, dass die Elektroden 25,26 erfindungsgemäss derart ausgebildet sind, dass sie eine senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums gerichtete Zugspannung übertragen können, wobei sie wie oben geschildert bevorzugt derart ausgebildet sind, dass sie aus einer Pulverschicht mit leitfähigen Partikeln 30 bestehen, und die Schicht im wesentlichen eine einzige Lage an Partikeln 30 aufweist, die auf der Oberfläche des von ihnen berührten Dielektrikums verteilt sind.
Besonders bevorzugt wird für solche Elektroden 25,26 Graphitpulver verwen- det, das unter der Bezeichnung "Ketjenblack 600" von Akzo Nobel erhältlich ist.
Weiter wird bevorzugt als Dielektrikum ein klebriges, dielektrisches Polymer (z.Bsp. VHB 4910/4905 der Firma 3M) eingesetzt, auf welchem die Partikel, wenn einmal aufgebracht, von selbst haften.
Befindet sich eine einzige Lage an Partikeln 30 auf einem Dielektrikum, dessen Oberfläche senkrecht zur Feldrichtung zunimmt, wäre zu erwarten, dass diese dann schnell Kontakt verlieren und deshalb die Kontraktion frühzeitig zum Still- stand kommt, mehr noch, eine Entladung und Rückkehr in den passiven Zustand des Aktors kaum mehr möglich ist.
Die Beobachtungen bestätigen diese Erwartung nicht, im Gegenteil zeigt es sich, dass der Fluss der Ladungen tatsächlich nicht oder nicht relevant behindert ist (d.h. dass die in den Elektroden speicherbare und tatsächlich gespeicherte Ladungsmenge in der Nähe der Durchschlagsfestigkeit des Dielektri- kums liegt) und dass eine Rückkehr in den nicht deformierten Zustand ohne weiteres erfolgt. Ausnahmen mögen sich bei extremster Streckung des Dielektrikums senkrecht zur Feldrichtung ergeben, was aber nicht mehr dem sinnvollen Anwendungsbereich des erfindungsgemässen Aktors entspricht.
Der Grund dafür ist theoretisch nicht vollständig durchdrungen, aber durch Folgendes erklärbar: z.Bsp. aufgrund der im Mikrobereich unebenen, einer Berg- und Tallandschaft gleichenden Oberfläche des Dielektrikums berühren sich die unregelmässig geformten Partikel 30 nicht nur in horizontaler Lage, sondern überwiegend in schräger Lage (die Partikel liegen am Berghang, eines weiter unten und eines weiter oben). Bei der Ausdehnung des Dielektrikums ebnen sich Berg und Tal ein, und vorher schräg zu einander angeordnete Partikel 30 sind nun horizontal ausgerichtet, mit der Folge, dass trotz Dehnung die Berührung noch vorliegt, also die elektrische Leitfähigkeit noch gegeben ist. Im Ergebnis ist es so, dass die Partikel bei Dehnung nicht alle gleichzeitig Kontakt verlieren, sondern dass sich ein Netz von leitenden Brücken durch die gedehnte Elektrode erstreckt.
Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Aktors besteht einmal darin, dass auf vorbestimmten Bereichen des klebrigen Dielektrikums eine Pulverschicht aus leitfähigen Partikeln aufgebracht wird.
Da in der Regel ein Stapel 22 an Einzelaktoren 23 herzustellen ist, der im Hinblick auf einfache Fertigung z.Bsp. aus einem s-förmig zusammengefalteten Filmstreifens eines geeigneten Dielektrikums besteht (s. die WO 2007/029275) oder aus einem spiralförmig aufgewundenen Filmstreifen, muss die Beschich- tung mit Pulver derart erfolgen, dass nach dem Zusammenfalten bzw. dem zusammenfügen der Spirale nur jeweils eine der einander gegenüberliegenden Oberflächen des Dielektrikums 24 (die eine Elektrode 25,26 zwischen sich ein-
schliessen) beschichtet ist. Andernfalls wäre eine Elektrode, die aus nur einer einzigen Lage an Partikeln 30 besteht, nur schwierig herzustellen.
Figur 3a zeigt einen Stapel 40 von Einzelaktoren 41, der gebildet ist aus einem zick-zack förmig zusammengefalteten Filmstreifen 42 aus einem dielektrischen Polymer. Dabei ist ersichtlich, dass jede einzelne Lage 43 des zusammengefalteten Filmstreifens 42 beidseitig eine Elektrode (bestehend aus Partikeln 30, Figur 2) aufweist. Figur 3b zeigt den auseinandergefalteten Filmstreifen 42 mit seinen durch die strichpunktierten Linien 44 angedeuteten Faltstellen. Die vor- bestimmten, zu beschichtenden Bereiche 45 sind mit den durch Punkte symbolisierten Partikeln 30 (Figur 2) bedeckt. Beim Zusammenfalten befindet sich deshalb zwischen jeweils aneinander angrenzenden Lagen 43 (Figur 3a) nur eine einzige Lage an Partikeln 30. Würden die Bereiche 46 ebenfalls beschichtet, befände sich zwischen an einander anliegenden Lagen 43 (Figur 3a) eine Elektrode, die aus zwei Lagen an Partikeln 30 bestünde, was erfindungsgemäss nicht zulässig ist.
Der Fachmann wird mit anderen Worten die vorbestimmten Bereiche für die Beschichtung derart auswählen, dass im Stapel einander gegenüberliegende Oberflächen des Dielektrikums nur eine Lage an Partikeln 30 zwischen sich ein- schliessen. Dabei muss nicht zwingend nur eine solche Oberfläche beschichtet und die jeweils andere nicht beschichtet werden, die Oberflächenabschnitte können auch in irgend einer geeigneten Art aufgeteilt werden, aber immer so, dass sich im Stapel die Beschichtung als einzige Lage an Partikeln 30 ergibt.
Das erfindungsgemässe Herstellverfahren umfasst demnach die Aufbringung einer Pulverschicht aus leitfähigem Pulver auf die vorbestimmten Bereiche, was konventionell, z.Bsp. durch Aufsprühen, vorgenommen werden kann.
Der nächste Schritt umfasst schliesslich die Verteilung des aufgesprühten Pulvers in den vorbestimmten Bereichen auf der Oberfläche des Dielektrikums derart, dass diese gleichmässig und im Wesentlichen lückenlos durch aufgesprühte Partikel bedeckt sind. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die
Verteilung mechanisch erfolgt, besonders bevorzugt dadurch, dass das aufgebrachte Pulver durch einen auf der Oberfläche des Dielektrikums aufgedrückten Stempel (aus Silikon oder auch aus Moosgummi) verrieben wird, was durch einige Hin- und Herbewegungen im vorbestimmten Bereich 45, oder im Fall scheibenförmiger Lagen 43 auch durch Rotation des Stempels geschehen kann. Diese mechanische Bewegung löst Verklumpungen oder Zusammenballungen von Partikeln auf und bedeckt frei gebliebene Stellen auf der Oberfläche mit Partikeln 30. Zugleich werden die Partikel 30 an die Oberfläche angedrückt, so dass sie dann auf der klebrigen Oberfläche haften bleiben. Es versteht sich da- bei von selbst, dass zwar über die gesamte Oberfläche gesehen eine homogene Verteilung der Partikel 30 erzeugt werden kann, aber einzelne und lokale Inhomogenitäten verbleiben können, wie es auch möglich ist, dass einzelne Stellen verbleiben, in denen z.Bsp. durch mechanische Verkeilung (die sich vielleicht früher oder später lösen kann) Partikel noch übereinander angeordnet sind und nicht ausschliesslich nebeneinander liegen, d.h. in einer einzigen Lage angeordnet sind. Entsprechend sind die Wendungen "im Wesentlichen eine einzige Lage von Partikeln" bzw. "im Wesentlichen lückenlos von Partikeln bedeckt" zu verstehen.
An dieser Stelle ist anzufügen, dass mehrere dauerhaft und nicht nur vorübergehend zusammenhaftende Partikel im Sinn der Erfindung als einziges Partikel betrachtet werden, da die dauerhaft zusammenhaftenden Partikel als Klumpen die notwendige Zugkraft übertragen können und zugleich immer noch eine Schicht mit einer einzigen Lage an Partikeln existiert. Es kommt mit anderen Worten auf den inneren Aufbau des Partikels nicht an.
Im letzten Verfahrensschritt werden nicht auf der Oberfläche des Dielektrikums haftende Partikel von dieser wieder entfernt. Bevorzugt geschieht dies durch Absaugen oder Wegblasen der losen Partikel.
Damit ergibt sich eine Schicht, die aus einer einzigen Lage an Partikeln 30 besteht.
Beispiel:
Ein Stempel aus Silikon, Typ RTV 23 wurde in eine Petrischale gefüllt mit Graphitpulver Ketjenblack EC-600JD getaucht und das am Stempel haftende PuI- ver auf ein Dielektrikum gebracht. Das aus dem Elastomer VHB 4910 von 3M bestehende Dielektrikum wies einen Durchmesser von 20 mm und eine Höhe von ca. 70μm auf. Durch kreisförmige Bewegungen des Stempels konnten die Partikel gleichmässig mit hoher Dichte über die gesamte zu beschichtende Fläche des dielektrischen Materials verteilt und durch Absaugen die überschüssige und nicht haftende Pulvermenge von der Oberfläche entfernt werden. Durch Aufeinanderstapeln von 500 Lagen solchermassen beschichteter Filmabschnitte wurde ein Aktor von einer Länge von 40 mm gebaut. Nach Anbringen der elektrischen Zuleitung und der Krafteinleitungsstellen an beiden Enden konnte der Aktor mit bis zu 4.2 kV aktiviert werden. Dabei wurde eine Kontraktion von bis zu ca. 30% im unbelasteten Zustand erzeugt. Die durch die Aktivierung entstehende mechanische Spannung zwischen den Elektrodenlagen betrug ca. 0.2N/mm2 d.h. insgesamt ca. 63 N, die für die Erzeugung der Zugkraft verwendet werden konnten.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die beschriebene Haftung der Partikel 30 an der Oberfläche eines klebrigen Polymers zwar wünschenswert ist, um gemäss dem dargestellten Herstellverfahren eine einzige Lage an Partikeln 30 herstellen zu können. Die Haftung der Partikel 30 an der Oberfläche der Dielektrika 24 ist aber nicht relevant für die erfindungsgemässe Funktion des Aktors 23:
Sobald nämlich an den Aktor 20 eine Spannung angelegt wird, bildet sich in jedem Einzelaktor 23 ein elektrisches Feld aus, mit der Folge, dass sich die Elektroden 25,26 (d.h. die einzige Lage an Partikeln 30) durch die Coulombkräfte anziehen und sich damit an die Dielektrika 24 anpressen. Diese Verklamme- rung durchsetzt den ganzen Stapel 22, über jeden Einzelaktor 23, und führt aufgrund der Zugfestigkeit der einzelnen Partikel 30 (die eine senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums 24 gerichtete Zugspannung übertragen können) dazu, dass der Aktor 23 Zugkräfte übertragen und durch diese Arbeit leisten
kann. Eine Haftung der Partikel 30 am klebrigen Polymer ist mit anderen Worten für die erfindungsgemässe Funktion nicht notwendig.
Weiter sei erwähnt, dass eine einzige Lage von Partikeln 30 auch auf einem nicht klebrigen Dielektrikum hergestellt werden kann, nämlich dann, wenn die Partikel klein sind (500nm, bevorzugt jedoch 200nm oder weniger), wie dies bei Kohlenstoffnanoröhren oder Fullerenen der Fall ist, oder bei entsprechend kleinen Graphitpartikeln. Durch das oben geschilderte Verreiben werden diese kleinen Partikel so nahe an die Moleküle des Dielektrikums gebracht, dass eine Haftung durch van der Waals Kräfte erfolgt. Schliesslich können auch grossere Partikel als einzige Lage auf einem Dielektrikum aufgebracht werden, indem nach dem Aufbringen auf beiden Seiten des Dielektrikums eine elektrische Spannung angelegt wird, so dass Partikel, welche die Oberflächen berühren, durch die elektrostatische Anziehung haften und die anderen Partikel leicht durch Absaugen entfernt werden können. Damit verbleibt auf jeder Oberfläche eine einzige Lage von Partikeln 30, welche wiederum durch ein weiteres Dielektrikum 24 bedeckt werden kann, und so fort, bis der gewünschte Stapel hergestellt ist.
Die eine Elektrode bildende einzelne Lage an Partikeln kann auch leitfähige metallische Partikel wie Aluminium-, Eisen-, Kupfer- und/oder Goldpartikel aufweisen. Ebenso kann der erfindungsgemässe Effekt erreicht werden, wenn sich die Lage an Partikeln nicht zwischen den Dielektrika befindet, sondern in die Oberfläche des einen der beiden an einander angrenzenden Dielektrika ein- gelassen sind. So z.Bsp. in Form von in ein dielektrisches Polymer implantierter Metallionen. Diese Metallionen bilden dann ebenfalls eine Elektrode, die senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums gerichtete Zugspannungen übertragen kann.
Bei einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform wird als Dielektrikum ein Schaum verwendet, der, da elastisch und kompressibel, sich bei Kompression in Feldrichtung nicht oder nicht wesentlich senkrecht zur Feldrichtung ausdehnt. Solche Schäume können aus folgenden Materialien beste-
hen: Weichschaum aus Polyurethan (wie Bayflex, Elastoflex, Elastofoam) sowie geschlossenzelligen, vernetzten Schaumstoffen auf der Grundlage von Polyamid (ZOTEK N ®) oder anderen speziellen Polymeren (Polyethylen). Dann kann als Elektrode eine feste Platte aus leitfähigem Material, z.Bsp. eine Metallplatte verwendet werden, also eine Elektrode, die ausgebildet ist, eine senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums gerichtete Zugspannung zu übertragen. Obschon aufgrund der Blasen im Schaum mit einer vergleichsweise tiefen Dielektrizitätskonstante gerechnet werden muss, besitzt solch eine Ausfϋhrungsform den Vorteil einer einfach herzustellenden und einfach auf das Dielektrikum aufzu- bringenden Elektrode.
Schliesslich wird bei noch einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform die Elektrode nur teilweise als einlagige Schicht gebildet. Solch eine Ausführungsform kann dann zwar nicht die an sich maximal mögli- chen Zugkräfte übertragen, da die Fläche der einlagigen Schicht reduziert ist. Dies ermöglicht, einerseits Teile der Elektrode nicht aus Pulver auszubilden, was je nach der konkreten Ausbildung des Aktors wünschenswert sein kann. Ebenso ist es denkbar, dass bei einer kommerziellen Produktion z.Bsp. aus Kostengründen in Kauf genommen wird, dass vielleicht nur 80%, oder weniger, der aus Pulver bestehenden Elektrode tatsächlich einlagig ausgebildet sind, da der Aufwand für die Absaugung mit der Vollständigkeit, in welcher die einlagige Schicht ausgebildet werden soll, stark anwachsen kann. Solche Ausbildungen werden durch die vorliegende Erfindung mitumfasst.