EP2446490A1 - Elektroaktiver elastomeraktor sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Elektroaktiver elastomeraktor sowie verfahren zu dessen herstellung

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EP2446490A1
EP2446490A1 EP10730364A EP10730364A EP2446490A1 EP 2446490 A1 EP2446490 A1 EP 2446490A1 EP 10730364 A EP10730364 A EP 10730364A EP 10730364 A EP10730364 A EP 10730364A EP 2446490 A1 EP2446490 A1 EP 2446490A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electroactive
layer
shaped
elastomer
band
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10730364A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
William Kaal
Sven Herold
Tobias Melz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2446490A1 publication Critical patent/EP2446490A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/098—Forming organic materials

Definitions

  • the invention relates to an electroactive elastomer actuator having at least a first band-shaped electroactive elastomer layer and at least a first and a second surface electrode, which are separated by the at least first electroactive elastomer layer. Further, a method for producing an electroactive elastomer actuator will be described.
  • Electroactive elastomer actuators use the transducer principle of dielectric elastomers, which belong to the group of electroactive polymers (EAP for short) and are able to convert electrical energy directly into mechanical work. In contrast to the piezoelectric ceramics having comparable energy conversion properties, electroactive elastomers have much higher elongation properties of more than 300% and, with a much lower material density, allow a largely free formability. These properties are used in a conventional manner for the construction of actuators and sensors.
  • EAP electroactive polymers
  • WO 2007 029275 A1 discloses a stapeiförmig constructed actuator based on an electroactive polymer, with a band-shaped electroactive polymer, the two strip surfaces are each contacted with a surface elastic surface electrode and form a band-shaped layer composite meandering to form a plurality of folded stacked superposed layer composite layers.
  • compressive forces act on the individual electroactive polymer layer layers in the layer thickness direction, as a result of which the actuator is able to contract in a controlled manner in the layer thickness direction to the individual layer composite layers.
  • a disadvantage of such electroactive polymer stack actuators is their complex production, since the individual laminates must be stacked with great precision on each other by appropriate convolution.
  • an electroactive polymer actuator associated with lower manufacturing complexity can be found in WO 2004/109817 A3.
  • This actuator also provides a band consisting of electroactive polymer, but in this case two strip-like electrodes extend along the opposite band edges of the electroactive polymer band.
  • the thus prefabricated electroactive polymer strip is wound in a helical winding arrangement around a cylindrical winding core, which can be separated from the winding core after the winding process.
  • typical roller actuators are winding materials wound with or without a winding core, electroactive polymer tapes each unilaterally provided with a surface electrode whose actuator action direction is oriented along the winding axis, ie layer thickness variations in the wound polymer tape layers remain unused or unconsidered.
  • the invention has for its object to form an electroactive Elastomeraktor with at least a first band-shaped electroactive elastomer layer and at least a first and a second surface electrode, which are separated by the at least first electroactive elastomer layer, such that on the one hand connected to the known stack actuators Advantages in terms of stability and actuator efficiency and on the other hand, the technically simple and cost-effective production, with which the above-described manufactured in roll construction actuators are realized to combine. It should also be possible to use the solution according to the electroactive elastomer actuator as a modular unit for an expanded construction and removal of larger-sized Elastomeraktorsystemen.
  • claim 1 The solution of the problem underlying the invention is specified in claim 1.
  • the subject matter of claim 8 is a method for producing an electroactive elastomer actuator.
  • the concept of the invention advantageously further features are the subject of the dependent claims and the further description in particular with reference to the exemplary embodiments.
  • an electroactive elastomer actuator according to the features of the preamble of claim 1 is formed by applying at least one second electroactive elastomer layer to a surface of the second surface electrode facing away from the electroactive elastomer layer, the first and second surface electrode and the first electrode located between the two surface electrodes Elastomer layer forms a band-shaped layer composite.
  • the band-shaped layer composite is wound to form a wound body forming at least two layer composite layers such that a surface of the first surface electrode facing away from the first elastomer layer contacts the second electroactive elastomer layer in such a way that the individual layer composite layers are flat and at least one transverse to the strip longitudinal extent of the band-shaped Layer composite linearly extending Bandumformungs Suite are integrally connected to each other, and that the composite layers form an orthogonal to the surface extension oriented layer composite layer stack.
  • the solution according to band-shaped layer composite allows a technically simple winding on a winding body, so that the lower layer in the composite first surface electrode by the winding process comes into contact with the surface of the second electroactive elastomer layer, so that no electrical short circuits between the two integrated in the composite layer surface electrodes occur.
  • the planar design of the plurality of layered stackable layers to be brought into abutment layer composite layers allows to take advantage of a Stapelaktors by the aktorische effect can be used in the thickness direction to the individual layer composite layers.
  • the band-shaped layer composite is wound under pretension on the wound body to produce the electroactive elastomer actuator, whereby the individual enter into each other without any air inclusions to each other mating layer composite layers an intimate adhesive joining compound. Due to the prestressed material stretching in the strip longitudinal direction, the band-shaped layer composite undergoes a layer thickness reduction, which in turn allows a large number of individual layer composite layers wound around the winding body, whereby ultimately an increased actuator effect, in terms of lifting and force effect, in the thickness direction of the individual layer composites is achieved.
  • an adhesion promoter for example in the form of adhesive adhesive, preferably having similar or equal surface elastic properties as the band-shaped layer composite itself.
  • the choice of shape and size of the winding body required for the production process is freely selectable, nevertheless, it is advantageous in an advantageous embodiment to form the bobbin plate-like, so that with appropriate wrapping of the bobbin on the top and bottom of the plate-like design Form the winding body parallel to each other oriented layer composite layers.
  • the plate-like wound body should be stretch-stretched in an orthogonal manner to the longitudinal extension of the plate, but should be stretchy-soft in the longitudinal direction of the plate.
  • mold materials or workpieces shaped in particular are suitable, which have an anisotropic stretching behavior, in that the workpiece is suitably structured or composed of several material components.
  • Conceivable for this purpose would be the use of fiber-reinforced plastics, through the appropriate fiber orientation, a desired anisotropy in the expansion behavior can be achieved.
  • the matrix composite in a spatial direction stiffening fibers implement, which provide a tensile rigidity in the wrapping direction.
  • the matrix composite remains yielding orthogonally to the grain.
  • a plate-shaped winding body consisting of extensible elastomer with at least one, preferably two rigid rod-shaped bodies flanking the winding body on both sides, by means of which the winding body is stretch-rigid in rod extension, but remains orthogonal to it.
  • metal plates offset with suitable structuring can have corresponding direction-dependent deformation properties.
  • the resulting hollow dream can be filled with a corresponding material.
  • the electroactive elastomer actuators described above are suitable as individual modules for the construction of a freely selectable in shape and size stack actuator. If the individual electroactive elastomer actuators stacked in the form of individual modules, theylonaktorhub can be increased, one places the individual modules side by side, the resulting actuator force can be scaled, one chooses a combination of the two above arrangement geometries, then the Intelaktorhub and Scale actuator force.
  • Fig. 1 strip-shaped starting material for the preparation of the solution formed elastomer actuator
  • Fig. 2 perspective view of the module-like design
  • electroactive Elastomeraktor present as a tape-shaped metered product double film is shown, which provides a first surface elastic surface electrode 1, a first electroactive elastomer layer 2, a second surface elastic surface electrode 3 and a further second electroactive elastomer layer 4.
  • the band-shaped layer composite 5 designed as a double film can be produced by means of an extrusion process or by bonding two elastomer layers, each of which is provided on one side with a surface electrode.
  • the layer composite 5 to be stocked by the meter is wound around a plate-shaped winding core 6 as shown in FIG. 2 in order to produce an electroactive elastomer core, so that the respective lower, first surface electrode 1 is in contact with the free one during one or more wrappings of the winding core 6 Surface of the second elastomer layer 4 is brought.
  • the winding core is preferably square or rectangular.
  • the band-shaped layer composite 5 is wound under tension around the plate-shaped winding core 6, on the one hand to obtain an intimate surface contact between the respective layer composite layers 7, on the other hand, to add the largest possible number of layer composite layers on top of each other, whereby the aktorische effect is improved in the layer thickness direction. Due to the bias of the band-shaped layer composite undergoes a strip stretch in the tape longitudinal direction and associated with a reduction in strip thickness, which comes to increasing the layer composite layer number to good.
  • an adhesion promoter which has the same elastic properties as the layer composite itself can be introduced between the individual layer composite layers.
  • a plurality of flat layer composite layers 7, which typically have a writable by the page parameters x, y area size and a layer thickness d, for which typically apply: 10 mm ⁇ x, y ⁇ 200 mm and 10 ⁇ m ⁇ d ⁇ 1000 ⁇ m.
  • these undergo a thickness direction D-oriented layer thickness change which contributes significantly to the overall actuator effect and can be arbitrarily scaled in terms of actuator stroke and actuator force by providing almost any number of individual layer composite layers 7 around the winding core in a wide range.
  • FIG. 4a the total stack shown in Fig. 3 is shown schematically by superimposed rectangles representing the individual elastomeric actuators E shown.
  • the total stroke H can be increased by the sum of all the individual strokes of the elastomer actuators E, theylonaktorkraft nevertheless corresponds to the actuator force F of a single elastomer actuator.
  • FIG. 4b the arrangement illustrated in which the individual elastomer actuators E are arranged next to one another and in this way the total actuator force is tripled.
  • FIG. 4c both the actuator force and the actuator stroke can be scaled.
  • each plate-shaped winding body 6 are shown.
  • the winding body 6 made of a resilient soft material.
  • the winding body 6 made of a resilient soft material.
  • two consisting of a rigid material side members 8 are mounted on both sides of the winding body 6, a compression prevent Umwickelraum U w.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

Beschrieben wird ein elektroaktiver Elastomeraktor (E) mit wenigstens einer ersten bandförmig ausgebildeten elektroaktiven Elastomerschicht (2) und wenigstens einer ersten und einer zweiten Flächenelektrode (1, 3), die durch die wenigstens erste elektroaktive Elastomerschicht getrennt sind. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Elastomeraktors beschrieben. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer der elektroaktiven Elastomerschicht abgewandten Oberfläche der zweiten Flächenelektrode (3) wenigstens eine zweite elektroaktive Elastomerschicht (4) aufgebracht ist, die gemeinsam mit der ersten und zweiten Flächenelektrode sowie der zwischen beiden Flächenelektroden befindlichen ersten Elastomerschicht einen bandförmigen Schichtverbünd (5) bildet, dass der bandförmige Schichtverbund unter Ausbildung wenigstens zweier Schichtverbundlagen um einen plattenförmigen Wickelkörper (6) gewickelt ist, dass eine der ersten Elastomerschicht abgewandte Oberfläche der ersten Flächenelektrode mit der zweiten elektroaktiven Elastormerschicht in Flächenkontakt tritt, dass die einzelnen Schichtverbundlagen (7) flächig ausgebildet und über wenigstens einen quer zur Bandlängserstreckung des bandförmigen Schi cht Verbundes geradlinig verlaufenden Bandumformungsbereich einstückig miteinander verbunden sind, und dass die Schichtverbundlagen einen orthogonal zur Flächenerstreckung orientierten Schichtverbundlagenstapel bilden.

Description

Elektroaktiver Elastomeraktor sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroaktiven Elastomeraktor mit wenigstens einer ersten bandförmig ausgebildeten elektroaktiven Elastomerschicht und wenigstens einer ersten und einer zweiten Flächenelektrode, die durch die wenigstens erste elektroaktive Elastomerschicht getrennt sind. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Elastomeraktors beschrieben.
Elektroaktive Elastomeraktoren nutzen das Wandlerprinzip dielektrischer Elastomere, die zur Gruppe elektroaktiver Polymere (kurz EAP) gehören und elektrische Energie direkt in mechanische Arbeit umzuwandeln in der Lage sind. Im Unterschied zu den über vergleichbare Energiewandlereigenschaften verfügenden piezoelektrischen Keramiken weisen elektroaktive Elastomere sehr viel höhere Dehnungseigenschaften von über 300% auf und erlauben bei einer sehr viel geringeren Materialdichte eine weitgehend freie Formbarkeit. Diese Eigenschaften werden in an sich bekannter Weise für den Aufbau von Aktoren und Sensoren genutzt.
Stand der Technik
Der WO 2007 029275 A1 ist ein stapeiförmig aufgebauter Aktor auf Basis eines elektroaktiven Polymers zu entnehmen, mit einem bandförmig ausgebildeten elektroaktiven Polymer, dessen beide Bandoberflächen jeweils mit einer flächenelastischen Flächenelektrode kontaktiert sind und einen bandförmigen Schichtverbund bilden, der mäanderförmig unter Ausbildung einer Vielzahl von stapeiförmig übereinander liegenden Schichtverbundlagen gefaltet ist. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Flächenelektroden wirken auf die einzelnen elektroaktiven Polymerschichtlagen in Schichtdickenrichtung komprimierende Kräfte ein, wodurch sich der Aktor in Schichtdickenrichtung zu den einzelnen Schichtverbundlagen kontrolliert zusammenzuziehen vermag. Nachteilig bei derartigen elektroaktiven Polymer-Stapelaktoren ist jedoch ihre aufwendige Herstellung, da die einzelnen Schichtverbundlagen mit einer großen Präzision übereinander durch entsprechende Faltung gestapelt werden müssen.
Ein demgegenüber mit geringerem herstellungstechnischem Aufwand verbundener elektroaktiver Polymeraktor ist aus der WO 2004/109817 A3 zu entnehmen. Auch dieser Aktor sieht ein aus elektroaktivem Polymer bestehendes Band vor, jedoch verlaufen in diesem Fall zwei streifenartig ausgebildete Elektroden längs der sich gegenüber liegenden Bandkanten des elektroaktiven Polymerbandes. Das derart vorkonfektionierte elektroaktive Polymerband ist in helikaler Wicklungsanordnung um einen zylindrischen Wickelkern gewickelt, der nach dem Wickelvorgang vom Wicklungskern getrennt werden kann. Derartige in der so genannten Rollenbauweise hergestellte elektroaktive Polymeraktoren sind zwar technisch einfach herstellbar, jedoch verfügen die als hohle Rollenkörper ausgebildeten Aktoren, deren Aktorwirkrichtung in Rohrlängsachse orientiert ist, über Stabilitätsprobleme, da die einzelnen Polymerbandwicklungen aufgrund ihrer dünnwandigen Zylindergesamtform bei axialer Druckbelastung Deformationen unterliegen können, durch die die Aktorwirkung stark beeinträchtigt wird.
Als typische Rollenaktoren werden in diesem Zusammenhang um eine Wickelache, mit oder ohne Wickelkern, gewickelte, jeweils einseitig mit einer Flächenelektrode versehene elektroaktive Polymerbänder verstanden, deren Aktorwirkrichtung längs zur Wickelachse orientiert ist, d.h. Schichtdickenvariationen in den gewickelten Polymerbandschichten bleiben ungenutzt bzw. unberücksichtigt. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektroaktiven Elastomeraktor mit wenigstens einer ersten bandförmig ausgebildeten elektroaktiven Elastomerschicht und wenigstens einer ersten und einer zweiten Flächenelektrode, die durch die wenigstens erste elektroaktive Elastomerschicht getrennt sind, derart auszubilden, dass einerseits die mit den an sich bekannten Stapelaktoren verbundenen Vorteile hinsichtlich Stabilität und Aktoreffizienz und andererseits die technisch einfache und kostengünstige Herstellungsweise, mit der die vorstehend erläuterten in Rollenbauweise gefertigten Aktoren realisiert werden, zu kombinieren. Auch soll es möglich sein, den lösungsgemäßen elektroaktiven Elastomeraktor als modulare Einheit für einen erweiterten Auf- und Ausbau von größer dimensionierten Elastomeraktorsystemen einsetzen zu können.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 8 ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Elastomeraktors. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Lösungsgemäß ist ein elektroaktiver Elastomeraktor gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch ausgebildet, dass auf einer der elektroaktiven Elastomerschicht abgewandten Oberfläche der zweiten Flächenelektrode wenigstens eine zweite elektroaktive Elastomerschicht aufgebracht ist, die gemeinsam mit der ersten und zweiten Flächenelektrode sowie der zwischen beiden Flächenelektroden befindlichen ersten Elastomerschicht einen bandförmigen Schichtverbund bildet. Der bandförmige Schichtverbund ist unter Ausbildung wenigstens zweier Schichtverbundlagen derart auf einen Wickelkörper gewickelt, dass eine der ersten Elastomerschicht abgewandte Oberfläche der ersten Flächenelektrode mit der zweiten elektroaktiven Elastomerschicht derart in Flächen kontakt tritt, dass die einzelnen Schichtverbundlagen flächig ausgebildet und über wenigstens einen quer zur Bandlängserstreckung des bandförmigen Schichtverbundes geradlinig verlaufenden Bandumformungsbereich einstückig miteinander verbunden sind, und dass die Schichtverbundlagen einen orthogonal zur Flächenerstreckung orientierten Schichtverbundlagenstapel bilden.
Im Unterschied zu der mäanderförmigen Falttechnik, mit der bisher bekannte, gattungsgemäße Stapelaktoren aus beidseitig mit elastisch verformbaren Flächenelektroden beschichtete Folienbänder aus elektroaktiven Elastomeren hergestellt werden, ermöglicht der lösungsgemäß bandförmige Schichtverbund einerseits ein technisch einfaches Aufwickeln auf einen Wickelkörper, so dass die im Schichtverbund untere erste Flächenelektrode durch den Wickelvorgang in Kontakt tritt mit der Oberfläche der zweiten elektroaktiven Elastomerschicht, so dass keinerlei elektrische Kurzschlüsse zwischen beiden im Schichtverbund integrierten Flächenelektroden auftreten. Andererseits ermöglicht die flächige Ausbildung der Vielzahl der stapeiförmig übereinander, in Anlage zu bringenden Schichtverbundlagen die Vorteile eines Stapelaktors zu nutzen, indem die aktorische Wirkung in Dickenrichtung zu den einzelnen Schichtverbundlagen genutzt werden kann.
In besonders vorteilhafter Weise wird zur Herstellung des elektroaktiven Elastomeraktors der bandförmige Schichtverbund unter Vorspannung auf den Wickelkörper gewickelt, wodurch die einzelnen sich gegenseitig ohne jegliche Lufteinschlüsse aneinander fügenden Schichtverbundlagen einen innigen adhäsiven Fügeverbund eingehen. Durch die vorspannungsbedingte Materialstreckung in Bandlängsrichtung erfährt der bandförmige Schichtverbund eine Schichtdickenreduzierung, die wiederum eine große Vielzahl von einzelnen um den Wickelkörper gewickelter Schichtverbundlagen ermöglicht, wodurch letztlich eine erhöhte Aktorwirkung, in Hinblick auf Hub- und Kraftwirkung, in Dickenrichtung der einzelnen Schichtverbunde erzielt wird.
Alternativ oder in Kombination zu der vorstehend beschriebenen Aktorherstellung mit vorgespanntem Schichtverbund kann für einen festen Zusammenhalt zwischen den einzelnen im Rahmen des Wickelvorganges in gegenseitige Anlage zu bringenden Schichtverbundlagen zwischen den jeweils in gegenseitige Anlage zu bringenden Oberflächen der Schichtverbundlagen ein Haftvermittler, beispielsweise in Form eines Adhäsivklebers, eingebracht werden, der vorzugsweise über ähnlich oder gleiche flächenelastische Eigenschaften verfügt wie der bandförmige Schichtverbund selbst.
Grundsätzlich ist die Wahl von Form und Größe des für den Herstellungsprozess erforderlichen Wickelkörpers frei wählbar, gleichwohl bietet es sich in einer vorteilhaften Ausführungsvariante an, den Wickelkörper plattenartig auszubilden, so dass sich bei entsprechender Umwicklung des Wickelkörpers jeweils auf der Ober- und Unterseite des plattenartig ausgebildeten Wickelkörpers parallel zueinander orientierte Schichtverbundlagen ausbilden. In vorteilhafter weise sollte der plattenartig ausgebildete Wickelkörper dehnstarr orthogonal zur Plattenlängserstreckung jedoch dehnweich in Plattenlängserstreckung ausgewählt werden.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch bei einer plattenförmigen Ausbildung des Wickelkörpers und einer Umwicklung des Wickelkörpers mit dem bandförmigen Schichtverbund unter Vorspannung, dass der Wickelkörper über eine hohe Dehnsteifigkeit in Umwickelrichtung verfügt, so dass vermieden wird, dass der Wickelkörper durch die aufgebrachte Vorspannung während des Wickelprozesses einer unerwünschten Verformung unterliegt.
Auch ist es möglich den plattenförmigen Wickelkörper orthogonal zur Umwickelrichtung und lateral zur Plattenerstreckung nachgiebig auszuführen.
Hierfür eigenen sich insbesondere zu Platten geformte Werkstoffe bzw. Werkstücke, die über ein anisotropes Dehnverhalten verfügen, indem das Werkstück geeignet strukturiert oder aus mehreren Stoffkomponenten zusammengesetzt ist. Denkbar wäre hierzu der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen, durch deren geeignete Faserorientierung eine gewünschte Anisotropie im Dehnverhalten erzielt werden kann. Beispielsweise lassen sich in einem nachgiebigen Matrixverbund unidirektional orientierte, den Matrixverbund in einer Raumrichtung versteifende Fasern implementieren, die für eine Dehnsteifigkeit in Umwickelrichtung sorgen. Der Matrixverbund verbleibt jedoch orthogonal zum Faserverlauf nachgiebig. Auch ist es denkbar einen aus dehnungsfähigem Elastomer bestehenden, plattenförmigen Wickelkörper mit wenigstens einem, vorzugsweise zwei den Wickelkörper beidseitig flankierenden, starren stabförmigen Körpern zu ergänzen, durch die der Wickelkörper in Stablängserstreckung dehnstarr ist, orthogonal dazu jedoch dehnbar bleibt.
Auch können mit geeigneten Strukturierungen versetzte Metallplatten entsprechende richtungsabhängige Verformungseigenschaften aufweisen.
Ebenso sieht eine mögliche Ausführungsvariante vor, nach Vollendung des Wickelprozesses den Wickelkörper von dem mehrlagigen Schichtverbund zu trennen. In Abhängigkeit des weiteren Einsatzes des Elastomeraktors kann der dabei entstehende Hohltraum mit einem entsprechenden Material verfüllt werden.
In vorteilhafter Weise eignen sich die vorstehend beschriebenen elektroaktiven Elastomeraktoren als Einzelmodule zum Aufbau eines in Form und Größer frei wählbaren Stapelaktors. Werden die einzelnen elektroaktiven Elastomeraktoren in Form von Einzelmodule übereinander gestapelt, so kann der Gesamtaktorhub vergrößert werden, platziert man die Einzelmodule nebeneinander, so kann die resultierende Aktorkraft skaliert werden, wählt man eine Kombination aus den beiden vorstehenden Anordnungsgeometrien, so lassen sich der Gesamtaktorhub und die Aktorkraft skalieren.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 bandförmiges Ausgangsmaterial zur Herstellung des lösungsgemäß ausgebildeten Elastomeraktors,
Fig. 2 perspektivische Darstellung des modulartig ausgebildeten
Elastomereinzelaktors,
Fig. 3 stapeiförmige Anordnung eines aus vier Einzelaktoren zusammengesetzten lösungsgemäß ausgebildeten Stapelaktors,
Fig. 4 a-c Aktorstapel in Parallel und Serien-Anordnung,
Fig. 5+6 Wickelkörperalternativen.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Fig. 1 ist zum Aufbau und Herstellen eines lösungsgemäßen elektroaktiven Elastomeraktors eine als bandförmige Meterware vorliegende Doppelfolie dargestellt, die eine erste flächenelastische Flächenelektrode 1 , eine erste elektroaktive Elastomerschicht 2, eine zweite flächenelastische Flächenelektrode 3 sowie eine weitere zweite elektroaktive Elastomerschicht 4 vorsieht. Der als Doppelfolie ausgebildete, bandförmige Schichtverbund 5 kann im Wege eines Extrusionsprozesses oder durch Verkleben zweier jeweils einseitig mit einer Flächenelektrode versehener Elastomerschicht hergestellt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umschließen jeweils die erste und zweite Elastomerschicht 2, 4 die Flächenelektroden 1 , 3 seitlich, wodurch elektrische Kurzschlüsse, beispielsweise durch temporär auftretende Feuchtigkeitsbrücken, vermieden werden können.
Der als Meterware zu bevorratende Schichtverbund 5 wird zur Herstellung eines elektroaktiven Elastomeraktors um einen plattenförmigen Wickelkern 6 gemäß Bilddarstellung in Fig. 2 gewickelt, so dass die jeweils untere, erste Flächenelektrode 1 bei ein- oder mehrmaligem Umwickeln des Wickelkerns 6 jeweils in Anlage mit der freien Oberfläche der zweiten Elastomerschicht 4 gebracht wird. Der Wickelkern ist vorzugsweise quadratisch oder rechteckig ausgebildet. Um einen möglichst kompakten Aufbau zu erhalten, wird der bandförmige Schichtverbund 5 unter Vorspannung um den plattenförmigen Wickelkern 6 gewickelt, um einerseits einen innigen Flächenkontakt zwischen den jeweiligen Schichtverbundlagen 7 zu erhalten, andererseits eine möglichst große Anzahl von Schichtverbundlagen übereinander zu fügen, wodurch die aktorische Wirkung in Schichtdickenrichtung verbessert wird. Durch die Vorspannung erfährt der bandförmige Schichtverbund eine Bandstreckung in Bandlängsrichtung und damit verbunden eine Banddickenreduzierung, was der Erhöhung der Schichtverbundlagenanzahl zu Gute kommt.
Alternativ kann jeweils ein Haftvermittler, der über die gleichen elastischen Eigenschaften verfügt wie der Schichtverbund selbst, zwischen die einzelnen Schichtverbundlagen eingebracht werden.
Durch Umwickeln des plattenförmigen Wickelkerns bildet sich jeweils längs zur Ober- und Unterseite des Wickelkernes 6 eine Vielzahl flächig ausgebildeter Schichtverbundlagen 7 aus, die typischerweise eine durch die Seitenparameter x, y beschreibbare Flächengröße und eine Lagendicke d aufweisen, für die typischerweise gelten:10 mm < x, y < 200 mm und 10 μm < d ≤ 1000 μm. Bei entsprechender elektrischer Aktivierung der Schichtverbundlagen 7 erfahren diese eine zur Dickenrichtung D orientierte Schichtdickenveränderung, die wesentlich zur Gesamtaktorwirkung beiträgt und in Bezug auf Aktorhub und Aktorkraft durch Vorsehen einer nahezu beliebigen Vielzahl einzelner Schichtverbundlagen 7 um den Wickelkern in einem weiten Rahmen beliebig skaliert werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, durch Übereinanderstapeln einer Vielzahl des in Fig. 2 illustrierten elektroaktiven Elastomeraktors E einen Stapelgesamtverbund aus mehreren einzelnen Elastomeraktoren E gemäß Bilddarstellung in Fig. 3 zu bilden. In Fig. 4a ist der in Fig. 3 gezeigte Stapelgesamtverbund schematisiert durch übereinander angeordnete Rechtecke, die die einzelnen Elastomeraktoren E repräsentieren, dargestellt. Mit dieser Anordnung kann der Gesamthub H durch die Summe aller Einzelhübe der Elastomeraktoren E vergrößert werden, die Gesamtaktorkraft entspricht dennoch der Aktorkraft F eines einzelnen Elastomeraktors. Will man hingegen die Gesamtaktorkraft vergrößern, so gilt es die in Fig. 4b illustrierte Anordnung zu wählen, bei der die einzelnen Elastomeraktoren E nebeneinander angeordnet sind und auf diese Weise die Gesamtaktorkraft verdreifacht ist. Mit der in Fig. 4c illustrieren Anordnung lassen sich sowohl die Aktorkraft als auch der Aktorhub skalieren.
In den Figuren 5 und 6 sind jeweils plattenförmige Wickelkörper 6 dargestellt. In Figur 5 besteht der Wickelkörper 6 aus einem nachgiebig weichen Material. Um zu verhindern, dass der Wickelkörper 6 in Umwickelrichtung Uw durch den mit Vorspannung auf den Wickelkörper aufzuwickelnden schichtförmigen Verbund deformiert wird, d.h. in Umwickelrichtung Uw gestaucht wird, sind zwei aus starrem Material bestehende Seitenelemente 8 beidseitig am Wickelkörper 6 angebracht, die eine Stauchung in Umwickelrichtung Uw verhindern.
In Figur 6 verhindern starre Fasern 9, die in die Elastomermatrix des Wickelkörpers 6 eingebracht sind, eine entsprechende Stauchung.
In beiden Fällen bleibt jedoch eine materialinhärente Nachgiebigkeit des Wickelköpers 6 orthogonal zur Umwickelrichtung Uw erhalten, siehe Pfeil w.
Durch die modulare Bauweise der einzelnen Elastomeraktoren lässt sich eine leichte Anpassung an die gegebenen Aktoranforderungen ermöglichen, je nach dem können beliebig viele Einzelaktoren miteinander verbunden werden, wodurch auch die Aktorwirkung wunschgemäß skaliert werden kann. Durch eine entsprechende elektrische Kontaktierung mit einer Versorgungsspannung U aller Einzelaktoren kann die Systemzuverlässigkeit erhöht werden, zumal ein Ausfall eines Einzelaktors nicht automatisch zur Zerstörung des Gesamtaktors führt. Bezugszeichenliste
1 erste Flächenelektrode
2 erste Elastomerschicht
3 zweite Flächenelektrode
4 zweite Elastomerschicht
5 Schichtverbund
6 Wickelkern
7 Schichtverbundlagen
8 Starre Seitenelemente
9 Starre Fasern D Dickenrichtung E Elastomeraktor Uw Umwickelrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Elektroaktiver Elastomeraktor mit wenigstens einer ersten bandförmig ausgebildeten elektroaktiven Elastomerschicht und wenigstens einer ersten und einer zweiten Flächenelektrode, die durch die wenigstens erste elektroaktive Elastomerschicht getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der elektroaktiven Elastomerschicht abgewandten Oberfläche der zweiten Flächenelektrode wenigstens eine zweite elektroaktive Elastomerschicht aufgebracht ist, die gemeinsam mit der ersten und zweiten Flächenelektrode sowie der zwischen beiden Flächenelektroden befindlichen ersten Elastomerschicht einen bandförmigen Schichtverbund bildet, dass der bandförmige Schichtverbund unter Ausbildung wenigstens zweier
Schichtverbundlagen um einen plattenförmigen Wickelkörper gewickelt ist, dass eine der ersten Elastomerschicht abgewandte Oberfläche der ersten
Flächenelektrode mit der zweiten elektroaktiven Elastomerschicht in Flächen kontakt tritt, dass die einzelnen Schichtverbundlagen flächig ausgebildet und über wenigstens einen quer zur Bandlängserstreckung des bandförmigen Schichtverbundes geradlinig verlaufenden Bandumformungsbereich einstückig miteinander verbunden sind, und dass die Schichtverbundlagen einen orthogonal zur Flächenerstreckung orientierten
Schichtverbundlagenstapel bilden.
2. Elektroaktiver Elastomeraktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der bandförmige Schichtverbund um einen plattenförmigen Wickelkörper gewickelt ist, der orthogonal zur Plattenerstreckung dehnstarr und in Plattenerstreckung dehnweich ausgebildet ist.
3. Elektroaktiver Elastomeraktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der plattenförmige Wickelkörper quadratisch oder rechteckig ausgebildet ist.
4. Elektroaktiver Elastomeraktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper aus einer Metallstruktur oder aus einem anisotropen Kunststoffkomposit besteht.
5. Elektroaktiver Elastomeraktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzelne Schichtverbundlage eine durch die Seitenparameter x, y beschreibbare Flächengröße und eine Lagendicke d aufweist, für die gelten:
10 mm ≤ x, y ≤ 200 mm und 10 μm < d < 1000 μm
6. Elektroaktive Elastomeraktoranordnung mit wenigstens zwei jeweils über eine gemeinsame Kontaktfläche stapeiförmig übereinander verbundene elektroaktive Elastomeraktoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche jeweils eine äußere Oberfläche einer im Schichtverbundlagenstapel zuoberst oder zuunterst liegenden Schichtverbundlage eines elektroaktiven Elastomeraktors entspricht, und dass zum festen Verbund zweier miteinander zu verbindenden elektroaktiven Elastomeraktoren ein Haftvermittler jeweils auf die Kontaktfläche aufgebracht ist.
7. Elektroaktive Elastomeraktoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Schichtverbundlagenstapel nebeneinander angeordnet und über eine Fügeverbindung miteinander verbunden sind.
8. Elektroaktive Elastomeraktoranordnung nach Anspruch 1 oder 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper in Umwickelrichtung, längs der der Wickelkörper mit dem unter Vorspannung stehenden bandförmigen Schichtverbund umwickelbar ist, dehnstarr ist.
9. Elektroaktive Elastomeraktoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper plattenförmig ausgebildet ist und dass der Wickelkörper orthogonal zur Umwickelrichtung und lateral zur Plattenerstreckung nachgiebig ausgebildet ist
10. Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Elastomeraktors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Bereitstellen eines bandförmigen Schichtverbundes, der eine erste und zweite Flächenelektrode aufweist, die auf gegenüberliegenden Oberflächen einer bandförmigen ersten elektroaktiven Elastomerschicht aufgebracht sind sowie wenigstens eine zweite elektroaktive Elastomerschicht vorsieht, die auf der von der ersten elektroaktiven Elastomerschicht abgewandten Oberfläche der zweiten Flächenelektrode aufgebracht ist,
Bereitstellen eines Wickelkörpers und
Umwickeln des bandförmigen Schichtverbundes um den Wickelkörper unter Ausbildung wenigstens zweier Schichtverbundlagen derart, dass eine der ersten Elastomerschicht abgewandte Oberfläche der ersten Flächenelektrode mit der zweiten elektroaktiven Elastomerschicht in Flächenkontakt tritt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des Schichtverbundes durch Verbinden zweier jeweils einseitig mit einer Flächenelektrode verbundenen elektroaktiven Elastomerschichten erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtverbund als Meterware bevorratet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwickeln des bandförmigen Schichtverbundes um den Wickelkörper unter Zugabe eines zwischen den sich ausbildenden Schichtverbundlagen einzubringenden Haftvermittlers und/oder unter Vorspannung des bandförmigen Schichtverbundes erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Wickelkörpers derart gewählt wird, dass die einzelnen Schichtverbundlagen flächig ausgebildet sind und einen orthogonal zur Flächenerstreckung orientierten Stapelverbund bilden.
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