ES2272503T3 - Dispositivo de electroadhesion. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo de electroadhesión (10) que incluye una base (12); y al menos dos electrodos eléctricamente conductores (18) situados separados uno del otro sobre la base (12) para formar al menos un par electrodo que define una superficie de electroadhesión, en el que las superficies exteriores (24) de los electrodos (18) de al menos uno de los pares electrodo tienen una forma de manera que una anchura de cada electrodo varíe en la dirección longitudinal a lo largo del electrodo de forma que, cuando esté en uso, cuando se aplique energía a los electrodos (18) y se coloque un objeto que vaya a ser atraído adyacente a la superficie de electroadhesión, el objeto sea atraído a la superficie de electroadhesión adecuadamente por medio de una alta fuerza de adhesión con independencia del tipo de material del que esté hecho el objeto y, de acuerdo con esto, el objeto que vaya a ser atraído puede estar hecho de cualquiera de entre una variedad de materiales incluyendo metales y no metales.
Description
Dispositivo de electroadhesión.
Esta invención se refiere a un dispositivo de
electroadhesión.
La electroadhesión es el proceso de crear una
carga en un objeto y de esta manera atraerlo a una superficie
especial. Los dispositivos de electroadhesión para atraer un objeto
no magnético tal como el papel, no han sido introducidos como
productos de consumo debido al hecho de que no son efectivos, en que
no crean una fuerza de adhesión suficiente, o son muy caros de
fabricar debido a la complejidad de estos dispositivos.
Un problema adicional es que es muy difícil
crear un dispositivo de adhesión que atraiga objetos de una variedad
de materiales con una fuerza suficiente. Es esta aplicación de la
invención la que se deberá tener en mente de manera predominante
pero no de manera exclusiva.
La Patente de los Estados Unidos número
4.384.918 enseña que diferentes tipos de manguitos bipolares son
adecuados para unir eléctricamente objetos conductores o no
conductores, y describe un dispositivo electrostático para fijar
por medio de manguito un material que tenga al menos una parte
conductora.
La Patente de los Estados Unidos número
4.838.529 enseña una configuración de abrazadera o de manguito
electrostática específica que permite que un sustrato dieléctrico
sea fijado a tensiones más bajas que las tensiones convencionales
de fijación mediante la reducción del espacio y la anchura de los
electrodos a menos de 100 \mum.
La técnica conocida no caracteriza un
dispositivo de electroadhesión capaz de atraer o de fijar materiales
tanto conductores como dieléctricos usando una configuración
particular de electrodo como se propone en la presente
invención.
La invención está definida por las
características de la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas
de la invención están definidas en las reivindicaciones
dependientes.
Los electrodos pueden estar situados en lados
opuestos de la base cuando la base esté hecha de una sustancia que
tenga una alta constante dieléctrica (épsilon), típicamente de al
menos 5. Los electrodos de un par de electrodos pueden estar
situados en los lados opuestos de la base, proporcionando energía a
ese par de electrodos, durante su uso, de manera que estén
polarizados de manera opuesta provocando de esta manera un
diferencial de carga en una parte del objeto adyacente a ese par de
electrodos lo que a su vez provocará que el objeto sea atraído a la
superficie de electroadhesión.
Cada uno de los electrodos puede tener una
superficie exterior que esté enfrentada lejos de la base cuya
superficie exterior define al menos una parte de la superficie de
electroadhesión y cuya superficie exterior tiene unas dimensiones
en cualquier dirección mayores que la distancia desde dicha
superficie exterior a la base, cuya distancia es el grosor del
electrodo. El electrodo típicamente es extremadamente delgado de
forma que limite la carga acumulada entre los electrodos
adyacentes. Los electrodos de manera típica
tienen un grosor menor de 5 \mum.
tienen un grosor menor de 5 \mum.
Los electrodos pueden ser electrodos de
serigrafía. Los electrodos pueden ser electrodos de deposición de
vapor.
El dispositivo de electroadhesión puede estar
configurado de forma que es posible que haya un poco de aire
atrapado entre los electrodos adyacentes.
Los electrodos pueden ser electrodos alargados
situados sustancialmente paralelos uno con el otro sobre un lado de
la base.
Los electrodos adyacentes pueden estar situados
separados el uno del otro una distancia mínima que está relacionada
con una tensión no disruptiva Máxima entre los electrodos antes de
que se produzca la descarga eléctrica disruptiva. Como la fuerza de
electroadhesión es proporcional a la tensión entre un par de
electrodos, se puede seleccionar la distancia mínima de forma que
se consiga una tensión apropiada entre un par de electrodos con el
fin de realizar una fuerza suficiente de electroadhesión sin que se
produzca la descarga eléctrica disruptiva. Los electrodos
adyacentes pueden estar situados separados uno del otro una
distancia fija o variable mayor o igual a la distancia mínima.
Los electrodos pueden tener una forma para
limitar la agudeza de las esquinas de los electrodos, reduciendo de
esta forma la posibilidad de que se produzca la descarga eléctrica
disruptiva.
La forma de las superficies externas de los
electrodos se pueden seleccionar dependiendo de la composición del
material del objeto que se quiera atraer.
Los electrodos de al menos un par de electrodos
pueden tener superficies exteriores que tengan grandes áreas de
superficie con el fin de atraer a los metales. De manera típica, el
dispositivo de electroadhesión para los metales solamente incluye
dos electrodos polarizados opuestamente separados por un simple
hueco de separación entre ellos.
Los electrodos de al menos un par de electrodos
pueden tener superficies externas que tengan pequeñas áreas de
superficie con el fin de atraer no metales.
El área de superficie variable de los electrodos
puede ser repetitiva en la forma longitudinal a lo largo de los
electrodos.
De manera típica, los electrodos de un par de
electrodos están opuestamente polarizados por medio de una baja
corriente con una tensión relativamente alta. Los electrodos pueden
estar polarizados por medio de una tensión continua CC. La baja
corriente es típicamente menor de 5 \muA CC y la relativamente
alta tensión de más de 1500 V CC.
La base típicamente está hecha de una sustancia
elegida para minimizar las fugas del dispositivo de electroadhesión,
tal como una sustancia que tenga una alta resistividad de bloque de
al menos 10^{16} \Omega/m.
El dispositivo de electroadhesión puede
comprender al menos una capa formada por electrodos y una capa
formada por la base. De acuerdo con esto, la base puede ser delgada
de forma que se defina una capa del dispositivo de
electroadhesión.
El perfil de la base sobre la que están situados
los electrodos determina típicamente el perfil de la superficie de
electroadhesión. Esto sirve para minimizar, durante el uso, huecos
de aire entre la superficie de electroadhesión y el objeto que vaya
a ser
atraído.
atraído.
En una realización preferida de la invención, el
perfil de la base sobre la que están situados los electrodos es
típicamente plana, pero en otras puede seguir cualquier perfil.
La base sobre la que los electrodos están
situados es típicamente suave. Dicha suavidad puede ser definida
como teniendo una variación de la superficie de menos de 0,01
\mum.
La cubierta típicamente es tan delgada como sea
posible ya que la fuerza de electroadhesión es inversamente
proporcional a la distancia entre los electrodos y el objeto que se
desee atraer. La cubierta puede ser tan delgada como 100
\mum.
La cubierta puede ser en forma de una película
delgada. La película se puede aplicar como una lámina.
El recubrimiento se puede aplicar mediante
pulverización, mediante un baño o mediante cualquier medio adecuado
de aplicación.
La cubierta típicamente está hecha de una
sustancia que tiene una alta resistividad relativa de la superficie.
La resistividad típicamente es de más de 10^{16} \Omega.
La cubierta puede estar hecha de una sustancia
que tenga una alta constante dieléctrica (épsilon), típicamente de
6.
La cubierta puede ser suave. Dicha suavidad
puede definirse como teniendo una variación de la superficie de
menos de 0,01 \mum.
La invención se describirá ahora, a modo de
ilustración solamente, con referencia a los diagramas no limitadores
que la acompañan en los que
La figura 1 muestra una representación
esquemática en una vista en tres dimensiones, de un dispositivo de
electroadhesión de acuerdo con la invención;
La figura 2 muestra una representación
esquemática en vista lateral, del dispositivo de electroadhesión de
la figura 1;
La figura 3 muestra una representación
esquemática en una vista en tres dimensiones de un dispositivo de
electroadhesión, que tiene una base en forma de una cubierta de
aislamiento, de acuerdo con la invención; y
La figura 4 muestra una representación
esquemática en vista lateral, del dispositivo de electroadhesión de
la figura 3; y
La figura 5 muestra una representación
esquemática de un banco de electrodos de un dispositivo de
electroadhesión en una realización de la invención, en el que las
superficies exteriores de los electrodos tienen una forma de manera
que tienen áreas de superficie variables de manera que durante el
uso, el objeto que vaya a ser atraído puede estar hecho de un
material de entre una variedad de materiales incluyendo metales y no
metales.
Con referencia a los dibujos y a las figuras 1 y
2 en particular, el número de referencia 10 indica por lo general
un dispositivo de electroadhesión de acuerdo con la invención. El
dispositivo de electroadhesión 10 incluye una base 12 y un primer
14 y un segundo 16 bancos de electrodos eléctricamente conductores
delgados 18 situados separados unos de otros en un lado de la base
12. El dispositivo de electroadhesión 10 también incluye una
cubierta aislante 20 sobre el primer 14 y el segundo 16 bancos de
forma que el lado exterior de la cubierta de aislamiento 20 defina
una superficie de electroadhesión de manera, que cuando esté en uso,
cuando se aplique energía a los electrodos 18 y se coloque un
objeto al que se vaya a atraer adyacente a la cubierta aisladora
20, el objeto es atraído a la cubierta aisladora 20 por medio de una
fuerza de adhesión adecuadamente alta.
De acuerdo con esto, el dispositivo de
electroadhesión 10 comprende una capa formada por electrodos 18 y
una capa formada por la base 12, en el que la base 12 es delgada de
forma que define una capa del dispositivo de electroadhesión
10.
El primer 14 y el segundo 16 bancos están
separados por un hueco 22 que es tan pequeño como sea posible para
evitar la formación de carga entre los bancos 14 y 16.
La base 12 está hecha típicamente de una
sustancia elegida para minimizar la fuga del dispositivo de
electroadhesión 10 tal como una sustancia que tenga una alta
resistividad de bloque de al menos 10^{16} \Omega/m.
El perfil de la base 12 determina el perfil de
la superficie de electroadhesión. De acuerdo con esto, el perfil de
la base 12 tiene una forma para que corresponda a la forma de una
parte del objeto que vaya a ser atraído, cuya parte es la parte que
está colocada adyacente a la superficie de electroadhesión. Esto
sirve para minimizar, mientras esté en uso, los huecos de aire
entre la superficie de electroadhesión y el objeto que vaya a ser
atraído.
En esta realización de la invención, el perfil
de la base 12 es plano, pero se puede entender que en otras
realizaciones de la invención, el perfil de la base 12 pueda seguir
cualquier perfil.
La base 12 típicamente es suave teniendo una
variación de la superficie menor de 0,01 \mum.
La cubierta aislante 20 es tan delgada como sea
posible ya que la fuerza de electroadhesión es entre otros
factores, inversamente proporcional a la distancia entre los
electrodos 18 y el objeto que vaya a ser atraído. La cubierta 20 es
típicamente más delgada que 100 \mum.
La cubierta 20 está hecha de una sustancia que
tiene una alta resistividad relativa de la superficie de típicamente
más de 10^{16} \Omega/m y que tiene una alta constante
dieléctrica (épsilon), típicamente de al menos 6. La cubierta 20
está típicamente hecha de un polímero tal como el nylon 6 o una
sustancia basada en el PVC.
En ciertas realizaciones de la invención, la
cubierta 20 tiene la forma de una película delgada que se aplica
como una lámina. En otras realizaciones, la cubierta 20 tiene la
forma de un recubrimiento de pintura al esmalte aplicado como un
pulverizador, un baño o cualquier otro medio adecuado de
aplicación.
La cubierta 20 es suave con una variación de la
superficie menor de 0,01 \mum.
Con referencia particular a las figuras 3 y 4,
el número de referencia 10.1 generalmente indica un dispositivo de
electroadhesión de acuerdo con otra realización de la invención. El
dispositivo de electroadhesión 10.1 sustancialmente se parece al
dispositivo de electroadhesión 10 y, de acuerdo con esto, se han
usado números de referencia similares para indicar las mismas
características o características similares a menos que se indique
de otra forma. En esta realización de la invención, la base tiene
forma de una cubierta aislante 20.1 como se ha descrito
anteriormente. De acuerdo con esto, los bancos 14 y 16 están
intercalados entre dos cubiertas 20, 20.1, de manera que el
dispositivo de electroadhesión 10.1 incluya dos superficies de
electroadhesión.
La figura 5 muestra un banco 14/16 de electrodos
alargados 18 sustancialmente paralelos unos a los otros, de acuerdo
con una realización preferida de la invención. Los electrodos
adyacentes 18 forman un par de electrodos a cuyo par electrodo se
le aplica energía, durante su utilización, de forma que estén
opuestamente polarizados provocando por lo tanto un diferencial de
carga en una parte del objeto adyacente a ese par electrodo lo que
provoca a su vez que el objeto sea atraído a la superficie de
electroadhesión.
Cada uno de los electrodos 18 tiene una
superficie exterior 24 enfrentada y alejada de la base 12 cuya
superficie exterior 24 tiene dimensiones en cualquier dirección
mayores que la distancia desde dicha superficie exterior 24 a la
base 12, cuya distancia es el grosor del electrodo 18. Cada
electrodo 18 de forma típica es extremadamente delgado de forma que
limita la formación de carga entre electrodos adyacentes 18. Cada
electrodo 18 de manera típica tiene un grosor menor de 5
\mum.
Los electrodos 18 son típicamente electrodos de
serigrafía o electrodos de deposición de vapor.
El banco 14/16 está configurado de forma que
haya la menor cantidad de aire atrapado entre los electrodos
adyacentes 18.
Los electrodos adyacentes 18 están situados
apartados uno del otro una distancia mínima fija 26 que está
relacionada con una tensión máxima no disruptiva entre los
electrodos 18 antes de que se produzca la descarga eléctrica
disruptiva. Como la fuerza de electroadhesión es proporcional a la
tensión entre los electrodos adyacentes, la distancia mínima 26 se
selecciona de forma que se consiga una tensión apropiada entre un
par electrodo con el fin de conseguir una fuerza de adhesión
suficiente sin que se produzca la descarga eléctrica disruptiva.
Los electrodos 18 tienen una forma que limita la
agudeza de las esquinas de los electrodos 18 reduciendo por tanto
la posibilidad de que se produzca la descarga eléctrica
disruptiva.
Las formas de las superficies exteriores 24 de
los electrodos 18 están seleccionadas dependiendo de la composición
del material del objeto que se vaya a atraer.
Con el fin de atraer metales, los electrodos 18
deberían tener superficies exteriores 24 que tengan unas grandes
áreas de superficie. De manera típica, el dispositivo de
electroadhesión 10, 10.1 para los metales solamente incluye dos
electrodos opuestamente polarizados 18 separados por un solo hueco
de separación 22 entre ellos.
Con el fin de atraer a los no metales, los
electrodos 18 deberán tener superficies externas 24 que tengan
pequeñas áreas de superficie.
En esta realización de la invención, las
superficies externas 24 de los electrodos 18 tienen una forma de
manera que tienen áreas de superficie variantes de forma que cuando
están en uso, el objeto que vaya a ser atraído puede estar hecho de
una variedad de materiales, incluyendo metales y no metales, siendo
por tanto el objeto atraído con una adecuada fuerza de
electroadhesión, con independencia del material. De acuerdo con
esto, la superficie externa 24 de cada uno de los electrodos 18
tiene un borde lineal sobre uno de los laterales y un borde
sinusoidal sobre el lado opuesto, de forma que la anchura de cada
uno de los electrodos varía de manera sinusoidal en la dirección
longitudinal a lo largo del electrodo 18, con lo que el área de
superficie variante de cada uno de los electrodos 18 es repetitiva
en la dirección longitudinal a lo largo del electrodo 18. De
acuerdo con esto, los electrodos 18 están configurados de forma que
el borde sinusoidal de uno de los electrodos 18.1 está alineado de
manera adyacente al borde lineal del un electrodo adyacente 18.2, y
de forma que el borde lineal de un electrodo 18.1 está alineado
adyacente al borde lineal de un electrodo adyacente 18.3, de forma
que la distancia mínima 26 entre electrodos adyacentes 18 permanezca
equitativamente constante.
Se apreciará que el borde lineal de uno de los
electrodos finales 18 del primer banco 14 está colocado paralelo al
borde lineal de uno de los electrodos del extremo 18 del segundo
banco 14 sobre la base 12 para formar el hueco 22.
También se podrá apreciar que en otras
realizaciones de la invención, los electrodos 18 pueden tener la
forma y estar configurados de manera que ciertas partes de la
superficie de electroadhesión atraigan solamente a los metales,
otras partes atraigan solamente a los no metales y adicionalmente
otras partes atraigan tanto a los metales como a los no metales o a
cualquier combinación de dos de estas partes.
De manera típica, los electrodos 18 de un par de
electrodo están polarizados de manera opuesta por medio de una baja
corriente de continua CC, típicamente menor de 5 \muA CC con una
alta tensión de continua CC, típicamente de más de 1500 V CC.
De manera adicional se podrá apreciar que en
otra realización de la invención, los electrodos 18 pueden estar
colocados en lados opuestos de la base 12 cuando la base 12 esté
hecha de una sustancia que tenga una alta constante dieléctrica
(épsilon), de manera típica de al menos 5. Los electrodos 18 de un
par electrodo pueden estar colocados sobre lados opuestos de la
base 12, a cuyo par se le aplica energía, durante su uso, de manera
que estén polarizados de manera opuesta provocando por lo tanto un
diferencial de carga en una parte del objeto adyacente a ese par
electrodo, lo que a su vez provoca el que el objeto sea atraído a la
superficie de electroadhesión. Los electrodos 18 sobre el mismo
lado de la base 12 pueden estar polarizados de manera opuesta a los
electrodos 18 del lado opuesto de la base 12, aumentando por lo
tanto la tensión máxima no disruptiva entre electrodos 18 y
reduciendo el efecto de las impurezas sobre la superficie de
electroadhesión. Se apreciará que el par electrodo en esta
realización de la invención tienen todos ellos las mismas
características de un par electrodo como se describe con referencia
a los dibujos excepto en que un electrodo 18 del par electrodo está
situado sobre un lado opuesto de la base 12. De acuerdo con esto,
la relación transversal de los electrodos 18 de un par electrodo se
ve alterada pero no la relación planar con respecto a la superficie
de electroadhesión.
Se cree que una ventaja de la invención es que
se puede diseñar un margen completo de coste efectivo así como
fabricar y vender dispositivos de electroadhesión viables. Se cree
además que supone una ventaja el que un amplio abanico de objetos
sean atraídos al dispositivo de electroadhesión con una fuerza
adecuada para ser retenidos en su lugar sobre una superficie de
electroadhesión del dispositivo.
Claims (10)
1. Un dispositivo de electroadhesión (10) que
incluye
- una base (12); y
- al menos dos electrodos eléctricamente conductores (18) situados separados uno del otro sobre la base (12) para formar al menos un par electrodo que define una superficie de electroadhesión, en el que las superficies exteriores (24) de los electrodos (18) de al menos uno de los pares electrodo tienen una forma de manera que una anchura de cada electrodo varíe en la dirección longitudinal a lo largo del electrodo de forma que, cuando esté en uso, cuando se aplique energía a los electrodos (18) y se coloque un objeto que vaya a ser atraído adyacente a la superficie de electroadhesión, el objeto sea atraído a la superficie de electroadhesión adecuadamente por medio de una alta fuerza de adhesión con independencia del tipo de material del que esté hecho el objeto y, de acuerdo con esto, el objeto que vaya a ser atraído puede estar hecho de cualquiera de entre una variedad de materiales incluyendo metales y no metales.
2. Un dispositivo de electroadhesión (10) como
el que se reivindica en la reivindicación 1, en el que los
electrodos (18) están colocados sobre un lateral de la base (12) de
forma que los electrodos adyacentes (18) formen un par electrodo, a
cuyo par electrodo se le aplica energía durante su uso, de forma que
estén opuestamente polarizados, provocando de esta manera un
diferencial de carga en una parte del objeto adyacente a ese par
electrodo lo que a su vez provoca que el objeto sea atraído a la
superficie de electroadhesión.
3. Un dispositivo de electroadhesión como el que
se reivindica en la reivindicación 1, en el que los electrodos
están colocados sobre los lados opuestos de la base.
4. Un dispositivo de electroadhesión (10) como
el que se reivindica en la reivindicación 3, en el que los
electrodos (18) que se encuentran sobre el mismo lado de la base
(12) están polarizados de manera opuesta con respecto a los
electrodos (18) situados en el lado contrario de la base (12),
aumentando por lo tanto la tensión máxima no disruptiva entre los
electrodos (18).
5. Un dispositivo de electroadhesión (10) como
el que se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones de la 1
a la 4, en el que las superficies exteriores (24) de los electrodos
(18) tienen un borde lineal sobre un lado y un borde sinusoidal
sobre un lado opuesto de forma que la anchura de cada uno de los
electrodos varía de manera sinusoidal en la dirección longitudinal
a lo largo del electrodo.
6. Un dispositivo de electroadhesión (10) como
el que se reivindica en la reivindicación 5, en el que los
electrodos (18) están configurados de forma que el borde sinusoidal
de un electrodo esté alineado adyacente al borde sinusoidal de un
electrodo adyacente y de forma que el borde lineal de un electrodo
esté alineado adyacente al borde lineal de un electrodo adyacente,
de forma que la distancia mínima (26) entre electrodos adyacentes
(18) permanezca equitativamente constante.
7. Un dispositivo de electroadhesión (10) como
el que se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones de la 1
a la 6, en el que el perfil de la base (12) sobre el que están
colocados los electrodos (18) tiene una forma que se corresponde
con la forma de una parte del objeto que vaya a ser atraído, cuya
parte es la parte que está colocada adyacente a la superficie de
electroadhesión.
8. Un dispositivo de electroadhesión (10) como
el que se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones de la 1
a la 7, en el que el dispositivo de electroadhesión (10) incluye una
cubierta aislante sobre los electrodos (18) de forma que un lado
exterior de la cubierta aislante defina la superficie de
electroadhesión.
9. Un dispositivo de electroadhesión (10) como
el que se reivindica en la reivindicación 8, en el que la cubierta
tiene forma de recubrimiento.
10. Un dispositivo de electroadhesión (10) como
el que se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9,
en el que la base (12) tiene la forma de al menos una parte de la
cubierta aislante y en el que al menos algunos de los electrodos
(18) están intercalados entre las dos cubiertas, de forma que el
dispositivo de electroadhesión (10) incluya dos superficies de
electroadhesión.
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