FI119538B

FI119538B - Actuator

Info

Publication number: FI119538B
Application number: FI20065135A
Authority: FI
Inventors: Siegfried Bauer; Mika Paajanen; Guggi Kofod
Original assignee: Valtion Teknillinen
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2008-12-15
Also published as: FI20065135A; FI20065135A0; WO2007096477A1

Description

119538119538

Toimilaiteactuator

Keksinnön taustaBackground of the Invention

Keksinnön kohteena on toimilaite, joka käsittää kehyksen, jossa on aukko, ja kehykseen kiinnitetyn polymeerin.The invention relates to an actuator comprising a frame having an opening and a polymer attached to the frame.

Sähköaktiiviset polymeerit ja niiden käyttö toimilaitteiden yhteydessä sähköenergian muuntamiseksi mekaaniseksi energiaksi ja päinvastoin ovat tunnettuja useista julkaisuista, kuten WO 2005/081676, US 2004/263028, US 6812624 ja US 6545384. Ratkaisun perusperiaate on, että elastomeerinen polymeeri on kerrostettu kahden mukautuvan elektrodin väliin. Kun ylä- ja ala-elektrodien välille asetetaan jännite-ero, polymeeriä puristetaan paksuussuun-nassa ja venytetään pinta-alalta sähkökentän paineen toimesta. Tätä perusperiaatetta sovelletaan erilaisiin toimilaitteisiin, kuten on esitetty yllä mainituissa julkaisuissa.Electroactive polymers and their use in connection with actuators for converting electrical energy into mechanical energy and vice versa are known from several publications such as WO 2005/081676, US 2004/263028, US 6812624 and US 6545384. The basic principle of the solution is that the elastomeric polymer is sandwiched between two adaptable electrodes. By applying a voltage difference between the top and bottom electrodes, the polymer is compressed in the thickness direction and stretched over the surface by the pressure of the electric field. This basic principle applies to various actuators as described in the above publications.

Keksinnön lyhyt selitysBrief Description of the Invention

Keksinnön tarkoitus on saada aikaan uuden tyyppinen toimilaite.The object of the invention is to provide a new type of actuator.

Keksinnön mukaiselle toimilaitteelle on tunnusomaista se, että kehys on elastinen ja joustava, että ainakin toisen polymeeristä ja kehyksestä materiaali on sellainen, että siihen voidaan vaikuttaa, jotta se muuttaisi fyysisiä dimensioitaan ja/tai jännitystilaansa, jolloin ainakin toiseen polymeeristä ja ke-: hyksestä vaikuttaminen aiheuttaa kehyksen tekemään tasosta poikkeavan liik- ·**.·. keen.The actuator according to the invention is characterized in that the frame is elastic and flexible, that at least one of the polymeric and frame material is such that it can be manipulated to change its physical dimensions and / or stress state, whereby acting on at least one of the frame to render non-plane motion · **. ·. movement.

• ·• ·

Esitetyn rakenteen ajatus on, että polymeeri on kiinnitetty kehyk- : .·. seen, jossa on aukko. Kehys on elastinen ja joustava, jolloin kehys ja polymee- * · · "V ri muodostavat jousi- ja vastajousirakenteen. Ainakin toisen polymeeristä ja li;* kehyksestä materiaali on sellainen, että siihen voidaan vaikuttaa, jotta se • · ***** muuttaisi fyysisiä dimensioitaan ja/tai jännitystilaansa ja ainakin toiseen poly meeristä ja kehyksestä vaikuttaminen aiheuttaa kehyksessä tasosta poikkea- \v van liikkeen. Sellaisen toimilaitteen rakenne on yksinkertainen ja kuitenkin toi- • · · milaitteen liike on melko laaja. Edullisesti polymeeri on sähköaktiivinen poly- .*.·. meeri, jolloin polymeeri on kerrostettu kahden mukautuvan elektrodin väliin ja .··*. polymeeriin vaikutetaan sovittamalla jännite-ero elektrodien välille. Yhdessä • *" sovellutusmuodossa polymeeri on esivenytetty ennen kuin kehys on kiinnitetty • · · : *.: polymeeriin, jolloin polymeeri aiheuttaa kehyksen muuttamaan muotoaan siitä, mikä sillä oli ennen kuin se kiinnitettiin polymeeriin. Ainakin toiseen polymeeristä ja kehyksestä vaikuttaminen aiheuttaa kehyksen liikkumaan sitä muotoa 119538 2 kohti, mikä sillä oli ennen kuin polymeeri kiinnitettiin kehykseen. Niinpä kehys sisältää ensimmäisen jousivoiman ja esijännitetty polymeeri sisältää toisen jousivoiman, joka on vastakkainen ensimmäiseen jousivoimaan nähden. Toimilaite on jousikuormitettu ja ainakin toisen kehyksestä ja polymeeristä jousivoiman ohjaaminen aikaansaa melko laajan, voimakkaan ja nopean toimilaitteen liikkeen. Toisessa sovellutusmuodossa kehys on levymäinen ennen kuin se on kiinnitetty polymeeriin ja esijännitetty polymeeri vetää kehyksen tasomaisesta muodosta pois. Ainakin toiseen polymeeristä ja kehyksestä vaikuttaminen aiheuttaa kehyksen liikkumaan tasomaista muotoa kohti. Niinpä toimilaitteen liike on kontrolloitu. Kolmannessa sovellutusmuodossa kehys on muodostettu jäykäksi tietyistä osista edullisesti sovittamalla jäykisteosia kehykseen siten, että toimilaitteen muoto ja liikerata on tarkka. Jäykät kehyspalat auttavat parantamaan esijännitystä siten, että polymeeri tulee suuremmaksi ja ohuemmaksi, mikä parantaa toimilaitteen toimintaominaisuuksia siiloin, kun aktiivinen polymeeri on dielektristä elastomeeriä.The idea of the structure shown is that the polymer is attached to the frame:. with an opening. The frame is elastic and resilient, whereby the frame and the polymer * * · "color form a spring and counter spring structure. At least one of the polymeric and li; * frame material is such that it can be affected to change it • · ***** acting on its physical dimensions and / or stress state and at least one of the polymer and the frame causes a non-plane motion in the frame, the structure of such an actuator is simple, but the movement of the actuator is quite wide. . ·. Mer, wherein the polymer is sandwiched between two adaptive electrodes, and. ·· *. Polymer is affected by adjusting the voltage difference between the electrodes. In one embodiment, the polymer is pre-stretched before the frame is fixed to the polymer, wherein the polymer causes the frame to reshape what it had before it was attached to the polymer. Applying at least one of the polymer and the frame causes the frame to move toward the shape 119538 2 it had before the polymer was attached to the frame. Thus, the frame includes a first spring force and the prestressed polymer contains a second spring force which is opposite to the first spring force. The actuator is spring-loaded, and controlling at least one of the frame and polymeric spring forces provides a fairly wide, powerful, and fast actuator movement. In another embodiment, the frame is plate-like before being attached to the polymer and the biased polymer withdraws the frame from its planar shape. Applying at least one of the polymer and the frame causes the frame to move toward a planar shape. Thus, the movement of the actuator is controlled. In a third embodiment, the frame is formed rigid from certain parts, preferably by fitting the rigid portions to the frame such that the actuator shape and path are accurate. The rigid frame pieces help to improve the preload by making the polymer larger and thinner, which improves the actuator's performance when the active polymer is a dielectric elastomer.

Kuvioiden lyhyt selitysBrief Description of the Drawings

Keksintöä kuvataan yksityiskohtaisemmin oheisissa piirustuksissa, joissa kuvio 1 esittää kaavamaisesti muuntimen yläperspektiivinäkymää ennen jännitteen sovittamista, : kuvio 1b esittää kaavamaisesti muuntimen yläperspektiivinäkymää ·'·*: jännitteen sovittamisen jälkeen, • « kuvio 2 esittää kaavamaisesti kehystä ylhäältä päin katsottuna, : .·. kuvio 3 esittää kaavamaisesti toimilaitetta sivulta päin katsottuna ja • · · “V poikkileikattuna ennen jännitteen sovittamista, "* kuvio 4 esittää kuvion 3 toimilaitetta jännitteen sovittamisen jälkeen, • · ’···* kuvio 5 esittää kaavamaisesti erästä toista kehystä ylhäältä päin katsottuna ja • · \v kuvio 6 esittää kaavamaisesti erästä kolmatta kehystä ylhäältä päin φ · · katsottuna.The invention will be described in more detail in the accompanying drawings, in which Figure 1 schematically shows a top perspective view of a transducer before applying a voltage: Figure 1b schematically shows a top perspective view of a transducer · '· *: after applying a voltage; Figure 3 schematically shows a side view of the actuator and • · · “V in cross section before applying voltage,” * Figure 4 shows the actuator of Figure 3 after applying voltage, • Figure 5 schematically shows a top view of another frame, and • Fig. 6 schematically shows a third frame viewed from above.

Kuvioissa keksintö on esitetty selvyyden vuoksi yksinkertaistettuna.In the figures, the invention is illustrated in simplified form.

.···. Kuvioissa samanlaiset osat on esitetty samoilla viitenumeroilla.. ···. In the figures, like parts are shown with like reference numerals.

· • · »· • · »

Keksinnön yksityiskohtainen selitys • · *:··· Kuviot 1a ja 1b havainnollistavat toimilaitteen yhteydessä hyödyn nettävää perusperiaatetta. Viitenumero 1 osoittaa polymeeriä muuntelemaan 119538 3 sähköenergian ja mekaanisen energian välillä. Sähköaktiivisen polymeerin 1 ylä- ja alapintaan on vastaavasti kiinnitetty ensimmäinen elektrodi 2 ja toinen elektrodi 3 tuottamaan jännite-ero polymeerin osan välille. Elektrodit 2 ja 3 ja sähköaktiivinen polymeeri 1 yhdessä muodostavat muuntimen. Polymeeri 1 muotoutuu ensimmäisen ja toisen elektrodin 2 ja 3 tuottaman sähkökentän muutoksen myötä. Kun polymeeri 1 muuttuu kooltaan, muotoutumista voidaan käyttää tuottamaan mekaanista työtä.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Figures 1a and 1b illustrate a basic principle for use with an actuator. Reference numeral 1 indicates a polymer to vary 119538 3 between electrical energy and mechanical energy. A first electrode 2 and a second electrode 3 are respectively attached to the upper and lower surfaces of the electroactive polymer 1 to provide a voltage difference between the polymer portion. The electrodes 2 and 3 together with the electroactive polymer 1 form a converter. Polymer 1 is formed by the change in electric field produced by the first and second electrodes 2 and 3. As the polymer 1 changes in size, the molding can be used to produce mechanical work.

Kuvio 1 b on yläperspektiivinäkymä, joka havainnollistaa muunninta, joka sisältää muotoutumisen vastineena muutoksesta sähkökentässä. Yleisesti ottaen muotoutuminen viittaa mihin tahansa siirtymiseen, laajenemiseen, supistumiseen, vääntymiseen, lineaariseen tai pinta-alan jännitykseen tai mihin tahansa muuhun polymeerin 1 osan muodonmuutokseen. Elektrodien 2 ja 3 tuottamaa jännite-eroa vastaava muutos sähkökentässä tuottaa mekaanista painetta polymeerissä 1. Siinä tapauksessa elektrodien 2 ja 3 tuottamat erilaiset sähkövaraukset vetävät toisiaan puoleensa ja saavat aikaan puristavan voiman elektrodien 2 ja 3 välille ja laajentavan voiman tason suuntiin 4 ja 5 aiheuttaen polymeerin 1 puristumisen elektrodien 2 ja 3 välissä samoin kuin venymisen tason suunnissa 4 ja 5.Figure 1b is a top perspective view illustrating a transducer including deformation in response to a change in the electric field. Generally, deformation refers to any displacement, expansion, contraction, distortion, linear or surface tension, or any other deformation of the polymer part 1. The change in voltage in the electric field corresponding to the voltage difference produced by the electrodes 2 and 3 produces mechanical pressure in the polymer 1. In this case, the different electrical charges produced by the electrodes 2 and 3 attract each other and provide a compressive force between electrodes 2 and 3 and compression between the electrodes 2 and 3, as well as in the stretch plane directions 4 and 5.

Elektrodit 2 ja 3 ovat mukautuvia ja muuttavat muotoaan polymeerin 1 mukana. Polymeerin 1 ja elektrodien 2 ja 3 rakenne saa aikaan lisääntyvän polymeerin 1 vasteen muotoutumisen mukana. Täsmällisemmin, kun muunnin # · : muotoutuu, polymeerin 1 puristuminen tuo elektrodien 2 ja 3 vastakkaiset va- raukset lähemmäksi ja polymeerin 1 venyminen erottaa kummankin elektrodin ·:*·; samanlaisia varauksia.The electrodes 2 and 3 are adaptable and deformable with the polymer 1. The structure of the polymer 1 and the electrodes 2 and 3 causes an increasing response of the polymer 1 with the formation of the response. Specifically, as the converter # ·: is formed, compression of polymer 1 brings the opposing charges of electrodes 2 and 3 closer, and stretching of polymer 1 separates each electrode ·: * ·; similar reservations.

• Yleisesti ottaen muunnin jatkaa muotoutumista kunnes mekaaniset • M · . .·. voimat tasapainottavat muotoutumista ohjaavia sähköstaattisia voimia. Sellai- ,*··. set mekaaniset voimat sisältävät polymeerin 1 materiaalin palautusvoimat, • · elektrodien 2 ja 3 mukautuvuuden ja minkä tahansa ulkoisen resistanssin, jonka tuottaa laite ja/tai kuorma, joka on kytketty muuntimeen. Muuntimen sovite- • · · *;];* tusta jännitteestä johtuva resultanttimuotoutuminen voi riippua myös useasta *···: muusta tekijästä, kuten polymeerin 1 dielektrisyysvakiosta ja polymeerin 1 iY; koosta.• Generally, the converter continues to deform until mechanical • M ·. . ·. forces balance the electrostatic forces controlling the formation. Sellai-, * ··. The mechanical forces include the material retraction forces of the polymer 1, the adaptability of the electrodes 2 and 3 and any external resistance provided by the device and / or the load connected to the transducer. The resultant deformation due to the converter voltage • · · *;]; * may also depend on a number of other factors, such as the dielectric constant of polymer 1 and polymer 1Y; size.

• · ;·*·. Melko suuren jännite-eron sovittaminen elektrodien 2 ja 3 välille ku- viossa 1a esitetyssä muuntimessa aiheuttaa muuntimen muuttumaan ohuem- • · · : ·] paan ja pinta-alaltaan laajempaan muotoon, kuten on esitetty kuviossa 1b. Täi- • · 4 119558 lä tavoin muunnin muuttaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi. Muunnin voidaan sovittaa myös muuntamaan mekaanista energiaa sähköenergiaksi.• ·; · * ·. Applying a relatively large voltage difference between the electrodes 2 and 3 in the transducer shown in Fig. 1a causes the transducer to change into a thinner and wider area, as shown in Fig. 1b. In the same way, • • 4 119558 converter converts electrical energy into mechanical energy. The converter can also be adapted to convert mechanical energy into electrical energy.

Sähköaktiivinen polymeeri 1 voi olla esijännitetty. Polymeerin esijännitys voidaan kuvata yhteen tai useampaan suuntaan muutoksena dimensiossa siihen suuntaan esijännityksen jälkeen suhteessa dimensioon siihen suuntaan ennen esijännitystä. Esijännitys voi käsittää polymeerin 1 elastisen muotoutumisen ja se voidaan muodostaa esimerkiksi venyttämällä polymeeriä jännityksellä ja kiinnittämällä yksi tai useampia reunoja venytettynä. Esijännitys parantaa muuntamista sähköenergian ja mekaanisen energian välillä. Muunti-meen liittyen esijännitys mahdollistaa sähköaktiivisen polymeerin 1 muotoutuvan enemmän ja aikaansaa suuremman mekaanisen työn sähköenergiaa muunnettaessa mekaaniseksi energiaksi.The electroactive polymer 1 may be prestressed. The biasing of the polymer may be described in one or more directions as a change in dimension in that direction after biasing relative to the dimension in that direction prior to biasing. The prestressing may comprise elastic deformation of the polymer 1 and may be formed, for example, by stretching the polymer under tension and securing one or more edges by stretching. Biasing improves the conversion between electrical energy and mechanical energy. With regard to the converter, the biasing allows the electroactive polymer 1 to be deformed more and provides greater mechanical work in converting the electrical energy into mechanical energy.

Kuvio 2 esittää kehyksen 6. Kehys 6 on elastinen ja joustava. Kehys 6 on tehty esimerkiksi polyeteenitereftalaattikalvosta PET. Kalvon paksuus voi vaihdella esimerkiksi 50 ja 500 pm välillä. Kehyksen 6 materiaali voi olla myös jotain muuta joustavaa ja elastista materiaalia. Kuitenkin, jos kehys on melko ohut, materiaalin kimmokertoimen ei tarvitse olla kovin alhainen. Materiaalin vaaditut elastiset ominaisuudet ja kehyksen rakenne riippuvat myös polymeerin elastisista ominaisuuksista. Kalvoon on muodostettu aukko 7 poistamalla kalvon keskiosa esimerkiksi terävällä leikkurilla.Figure 2 shows a frame 6. The frame 6 is elastic and flexible. The frame 6 is made of, for example, polyethylene terephthalate film PET. The film thickness may vary, for example, between 50 and 500 µm. The material of the frame 6 may also be some other flexible and elastic material. However, if the frame is relatively thin, the material need not have a very low elasticity factor. The required elastic properties of the material and the structure of the frame also depend on the elastic properties of the polymer. An opening 7 is formed in the film by removing the central part of the film, for example, with a sharp cutter.

Kehykseen 6 on liimattu kaksi jäykistepalaa. Jäykistepalat 8 voidaan • * :.· : tehdä esimerkiksi samasta materiaalista kuin kehys 6. Niinpä ne osat, joihin j'\: jäykistepalat on sijoitettu, ovat jäykempiä, koska kehyksen kokonaispaksuus ·:*·: on suurempi noissa osissa. Kehyksen osat voidaan jäykistää myös tekemällä • ;*: kehys 6 joistakin osista paksummaksi tai käyttämällä jäykistelankoja tai - • m · . sauvoja tai käyttäen jotain muuta sopivaa menetelmää.Two stiffening pieces are glued to frame 6. The stiffening pads 8 can be made of, for example, the same material as the frame 6. Thus, the parts in which the j '\: stiffening pads are located are stiffer because the total frame thickness ·: * ·: is larger in those parts. Parts of the frame can also be stiffened by making •; *: frame 6 some parts thicker or by using stiffener strands or - • m ·. or by any other suitable method.

.···. Sähköaktiivisen polymeerimateriaalin 1 kalvo on esitetty kuviossa 2 • · katkoviivoilla. Sähköaktiivisen polymeerimateriaalin 1 kalvo voi olla esimerkiksi . . polyakryyliä olevaa paineherkkää liimanauhaa, jolla on kauppanimi VHB 4910 • · ♦ *;[** ja jota valmistaa yritys 3M. Niinpä sähköaktiivinen polymeeri on edullisesti di- elektristä elastomeeriä. Sopivia materiaaleja ovat esimerkiksi silikoni, polyure-taani, polyakrylaatti, luonnonkumi, lateksi, isopreeni jne. Edullisesti materiaalil- • · la on melko suuri mahdollinen venymä. Jos materiaali ei sinänsä ole liimamais- ..·[ ta, kehyksen ja polymeerin väliin tulee lisätä liimaa.. ···. The membrane of the electroactive polymer material 1 is shown in Figure 2 with dashed lines. For example, the film of the electroactive polymer material 1 may be. . polyacrylic pressure sensitive adhesive tape under the trade name VHB 4910 • · ♦ *; [** and manufactured by 3M. Accordingly, the electroactive polymer is preferably a dielectric elastomer. Suitable materials include, for example, silicone, polyurethane, polyacrylate, natural rubber, latex, isoprene, etc. Preferably, the material has a relatively high potential for elongation. If the material itself is not glue-like, glue should be added between the frame and the polymer.

• · · : Sähköaktiivinen polymeerilevy 1 on esivenytetty ja kehys 6 on lii- * *! mattu esivenytettyyn polymeerilevyyn 1. Tyypillisesti polymeeri 1 voidaan esi- 119538 5 venyttää viisi kertaa viisi kertaa siten, että saavutetaan 400% kertaa 400% esijännitys. Esijännitys voi olla esimerkiksi 600% kertaa 600% saakka. Toimilaite voi toimia myös huomattavasti alhaisemmalla esijännityksellä.• · ·: The electroactive polymer plate 1 is pre-stretched and the frame 6 is glued *! mat pre-stretched polymer sheet 1. Typically, polymer 1 can be pre-stretched five times five times to achieve a prestress of 400% times 400%. The prestress can be, for example, 600% times up to 600%. The actuator can also operate at significantly lower bias.

Kehys 6 on liimattu esivenytettyyn kalvoon polymeerimateriaalia 1 tasomaisessa valmistusvaiheessa. Niinpä litteä kalvokehyksen pala asetetaan esivenytetyn polymeerimateriaalia 1 olevan liimanauhan päälle. Liimauksen annetaan tapahtua hitaasti ja kokonaan ilman väliintuloa tai vähäisellä väliintulolla.The frame 6 is glued to a pre-stretched film of polymeric material 1 in a planar manufacturing step. Thus, a flat piece of film frame is placed over a pre-stretched adhesive tape of polymeric material 1. The gluing is allowed to proceed slowly and completely with little or no intervention.

Ennen kuin esijännitetty polymeerimateriaali 1 vapautetaan, aukon 7 vapaa alue peitetään esimerkiksi hiilimustarasvalla mukautuvien elektrodien 2 ja 3 tekemiseksi polymeerille 1. Niinpä mukautuvat elektrodit 2 ja 3 voidaan tehdä esimerkiksi perkoloimalla hiilimustaa tai metallipartikkeleita matriisissa kumia tai rasvaa. Voidaan käyttää myös jotain muuta sopivaa menetelmää mukautuvien elektrodien tekemiseksi. On mahdollista käyttää myös esimerkiksi metallikalvoelektrodeja, joilla on se etu, että ne voidaan muodostaa itsekor-jaantuviksi. Elektrodit 2 ja 3 on yhdistetty sähköteholähteeseen esimerkiksi kuparilangoilla.Before the prestressed polymeric material 1 is released, the free region of the opening 7 is covered, for example, with carbon black grease to make the electrodes 2 and 3 adaptable to the polymer 1. Thus, the adaptive electrodes 2 and 3 can be made e.g. Any other suitable method for making the adaptive electrodes may also be used. It is also possible to use, for example, metal film electrodes, which have the advantage that they can be made self-repairing. The electrodes 2 and 3 are connected to an electrical power source, for example by copper wires.

Kun esijännitetty polymeeri vapautetaan, toimilaite 9 ottaa kuviossa 3 havainnollistetun muodon.When the prestressed polymer is released, the actuator 9 takes the form illustrated in Figure 3.

Kun esijännitetty polymeeri 1 on vapautettu, toimilaite 9 jätetään löytämään alhaisin energiatasonsa. Jos kehystä 6 ei ole varustettu jäykistepaloilla ·.: · 8, toimilaitteen muoto tulee todennäköisesti melko monimutkaiseksi ja epä- :**): symmetriseksi. Yhdessä kokeessa toimilaitteen muoto oli kaksi aaltoa kehää ····· myöten ja toimilaite oli melko kaareva. Jäykistepalat 8 estävät valikoidusti tai- : pumisliikkeen tietyissä osissa kehystä. Tämä saa aikaan sen piirteen, että toi- . milaitteen liike on suunnattu siten, että saavutetaan käytännöllisempiä toimilai- tesovelluksia.When the prestressed polymer 1 is released, the actuator 9 is left to find its lowest energy level. If frame 6 is not equipped with stiffening pieces · .: · 8, the shape of the actuator is likely to become rather complicated and non-: **): symmetrical. In one experiment, the actuator was shaped as two waves along the ····· ring, and the actuator was quite curved. The stiffening blocks 8 selectively prevent bending movement in certain parts of the frame. This gives the feature that it worked. the motion of the device is directed so as to achieve more practical actuator applications.

• · *'* Eräässä esimerkissä kuvion 2 kehyksen 6 ulkosivun pituus on 50 mm ja sisäsivun pituus 30 mm, jolloin kehän leveys on 10 mm. Jäykistepalat 8 • · · muodostavat kaksi kehän varsista jäykemmiksi. Niinpä näiden varsien taivu-tusmoduuli on paljon suurempi kuin viitenumerolla 6a osoitettujen varsien tai- * vutusmoduuli. Nämä varret 6a, joissa ei ole jäykistepaloja 8, muodostavat • · .*··. pehmeät saranat. Nämä saranat ovat joustavia siten, että toimilaitteen 9 raken- teestä tulee luontaisesti jousikuormitteinen.In one example, the frame 6 of Figure 2 has an outer side length of 50 mm and an inner side length of 30 mm, with a peripheral width of 10 mm. The stiffening pads 8 • · · make the two edges of the arms stiffer. Thus, the bending modulus of these arms is much higher than the bending modulus of the arms indicated by reference numeral 6a. These arms 6a, which do not have stiffening pieces 8, form • ·. * ··. soft hinges. These hinges are resilient so that the structure of the actuator 9 becomes naturally spring-loaded.

• · · : ·[ Jännitteen sovittaminen elektrodien 2 ja 3 välille aiheuttaa polymee- rin 1 venymisen siten, että sen pinta-ala kasvaa. Tämä aiheuttaa toimilaitteen 119538 6 9 liikkumisen kuviossa 4 esitettyyn muotoon. Niinpä, jos kehys 6 on tasomainen ennen kuin se kiinnitetään polymeeriin 1, toimilaite pyrkii liikkumaan tasomaiseen muotoon. Polymeerin pinta-ala ei kuitenkaan kasva kovin paljoa, joten elektrodien materiaalille ja rakenteelle ei ole tiukkoja vaatimuksia. Niinpä on esimerkiksi mahdollista käyttää metallikalvoelektrodeja.• · ·: · [Voltage adaptation between electrodes 2 and 3 causes the polymer 1 to stretch so that its surface area increases. This causes the actuator 119538 6 9 to move to the shape shown in Figure 4. Thus, if the frame 6 is planar before being attached to the polymer 1, the actuator tends to move in a planar shape. However, the surface area of the polymer does not increase much, so there are no strict requirements for the material and structure of the electrodes. Thus, for example, it is possible to use metal film electrodes.

Kun elektrodien 2 ja 3 välinen jännite-ero asetetaan arvoon 0 kV, toimilaite 9 pyrkii liikkumaan kuviossa 3 esitettyyn muotoon. Elektrodien 2 ja 3 välinen jännite-ero voi vaihdella esimerkiksi 0 kV ja 8 kV välillä. Mitä suurempi jännite on, sitä litteämpi on toimilaite 9. Suurin mahdollinen toimintajännitys on siinä asemassa, missä toimilaite 9 tulee litteäksi.When the voltage difference between the electrodes 2 and 3 is set to 0 kV, the actuator 9 tends to move in the form shown in Figure 3. The voltage difference between the electrodes 2 and 3 may vary, for example, between 0 kV and 8 kV. The higher the voltage, the flatter the actuator 9. The maximum operating voltage is at the position where the actuator 9 becomes flat.

Jos kehyksen 6 varsia pidennetään ja kehän leveys pidetään vakiona, taipuva osa eli varret 6a tulevat pidemmiksi ja siten niiden jäykkyys pienenee siten, että toimilaite 9 taipuu helpommin. Siinä tapauksessa aukon 7 pinta-ala myös kasvaa, mikä saa aikaan lisäyksen elastisen energian alkuperäisessä määrässä siten, että muodonmuutoksen kautta pystytään vapauttamaan enemmän energiaa. Nämä kaksi vaikutusta yhdessä saavat aikaan jännitty-mättömän toimilaitteen 9 taivutuskulman pienenemisen kehyksen pituuden lisääntyessä.If the arms of the frame 6 are extended and the peripheral width is kept constant, the bending member, i.e. the arms 6a, becomes longer and thus their stiffness is reduced so that the actuator 9 is more easily bent. In this case, the surface area of the aperture 7 also increases, which results in an increase in the original amount of elastic energy so that more energy can be released through deformation. Together, these two effects cause the bending angle of the untensioned actuator 9 to decrease as the frame length increases.

Kun syötetty jännite vaihtelee matalan ja korkean välillä, toimilaite 9 taipuu avoimemmaksi ja tämä toimilaitteen 9 muoto sinänsä käyttäytyy kuten taipuva segmentti. Kokeet ovat paljastaneet, että pienempi kehys on alttiimpi • · :.· · avautumiselle. Pienimmällä kehyksellä oli myös suurin jännityksetön taivutus- :**[: kulma. Taivutuskulmaa voidaan myös vaihdella muuttamalla kehyksen 6 taivu- *:·*: tusvarsien 6a leveyttä. Mitä leveämpiä taivutusvarret 6a ovat, sitä jäykempi • ·'· kehys on ja siksi huonompi taipumaan.When the applied voltage varies between low and high, the actuator 9 bends more open and this form of the actuator 9 itself acts like a bending segment. Experiments have revealed that a smaller frame is more susceptible to opening. The smallest frame also had the largest tension-free bend: ** [: angle. The bending angle may also be varied by changing the width * of the bending arms 6a of the frame 6. The wider the bending arms 6a, the stiffer the • · '· frame is and therefore the worse it is to bend.

··· · . .·. Kuvio 5 esittää kehyksen 6 muodon, joka on muodostettu siten, että .···, kaksi samankokoista ympyrää on lävistetty pois kalvosta siten, että ympyröi- • · den välillä oli tietty etäisyys. Jäljelle jäävät pykälät on poistettu terävällä leikku- . . rilla. Jäykistepalat 8 on muodostettu siten, että neliön muotoisen kappaleen lä- • · *;];* pi on lävistetty reikä ja kappale on sen jälkeen leikattu kahtia. Kalvokehys 6 on *···: sen jälkeen liimattu esijännitettyyn polymeeriin 1 ja jäykistepalat 8 on liimattu kehykseen 6.··· ·. . ·. Fig. 5 shows the shape of a frame 6 formed such that · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · The remaining notches have been removed with sharp cutting. . counter. The stiffening pieces 8 are formed such that a square piece • • *;]; * pi is a punched hole and the piece is then cut in half. The membrane frame 6 is * ···: subsequently glued to the prestressed polymer 1 and the stiffener pieces 8 are glued to the frame 6.

• · .·**. Kuvio 6 esittää rakenteen, missä kehys 6 on ympyrän muotoinen.• ·. · **. Figure 6 shows a structure where the frame 6 is circular.

Kehys 6 on liimattu esijännitettyyn polymeeriin 1 ja polymeeri on vapautettu ja • · t ! *[ toimilaitteen on annettu löytää oma minimienergiamuotonsa. Esivenytetty po- ’i,,: lymeeri taivuttaa kehystä siten, että kehyksen 6 ulkohalkaisija pienenee. Kun 119538 7 polymeeri 1 vapautetaan, pyöreän kehyksen 6 muoto tulee noin tasapainoon . esivenytetyn polymeerin supistusjännityksen ja kehyksen 6 taivutusjännityksen välille. Jännite-eron sovittaminen elektrodien 2 ja 3 välille pienentää polymeerin 1 puristavaa vaikutusta. Niinpä toimilaitteen ulkohalkaisijan koko vaihtelee alimman ja korkeimman jännitteen välillä. Sivulta päin katsoen toimilaite muuttaa myös kokoaan kokonaan litteästä kappaleesta käyristyneeseen kappaleeseen. Niinpä kappaleen korkeus voi vaihdella esimerkiksi 0,5 mm:stä 25 mm:iin.The frame 6 is glued to the prestressed polymer 1 and the polymer is released and! * [Actuator has been allowed to find its own minimum energy form. The pre-stretched polymer bends the frame so that the outer diameter of the frame 6 is reduced. When 119538 7 polymer 1 is released, the shape of the round frame 6 becomes approximately equilibrium. between the shrinkage stress of the pre-stretched polymer and the bending stress of the frame 6. Adjusting the voltage difference between the electrodes 2 and 3 reduces the compressive effect of polymer 1. Thus, the size of the outer diameter of the actuator varies between the lowest and highest voltages. From the side, the actuator also changes its size from a completely flat body to a curved body. Thus, for example, the height of the piece may vary from 0.5 mm to 25 mm.

Edullisesti kehyksen 6 taipuminen tulee mahdolliseksi esivenytetys-sä polymeerissä 1 olevan elastisen energian vuoksi. Kehyksen 6 muodon ja dimensioiden säätäminen saa aikaan pienestä suuriin eroja toimilaitteen 9 itse-järjestetyssä muodossa. Valittujen jäykisteosien käyttö kehyksessä 6 saa aikaan suunnatun toimintaulostulon ja muodon optimointi voi saada aikaan parannettuja toimintajänniteominaisuuksia.Preferably, the bending of the frame 6 is made possible by the elastic energy in the pre-stretched polymer 1. Adjusting the shape and dimensions of the frame 6 causes small to large differences in the self-arranged form of the actuator 9. The use of selected stiffener elements in the frame 6 provides a directed operating output and shape optimization can provide improved operating voltage characteristics.

Kuviossa 6 esitetty kehyksen 6 ympyrämuoto tuottaa muodon laa-jentamispiirteen ja esimerkiksi kuvioissa 2 ja 5 esitetyt kehyksen muodot tuottavat toimilaitteen, jossa on taipuva segmentti. Saavutettava maksimitoiminta-voima on todennäköisesti yhtä suuri kuin toimilaitteen taivuttamiseksi vaadittava voima silloin, kun toimilaitteessa ei ole polymeeriä 1.The circular shape of the frame 6 shown in Fig. 6 provides a shape expanding feature and, for example, the frame forms shown in Figs. 2 and 5 produce an actuator having a bending segment. The maximum actuating force obtained is likely to be equal to the force required to bend the actuator when the actuator is free of polymer 1.

Edullisesti kehyksen alkuperäinen muoto on litteä. On kuitenkin mahdollista tehdä kehykset alun perin esikaareviksi tiettyyn muotoon, jolloin ·,: i valinnaisesti vapautetaan taivutusenergiaa kehyksen toisissa osissa. Tämä voi valinnaisesti jäykistää tiettyjä osia kehyksessä.Preferably, the original shape of the frame is flat. However, it is possible to initially frame the frames to a certain shape, whereby,, optionally, bending energy is released in other parts of the frame. This may optionally stiffen certain parts of the frame.

♦:··· Joissain tapauksissa tässä selityksessä esitettyjä piirteitä voidaan • käyttää pelkästään riippumatta toisista piirteistä. Toisaalta tässä selityksessä♦: ··· In some cases, the features described in this specification may • be used solely independently of other features. On the other hand in this explanation

i·· Si ·· S

. .·. esitettyjä piirteitä voidaan yhdistellä erilaisten kombinaatioiden muodostami- .···. seksi.. . ·. the presented features can be combined to form various combinations. ···. sex.

• ·• ·

Alan ammattimiehelle on selvää, että tekniikan kehittyessä keksin- . . nön perusidea voidaan toteuttaa eri tavoin. Niinpä keksintöä ja sen sovellu- · · *;[·* tusmuotoja ei ole rajoitettu edellä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä mahdollisuudet liittyen nyt esi-tetyn konseptin mukaisten toimilaitteiden tai toimintarakenteiden valmistusta ei • « .···. ole rajoitettu ympyrän muotoisiin tai nelikulmaisiin kehyksiin. Kehys voi käsittää useamman kuin yhden aukon. Aukkojen muoto voi olla mikä tahansa. Kehyk- • * · : ·| sen muoto voi olla mikä tahansa ja myös jäykistepalat voivat olla minkä muo- toisia tahansa.It will be obvious to one skilled in the art that as technology advances, . This basic idea can be implemented in different ways. Thus, the invention and its embodiments are not limited to the examples described above, but may vary within the scope of the claims. Thus, the opportunities associated with the manufacture of actuators or operating structures according to the present invention do not • «. ···. not limited to circular or square frames. The frame may comprise more than one aperture. The openings can be of any shape. Frame- • * ·: · | it can be of any shape and also stiffener pieces can be of any shape.

119538 8119538 8

Vielä eräässä sovellutusmuodossa polymeeri on passiivinen ja kehys on aktiivinen, mikä tarkoittaa, että kehykseen vaikutetaan toimilaitteen käyttämiseksi. Niinpä kehyksen taivutusosa 6a voi olla tehty aktiivisesta materiaalista ja elastomeerinen polymeeri jousikuormittaa toimilaitteen.In another embodiment, the polymer is passive and the frame is active, which means that the frame is actuated to actuate the actuator. Thus, the frame bending member 6a may be made of active material and the elastomeric polymer will spring-load the actuator.

Voidaan käyttää myös muita kuin sähköaktiivisia polymeerejä. Niinpä polymeeri voi olla esimerkiksi iämpötilaherkkä elastomeeri tai valoherkkä elastomeeri. Siinä tapauksessa polymeeriin vaikutetaan sitten lämmittämällä sitä tai vastaavasti valolla. Ratkaisua ei ole rajoitettu tiettyyn toimintamekanismiin. Polymeeri voi olla herkkä yhdelle tai useammalla seuraavista muuttujista: sähkö, lämpö, valo, kosteus, tiettyjen kemiallisten yhdisteiden konsentraatio, magnetismi jne.Non-electroactive polymers may also be used. Thus, for example, the polymer may be a temperature-sensitive elastomer or a photosensitive elastomer. In that case, the polymer is then exposed by heating it or by light, respectively. The solution is not limited to a specific mechanism of action. The polymer may be sensitive to one or more of the following variables: electricity, heat, light, humidity, concentration of certain chemical compounds, magnetism, etc.

• · • t • · · «·· · ·· · « · · • · • · • · • · * · · « * · M» * • ♦ · • · *• • • • • • • • • • • • • ••••••••••••••••••••••••

«M«M

··· • • · ··· • · • · · • t * • · ··* • · • · ··· • · * · · • · · • · ··· * · ·«· ·· · Ϊ * · • · • ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Add Ϊ * · • · • ·

Claims

119538

An actuator comprising a frame (6) having an opening (7) and a polymer (1) attached to the frame, characterized in that the frame (6) is elastic and resilient that at least one of the polymer (1) and the frame (6) ) material is such that it can be influenced to change its physical dimensions and / or stress state, whereby the action of at least one of the polymer (1) and the frame (6) causes the frame (6) to move out of plane.

Actuator according to Claim 1, characterized in that the polymer (1) is prestressed before being attached to the frame (6), wherein the polymer (1) causes the frame (6) to deform before it was attached to the polymer (1). ) and acting on at least one of the polymer (1) and the frame (6) causes the frame (6) to move towards the shape it had before the polymer (1) was attached to it.

Actuator according to claim 2, characterized in that the frame (6) was planar before the prestressed polymer was attached thereto, whereby acting on at least one of the polymer (1) and the frame (6) causes the frame to move towards its planar shape.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the frame (6) is made rigid in certain parts.

: 5. Actuator according to claim 4, characterized in that 4 ·· ·. ··. ·. The frame (6) is made rigid by fitting stiffening parts (8) to certain portions of the frame (6).

An actuator according to any one of the preceding claims, characterized in that the polymer (1) is an active polymer.

Actuator according to Claim 6, characterized in that the polymer ***** is an electroactive polymer and that the actuator comprises adaptable electrodes (2, 3) on the upper and lower surfaces of the polymer (1), whereby the electroactive polymer • ♦ The voltage is adjusted by adjusting the voltage difference between the electrodes (2, 3). <·· · '· • · * ♦ · f • · • · · • · «' · ♦ ··· • '· •«' ··· «« • '· · 119538