WO2009135328A2 - Dielectric traction-pressure actuator - Google Patents

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WO2009135328A2
WO2009135328A2 PCT/CH2009/000141 CH2009000141W WO2009135328A2 WO 2009135328 A2 WO2009135328 A2 WO 2009135328A2 CH 2009000141 W CH2009000141 W CH 2009000141W WO 2009135328 A2 WO2009135328 A2 WO 2009135328A2
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actuator
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Lukas Düring
Gabor Kovacs
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Empa
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Definitions

  • the present invention relates to an actuator according to the preamble of claim 1 and a method for producing such actuators.
  • actuators such as electric motors, stepper motors or piezoelectric crystals are used in robotics (including microtechnology), where they convert electrical energy into mechanical work.
  • these small-format actuators have a poor efficiency; in a larger format they are heavy.
  • actuators based on electroactive polymers are finding increasing interest, in particular also dielectric actuators which convert electrical voltage into mechanical work, as well as for tactile applications such as a tactile glove or a tactile display for Braille writing (see “Miniatured Electrostatic Tactile Display with High Structural Compliance, M. Jungmann, H: F: Schlaak, Proceedings of the Conference “Eurohaptics 2002”).
  • dielectric actuators of an incompressible elastomeric film or an incompressible elastomeric film which is coated on both sides with electrodes consist dielectric actuators of an incompressible elastomeric film or an incompressible elastomeric film which is coated on both sides with electrodes.
  • the elastomer foil is compressed in the field direction by the Coulomb force acting in the electrodes (ie in a direction parallel to the direction of the field lines), the elastomer, since incompressible, at the same time extending perpendicular to the field direction ; a reduction in the applied voltage causes the elastomeric film to return to its original configuration.
  • the dielectric actuator can now work on the deformation of the elastomer work. Either when applying a voltage, when the elastomer compressed in the field direction expands perpendicular to the field direction due to its incompressible properties, or when reducing the voltage in the field direction, when the elastic energy stored in the elastomer becomes free during the recovery.
  • dielectric actuators are the high energy density, which can be more than 0.2 J / cm 3 , which corresponds to more than twice the energy density of piezoelectric actuators.
  • Next advantageous is the possibility of simple encapsulation, so that such actuators are used depending on the elastomer used under a variety of environmental conditions.
  • the material costs for such actuators are low; they are also light and noiseless.
  • the elastomer acts as a dielectric in the dielectric actuator, the aim being to achieve the highest possible dielectric constant and the highest possible electrical breakdown strength.
  • silicones or acrylics are used, for example.
  • 3M acrylic elastomer VHB4910 which allows maximum elongation (up to 300%).
  • a mechanical pre-stretching of the elastomeric film or the elastomeric film leads to increased dielectric strength and lower thickness, which in turn results in a smaller thickness of the film or foil and thus to lower electrical voltages for the same electrostatic pressure.
  • the thickness of an elastomeric film is in the micron range, z.Bsp. at 20 microns, which hardly even with highly stretchable dielectric layers between the electrodes gives a usable working area across the thickness (or height) of the actuator; Accordingly, dielectric actuators are stacked or formed as a spiral, so that the working paths of the individual actuators or the individual turns of the spiral can add up to the resulting work path on the height of the stack or the spiral for an application is sufficient (while the labor of the area of the actuators, not depending on their number).
  • the electrodes are usually applied as a coating on the elastomer, wherein graphite powder is used, which is included in the stacking of actuators between each superposed elastomer sections.
  • graphite powder is used, which is included in the stacking of actuators between each superposed elastomer sections.
  • the individual graphite grains in the coating can slide freely on each other and so do not hinder the deformation.
  • the actuator according to the invention has the characterizing features of claim 1. Furthermore, a method for producing the actuator according to the invention has the characterizing features of claim 13.
  • the electrodes can transmit a tensile stress directed perpendicular to the surface of the dielectric makes it possible for the actuator to perform work in the field direction already when a voltage is applied, which is done by pulling force exerted by the actuator. This opens up further fields of application compared to conventional dielectric actuators, which only deliver work in the field direction if, during the voltage reduction, the energy stored in the dielectric is released. Due to the fact that the ability to deliver work in the field direction via pressure remains unaffected, the actuator according to the invention can furthermore still be used in the previous fields of application.
  • the method according to the invention provides a simple and favorable route for the production.
  • Fig. 1 a dielectric actuator according to the prior art
  • FIG. 2 shows an inventive actuator with the structure of the actuator of Fig. 1, wherein a section between two adjacent dielectric layers is shown,
  • 3a shows a stack of single actuators formed from a folded film strip
  • FIG. 3b shows the film strip of Figure 3a, min to be coated areas.
  • FIG. 1 schematically shows a section through a conventional dielectric actuator 1, which has an encapsulation 2 and a stack 4 consisting of dielectric single actuators 3.
  • the stack 4 is limited end by end pieces 5, with transmission elements 6 for the transmission of the mechanical movement of the actuator 1 to the environment.
  • Projections 7 block the end pieces 5 in their outermost position which corresponds to the passive state of the actuator 1: if no voltage is applied to the individual actuators 3, the elastic and incompressible dielectrics enclosed in each case between their electrodes are in the uncompressed state, i. They have maximum height (or thickness) and therefore their minimum diameter. Similarly, the sprayed on both sides of a dielectric layer powder layer of graphite, which forms the electrode layer.
  • each individual actuator 3 When a voltage is applied, the electrodes of each individual actuator 3 charge and generate an electric field whose field lines extend parallel to the longitudinal axis 10 of the actuator 1.
  • the coulomb force prevailing between the charges causes the elastic dielectric in the single actuator 3 to be compressed, ie it loses height in the field direction, the displaced mass causing an increase in the diameter.
  • the sum of the height changes of the individual actuators 3 then leads to a displacement of the (or both) transmission elements 6 in the direction of the arrows 11.
  • the electrodes consist of a layer of basically loose graphite powder, or of graphite powder whose grains or particles are not connected to each other, the individual, separated by electrodes dielectrics can separate from each other when z.Bsp. the transmission members 6 are blocked or tensioned. In other words, the actuator 1 can not do any work by pulling (direction of the arrows 11). On the other hand, it is advantageous that an electrode made of loose graphite powder can easily follow the diameter increase of the dielectric, i. not hindered.
  • the actuator 1 can perform work as soon as the voltage applied to the individual actuators 3 is reduced, with the result that the dielectrics, relieved of the Coulomb forces, return to their original height: the pressure exerted thereby by the elastic dielectrics is exerted of the Graphite powder layer transferred existing electrodes and moves the end pieces 5 away from each other, so that work can be done in the direction of arrows 12 to the environment.
  • the prior art dielectrics are made of a dielectric polymer that combines properties such as elasticity (storage of work), incompressibility, and sufficient dielectric constant sufficiently well in view of the intended application.
  • Figure 2 shows a section of an inventive actuator 20, which basically has the same structure as the actuator 1 of Figure 1; The detail shown corresponds approximately to the area indicated by the dotted line 13 (FIG. 1). The longitudinal axis of the actuator 20 is denoted by 14.
  • An encapsulation 21 is apparent, which encapsulates a stack 22 of single actuators 23 in an operable manner.
  • Each individual actuator 23 is formed by a surface-shaped, here preferably disk-shaped dielectric 24, which is provided on both sides on the flat side with likewise planar electrodes 25 (for example positive charge) and 26 (for example negative charge).
  • End pieces 29 correspond to the end pieces 5 of FIG. 1.
  • the dielectrics used are electroactive polymers, preferably dielectric polymers, eg.
  • stickiness refers in particular to surfaces which are characterized by adhesiveness and have high cohesive forces. Stickiness is thus a physical-mechanical phenomenon. Here, the adhesion comes about through the mechanical entanglement and crosslinking of filamentous surface structures. In the transition to the nanoscale, as is the case with the smallest particles for electrodes, atomic forces occur, such as van der Waals forces or hydrogen bonds in the foreground. The nature of the thing is the transition from the sticky surface for larger particles to sticking due z.Bsp. the van der Waals forces fluent; However, the expert can easily determine whether he wants to choose a dielectric with high adhesiveness or whether the adhesion by z.Bsp. With regard to the concrete actuator to be produced in case of doubt by simple experiments. van der Waal's powers suffice. If this is not the case, it can, as described below, fix particles on a non-sticky dielectric by applying a voltage.
  • the electrical connections of the electrodes are omitted to relieve the figure and to the relevant state of the art (for example, the publications DE 10 2004 011 029 and WO 2007/0292275 referenced).
  • the formation of the electrodes 25, 26 is the subject of the present invention, this does not apply to their electrical connections, which are conventional and can be produced by the person skilled in the art at any time according to the intended application.
  • an elastic, slightly compressible spacer sleeve 27 is arranged, which fills in the passive state of the actuator 20, the gap between the individual actuators 23 and the enclosure 21, but as far as yielding and elastic, in the active state, the enlargement of the diameter (in the direction of the arrow 28) and in the transition to the passive state to fill the gap again.
  • the electrodes 25, 26 of the illustrated embodiment do not consist of a layer of loose grains or particles of graphite powder, which, for example. has been sprayed onto the dielectric, but from a single layer of particles 30 of this powder, the particles 30 being distributed on the surface of the dielectric they touch. It can be seen that each individual layer of particles 30, which respectively forms one electrode 25, 26, is assigned in common to two adjacent individual actuators 23. As a result, the contraction of the dielectrics 24 by the individual NEN particle is transferred to the adjacent dielectric 24, until the adhesion of the individual particle produced by the Coulomb force to the dielectrics assigned to it is overcome. (Of course, the particles 30 can also transmit pressure).
  • the electrodes 25, 26 are designed according to the invention in such a way that they can transmit a tensile stress directed perpendicular to the surface of the dielectric, wherein as described above they are preferably designed such that they consist of a powder layer with conductive particles 30 and the layer has substantially a single layer of particles 30 dispersed on the surface of the dielectric they contact.
  • the dielectric used is preferably a tacky, dielectric polymer (for example VHB 4910/4905 from 3M), on which the particles, once applied, adhere on their own.
  • a corresponding method for the production of an actuator according to the invention is once that a powder layer of conductive particles is applied to predetermined areas of the sticky dielectric.
  • a stack 22 is to produce individual actuators 23, which in terms of ease of manufacture z.Bsp. consists of an S-shaped folded film strip of a suitable dielectric (see WO 2007/029275) or from a spirally wound film strip, the coating with powder must be such that after folding or joining the spiral only one the opposing surfaces of the dielectric 24 (which interposes an electrode 25, 26 between them). close) is coated. Otherwise, an electrode consisting of only a single layer of particles 30 would be difficult to manufacture.
  • FIG. 3 a shows a stack 40 of individual actuators 41, which is formed from a zig-zag folded film strip 42 made of a dielectric polymer. It can be seen that each individual layer 43 of the folded film strip 42 has on both sides an electrode (consisting of particles 30, FIG. 2).
  • Figure 3b shows the unfolded film strip 42 with its indicated by the dotted lines 44 folding points.
  • the predetermined regions 45 to be coated are covered with the particles 30 symbolized by dots (FIG. 2). During folding, therefore, there is only a single layer of particles 30 between adjacent layers 43 (FIG. 3 a). If the regions 46 were likewise coated, an electrode consisting of two layers would be present between adjacent layers 43 (FIG. 3 a) Particles 30 would be what is not permitted according to the invention.
  • the person skilled in the art will select the predetermined areas for the coating in such a way that only a layer of particles 30 is enclosed between them in the stack of opposing surfaces of the dielectric.
  • the surface sections can also be divided into any suitable manner, but always so that the coating results in the stack as the only layer of particles 30.
  • the production process according to the invention therefore comprises the application of a powder layer of conductive powder to the predetermined regions, which is conventional, e.g. by spraying, can be made.
  • the next step comprises the distribution of the sprayed-on powder in the predetermined regions on the surface of the dielectric such that they are uniformly and substantially completely covered by sprayed-on particles.
  • the Distribution occurs mechanically, particularly preferably characterized in that the applied powder is rubbed by a pressed on the surface of the dielectric stamp (made of silicone or sponge rubber), which by some reciprocating movements in the predetermined range 45, or in the case of disk-shaped layers 43rd can also be done by rotation of the punch.
  • This mechanical movement dissolves clots or aggregates of particles and covers exposed areas on the surface with particles 30.
  • the particles 30 are pressed against the surface so that they then adhere to the sticky surface.
  • particles not adhering to the surface of the dielectric are removed from it. This is preferably done by suction or blowing away the loose particles.
  • a silicone RTV 23 stamp was placed in a Petri dish filled with Ketjenblack EC-600JD graphite powder and the powder attached to the stamp was placed on a dielectric.
  • the dielectric consisting of the elastomer VHB 4910 from 3M had a diameter of 20 mm and a height of about 70 ⁇ m. Circular movements of the stamp allowed the particles to be evenly distributed at high density over the entire surface of the dielectric material to be coated, and the excess and non-adherent powder amount to be removed from the surface by suction.
  • an actuator was built of a length of 40 mm. After attaching the electrical supply line and the force application points at both ends, the actuator could be activated with up to 4.2 kV.
  • a single layer of particles 30 can also be produced on a non-tacky dielectric, namely when the particles are small (500 nm, but preferably 200 nm or less), as is the case with carbon nanotubes or fullerenes, or with correspondingly small graphite particles.
  • these small particles are brought so close to the molecules of the dielectric that adhesion by van der Waals forces occurs.
  • larger particles can be applied as the only layer on a dielectric by applying an electrical voltage after application on both sides of the dielectric, so that particles that touch the surfaces adhere by the electrostatic attraction and the other particles easily by suction can be removed. This leaves on each surface a single layer of particles 30, which in turn can be covered by another dielectric 24, and so on until the desired stack is made.
  • the single layer of particles forming an electrode may also comprise conductive metallic particles such as aluminum, iron, copper and / or gold particles.
  • conductive metallic particles such as aluminum, iron, copper and / or gold particles.
  • the effect according to the invention can be achieved if the layer of particles is not located between the dielectrics but is let into the surface of one of the two adjacent dielectrics. So for example. in the form of metal ions implanted in a dielectric polymer. These metal ions then also form an electrode which can transmit tensile stresses directed perpendicular to the surface of the dielectric.
  • a foam is used as the dielectric, which, since elastic and compressible, does not expand or not substantially perpendicular to the field direction when compressed in the field direction.
  • foams may consist of the following materials: Polyurethane soft foam (such as Bayflex, Elastoflex, Elastofoam) as well as closed-cell, cross-linked foams based on polyamide (ZOTEK N®) or other special polymers (polyethylene).
  • ZOTEK N® polyamide
  • a metal plate may be used, ie an electrode which is designed to transmit a tension directed perpendicular to the surface of the dielectric.
  • the electrode is only partially formed as a single layer.
  • such an embodiment can not transmit the maximum possible tensile forces per se, since the area of the single-layer layer is reduced.
  • Such embodiments are encompassed by the present invention.

Landscapes

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

The invention relates to a traction/pressure actuator (20) comprising a stack (22) of elastic dielectrics (24) that are separated from each other by electrodes (25, 26) and are compressed when an electric current is applied, according to Coulomb's force, that is thus produced. The invention is characterised in that the electrodes can transmit traction stress perpendicular to the surface of the dielectric, and the actuator can carry out work via the traction force. Preferably, the electrodes comprise a single layer of graphite particles (30) that are distributed on the surface of the dielectric that they come into contact with.

Description

Dielektrischer Zug-Druck Aktor Dielectric tension-pressure actuator
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktor nach dem Oberbegriff von An- spruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung solcher Aktoren.The present invention relates to an actuator according to the preamble of claim 1 and a method for producing such actuators.
Generell werden Aktoren wie Elektromotore, Schrittmotore oder Piezokristalle in der Robotik (einschliesslich der Mikrotechnik) eingesetzt, wo sie elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Generell haben diese Aktoren im Kleinformat einen schlechten Wirkungsgrad; im grosseren Format sind sie schwer.In general, actuators such as electric motors, stepper motors or piezoelectric crystals are used in robotics (including microtechnology), where they convert electrical energy into mechanical work. In general, these small-format actuators have a poor efficiency; in a larger format they are heavy.
Deshalb finden auf elektroaktiven Polymeren basierende Aktoren zunehmend Interesse, insbesondere auch dielektrische Aktoren, die elektrische Spannung in mechanische Arbeit umsetzen, so auch für taktile Anwendungen wie einen taktilen Handschuh oder eine taktile Anzeige für die Braille-Schrift (s. "Miniatu- rised Electrostatic Tactile Display with High Structural Compliance, M. Jungmann, H:F: Schlaak, in Proceedings of the Conference "Eurohaptics 2002").For this reason, actuators based on electroactive polymers are finding increasing interest, in particular also dielectric actuators which convert electrical voltage into mechanical work, as well as for tactile applications such as a tactile glove or a tactile display for Braille writing (see "Miniatured Electrostatic Tactile Display with High Structural Compliance, M. Jungmann, H: F: Schlaak, Proceedings of the Conference "Eurohaptics 2002").
Häufig - aber im Hinblick auf die vorliegende Erfindung nicht ausschliesslich - bestehen dielektrische Aktoren aus einem inkompressiblen Elastomerfilm bzw. einer inkompressiblen Elastomerfolie, die beidseitig mit Elektroden beschichtet ist. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden wird die Elastomerfolie durch die in den Elektroden wirkende Coulombkraft in Feldrich- tung (d.h. in einer Richtung parallel zur Richtung der Feldlinien) zusammenge- presst, wobei sich das Elastomer, da inkompressibel, zugleich senkrecht zur Feldrichtung ausdehnt; eine Reduktion der angelegten Spannung bewirkt eine Rückkehr des Elastomerfilms in seine ursprüngliche Konfiguration.Often - but not exclusively with regard to the present invention - consist dielectric actuators of an incompressible elastomeric film or an incompressible elastomeric film which is coated on both sides with electrodes. When an electrical voltage is applied to the electrodes, the elastomer foil is compressed in the field direction by the Coulomb force acting in the electrodes (ie in a direction parallel to the direction of the field lines), the elastomer, since incompressible, at the same time extending perpendicular to the field direction ; a reduction in the applied voltage causes the elastomeric film to return to its original configuration.
Die Ausdehnung des Elastomers senkrecht zur Feldrichtung soll durch die Elektrode nicht behindert werden (da wegen der Inkompressibilität sonst auch die gewünschte Bewegung in Feldrichtung behindert wäre), mit der Folge, dass die Elektrode sich der Dehnung senkrecht zur Feldrichtung anpassen können muss.The expansion of the elastomer perpendicular to the field direction should not be hindered by the electrode (as otherwise the desired movement in the field direction would be impeded because of the incompressibility), with the result that the electrode must be able to adapt to the strain perpendicular to the field direction.
Der dielektrische Aktor kann nun über den Verformungsweg des Elastomers Arbeit leisten. Entweder beim Anlegen einer Spannung, wenn sich das in Feldrichtung zusammengepresste Elastomer dank seiner inkompressiblen Eigenschaften senkrecht zur Feldrichtung ausdehnt, oder aber bei der Reduktion der Spannung in Feldrichtung, wenn die im Elastomer gespeicherte elastische Energie während der Rückverformung frei wird.The dielectric actuator can now work on the deformation of the elastomer work. Either when applying a voltage, when the elastomer compressed in the field direction expands perpendicular to the field direction due to its incompressible properties, or when reducing the voltage in the field direction, when the elastic energy stored in the elastomer becomes free during the recovery.
Vorteilhaft an solchen dielektrischen Aktoren ist die hohe Energiedichte, die mehr als 0,2 J/cm3 betragen kann, was mehr als der doppelten Energiedichte von piezoelektrischen Aktoren entspricht. Weiter Vorteilhaft ist die Möglichkeit der einfachen Kapselung, so dass solche Aktoren je nach dem verwendeten Elastomer unter den verschiedensten Umgebungsbedingungen einsetzbar sind. Schliesslich sind die Materialkosten für solche Aktoren niedrig; sie sind zudem leicht und geräuschlos.An advantage of such dielectric actuators is the high energy density, which can be more than 0.2 J / cm 3 , which corresponds to more than twice the energy density of piezoelectric actuators. Next advantageous is the possibility of simple encapsulation, so that such actuators are used depending on the elastomer used under a variety of environmental conditions. Finally, the material costs for such actuators are low; they are also light and noiseless.
Der Struktur einer Kapazität entsprechend wirkt im dielektrischen Aktor das Elastomer als Dielektrikum, wobei eine möglichst hohe Dielektrizitätskonstante und möglichst hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit angestrebt wird. Häufig werden Silikone oder Acryle verwendet, z.Bsp. das acrylische Elastomer VHB4910 von 3M, das grösste Dehnungen (bis 300%) zulässt. Eine mechanische Vordehnung des Elastomerfilms bzw. der Elastomerfolie führt zu erhöhter Durchschlagsfestigkeit und geringerer Dicke, was wiederum eine geringere Dicke des Films bzw. der Folie zur Folge hat und so zu tieferen elektrischen Spannungen für den gleichen elektrostatischen Druck.In accordance with the structure of a capacitance, the elastomer acts as a dielectric in the dielectric actuator, the aim being to achieve the highest possible dielectric constant and the highest possible electrical breakdown strength. Frequently, silicones or acrylics are used, for example. 3M acrylic elastomer VHB4910, which allows maximum elongation (up to 300%). A mechanical pre-stretching of the elastomeric film or the elastomeric film leads to increased dielectric strength and lower thickness, which in turn results in a smaller thickness of the film or foil and thus to lower electrical voltages for the same electrostatic pressure.
Bei Feldstärken bis zu 90 V/μm werden bei üblichen Elastomeren Dickendeh- nungen, d.h. Dehnungen in Feldrichtung, bis zu 20% erreicht.At field intensities of up to 90 V / .mu.m, thickness elongations, ie. Strains in the field direction, reaching up to 20%.
Die Dicke einer Elastomerfolie liegt im μm-Bereich, z.Bsp. bei 20 μm, was auch bei hoch dehnbaren dielektrischen Schichten zwischen den Elektroden kaum einen nutzbaren Arbeitsbereich über die Dicke (oder Höhe) des Aktors ergibt; entsprechend werden dielektrische Aktoren gestapelt oder auch als Spirale ausgebildet, damit sich die Arbeitswege der einzelnen Aktoren bzw. der einzelnen Windungen der Spirale addieren können, bis der resultierende Arbeitsweg über die Höhe des Stapels bzw. der Spirale für eine Anwendung genügt (während die Arbeitskraft von der Fläche der Aktoren, und nicht von deren Anzahl abhängt).The thickness of an elastomeric film is in the micron range, z.Bsp. at 20 microns, which hardly even with highly stretchable dielectric layers between the electrodes gives a usable working area across the thickness (or height) of the actuator; Accordingly, dielectric actuators are stacked or formed as a spiral, so that the working paths of the individual actuators or the individual turns of the spiral can add up to the resulting work path on the height of the stack or the spiral for an application is sufficient (while the labor of the area of the actuators, not depending on their number).
Die Elektroden werden üblicherweise als Beschichtung auf dem Elastomer auf- gebracht, wobei Graphitpulver Verwendung findet, das bei der Stapelung von Aktoren zwischen den jeweils aufeinanderliegenden Elastomerabschnitten eingeschlossen ist. Bei der Verformung des Elastomers senkrecht zur Feldrichtung können die einzelnen Graphitkörner in der Beschichtung frei auf einander abgleiten und behindern so die Verformung nicht.The electrodes are usually applied as a coating on the elastomer, wherein graphite powder is used, which is included in the stacking of actuators between each superposed elastomer sections. In the deformation of the elastomer perpendicular to the field direction, the individual graphite grains in the coating can slide freely on each other and so do not hinder the deformation.
Die DE 10 2004 011 029 und die WO 2007/0292275 zeigen verschiedene Konfigurationen von Poymeraktoren in Stapelbauweise, deren Elektrodenaufbau sowie die geeignete Zusammenschaltung gleichpoliger Elektroden.DE 10 2004 011 029 and WO 2007/0292275 show various configurations of pile-type Poymer actuators, their electrode construction and the appropriate interconnection of Gleichpoliger electrodes.
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten dielektrischen Aktor bereitzustellen.It is now the object of the present invention to provide an improved dielectric actuator.
Dazu besitzt der erfindungsgemässe Aktor die kennzeichnenden Merkmale nach Anspruch 1. Weiter besitzt ein Verfahren zur Herstellung des erfindungs- gemässen Aktors die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 13.For this purpose, the actuator according to the invention has the characterizing features of claim 1. Furthermore, a method for producing the actuator according to the invention has the characterizing features of claim 13.
Dadurch, dass die Elektroden eine senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums gerichtete Zugspannung übertragen können, wird ermöglicht, dass der Aktor Arbeit in Feldrichtung bereits beim Anlegen einer Spannung leisten kann, wel- che durch vom Aktor ausgeübte Zugkraft erfolgt. Somit eröffnen sich weitere Einsatzbereiche gegenüber den konventionellen dielektrischen Aktoren, die nur dann in Feldrichtung Arbeit abgeben, wenn bei der Spannungsreduktion die im Dielektrikum gespeicherte Energie frei wird. Dadurch, dass die Fähigkeit, Arbeit in Feldrichtung über Druck abzugeben, unberührt bleibt, ist der erfindungsgemässe Aktor zudem nach wie vor in den bisherigen Einsatzbereichen einsetzbar.The fact that the electrodes can transmit a tensile stress directed perpendicular to the surface of the dielectric makes it possible for the actuator to perform work in the field direction already when a voltage is applied, which is done by pulling force exerted by the actuator. This opens up further fields of application compared to conventional dielectric actuators, which only deliver work in the field direction if, during the voltage reduction, the energy stored in the dielectric is released. Due to the fact that the ability to deliver work in the field direction via pressure remains unaffected, the actuator according to the invention can furthermore still be used in the previous fields of application.
Über die gestellte Aufgabe hinaus wird durch das erfindungsgemässe Verfahren ein einfacher und günstiger Weg für die Herstellung gegeben.In addition to the stated object, the method according to the invention provides a simple and favorable route for the production.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher beschrieben.The invention will be described below with reference to the figures.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1. einen dielektrischen Aktor gemäss Stand der Technik, undFig. 1. a dielectric actuator according to the prior art, and
Fig. 2 einen erfindungsgemässen Aktor mit dem Aufbau des Aktors von Fig. 1, wobei ein Ausschnitt zwischen zwei benachbarten dielektrischen Schichten dargestellt ist,2 shows an inventive actuator with the structure of the actuator of Fig. 1, wherein a section between two adjacent dielectric layers is shown,
Fig. 3a einen aus einem zusammengefalteten Filmstreifen gebildeten Stapel von Einzelaktoren, und3a shows a stack of single actuators formed from a folded film strip, and
Fig. 3b den Filmstreifen von Figur 3a, min den zu beschichtenden Bereichen.3b shows the film strip of Figure 3a, min to be coated areas.
Figur 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen konventionellen dielektri- sehen Aktor 1, der eine Kapselung 2 und einen aus dielektrischen Einzelaktoren 3 bestehenden Stapel 4 aufweist. Der Stapel 4 ist endseitig begrenzt durch Endstücke 5, mit Übertragungsgliedern 6 für die Übertragung der mechanischen Bewegung des Aktors 1 an die Umgebung.FIG. 1 schematically shows a section through a conventional dielectric actuator 1, which has an encapsulation 2 and a stack 4 consisting of dielectric single actuators 3. The stack 4 is limited end by end pieces 5, with transmission elements 6 for the transmission of the mechanical movement of the actuator 1 to the environment.
Zur Entlastung der Figur weggelassen sind die elektrischen Anschlüsse für die zwischen den dielektrischen Schichten des Aktors 1 vorgesehenen Elektroden; über deren Anordnung wird auf die Eingangs erwähnten Publikationen (DE 10 2004 011 029 und die WO 2007/0292275) explizit zum Zweck der Beschrei- bung solcher Aktoren Bezug genommen, und auf das Wissen des Fachmanns, der den Aktor 1 für den vorgesehenen Verwendungszweck auslegen kann.To relieve the figure are omitted, the electrical connections for the electrodes provided between the dielectric layers of the actuator 1; concerning their arrangement, reference is explicitly made to the publications mentioned at the outset (DE 10 2004 011 029 and WO 2007/0292275) for the purpose of describing tion of such actuators, and to the knowledge of the skilled person who can interpret the actuator 1 for the intended use.
Vorsprünge 7 blockieren die Endstücke 5 in deren äusserster Lage, welche dem passiven Zustand des Aktors 1 entspricht: ist keine Spannung an die Einzelaktoren 3 angelegt, befindet sich die jeweils zwischen deren Elektroden eingeschlossenen, elastischen und inkompressiblen Dielektrika im unkomprimierten Zustand, d.h. sie besitzen maximale Höhe (bzw. Dicke) und damit auch ihren minimalem Durchmesser. Ebenso die beidseits einer dielektrischen Schicht aufgesprühte Pulverschicht aus Graphit, die die Elektrodenschicht bildet.Projections 7 block the end pieces 5 in their outermost position which corresponds to the passive state of the actuator 1: if no voltage is applied to the individual actuators 3, the elastic and incompressible dielectrics enclosed in each case between their electrodes are in the uncompressed state, i. They have maximum height (or thickness) and therefore their minimum diameter. Similarly, the sprayed on both sides of a dielectric layer powder layer of graphite, which forms the electrode layer.
Wird eine Spannung angelegt, laden sich die Elektroden jedes Einzelaktors 3 auf und erzeugen ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien parallel zur Längsachse 10 des Aktors 1 verlaufen. Die zwischen den Ladungen herrschende Cou- lombkraft bewirkt, dass das elastische Dielektrikum im Einzelaktor 3 komprimiert wird, also in Feldrichtung an Höhe verliert, wobei die verdrängte Masse eine Vergrösserung des Durchmessers bewirkt. Die Summe der Höhenänderungen der Einzelaktoren 3 führt dann zu einer Verschiebung des (oder beider) Übertragungsglieder 6 in Richtung der Pfeile 11.When a voltage is applied, the electrodes of each individual actuator 3 charge and generate an electric field whose field lines extend parallel to the longitudinal axis 10 of the actuator 1. The coulomb force prevailing between the charges causes the elastic dielectric in the single actuator 3 to be compressed, ie it loses height in the field direction, the displaced mass causing an increase in the diameter. The sum of the height changes of the individual actuators 3 then leads to a displacement of the (or both) transmission elements 6 in the direction of the arrows 11.
Da die Elektroden aus einer Schicht von grundsätzlich losem Graphitpulver bestehen, bzw. aus Graphitpulver, dessen Körner oder Partikel nicht miteinander verbunden sind, können sich die einzelnen, durch Elektroden getrennten Dielektrika von einander trennen, wenn z.Bsp. die Übertragungsglieder 6 blockiert bzw. zugbelastet sind. Es ist mit anderen Worten so, dass der Aktor 1 keine Arbeit durch Zug (Richtung der Pfeile 11) verrichten kann. Vorteilhaft ist hingegen, dass eine aus losem Graphitpulver bestehende Elektrode der Durchmesserzunahme des Dielektrikums gut folgen kann, d.h. diese nicht behindert.Since the electrodes consist of a layer of basically loose graphite powder, or of graphite powder whose grains or particles are not connected to each other, the individual, separated by electrodes dielectrics can separate from each other when z.Bsp. the transmission members 6 are blocked or tensioned. In other words, the actuator 1 can not do any work by pulling (direction of the arrows 11). On the other hand, it is advantageous that an electrode made of loose graphite powder can easily follow the diameter increase of the dielectric, i. not hindered.
Arbeit kann der Aktor 1 hingegen verrichten, sobald die an die Einzelaktoren 3 angelegte Spannung reduziert wird, was dazu führt, dass die Dielektrika, von den Coulombkräften entlastet, ihre ursprüngliche Höhe wieder einnehmen: der dadurch von den elastischen Dielektrika ausgeübte Druck wird von den aus der Graphitpulverschicht bestehenden Elektroden übertragen und bewegt die Endstücke 5 voneinander weg, so dass in Richtung der Pfeile 12 an der Umgebung Arbeit verrichtet werden kann.In contrast, the actuator 1 can perform work as soon as the voltage applied to the individual actuators 3 is reduced, with the result that the dielectrics, relieved of the Coulomb forces, return to their original height: the pressure exerted thereby by the elastic dielectrics is exerted of the Graphite powder layer transferred existing electrodes and moves the end pieces 5 away from each other, so that work can be done in the direction of arrows 12 to the environment.
Die Dielektrika des Stands der Technik bestehen aus einem dielektrischen Polymer, das Eigenschaften wie Elastizität (Speicherung von Arbeit), Inkompres- sibilität und genügende Dielektrizitätskonstante im Hinblick auf die vorgesehene Anwendung genügend gut in sich vereinigt.The prior art dielectrics are made of a dielectric polymer that combines properties such as elasticity (storage of work), incompressibility, and sufficient dielectric constant sufficiently well in view of the intended application.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemässen Aktor 20, der im Grundsatz denselben Aufbau besitzt wie der Aktor 1 von Figur 1; der dargestellte Ausschnitt entspricht etwa dem durch die punktierte Linie 13 (Figur 1) angedeuteten Bereich. Die Längsachse des Aktors 20 ist mit 14 bezeichnet.Figure 2 shows a section of an inventive actuator 20, which basically has the same structure as the actuator 1 of Figure 1; The detail shown corresponds approximately to the area indicated by the dotted line 13 (FIG. 1). The longitudinal axis of the actuator 20 is denoted by 14.
Ersichtlich ist eine Kapselung 21, die einen Stapel 22 von Einzelaktoren 23 betriebsfähig kapselt. Jeder Einzelaktor 23 ist gebildet durch ein flächig geformtes, hier vorzugsweise scheibenförmiges Dielektrikum 24, das beidseitig auf der flachen Seite mit ebenfalls flächigen Elektroden 25 (z.Bsp. positive Ladung) und 26 (z.Bsp. negative Ladung) versehen ist. Endstücke 29 entsprechen den Endstücken 5 von Figur 1. Als Dielektrikum kommen elektroaktive Polymere, bevorzugt dielektrische Polymere, z.Bsp. Filme oder Folien aus cross linked PDMS (Revosil and Neukasil von Revoflex AG), Neukasil RTV 23 oder auch thermoplastic PDMS (Betaflex vopn Revoflex AG) in Frage, die im Wesentlichen nicht klebrig oder von vergleichsweise geringer Klebrigkeit sind, da Oberflä- chen ohne jede Adhäsivität (siehe unten) im Bereich der Dielektrika kaum existieren.An encapsulation 21 is apparent, which encapsulates a stack 22 of single actuators 23 in an operable manner. Each individual actuator 23 is formed by a surface-shaped, here preferably disk-shaped dielectric 24, which is provided on both sides on the flat side with likewise planar electrodes 25 (for example positive charge) and 26 (for example negative charge). End pieces 29 correspond to the end pieces 5 of FIG. 1. The dielectrics used are electroactive polymers, preferably dielectric polymers, eg. Films or films made of cross-linked PDMS (Revosil and Neukasil from Revoflex AG), Neukasil RTV 23 or also thermoplastic PDMS (Betaflex from Revoflex AG), which are essentially non-sticky or of comparatively low tackiness, since surfaces without any Adhesivity (see below) hardly exist in the field of dielectrics.
Als klebrig bezeichnet man insbesondere Oberflächen, die sich durch Adhäsivität auszeichnen und über große Kohäsionskräfte verfügen. Klebrigkeit ist damit ein physikalisch-mechanisches Phänomen. Hierbei kommt die Haftung durch das mechanische Verhaken und Vernetzen von fädigen Oberflächenstrukturen zustande. Im Übergang zum Nanobereich, wie dies bei den kleinsten Partikeln für Elektroden der Fall ist, treten atomare Kräfte wie Van-der-Waals-Kräften oder Wasserstoffbrückenbindungen in den Vordergrund. Der Natur der Sache nach ist der Übergang von der klebrigen Oberfläche für auch grossere Partikel bis hin zum Haften aufgrund z.Bsp. der van der Waals Kräfte fliessend; der Fachmann kann jedoch im Hinblick auf den konkret herzustellenden Aktor, im Zweifel durch einfache Experimente, leicht feststellen, ob er ein Dielektrikum mit grosser Adäsivität wählen will oder ob das Haften durch z.Bsp. van der Waals Kräfte genügt. Wenn dies nicht der Fall ist, kann er, wie unten beschrieben, Partikel auf einem nicht klebrigen Dielektrikum durch anlegen einer Spannung fixieren.The term "sticky" refers in particular to surfaces which are characterized by adhesiveness and have high cohesive forces. Stickiness is thus a physical-mechanical phenomenon. Here, the adhesion comes about through the mechanical entanglement and crosslinking of filamentous surface structures. In the transition to the nanoscale, as is the case with the smallest particles for electrodes, atomic forces occur, such as van der Waals forces or hydrogen bonds in the foreground. The nature of the thing is the transition from the sticky surface for larger particles to sticking due z.Bsp. the van der Waals forces fluent; However, the expert can easily determine whether he wants to choose a dielectric with high adhesiveness or whether the adhesion by z.Bsp. With regard to the concrete actuator to be produced in case of doubt by simple experiments. van der Waal's powers suffice. If this is not the case, it can, as described below, fix particles on a non-sticky dielectric by applying a voltage.
Wiederum sind die elektrischen Anschlüsse der Elektroden zur Entlastung der Figur weggelassen und auf den diesbezüglichen Stand der Technik (z.Bsp. die Publikationen DE 10 2004 011 029 und die WO 2007/0292275 verwiesen). Zwar ist die Ausbildung der Elektroden 25,26 Gegenstand der vorliegenden Er- findung, dies trifft jedoch für deren elektrische Anschlüsse nicht zu, welche konventionell sind und vom Fachmann jederzeit der vorgesehenen Anwendung entsprechend hergestellt werden können.Again, the electrical connections of the electrodes are omitted to relieve the figure and to the relevant state of the art (for example, the publications DE 10 2004 011 029 and WO 2007/0292275 referenced). Although the formation of the electrodes 25, 26 is the subject of the present invention, this does not apply to their electrical connections, which are conventional and can be produced by the person skilled in the art at any time according to the intended application.
Seitlich ist eine elastische, leicht kompressible Distanzhülse 27 angeordnet, die im passiven Zustand des Aktors 20 den Zwischenraum zwischen den Einzelaktoren 23 und der Kapselung 21 füllt, aber soweit nachgiebig und elastisch ist, um im aktiven Zustand die Vergrösserung des Durchmessers (in Richtung des Pfeils 28) zuzulassen, und im Übergang zum passiven Zustand den Zwischenraum wieder auszufüllen.Laterally, an elastic, slightly compressible spacer sleeve 27 is arranged, which fills in the passive state of the actuator 20, the gap between the individual actuators 23 and the enclosure 21, but as far as yielding and elastic, in the active state, the enlargement of the diameter (in the direction of the arrow 28) and in the transition to the passive state to fill the gap again.
Erfindungsgemäss bestehen nun die Elektroden 25, 26 der dargestellten Ausführungsform nicht aus einer Schicht von losen Körnern oder Partikeln von Graphitpulver, die z.Bsp. auf das Dielektrikum aufgesprüht worden ist, sondern aus einer einzigen Lage von Partikeln 30 dieses Pulvers, wobei die Partikel 30 auf der Oberfläche des von ihnen berührten Dielektrikums verteilt sind. Es ergibt sich, dass jede einzelne Lage von Partikeln 30, die jeweils eine Elektrode 25,26 bildet, gemeinsam zwei benachbarten Einzelaktoren 23 zugeordnet ist. Dies führt dazu, dass bei der Kontraktion der Dielektrika 24 durch die einzel- nen Partikel Zugkraft auf das angrenzende Dielektrikum 24 übertragen wird, solange, bis die durch die Coulombkraft erzeugte Haftung des einzelnen Partikels an den ihm zugeordneten Dielektrika überwunden ist. (Natürlich können die Partikel 30 ebenfalls Druck übertragen).According to the invention, the electrodes 25, 26 of the illustrated embodiment do not consist of a layer of loose grains or particles of graphite powder, which, for example. has been sprayed onto the dielectric, but from a single layer of particles 30 of this powder, the particles 30 being distributed on the surface of the dielectric they touch. It can be seen that each individual layer of particles 30, which respectively forms one electrode 25, 26, is assigned in common to two adjacent individual actuators 23. As a result, the contraction of the dielectrics 24 by the individual NEN particle is transferred to the adjacent dielectric 24, until the adhesion of the individual particle produced by the Coulomb force to the dielectrics assigned to it is overcome. (Of course, the particles 30 can also transmit pressure).
Damit folgt, dass sich benachbarte Dielektrika 24 nicht mehr von einander lösen können, wenn eine Betriebsspannung an den Aktor 20 angelegt wird. Dann verschiebt sich das Endstück 29 in Richtung des Pfeils 11 und kann entsprechend schon in dieser Phase Arbeit leisten.It follows that adjacent dielectrics 24 can no longer separate from each other when an operating voltage is applied to the actuator 20. Then the tail 29 shifts in the direction of the arrow 11 and can afford accordingly work already in this phase.
Mit anderen Worten ist es so, dass die Elektroden 25,26 erfindungsgemäss derart ausgebildet sind, dass sie eine senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums gerichtete Zugspannung übertragen können, wobei sie wie oben geschildert bevorzugt derart ausgebildet sind, dass sie aus einer Pulverschicht mit leitfähigen Partikeln 30 bestehen, und die Schicht im wesentlichen eine einzige Lage an Partikeln 30 aufweist, die auf der Oberfläche des von ihnen berührten Dielektrikums verteilt sind.In other words, the electrodes 25, 26 are designed according to the invention in such a way that they can transmit a tensile stress directed perpendicular to the surface of the dielectric, wherein as described above they are preferably designed such that they consist of a powder layer with conductive particles 30 and the layer has substantially a single layer of particles 30 dispersed on the surface of the dielectric they contact.
Besonders bevorzugt wird für solche Elektroden 25,26 Graphitpulver verwen- det, das unter der Bezeichnung "Ketjenblack 600" von Akzo Nobel erhältlich ist.Particularly preferred for such electrodes 25,26 graphite powder is used, which is available under the name "Ketjenblack 600" from Akzo Nobel.
Weiter wird bevorzugt als Dielektrikum ein klebriges, dielektrisches Polymer (z.Bsp. VHB 4910/4905 der Firma 3M) eingesetzt, auf welchem die Partikel, wenn einmal aufgebracht, von selbst haften.Furthermore, the dielectric used is preferably a tacky, dielectric polymer (for example VHB 4910/4905 from 3M), on which the particles, once applied, adhere on their own.
Befindet sich eine einzige Lage an Partikeln 30 auf einem Dielektrikum, dessen Oberfläche senkrecht zur Feldrichtung zunimmt, wäre zu erwarten, dass diese dann schnell Kontakt verlieren und deshalb die Kontraktion frühzeitig zum Still- stand kommt, mehr noch, eine Entladung und Rückkehr in den passiven Zustand des Aktors kaum mehr möglich ist. Die Beobachtungen bestätigen diese Erwartung nicht, im Gegenteil zeigt es sich, dass der Fluss der Ladungen tatsächlich nicht oder nicht relevant behindert ist (d.h. dass die in den Elektroden speicherbare und tatsächlich gespeicherte Ladungsmenge in der Nähe der Durchschlagsfestigkeit des Dielektri- kums liegt) und dass eine Rückkehr in den nicht deformierten Zustand ohne weiteres erfolgt. Ausnahmen mögen sich bei extremster Streckung des Dielektrikums senkrecht zur Feldrichtung ergeben, was aber nicht mehr dem sinnvollen Anwendungsbereich des erfindungsgemässen Aktors entspricht.If a single layer of particles 30 is located on a dielectric whose surface increases perpendicularly to the field direction, then it would be expected that these would lose contact quickly and therefore the contraction would prematurely come to a standstill, moreover, a discharge and return to the passive ones State of the actuator is hardly possible. The observations do not confirm this expectation; on the contrary, it turns out that the flow of charges is actually not impeded or not relevantly impeded (ie that the amount of charge storable in the electrodes and actually stored is in the vicinity of the dielectric strength of the dielectric) and that a return to the undeformed state readily occurs. Exceptions may result in the most extreme stretching of the dielectric perpendicular to the field direction, but this no longer corresponds to the reasonable scope of the inventive actuator.
Der Grund dafür ist theoretisch nicht vollständig durchdrungen, aber durch Folgendes erklärbar: z.Bsp. aufgrund der im Mikrobereich unebenen, einer Berg- und Tallandschaft gleichenden Oberfläche des Dielektrikums berühren sich die unregelmässig geformten Partikel 30 nicht nur in horizontaler Lage, sondern überwiegend in schräger Lage (die Partikel liegen am Berghang, eines weiter unten und eines weiter oben). Bei der Ausdehnung des Dielektrikums ebnen sich Berg und Tal ein, und vorher schräg zu einander angeordnete Partikel 30 sind nun horizontal ausgerichtet, mit der Folge, dass trotz Dehnung die Berührung noch vorliegt, also die elektrische Leitfähigkeit noch gegeben ist. Im Ergebnis ist es so, dass die Partikel bei Dehnung nicht alle gleichzeitig Kontakt verlieren, sondern dass sich ein Netz von leitenden Brücken durch die gedehnte Elektrode erstreckt.The reason for this is theoretically not fully understood, but explained by the following: Eg. Due to the surface of the dielectric, which is uneven in the micro range and resembles a mountain and valley landscape, the irregularly shaped particles 30 touch not only in a horizontal position but predominantly in an oblique position (the particles lie on the mountainside, one below and one higher). As the dielectric expands, the peaks and valleys level, and particles 30, which are arranged obliquely to one another, are now oriented horizontally, with the result that, despite elongation, the contact is still present, ie the electrical conductivity is still present. As a result, the particles do not all lose contact simultaneously when stretched, but a network of conductive bridges extends through the stretched electrode.
Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Aktors besteht einmal darin, dass auf vorbestimmten Bereichen des klebrigen Dielektrikums eine Pulverschicht aus leitfähigen Partikeln aufgebracht wird.A corresponding method for the production of an actuator according to the invention is once that a powder layer of conductive particles is applied to predetermined areas of the sticky dielectric.
Da in der Regel ein Stapel 22 an Einzelaktoren 23 herzustellen ist, der im Hinblick auf einfache Fertigung z.Bsp. aus einem s-förmig zusammengefalteten Filmstreifens eines geeigneten Dielektrikums besteht (s. die WO 2007/029275) oder aus einem spiralförmig aufgewundenen Filmstreifen, muss die Beschich- tung mit Pulver derart erfolgen, dass nach dem Zusammenfalten bzw. dem zusammenfügen der Spirale nur jeweils eine der einander gegenüberliegenden Oberflächen des Dielektrikums 24 (die eine Elektrode 25,26 zwischen sich ein- schliessen) beschichtet ist. Andernfalls wäre eine Elektrode, die aus nur einer einzigen Lage an Partikeln 30 besteht, nur schwierig herzustellen.As a rule, a stack 22 is to produce individual actuators 23, which in terms of ease of manufacture z.Bsp. consists of an S-shaped folded film strip of a suitable dielectric (see WO 2007/029275) or from a spirally wound film strip, the coating with powder must be such that after folding or joining the spiral only one the opposing surfaces of the dielectric 24 (which interposes an electrode 25, 26 between them). close) is coated. Otherwise, an electrode consisting of only a single layer of particles 30 would be difficult to manufacture.
Figur 3a zeigt einen Stapel 40 von Einzelaktoren 41, der gebildet ist aus einem zick-zack förmig zusammengefalteten Filmstreifen 42 aus einem dielektrischen Polymer. Dabei ist ersichtlich, dass jede einzelne Lage 43 des zusammengefalteten Filmstreifens 42 beidseitig eine Elektrode (bestehend aus Partikeln 30, Figur 2) aufweist. Figur 3b zeigt den auseinandergefalteten Filmstreifen 42 mit seinen durch die strichpunktierten Linien 44 angedeuteten Faltstellen. Die vor- bestimmten, zu beschichtenden Bereiche 45 sind mit den durch Punkte symbolisierten Partikeln 30 (Figur 2) bedeckt. Beim Zusammenfalten befindet sich deshalb zwischen jeweils aneinander angrenzenden Lagen 43 (Figur 3a) nur eine einzige Lage an Partikeln 30. Würden die Bereiche 46 ebenfalls beschichtet, befände sich zwischen an einander anliegenden Lagen 43 (Figur 3a) eine Elektrode, die aus zwei Lagen an Partikeln 30 bestünde, was erfindungsgemäss nicht zulässig ist.FIG. 3 a shows a stack 40 of individual actuators 41, which is formed from a zig-zag folded film strip 42 made of a dielectric polymer. It can be seen that each individual layer 43 of the folded film strip 42 has on both sides an electrode (consisting of particles 30, FIG. 2). Figure 3b shows the unfolded film strip 42 with its indicated by the dotted lines 44 folding points. The predetermined regions 45 to be coated are covered with the particles 30 symbolized by dots (FIG. 2). During folding, therefore, there is only a single layer of particles 30 between adjacent layers 43 (FIG. 3 a). If the regions 46 were likewise coated, an electrode consisting of two layers would be present between adjacent layers 43 (FIG. 3 a) Particles 30 would be what is not permitted according to the invention.
Der Fachmann wird mit anderen Worten die vorbestimmten Bereiche für die Beschichtung derart auswählen, dass im Stapel einander gegenüberliegende Oberflächen des Dielektrikums nur eine Lage an Partikeln 30 zwischen sich ein- schliessen. Dabei muss nicht zwingend nur eine solche Oberfläche beschichtet und die jeweils andere nicht beschichtet werden, die Oberflächenabschnitte können auch in irgend einer geeigneten Art aufgeteilt werden, aber immer so, dass sich im Stapel die Beschichtung als einzige Lage an Partikeln 30 ergibt.In other words, the person skilled in the art will select the predetermined areas for the coating in such a way that only a layer of particles 30 is enclosed between them in the stack of opposing surfaces of the dielectric. In this case, it is not compulsory for only one such surface to be coated and the other not to be coated; the surface sections can also be divided into any suitable manner, but always so that the coating results in the stack as the only layer of particles 30.
Das erfindungsgemässe Herstellverfahren umfasst demnach die Aufbringung einer Pulverschicht aus leitfähigem Pulver auf die vorbestimmten Bereiche, was konventionell, z.Bsp. durch Aufsprühen, vorgenommen werden kann.The production process according to the invention therefore comprises the application of a powder layer of conductive powder to the predetermined regions, which is conventional, e.g. by spraying, can be made.
Der nächste Schritt umfasst schliesslich die Verteilung des aufgesprühten Pulvers in den vorbestimmten Bereichen auf der Oberfläche des Dielektrikums derart, dass diese gleichmässig und im Wesentlichen lückenlos durch aufgesprühte Partikel bedeckt sind. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Verteilung mechanisch erfolgt, besonders bevorzugt dadurch, dass das aufgebrachte Pulver durch einen auf der Oberfläche des Dielektrikums aufgedrückten Stempel (aus Silikon oder auch aus Moosgummi) verrieben wird, was durch einige Hin- und Herbewegungen im vorbestimmten Bereich 45, oder im Fall scheibenförmiger Lagen 43 auch durch Rotation des Stempels geschehen kann. Diese mechanische Bewegung löst Verklumpungen oder Zusammenballungen von Partikeln auf und bedeckt frei gebliebene Stellen auf der Oberfläche mit Partikeln 30. Zugleich werden die Partikel 30 an die Oberfläche angedrückt, so dass sie dann auf der klebrigen Oberfläche haften bleiben. Es versteht sich da- bei von selbst, dass zwar über die gesamte Oberfläche gesehen eine homogene Verteilung der Partikel 30 erzeugt werden kann, aber einzelne und lokale Inhomogenitäten verbleiben können, wie es auch möglich ist, dass einzelne Stellen verbleiben, in denen z.Bsp. durch mechanische Verkeilung (die sich vielleicht früher oder später lösen kann) Partikel noch übereinander angeordnet sind und nicht ausschliesslich nebeneinander liegen, d.h. in einer einzigen Lage angeordnet sind. Entsprechend sind die Wendungen "im Wesentlichen eine einzige Lage von Partikeln" bzw. "im Wesentlichen lückenlos von Partikeln bedeckt" zu verstehen.Finally, the next step comprises the distribution of the sprayed-on powder in the predetermined regions on the surface of the dielectric such that they are uniformly and substantially completely covered by sprayed-on particles. This is preferably achieved in that the Distribution occurs mechanically, particularly preferably characterized in that the applied powder is rubbed by a pressed on the surface of the dielectric stamp (made of silicone or sponge rubber), which by some reciprocating movements in the predetermined range 45, or in the case of disk-shaped layers 43rd can also be done by rotation of the punch. This mechanical movement dissolves clots or aggregates of particles and covers exposed areas on the surface with particles 30. At the same time, the particles 30 are pressed against the surface so that they then adhere to the sticky surface. It goes without saying that, although seen over the entire surface, a homogeneous distribution of the particles 30 can be generated, but individual and local inhomogeneities can remain, as it is also possible that individual places remain, in which z.Bsp , By mechanical wedging (which may sooner or later solve) particles are still stacked and not just next to each other, ie are arranged in a single layer. Accordingly, the terms "substantially a single layer of particles" or "substantially completely covered by particles" to understand.
An dieser Stelle ist anzufügen, dass mehrere dauerhaft und nicht nur vorübergehend zusammenhaftende Partikel im Sinn der Erfindung als einziges Partikel betrachtet werden, da die dauerhaft zusammenhaftenden Partikel als Klumpen die notwendige Zugkraft übertragen können und zugleich immer noch eine Schicht mit einer einzigen Lage an Partikeln existiert. Es kommt mit anderen Worten auf den inneren Aufbau des Partikels nicht an.It should be added at this point that several permanently and not only temporarily adhering particles are considered in the sense of the invention as the only particle, since the permanently cohesive particles as lumps can transmit the necessary traction and at the same time there is still a layer with a single layer of particles , In other words, it does not depend on the internal structure of the particle.
Im letzten Verfahrensschritt werden nicht auf der Oberfläche des Dielektrikums haftende Partikel von dieser wieder entfernt. Bevorzugt geschieht dies durch Absaugen oder Wegblasen der losen Partikel.In the last step, particles not adhering to the surface of the dielectric are removed from it. This is preferably done by suction or blowing away the loose particles.
Damit ergibt sich eine Schicht, die aus einer einzigen Lage an Partikeln 30 besteht. Beispiel:This results in a layer consisting of a single layer of particles 30. Example:
Ein Stempel aus Silikon, Typ RTV 23 wurde in eine Petrischale gefüllt mit Graphitpulver Ketjenblack EC-600JD getaucht und das am Stempel haftende PuI- ver auf ein Dielektrikum gebracht. Das aus dem Elastomer VHB 4910 von 3M bestehende Dielektrikum wies einen Durchmesser von 20 mm und eine Höhe von ca. 70μm auf. Durch kreisförmige Bewegungen des Stempels konnten die Partikel gleichmässig mit hoher Dichte über die gesamte zu beschichtende Fläche des dielektrischen Materials verteilt und durch Absaugen die überschüssige und nicht haftende Pulvermenge von der Oberfläche entfernt werden. Durch Aufeinanderstapeln von 500 Lagen solchermassen beschichteter Filmabschnitte wurde ein Aktor von einer Länge von 40 mm gebaut. Nach Anbringen der elektrischen Zuleitung und der Krafteinleitungsstellen an beiden Enden konnte der Aktor mit bis zu 4.2 kV aktiviert werden. Dabei wurde eine Kontraktion von bis zu ca. 30% im unbelasteten Zustand erzeugt. Die durch die Aktivierung entstehende mechanische Spannung zwischen den Elektrodenlagen betrug ca. 0.2N/mm2 d.h. insgesamt ca. 63 N, die für die Erzeugung der Zugkraft verwendet werden konnten.A silicone RTV 23 stamp was placed in a Petri dish filled with Ketjenblack EC-600JD graphite powder and the powder attached to the stamp was placed on a dielectric. The dielectric consisting of the elastomer VHB 4910 from 3M had a diameter of 20 mm and a height of about 70 μm. Circular movements of the stamp allowed the particles to be evenly distributed at high density over the entire surface of the dielectric material to be coated, and the excess and non-adherent powder amount to be removed from the surface by suction. By stacking 500 layers of such coated film sections an actuator was built of a length of 40 mm. After attaching the electrical supply line and the force application points at both ends, the actuator could be activated with up to 4.2 kV. In this case, a contraction of up to about 30% was generated in the unloaded state. The mechanical stress created by the activation between the electrode layers was about 0.2 N / mm 2, ie a total of about 63 N, which could be used to generate the tensile force.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die beschriebene Haftung der Partikel 30 an der Oberfläche eines klebrigen Polymers zwar wünschenswert ist, um gemäss dem dargestellten Herstellverfahren eine einzige Lage an Partikeln 30 herstellen zu können. Die Haftung der Partikel 30 an der Oberfläche der Dielektrika 24 ist aber nicht relevant für die erfindungsgemässe Funktion des Aktors 23:It should be noted at this point that the described adhesion of the particles 30 to the surface of a sticky polymer is indeed desirable in order to be able to produce a single layer of particles 30 in accordance with the illustrated production method. However, the adhesion of the particles 30 to the surface of the dielectrics 24 is not relevant to the inventive function of the actuator 23:
Sobald nämlich an den Aktor 20 eine Spannung angelegt wird, bildet sich in jedem Einzelaktor 23 ein elektrisches Feld aus, mit der Folge, dass sich die Elektroden 25,26 (d.h. die einzige Lage an Partikeln 30) durch die Coulombkräfte anziehen und sich damit an die Dielektrika 24 anpressen. Diese Verklamme- rung durchsetzt den ganzen Stapel 22, über jeden Einzelaktor 23, und führt aufgrund der Zugfestigkeit der einzelnen Partikel 30 (die eine senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums 24 gerichtete Zugspannung übertragen können) dazu, dass der Aktor 23 Zugkräfte übertragen und durch diese Arbeit leisten kann. Eine Haftung der Partikel 30 am klebrigen Polymer ist mit anderen Worten für die erfindungsgemässe Funktion nicht notwendig.Namely, as soon as a voltage is applied to the actuator 20, an electric field is formed in each individual actuator 23, with the result that the electrodes 25, 26 (ie the single layer of particles 30) are attracted by the Coulomb forces and thus adhere to them press the dielectrics 24. This crimping passes through the entire stack 22, via each individual actuator 23, and due to the tensile strength of the individual particles 30 (which can transmit a tensile stress directed perpendicular to the surface of the dielectric 24) causes the actuator 23 to transmit tensile forces and through this work Afford can. In other words, adhesion of the particles 30 to the sticky polymer is not necessary for the function according to the invention.
Weiter sei erwähnt, dass eine einzige Lage von Partikeln 30 auch auf einem nicht klebrigen Dielektrikum hergestellt werden kann, nämlich dann, wenn die Partikel klein sind (500nm, bevorzugt jedoch 200nm oder weniger), wie dies bei Kohlenstoffnanoröhren oder Fullerenen der Fall ist, oder bei entsprechend kleinen Graphitpartikeln. Durch das oben geschilderte Verreiben werden diese kleinen Partikel so nahe an die Moleküle des Dielektrikums gebracht, dass eine Haftung durch van der Waals Kräfte erfolgt. Schliesslich können auch grossere Partikel als einzige Lage auf einem Dielektrikum aufgebracht werden, indem nach dem Aufbringen auf beiden Seiten des Dielektrikums eine elektrische Spannung angelegt wird, so dass Partikel, welche die Oberflächen berühren, durch die elektrostatische Anziehung haften und die anderen Partikel leicht durch Absaugen entfernt werden können. Damit verbleibt auf jeder Oberfläche eine einzige Lage von Partikeln 30, welche wiederum durch ein weiteres Dielektrikum 24 bedeckt werden kann, und so fort, bis der gewünschte Stapel hergestellt ist.It should also be mentioned that a single layer of particles 30 can also be produced on a non-tacky dielectric, namely when the particles are small (500 nm, but preferably 200 nm or less), as is the case with carbon nanotubes or fullerenes, or with correspondingly small graphite particles. By the trituration described above, these small particles are brought so close to the molecules of the dielectric that adhesion by van der Waals forces occurs. Finally, larger particles can be applied as the only layer on a dielectric by applying an electrical voltage after application on both sides of the dielectric, so that particles that touch the surfaces adhere by the electrostatic attraction and the other particles easily by suction can be removed. This leaves on each surface a single layer of particles 30, which in turn can be covered by another dielectric 24, and so on until the desired stack is made.
Die eine Elektrode bildende einzelne Lage an Partikeln kann auch leitfähige metallische Partikel wie Aluminium-, Eisen-, Kupfer- und/oder Goldpartikel aufweisen. Ebenso kann der erfindungsgemässe Effekt erreicht werden, wenn sich die Lage an Partikeln nicht zwischen den Dielektrika befindet, sondern in die Oberfläche des einen der beiden an einander angrenzenden Dielektrika ein- gelassen sind. So z.Bsp. in Form von in ein dielektrisches Polymer implantierter Metallionen. Diese Metallionen bilden dann ebenfalls eine Elektrode, die senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums gerichtete Zugspannungen übertragen kann.The single layer of particles forming an electrode may also comprise conductive metallic particles such as aluminum, iron, copper and / or gold particles. Likewise, the effect according to the invention can be achieved if the layer of particles is not located between the dielectrics but is let into the surface of one of the two adjacent dielectrics. So for example. in the form of metal ions implanted in a dielectric polymer. These metal ions then also form an electrode which can transmit tensile stresses directed perpendicular to the surface of the dielectric.
Bei einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform wird als Dielektrikum ein Schaum verwendet, der, da elastisch und kompressibel, sich bei Kompression in Feldrichtung nicht oder nicht wesentlich senkrecht zur Feldrichtung ausdehnt. Solche Schäume können aus folgenden Materialien beste- hen: Weichschaum aus Polyurethan (wie Bayflex, Elastoflex, Elastofoam) sowie geschlossenzelligen, vernetzten Schaumstoffen auf der Grundlage von Polyamid (ZOTEK N ®) oder anderen speziellen Polymeren (Polyethylen). Dann kann als Elektrode eine feste Platte aus leitfähigem Material, z.Bsp. eine Metallplatte verwendet werden, also eine Elektrode, die ausgebildet ist, eine senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums gerichtete Zugspannung zu übertragen. Obschon aufgrund der Blasen im Schaum mit einer vergleichsweise tiefen Dielektrizitätskonstante gerechnet werden muss, besitzt solch eine Ausfϋhrungsform den Vorteil einer einfach herzustellenden und einfach auf das Dielektrikum aufzu- bringenden Elektrode.In another embodiment, not shown in the figures, a foam is used as the dielectric, which, since elastic and compressible, does not expand or not substantially perpendicular to the field direction when compressed in the field direction. Such foams may consist of the following materials: Polyurethane soft foam (such as Bayflex, Elastoflex, Elastofoam) as well as closed-cell, cross-linked foams based on polyamide (ZOTEK N®) or other special polymers (polyethylene). Then, as a solid electrode plate of conductive material, z.Bsp. a metal plate may be used, ie an electrode which is designed to transmit a tension directed perpendicular to the surface of the dielectric. Although due to the bubbles in the foam with a comparatively low dielectric constant must be expected, such a Ausf denhrungsform has the advantage of an easy to manufacture and easy to be applied to the dielectric electrode.
Schliesslich wird bei noch einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform die Elektrode nur teilweise als einlagige Schicht gebildet. Solch eine Ausführungsform kann dann zwar nicht die an sich maximal mögli- chen Zugkräfte übertragen, da die Fläche der einlagigen Schicht reduziert ist. Dies ermöglicht, einerseits Teile der Elektrode nicht aus Pulver auszubilden, was je nach der konkreten Ausbildung des Aktors wünschenswert sein kann. Ebenso ist es denkbar, dass bei einer kommerziellen Produktion z.Bsp. aus Kostengründen in Kauf genommen wird, dass vielleicht nur 80%, oder weniger, der aus Pulver bestehenden Elektrode tatsächlich einlagig ausgebildet sind, da der Aufwand für die Absaugung mit der Vollständigkeit, in welcher die einlagige Schicht ausgebildet werden soll, stark anwachsen kann. Solche Ausbildungen werden durch die vorliegende Erfindung mitumfasst. Finally, in yet another embodiment, not shown in the figures, the electrode is only partially formed as a single layer. Although such an embodiment can not transmit the maximum possible tensile forces per se, since the area of the single-layer layer is reduced. This makes it possible, on the one hand form parts of the electrode of powder, which may be desirable depending on the specific design of the actuator. It is also conceivable that in a commercial production z.Bsp. For reasons of cost, it is accepted that perhaps only 80%, or less, of the electrode made of powder is actually formed as a single layer, since the expenditure for the extraction with the completeness in which the single-layer layer is to be formed can increase greatly. Such embodiments are encompassed by the present invention.

Claims

Patenta nsprüche Patent claims
1. Dielektrischer Aktor mit mindestens einem elastisch verformbaren, flächig geformten Dielektrikum (24), das beidseits auf dessen flachen Seiten angeord- nete, ebenfalls flächig ausgebildete Elektroden (25,26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (25,26) derart ausgebildet sind, dass sie eine senkrecht zur Oberfläche des Dielektrikums (24) gerichtete Zugspannung übertragen können.1. Dielectric actuator having at least one elastically deformable, surface-shaped dielectric (24), the both sides on its flat sides arranged, also flat electrodes (25,26), characterized in that the electrodes (25,26) in such a way are formed so that they can transmit a directed perpendicular to the surface of the dielectric (24) tensile stress.
2. Aktor nach Anspruch 1, dessen Elektroden (25,26) eine Pulverschicht mit leitfähigen Partikeln (30) aufweisen, wobei diese Schicht mindestens teilweise aus im wesentlichen einer einzigen Lage an Partikeln (30) besteht, die auf der Oberfläche des von ihnen berührten Dielektrikums (24) verteilt sind.2. Actuator according to claim 1, the electrodes (25,26) having a powder layer with conductive particles (30), said layer consists at least partially of substantially a single layer of particles (30) which touched on the surface of them Dielectric (24) are distributed.
3. Aktor nach Anspruch 2, wobei die Partikel der Pulverschicht Graphitpartikel aufweisen.3. Actuator according to claim 2, wherein the particles of the powder layer comprise graphite particles.
4. Aktor nach Anspruch 2, wobei die Partikel der Pulverschicht Kohlenstoff- nanoröhren und/oder Fullerenen aufweisen, die bevorzugt kleiner als 500nm und besonders bevorzugt kleiner als 200nm sind.4. The actuator according to claim 2, wherein the particles of the powder layer have nanotubes of carbon and / or fullerenes, which are preferably less than 500 nm and more preferably less than 200 nm.
5. Aktor nach Anspruch 2, wobei die Partikel der Pulverschicht leitfähige metallischen Partikel, vorzugsweise Aluminium-, Eisen-, Kupfer-, und/oder Goldpartikeln (30) aufweisen.5. Actuator according to claim 2, wherein the particles of the powder layer have conductive metallic particles, preferably aluminum, iron, copper, and / or gold particles (30).
6. Aktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektroden aus Metallionen bestehen, die in den Oberflächenbereich eines Dielektrikums (24) eingebracht sind, vorzugsweise in Form implantierter Metallionen.6. Actuator according to claim 1 or 2, wherein the electrodes consist of metal ions which are introduced into the surface region of a dielectric (24), preferably in the form of implanted metal ions.
7. Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüchen, wobei das Dielektrikum (24) aus einem elektroaktiven Polymer, vorzugsweise aus einem dielektrischen Polymer besteht. 7. Actuator according to one of the preceding claims, wherein the dielectric (24) consists of an electroactive polymer, preferably of a dielectric polymer.
8. Aktor nach Anspruch 7, wobei das elektroaktive Polymer klebrig ist.8. Actuator according to claim 7, wherein the electroactive polymer is tacky.
9. Aktor nach Anspruch 2, mit einem Stapel aus mehreren aufeinander aufgeschichteten Dielektrika, wobei zwei aufeinanderfolgende Schichten des Die- lektrikums (24) eine Elektrode mit im Wesentlichen einer einzigen Lage an Partikeln (30) zwischen sich einschliessen.9. Actuator according to claim 2, with a stack of a plurality of stacked dielectrics, wherein two successive layers of the dielectric (24) enclose an electrode with substantially a single layer of particles (30) between them.
10. Aktor nach Anspruch 2, wobei das Dielektrikum (24) als Spirale ausgebildet ist, und aufeinander folgende Windungen der Spirale eine Elektrode mit im wesentlichen einer einzigen Lage an Partikeln (30) zwischen sich einschliessen.10. Actuator according to claim 2, wherein the dielectric (24) is formed as a spiral, and successive turns of the spiral enclose an electrode with substantially a single layer of particles (30) between them.
11. Aktor nach Anspruch 1, wobei das Dielektrikum (24) als Schaum und die Elektroden (25,26) als Platte aus leitfähigem Material ausgebildet sind.11. Actuator according to claim 1, wherein the dielectric (24) as a foam and the electrodes (25,26) are formed as a plate of conductive material.
12. Verfahren zur Herstellung eines Aktors nach Anspruch 1, wobei auf vorbestimmten Bereichen (45) mindestens eines Dielektrikums (24) eine Pulverschicht aus leitfähigen Partikeln (30) aufgebracht wird, die Pulverschicht nach deren Aufbringung in den vorbestimmten Bereichen (45) verteilt wird, derart, dass die Partikel (30) gleichmässig und im Wesentlichen lückenlos von Partikeln (30) bedeckt sind, und dann nicht haftende Partikel von den Bereichen (45) wieder entfernt werden.12. A method for producing an actuator according to claim 1, wherein a powder layer of conductive particles (30) is applied to predetermined regions (45) of at least one dielectric (24), the powder layer is distributed after application in the predetermined regions (45), such that the particles (30) are uniformly and substantially completely covered by particles (30), and then non-adhering particles are removed from the regions (45) again.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Pulverschicht auf den vorbestimm- ten Bereichen (45) aufgesprüht, mechanisch verteilt, und schliesslich überschüssige Partikel (30) aus den vorbestimmten Bereichen (45) wieder abgesogen werden.13. The method according to claim 11, wherein the powder layer is sprayed on the predetermined areas (45), distributed mechanically, and finally excess particles (30) are removed again from the predetermined areas (45).
14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die mechanische Verteilung durch ei- nen Stempel vorgenommen wird, der auf die aufgesprühte Pulverschicht aufgedrückt und dann gegenüber dem Dielektrikum (24) relativ bewegt wird. 14. The method of claim 12, wherein the mechanical distribution is performed by a punch, which is pressed onto the sprayed powder layer and then relative to the dielectric (24) is moved relative.
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