DE102012019860A1

DE102012019860A1 - Dielektrischer Rollenaktor

Info

Publication number: DE102012019860A1
Application number: DE102012019860.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Maas; Graf Christian; Thorben Hoffstadt; Dennis Cording
Original assignee: Hochschule Ostwestfalen Lippe
Current assignee: Hochschule Ostwestfalen Lippe
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2014-04-10
Also published as: WO2014056472A1

Abstract

Bei einem zylindrischen, dielektrischen Rollenaktor (10) mit einem axialem Stellweg ist ein in einem unbelasteten Zustand in einem Querschnitt runder Kern (9) aus einem Elastomer vorgesehen, auf den unter axialer Vorspannung spiralartig eine Wicklung aus einem gestreckten Folienverbund (8) aus einem Polymerfilm (1) aus einem elektroaktiven Polymer mit wenigstens zwei durch den Polymerfilm (1) elektrisch voneinander getrennten Elektroden (2, 3) sowie einem weiteren, elektrisch isolierenden Polymerfilm (7) aufgebracht ist. Hierzu kann eine axiale, zentrale Durchbrechung (24) des Kerns (21) von einer Stange (22) durchsetzt werden, auf der der Kern (21) axial vorgespannt wird und wird dann auf den axial vorgespannten Kern (21) der Folienverbund (18) aufgewickelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen dielektrischen Rollenaktor.
Aktoren als Wandler oder Antriebelemente sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt und bewährt. Durch Aktoren werden elektrische Signale in mechanische Bewegungen oder andere physikalische Größen umgesetzt. Gegenüber beispielsweise induktiv arbeitenden Elektromotoren oder Hydraulik- bzw. Pneumatikaktoren, die über vergleichsweise große Stellwege verfügen, weisen Bimetallaktoren oder Piezoaktoren einen vergleichsweise geringen Stellweg auf.
Aus der DE 10 2007 024 901 A1 ist ein Aktor bekannt, der die Funktionsweise eines Bimetallaktors mit der eines piezoelektrischen kombiniert, wodurch eine Kondensatorstruktur mit veränderbare Kapazität entsteht, die beispielsweise in einer spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung oder in einer Impedanz-Wander-Schaltung Verwendung finden kann.
Elektroaktive Polymere, EAP, zeigen ein ähnliches Verhalten wie beispielsweise piezoelektrischen Keramiken, jedoch ist die Formänderung bei einem Anlegen einer elektrischen Spannung deutlich höher und so können bei elektroaktiven Polymeren Dehnungen von bis zu 380 Prozent erreicht werden.
So sind Aktoren aus Polymerfolien oder -filmen aus elektrisch aktiven Polymeren bekannt, die häufig auch als künstliche Muskeln bezeichnet werden, bei denen die von Elektroden eingefassten Polymerfilme oder -folien auf das Anlegen einer elektrischen Spannung mit einer Formänderung reagieren bzw. bei einer Formänderung und Anliegen einer Spannung diese verändern können, so dass sie vielfältig als Aktoren oder als Sensoren Verwendung finden können.
Die Herstellung und die Verwendung eines elektrisch aktive Polymere aufweisenden Polymerfilms ist beispielsweise in der DE 10 2007 059 858 A1 oder in der WO 2010/000261 A1 erläutert. Derartige Filme können, geeignet vorgespannt, bei Anlegen einer Spannung insbesondere auch in einer Vorzugsrichtung kontrahieren.
Polymerfolien oder Polymerfilme der voranstehend erläuterten Art sind jedoch als Aktoren selber nur in wenigen Fällen einsetzbar und so macht es sich die Erfindung zur Aufgabe, einen zylindrischen, dielektrischen Rollenaktor mit einem gegenüber bspw. Bimetallaktoren deutlich vergrößerten axialen Stellweg zur Verfügung zustellen, der vielfältig einsetzbar und in seinem konstruktiven Aufbau einfach ist.
Gelöst wird diese technische Problematik gem. des Anspruchs 1 durch die Maßnahmen, dass ein in einem unbelasteten Zustand in einem Querschnitt runder Kern aus einem Elastomer vorgesehen ist, auf den unter axialer Vorspannung spiralartig eine Wicklung aus einem gestreckten Folienverbund aus einem Polymerfilm aus einem elektroaktiven Polymer mit wenigstens zwei durch den Polymerfilm elektrisch voneinander getrennten Elektroden sowie einem weiteren, elektrisch isolierten Polymerfilm aufgebracht ist.
Der Rollenaktor nach der Erfindung weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Insbesondere ist er fertigungstechnisch einfach herzustellen. Des Weiteren besteht der Rollenaktor nach der Erfindung ausschließlich aus Kunststoffen, abgesehen von der Elektrode, die beispielsweise aus Grafit sein kann. Auf Kupfer, gegebenenfalls mit Ausnahme der elektrischen Anschlüsse, und andere Metalle, ist vollständig verzichtet. Dennoch wird durch den Kern aus einem Elastomer eine ausreichende Biegesteifigkeit des Rollenaktors nach der Erfindung sicher gestellt.
Fertigungstechnisch weist der Rollenaktor nach der Erfindung verschiedene Vorteile auf. Da bei dem Aufwickeln des Polymerfilms der Elastomer-Kern gegenüber seiner späteren Ruhelage verformt ist, kann eine biaxiale Vorverstreckung des Polymersfilms vermieden werden, wie noch genauer erläutert wird. Sind die Polymerfilme auf dem vorgespannten Elastomer-Kern aufgebracht und wird dieser entspannt, erfolgt eine biaxiale Vorverstreckung der Polymerfolien gleichsam automatisch.
Ein weiterer Vorteil stellt die beidseitige Beschichtung eines Polymerfilms mit Elektroden dar, was sicherstellt, dass zwischen den Elektroden ausschließlich der ein Dielektrikum ausbildende Polymerfilms ist. Lufteinschlüsse sind sicher vermieden. Die elektrische Isolation der Elektroden gegeneinander bei dem spiralartigen Aufwickeln erfolgt durch den zweiten Polymerfilm.
Weist der isolierende Polymerfilm ebenfalls elektrisch aktive Polymere auf, hat diese Maßnahme den weiteren Vorteil, dass bei einer Umdrehung bei dem Aufwickeln zwei aktive Schichten des elektroaktiven Polymers ausgebildet werden, da durch den zur Isolation genutzten Polymerfilm mit der Elektrode der vorangegangenen Schicht ebenfalls eine Kapazität ausgebildet wird.
Aufgrund dieser Fertigungstechnik arbeitet der Rollenaktor äußerst energieeffizient, da bei einer Aktion im Wesentlichen nur ein Ladungsaustausch erfolgt.
Als Material für den Kern eignet sich dem Grunde nach jedes Elastomer, bevorzugt wird jedoch ein Silikon, Polyurethan, Acryl oder Gummi.
Auch für die Polymerfilme eignen sich unterschiedliche Materialen mit oder aus elektroaktiven Polymeren, beispielsweise Polyurethan, die hinsichtlich der kapazitiven Eigenschaften von möglichst geringer Schichtdicke sein sollten. Zweckmäßigerweise sind ferner die beiden Polymerfilme aus dem selben Material bestehend, so dass die Polymerfilme gleiche physikalische Eigenschaften aufweisen und insbesondere über gleiche Dehnungskoeffizienten verfügen, so dass zwischen den Filmen keine Spannungen auftreten können. Als weitere Materialien bieten sich, vergleichbar dem Kern aus einem Elastomer, Silikon, Acryl oder Gummi an.
Dies insbesondere auch vor dem Hintergrund, dass die Polymerfilme elastisch miteinander verbunden sind, bspw. verklebt werden, um den Folienverbund auszubilden.
Ein solcher Folienverbund lässt sich einfach herstellen, wenn vorgesehen ist, dass ein längs gefalteter Film aus einem elektroaktiven Material Verwendung findet, dessen eine Längshälfte den mit Elektroden versehenen Polymerfilm und die andere Längshälfte den isolierenden Polymerfilm ausbildet.
Hergestellt wird ein derartiger Folienverbund zweckmäßigerweise derart, dass auf einer Längshälfte des Films der doppelten Breite des Folienverbundes eine Elektrode aufgebracht wird, der Film mittig längs die Elektrode überdeckend gefaltet und verklebt wird. Anschließend wird außenseitig, der ersten Elektrode gegenüberliegend, die zweite Elektrode aufgebracht.
Die Betriebssicherheit des Rollenaktors nach der Erfindung kann weiter durch die Maßnahme erhöht werden, wenn vorgesehen ist, dass in Umfangsrichtung der Wicklung der Polymerfilm beidseits eine korrespondierende Vielzahl von Einzelelektroden aufweist, deren elektrische Anschlüsse axial herausgeführt sind. Fällt eine Elektrode aus, wird durch die Vielzahl der funktionsfähig verbleibenden Elektroden die Funktionsfähigkeit des Rollenaktors sichergestellt.
Weiter kann die Betriebssicherheit durch die Maßnahme erhöht werden, dass vorgesehen ist, dass der elektrische Anschluss an einer Stelle eines verringerten Elektrodenquerschnitts erfolgt. Hierdurch wird gleichsam eine Sicherung eingebaut, die im Falle eines Kurzschlusses über eine der vereinzelten Elektroden durchbrennt, womit der defekte Teil des Rollenaktors elektrisch abgetrennt wird und seine Funktion im Übrigen weiterhin gegeben ist.
Der Folienverbund wird auf einen axial vorgespannten Kern aus einem Elastomer aufgebracht. Ein solcher elastischer Kern wird sich bei dem Aufbringen einer Kraft für das Verspannen verformen. Ein Verbiegen kann verhindert werden, wenn eine axiale, zentrale Durchbrechung des Kerns von einer Stange durchsetzt wird, auf der der Kern axial vorgespannt wird und auf den so axial vorgespannten Kern dann der Folienverbund aufgewickelt wird.
Alternativ besteht die Möglichkeit, dass der Kern axial endseitig von Kappen eingefasst oder von Stiften radial durchsetzt ist und dass an den Kappen oder an den Stiften die die axiale Verspannung hervorrufenden Kräfte angreifen.
Zweckmäßigerweise erfolgt das Aufwickeln des Folienverbundes gegen eine Bremskraft. Hierdurch erfährt der Folienverbund gleichsam bei der Fertigung des Rollenaktors selbst seine Verstreckung.
Der Rollenaktor nach der Erfindung und seine Herstellung werden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der lediglich schematisch und insbesondere Schichtdicken deutlich überhöhend Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
1: einen Polymerfilm aus einem elektroaktiven Material mit einer aufgebrachten Elektrode,
2: einen Folienverbund aus einem elektrisch aktiven Polymerfilm und einem isolierenden Polymerfilm,
3: den biaxial zu verstreckenden Folienverbund,
4: das Aufwickeln des Folienverbundes auf einen axial vorgespannten Kern aus einem Elastomer,
5: einen fertigen Rollenaktor nach der Erfindung,
6: einen Film aus einem elektroaktiven Polymer für die Herstellung eines Folienverbundes,
7: eine Seitenansicht des Folienverbundes nach 6,
8: das Aufrollen des Folienverbundes auf einen axial vorgespannten Kern aus einem Elastomer,
9: den fertigen Rollenaktor und
10: ausschnittsweise in einer Draufsicht einen Polymerfilm mit einer Vielzahl von Einzelelektroden.
1 zeigt einen Polymerfilm 1, beispielsweise aus einem Polyurethan. Dieser Polymerfilm 1 ist, ober- wie unterseitig, jeweils mit einer Elektrode 2, 3 versehen, wobei umlaufend ein einer elektrischen Isolierung dienender Rand 4 verbleibt. Durch diesen Rand 4 entsteht zwar ein inaktiver Bereich des Polymerfilms 1, jedoch wird nach dem Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 2, 3 ein randseitiger Überschlag verhindert.
Für das Anlegen einer Spannung sind zwei Kupferklebebänder 5, 6 vorgesehen, die hier beispielhaft, mit Bezug auf den fertigen Rollenaktor, tangential abstehen.
Ein weiterer, elektrisch isolierender Polymerfilm 7, von einer dem Polymerfilm 1 entsprechenden Größe und vorzugsweise aus dem gleichen Material, wird mit diesem elastisch verklebt, vgl. 2. Sind die einzelnen Lagen einer Elektrode elektrisch voneinander getrennt, ist so ein Kurzschluss bei einem Aufwickeln des aus den Polymerfilmen 1, 7 entstandenen Folienverbundes 8 vermieden.
In 3 ist dann ein biaxiale Strecken des Folienverbundes 8 angedeutet, der nach dem Strecken auf den axial vorgespannten Kern 9 gem. 4 aufgewickelt werden kann. An diesem Kern 9 aus einem Elastomer wie einem Silikon, Polyurethan, Acryl oder Gummi wird für das Aufwickeln der Folienverbund 8 befestigt, insbesondere mit diesem elastisch verklebt.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird der Kern 9 in axialer Richtung um das Maß gestaucht, um das der Folienverbund 8 in Y-Richtung gem. Pfeil vorgestreckt wurde. Diese axiale Vorspannung des Kerns 9 ist derart, dass die von dem vorgestreckten Folienverbund 8 ausgehenden Kräfte abgestützt werden. So werden die mechanischen Spannungen in den beiden Bestandteilen des Rollenaktors 10 gem. 5, dem Kern 9 und dem Folienverbund 8, in deren Ruhelage hervorgerufen. Diese Spannungen rufen im Wesentlichen Kräfte in axialer Richtung des Rollenaktors 10 hervor, so dass beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Kupferklebebänder 5, 6 die axiale Längenänderung des Rollenaktors 10 durch den vorgestreckten Folienverbund 8 festgelegt ist.
Anhand der 6–9 wird ein weiteres, bevorzugtes Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Rollenaktors erläutert.
6 zeigt einen Film 11 aus einem elektroaktiven Polymer. Auf eine erste Längshälfte 12 des Films 11 wird eine Elektrode 13 aufgebracht. Auch hier ist wieder ein elektrisch isolierender Rand 14 umlaufend vorgesehen. Die zweite Längshälfte 15 des Films 11 wird um die Mittellinie 16 auf die mit der Elektrode 13 versehene Flachseite 17 der ersten Längshälfte 12 gefaltet und elastisch verklebt. Diese zweite Längshälfte 15 bildet den isolierenden Polymerfilm des Folienverbundes 18 aus, vgl. 7. Auf die der Flachseite 17 mit Elektrode 13 gegenüberliegende Flachseite 19 der ersten Längshälfte 12 wird die zweite Elektrode 20 aufgebracht, womit die erste Längshälfte 12 mit Elektroden 13, 20 den aktiven Polymerfilm des Folienverbundes 18 ausbildet.
Um ein biaxiales Strecken des Folienverbundes 18 zu vermeiden, wird ein Kern 21 gem. 8 auf einer ihn zentral axial durchsetzenden Stange 22 um ein Maß gestaucht, das deutlich größer ist als bei dem vorausgegangenen Ausführungsbeispiel, da das Maß der Stauchung auch das Maß der notwendigen Streckung des Folienverbundes 18 bei einer Entlastung des Kerns 21 mit beinhaltet.
Wird dann der Folienverbund 18 auf den derart gestauchten Kern 21 gem. 8 gegen eine Bremskraft gem. Pfeil 23 aufgewickelt, erfolgt die zweite Streckung des Folienverbundes 18. Nach dem Aufwickeln des Folienverbundes 18 und dem Entfernen der Stange 22 aus der Durchbrechung 24 ist der Fertigungsprozess des Rollenaktors 34 im Wesentlichen abgeschlossen.
Für das Aufwickeln bietet es sich an, die Stange 22 als Achse, alternativ den Kern axial endseitig fassende Kappen oder radial durchsetzende Stifte auf der Achse eines Motors anzuordnen. Das Aufwickeln eines vorab aufgerollten Folienverbundes erfolgt dann gegen eine vorzugsweise einstellbare Bremskraft an der Welle des aufgerollten Folienverbundes. Dabei kann der Motor beispielsweise an einem Träger fest verflanscht sein, während das Gegenlager der Achse axial verstellbar ausgeführt ist, um den Kern axial verspannen zu können.
Das Verkleben eines Folienverbundes an dem Kern, wie auch die einzelnen Wicklungen des Folienverbundes untereinander, kann vollflächig erfolgen, sofern der Kleber ausreichend elastisch ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass lediglich ein dünner Streifen eines Klebers auf den Rändern der inaktiven Bereiche aufgebracht wird. Damit wird vermieden, dass die axialen Bewegungen durch zu große verklebte Flächen gehemmt werden.
10 zeigt einen Polymerfilm 25 für eine weitere Ausführungsform eines Rollenaktors. Dieser Polymerfilm 25 ist auf beiden Flachseiten in Umfangsrichtung mit einer Vielzahl von Einzelelektroden 26, 27 versehen. Der elektrische Anschluss dieser Einzelelektroden 26, 27 erfolgt axial über beispielsweise Kupferklebebänder 28, 29. Diese Kupferklebebänder 28, 29 kontaktieren die Elektroden 26, 27 nicht unmittelbar, sondern über Stellen 30, 31 verringerter Elektrodenquerschnitte. Im Falle eines Kurzschlusses über eine der Einzelelektroden 26, 27 wird die entsprechende Stelle 30, 31 verringerten Elektrodenquerschnitts aufschmelzen und so die entsprechenden Einzelelektroden 26, 27 gleichsam abschalten. Durch die übrigen Elektroden des Polymersfilm 25 bleibt dann die Funktionsfähigkeit des Rollenaktors insgesamt weiterhin bestehen.
Entsprechendes gilt für die in 10 unterseitig des Polymerfilms 25 angeordneten Elektroden, die axial gegenläufig über Kupferklebebänder 32, 33 kontaktiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Polymerfilm
2: Elektrode
3: Elektrode
4: Rand
5: Kupferklebeband
6: Kupferklebeband
7: Polymerfilm
8: Folienverbund
9: Kern
10: Rollenaktor
11: Film
12: Längshälfte
13: Elektrode
14: Rand
15: Längshäfte
16: Mittellinie
17: Flachseite
18: Folienverbund
19: Flachseite
20: Elektrode
21: Kern
22: Stange
23: Pfeil
24: Durchbrechung
25: Polymerfilm
26: Einzelelektrode
27: Einzelelektrode
28: Kupferklebeband
29: Kupferklebeband
30: Stelle
31: Stelle
32: Kupferklebeband
33: Kupferklebeband
34: Rollenaktor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007024901 A1 [0003]
DE 102007059858 A1 [0006]
WO 2010/000261 A1 [0006]

Claims

Zylindrischer, dielektrischer Rollenaktor mit axialem Stellweg, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem unbelasteten Zustand in einem Querschnitt runder Kern (9) aus einem Elastomer vorgesehen ist, auf den unter axialer Vorspannung spiralartig eine Wicklung aus einem gestreckten Folienverbund (8) aus einem Polymerfilm (1) aus einem elektroaktiven Polymer mit wenigstens zwei durch den Polymerfilm (1) elektrisch voneinander getrennten Elektroden (2, 3) sowie einem weiteren, elektrisch isolierenden Polymerfilm (7) aufgebracht ist.
Rollenaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (9) aus einem Silikon, Polyurethan, Acryl oder Gummi besteht.
Rollenaktor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfilme (1, 7) aus demselben Material bestehen.
Rollenaktor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfilme (1, 7) elastisch miteinander verbunden sind.
Rollenaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Folienverbund (18) ein längs gefalteter Film (11) aus einem elektroaktivem Material Verwendung findet, dessen eine Längshälfte (12) den mit Elektroden (13, 20) versehenen Polymerfilm und die andere Längshälfte (15) den isolierenden Polymerfilm ausbildet.
Rollenaktor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung der Wicklung der Polymerfilm (25) beidseits eine korrespondierende Vielzahl von Einzelelektroden (26, 27) aufweisen, deren elektrische Anschlüsse (28, 29) axial herausgeführt sind.
Rollenaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss an einer Stelle (30, 31) eines verringerten Elektrodenquerschnitts erfolgt.
Verfahren für die Herstellung eines Rollenaktors, insbesondere nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale, zentrale Durchbrechung (24) des Kerns (21) von einer Stange (22) durchsetzt wird, dass der Kern (21) auf der Stange (22) axial vorgespannt wird und dass auf den axial vorgespannten Kern (21) der Folienverbund (18) aufgewickelt wird.
Verfahren für die Herstellung eines Rollenaktors, insbesondere nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern axial endseitig von Kappen eingefasst oder von Stiften radial durchsetzt ist und dass an den Kappen oder an den Stiften die die axiale Verspannung hervorrufenden Kräfte angreifen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufwickeln des Folienverbundes (18) gegen eine Bremskraft (23) erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem längs gefalteten Film (11) aus einem elektroaktiven Polymer auf einer Längshälfte (12) eine Elektrode (13) aufgebracht wird, dass der Film (11) mittig längs gefaltet wird mit innen liegender Elektrode (13), dass die aufeinander liegenden Flachseiten miteinander elastisch verklebt werden und dass auf der der Elektrode (13) gegenüber liegenden Flachseite eine zweite Elektrode (20) aufgebracht wird.