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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektroaktive Polymergeneratoren,
die zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie umwandeln.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Polymere und ihre
Verwendung als Generatoren, Sensoren, in Aktuatoren und verschiedenen
Anwendungen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch zu einem Polymer
hinzugefügte
Additive, Laminate, die einen Wandler umfassen, und Wandler-Fertigungsverfahren.
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Piezoelektrische
Generatoren mit Polymeren werden von der
US 4 518 555 , der
US 4 609 845 und J. Kymissis et al.,
Second International Symposium an Wearable Computers, ISBN 0-8186-9079-7, S. 132–139 offenbart.
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Bei
vielen Anwendungen ist es wünschenswert,
zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie umzuwandeln.
Beispielhafte Anwendungen, die eine Übersetzung von elektrischer
in mechanische Energie erfordern, schließen Robotertechnik, Pumpen,
Lautsprecher, allgemeine Automatisierung, Plattenlaufwerke und prothetische
Vorrichtungen ein. Diese Anwendungen schließen einen oder mehrere Aktuatoren
ein, die elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln – auf einer
makroskopischen oder mikroskopischen Ebene. Übliche elektrische Aktuator-Technologien, wie
elektromagnetische Motoren und Magnetspulen, sind für viele dieser
Anwendungen nicht geeignet, z. B. wenn die geforderte Vorrichtungsgröße klein
ist (z. B. Maschinen im Mikro- oder Meso-Maßstab). Beispielhafte Anwendungen,
die eine Übersetzung
von mechanischer in elektrische Energie erfordern, schließen Sensoren
für mechanische
Eigenschaften und Fersenaufsetz-Generatoren ein. Diese Anwendungen schließen einen
oder mehrere Wandler ein, die mechanische Energie in elektrische
Energie umwandeln. Gebräuchliche
elektrische Generator-Technologien, wie elektromagnetische Generatoren,
sind für viele
dieser Anwendungen ebenfalls nicht geeignet, z. B. wenn die geforderte
Vorrichtungsgröße klein
ist (z. B. im Schuh einer Person). Diese Technologien sind auch
nicht ideal, wenn eine große
Anzahl von Vorrichtungen in eine einzige Struktur integriert werden
muss, oder unter verschiedenen Leistungsbedingungen, wie dann, wenn
bei verhältnismäßig niedrigen
Frequenzen eine Abgabe mit hoher Leistungsdichte erforderlich ist.
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Mehrere 'intelligente Materialien' sind mit begrenztem
Erfolg verwendet worden, um zwischen elektrischer und mechanischer
Energie umzuwandeln. Diese intelligenten Materialien schließen piezoelektrische
Keramikwerkstoffe, Formgedächtnislegierungen
und magnetostriktive Materialien ein. Jedoch besitzt jedes intelligente
Material eine Reihe von Einschränkungen,
die seinen breiten Gebrauch verhindern. Gewisse piezoelektrische
Keramikwerkstoffe, wie Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) sind verwendet
worden, um elektrische in mechanische Energie umzuwandeln. Während sie
für einige
wenige Anwendungen einen passenden Nutzen haben, sind diese piezoelektrischen
Keramikwerkstoffe typischerweise auf eine Beanspruchung bzw. Dehnung unterhalb
von etwa 1,6 Prozent beschränkt
und sind häufig
nicht für
Anwendungen geeignet, die größere Beanspruchungen
als diese erfordern. Zudem schließt die hohe Dichte dieser Materialien
sie häufig von
Anwendungen aus, die ein geringes Gewicht erfordern. Bestrahltes
Polyvinylidendifluorid (PVDF) ist ein elektroaktives Polymer, von
dem berichtet wurde, dass es eine Beanspruchung von bis zu 4 Prozent aufweist,
wenn es von elektrischer in mechanische Energie umwandelt. Ähnlich wie
die piezoelektrischen Keramikwerkstoffe ist das PVDF häufig nicht für Anwendungen
geeignet, die Beanspruchungen von mehr als 4 Prozent erfordern.
Formgedächtnislegierungen,
wie Nitinol, sind zu großen
Beanspruchungen und Kraftabgaben imstande. Eine breite Verwendung
dieser Formgedächtnislegierungen
ist durch unakzeptable Energieeffizienz, schlechte Ansprechzeit
und prohibitive Kosten eingeschränkt
worden.
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Zusätzlich zu
den Leistungseinschränkungen
von piezoelektrischen Keramikwerkstoffen und bestrahltem PVDF, stellt
ihre Fertigung häufig
eine Barriere für
die Akzeptanz dar. Piezoelektrische Einkristall-Keramikwerkstoffe
müssen
bei hohen Temperaturen gezüchtet
werden, verbunden mit einem sehr langsamen Abkühlprozess. Bestrahltes PVDF
muss zur Bearbeitung einem Elektronenstrahl ausgesetzt werden. Beide
diese Verfahren sind teuer und kompliziert und können die Akzeptanz dieser Materialien einschränken.
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In
Anbetracht des Vorangehenden wären
alternative Vorrichtungen wünschenswert,
die zwischen elektrischer und mechanischer Energie umwandeln.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Generator und ein Verfahren,
wie in den Ansprüchen
definiert.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
in der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung und den zugehörigen Figuren
beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1A und 1B zeigen
eine perspektivische Oberseitenansicht eines Wandlers vor und nach
dem Anlegen einer Spannung.
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1C zeigt
eine mit einer Textur versehene Oberfläche für ein elektroaktives Polymer
mit einem wellenartigen Profil.
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1D zeigt
ein elektroaktives Polymer, das eine mit einer Textur versehenen
Oberfläche
mit einer zufälligen
Texturierung einschließt.
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1E zeigt
eine Querschnittsseitenansicht eines Membranwandlers, der ein elektroaktives
Polymer einschließt,
vor dem Anlegen einer Spannung.
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1F zeigt
eine Querschnittsansicht der elektroaktiven Polymermembran aus 1E nach dem
Anlegen einer Spannung.
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Die 2A und 2B zeigen
eine Vorrichtung zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie und
mechanischer Energie vor und nach einer Betätigung gemäß einer spezifischen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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2C zeigt
eine Vorrichtung zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie und
mechanischer Energie, die zusätzliche
Komponenten einschließt,
um die Auslenkung gemäß einer
spezifischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu verbessern.
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2D und 2E zeigen
eine Vorrichtung zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie und mechanischer
Energie vor und nach einer Aktivierung gemäß einer spezifischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2F zeigt
eine Querschnittsseitenansicht eines Wandlers, der mehrere Polymerschichten
einschließt.
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2G zeigt
eine gestapelte mehrschichtige Vorrichtung als ein Beispiel von
künstlichem
Muskel.
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2H zeigt
eine Vorrichtung zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie und
mechanischer Energie, umfassend eine elektroaktive Polymermembran
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2I zeigt
einen Aktuator vom Raupenspanner-Typ, der ein gerolltes elektroaktives
Polymer einschließt.
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2J zeigt
eine Vorrichtung zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie und
mechanischer Energie in einer Richtung gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2K zeigt
eine Vorrichtung zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie und
mechanischer Energie gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2L zeigt
die Vorrichtung aus 2K mit einem 90-Grad-Biegewinkel.
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2M zeigt
eine Vorrichtung zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie und
mechanischer Energie, die zwei Polymerschichten einschließt.
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Die 2N und 2O zeigen
eine Vorrichtung zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie und
mechanischer Energie gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine strukturierte Elektrode, die eine Nachgiebigkeit in einer Richtung
gemäß einer spezifischen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liefert.
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4 zeigt
ein vorbeanspruchtes Polymer, umfassend eine strukturierte Elektrode,
die nicht richtungsabhängig
nachgiebig ist, gemäß einer
spezifischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
mit einer Textur versehene Elektroden.
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6 zeigt
ein zweistufiges hintereinander geschaltetes Pumpen-System, das
zwei Membran-Vorrichtungs-Pumpen einschließt.
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7A zeigt einen Prozessablauf für die Fertigung einer elektromechanischen
Vorrichtung, die wenigstens ein vorbeanspruchtes Polymer aufweist.
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Die 7B–F
zeigen ein Verfahren zur Fertigung einer elektromechanischen Vorrichtung,
die mehrere Polymerschichten aufweist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf einige bevorzugte
Ausführungsformen derselben,
wie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt, ausführlich beschrieben.
In der nachfolgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Einzelheiten
angegeben, um für
ein gründliches
Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu sorgen, wie durch die Ansprüche definiert.
Für einen
Fachmann wird jedoch ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung,
wie durch die Ansprüche
definiert, ohne einige oder sämtliche
dieser spezifischen Einzelheiten ausgeführt werden kann. In anderen
Fällen
sind wohlbekannte Prozessschritte und/oder Strukturen nicht ausführlich beschrieben
worden, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verdecken.
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1. ÜBERBLICK
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Elektroaktive
Polymere werden ausgelenkt, wenn sie durch elektrische Energie aktiviert
werden. Ein elektroaktives Polymer bezieht sich auf ein Polymer,
das als ein isolierendes Dielektrikum zwischen zwei Elektroden wirkt
und beim Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen den zwei Elektroden
ausgelenkt werden kann. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft
Polymere, die vorbeansprucht sind, um die Umwandlung zwischen elektrischer
und mechanischer Energie zu verbessern. Die Vorbeanspruchung verbessert
das mechanische Ansprechen eines elektroaktiven Polymers im Verhältnis zu
einem nicht-beanspruchten
elektroaktiven Polymer. Das verbesserte mechanische Ansprechen ermöglicht für ein elektroaktives
Polymer eine größere mechanische
Arbeit, z. B. größere Auslenkungen
und Aktivierungsdrücke.
Zum Beispiel sind mit vorbeanspruchten Polymeren der vorliegenden
Erfindung lineare Beanspruchungen von wenigstens etwa 200 Prozent und
Flächenbeanspruchungen
von wenigstens etwa 300 Prozent möglich. Die Vorbeanspruchung
kann in verschiedenen Richtungen eines Polymers variieren. Die Kombination
einer Richtungsveränderlichkeit
der Vorbeanspruchung, von verschiedenen Wegen zum Beanspruchen eines
Polymers, der Skalierbarkeit von elektroaktiven Polymeren sowohl
auf Mikro- und Makro-Ebenen
und verschiedenen Polymerausrichtungen (z. B. Rollen oder Stapeln
von einzelnen Polymerschichten) erlaubt einen breiten Bereich von Aktuatoren,
die elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Diese Aktuatoren
finden in einem weiten Bereich von Anwendungen Gebrauch.
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Zur
Erleichterung des Verständnisses
wird die vorliegende Erfindung beschrieben und dargestellt, indem
man sich auf eine einzige Richtung der Energieumwandlung konzentriert.
Spezieller konzentriert sich die vorliegende Erfindung auf die Umwandlung
von elektrischer Energie in mechanische Energie. Jedoch ist es wichtig,
festzustellen, dass in sämtlichen
der Figuren und Erörterungen
für die
vorliegende Erfindung die Polymere und Vorrichtungen in beiden Richtungen
zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie umwandeln
können.
Daher sind jegliche der hier beschriebenen Polymermaterialien, Polymer-Konfigurationen,
Wandler, Vorrichtungen und Aktuatoren auch ein Wandler zum Umwandeln
von mechanischer Energie in elektrische Energie (ein Generator)
in der umgekehrten Richtung. Gleichfalls kann jegliche der hier
beschriebenen beispielhaften Elektroden zusammen mit einem Generator
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Typischerweise schließt ein Generator
ein Polymer ein, das in einer Weise angeordnet ist, die ansprechend
auf eine Auslenkung eines Teils des Polymers eine Veränderung
im elektrischen Feld bewirkt.
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Daher
können
Polymer und Wandler als ein Aktuator verwendet werden, um von elektrischer
in mechanische Energie umzuwandeln, oder als ein Generator, um von
mechanischer in elektrische Energie umzuwandeln. Bei einem Wandler,
der eine im Wesentlichen konstante Dicke besitzt, ist ein Mechanismus
zum Unterscheiden der Funktionsweise des Wandlers als ein Aktuator
oder als ein Generator die Veränderung
der Nettofläche
des Wandlers orthogonal zur Dicke während des Gebrauchs. Wenn bei
diesen Wandlern die Nettofläche
des Wandlers abnimmt, wirkt der Wandler als ein Generator. Wenn
die Nettofläche
des Wandlers zunimmt, wirkt der Wandler umgekehrt als ein Aktuator.
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Da
die elektroaktiven Polymere der vorliegenden Erfindung mit linearen
Beanspruchungen von wenigstens etwa 200 Prozent ausgelenkt werden können, sollten
an den Polymeren befestigte Elektroden ebenfalls ausgelenkt werden,
ohne der mechanischen oder elektrischen Leistung zu schaden.
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Entsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung in einem anderen nicht-einschränkenden
Aspekt nachgiebige Elektroden, die sich an die Form eines elektroaktiven
Polymers anpassen, an dem sie befestigt sind. Die Elektroden sind
imstande, eine elektrische Verbindung selbst bei den hohen Auslenkungen
aufrechtzuerhalten, die man mit vorbeanspruchten Polymeren der vorliegenden
Erfindung antrifft. Beispielhaft sind Beanspruchungen von wenigstens
etwa 50 Prozent mit Elektroden der vorliegenden Erfindung üblich. Bei
einigen Ausführungsformen
kann die von den Elektroden gelieferte Nachgiebigkeit mit der Richtung
variieren.
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Da
die vorbeanspruchten Polymere zur Verwendung sowohl im Mikro- und
Makro-Maßstab,
in einer breiten Vielfalt von Aktuatoren und in einem breiten Anwendungsbereich
geeignet sind, variieren mit der vorliegenden Erfindung verwendete
Fertigungsprozesse stark. In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende
Erfindung Verfahren zur Fertigung von elektromechanischen Vorrichtungen
bereit, die ein oder mehrere vorbeanspruchte Polymere einschließen. Die
Vorbeanspruchung kann durch eine Reihe von Techniken erzielt werden,
wie mechanisches Strecken eines elektroaktiven Polymers und Befestigen
des Polymers an einem oder mehreren starren Elementen, während es
gestreckt ist.
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2. ALLGEMEINE STRUKTUR VON
VORRICHTUNGEN
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Die 1A und 1B zeigen
eine perspektivische Oberseitenansicht eines Wandlers 100. Der
Wandler 100 schließt
ein Polymer 102 zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie
und mechanischer Energie ein. Eine obere und eine untere Elektrode 104 und 106 sind
an dem elektroaktiven Polymer 102 auf seiner Ober- bzw.
Unterseite befestigt, um über
einen Teil des Polymers 102 eine Spannungsdifferenz zu
liefern. Mit einer Veränderung
in dem von der oberen und der unteren Elektrode 104 und 106 gelieferten
elektrischen Feld wird das Polymer 102 ausgelenkt. Die
Auslenkung des Wandlers 100 ansprechend auf eine von den
Elektroden 104 und 106 bereitgestellte Veränderung
im elektrischen Feld wird als Aktivierung bezeichnet. Wenn das Polymer 102 seine
Größe verändert, kann
die Auslenkung genutzt werden, um mechanische Arbeit zu erzeugen.
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1B zeigt
eine perspektivische Oberseitenansicht des Wandlers 100 einschließlich einer Auslenkung
ansprechend auf eine Veränderung
im elektrischen Feld. Allgemein gesagt, bezieht sich Auslenkung
auf jegliche Verlagerung, Ausdehnung, Kontraktion, Torsion, lineare
oder Flächenbeanspruchung
oder jegliche andere Verformung eines Teils des Polymers 102.
Die Veränderung
im elektrischen Feld, die der von den Elektroden 104 und 106 erzeugten
Spannungsdifferenz entspricht, erzeugt innerhalb des vorbeanspruchten
Polymers 102 einen mechanischen Druck. In diesem Fall werden
die von den Elektroden 104 und 106 erzeugten ungleichen elektrischen
Ladungen zueinander hin angezogen und liefern eine Kompressionskraft
zwischen den Elektroden 104 und 106 sowie in Ebenenrichtungen 108 und 110 eine
Expansionskraft auf das Polymer 102, was bewirkt, dass
das Polymer 110 zwischen den Elektroden 104 und 106 komprimiert
und in den Ebenenrichtungen 108 und 110 gestreckt
wird.
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In
einigen Fällen
bedecken die Elektroden 104 und 106 einen begrenzten
Teil des Polymers 102 im Verhältnis zur Gesamtfläche des
Polymers. Dies kann gemacht werden, um einen elektrischen Durchbruch
um den Rand des Polymers 102 herum zu verhindern, oder
um in gewissen Teilen des Polymers maßgefertigte Auslenkungen zu
erzielen. So, wie der Begriff hier verwendet wird, ist ein aktiver
Bereich als ein Teil des Polymermaterials 102 mit einer
ausreichenden elektrostatischen Kraft definiert, um eine Auslenkung
des Teils zu ermöglichen.
Wie unten beschrieben wird, kann ein Polymer der vorliegenden Erfindung
mehrere aktive Bereiche besitzen. Polymermaterial 102 außerhalb
eines aktiven Bereichs kann während
der Auslenkung als äußere Federkraft auf
den aktiven Bereich wirken. Spezieller kann Material außerhalb
des aktiven Bereichs durch seine Kontraktion oder Expansion einer
Auslenkung des aktiven Bereichs einen Widerstand entgegensetzen. Eine
Beseitigung der Spannungsdifferenz und der induzierten Ladung bewirkt
die umgekehrten Effekte.
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Die
Elektroden 104 und 106 sind nachgiebig und verändern ihre
Form mit dem Polymer 102. Die Ausbildung des Polymers 102 und
der Elektroden 104 und 106 sorgt für ein zunehmendes
Ansprechen des Polymers 102 mit der Auslenkung. Während der Wandler 100 ausgelenkt
wird, bringt spezieller die Kompression des Polymers 102 die
entgegengesetzten Ladungen der Elektroden 104 und 106 näher zusammen,
und das Strecken des Polymers 102 trennt ähnliche
Ladungen in jeder Elektrode. Bei einer Ausführungsform ist eine der Elektroden 104 und 106 geerdet.
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Allgemein
gesagt, wird der Wandler 100 weiter ausgelenkt, bis mechanische
Kräfte
mit den die Auslenkung treibenden elektrostatischen Kräften im Gleichgewicht
stehen. Die mechanischen Kräfte schließen elastische
Rückstellkräfte des
Polymermaterials 102, die Nachgiebigkeit der Elektroden 104 und 106 sowie
jeglichen äußeren Widerstand
ein, der von einer mit dem Wandler 100 verbundenen Vorrichtung
und/oder Last geliefert wird. Die resultierende Auslenkung des Wandlers 100 infolge
der angelegten Spannung kann auch von einer Reihe von anderen Faktoren
abhängen,
wie der Dielektrizitätskonstante
des Polymers 102 und der Größe des Polymers 102.
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Elektroaktive
Polymere gemäß der vorliegenden
Erfindung sind zu einer Auslenkung in einer beliebigen Richtung
imstande. Nach dem Anlegen der Spannung zwischen den Elektroden 104 und 106 nimmt
die Größe des elektroaktiven
Polymers 102 in beiden Ebenenrichtungen 108 und 110 zu.
In einigen Fällen
ist das elektroaktive Polymer 102 inkompressibel, z. B.
weist unter Belastung ein im Wesentlichen konstantes Volumen auf.
In diesem Fall nimmt die Dicke des Polymers 102 infolge
der Ausdehnung in den Ebenenrichtungen 108 und 110 ab.
Es sollte festgestellt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
inkompressible Polymere beschränkt
ist und dass eine Auslenkung des Polymers 102 nicht einer
solchen einfachen Beziehung entsprechen mag.
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Das
Anlegen einer relativ großen
Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 104 und 106 an
dem in 1A dargestellten Wandler 100 wird
bewirken, dass sich die Form des Wandlers in eine dünnere Form
mit größerer Fläche verändert, wie
in 1B dargestellt. Auf diese Weise wandelt der Wandler
elektrische Energie in mechanische Energie um. Der Wandler 100 wandelt
auch mechanische Energie in elektrische Energie um.
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Die 1A und 1B können benutzt
werden, um eine Art und Weise zu zeigen, in welcher der Wandler 100 mechanische
in elektrische Energie umwandelt. Wenn zum Beispiel der Wandler 100 durch äußere Kräfte in eine
dünnere
Form mit größerer Fläche mechanisch
gestreckt wird, wie diejenige, die in 1B dargestellt
ist, und eine relativ kleine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 104 und 106 angelegt
wird, wird sich der Wandler 100 in dem Bereich zwischen
den Elektroden in eine Form, wie in 1A, zusammenziehen,
wenn die äußeren Kräfte beseitigt
werden. Das Strecken des Wandlers bezieht sich allgemein auf ein
Auslenken des Wandlers aus seiner anfänglichen Ruhestellung – typischerweise
um eine größere Nettofläche zwischen
den Elektroden zu haben, z. B. in der durch die Richtungen 108 und 110 definierten
Ebene zwischen den Elektroden. Die Ruhestellung bezieht sich auf
die Stellung des Wandlers 100 ohne eine äußere elektrische
oder mechanische Beaufschlagung und kann jegliche Vorbeanspruchung
im Polymer einschließen.
Sobald der Wandler 100 gestreckt wird, wird die relativ
kleine Spannungsdifferenz bereitgestellt, so dass die resultierenden
elektrostatischen Kräfte
unzureichend sind, um die elastischen Rückstellkräfte der Streckung auszugleichen.
Daher zieht sich der Wandler 100 zusammen, und er wird
dicker und weist in der durch die Richtungen 108 und 110 definierten
Ebene (orthogonal zur Dicke zwischen den Elektroden) eine kleinere
Ebenenfläche
auf. Wenn das Polymer 102 dicker wird, trennt es die Elektroden 104 und 106 und ihre
entsprechenden ungleichen Ladungen, wodurch die elektrische Energie
der Ladung erhöht
wird. Wenn sich die Elektroden 104 und 106 auf
eine kleinere Fläche
zusammenziehen, werden außerdem gleiche
Ladungen innerhalb von jeder Elektrode zusammengedrückt, was
ebenfalls die elektrische Energie der Ladung erhöht. Mit unterschiedlichen Ladungen
auf den Elektroden 104 und 106 erhöht daher eine
Kontraktion aus einer Form, wie derjenigen, die in 1B dargestellt
ist, in eine, wie diejenige, die in 1A dargestellt
ist, die elektrische Energie der Ladung. Das heißt, die mechanische Auslenkung
wird in elektrische Energie umgewandelt, und der Wandler 100 wirkt
als Generator.
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In
einigen Fällen
kann der Wandler 100 elektrisch als veränderlicher Kondensator beschrieben werden.
Die Kapazität
nimmt ab, wenn sich die Form von derjenigen, die in 1B dargestellt
ist, in diejenige verändert,
die in 1A dargestellt ist. Typischerweise
wird die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 104 und 106 durch
Kontraktion erhöht.
Dies ist normalerweise der Fall, zum Beispiel wenn während des
Kontraktionsvorgangs keine zusätzliche
Ladung zu den Elektroden 104 und 106 hinzugefügt oder
von diesen weggenommen wird. Die Zunahme der elektrischen Energie
U kann durch die Formel U = 0,5 Q2/C veranschaulicht
werden, wobei Q die Menge an positiver Ladung auf der positiven Elektrode
ist, und C die veränderliche
Kapazität
ist, die mit den intrinsischen dielektrischen Eigenschaften des
Polymers 102 und seiner Geometrie zusammenhängt. Wenn
Q fest ist und C abnimmt, dann nimmt die elektrische Energie U zu.
Die Zunahme der elektrischen Energie und der Spannung kann zurückgewonnen
oder in einer geeigneten, in elektrischer Verbindung mit den Elektroden 104 und 106 stehenden
Vorrichtung oder elektronischen Schaltung genutzt werden. Zudem
kann der Wandler 100 mit einer mechanischen Beaufschlagung
mechanisch gekoppelt werden, die das Polymer auslenkt und mechanische
Energie liefert.
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Der
Wandler 100 wird mechanische Energie in elektrische Energie
umwandeln, wenn er sich zusammenzieht. Einige oder sämtliche
der Ladung und Energie kann entnommen werden, wenn der Wandler 100 in
der durch die Richtungen 108 und 110 definierten
Ebene ganz zusammengezogen ist, oder Ladung und Energie können während der
Kontraktion entnommen werden. Wenn während der Kontraktion der elektrische
Felddruck zunimmt und mit den elastischen Rückstellbelastungen ein Gleichgewicht
erreicht, wird die Kontraktion vor einer vollständigen Kontraktion anhalten,
und es wird keine weitere elastische mechanische Energie in elektrische
Energie umgewandelt. Die Entnahme von einem Teil der Ladung und
der gespeicherten elektrischen Energie verringert den elektrischen
Felddruck, wodurch es ermöglicht
wird, dass die Kontraktion andauert und weiter mehr mechanische
Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Das exakte elektrische
Verhalten des Wandlers 100, wenn er als Generator arbeitet, hängt von
jeglichen elektrischen und mechanischen Lasten sowie den intrinsischen
Eigenschaften des Polymers 102 und der Elektroden 104 und 106 ab.
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Das
elektroaktive Polymer 102 ist vorbeansprucht. Die Vorbeanspruchung
eines Polymers kann in einer oder mehreren Richtungen als die Veränderung
der Abmessung in dieser Richtung nach der Vorbeanspruchung im Verhältnis zur
Abmessung in dieser Richtung vor der Vorbeanspruchung beschrieben
werden. Die Vorbeanspruchung kann eine elastische Verformung des
Polymers 102 umfassen und kann zum Beispiel durch Strecken
des Polymers unter Spannung und Fixieren von einem oder mehreren der
Ränder,
während
es gespannt ist, erzeugt werden. Die Vorbeanspruchung verbessert
die Umwandlung zwischen elektrischer und mechanischer Energie. Bei
einer Ausführungsform
verbessert die Vorbeanspruchung die Spannungsfestigkeit des Polymers. Bei
dem Wandler 100 gestattet es die Vorbeanspruchung, dass
das elektroaktive Polymer 102 stärker ausgelenkt wird und eine
größere mechanische
Arbeit liefert, wenn elektrische in mechanische Energie umgewandelt
wird. Bei einem Generator gestattet es die Vorbeanspruchung, dass
mehr Ladung auf die Elektroden 104 und 106 gebracht
wird, was zu mehr erzeugter elektrischer Energie führt, z.
B. in einem Zyklus der Auslenkung des Wandlers 100. Bei
einer Ausführungsform
ist die Vorbeanspruchung elastisch. Nach der Aktivierung könnte ein elastisch
vorbeanspruchtes Polymer im Prinzip gelöst werden und in seinen ursprünglichen
Zustand zurückkehren.
Die Vorbeanspruchung kann unter Verwendung eines starren Rahmens
an den Begrenzungen auferlegt werden, oder kann für einen
Teil des Polymers lokal realisiert werden.
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Bei
einer Ausführungsform
wird die Vorbeanspruchung gleichförmig über einen Teil des Polymers 102 aufgebracht,
um ein isotropes vorbeanspruchtes Polymer zu erzeugen. Beispielhaft
kann ein elastomeres Acryl-Polymer in beiden Ebenenrichtungen um
200–400
Prozent gestreckt werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Vorbeanspruchung für einen
Teil des Polymers 102 in verschiedenen Richtungen ungleich
aufgebracht, um ein anisotrop vorbeanspruchtes Polymer zu erzeugen.
In diesem Fall kann das Polymer 102 in einer Richtung stärker als
in einer anderen ausgelenkt werden, wenn es aktiviert wird. Obwohl
man nicht durch Theorie gebunden sein möchte, wird angenommen, dass
die Vorbeanspruchung eines Polymers in einer Richtung die Steifigkeit
des Polymers in der Vorbeanspruchungsrichtung vergrößern kann.
Entsprechend ist das Polymer in der Richtung der hohen Vorbeanspruchung im
Verhältnis
steifer und in der Richtung der geringen Vorbeanspruchung nachgiebiger,
und bei einer Aktivierung findet der größte Teil der Auslenkung in
der Richtung der geringen Vorbeanspruchung statt. Bei einer Ausführungsform
verbessert der Wandler die Auslenkung in der Richtung 108,
indem eine große Vorbeanspruchung
in der dazu senkrechten Richtung 110 ausgenutzt wird. Beispielhaft
kann ein elastomeres Acryl-Polymer,
das als Wandler 100 verwendet wird, um 100 Prozent in der
Richtung 108 und um 500 Prozent in der dazu senkrechten
Richtung 110 gestreckt werden. Die Konstruktion des Wandlers 100 und
die geometrischen Randbeschränkungen können die
gerichtete Auslenkung ebenfalls beeinflussen, wie unten im Hinblick
auf Aktuatoren beschrieben werden wird.
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Eine
anisotrope Vorbeanspruchung kann auch die Leistung eines Wandlers
beim Umwandeln von mechanischer in elektrische Energie in einem Generatormodus
verbessern. Zusätzlich
dazu, dass sie die dielektrische Durchbruchfestigkeit des Polymers
vergrößert und
es gestattet, mehr Ladung auf das Polymer aufzubringen, kann eine
hohe Vorbeanspruchung die mechanische in elektrische Kopplung in
der Richtung der geringen Vorbeanspruchung verbessern. Das heißt, mehr
von der mechanischen Beaufschlagung in die Richtung der geringen
Vorbeanspruchung kann in elektrische Abgabe umgewandelt werden,
womit der Wirkungsgrad des Generators erhöht wird.
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Das
Maß der
Vorbeanspruchung für
ein Polymer kann auf dem elektroaktiven Polymer und der gewünschten
Leistung des Polymers in einem Aktuator oder einer Anwendung basieren.
Für einige
Polymere der vorliegenden Erfindung kann die Vorbeanspruchung in
einer oder mehreren Richtungen von –100 Prozent bis 600 Prozent
reichen. Beispielhaft können
für ein
VHB-Acryl-Elastomer mit isotroper Vorbeanspruchung Vorbeanspruchungen
von wenigstens etwa 100 Prozent und vorzugsweise zwischen etwa 200–400 Prozent
in jeder Richtung verwendet werden. Bei einer Ausführungsform
wird das Polymer um einen Faktor im Bereich von etwa 1,5 mal bis
50 mal der ursprünglichen
Fläche
vorbeansprucht. Für
ein anisotropes Acryl, das vorbeansprucht wurde, um die Aktivierung
in einer nachgiebigen Richtung zu verbessern, können Vorbeanspruchungen zwischen
etwa 400–500
Prozent in der versteiften Richtung verwendet werden, und Vorbeanspruchungen
zwischen etwa 20–200
Prozent können in
der nachgiebigen Richtung verwendet werden. In einigen Fällen kann
in einer Richtung eine Vorbeanspruchung hinzugefügt werden, so dass in einer
anderen Richtung eine negative Vorbeanspruchung auftritt, z. B.
600 Prozent in einer Richtung, verbunden mit – 100 Prozent in einer dazu orthogonalen Richtung.
In diesen Fällen
ist die Nettoveränderung der
Fläche
auf Grund der Vorbeanspruchung typischerweise positiv.
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Die
Vorbeanspruchung kann andere Eigenschaften des Polymers 102 beeinflussen.
Große
Vorbeanspruchungen können
die elastischen Eigenschaften des Polymers verändern und es in einen steiferen
Bereich mit geringeren viskoelastischen Verlusten bringen. Für einige
Polymere vergrößert die
Vorbeanspruchung die elektrische Durchbruchfestigkeit des Polymers,
was es gestattet, höhere elektrische
Felder innerhalb des Polymers zu verwenden – was höhere Aktivierungsdrücke und
höhere
Auslenkungen zulässt.
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Eine
lineare Beanspruchung und eine Flächenbeanspruchung können verwendet
werden, um die Auslenkung eines vorbeanspruchten Polymers zu beschreiben.
So, wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich die lineare
Vorbeanspruchung eines vorbeanspruchten Polymers auf die Auslenkung
pro Längeneinheit
entlang einer Auslenkungslinie in Bezug zum nicht-aktivierten Zustand.
Maximale lineare (Zug- oder Druck-)Beanspruchungen von wenigstens etwa
50 Prozent sind für
vorbeanspruchte Polymere der vorliegenden Erfindung üblich. Selbstverständlich kann
ein Polymer mit einer kleineren Beanspruchung als dem Maximum ausgelenkt
werden, und die Beanspruchung kann eingestellt werden, indem man die
angelegte Spannung einstellt. Für
einige vorbeanspruchte Polymere sind maximale lineare Beanspruchungen
von wenigstens etwa 100 Prozent üblich.
Für Polymere,
wie VHB 4910, wie es von der 3 M Corporation, St. Paul, MN, erzeugt
wird, sind maximale lineare Beanspruchungen im Bereich von 40 bis
215 Prozent üblich.
Eine Flächenbeanspruchung eines
elektroaktiven Polymers bezieht sich auf die Veränderung der Ebenenfläche, z.
B. die Veränderung
der durch die Richtungen 108 und 110 in den 1A und 1B definierten
Ebene pro Flächeneinheit
des Polymers nach einer Aktivierung in Bezug zum nicht-aktivierten
Zustand. Maximale Flächenbeanspruchungen
von wenigstens etwa 100 Prozent sind für vorbeanspruchte Polymere
der vorliegenden Erfindung möglich.
Für einige
vorbeanspruchte Polymere sind maximale Flächenbeanspruchungen im Bereich
von 70 bis 330 Prozent üblich.
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Nachdem
das Polymer vorbeansprucht ist, kann es allgemein an einem oder
mehreren Objekten fixiert werden. Jedes Objekt kann ausreichend
steif sein, um das Maß der
gewünschten
Vorbeanspruchung im Polymer aufrechtzuerhalten. Das Polymer kann
an dem einen oder den mehreren Objekten gemäß einem beliebigen konventionellen,
auf dem Fachgebiet bekannten Verfahren fixiert werden, wie einem
chemischen Kleber, einer Kleberschicht oder einem Klebermaterial,
mechanischer Befestigung, usw..
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Wandler
und vorbeanspruchte Polymere der vorliegenden Erfindung sind nicht
auf irgendeine spezielle Geometrie oder lineare Auslenkung beschränkt. Zum
Beispiel können
das Polymer und die Elektroden in eine beliebige Geometrie oder
Gestalt geformt werden, einschließlich Röhren und Rollen, gestreckte
Polymere, die zwischen mehreren starren Strukturen befestigt werden,
gestreckte Polymere, die über
einem Rahmen mit einer beliebigen Geometrie – einschließlich gekrümmte oder komplexe Geometrien, über einem
Rahmen mit einem oder mehreren Gelenken, usw. befestigt werden.
Die Auslenkung eines Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung
schließt
eine lineare Ausdehnung und Kompression in einer oder mehreren Richtungen,
eine Biegung, eine axiale Auslenkung, wenn das Polymer gerollt ist,
eine Auslenkung aus einer in einem Substrat vorgesehenen Öffnung heraus,
usw. ein. Die Auslenkung eines Wandlers kann dadurch beeinflusst werden,
wie das Polymer durch einen Rahmen oder starre Strukturen, die am
Polymer befestigt sind, eingeschränkt wird. Bei einer Ausführungsform
wird ein flexibles Material, das in seiner Längenausdehnung steifer ist
als das Polymer, an einer Seite eines Wandlers befestigt und induziert
eine Biegung, wenn das Polymer aktiviert wird. Bei einer anderen
Ausführungsform
wird ein Wandler, der aus der Ebene heraus ausgelenkt wird, als
eine Membran bezeichnet. Eine Membran-Vorrichtung zum Umwandeln zwischen elektrischer
Energie und mechanischer Energie wird ausführlicher mit Bezug auf die 1E und 1F beschrieben.
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Elektroaktive
Polymere können
eine mit einer Textur versehene Oberfläche einschließen. 1C zeigt
eine mit einer Textur versehene Oberfläche 150 für ein elektroaktives
Polymer 152 mit einem wellenartigen Profil. Die mit einer
Textur versehene Oberfläche 150 gestattet
es, dass das Polymer 152 unter Ausnutzung einer Biegung
der Oberflächenwellen 154 ausgelenkt
wird. Eine Biegung der Oberflächenwellen 154 sorgt
für eine
gerichtete Nachgiebigkeit in einer Richtung 155, mit einem
geringeren Widerstand als ein Strecken des gesamten Volumens für eine am
Polymer 152 befestigte steife Elektrode in der Richtung 155.
Die mit einer Textur versehene Oberfläche 150 kann durch
Täler und Bergrücken charakterisiert
werden, zum Beispiel etwa 0,1 Mikrometer bis 40 Mikrometer breit
und etwa 0,1 Mikrometer bis 20 Mikrometer tief. In diesem Fall ist
die Wellenbreite und -tiefe wesentlich kleiner als die Dicke des
Polymers. Bei einer spezifischen Ausführungsform sind die Täler und
Bergrücken
ungefähr
10 Mikrometer breit und 6 Mikrometer tief, auf einer Polymerschicht
mit einer Dicke von 200 Mikrometern.
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Bei
einer Ausführungsform
ist eine dünne Schicht
aus einem steifen Material 156, wie eine Elektrode, am
Polymer 152 befestigt, um das wellenartige Profil bereitzustellen.
Während
der Fertigung wird das elektroaktive Polymer mehr gestreckt, als
es sich strecken kann, wenn es aktiviert wird, und die dünne Lage
aus steifem Material 156 wird an der Oberfläche des
gestreckten Polymers 152 befestigt. Anschließend wird
das Polymer 152 entlastet, und die Struktur beult sich
aus, um die mit der Textur versehene Oberfläche bereitzustellen.
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Allgemein
kann eine mit einer Textur versehene Oberfläche eine beliebige ungleichförmige oder unebene
Oberflächentopographie
umfassen, die es einem Polymer erlaubt, unter Verformung in der
Polymeroberfläche
ausgelenkt zu werden. Beispielhaft zeigt 1D ein
elektroaktives Polymer 160, das eine aufgeraute Oberfläche 161 mit
einer zufälligen Texturierung
einschließt.
Die aufgeraute Oberfläche 160 gestattet
eine Ebenenauslenkung, die nicht richtungsabhängig nachgiebig ist. Vorteilhaft
kann die Verformung der Oberflächentopographie
die Auslenkung einer steifen Elektrode mit weniger Widerstand als
eine Streckung oder Kompression des gesamten Volumens erlauben.
Es sollte festgestellt werden, dass die Auslenkung eines vorbeanspruchten
Polymers mit einer mit einer Textur versehenen Oberfläche eine
Kombination einer Oberflächenverformung und
einer Streckung des gesamten Volumens des Polymers umfassen kann.
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Mit
einer Textur versehene oder ungleichförmige Oberflächen für das Polymer
können
auch die Verwendung einer Sperrschicht und/oder von Elektroden gestatten,
die sich auf eine Verformung der mit der Textur versehenen Oberflächen verlassen.
Die Elektroden können
Metalle einschließen,
die sich entsprechend der Geometrie der Polymeroberfläche biegen.
Die Sperrschicht kann verwendet werden, um Ladung im Fall eines
lokalen elektrischen Durchbruchs im vorbeanspruchten Polymermaterial
zu blockieren.
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Materialien,
die zur Verwendung als vorbeanspruchtes Polymer mit der vorliegenden
Erfindung geeignet sind, können
irgend ein im Wesentlichen isolierendes Polymer oder Kautschuk (oder
Kombination davon) einschließen,
das/der sich ansprechend auf eine elektrostatische Kraft verformt
oder dessen Verformung zu einer Veränderung im elektrischen Feld
führt.
Ein geeignetes Material ist NuSil CF19-2186, wie es von der NuSil
Technology Carpenteria, CA, geliefert wird. Allgemeiner schließen zur
Verwendung als vorbeanspruchtes Polymer geeignete beispielhafte
Materialien Silikon-Elastomere, Acryl-Elastomere, Polyurethane,
thermoplastische Elastomere, PVDF umfassende Copolymere, druckempfindliche
Klebstoffe, Fluor-Elastomere, Silikon- und Acryl-Komponenten umfassende
Polymere und dergleichen ein. Silikon- und Acryl-Komponenten umfassende
Polymere können
zum Beispiel Silikon- und Acryl-Komponenten einschließende Copolymere,
ein Silikon-Elastomer und ein Acryl-Elastomer umfassende Polymermischungen
einschließen.
Offensichtlich können
Kombinationen von einigen dieser Materialien in Wandlern dieser
Erfindung als das Polymer verwendet werden.
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Ein
Beispiel eines geeigneten Silikon-Elastomers ist Dow Corning HS3,
wie es von Dow Corning, Wilmington, Delaware, geliefert wird. Ein
Beispiel eines geeigneten Fluor-Silikons ist Dow Corning 730, wie
es von Dow Corning, Wilmington, Delaware, geliefert wird. Ein geeignetes
Beispiel eines thermoplastischen Elastomers ist Styrol-Butadien-Styrol(SBS)-Block-Copolymer.
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Einige
Acryle, wie irgendein Acryl in der 4900 VHB Acryl-Reihe, wie sie
von der 3 M Corp., St. Paul, MN geliefert wird, haben Eigenschaften,
die zur Verwendung als Wandlerpolymer für diese Erfindung geeignet
sind. Daher können
bei einigen Ausführungsformen
Polymere, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet
sind, aus irgend einem monoethylenisch ungesättigten Monomer (oder Kombination
von Monomeren) hergestellt werden, das homopolymerisierbar ist,
um ein Polymer zu bilden, das eine Glasübergangstemperatur von höchstens
etwa 0 Grad Celsius besitzt. Bevorzugte monoethylenisch ungesättigte Monomere
schließen
Isooctylacrylat, 2-Ethylhexylacrylat, Decylacrylat, Dodecylacrylat,
Hexylacrylat, Isononylacrylat, Isooctylmethacrylat und 2-Ethylhexylmethacrylat
ein. Jegliches der Monomere kann auch ein oder mehrere Halogene,
wie Fluor, enthalten.
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Ein
Beispiel eines geeigneten Copolymers schließt sowohl Silikon- und Acryl-Elastomer-Komponenten
ein. In einigen Fällen
können
Materialien, die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet
sind, Kombinationen von einem oder mehreren der oben angegebenen
Materialien enthalten. Zum Beispiel ist ein geeignetes Polymer eine
Mischung, die ein Silikon-Elastomer und ein Acryl-Elastomer enthält.
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In
vielen Fällen,
sind Materialien, die gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, kommerziell erhältliche Polymere. Die kommerziell
erhältlichen
Polymere können
zum Beispiel irgend ein kommerziell verfügbares Silikon-Elastomer, Polyurethan,
PVDF-Copolymer und klebendes Elastomer einschließen. Die Verwendung von kommerziell
erhältlichen
Materialien liefert preiswerte Alternativen für Wandler und zugehörige Vorrichtungen
der vorliegenden Erfindung. Die Verwendung von kommerziell erhältlichen
Materialien kann auch die Fertigung vereinfachen. Bei einer spezifischen
Ausführungsform ist
das kommerziell erhältliche
Polymer ein kommerziell erhältliches
Acryl-Elastomer, das Mischungen von aliphatischem Acrylat umfasst,
die während
der Fertigung photogehärtet
werden. Die Elastizität
des Acryl-Elastomers resultiert aus einer Kombination der verzweigten
aliphatischen Gruppen und der Vernetzung zwischen den Acryl-Polymer-Ketten.
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Materialien,
die als vorbeanspruchtes Polymer verwendet werden, können basierend
auf einer oder mehreren Materialeigenschaften ausgewählt werden,
wie einer hohen elektrischen Durchbruchfestigkeit, einem niedrigen
Elastizitätsmodul
-(für große oder
kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante, usw.. Bei der
vorliegenden Erfindung wird das Polymer so ausgewählt, dass
es ein Elastizitätsmodul
von höchstens
etwa 100 MPa aufweist. Das Polymer kann so ausgewählt werden,
dass es einen maximalen Aktivierungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa
und etwa 10 MPa aufweist, und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 MPa
und etwa 3 MPa. Bei einem anderen Beispiel wird das Polymer so ausgewählt, dass
es eine Dielektrizitätskonstante
zwischen etwa 2 und etwa 20 besitzt, und vorzugsweise zwischen etwa
2,5 und etwa 12. Für
einige Anwendungen wird ein elektroaktives Polymer basierend auf
einer oder mehreren Anwendungs-Anforderungen ausgewählt, wie
ein weiter Temperatur- und/oder Feuchtigkeitsbereich, Wiederholbarkeit,
Genauigkeit, geringes Kriechen, Zuverlässigkeit und Ausdauer. Häufig haben
halogenierte Polymere, wie fluorierte oder chlorierte Polymere,
eine höhere
Dielektrizitätskonstante
als das Ausgangspolymer. In einem Beispiel kann ein hochgradig dielektrisches
Polyurethan aus teilweise fluorierten Urethanmonomeren hergestellt werden.
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Elektroaktive
Polymere können
auch ein oder mehrere Additive einschließen, um verschiedene Eigenschaften
zu verbessern. Beispiele von geeigneten Materialklassen schließen Weichmacher, Antioxidantien
und partikelförmige
Feststoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante ein. Beispiele
von geeigneten Weichmachern schließen Kohlenwasserstoff-Öle mit hohem
Molekulargewicht, Kohlenwasserstoff-Fette mit hohem Molekulargewicht,
Pentalyne H, Piccovar® AP Kohlenwasserstoff-Harze, Admex 760,
Plastolein 9720, Silikon-Öle,
Silikon-Fette, Floral 105, Silikon-Elastomere, nicht-ionische oberflächenaktive
Stoffe und dergleichen ein. Natürlich können Kombinationen
dieser Materialien verwendet werden. Bei einer Ausführungsform
ist das Antioxidans ein nicht-flüchtiges
festes Antioxidans.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
verbessern die Additive die Fähigkeit
des Polymers, zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie
umzuwandeln. Allgemein können
die Additive jegliche Polymereigenschaft oder jeglichen Parameter
verbessern, der mit der Fähigkeit
des Parameters in Beziehung steht, zwischen mechanischer Energie und
elektrischer Energie umzuwandeln. Polymermaterial-Eigenschaften
und Parameter, die mit der Fähigkeit
des Polymers in Beziehung stehen, zwischen mechanischer Energie
und elektrischer Energie umzuwandeln, schließen zum Beispiel die dielektrische Durchbruchfestigkeit,
maximale Beanspruchung, Dielektrizitätskonstante, Elastizitätsmodul,
Eigenschaften, die mit dem viskoelastischen Verhalten verbunden
sind, Eigenschaften, die mit Kriechen verbunden sind, Ansprechzeit
und Aktivierungsspannung ein. Die Zugabe eines Weichmachers kann
zum Beispiel das Funktionieren eines Wandlers dieser Erfindung verbessern,
indem das Elastizitätsmodul
des Polymers verringert und/oder die dielektrische Durchbruchfestigkeit
des Polymers erhöht
wird.
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Bei
einer Ausführungsform
ist ein Additiv in einem Polymer enthalten, um die dielektrische Durchbruchfestigkeit
des Polymers zu verbessern. Eine Verbesserung der dielektrischen
Durchbruchfestigkeit gestattet die Verwendung von größeren elektrisch
aktivierten Beanspruchungen für
das Polymer. Beispielhaft kann ein weichmachendes Additiv zu einem
Polymer hinzugefügt
werden, um die dielektrische Durchbruchfestigkeit des Polymers zu
erhöhen.
Alternativ kann ein synthetisches Harz zu einem Styrol-Butadien-Styrol-Block-Copolymer
hinzugefügt
werden, um die dielektrische Durchbruchfestigkeit des Copolymers
zu verbessern. Zum Beispiel wurde Pentalyn-H, wie es von Hercules,
Inc., Wilmington, DE hergestellt wird, zu Kraton D2104, wie es von
Shell Chemical, Houston, TX hergestellt wird, hinzugefügt, um die
dielektrische Durchbruchfestigkeit des Kraton D2104 zu verbessern.
Weitere Einzelheiten der Fertigung von Polymeren, die ein Hinzufügen von
einem oder mehren Additiven einschließen, werden unten geliefert.
In diesem Fall kann das Verhältnis
des hinzugefügten
Pentalyn-H von etwa 0 bis 2:1 Gewichtsanteile reichen. Bei einer anderen
Ausführungsform
wird ein Additiv eingeschlossen, um die Dielektrizitätskonstante
eines Polymers zu erhöhen.
Zum Beispiel können
partikelförmige
Feststoffe mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie feine Keramikpulver,
hinzugefügt
werden, um die Dielektrizitätskonstante
eines kommerziell erhältlichen
Polymers zu erhöhen.
Alternativ können
Polymere, wie Polyurethan, teilweise fluoriert werden, um die Dielektrizitätskonstante
zu erhöhen.
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Alternativ
kann ein Additiv in einem Polymer enthalten sein, um das Elastizitätsmodul
des Polymers zu verringern. Eine Verringerung des Elastizitätsmoduls
ermöglicht
größere Beanspruchungen
für das
Polymer. Bei einer spezifischen Ausführungsform wurde Mineralöl zu einer
Lösung
von Kraton D hinzugefügt,
um das Elastizitätsmodul
des Polymers zu verringern. In diesem Fall kann das Verhältnis des hinzugefügten Mineralöls im Bereich
von etwa 0 bis 2:1 Gewichtsanteile liegen. Spezifische Materialien, die
enthalten sind, um das Elastizitätsmodul
eines Acryl-Polymers der vorliegenden Erfindung zu verringern, schließen Acrylsäuren, Acryl-Kleber,
Acryle, die flexible Seitengruppen enthalten, wie Isooctyl-Gruppen
und 2-Ethylhexyl-Gruppen, oder irgend ein Copolymer von Acrylsäure und
Isooctylacrylat ein.
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Mehrere
Additive können
in einem Polymer enthalten sein, um die Leistung von einer oder
mehreren Materialeigenschaften zu verbessern. Bei einer Ausführungsform
wurden sowohl Mineralöl und
Pentalyn-H zu einer Lösung
von Kraton D2104 hinzugefügt,
um die dielektrische Durchbruchfestigkeit zu erhöhen und das Elastizitätsmodul
des Polymers zu verringern. Alternativ kann bei einem kommerziell
erhältlichen
Silikon-Kautschuk, dessen Steifigkeit durch feine Kohlenstoffpartikel
erhöht
worden ist, die verwendet worden sind, um die Dielektrizitätskonstante
zu erhöhen,
die Steifigkeit durch das Hinzufügen
eines mit Kohlenstoff oder Silber gefüllten Silikon-Fetts verringert
werden.
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Ein
Additiv kann auch in einem Polymer enthalten sein, um für eine zusätzliche
Eigenschaft für den
Wandler zu sorgen. Die zusätzliche
Eigenschaft ist nicht notwendigerweise mit der Polymerleistung beim
Umwandeln zwischen mechanischer und elektrischer Energie verbunden.
Beispielhaft kann Pentalyn-H zu Kraton D2104 hinzugefügt werden,
um dem Polymer eine klebende Eigenschaft zu verleihen. In diesem
Fall trägt
das Additiv auch zur Umwandlung zwischen mechanischer und elektrischer
Energie bei. Bei einer spezifischen Ausführungsform lieferten Polymere,
die Kraton D2104, Pentalyn-H, Mineralöl umfassten und unter Verwendung
von Butylacetat gefertigt wurden, ein klebendes Polymer und eine
maximale lineare Beanspruchung im Bereich von etwa 70 bis 200 Prozent.
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Geeignete
Aktivierungsspannungen für
vorbeanspruchte Polymere, die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, können basierend auf dem elektroaktiven
Polymermaterial und seinen Eigenschaften (z. B. der Dielektrizitätskonstante)
sowie den Abmessungen des Polymers (z. B. der Dicke zwischen Elektroden)
variieren. Beispielhaft können
elektrische Aktivierungsfelder für
das Polymer 102 in 1A in
ihrer Größe von etwa
0 V/m bis etwa 440 Megavolt/Meter reichen. Aktivierungsspannungen
in diesem Bereich können
einen Druck im Bereich von etwa 0 Pa bis etwa 10 MPa erzeugen. Um
einen Wandler zu erzielen, der zu höheren Kräften imstande ist, kann die
Dicke des Polymers vergrößert werden.
Alternativ können
mehrere Polymerschichten realisiert werden. Aktivierungsspannungen
für ein bestimmtes
Polymer können
verringert werden, indem man zum Beispiel die Dielektrizitätskonstante erhöht, die
Polymerdicke verkleinert und das Elastizitätsmodul verringert.
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Vorbeanspruchte
Polymere der vorliegenden Erfindung können einen weiten Bereich von
Dicken abdecken. Bei einer Ausführungsform
kann die Polymerdicke im Bereich zwischen etwa 1 Mikrometer und
2 Millimeter liegen. Typische Dicken vor der Vorbeanspruchung schließen 50–225 Mikrometer
für HS3,
25–75
Mikrometer für
NuSil CF19-2186, 50–1000
Mikrometer für
SBS, und 100–1000
Mikron für
ein beliebiges Acryl-Polymer der 3 M VHB 4900-Reihe ein. Polymerdicken
können
verkleinert werden, indem man den Film in einer oder beiden Ebenenrichtungen
streckt. In vielen Fällen
können vorbeanspruchte
Polymere der vorliegenden Erfindung als Dünnfilme gefertigt und realisiert
werden. Dicken, die für
diese Dünnfilme
geeignet sind, können
unterhalb von 50 Mikrometern liegen.
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Wandler
zum Umwandeln zwischen mechanischer und elektrischer Energie der
vorliegenden Erfindung umschließen
auch mehrschichtige Laminate. Bei einer Ausführungsform bezieht sich ein
mehrschichtiges Laminat auf eine Struktur, die zusätzlich zu
einem einzelnen elektroaktiven Polymer und seinen entsprechenden
Elektroden eine oder mehrere Schichten enthält. Bei einer Ausführungsform
bezieht sich ein mehrschichtiges Laminat auf eine Struktur mit einem
Wandler, der ein elektroaktives Polymer und seine entsprechenden
Elektroden einschließt,
einer Schicht, die auf wenigstens eine der Elektroden und das Polymer
laminiert ist, und die mechanisch mit einem Teil des Wandlers gekoppelte
Schicht. Mehrschichtige Laminate können entweder als extern oder
intern bezeichnet werden. Bei externen mehrschichtigen Laminaten
liegen die eine oder mehreren zusätzlichen Schichten nicht zwischen
den Elektroden. Bei internen mehrschichtigen Laminaten liegen die
eine oder mehreren zusätzlichen
Schichten zwischen den Elektroden. Für entweder externe oder interne
Schichten können
die Schichten zum Beispiel unter Verwendung eines Klebers oder einer Leimschicht
festgeklebt werden.
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Interne
mehrschichtige Laminate können
für eine
breite Vielfalt von Zwecken verwendet werden. In einem internen
mehrschichtigen Laminat kann auch eine Schicht enthalten sein, um
irgend eine mechanische oder elektrische Eigenschaft des Wandlers
zu verbessern, z. B. Steifigkeit, elektrischen Widerstand, Reißfestigkeit,
usw.. Interne mehrschichtige Laminate können eine Schicht mit einer
größeren dielektrischen
Durchbruchfestigkeit einschließen.
Interne mehrschichtige Laminate können mehrere Schichten von
verträglichen
Materialien einschließen,
die durch leitende oder halbleitende Schichten (z. B. metallische
oder Polymer-Schichten) getrennt sind, um die Durchbruchfestigkeit
des Laminat-Wandlers zu erhöhen.
Verträgliche
Materialien beziehen sich auf Materialien, welche dasselbe oder ein
im Wesentlichen ähnliches
Material umfassen oder dieselben oder im Wesentlichen ähnliche
Eigenschaften (z. B. mechanische und/oder elektrische Eigenschaften)
besitzen. Interne Laminate aus verträglichen Materialien in Bezug
zum Polymer können
verwendet werden, um Herstellungsfehler im Polymer zu kompensieren
und für
eine größere Wandler-Gleichförmigkeit
zu sorgen. Beispielhaft kann ein 100 Mikrometer dickes einschichtiges
Polymer einen Defekt aufweisen, der die gesamten 100 Mikrometer Dicke
beeinflussen kann. In diesem Fall kann ein Laminat aus zehn Schichten
verwendet werden, von denen jede eine Dicke von 10 Mikrometern besitzt,
so dass jegliche Herstellungsdefekte lokal auf ein 10-Mikrometer-Polymer
begrenzt sind – womit
eine vergleichbare 100 Mikrometer dicke Laminatstruktur bereitgestellt
wird, jedoch mit größerer Gleichförmigkeit und
Fehlertoleranz, verglichen mit dem einschichtigen Polymer. Interne
Laminate aus verträglichen
Materialien in Bezug zum Polymer können auch verwendet werden,
um jeglichen durchgehenden Einzieh-Effekt zu verhindern. Ein durchgehender
Einzieh-Effekt bezieht sich darauf, dass wenn die elektrostatischen Kräfte zwischen
sich nähernden
Elektroden schneller zunehmen als die elastischen Widerstandskräfte des Polymers.
In solchen Fällen
kann der Wandler elektromagnetisch instabil werden, was zu einem
schnellen lokalen Dünnerwerden
und einem elektrischen Durchbruch führt. Eine interne Schicht kann
auch verwendet werden, um eine Schutzschicht (elektrisch oder mechanisch)
für eine
andere Schicht im Verbundwerkstoff zu bieten. Bei einer Ausführungsform ist
eine elektrische Sperrschicht mechanisch zwischen eine Elektrode
und das Polymer gekoppelt, um die Auswirkung von jeglichem örtlich begrenztem Durchbruch
im Polymer zu minimieren. Ein Durchbruch kann als derjenige Punkt
definiert werden, an dem das Polymer die angelegte Spannung nicht mehr
aushalten kann. Die Sperrschicht ist typischerweise dünner als
das Polymer und weist eine höhere Dielektrizitätskonstante
auf als das Polymer, so dass der Spannungsabfall hauptsächlich über das
Polymer auftritt. Es ist häufig
von Vorzug, dass die Sperrschicht eine hohe dielektrische Durchbruchfestigkeit besitzt.
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Externe
mehrschichtige Laminate können
für eine
breite Vielfalt von Zwecken verwendet werden. Bei einer Ausführungsform
enthält
ein externer mehrschichtiger Verbundwerkstoff eine Schicht, um Steifigkeit,
Kriechen zu steuern, um Last während
der Auslenkung gleichförmiger
zu verteilen, um die Reißfestigkeit
zu erhöhen,
oder um einen durchgehenden Einzieh-Effekt zu verhindern. Externe
Laminate aus verträglichen
Polymeren, die Elektroden enthalten, können verwendet werden, um die
Last über jede
der Polymerschichten zu verteilen oder die Polymer-Gleichförmigkeit
während
der Auslenkung zu vergrößern. In
einem externen Laminat kann auch eine Schicht enthalten sein, die
eine höhere
Steifigkeit als das Polymer aufweist, z. B. ein Material mit einer
höheren
Steifigkeit oder einem anderen Maß an Vorbeanspruchung für ein verträgliches
Material, um eine Membran, eine Pumpe oder einen Biegebalken vorzuspannen.
In einem Generatormodus kann sich ein gestreckter Wandler zusammenziehen
und elektrische Energie erzeugen, solange die elektrischen Feld-Belastungen
geringer sind als die elastischen Rückstell-Belastungen. In diesem
Fall kann es das Hinzufügen
einer Versteifungsschicht gestatten, dass sich der Wandler entgegen
größeren Feld-Belastungen
zusammenzieht, wodurch seine Energieabgabe pro Hub erhöht wird.
Eine externe Schicht kann auch verwendet werden, um eine Schutzschicht
(elektrisch oder mechanisch) für
eine andere Schicht im Verbundwerkstoff zu bieten. Bei einer anderen
spezifischen Ausführungsform
enthält
ein externer Verbundwerkstoff eine Schaumstoffschicht, um eine kleine
Pumpe oder Membran vorzuspannen. Die Schaumstoffschicht kann einen
offenporigen Schaumstoff umfassen, der es gestattet, dass sich Fluide
in den Schaum hinein und aus diesem heraus bewegen. Eine externe
Schicht mit einer geringen Steifigkeit kann auch für eine elektrische
Abschirmung ohne das Einbringen von übermäßigen mechanischen Energieverlusten
verwendet werden.
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Ein
Verbundwerkstoff kann durch Rollen oder Falten eines Polymers gebildet
werden, um einen Wandler mit einer hochdichten Packung zu erzeugen.
Um bei Laminaten, die gefaltete Schichten enthalten, nachteilige
elektrische Felder in der Nachbarschaft von Falten zu vermeiden,
können
Elektroden auf dem Polymer in einem Muster vorgesehen werden, so
dass jegliches Polymer in der Nähe
der Falten keine sich überlappenden
entgegengesetzten Elektroden besitzt. Zusätzlich können das Polymer und die Elektroden
so gerollt oder gefaltet werden, dass die äußere freiliegende Elektrode
oder Elektroden dieselbe Polarität
besitzen. Die Fertigung kann derart ausgeführt werden, dass Elektroden
von entgegengesetzter Polarität
durch Polymer getrennt sind. Zum Beispiel kann ein gerollter Aktuator
hergestellt werden, indem man zwei Polymerschichten mit Elektroden
aufrollt, oder eine einzelne Schicht kann zuerst gefaltet, dann
gerollt werden. Zudem kann die äußere freiliegende
Elektrode geerdet werden, um die Sicherheit des Wandlers zu erhöhen. Eine
externe laminierte äußere Hautschicht
kann ebenfalls hinzugefügt
werden, um die Sicherheit weiter zu erhöhen.
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3. AKTUATOR- UND GENERATOR-VORRICHTUNGEN
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Die
Auslenkung eines vorbeanspruchten Polymers kann in einer Vielfalt
von Wegen verwendet werden, um mechanische Energie zu erzeugen oder zu
erhalten. Allgemein gesagt, können
elektroaktive Polymere mit einer Vielfalt von Aktuatoren und Generatoren
realisiert werden – einschließlich konventionelle
Aktuatoren und Generatoren, die nachträglich mit einem vorbeanspruchten
Polymer ausgestattet worden sind, und maßgefertigte Aktuatoren und
Generatoren, die speziell für
ein oder mehrere vorbeanspruchte Polymere ausgelegt worden sind.
Konventionelle Aktuatoren und Generatoren schließen Dehnvorrichtungen, Biegebalken,
Stapel, Membranen, usw. ein. Mehrere verschiedene beispielhafte
maßgefertigte
Aktuatoren und Generatoren gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun erörtert.
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1E zeigt
eine Querschnittsseitenansicht einer Membran-Vorrichtung 130, die ein vorbeanspruchtes
Polymer 131 enthält,
vor einer elektrischen Aktivierung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das vorbeanspruchte Polymer 131 ist an
einem Rahmen 132 befestigt. Der Rahmen 132 enthält eine
nicht-kreisförmige Öffnung 133,
die eine Auslenkung des Polymers 131 senkrecht zur Fläche der
nicht-kreisförmigen Öffnung 133 gestattet. Die
nicht-kreisförmige Öffnung 133 kann
ein rechteckiger Schlitz, eine Öffnung
mit maßgefertigter
Geometrie, usw. sein. In einigen Fällen kann ein nicht-kreisförmiger langgestreckter
Schlitz für
eine Membran-Vorrichtung
vorteilhaft sein, verglichen mit einer kreisförmigen Öffnung. Zum Beispiel ist eine
Dicken-Beanspruchung
bei einem langgestreckten Schlitz gleichförmiger, verglichen mit einer Öffnung. Nicht-gleichförmige Beanspruchungen
beschränken die
Gesamt-Leistung, da der elektrische Durchbruch eines Polymers typischerweise
durch den dünnsten Punkt
bestimmt wird. Die Membran-Vorrichtung 130 schließt Elektroden 134 und 136 auf
jeder Seite des Polymers 131 ein, um für eine Spannungsdifferenz über einen
Teil des Polymers 131 zu sorgen.
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In
der Konfiguration von 1E mit abgeschalteter Spannung
wird das Polymer 131 gestreckt und unter Spannung am Rahmen 132 befestigt,
um eine Vorbeanspruchung zu erzielen. Beim Anlegen einer geeigneten
Spannung an den Elektroden 134 und 136 dehnt sich
der Polymerfilm 131 weg von der Ebene des Rahmens 132 aus,
wie in 1F dargestellt. Die Elektroden 134 und 136 sind
nachgiebig und verändern
ihre Form mit dem vorbeanspruchten Polymer 131, während es
ausgelenkt wird.
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Die
Membran-Vorrichtung 130 ist zu einer Ausdehnung in beiden
Richtungen weg von der Ebene imstande. Bei einer Ausführungsform
schließt
die Unterseite 141 des Polymers 131 einen Vorspanndruck
ein, der die Ausdehnung des Polymerfilms 131 beeinflusst,
um ihn dauernd nach oben zu in Richtung der Pfeile 143 (1F)
zu aktivieren. Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Quellmittel,
wie eine kleine Menge an Silikon-Öl, auf die Unterseite 141 aufgebracht,
um die Ausdehnung des Polymers 131 in Richtung der Pfeile 143 zu
beeinflussen. Das Quellmittel verursacht eine leichte dauerhafte
Auslenkung in einer Richtung, wie während der Fertigung festgelegt,
z. B. indem ein leichter Drucks zur Unterseite 141 zugeführt wird,
wenn das Quellmittel aufgebracht wird. Das Quellmittel gestattet
es, dass die Membran dauernd in einer gewünschten Richtung aktiviert
wird, ohne dass ein Vorspanndruck verwendet wird.
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Das
Maß der
Ausdehnung bei der Membran-Vorrichtung 130 wird basierend
auf einer Reihe von Faktoren variieren, einschließlich des
Polymermaterials 131, der angelegten Spannung, dem Maß der Vorbeanspruchung,
jeglichem Vorspanndruck, der Nachgiebigkeit der Elektroden 134 und 136,
usw.. Bei einer Ausführungsform
ist das Polymer 131 zu Auslenkungen bis zu einer Höhe 137 imstande,
die wenigstens etwa 50 Prozent des Öffnungsdurchmessers 139 entspricht,
und kann bei großen
Auslenkungen eine halbkugelförmige
Gestalt einnehmen. In diesem Fall kann ein zwischen dem Polymer 131 und dem
Rahmen 132 gebildeter Winkel 147 kleiner als 90
Grad sein.
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Die
Membran-Vorrichtung 130 kann auch als Generator verwendet
werden. In diesem Fall dient ein Druck, wie ein Fluiddruck, als
mechanische Beaufschlagung der Membran auf der Unterseite 141, um
den Wandler (Polymer 134 und Elektroden 134 und 136)
in der Nähe
der Öffnung 133 zu
strecken, wie in 1F dargestellt. Eine Spannungsdifferenz wird
zwischen den Elektroden 134 und 136 angelegt, während der
Wandler gestreckt ist, und ein Entlasten des Drucks gestattet es,
dass sich die Membran zusammenzieht und sich die gespeicherte elektrische Energie
auf dem Wandler erhöht.
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Eine
Ausdehnung eines elektroaktiven Polymers in einer Richtung kann
Kontraktionsbelastungen in einer zweiten Richtung induzieren, wie
infolge von Poisson-Effekten. Dies kann die mechanische Abgabe bei
einem Wandler verringern, der eine mechanische Abgabe in der zweiten
Richtung liefert. Entsprechend können
Aktuatoren der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden, um ein Polymer
in der Nicht-Abgaberichtung einzuschränken. In einigen Fällen können Aktuatoren
ausgelegt werden, um die mechanische Abgabe unter Verwendung einer
Auslenkung in der Nicht-Abgaberichtung zu verbessern.
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Eine
Vorrichtung, die eine Auslenkung in einer Ebenenrichtung verwendet,
um die Energieumwandlung in der anderen Ebenenrichtung zu verbessern,
ist eine Bogen-Vorrichtung. Die 2A und 2B zeigen
eine Bogen-Vorrichtung 200 zum Umwandeln zwischen elektrischer
Energie und mechanischer Energie vor und nach einer elektrischen
Aktivierung gemäß einer
spezifischen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Die Bogen-Vorrichtung 200 ist ein
ebener Mechanismus, umfassend einen flexiblen Rahmen 202,
der für
eine mechanische Unterstützung
sorgt, um die Umwandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer
Energie für ein
am Rahmen 202 befestigtes Polymer 206 zu verbessern.
Der Rahmen 202 schließt
sechs steife Elemente 204 ein, die an Gelenken 205 verbunden
sind. Die Elemente 204 und die Gelenke 205 liefern
eine mechanische Unterstützung,
indem sie die Polymerauslenkung in einer Ebenenrichtung 208 in
eine mechanische Abgabe in einer dazu senkrechten Ebenenrichtung 210 koppeln.
Spezieller ist der Rahmen 202 so angeordnet, dass eine
kleine Auslenkung des Polymers 206 in der Richtung 208 die
Auslenkung in der dazu senkrechten Ebenenrichtung 210 verbessert.
An entgegengesetzten (Ober- und Unter-)Seiten des Polymers 206 sind
Elektroden 207 befestigt (untere Elektrode auf der Unterseite
des Polymers 206 nicht dargestellt), um für eine Spannungsdifferenz über einen
Teil des Polymers 206 zu sorgen.
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Das
Polymer 206 ist in seinen orthogonalen Richtungen mit verschiedenen
Vorbeanspruchungsstärken
ausgebildet. Spezieller enthält
das elektroaktive Polymer 206 eine hohe Vorbeanspruchung
in der Ebenenrichtung 208 und wenig oder keine Vorbeanspruchung
in der dazu senkrechten Ebenenrichtung 210. Diese anisotrope
Vorbeanspruchung ist in einer Beziehung zur Geometrie des Rahmens 202 angeordnet.
Spezieller zieht sich das Polymer bei einer Aktivierung über die
Elektroden 207 in der Richtung 208 der hohen Beanspruchung
zusammen. Mit der eingeschränkten
Bewegung des Rahmens 202 und des Hebelarms, der von dem
Element 204 bereitgestellt wird, trägt diese Kontraktion dazu bei,
die Auslenkung in der dazu senkrechten Ebenenrichtung 210 anzutreiben.
Daher biegt sich selbst bei einer kurzen Auslenkung des Polymers 206 in
der Richtung 208 der hohen Vorbeanspruchung der Rahmen 202 in
der Richtung 210 nach außen. Auf diese Weise wird eine
kleine Kontraktion in der Richtung 210 der hohen Vorbeanspruchung
zu einer größeren Ausdehnung
in der Richtung 208 der im Verhältnis geringen Vorbeanspruchung.
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Die
Verwendung der anisotropen Vorbeanspruchung und die durch den Rahmen 202 gelieferte Einschränkung der
Bogen-Vorrichtung 200 gestattet es, dass die Kontraktion
in einer Richtung die mechanische Auslenkung und die elektrische
in mechanische Umwandlung in einer anderen Richtung verbessert.
Mit anderen Worten wird eine an der Bogen-Vorrichtung 200 befestigte
Last 211 (2B) mit einer Auslenkung des
Polymers 206 in zwei Richtungen – Richtung 208 und 210 – gekoppelt.
Infolge der unterschiedlichen Vorbeanspruchung des Polymers 206 und
der Geometrie des Rahmens 202 ist daher die Bogen-Vorrichtung 200 imstande,
bei einer gleichen elektrischen Beaufschlagung für eine größere mechanische Verlagerung
und mechanische Energieabgabe als ein elektroaktives Polymer allein
zu sorgen.
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Die
Bogen-Vorrichtung 200 kann basierend auf dem Polymer 206 ausgebildet
werden. Beispielhaft kann die Geometrie des Rahmens 202 und
die Abmessungen des Polymers 206 basierend auf dem Polymermaterial 206 angepasst
werden. Bei einer spezifischen Ausführungsform, die als Polymer 206 HS3-Silikon
verwendet, weist das Polymer 206 in den Richtungen 208 und 210 bevorzugt
ein Verhältnis
von 9:2 auf, mit Vorbeanspruchungen von etwa 270 Prozent und –25 Prozent
in den Richtungen 208 bzw. 210. Unter Verwendung
dieser Anordnung sind lineare Beanspruchungen von wenigstens etwa
100 Prozent in Richtung 210 möglich.
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Die
Vorbeanspruchung im Polymer 206 und die vom Rahmen 202 gelieferte
Einschränkung
kann es der Bogen-Vorrichtung 200 auch erlauben, für eine gegebene
Auslenkung niedrigere Aktivierungsspannungen für das vorbeanspruchte Polymer 206 zu
verwenden. Da die Bogen-Vorrichtung 200 in der Richtung 210 der
geringen Vorbeanspruchung ein geringeres effektives Elastizitätsmodul
aufweist, gestattet es die vom Rahmen 202 gelieferte mechanische
Einschränkung
der Bogen-Vorrichtung 200 in Richtung 210 mit
einer niedrigeren Spannung bis zu einer größeren Auslenkung aktiviert
zu werden. Zudem erhöht
die hohe Vorbeanspruchung in Richtung 208 die Durchbruchfestigkeit
des Polymers 206, was höhere
Spannungen und höhere
Auslenkungen für die
Bogen-Vorrichtung 200 zulässt.
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Wenn
sich ein Polymer infolge von elektrostatischen Kräften ausdehnt,
wie zuvor mit Bezug auf 1A erwähnt, dehnt
es sich weiter aus, bis mechanische Kräfte mit dem elektrostatischen
Druck, der die Ausdehnung antreibt, im Gleichgewicht stehen. Wenn
die Last 211 an der Bogen-Vorrichtung 200 befestigt ist,
werden durch die Last 211 bereitgestellte mechanische Effekte
das Kraftgleichgewicht und die Auslenkung des Polymers 206 beeinflussen. Wenn
die Last 211 zum Beispiel der Ausdehnung der Bogen-Vorrichtung 200 einen
Widerstand entgegensetzt, dann kann sich das Polymer 206 nicht
so sehr ausdehnen, wie wenn keine Last vorhanden wäre.
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In
einem Beispiel kann die Bogen-Vorrichtung 200 zusätzliche
Komponenten einschließen,
um für
eine mechanische Unterstützung
zu sorgen und die mechanische Abgabe zu verbessern. Beispielhaft können Federn 220,
wie in 2C dargestellt, an der Bogen-Vorrichtung 200 befestigt
sein, um die Auslenkung in der Richtung 210 zu verbessern.
Die Federn laden die Bogen-Vorrichtung 200,
so dass die von den Federn aufgebrachte Federkraft zu einem von
einer externen Last gelieferten Widerstand entgegensetzt ist. In
einigen Fällen
liefern die Federn 220 eine zunehmende Unterstützung für die Auslenkung
der Bogen-Vorrichtung 200. Bei einer Ausführungsform können statt
der äußeren Federn 220 Federelemente in
die Gelenke 205 eingebaut werden, um die Auslenkung der
Bogen-Vorrichtung 200 zu verbessern. Zusätzlich kann
die Vorbeanspruchung erhöht
werden, um die Auslenkung zu verbessern. Die Last kann auch mit
den starren Elementen 204 auf der Ober- und Unterseite
des Rahmens 202 gekoppelt werden, statt sie mit den starren
Elementen der Seite des Rahmens 202 zu koppeln (wie in 2B dargestellt). Da
sich die oberen und unteren starren Elemente 204 aufeinander
zu zusammenziehen, wenn eine Spannung angelegt wird, wie in 2B dargestellt,
stellt der Bogen-Aktuator 200 eine beispielhafte Vorrichtung
bereit, die sich beim Anlegen einer Spannung in der Ebene zusammenzieht,
statt dass sie sich ausdehnt.
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Wenn
sie als Generator verwendet wird, verbessert die Bogen-Vorrichtung 200 die
Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie. Man rufe sich
ins Gedächtnis
zurück,
dass ein Generator (wie in den 1A und 1B)
der vorliegenden Erfindung mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln
wird, wenn er sich zusammenzieht. Man rufe sich auch ins Gedächtnis zurück, dass
die Kontraktion anhalten wird und den Wirkungsgrad verringern kann,
wenn der elektrische Felddruck während der
Kontraktion zunimmt und ein Gleichgewicht mit den elastischen Rückstell-Belastungen
erreicht. Die elastische Energie pro Volumeneinheit in einem Polymer
ist typischerweise proportional zur elastischen Rückstell-Belastung
oder zum elastischen Rückstell-Druck,
z. B. der Belastung, die an einer Begrenzung aufgebracht wird. Ein
Weg, um die elastische Energie für
eine gegebene Rückstell-Belastung
oder einen gegebenen Rückstell-Druck
zu maximieren, besteht darin, ein Polymer mit einem niedrigeren
Modul zu verwenden. Polymere mit einem niedrigeren Modul können jedoch
im Allgemeinen geringere Durchbruchfestigkeiten besitzen und können die
Vorteile eines niedrigen Moduls zunichte machen. Die Bogen-Vorrichtung 200 ist
ein Weg, um die elastische Energie für eine gegebene Netto-Rückstell-Belastung oder einen
gegebenen Netto-Rückstell-Druck
zu maximieren, ohne ein Material mit einem niedrigeren Modul zu
verwenden. Dies wird unter Verwendung des Rahmens 202 in
Verbindung mit anisotropen Vorbeanspruchungen in den Richtungen 208 und 210 gemacht,
so dass für
eine gegebene Beanspruchung der Netto-Rückstell-Druck oder die Netto-Rückstell-Kraft
kleiner ist als sie es für
freie Begrenzungs-Bedingungen am Polymer 206 wären. Eine hohe
Vorbeanspruchung in Richtung 208 liefert über den
Rahmen 202 elastische Energie, um zur Ausdehnung in Richtung 210 beizutragen.
Was die Ausdehnung in Richtung 210 angeht, so wirkt das
Polymer, als ob es ein niedriges Modul besitzt, und es kann eine
große
Menge an elastischer Energie für
eine gegebene Beaufschlagungskraft oder Beaufschlagungsbelastung
an der Begrenzung gespeichert werden. Da die Kontraktion in Richtung 208 klein
ist, und die Flächenänderung
aus der kleinen Kontraktion entsprechend klein ist, ist das elektrische
Verhalten aufgrund von Veränderungen
in Richtung 208 minimal, verglichen mit dem großen elektrischen
Verhalten (z. B. Veränderung
der Kapazität)
aufgrund der großen
Beanspruchungsänderungen
in Richtung 210. Das Polymer 206 verhält sich
daher, als ob es ein Material mit einem sehr niedrigen Modul wäre, das
sich im Wesentlichen in einer Richtung (Richtung 210) dehnt,
was es gestattet, dass die Bogen-Vorrichtung 200 eine relativ
große
Energiemenge pro Volumeneinheit Polymer pro Hub mit hohen Wirkungsgraden
umwandelt, verglichen mit anderen Vorrichtungen, die dasselbe Polymer 206 verwenden.
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Die
Gestalt und Einschränkung
des Polymers kann die Auslenkung beeinflussen. Ein Seitenverhältnis für ein elektroaktives
Polymer ist als das Verhältnis
von seiner Länge
zur Breite definiert. Wenn das Seitenverhältnis hoch ist (z. B. ein Seitenverhältnis von
wenigstens etwa 4:1) und das Polymer entlang seiner Länge durch
starre Elemente eingeschränkt
wird, dann kann die Kombination zu einer im Wesentlichen eindimensionalen
Auslenkung in Richtung der Breite führen.
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Die 2D und 2E zeigen
eine Linearbewegungs-Vorrichtung 230 zum Umwandeln zwischen
elektrischer Energie und mechanischer Energie vor und nach einer
Aktivierung gemäß einer
spezifischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Linearbewegungs-Vorrichtung 230 ist
ein ebener Mechanismus, der eine mechanische Translationsbewegung
in einer Richtung aufweist. Die Linearbewegungs-Vorrichtung 230 umfasst
ein Polymer 231 mit einer Länge 233, die wesentlich
größer ist
als seine Breite 234 (z. B. ein Seitenverhältnis von wenigstens
etwa 4:1). Das Polymer 231 ist auf entgegengesetzten Seiten
entlang seiner Länge 233 an steifen
Elementen 232 eines Rahmens befestigt. Die steifen Elemente 232 besitzen
eine größere Steifigkeit
als das Polymer 231. Die von den steifen Elementen 232 bereitgestellte
geometrische Randeinschränkung
verhindert im Wesentlichen eine Verlagerung in einer Richtung 236 entlang
der Polymerlänge 233 und
erleichtert eine Auslenkung nahezu ausschließlich in einer Richtung 235.
Wenn die Linearbewegungs-Vorrichtung 230 mit
einem Polymer 231 realisiert wird, das eine anisotrope
Vorbeanspruchung besitzt, wie eine höhere Vorbeanspruchung in der
Richtung 236 als in der Richtung 235, dann ist das
Polymer 231 in der Richtung 236 steifer als in
der Richtung 235, und daraus können sich große Auslenkungen
in der Richtung 235 ergeben. Beispielhaft kann eine solche
Anordnung für
Acryle mit einer anisotropen Vorbeanspruchung lineare Beanspruchungen
von wenigstens etwa 200 Prozent erzeugen.
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Eine
Ansammlung von elektroaktiven Polymeren oder Aktuatoren kann mechanisch
verknüpft werden,
um einen größeren Aktuator
mit einer gemeinsamen Abgabe, z. B. Kraft und/oder Verlagerung,
zu bilden. Durch Verwendung eines kleinen elektroaktiven Polymers
als Grundeinheit in einer Ansammlung kann die Umwandlung von elektrischer Energie
in mechanische Energie entsprechend einer Anwendung skaliert werden.
Beispielhaft können mehrere
Linearbewegungs-Vorrichtungen 230 in Richtung 235 in
Reihe kombiniert werden, um einen Aktuator mit einer kumulativen
Auslenkung von sämtlichen
der Linearbewegungs-Vorrichtungen
in der Reihe zu bilden. Wenn elektrische Energie in mechanische
Energie umgewandelt wird, können
elektroaktive Polymere – entweder
einzeln oder in einer Ansammlung mechanisch verknüpft – als 'künstlicher Muskel' bezeichnet werden.
Für Zwecke
dieser Anmeldung ist künstlicher
Muskel als ein oder mehrere Wandler und/oder Aktuatoren definiert,
die eine einzige Abgabekraft und/oder Abgabeverlagerung besitzen.
Künstlicher
Muskel kann auf einer Mikro- oder Makro-Ebene realisiert werden
und kann irgend einen oder mehrere der hier beschriebenen Aktuatoren umfassen.
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2F zeigt
eine Querschnittsseitenansicht einer mehrschichtigen Vorrichtung 240 zum
Umwandeln zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie
als ein Beispiel von künstlichem
Muskel gemäß einer
spezifischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die mehrschichtige Vorrichtung 240 schließt vier
vorbeanspruchte Polymere 241 ein, die parallel angeordnet
und jeweils an einem starren Rahmen 242 befestigt sind,
so dass sie dieselbe Auslenkung besitzen. Elektroden 243 und 244 sind
auf entgegengesetzte Oberflächen
von jedem Polymer 241 deponiert und sorgen für eine gleichzeitige
elektrostatische Aktivierung der vier vorbeanspruchten Polymere 241.
Die mehrschichtige Vorrichtung 240 liefert eine kumulative
Kraftabgabe der einzelnen Polymerschichten 241.
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Eine
Kombination von einzelnen Polymerschichten parallel oder in Reihe
weist eine ähnliche Wirkung
auf Wandler auf, die in einem Generatormodus betrieben werden. Allgemein
erhöht
die parallele Kopplung von Schichten die Steifigkeit und die maximale
Beaufschlagungskraft der Vorrichtung, ohne ihren maximalen Hub zu
verändern,
während
eine Kombination von Schichten in Reihe den maximalen Hub erhöht, ohne
die maximale Beaufschlagungskraft zu erhöhen. Durch Kombination von
Schichten in Reihe und parallel kann daher ein Generator ausgelegt
werden, um zu einer spezifischen mechanischen Beaufschlagungslast
zu passen.
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Bei
einem anderen Beispiel können
an Stelle von einem Polymer mehrere elektroaktive Polymerschichten
verwendet werden, um die Kraft- oder die Druckabgabe eines Aktuators
zu erhöhen.
Zum Beispiel können
zehn elektroaktive Polymere geschichtet werden, um die Druckabgabe
der Membran-Vorrichtung aus 1E zu
vergrößern. 2G zeigt eine
solche gestapelte mehrschichtige Membran-Vorrichtung 245 zum
Umwandeln zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie
als ein anderes Beispiel von künstlichem
Muskel gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die gestapelte mehrschichtige Vorrichtung 245 schließt drei
Polymerschichten 246 ein, die aufeinander geschichtet sind
und durch Kleberschichten 247 befestigt sein können. Innerhalb
der Kleberschichten 247 befinden sich Elektroden 248 und 249,
die für eine
Aktivierung der Polymerschichten 246 sorgen. Eine relativ
steife Platte 250 ist an der äußersten Polymerschicht befestigt
und so mit einem Muster versehen, dass sie Öffnungen 251 enthält, die
eine Auslenkung der gestapelten mehrschichtigen Membran-Vorrichtung 245 gestatten.
Indem man die Polymerschichten 246 kombiniert, liefert
die gestapelte mehrschichtige Vorrichtung 245 eine kumulative Kraftabgabe
der einzelnen Polymerschichten 246.
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Zusätzlich zu
der Linearbewegungs-Vorrichtung 230 aus den 2D und 2E können elektroaktive
Polymere in einer Vielfalt von Vorrichtungen enthalten sein, die
zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie umwandeln. 2H zeigt
einen Linear-Aktuator 255, der eine elektroaktive Polymermembran 256 zum
Umwandeln zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst. In diesem Fall ist ein Abgabeschaft 257 an
einem mittleren Teil der Membran 256 befestigt, die in
einer nicht-kreisförmigen Öffnung 258 eines
Rahmens 261 ausgelenkt wird. Nach Aktivierung und Entnahme
der elektrostatischen Energie führt der
Abgabeschaft 257 eine translatorische Bewegung aus, wie
durch den Pfeil 259 angezeigt. Der Linear-Aktuator 255 kann
auch ein nachgiebiges Federelement 260 einschließen, das
dazu beiträgt,
den Abgabeschaft 257 zu positionieren.
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In
einem Beispiel ist die nicht-kreisförmige Öffnung 258 ein langgestreckter
Schlitz. Wie zuvor angegeben, hat ein langgestreckter Schlitz typischerweise
eine gleichförmigere Beanspruchung
als eine kreisförmige Öffnung.
Zusätzlich
weist die Polymermembran 256 in der Längsachse des Schlitzes eine höhere Vorbeanspruchung
im Verhältnis
zur Vorbeanspruchung in der dazu senkrechten Ebenenrichtung auf.
Durch Verwendung einer im Verhältnis
hohen Vorbeanspruchung in Schlitzlängsrichtung sowie einer im
Verhältnis
niedrigen Vorbeanspruchung in der dazu senkrechten Ebenenrichtung
kann die Verlagerung des Abgabeschaftes 257 im Verhältnis zu Konfigurationen
mit gleichförmiger
Vorbeanspruchung vergrößert werden.
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In
einem anderen Beispiel können
vorbeanspruchte Polymere der vorliegenden Erfindung zu Linear-Wandlern
und Aktuatoren gerollt oder gefaltet werden, die axial ausgelenkt
werden, während
sie zwischen mechanischer Energie und elektrischer Energie umwandeln.
Da die Fertigung von elektroaktiven Polymeren häufig mit einer kleineren Anzahl
von Schichten am einfachsten ist, liefern gerollte Aktuatoren eine
wirkungsvolle Art und Weise zum Zusammenquetschen großer Polymerschichten
in eine kompakte Form. Gerollte oder gefaltete Wandler und Aktuatoren
schließen
typischerweise zwei oder mehr Polymerschichten ein. Gerollte oder
gefaltete Aktuatoren sind immer dort anwendbar, wo Linear-Aktuatoren
verwendet werden, wie Roboter-Beine und Finger, Greifer für hohe Kräfte und
Linear-Aktuatoren für allgemeine
Zwecke.
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2I zeigt
einen Aktuator 262 vom Raupenspanner-Typ. Der Aktuator 262 vom
Raupenspanner-Typ schließt
zwei oder mehr gerollte vorbeanspruchte Polymerschichten mit Elektroden 263 ein,
die entlang seiner zylindrischen Achse axial ausgelenkt werden.
Der Aktuator 262 vom Raupenspanner-Typ schließt auch
elektrostatische Klammern 264 und 265 zur Befestigung
an und zum Lösen
von einer Metalloberfläche 268 ein.
Die elektrostatischen Klammern 264 und 265 erlauben
es, den Gesamthub bei dem Aktuator 262 vom Raupenspanner-Typ
zu vergrößern, verglichen
mit einem Aktuator ohne Klammerung. Da bei den elektrostatischen
Klammern 264 und 265 die Klammerungskraft pro
Gewichtseinheit hoch ist, werden die Vorteile von Kraft-pro-Gewichtseinheit
von vorbeanspruchten Polymeren mit dem Aktuator 262 vom
Raupenspanner-Typ bewahrt. Die elektrostatischen Klammern 264 und 265 werden
am Aktuator vom Raupenspanner-Typ an Verbindungsbereichen 267 befestigt.
Ein Körper 266 des
Aktuators vom Raupenspanner-Typ schließt die Verbindungsbereiche 267 und
das Polymer 263 ein und weist einen Freiheitsgrad entlang der
axialen Richtung des gerollten Polymers 263 zwischen den
Verbindungsbereichen 267 auf. In einem Beispiel schließen die
elektrostatischen Klammern 264 und 265 einen isolierenden
Kleber 269 ein, der einen elektrischen Kurzschluss von
den leitenden elektrostatischen Klammern 264 und 265 zur
Metalloberfläche 268 verhindert.
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Der
Aktuator 262 vom Raupenspanner-Typ bewegt sich in einem
sechsstufigen Prozess nach oben. Beim Schritt eins wird der Aktuator 262 vom Raupenspanner-Typ
an seinen jeweiligen Enden unbeweglich gemacht, wenn beide elektrostatische Klammern 264 und 265 aktiviert
sind und das Polymer 263 entlastet ist. Eine elektrostatische
Klammer wird aktiviert, indem zwischen der Klammer und der Metalloberfläche 268 eine
Spannungsdifferenz angelegt wird. Im Schritt zwei wird die Klammer 265 gelöst. Das
Lösen von
einer der Klammern 264 und 265 gestattet es, dass
sich ihr jeweiliges Ende des Aktuators 262 vom Raupenspanner-Typ frei bewegt.
Im Schritt drei wird das elektroaktive Polymer 263 aktiviert
und verlängert
den Aktuator 262 vom Raupenspanner-Typ nach oben zu. Im
Schritt vier wird die Klammer 265 aktiviert, und der Aktuator 262 vom Raupenspanner-Typ wird unbeweglich
gemacht. Im Schritt fünf
wird die Klammer 264 gelöst. Im Schritt sechs wird das
Polymer 263 entlastet, und der Aktuator 262 vom
Raupenspanner-Typ zieht sich zusammen. Indem man die Schritte eins
bis sechs zyklisch wiederholt, bewegt sich der Aktuator 262 vom
Raupenspanner-Typ in der Aufwärtsrichtung.
Indem man die Klammern 264 und 265 bei dem obigen
sechsstufigen Prozess anders schaltet, bewegt sich der Aktuator 262 vom
Raupenspanner-Typ in einer umgekehrten Richtung.
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Obwohl
der Aktuator 262 vom Raupenspanner-Typ im Hinblick auf
die Aktivierung unter Verwendung eines einzigen elektroaktiven Polymers
und von zwei Klammern beschrieben worden ist, können Aktuatoren vom Raupenspanner-Typ
mit mehreren Segmenten unter Verwendung von mehreren elektroaktiven
Polymeren realisiert werden. Aktuatoren vom Raupenspanner-Typ mit
mehreren Segmenten gestatten es, dass die Länge eines Aktuators vom Raupenspanner-Typ größer wird,
ohne dass er dicker wird. Ein Zwei-Segment-Aktuator vom Raupenspanner-Typ würde zwei
gerollte Polymere an Stelle von einem und drei Klammern an Stelle
von zwei verwenden. Allgemein umfasst ein n-Segment-Aktuator vom Raupenspanner-Typ
n Aktuatoren zwischen n + 1 Klammern.
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2J zeigt
eine Streckfilm-Vorrichtung 270 zum Umwandeln zwischen
elektrischer Energie und mechanischer Energie gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Streckfilm-Vorrichtung 270 schließt einen
starren Rahmen 271 mit einer Öffnung 272 ein. Ein
vorbeanspruchtes Polymer 273 ist unter Spannung am Rahmen 271 befestigt
und überspannt
die Öffnung 272.
Ein starrer Stab 274 ist an der Mitte des Polymers 273 befestigt und
liefert eine externe Verlagerung entsprechend der Auslenkung des
Polymers 273. Paare von nachgiebigen Elektroden 275 und 276 sind
auf sowohl der Ober- und Unterseite des Polymers auf der linken bzw.
der rechten Seite des starren Stabs 274 als Muster vorgesehen.
Wenn das Elektrodenpaar 275 aktiviert wird, dehnt sich
ein Teil des Polymers 273 zwischen und in der Nachbarschaft
des oberen und des unteren Elektrodenpaars 275 in Bezug
zum Rest des Polymers 273 aus und die vorhandene Spannung
im Rest des Polymers 273 zieht am starren Stab 274,
um diesen nach rechts zu bewegen. Wenn das Elektrodenpaar 276 aktiviert
wird, dehnt sich umgekehrt ein durch das Elektrodenpaar 276 beeinflusster
zweiter Teil des Polymers 273 in Bezug zum Rest des Polymers 273 aus
und gestattet es, dass sich der starre Stab 274 nach links
bewegt. Eine abwechselnde Aktivierung der Elektroden 275 und 276 liefert
einen effektiv größeren Gesamthub 279 für den starren
Stab 274. Eine Abwandlung dieses Aktuators schließt das Hinzufügen einer
anisotropen Vorbeanspruchung des Polymers ein, so dass das Polymer eine
hohe Vorbeanspruchung (und Steifigkeit) in der Richtung senkrecht
zur Verlagerung des starren Stabes besitzt. Eine andere Abwandlung
besteht darin, eines der Elektrodenpaare zu beseitigen. Für den Vorteil
einer Vereinfachung der Konstruktion verringert diese Abwandlung
den Hub 279 bei der Streckfilm-Vorrichtung 270.
In diesem Fall reagiert nunmehr derjenige Teil des Polymers, der
von der entfernten Elektrode nicht mehr verwendet wird, passiv,
wie eine Rückstellfeder.
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2K zeigt
eine Biegebalken-Vorrichtung 280 zum Umwandeln zwischen
mechanischer und elektrischer Energie gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Biegebalken-Vorrichtung 280 schließt ein Polymer 281 ein, das
an einem Ende von einer starren Halterung 282 fixiert wird
und unter Verwendung einer Kleberschicht an einem flexiblen dünnen Material 283,
wie zum Beispiel Polyimid oder Mylar, befestigt wird. Das flexible dünne Material 283 besitzt
ein Elastizitätsmodul,
das größer ist
als dasjenige des Polymers 281. Die Differenz der Elastizitätsmodule
für die
Ober- und Unterseite 286 und 287 der Biegebalken-Vorrichtung 280 bewirkt,
dass sich die Biegebalken-Vorrichtung 280 bei einer Aktivierung
biegt. Elektroden 284 und 285 sind an den entgegengesetzten
Seiten des Polymers 281 befestigt, um elektrische Energie
zu liefern. Die Biegebalken-Vorrichtung 280 schließt ein freies
Ende 288 ein, das einen einzigen Biege-Freiheitsgrad besitzt.
Die Auslenkung des freien Endes 288 kann durch die Winkeldifferenz
zwischen dem freien Ende 288 und dem von der starren Halterung 282 fixierten Ende
gemessen werden. 2L zeigt die Biegebalken-Vorrichtung 280 mit
einem 90-Grad-Biegewinkel.
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Der
maximale Biegewinkel für
die Biegebalken-Vorrichtung 280 wird mit einer Reihe von
Faktoren variieren, einschließlich
des Polymermaterials, der Aktuator-Länge, der Biegesteifigkeit der
Elektroden 284 und 285 und des flexiblen dünnen Materials 283,
usw.. Für
eine Biegebalken-Vorrichtung 280, die Dow Corning HS3-Silikon,
Goldelektroden und eine aktive Fläche von 3,5 mm Länge umfasst,
sind Biegewinkel über
225 Grad erreichbar. Wenn die Länge
der aktiven Fläche
zunimmt, sind für
die Biegebalken-Vorrichtung 280 größere Biegewinkel
erreichbar. Indem man die aktive Länge der oben erwähnten Biegebalken-Vorrichtung
auf 5 mm verlängert,
ist dementsprechend ein Biegewinkel möglich, der sich an 360 Grad
annähert.
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In
einem Beispiel kann eine der Elektroden als das flexible dünne Material 283 dienen.
Ein beliebiges dünnes
Metall, wie Gold, das eine niedrige Biegesteifigkeit und eine hohe
Zugsteifigkeit besitzt, kann für
eine Elektrode geeignet sein, die als das flexible dünne Material 283 dient.
Bei einer anderen Ausführungsform
ist eine Sperrschicht zwischen einer der Elektroden 284 und 285 und
dem Polymer 281 angeordnet, um die Auswirkung von jeglichem örtlich begrenztem
Durchbruch im Polymer zu minimieren.
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2M zeigt
eine Biegebalken-Vorrichtung 290 zum Umwandeln zwischen
mechanischer und elektrischer Energie gemäß einem anderen Beispiel. Die
Biegebalken-Vorrichtung 290 schließt ein oberes und ein unteres
vorbeanspruchtes Polymer 291 und 292 ein, die
an einem Ende von einer starren Halterung 296 fixiert werden.
Jedes der Polymere 291 und 292 kann unabhängig aktiviert
werden. Die unabhängige
Aktivierung wird durch getrennte elektrische Ansteuerung der oberen
und unteren Elektrode 293 und 294 erreicht, die
an dem oberen bzw. unteren elektroaktiven Polymer 291 bzw. 292 befestigt
ist. Eine gemeinsame Elektrode 295 befindet sich zwischen
dem oberen und dem unteren elektroaktiven Polymer 291 und 292 und
ist an beiden befestigt. Die gemeinsame Elektrode 295 kann
von einer ausreichenden Steifigkeit sein, um die Vorbeanspruchung
der Polymerschichten 291 und 292 aufrechtzuerhalten,
während sie
noch immer eine Ausdehnung und Biegung gestattet.
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Eine
Aktivierung des oberen elektroaktiven Polymers 291 unter
Verwendung des oberen Paars von Elektroden 293 und 295 bewirkt,
dass sich die Biegebalken-Vorrichtung 290 nach unten biegt.
Eine Aktivierung des unteren Polymers 292 unter Verwendung
des unteren Paars von Elektroden 294 und 295 bewirkt,
dass sich die Biegebalken-Vorrichtung 290 nach oben biegt.
Daher gestattet eine unabhängige Verwendung
des oberen und des unteren elektroaktiven Polymers 291 und 292 die
Steuerung der Biegebalken-Vorrichtung 290 entlang einer
radialen Richtung 297. Wenn sowohl das obere und das untere Polymer 291 und 292 gleichzeitig
aktiviert werden – und
von im Wesentlichen ähnlicher
Größe und Material
sind – dehnt
sich die Biegebalken-Vorrichtung 290 entlang
der linearen Richtung 298 in ihrer Länge aus. Indem man die Fähigkeit
zum Steuern der Bewegung in der radialen Richtung 297 und
der linearen Richtung 298 kombiniert, wird die Biegebalken-Vorrichtung 290 zu
einem Aktuator mit zwei Freiheitsgraden. Entsprechend gestattet
es eine unabhängige Aktivierung
und Steuerung des oberen und des unteren Polymers 291 und 292,
dass ein freies Ende 299 der Biegebalken-Vorrichtung 290 komplexe
Bewegungen ausführt,
wie kreisförmige
oder elliptische Pfade.
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Die 2N und 2O zeigen
eine Vorrichtung 300 zum Umwandeln zwischen elektrischer
Energie und mechanischer Energie gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 300 schließt ein Polymer 302 ein,
das in einer Weise angeordnet ist, die bewirkt, dass ein Teil des
Polymers ansprechend auf eine Veränderung im elektrischen Feld
ausgelenkt wird, und/oder in einer Weise angeordnet ist, die ansprechend
auf eine Auslenkung des Polymers eine Veränderung im elektrischen Feld
bewirkt. Elektroden 304 sind an entgegengesetzten Oberflächen (nur
die vorderste Elektrode ist dargestellt) des Polymers 302 befestigt und
bedecken einen wesentlichen Teil des Polymers 302. Zwei
steife Elemente 308 und 310 erstrecken sich entlang
von entgegengesetzten Rändern 312 und 314 des
Polymers 302. Entlang der übrigen Ränder des Polymers 302 befinden
sich Biegeelemente 316 und 318. Die Biegeelemente 316 und 318 verbessern
die Umwandlung zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie
bei der Vorrichtung 300.
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Die
Biegeelemente 316 und 318 koppeln die Auslenkung
des Polymers 302 in einer Richtung in eine Auslenkung in
einer anderen Richtung. Bei einer Ausführungsform ruht jedes der Biegeelemente 316 und 318 unter
einem Winkel von etwa 45 Grad in der Ebene des Polymers 302.
Bei einer Aktivierung des Polymers 302 bewirkt die Ausdehnung
des Polymers 302 in der Richtung 320, dass sich
die steifen Elemente 308 und 310 auseinander bewegen,
wie in 2O dargestellt. Zudem bewirkt
eine Ausdehnung des Polymers 302 in der Richtung 322,
dass die Biegelemente 316 und 318 begradigt werden,
und trennt die steifen Elemente 308 und 310 noch
weiter voneinander. Auf diese Weise koppelt die Vorrichtung 300 eine
Ausdehnung des Polymers 302 in beiden Ebenenrichtungen 320 und 322 in
eine mechanische Abgabe in der Richtung 320.
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Bei
einer Ausführungsform
ist das Polymer in den zueinander senkrechten Richtungen 320 und 322 mit
verschiedenen Vorbeanspruchungsgraden ausgebildet. Spezieller enthält das Polymer 302 in der
Richtung 320 eine höhere
Vorbeanspruchung und in der dazu senkrechten Ebenenrichtung 322 wenig
oder keine Vorbeanspruchung. Diese anisotrope Vorbeanspruchung ist
in Beziehung zur Geometrie der Biegeelemente 316 und 318 angeordnet.
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Ein
Vorteil der Vorrichtung 300 besteht darin, dass die gesamte
Struktur eben ist. Zusätzlich
zu einer Vereinfachung der Fertigung gestattet die ebene Struktur
der Vorrichtung eine einfache mechanische Kopplung, um mehrschichtige
Konstruktionen zu erzeugen. Beispielhaft können die steifen Elemente 308 und 310 mechanisch
mit ihren jeweiligen Gegenstücken
einer zweiten Vorrichtung 300 gekoppelt (z. B. verklebt
oder in ähnlicher
Weise fixiert) werden, um zwei parallele Vorrichtungen 300 bereitzustellen, um
die Kraftabgabe gegenüber
einer einzigen Vorrichtung 300 zu vergrößern. In ähnlicher Weise kann das steife
Element 308 aus einer Vorrichtung an dem steifen Element 310 aus
einer zweiten Vorrichtung befestigt werden, um mehrere Vorrichtungen
in Reihe bereitzustellen, was die Auslenkungsabgabe gegenüber einer
einzigen Vorrichtung 300 vergrößert.
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Zusätzlich zu
einer guten Leistung der Vorrichtung 300 als Aktuator,
der elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, ist die
Vorrichtung 300 auch als Generator gut geeignet. Wenn zum
Beispiel eine Ladung auf das Polymer 302 aufgebracht wird,
während
es gestreckt ist, wandelt eine Kontraktion der Vorrichtung 300 mechanische
Energie in elektrische Energie um. Die elektrische Energie kann dann
durch eine Schaltung in elektrischer Verbindung mit den Elektroden 304 geerntet
werden.
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4. LEISTUNG
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Ein
Wandler wandelt zwischen elektrischer Energie und mechanischer Energie
um. Die Wandlerleistung kann im Hinblick auf den Wandler durch sich selbst,
die Leistung des Wandlers in einem Aktuator oder die Leistung des
Wandlers in einer spezifischen Anwendung (z. B. einer Reihe von
Wandlern, die in einem Motor realisiert sind) charakterisiert werden. Eine
Vorbeanspruchung von elektroaktiven Polymeren gemäß der vorliegenden
Erfindung liefert wesentliche Verbesserungen bei der Wandlerleistung.
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Die
Charakterisierung der Leistung eines Wandlers durch sich selbst
bezieht sich gewöhnlich auf
die Materialeigenschaften des Polymers und der Elektroden. Die Leistung
eines elektroaktiven Polymers kann unabhängig von der Polymergröße durch Parameter,
wie Beanspruchung, Energiedichte, Aktivierungsdruck, Aktivierungsdruckdichte
und Wirkungsgrad beschrieben werden. Es sollte festgestellt werden,
dass die unten beschriebene Leistungscharakterisierung von vorbeanspruchten
Polymeren und ihren jeweiligen Wandlern für verschiedene elektroaktive
Polymere und Elektroden variieren kann.
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Vorbeanspruchte
Polymere der vorliegenden Erfindung können ein effektives Modul im
Bereich von etwa 0,1 bis etwa 100 MPa aufweisen. Der Aktivierungsdruck
ist als die Veränderung
der Kraft innerhalb eines vorbeanspruchten Polymers pro Querschnittsflächeneinheit
zwischen aktiviertem und nicht- aktiviertem
Zustand definiert. In einigen Fällen können vorbeanspruchte
Polymere der vorliegenden Erfindung einen Aktivierungsdruck im Bereich
von etwa 0 bis etwa 100 MPa und bevorzugter im Bereich von etwa
0,1 bis 10 MPa besitzen. Die spezifische elastische Energiedichte – definiert
als die Verformungsenergie einer Masseneinheit des Materials im Übergang
zwischen aktiviertem und nicht-aktiviertem Zustand – kann ebenfalls
benutzt werden, um ein elektroaktives Polymer zu beschreiben, wo
das Gewicht von Bedeutung ist. Vorbeanspruchte Polymere der vorliegenden
Erfindung können
eine spezifische elastische Energiedichte oberhalb von 3 J/g besitzen.
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Die
Leistung eines vorbeanspruchten Polymers kann auch unabhängig von
der Polymergröße durch
den Wirkungsgrad beschrieben werden. Der elektromechanische Wirkungsgrad
ist für
eine Aktuator-Betriebsart als das Verhältnis von mechanischer Energieabgabe
zu elektrischer Energiebeaufschlagung definiert, oder alternativ
für eine
Generator-Betriebsart als das Verhältnis der elektrischen Energieabgabe
zur mechanischen Energiebeaufschlagung. Ein elektromechanischer
Wirkungsgrad von mehr als 80 Prozent ist mit einigen vorbeanspruchten
Polymeren der vorliegenden Erfindung erreichbar. Die Zeit, die ein
vorbeanspruchtes Polymer für
den Anstieg (das Absinken) auf seinen maximalen (oder minimalen)
Aktivierungsdruck braucht, wird als seine Ansprechzeit bezeichnet.
Vorbeanspruchte Polymer-Polymere gemäß der vorliegenden Erfindung können einem
weiten Bereich von Ansprechzeiten Rechnung tragen. In Abhängigkeit
von der Größe und Ausbildung
des Polymers können
die Ansprechzeiten zum Beispiel von etwa 0,01 Millisekunden bis 1
Sekunde reichen. Ein mit einer hohen Geschwindigkeit erregtes vorbeanspruchtes
Polymer kann auch durch eine Betriebsfrequenz charakterisiert werden.
Bei einer Ausführungsform
können
die maximalen Betriebsfrequenzen, die zur Verwendung mit der vorliegenden
Erfindung geeignet sind, im Bereich von etwa 100 Hz bis 100 kHz
liegen. Betriebsfrequenzen in diesem Bereich gestatten es, dass
vorbeanspruchte Polymere der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen
akustischen Anwendungen (z. B. Lautsprechern) verwendet werden.
Bei einigen Ausführungsformen
können
vorbeanspruchte Polymere der vorliegenden Erfindung bei einer Resonanzfrequenz
betrieben werden, um die mechanische Abgabe zu verbessern.
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Die
Leistung eines Aktuators kann durch einen für den Aktuator spezifischen
Leistungsparameter beschrieben werden. Als Beispiel kann die Leistung
eines Aktuators von einer gewissen Größe und einem gewissen Gewicht
durch Parameter quantifiziert werden, wie Hub oder Verlagerung,
Kraft, Aktuator-Ansprechzeit. Die Charakterisierung der Leistung
des Wandlers bei einer Anwendung bezieht sich darauf, wie gut der
Wandler bei einer bestimmten Anwendung (z. B. in der Robotertechnik)
verkörpert
ist. Die Leistung eines Wandlers bei einer Anwendung kann durch
einen für
die Anwendung spezifischen Leistungsparameter beschrieben werden
(z. B. Kraft/Gewichtseinheit bei Robotertechnik-Anwendungen). Anwendungsspezifische
Parameter schließen
Hub oder Verlagerung, Kraft, Aktuator-Ansprechzeit, Frequenzansprechen,
Wirkungsgrad, usw. ein. Diese Parameter können von der Größe, Masse
und/oder der Konstruktion des Wandlers und der speziellen Anwendung
abhängen.
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Es
sollte festgestellt werden, dass wünschenswerte Materialeigenschaften
für ein
elektroaktives Polymer mit einem Aktuator oder einer Anwendung variieren
können.
Um für
eine Anwendung große
Aktivierungsdrücke
und eine große
Beanspruchung zu erzeugen, kann ein vorbeanspruchtes Polymer mit
einem von einer hohen Spannungsfestigkeit, einer hohen Dielektrizitätskonstante
und einem niedrigen Elastizitätsmodul
realisiert werden. Zudem kann ein Polymer zur Maximierung der Energieeffizienz
für eine
Anwendung eines von einem hohen Volumenwiderstand und einer geringen
mechanischen Dämpfung
einschließen.
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Leistungsparameter
für einen
Wandler in einer Generator-Betriebsart
sind allgemein analog zu denjenigen der Aktuator-Betriebsart. Die spezifische Energiedichte
eines Generator-Wandlers
ist als die elektrische Energie definiert, die pro Hub pro Wandler-(oder
Polymer-)Masseneinheit erzeugt wird. Spezifische Energiedichten
für Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betragen gewöhnlich wenigstens etwa 0,15
Joule pro Gramm für
das Polymer und können
für einige
Polymere größer als
0,35 Joule pro Gramm sein.
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5. ELEKTRODEN
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Wie
oben erwähnt,
schließen
Wandler vorzugsweise eine oder mehrere Elektroden zum Aktivieren
eines elektroaktiven Polymers ein. Allgemein gesagt, können Elektroden,
die zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sein,
von einer beliebigen Form und aus einem beliebigen Material sein,
vorausgesetzt, sie sind imstande, eine geeignete Spannung, die entweder
konstant ist oder sich mit der Zeit verändert, an ein elektroaktives
Polymer zu liefern oder aus diesem abzunehmen. Bei einer Ausführungsform
haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Am Polymer
haftende Elektroden sind vorzugsweise nachgiebig und passen sich
an die sich verändernde
Form des Polymers an. Die Elektroden können auf nur einen Teil eines
elektroaktiven Polymers aufgebracht werden und definieren entsprechend
ihrer Geometrie eine aktive Fläche.
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Die
nachgiebigen Elektroden sind zu einer Auslenkung in einer oder mehreren
Richtungen imstande. Lineare Beanspruchung kann benutzt werden,
um die Auslenkung einer nachgiebigen Elektrode in einer dieser Richtungen
zu beschreiben. So wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht
sich lineare Beanspruchung einer nachgiebigen Elektrode auf die Auslenkung
pro Längeneinheit
entlang einer Auslenkungslinie. Maximale lineare (Zug- oder Druck-)Beanspruchungen
von wenigstens etwa 50 Prozent sind für nachgiebige Elektroden der
vorliegenden Erfindung möglich.
Für einige
nachgiebige Elektroden sind maximale lineare Beanspruchungen von
wenigstens etwa 100 Prozent üblich.
Selbstverständlich kann
eine Elektrode mit einer kleineren Beanspruchung als der Maximalbeanspruchung
ausgelenkt werden. Bei einer Ausführungsform ist die nachgiebige
Elektrode eine 'strukturierte
Elektrode', die
einen oder mehrere Bereiche von hoher Leitfähigkeit und einen oder mehrere
Bereiche von geringer Leitfähigkeit
umfasst.
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3 zeigt
eine Oberseitenansicht einer strukturierten Elektrode 501,
die für
eine Nachgiebigkeit in einer Richtung gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sorgt. Die strukturierte Elektrode 501 schließt Metallspuren 502 ein,
die in parallelen Linien über
einer Ladungsverteilungsschicht 503 als Muster vorgesehen
sind – von
denen beide eine aktive Fläche
eines Polymers (nicht dargestellt) bedecken. Die Metallspuren 502 und
die Ladungsverteilungsschicht 503 werden auf entgegengesetzte
Oberflächen
des Polymers aufgebracht. Daher ist der Querschnitt eines Wandlers,
der strukturierte Elektroden 501 auf entgegengesetzten
Oberflächen
einschließt,
von oben nach unten: obere Metallspuren, obere Ladungsverteilungsschicht,
Polymer, untere Ladungsverteilungsschicht, untere Metallspuren.
Die Metallspuren 502 auf beiden Oberflächen des Polymers dienen als
Elektroden für
das elektroaktive Polymermaterial zwischen ihnen. Bei einer anderen
Ausführungsform
kann die untere Elektrode eine nachgiebige gleichförmige Elektrode sein.
Die Ladungsverteilungsschicht 503 erleichtert die Verteilung
von Ladung zwischen den Metallspuren 502. Zusammen leiten
die Metallspuren 502 mit hoher Leitfähigkeit Ladung schnell über die
aktive Fläche
zu der Ladungsverteilungsschicht 503 mit geringer Leitfähigkeit,
welche die Ladung gleichförmig über die
Oberfläche
des Polymers zwischen den Spuren 502 verteilt. Die Laddungsverteilungsschicht 503 ist
nachgiebig. Infolgedessen gestattet die strukturierte Elektrode 501 eine
Auslenkung in einer nachgiebigen Richtung 506 senkrecht
zu den parallelen Metallspuren 502.
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Eine
Aktivierung für
das gesamte Polymer kann erreicht werden, indem man die Länge der
parallelen Metallspuren 502 über die Länge des Polymers verlängert und
indem man eine geeignete Anzahl von Spuren 502 über die
Polymerbreite realisiert. In einem Beispiel sind die Metallspuren 502 in Abständen in
der Größenordnung
von 400 Mikrometer angeordnet und weisen eine Dicke von etwa 20 bis
100 Nanometer auf. Die Breite der Spuren ist typischerweise viel
kleiner als der Abstand. Um die Gesamt-Ansprechgeschwindigkeit für die strukturierte Elektrode 501 zu
vergrößern, kann
der Abstand zwischen Metallspuren 502 verringert werden.
Die Metallspuren 502 können
Gold, Silber, Aluminium und viele andere Metalle und relativ steife
leitfähige
Materialien umfassen. In einem Beispiel sind Metallspuren auf entgegengesetzten
Oberflächen
eines elektroaktiven Polymers gegeneinander versetzt, um die Ladungsverteilung
durch die Polymerschicht zu verbessern und direkte elektrische Durchbrüche von
Metall zu Metall zu verhindern.
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Eine
Auslenkung der parallelen Metallspuren 502 entlang ihrer
Achse, die größer ist
als die zulässige
elastische Auslenkbarkeit des Metallspurenmaterials kann zu einer
Beschädigung
der Metallspuren 502 führen.
Um eine Beschädigung
in dieser Weise zu verhindern, kann das Polymer durch eine starre Struktur
eingeschränkt
werden, die eine Auslenkung des Polymers und der Metallspuren 502 entlang
ihrer Achsen verhindert. Die starren Elemente 232 der Linearbewegungs-Vorrichtung aus 2D und 2E sind
in dieser Hinsicht geeignet. In einem anderen Beispiel können die
Metallspuren 502 auf der Oberfläche des Polymers 500 leicht
gewellt werden. Diese Wellen verleihen den Spuren 502 entlang
ihrer Achsen zusätzliche
Nachgiebigkeit und gestatten eine Auslenkung in dieser Richtung.
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Allgemein
besitzt die Ladungsverteilungsschicht 503 einen Leitwert,
der größer ist
als derjenige des elektroaktiven Polymers, jedoch kleiner als derjenige
der Metallspuren. Die nicht-strengen Leitfähigkeitsanforderungen an die
Ladungsverteilungsschicht 503 gestatten es, eine breite
Vielfalt von Materialien zu verwenden. Beispielhaft kann die Ladungsverteilungsschicht
Kohlenstoffruß,
ein Fluor-Elastomer mit kolloidalem Silber, eine wasserbasierende
Latexkautschuk-Emulsion
mit einem kleinen Prozentsatz Massenbeladung an Natriumiodid, und
Polyurethan mit Tetrathiafulavalen/Tetracyanoquinodimethan(TTF/TCNQ)-Ladungstransferkomplex.
Diese Materialien sind imstande, dünne gleichförmige Schichten mit einer gleichmäßigen Bedeckung
zu bilden und weisen eine Oberflächenleitfähigkeit
auf, die ausreichend ist, um die Ladung zwischen Metallspuren 502 zu
leiten, bevor wesentliche Ladungsleckagen in die Umgebung auftreten.
Bei einer Ausführungsform
wird das Material für
die Ladungsverteilungsschicht 503 basierend auf der RC-Zeitkonstante des
Polymers ausgewählt.
Beispielhaft kann der Oberflächenwiderstand
für die
Ladungsverteilungsschicht 503, der für die vorliegende Erfindung
geeignet ist, im Bereich von etwa 106–1011 Ohm liegen. Es sollte auch festgestellt
werden, dass bei einigen Ausführungsformen
keine Ladungsverteilungsschicht verwendet wird und die Metallspuren 502 als
Muster direkt auf dem Polymer vorgesehen werden. In diesem Fall
können
Luft oder andere chemische Gattungen auf der Polymeroberfläche ausreichend
sein, um Ladung zwischen den Spuren zu tragen. Diese Wirkung kann
verbessert werden, indem man die Oberflächenleitfähigkeit durch Oberflächenbehandlungen,
wie Plasmaätzen
oder Ionenimplantation, verbessert. 4 zeigt
ein vorbeanspruchtes Polymer 510, das unter einer strukturierten
Elektrode liegt, die gemäß einer
spezifischen Ausführungsform der
Erfindung nicht richtungsabhängig
nachgiebig ist. Die strukturierte Elektrode schließt Metallspuren 512 ein,
welche als Muster in gleichmäßig beabstandeten,
ein 'tick-Zack'-Muster bildenden
parallelen Linien direkt auf einer Oberfläche des elektroaktiven Polymers 510 hergestellt
werden. Zwei Metallspuren 512 auf entgegengesetzten Oberflächen des
Polymers dienen als Elektroden für
das elektroaktive Polymermaterial 510 zwischen ihnen. Das 'tick-Zack'-Muster der Metallspuren 512 gestattet
eine Ausdehnung und Kontraktion des Polymers und der Strukturelektrode in
mehreren Richtungen 514 und 516.
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Die
Verwendung einer Anordnung von Metallspuren, wie mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben,
gestattet die Verwendung von Ladungsverteilungsschichten mit einem
geringeren Leitwert. Da der Abstand zwischen Metallspuren abnimmt, kann
spezieller der geforderte Leitwert des Materials zwischen den Spuren
abnehmen. Auf diese Weise ist es möglich, Materialien zu verwenden,
die normalerweise nicht als leitend zur Verwendung als Ladungsverteilungsschicht
angesehen werden. Beispielhaft können
auf diese Weise als Ladungsverteilungsschicht Polymere mit einem
Oberflächenwiderstand von
1010 Ohm verwendet werden. Bei einer spezifischen
Ausführungsform
wurde Kautschuk als Ladungsverteilungsschicht als Teil einer strukturierten Elektrode
auf einer Polymerschicht mit einer Dicke von 25 Mikrometer und einem
Abstand zwischen parallelen Metallspuren von etwa 500 Mikrometern
verwendet. Zusätzlich
zur Verringerung des geforderten Leitwerts für eine Ladungsverteilungsschicht
erhöhen
in engem Abstand angeordnete Metallspuren auch die Aktivierungsgeschwindigkeit,
da sich zwischen in engem Abstand angeordneten Metallspuren die
Ladung nur über
eine kurze Strecke durch die Ladungsverteilungsschicht bewegen braucht.
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Obwohl
strukturierte Elektroden im Hinblick auf zwei spezifische Metallspuren-Ausbildungen
beschrieben worden sind, können
strukturierte Elektroden als Muster in einer beliebigen geeigneten
Weise vorgesehen werden. Wie der Fachmann auf dem Gebiet ersehen
wird, können
verschiedene gleichförmig verteilte
Metallspurenmuster Ladung auf der Oberfläche eines Polymers bereitstellen,
während
sie für eine
Nachgiebigkeit in einer oder mehreren Richtungen sorgen. In einigen
Fällen
kann eine strukturierte Elektrode in einer nicht-gleichförmigen Weise
an der Polymeroberfläche
befestigt werden. Da die Aktivierung des Polymers auf einen aktiven
Bereich innerhalb einer geeigneten Nähe von einem Paar von als Muster
vorgesehenen Metallspuren begrenzt sein kann, können spezialisierte aktive
und nicht-aktive Bereiche
für ein
elektroaktives Polymer durch maßgefertigte
Musterung der Metallspuren definiert werden. Diese aktiven und nicht-aktiven
Bereiche können
entsprechend den konventionellen Metallspurenabscheidungstechniken
in maßgefertigten
Geometrien und mit hohen Auflösungen
ausgebildet werden. Wenn man diese Praxis über die gesamte Oberfläche eines
elektroaktiven Polymers ausdehnt, können maßgefertigte Muster für strukturierte
Elektroden, die zahlreiche aktive Bereiche mit maßgefertigter
Geometrie umfassen, entsprechend dem Muster der strukturierten Elektroden
zu einer spezialisierten und nicht-gleichförmigen Aktivierung des elektroaktiven Polymers
führen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in erster Linie im Hinblick auf flache
Elektroden erörtert
worden ist, können 'mit einer Textur
versehene' Elektroden
verwendet werden, die variierende Abmessungen aus der Ebene heraus
umfassen, um eine nachgiebige Elektrode bereitzustellen. 5 zeigt
mit einer Textur versehene beispielhafte Elektroden 520 und 521.
Die mit einer Textur versehenen Elektroden 520 und 521 sind
an entgegengesetzten Oberflächen eines
elektroaktiven Polymers 522 befestigt, so dass eine Auslenkung
des Polymers 522 zu einer in der Ebene liegenden und nicht
in der Ebene liegenden Verformung der mit einer Textur versehenen
Elektroden 520 und 521 führt. Die ebene und nicht-ebene Nachgiebigkeit
der Elektroden 520 und 521 wird durch ein Wellenmuster
bereitgestellt, das nach einer Ebenen- und/oder Dicken-Auslenkung
des Polymers 522 für
eine gerichtete Nachgiebigkeit in einer Richtung 526 sorgt.
Um für
die mit einer Textur versehenen Elektroden 520 und 521 eine
im Wesentliche gleichförmige
Nachgiebigkeit bereitzustellen, wird das Wellenmuster über die
gesamte Oberfläche
des elektroaktiven Polymers in der Richtung 526 realisiert.
In einem Beispiel umfassen die mit einer Textur versehenen Elektroden 520 und 521 Metall
mit einer Dicke, die ein Biegen ohne ein Reißen des Metalls gestattet,
um für
die Nachgiebigkeit zu sorgen. Typischerweise ist die mit einer Textur
versehene Elektrode 520 so ausgebildet, dass eine nicht-ebene
Auslenkung der Elektroden 520 und 521 viel kleiner
ist als die Dicke des Polymers, um für das Polymer 522 ein
im Wesentlichen konstantes elektrisches Feld bereitzustellen. Mit
einer Textur versehene Elektroden können für eine Nachgiebigkeit in mehr
als einer Richtung sorgen. In einem spezifischen Beispiel sorgt
eine raue, mit einer Textur versehene Elektrode für Nachgiebigkeit
in orthogonalen Ebenenrichtungen. Die raue, mit einer Textur versehene
Elektrode kann eine Topographie aufweisen, die der rauen Oberfläche aus 1D ähnlich ist.
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In
einem Beispiel umfassen nachgiebige Elektroden der vorliegenden
Erfindung ein leitfähiges Fett,
wie Kohlenstoff-Fett
oder Silber-Fett. Das leitfähige
Fett sorgt für
eine Nachgiebigkeit in mehreren Richtungen. Um die Leitfähigkeit
des Polymers zu erhöhen,
können
Partikel hinzugefügt
werden. Beispielhaft können
Kohlenstoffpartikel mit einem Polymer-Bindemittel, wie Silikon, kombiniert
werden, um ein Kohlenstoff-Fett zu erzeugen, das eine geringe Elastizität und eine
hohe Leitfähigkeit
besitzt. Andere Materialien können
in das leitfähige
Fett zugemischt werden, um eine oder mehrere Materialeigenschaften
zu verändern.
Leitfähige
Fette gemäß der vorliegenden
Erfindung sind für
die Auslenkung von wenigstens etwa 100 Prozent Beanspruchung geeignet.
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Nachgiebige
Elektroden, die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, können auch kolloidale Suspensionen
einschließen.
Kolloidale Suspensionen enthalten Partikel von Submikrometergröße, wie
Graphit, Silber und Gold in einem flüssigen Einschlussmittel. Allgemein
gesagt, kann eine beliebige kolloidale Suspension mit einer ausreichenden
Beladung an leitfähigen
Partikeln als Elektrode in einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
verwendet werden. In einem spezifischen Beispiel wird ein leitfähiges Fett,
das leitfähige
Partikel von kolloidaler Größe enthält, mit
einem leitfähigen
Silikon vermischt, das in einem Silikon-Bindemittel leitfähige Partikel
von kolloidaler Größe enthält, um eine
kolloidale Suspension zu erzeugen, die aushärtet, um einen leitfähigen fließfähigen Festkörper zu
bilden. Ein Vorteil von kolloidalen Suspensionen besteht darin, dass
sie durch Versprühen,
Tauchbeschichten und andere Techniken, die einen dünnen gleichförmigen Überzug einer
Flüssigkeit
zulassen, in einem Muster auf der Oberfläche eines Polymers hergestellt
werden können.
Um die Haftung zwischen dem Polymer und einer Elektrode zu erleichtern,
kann ein Bindemittel zu der Elektrode hinzugefügt werden. Beispielhaft kann
ein wasserbasierender Latexkautschuk oder Silikon als Bindemittel
zu einer kolloidalen Suspension hinzugefügt werden, die Graphit enthält.
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In
einem anderen Beispiel werden nachgiebige Elektroden unter Verwendung
von leitfähigem Material
mit einem hohen Seitenverhältnis,
wie Kohlenstoff-Fibrillen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen erzielt. Diese Kohlenstoffmaterialien
mit hohem Seitenverhältnis
können
hohe Oberflächenleitfähigkeiten
in dünnen
Schichten bilden. Kohlenstoffmaterialien mit hohem Seitenverhältnis können der
Oberfläche
des Polymers bei relativ geringen Elektrodendicken eine hohe Leitfähigkeit
verleihen, und zwar wegen der hohen gegenseitigen Verbindbarkeit
der Kohlenstoffmaterialien mit hohem Seitenverhältnis. Beispielhaft können Dicken
für Elektroden,
die mit üblichen
Formen von Kohlenstoff hergestellt worden sind, welche kein hohes
Seitenverhältnis
besitzen, im Bereich von 5–50
Mikrometer liegen, während
Dicken für
Elektroden, die mit Kohlenstoff-Fibrillen
oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden
hergestellt worden sind, kleiner als 2–4 Mikrometer sein können. Flächenausdehnungen
reichlich über
100 Prozent in mehreren Richtungen sind mit Kohlenstoff-Fibrillen- und
Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden
auf Acryl und anderen Polymeren geeignet. Kohlenstoffmaterialien
mit hohem Seitenverhältnis
können
die Verwendung eines Polymerbindemittels einschließen, um die
Haftung mit der elektroaktiven Polymerschicht zu erhöhen. Vorteilhaft
gestattet es die Verwendung eines Polymerbindemittels, basierend
auf der Haftung mit einer bestimmten elektroaktiven Polymerschicht und
basierend auf elastischen und mechanischen Eigenschaften des Polymers
ein spezifisches Bindemittel auszuwählen.
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In
einem Beispiel können
Kohlenstoffelektroden mit hohem Seitenverhältnis dünn genug gefertigt werden,
so dass die Lichtundurchlässigkeit
der Elektroden entsprechend der Polymerauslenkung verändert werden
kann. Beispielhaft können
die Elektroden dünn
genug gemacht werden, so dass sich die Elektrode bei einer Ausdehnung
von lichtundurchlässig
zu semitransparent verändert.
Diese Fähigkeit zum
Manipulieren der Lichtundurchlässigkeit
der Elektrode kann es gestatten, Wandler der vorliegenden Erfindung
bei einer Reihe von verschiedenen optischen Anwendungen einzusetzen,
wie unten beschrieben wird.
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In
einem anderen Beispiel können
für die nachgiebigen
Elektroden Mischungen von ionisch leitfähigen Materialien verwendet
werden. Diese können
zum Beispiel wasserbasierende Polymermaterialien, wie Glycerin oder
Salz in Gelatine, mit Jod dotierte Naturkautschuke und wasserbasierende
Emulsionen umfassen, zu denen organische Salze, wie Kaliumjodid
hinzugefügt
werden. Für
hydrophobe elektroaktive Polymere, die an einer wasserbasierenden
Elektrode nicht gut haften können,
kann die Oberfläche
des Polymers durch Plasmaätzen
oder mit einem feinen Pulver, wie Graphit oder Kohlenstoffruß, vorbehandelt
werden, um die Haftung zu erhöhen.
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Materialien,
die für
die Elektroden einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, können
stark variieren. Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet
werden, können Graphit,
Kohlenstoffruß,
kolloidale Suspensionen, dünne
Metalle einschließlich
Silber und Gold, mit Silber gefüllte
und mit Kohlenstoff gefüllte
Gele und Polymere, ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere einschließen. Bei
einer spezifischen Ausführungsform
umfasst eine zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignete
Elektrode 80 Prozent Kohlenstoff-Fett und 20 Prozent Kohlenstoff-Ruß in einem
Silikonkautschuk-Bindemittel, wie Stockwell RTV60-CON, wie es von
der Stockwell Rubber Co. Inc., Philadelphia, PA hergestellt wird.
Das Kohlenstoff-Fett ist von der Art, wie Circuit Works 7200, wie es
von ChemTronics Inc., Kennesaw, GA geliefert wird. Das leitfähige Fett
kann auch mit einem Elastomer vermischt werden, wie Silikon-Elastomer
RTV 118, wie es von General Electric, Waterford, NY hergestellt
wird, um ein gelartiges leitfähiges
Fett bereitzustellen.
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Es
versteht sich, dass gewisse Elektrodenmaterialien mit bestimmten
Polymeren gut zusammenarbeiten und bei anderen nicht so gut funktionieren
können.
Beispielhaft arbeiten Kohlenstoff-Fibrillen gut mit Acrylelastomerpolymeren
zusammen, während
sie mit Silikonpolymeren nicht so gut zusammenarbeiten. Für die meisten
Wandler können wünschenswerte
Eigenschaften für
die nachgiebige Elektrode irgend eines von einem niedrigen Elastizitätsmodul,
einer geringen mechanischen Dämpfung, einem
geringen Oberflächenwiderstand,
einem gleichförmigen
Widerstand, einer chemischen und Umgebungs-Stabilität, einer
chemischen Verträglichkeit
mit dem elektroaktiven Polymer, einer guten Haftung am elektroaktiven
Polymer und einer Fähigkeit, glatte
Oberflächen
zu bilden, einschließen.
In einigen Fällen
kann es wünschenswert
sein, dass das Elektrodenmaterial für eine präzise Musterherstellung während der
Fertigung geeignet ist. Beispielhaft kann die nachgiebige Elektrode
auf das Polymer sprühbeschichtet
werden. In diesem Fall wären
Materialeigenschaften wünschenswert,
die für
die Sprühbeschichtung
von Vorteil sind. In einigen Fällen
kann ein Wandler der vorliegenden Erfindung zwei verschiedene Arten
von Elektroden realisieren. Beispielhaft kann eine Membran-Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung eine an ihrer Oberseite befestigte strukturierte Elektrode
und ein auf der Unterseite abgeschiedenes Kohlenstoffmaterial mit
hohem Seitenverhältnis aufweisen.
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Elektronische
Treiber sind mit den Elektroden verbunden. Die zu dem elektroaktiven
Polymer gelieferte Spannung wird von spezifischen Eigenschaften
einer Anwendung abhängen.
In einem Beispiel wird ein Wandler elektrisch angesteuert, indem man
eine angelegte Spannung um eine Gleichspannungs-Vorspannung herum
moduliert. Eine Modulation um eine Vorspannung herum sorgt für eine verbesserte
Empfindlichkeit und Linearität
des Wandlers gegenüber
der angelegten Spannung. Beispielhaft kann ein bei einer Audio-Anwendung
verwendeter Wandler von einem Signal von bis hin zu 200 bis 1000
Volt Spitze-zu-Spitze über
einer Vorspannung im Bereich von etwa 750 bis 2000 Volt Gleichspannung
angesteuert werden.
-
6. ANWENDUNGEN
-
Da
die vorliegende Erfindung Generatoren einschließt, die sowohl auf dem Mikro-
und Makro-Maßstab
realisiert werden können,
sowie eine breite Vielfalt von Aktuator-Konstruktionen, findet die vorliegende
Erfindung in einem breiten Bereich von Anwendungen Verwendung, wo
eine Umwandlung zwischen elektrischer und mechanischer Energie gefordert
wird. Unten werden mehrere beispielhafte Anwendungen für einige
der oben beschriebenen Aktuatoren geliefert. Breit gesagt, können die
Wandler und Aktuatoren bei einer beliebigen Anwendung Verwendung
finden, die eine Umwandlung zwischen elektrischer und mechanischer
Energie erforderlich macht. Diese Anwendungen schließen Robotertechnik,
Sensoren, Motoren, Spielzeuge, Mikro-Aktuator-Anwendungen, Pumpen, Generatoren,
usw. ein.
-
Wie
zuvor erwähnt,
können
elektroaktive Polymere, entweder einzeln oder in einer Ansammlung mechanisch
verknüpft,
als künstlicher
Muskel bezeichnet werden. Der Begriff künstlicher Muskel in sich selbst
impliziert, dass diese Aktuatoren für eine Anwendung an biologisch
inspirierten Robotern oder in biomedizinischen Anwendungen gut geeignet
sind, wo eine Nachahmung von Muskel, Säugetier oder anderem erwünscht ist.
Beispielhaft können
Anwendungen, wie prothetische Gliedmaßen, Exoskelette und künstliche
Herzen aus vorbeanspruchten Polymeren der vorliegenden Erfindung
Vorteile ziehen. Die Größenskalierbarkeit
von elektroaktiven Polymeren und die Fähigkeit, in einer Ansammlung
eine beliebige Anzahl von Wandlern oder Polymer-Aktuatoren zu verwenden,
gestatten es, künstlichen
Muskel gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem Bereich von Anwendungen zu nutzen, der größer ist
als der ihrer biologischen Gegenstücke. Da Wandler und Aktuatoren
der vorliegenden Erfindung einen Leistungsbereich besitzen, der
weit außerhalb
desjenigen ihrer biologischen Gegenstücke liegt, ist die vorliegende Erfindung
nicht auf künstlichen
Muskel begrenzt, der eine echtem Muskel entsprechende Leistung besitzt, und
kann in der Tat Anwendungen einschließen, die eine Leistung außerhalb
von derjenigen von echtem Muskel erforderlich machen.
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In
einem Beispiel von künstlichem
Muskel umfasst eine Ansammlung von Linearbewegungs-Vorrichtungen
zwei oder mehr Schichten von vorbeanspruchtem Polymer, die sandwichartig
zusammengefügt
und an entgegengesetzten Rändern jedes
Polymers an zwei starren Platten befestigt sind. Elektroden sind
in die Mitte zwischen jeder von den Polymerschichten eingeschweißt. Sämtliche
der Linearbewegungs-Vorrichtungen in der Ansammlung können aus
geometrischen Einschränkungen
Nutzen ziehen, die von den starren Platten und einer anisotropen
Vorbeanspruchung geliefert werden, um eine Verformung des Polymers
in der aktivierten Richtung einzuschränken. Ein Vorteil der geschichteten
Konstruktion besteht darin, dass so viele elektroaktive Polymerschichten
wie erforderlich parallel gestapelt werden können, um die gewünschte Kraft
zu erzeugen. Weiter kann der Hub dieser Linearbewegungs-Vorrichtungs- Konfiguration vergrößert werden,
indem man in Reihe ähnliche
Linearbewegungs-Vorrichtungen hingefügt.
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Im
Mikro-Bereich können
die vorbeanspruchten Polymere Dicken im Bereich von mehreren Mikrometern
bis mehreren Millimetern aufweisen, und vorzugsweise von mehreren
Mikrometern bis zu Hunderten von Mikrometern. Vorbeanspruchte Polymere
von Mikro-Größe sind
gut für
Anwendungen geeignet, wie Tintenstrahl, betätigte Ventile, Mikro-Pumpen,
Aktuatoren vom Raupenspanner-Typ, Zeigespiegel,
Tongeneratoren, Mikro-Klammern und Mikro-Robotertechnik-Anwendungen. Mikro-Robotertechnik-Anwendungen
können
Mikro-Roboterbeine, Greifer, Zeiger-Aktuatoren für CCD-Kameras, Drahtzuführvorrichtungen zur Mikro-Verschweißung und
Reparatur, Klemm-Aktuatoren zum Halten von starren Positionen und
Ultraschall-Aktuatoren zur Übertragung
von Daten über
gemessene Entfernungen einschließen. Bei einer anderen Anwendung kann
eine Membran-Vorrichtung in einer Anordnung von ähnlichen elektroaktiven Polymermembranen
in einer ebenen Konfiguration auf einer einzigen Oberfläche realisiert
werden. Beispielhaft kann eine Anordnung zweiundsechzig Membranen
mit dem Durchmesser von 150 Mikrometern einschließen, die jeweils
in einer Ebenenkonfiguration angeordnet sind. Bei einer Ausführungsform
kann die Anordnung von Membran-Vorrichtungen auf einem Silizium-Wafer
ausgebildet werden. Anordnungen von Membran-Vorrichtungen, die auf
diese Weise hergestellt werden, können zum Beispiel von 5 bis
10000 oder mehr Membranen einschließen, die jeweils einen Durchmesser
im Bereich von etwa 60 bis 150 Mikrometer besitzen. Die Anordnung
kann auf Gitterplatten angebracht werden, die in einem geeigneten
Abstand angeordnete Öffnungen
für jede
Membran aufweisen.
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Im
Makro-Bereich kann jeder der oben beschriebenen Aktuatoren für seine
eigene Gruppe von Anwendungen gut geeignet sein. Zum Beispiel ist
der Aktuator vom Raupenspanner-Typ aus 2I zur Verwendung
mit kleinen Robotern geeignet, die imstande sind, durch Rohre mit
einem Durchmesser von weniger als 2 cm zu navigieren. Andere Aktuatoren
sind zum Beispiel gut geeignet mit Anwendungen wie Robotertechnik,
Magnetspulen, Tongeneratoren, Linear-Aktuatoren, Raumfahrt-Aktuatoren
und in der allgemeinen Automatisierung.
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In
einem anderen Beispiel wird ein Wandler als optische Modulationsvorrichtung
oder als optischer Schalter verwendet. Der Wandler schließt eine Elektrode
ein, deren Opazität
sich mit der Auslenkung verändert.
Ein durchsichtiges oder im Wesentlichen durchscheinendes vorbeanspruchtes
Polymer ist an der Elektrode mit variierender Opazität befestigt,
und die Auslenkung des Polymers wird benutzt, um die Opazität der Vorrichtung
zu modulieren. Im Fall eines optischen Schalters, unterbricht der
Wandler mit sich ändernder
Opazität
eine mit einem Lichtsensor kommunizierende Lichtquelle. Somit bewirkt die
Auslenkung des durchsichtigen Polymers, dass die Elektrode mit sich ändernder
Opazität
ausgelenkt und der Lichtsensor beeinflusst wird. In einem spezifischen
Beispiel enthält
die Elektrode mit sich ändernder
Opazität
Kohlenstoff-Fibrillen oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die weniger undurchsichtig
werden, wenn die Elektrodenfläche
zunimmt und die Fibrillen-Flächendichte
abnimmt. In einem anderen spezifischen Beispiel kann eine optische
Modulationsvorrichtung, umfassend ein elektroaktives Polymer und
eine Elektrode mit sich ändernder
Opazität, ausgelegt
werden, um die durch die Vorrichtung durchgelassene Lichtmenge präzise zu
modulieren.
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Membran-Vorrichtungen
können
als Pumpen, Ventile usw. verwendet werden. In einem Beispiel ist
eine Membran-Vorrichtung mit einem vorbeanspruchten Polymer zur
Verwendung als Pumpe geeignet. Die Pumpwirkung wird durch wiederholte Aktivierung
des Polymers erzeugt. Elektroaktive Polymerpumpen gemäß der vorliegenden
Erfindung können
sowohl im Mikro- und Makro-Maßstab realisiert
werden. Beispielhaft kann die Membran als Pumpe mit einem Durchmesser
im Bereich von etwa 150 Mikrometern bis etwa 2 Zentimetern verwendet werden.
Diese Pumpen können
Polymerbeanspruchungen über
100 Prozent einschließen
und können Drücke von
20 kPa oder mehr erzeugen.
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6 zeigt
ein zweistufiges hintereinander geschaltetes Pumpen-System, das
Membranpumpen 540 und 542 gemäß einer spezifischen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einschließt. Die Membranpumpen 540 und 542 schließen vorbeanspruchte
Polymere 544 und 546 ein, die an Rahmen 545 und 547 befestigt
sind. Die Polymere 544 und 546 werden innerhalb
von Öffnungen 548 und 550 in
den Rahmen 545 bzw. 547 in einer zur Ebene der Öffnungen 548 und 550 senkrechten
Richtung ausgelenkt. Die Rahmen 545 und 547 begrenzen
zusammen mit den Polymeren 545 und 546 Hohlräume 551 und 552.
Die Pumpe 540 schließt
einen Plungerkolben 553 ein, der eine Biegefeder 560 aufweist,
um für
eine Vorspannkraft auf die Membran 544 in Richtung des
Hohlraums 551 zu sorgen.
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Ein
Ein-Wege-Ventil 555 gestattet den Eintritt eines Fluids
oder Gases in den Hohlraum 551. Ein Ein-Wege-Ventil 556 gestattet
den Austritt des Fluids oder Gases aus dem Hohlraum 551 heraus
in den Hohlraum 552 hinein. Zudem gestattet ein Ein-Wege-Ventil 558 den
Austritt des Fluids oder Gases aus dem Hohlraum 552. Bei
Aktivierung der Polymere 544 und 546 werden die
Polymere abwechselnd ausgelenkt, um den Druck innerhalb der Hohlräume 551 bzw. 552 zu
verändern,
wodurch Fluid oder Gas aus dem Ein-Wege-Ventil 555 zum
Hohlraum 551, aus dem Ventil 556 heraus in den
Hohlraum 552 hinein und aus dem Ventil 558 heraus
bewegt wird.
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Bei
dem hintereinander geschalteten zweistufigen Pumpen-System aus 6 schließt die Membranpumpe 542 keine
Vorspannkraft ein, da die mit Druck beaufschlagte Abgabe aus der
Membranpumpe 540 die Pumpe 542 vorbelastet. In
einem Beispiel nutzt nur die erste Pumpe in einer hintereinander
geschalteten Reihe von Membranpumpen einen Vorspanndruck – oder irgendeinen
anderen Mechanismus zur Selbstauslösung. In einigen Beispielen können in
einer Anordnung bereitgestellte Membranpumpen Spannungen einschließen, die
von einer elektronischen Zeitsteuerung geliefert werden, um den
Pumpwirkungsgrad zu erhöhen.
In dem in 6 dargestellten Beispiel werden
die Polymere 544 und 546 für die beste Leistung gleichzeitig
aktiviert. Bei anderen Beispielen, die mehr Membranpumpen in der
Kaskade beinhalten können,
wird die elektronische Zeitsteuerung für die verschiedenen Aktuatoren in
idealer Weise so eingestellt, dass sich das Hohlraumvolumen einer
Pumpe zusammenzieht, während
sich die nächste
Pumpe in der Reihe (wie durch die Ein-Wege-Ventile festgelegt) ausdehnt. In einem spezifischen
Beispiel liefert die Membranpumpe 540 Gas mit einer Durchsatzmenge
von 40 ml/min und einem Druck von etwa 1 kPa, während die Membranpumpe 542 Gas
mit im Wesentlichen derselben Durchsatzmenge liefert, jedoch den
Druck auf 2,5 kPa erhöht.
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Biegebalken-Vorrichtungen,
wie diejenigen, die im Hinblick auf die 2K–2M beschrieben wurden,
können
in einer Vielfalt von kommerziellen und Raumfahrt-Vorrichtungen
und Anwendungen eingesetzt werden, wie Gebläsen, elektrischen Schaltern
und Relais, sowie Lichtscannern – auf der Mikro- und Makro-Ebene.
Für Biegebalken-Aktuatoren,
die als Lichtscanner verwendet werden, kann eine reflektierende
Oberfläche,
wie mit Aluminium bedampftes Mylar, mit dem freien Ende eines Biegebalken-Aktuators
verbunden werden. Spezieller wird Licht reflektiert, wenn der Biegebalken
aktiviert wird, und Licht tritt hindurch, wenn sich der Biegebalken
in Ruhe befindet. Der Reflektor kann dann verwendet werden, um ankommendes
Licht zu reflektieren und einen Abtaststrahl zu bilden, um entsprechend
der Auslenkung des Aktuators einen Bogen oder eine Linie zu bilden.
Anordnungen von Biegebalken-Aktuatoren können auch für Flat-Panel-Anzeigen verwendet
werden, um die Luftströmung über eine
Oberfläche
zu steuern, für
Lautsprecher mit geringer Tiefe und für Schwingungsunterdrücker, als "intelligente Pelze" zur Steuerung von
Wärmeübertragung und/oder
Lichtabsorption auf einer Oberfläche,
und können
in einer koordinierten Weise als Zilien wirken, um Objekte zu manipulieren.
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Polymere
und Polymerfilme, die zu einem röhrenförmigen oder
mehrschichtigen Zylinder-Aktuator gerollt sind, können als
Kolben realisiert werden, der sich bei einer Aktivierung axial ausdehnt.
Ein solcher Aktuator ist einem hydraulischen oder pneumatischen
Kolben analog und kann in einer beliebigen Vorrichtung oder Anwendung
realisiert werden, welche diese traditionellen Formen von linearer
Auslenkung verwendet.
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Für eine Vielfalt
von Anwendungen, die Tongeneratoren und akustische Lautsprecher,
Tintenstrahldrucker, schnelle MEMS-Schalter usw. einschließen, kann
ein elektroaktiver Polymer-Aktuator bei
hohen Geschwindigkeiten arbeiten. In einem spezifischen Beispiel
wird eine elektroaktive Polymermembran als Lichtscanner verwendet.
Spezieller kann ein Spiegel auf einem Biegeelement angebracht werden,
das nach unten auf eine elektroaktive Polymermembran mit 5 mm Durchmesser
drückt,
um ein verspiegeltes Biegeelement bereitzustellen. Eine gute Abtastung
von Bildern unter einem Abtastwinkel von etwa 10 bis 30 Grad kann
mit Spannungen im Bereich von etwa 190 bis 300 Volt und Frequenzen im
Bereich von etwa 30 bis 300 Hz erzielt werden. Viel größeren Abtastwinkeln,
zum Beispiel bis zu 90 Grad, kann ebenfalls Rechnung getragen werden,
indem Spannungen im Bereich von 400 bis 500 V verwendet werden.
Zudem können
mit einem steiferen verspiegelten Biegeelement höhere Frequenzen verwendet werden.
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Generatoren
der vorliegenden Erfindung finden breite Verwendung als Generatoren
zum Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie. Insbesondere
sind Generatoren der vorliegenden Erfindung zur Verwendung als Fersenaufsetz-Generatoren gut geeignet.
Spezieller können ein
oder mehrere Wandler der vorliegenden Erfindung in einem Schuh verwendet
werden, um beim Gehen erzeugte mechanische Energie als elektrische
Energie nutzbar zu machen. Typischerweise schließt ein Generator ein Polymer
ein, das in einer Art und Weise angeordnet ist, die ansprechend
auf eine Auslenkung eines Teils des Polymers eine Veränderung
im elektrischen Feld und in gespeicherter elektrischer Energie bewirkt.
Eine mechanische Beaufschlagung, wie ein Aufsetzen einer Ferse,
führt zur
Ausdehnung des Wandlers in einer oder beiden Ebenenrichtungen parallel
zur Oberfläche
der Elektroden, womit die gespeicherte elastische mechanischer Energie
des Wandlers vergrößert wird.
Wenn dann im gestreckten Zustand eine elektrische Ladung auf die
Elektroden aufgebracht wird (oder im gestreckten Zustand mehr Ladung
hinzugefügt
wird) und man den Wandler sich zusammenziehen lässt, wandelt der Wandler einen
Teil oder die Gesamtheit seiner elastischen mechanischen Energie
in eine größere Menge
an gespeicherter elektrischer Energie um. Die größere gespeicherte elektrische
Energie kann dann von einer Schaltungsanordnung zurückgewonnen
oder geerntet werden, die in elektrischer Verbindung mit den Elektroden
steht. Ein gewisser Teil der geernteten Energie kann dann zurückgeführt werden,
um für
die anfängliche
elektrische Ladung zur Beaufschlagung im nächsten Ausdehnungs-Kontraktions-Zyklus
zu sorgen. Generator-Anwendungen schließen auch
Wandler ein, die mit konventionellen Verbrennungsmotoren gekoppelt
sind, um kraftstoffgetriebene elektrische Generatoren herzustellen, handgetriebene Kurbelgeneratoren,
durch Wellen angetriebene Generatoren, durch Wind angetriebene Generatoren
und andere Arten von Generatoren, wo eine mechanische Beaufschlagung
verfügbar
ist, um den Wandler zu strecken.
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Es
sollte festgestellt werden, dass Wandler der vorliegenden Erfindung
realisiert werden können, um
mehr als eine Funktionalität
zu haben. Mit anderen Worten kann ein Wandler in derselben Konstruktion
als Aktuator, Generator und Sensor dienen.
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7. FERTIGUNG
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Da
die vorbeanspruchten Polymere sowohl im Mikro- und Makro-Maßstab in
einer breiten Vielfalt von Aktuator-Konstruktionen, mit einem weiten
Bereich von Materialien und in einem breiten Bereich von Anwendungen
realisiert werden können,
können mit
der vorliegenden Erfindung verwendete Fertigungsverfahren stark
variieren. Verfahren zur Fertigung von elektromechanischen Vorrichtungen,
die ein oder mehrere vorbeanspruchte Polymere einschließen, werden
im Folgenden beschrieben.
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7A zeigt einen Prozessablauf 600 für die Fertigung
einer elektromechanischen Vorrichtung, die wenigstens eine elektroaktive
Polymerschicht aufweist. Die Prozesse können bis zu mehrere zusätzliche
Schritte einschließen,
die hier nicht beschrieben oder dargestellt sind, um die vorliegende Erfindung
nicht zur verdecken. In einigen Fällen können Fertigungsprozesse konventionelle
Materialien und Techniken einschließen, wie kommerziell erhältliche
Polymere und Techniken, die bei der Fertigung von Mikroelektronik
und Elektronik-Technologien verwendet werden. Zum Beispiel können Mikro-Membran-Vorrichtungen
in situ auf Silizium hergestellt werden, wobei konventionelle Techniken
verwendet werden, um die Löcher
zu bilden und das Polymer und die Elektroden aufzubringen.
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Der
Prozessablauf 600 beginnt mit dem Erhalt oder der Fertigung
eines Polymers (602). Das Polymer kann gemäß mehreren
Verfahren erhalten oder gefertigt werden. In einem Beispiel ist
das Polymer ein kommerziell erhältliches
Produkt, wie ein kommerziell erhältlicher
Acrylelastomerfilm. In einem anderen Beispiel ist das Polymer ein
Film, der durch eines von Gießen,
Tauchen, Schleuderbeschichten oder Sprühen erzeugt wird. In einem
Beispiel wird das Polymer erzeugt, während Veränderungen der Dicke oder irgendwelche
anderen Defekte minimiert werden, welche das Maximieren des elektrischen Feldes,
das über
das Polymer angelegt werden kann, gefährden können und daher die Leistung
gefährden.
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Das
Schleuderbeschichten beinhaltet typischerweise das Aufbringen einer
Polymer-Mischung auf ein starres Substrat und das Schleudern bis
zu einer gewünschten
Dicke. Die Polymer-Mischung
kann das Polymer, ein Aushärtungsmittel
und ein flüchtiges
Dispergier- oder Lösemittel
enthalten. Die Menge an Dispergiermittel, die Flüchtigkeit des Dispergiermittels
und die Schleudergeschwindigkeit können verändert werden, um ein gewünschtes
Polymer zu erzeugen. Beispielhaft können Polyurethanfilme in einer
Lösung
von Polyurethan und Tetrahydrofuran (THF) oder Cyclohexanon schleuderbeschichtet
werden. Im Fall von Silizium-Substraten kann das Polymer auf einem
mit Aluminium bedampften Kunststoff oder einem Siliziumcarbid schleuderbeschichtet
werden. Das Aluminium und das Siliziumcarbid bilden eine Opferschicht,
die anschließend
durch ein geeignetes Ätzmittel
entfernt wird. Filme im Bereich von einem Mikrometer Dicke können auf
diese Weise durch Schleuderbeschichtung erzeugt werden. Die Schleuderbeschichtung von
Polymerfilmen, wie Silikon, kann auf einem glatten, nicht-haftenden Kunststoffsubstrat,
wie Polymethylmethacrylat oder Teflon, vorgenommen werden. Der Polymerfilm
kann dann durch mechanisches Abziehen oder mit Hilfe von Alkohol
oder einem anderen geeigneten Trennmittel abgelöst werden. Die Schleuderbeschichtung
ist auch zur Erzeugung von dickeren Polymeren im Bereich von 10–750 Mikrometern
geeignet. In einigen Fällen
kann die Polymer-Mischung vor dem Schleuderbeschichten zentrifugiert
werden, um unerwünschte
Substanzen, wie Füllstoffe,
teilchenförmige Stoffe,
Verunreinigungen und Pigmente zu entfernen, die in kommerziellen
Polymeren verwendet werden. Um den Wirkungsgrad der Zentrifuge zu
erhöhen oder
die Gleichförmigkeit
der Dicke zu verbessern, kann ein Polymer in einem Lösemittel
verdünnt
werden, um seine Viskosität
abzusenken; z. B. kann Silikon in Naptha gelöst werden.
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Das
Polymer kann dann in einer oder mehreren Richtungen vorbeansprucht
werden (604). Bei einer Ausführungsform wird die Vorbeanspruchung
erzielt, indem ein Polymer in einer oder mehreren Richtungen mechanisch
gestreckt und an einem oder mehreren festen Elementen (z. B. starren
Platten) fixiert wird, während
es beansprucht ist. Eine andere Technik zur Aufrechterhaltung einer
Vorbeanspruchung schließt
die Verwendung von einer oder mehreren Versteifungen ein. Die Versteifungen
sind lange starre Strukturen, die auf einem Polymer angebracht werden,
während
es sich in einem vorbeanspruchten Zustand befindet, z. B. während es
gestreckt ist. Die Versteifungen erhalten die Vorbeanspruchung entlang
ihrer Achsen aufrecht. Die Versteifungen können parallel oder in einer
anderen Ausbildung angeordnet sein, um eine gerichtete Nachgiebigkeit
des Wandlers zu erzielen. Es sollte festgestellt werden, dass die
vergrößerte Steifigkeit
entlang der Versteifungsachsen sowohl die vom Material der Versteifungen gelieferte
vergrößerte Steifigkeit
als auch die vergrößerte Steifigkeit
des Polymers in der Vorbeanspruchungsrichtung umfasst.
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Oberflächen auf
dem vorbeanspruchten Polymer können
mit einer Textur versehen werden. Bei einem Verfahren zur Bereitstellung
einer Texturierung wird ein Polymer mehr gestreckt, als es gestreckt
werden kann, wenn es aktiviert wird, und auf der gestreckten Polymeroberfläche wird
eine dünne Schicht
von steifem Material abgeschieden. Zum Beispiel kann das steife
Material ein Polymer sein, das ausgehärtet wird, während das
elektroaktive Polymer gestreckt ist. Nach dem Aushärten wird
das elektroaktive Polymer entspannt, und die Struktur beult sich aus,
um die mit der Textur versehene Oberfläche bereitzustellen. Die Dicke
des steifen Materials kann verändert
werden, um für
eine Texturierung auf einem beliebigen Maßstab zu sorgen, einschließlich Submikrometer-Höhen. Bei
einer anderen Ausführungsform
werden mit einer Textur versehene Oberflächen durch reaktives Ionenätzen (RIE)
erzeugt. Beispielhaft kann RIE auf einem vorbeanspruchten Polymer,
das Silikon umfasst, mit einem 90 Prozent Kohlenstofftetrafluorid
und 10 Prozent Sauerstoff umfassenden RIE-Gas ausgeführt werden,
um eine Oberfläche
mit Wellentälern
und Bergrücken
von 4 bis 5 Mikrometern Tiefe zu bilden.
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Auf
dem Polymer werden dann eine oder mehrere Elektroden gebildet (606).
Bei dem oben erwähnten,
durch RIE veränderten
Silikonpolymer kann eine dünne
Goldschicht durch Sputtern auf der durch RIE mit einer Textur versehenen
Oberfläche abgeschieden
werden, um eine mit einer Textur versehene Elektrode bereitzustellen.
In einem anderen Beispiel können
eine oder mehrere Graphit-Elektroden unter Verwendung eines Stichels
in einem Muster vorgesehen und abgeschieden werden. Elektroden,
die leitfähige
Fette vermischt mit einem leitfähigen
Silikon umfassen, können
gefertigt werden, indem man das leitfähige Fett und das nicht-ausgehärtete leitfähige Silikon
in einem Lösemittel
auflöst.
Die Lösung
kann dann auf das elektroaktive Polymermaterial gesprüht werden
und kann eine Maske oder einen Stichel einschließen, um das spezielle Muster
zu erzielen.
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Die
Metallspuren der strukturierten Elektroden aus den 3 und 4 können als
Muster fotolithographisch auf dem Polymer oder der Ladungsverteilungsschicht
hergestellt werden. Zum Beispiel wird eine Goldschicht durch Sputtern
abgeschieden, bevor über
dem Gold ein Fotoresist abgeschieden wird. Der Fotoresist und das
Gold können
gemäß konventionellen
fotolithographischen Techniken in einem Muster hergestellt werden,
z. B. unter Verwendung einer Maske gefolgt von einer oder mehreren Spülungen,
um den Fotoresist zu entfernen. Eine zwischen dem Polymer und den
Metallschichten hinzugefügte
Ladungsverteilungsschicht kann zum Beispiel durch Schleuderbeschichtung
abgeschieden werden.
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Bei
einem spezifischen Verfahren wird eine strukturierte Elektrode auf
einem Polymer gebildet, indem Gold etwa 2 bis 3 Minuten lang (entsprechend der
gewünschten
Dicke) durch Sputtern mit etwa 150 Angström pro Minute abgeschieden wird.
HPR 506-Fotoresist, wie er von Arch Chemicals, Norwalk, Connecticut
geliefert wird, wird dann bei etwa 500 bis 1500 U/min etwa 20 bis
30 Sekunden lang schleuderbeschichtet und dann bei etwa 90 Grad
Celsius gebacken. Eine Maske wird dann aufgebracht, bevor man den
Fotoresist UV-Licht und einer Entwicklung aussetzt, um unmaskierte
Teile des Fotoresist zu entfernen. Das Gold wird dann weggeätzt, und
der Film wird gespült.
Der verbleibende Fotoresist wird durch Belichtung mit UV-Licht,
Entwicklung und Spülen
entfernt. Die Goldspuren können
dann gestreckt werden, um die Beanspruchungstoleranz zu verbessern.
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Mit
einer Textur versehene Elektroden können auch fotolithographisch
in einem Muster hergestellt werden. In diesem Fall wird ein Fotoresist
auf einem vorbeanspruchten Polymer abgeschieden und unter Verwendung
einer Maske mit einem Muster versehen. Plasmaätzen kann Teile des elektroaktiven Polymers,
die nicht von der Maske geschützt
sind, in einem gewünschten
Muster entfernen. Die Maske kann anschließend durch eine geeignete Nassätzung entfernt
werden. Die aktiven Oberflächen
des Polymers können
dann mit der dünnen
Goldschicht bedeckt werden, die zum Beispiel durch Sputtern abgeschieden
wird.
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Der
Wandler, der die eine oder die mehreren Polymerschichten und Elektroden
umfasst, wird dann entsprechend einer Anwendung gepackt (608).
Das Packen kann auch die Montage von mehreren mechanisch verbundenen
oder gestapelten Wandlern als mehrere Schichten einschließen. Zudem
können entsprechend
einer Anwendung mechanische und elektrische Verbindungen zu den
Wandlern ausgebildet werden.
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Die
Fertigung von Polymeren kann auch das Hinzufügen von einem oder mehreren
Additiven einschließen.
Bei dem oben beschriebenen Additive-Beispiel wurde Mineralöl zu einer
Lösung
von Kraton D2104, wie es von Shell Chemical, Houston, TX hergestellt
wird, in einem Lösemittel,
wie Butylacetat, hinzugefügt,
um die dielektrische Durchbruchfestigkeit zu erhöhen. In einem spezifischen
Beispiel enthielt die Lösung
14,3 Gewichtsprozent Mineralöl
und 32,1 Gewichtsprozent Kraton D2104. Die Lösung wurde dann auf Glas gegossen
und in einem Ofen bei 95 Grad Celsius erwärmt, um jegliches restliche Lösemittel
zu entfernen und das elektroaktive Polymer zu erzeugen. Das Polymer
wurde dann auf einem Rahmen um 150 Prozent mal 150 Prozent gestreckt.
Kohlenstoff-Fett-Elektroden wurden dann auf entgegengesetzte Oberflächen des
Polymers geschmiert. Dieser Prozess erzeugte einen Wandler mit einer
maximalen linearen Beanspruchung im Bereich von etwa 70 bis 100
Prozent.
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Die
vorliegende Offenbarung sieht auch alternative Verfahren zur Fertigung
von elektromechanischen Vorrichtungen vor, die mehrere Schichten von
vorbeanspruchtem Polymer enthalten. Bei einem Verfahren beginnt
ein Prozess zur Fertigung von elektromechanischen Vorrichtungen,
indem man eine Polymerschicht erhält oder fertigt. Das Polymer wird
dann auf die gewünschte
Vorbeanspruchung gestreckt und an einem ersten starren Rahmen befestigt.
Als nächstes
werden Elektroden auf beiden Seiten des Polymers abgeschieden, so
dass aktive Flächen
festgelegt und elektrische Verbindungen eingerichtet werden. Die
Elektroden können
durch eine Vielfalt von wohlbekannten Techniken in einem Muster
hergestellt werden, wie Sprühbeschichtung
durch eine Maske. Falls erwünscht,
wird dann eine zweite Polymerschicht auf einem zweiten Rahmen gestreckt.
Elektroden werden auf dieser zweiten Polymerschicht in einem Muster
hergestellt. Die zweite Polymerschicht wird dann mit der ersten
Schicht gekoppelt, indem ihre jeweiligen Rahmen gestapelt werden.
Schichten von geeigneten nachgiebigen Klebern können verwendet werden, um die
beiden Schichten und Elektroden zu verbinden, falls dies benötigt wird.
Die Größe der Rahmen
wird so gewählt, dass
sie einen innigen Kontakt zwischen den Polymerschichten nicht stört. Wenn
eine Störung
vorhanden ist, dann kann es wünschenswert
sein, den zweiten Rahmen zu entfernen, z. B. indem man die Polymerschicht
um den Rand des ersten Rahmens herum wegschneidet. Falls gewünscht, kann
in einer ähnlichen
Weise, wie die zweite Schicht zur ersten hinzugefügt wurde,
eine dritte Polymerschicht mit Elektroden hinzugefügt werden.
Diese Vorgehensweise kann fortgesetzt werden, bis eine gewünschte Anzahl von
Schichten erreicht ist.
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Starre
Rahmen, starre Elemente oder andere elektrische und mechanische
Verbinder werden dann an den Polymerschichten befestigt, z. B. durch Verleimen.
Falls erwünscht,
kann das Polymer dann von dem ersten Rahmen entfernt werden. In
einigen Fällen
kann der erste Rahmen als struktureller Teil des endgültigen Aktuators
oder der endgültigen
Aktuatoren dienen. Zum Beispiel kann der erste Rahmen eine Anordnung
von Öffnungen
sein, um eine Anordnung von Membran-Vorrichtungen zu erzeugen.
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Die 7B–F
zeigen einen zweiten Prozess zur Fertigung einer elektromechanischen
Vorrichtung 640 mit mehreren Schichten von elektroaktivem
Polymer. Die Prozesse können
bis zu mehrere zusätzliche
Schritte einschließen,
die hier nicht beschrieben oder dargestellt sind, um die vorliegende
Erfindung nicht zu verdecken. Der Prozess beginnt, indem man ein
vorbeanspruchtes Polymer 622 auf einem geeigneten starren
Substrat 624 erzeugt, z. B. durch Schleuderbeschichten
eines Polymers auf einer Polymethylmethacrylat(PMMA)-Scheibe, das
Polymer streckt (7B) und es an einem starren
Substrat 624 befestigt. Nachdem das Polymer 622 ausgehärtet ist,
werden Elektroden 625 in einem Muster auf der freiliegenden
Seite 626 des Polymers 622 hergestellt. Ein Feststoff-Element 627,
wie ein flexibler Film, der einen von einem Polyimid-, Mylar- oder Acetat-Film
enthält,
wird dann mit einem geeigneten Kleber 628 auf dem elektroaktiven
Polymer 622 abgeschieden (7C).
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Das
starre Substrat 624 wird dann vom elektroaktiven Polymer 622 gelöst (7D). Ein Trennmittel, wie Isopropylalkohol, kann
benutzt werden, um das Ablösen
zu erleichtern. Elektroden 629 werden dann in einem Muster
auf der zuvor nicht frei liegenden Seite des Polymers 622 hergestellt.
Die Baugruppe wird dann mit einer anderen elektroaktiven Polymerschicht 630 verbunden,
die an einem starren Substrat 631 befestigt ist (7E). Die Polymerschichten 622 und 630 können durch
eine Kleberschicht 632 verbunden werden, die zum Beispiel
GE RTV 118-Silikon umfasst. Das starre Substrat 631 wird
dann vom Polymer 630 gelöst, und Elektroden 633 werden
in einem Muster auf der verfügbaren
Seite 634 des Polymers hergestellt. Wenn zusätzliche Polymerschichten
erwünscht
wind, können
die Schritte eines Hinzufügens
einer Polymerschicht, Entfernen des starren Substrats und Hinzufügen von Elektroden
wiederholt werden, um so viele Polymerschichten, wie gewünscht, zu
erzeugen. Die Polymerschicht 635 ist auf diese Art und
Weise hinzugefügt
worden. Um die elektrische Verbindung mit Elektroden in den inneren
Schichten der Vorrichtung 640 zu erleichtern, kann ein
Metallstift durch die Struktur hindurch gestoßen werden, um einen Kontakt
mit Elektroden in jeder Schicht herzustellen.
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Das
Feststoff-Element 627 kann dann mit einem Muster versehen
oder entfernt werden, wie benötigt,
um den Rahmen oder die mechanischen Verbindungen bereitzustellen,
die für
den spezifischen Aktuator-Typ erforderlich sind. Membran-Vorrichtungen können gebildet
werden, indem das Feststoff-Element 627 unter
Verwendung einer geeigneten Maske oder Ätztechnik mit einem Muster
versehen wird, um Öffnungen 636 zu
bilden, die aktive Bereiche für
die elektromechanische Vorrichtung 640 liefern (7F). Wenn die aktive Fläche nicht groß ist und
Elektroden ohne Schäden
zu den aktiven Bereichen des Polymers hinzugefügt werden können, kann in einem anderen
Beispiel das Feststoff-Element 627 vor der Befestigung
am Polymer 622 mit den Öffnungen 636 als
Muster versehen werden.
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Für die Prozesse
aus den 7B–F wird das starre Substrat 624 typischerweise
vom elektroaktiven Polymer 622 gelöst, indem man das flexible
elektroaktive Polymer abschält.
Das Abschälen
ist für
die Fertigung von Vorrichtungen, die elektroaktive Polymere mit
einem im Wesentlichen ebenen Profil umfassen, gut geeignet. Opferschichten
können
zwischen dem Polymer oder den Elektroden und dem starren Substrat
verwendet werden, um das Ablösen zu
erleichtern. Die Opferschichten gestatten es, dass das Polymer,
die Elektroden und die daran befestigte Baugruppe von einem starren
Substrat gelöst
wird, indem die Opferschicht weggeätzt wird. Metalle, die Aluminium
und Silber umfassen, sind zum Beispiel zur Verwendung als Opferschichten
geeignet. Die Verwendung von Metallen gestattet es, die Opferschichten
durch Flüssigkeiten
wegzuätzen,
welche die Polymerschichten nicht beeinträchtigen. Metallische Opferschichten
können
mit verschiedenen Maskierungstechniken auch einfach mit einem Muster versehen
werden, um Rahmen, Verbinder für
andere strukturelle Komponenten für die elektromechanische Vorrichtung 640 bereitzustellen.
Die Opferschichten können
auch benutzt werden, um Vorrichtungen zu fertigen, die Wandler mit
nicht-ebenen Profilen umfassen, z. B. indem starre Substrate verwendet
werden, die als Röhren
geformt sind. Für
geometrisch komplexe Wandler können
Opferschichten in Kombination mit einer Tauchbeschichtung verwendet werden,
um die komplexe Geometrie bereitzustellen.
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Obwohl
eine Fertigung von vorbeanspruchten Polymeren im Hinblick auf einige
spezifische Beispiele kurz beschrieben worden ist, können für irgend einen
der oben beschriebenen Aktuatoren oder irgend eine der Anwendungen
Fertigungsprozesse und Techniken entsprechend variieren. Zum Beispiel kann
der Prozess zur Fertigung einer Membran-Vorrichtung ein Schleuderbeschichten
eines Polymers auf einem Substrat einschließen, bevor eine strukturierte
Elektrode auf dem Polymer gefertigt wird. Das Polymer wird dann
gestreckt, und starre Rahmen, die ein oder mehrere, für die aktive
Fläche
von jeder Membran-Vorrichtung bemessene Öffnungen enthalten, werden
mit dem vorbeanspruchten Polymer verbunden, einschließlich irgendwelcher Überlappungsteile
der strukturierten Elektrode. In einem anderen Beispiel werden die Öffnungen
in das Substrat geätzt,
statt dass ein getrennter starrer Rahmen verwendet wird, z. B. wenn
das Substrat aus Silizium besteht. Das Substrat wird dann vom Polymer
abgelöst, und
eine Elektrode wird an der Unterseite des Polymers befestigt.
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8. SCHLUSSFOLGERUNG
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Obwohl
diese Erfindung im Hinblick auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, gibt es Veränderungen, Abwandlungen und Äquivalente,
die unter den Umfang dieser Erfindung fallen, welche zum Zweck der
Kürze weggelassen
worden sind. Obwohl zum Beispiel für die vorliegende Erfindung
geeignete Elektroden im Hinblick auf mehrere zahlreiche aufgebrachte
Materialelektroden beschrieben worden sind, sind für die vorliegende
Erfindung geeignete Elektroden nicht auf diese Materialien beschränkt, und
in einigen Fällen
können sie
Luft als Elektrode einschließen.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Hinblick auf mehrere bevorzugte Polymermaterialien
und Geometrien mit bestimmten Leistungsbereichen beschrieben worden
ist, ist die vorliegende Erfindung zudem nicht auf diese Materialien
und Geometrien beschränkt
und kann Leistungen außerhalb
der aufgeführten
Bereiche besitzen. Der Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.