DE102014214644A1 - Pressure generator with EAP actuator - Google Patents
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Abstract
Der erfindungsgemäße Druckerzeuger weist eine Arbeitskammer und wenigstens einen Aktor aus einem elektroaktiven Material mit konstantem Aktorvolumen und veränderlichen Abmessungen, sowie einen Fluidraum für ein Fluid mit einer im Wesentlichen unveränderlichen Länge des Fluidraums auf. Erfindungsgemäß ist der Druckerzeuger dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor bei einer im Wesentlichen gleichen Aktorlänge und einer im Wesentlichen gleichen Aktorquerschnittsfläche mittels einer Änderung von Abmessungen der Querschnittsfläche des Aktors eine Volumenänderung des Fluidraums bewirkt. Die Querschnittsfläche des Aktors selbst bleibt aufgrund des konstanten Volumens und der im Wesentlichen konstanten Länge des Aktors im Wesentlichen die gleiche. Ebenfalls ist die Länge des Fluidraums konstant. Um eine Volumenänderung des Fluidraums zu bewirken, muss daher die Querschnittsfläche des Fluidraums reduziert werden. Diese Änderung der Querschnittsfläche des Fluidraums wird mittels der Änderung der Querschnittsflächenabmessung des Aktors bewirkt.The pressure generator according to the invention has a working chamber and at least one actuator made of an electroactive material with constant actuator volume and variable dimensions, and a fluid space for a fluid having a substantially invariable length of the fluid space. According to the invention, the pressure generator is characterized in that the actuator causes a change in volume of the fluid space with a substantially equal actuator length and a substantially equal Aktorquerschnittsfläche by means of a change in dimensions of the cross-sectional area of the actuator. The cross-sectional area of the actuator itself remains substantially the same due to the constant volume and substantially constant length of the actuator. Also, the length of the fluid space is constant. In order to effect a volume change of the fluid space, therefore, the cross-sectional area of the fluid space must be reduced. This change in the cross-sectional area of the fluid space is effected by means of the change in the cross-sectional area dimension of the actuator.
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der erfindungsgemäße Druckerzeuger weist eine Arbeitskammer und wenigstens einen Aktor aus einem elektroaktiven Material mit konstantem Aktorvolumen und veränderlichen Abmessungen, sowie einen Fluidraum für ein Fluid mit einer im Wesentlichen unveränderlichen Länge des Fluidraums auf. Erfindungsgemäß ist der Druckerzeuger dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor bei einer im Wesentlichen gleichen Aktorlänge und einer im Wesentlichen gleichen Aktorquerschnittsfläche mittels einer Änderung von Abmessungen der Querschnittsfläche des Aktors eine Volumenänderung des Fluidraums bewirkt. Die Querschnittsfläche des Aktors selbst bleibt aufgrund des konstanten Volumens und der im Wesentlichen konstanten Länge des Aktors im Wesentlichen die gleiche. Unter Querschnittsfläche wird die Flächengröße der Querschnittsfläche verstanden. Weiterhin ist die Länge des Fluidraums konstant. Um eine Volumenänderung des Fluidraums zu bewirken, muss daher die Querschnittsfläche des Fluidraums reduziert werden. Diese Änderung der Querschnittsfläche des Fluidraums wird mittels einer Änderung der Querschnittsflächenabmessungen des Aktors bewirkt. Vorteilhafterweise erfolgt die Änderung der Abmessungen der Aktorquerschnittsfläche einheitlich über die Länge des Aktors. Eine Änderung der Abmessungen der Aktorquerschnittsfläche kann zu einer Änderung der Form der Aktorquerschnittsfläche führen. Während die Form der Querschnittsfläche geändert wird, bleibt die Querschnittsfläche, d.h. die Flächengröße der Querschnittsfläche, im Wesentlichen gleich.The pressure generator according to the invention has a working chamber and at least one actuator of an electroactive material with constant actuator volume and variable dimensions, and a fluid space for a fluid having a substantially invariable length of the fluid space. According to the invention, the pressure generator is characterized in that the actuator causes a change in volume of the fluid space with a substantially equal actuator length and a substantially equal Aktorquerschnittsfläche by means of a change in dimensions of the cross-sectional area of the actuator. The cross-sectional area of the actuator itself remains substantially the same due to the constant volume and substantially constant length of the actuator. By cross-sectional area is meant the area size of the cross-sectional area. Furthermore, the length of the fluid space is constant. In order to effect a volume change of the fluid space, therefore, the cross-sectional area of the fluid space must be reduced. This change in the cross-sectional area of the fluid space is effected by means of a change in the cross-sectional area dimensions of the actuator. Advantageously, the change in the dimensions of the Aktorquerschnittsfläche uniform over the length of the actuator. A change in the dimensions of the Aktorquerschnittsfläche may lead to a change in the shape of Aktorquerschnittsfläche. As the shape of the cross-sectional area is changed, the cross-sectional area, i. the area size of the cross-sectional area is substantially the same.
Ein Gehäuse kann vorteilhaft die Arbeitskammer umgeben, bzw. definieren und begrenzen. Dieses Gehäuse kann vorteilhaft starr mit konstanten Abmaßen und nicht flexibel ausgeführt sein. Die Arbeitskammer weist damit ebenfalls ein konstantes Volumen auf. Die Arbeitskammer besitzt innere Fläche die als Bodenfläche oder Kopffläche der Arbeitskammer, aber auch als Seiteninnenfläche des Gehäuses, bzw. der Arbeitskammer ausgebildet sein können. Die Arbeitskammer ist als Hohlraum des Gehäuses des Druckerzeugers zu verstehen, in welchen Komponenten, bspw. Aktoren zur Ermöglichung der Funktion der Druckerzeugung integriert werden. Hierbei kann es sich um eine im Wesentlichen geschlossene Arbeitskammer handeln, welche einen oder mehrere Durchgänge, bspw. für ein Fluid aufweist. Die Arbeitskammer kann einen oder mehrere Aktoren beinhalten.A housing may advantageously surround, or define and limit, the working chamber. This housing can advantageously be designed rigidly with constant dimensions and not flexible. The working chamber thus also has a constant volume. The working chamber has an inner surface which can be formed as a bottom surface or top surface of the working chamber, but also as a side inner surface of the housing, or the working chamber. The working chamber is to be understood as a cavity of the housing of the pressure generator, in which components, for example. Actuators are integrated to enable the function of pressure generation. This can be a substantially closed working chamber which has one or more passages, for example for a fluid. The working chamber may include one or more actuators.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Arbeitskammer im Wesentlichen zylindrisch oder quaderförmig ausgestaltet sein. Hierbei kann für eine zylindrische Arbeitskammer vorteilhaft ein hohlzylindrischer Aktor Einsatz finden, wobei der Hohlraum als Fluidraum verwendet werden kann. Weiterhin können für eine quaderförmige Arbeitskammer vorteilhaft ein oder mehrere quaderförmige Aktoren Einsatz finden. Insbesondere vier quaderförmige Aktoren, welche mittig an den Seitenflächen der Arbeitskammer positioniert sind, können eine vorteilhafte Lösung darstellen, indem sie einen Hohlraum begrenzen, welcher als Fluidraum verwendet werden kann. Vorteilhaft liegt dieser Hohlraum mittig zwischen den Aktoren.According to an advantageous embodiment, the working chamber may be configured substantially cylindrical or cuboid. Here, for a cylindrical working chamber advantageously find a hollow cylindrical actuator use, wherein the cavity can be used as fluid space. Furthermore, one or more parallelepiped actuators can advantageously be used for a cuboid working chamber. In particular, four cuboid actuators, which are positioned centrally on the side surfaces of the working chamber, may represent an advantageous solution by defining a cavity which can be used as a fluid space. Advantageously, this cavity is located centrally between the actuators.
Insbesondere Aktoren aus elektroaktiven Polymeren können Vorteile für die Anwendung in einem Druckerzeuger bieten. Hierbei erscheint insbesondere die Gruppe der dielektrischen Elastomere vorteilhaft. Unter einem elektroaktiven Polymer versteht man einen Verbund aus einem elastischen Dielektrikum (bspw. einem Elastomer) und leitfähigen Schichten, welche als Elektroden dienen. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an beiden Elektroden entstehen Coulomb´sche Kräfte zwischen diesen aufgrund der sich anziehenden Ladungen. Hierdurch wird das dazwischenliegende Dielektrikum gestaucht und die Höhe des Gesamtverbundes wird reduziert. Diese Kraft kann genutzt werden, um einen Zugaktor aufzubauen. Die beschriebene Stauchung des Dielektrikums führt aufgrund der annähernden Inkompressibilität von Polymeren gleichzeitig zu einer Flächenvergrößerung. Die hierbei wirkende Kraft und Ausbauchung des Aktors kann zum Aufbau eines Druckaktor verwendet werden. Bei einer Reduzierung der angelegten Spannung, bzw. einer Entladung fließen die überschüssigen Ladungen über die Spannungsquelle ab und das Dielektrikum kehrt in seine ursprüngliche Form zurück. In particular, actuators made of electroactive polymers can offer advantages for use in a pressure generator. In particular, the group of dielectric elastomers appears advantageous. An electroactive polymer is understood to be a composite of an elastic dielectric (for example an elastomer) and conductive layers which serve as electrodes. When an electrical voltage is applied to both electrodes, Coulomb forces are created between them due to the attractive charges. As a result, the intermediate dielectric is compressed and the height of the overall composite is reduced. This force can be used to build a Zugaktor. The described compression of the dielectric leads at the same time to an increase in area due to the approximate incompressibility of polymers. The force and bulging of the actuator acting in this case can be used to construct a pressure actuator. With a reduction of the applied voltage or a discharge, the excess charges flow through the voltage source and the dielectric returns to its original shape.
Ein Aktor aus elektroaktivem Polymer kann aus einem Verbund mehrerer, mit leitfähigen Schichten (Elektroden) beschichteten Zwischenschichten, insbesondere biaxial gestreckten Polymerfolien aus einem hochelastischen Elastomer (Dielektrikum) bestehen. Der Verbund der Schichten kann dabei vorteilhafterweise als Stapelaktor ausgeführt sein, wobei die Schichten im Wesentlichen eben gestapelt sind. In einer alternativen vorteilhaften Ausführung ist der Verbund der Schichten als Rollenaktor ausgeführt und gewickelt. Da die EAP Folien sehr dünn sein können (< 100 µm), sind eine Vielzahl von Wicklungen notwendig, um einen ausreichend starken Aktor zu realisieren. Alternativ können für die Herstellung eines Rollenaktors mehrere biaxial gestreckte Folien miteinander verbunden und erst im Anschluss aufgerollt werden. Alternativ zu Stapelaktoren und Rollenaktoren sind selbstverständlich auch andere Ausführungsformen von Aktoren möglich, wie beispielsweise bimorphe Strukturen oder schlauchartige Aktoren. An actuator made of electroactive polymer may consist of a combination of several, with conductive layers (electrodes) coated intermediate layers, in particular biaxially stretched polymer films of a highly elastic elastomer (dielectric). The composite of the layers can be advantageously designed as a stack actuator, wherein the layers are stacked substantially flat. In an alternative advantageous embodiment, the composite of the layers is designed and wound as a Rollenaktor. Since the EAP films can be very thin (<100 μm), a large number of windings are necessary in order to realize a sufficiently strong actuator. Alternatively, a plurality of biaxially stretched films can be connected to one another for the production of a roll actuator and rolled up subsequently. As an alternative to stack actuators and roller actuators, other embodiments of actuators are of course possible, such as bimorph structures or tubular actuators.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung bleibt das Volumen des Aktors bei einer Aktivierung im Wesentlichen konstant. Ebenfalls bleibt das Volumen bei einer Steigerung der Bestromung oder Ladung des Aktors sowie bei einer Reduzierung der Bestromung oder Entladung des Aktors im Wesentlichen konstant. Im Stand der Technik vergrößert sich die Querschnittsfläche des Aktors bei einer Verkürzung der Länge des Aktors und entsprechend verkleinert sich die Querschnittsfläche des Aktors bei einer Vergrößerung der Länge des Aktors. Dieser Effekt kann insbesondere durch die Verwendung von inkompressiblen Elastomeren unterstützt werden. Gemäß der erfindungsgemäßen Druckerzeugung bleibt allerdings die Länge des Aktors im Wesentlichen konstant und nur die Abmessungen der Querschnittsfläche, das heißt die Länge und Breite der Aktorquerschnittsfläche bei quaderförmigen sowie der äußere und innere Radius bei hohlzylindrischen Aktoren werden variiert. Der Aktor ist hierfür so ausgestaltet und in der Arbeitskammer positioniert, dass eine Änderung der Abmessungen seiner Querschnittsfläche eine Änderung der Querschnittsfläche des Fluidraums bewirkt. In an advantageous embodiment, the volume of the actuator remains substantially constant during activation. Likewise, the volume remains substantially constant with an increase in the current supply or charge of the actuator and with a reduction in the current supply or discharge of the actuator. In the prior art, the cross-sectional area of the actuator increases with a shortening of the length of the actuator and correspondingly reduces the cross-sectional area of the actuator with an increase in the length of the actuator. This effect can be assisted in particular by the use of incompressible elastomers. According to the generation of pressure according to the invention, however, the length of the actuator remains substantially constant and only the dimensions of the cross-sectional area, that is, the length and width of Aktorquerschnittsfläche in parallelepiped and the outer and inner radius in hollow cylindrical actuators are varied. The actuator is designed for this purpose and positioned in the working chamber that a change in the dimensions of its cross-sectional area causes a change in the cross-sectional area of the fluid space.
Eine Rückstellung des Aktors kann durch eine Reduzierung der Bestromung, bzw. durch eine Entladung durchgeführt werden. Aufgrund der elastischen Rückstellkraft des verformten Polymers kann eine Wiederherstellung der ursprünglichen Aktorform im Wesentlichen erreicht werden. Weiterhin kann eine, mittels des in den Fluidraum einströmenden Fluids erzeugte Druckkraft vorteilhaft genutzt werden, um die ausgelenkten Aktoren bei der Rückstellung zu unterstützen.A provision of the actuator can be carried out by reducing the current or by a discharge. Due to the elastic restoring force of the deformed polymer, restoration of the original actuator shape can be substantially achieved. Furthermore, a pressure force generated by means of the fluid flowing into the fluid space can be advantageously used to assist the deflected actuators in the return.
Aktoren aus elektroaktiven Polymeren kann in einer vorteilhaften Ausführungsform hohlzylindrische Formen aufweisen. Hierbei kann die Höhe des Zylinders der Länge des Aktors entsprechen sowie kann die Kreisfläche des Zylinders der Querschnittsfläche des Aktors entsprechen. Ein Querschnitt kann in dieser Definition orthogonal zur Zylinderachse verlaufen und die gestapelten Aktorschichten schneiden. Bei hohlzylindrischen Aktoren erhält man einen äußeren und einen inneren Durchmesser des Aktors, aus welchen man die Querschnittsfläche berechnen kann. Actuators made of electroactive polymers may, in an advantageous embodiment, have hollow cylindrical shapes. In this case, the height of the cylinder may correspond to the length of the actuator, and the circular area of the cylinder may correspond to the cross-sectional area of the actuator. A cross section may in this definition orthogonal to the cylinder axis and cut the stacked Aktorschichten. In hollow cylindrical actuators, one obtains an outer and an inner diameter of the actuator, from which one can calculate the cross-sectional area.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform von Stapelaktoren sind Quaderformen. Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Druckerzeugers, kann die Länge des Aktors dabei der Länge der Arbeitskammer entsprechen. Ein Querschnitt kann in dieser Definition orthogonal zur Mittelachse der Arbeitskammer verlaufen und die gestapelten Aktorschichten schneiden. Bei quaderförmigen Aktoren erhält man einen rechteckigen Querschnitt, aus dessen Breite und Länge man die Querschnittsfläche berechnen kann.A further advantageous embodiment of stack actuators are rectangular shapes. According to an advantageous embodiment of the inventive pressure generator, the length of the actuator can correspond to the length of the working chamber. A cross-section may in this definition be orthogonal to the central axis of the working chamber and intersect the stacked actuator layers. In the case of parallelepiped actuators, a rectangular cross-section is obtained from whose width and length one can calculate the cross-sectional area.
Alternativ können auch sonstige mehreckige und polygonale Querschnitte der genannten Komponenten, insbesondere der Arbeitskammer, der Fluidkammer, der Aktoren sowie des Gehäuses von Vorteil sein. Insbesondere bei der Verwendung mehrerer Aktoren erscheint dies hinsichtlich der Funktionalität, vor allem der Fluidsteuerung, und Bauraumoptimierung vorteilhaft.Alternatively, other polygonal and polygonal cross sections of said components, in particular the working chamber, the fluid chamber, the actuators and the housing may be advantageous. In particular, when using multiple actuators, this appears advantageous in terms of functionality, especially the fluid control, and space optimization.
Hierbei ist insbesondere bei quaderförmigen Aktoren in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass nicht nur ein Aktor sondern mehrere Aktoren eingesetzt und auf einander abgestimmt werden. Die Änderungen der Querschnittsflächenabmessungen können dabei bei jedem Aktor auftreten. Die Querschnittsfläche und Länge jedes Aktors kann hierbei bei einer Aktivierung des Aktors konstant bleiben. Durch eine definierte Auslegung der mehreren Aktoren und/oder eine bewusste Positionierung dieser in der Arbeitskammer kann eine abgestimmte und ergänzende Einwirkung der Aktoren auf den Fluidraum bewirkt werden. Durch die Verwendung mehrerer Aktoren kann die Einwirkung auf eine Änderung der Querschnittsfläche des Fluidraums durch eine Änderung der Querschnittsflächenabmessungen der Aktoren gesteigert und verstärkt werden. Durch den Einsatz mehrere Aktoren in einer Arbeitskammer kann in vorteilhafter Weise das zur Verfügung stehende Bauraumvolumen optimal genutzt werden. Ein weiterer Vorteil kann sich durch die Addition mehrere Aktorkräfte eine höhere Gesamtaktuierungskraft ergeben.In this case, it is provided in particular in the case of rectangular actuators that not only one actuator but several actuators are used and tuned to one another. The changes in the cross-sectional area dimensions can occur with each actuator. The cross-sectional area and length of each actuator can remain constant during activation of the actuator. By a defined design of the plurality of actuators and / or a deliberate positioning of these in the working chamber, a coordinated and supplementary action of the actuators on the fluid space can be effected. By using multiple actuators, the effect of changing the cross-sectional area of the fluid space can be increased and enhanced by changing the cross-sectional area dimensions of the actuators. By using multiple actuators in a working chamber, the available space volume can be used optimally in an advantageous manner. A further advantage may result from the addition of multiple actuator forces, a higher total actuation force.
In dem verbleibenden Raum zwischen den quaderförmigen Aktoren und den Ecken der quaderförmigen Arbeitskammer können vorteilhaft Eckelemente positioniert werden. Die Eckelemente bestehen in einer vorteilhaften Ausgestaltung aus einem flexiblen Material. Sie können elastisch und inkompressibel ausgeführt sein. Die Eckelemente können vorteilhaft der Kraftabstützung sowie der Rückstellung bei einer Auslenkung der Aktoren dienen. Die Eckelemente können mit den Aktoren verbunden sein. Die Verbindung zwischen den Aktoren und den Eckelementen kann beispielsweise mittels Verklebung erfolgen. Die Elemente können somit zur Rückstellung des Aktors und/oder des Fluidraums dienen. Hierzu weisen diese vorteilhaft vorzugsweise eine stark progressive Kennlinie auf. Während der Aktivierung und Auslenkung der Aktoren werden dabei die elastischen Eckelemente vorgespannt, so dass es nach einer Entladung der ausgelenkten Aktors die verformten Eckelemente sich selbst und den damit verbundenen Aktor sowie den Fluidraum wieder in die Ausgangsposition zurückstellen, bzw. bei einer Rückstellung unterstützen können. Hierbei können auch mehrere einzelne elastische Elemente, bspw. Federelemente, zusammengefügt werden, um ein elastisches Gesamtsystem darzustellen und die notwendige Rückstellkraft aufzubringen.In the remaining space between the cuboidal actuators and the corners of the cuboid working chamber corner elements can be advantageously positioned. The corner elements consist in an advantageous embodiment of a flexible material. They can be elastic and incompressible. The corner elements can advantageously serve the power support and the provision of a deflection of the actuators. The corner elements can be connected to the actuators. The connection between the actuators and the corner elements can be done for example by gluing. The elements can thus serve to restore the actuator and / or the fluid space. For this purpose, these advantageously have a strongly progressive characteristic. During the activation and deflection of the actuators, the elastic corner elements are prestressed, so that after a discharge of the deflected actuator, the deformed corner elements themselves and the associated actuator as well as the fluid space can be returned to the starting position, or can assist with a return. In this case, a plurality of individual elastic elements, for example. Spring elements, are joined together to represent an elastic overall system and apply the necessary restoring force.
Der Aktor kann weiterhin eine Kapselung aufweisen, welche ihm vorteilhaft einen Schutz vor dem Fluid bietet, um bspw. Kurzschlüsse zu vermeiden. In einer alternativen Ausführung kann auch das Fluid in einer separaten, in den Fluidraum eingebrachten und flexiblen Kammer eingebracht sein. Diese Kapselung für das Fluid kann fest mit dem Aktor verbunden sein, um eine Änderung, bspw. hinsichtlich der Querschnittsflächenabmessung des Aktors auf den Fluidraum und das Fluid zu übertragen. Eine Kapselung des Fluidraums kann vorteilhaft mittels einer flexiblen und fluiddichten Membran umgesetzt werden.The actuator can furthermore have an encapsulation, which advantageously offers protection from the fluid, in order, for example, to avoid short circuits. In an alternative embodiment, the fluid may also be introduced in a separate, introduced into the fluid space and flexible chamber. This enclosure for the fluid may be fixedly connected to the actuator to transfer a change, for example in terms of the cross-sectional area dimension of the actuator to the fluid space and the fluid. An encapsulation of the fluid space can advantageously be implemented by means of a flexible and fluid-tight membrane.
Der Fluidraum kann, wie bereits beschrieben, als verbleibender Raum der Arbeitskammer zwischen den Aktoren definiert werden. Der Fluidraum kann daher hinsichtlich Form und Volumen von dem ihm zugeordneten Aktor, bzw. Aktoren abhängig sein. Bspw. kann durch die Art, Form oder Positionierung des Aktors eine Form und Aufteilung des verbleibenden Fluidraums bestimmt werden. Die Form des Aktors kann insbesondere als geschlossener Körper, bspw. als zylindrischer Stapelaktor, oder als ein Körper mit wenigstens einer Öffnung, bspw. als hohlzylindrischer Stapelaktor ausgestaltet sein. Hierdurch kann sich die Ausgestaltung des Fluidraums als ein Fluidraum innerhalb eines Aktors, bspw. als ein zylindrischer Fluidraum innerhalb eines hohlzylindrischen Aktors, sowie als ein Fluidraum außerhalb eines Aktors, bspw. als hohlzylindrischer Fluidraum außerhalb eines zylindrischen Aktors, oder aus mehreren Fluidräumen zusammensetzen, insbesondere einem zylindrischen Fluidraum innerhalb und einen hohlzylindrischen Fluidraum außerhalb eines hohlzylindrischen Aktors, welcher seitlich freistehend in der Fluiddruckkammer positioniert ist.As already described, the fluid space can be defined as the remaining space of the working chamber between the actuators. The fluid space can therefore be dependent on the associated actuator or actuators in terms of shape and volume. For example. can be determined by the nature, shape or positioning of the actuator, a shape and distribution of the remaining fluid space. The shape of the actuator can in particular be designed as a closed body, for example as a cylindrical stack actuator, or as a body with at least one opening, for example as a hollow cylindrical stack actuator. As a result, the configuration of the fluid space can be composed of a fluid space within an actuator, for example as a cylindrical fluid space within a hollow cylindrical actuator, or as a fluid space outside an actuator, for example as a hollow cylindrical fluid space outside a cylindrical actuator, or of a plurality of fluid spaces a cylindrical fluid space inside and a hollow cylindrical fluid space outside a hollow cylindrical actuator, which is positioned laterally free-standing in the fluid pressure chamber.
Weiterhin kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine mittige Positionierung des Aktors oder des Fluidraums mittels einer Verbindung, bspw. mittels einer flächigen oder punktuierten Verklebung, des Fluidraums an der Bodenfläche der Arbeitskammer erfolgen. Wird die Ausdehnung der Randschicht des Fluidraums, bzw. Aktors durch bspw. eine flächige Verklebung unterbunden, kann dies zu einer Verformung des Fluidraums, bzw. Aktors in den Randbereichen führen. Dies kann durch eine partielle und/oder bewegungsfähige Verbindung des Fluidraums, bzw. Aktors mit weiteren Komponenten vermieden werden.Furthermore, in an advantageous embodiment, a central positioning of the actuator or the fluid space by means of a connection, for example. By means of a surface or punktuierten bonding, the fluid space on the bottom surface of the working chamber. If the expansion of the edge layer of the fluid space or actuator is prevented by, for example, a surface bonding, this can lead to a deformation of the fluid space or actuator in the edge areas. This can be avoided by a partial and / or movable connection of the fluid space, or actuator with other components.
Der Fluidraum kann vorteilhaft Fluid aufnehmen und dieses speichern. Der erfindungsgemäße Druckerzeuger ist daher in einer bevorzugten Weiterbildung als eine Fluidspeicherkammer ausgestaltet. Mittels der Aktoren kann weiter eine Rückförderung des Fluids aus dem Fluidraum über eine Fluidleitung bewirkt werden.The fluid space can advantageously absorb fluid and store it. The pressure generator according to the invention is therefore configured in a preferred development as a fluid storage chamber. By means of the actuators can further be effected a return conveyance of the fluid from the fluid chamber via a fluid line.
Wie bereits beschrieben, bleibt die Länge des Aktors bei einer Aktivierung im Wesentlichen konstant und nur die Querschnittsflächenabmessungen des Aktors werden variiert. Hierdurch kann eine Änderung der Querschnittsfläche des Fluidraums mit im Wesentlichen konstanter Länge des Fluidraums bewirkt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Änderung der Querschnittsflächenabmessung des Aktors durch eine Änderung wenigstens einer Kantenlänge der Querschnittsfläche und/oder durch die Änderung wenigstens eines Radius der Querschnittsfläche erzielt. Diese bedeutet, dass beispielsweise die Länge und Breite der Aktorquerschnittsfläche bei quaderförmigen Aktoren geändert, oder bei hohlzylindrischen Aktoren der äußere und innere Radius variiert werden kann, um die Änderung der Querschnittsflächenabmessungen des Aktors zu erzielen. In einer vorteilhaften Ausführung kann hierbei das Seitenverhältnis, bzw. das Verhältnis des Innen- und Außendurchmessers variiert werden. As already described, the length of the actuator remains substantially constant during activation and only the cross-sectional area dimensions of the actuator are varied. As a result, a change in the cross-sectional area of the fluid space with a substantially constant length of the fluid space can be effected. In an advantageous embodiment, a change in the cross-sectional area dimension of the actuator is achieved by changing at least one edge length of the cross-sectional area and / or by changing at least one radius of the cross-sectional area. This means that, for example, the length and width of the Aktorquerschnittsfläche changed in cuboid actuators, or in hollow cylindrical actuators of the outer and inner radius can be varied to achieve the change in the cross-sectional area dimensions of the actuator. In an advantageous embodiment, in this case the aspect ratio, or the ratio of the inner and outer diameter can be varied.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Änderung der Querschnittsflächenabmessungen des Aktors eine Änderung der Querschnittsfläche des Fluidraums bewirken. Hierbei kann der Innenumfang des Aktors sowie des Fluidraums mittels einer Aktivierung des Aktors vorteilhaft variiert werden. Beispielsweise kann bei einer Aktivierung des Aktors, der im Querschnitt betrachtete Innenumfang des Aktors sowie der Außenumfang des Fluidraums reduziert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Druckerzeugers wird damit auch das Volumen des Fluidraums bei einer Aktivierung des Aktors reduziert. Vorteilhaft kann die Querschnittgeometrie des Aktors und des Fluidraums dabei die gleiche bleiben. Das heißt, im Wesentlichen bleibt die gleiche Körperform, bspw. Zylinder oder Hohlzylinder, quaderförmige Prismen, Kreiszylinder, elliptische Zylinder, etc., bei einer Aktivierung bestehen. Dies gilt analog auch für mehrere Aktoren.According to an advantageous embodiment, a change in the cross-sectional area dimensions of the actuator can cause a change in the cross-sectional area of the fluid space. Here, the inner circumference of the actuator and the fluid space can be advantageously varied by means of activation of the actuator. For example, upon activation of the actuator, the inner circumference of the actuator viewed in cross-section and the outer circumference of the fluid space can be reduced. In an advantageous embodiment of the inventive pressure generator thus also the volume of the fluid space is reduced upon activation of the actuator. Advantageously, the cross-sectional geometry of the actuator and the fluid space remain the same. That is, substantially the same body shape, for example, cylinder or hollow cylinder, cuboid prisms, circular cylinder, elliptical cylinder, etc., remain in an activation. This also applies analogously to several actuators.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umschließt der wenigstens eine Aktor den Fluidraum im Wesentlichen. Wie bereits ausgeführt liegt der Fluidraum innerhalb der Arbeitskammer und weist im Wesentlichen die gleiche Länge wie diese auf. Unter einer Umschließung wird daher eine Umschließung der Mantelfläche eines zylindrischen Fluidraums, bzw. die Seitenflächen eines quaderförmigen Fluidraums verstanden. Hierdurch soll allerdings nicht ausgeschlossen werden, dass der Aktor auch die Kopf- und/oder Bodenfläche des Fluidraums umschließen kann und diesen ggf. unter Berücksichtigung eines Fluiddurchgangs tatsächlich im Wesentlichen vollständig umschließen kann. Durch eine Umschließung des Fluidraums durch den Aktor kann der erzeugte Druck vorteilhaft direkt und orthogonal auf die Mantelfläche, bzw. Seitenflächen des Fluidraums eingeleitet werden. Weiterhin kann der Fluidraum damit vorteilhaft von mehreren Seiten mittels des Aktors aktuiert werden. Wie bereits ausgeführt, können hierfür auch vorteilhaft mehrere Aktoren eingesetzt werden. According to a preferred development of the present invention, the at least one actuator substantially encloses the fluid space. As already stated, the fluid space lies within the working chamber and has substantially the same length as this. An enclosure is therefore understood as an enclosure of the lateral surface of a cylindrical fluid space, or the side surfaces of a cuboid fluid space. However, this should not preclude the fact that the actuator can also surround the top and / or bottom surface of the fluid space and, if appropriate, can substantially completely enclose it, taking into account a fluid passage. By enclosing the fluid space by the actuator, the pressure generated can advantageously be introduced directly and orthogonally on the lateral surface, or side surfaces of the fluid space. Furthermore, the fluid space can thus advantageously be actuated from several sides by means of the actuator. As already stated, it is also advantageous to use a plurality of actuators for this purpose.
Beim Einsatz mehrerer Aktoren können diese mittels einer Verbindung verbunden sein, wobei diese Verbindung bspw. die innenliegenden Kanten der Aktoren, aber auch mehrere Flächen der Aktoren verbinden kann. Auf diese Weise können die Aktoren auch den Fluidraum im Wesentlichen umschließen. Eine Verbindung der Aktoren kann bspw. über die Membran der Fluidkammer erfolgen. Hierfür kann die Membran mit den Innenflächen der Aktoren verbunden, bspw. verklebt sein. Veränderungen der Aktoren, bspw. bei einer Entladung der Aktoren und damit verbundenem Zurückziehen der Aktoren, können damit auf den Fluidraum übertragen werden, bspw. durch eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Fluidraums. When using multiple actuators they can be connected by means of a connection, this connection can, for example, the inner edges of the actuators, but also connect multiple surfaces of the actuators. In this way, the actuators can also substantially enclose the fluid space. A connection of the actuators can take place, for example, via the membrane of the fluid chamber. For this purpose, the membrane can be connected to the inner surfaces of the actuators, for example, be glued. Changes in the actuators, for example, in a discharge of the actuators and associated retraction of the actuators can thus be transferred to the fluid space, for example. By increasing the cross-sectional area of the fluid space.
Der Aktor der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung mittels eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung gesteuert werden. Hierzu wird an eine Steuereinheit eine entsprechende Spannung ausgewählt und eingestellt. Diese Spannung wird über die Kontaktierung des Aktors an diesen weitergegeben. Auf diese Weise kann mittels der Steuereinheit eine Aktivierung des Aktors eingestellt werden. Hierbei kann auch die Stärke der Bestromung verändert und damit eine veränderliche Aktuierung des Ankers erreicht werden. Beispielsweise kann eine geringe Spannung eine kleine Auslenkung erzielen, während eine hohe Spannung eine größere Auslenkung des Aktors bewirkt. Dabei kann eine kontinuierliche und stufenlose Aktuierung des Aktors und damit Volumenänderung des Fluidraums erzielt werden.The actuator of the device according to the invention can be controlled in an advantageous embodiment by means of an electrical current or an electrical voltage. For this purpose, a corresponding voltage is selected and set to a control unit. This voltage is passed through the contact of the actuator to this. In this way, an activation of the actuator can be adjusted by means of the control unit. In this case, the strength of the current supply can be changed and thus a variable actuation of the armature can be achieved. For example, a low voltage can achieve a small deflection, while a high voltage causes a greater deflection of the actuator. In this case, a continuous and stepless actuation of the actuator and thus volume change of the fluid space can be achieved.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Einwirkung des Aktors auf das Volumen des Fluidraums mittels der Steuereinheit des Aktors in Frequenz und/oder Volumen der bewirkten Volumenänderung steuerbar gestaltet werden. Vorzugsweise ist weiterhin eine Steuereinheit der Pumpenvorrichtung in eine Steuereinheit für eine Bremsanlage eines Fahrzeugs, wie z. B. eine ABS- bzw. ESP-Regelungseinheit, integriert. Dadurch muss keine separate eigene Steuereinheit für die Pumpenvorrichtung vorgesehen werden.In an advantageous development, the action of the actuator on the volume of the fluid space can be made controllable by means of the control unit of the actuator in frequency and / or volume of the volume change effected. Preferably, a control unit of the pump device is further in a control unit for a brake system of a vehicle, such. B. an ABS or ESP control unit integrated. As a result, no separate own control unit for the pump device must be provided.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besteht der Aktor aus einem Verbund von Elektrodenschichten und Elastomerschichten (als Dielektrikum), wobei die Elektrodenschichten und/oder Elastomerschichten ein Profil aufweisen, welches eine Ausdehnung in eine erste Richtung behindert sowie eine Ausdehnung in eine zweite, insbesondere zur ersten Richtung orthogonalen, Richtung begünstigt. Wie bereits ausgeführt handelt es sich bei den Aktoren um Aktoren auf Basis elektroaktiver Polymere. Eine Aktuierung führt zu einer dreidimensionalen Formänderung aufgrund der Anziehung der Elektrodenschichten sowie des inkompressiblen Polymers als Dielektrikumschicht. Durch ein definiertes Profil kann die Ausdehnung des Polymers in eine bestimmte Richtung behindert sowie in eine dazu orthogonale Richtung erleichtert werden. Hierdurch ändert sich die dreidimensionale Verformung auf eine im Wesentlichen zweidimensionale Verformung. Hierdurch kann vorteilhaft eine Änderung der Aktorabmessungen beeinflusst werden, bspw. indem die Länge des Aktors im Wesentlichen konstant gehalten wird, das heißt eine Verformung in dieser Richtung behindert wird. Stattdessen wird die Verformung in Richtung des Fluidraums unterstützt, um dadurch eine stärkere Verformung und/oder Kraftentwicklung dort zu erzielen.According to a preferred embodiment of the present invention, the actuator consists of a composite of electrode layers and elastomer layers (as a dielectric), wherein the electrode layers and / or elastomer layers have a profile which impedes expansion in a first direction and an expansion in a second, in particular for first direction orthogonal, direction favors. As already stated, the actuators are actuators based on electroactive polymers. An actuation leads to a three-dimensional change in shape due to the attraction of the electrode layers and the incompressible polymer as a dielectric layer. By a defined profile, the expansion of the polymer in a certain direction can be hindered as well as facilitated in a direction orthogonal thereto. As a result, the three-dimensional deformation changes to a substantially two-dimensional deformation. In this way, advantageously, a change in the actuator dimensions can be influenced, for example, by keeping the length of the actuator substantially constant, that is, a deformation in this direction is hindered. Instead, the deformation in the direction of the fluid space is assisted, thereby achieving a greater deformation and / or force development there.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Elektrodenschichten und/oder Elastomerschichten rillenförmig und/oder gewellt und/oder als Zick-Zack-Profil und/oder in einem vergleichbaren Profil ausgebildet sein. Derartige Profile können die Ausdehnung des Polymers in eine bestimmte Richtung, bspw. in Richtung der Rillen, behindern sowie die Ausdehnung des Polymers in eine zweite, zur ersten Richtung orthogonale, Richtung, bspw. senkrecht zu den Rillen, unterstützen.In an advantageous embodiment, the electrode layers and / or elastomer layers can be grooved and / or corrugated and / or formed as a zigzag profile and / or in a comparable profile. Such profiles may hinder the expansion of the polymer in a certain direction, for example in the direction of the grooves, and may promote the expansion of the polymer in a second direction orthogonal to the first direction, for example perpendicular to the grooves.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besteht der Aktor aus einen Verbund von Elektrodenschichten und Elastomerschichten, wobei der Verbund mittels keilförmigen Schichten als eine geschlossene schlauchartige und/oder hohlzylindrische, Form ausgestaltet ist. Hierunter kann ein Aktor verstanden werden, welcher ähnlich zu einem Stapelaktor aus aneinander anliegenden und aufeinander aufgebauten Elektroden und Elastomerschichten besteht. Ein Stapelaktor weist allerdings meist über ihre Fläche gleich dicke Schichten auf, welche in abwechselnder Reihenfolge aufeinander gestapelt werden. Im Gegensatz hierzu können auch keilförmige Schichten für den Aktor eingesetzt werden. Diese Schichten werden jeweils mit den dünnen Enden zur selben, bspw. innenliegenden Seite des Aktors aneinandergefügt, bspw. aufeinander aufgebaut. Durch die unterschiedlichen Dicken der Enden ergibt sich bei einer Vielzahl an Schichten eine Krümmung des Aktors. Bei einer im Wesentlichen kontinuierlichen Krümmung in eine Richtung kann sich eine geschlossene Form ergeben. Vorteilhaft können auch mehrere Aktorsegmente aufgebaut und anschließend aneinander gefügt werden, welche erst im Gesamten eine geschlossene Form ergeben können. Die geschlossene Form kann hohlzylindrisch sein.According to an alternative preferred embodiment of the present invention, the actuator consists of a composite of electrode layers and elastomer layers, wherein the composite is configured by means of wedge-shaped layers as a closed tubular and / or hollow cylindrical shape. This may be understood to mean an actuator which, similar to a stack actuator, consists of electrodes and elastomer layers adjoining one another and built on one another. However, a stack actuator usually has layers of equal thickness over its surface, which in alternating order stacked on top of each other. In contrast, wedge-shaped layers can also be used for the actuator. These layers are joined to each other with the thin ends to the same, eg. Inboard side of the actuator, for example. Built on each other. Due to the different thicknesses of the ends results in a plurality of layers, a curvature of the actuator. In a substantially continuous curvature in one direction may result in a closed shape. Advantageously, several Aktorsegmente can be constructed and then joined together, which can result in a closed form only in the whole. The closed mold can be hollow cylindrical.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Aktor aus einen Verbund von Elektrodenschichten und Elastomerschichten bestehen, wobei die Elektrodenschichten und die Elektrodenschichten im Wesentlichen keilförmig ausgestaltet und/oder die Elektrodenschichten im Wesentlichen keilförmig ausgestaltet sind und die Elastomerschichten eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweisen und/oder die Elastomerschichten im Wesentlichen keilförmig ausgestaltet sind und Elektrodenschichten die eine im Wesentlichen konstante Dicke aufweisen und/oder sonstige keilförmigen Schichten und/oder Elemente eingefügt sind.In an advantageous embodiment, the actuator may consist of a composite of electrode layers and elastomer layers, wherein the electrode layers and the electrode layers are configured substantially wedge-shaped and / or the electrode layers are configured substantially wedge-shaped and the elastomer layers have a substantially constant thickness and / or the elastomer layers are configured substantially wedge-shaped and electrode layers having a substantially constant thickness and / or other wedge-shaped layers and / or elements are inserted.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Druckerzeuger als Speicherkammer mit einer einzigen Öffnung für den Fluideingang und Fluidausgang und/oder als Pumpvorrichtung mit wenigstens einer Eingangsöffnung und wenigstens einer Ausgangsöffnung ausgestaltet ist. Hierbei umfasst der Druckerzeuger vorteilhaft wenigstens ein erstes und ein zweites Rückschlagventil. Die Rückschlagventile können vorteilhaft als Einwegventile ausgeführt werden. Diese Ventile stellen jeweils eine Verbindung der Zulaufleitung und dem Fluideingang in die Arbeitskammer, bzw. in den Fluidraum, dar sowie eine Verbindung des Fluidausgangs aus der Arbeitskammer, bzw. aus dem Fluidraum, und der Ablaufleitung für das Fluid. Das erste und zweite Rückschlagventil können dabei mit dem Fluidraum verbunden sein, wobei das erste Rückschlagventil in einer Zulaufleitung zum Fluidraum und das zweite Rückschlagventil in einer Ablaufleitung von dem Fluidraum angeordnet ist. In a further development, it is provided that the pressure generator is designed as a storage chamber with a single opening for the fluid inlet and fluid outlet and / or as a pumping device with at least one inlet opening and at least one outlet opening. In this case, the pressure generator advantageously comprises at least a first and a second check valve. The check valves can be advantageously designed as one-way valves. These valves each represent a connection of the feed line and the fluid inlet into the working chamber, or into the fluid space, and a connection of the fluid outlet from the working chamber, or from the fluid space, and the drain line for the fluid. The first and second check valve may be connected to the fluid space, wherein the first check valve is arranged in a supply line to the fluid chamber and the second check valve in a discharge line from the fluid space.
Durch die Verwendung der Rückschlagventile kann insbesondere bei einer Abstimmung mit der Regelung der Pumpenvorrichtung ein definierter Volumenstrom erzeugt werden. Weiterhin können die Zulaufleitung und die Ablaufleitung, auch als eine gemeinsame Fluidleitung für den Zu- oder Ablauf ausgebildet sein.By using the non-return valves, a defined volume flow can be generated, in particular when coordinated with the regulation of the pump device. Furthermore, the supply line and the drain line can also be designed as a common fluid line for the inlet or outlet.
In einer Weiterbildung, ist der erfindungsgemäße Druckerzeuger als Fluidspeicher und/oder Pumpenvorrichtung für eine Bremsanlage eines Fahrzeugs ausgestaltet, wobei die Bremsanlage insbesondere Bremsregeleinrichtungen, wie z. B. eine elektronische Stabilitätskontrolle oder ein Antiblockiersystem, umfasst. Der Druckerzeuger kann dabei in einer Ausgestaltungsalternative als Druckerzeuger für den notwendigen Bremsdruck und/oder als Pumpe zum Abpumpen eines Brems Fluids, beispielsweise aus einem Zwischenspeicher, ausgestaltet sein.In a development, the pressure generator according to the invention is designed as a fluid reservoir and / or pump device for a brake system of a vehicle, the brake system in particular brake control devices, such. As an electronic stability control or an anti-lock braking system comprises. The pressure generator can be designed in a Ausgestaltungsalternative as a pressure generator for the necessary brake pressure and / or pump for pumping a brake fluid, for example from a buffer.
Neben der Verwendung des Aktors aus elektroaktiven Polymeren zur Aktuierung bspw. einer Kolbenbewegung oder Erzeugung einer sonstigen Kraft, kann dieser auch als Sensor, beispielsweise zur Messung und/oder Ermittlung einer Weglängenveränderung, sowie als Generator oder Energiespeicher verwendet werden. Hierbei kann ein Aktor aus elektroaktiven Polymeren auch mehrere Funktionen darstellen. Alternativ ist möglich, dass mehrere Elemente als Sensoren und Aktoren eingesetzt werden. Beispielsweise kann dadurch das Fluidvolumen sowie eine Fluidvolumenänderung des Fluidraums ermittelt werden. Die Umsetzung einer solchen Sensorfunktion kann entweder durch ein dem normalen Ansteuersignal überlagertes hochfrequentes Signal erfolgen oder durch eine Messung der Kapazitätsänderung. Hierdurch können vorteilhaft bisher notwendige Sensoren, wie beispielsweise Wegsensoren, eingespart werdenIn addition to the use of the actuator of electroactive polymers for actuation, for example, a piston movement or generation of another force, this can also be used as a sensor, for example for measuring and / or determining a Weglängenveränderung, and as a generator or energy storage. Here, an actuator made of electroactive polymers can also represent several functions. Alternatively, it is possible that several elements are used as sensors and actuators. For example, this allows the fluid volume and a fluid volume change of the fluid space to be determined. The implementation of such a sensor function can be done either by a normal drive signal superimposed high-frequency signal or by measuring the capacitance change. As a result, advantageously previously necessary sensors, such as displacement sensors, can be saved
Ausführungsbeispiele (Zeichnungen / Beschreibung):Exemplary embodiments (drawings / description):
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne dass dabei eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the drawings, without causing a limitation of the invention. Showing:
Die
Der Druckerzeuger
Zwischen den Seitenflächen
Die Aktoren
Die Aktoren
Die Aktoren
Die Aktoren
Die
Aufgrund der anliegenden Spannung ziehen sich die Schichten der Aktoren
Durch die Verkürzung der Länge
Der Fluidraum
Die
Wie in den vorangegangenen Ausführungen zu der
Die
Die
Der Hohlzylinder weist hierbei den äußeren Durchmesser
Die
Die
Weiterhin kann eine mittige Positionierung des Aktors
In
Die
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 020040008853 A1 [0001] US 020040008853 A1 [0001]
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2016188674A1 (en) * | 2015-05-27 | 2016-12-01 | Robert Bosch Gmbh | Device for varying a pedal resistance, brake system |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040008853A1 (en) | 1999-07-20 | 2004-01-15 | Sri International, A California Corporation | Electroactive polymer devices for moving fluid |
-
2014
- 2014-07-25 DE DE201410214644 patent/DE102014214644A1/en not_active Withdrawn
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