本發(fā)明涉及一種薄片轉(zhuǎn)換器，該薄片轉(zhuǎn)換器具有：保持件；電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)可變形的載體和至少兩個(gè)電極，該至少兩個(gè)電極被布置在可變形的載體的相對(duì)側(cè)上；以及負(fù)荷作用件，該負(fù)荷作用件被安置于電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)上。

背景技術(shù)：

薄片轉(zhuǎn)換器可用于將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功。例如已知將薄片轉(zhuǎn)換器用作為致動(dòng)器。

簡(jiǎn)單而言，電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)由薄片形式的可彈性形變的電介體構(gòu)成，薄片作為載體用于兩個(gè)電極。電極被置于薄片的上側(cè)和下側(cè)上。當(dāng)在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，在電極之間出現(xiàn)引力使得導(dǎo)致電極之間的距離減小。由此，載體被壓縮。因?yàn)檩d體的材料是基本不可壓縮的，通過(guò)載體的厚度減小導(dǎo)致長(zhǎng)度增大。由此，例如當(dāng)負(fù)荷作用件被彈簧在確定方向上施壓時(shí)，可產(chǎn)生負(fù)荷作用件的行程。

在現(xiàn)有技術(shù)中，保持件通常被實(shí)施成封閉的環(huán)或框，其全方位包圍復(fù)合結(jié)構(gòu)。該框和載體例如可在俯視圖中具有圓形或矩形形狀。注意，保持件的該形狀對(duì)于不同應(yīng)用不是最佳的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，改進(jìn)已知的薄片轉(zhuǎn)換器，使得產(chǎn)生負(fù)荷作用件的更好的調(diào)整性能。

為了實(shí)現(xiàn)該目的，對(duì)于已知類(lèi)型的薄片轉(zhuǎn)換器提出，保持件作用在復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩個(gè)相互遠(yuǎn)離的端部上，且負(fù)荷作用件被布置在復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩個(gè)端部之間。本發(fā)明基于下述基本思路，即，不再將復(fù)合結(jié)構(gòu)全方位地夾緊在保持件中，而一般而言使用條形的復(fù)合構(gòu)件，該復(fù)合構(gòu)件在其對(duì)立端部上被保持件固定。由此產(chǎn)生復(fù)合結(jié)構(gòu)的更長(zhǎng)的自由伸展，該伸展可被轉(zhuǎn)換成負(fù)荷作用件的行程。這歸因于下述情況，即，當(dāng)復(fù)合結(jié)構(gòu)僅在相互對(duì)立端部上被保持時(shí)其主要沿著其縱軸線形變，即，主要在一個(gè)方向上。另一優(yōu)點(diǎn)在于，薄片轉(zhuǎn)換器適用于僅提供窄小結(jié)構(gòu)空間的應(yīng)用。

優(yōu)選地，復(fù)合結(jié)構(gòu)具有矩形的基本形狀。在此特別地，“矩形”表示，有兩個(gè)更長(zhǎng)的側(cè)邊和兩個(gè)更短的側(cè)邊。優(yōu)選地，更長(zhǎng)的側(cè)邊的長(zhǎng)度至少是更短的側(cè)邊的長(zhǎng)度的兩倍?！熬匦巍辈槐仨毐硎?，復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)制性具有直的側(cè)邊和/或角。復(fù)合結(jié)構(gòu)可具有“靴子形狀”、腎形狀等。

復(fù)合結(jié)構(gòu)可基本上有唯一的可變形的載體構(gòu)成，其在相對(duì)側(cè)上設(shè)置有兩個(gè)電極。然而也可行的是，復(fù)合結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)或更多個(gè)可變形的載體，在其之間以合適的方式布置電極。通過(guò)該方式可提高由薄片轉(zhuǎn)換器提供的機(jī)械或電功率。

當(dāng)設(shè)置多個(gè)可變形的載體時(shí)，電極優(yōu)選在保持件的區(qū)域中通孔金屬化(durchkontaktiert)。通過(guò)該方式，可通過(guò)唯一的接觸部同時(shí)連接多個(gè)電極。

優(yōu)選地，載體是電介體，特別是介電聚合物。電活性的聚合物是特別優(yōu)選的。載體基本上可以是例如由聚合物、由硅酮、丙烯酸脂或聚氨酯制成的薄片或薄膜。

為了制造載體可使用不同的方法。特別優(yōu)選地，將載體實(shí)施成特別通過(guò)絲網(wǎng)印刷法、移印法或3D打印法被制造的印制構(gòu)件。

電介體也可以是澆注構(gòu)件，該澆注構(gòu)件例如被制造成旋轉(zhuǎn)涂層。

電極可由基體材料、傳導(dǎo)材料、溶劑和添加物構(gòu)成。通過(guò)該方式可在良好導(dǎo)電性的情況下實(shí)現(xiàn)所期望的高的可形變性。

特別地，諸如硅酮、丙烯酸脂或聚氨酯的彈性體材料適合作為基體材料。

對(duì)于電極的傳導(dǎo)材料，可使用炭黑、碳納米管、傳導(dǎo)聚合物、納米金屬絲或這些材料構(gòu)成的混合物。這些材料確保，也可在大量形變循環(huán)上保持電極的導(dǎo)電性且不妨礙電介體的機(jī)械形變。

電極可被實(shí)施成印制構(gòu)件。對(duì)此絲網(wǎng)印刷法、移印法、3D打印法、層壓法、噴墨打印法或氣溶膠噴射法是特別合適的。上述方法使得可直接在載體上制造電極。

電極也可被分開(kāi)制造且與載體粘接。

根據(jù)一個(gè)設(shè)計(jì)方案提出，電極在載體的一側(cè)上被連續(xù)實(shí)施。替選地，也可行的是，電極在載體的一側(cè)上由兩個(gè)分開(kāi)的電極部分構(gòu)成，且在操作時(shí)處于同一電勢(shì)。

在負(fù)荷作用件的最佳行程方面提出，復(fù)合結(jié)構(gòu)具有伸長(zhǎng)的、矩形的基本形狀，且保持件作用在復(fù)合結(jié)構(gòu)的兩個(gè)更短側(cè)上。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案提出，保持件由兩個(gè)固定部分構(gòu)成，其中的每個(gè)被布置在復(fù)合結(jié)構(gòu)的一個(gè)端部上。所述固定部分不是必須相互固定連接，而可被安置在基礎(chǔ)件上，使得復(fù)合結(jié)構(gòu)合適地被保持在固定部分之間。換而言之：固定部分僅間接通過(guò)復(fù)合結(jié)構(gòu)相互連接。

在此優(yōu)選地，固定部分設(shè)置有固定開(kāi)口。這簡(jiǎn)化了將固定部分固定在基礎(chǔ)件上。特別地，固定開(kāi)口也可用于觸點(diǎn)接通。

也可行的是，兩個(gè)固定部分通過(guò)連接部分相互連接。通過(guò)該方式在基本形狀中形成框類(lèi)型的保持件，然而保持件僅在兩個(gè)相互遠(yuǎn)離側(cè)上與復(fù)合結(jié)構(gòu)連接，而復(fù)合結(jié)構(gòu)在兩個(gè)其他(更長(zhǎng))側(cè)上與兩個(gè)連接部分分開(kāi)。

在固定部分與連接部分之間可有預(yù)定斷裂點(diǎn)。這使得當(dāng)連接部分對(duì)于薄片轉(zhuǎn)換器的具體應(yīng)用不必要時(shí)能夠以較小的代價(jià)移除連接部分。盡管如此，不要求對(duì)于不同應(yīng)用情況制造不同的保持件。

連接部分相互間的距離大于負(fù)荷作用件的寬度。這確保連接部分不妨礙負(fù)荷作用件的行程。

優(yōu)選地，固定部分具有面對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的邊緣，其中，該邊緣被實(shí)施成倒圓角的。該倒圓角的邊緣確保復(fù)合結(jié)構(gòu)也在大量操作循環(huán)的情況下不被機(jī)械損傷。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案提出，保持件由硬度高于可變形的載體的硬度的材料構(gòu)成。通過(guò)該方式阻止在操作時(shí)作用力使保持件形變。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，負(fù)荷作用件具有至少一個(gè)側(cè)邊緣，其被實(shí)施成倒圓角的。這也用于在大量操作循環(huán)的情況下保持復(fù)合結(jié)構(gòu)的較低的機(jī)械負(fù)荷。

薄片轉(zhuǎn)換器可用于將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功。該機(jī)械功以通過(guò)操作力實(shí)施的操作行程的方式被提供。

也可行的是，薄片轉(zhuǎn)換器用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。在此，當(dāng)負(fù)荷作用件從外部被移動(dòng)時(shí)，電極相互間的距離改變。類(lèi)似于充電的電容器的情況，在其中，電容器板相互間的距離改變，則在該情況下在薄片轉(zhuǎn)換器中電極之間的電壓改變。即，薄片轉(zhuǎn)換器可類(lèi)似于傳感器或發(fā)電機(jī)被使用。

為了防止電擊穿或與其他構(gòu)件短路，可在電極上設(shè)置可彈性形變的絕緣層。

絕緣層例如可通過(guò)化學(xué)氣相沉積被施加或被層壓到電極上。

也可行的是，絕緣層是印制構(gòu)件，其特別通過(guò)絲網(wǎng)印刷法、移印法或3D打印法被施加。

為了不妨礙負(fù)荷作用件的行程，絕緣層的硬度優(yōu)選小于復(fù)合結(jié)構(gòu)的硬度。

適用于絕緣層的材料是硅酮、丙烯酸脂或聚氨酯。

保持件可以是印制構(gòu)件，其優(yōu)選直接被印制到復(fù)合結(jié)構(gòu)上。由此節(jié)省安裝步驟。

絲網(wǎng)印刷法、移印法或3D打印法可被用作為印制保持件的方法。

也可行的是，保持件是壓鑄件，特別是塑料壓鑄件。

當(dāng)保持件與復(fù)合結(jié)構(gòu)分開(kāi)地被制造時(shí)，保持件可被層壓到復(fù)合結(jié)構(gòu)上，使得保持件在此可靠地被固定。

環(huán)氧樹(shù)脂可用作為用于保持件的材料。該情況的特征在于良好的絕緣性和高的機(jī)械和化學(xué)抗性。

用于觸點(diǎn)接通電極的合適的印制導(dǎo)線可被集成到保持件中。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案提出，保持件具有至少一個(gè)分離隔片，保持件通過(guò)該至少一個(gè)分離隔片在制造過(guò)程期間與相鄰的保持件連接。然后，分離隔片被切開(kāi)、被沖開(kāi)或完全被分離，從而將保持件與相鄰的保持件分開(kāi)。在此可行的是，同時(shí)印制或在壓鑄模具中制造大量保持件。

根據(jù)一個(gè)設(shè)計(jì)方案提出，復(fù)合結(jié)構(gòu)擁有固有傳感特性。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)設(shè)計(jì)方案提出，在偶數(shù)個(gè)載體的情況下，電極和載體的面積比可以是大致1，而不會(huì)在外電極層之間產(chǎn)生電飛弧，因?yàn)橥怆姌O層在該情況下在操作致動(dòng)器時(shí)被置于相同的電勢(shì)。

附圖說(shuō)明

下文中根據(jù)在附圖中所示的不同實(shí)施方式描述本發(fā)明。附圖中：

圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的薄片轉(zhuǎn)換器，其用于將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功；

圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的薄片轉(zhuǎn)換器，其用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能；

圖3以透視示意圖示出根據(jù)本發(fā)明的薄片轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例；

圖4以放大的側(cè)視圖示出圖3中的細(xì)節(jié)IV；

圖5以俯視圖示出圖3的薄片轉(zhuǎn)換器；

圖6示出當(dāng)負(fù)荷作用件如保持件在同一平面中時(shí)的圖5中的薄片轉(zhuǎn)換器的側(cè)視圖；

圖7示出沿著圖5的平面VII-VII的截面，其中，負(fù)荷作用件相對(duì)于圖6的視圖被拉長(zhǎng)；

圖8以俯視圖示出根據(jù)本發(fā)明的薄片轉(zhuǎn)換器的第二實(shí)施方式；

圖9以俯視圖示出根據(jù)本發(fā)明的薄片轉(zhuǎn)換器的第三實(shí)施方式；

圖10以俯視圖示出包括多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的薄片轉(zhuǎn)換器的載體；

圖11以俯視圖示出可在圖10的載體中使用的電極的矩陣；

圖12以俯視圖示出具有多個(gè)并排的薄片轉(zhuǎn)換器的條；以及

圖13以俯視圖示出具有多個(gè)并排的薄片轉(zhuǎn)換器的條。

具體實(shí)施方式

在圖1中示意性地示出薄片轉(zhuǎn)換器1，其具有作為基本構(gòu)件的保持件2，在保持件中保持條形的、電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)3。在電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)3上，在保持件2內(nèi)，安置負(fù)荷作用件4。

負(fù)荷作用件4被施加在彈簧5的一側(cè)上，且由薄片轉(zhuǎn)換器1操作的構(gòu)件6被安置在相對(duì)側(cè)上。

在該所示的實(shí)施例中，構(gòu)件6為閥件，其與閥座7共同作用。閥件6可在箭頭P的方向上被調(diào)整，使得位于閥座7上，由此閥被閉合，或從閥座7被升起由此閥被打開(kāi)。

特別的特征在于，構(gòu)件6與負(fù)荷作用件4磁性耦接。對(duì)此，在構(gòu)件6上布置磁體8，且負(fù)荷作用件4由鐵磁材料構(gòu)成，或包括鐵磁插入部，例如小的鋼板。

磁體8可被是實(shí)施成球、透鏡或滾筒，這具有下述特別的優(yōu)點(diǎn)，即，構(gòu)件6在至少一個(gè)方向上(在滾筒情況下)或在兩個(gè)方向上(在透鏡或球的情況下)可相對(duì)于負(fù)荷作用件4旋轉(zhuǎn)。這特別在下述情況下是有利的，即，當(dāng)構(gòu)件6被非平移調(diào)整而圍繞旋轉(zhuǎn)軸線被轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)；在該情況下構(gòu)件6相對(duì)于負(fù)荷作用件4的朝向改變。

因?yàn)楸∑D(zhuǎn)換器在圖1所示的實(shí)施方式中作為致動(dòng)器工作，其被連接至電源9。

在圖2中示出第二實(shí)施方式，在其中，對(duì)于第一實(shí)施方式已知的構(gòu)件使用相同的參考標(biāo)記。就此參考上文的說(shuō)明。

第一與第二實(shí)施方式之間的不同在于，薄片轉(zhuǎn)換器在第二實(shí)施方式中用于將機(jī)械功(通過(guò)構(gòu)件6的行程被提供)轉(zhuǎn)換成電能。

下文中結(jié)合圖3至圖7詳細(xì)描述薄片轉(zhuǎn)換器1的結(jié)構(gòu)。

薄片轉(zhuǎn)換器1具有保持件2，電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)3被保持在其中。在該實(shí)施方式中，保持件2根據(jù)環(huán)形框的方式被實(shí)施，其由兩個(gè)固定部分10和兩個(gè)連接部分12組成。兩個(gè)連接部分12沿著由框類(lèi)型的保持件2限定的矩形的更長(zhǎng)的邊延伸，且固定部分沿著更短的邊延伸。

在此，保持件2被實(shí)施成總共兩層的，即，由兩個(gè)相互相同的部分2A、2B構(gòu)成。然而，保持件2可被同樣好地實(shí)施成一體的。

矩形的電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)3的相互遠(yuǎn)離的端部被固定在保持件的兩個(gè)部分2A、2B之間，更確切地在固定部分10之間。由此，電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)3在自由空間中在兩個(gè)相互平行布置的連接部分12之間延伸。

電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)由可變形的載體20構(gòu)成，其在其外側(cè)上(即，“上側(cè)”和“下側(cè)”)分別設(shè)置有電極22。

在兩個(gè)固定部分10之間在電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)上布置負(fù)荷作用件4。

優(yōu)選地，負(fù)荷作用件4居中地被布置在兩個(gè)固定部分10之間。.

在該所示的實(shí)施例中，負(fù)荷作用件4被實(shí)施成矩形板，其在中間設(shè)置有開(kāi)口。更確切地說(shuō)，負(fù)荷作用件4由被布置在復(fù)合結(jié)構(gòu)3的相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)部分4A、4B構(gòu)成。負(fù)荷作用件4的寬度小于兩個(gè)連接部分12之間的距離(參見(jiàn)在圖5中在每側(cè)上留下的間隙s)，且負(fù)荷作用件4的長(zhǎng)度在尺寸方面為固定部分10之間的距離的一半(參見(jiàn)圖5)。負(fù)荷作用件也可具有另一、匹配各使用情況的形狀。也可行的是，負(fù)荷作用件通過(guò)下述方式僅被布置在復(fù)合結(jié)構(gòu)3的一側(cè)上，即，例如其在此被粘接。

在此，電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)3的寬度對(duì)應(yīng)于負(fù)荷作用件4的寬度，且由此同樣在連接部分12的相互的距離之下。長(zhǎng)度在寬度兩倍至四倍的范圍中。

保持件2的以及負(fù)荷作用件4的邊緣被倒圓角，電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)在操作時(shí)沿著所述邊緣移動(dòng)(參見(jiàn)在保持件2的兩個(gè)部分2A、2B上的倒角24)。

保持件2由相對(duì)剛性的材料制成，如環(huán)氧樹(shù)脂。強(qiáng)度很高，使得保持件2在出現(xiàn)負(fù)荷時(shí)可被認(rèn)為是剛性框。

負(fù)荷作用件4也可由諸如環(huán)氧樹(shù)脂的塑料制成。載體20是由介電聚合物制成的薄片或薄膜。在此，可使用硅酮、丙烯酸脂或聚氨酯。

被施加到載體20上的電極22由基體材料(例如，如硅酮、丙烯酸脂或聚氨酯的彈性體)構(gòu)成的混合物構(gòu)成，在其中嵌入傳導(dǎo)材料(例如，炭黑、碳納米管、傳導(dǎo)聚合物、納米金屬絲或這些材料的混合物)。

電極22延伸進(jìn)入固定部分10的下述區(qū)域，即，在該區(qū)域固定部分借助于未示出的接觸部電觸點(diǎn)接通。該接觸部位于被設(shè)置在兩個(gè)固定部分10中的開(kāi)口26中。

電極22可連續(xù)地在整個(gè)載體上延伸，即，從一個(gè)固定部分10通過(guò)負(fù)荷作用件4直至另一固定部分10，或電極22僅從固定部分10延伸至負(fù)荷作用件4。在第一種情況下足以將上側(cè)上的接觸部與下側(cè)上的接觸部連接。在第二種情況下，在每個(gè)固定部分10中必須既在下側(cè)上設(shè)置接觸部又在上側(cè)上設(shè)置接觸部。

在該所示的實(shí)施例中，電極22未延伸至載體20的邊緣(參見(jiàn)圖3)。然而基本上也可行的是，電極22覆蓋載體20的整個(gè)表面。

當(dāng)將合適的電場(chǎng)置于電極22上時(shí)，電極22相互施壓。在此，載體20被彈性地壓到一起。因?yàn)檩d體20由基本不可壓縮的材料構(gòu)成，載體(與電極一起)變長(zhǎng)。在圖1的實(shí)施例中，這導(dǎo)致彈簧5可用于向右移動(dòng)負(fù)荷作用件4且由此關(guān)閉閥。

當(dāng)再次移除電場(chǎng)時(shí)，載體20變短，使得彈簧5被壓縮且閥被打開(kāi)。

保持件2可與電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)3粘接。也可行的是，將保持件2實(shí)施成印制構(gòu)件，其被印制到電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)上。

同樣的情況適用于負(fù)荷作用件4。

電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)的電極22同樣可被印制到載體上。

在該所示的實(shí)施例中，電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)包括具有兩個(gè)電極的載體。也可行的是，使用堆疊的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在其中，多個(gè)電極與多個(gè)載體交替。在該情況下，所有奇數(shù)電極優(yōu)選共同通孔金屬化，使得其在控制時(shí)處于第一電勢(shì)，且所有偶數(shù)電極通孔金屬化，使得其處于第二電勢(shì)。

圖8中所示的實(shí)施方式與第一實(shí)施方式的不同在于，在固定部分10和側(cè)向與其布置的連接部分12之間設(shè)置縫隙30，該縫隙延伸直至保持件2的外邊緣之前少許。由此，連接部分12與固定部分10僅通過(guò)非常薄的材料隔片32連接，材料隔片作為預(yù)定斷裂點(diǎn)。這使得當(dāng)連接部分12在確定的使用情況下是不必要的或是干擾的時(shí)，可通過(guò)較低代價(jià)在沒(méi)有工具的情況下移除連接部分12。在該情況下，保持件2由兩個(gè)固定部分10構(gòu)成，固定部分不再直接相互連接，而僅間接通過(guò)在其之間延伸的電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)3連接。當(dāng)然必要的是，將固定部分10相互間隔地布置在基礎(chǔ)件上。

在圖9的實(shí)施例中，類(lèi)似于圖8的第二實(shí)施方式，在保持件2的固定部分10與連接部分12之間設(shè)置預(yù)定斷裂點(diǎn)。在此，預(yù)定斷裂點(diǎn)32被實(shí)施成具有保持件2的兩個(gè)部分2A、2B的減小壁厚的部分，即，被實(shí)施成凹槽。這也使得可在需要時(shí)快速移除連接部分12。

在圖10中，示出載體20(即，柔性薄片)具有相比于圖5面積更大的設(shè)計(jì)方案。在載體20上以矩陣結(jié)構(gòu)的類(lèi)型并排且成列地布置多個(gè)薄片轉(zhuǎn)換器1。保持件2及負(fù)荷作用件4例如可借助于絲網(wǎng)印刷法、移印法或3D打印法被施加到載體20上。

同時(shí)，多個(gè)電極22(參見(jiàn)圖11)也能夠以適合觸點(diǎn)接通的樣式被施加。對(duì)此也適用打印法。

在電活性的復(fù)合結(jié)構(gòu)被施加且保持件完整之后，由此形成的單個(gè)薄片轉(zhuǎn)換器例如可通過(guò)切邊由大面積的載體20分開(kāi)。

替選地，基于圖10，可切出具有多個(gè)成排的(圖12)或成列的(圖13)薄片轉(zhuǎn)換器1的條。通過(guò)在箭頭方向上對(duì)該條快速折疊，獲得由多個(gè)重疊薄片轉(zhuǎn)換器1構(gòu)成的堆疊的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在其中，多個(gè)電極與多個(gè)載體交替，如上所述的那樣。