专利名称：弹性体致动器及制造致动器的方法
技术领域：
本发明涉及致动器，例如，用于机器人应用的致动器。该致动器由包括具有限定在电极之间的弹性体的板状件的片状物制成。电极相对于弹性体设置，以在将电场应用于电极时使本体变形。板状件被卷成能够在将电场应用于电极时分别膨胀和收缩的柱状结构。
背景技术：
已知，具有用于使弹性体材料变形的电极的弹性体致动器便于在较弱的电场中有较大的形变，例如，在和可选的介电材料(例如，包含陶瓷的压电材料)相对比的情况下。工作原理在于两个电极之间的电势产生导致吸引力或排斥力的电场。结果，电极之间的距离改变造成弹性体材料的压缩或拉伸，从而使得弹性体材料变形。由于该工作原理和肌肉机能的相似性，弹性致动器有时涉及电致伸缩聚合物人造肌肉(EPAM)。
通常，通过施加例如含有颜料的碳或薄金层的导电电极给由例如硅酮或，聚氨酯的弹性体材料制成的薄膜的两侧制成弹性致动器。该膜通常通过模塑工艺制成。叠层式致动器是已知的，例如，美国专利5,977,685公开了每侧均具有电极的聚氨酯弹性体层，层叠在一起形成可变形的片状物。每层均具有在水平方向形成的狭缝，借此，该层可在收缩移动期间保持体积。
例如，为了节省空间，弹性片状物可被卷起，形成柱状致动器以在多个小尺寸系统中替换更多传统的线性致动器，例如，在形成腿或机器人手腕夹钳等的机器人应用中。在上述卷式致动器中，膜被卷进在轴向对端装配有机械连接器的管状部。在电场对电极起作用的情况下，在弹性体材料变形期间，片状物轴向收缩或延伸。然而，已经发现，弹性膜的卷式结构某种程度上限制了膜的变形能力，从而降低了性能。特别地，当柱状致动器被设计为径向延伸和收缩时，柱状致动器的径向收缩补偿径向改变是有必要的，由于柱形体向径向限制施加硬度，柱形限制了径向延伸和收缩的幅度。直到如今，卷式柱状致动器的长度的百分之五至七数量级的最大行程(stroke)通常被视作技术限制。
发明内容
根据本发明，提供了一种由弹性体膜制成的致动器，提高了性能。相应地，根据本发明的第一方面，提供了包括在纵向上延伸的管状部的致动器，该管状部包括设置在两个电极之间的弹性体材料，其中，在垂直于纵向的横截面中的周缘上两个相对点之间延伸的任意对称线段的长度不同于任何其他这样的对称线段的长度。
换言之，提供了一种横截面没有对称线段的致动器，一条对称线段或多条对称线段的长度均不同。
例如，该形状可以是非圆形或非四边形。例如，从横截面观察，该致动器露出两个长度不同的对称轴。例如，从上述横截面观察，该致动器具有椭圆形状，其可以是卵形或矩形。
当在电极上方施加电势时，电吸引力或电排斥力迫使电极彼此靠近或远离，弹性体材料借此变形。由于特定的形状，在纵向延伸和收缩期间，可以实现管状部在垂直于纵向的属性的自由改变，从而，在和具有圆形或四边形横截面形状的致动器进行对比的情况下，该致动器在垂直于纵向的延伸和收缩的能力得到改善，也就是，具有多个对称轴的致动器的长度相同。因此，实现了较大的径向延伸和收缩。
优选地，为了便于容易制造，通过卷起包括至少两个元件的片状物，可以使管状部变形，所述至少两个元件中的每个都包括弹性材料体和连接至其第一表面的电极，其中，弹性材料体和/或电极的变形在第一方向受到限制，在另一(第二)方向得到支持。第二方向优选平行于纵向。由于分别对变形的限制和支持，实现了弹性体仅在(或主要在)一个方向的变形，也就是，在纵向的变形，同时，围绕管状部的圆周的变形受到限制，使得管状部的周长保持不变。
该弹性体可以是绝缘体，将随后被详细描述，优选在至少一个表面上有多个皱褶，优选具有各向异性。堆叠这两个元件，使得元件中的一个的表面与另一个元件的表面接触。
例如，通过使电极中和弹性体中的皱褶变形，可以实现两个方向变形的限制和支持。这些皱褶可以平行于第一方向相互延伸，因此，支持在垂直于第一方向的第二方向的变形。在注模工艺中的制造弹性体的过程中，形成这些皱褶。通过在后续工艺中汽化导电材料(例如，金、银、铜、铝、或任何类似导电金属)到弹性体，将非常薄的电极形成在弹性体的皱褶上。该电极将有效地防止在皱褶方向的变形。
优选地，导电端子形式的供电路径连接至至少两个元件的一个，以施加不同的电势给相应的电极。为了便于连接电源，该片状物可以包括-第一类型元件，包括与元件的电极电接触的第一类型导电端子；-第二类型元件，包括与元件的电极电接触的第二类型导电端子；其中，当电极被堆叠以形成交替的第一类型和第二类型元件的片状物时，第一类型导电端子与第二类型导电端子电绝缘。例如，端子可以暴露在处于可选不同位置上的弹性体的表面上。例如，当堆叠元件形成片状物时，使得每个第二元件的端子处于元件的最右端，每个其他第二元件的端子处于元件的最左端。在片状物上，弹性材料体使相邻的元件的端子之间绝缘。
优选地，卷式结构包括交替的一个第一类型元件和一个第二类型元件。第一类型元件连接至第一通电路径，第二类型元件连接至第二通电路径。由此实现了层叠结构的单工作层包括一个第一元件上的一个电极、一个第二元件上的一个本体、以及一个第二元件上的一个电极。层叠结构的另一层包括一个第二元件上的一个电极、一个第一元件的一个本体、以及一个第一元件上的一个电极。
第一类型元件还包括与元件的电极电绝缘的第二类型导电端子。相应地，第二类型元件还包括与元件的电极电绝缘的第一类型导电端子。当第一类型导电端子相互电接触且第二类型导电端子相互电接触时，例如，当元件层叠时，所有的第一类型的端子可在一个连接点连接至电源的一个端子，所有的第二类型的端子可在另一个连接点连接至电源的一个端子。与元件的电极电绝缘的端子用于在两个相邻元件之间将电势差跨越该元件。
为了更便于电源的应用，第一和/或第二类型导电端子可以覆盖弹性材料体的外周边缘部，例如，当元件被层叠以形成交替的第一和第二类型元件的片状物时，使得第一类型的端子在一个位置处覆盖边缘部。沿着边缘部连接至端子的导线还可将电极连接至电源。
在本发明的特定实施例中，通过围绕弹性体芯体卷起元件形成卷式结构。为了减少芯体对卷式致动器的柔韧性的影响，弹性体芯体可比致动器的弹性体更软。
在本发明的特定的鼓状实施例中，卷式结构具有管状部限定(即，卷式结构限定的)的空腔以及两个在管状部的轴向相对端紧固的闭合部。闭合部可具有轴颈形状，例如，包括用于将连接器连接至应用器件(例如，机器人手柄)的紧固装置。从而实现了卷式结构具有柱状横截面，该结构的芯体是无源谐振腔(passive cavity)。弹性材料体可通过用弹性体材料(例如，处于液态状态)填充空腔形成。随后，液态芯体硬化，例如，同时卷式结构在轴向延伸。从而实现了当芯体被填充并硬化时，结构体具有压缩应力。当结构在随后被轴向松弛时，弹性材料体的压缩应力将减少芯体中的张应力，当制动器处于松弛不活动位置时，力平衡将实现稳定的自支承结构。
在第二方面，本发明涉及制造卷式弹性体致动器的方法，所述方法包括以下步骤-由元件层形成片状物，每个均包括弹性材料体和与弹性材料体的表面接触的电极，-卷起片状物，形成空心管部，其形状使得任何在垂直于纵向的横截面中的周边上的两个相对点之间延伸的对称线段的长度与任何其它这样的对称线段不同，例如，椭圆形或四边形。
根据第二方面的方法可以延伸为包括制造根据本发明的第一方面的任何特征的致动器的步骤，特别地，管状部可以用液态弹性体材料填充，以形成用于管状部的弹性体芯体，液态弹性体材料随后硬化。
接着，将参考附图更详细说明本发明的优选实施例，在附图中图1示出致动器的第一板状件；图2示出致动器的第二板状件；图3示出层叠的致动器；图4示出层叠的致动器的顶视图；图5示出卷式致动器的径向的横截面图；图6示出卷式致动器的纵向的横截面图；图7示出用于将两个元件装配成一个片状物的装配顺序示意图；以及图8a-8d示出用液态弹性体填充卷式结构的空穴的示意图。
具体实施例方式
图1示出用于形成致动器的片状物的层叠的板状件1。该元件由弹性体材料的本体2构成。该本体的两个表面中的一个上有皱褶轮廓，举例来说通过将导电微粒汽相沉积到表面上，在本体的表面上沉积数百个埃的厚度沉积的电极。电极可以由金、银、和铜制成，也可以由任何其它导电材料制成。
图1中没有示出本体2的皱褶，但是，应当理解为，这些皱褶为类似正弦曲线形状或具有弯曲的横截面的形状，例如，从皱褶顶部到皱褶底部的皱褶高度占到本体总厚度的1/3-1/5。例如，总厚度为20μm本体的皱褶高度为5μm。相对于图1中的本体2和电极3的位置，皱褶载水平方向延伸，也就是，由箭头(标号8)示出的方向。举例而言，包含皱褶的本体2可以通过模塑工艺由硅或橡胶材料或任何其他弹性体材料制成。
当电极通过例如汽相沉积工艺沉积到本体2的皱褶状表面时，电极将要形成具有皱褶的薄金属层，对应于本体的皱褶。结果，元件及由多个元件制成的片状物在垂直于皱褶的方向例如在图1中箭头4示出的垂直方向，比在皱褶的非垂直方向例如在图1中箭头4示出的水平方向，更加柔韧。这种结构赋予元件及由多个元件制成的片状物各向异性。由于各向异性，和元件的体积在变形过程中得以保存的事实，实现了元件厚度的压缩或伸展将主要被传送给垂直于皱褶方向的变形，也就是，在图1中的垂直方向。
所示出的两个导电端子5和6在电极3的顶部上。一个端子5构成电极3的通电路径。另一个端子6由导电材料制成，然而，并不连接至电极3。当元件被堆叠以形成层叠结构时，通过连接电源，端子5、6用于连接电源以建立临近元件的电极之间的电位差。
图2示出和图1中的板状件类似的板状件7，但是，其中，通电路径6构成连接至电极3的导电端子，其中，通电路径5并不连接至电极3。这样提供了两种不同的板状件。下面，用标号1标出的元件被称之为第一类型的板状件，用标号7标出的元件被称之为第二类型的板状件。
图3示出由包括弹性材料体2和电极3制成的本体的元件层叠成的结构的形式的致动器9的侧视图。为了更清楚地示出该结构，所示出的本体和电极的厚度并没有考虑正确比例。实际上，电极可以被汽化形成在弹性体2上，从而，单个元件1、7的总体厚度限制为约15-30μm，其中，电极的厚度为数百个埃。相应地，层叠致动器9形成平板片状结构。在致动器9的平板片状结构中，第一类型元件1靠近交替的第二类型元件7设置，从而形成沿致动器的外周边缘部延伸的两个导电连接路径，用于连接电源，以在致动器中的相邻元件的电极之间建立电势差。
图4的横截面a-a示出图1示出的示意图，横截面b-b示出图2示出的示意图。两个端子5和6经由沿着端子的边缘部连接至端子的导线11连接至高电压源。这样的连接给予元件1和7的电极不同的电位差，感应电场将使电极彼此相向移动。这样造成每个本体2的收缩移动，如图4上的箭头10所示出的，因此，致动器将发生垂直移动，如图1、2、以及3中的箭头4所示出的。
致动器所产生的力随着层叠结构中的元件的数量的增加而增加。由和第一及第二元件相同的弹性体构成的密封板12封闭了层叠结构，因此，最后的元件的电极被封闭并与周围绝缘。密封板12被设置为与临近元件的电极的接触。
图3和4中的致动器9是板状的，致动器能够施加的力度取决于包含在层叠板中的元件的数量，同时取决于每个元件的横截面面积。图5示出用于致动器13的结构，其中，两个板状件1、7被层叠在一起，形成随后被卷起的板状物。在仅有两个元件被层叠和卷起的结构中，力度主要取决于线圈的数量。在图5中，致动器13包括由第一类型元件和第二类型元件制成的三个板状线圈。由于卷动，致动器形成了柱状。
由于包括电极的元件的皱褶，致动器变得非常适合在一个方向偏转，以及不太适合在其他方向偏转。通过将元件卷入纵向轴垂直于皱褶的卷状物，致动器变得适合在纵向延伸和缩短，然而，其在皱褶方向是硬的。由于在形成片状物的元件中弹性聚合体的体积保持不变，致动器的径向收缩和膨胀在纵向延伸和缩短的过程中是必要的。由于在不改变圆形卷式致动器的周长的情况下，对横截面的改变是不可能的，圆形横截面形状将向径向收缩施加更多的阻力。因此，在椭圆形中，例如在图5示出的椭圆或四边形横截面形状中，在“a”方向和“b”方向延伸的不同比率将导致相同周长的不同面积，并由此便于径向收缩，从而导致卷式致动器的径向延伸和缩短。
更详细地，下述公式适用于具有圆形横截面形状的卷式片状物周长＝2*π*r面积＝π*r2体积＝面积*长度其中，r表示卷的径向尺寸。因为长度改变，体积固定，所以面积不得不改变。面积仅随半径的改变而改变，理论上，半径的改变是不可能的，在实践中，由于周长保持不变，半径的改变是非常困难的。相反，下列公式适用于具有椭圆(非圆形)横截面形状的卷式片状物 面积＝π*a*b体积＝面积*长度其中，a和b表示椭圆的两个对称轴的半轴长。相应地，便于延伸和缩短具有椭圆形横截面形状的卷式致动器，原因在于，有可能找出a和b的不同集合，每个集合满足在面积改变的同时保持周长不变。
具有非圆形横截面形状的多种几何形状便于在不改变周长的条件下改变面积(图5中示出其中之一)。
图6示出致动器13平行于纵向的横截面示意图。空腔15被限定在卷式结构1、7以及轴颈14的两个封闭部。轴颈的外截面形状对应于管状部的内截面形状。
由板状件1和7制成的片状物是相当柔软的。致动器结构因此也是相当柔软的，且根据元件1、7的具体材料和厚度，致动器将不能在其没有安装在应用(application)中或固定物中时支承自身。为了使致动器稳定和使得处理更容易，将空腔15用柔软的弹性体材料填充，例如，通过孔16的至少一个。空腔15的填充发生在致动器例如利用固定物轴向伸展时。当空腔15内的弹性体材料变硬时，它使具有比元件1和7的弹性体材料更柔软的性质的可变形的弹性体材料暴露。当轴向伸展的致动器松开时，两个轴颈将被拉在一起，这将使空腔15内部的材料变形。这种机械结构中的压力和张应力平衡将形成自支承的卷式致动器。
图7示出第一类型元件20和第二类型元件21。第一类型元件包括第一类型导电终端22和第二类型导电端子23。这些元件层叠以形成包括交替的第一类型元件20和第二类型元件21的片状物24，即，其中，导电端子放置在弹性本体25的相对侧。
图8a至8d示出用液态弹性体材料填充空腔30的过程。在图8a中，致动器准备好弹性体芯体通过在轴颈中形成的开口31填充进空腔中。在图8b中，制动器在填充之前轴向伸展。在图8c中，液态弹性体芯体填充进空腔中，在图8d中，芯体被固化，例如，在由线32表示的炉内被固化。
权利要求
1.一种致动器，包括在纵向上延伸的管状部，所述管状部包括设置在两个电极之间的弹性体材料本体，其中，在垂直于纵向的横截面中的周缘上的两个相对点之间延伸的任意对称线段的长度不同于任何其它这样的对称线段的长度。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中，通过卷起包括至少两个元件的片状物形成管状部，所述至少两个元件中的每个都包括弹性体材料本体和连接至其第一表面的电极，其中，所述本体的变形在第一方向受到限制，在另一第二方向得到支持。
3.根据权利要求2所述的致动器，其中，所述第二方向平行于所述纵向。
4.根据权利要求2或3所述的致动器，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向。
5.根据权利要求2至4中任一所述的致动器，其中，所述本体和所述电极包括在所述第一方向上延伸的皱褶。
6.根据权利要求2至5中任一所述的致动器，其中，所述片状物包括第一类型元件，包括与所述元件的电极电接触的第一类型导电端子；第二类型元件，包括与所述元件的电极电接触的第二类型导电端子；其中，在所述元件层叠时所述第一类型导电端子与所述第二类型导电端子电绝缘。
7.根据权利要求2至6中任一所述的致动器，其中第一类型元件进一步包括与所述元件的电极电绝缘的第二类型导电端子，以及其中第二类型元件进一步包括与所述元件的电极电绝缘的第一类型导电端子，其中，在所述元件层叠时，所述第一类型导电端子相互电接触，所述第二类型导电端子相互电接触。
8.根据权利要求6或7所述的致动器，其中，所述第一类型导电端子覆盖弹性体材料本体的第一周边缘部，所述第二类型导电端子覆盖弹性体材料本体的第二周边缘部。
9.根据权利要求6至8中任一所述的致动器，其中，所述第一类型元件与所述第二类型元件交替设置。
10.根据权利要求2至9中任一所述的致动器，其中，通过围绕弹性体材料芯体卷起所述片状物形成所述管状部。
11.根据以上权利要求中任一所述的致动器，其中，所述管状部用弹性体材料芯体填充。
12.根据权利要求11所述的致动器，其中，所述芯体比形成所述管状部的弹性体材料要软。
13.根据权利要求11或12所述的致动器，其中，通过用液态弹性体材料填充由所述管状部和两个闭合部限定的空腔形成所述芯体，随后，在所述管状部轴向伸展时，所述弹性体材料硬化。
14.一种制造卷式弹性体致动器的方法，所述方法包括以下步骤-由多个元件层形成片状物，每个均包括弹性体材料本体和与所述本体表面接触的电极，-卷起所述片状物，形成空心管部，其形状使得任何在垂直于纵向的横截面中的周边上的两个相对点之间延伸的对称线段的长度与任何其它这样的对称线段不同。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述管状部用液态弹性体材料填充，以形成所述管状部的弹性体芯体，所述液态弹性体材料随后硬化。
全文摘要
一种管状弹性体致动器，具有这样的形状，在截面图中，所述形状露出最多一个具有指定长度的单个对称轴，例如椭圆形。该致动器可由多个层叠在一起并卷起的板状件形成的片状物制成。每个板状件可具有用于使元件具有各向异性结构的皱褶，且包含仅一个表面上的电极。该致动器移位是在其厚度上施加电场时板状件收缩移位的结果。
文档编号H01L41/45GK1682429SQ03822339
公开日2005年10月12日 申请日期2003年9月18日 优先权日2002年9月20日
发明者M·Y·本斯利曼, P·格拉夫森 申请人:丹福斯有限公司