Dispositivo (800; 810; 870-874) de conversión entre energía eléctrica y energía mecánica,

comprendiendo el dispositivo: un transductor de rollo polimérico (10) que comprende a) un polímero electroactivo (12, 22) que incluye al menos un área activa (801b) y b) al menos dos electrodos (14, 16) en comunicación eléctrica con el área activa en la cual al menos una parte del polímero electroactivo se envuelve sobre si mismo para formar un rollo (801); al menos un miembro de soporte (803; 840; 841; 850; 851) acoplado al transductor de rollo polimérico para proporcionar al menos una de i) una fuerza que mantiene en tensión al menos una parte del polímero, ii) una fuerza para controlar la flexión en el transductor de rollo polimérico y iii) combinaciones de las mismas; al menos una conexión mecánica (804-806; 812, 830) acoplada al transductor de rollo polimérico para permitir una fuerza o un momento generado en una primera parte del polímero electroactivo para comunicar a una segunda parte del polímero electroactivo, y una caperuza de extremo (806) acoplada giratoriamente al miembro de soporte para permitir el movimiento de la caperuza de extremo en una o más direcciones

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere generalmente a dispositivos poliméricos electroactivos de conversión entre energía eléctrica y energía mecánica. Más particularmente, la presente invención se refiere a dispositivos poliméricos electroactivos enrollados y a los procedimientos para fabricar estos 5 dispositivos.

En muchas aplicaciones, es deseable la conversión entre energía eléctrica y energía mecánica. Aplicaciones ejemplares que requieren la conversión de energía eléctrica a energía mecánica incluye, la robótica, bombas, altavoces, sensores, microfluidica, zapatos, automatización general, unidades de disco y dispositivos protésicos. Estas aplicaciones incluyen uno o más transductores que convierten energía 10 eléctrica en trabajo mecánico – a un nivel macroscópico o microscópico. Las aplicaciones ejemplares que requieren conversión de energía mecánica a energía eléctrica incluyen los sensores y los generadores.

Nuevos polímeros de alto rendimiento capaces de convertir energía eléctrica en energía mecánica, y viceversa, están ahora disponibles para una gran gama de aplicaciones de conversión 15 energética. Una clase de estos polímeros, los elastómeros electroactivos, está consiguiendo mayor atención. Los elastómeros electroactivos pueden exhibir una elevada densidad de energía, gran tensión y alta eficiencia de acoplamiento electromecánica. La prestación de estos polímeros se incrementa notablemente cuando los polímeros son de área pretensada. Por ejemplo un aumento del área de 10 a 25 veces mejora notablemente el rendimiento de muchos elastómeros electroactivos. 20

Tradicionalmente, se han usado marcos voluminosos y estáticos para aplicar y mantener pretensado una única capa de polímero electroactivo. . Los marcos permiten también el acoplamiento entre el polímero y el entorno externo. Estos marcos ocupan significativamente más espacio y un peso mucho mayor que una única capa de polímero, y puede comprometer la densidad energética y ventajas compactas que proporcionan estos nuevos polímeros. 25

De este modo, serían deseables técnicas mejoradas de implementación de estos polímeros de alto rendimiento.

El documento US 2003/006669 (PET QIBING y col) divulga la aplicación de un transductor de rollo polimérico electroactivo o sensor de tensión, un resorte a modo de conexión mecánica dispuesto en el rollo, teniendo el polímero un módulo elástico de al menos 100 Mpa. 30

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención soluciona las limitaciones de la técnica anterior y proporciona nuevos dispositivos poliméricos electroactivos enrollados. La presente invención incluye también el empleo de estos dispositivos en una amplia gama de aplicaciones y procedimientos para su fabricación. Un dispositivo polimérico electroactivo enrollado realiza la conversión entre energía eléctrica y mecánica; e 35 incluye un polímero electroactivo enrollado y al menos dos electrodos para proporcionar la conversión de energía mecánica/eléctrica. Se puede aplicar pretensión al polímero.

En un aspecto, la presente invención se refiere a un dispositivo para la conversión entre energía eléctrica y mecánica según la reivindicación 1.

En otro aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento para fabricar un dispositivo 40 polimérico electroactivo según la reivindicación 13.

Estas y otras características y ventajas de la presente invención se describirán en la siguiente descripción de la invención y las figuras asociadas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Las figuras 1A y 1B ilustran una vista superior de una parte transductora antes y después de la 45 aplicación de una voltaje, respectivamente.

Las figuras 2A-2D ilustran un dispositivo polimérico electroactivo enrollado.

La figura 2E ilustra un dispositivo polimérico electroactivo enrollado de la figura 2A.

La figura 3A ilustra un transductor monolítico que comprende una pluralidad de áreas activas en un único polímero. 50

La figura 3B ilustra un transductor monolítico que comprende una pluralidad de áreas activas en un único polímero antes de enrollarse.

La figura 3C ilustra un transductor enrollado que produce una salida bidimensional.

La figura 3D ilustra el transductor de la figura 3C con accionamiento para un juego de áreas activas radialmente alineadas 5

Las figuras 3E-G ilustran vistas ejemplares en sección transversal vertical de un dispositivo polimérico electroactivo anidado.

Las figuras 3H-J ilustran vistas ejemplares en sección transversal vertical de un dispositivo polimérico electroactivo anidado.

La figuras 3K ilustra un dispositivo polimérico electroactivo enrollado que permite que un 10 diseñador varie la deflexión respecto del perfil de fuerza del dispositivo.

Las figuras 3L-3Z ilustran dispositivo poliméricos electroactivos enrollados con suficiente energía según la presente invención destinados a proporcionar movimientos angulares controlados con precisión.

La figura 4 ilustra un esquema eléctrico de un sistema de amortiguación/rigidez variable bucle 15 abierto.

La figura 5A es un diagrama de bloques de una o más áreas activas conectadas a electrónica de acondicionamiento de energía.

La figura 5B es un esquema de circuito de un dispositivo que emplea un transductor polimérico electroactivo enrollado para una realización de la presente invención. 20

Las figuras 6A-6D describen la fabricación de un dispositivo polimérico electroactivo enrollado según una realización de la presente invención.

La figura 7 es un esquema de un sensor que emplea un transductor polimérico electroactivo enrollado según una realización de la presente invención.

Las figuras 8A-8C ilustran la fabricación y la implementación de un dispositivo polimérico 25 electroactivo multicapa que usan técnicas de enrollado.

Las figuras 8D y 8E ilustran vistas laterales respectivas de la aplicación de una varilla de empuje de la figura 8C respectivamente antes y después del accionamiento.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS.

La presente invención se describe en detalle con referencia a unas pocas realizaciones 30 preferidas ilustradas en los dibujos anexos. En la siguiente descripción, se exponen numerosos detalles específicos con el fin de proporcionar una comprensión rigurosa de la presente invención. Será evidente, sin embargo, para un experto en la técnica que la presente invención se puede poner en práctica sin algunos o todos estos detalles específicos. En otros casos, no se han descrito estructuras y/o etapas del proceso bien conocidas en detalle con el fin de no complicar innecesariamente la presente invención. 35

1. POLÍMEROS ELECTROACTIVOS

Antes de describir las estructuras la fabricación y las aplicaciones de polímeros electroactivos enrollados de la presente invención, se aclararán en primer lugar los principios básicos de la construcción y operación de polímeros electroactivos. La transformación entre energía eléctrica y mecánica en los dispositivos de la presente invención se basa en la conversión de energía de una o más 40 áreas activas de un polímero electroactivo. Los polímeros electroactivos son capaces de conversión entre energía mecánica y energía eléctrica. En algunos casos, un polímero electroactivo puede cambias propiedades eléctricas (por ejemplo, la capacitancia y la resistencia) cambiando el voltaje mecánica.

Para ayudar a ilustrar el rendimiento de un polímero electroactivo en la conversión entre energía eléctrica y energía mecánica, la figura 1A ilustra una vista superior en perspectiva de una parte 45 transductora 10 según una realización de la presente invención. La parte transductora 10 comprende una parte de un polímero electroactivo 12 para conversión entre energía eléctrica y energía mecánica. En una realización , un polímero electroactivo se refiere a un polímero que actúa como un dieléctrico aislante entre dos electrodos y puede desviarse en una aplicación de una diferencia de voltaje entre dos electrodos (un ‘elastómero dieléctrico'). Los electrodos superior e inferior 14 y 16 están fijados... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo (800; 810; 870-874) de conversión entre energía eléctrica y energía mecánica, comprendiendo el dispositivo:

un transductor de rollo polimérico (10) que comprende a) un polímero electroactivo (12, 22) que incluye al menos un área activa (801b) y b) al menos dos electrodos (14, 16) en comunicación 5 eléctrica con el área activa en la cual al menos una parte del polímero electroactivo se envuelve sobre si mismo para formar un rollo (801);

al menos un miembro de soporte (803; 840; 841; 850; 851) acoplado al transductor de rollo polimérico para proporcionar al menos una de i) una fuerza que mantiene en tensión al menos una parte del polímero, ii) una fuerza para controlar la flexión en el transductor de rollo 10 polimérico y iii) combinaciones de las mismas;

al menos una conexión mecánica (804-806; 812, 830) acoplada al transductor de rollo polimérico para permitir una fuerza o un momento generado en una primera parte del polímero electroactivo para comunicar a una segunda parte del polímero electroactivo, y

una caperuza de extremo (806) acoplada giratoriamente al miembro de soporte para permitir el 15 movimiento de la caperuza de extremo en una o más direcciones.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el cual un área no activa (801a) del polímero electroactivo (12, 22) proporciona una fuerza para desplazar la caperuza de extremo en una o más direcciones.

3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2 comprende, además, al menos un 20 sensor (360) acoplado al dispositivo.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, en el cual el sensor (360) sirve para medir una tensión de un componente en el dispositivo

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual el rollo

(801) se corta en uno o más lugares (846; 854) para limitar la propagación de una fuerza o un momento 25 desde una primera parte del rollo a una segunda parte del rollo.

6. Dispositivo según la reivindicación 5, que comprende, además, una pluralidad de fibras musculares (848) de longitudes variables, creados por uno o más cortes.

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual dispositivo incluye una articulación (842; 852) para acoplar un primer componente del dispositivo a un segundo componente del 30 dispositivo y para permitir una rotación relativa entre los dos componentes.

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el cual al menos la conexión mecánica es un resorte (830).

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual al menos una parte del elemento de soporte o la conexión mecánica se dispone en una parte central hueca del rollo (801). 35

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 en el cual al menos uno de entre el miembro de soporte o la conexión mecánica proporciona pretensión anisotrópica sobre el polímero electroactivo.

11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 en el cual al menos uno de entre el miembro de soporte o la conexión mecánica proporciona pretensión en una dirección sobre el polímero 40 electroactivo enrollado.

12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 en el cual el polímero electroactivo tiene un módulo elástico de cómo máximo 100 MPa.

13. Procedimiento para fabricar un dispositivo polimérico electroactivo, comprendiendo el procedimiento; 45

disponer al menos dos electrodos (14, 16) sobre un polímero electroactivo (12, 22);

enrollar el polímero electroactivo (12, 22) alrededor de una caperuza de extremo (806) que se acopla giratoriamente a un miembro de soporte (803; 804; 841; 850; 851), estando el miembro de soporte acoplado a una base (802), y

afianzar el rollo polimérico electroactivo (801) para mantener su configuración enrollada.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, en el cual una o más partes del polímero electroactivo (12, 22) se fijan en tensión.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 14, en el cual el miembro de 5 soporte (803; 840; 841; 850; 851) proporciona al menos uno de i) una fuerza que mantiene al menos una parte del rollo polimérico electroactivo, ii) una fuerza para controlar la flexión en el rollo polimérico electroactivo y iii) combinaciones de los mismos.

16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15 que comprende, además, cortar el rollo polimérico electroactivo (801) en uno o más lugares para limitar la propagación de una fuerza o un 10 momento desde una primera parte del rollo polimérico electroactivo a una segunda parte del rollo polimérico electroactivo (801).

17. Procedimiento según la reivindicación 16, en el cual el rollo polimérico electroactivo (801) se corta en una pluralidad de fibras musculares (848).