Polímeros electroactivos.

Un accionador para convertir energía eléctrica en energía mecánica,

comprendiendo el accionador:un miembro flexible que tiene un extremo fijo y un extremo libre, comprendiendo el miembro flexible almenos dos electrodos; y

un polímero predeformado con un módulo de elasticidad de, como máximo, aproximadamente 100 MPadispuesto de forma que provoca que una porción del polímero se flexione en respuesta a un cambio en elcampo eléctrico proporcionado por los al menos dos electrodos.

Polímeros electroactivos Antecedentes de la invención La presente invención versa, en general, acerca de polímeros electroactivos que convierten energía eléctrica en energía mecánica. Más en particular, la presente invención versa acerca de polímeros predeformados y su uso en accionadores y diversas aplicaciones.

En muchas aplicaciones, es deseable convertir energía eléctrica en energía mecánica. Las aplicaciones ejemplares que requieren una conversión de energía eléctrica a mecánica incluyen robótica, bombas, altavoces, automatización general, unidades de disco y dispositivos protésicos. Estas aplicaciones incluyen uno o más accionadores que convierten energía eléctrica en trabajo mecánico ⎯en un nivel macroscópico o microscópico⎯. Las tecnologías comunes de accionadores eléctricos, tales como solenoides y motores electromagnéticos, no son adecuadas para muchas de estas aplicaciones, por ejemplo, cuando el tamaño requerido del dispositivo es pequeño (por ejemplo, micromáquinas o máquinas de mesoescala) . Estas tecnologías tampoco son ideales cuando se debe integrar un gran número de dispositivos en una única estructura o bajo diversas condiciones de rendimiento tal como cuando se requiere una salida de densidad de potencia elevada a frecuencias relativamente bajas.

Se han utilizado varios “materiales inteligentes” para convertir entre energía eléctrica y mecánica con un éxito limitado. Estos materiales inteligentes incluyen cerámica piezoeléctrica, aleaciones con memoria de forma y materiales magnetoestrictivos. Sin embargo, cada material inteligente tiene un número de limitaciones que evitan su uso extendido. Se han utilizado ciertas cerámicas piezoeléctricas, tales como circonato titanato de plomo (PZT) , para convertir energía eléctrica en mecánica. Aunque tienen una eficacia adecuada para algunas aplicaciones, estas cerámicas piezoeléctricas están limitadas normalmente a una deformación inferior a aproximadamente un 1, 6 por ciento y a menudo no son adecuadas para aplicaciones que requieren mayores deformaciones que esto. Además, la densidad elevada de estos materiales a menudo los excluye de aplicaciones que requieren un peso reducido. El difluoruro de polivinilideno irradiado (PVDF) es un polímero electroactivo que está documentado que tiene una deformación de hasta un 4 por ciento cuando se convierte de energía eléctrica a mecánica. De forma similar a la cerámica piezoeléctrica, el PVDF a menudo no es adecuado para aplicaciones que requieren deformaciones mayores que un 4 por ciento. Las aleaciones con memoria de forma, tal como nitinol, tienen capacidad de grandes deformaciones y de salidas de fuerza. Se ha limitado el uso generalizado de estas aleaciones con memoria de forma por una eficacia inaceptable de energía, un tiempo de respuesta deficiente y un coste prohibitivo.

Además de las limitaciones de rendimiento de cerámicas piezoeléctricas y PVDF irradiado, su fabricación presenta a menudo una barrera a la aceptabilidad. Se deben desarrollar cerámicas piezoeléctricas de un único cristal a temperaturas elevadas junto con un procedimiento muy lento de enfriamiento. Se debe exponer al PVDF irradiado a un haz de electrones para ser procesado. Estos dos procedimientos son caros y complejos y pueden limitar la aceptabilidad de estos materiales.

En vista de lo anterior, serían deseables dispositivos alternativos que conviertan energía eléctrica en mecánica.

Resumen de la invención La presente invención versa acerca de un accionador para convertir energía eléctrica en energía mecánica. El accionador comprende un miembro flexible que tiene un extremo fijo y un extremo libre, comprendiendo el miembro flexible al menos dos electrodos y un polímero predeformado con un módulo de elasticidad de al menos aproximadamente 100 MPa dispuesto de forma que provoca que una porción del polímero se flexione en respuesta a un cambio en el campo eléctrico proporcionado por los al menos dos electrodos.

Los dispositivos conocidos se describen en los documentos US 4 342 936; EP 0 475 564 A1; Ronald E. Pelrine et al., “Electrostriction of polymer dielectrics with compliant electrodes as a means of actuation”, Sensors and Actuators A, vol. 64, p. 77-85, (1998) ; Roy Kornbluh et al., “Electrostrictive Polymer Artificial Muscle Actuators”, Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on Robotics & Automation, Leuven, Bélgica, mayo de 1998, p. 2147-2154, (1998) ; US 5 356 500.

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

Breve descripción de los dibujos Las FIGURAS 1A y 1B ilustran una vista en planta en perspectiva de un transductor antes y después de la aplicación de una tensión.

La FIG. 1C ilustra una superficie texturada para un polímero electroactivo que tiene un perfil con forma de onda.

La FIG. 1D ilustra un polímero electroactivo que incluye una superficie texturada que tiene una texturización

aleatoria. La FIG. 1E ilustra una vista lateral en corte transversal de un accionador de diafragma que incluye un polímero electroactivo antes de la aplicación de una tensión.

La FIG. 1F ilustra una vista en corte transversal del diafragma de polímero electroactivo de la FIG. 1E después de la aplicación de una tensión. Las FIGURAS 2A y 2B ilustran un accionador de arco antes y después del accionamiento. La FIG. 2C ilustra un accionador de arco que incluye componentes adicionales para mejorar la flexión.

Las FIGURAS 2D y 2E ilustran un accionador de movimiento lineal antes y después del accionamiento. La FIG. 2F ilustra una vista lateral en corte transversal de un accionador que incluye múltiples capas de polímero.

La FIG. 2G ilustra un accionador de múltiples capas apiladas como ejemplo de músculo artificial.

La FIG. 2H ilustra un accionador lineal que comprende un diafragma de polímero electroactivo.

La FIG. 2I ilustra un accionador de tipo oruga que incluye un polímero electroactivo enrollado.

La FIG. 2J ilustra un accionador de película estirada para proporcionar flexión en una dirección.

La FIG. 2K ilustra un accionador de varilla flexible según una realización de la presente invención.

La FIG. 2L ilustra el accionador de varilla flexible de la FIG. 2K con un ángulo de flexión de 90 grados.

La FIG. 2M ilustra un accionador de varilla flexible que incluye dos capas de polímero según otra realización de

la presente invención. La FIG. 3 ilustra un electrodo estructurado que proporciona una capacidad expansiva unidireccional. La FIG. 4 ilustra un polímero predeformado que comprende un electrodo estructurado que no tiene capacidad

expansiva direccional. La FIG. 5 ilustra electrodos texturados. La FIG. 6 ilustra un sistema de bombeo en cascada de dos etapas que incluye dos bombas de accionador de

diafragma.

La FIG. 7A ilustra un flujo de un procedimiento para fabricar un dispositivo electromecánico que tiene al menos un polímero predeformado. Las FIGURAS 7B-F ilustran un procedimiento para fabricar un dispositivo electromecánico que tiene múltiples

capas de polímero.

Descripción detallada de las realizaciones preferentes Se describirá con detalle ahora la presente invención con referencia a algunas realizaciones preferentes de la misma como se ilustra en algunos de los dibujos adjuntos. En la siguiente descripción, se definen numerosos detalles específicos para proporcionar una comprensión profunda de la presente invención. Sin embargo, será evidente para un experto en la técnica, que se pueden poner en práctica la presente invención sin algunos de estos detalles específicos, o todos ellos. En otros casos, no se han descrito con detalle etapas del procedimiento y estructuras bien conocidas para no complicar innecesariamente la presente invención.

1. Revisión general

Los polímeros electroactivos se flexionan cuando son accionados por energía eléctrica. En un ejemplo, un polímero electroactivo hace referencia a un polímero que actúa como un material dieléctrico aislante entre dos electrodos y que puede flexionarse tras la aplicación de una diferencia de tensión entre los dos electrodos. En un aspecto, la presente invención versa acerca de polímeros que están predeformados para mejorar la conversión entre energía eléctrica y mecánica. La predeformación mejora la respuesta mecánica de un polímero electroactivo con respecto a un polímero electroactivo no deformado. La respuesta mecánica mejorada permite un mayor trabajo mecánico para un polímero electroactivo,... [Seguir leyendo]

1. Un accionador para convertir energía eléctrica en energía mecánica, comprendiendo el accionador:

un miembro flexible que tiene un extremo fijo y un extremo libre, comprendiendo el miembro flexible al menos dos electrodos; y

un polímero predeformado con un módulo de elasticidad de, como máximo, aproximadamente 100 MPa dispuesto de forma que provoca que una porción del polímero se flexione en respuesta a un cambio en el campo eléctrico proporcionado por los al menos dos electrodos.

2. El accionador según la Reivindicación 1, en el que el extremo libre tiene dos grados de libertad.

3. El accionador según la Reivindicación 1, en el que el miembro flexible tiene una rigidez superior a la del 10 polímero.

4. El accionador según la Reivindicación 1, en el que el polímero comprende uno de entre un elastómero de silicona, poliuretano, copolímero de PVDF o elastómero adhesivo.

5. El accionador según la Reivindicación 1, en el que el polímero comprende uno de entre un caucho de silicona y un acrílico.

6. El accionador según la Reivindicación 1, en el que el polímero está enrollado.

7. El accionador según la Reivindicación 1, en el que el polímero comprende una superficie texturada.

8. El accionador según la Reivindicación 1, en el que al menos un electrodo comprende una superficie dotada de un patrón.

9. El accionador según la Reivindicación 1, en el que los al menos dos electrodos comprenden una superficie 20 texturada.