Traductores de polímeros electroactivos.

Un transductor para la conversión de energía eléctrica en energía mecánica,

comprendiendo el transductor:por lo menos dos electrodos;

un polímero previamente deformado dispuesto de forma que de lugar a que una porción del polímero se flexecon respecto a una primera posición, con una primera área superficial, hasta una segunda posición, con unasegunda área superficial, en respuesta a un cambio en el campo eléctrico;

un miembro rígido acoplado al polímero, caracterizado porque el polímero comprende una superficie nouniforme, en el que la superficie no uniforme es texturada.

Transductores de polímeros electroactivos Antecedentes de la invención La presente invención se refiere, en general, a polímeros electroactivos que convierten energía eléctrica en energía mecánica. Más particularmente, la presente invención se refiere a polímeros previamente deformados y a su uso en accionadores y aplicaciones varias. La presente invención se refiere, también, a electrodos adaptables usados para la comunicación eléctrica con polímeros electroactivos y a procedimientos de fabricación de polímeros previamente deformados.

En muchas aplicaciones, es deseable convertir de energía eléctrica en energía mecánica. Las aplicaciones a modo de ejemplo que requieren la conversión de energía mecánica a eléctrica 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 – a un nivel macroscópico o microscópico. Las tecnologías de accionadores eléctricos comunes, tal como solenoides y motores electromagnéticos, no son adecuadas para muchas de estas aplicaciones, por ejemplo, cuando el tamaño de dispositivo requerido es pequeño (por ejemplo, máquinas a escala microscópica o intermedia) . Estas tecnologías tampoco son ideales cuando un gran número de dispositivos ha de integrarse en una única estructura o bajo varias condiciones de rendimiento, tal como cuando una salida de densidad de potencia alta se requiere a unas frecuencias relativamente bajas.

Varios ‘materiales inteligentes’ se han usado para convertir entre energía eléctrica y mecánica con un éxito limitado. Estos materiales inteligentes incluyen las cerámicas piezoeléctricas, las aleaciones con memoria de forma y los materiales magnetoestrictivos. No obstante, cada material inteligente tiene un número de limitaciones que evitan su uso extendido. Ciertas cerámicas piezoeléctricas, tal como el titanato de plomo-zirconio (PZT) , se han usado para convertir la energía de eléctrica en mecánica. A pesar de que tienen una eficiencia adecuada para unas pocas aplicaciones, estas cerámicas piezoeléctricas se limitan típicamente a una deformación inferior a aproximadamente un 1, 6 por ciento y, a menudo, no son adecuadas para las aplicaciones que requieran unas deformaciones más grandes que esta. Además, la alta densidad de estos materiales a menudo las excluye de aplicaciones que requieran un peso bajo. El poli (difluoruro de vinilideno) irradiado (PVDF) es un polímero electroactivo que, según se notifica, tiene una deformación de hasta un 4 por ciento cuando se convierte la energía de mecánica en eléctrica. De forma similar a las cerámicas piezoeléctricas, a menudo el PVDF no es adecuado para las aplicaciones que requieran unas deformaciones más grandes que un 4 por ciento. Las aleaciones con memoria de forma, tal como nitinol, son capaces de unas deformaciones y salidas de fuerza grandes. El uso amplio de estas aleaciones con memoria de forma ha estado limitado por una eficiencia energética inaceptable, un pobre tiempo de respuesta y un coste prohibitivo.

Además de las limitaciones de rendimiento de las cerámicas piezoeléctricas y el PVDF irradiado, su fabricación a menudo presenta una barrera para la aceptabilidad. Las cerámicas piezoeléctricas de cristal único han de hacerse crecer a unas temperaturas altas junto con un procedimiento de enfriamiento muy lento. El PVDF irradiado ha de exponerse a un haz de electrones para su procesamiento. Ambos de estos procedimientos son costosos y complejos y pueden limitar la aceptabilidad de estos materiales.

A la vista de lo anterior, serían deseables unos dispositivos alternativos que convierten la energía de mecánica en eléctrica.

Los dispositivos de polímero electroactivo de acuerdo con el estado de la técnica se dan a conocer por Ronald E. Pelrine y col., “Electrostriction of polimer dielectrics with compliant electrodes as a means of actuation”, Sensors and Actuators A, vol. 64, págs 77-85, (1998) .

Sumario de la invención En un aspecto, la presente invención tal como se define por las reivindicaciones 1 y 26 se refiere a polímeros que se deforman previamente para mejorar la conversión entre energía eléctrica y mecánica. Cuando un voltaje se aplica a unos electrodos en contacto con un polímero previamente deformado, el polímero se flexa. Esta deflexión puede usarse para realizar un trabajo mecánico. La deformación previa mejora la respuesta mecánica de un polímero electroactivo en relación con un polímero no deformado. La deformación previa puede variar en diferentes direcciones de un polímero para variar la respuesta del polímero para el voltaje aplicado.

En otro aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento de fabricación de un transductor que incluye un polímero previamente deformado. El procedimiento comprende deformar previamente un polímero electroactivo para formar el polímero previamente deformado. El procedimiento también comprende fijar una porción del polímero previamente deformado a un miembro sólido. El procedimiento comprende adicionalmente formar uno o más electrodos sobre el polímero previamente deformado.

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 en perspectiva desde arriba de un transductor antes y después de la aplicación de un voltaje.

La figura 1C ilustra una superficie con textura para un polímero electroactivo que tiene un perfil de tipo onda.

La figura 1D ilustra un polímero electroactivo que incluye una superficie con textura que tiene una textura aleatoria.

La figura 1E ilustra una vista lateral en sección transversal de un accionador de diafragma que incluye un

polímero electroactivo antes de la aplicación de un voltaje.

La figura 1F ilustra una vista en sección transversal del diafragma de polímero electroactivo de la figura 1E después de la aplicación de un voltaje.

Las figuras 2A y 2B ilustran un accionador de arco antes y después del accionamiento.

La figura 2C ilustra un accionador de arco que incluye unos componentes adicionales para mejorar la deflexión.

La figura 2D y 2E ilustran un accionador de movimiento lineal antes y después del accionamiento.

La figura 2F ilustra una vista lateral en sección transversal de un accionador que incluye múltiples capas de

polímero.

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

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

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

La figura 2J ilustra un accionador de película estirada para proporcionar una deflexión en una dirección.

La figura 2K ilustra un accionador de barra de flexión.

La figura 2L ilustra el accionador de barra de flexión de la figura 2K con un ángulo de flexión de 90 grados.

La figura 2M ilustra un accionador de barra de flexión que incluye dos capas de polímero.

La figura 3 ilustra un electrodo con estructura que proporciona una adaptabilidad unidireccional.

La figura 4 ilustra un polímero previamente deformado que comprende un electrodo con estructura que no es

direccionalmente adaptable.

La figura 5 ilustra unos electrodos con textura de acuerdo con una realización de la presente invención.

La figura 6 ilustra un sistema de bombeo en dos etapas en cascada que incluye dos bombas de accionador de

diafragma.

La figura 7A ilustra un flujo de procedimiento para la fabricación de un dispositivo electromecánico que tiene por lo menos un polímero previamente deformado. Las figuras 7B-F ilustran un procedimiento para la fabricación de un dispositivo electromecánico que tiene

múltiples capas de polímero.

Descripción detallada de las realizaciones preferentes La presente invención se describirá a continuación en detalle con referencia a unas pocas realizaciones preferentes de la misma, tal como se ilustra en los dibujos adjuntos. En la siguiente descripción, numerosos detalles específicos se exponen con el fin de proporcionar una comprensión exhaustiva de la presente invención. Será evidente, no obstante, para un experto en la técnica, que la presente invención puede practicarse sin parte o la totalidad de estos detalles específicos. En otros casos, las estructuras y/o etapas de procedimiento bien conocidas no se han descrito en detalle con el... [Seguir leyendo]

1. Un transductor para la conversión de energía eléctrica en energía mecánica, comprendiendo el transductor:

por lo menos dos electrodos; un polímero previamente deformado dispuesto de forma que de lugar a que una porción del polímero se flexe con respecto a una primera posición, con una primera área superficial, hasta una segunda posición, con una segunda área superficial, en respuesta a un cambio en el campo eléctrico; un miembro rígido acoplado al polímero, caracterizado porque el polímero comprende una superficie no uniforme, en el que la superficie no uniforme es texturada.

2. Transductor de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el miembro rígido es adecuadamente rígido para mantener el nivel de deformación previa en el polímero.

3. Transductor de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que el miembro rígido está incluido en un armazón.

4. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la porción del polímero se acopla al miembro rígido en la primera posición.

5. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el polímero se deforma previamente de manera isótropa.

6. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que el polímero se deforma previamente de manera anisótropa, de tal modo que el polímero es relativamente más rígido en una dirección de alta deformación previa, y más adaptable en una dirección de baja deformación previa.

7. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-5, en el que el polímero se deforma previamente de manera elástica con un factor en el intervalo de aproximadamente 1, 5 veces a 50 veces el área original.

8. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1-5, en el que la cantidad de deformación previa elástica para el polímero varía de menos 100 a más 600 %.

9. Transductor de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el polímero es un elastómero acrílico, que se deforma previamente de manera elástica en por lo menos aproximadamente un 100 % y, preferentemente, se deforma previamente entre aproximadamente un 200 y un 400 %.

10. Transductor de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el polímero es un polímero elastomérico acrílico, que se deforma previamente de manera elástica mediante el estiramiento en un 100 % en una dirección y en un 500 % en una dirección perpendicular.

11. Transductor de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el polímero es un polímero elastomérico acrílico, que se deforma previamente de manera elástica mediante el estiramiento en u.

20. 400 % en ambas direcciones planas.

12. Transductor de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el polímero previamente deformado de forma anisótropa se deforma previamente de manera elástica entre aproximadamente u.

40. 500 % en una dirección y entre aproximadamente u.

2. 200 % en una dirección perpendicular.

13. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el miembro de soporte rígido, fija la porción del polímero en la primera posición, en el que la deformación previa elástica de la porción del polímero se lleva a cabo mediante el estiramiento desde un área superficial inicial hasta la primera área superficial para mejorar la respuesta mecánica del transductor cuando éste se flexa con respecto a la primera posición hacia la segunda posición, y en el que el miembro rígido suministra una fuerza a la porción estirada del polímero que evita que la porción estirada del polímero vuelva desde la primera área superficial hasta aproximadamente su área superficial inicial, y en el que la relación de la primera área superficial con respecto al área superficial inicial se encuentra en el intervalo de aproximadamente 1 a aproximadamente 50 en una primera dirección y en el intervalo desde menos de aproximadamente 1 en una dirección de área superficial ortogonal a la primera dirección.

14. El transductor de la reivindicación 13, en el que la relación de la primera área superficial con respecto al área superficial inicial en la dirección ortogonal se encuentra en el intervalo de aproximadamente - 1 a aproximadamente

1.

15. El transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el transductor tiene una deformación lineal máxima de por lo menos aproximadamente un 50 %, en respuesta al cambio en el campo eléctrico.

16. El transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene una deformación lineal máxima de por lo menos aproximadamente un 100 %.

17. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el polímero tiene una deformación lineal máxima en el intervalo de u.

40. 215 %.

18. Transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el polímero tiene una

deformación de área en el intervalo de u.

7. 330 % y, preferentemente, de por lo menos aproximadamente un 5 100 %.

19. El transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene una eficiencia electromecánica mayor de aproximadamente un 80 por ciento.

20. El transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el polímero tiene un módulo de elasticidad de, como máximo, aproximadamente 100 MPa.

21. El transductor de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la superficie con textura comprende unos canales que tienen una anchura y una profundidad sustancialmente menores que el espesor del polímero.

22. El transductor de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 21, en el que la superficie con textura comprende unas crestas que tienen una anchura y una altura sustancialmente menores que el espesor del polímero.

23. El transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1.

2. 22, en el que la superficie no 15 uniforme comprende una superficie convertida en rugosa.

24. El transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el polímero tiene una máxima presión de accionamiento de entre aproximadamente 0, 05 MPa y aproximadamente 10 MPa, preferentemente de entre aproximadamente 0, 3 MPa y aproximadamente 3 MPa.

25. El transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el polímero tiene una

constante dieléctrica de entre aproximadamente 2 y aproximadamente 20 y, preferentemente, de entre aproximadamente 2, 5 y aproximadamente 12.

26. Procedimiento de fabricación de un transductor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende las etapas de:

a. deformar previamente de manera elástica una primera porción de un polímero para formar el polímero previamente deformado, y fijar una segunda porción del polímero previamente deformado a un miembro sólido y formar uno o más electrodos sobre el polímero previamente deformado.