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Electromechanical transducers based on elastomer capacitors are presently considered for many soft actuation applications, due to their large reversible deformation in response to electric field induced electrostatic pressure. The high operating voltage of such devices is currently a large drawback, hindering their use in applications such as biomedical devices and biomimetic robots, however, they could be improved with a careful design of their material properties. The main targets for improving their properties are increasing the relative permittivity of the active material, while maintaining high electric breakdown strength and low stiffness, which would lead to enhanced electrostatic storage ability and hence, reduced operating voltage. Improvement of the functional properties is possible through the use of nanocomposites. These exploit the high surface-to-volume ratio of the nanoscale filler, resulting in large effects on macroscale properties. This thesis explores several strategies for nanomaterials design. The resulting nanocomposites are fully characterized with respect to their electrical and mechanical properties, by use of dielectric spectroscopy, tensile mechanical analysis, and electric breakdown tests. First, nanocomposites consisting of high permittivity rutile TiO2 nanoparticles dispersed in thermoplastic block copolymer SEBS (poly-styrene-coethylene-co-butylene-co-styrene) are shown to exhibit permittivity increases of up to 3.7 times, leading to 5.6 times improvement in electrostatic energy density, but with a trade-off in mechanical properties (an 8-fold increase in stiffness). The variation in both electrical and mechanical properties still allows for electromechanical improvement, such that a 27 % reduction of the electric field is found compared to the pure elastomer. Second, it is shown that the use of nanofiller conductive particles (carbon black (CB)) can lead to a strong increase of relative permittivity through percolation, however, with detrimental side effects. These are due to localized enhancement of the electric field within the composite, which leads to sharp reductions in electric field strength. Hence, the increase in permittivity does not make up for the reduction in breakdown strength in relation to stored electrical energy, which may prohibit their practical use. Third, a completely new approach for increasing the relative permittivity and electrostatic energy density of a polymer based on 'molecular composites' is presented, relying on chemically grafting soft π-conjugated macromolecules to a flexible elastomer backbone. Polarization caused by charge displacement along the conjugated backbone is found to induce a large and controlled permittivity enhancement (470 % over the elastomer matrix), while chemical bonding, encapsulates the PANI chains manifesting in hardly any reduction in electric breakdown strength, and hence resulting in a large increase in stored electrostatic energy. This is shown to lead to an improvement in the sensitivity of the measured electromechanical response (83 % reduction of the driving electric field) as well as in the maximum actuation strain (250 %). These results represent a large step forward in the understanding of the strategies which can be employed to obtain high permittivity polymer materials with practical use for electro-elastomer actuation. / Die Palette von elektro-mechanischen Aktuatoren, basierend auf dem Prinzip weicher dehnbarer Kondensatoren, scheint besonders für Anwendungen in der Medizin und für biomimetische Applikationen unbegrenzt. Diese Wandler zeichnen sich sowohl durch hohe Reversibilität bei großer mechanischer Deformation als auch durch ihre Flexibilität aus, wobei die mechanischen Deformationen durch elektrische Felder induziert werden. Die Notwendigkeit von hoher elektrischer Spannung zur Erzeugung dieser mechanischen Deformationen verzögert jedoch die technisch einfache und breite Markteinführung dieser Technologie. Diesem Problem kann durch eine gezielte Materialmodifikation begegnet werden. Eine Modifikation hat das Ziel, die relative Permittivität zu erhöhen, wobei die Flexibilität und die hohe elektrische Durchbruchsfeldstärke beibehalten werden sollten. Durch eine Materialmodifikation kann die Energiedichte des Materials bedeutend erhöht und somit die notwendige Betriebsspannung des Aktuators herabgesetzt werden. Eine Verbesserung der funktionalen Materialeigenschaften kann durch die Verwendung von Nanokompositen erzielt werden, welche die fundamentalen Eigenschaften der Nanopartikel, d.h. ein gutes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen nutzen, um eine gezielte makroskopische Materialmodifikation zu bewirken. Diese Arbeit behandelt die Anwendung innovativer Strategien für die Erzeugung von Nanomaterialien mit hoher Permittivität. Die so erzeugten Materialien und deren relevante Aktuatorkenngrößen werden durch elektrische und mechanische Experimente vollständig erfasst. Mittels der klassischen Mischansätze zur Erzeugung von Kompositmaterialen mit hoher Permittivität konnte durch nichtleitendes Titaniumdioxid TiO2 (Rutile) in einem Thermoplastischen-Block-Co-Polymer SEBS (poly-styrene-co-ethylene-cobutylene-co-styrene) die Permittivität bereits um 370 % erhöht und die elektrische Energiedichte um 570 % gesteigert werden. Diese Veränderungen führten jedoch zu einem signifikanten Anstieg der Steifigkeit des Materials. Aufgrund der positiven Rückkopplung von elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Kompositmaterials ermöglicht bereits dieser einfache Ansatz eine Verbesserung der Aktuation, bei einer 27 %-igen Reduktion der Aktuatorbetriebsspannung. Eine direkte Verwendung von leitfähigen Nanopartikeln kann ebenso zu einem Anstieg der relativen Permittivität beitragen, wobei jedoch die Leitfähigkeit dieser Nanopartikel bedeutende Wechselwirkungen verursacht, welche somit die Energiedichte des Materials negativ beeinflusst und die praktische Verwendung dieses Kompositsystems ausschließt. Als ein völlig neuer Ansatz zur Steigerung der relativen Permittivität und Energiedichte und abweichend vom klassischen Mischverfahren, wird die Herstellung eines "Molekularen Komposits", basierend auf einem chemischen Propfverfahren, präsentiert. In diesem Ansatz wird ein π-konjugiertes leitfähiges Polymer (PANI) an die Hauptkette des Elastomers der Polymermatrix gebunden. Die daraus resultierende Ladungsverteilung entlang der Elastomerhauptkette bewirkt eine 470 %-ige Steigerung der Permittivität des "Molekularen Komposits" im Vergleich zur Permittivität des unbehandelten Elastomermaterials. Aufgrund der Verkapselung der chemischen Bindungen der PANI-Kette entstehen kaum negative Rückwirkungen auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des so erzeugten Komposits. Diese Materialeigenschaften resultieren in einem signifikanten Anstieg der Energiedichte des Materials. Das mittels dieses Verfahrens erzeugte Komposit zeigt sowohl eine Steigerung der Sensitivität der elektromechanischen Antwort (Reduktion des elektrischen Felds um 83 %) als auch eine bedeutende Steigerung der maximalen Aktuation (250 %). Die Ergebnisse und Ideen dieser Arbeit stellen einen wesentlichen Sprung im Verständnis zur Permittivitätssteigerung in Polymermaterialien dar und werden deshalb in der Erforschung und Entwicklung von Elastomeraktuatoren Beachtung finden.

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Elektroakustische Systeme wie Lautsprecher, die elektrische Signale in akustische Signale umwandeln, sind heute Eckpfeiler der Kommunikation. Von Mikrotreibern in Kopfhörern und Smartphones über Audiosysteme in Fahrzeugen und Wohnzimmern bis hin zu großen Beschallungsanlagen in öffentlichen Räumen, Kinos und Konzerten sowie zahlreichen technischen Anwendungen sind sie heute ein allgegenwärtiger Bestandteil des täglichen Lebens. Die gängigsten Lautsprechertechnologien basieren auf elektrodynamischen Wandlern. Seit der ersten Patentierung vor 145 Jahren wurden diese, die notwendige Leistungselektronik sowie die Methoden zur Auslegung und Systembeschreibung im Klein- und Großsignalbereich kontinuierlich weiterentwickelt. Die Forschung befasst sich aber auch ständig mit alternativen Technologien, die Vorteile gegenüber konventionellen Antrieben haben können. In diesem Zusammenhang haben dielektrische Elastomere (DE) in den letzten 25 Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Sie versprechen u.a. einen höheren Wirkungsgrad, neuartige Konstruktionen und eine erhebliche Gewichtsreduktion. Zudem können sie aus kostengünstigen Ausgangsmaterialien ohne den Einsatz von Seltenen Erden oder ferroelektrischen Materialien hergestellt werden, was die Abhängigkeit von Rohstoffimporten verringert und neue Anwendungsfelder eröffnet. Trotz sehr aktiver Forschung und Entwicklung bei Materialien, Design und Herstellung gibt es bisher nur wenige kommerziell verfügbare Aktuatoranwendungen. Eine grundlegende Voraussetzung für die Etablierung einer Technologie sind standardisierte und nachvollziehbare Methoden zur prädiktiven Systembeschreibung und zum rechnergestützten Systementwurf. Diese sind für DE in dynamischen Anwendungen noch nicht verfügbar. In dieser Arbeit wird die etablierte Entwurfsmethodik zur prädiktiven Beschreibung kleinsignaliger dynamischer Systeme mit elektromechanischen und akustischen Netzwerken auf dielektrische Elastomere erweitert. Das Kernelement ist die Ableitung der elektromechanischen Wandlermodelle für DE-Längs- und Dickenoszillatoren. Basierend auf dieser Systembeschreibung, werden Auslegungskriterien für DE-basierte Schallquellen aufgestellt. Der Fokus liegt dabei auf der praktischen Anwendbarkeit und der Generierung von technologischen Vorteilen gegenüber elektrodynamischen Wandlern. Aus diesen Kriterien werden neuartige Wandlerkonzepte in Form von rollenaktorgetriebenen Lautsprechermembranen und unimorphen Membranen entwickelt, analysiert und als Demonstratoren realisiert. Darüber hinaus wird die Leistungselektronik untersucht, auf deren Basis Schaltungen zur Durchführung messtechnischer Untersuchungen und zum Betrieb der Demonstratoren entwickelt und realisiert wurden. Ziel der Arbeit ist es, Anwendungsentwicklern mit der vorgestellten Entwurfsmethodik einen besseren Zugang zur Technologie zu ermöglichen und so zur Entwicklung von DE-basierten Schallquellen im Speziellen und dynamischen DE-Aktoren im Allgemeinen beizutragen.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of Dielectric Elastomers 5 3 Electromechanical Network Model of Dielectric Elastomers 9 3.1 Transducer Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1.1 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1.2 Simulative-experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Mechanical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.4 Determination of the Parameters at the Operating Point . . . . . . . . . 19 3.1.5 Electromechanical Transducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Electrical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3 Operating Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4 Power Electronics 37 4.1 Fundamental Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Alternative Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Adapted Circuit Designs for Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.2 Summing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Realization of Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Coupling Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.2 Branch to Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.3 Charging Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.4 Additional Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.5 Implemented Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5 Design of DE Loudspeakers 49 5.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.1 Membrane and Bubble-Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.2 Annular Membrane Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.1.3 Preformed Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1.4 Thickness Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.2 Fundamental Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3 Proposed Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6 DE-Roll Actuator based Loudspeaker Driver 61 6.1 Fundamentals of DERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Model Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.3.1 Fundamental Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.4 Construction and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.4.1 PolyPower Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 VTable of Contents 6.4.2 Elastosil Actuator Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.4.3 Overview of Manufactured Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.5 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.5.1 Static Function Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.5.2 Electrical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.5.3 Dynamic Electromechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.6 Electromechanical Test Results and Model Updating . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.7 Radial Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.8 Acoustic Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.8.1 Acoustic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.8.2 Selection of loudspeaker diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.8.3 Loudspeaker in Closed Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.8.4 Loudspeaker in Vented Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.8.5 Bending Wave Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.9 Acoustic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.10 Demonstrator Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.11 Considerations towards Large-Signal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7 Dielectric Elastomer Unimorph Membrane 115 7.1 Membrane Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.2 Model-based Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.3 Headphones demonstrator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.4 Measurements and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8 Summary and Outlook 129 Appendix 133 A ANSYS APDL simulation code for DE elementary cell model . . . . . . . . . . . . 136 B Additional comparisons of measurement and simulation data . . . . . . . . . . 138 / Electroacoustic systems such as loudspeakers, which convert electrical signals into acoustic signals, are nowadays cornerstones of communication. From microdrivers in headphones and smartphones, to audio systems in vehicles and living rooms, to large sound reinforcement systems in public spaces, cinemas and concerts, as well as numerous technical applications, they are nowadays a ubiquitous part of everyday life. The most common loudspeaker technologies are based on electrodynamic transducers. Since the first patent 145 years ago, they, the necessary power electronics as well as the methods for design and system description in the small- and large- signal range have been continuously developed. However, research is also constantly looking at alternative technologies that may have advantages over conventional drives. In this context, dielectric elastomers (DE) have gained increasing attention over the past 25 years. They promise, among other things, higher efficiency, novel designs and considerable weight reduction. Moreover, they can be manufactured from inexpensive starting materials without the use of rare-earths elements or ferroelectric materials, which reduces the dependence on raw materials imports and opens up new fields of application. Despite very active research and development of materials, designs and fabrication, there are only few commercially available actuator applications so far. A fundamental requirement for the establishment of a technology are standardized and comprehensible methods for predictive system description and for computer-aided system design. These are not yet available for DE in dynamic applications. In this work, the established design methodology for the predictive description of smallsignal dynamic systems using electromechanical and acoustic networks is being extended to dielectric elastomers. The core element is the derivation of the electromechanical transducer models for DE longitudinal and thickness oszillators. Based on this system description, design criteria for DE based sound sources are established. The focus lies on practical applicability and the generation of technological advantages compared to electrodynamic transducers. From these criteria, novel transducer concepts in the form of roll actuator driven loudspeaker diaphragms and unimorph membranes are developed, analyzed and realized as demonstrators. In addition, the power electronics are examined, on the basis of which circuits for carrying out metrological investigations and for operating the demonstrators were developed and implemented. The goal of the work is to provide application developers with better access to the technology using the presented design methodology and thus contribute to the development of DE-based sound sources in particular and dynamic DE actuators in general.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of Dielectric Elastomers 5 3 Electromechanical Network Model of Dielectric Elastomers 9 3.1 Transducer Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.1.1 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1.2 Simulative-experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1.3 Mechanical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.4 Determination of the Parameters at the Operating Point . . . . . . . . . 19 3.1.5 Electromechanical Transducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Electrical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3 Operating Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4 Power Electronics 37 4.1 Fundamental Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Alternative Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2.1 Adapted Circuit Designs for Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.2.2 Summing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3 Realization of Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3.1 Coupling Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3.2 Branch to Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.3.3 Charging Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.4 Additional Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3.5 Implemented Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5 Design of DE Loudspeakers 49 5.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.1 Membrane and Bubble-Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.1.2 Annular Membrane Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.1.3 Preformed Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.1.4 Thickness Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.2 Fundamental Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.3 Proposed Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6 DE-Roll Actuator based Loudspeaker Driver 61 6.1 Fundamentals of DERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3 Model Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.3.1 Fundamental Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.4 Construction and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.4.1 PolyPower Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 VTable of Contents 6.4.2 Elastosil Actuator Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.4.3 Overview of Manufactured Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.5 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.5.1 Static Function Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.5.2 Electrical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.5.3 Dynamic Electromechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.6 Electromechanical Test Results and Model Updating . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.7 Radial Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.8 Acoustic Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.8.1 Acoustic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.8.2 Selection of loudspeaker diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.8.3 Loudspeaker in Closed Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 6.8.4 Loudspeaker in Vented Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6.8.5 Bending Wave Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.9 Acoustic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.10 Demonstrator Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.11 Considerations towards Large-Signal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7 Dielectric Elastomer Unimorph Membrane 115 7.1 Membrane Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.2 Model-based Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.3 Headphones demonstrator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.4 Measurements and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 8 Summary and Outlook 129 Appendix 133 A ANSYS APDL simulation code for DE elementary cell model . . . . . . . . . . . . 136 B Additional comparisons of measurement and simulation data . . . . . . . . . . 138

Im Bereich der Werkzeugmaschinen können Identifikationsmethoden zur Realisierung einer ressourceneffizienten Produktion durch Überwachung prozessrelevanter Parameter beitragen. Aufgrund der hierarchischen Trennung moderner Steuerungssysteme bildet deren konzeptionelle Gestaltung und Implementierung am Beispiel einer nichtinvasiven Identifikationsroutine an einer Werkzeugmaschine den Kern der vorliegenden Arbeit. Das Ziel besteht darin, eine autonome Anwendung zur Integration unterschiedlicher Überwachungsmechanismen zu entwickeln und durch exemplarische Integration einer Parameteridentifikation zu validieren. Im Anschluss an die theoretischen Vorbetrachtungen werden deshalb zunächst verschiedene konzeptionelle Entwürfe zur Integration des Identifikationsverfahrens an einer Werkzeugmaschine diskutiert und anhand definierter Bewertungskriterien klassifiziert. Die Auswahl eines geeigneten Konzeptes unter Berücksichtigung eines Bewertungsindex sowie eine beispielhafte Implementierung bilden die Grundlage für den experimentellen Funktionsnachweis. / In the field of machine tools, identification methods can contribute to the realization of a resource-efficient production by monitoring of process-relevant parameters. Due to the hierarchical separation of modern control systems, their conceptual design and implementation using the example of a non-invasive identification routine on a machine tool forms the main aspect of the master thesis. The goal is to develop an autonomous application for different monitoring mechanisms and its validation through an exemplary parameter identification. Following the theoretical previews different conceptual designs are discussed and classified according to defined evaluation criteria. The selection of an appropriate concept under consideration of an evaluation index and its exemplary implementation are the basis for the experimental functional verification.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines mikromechanischen kraftgekoppelten Schwingsystems für die resonante Detektion niederfrequenter Schwingungen. Es wird ein neuartiges Prinzip vorgestellt, das es ermöglicht, niederfrequente Vibrationen frequenzselektiv zu erfassen. Mittels Amplitudenmodulation wird das niederfrequente Signal in einen höheren Frequenzbereich umgesetzt. Durch Ausnutzung der mechanischen Resonanzüberhöhung wird aus dem breitbandigen Signal ein schmales Band herausgefiltert, die anderen Frequenzbereiche werden unterdrückt. Auf diese Weise wird direkt die spektrale Information des niederfrequenten Signals gewonnen. Eine Fourier-Transformation ist hierbei nicht notwendig. Die Abstimmung des Sensors erfolgt über eine Wechselspannung und führt dadurch zu einer einfachen Auswertung. Die Schwerpunkte der Arbeit liegen in den theoretischen Untersuchungen zum neuartigen Sensorprinzip, in der Entwicklung einer mikromechanischen Sensorstruktur zum Einsatz des neuen Prinzips sowie in der Entwicklung und Charakterisierung eines Messsystems zur Detektion niederfrequenter mechanischer Schwingungen mit dem neuen Sensor. / This thesis describes the development and characterization of a micromechanical force coupled oscillator system for the resonant detection of low frequency vibrations. It presents a novel working principle that enables spectral measurements of low frequency vibrations. The low frequency spectral content is converted into a higher frequency range by means of amplitude modulation. Due to the mechanical resonance a narrow band is filtered out of the wide band vibration signal. The remaining frequency content is suppressed. Hence, the spectral information is directly obtained with the sensor system without a fast Fourier transform. The tuning is done with an AC voltage resulting in a simple analysis. The main focuses of the work are the theoretical analysis of this novel sensor principle, the development of the micromechanical sensor structure for the use of the novel principle as well as the development and characterization of a measurement system for the spectral detection of low frequency mechanical vibrations with the developed sensor system.

Die mikromechanische Gleichspannungswandlung basierend auf verschiebungsabhängigen Kapazitäten stellt eine Alternative zu etablierten rein elektronischen Wandlern für den Spezialfall der kapazitiven oder piezoelektrischen Verbraucher dar. Durch ihre kleine Bauform und den Verzicht auf Induktivitäten bietet sie den Vorteil der On-Chip-MEMS- und CMOS-Integration und ermöglicht die Bereitstellung hoher elektrischer Gleichspannungen aus den verfügbaren Grundspannungen der Elektronik (z. B. 3, 5 bzw. 12 V). Von hohen Polarisationsspannungen profitieren nicht nur kapazitive Sensoren und Aktoren, sondern auch piezoelektrische Messverfahren. Diese Arbeit stellt eine umfangreiche Übersicht und Bewertung der möglichen Bauformen mikromechanischer Gleichspannungswandler sowie die konkrete Umsetzung, Charakterisierung und Modellbildung eines resonant arbeitenden Wandlers vor. Es wird auf Besonderheiten und Probleme im Entwurf eingegangen und ausgehend von den Ergebnissen ein Konzeptentwurf für einen optimierten resonanten Gleichspannungswandler erarbeitet.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 3 Ausführungsvarianten von MEMS-DC/DC-Wandlern 4 Designstudie und Umsetzung des resonanten Funktionsprinzips 5 Zusammenfassung und Ausblick / Micromechanical DC/DC conversion based on variable capacitances is an alternative to established electronic voltage converters, which does not require bulky inductors and is suitable for capacitive and piezoelectric loads. The converters are capable of boosting up the polarization voltage from CMOS and electronic levels (3, 5, 12 V), which is beneficial not only for capacitive sensors and actuators but also for piezoelectric sensing. Advantages of this method are the on-chip- and CMOS-integrability. This thesis introduces a comprehensive overview and evaluation of possible designs as well as the practical application, characterization and modeling of a resonant micromechanical DC/DC converter. Innovative claims include a test board for the characterization of resonant DC/DC converters and a SPICE behavioral model of the device, considering parasitic effects. Characteristics and problems of the design are discussed and the results are used to demonstrate an optimized conceptual design of a resonant DC/DC converter.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 3 Ausführungsvarianten von MEMS-DC/DC-Wandlern 4 Designstudie und Umsetzung des resonanten Funktionsprinzips 5 Zusammenfassung und Ausblick

Im Bereich der Werkzeugmaschinen können Identifikationsmethoden zur Realisierung einer ressourceneffizienten Produktion durch Überwachung prozessrelevanter Parameter beitragen. Aufgrund der hierarchischen Trennung moderner Steuerungssysteme bildet deren konzeptionelle Gestaltung und Implementierung am Beispiel einer nichtinvasiven Identifikationsroutine an einer Werkzeugmaschine den Kern der vorliegenden Arbeit. Das Ziel besteht darin, eine autonome Anwendung zur Integration unterschiedlicher Überwachungsmechanismen zu entwickeln und durch exemplarische Integration einer Parameteridentifikation zu validieren. Im Anschluss an die theoretischen Vorbetrachtungen werden deshalb zunächst verschiedene konzeptionelle Entwürfe zur Integration des Identifikationsverfahrens an einer Werkzeugmaschine diskutiert und anhand definierter Bewertungskriterien klassifiziert. Die Auswahl eines geeigneten Konzeptes unter Berücksichtigung eines Bewertungsindex sowie eine beispielhafte Implementierung bilden die Grundlage für den experimentellen Funktionsnachweis.:I Bibliografische Beschreibung und Kurzreferat II Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis IV Verzeichnis der Formelzeichen VIII V Verzeichnis der Abkürzungen XI 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Steuerungs- und Antriebstechnik von Werkzeugmaschinen 2.1.1 CNC-Steuerung 2.1.2 Antriebstechnik 2.1.3 Vorschubachse 2.1.4 Informationskopplung 2.2 Parameteridentifikation an elektromechanischen Achsen 2.3 Verfahren zur nichtinvasiven Identifikation von Regelstreckenparametern 2.3.1 Verwendetes Parameterschätzverfahren 2.3.2 Modularer Aufbau des Identifikationsverfahrens 3 Zielstellung der Arbeit 4 Konzeptionelle Gestaltung der Identifikationsroutine 4.1 Randbedingungen beteiligter Steuerungskomponenten 4.2 Varianten zur Integration der Module 4.3 Kombination der Module zum Gesamtverfahren 4.4 Vergleichende Betrachtungen und Auswahl eines Konzeptes 5 Implementierung einer autonomen, nichtinvasiven Identifikationsroutine an Werkzeugmaschinen 5.1 Maschinenseitige Anpassungen 5.2 Auswahl einer Kommunikationsschnittstelle 5.3 Rechnerseitige Anpassungen 5.3.1 Konfigurations-Datei 5.3.2 Ablaufsteuerung 5.3.3 Weitere Anpassungen 6 Validierung und experimentelle Ergebnisse 6.1 Beschreibung der Versuchsanordnung 6.2 Experimentelle Ergebnisse 6.2.1 Validierung der Programmroutinen 6.2.2 Bewertung der Identifikationsergebnisse 6.2.3 Fazit 7 Zusammenfassung und Ausblick VI Literaturverzeichnis VII Anlagen Anlage A: Formelwerk RMKQ am Beispiel einer Modellschätzung mit 3 Parametern Anlage B: Dominanzmatrix des paarweisen Vergleichs Anlage C: Aufbau der Konfigurations-Datei Anlage D: Gegenüberstellung der Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Validierung der Programmroutinen Anlage E: Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Bewertung der Identifikationsergebnisse / In the field of machine tools, identification methods can contribute to the realization of a resource-efficient production by monitoring of process-relevant parameters. Due to the hierarchical separation of modern control systems, their conceptual design and implementation using the example of a non-invasive identification routine on a machine tool forms the main aspect of the master thesis. The goal is to develop an autonomous application for different monitoring mechanisms and its validation through an exemplary parameter identification. Following the theoretical previews different conceptual designs are discussed and classified according to defined evaluation criteria. The selection of an appropriate concept under consideration of an evaluation index and its exemplary implementation are the basis for the experimental functional verification.:I Bibliografische Beschreibung und Kurzreferat II Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis IV Verzeichnis der Formelzeichen VIII V Verzeichnis der Abkürzungen XI 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Steuerungs- und Antriebstechnik von Werkzeugmaschinen 2.1.1 CNC-Steuerung 2.1.2 Antriebstechnik 2.1.3 Vorschubachse 2.1.4 Informationskopplung 2.2 Parameteridentifikation an elektromechanischen Achsen 2.3 Verfahren zur nichtinvasiven Identifikation von Regelstreckenparametern 2.3.1 Verwendetes Parameterschätzverfahren 2.3.2 Modularer Aufbau des Identifikationsverfahrens 3 Zielstellung der Arbeit 4 Konzeptionelle Gestaltung der Identifikationsroutine 4.1 Randbedingungen beteiligter Steuerungskomponenten 4.2 Varianten zur Integration der Module 4.3 Kombination der Module zum Gesamtverfahren 4.4 Vergleichende Betrachtungen und Auswahl eines Konzeptes 5 Implementierung einer autonomen, nichtinvasiven Identifikationsroutine an Werkzeugmaschinen 5.1 Maschinenseitige Anpassungen 5.2 Auswahl einer Kommunikationsschnittstelle 5.3 Rechnerseitige Anpassungen 5.3.1 Konfigurations-Datei 5.3.2 Ablaufsteuerung 5.3.3 Weitere Anpassungen 6 Validierung und experimentelle Ergebnisse 6.1 Beschreibung der Versuchsanordnung 6.2 Experimentelle Ergebnisse 6.2.1 Validierung der Programmroutinen 6.2.2 Bewertung der Identifikationsergebnisse 6.2.3 Fazit 7 Zusammenfassung und Ausblick VI Literaturverzeichnis VII Anlagen Anlage A: Formelwerk RMKQ am Beispiel einer Modellschätzung mit 3 Parametern Anlage B: Dominanzmatrix des paarweisen Vergleichs Anlage C: Aufbau der Konfigurations-Datei Anlage D: Gegenüberstellung der Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Validierung der Programmroutinen Anlage E: Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Bewertung der Identifikationsergebnisse

Ahnak ist ein ubiquitäres Protein, das an einer Vielzahl biologischer Prozesse beteiligt ist. In der Herzmuskelzelle ist Ahnak überwiegend am Sarkolemma lokalisiert und bindet an Aktin und an die regulatorischen Beta2-Untereinheit des L-Typ-Kalzium-Kanals. Das Ziel dieser Arbeit war die Funktion von Ahnak im Herzen mit Hilfe eines Knock-out-Maus-Modells und in Bindungsstudien zu untersuchen. Morphologische Untersuchungen zeigten, dass das Längenwachstum adulter Kardiomyozyten bei Ahnakdefizienz signifikant reduziert war. Die Kontraktionseigenschaften adulter isolierter Ahnak-defizienter Kardio-myozyten (im Alter von 6 Monaten) waren ebenfalls verändert. Die Kontraktions- und Relaxaktionsgeschwindigkeiten waren erhöht. Eine Erhöhung des diastolischen Kalzium-Spiegels zeigten die Kardiomyozyten schon im Alter von 3 Monaten. Diese beobachteten phänotypischen Veränderungen lassen vermuten, dass die Aktivität des L-Typ-Kalzium-Kanals erhöht ist. In dieser Arbeit konnte das PXXP-Motiv, in der C-terminalen Ahnak-Domäne, als die hochaffine Beta2-Bindungsstelle (KD ~ 60 nM) identifiziert werden. Substitution von Prolin gegen Alanin verringerte zwar die Bindung zur Beta2-Untereinheit dramatisch (KD ~ 1 µM), hob sie aber nicht auf. In weiteren Bindungsstudien zeigte sich, dass die natürlich vorkommende Missensmutation I5236T die Bindung zur regulatorischen Beta2-Untereinheit verstärkte, dagegen verminderte die PKA-abhängige Phosphorylierung der beiden Proteinpartner die Bindung. Experimente am ganzen isoliert perfundierten Herzen zeigten, dass Ahnak-Knock-Out-Herzen geringer Beta-adrenerg stimulierbar waren. Ahnak scheint wie eine physiologische Bremse des kardialen Kalzium-Kanals zu wirken. / Ahnak is an ubiquitous protein with in unique structure, which has been implicated in cell type specific functions. In cardiomyocytes, ahnak is predominantly localized at the sarcolemma and is associated with actin and with the regulatory beta2 subunit of the L-type calcium-channel. The aim of this work was to unravel the function of ahnak in the heart, using a knock-out-mouse model and binding studies. Morphological studies showed a significant decrease in the cell-length of ahnak deficient cardiomyocytes. The contractile parameters of isolated adult ahnak deficient cardiomyocytes (in the age of 6 month) were altered. The development of tension and relaxation were increased. An increase of diastolic calcium was already observed at the age of 3 month. In general the observed phenotypic changes suggested an increased activity of the L-type calcium-channel. In this study, a PXXP-motif, which locates in ahnaks C-terminus, was identified as the high affinity beta2 subunit binding site (KD ~ 60 nM). Substitution of both proline residues by alanine reduced, but did not abolish the binding (KD ~ 1 µM). Further binding studies revealed that the natural occurring ahnak missense mutation I5236T increases the binding affinity to the regulatory beta2 subunit. By contrast PKA dependant phosphorylation of both protein partners decreases the interaction. In studies with isolated perfused working heart preparations, the ahnak deficient hearts were less beta-adrenergic stimulated than hearts from wild type. Taken together ahnak seems to be a physiological brake of the cardiac calcium-channel.