CN105229809A - 用于生产多层机电换能器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产至少一个多层机电换能器(44)的方法，具有步骤：设置至少一个电介质弹性体箔(10,16,22,30,46)；在一个施加步骤中，将至少一个电极层(12,18,20,24,26,28,42)施加到所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的至少一个第一部分(16.1,16.4,22.1)上；将所述弹性体箔(10,16,22,30,46)布置在一个折叠设备(2)的接收表面(4)上，其中所述折叠设备(2)具有第一板(2.1)和一个第二板(2.2)；将所述弹性体箔(10,16,22,30,46)固定在所述接收表面(4)上；以及在一个折叠步骤中，通过使所述第一板(2.1)相对于所述第二板(2.2)折叠使得所述电极层(12,18,20,24,26,28,42)被布置在所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的第一部分(16.1,16.4,22.1)和所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的第二部分(16.2,16.3,22.3)之间，来将所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的第一部分(16.1,16.4,22.1)折叠到所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的另一部分(16.2,16.3,22.3)上。

Description

用于生产多层机电换能器的方法

本发明涉及一种用于生产多层机电换能器的方法，一种机电换能器，一种包括所述机电换能器的部件，一种所述机电换能器的用途以及一种用于生产该机电换能器的设备。

机电换能器将电能转换成机械能且反之亦然。它们可以被用作传感器、致动器和/或发生器组成部分。

这样的换能器的基本构造由电活性聚合物(EAP)组成。构造原理和作用方式类似于电容器的构造原理和作用方式。电介质存在于施加有电压的两个导电板(换言之，电极)之间。然而，EAP是一种可扩展的电介质，其根据电场变形。更具体地，它们是电介质弹性体，该电介质弹性体通常是箔形式的(DEAP：电介质电活性聚合物)，其具有高电阻率且在两侧上涂敷有可扩展的高电导率电极(电极)，例如，如在WO01/006575中所描述的。此基本构造可以被用在用于生产传感器、致动器或发生器的多种不同配置中。除了单层构造，多层机电换能器也是已知的。

根据应用(诸如，致动器、传感器和/或发生器)，作为这样的换能器系统中的弹性电介质的电活性聚合物具有不同的电学性能和机械性能。

它们共有的电学性能是电介质的内部电阻高、电介质强度高、电极的电导率高和在应用的频率范围内介电常数高。这些性能允许大量电能在填充有电活性聚合物的体积中的长期存储。

共有的机械性能是足够高的断裂伸长率、低永久伸长率以及足够高的压缩/拉伸强度。在不对能量换能器造成机械损害的情况下，这些性能确保足够高的弹性变形性。

对于在“张力”下操作(即，在操作期间经受张力应力)的机电换能器，特别重要的是，这些弹性体不具有任何永久伸长率。尤其，不应出现流动或“蠕变”，因为否则在一定数目的伸长周期之后，不再存在任何机械回复力，且因此不再存在任何电活性效果。因此，在机械负荷下，弹性体不应显示任何应力松弛。

用于张力模式中的机电换能器，需要具有高可逆可扩展性、具有高断裂伸长率和低弹性拉伸模量的弹性体。对于这样的机电换能器，从文献中已知的是，可扩展性与介电常数以及所施加的电压成正比，并且与模量成反比，根据等式用相对介电常数ε_r、绝对介电常数ε₀、硬度Y、和箔厚度d及电压U显示伸长率s_z：

$s_z=\frac{{\mathrm{\σ}}_{Maxwell}}{Y}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r}{Y}{\left(\frac{U}{d}\right)}^2$

最大可能电压进而取决于击穿强度。在此，若击穿强度低，则仅可以施加低电压。因为电压值的平方被输入该等式用于计算由电极的静电吸引所引起的扩展，击穿强度优选地相应高。

为此，可以在FedericoCarpi的书中DielectricElastomersasElectromechanicalTransducers，Elsevier，第314页,等式30.1和同样地亦在R.Pelrine,Science287,5454,2000,第837页,等式2中找到现有技术已知的等式。来自以上段落的等式阐明用于电介质弹性体致动器的操作的一个非常重要的性能：在相同电场强度的前提下，层厚度d越低，致动器的操作电压越小。然而，同时，厚度方向上可能的绝对变形幅度也随着层厚度下降。

在1997年的早期出版物中PELRINE等人已经示出了解决此问题的一种方法类似于压电堆叠致动器,各个层可以被堆叠成一个在另一个之上[R.E.PELRINE,R.KORNBLUH,J.P.JOSEPH和S.CHIBA.“Electrostrictionofpolymerfilmsformicroactuators”，在:MicroElectroMechanicalSystems,1997中。MEMS’97,Proceedings,IEEE.,TenthAnnualInternationalWorkshopon(1997),第238–243页.]。在电气方面，这些层并联电连接，意味着尽管操作电压U低，但在每个层上存在相对高的场强度E。在机械方面,与之相比,致动器层串联连接；各个变形累积。由PELRINE等人展示的堆叠具有四层电介质和电极且该堆叠是手动生产的。电极层优选地具有一种特定结构，该特定结构是通过喷涂罩板、喷墨印刷和/或在丝网印刷的情况下的丝网实现的。

如果涂敷有电极层的弹性体箔被卷起，可以实现类似的效果。在此情况下，在施加的电场的方向上不再使用变形力，而是与施加的电场的方向成直角。其两个原理是已知的：

DanfossPolypower公司使用波纹EAP材料构造无芯辊式致动器[Tryson,M.,Kiil,H.-E.,Benslimane,M.:Powerfultubularcorefreedielectricelectroactivatepolymer(DEAP)‘PUSH’actuator；ElectroactivePolymerActuatorsandDevices(EAPAD),Proc.ofSPIEVol.7287,2009.]；在EMPA[Zhang,R.,Lochmatter,P.,Kunz,A.,Kovacs,G.:SpringRollDielectricElastomerActuatorsforaPortableForceFeedbackGlove；SmartStructuresandMaterials,Proc.ofSPIEVol.6168,2006.]在集成螺旋形弹簧的帮助下给EAP材料预加应力。在最后原理情况下的一个缺点是对EAP材料中的机械缺陷的高易感性。在无芯致动器的情况下致动器效果仅仅可归因于在圆周方向上硬性的电极。

在所有方法的情况下生产堆叠致动器或多层机电换能器中的巨大挑战是，多个电介质层和电极层的完美且无污染的堆叠。CARPI等人认定一个管的切开作为此问题的解决方案。电介质是硅树脂管的形式。以螺旋方式切开此管，然后用导电材料覆盖切割面，且然后这些切割面充当电极[F.CARPI,A.MIGLIORE,G.SERRA和D.DEROSSI.“Helicaldielectricelastomeractuators”,在:SmartMaterialsandStructures14.6(2005),第1210–1216页中]。

CHUC等人提出了一种自动化方法，所述方法在原则上基于根据CARPI的折叠[N.H.CHUC,J.K.PARK,D.V.THUY,H.S.KIM,J.C.KOO等“Multi-stackedartificialmuscleactuatorbasedonsyntheticelastomer”.在:Proceedingsofthe2007IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystemsSanDiego,CA,USA,Oct29-Nov2,2007(2007),第771页中]。然而电介质箔在此每个均仅被折叠一次。CARPI等人的堆叠致动器和CHUC等人的堆叠致动器未被设计成吸收拉伸力。因为静电力仅从外侧到达相邻电极的外侧，所以存在堆叠致动器脱层的风险，因为没有力存在于所述电极内。KOVACS和开发了一种用于生产极其薄的炭黑层的技术。从而生产的电极应仅由一层主要颗粒构成。这样的单层针对两个相邻电极产生静电力，且因此还能够吸收拉伸力[G.KOVACS和L.]“ContractivetensionforcestackactuatorbasedonsoftdielectricEAP".在:ElectroactivePolymerActuatorsandDevices(EAPAD)2009中.由Y.BAR-COHEN和T.WALLMERSPERGER出版.vol.7287.1.SanDiego,CA,USA:SPIE,2009,72870A–15.]。

CARPI等人、CHUC等人以及KOVACS和迄今为止提出的堆叠致动器概念的一个共同特征是，它们被设计为具有大偏移量且用于生成高的力的致动设备。在这两个基本配置中，基于3D多层结构的堆叠致动器允许电气输入能量最有效率地转换成机械功，这是因为由此构造结构实现的电场和扩展方向之间的平行。同样可以在DE102008002495中找到对折叠过程的描述。存在的一个缺点是，电极层从开始到结束是平坦的，且因此必须具有非常高的电导率。各层也必须精确地放置成一个在另一个之上，在层数较高的情况下，在此类型的折叠过程中，将各层精确地放置成一个在另一个之上变得越来越困难。在多层换能器的折叠边缘处出现的卷边形式的边缘区域是造成困难的原因之一。

可以在扩展、张力和挠曲下操作多层致动器或多层换能器。还已知的是致动器可以附加地配备有一个回复弹簧。

然而，根据现有技术的换能器具有三个主要缺点，其可归因于不够适合的弹性体、不充分的工业制造技术和不充分的的长期稳定性。提及的所有方法的缺点是，所述层(电极层和弹性体层)仅弱地粘附至彼此且在该过程中结构化的电极段的连续的、精确配合地接合或可能是仅非常慢且因此是非生产性的，或导致作用表面的严重移位。因为高偏移量需要高数目的层，该过程必须能够将它们几乎完美地堆叠成一个在另一个之上。

现有技术的另一个缺点是，在所描述的情况下，在一个附加步骤中不得不将结构化的电极施加在堆叠的层之间，或直接施加到大面积上。在第一种情况下，其无法精确定位堆叠，附加的过程步骤是必须的。在后一种情况下，电极区域如此大使得需要极其高的电导率。尽管这在技术上是可能的，但是在涉及扩展、张力或挠曲的几个加载周期之后，这样的电极非常迅速地失去它们的电导率。提及的方法的另一个缺点是，非聚氨酯基的溶液形成一个非常弱的且非粘附的层复合结构。所述层不是单片构造的。因此，通常在不到100个加载周期之后所述层可以被拆开，即，层出现脱层，或然后形成的边界层防止静电吸引的产生。这样的用于聚氨酯方法仍是未知的。尤其，需要开发一种不存在脱层和层的分离的高速工业堆叠过程以及开发确保高长期稳定性的小的、结构化电极区域。

上文提及的现有技术的方法均不适合于无脱层且完美的堆叠，因为不存在或不可能有强粘附或甚至单片层结构。也未以连续或重复的过程生产所述系统。

未公开的专利申请EP12174858.6描述了一种方法，其中使刚生产的聚氨酯箔直接依次与电极层反应且再重复地与聚氨酯层等直接反应，以生产堆叠致动器。

现有技术的一个缺点是，如在未公开的专利申请EP12173770.4中所描述的聚氨酯箔的实质上更便宜且更快速的辊对辊生产是不可用的。另一个缺点是，这是一个化学过程，其中各层的反应未持续达100％转换。粘附是通过层的不完全反应实现的，且因此在所有步骤中也必须通过抽吸移除挥发性、有毒的异氰酸酯。因此，目的是开发一种方法，其中生产电介质的化学过程和(如果需要的话)生产电极层的化学过程与机械堆叠步骤分开。

现有技术中所描述的所有方法的一个缺点是，不能在弹性体基础上生产多层机电换能器，因为尽管以举例的辊对辊方法分开生产的弹性体箔可以使用辊对辊方法通过缠绕而被快速接合至彼此和/或可以通过自动堆叠而被接合至彼此，但是层彼此之间不具有足够强的粘附且脱层。

例如，对于硅树脂箔，一种替代可能性将是将层粘合至彼此。然而，此方法的一个缺点是，粘合步骤是一个附加的过程步骤，通常之后是干燥。在此另一个缺点是，一个具有不同性能的附加边界层形成在层之间。如以前，未解决各层一个在另一个之上的精确接合。

在现有技术中，导致致动器效果(即，扩展)显著增加的弹性体层的预拉伸迄今为止已完全由IPN技术实现。不利的是，这进而涉及一个应被避免的耗时化学过程。本发明的目的旨在确保箔的预拉伸是可能的。

当前可用的制造方法通常仅被设计成用于制造单个换能器(诸如，堆叠致动器)，这将导致相当多的制造时间。因此，需要一种允许同时创建多个换能器的并行化制造方法。

如果电极涂敷的弹性体箔的制造过程与机电换能器的生产隔离，则然后在非常柔软的箔的堆叠期间不可避免的公差会导致可能的电击穿(缩短的爬电距离)，导致不希望的弯曲力矩(其被不利地叠加在实际期望的致动器效果上)，以及导致不能创建各个致动器箔的接触。

尽可能引入到刚性结构(参见多级彩色印刷方法)中的适当的配准标记旨在做出化学制造和机械制造之间的界面，使得确保弹性体箔的精确定位和堆叠。如果仅在机械堆叠过程期间施加电极，则必须施加光学配准标记，或必须在“一个设定”中执行电极涂敷和堆叠的方法步骤。

因此，本发明所基于的目的是提供一种用于生产机电换能器的方法，该机电换能器至少部分减少上述缺点且尤其允许具有较低制造时间和较低缺陷率的改进的生产。

根据本发明的第一方面，通过根据权利要求1所述的方法实现上文引出和提出的目的。用于生产至少一个多层机电换能器的方法包括：

-设置至少一个电介质弹性体箔，

-在一个施加步骤中，将至少一个电极层施加到该弹性体箔的至少一个第一部分，

-将该弹性体箔布置在一个折叠设备的接收表面上，其中该折叠设备具有第一板和至少一个第二板，

-将该弹性体箔固定在该接收表面上，以及

-在一个折叠步骤中，通过使该第一板相对于该第二板折叠使得该电极层被布置在该弹性体箔的第一部分和该弹性体箔的第二部分之间，来将该弹性体箔的第一部分折叠到该弹性体箔的另一部分上，

-堆叠多个折叠的弹性体箔以增加该机电换能器的总体高度。

与现有技术相对比，根据本发明的教导，提供了一种用低制造时间生产多层机电换能器的改进的方法。通过以容易的方式(尤其借助于特定折叠设备)执行弹性体箔的固定和弹性体箔的折叠，可以通过将多个电介质层和电极层精确配准地放置成一个在另一个之上，(几乎)完美地且无污染地生产多层机电换能器。尤其，可以进行多层机电换能器的工业制造。

首先，设置至少一个电介质弹性体箔或弹性体层。电介质弹性体层优选地具有相对高的介电常数。此外，电介质弹性体层优选地具有高机械硬度。电介质弹性体层尤其可以用于致动器应用。然而，电介质弹性体层同样适合于传感器应用或发生器应用。

此外，电介质弹性体箔可以优选地包括例如选自合成弹性体组的材料，该合成弹性体组包括聚氨酯弹性体、硅树脂弹性体、丙烯酸酯弹性体(例如，乙烯醋酸乙烯酯)、氟橡胶、未硫化橡胶、硫化橡胶、聚氨酯、聚丁二烯、腈基丁二烯橡胶(NBR)或异戊二烯和/或聚偏二氟乙烯。优选地是使用聚氨酯弹性体。

设置的弹性体箔具有至少一个第一部分和另一个或第二部分。例如，弹性体箔可以被基本上分成相同尺寸的两部分。在一个施加步骤中，将至少一个电极层至少施加到第一部分，尤其施加到该第一部分的至少上侧。还可以在两侧上进行施加。

电极层(换言之导电层)可以优选地是由选自包括金属、金属合金、导电低聚物或导电聚合物、导电氧化物、导电填料和/或填充有导电填料的聚合物的组中的材料形成的。特别合适的材料是碳基材料或基于金属(例如，银、铜、铝、金、镍、锌或其他导电金属和材料)的材料。优选地，可以以盐、溶液、分散体、乳液或前体的形式施加金属。粘附剂可以被调整为使得序列中的层粘附至彼此。

在施加电极层之后或已经在施加电极层之前，弹性体箔可以被布置在折叠设备的一个接收表面上。该折叠设备具有板形式。尤其，该折叠设备具有至少两个板。

根据一个优选的实施方案，第一板可以被可移动地连接到第二板。第一板和第二板尤其可以通过铰接设备被连接。

所述两个板优选地通过至少一个铰接设备可移动地连接至彼此。尤其，所述两个板可以连接至彼此，使得在初始位置，所述两个板形成一个(水平)平面，在结束位置，第一板平放在第二板上(或反之亦然)。第一板具有第一局部接收表面且第二板具有第二局部接收表面。如果仅有两个板，则第一局部接收表面和第二局部接收表面形成该折叠设备的接收表面。

不言而喻，折叠设备可以具有不止两个板，其中另一些板例如通过铰接设备被连接到至少一个另外的板且能够具有局部接收表面。作为铰接设备的替代方案或除了铰接设备之外，例如，还可以使用带连接件。

接收表面被设计成用于固定(尤其是可逆地固定)电介质弹性体箔。尤其，接收表面(例如，多孔塑料(例如，基于聚四氟乙烯))可以被设计成用于产生负压(例如，真空)，以将布置在该接收表面上的弹性体箔固定在折叠设备上。例如，可以在该接收表面上设置可以产生负压的凹入部。可以以分段方式设置这些凹入部以用于选择性固定。该固定可以是使得弹性体箔的第一部分被固定在第一局部接收表面上且弹性体箔的至少一个另外的部分被固定在第二局部接收表面上。通过(优选地通过负压)执行该箔的固定，该弹性体箔可以被(几乎)无褶皱地被固定且随后被折叠。该折叠设备的区别尤其在于甚至具有小的层厚度的弹性体箔可以被可靠地且(几乎)无褶皱地固定。弹性体箔或弹性体膜具有的层厚度可以是0.1μm到1000μm，优选地1μm到500μm，特别优选地5μm到200μm且最特别优选地10μm到100μm。弹性体箔可以被形成为单层。弹性体箔可以优选地具有多层形式。尤其，弹性体箔可以具有双层形式。多层形式允许消除可能的缺陷。

在将弹性体箔固定在至少两个板的接收表面上之后，通过使第一板相对于第二板折叠或翻转，折叠该弹性体箔。使得有可能将所述层精确配准地接合成一个在另一个之上。如果存在铰接设备，则基于至少一个铰接设备，特别可以执行180°的枢转运动。例如，第一板可以被翻转到第二板上或第二板可以被翻转到第一板上。在此，所述板之间的连接不是绝对必需的。这尤其可以以这样的方式进行：电极层基本上布置在弹性体箔的第一部分和弹性体箔的第二部分之间。换言之，至少一个电极层的两侧由一个弹性体层覆盖。

尤其，用上文所描述的方法，可以生产一种机电换能器，根据ASTMD149-97a该机电换能器的击穿强度＞40V/μm，特别优选地＞60V/μm，最特别优选地＞80V/μm；根据ASTMD257该机电换能器的电阻＞1,5E10Ohmm，优选地＞1E11Ohmm，特别优选地＞5E12Ohmm，最特别优选地＞1E13Ohmm，根据ASTMD150-98在0.01-1Hz该机电换能器的介电常数是＞5，电介质箔的层厚度(按单层计算)＜100μm，且优选地＞2且＜100000层。

可以在整个表面区域上执行用电极层涂敷弹性体箔的至少第一部分。根据本发明的方法的第一实施方案，该至少一个电极层可以是结构化电极层或分段电极层。换言之，(特定)可预定义的几何结构仅可以被施加在弹性体箔的第一部分的一个表面的局部区域内。电极层可以例如是通过用于创建电场的电极和用于施加特定电势或用于分接特定电势的端子凸耳形成的。通过将横截面设定成合适的尺度，电极层的几何结构可以被用作熔丝元件，通过该熔丝元件，在电击穿发生时流动的电流使电极升华，且从而在电气上使这个有缺陷的致动器箔失效。

优选地，可以通过喷涂、浇注、刮涂、刷涂、印刷、气相沉积、溅射和/或等离子体CVD将电极层施加到弹性体层的第一部分。尤其，可以设置用于施加的合适的设备，诸如，喷涂设备、印刷设备、辊设备等。在此以举例方式给出的印刷方法是喷墨印刷、柔版印刷和丝网印刷。至少在第一折叠步骤之前，可以以容易的方式将一个电极层(尤其一个结构化的电极层)施加到弹性体箔。

在另一个实施方案中，电极层可以与粘合剂混合。这提高了多层机电换能器的层的机械凝聚力。此外，优选地可以在该折叠步骤之前干燥电极层。

为了获得具有较大的可扩展性或较大的致动器效果的机电换能器，根据本发明的方法的一个特别优选的实施方案，可以在施加电极层之前预拉伸弹性体箔，作为一个替代方案或此外，可以在施加电极层之后预拉伸弹性体箔。预拉伸的弹性体箔被设置有一种非弹性材料，以用于该预拉伸的固定。例如，适当材料的框架可以被施加到该弹性体箔。尤其，可以使用刚性聚合物材料。例如，可以通过印刷有刚性聚合物材料来固定该预拉伸。此外，优选地，施加的聚合物材料框架可以具有对准标记。这具有的优点是，在下游堆叠过程期间，不会在弹性体箔之间发生偏移。

此外，根据根据本发明的方法的另一个实施方案，可以提供的是，在将弹性体箔固定在折叠设备上之前或之后，在至少一个折叠边缘处至少部分地切入该弹性体箔。该切入可以是通过切割(例如，超声切割)、冲压或其他分开方法(诸如例如，热线切割或激光切割)实现的。通过至少部分地切割折叠边缘，可以使得折叠简化且可以进一步减少不期望的卷边在边缘区域处的出现。此外，可以以容易的方式折叠弹性体箔若干次。例如，在固定之后，还可以在至少一个折叠边缘处将弹性体箔完全切断成两部分箔。也可以进一步减少在边缘区域处的不期望的卷边。

尤其，至少该折叠步骤被重复至少两次，优选地至少五次，特别优选地十次，且最特别优选地二十次。如果在第一施加步骤中，(仅)弹性体箔的第一部分被设置有一个电极层，则该施加步骤可以被重复优选地至少五次，特别优选地十次，且最特别优选地二十次。尤其，在每个折叠步骤之后可以有一个施加步骤。

此外，可以提供的是，该折叠步骤被重复至多1000000次，优选地至多100000次，特别优选地至多10000次，最特别优选地至多5000次且尤其最特别优选地至多1000次。

还可以提供的是，该施加步骤被重复至多1000000次，优选地至多100000次，特别优选地至多10000次，最特别优选地至多5000次且尤其最特别优选地至多1000次。

根据另一个实施方案，在该施加步骤中，多个分开的电极层可以被施加到弹性体层的至少第一部分。例如，可以施加至少两个，优选地至少四个，特别优选地至少八个，且最特别优选地至少十六个电极层。通过同时施加多个电极层，可以进一步减少制造时间。使得有可能平行生产多个机电换能器。

如已经描述的，根据上文所描述的方法优选地可以同时生产多个机电换能器。在另一个方法步骤中，尤其在(最后)折叠步骤之后，可以使至少一个多层机电换能器与剩余的弹性体箔分离。例如，可以冲压出和/或切割出机电换能器。可以以容易的方式使同时生产的多个机电换能器各自分开且使其变成期望的形式，例如，具有特定尺度。

根据另一个实施方案，特别通过若干折叠步骤生产的机电换能器中的至少两个可以被堆叠成一个在另一个之上。不言而喻，还可以将多于两个多层机械换能器堆叠成一个在另一个之上。因为机电换能器具有已经通过折叠创建的多层构造，其易于处理且可以几乎不用费力地重新堆叠。可以以容易的方式生产具有多个层的机电换能器。

如已经描述的，一个机电换能器具有一个在另一个之上的至少两个电极层，其中一个电介质弹性体层布置在其间。通过向两个相对的电极层施加电压(换言之，施加不同的电势)，可以引起放置在其间的弹性体箔的扩展。不言而喻，在传感器应用或发生器应用的情况下，弹性体箔的扩展可以在电极层处引起特定电压且这可以在所述电极处被分接。

在多层机电换能器的情况下，必要的是，堆叠的电极可以被供应有交变电势。优选地，接触电极层可以被连接到被设计成用于向第一电极层施加第一电势的机电换能器的第一电极层。第二接触电极层可以被连接到用于向第二电极层施加第二电势的机电换能器的至少一个第二电极层，优选地多个第二电极层。在该机电换能器中，第一电极层和第二电极层可以被交替地布置。在传感器应用或发生器应用的情况下，相应地适用于电压的分接。尤其，第一电极层和第二电极层可以被形成为基本上相同。例如，它们可以包括一个平面电极区域和一个用于将该电极区域连接到接触电极层的端子凸耳。优选地，一个机电换能器中的所有第一电极层的端子凸耳可以与该换能器的相同的第一外侧对齐。此外，一个机电换能器中的所有第二电极层的端子凸耳可以与该换能器的相同的第二外侧对齐，其中第一外侧不同于第二外侧。所述两个外侧优选地是相对的外侧。

尤其，在通过本发明方法生产的机电换能器的情况下，可以以这样的方式将电极层施加到弹性体箔：它们可以从侧面接触且未突出到电介质箔的边缘以外。这是因为否则可以发生击穿。优选地，可以在电极和电介质之间留出安全边缘，使得电极区域小于电介质区域。可以以这样的方式使电极结构化：导体迹线被引出以用于电接触。可以以容易的方式接触所述电极层。

根据本发明的方法的另一个优选的实施方案，可以封装该机电换能器。尤其，可以通过可逆的、可扩展的保护层保护该机电换能器免于外部环境影响。例如，为了该封装，该机电换能器可以被灌封在聚氨酯壳和/或硅树脂壳内。可以用基于合成弹性体的弹性体材料(例如，聚氨酯弹性体、硅树脂弹性体、丙烯酸酯弹性体诸如乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、氟橡胶、未硫化橡胶、硫化橡胶、聚氨酯、聚丁二烯、腈基丁二烯橡胶(NBR)或异戊二烯和/或聚偏二氟乙烯)灌装该机电换能器。优选地是使用硅树脂弹性体。该封装可以是在一个或两个或更多个层中进行。该封装可以被部分或完全固化。除了UV固化，非触发化学固化和IR固化之外，优选的是纯热固化。此外，原则上可以以任何期望的方式执行该封装的施加。优选地，可以使用铸造方法，特别优选地真空铸造方法或离心方法。

优选地，在进一步使用之前，两个弹性体箔可以被层压在一起。此外，根据另一个实施方案，可以以改善粘附这样的方式处理弹性体箔的表面。优选地，可以在施加电极层之前，通过电晕照射和/或等离子体处理来处理弹性体箔。作为一个替代方案或此外，可以在施加电极层之后通过电晕照射和/或等离子体处理来处理弹性体箔。作为一个替代方案或此外，可以使用一种可扩展的粘剂剂。可以显著改善多层机电换能器的层彼此间的粘附，特别是永久粘附。

本发明的另一个方面是一种根据上文所描述的方法生产的机电换能器。

本发明的又一个方面是一种包括上文所描述的机电换能器的部件。该部件可以是电子和/或电气设备，尤其是包括该机电换能器的模块、自动化设备、仪器或组件。

本发明的另一个方面是一种上文所描述的机电换能器作为致动器、传感器和/或发生器的用途。在机电和电声领域，尤其是在来自机械振动的能量采集(能量收获)、声学、超声、医学诊断、声学显微术、机械感测(尤其是压力、力和/或膨胀感测)、机器人学和/或通信技术领域中的多个非常不同的应用中，可以有利地使用根据本发明的机电换能器。其典型的实施例是压力传感器、电声换能器、麦克风、扬声器、振动换能器、光偏转器、膜片、用于玻璃纤维光学的调制器、热电检测器、电容器、控制系统和“智能”地板，以及用于将尤其是来自旋转运动或振荡运动的机械能转换成电能的系统。

本发明的又一个方面是根据权利要求15所述的用于生产机电换能器的设备。该设备尤其被设计成用于执行上文所描述的方法。该设备尤其是折叠设备，包括第一板和至少一个第二板。第一板相对于第二板可折叠。第一板和第二板具有一个用于接收电介质弹性体箔的接收表面。该接收表面被设计成用于将弹性体箔固定在该设备上。

该设备尤其是上文所描述的折叠设备。一个弹性体箔可以被布置在该折叠设备的接收表面上。该折叠设备尤其是板形式的。尤其，该折叠设备具有至少两个板。这些板可移动地连接至彼此。

根据本发明的一个优选的实施方案，第一板被可移动地尤其通过至少一个铰接设备连接到第二板。尤其，所述两个板可以以这样的方式连接至彼此：在初始位置，所述两个板形成一个平面，且在结束位置，第一板平放在第二板上(或反之亦然)。可以设置合适的装置(诸如，马达、致动器、控制装置)以用于移动所述至少两个板。

不言而喻，该折叠设备可以具有多于两个板，其他板例如通过铰接设备连接到至少一个另外的板且能够具有局部接收表面。除了铰接设备之外，还可以使用例如带连接件用于连接。

该接收表面被设计成用于将弹性体箔固定(优选地可逆地固定)在该折叠设备上。根据一个实施方案，该接收表面可以被设计成用于产生负压(例如，真空)，以将弹性体箔固定在该折叠设备上。出于此目的，可以设置相应的抽真空装置。通过优选地通过负压执行该固定，该弹性体箔可以被(几乎)无褶皱地固定且随后被精确对准地折叠。该折叠设备的区别尤其在于：甚至具有较小层厚度的弹性体箔也可以被可靠地且尤其(几乎)无褶皱地固定。该弹性体箔或弹性体膜可以具有的层厚度是0.1μm到1000μm，优选地1μm到500μm，特别优选地5μm到200μm且最特别优选地10μm到100μm。

在弹性体固定之后，尤其是固定在所述至少两个板的接收表面上之后，通过使第一板相对于第二板折叠而折叠该弹性体箔。由于所述至少一个铰接设备，所以例如通过上文所描述的装置可以执行尤其180°的枢转运动。例如，第一板可以被翻转到第二板上或第二板可以被翻转到第一板上。这尤其可以以这样的方式进行：电极层被布置成基本上在弹性体箔的第一部分和弹性体箔的第二部分之间。在此状态中，板中的负压可以结束。此外，通过激活此板中的正压，可以增强该弹性体箔的两部分的压紧力/层压处理。正压的分段引入(例如，通过接收表面中的分段的间隙)允许以特定方式执行层压。

所述方法和设备的特征彼此可以自由组合。尤其，说明书和/或从属权利要求的特征，甚至当完全或部分省略独立权利要求的特征时，其自身或当彼此自由组合时是独立具有创造性的。

因此，存在多种可能性用于改善和进一步发展根据本发明的方法、根据本发明的方法、根据本发明的机电换能器、根据本发明的部件、根据本发明的用途和根据本发明的设备。为此，一方面，应参照布置成从属于独立权利要求的专利权利要求，另一方面，应参照结合附图对实施例的描述。在附图中：

图1示出用于生产多层机电换能器的设备的一个实施例的示意图，

图2a示出在第一操作位置中图1中的示例性的设备的示意图，

图2b示出在第二操作位置中图1中的示例性的设备的示意图，

图2c示出在第三操作位置图1中的示例性的设备的示意图，

图2d示出在第四操作位置中图1中的示例性的设备的示意图，

图3a示出在第一方法步骤之后弹性体箔的一个实施例的示意图，

图3b示出在另一个方法步骤之后弹性体箔的一个实施例的示意图，

图3c示出在另一个方法步骤之后弹性体箔的一个实施例的示意图，

图3d示出在另一个方法步骤之后弹性体箔的一个实施例的示意图，

图3e示出在另一个方法步骤之后弹性体箔的一个实施例的示意图，

图4a根据截面线Ⅳ-Ⅳ示出图3e中的机电换能器的实施例的示意性侧视图，

图4b示出图4a中被布置成一个在另一个之上的多个机电换能器的示意性侧视图，

图5a示出在第一方法步骤之后弹性体箔的另一个实施例的示意图，

图5b示出在另一个方法步骤之后弹性体箔的另一个实施例的示意图，

图5c示出在另一个方法步骤之后弹性体箔的另一个实施例的示意图，

图6a示出涂敷的弹性体箔的一个实施例的示意性平面图，

图6b示出图6a中的实施例的示意性侧视图，

图6c示出具有多个分段和分开的电极区域的弹性体箔的一个实施例的示意图，

图7示出根据本发明的机电换能器的一个实施例的示意图，以及

图8示出具有局部切割折叠边缘的弹性体箔的一个实施例的示意图。

在下文中，相同的附图标记用于相同的元件。

图1示出用于生产多层或多重机电换能器的设备2的一个实施例的示意图。该示例性的设备2尤其是折叠设备2。本折叠设备2包括第一板2.1、第二板2.2和第三板2.3。第二板2.2通过铰接设备8连接到第三板2.3。第二板2.2通过另一个铰接设备8附加地连接到第一板2.1。

如还可以从图1中看到的是，设备2具有一个接收表面4。接收表面4被设计成用于接收待被处理的弹性体箔。尤其，接收表面4是通过设备2中(尤其是在三个板2.1、2.2、2.3中)的凹入部形成的。在当前情况下，该接收表面具有一个矩形形式。不言而喻，该形式可以是根据本发明的其他变体以任何期望的方式形成的。

第一板2.1具有第一局部接收表面4.1，第二板2.2具有第二局部接收表面4.2且第三板2.2具有第三局部接收表面4.3。三个局部接收表面4.1、4.2、4.3形成整体且连续的接收表面4。

为了将一个弹性体箔固定在折叠设备2上，凹入部6被设置在接收表面中。尤其，设置了多个槽6。可以借助于真空产生装置(未示出)产生负压，尤其是产生真空，使得布置在接收表面4上的弹性体箔可以被固定。尤其，这允许以容易的方式将弹性体箔固定在折叠设备2上而不会有褶皱、折痕等。

下文借助于图2a到图2d以实施例的方式阐述折叠设备2的工作方式，图2a到图2d示出不同操作位置中的设备2。

图2a示出第一操作位置中或开始或初始位置中的设备2。在此操作位置中，所有板2.1、2.2、2.3形成一个水平平面。尤其，弹性体箔10可以被布置在接收表面4上。在该布置之后，负压可以在接收表面4的凹入部6中产生，以固定箔10。在当前的情况下，多个电极层12(为了更好地了解，当前情况下仅由附图标记12指示)已经被施加到弹性体箔10。下文有更详细的描述。还可以看到，弹性体箔10的形状基本上对应于接收表面4的形状。

图2b示出在第二操作位置中的设备2。在此操作位置中，通过(180°)的枢转运动，第一板2.1已经被折叠或被翻转到第二板2.2和第三板2.3上。在此操作位置中，在第一局部接收表面4.1内产生的真空结束。优选地，可以附加地产生正压。弹性体箔10的第一部分被精确配准地折叠或被翻转到该弹性体箔的第二部分和第三部分之上。

在未示出的另一个操作位置中，第一板2.1被枢转/被翻转回到初始位置。折叠的弹性体箔10现在仅被布置且进一步被固定在局部接收表面4.2上且在局部接收表面4.3上。这是一个两层布置。

在图2c中示出的第三操作位置中，通过(180°)的枢转运动，第三板2.3已经被折叠/被翻转到第二板2.2上。在此操作位置中，在局部接收表面4.3中产生的真空结束。优选地，在此还可以附加地产生正压。弹性体箔10的第三部分被精确配准地翻转或被折叠到该弹性体箔的第二部分之上。

在设备2的第四操作位置(图2d)或结束位置中，第三板2.3已经被枢转/被翻转回到初始位置。折叠的弹性体箔10现在仅被布置在第二局部接收表面4.2上。这是一个四层布置或一个四层机电换能器。可以通过折叠设备2以容易的方式生产多层机电换能器。不言而喻，另一些步骤可以附加地跟随，如将阐述的。

图3a到图3e示出基于弹性体箔16，根据本发明的用于生产机电换能器的方法的一个实施例的多个方法步骤。

图3a示出具有第一部分16.1和第二部分16.2的弹性体箔16。在一个先前应用步骤(未示出)中，在当前情况下，四个分开的电极层18已经被施加到该弹性体箔的第一部分16.1。尤其，四个结构化的电极18已经被施加。例如，结构化的电极18可以已经被喷涂。

在一个折叠步骤中，借助于上文所描述的设备2将第一部分16.1放置到第二部分16.2上，尤其通过枢转运动。在图3b中，可以看到，在该折叠步骤之后，具有端子凸耳18’的电极层18位于内部(由阴影线指示)，换言之，在弹性体箔16的两个部分16.1、16.2之间。

翻转的弹性箔16^*随后被分成另一个第一部分16.1^*和另一个第二部分16.2^*。在当前情况下，另两个电极层20被施加到另一个第一部分16.1^*。通过将电极端子凸耳20’布置到弹性体箔的另一个外侧，电极层20区别于电极层18。尤其，电极层20基本上被施加在整个电极层18上。在当前情况下，仅端子凸耳18’、20’未放置成一个在另一个之上。

在另一个折叠步骤中，另一个第二部分16.2^*尤其通过枢转运动被放置到另一个第一部分16.1^*上。在图3d中，可以看到电极层18、20位于内部。

另两个电极层20随后被施加在部分16.1*的上表面。以一种相应的方式，另两个电极层可以被施加在下侧上。尤其，通过此方法生产了两个四层机电换能器。

图4a示出穿过图3e中示出的两个四层机电换能器的、对应于截面线Ⅳ-Ⅳ的横截面的示意图。可以看到，第一电极层18的端子凸耳18’朝向不同于另一个电极层20的端子凸耳20’的侧。例如在另一个步骤中可以通过分离(例如，冲压)使机电换能器各自分开。

图4b示出图4a中的机电换能器的一个实施例，其中三个布置16被安排成一个在另一个之上。尤其，因为与单个层比较，层厚度增加且附随稳定性增加，所以通过上文所描述的方法生产的多层换能器可以被更容易地堆叠。

图5a到图5c示出根据本发明的用于生产机电换能器的方法的另一个实施例的多个方法步骤。在下文中，基本上仅阐述与图3a到图3e中的实施方案的不同，且另外参照上文所做说明。

与先前实施例的主要不同在于，在单个施加步骤中，整个弹性体箔22已经被设置有所有电极层24、26。在此，以这样的方式施加电极层24、26，使得在所有折叠步骤之后，在每种情况下至少四个电极层24、26被放置成基本上一个在另一个之上。

在第一折叠步骤中，部分22.1、22.2被折叠/被放置到部分22.3、22.4上(图5b)，且在另一个折叠步骤中，部分22.2被放置到部分22.1上。平行地生产出多个多层机电换能器。

图6a示出包括分段电极层28的涂覆的弹性体箔30的平面图的另一个实施例。在当前情况下，电极层28包括矩形电极28.2和与外侧对齐的电极端子凸耳28.1。

在本实施例中，弹性体箔30与(可扩展的)电极层28一起已经被预拉伸。已经通过应用刚性材料(例如，聚合物材料)的框32将该预拉伸固定。该框架还具有分离轮廓34，尤其是冲压轮廓34，以在随后工作步骤中使机电换能器沿着此轮廓34分离而不损害该预拉伸。

图6b以侧视图示出上文所描述的实施例。可以看到，电极层28和塑料框32被施加到特别预拉伸的弹性体箔30。

如可以从图6c的示意性例示得知，一个弹性体箔可以具有多个上文所描述的结构。这使得有可能通过并行处理显著减少制造时间。

在图7中，描绘了根据本发明的一个优选实施方案的机电换能器44的示意图。呈现的机电换能器44交替地具有一层弹性体箔46和电极层42.1、42.2。在此，设计成用于施加第一电势的第一电极层42.1和设计成用于施加第二电势的第二电极层42.2是交替地布置的。第一电极层42.1的所有端子凸耳与第一外侧对齐，而第二电极层42.2的所有端子凸耳与另一个外侧(在当前的情况下是相对的外侧)对齐。

这使得有可能将第一电极层42.1连接到一个公共接触电极40.1，使得相同的电势可以被施加到所有第一电极层42.1，且有可能将第二电极层42.2连接到一个公共接触电极40.2，使得另一个相同的电势可以被施加到所有第二电极层42.2。此外，在当前情况下，机电换能器44被嵌入在保护免受外部影响的灌封材料36中。尤其，换能器被灌封在聚氨酯壳36和/或硅树脂壳36中。

最后，图8以示例的方式示出具有局部切割的折叠边缘52的弹性体箔50。这使得以容易的方式多次折叠弹性体箔52成为可能。一种适合于该描述的例子的折叠设备可以包括八个布置为可相互移动的板。

Claims (16)

1.一种用于生产至少一个多层机电换能器(44)的方法，包括：

-设置至少一个电介质弹性体箔(10,16,22,30,46)，

-在一个施加步骤中，将至少一个电极层(12,18,20,24,26,28,42)施加到所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的至少一个第一部分(16.1,16.4,22.1)上，

-将所述弹性体箔(10,16,22,30,46)布置在一个折叠设备(2)的接收表面(4)上，其中所述折叠设备(2)具有第一板(2.1)和至少一个第二板(2.2)，

-将所述弹性体箔(10,16,22,30,46)固定在所述接收表面(4)上，以及

-在一个折叠步骤中，通过使所述第一板(2.1)相对于所述第二板(2.2)折叠使得所述电极层(12,18,20,24,26,28,42)被布置在所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的第一部分(16.1,16.4,22.1)和所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的第二部分(16.2,16.3,22.3)之间，来将所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的第一部分(16.1,16.4,22.1)折叠到所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的另一部分(16.2,16.3,22.3)上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

-所述第一板(2.1)被可移动地连接到所述第二板(2.2)，

-所述第一板(2.1)和所述第二板(2.2)尤其是通过一个铰接设备(8)而被连接。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

-所述电极层(12,18,20,24,26,28,42)与粘合剂混合

和/或

-在所述折叠步骤之前干燥所述电极层(12,18,20,24,26,28,42)。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，

-在施加所述电极层(12,18,20,24,26,28,42)之前，预拉伸所述弹性体箔(10,16,22,30,46)，

-所述预拉伸的弹性体箔(10,16,22,30,46)设置有一种非弹性材料，以用于所述预拉伸的固定，

和/或

-在施加所述电极层(12,18,20,24,26,28,42)之后，预拉伸所述弹性体箔(10,16,22,30,46)，

-所述预拉伸的弹性体箔(10,16,22,30,46)设置有一种非弹性材料，以用于所述预拉伸的固定。

5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，在将所述弹性体箔(10,16,22,30,46)固定在所述折叠设备(2)上之前或之后，在一个折叠边缘(52)处至少部分地切割所述弹性体箔(10,16,22,30,46)。

6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述施加步骤和/或所述折叠步骤被重复至少两次，优选地至少五次，特别优选地十次，且最特别优选地二十次。

7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，在所述施加步骤中，多个分开的电极层(12,18,20,24,26,28,42)被施加到所述弹性体箔(10,16,22,30,46)的至少第一部分(16.1,16.4,22.1)。

8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，在所述折叠步骤之后，多个折叠的弹性体箔被堆叠以使层数增加。

8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，在所述折叠步骤/堆叠步骤之后，至少一个多层机电换能器(44)被分离，其中尤其是通过冲压和/或切割执行所述分离。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

-第一接触电极层(40.1)被连接到所述机电换能器(44)的第一电极层(42.1)，所述第一电极层(42.1)被设计成用于向第一电极层(42.1)施加第一电势和/或从第一电极层(42.1)分接第一电势，

-第二接触电极层(40.2)被连接到所述机电换能器(44)的第二电极层(42.2)，所述第二电极层(42.2)用于向所述第二电极层(42.2)施加第二电势和/或从所述第二电极层(42.2)分接第二电势，

-其中所述第一电极层(42.1)和所述第二电极层(42.2)被交替地布置在所述机电换能器(44)中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

-封装所述机电换能器(44)，

-其中为了所述封装，将所述机电换能器(44)灌封在一个聚氨酯壳(36)和/或一个硅树脂壳(36)内。

11.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，

-在应用所述电极层(12,18,20,24,26,28,42)之前，通过电晕照射和/或等离子体处理来处理所述弹性体箔(10,16,22,30,46)，

和/或

-在应用所述电极层(12,18,20,24,26,28,42)之后，通过电晕照射和/或等离子体处理来处理所述弹性体箔(10,16,22,30,46)。

12.一种根据权利要求1到12中的一项所述的方法生产的机电换能器(44)。

13.一种包括根据权利要求12所述的机电换能器(44)的部件。

14.一种根据权利要求12所述的机电换能器(44)作为致动器、传感器和/或发生器的用途。

15.一种用于生产机电换能器(44)的尤其用于执行根据权利要求1到12中的一项所述的方法的设备(2)，包括：

-第一板(2.1)，

-至少一个第二板(2.2)，

-所述第一板(2.1)能够相对于所述第二板(2.2)折叠，

-所述第一板(2.1)和所述第二板(2.2)具有接收表面(4)，用于接收一个电介质弹性体箔(10,16,22,30,46)，

-所述接收表面(4)被设计成用于将所述弹性体箔(10,16,22,30,46)固定在所述设备(2)上。