DE102004011029A1

DE102004011029A1 - Stacked polymer actuator and method of making the same

Info

Publication number: DE102004011029A1
Application number: DE102004011029A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Arndt; Arno Dr. Steckenborn; Matthias Dr. Stössel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: DE102004011029B4; WO2005086249A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Polymeraktor in Stapelbauform. Der Stapel (11) ist durch eine abwechselnde Folge von insbesondere elektroaktiven Polymerlagen (12) und Elektrodenlagen (13a, 13b) gebildet. Der Polymeraktor lässt sich vorteilhaft einfach herstellen, wenn die Elektrodenlagen (13a, 13b) abwechselnd zum einen Rand der Polymerlage oder zum anderen Rand der jeweiligen Polymerlage geführt werden, während sie vom gegenüberliegenden Rand beabstandet sind. Durch einfache Beschichtung (18a, 18b) der Seitenflächen des Stapels können die Elektroden abwechselnd gegenpolig elektrisch verbunden werden, wobei der jeweilige Abstand der Elektrodenlagen zum gegenüberliegenden Rand für eine jeweilige Isolation zwischen der Elektrodenlage (beispielsweise 13b) und der Elektrodenbeschichtung (beispielsweise 18a) sorgt, mit der die Elektrodenlage nicht kontaktiert werden soll. Eine besonders zuverlässige Kontaktierung der Elektrodenlage (13) ist möglich, wenn der Stapel (11) einen treppenartigen Querschnitt aufweist.The invention relates to a polymer actuator in stacked form. The stack (11) is formed by an alternating sequence of, in particular, electroactive polymer layers (12) and electrode layers (13a, 13b). The polymer actuator can advantageously be produced simply if the electrode layers (13a, 13b) are alternately guided to one edge of the polymer layer or to the other edge of the respective polymer layer, while they are spaced from the opposite edge. By simple coating (18a, 18b) of the side surfaces of the stack, the electrodes can be alternately electrically connected in opposite polarity, whereby the respective distance of the electrode layers to the opposite edge ensures a respective insulation between the electrode layer (for example 13b) and the electrode coating (for example 18a), with which the electrode layer should not be contacted. A particularly reliable contacting of the electrode layer (13) is possible if the stack (11) has a staircase-like cross-section.

Description

Die Erfindung betrifft einen Polymeraktor, bei dem ein Stapel aus abwechselnd geschichteten elektrisch leitfähigen Elektrodenlagen und insbesondere elektroaktiven Polymerlagen gebildet ist.The The invention relates to a polymer actuator in which a stack of alternating layered electrically conductive Electrode layers and in particular electroactive polymer layers formed is.

Ein Polymeraktor dieser Bauform ist beispielsweise aus einem Konferenzbeitrag von M. Jungmann u. a. zum 47. internationalen wissenschaftlichen Kolloquium an der technischen Universität Ilmenau vom 23. bis zum 26. September 2002 bekannt. Danach können Stapelaktoren aus einer abwechselnden Schichtfolge von aufgeschleuderten Elastomerfilmen beispielsweise aus Silikon und aufgesprühten Graphitpulverschichten ausgebildet sein. Die Graphitschichten bilden Elektroden, wobei jeweils aufeinander folgende Elektroden gegenpolig kontaktiert werden können. Durch Anlegen einer Spannung an die benachbarten Elektroden wird daher ein elektrisches Feld in der zwischen diesen Elektroden befindlichen Elastomerschicht erzeugt, welches aufgrund der Eigenschaften des Elastomerfilms zu einer reversiblen Verformung desselben führt, da sich die Elektroden anziehen. Das Anlegen einer Spannung hat daher eine Verringerung der Höhe des gebildeten Stapelaktors zur Folge. Eine gegenpolige Kontaktierungsmöglichkeit der jeweils benachbarten Graphitpulverschichten kann durch eine geeignete Maskierung des zugehörigen Elastomerfilms vor dem Aufsprühen des Graphitpulvers geschaffen werden. An Stelle von Silikon kann auch ein elektroaktives Polymer wie z. B. PMMA (Polymethyl Methacrylat) als Polymerschicht verwendet werden.One Polymer actuator of this design, for example, from a conference contribution by M. Jungmann u. a. to the 47th international scientific Colloquium at the Technical University Ilmenau from the 23rd to the 26th September 2002 known. After that you can Stacking actuators from an alternating layer sequence of spin-coated elastomer films for example, silicone and sprayed graphite powder layers be educated. The graphite layers form electrodes, wherein each successive electrodes are contacted opposite pole can. By applying a voltage to the adjacent electrodes therefore an electric field in between these electrodes Elastomer produced, which due to the properties of the Elastomeric film leads to a reversible deformation thereof, since tighten the electrodes. The application of a voltage therefore has a Reduction in height of the stack actuator formed result. A gegenpolige contacting possibility The adjacent graphite powder layers can by a appropriate masking of the associated Elastomer film before spraying of the graphite powder are created. In place of silicone can also an electroactive polymer such. B. PMMA (polymethyl methacrylate) as Polymer layer can be used.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Polymeraktor mit einem Stapel aus abwechselnd geschichteten elektrisch leitfähigen Elektrodenlagen und Polymeren anzugeben, welcher einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.The The object of the invention is a polymer actuator with a Stack of alternately layered electrically conductive electrode layers and Specify polymers, which can be easily and inexpensively manufactured.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Stapel an seiner durch die Gesamtheit der Lagenränder gebildeten Seitenfläche einen ersten und einen hiervon elektrisch getrennten zweiten Kontaktierungsbereich aufweist, wobei die Elektrodenlagen bezogen auf die Schichtfolge abwechselnd entweder mit ihrem Lagenrand einen Teil des ersten Kontaktierungsbereiches bilden, während der Lagenrand von dem zweiten Kontaktierungsbereich einen elektrisch isolierenden Abstand aufweist oder mit ihrem Lagenrand einen Teil des zweiten Kontaktierungsbereiches bilden, während der Lagenrand von dem ersten Kontaktierungsbereich einen elektrisch isolierenden Abstand aufweist. Als Seitenfläche im Sinne der Erfindung wird die gesamte Fläche des Stapels verstanden, welche sich durch die Gesamtheit der Lagenränder von der ersten bis zur letzten Lage des Stapels ergibt. Diese Seitenfläche kann dabei durch eine einzige zusammenhängende Fläche (beispielsweise Mantelfläche eines zylindrischen Stapels) oder auch durch mehrere Teilflächen (beispielsweise vier Seiten eines Stapels mit quadratischer Grundfläche) gebildet sein.These Task is inventively characterized solved, that the stack formed at its by the entirety of the ply edges side surface a first and an electrically separate second contacting region , wherein the electrode layers based on the layer sequence alternately either with its layer edge part of the first contacting region form during the Layer edge of the second contact area an electrically having insulating distance or with its edge of the sheet a part of the second contacting region, while the ply edge of the first contact area an electrically insulating distance having. As a side surface For the purposes of the invention, the entire surface of the stack is understood, which extends through the entirety of the ply margins from the first to the last Location of the stack results. This side surface can be replaced by a single contiguous area (for example lateral surface a cylindrical stack) or by several partial surfaces (for example four sides of a stack with square base) formed be.

Die erfindungsgemäße Form der Elektrodenlagen, die einerseits vom Lagenrand der Polymerlage zum einen Kontaktierungsbereich hin beabstandet ist und am anderen Kontaktierungsbereich den Lagenrand berühren, ermöglicht vorteilhaft eine einfache abwechselnde Kontaktierung der jeweils benachbarten Elektrodenlagen, indem auf die beiden Kontaktierungsbereiche beispielsweise eine elektrisch leitende Beschichtung aufgebracht wird, welche die Elektrodenschichten jeweils eines Kontaktierungs bereiches untereinander verbindet. Die beiden Kontaktierungsbereiche ermöglichen dann das Anlegen einer Spannung zur Betätigung des Polymeraktors.The inventive form the electrode layers, on the one hand from the ply edge of the polymer layer on the one hand contacting area is spaced and at the other Contact area touch the edge of the layer, advantageously allows easy alternating contacting of the respective adjacent electrode layers, by the two contacting areas, for example, a electrically conductive coating is applied, which the electrode layers each one Kontaktierungs area interconnected. The two contact areas then allow the creation of a Voltage for actuation of the polymer actuator.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stapel aus Abschnitten eines bahnförmigen Halbzeugs zusammengesetzt ist, wobei das Halbzeug als Polymerband mit darauf aufgebrachter Elektrodenlage ausgebildet ist, derart, dass der Lagenrand der Elektrodenlage an die eine Seitenkante des Polymerbandes heranreicht und von der anderen Seitenkante einen Abstand aufweist, und dass die Abschnitte derart geschichtet sind, dass abwechselnd Seitenkanten mit und ohne Elektrodenlage aufeinanderfolgen. Als Seitenkanten des Polymerbandes werden im Sinne der Erfindung die beiden Ränder des Bandes entlang seiner Längsausdehnung verstanden.According to one advantageous embodiment of the invention it is provided that the Stack composed of sections of a sheet-like semifinished product is, wherein the semifinished product as a polymer tape with applied thereto Electrode layer is formed, such that the ply edge of the electrode layer to the one side edge of the polymer tape comes close and of the another side edge has a distance, and that the sections are layered so that alternately side edges with and without Follow electrode layer in succession. As side edges of the polymer tape be within the meaning of the invention, the two edges of the tape along its longitudinal extension Understood.

Die Verwendung eines Polymerbandes zur Herstellung eines bahnförmigen Halbzeuges hat den Vorteil, dass das Halbzeug mit hoher Effizienz in der Serienfertigung hergestellt werden kann. Das Polymerband kann als Ausgangsmaterial direkt vom Bandhersteller bezogen werden und muss zur Fertigstellung des Halbzeugs lediglich mit der Elektrodenlage unter Einhaltung des geforderten Abstandes von einer der Seitenkanten des Polymerbandes beschichtet werden. Die Beschichtung kann beispielsweise durch Aufbringung von Graphitpulver erfolgen. Die beschichteten Polymerlagen für die herzustellenden Polymeraktoren können aus dem Halbzeug durch Ablängen desselben gewonnen werden.The Use of a polymer strip for producing a sheet-like semifinished product has the advantage that the semi-finished product with high efficiency in series production can be produced. The polymer tape can be used as starting material directly from the tape manufacturer and must be completed of the semi-finished product only with the electrode layer in compliance the required distance from one of the side edges of the polymer tape be coated. The coating can be applied, for example, by application made of graphite powder. The coated polymer layers for the produced Polymer actuators can from the semifinished product by cutting to length be obtained from the same.

Eine besondere Bauform des Polymeraktors sieht vor, dass sich die Fläche der Polymerlagen in Stapelrichtung des Stapels kontinuierlich verkleinert und die Elektrodenlagen derart an die Fläche der jeweils benachbarten Polymerlagen angepasst sind, dass der elektrisch isolierende Abstand zum betreffenden Kontaktierungsbereich gewährleistet ist. Die Stapelrichtung des Stapels erstreckt sich im Sinne der Erfindung senkrecht zur Oberfläche der Lagen. Durch die kontinuierliche Verkleinerung der Fläche der Polymerlagen ergibt sich im Schnitt des Stapels gesehen daher ein treppenartiger Aufbau. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass die stufenartigen Seitenflächen des Stapels eine größere Kontaktierungsfläche der einzelnen Elektrodenlage im jeweiligen Kontaktierungsbereich zur Verfügung stellen. Daher kann die Kontaktierung der mit dem jeweiligen Kontaktierungsbereich verbundenen Elektrodenlagen besonders zuverlässig erfolgen.A special design of the polymer actuator provides that the surface of the polymer layers continuously shrink in the stacking direction of the stack and the electrode layers are adapted to the surface of the respective adjacent polymer layers, that the electrically insulating distance to besf fenden contact area is guaranteed. The stacking direction of the stack extends in the sense of the invention perpendicular to the surface of the layers. As a result of the continuous reduction of the area of the polymer layers, a staircase-like structure results as seen in the section of the stack. This structure has the advantage that the step-like side surfaces of the stack provide a larger contact area of the individual electrode layer in the respective contacting region. Therefore, the contacting of the electrode layers connected to the respective contacting region can be carried out particularly reliably.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Erzeugen von Stapelaktoren. Ein solches Verfahren ist in dem eingangs erwähnten Konferenzbeitrag beschrieben. Der herzustellende Stapelaktor wird durch Aufschleudern und Aushärten eines Elastomerfilms auf eine rotierende Unterlage und anschließendes Druckluftbeschichten dieses Elastomerfilms mit Graphitpulver und eine Wiederholung dieses Vorgangs entsprechend der Anzahl der herzustellenden Schichten des Stapelaktors erzeugt.Farther The invention relates to a method for producing stack actuators. Such a method is described in the conference paper mentioned above. The Stapelaktor to be produced by spin-coating and curing a Elastomer film on a rotating surface and then compressed air coating this elastomeric film with graphite powder and a repeat of this Operation according to the number of layers to be produced Stack actuator generated.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erzeugen von Polymeraktoren in Stapelbauform anzugeben, welches kostengünstig ist und sich zur Serienherstellung der Polymeraktoren eignet.task The invention is a process for producing polymer actuators specify in stack design, which is inexpensive and for mass production the polymer actuators is suitable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Polymeraktors mit einem Stapel aus abwechselnd geschichteten elektrisch leitfähigen Elektrodenlagen und insbesondere elektroaktiven Polymerlagen gelöst, bei dem die Po lymerlagen mit Elektrodenlagen beschichtet werden, derart, dass der Lagenrand der Elektrodenlagen jeweils teilweise unter Ausbildung eines Kontaktabschnittes an den Lagenrand der Polymerlage zumindest weitgehend heranreichen und teilweise unter Ausbildung eines Isolierabschnittes von diesen einen Abstand aufweisen, und die beschichteten Polymerlagen aufeinandergeschichtet werden, derart, dass die Kontaktabschnitte und die Isolierabschnitte jeweils jeder zweiten Polymerlage übereinander liegen und dass die Kontaktabschnitte beim Schichten abwechselnd zur Bildung eines ersten oder eines zweiten Kontaktierungsbereiches für die Elektrodenlagen beitragen. Hierdurch werden die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Polymeraktor beschriebenen Vorteile erreicht, insbesondere, dass durch die gebildeten Kontaktierungsbereiche eine einfache Kontaktierung der beiden Gruppen von Elektrodenlagen ermöglicht wird. Diese Kontaktierung kann insbesondere durch Aufbringung von Elektrodenschichten auf den Kontaktierungsbereich erfolgen.These The object is achieved by a A method of producing a polymer actuator comprising a stack alternately layered electrically conductive electrode layers and in particular electroactive Dissolved polymer layers, in which the polymer layers are coated with electrode layers, that the ply edge of the electrode layers each partially under training a contact portion of the sheet edge of the polymer layer at least largely come close and partially to form a Isolierabschnittes spaced therefrom and the coated polymer layers be stacked, such that the contact portions and the insulating portions of each second polymer layer on top of each other lie and that the contact sections in layers alternately for forming a first or a second contacting region for the Contribute electrode layers. This will already be related described with the polymer actuator according to the invention Advantages achieved, in particular, that through the contact areas formed a simple contacting of the two groups of electrode layers allows becomes. This contacting can in particular by application of Electrode layers take place on the contacting area.

Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein bahnförmiges Halbzeug hergestellt wird, wobei das Halbzeug durch Beschichtung eines Polymerbandes mit der Elektrodenlage gewonnen wird, derart, dass der Lagenrand der Elektrodenlage an die eine Seite des bahnförmigen Halbzeugs zumindest weitgehend heranreicht und von der anderen Seitenkante einen Abstand aufweist, und das bahnförmige Halbzeug in die Polymerlagen bildende Abschnitte zerlegt wird. Wie bereits erläutert, lässt sich das bahnförmige Halbzeug vorteilhaft einfach, insbesondere mit einer vergleichsweise hohen Produktionsgeschwindigkeit herstellen, wobei sich die Abschnitte zur Bildung der Polymerlagen des Stapelaktors durch einfaches Ablängen gewinnen lassen. Diese können bei spielsweise anschießend zu den Stapelaktoren zusammengefügt werden.A advantageous variant of the method is characterized in that that a sheet-shaped semi-finished product is produced, wherein the semifinished product by coating a polymer tape is obtained with the electrode layer, such that the ply edge of the Electrode layer to the one side of the sheet-like semifinished product at least largely reaches and from the other side edge a distance has, and the web-shaped Semi-finished product is decomposed into the polymer layers forming sections. As already explained, let yourself the web-shaped Semi-finished advantageous simple, especially with a comparatively produce high production speed, with the sections to gain the formation of the polymer layers of the stack actuator by simply cutting to length to let. these can at spielsweise be joined to the stacking actuators.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn vor dem Zerlegen des Halbzeuge in Abschnitte zwei Bahnen des Halbzeugs derart geschichtet werden, dass jeweils die Seitenkanten mit und ohne Elektrodenlage übereinanderliegen und die geschichteten Bahnen des Halbzeugs auf eine Walze aufgerollt werden, wobei bei dem Zerlegen des Halbzeugs die Stapel entstehen. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, einzelne Abschnitte von Polymerlagen vor dem Zusammenfügen zu Stapelaktoren zu handhaben. Vielmehr können durch das Zerlegen nach dem Aufrollen des Halbzeugs bereits die fertigen Stapelaktoren hergestellt werden, wodurch vorteilhaft der Fertigungsprozess bedeutend an Effektivität gewinnt.Especially However, it is advantageous if, before the dismantling of the semi-finished in Sections two sheets of semis are layered so that each side edges with and without electrode layer over each other and the layered webs of the semifinished product are rolled up on a roll, wherein at the disassembly of the semifinished product, the stacks arise. hereby deleted the need to separate sections of polymer layers prior to assembly into stack actuators to handle. Rather, you can by disassembling after rolling up the semi-finished already the finished stack actuators are produced, which advantageously the Manufacturing process gains significantly in effectiveness.

Gemäß einer weiteren Ausführung des Verfahrens werden die Bahnen des Halbzeugs trapezförmig ausgebildet, wobei die Seitenkanten die Trapezschenkel bilden. Wird eine solche trapezförmige Bahn aufgerollt, so entsteht nach dem Zerlegen der Rolle eine Anzahl von Stapelaktoren, bei den sich die Fläche der Polymerlagen in Stapelrichtung des Stapels kontinuierlich verkleinert. Der Abstand des Lagenrandes der Elektrodenlage von der einen Seitenkante des trapezförmigen Halbzeugs muss so bemessen sein, dass der elektrisch isolierende Abstand zum betreffenden Kontaktierungsbereich gewährleistet ist, so dass jede Elektrodenlage jeweils nur mit dem anderen Kontaktierungsbereich in Verbindung steht. Durch Verwendung des trapezförmig ausgebildeten Halbzeugs lassen sich Polymeraktoren mit dem bereits beschriebenen treppenartigen Querschnitt und den damit verbundenen Vorteilen erzeugen.According to one further execution of the method, the tracks of the semifinished product are trapezoidal, the side edges forming the trapezoidal legs. Will one trapezoidal path rolled up, so after disassembly of the role a number arises of stack actuators, in which the area of the polymer layers in the stacking direction of the stack is continuously reduced. The distance of the ply edge the electrode layer of the one side edge of the trapezoidal semifinished product must be dimensioned so that the electrically insulating distance to the guaranteed contact area, so that each Electrode layer only with the other contact area communicates. By using the trapezoidal shaped Semi-finished can be polymer actuators with the already described staircase-like cross-section and produce the associated benefits.

Es ist günstig, wenn die Bahnen des Halbzeugs während des Aufwickelns auf die Walze derart verformt werden, dass der trapezförmige Verlauf der Bahnen erzeugt wird. Hierbei kann vorteilhaft als Halbzeug eine Bahn aus einem Polymerband und einer Elektrodenlage mit parallelen Seitenkanten verwendet werden, welches sich einfach herstellen lässt. Der trapezförmige Verlauf der Bahnen wird dann durch eine gezielte Verformung des Halbzeugs erzeugt. So lässt sich durch eine Streckung des Halbzeugs in Richtung des Bahnverlaufs die Breite desselben kontinuierlich oder auch in Stufen verringern, durch eine Streckung des Halbzeugs im rechten Winkel zum Bahnverlauf die Breite der Bahn vergrößern. Im verformten Zustand wird die Bahn dann aufgerollt, wobei dieser Zustand in den fertiggestellten Stapelaktoren erhalten bleibt. Im verformten Zustand der Polymerlagen liegen in dieser Spannungen in einer Richtung vor, die zu einer bevorzugten Verformung der Polymerlage im rechten Winkel zu diesen Spannungen führen, sobald die Polymerlage einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Hinsichtlich eines notwendigen Einbauraumes für den Stapelaktor ist diese bevorzugte Verformung der Polymerlagen jedoch unschädlich, da sie sich in derjenigen Richtung bevorzugt verformt, in der die Spannungen auch zu einer Verringerung der Abmessungen der Polymerlage geführt haben.It is favorable if the webs of the semifinished product are deformed during winding onto the roll such that the trapezoidal course of the webs is produced. In this case, it is advantageous to use as semifinished product a web of a polymer strip and an electrode layer with parallel side edges, which can be produced easily. The trapezoidal course of the tracks is then generated by a targeted deformation of the semifinished product. Thus, by stretching the semifinished product in the direction of the course of the web, the width of the latter can be reduced continuously or else in steps, and the width of the web can be increased by stretching the semifinished product at right angles to the path of the web. In the deformed state, the web is then rolled up, this state being preserved in the finished stack actuators. In the deformed state of the polymer layers are present in these stresses in one direction, which lead to a preferred deformation of the polymer layer at right angles to these voltages as soon as the polymer layer is exposed to an electric field. With regard to a necessary installation space for the stack actuator, however, this preferred deformation of the polymer layers is harmless since it deforms preferentially in the direction in which the stresses have also led to a reduction in the dimensions of the polymer layer.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Kontaktierungsbereich einer selektiven Ätzbehandlung unterworfen werden, derart, dass die zur Kontaktierung vorgesehene Fläche der Elektrodenschichten vergrößert wird. Hierdurch können vorteilhaft beispielsweise Fertigungsungenauigkeiten bei der Beschichtung der Polymerlagen mit der Elektrodenlage ausgeglichen werden, da die Elektrodenlage auch dann zur Kontaktierung im Kontaktierungsbereich freigelegt wird, wenn diese nicht bis an den Lagenrand der Polymerschicht heran reicht. Auch für den Fall, dass der Lagenrand der Elektrodenlage mit dem Lagenrand der Polymerlage genau abschließt, kann durch eine selektive Ätzbehandlung vorteilhaft die zur Kontaktierung zur Verfügung stehende Fläche der Elektrodenlage vergrößert werden.Farther it is advantageous if the first and the second contacting area a selective etching treatment be subjected, such that the intended for contacting area the electrode layers is increased. This can be advantageous For example, manufacturing inaccuracies in the coating of Polymer layers are compensated with the electrode layer, as the Electrode layer also for contacting in the contacting area is exposed, if they are not up to the edge of the polymer layer enough. Also for the case that the ply edge of the electrode layer with the ply edge the polymer layer exactly closes, can be advantageous by a selective etching treatment which are available for contacting standing area the electrode layer can be increased.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigenFurther Details of the invention are described below with reference to the drawing described. Show here

1 und 2 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Polymeraktors als schematische Schnitte, 1 and 2 Exemplary embodiments of the polymer actuator according to the invention as schematic sections,

3 schematisch die Seitenansicht und die Aufsicht auf eine Fertigungsanlage zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, 3 1 is a schematic side view and a plan view of a production plant for carrying out an embodiment of the method according to the invention;

4 das Detail IV gemäß 3a, 4 the detail IV according to 3a .

5 den Schnitt V-V gemäß 3a und 5 the section VV according to 3a and

6 die Aufsicht auf eine Polymerlage mit Elektrodenlage eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Polymeraktors. 6 the plan view of a polymer layer with electrode layer of another embodiment of the polymer actuator according to the invention.

Ein Polymeraktor gemäß 1 besteht aus einem Stapel 11, bei dem abwechselnd Polymerlagen 12 und Elektrodenlagen 13a, 13b aufeinanderliegen. Jeweils eine Polymerlage 12 bildet mit einer der Elektrodenlagen 13a, 13b eine Einheit, die vor dem Zusammenfügen des Stapels 11 als Abschnitt eines bahnförmigen Halbzeugs hergestellt wurde (vgl. 3a). Die Abschnitte im Stapel 11 weisen Seitenkanten 15a, 15b auf, wobei die Elektrodenlagen 13a bis an die zugehörigen Seitenkanten 15a heranreichen und die Elektrodenlagen 13b an die Seitenkanten 15b. Hierdurch entstehen an der Seitenfläche 16 des Stapels die Kontaktierungsbereiche 17a, 17b.A polymer actuator according to 1 consists of a stack 11 in which alternately polymer layers 12 and electrode layers 13a . 13b lie on one another. One polymer layer each 12 forms with one of the electrode layers 13a . 13b a unit before the assembly of the pile 11 was produced as a section of a sheet-like semi-finished product (see. 3a ). The sections in the stack 11 have side edges 15a . 15b on, with the electrode layers 13a to the associated side edges 15a approach and the electrode layers 13b to the side edges 15b , This results in the side surface 16 of the stack, the contacting areas 17a . 17b ,

Der Kontaktierungsbereich 17a ist direkt nach der Herstellung des Stapels 11 durch Schichten dargestellt. Die Darstellung des Kontaktierungsbereiches 17b zeigt den Zustand desselben nach einem anschließenden, selektiven Ätzschritt, wodurch das Material der Polymerlagen 12 abgetragen wurde und so die Elektrodenlagen 13b eine größere Fläche für die anschließende Aufbringung einer Elektrodenschicht 18b zur Verfügung stellt. Die Elektrodenschicht kann gleichzeitig unter die unterste Polymerlage geführt werden, wo sie die Funktion einer dort fehlenden Elektrodenlage übernimmt.The contacting area 17a is right after the production of the stack 11 represented by layers. The representation of the contacting area 17b shows its state after a subsequent, selective etching step, whereby the material of the polymer layers 12 was removed and so the electrode layers 13b a larger area for the subsequent application of an electrode layer 18b provides. At the same time, the electrode layer can be guided under the lowest polymer layer, where it performs the function of a missing electrode layer.

Die Varianten der weiteren Ausführungsbeispiele sind, soweit sich Übereinstimmungen ergeben, mit denselben Bezugszeichen wie der Polymeraktor gemäß 1 versehen und werden nur insoweit erläutert, wie sich Unterschiede zu der bereits beschriebenen Bauform ergeben.The variants of the further exemplary embodiments are, as far as matches, with the same reference numerals as the polymer actuator according to 1 provided and are explained only insofar as there are differences from the design already described.

Bei dem Polymeraktor gemäß 2 besteht der Stapel 11 aus ringförmigen Polymerlagen 12, wobei sich die Seitenfläche 16 aus dem Außenmantel sowie der entstehenden Lochwand im Stapel zusammengesetzt. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Elektrodenlagen 13a durch die Elektrodenschicht 18a außen auf der Mantelfläche des Stapels 11 zu kontaktieren, während die Elektrodenschichten 13b mittels der Elektrodenschicht 18b im Durchgangsloch kontaktiert sind. Weiterhin ist eine Spannungsquelle 19 angedeutet, die mit den Elektrodenschichten 18a, 18b verbunden werden kann, um den Polymeraktor zu aktivieren.In the polymer actuator according to 2 is the stack 11 from annular polymer layers 12 , where the side surface 16 composed of the outer shell and the resulting hole wall in the stack. This results in the possibility of the electrode layers 13a through the electrode layer 18a outside on the lateral surface of the stack 11 to contact while the electrode layers 13b by means of the electrode layer 18b are contacted in the through hole. Furthermore, a voltage source 19 indicated with the electrode layers 18a . 18b can be connected to activate the polymer actuator.

Der 3 kann der Ablauf des Fertigungsverfahrens für die erfindungsgemäßen Polymeraktoren entnommen werden. Von zwei Vorratsrollen 20a, 20b wird jeweils ein Polymerband 21 abgerollt. Über Schlitzdüsen 22a, 22b wird Graphitpulver auf die Polymerbahnen 21 aufgebracht, wodurch jeweils ein bahnförmiges Halbzeug 23a, 23b, bestehend aus dem Polymerband 21 und einer Elektrodenlage (vgl. beispielsweise 13a in 3b), entsteht. Das Halbzeug 23a wird über eine Umlenkwalze 24 zum Halbzeug 23b hingeführt, nachdem letzteres mittels eines Klebstoffverteilers 25a mit einer Klebstoffschicht versehen wurde. Über Druckwalzen 26a wird eine bleibende Verbindung zwischen den Halbzeugen 23a, 23b erzeugt. Nach Aufbringung einer weiteren Klebstoffschicht (27 in 3b) mittels eines weiteren Klebstoffverteilers 25b wird der Schichtverbund aus den Halbzeugen 23a, 23b auf einer Walze 28 aufgewickelt und dabei mittels einer Druckwalze 26b angedrückt. So wird ein Wickel 29 der Halbzeuge 23a, 23b erhalten, der im weiteren Herstellungsprozess zur Erzeugung der Stapel dient (vgl. 4).Of the 3 the sequence of the manufacturing process for the polymer actuators according to the invention can be taken. From two supply rolls 20a . 20b each becomes a polymer band 21 unrolled. Via slot nozzles 22a . 22b is graphite powder on the polymer webs 21 applied, whereby in each case a web-shaped semifinished product 23a . 23b consisting of the polymer tape 21 and an electrode layer (see, for example, FIG 13a in 3b ), arises. The semi-finished product 23a is about a guide roller 24 for semi-finished 23b guided, after the latter by means of an adhesive distributor 25a with an adhesive layer ver would see. About pressure rollers 26a becomes a permanent connection between the semi-finished products 23a . 23b generated. After application of another adhesive layer ( 27 in 3b ) by means of another adhesive distributor 25b is the layer composite of the semi-finished products 23a . 23b on a roller 28 wound up while using a pressure roller 26b pressed. This is how a wrap is made 29 the semi-finished products 23a . 23b received, which serves in the further manufacturing process for producing the stack (see. 4 ).

In 3b ist der Prozess gemäß 3a als Aufsicht dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass die Spaltdüse 22a nicht über die gesamte Breite des Polymerbandes 21 reicht, so dass die ausgebildete Elektrodenschicht 13b nur auf der einen Seite bis zur Seitenkante 15a, auf der anderen Seite jedoch nicht bis zur Seitenkante 15b der hergestellten Bahn des bahnförmigen Halbzeugs reicht. In 3b nicht zu erkennen ist das bahnförmige Halbzeug 23b, bei dem die Elektrodenschicht in gleicher Breite, jedoch mit einem Abstand zur entgegengesetzten Seitenkante erzeugt wird.In 3b is the process according to 3a shown as a supervisor. It can be seen that the split nozzle 22a not over the entire width of the polymer tape 21 ranges so that the formed electrode layer 13b only on one side to the side edge 15a but on the other side not to the side 15b the produced web of the web-shaped semifinished product is sufficient. In 3b not visible is the web-shaped semi-finished product 23b in which the electrode layer is produced in the same width but at a distance from the opposite side edge.

Weiterhin ist der 3b eine Möglichkeit zu entnehmen, wie die bahnförmigen Halbzeuge 23a, 23b durch Verformung in die Form eines Trapezes gebracht werden können, d. h. dass die Seitenkanten 15a, 15b die Trapezschenkel bilden. Dies kann einerseits rechtwinklig zum Bahnverlauf mittels Streckwalzen 30 bewerkstelligt werden, die aufgrund ihrer Haftung auf den Halbzeugen 23a, 23b die Kraft F₁ auf die Halbzeuge 23a, 23b ausüben können. Entlang der Richtung des Bandes kann durch die (Druck)Walzen 26a, 26b, 28 mittels der Kraft F2 eine Streckung des Bandes vorgenommen werden, in dem das Band mit unterschiedlichen Tangentialgeschwindigkeiten über die jeweiligen Rollenpaare transportiert wird. Wird das Band mit trapezförmigem Verlauf auf der Walze 28 zum Wickel 29 aufgewickelt, so entsteht der in 3b angedeutete treppenartige Verlauf der Seitenkanten 15a, 15b (vgl. auch 5).Furthermore, the 3b to take a possibility, such as the web-shaped semi-finished products 23a . 23b can be brought into the shape of a trapezoid by deformation, ie that the side edges 15a . 15b the trapezoidal legs form. On the one hand, this can be perpendicular to the course of the track by means of stretching rollers 30 caused by their adhesion to the semi-finished products 23a . 23b the force F ₁ on the semi-finished products 23a . 23b exercise. Along the direction of the belt can through the (pressure) rollers 26a . 26b . 28 By means of the force F2, an extension of the band can be made, in which the band is transported at different tangential speeds over the respective pairs of rollers. Will the tape with trapezoidal course on the roller 28 to the wrap 29 wound up, the result is the in 3b indicated stair-like course of the side edges 15a . 15b (see also 5 ).

In 4 ist dargestellt, wie aus dem Wickel 29 mehrere Stapel 11 der Polymeraktoren erzeugt werden können, indem der Wickel entlang der angedeuteten Schnittlinien 31 bis auf den Grund der Walze 28 geschnitten werden kann. Dabei wird der Wickel 29 in Abschnitte 14 zerteilt. Aus 4, die den Ausschnitt IV gemäß 3a darstellt, wird weiterhin deutlich, dass bei hinreichend großem Durchmesser d der Walze 28 die Krümmung des Wickels für die Planarität der Stapel 11 nicht mehr ins Gewicht fällt, da diese Stapel 11 eine genügende Elastizität aufweisen, die Krümmung auszugleichen.In 4 is shown as from the wrap 29 several stacks 11 The polymer actuators can be produced by the winding along the indicated cutting lines 31 to the bottom of the roller 28 can be cut. This is the winding 29 in sections 14 divided. Out 4 , the section IV according to 3a is still clear that at sufficiently large diameter d of the roller 28 the curvature of the roll for the planarity of the stacks 11 no longer significant as these stacks 11 have sufficient elasticity to compensate for the curvature.

In 5 ist ein Stapel 11, der gemäß 4 hergestellt wurde, im Schnitt dargestellt. Dieser Schnitt entspricht dem Schnitt V-V des Wickels 29 gemäß 3a. Es ist zu erkennen, dass die Trapezform der Halbzeuge 23a, 23b zu einem treppenartigen Verlauf des Stapels 11 führen. Ansonsten weist der Polymeraktor gemäß 5 einen mit dem Polymeraktor gemäß 1 vergleichbaren Aufbau auf.In 5 is a stack 11 which according to 4 was prepared, shown in section. This section corresponds to the section VV of the coil 29 according to 3a , It can be seen that the trapezoidal shape of the semi-finished products 23a . 23b to a staircase-like course of the stack 11 to lead. Otherwise, the polymer actuator according to 5 one with the polymer actuator according to 1 comparable structure.

In 6 ist die Aufsicht auf eine Polymerlage 12 mit Elektrodenlage 13b eines Polymeraktors mit runder Grundfläche gezeigt. Anstelle von Elektrodenlagen sind in Nuten in der Seitenfläche 16 des Stapels 11 Elektroden 32a, 32b eingegos sen, wobei die Elektrodenlagen (dargestellt ist die Elektrodenlage 13b) abwechselnd mit der Elektrode 32a oder der Elektrode 32b verbunden sind. Zu diesem Zweck weist der Rand der Elektrodenlage 13b zur Elektrode 32b einen Kontaktabschnitt 33 und zur Elektrode 32a einen Isolierabschnitt 34 auf. Bei den Elektrodenlagen 13a (nicht dargestellt) liegt der Kontaktabschnitt an der Elektrode 32a und der Isolierabschnitt an der Elektrode 32b.In 6 is the supervision of a polymer layer 12 with electrode layer 13b a polymer actuator with a round base shown. Instead of electrode layers are in grooves in the side surface 16 of the pile 11 electrodes 32a . 32b Eingos sen, wherein the electrode layers (shown is the electrode layer 13b ) alternately with the electrode 32a or the electrode 32b are connected. For this purpose, the edge of the electrode layer 13b to the electrode 32b a contact section 33 and to the electrode 32a an insulating section 34 on. At the electrode layers 13a (not shown), the contact portion is located on the electrode 32a and the insulating portion on the electrode 32b ,

Claims

Polymer actuator in which a stack ( 11 ) of alternately layered electrically conductive electrode layers ( 13a . 13b ) and in particular electroactive polymer layers ( 12 ), characterized in that the stack ( 11 ) on its side surface formed by the entirety of the ply edges ( 16 ) a first ( 17a ) and an electrically isolated second ( 17b ) Contacting region, wherein the electrode layers ( 13a . 13b ) with respect to the layer sequence alternately - either with its layer edge part of the first contacting region ( 17a ), while the ply edge of the second contacting region ( 17b ) has an electrically insulating spacing, or - with its layer edge a part of the second contacting region ( 17b ), while the ply edge of the first contact area ( 17a ) has an electrically insulating distance.

Polymer actuator according to claim 1, characterized in that the stack ( 11 ) from sections ( 14 ) of a sheet-like semi-finished product ( 23a . 23b ), the semifinished product ( 23a . 23b ) as a polymer tape ( 21 ) with electrode layer applied thereon ( 13a . 13b ) is formed such that the layer edge of the electrode layer ( 13a . 13b ) to one side edge of the polymer strip ( 21 ) and spaced from the other side edge, and - wherein the sections ( 14 ) are layered such that alternately side edges with and without electrode layer ( 13a . 13b ) follow one another.

Polymer actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the surface of the polymer layers ( 12 ) konti in the stacking direction of the stack downsized and the electrode layers ( 13a . 13b ) to the surface of the respectively adjacent polymer layers ( 12 ) are adapted such that the electrically insulating distance to the respective contact area ( 17a . 17b ) is guaranteed.

Polymer actuator according to one of the preceding claims, characterized in that on the contacting regions one electrode layer each ( 18a . 18b ) is applied.

Method for producing a polymer actuator with a stack ( 11 ) of alternately layered electrically conductive electrode layers ( 13a . 13b ) and in particular electroactive polymer layers ( 12 ), in which - the polymer layers ( 12 ) with electrode layers ( 13a . 13b ) are coated such that the ply edge of the electrode layers ( 13a . 13b ) in each case partially with the formation of a contact section ( 33 ) to the ply edge of the polymer layer ( 12 ) at least largely and partially with formation of an insulating section ( 34 ) have a distance therefrom and - the coated polymer layers ( 12 . 13a . 13b ) are stacked on top of each other such that the contact sections ( 33 ) and the insulating sections ( 34 ) each second polymer layer ( 12 ) and that the contact sections ( 33 ) when laminating alternately to form a first ( 17a ) or a second ( 17b ) Contacting region for the electrode layers ( 13a . 13b ) contribute

Method according to claim 5, characterized in that - a sheet-like semi-finished product ( 23a . 23b ), the semifinished product ( 23a . 23b ) by coating a polymer tape ( 21 ) with the electrode layer ( 13a . 13b ), such that the ply edge of the electrode layer ( 13a . 13b ) to one side edge of the sheet-like semi-finished product ( 23a . 23b ) at least largely reaches and from the other side edge has a distance, and - the web-shaped semi-finished product ( 23a . 23b ) in the polymer layers ( 12 ) forming sections ( 14 ) is disassembled.

A method according to claim 6, characterized in that before the dismantling of the semifinished product ( 23a . 23b ) into sections ( 14 ) - two tracks of the semi-finished product ( 23a . 23b ) are layered such that in each case the side edges with and without electrode layer ( 13a . 13b ) lie one above the other and - the layered webs of the semifinished product ( 23a . 23b ) on a roller ( 28 ) are rolled up, wherein during the dismantling of the semifinished product, the stacks ( 11 ) arise.

Method according to claim 7, characterized in that the webs of the semi-finished product ( 23a . 23b ) are formed trapezoidal, the side edges forming the trapezoidal legs.

Method according to claim 8, characterized in that the webs of the semi-finished product ( 23a . 23b ) during winding on the roller ( 28 ) are deformed such that the trapezoidal course of the webs is generated.

Method according to one of claims 5 to 9, characterized in that the first ( 17a ) and the second ( 17b ) Are subjected to a selective etching treatment in such a way that the area of the electrode layers ( 13a . 13b ) is increased.