DE102008006832A1

DE102008006832A1 - Electromagnetic membrane microactuator

Info

Publication number: DE102008006832A1
Application number: DE102008006832A
Authority: DE
Inventors: Karin Dr. Bauer; Christian Bolzmacher; Josef Schalk
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2009-08-13
Also published as: WO2009095170A3; WO2009095170A2

Abstract

Elektromagnetischer Mikroaktor (1), der auf einem Trägerkörper (2) aufgebaut ist und wenigstens eine Spule (3) und eine Membran (4) aufweist, die durch Bestromung der Spule (3) auslenkbar ist, wobei die Membran (4) aus einem bestrombaren dielektrischen Elastomeraktor gebildet ist, der einen Elastomerfilm (5) mit einer beidseitigen Elektrodenbeschichtung (6, 7) aufweist.Electromagnetic microactuator (1) which is constructed on a support body (2) and has at least one coil (3) and a membrane (4) which can be deflected by energizing the coil (3), wherein the membrane (4) consists of an energizable dielectric elastomer actuator is formed, which has an elastomeric film (5) with a double-sided electrode coating (6, 7).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Mikroaktor, der auf einem Trägerkörper aufgebaut ist und wenigstens eine Spule und eine Membran aufweist, die durch Bestromung der Spule auslenkbar ist.The The present invention relates to an electromagnetic microactuator. which is built on a carrier body is and has at least one coil and a membrane by Current supply of the coil is deflectable.

Elektromagnetische Mikroaktoren sind bekannt im Einsatzbereich von Mikropumpen, miniaturisierten Stellgliedern oder finden Anwendung im Bereich der aktiven Strömungsbeeinflussung der Luftströmung an Luftfahrzeug-Tragflächen. Die Mikroaktoren sind nach dem Prinzip eines elektromagnetischen Stellgliedes aufgebaut, das eine Spule aufweist, die bei Bestromung eine Membran auslenken kann. An der Membran kann ein metallischer Körper angeordnet sein, auf den das elektromagnetische Feld, das durch die Bestromung der Spule erzeugt wird, einwirkt. Je stärker die Spule bestromt wird, desto größer wird die Auslenkung der Membran. Wird an die Spule eine Wechselspannung angelegt, so kann die Membran mit der Wechselspannungsfrequenz in Schwingung versetzt werden. Der einfachste Aufbau, den der Stand der Technik zeigt, kann in einem Lautsprecher gesehen werden, wobei gewöhnlich die Spule den bewegten Teil der Lautsprecheranordnung bildet. Folglich besteht auch bei elektromagnetischen Mikroaktoren die Möglichkeit, die Spule auf die auszulenkende Membran aufzubringen, um die dynamisch bewegte Masse zu reduzieren. Ferner sind elektromagnetische Mikroaktoren bekannt, welche sowohl auf dem Trägerkörper als auch auf der Membran eine jeweilige Spule aufweisen, so dass sich eine gegenseitige elektromagnetische Beeinflussung bilden kann, um auch auf diese Weise bei Anlegen einer Wechselspannung an die Spulen eine Schwingung in der Membran zu erzeugen, ohne einen metallischen Körper als Kern zu benötigen.electromagnetic Microactuators are known in the field of use of micropumps, miniaturized Actuators or find application in the field of active flow control the air flow on aircraft wings. The microactuators are based on the principle of an electromagnetic Assembled actuator having a coil which when energized can deflect a membrane. On the membrane can be a metallic Body arranged be on which the electromagnetic field caused by the energization the coil is generated acts. The stronger the coil is energized, the more gets bigger the deflection of the membrane. Will be an AC voltage to the coil applied, so the membrane with the AC frequency in Be put vibration. The simplest construction, the stand The technique shows, can be seen in a speaker, where usually the coil forms the moving part of the loudspeaker arrangement. consequently there is also the possibility of electromagnetic microactuators to apply the coil to the membrane to be deflected to keep the dynamic reduce moving mass. Furthermore, electromagnetic microactuators are known, which both on the carrier body as well on the membrane have a respective coil, so that a mutual electromagnetic interference can form, too in this way when applying an AC voltage to the coils to create a vibration in the membrane, without a metallic one body to need as a core.

In den letzten Jahren werden zunehmend miniaturisierte Aktoren gefordert, bei denen jedoch die Frequenz sowie die erzielbaren Amplituden der Membranauslenkung begrenzt sind. Im statischen Betrieb der Mikroaktoren können zwar Auslenkungen von bis zu 200 μm erzielt werden, jedoch können geforderte Frequenzbereiche im kHz-Bereich bei den Auslenkungen nicht umgesetzt werden. Zur Miniaturisierung der Aktoren sind zwar planare Spulen bekannt, welche flächig auf dem Trägerkörper oder auf der Innenseite der Membran aufgebracht werden, jedoch können große Auslenkungen bei höheren Frequenzen durch derartige Anordnungen aufgrund der begrenzten Leistungsdichte nicht erzielt werden. Folglich sind stark miniaturisierte planare Spulen mit Dimensionen von weniger als 2 qmm zwar bekannt, jedoch sind die erzielbaren Auslenkungen der Membran nicht umsetzbar.In In recent years, increasingly miniaturized actuators are required in which, however, the frequency and the recoverable amplitudes of the membrane deflection are limited. In the static operation of the microactuators can indeed Deflections of up to 200 μm can be achieved, however required frequency ranges in the kHz range for the deflections not be implemented. To miniaturize the actuators are indeed planar coils known which flat on the support body or can be applied to the inside of the membrane, however, can be large deflections at higher Frequencies due to such arrangements due to the limited power density can not be achieved. Consequently, highly miniaturized planar Although coils with dimensions of less than 2 qmm are known, however the achievable deflections of the membrane are not feasible.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromagnetischen Mikroaktor bereit zu stellen, welcher auch bei hohen Frequenzen im kHz-Bereich große Auslenkungen ermöglicht.It is therefore the object of the present invention, an electromagnetic Microactuator to provide, which also at high frequencies in the kHz range big Deflections possible.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem elektromagnetischen Mikroaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Ferner wird ein Verfahren gemäß des Anspruchs 11 vorgeschlagen, dass auf den Betrieb eines elektromagnetischen Mikroaktors gemäß des Anspruchs 1 gerichtet ist, und die Schaffung einer großen Amplitude der Membranauslenkung bei hohen Frequenzen ermöglicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These Task is based on an electromagnetic microactuator according to the generic term of claim 1 in conjunction with the characterizing features solved. Further, a method according to the claim 11 suggested that on the operation of an electromagnetic Mikroaktors according to the claim 1, and the creation of a large amplitude of diaphragm deflection at high frequencies. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Membran aus einem bestrombaren dielektrischen Elastomeraktor gebildet ist, der einen Elastomerfilm mit einer beidseitigen Elektrodenbeschichtung aufweist.The Invention includes the technical doctrine that the membrane of an energizable dielectric elastomer actuator is formed, which is an elastomeric film having a double-sided electrode coating.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, einen vorzugsweise elektromagnetischen Mikroaktor bekannter Bauart mit einer Membran auszuführen, welche in ihren elastischen Eigenschaften mittels einer Bestromung beeinflussbar ist. Hierzu ist vorgesehen, die Membran als dielektrischen Elastomeraktor auszuführen, der aus einem Elastomerfilm besteht, der an seinen beiden Grenzflächen jeweilige Elektrodenbeschichtungen aufweist. Dielektrische Elastomeraktoren sind adaptive Materialsysteme, welche hohe Dehnungen bis zu 300% erreichen können. Sie gehören zur Gruppe der elektroaktiven Polymere, welche auf dem Funktionsprinzip beruhen, die elektrische Energie, die durch die Kontaktierung der Elektrodenbeschichtungen in das Materialsystem eingebracht wird, direkt in mechanische Arbeit umzuwandeln. Werden die Elektrodenbeschichtungen in einen elektrischen Schaltkreis integriert, so stellt sich ein elektrostatischer Druck im Elastomerfilm ein, so dass sich die Dicke des Elastomerfilms verringern kann. Durch den Effekt der Querkontraktion dehnt sich bei Dickenreduktion der Elastomerfilm in seiner Erstreckungsebene aus. Die Folge ist, dass sich die Auslenkung der Membran durch Bestromung der Elektrodenbeschichtungen vergrößert, so dass der Effekt der elektromagnetischen Beeinflussung durch die Bestromung der Spule mit dem Effekt der planaren Ausdehnung des Elastomerfilms überlagert. Auf diese Weise können elektromagnetische Mikroaktoren in ihrem Leistungsspektrum erheblich erweitert werden, wobei die erfindungsgemäße Anordnung einer weiteren Miniaturisierung der elektromagnetischen Aktoren nicht entgegensteht. Die erfindungsgemäße elektrisch aktivierbare Membran kann beispielsweise auch mit piezoelektrischen, elektrostatischen, magnetischen oder magnetostrikitven Aktoren verwendet werden.The Invention is based on the idea of a preferably electromagnetic Microactuator known type with a membrane run, which be influenced in their elastic properties by means of a current supply is. For this purpose, it is provided to carry out the membrane as a dielectric Elastomeraktor, the consists of an elastomeric film, the respective at its two interfaces Having electrode coatings. Dielectric elastomer actuators are adaptive material systems, which high strains up to 300% reachable. you belong to the group of electroactive polymers, which are based on the principle of operation based, the electrical energy generated by the contacting of the Electrode coatings is introduced into the material system, convert directly into mechanical work. Be the electrode coatings integrated into an electrical circuit, so turns an electrostatic Pressure in the elastomeric film, so that the thickness of the elastomeric film can reduce. Due to the effect of the transverse contraction it expands for thickness reduction, the elastomeric film in its plane of extent out. The consequence is that the deflection of the membrane by energization the electrode coatings increased, so that the effect of Electromagnetic influence by the energization of the coil superposed with the effect of planar expansion of the elastomeric film. That way you can electromagnetic microactuators in their power spectrum considerably be extended, the inventive arrangement of another Miniaturization of the electromagnetic actuators does not conflict. The invention electrically can be activated membrane, for example, with piezoelectric, electrostatic, magnetic or magnetostrictive actuators are used.

Ein Anwendungsgebiet elektromagnetischer Mikroaktoren betrifft eine aktive Beeinflussung der Strömungsausbildung an der Tragfläche eines Luftfahrzeugs. Ein beträchtlicher Anteil des Widerstands eines Luftfahrzeugs wird durch den Reibungswiderstand der Luftströmung bestimmt. Verschiedene Beeinflussungskon zepte wirken auf eine Verschiebung der laminar-turbulenten Transition in Richtung der Tragflächenhinterkante hin, wobei der Umschlagpunkt zwischen der laminaren und der turbulenten Strömung durch die adaptive Beeinflussung der Strömung in Richtung zur Tragflächenhinterkante hin verlagert wird. Daraus folgt eine Reduktion des Reibungswiderstandes der Luftströmung, da die laminare Laufstrecke der Strömung über der Tragfläche vergrößert wird. Ein aktiver Ansatz zur Verlängerung der laminaren Lauflänge besteht darin, die transitionsverursachenden instabilen Tollmien-Schlichting (TS)-Wellen durch Überlagerung mit künstlichen Gegenströmungen zu minimieren. Hierzu werden an geeigneter Stelle auf der Tragfläche Arrays von Mikroaktoren aufgebracht, die eine Dämpfung der TS-Wellen und somit eine Verzögerung der Transition ermöglichen. Derartige Arrays von Mikroaktoren können jedoch auch in anderen Fluggeräten, beispielsweise Hubschraubern und Flugkörpern zur Strömungsbeeinflussung angewendet werden. Aufgrund der häufig gekrümmten Oberflächen Tragflächen kann es vorgesehen sein, den Trägerkörper des elektromagnetischen Mikroaktors flexibel auszuführen, um das Array der elektromagnetischen Mikroaktoren der Krümmung der Tragflächen anzupassen.One Application of electromagnetic microactuators relates to a active influence of flow formation on the wing of an aircraft. A considerable one Share of the resistance of an aircraft is determined by the frictional resistance the air flow certainly. Various influencing concepts have an effect on a shift in the laminar-turbulent transition in the direction of the trailing edge of the wing out, where the transition point between the laminar and the turbulent flow through the adaptive influence of the flow in the direction of the wing trailing edge is shifted towards. This results in a reduction of the frictional resistance the air flow, because the laminar path of the flow over the wing is increased. An active approach to extension the laminar run length This is the transient-causing unstable Tollmien Schlichting (TS) waves by overlay with artificial crosscurrents to minimize. For this purpose, at a suitable location on the wing arrays applied by microactuators, which dampens the TS waves and thus a delay enable the transition. However, such arrays of microactuators can also be used in others Aircraft, For example, helicopters and missiles for flow control be applied. Due to the often curved surfaces wings can it be provided, the carrier body of the to perform electromagnetic microactuator flexible to the array of electromagnetic Microactors of curvature the wings adapt.

Weitere Einsatzmöglichkeiten zur Strömungsbeeinflussung in anderen technischen Gebieten fluidischer Systeme wie beispielsweise in der Medizintechnik oder in der μ-Anlagentechnik sind möglich. Ferner können taktile Displays mit den erfindungsgemäßen elektromagnetischen Mikroaktoren ausgeführt werden, wobei hohe Amplituden und hohe Frequenzen bei höchster räumlicher Auflösung benötigt werden. Die einzelnen Mikroaktoren können auf wenige Quadratmillimeter oder Sub-Quadratmillimeter größenreduziert werden.Further applications for flow control in other technical fields of fluidic systems such as in medical technology or in μ-technology are possible. Further can tactile displays are carried out with the electromagnetic microactuators according to the invention, where high amplitudes and high frequencies are required at the highest spatial resolution. The individual microactuators can open a few square millimeters or sub-square millimeters reduced in size become.

Vorteilhafterweise ist die Bestromung der Spule mit der Bestromung des dielektrischen Elastomeraktors synchronisierbar. Wenn die Spule bei einer Eigenfrequenz der Membran betrieben wird, dann kann eine besonders große Amplitude der Membran erwartet werden. Mit Hilfe der an die Membran angelegten Spannung, kann die Steifigkeit der Membran eingestellt werden. Hierdurch kann der Bereich, in dem große Amplituden erzeugt werden können, d. h. die Frequenzbreite, in der der elektromagnetische Aktor in Resonanz betrieben werden kann, erweitert werden. Die Synchronisation erfolgt gemäß eines Verfahrens zum Betrieb des elektromagnetischen Mikroaktors, wobei der die Membran bildende dielektrische Elastomeraktor nur innerhalb des Zeitbereiches bestromt wird, in dem auch die Membran durch Bestromung der Spule aus der Nulllage ausgelenkt wird. Durch die Bestromung des dielektrischen Elastomeraktors dehnt sich dieser bei gleichzeitiger Dickenreduktion des Elastomerfilms in Richtung der Erstreckungsebene des Elastomerfilms aus. Dabei wird sowohl die Steifigkeit der Membran reduziert als auch eine aktive Unterstützung der Auslenkung erzeugt. Durch die Verringerung der Dicke des Elastomerfilms wird die Steifigkeit verringert, wobei die Ausdehnung des Elastomerfilms aus einer Ebene der Nulllage in eine kalottenartige Wölbung übergeht, da die Membran randseitig eingespannt bzw. aufgenommen ist. Folglich überlagert sich die Auslenkung durch die Bestromung der Spule mit der Auslenkung durch die Ausdehnung des Elastomerfilms. In Ergebnis ist eine größere Amplitude der Auslenkung umsetzbar, die auch bei höheren Frequenzen im kHz-Bereich beibehalten werden kann.advantageously, is the energization of the coil with the energization of the dielectric Elastomer actuator synchronizable. If the coil at a natural frequency the diaphragm is operated, then a particularly large amplitude the membrane can be expected. With the help of the attached to the membrane Tension, the rigidity of the membrane can be adjusted. hereby can the area in which big Amplitudes can be generated d. H. the frequency width in which the electromagnetic actuator in Resonance can be extended. The synchronization takes place according to a Method for operating the electromagnetic microactuator, wherein the membrane forming dielectric elastomer actuator only within is energized in the time range, in which the membrane by energization the coil is deflected from the zero position. By the energization of the dielectric elastomer actuator expands with simultaneous reduction in thickness of the elastomeric film in the direction of the plane of extent of the elastomeric film out. Both the stiffness of the membrane is reduced as well an active support the deflection generated. By reducing the thickness of the elastomeric film the stiffness is reduced, with the expansion of the elastomeric film goes from a plane of the zero position into a dome-shaped vault, because the membrane is clamped or received at the edge. Consequently superimposed the deflection by the energization of the coil with the deflection by the extent of the elastomeric film. In result is a larger amplitude the deflection feasible, even at higher frequencies in the kHz range can be maintained.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des elektromagnetischen Mikroaktors ist die Spule als Mikrospule ausgeführt und mittels einer Dünnfilmtechnik auf dem Trägerkörper und/oder auf der Oberfläche der Membran aufgebracht. Im nicht bestromten Zustand der Spule sowie des Elastomeraktors können die Membran sowie die planare Spule jeweils parallel zueinander auf dem Trägerkörper aufgebaut sein. Lediglich durch Bestromung der Spule und des Elastomeraktors wird eine kalottenartige Auswölbung der Membran erzeugt, so dass sich der Abstand zwischen der Membran und dem Trägerkörper vergrößert. Die Miniaturisierung des Mikroaktors kann beispielsweise mittels der LIGA-Technik umge setzt werden, die ein Verfahren mit den Schritten der Lithographie, Galvanik und Abformung beschreibt. Mittels dieser Technik sind Bauteile mit hohen Aspektverhältnissen auf einem als Substrat ausgeführten Trägerkörper erzeugbar, wodurch eine starke Miniaturisierung sowohl der Spule als auch der Membran möglich ist. Dadurch, dass in dieser Technologie besonders hohe Kerne hergestellt werden können, kann das elektromagnetische Potenzial erheblich gesteigert werden.According to one further advantageous embodiment of the electromagnetic microactuator is the coil as a microcoil accomplished and by means of a thin-film technique on the carrier body and / or on the surface applied to the membrane. In the non-energized state of the coil as well of the elastomer actuator the membrane and the planar coil in each case parallel to each other built on the carrier body be. Only by energizing the coil and the elastomer actuator becomes a dome-shaped bulge the membrane is generated, so that the distance between the membrane and the carrier body enlarged. The Miniaturization of the microactuator, for example, by means of LIGA technology is implemented, which is a procedure with the steps which describes lithography, electroplating and impression taking. By means of this Technology are components with high aspect ratios on a substrate executed Carrier body generated, causing a strong miniaturization of both the coil and the Membrane possible is. Due to the fact that particularly high cores are produced in this technology can, can the electromagnetic potential is increased considerably.

Die Ankerkörper können als Permanentmagnet oder als weichmagnetischer oder dimagnetischer Körper ausgeführt sein, welcher beispielsweise an der Membran angeordnet ist, wobei der Ankerkörper mit dem Magnetfeld der Spule zur Erzeugung der Auslenkung der Membran zusammenwirkt. Das Magnetfeld wird dabei durch die auf dem Trägerkörper aufgebrachte Spule erzeugt. Alternativ ist möglich, dass die Spule auf der Membran angeordnet ist, und der Ankerkörper einen Kern auf dem Trägerkörper bildet, der fest auf diesem aufgebracht ist.The anchor body can be designed as a permanent magnet or as a soft magnetic or dimagnetic body, which is arranged for example on the membrane, wherein the Anchor body with the magnetic field of the coil for generating the deflection of the membrane interacts. The magnetic field is applied by the applied on the carrier body Coil generated. Alternatively it is possible that the coil is disposed on the membrane, and the anchor body a Core forms on the carrier body, which is firmly attached to this.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Spule auf einem Spulenkern aufgebaut, wobei dieser als geschichteter Spulenkern mit einer hohen Magnetisierbarkeit ausgebildet ist. Dadurch kann der elektromagnetische Fluss durch die Bestromung der Spule weiter erhöht werden, so dass auch die Leistungsdichte des elektromagnetischen Mikroaktors weiter erhöht wird. Auch der Aufbau der Spule sowie des Spulenkerns kann mittels der LIGA-Technik erfolgen.According to a further advantageous embodiment, the coil is constructed on a coil core, wherein this as a layered coil core with a high magnetizability is formed. Thereby, the electromagnetic flux can be further increased by the energization of the coil, so that the power density of the electromagnetic microactuator is further increased. The structure of the coil and the coil core can also be done by means of the LIGA technique.

Vorteilhafterweise sind vier Spulen vorgesehen, die auf dem Trägerkörper in einer jeweils um 90° zueinander versetzten Anordnung auf diesen aufgebracht sind. Die Spulen sind als planare Spulen ausgebildet, wobei die Anordnung der Spulen je nach Anwendungsfall auch als Dipol, Quadrupol und so weiter erfolgen kann. Dadurch kann bei Aufbau eines Arrays aus einer Vielzahl von Mikroaktoren die gegenseitige Beeinflussung durch die entstehenden elektromagnetischen Felder minimiert werden, in dem die Anordnung der planaren Spulen derart vorgesehen wird, dass das magnetische Feld auf den Raum des einzelnen Mikroaktors begrenzt bleibt.advantageously, four coils are provided on the carrier body in each case at 90 ° to each other staggered arrangement are applied to this. The coils are designed as planar coils, wherein the arrangement of the coils depending after application also as dipole, quadrupole and so on can. As a result, when constructing an array of a plurality of Mikroaktoren the mutual influence of the resulting electromagnetic Fields are minimized, in which the arrangement of the planar coils is provided so that the magnetic field on the space of individual microactuator remains limited.

Zur Bestromung der Spulen sind Leiterbahnen auf dem Trägerkörper aufgebracht, welche randseitig am Trägerkörper in Kontaktpads enden. Bei Aufbau eines Arrays durch eine Vielzahl von Mikroaktoren können die einzelnen Aktoren untereinander verschaltet sein, um eine jeweils separate Kontaktierung der Mikroaktoren an eine Peripherie zu vermeiden. Die Kontaktierung des dielektrischen Elastomeraktors kann ebenfalls durch Leiterbahnen sowie entsprechende Kontaktpads vorgesehen werden, welche im Bereich der Aufnahme der Membran angeordnet sind.to Energizing the coils, printed conductors are applied to the carrier body, which at the edge of the carrier body in Contact pads end. When building an array by a variety of Microactors can the individual actuators are interconnected to each other to avoid separate contacting of the microactuators to a periphery. The contacting of the dielectric elastomer actuator can also be provided by printed conductors and corresponding contact pads, which are arranged in the region of the recording of the membrane.

Vorteilhafterweise ist der Ankerkörper zwischen den vier Spulen an der Seite der Membran zentrisch angeordnet, wobei die Seite der Anordnung des Ankerkörpers auf der Membran in Richtung der Spulen weist. Vorzugsweise ist der Ankerkörper entweder mit einer runden oder einer quadratischen Querschnittsgeometrie ausgeführt, wobei eine quadratische Querschnittsgeometrie bei vierfach vorgesehenen planeren Spulen mit einem jeweiligen Versatz von 90° zueinander eine vorteilhafte Ausführungsform bildet.advantageously, is the anchor body centered between the four coils on the side of the membrane, the side of the arrangement of the anchor body on the membrane in the direction the coil points. Preferably, the anchor body is either with a round or a square cross-sectional geometry, wherein a quadratic cross-sectional geometry provided with quadruple Plane coils with a respective offset of 90 ° to each other an advantageous embodiment forms.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Spule kann diese eine toroidartige Form aufweisen, wobei sich der Ankerkörper in einen in der toroidartigen Spule eingebrachten Spalt hinein erstreckt. Gemäß diesem Aufbau kann eine sehr hohe Flussdichte des Magnetfeldes innerhalb des Ankerkörpers erzeugt werden, wodurch das Leistungspotenzial des Mikroaktors weiter erhöht wird.According to one another embodiment the coil may have a toroidal shape, wherein the anchor body extends into a gap introduced in the toroidal coil. According to this Build up can be a very high flux density of the magnetic field inside of the anchor body can be generated, thereby further enhancing the performance potential of the microactuator elevated becomes.

Schließlich sieht noch eine vorteilhafte Ausführungsform vor, dass die Spule als planere Spule ausgebildet ist. Dabei kann die Spulengeometrie beispielsweise rund sein oder die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen.Finally sees another advantageous embodiment before, that the coil is designed as a planar coil. It can For example, the coil geometry may be round or the shape of a regular polygon exhibit.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Further, the invention improving measures will be described below together with the description of preferred embodiments of the invention with reference to the figures shown in more detail.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematische Ansicht eines Querschnitts eines elektromagnetischen Mikroaktors; 1 a schematic view of a cross section of an electromagnetic microactuator;

2 eine schematische Darstellung eines dielektrischen Elastomeraktors sowohl im nicht bestromten als auch im bestromten Zustand; 2 a schematic representation of a dielectric elastomer actuator both in the non-energized and in the energized state;

3 eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetischen Mikroaktors mit vier planaren Spulen, welche gleich verteilt um einen Permanentmagneten angeordnet sind und wobei die Spulen durch Leiterbahnen kontaktiert sind; 3 a perspective view of an electromagnetic microactuator with four planar coils, which are arranged distributed evenly around a permanent magnet and wherein the coils are contacted by conductor tracks;

4 eine Querschnittsansicht des elektromagnetischen Mikroaktors gemäß der 3; 4 a cross-sectional view of the electromagnetic microactuator according to the 3 ;

5 eine perspektivische Ansicht eines elektromagnetischen Mikroaktors gemäß der 3 mit einem quadratisch ausgeführten Permanentmagneten, welcher an einer Membran angeordnet ist, die als dielektrischer Elastomeraktor ausgeführt ist und 5 a perspective view of an electromagnetic microactuator according to the 3 with a square-shaped permanent magnet, which is arranged on a membrane which is designed as a dielectric elastomer actuator and

6 eine perspektivische Ansicht einer Spule mit einer toroidartigen Form und einem Spalt, in dem sich der Permanentmagnet hinein erstreckt, wobei der Permanentmagnet an einer als dielektrischer Elastomerkörper ausgeführte Membran angeordnet ist. 6 a perspective view of a coil having a toroidal shape and a gap in which the permanent magnet extends into, wherein the permanent magnet is disposed on a membrane designed as a dielectric elastomer body.

Der elektromagnetische Mikroaktor in 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der schematisch dargestellte Mikroaktor 1 umfasst einen Trägerkörper 2, auf dem die einzelnen Komponenten des Mikroaktors 1 mittels einer Dünnschichttechnik aufeinander aufgebaut sind. Angrenzend an den Trägerkörper 2 befinden sich zwei Spulen 3, die einen Spulenkern 9 umfassen. Aufbauend auf die Spulen 3 folgt ein Abstandshalter 12, welcher einteilig ausgeführt ist und gemäß der Darstellung im Querschnitt sowohl linksseitig als auch rechtsseitig oberhalb der Spulen 3 dargestellt ist. Auf dem Abstandshalter 12 ist eine Membran 4 aufgebracht, welche in einer ausgelenkten Stellung dargestellt ist. Die Nulllage der Membran 4 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Zentrisch unter der Membran 4 ist als Ankerkörper ein Permanentmagnet 8 angeordnet, welcher durch das Magnetfeld, dass durch eine Bestromung der Spulen 3 erzeugt wird, aus der Nulllage ausgelenkt wird. Durch die Auslenkung des Permanentmagneten 8 erfolgt gleichfalls die Auslenkung der Membran 4. Erfindungsgemäß ist die Membran 4 als dielektrischer Elastomeraktor ausgebildet, wobei der Aufbau der Membran 4 in 2 beschrieben ist.The electromagnetic microactuator in 1 is with the reference numeral 1 designated. The schematically illustrated microactuator 1 comprises a carrier body 2 on which the individual components of the microactuator 1 are built on each other by means of a thin-film technique. Adjacent to the carrier body 2 There are two coils 3 that has a coil core 9 include. Building on the coils 3 follows a spacer 12 , which is made in one piece and as shown in cross section both left side and right side above the coils 3 is shown. On the spacer 12 is a membrane 4 applied, which is shown in a deflected position. The zero position of the membrane 4 is shown by a dashed line. Centric under the membrane 4 is an anchor magnet as a permanent magnet 8th arranged, which by the magnetic field, that by an energization of the coils 3 is generated, is deflected from the zero position. Due to the deflection of the permanent magnet 8th Likewise, the deflection of the meme occurs bran 4 , According to the invention, the membrane 4 formed as a dielectric elastomer actuator, wherein the structure of the membrane 4 in 2 is described.

2 zeigt eine Membran 4, die erfindungsgemäß als dielektrischer Elastomeraktor ausgebildet ist. Als Elastomermaterialien werden häufig Silikone oder Acryle verwendet. Derartige Materialien zeichnen sich durch einen sehr niedrigen Elastizitätsmodul aus und weisen zugleich eine hohe Dielektrizitätskonstante sowie eine hohe Durchschlagfestigkeit gegen elektrische Potenziale auf. Die Bestromung des dielektrischen Elastomeraktors kann mit abnehmender Dicke des Elastomerfilms 5 verringert werden, um die Gefahr von Spannungsdurchschlägen zu verringern. An den Grenzflächen des Elastomerfilms 5 ist gemäß der Darstellung unterhalb des Elastomerfilms 5 eine erste Elektrodenbeschichtung 6 und oberhalb eine zweite Elektrodenbeschichtung 7 aufgebracht. In der linksseitigen Darstellung der 2 befindet sich die Anordnung aus Elastomerfilm 5 und den Elektrodenbeschichtun gen 6 und 7 in einem nicht bestromten Zustand. in der rechtsseitigen Anordnung, angedeutet durch eine Erdung sowie einem Spannungsanschluss (V), ist der Elastomerfilm 5 über die Elektrodenbeschichtungen 6 und 7 bestromt. Die orthogonal auf die Erstreckungsebene des Elastomerfilms 5 weisenden Pfeile deuten eine Verringerung der Dicke an, wobei die Pfeile in Erstreckungsrichtung des Elastomerfilms 5 die Ausdehnungsrichtungen des Elastomerfilms 5 darstellen. Im Vergleich zur rechtsseitigen Darstellung des Elastomerfilms 5 ist dieser dünner, wobei die lateralen Abmessungen zunehmen. Das Material des Elastomerfilms 5 weist Volumenkonstanz auf, da vorzugsweise ein inkompressibles Material gewählt wird. Aufgrund der Volumenkonstanz nimmt die laterale Erstreckung linear zur Verringerung der Dicke zu. Durch diese Anordnung eines Elastomerfilms 5 mit den beidseitigen Elektrodenbeschichtungen 6 und 7 wird auf einfache Weise ein Aktor bereitgestellt, welcher erfindungsgemäß als Membran eines Mikroaktors gemäß der Darstellung in 1 eingesetzt wird. 2 shows a membrane 4 , which is formed according to the invention as a dielectric Elastomeraktor. As elastomeric materials often silicones or acrylics are used. Such materials are characterized by a very low modulus of elasticity and at the same time have a high dielectric constant and a high dielectric strength against electrical potentials. The energization of the dielectric elastomer actuator may decrease as the thickness of the elastomeric film decreases 5 be reduced to reduce the risk of voltage breakdowns. At the interfaces of the elastomeric film 5 is as shown below the elastomeric film 5 a first electrode coating 6 and above a second electrode coating 7 applied. In the left-hand illustration of the 2 is the arrangement of elastomeric film 5 and the electrode coatings 6 and 7 in a non-energized state. in the right-hand arrangement, indicated by a ground and a voltage terminal (V), is the elastomeric film 5 over the electrode coatings 6 and 7 energized. The orthogonal to the plane of extension of the elastomeric film 5 pointing arrows indicate a reduction in thickness, the arrows in the direction of extension of the elastomeric film 5 the expansion directions of the elastomeric film 5 represent. Compared to the right side representation of the elastomeric film 5 this is thinner, with the lateral dimensions increase. The material of the elastomeric film 5 has volume constancy, since preferably an incompressible material is selected. Due to the volume constancy, the lateral extent increases linearly to reduce the thickness. By this arrangement of an elastomeric film 5 with the two-sided electrode coatings 6 and 7 an actuator is provided in a simple manner, which according to the invention as a membrane of a microactuator as shown in FIG 1 is used.

3 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines elektromagnetischen Mikroaktors 1 mit einem Trägerkörper 2, auf dem vier 90° zueinander angeordnete planare Spulen 3 aufgebracht sind. Auf einem auf dem Trägerkörper 2 aufgebrachten Abstandshalter 12 ist eine Membran 4 aufgebracht, welche einen zentrisch angeordneten als Permanentmagneten 8 ausgebildeten Ankerkörper aufweist. Die Spulen 3 sind jeweils mittels Leiterbahnen 10 kontaktiert, wobei die Leiterbahnen 10 randseitig des Trägerkörpers 2 in Kontaktpads 11 enden. Damit bildet gemäß der Darstellung und den Abmessungen des Trägerkörpers 2 die Anordnung einen einzelnen Mikroaktor 1, welcher bei in einer Ebene jeweils benachbarten Anordnung einer Vielzahl von Mikroaktoren 1 einen Array bilden kann. Folglich bietet sich eine rechteckige Form des Trägerkörpers 2 an, um jeweils randseitig benachbart einen weiteren Mikroaktor 1 anzuordnen. 3 shows an exemplary structure of an electromagnetic microactuator 1 with a carrier body 2 , on the four 90 ° to each other arranged planar coils 3 are applied. On one on the carrier body 2 applied spacer 12 is a membrane 4 applied, which has a centrally arranged as a permanent magnet 8th having trained anchor body. The spools 3 are each by means of interconnects 10 contacted, wherein the conductor tracks 10 edge of the carrier body 2 in contact pads 11 end up. This forms according to the representation and the dimensions of the carrier body 2 the arrangement a single microactuator 1 , which in a plane in each case adjacent arrangement of a plurality of microactuators 1 can form an array. Consequently, a rectangular shape of the carrier body offers itself 2 to each edge adjacent another microactuator 1 to arrange.

4 zeigt eine Querschnittsdarstellung des Mikroaktors 1 gemäß der 3. Erkennbar sind hierin sowohl linksseitig als auch rechtsseitig eine Spule 3 im Querschnitt, wobei mittig eine weitere Spule 3 in der Seitenansicht im nicht geschnittenen Zustand dargestellt ist. Unterseitig unter der Membran 4 ist die Anordnung des Permanentmagneten 8 erkennbar, welche durch eine Bestromung der Spulen 3 in vertikaler Richtung auslenkbar ist. 4 shows a cross-sectional view of the microactuator 1 according to the 3 , Recognizable herein are both left and right side a coil 3 in cross-section, with a center coil another coil 3 is shown in the side view in the uncut state. Lower side under the membrane 4 is the arrangement of the permanent magnet 8th recognizable, which by energizing the coils 3 is deflectable in the vertical direction.

5 zeigt eine weitere Darstellung eines elektromagnetischen Mikroaktors 1 mit einem Trägerkörper 2, auf dem vier 90° zueinander versetzt angeordnete Spulen 3 aufgebracht sind. Die Spulen sind jeweils über Leiterbahnen 10 kontaktiert, welche in Kontaktpads 11 enden. Die planare Ausbildung sowohl der Spulen 3 als auch der Leiterbahnen 10 und der Kontaktpads 11 wird durch eine Dünnschichttechnik ermöglicht, mittels der der Aufbau des Mikroaktors 1 auf dem Trägerkörper 2 erzeugt wird. Auf dem planaren Aufbau der Spulen 3 sowie der Leiterbahnen 10 ist ein Abstandshalter 12 aus einem weiteren Kunststoffmaterial aufgebaut, welcher ebenfalls mittels Dünnschichttechnik aufgebracht werden kann. Der Bereich der Kontaktpads 11 bleibt frei, um eine externe Kontaktierung zu schaffen, so dass der Abstandshalter 12 nicht über die Kontaktpads 11 hinausragt. Mittig zwischen den Spulen 3 ist als Ankerkörper ein Permanentmagnet 8 dargestellt, welcher einen quadratischen Querschnitt aufweist. Der Permanentmagnet 8 ist unterseitig an einer Membran 4 angebracht, so dass durch Bestromung der Spulen 3 der Permanentmagnet 8 und damit die Membran 4 auslenkbar ist. 5 shows a further illustration of an electromagnetic microactuator 1 with a carrier body 2 , on the four 90 ° offset from each other arranged coils 3 are applied. The coils are each via interconnects 10 contacted, which in contact pads 11 end up. The planar design of both the coils 3 as well as the tracks 10 and the contact pads 11 is made possible by a thin-film technique, by means of which the structure of the microactuator 1 on the carrier body 2 is produced. On the planar construction of the coils 3 as well as the tracks 10 is a spacer 12 constructed of a further plastic material, which can also be applied by means of thin-film technology. The range of contact pads 11 remains free to create an external contact, leaving the spacer 12 not over the contact pads 11 protrudes. Midway between the coils 3 is an anchor magnet as a permanent magnet 8th represented, which has a square cross-section. The permanent magnet 8th is on the underside of a membrane 4 attached so that by energizing the coils 3 the permanent magnet 8th and thus the membrane 4 is deflectable.

6 zeigt eine toroidartige Ausbildung einer Spule 3, welche für einen elektromagnetischen Mikroaktor 1 gemäß der 1 Anwendung finden kann. Die Spule 3 ist ringförmig mit einem Spalt ausgebildet, in dem sich der Permanentmagnet 8 hinein erstreckt. Der Permanentmagnet 8 ist auf gleiche Weise mit der Membran 4 verbunden, so dass die Auslenkung bei Bestromung der Spule erfolgen kann. Dadurch, dass sich der Permanentmagnet 8 in den Spalt der toroidartigen Spule 3 hinein erstreckt, besteht die Möglichkeit, den Permanentmagneten 8 einem starken elektromagnetischen Fluss auszusetzen. Dadurch kann die Leistungsdichte eines Mikroaktors weiter erhöht werden. 6 shows a toroidal design of a coil 3 which is for an electromagnetic microactuator 1 according to the 1 Application can be found. The sink 3 is annularly formed with a gap in which the permanent magnet 8th extends into it. The permanent magnet 8th is in the same way with the membrane 4 connected, so that the deflection can take place when energizing the coil. Due to the fact that the permanent magnet 8th into the gap of the toroidal coil 3 extends, there is the possibility of the permanent magnet 8th to expose you to a strong electromagnetic flow. As a result, the power density of a microactuator can be further increased.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The Restricted invention in their execution not to the preferred embodiment given above. Rather, a number of variants is conceivable, which of the illustrated solution also at basically different types Use.

11: elektromagnetischer Mikroaktorelectromagnetic microactuator
22: Trägerkörpersupport body
33: SpuleKitchen sink
44: Membranmembrane
55: Elastomerfilmelastomer film
88th: Elektrodenbeschichtungelectrode coating
77: Elektrodenbeschichtungelectrode coating
88th: Ankerkörper (Permanentmagnet)Anchor body (permanent magnet)
99: SpulenkernPlunger
1010: Leiterbahnconductor path
1111: Kontaktpadcontact pad
1212: Abstandshalterspacer

Claims

Electromagnetic microactuator ( 1 ) mounted on a support body ( 2 ) and at least one coil ( 3 ) and a membrane ( 4 ), which by energizing the coil ( 3 ) is deflectable, characterized in that the membrane ( 4 ) is formed from a currentable dielectric elastomer actuator comprising an elastomeric film ( 5 ) with a double-sided electrode coating ( 6 . 7 ) having.

Electromagnetic microactuator ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the energization of the coil ( 3 ) is synchronized with the energization of the dielectric elastomer actuator.

Electromagnetic microactuator ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coil ( 3 ) designed as a micro-coil and by means of a thin-film technique on the support body ( 2 ) and / or on the surface of the membrane ( 4 ) is applied.

Electromagnetic microactuator ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that on the membrane ( 4 ) at least one anchor body ( 8th ) is arranged, with which the magnetic field of the coil ( 3 ) for generating a deflection of the membrane ( 4 ) cooperates, wherein the magnetic field by the on the support body ( 2 ) applied coil ( 3 ) is producible.

Electromagnetic microactuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coil ( 3 ) on a spool core ( 9 ), wherein this as a layered coil core ( 9 ) is formed with a high magnetizability.

Electromagnetic microactuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that four coils ( 3 ) are provided on the support body ( 2 ) are applied in an offset by 90 ° to each other arrangement on this.

Electromagnetic microactuator ( 1 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that for energizing the coils ( 3 ) Conductor tracks ( 10 ) on the carrier body ( 2 ) are applied, which at the edge of the carrier body ( 2 ) in contact pads ( 11 ) end up.

Electromagnetic microactuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the anchor body ( 8th ) centrically between the four coils ( 3 ) on the side of the membrane ( 4 ) is arranged, which in the direction of the coil ( 3 ) and has a round or square cross-sectional geometry.

Electromagnetic microactuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coil ( 3 ) has a toroidal shape, wherein the anchor body ( 8th ) into one in the coil ( 3 ) introduced gap in right.

Electromagnetic microactuator ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coil ( 3 ) is designed as a planar coil.

Method for operating an electromagnetic microactuator ( 1 ), which is designed according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane ( 4 ) is energized within the time range in which also the membrane ( 4 ) by energizing the coil ( 3 ) is deflected from the zero position.