DE102013206429A1

DE102013206429A1 - Dielektrischer Aktuator

Info

Publication number: DE102013206429A1
Application number: DE102013206429.2A
Authority: DE
Inventors: Hans-Richard Kretschmer; Arno Steckenborn; Oliver Theile
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2014-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen dielektrischer Aktuator (10, 20) mit wenigstens zwei Elektrodenschichten (14), zwischen denen eine elektrisch isolierende und zugleich elastische Folienschicht (12) angeordnet ist, wobei die Schichten (12, 14) so angeordnet sind, dass benachbarte Schichten (12, 14) aneinander anliegen und die beiden Elektrodenschichten (14) mit unterschiedlichem elektrischen Potential beaufschlagbar sind, wobei mindestens eine der Elektrodenschichten (14) einen Bereich mit geringer und einen Bereich mit hoher elektrischer Leitfähigkeit aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen dielektrischen Aktuator mit wenigstens zwei Elektrodenschichten, zwischen denen eine elektrisch isolierende und zugleich elastische Folienschicht angeordnet ist, wobei die Schichten so angeordnet sind, dass benachbarte Schichten aneinander anliegen und die beiden Elektrodenschichten mit unterschiedlichem elektrischen Potential beaufschlagbar sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Aktuators.
Ein Aktuator ist dem Grunde nach ein Antrieb in Form eines Energiewandlers, der Energie in eine mechanische Bewegung (Aktion) wandelt. Aktuatoren nutzen in der Regel elektrische, magnetische, elektromagnetische, hydraulische und/oder pneumatische Energie zur Wandlung. Die mechanische Bewegung kann eine Linearbewegung, insbesondere eine Hubbewegung, eine Rotation, Kombinationen hiervon oder dergleichen sein. Ein Aktuator kann die Energiewandlung in Anhängigkeit eines Steuersignals ausführen. Das Steuersignal kann auch dadurch gebildet sein, dass wandelbare Energie am Aktuator bereitsteht beziehungsweise bereitgestellt wird. Aktuatoren können ferner für eine reversible Wandlung vorgesehen sein, das heißt, eine mechanische Bewegungsenergie in eine andere Energieform wandeln.
Ein dielektrischer Aktuator ist ein Aktuator, der elektrische Energie unter Vermittlung eines elektrischen Feldes in eine Bewegung wandelt. Bekannte dielektrische Aktuatoren nutzen hierfür Werkstoffe, die den piezoelektrischen Effekt zeigen.
Ein gattungsgemäßer dielektrischer Aktuator, der als Piezo-Aktuator ausgebildet ist, ist beispielsweise durch die DE 10 2006 017 034 A1 offenbart. Ein steuerbarer Piezo-Stapel wird genutzt, um eine Düsennadel zum Öffnen und Schließen einer Düse zu betätigen. Zu diesem Zweck erhält der Piezo-Stapel Steuersignale, so dass der Piezo-Stapel eine Hubbewegung ausführen kann, die zum Betätigen der Düsennadel dient.
Obwohl sich der vorbeschriebene Piezo-Aktuator bewährt hat, besteht dennoch Verbesserungsbedarf. So ist der Hub, der mit dem Piezo-Stapel erreichbar ist, vergleichsweise klein. Daraus resultiert eine große Bauform des dielektrischen Aktuators, insbesondere auch im Hinblick auf Miniaturisierung.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen dielektrischen Aktuator der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, dass er sich besser miniaturisieren lässt und zugleich eine dauerhaft zuverlässige Funktion bereitstellt. Ferner soll ein geeignetes Herstellungsverfahren für einen derartigen dielektrischen Aktuator angegeben werden.
Als Lösung wird mit der Erfindung vorrichtungsseitig vorgeschlagen, dass mindestens eine der Elektrodenschichten einen Bereich mit geringer und einen Bereich mit hoher elektrischer Leitfähigkeit aufweist.
Die Erfindung nutzt dabei die Möglichkeit, einen dielektrischen Aktuator derart auszugestalten, dass er einen aktiven Bereich aufweist, der die gewünschte Aktion bereitstellt. Die Erfindung erlaubt es somit, auf einfache Weise miniaturisierte dielektrische Aktuatoren bereitzustellen. Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, dass der Schichtaufbau dazu genutzt werden kann, mehrere aktive Bereiche bereitzustellen, die darüber hinaus auch unabhängig voneinander aktivierbar sind. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine hohe Integration und Miniaturisierung erreichen. Die Erfindung kommt dem Grunde nach somit ohne Nutzung elektrosensitiver Effekte – wie dem piezo-elektrischen Effekt, aus.
Vorzugsweise bilden die Schichten einen Stapelaufbau aus. Der Stapelaufbau kann auch ergänzend weitere Folien- und Elektrodenschichten aufweisen, die jeweils abwechselnd ergänzend angeordnet sind. Vorzugsweise ist eine Elektrodenschicht außer in den Endbereichen des Stapelaufbaus beidseitig benachbart zu jeweils einer Folienschicht angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung ist die Anzahl der Elektrodenschichten um eins größer als die Anzahl der Folienschichten. Dadurch kann der Aktuator an einen gewünschten Hubweg und/oder eine gewünschte Kraftwirkung angepasst werden.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass sich mit Einsatz von elektrisch isolierenden und zugleich elastischen Folien eine besonders große mechanische Bewegung erreichen lässt. Eine elektrisch isolierende und zugleich elastische Folienschicht ist eine Schicht aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise einem Kunststoff wie einem Polymer oder dergleichen, dessen Geometrie sich unter Einwirkung einer mechanischen Krafteinwirkung ändert, wie zum Beispiel aufgrund des Hook’schen Gesetzes oder dergleichen. Vorzugsweise weist die Folienschicht eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit auf.
So weisen zum Beispiel dielektrische Elastomere gegenüber piezokeramischen Werkstoffen eine größere relative Längenänderung in Bezug auf die zugrundeliegende elektrische Feldstärke auf. So benötigt beispielsweise ein Aktuator auf Basis von Piezo-Keramik für eine Längenausdehnung von 1 ‰ bereits eine Feldstärke in Größenordnung von 1 kV/mm. Bei Einsatz derartiger Aktuatoren auf Basis von Piezo-Keramik müssen deshalb zum Beispiel bei Nutzung in Einspritzventilen mehr als 80 Aktuatorschichten gestapelt werden, um den erforderlichen Hub bereitstellen zu können. Eine Anwendung in der Mikrotechnik ist dadurch sehr behindert.
Mit Einsatz von dielektrischen Elastomeren kann dieser Nachteil erheblich reduziert werden. Bereits mit einer deutlich geringeren Anzahl an Schichten kann bei reduzierter Bauform ein vergleichbarer Hub erreicht werden. Die in dem Stapelaufbau angeordneten Elektrodenschichten können abwechselnd parallel geschaltet sein, so dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden dadurch entstehenden Anschlüsse eine Aktivierung sämtlicher Folienschichten erreicht werden kann. Die Differenz der elektrischen Potentiale zwischen benachbarten Elektrodenschichten beziehungsweise die angelegte elektrische Spannung kann zum Beispiel im Bereich von 600 V bis 1000 V liegen. Durch die elektrisch isolierenden Eigenschaften der Folienschicht sind die Elektrodenschichten untereinander elektrisch isoliert angeordnet, so dass sie mit unterschiedlichem elektrischen Potential, dass heißt, mit einer elektrischen Spannung, beaufschlagbar sind.
Die Folienschichten können Dicken von beispielsweise 10 µm bis 30 µm aufweisen und vorzugsweise eine Durchbruchspannung von mehr als 100 V/µm bereitstellen. Auf diese Weise lassen sich mit dem dielektrischen Aktuator gemäß der Erfindung problemlos Bewegungswege im Bereich von zum Beispiel 20 bis 50 µm erreichen.
Zweckmäßigerweise ist ferner vorgesehen, dass eine laterale Bewegung der Schichten quer zur Schichtabfolge des Stapelaufbaus erlaubt ist. Vorzugsweise sind Elektrodenschichten in der Schichtabfolge abwechselnd mit dem gleichen elektrischen Potential beaufschlagbar. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass jede Elektrodenschicht mit einem Anschlussbereich versehen wird, wobei die Anschlussbereiche in der Schichtabfolge derart räumlich angeordnet sind, dass sich die Anschlussbereiche aufeinanderfolgender, mit unterschiedlichem elektrischen Potential zu beaufschlagender Elektrodenschichten nicht überlappen. Dadurch können die mit gleichem elektrischem Potential zu beaufschlagenden Elektrodenschichten auf einfache Weise mittels einer Metallisierung, auch Schoopierung genannt, parallelgeschaltet werden. Zu diesem Zweck können die Anschlussbereiche mit der Folienschicht in Schichtebene abschließen oder sie gegebenenfalls auch überragen.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Schichten miteinander verbunden sind. Dadurch kann erreicht werden, dass der Aktuator nicht nur eine Druckkraft, sondern darüber hinaus auch eine Zugkraft bereitstellen kann. Die Schichten sind in dieser Ausgestaltung in Bewegungsrichtung, vorzugsweise in Schichtabfolge, miteinander verbunden. Die Verbindung kann durch Herstellungstechniken bereitgestellt werden, beispielsweise durch Laminieren oder dergleichen. Sie kann aber auch durch Kleben, Verspannen, Kombinationen hiervon oder dergleichen ausgeführt sein.
Die Elektrodenschicht kann zum Beispiel durch eine elektrisch leitfähige Fläche gebildet sein, die sowohl eine bewegliche Metallisierungsschicht als auch ein bewegliches, elektrisch leitfähiges Polymer sein kann.
Die aktive Fläche der Elektrodenschicht kann kleiner sein als die Fläche der Folienschicht, so dass die Folienfläche in den Randbereichen die Elektrodenschicht überragt. Dadurch kann insbesondere in Randbereichen die elektrische Isolation verbessert werden.
Der Bereich hoher elektrischer Leitfähigkeit kann beispielsweise eine Leitfähigkeit aufweisen, wie sie durch Metalle wie Kupfer, Aluminium, Silber, Legierungen hiervon und/oder dergleichen bereitgestellt werden kann. Dagegen ist ein Bereich mit geringer elektrischer Leitfähigkeit ein Bereich, der vorzugsweise keinen signifikanten Stromfluss erlaubt, insbesondere ein elektrisch isolierender Bereich sein kann. Die Ausgestaltung der Elektrodenschicht mittels Bereichen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit erlaubt es, den dielektrischen Aktuator auf einfache Weise zu miniaturisieren. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine große Elektrodenschicht ausgebildet wird, die jedoch lediglich einen sehr kleinen Bereich hoher elektrischer Leitfähigkeit aufweist. Dieser kann in einer aktiven Zone des dielektrischen Aktuators angeordnet sein, so dass eine Funktion des dielektrischen Aktuators lediglich in der aktiven Zone bereitgestellt wird. Andere Bereiche außerhalb der aktiven Zone sind somit zum Beispiel nicht aktiv, so dass keine unerwünschten Nebenaktionen auftreten können. So lässt sich ein miniaturisierter Aktuator mit Makrobauteilen realisieren, was eine einfache Herstellung des dielektrischen Aktuators der Erfindung erlaubt. Natürlich können bedarfsgerecht auch zwei oder mehrere aktive Zonen vorgesehen sein. Vorzugsweise ist der Bereich hoher elektrischer Leitfähigkeit bei benachbarten, insbesondere bei allen Elektrodenschichten ausgebildet. Die Bereiche hoher elektrischer Leitfähigkeit können im Wesentlichen gleich ausgebildet sein. Insbesondere sind die Bereiche hoher elektrischer Leitfähigkeit – zum Beispiel bei Anordnung im gestapelten Aufbau – überdeckend benachbart beziehungsweise zueinander angeordnet.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass der Bereich mit hoher elektrischer Leitfähigkeit durch eine elektrisch leitfähige Struktur in der Elektrodenschicht ausgebildet ist. Es wurde festgestellt, dass bei Elektrodenschichten, die eine durchgehend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, während des bestimmungsgemäßen Betriebs des dielektrischen Aktuators Verformungen auftreten können, die zu einer Abweichung vom planen Aufbau der Schichten des Stapelaufbaus führen können. Derartige Abweichungen führen dann in der Folge zu Störungen des bestimmungsgemäßen Betriebs beziehungsweise können sogar einen Ausfall des dielektrischen Aktuators zur Folge haben. Dadurch, dass der Bereich mit hoher elektrischer Leitfähigkeit mit einer Struktur versehen wird, können solche Abweichungen von der planen Schichtausbildung weitgehend vermieden, zumindest jedoch reduziert werden. Insbesondere, wenn sehr kleine oder eine Vielzahl aktiver Zonen vorgesehen sind, kann hierdurch eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der bestimmungsgemäßen Funktion erreicht werden.
Die Struktur im elektrisch hoch leitfähigen Bereich ist durch eine Inhomogenität der elektrischen Leitfähigkeit in diesem Bereich gebildet, sodass vermieden wird, dass der Bereich hoher elektrischer Leitfähigkeit eine im Wesentlichen einheitliche, gleichmäßige elektrische Leitfähigkeit, das heißt, einen durchgehenden Bereich homogener elektrischer Leitfähigkeit aufweist. Besonders vorteilhaft wird diese Struktur dadurch ausgebildet, dass der Bereich hoher elektrischer Leitfähigkeit von elektrisch isolierenden Abschnitten derart durchzogen beziehungsweise unterbrochen ist, dass der verbleibende elektrisch leitfähige Teil elektrisch leitend verbunden ist. Die Struktur kann zum Beispiel in Form einer Mäanderstruktur, einer Baumstruktur, Kurvenstrukturen, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen ausgebildet sein.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Ausbilden der Bereiche mit geringer und hoher elektrischer Leitfähigkeit der Elektrodenschicht die geometrischen Abmessungen der Elektrodenschicht nicht beeinträchtigt. Erreicht werden kann dies dadurch, dass beispielsweise eine Elektrodenschicht vollständig mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bereitgestellt wird, wobei Bereiche mit geringer elektrischer Leitfähigkeit durch Behandlung der Elektrodenschicht in den entsprechenden Bereichen gebildet werden können.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Elektrodenschicht durch eine zumindest bereichsweise elektrisch leitfähige Folie, insbesondere ein Polymer, gebildet ist. Dem Grunde nach kann die elektrisch leitfähige Folie durch Graphitpulver, Silikon-Graphitgemische, Gold und dergleichen gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Polymerschicht aus einem elektrisch leitfähigen Polymer vorgesehen, wie es zum Beispiel von der Firma Heraeus Precious Metals GmbH & Co. KG, Leverkusen, Deutschland unter dem Handelsnamen Clevios^TM bezogen werden kann.
Wenn der dielektrische Aktuator auch für Zugbeanspruchungen ausgelegt sein soll, wird vorgeschlagen, dass benachbarte Schichten miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann durch unterschiedlichste Maßnahmen, wie beispielsweise Kleben, Vulkanisieren, aber auch durch mechanische Verbindungsmaßnahmen wie Klammern, Klemmen, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen realisiert sein.
Mit der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Aktuators vorgeschlagen, insbesondere eines Aktuators der Erfindung, wie er vorangehend beschrieben ist, wobei ein Stapelaufbau durch folgende Schritte gebildet wird:

– (1) Ausbilden einer ersten Elektrodenschicht, wobei in der Elektrodenschicht ein Bereich mit geringer und ein Bereich mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet wird,
– (2) Aufbringen einer elektrisch isolierenden und zugleich elastischen Folienschicht auf die erste Elektrodenschicht und
– (3) Aufbringen einer zweiten Elektrodenschicht auf die Folienschicht, wobei die zweite Elektrodenschicht Bereiche hoher und geringer elektrischer Leitfähigkeit entsprechend der ersten Elektrodenschicht aufweist.

Das Verfahren erlaubt es demnach, makroskopische Bauteile zu nutzen, um Mikrominiaturfunktionen zu realisieren. Erreicht wird dies dadurch, dass die erste und die zweite Elektrodenschicht Bereiche mit geringer und Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit aufweisen. Vorzugsweise kann durch das Verfahren der Erfindung zugleich auch eine Verbindung der Schichten untereinander erreicht werden. Der Schichtaufbau beziehungsweise Stapelaufbau kann dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Schichten einfach in der gewünschten Schichtabfolge übereinander angeordnet werden.
Um einen dielektrischen Aktuator mit gewünschtem Hub beziehungsweise gewünschter Bewegung herstellen zu können, ist es zweckmäßig, ergänzende Schichten vorzusehen. Zu diesem Zweck werden gemäß einer Ausgestaltung lediglich die Schritte 2 und 3 bedarfsgerecht wiederholt, mit denen ergänzende Schichten hergestellt werden können. So kann vorgesehen sein, dass auf der zweiten Elektrodenschicht eine weitere Folienschicht aufgebracht wird, auf der eine dritte Elektrodenschicht aufgebracht wird. Dieser Prozess kann beliebig oft wiederholt werden, bis der dielektrische Aktuator die gewünschten Eigenschaften aufweist. Damit lässt sich eine hohe Flexibilität in Bezug auf die Herstellung des dielektrischen Aktuators und eine hohe Variabilität bezüglich des dielektrischen Aktuators erreichen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass das Ausbilden beziehungsweise Aufbringen der Schichten zumindest teilweise durch Auflaminieren von Einzelfolien und/oder Aufrakeln von polymerisierenden Stoffen erfolgt. Hierdurch lässt sich zugleich nicht nur eine einfache Herstellung, sondern auch eine gute Verbindung zwischen den einzelnen Schichten untereinander erreichen.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass als Elektrodenschicht eine elektrisch leitfähige Polymerschicht verwendet wird, deren elektrische Leitfähigkeit zur Ausbildung des Bereichs geringer elektrischer Leitfähigkeit reduziert wird. So kann vorgesehen sein, dass die Elektrodenschicht durch eine elektrisch leitfähige Polymerschicht gebildet wird, die mittels eines weiteren Verfahrensschritts in den Bereichen behandelt wird, die eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen sollen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Polymerschicht derart bearbeitet wird, dass die elektrische Leitfähigkeit zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig verloren geht. So lassen sich auf einfache Weise die gewünschten Bereiche in den Elektrodenschichten herstellen. Gleichwohl kann auch vorgesehen sein, dass die Elektrodenschicht durch eine zunächst nicht elektrisch leitfähige Polymerschicht gebildet wird, die nachträglich Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit erhält. Zu diesem Zweck können beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit der Polymerschicht fördernde Stoffe in die Polymerschicht implantiert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Bereich hoher elektrischer Leitfähigkeit als elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet wird. Dies erlaubt es nämlich, einen planen Schichtaufbau auch bei unterschiedlichsten Betriebszuständen des dielektrischen Aktuators weitgehend zu erhalten. Verformungen aufgrund asymmetrischer Anordnung elektrisch leitfähiger Bereiche in der Elektrodenschicht können weitgehend vermieden werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Bereich geringer elektrischer Leitfähigkeit der Polymerschicht und/oder die Struktur des Bereichs hoher elektrischer Leitfä- higkeit mittels Lithografie und/oder chemischer Behandlung ausgebildet werden. Hierdurch lässt sich erreichen, dass die gewünschten Strukturen der Elektrodenschichten nicht nur auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit reproduzierbar herstellbar sind, sondern es lässt sich darüber hinaus auch erreichen, dass die Elektrodenschicht die unterschiedlichen Bereiche aufweist, ohne dass ihre geometrischen Abmessungen dadurch verändert würden. Maßnahmen, die ansonsten eine Anpassung erfordern würden, können eingespart werden.
Weitere Merkmale und Vorteile sind der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. Die Beschreibung dient lediglich zur Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken.
Es zeigen:
1 eine schematisch perspektivische Darstellung des Wirkungsprinzips, das dem dielektrischen Aktuator der Erfindung zugrundeliegt,
2 in schematisch perspektivischer Ansicht einen Stapelaufbau von einer Mehrzahl von Schichten eines dielektrischen Aktuators der Erfindung,
3 einen Querschnitt durch einen Kanal mit einem Kanalventil mit einem dielektrischen Aktuator der Erfindung im geschlossenen Zustand,
4 den Kanal gemäß 3 mit geöffnetem Ventil,
5 eine Draufsicht auf den Kanal der 3, 4,
6 ein im Ruhezustand geschlossenes Ventil mit einem dielektrischen Aktuator gemäß der Erfindung in einer weiteren Ausgestaltung;
7 eine weitere Ausgestaltung eines Ventils mit einem dielektrischen Aktuator der Erfindung in einem im Ruhezustand geöffneten Zustand,
8 eine schematisch perspektivische Explosionsdarstellung für einen Aufbau des Ventils gemäß 6,
9 in schematischer Schnittdarstellung einen elektrischen Schaltkontakt im geschlossenen Zustand, der mittels eines dielektrischen Aktuators der Erfindung betätigt wird und
10 den Schaltkontakt gemäß 9 im geöffneten Zustand bei aktiviertem dielektrischen Aktuator,
Für die Betätigung von Funktionen wie zum Beispiel Schaltfunktionen in der Elektrotechnik, der Fluidik oder dergleichen im Mikrobereich werden skalierbare Aktuatoren benötigt. Wenn solche Systeme verkleinert werden, zeigt es sich, dass sich die Kraftdichte, dass heißt Kraft pro Volumen, am günstigsten mittels elektrostatischer Prinzipien skalieren lässt. Kapazitive Antriebe, die auf solchen elektrostatischen Prinzipien beruhen, erfordern jedoch kleine Abstände und führen zu Betätigungswegen, die bei Luft in der Regel sehr klein sind, beispielsweise im Bereich von 1 µm. Entsprechend werden auch nur sehr kleine Kräfte bereitgestellt.
Eine besondere Herausforderung stellt bei der Miniaturisierung die Realisierung von Isolationsabständen dar, bei denen zum Beispiel das Paschen-Gesetz zu berücksichtigen ist.
Kapazitive Antriebe, auch dielektrische Aktuatoren genannt, finden beispielsweise in Form von piezokeramischen Aktuatoren Anwendung, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung einen kleinen Bewegungshub, beispielsweise in vertikaler Richtung, ausführen. Piezoelektrische Aktuatoren nutzen den inversen piezo-elektrischen Effekt. Wird eine elektrische Spannung an einen Piezo-Kristall angelegt, so tritt eine Geometrieänderung beispielsweise in Form einer Längen- oder Dickenänderung auf. Mit piezokeramischen Aktuatoren werden verschiedene Bauformen wie Stapelaktuator, Biegewandler, Membranen und/oder dergleichen realisiert. Makroskopische Anwendungen sind beispielsweise Einspritzventile, die als Steuerventile für den Einspritzvorgang bei Benzin- und Dieselmotoren dienen, Tongeber (Buzzer) für akustische Signalisierungen und dergleichen. Die Längenänderung bei piezokeramischen Aktuatoren liegt für 1 ‰ der Längenänderung bei Feldstärken in der Größenordnung von 1 kV/mm. Daher werden vorteilhaft mehrere Aktuatorschichten übereinander gestapelt, um gewünschte Hubwege mittels des Aktuators erreichen zu können.
Eine Verbesserung in dieser Hinsicht kann dadurch erreicht werden, dass anstelle der Piezokeramik übereinander gestapelte dünne Kunststofffolien mit dazwischen angeordneten, dünnen und beweglichen Schichtelektroden benutzt werden. Ein solcher Folienstapelaktuator als dielektrischer Aktuator ist beispielsweise in 2 in Form einer perspektivischen Prinzipanordnung dargestellt. Das hierfür zugrundeliegende Prinzip verdeutlicht 1.
1 zeigt im linken Bereich die prinzipielle Anordnung eines dielektrischen Aktuators unter Nutzung von Kunststofffolien, die eine vorgegebene Elastizität aufweisen. Eine Grundform eines dielektrischen Aktuators 10 weist danach eine Kunststofffolie 12 als elastisches Dielektrikum auf, die an ihren beiden großen Oberflächen mit biegeelastischen, insbesondere nachgiebigen Elektroden 14 versehen ist. Dieser prinzipielle Aufbau kann beliebig oft wiederholt werden und in einem Stapelaufbau angeordnet sein, um Aktuatoren mit einem gewünschten Bewegungsweg erreichen zu können. Im rechten Teil von 1 ist das Wirkungsprinzip weiter verdeutlicht. Die beiden Elektroden 14 sind dort mit einer Spannung U beaufschlagt, die zu einer Kraftwirkung, nämlich einer Druckkraft p, in Pfeilrichtungen gemäß 1 führt. Die Kunststofffolie 12 reagiert auf den Druck dadurch, dass sich ihre Dicke, die im Ruhezustand z beträgt, reduziert. Zugleich vergrößert die Kunststofffolie 12 ihre Abmessungen in der Folienebene. Dem Grunde nach gilt die folgende Gleichung:
wobei V die angelegte Spannung, ε₀ die elektrische Feldkonstante und ε_r die Dielektrizitätszahl bezeichnen.
2 zeigt einen Stapelaufbau eines dielektrischen Aktuators 20, der zum Beispiel aus einer Stapelung einer Mehrzahl von dielektrischen Aktuatoren wie dem dielektrischen Aktuator 10 der 1 gebildet ist. Aus 2 ist zu ersehen, dass abwechselnd im Stapelaufbau eine Kunststofffolie 12 als Folienschicht und eine Elektrodenschicht 14 angeordnet ist. Die Kunststofffolie 12 weist eine große elektrische Spannungsfestigkeit sowie eine vorgegebene Elastizität auf. Die Kunststofffolie 12 ist nicht piezoelektrisch sensitiv. Oben und unten ist der Stapelaufbau durch eine Elektrodenschicht 14 abgeschlossen, so dass jede der Folienschichten 12 jeweils immer zwischen zwei Elektrodenschichten 14 angeordnet ist. Die Elektrodenschicht 14 ist, wie aus 2 ersichtlich ist, von ihrer Flächenerstreckung kleiner als die Kunststofffolie 12. Dadurch können Sicherheitsabstände erreicht werden, die eine zuverlässige Isolation auch in den Seitenbereichen des dielektrischen Aktuators 20 erlauben.
Ferner ist ersichtlich, dass die Elektroden 14 jeweils abwechselnd in der Schichtabfolge bündig mit einer vorderen sowie einer hinteren Kante der Kunststofffolien 12 abschließen. Dies hat den Vorteil, dass Anschlussbereiche 16, 18 geschaffen werden, die es erlauben, die Elektrodenschichten 14 jeweils abwechselnd parallel zu schalten. Auf diese Weise wird erreicht, dass jede Kunststofffolie 12 zwischen zwei Elektrodenschichten 14 immer mit einer elektrischen Spannung, die an den abwechselnden Elektrodenschichten 14 anliegen, beaufschlagt wird. Durch die Anschlussbereiche 16, 18 kann eine einfache Kontaktierung der entsprechenden Elektroden erreicht werden, beispielsweise durch Metallisierung in Form von Schoopierung oder dergleichen.
Die Spannung, die an einem solchen Folienstapel wie den des dielektrischen Aktuators 20 angelegt werden kann, liegt vorliegend in einem Bereich von 600 bis 1000 V. Hierdurch wird bei angelegter Spannung die Kunststofffolie 12 durch das elektrische Feld zusammengestaucht, wodurch zum anderen eine Vergrößerung in der lateralen Ebene bewirkt wird. Diese Bewegungen können als Aktuatorbewegung genutzt werden. Der aktive Aktuatorbereich, dass heißt, die aktive Zone, wird durch jeweils elektrisch leitfähige Flächen, nämlich Elektrodenschichten wie den Elektrodenschichten 14, definiert, die sowohl eine bewegliche Metallisierungsschicht als auch ein bewegliches, elektrisch leitfähiges Polymer sein können. Aufeinanderfolgende Elektrodenschichten 14 sind abwechselnd mit unterschiedlichem elektrischem Potential, dass heißt, mit einer elektrischen Spannung, beaufschlagbar.
Dadurch, dass die aktive Fläche der Elektrodenschicht 14 kleiner als die Folienfläche der Kunststofffolie 12 sein kann, können Luft- und Kriechstrecken erreicht werden, die Spannungsüberschläge an den Rändern des Aktuators 20 weitgehend vermeiden. Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass bei der vorliegenden Ausgestaltung lediglich anziehende Kräfte zwischen den Elektrodenschichten 14 erzeugt werden können, und zwar bei Anliegen unterschiedlichen elektrischen Potentials an benachbarten Elektrodenschichten 14. Eine entsprechend abstoßende Kraftwirkung bei mit gleichem elektrischem Potential beaufschlagten Elektroden tritt nicht auf. Die Elektrodenschicht 14 ist strukturiert als Baumstruktur ausgebildet. Die Ausbildung solcher Elektrodenschichten wird im Folgenden noch erläutert.
Mit einem solchen Folienaktuator als dielektrischem Aktuator, wie dem Folienaktuator 10 beziehungsweise 20, lassen sich mit gleicher Schichtanzahl deutlich größere Bewegungen erzeugen als mit einem piezokeramischen Aktuator. Beispielsweise kann im Vergleich zu einem piezokeramischen Aktuator mit vergleichsweise wenigen Schichten ein Bewegungshub von 20 bis 50 µm erreicht werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt anhand von 3 eine schematische Schnittansicht durch einen Kanal 22 mit einem Kanalventil 24. Der dargestellte Ausschnitt des Kanals 22 weist eine Länge von circa 13 mm auf. Der Querschnitt des Kanals 22 ist etwa quadratisch mit einer Kantenlänge von etwa 0,2 mm. An einer Oberseite einer Kanalwand des Kanals 22 ist ein Aktuator 28 in gestapelter Folienanordnung 36 ist vorgesehen. Etwa mittig gegenüberliegend der Folienanordnung 36 ist ein Vorsprung 34 in Form einer Ausstülpung der Kanalwand gebildet, die einen Ventilsitz 26 bereitstellt. In 3 ist der Ventilsitz 26 durch die Folienanordnung 36 abgedeckt, so dass das Kanalventil 24 im geschlossenen Zustand ist. Eine Durchströmung von einem Fluids ist in diesem Zustand nicht möglich.
Die Folienanordnung 36 enthält einen schichtartigen Aufbau, wie er zum Beispiel anhand von 2 beschrieben ist. Dabei enthält der schichtartige Aufbau beziehungsweise Stapelaufbau der Folienanordnung 36 Elektrodenschichten 14 mit hoher elektrischer Leitfähigkeit lediglich in einem Bereich um den Ventilsitz 26 herum, etwa über eine Erstreckung von etwa 3 mm. Damit eine zuverlässige Funktion gewährleistet werden kann, ist vorgesehen, dass die Elektrodenschichten 14 strukturiert sind. Durch diese Ausgestaltung wird vermieden, dass bei Betätigung des Ventils durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektrodenschichten 14 der Folienanordnung 36 Wölbungen beziehungsweise Abweichungen von einer planen, ebenen Stapelanordnung der Folienanordnung 36 entstehen können und so zu Funktionsstörungen im Bereich des Ventils führen können. Dieser Sachverhalt wird weiter unten weiter erläutert werden.
4 zeigt das Ventil der 3 im geöffneten Zustand, dass heißt in dem Zustand, bei dem die abwechselnden Elektrodenschichten 14 mit einer elektrischen Spannung zwecks Betätigung beaufschlagt sind. Es ist ersichtlich, dass durch die Einwirkung der elektrischen Spannung die Dicke der Folienanordnung 36 reduziert ist, so dass zwischen dem Ventilsitz 26 und der Folienanordnung 36 eine Öffnung 32 geschaffen wird, die ein Überströmen des Fluids und damit ein Durchströmen des Kanals 22 ermöglicht. Die Folienanordnung 36 stellt somit im Bereich der aktiven Zone 30 einen Aktuator 28 bereit.
5 zeigt eine Draufsicht auf den Kanal 22 der 3 und 4, der im Bereich des Ventilsitzes 26 aufgeschnitten ist. Wie aus 5 ersichtlich ist, sind im Bereich der aktiven Zone 30 des Aktuators 28 elektrisch hoch leitfähige Elektrodenschichtenanordnungen skizziert, die wechselweise an einen positiven Elektrodenanschluss 38 und einen negativen Elektrodenanschluss 40 angeschlossen sind.
Aus 5 ist ersichtlich, dass sich die elektrisch hoch leitfähigen Bereiche der Elektrodenschichten 14 lediglich in der aktiven Zone 30 des Kanalventils 24 befinden. Im restlichen Bereich der Folienanordnung 36 sind Elektrodenschichten mit elektrisch isolierenden Eigenschaften ausgebildet. Ohne Einschränkung der Funktion können natürlich auch der positive Elektrodenanschluss 38 und der negative Elektrodenanschluss 40 mit jeweils umgekehrtem elektrischem Potential beaufschlagt sein.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeigt 6 anhand eines Gasventils für Stickstoff. 6 zeigt einen Kanal 42, der mittels eines Ventils 44 verschließbar ist. Das Ventil 44 ist dem Grunde nach aufgebaut wie das Ventil 24 gemäß 5.
Im Ruhezustand ist das Ventil im geschlossenen Zustand. Das Ventil 44 weist ebenfalls einen Ventilsitz 26 auf, der sich über eine Länge von zum Beispiel 0,2 bis 0,3 mm erstreckt. Die Pfeile links und rechts in der 6 zeigen die Strömungsrichtung des Stickstoffs bei geöffnetem Ventil 44. Der Kanal 42 ist an der Oberseite von einer Dichtungsfolie 46 begrenzt, die an einem Träger 58 befestigt ist. Im Ruhezustand, dass heißt im geschlossenen Zustand, ist die Dichtungsfolie 46 den Ventilsitz 26 kontaktierend angeordnet, so dass ein Durchströmen von Stickstoff behindert ist.
Damit das Ventil 44 im geschlossenen Zustand ist und nicht ein Gasdruck des Stickstoffs die elastische Dichtungsfolie 46 derart mit Druck beaufschlagt, dass das Ventil 44 durchlässig wird, ist gegenüberliegend zum Ventilsitz 26 ein Stempel 50 angeordnet, der eine Kraftbeaufschlagung in Richtung Ventilsitz 26 bereitstellt. Zu diesem Zweck ist im Träger 58 eine Bohrung 48 vorgesehen, die etwa einen Durchmesser von 1 mm aufweist und in der der Stempel 50 längsverschieblich gelagert ist. Der Stempel 50 ist mit einer Stempelplatte 52 verbunden, die ihrerseits gegenüberliegend zum Stempel 50 mit einem Folienaktuator 54 als dielektrischen Aktuator gemäß der Erfindung verbunden ist. An der gegenüberliegenden Seite ist der Folienaktuator 54 an einer Halteplatte 56 befestigt, die über nicht dargestellte Mittel mit dem Träger 58 verbunden ist.
Der Folienaktuator 54 weist einen Stapelaufbau auf, wie er in 2 dargestellt ist. Die Elektrodenschichten 14 sind auch hier wieder mit einer Struktur versehen, um Aufwölbungen und Verbiegungen im bestimmungsgemäßen Betrieb des Folienaktuators 46 weitgehend vermeiden zu können. Dadurch lässt sich erreichen, dass ein weitgehend planer Aufbau während des bestimmungsgemäßen Betriebs erhalten bleibt, so dass eine zuverlässige Funktion gewährleistet werden kann.
Wird der Folienaktuator 54 mit einer aktivierenden elektrischen Spannung beaufschlagt, reduziert sich seine Dicke und der Druck auf die Stempelplatte 52 wird reduziert. Dadurch kann der Gasdruck gegen den Stempel 50 wirken und einen Kanal zwischen der Dichtungsfolie 46 und dem Ventilsitz 26 öffnen. Auf diese Weise wird ein Durchströmen des Ventils 44 von Stickstoff erlaubt. Darüber hinaus kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel natürlich auch vorgesehen sein, dass der Folienaktuator 54 für eine Zugkraft ausgelegt ist und die Stempelplatte 52 mit dem Stempel 50 aus dem Bereich des Ventilsitzes 26 entfernt. Ist die Dichtungsfolie 46 stirnseitig mit dem Stempel 50 verbunden, so wird auf diese Weise aktiv ein Durchgangskanal im Bereich des Ventils 44 für den Stickstoff geschaffen.
7 zeigt ein Ventil wie 6, wobei im Unterschied zu 6 das Ventil der 7 im Ruhezustand geöffnet ist. Die sonstigen Bauelemente und der Aufbau entsprechen dem in 6, weshalb ergänzend auf die Ausführungen bezüglich 6 verwiesen wird. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 6 ist der Stempel 50 mit der Stempelplatte 52 nunmehr vertauscht angeordnet, so dass die Halteplatte 56 durch eine Verbindungsplatte 60 ersetzt ist. Sowohl die Verbindungsplatte 60 als auch der Folienaktuator 54 sind hier mit einer Bohrung versehen, so dass sie vom Stempel 50 durchragt werden können. Die Dichtungsfolie 46 ist stirnseitig am Stempel 50 befestigt. Wird der Folienaktuator 54 aktiviert, reduziert er seine Dicke und der Stempel bewegt sich in Richtung Ventilsitz 26, bis das Ventil 44 geschlossen ist.
Die Ausführungsbeispiele anhand der 6 und 7 haben den Aktuator außerhalb des Ventilbereichs angeordnet. Auf diese Weise kann der Einfluss von Fluiddrücken und/oder sonstigen Eigenschaften auf den Aktuator weitgehend vermieden werden.
8 zeigt einen Aufbau in einer schematischen perspektivischen Explosionsansicht, wie er zur Realisierung des Ventils gemäß 6 genutzt werden kann. Für den Fachmann dürfte es ersichtlich sein, dass dem Grunde nach eine vergleichbare Konstruktion auch dem Ventil gemäß 7 zugrunde liegen kann. 8 veranschaulicht, dass mit einfachen Mitteln eine hohe Miniaturisierung erreicht werden kann.
9 zeigt eine weitere Ausgestaltung gemäß der Erfindung, bei der ein elektrischer Schaltkontakt 74 realisiert wird. Der Schaltkontakt ist zwischen einem Deckel 62 und einem Boden 64 angeordnet. Der Schaltkontakt 74 weist einen ersten Kontakt 68 auf, der mit dem Deckel 62 verbunden ist und einen zweiten Kontakt 70, der mit dem Boden 64 verbunden ist. Der Kontakt 68 ist an einer Leitung 66 angeschlossen, die mit dem Deckel 62 verbunden ist, wohingegen der Kontakt 70 an eine Leitung 72 angeschlossen ist, die mit dem Boden 64 verbunden ist. In 9 ist der geschlossene Zustand des Schaltkontakts 74 dargestellt. Dieser Zustand wird erreicht, indem zwischen dem Deckel 62 und dem Kontakt 68 mit seiner Leitung 66 ein Folienaktuator 54 angeordnet ist, wie er beispielsweise anhand von 3 bis 5 erläutert ist. Das Funktionsprinzip entspricht dem Grunde nach dem, wie es zu den 3 bis 5 erläutert ist.
In 9 ist der entspannte, dass heißt nicht mit Spannung beaufschlagte Folienaktuator 54 dargestellt, der zum geschlossenen Zustand des Schaltkontakts 74 führt. 10 zeigt den Schaltkontakt 74 gemäß 9 im geöffneten Zustand, zu welchem Zweck der Folienaktuator 54 mit einer Aktivierungsspannung beaufschlagt ist. Das Funktionsprinzip entspricht dem Grunde nach dem, wie es bereits zu den 3 bis 5 erläutert ist, weshalb diesbezüglich von weiteren Ausführungen an dieser Stelle abgesehen wird.
Hergestellt werden kann der dielektrische Aktuator gemäß der Erfindung dadurch, dass ein Stapelaufbau durch folgende Schritte gebildet wird: Ausbilden einer ersten Elektrodenschicht, wie der Elektrodenschicht 14, wobei in der Elektrodenschicht 14 ein Bereich mit geringer und ein Bereich mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet wird. Der Bereich hoher elektrischer Leitfähigkeit befindet sich vorzugsweise in einem aktiven Bereich beziehungsweise einer aktiven Zone wie der aktiven Zone 30. Anschließend wird eine elektrisch isolierende und zugleich elastische Folienschicht 12 auf die erste Elektrodenschicht 14 aufgebracht. Hierauf wird dann eine zweite Elektrodenschicht 14 aufgebracht, die ebenfalls Bereiche hoher und geringer elektrischer Leitfähigkeit entsprechend der der ersten Elektrodenschicht 14 aufweist. Die letzten beiden Schritte werden bedarfsweise so oft wiederholt, bis ein Stapelaufbau für den Folienaktuator 20 erreicht ist, mit dem ein gewünschter Bewegungsablauf erreichbar ist. Der Folienstapel kann durch Auflaminieren von Einzelfolien, aber auch durch Aufrakeln von Polymerschichten realisiert werden.
Die die Elektrodenschichten 14 bildenden, zwischen den Folienschichten 12 liegenden Schichten können Metallschichten sein, besonders bevorzugt jedoch elektrisch leitfähige Polymerschichten. Dabei ist der Schichtaufbau beziehungsweise Stapelaufbau derart zu gestalten, dass laterale Bewegungen des dielektrischen Aktuators 20 ermöglicht sind. Vorzugsweise ist der Schichtaufbau beziehungsweise Stapelaufbau hochplan, um eine zuverlässige Funktion zu gewährleisten. Jede zweite Elektrodenschicht wird alternierend anodisch oder kathodisch durch eine seitliche Streifenankontaktierung elektrisch miteinander verbunden. Die seitliche elektrische Ankontaktierung kann zum Beispiel durch eine Metallisierung, beispielsweise in Form einer Schoopierung, zum Beispiel mittels Metalldämpfen oder dergleichen erreicht werden. Dabei ist zu gewährleisten, dass jede einzelne leitfähige Schicht zwischen den Folien auch optimal und stabil elektrisch ankontaktiert wird. Anschließend kann der Stapelaufbau des so gebildeten dielektrischen Aktuators 20 als Folienstapelaktuator als dielektrischer Aktuator in eine Anwendung integriert werden.
Die Strukturierung wird in diesen Ausführungsbeispielen dadurch erreicht, dass als Elektrodenschicht 14 eine Polymerschicht aus dem Material Clevios^TM gebildet wird. Diese Schicht wird mittels Lithographie oder chemischer Behandlung behandelt, um die gewünschte Struktur zu erzeugen. Dadurch haben die Elektrodenschichten 14 über ihre Erstreckung eine homogene Dicke trotz inhomogener elektrischer Leitfähigkeit.
Die für die elektrostatische Betätigung notwendigen kleinen Abstände zwischen den Elektrodenschichten 14 können jeweils durch die dazwischen angeordneten Folien 12 realisiert werden, die zum Beispiel eine Dicke < 30 µm und eine Durchbruchspannung von > 100 V/µm aufweisen können. Die Kräfte des so gebildeten dielektrischen Aktuators 20 können sehr groß sein, weil die Dielektrizitätszahl größer als 5, insbesondere größer als 10 sein kann und die Antriebsspannung und der Hub dadurch positiv beeinflusst werden können.
Zur Auslegung kann berücksichtigt werden, dass beispielsweise bei einem Ventil der Folienstapelaktuator einem Prozessdruck ausgesetzt sein kann. Dieser kann den Aktuator stauchen, was mit Hilfe des Hook’schen Gesetzes ermittelt werden kann. Dickenänderung Δ D = Druck(p)·Zeichen Aktuatordicke (d)/E-Modul.
Der E-Modul einer zum Beispiel Polyurethan PU-Folie wird mit Y_c = 1,9 MPa angesetzt. Dieser E-Modul kann variieren, je nachdem, ob die entsprechende Folie hart festgehalten, dass heißt mit einer Unterlage verklebt ist, oder sich frei bewegen kann. Bei einem Betriebsdruck von zum Beispiel 7 bar im Einlassbereich eines Fluidkanals wird zum Beispiel eine 200 µm dicke PU-Folie um 73,7 µm, dass heißt um etwa 30 % ihrer Gesamtdicke, zusammengedrückt. Auch im Spaltbereich des Ventilsitzes, wie es zum Beispiel anhand von 3 bis 5 erläutert ist, kann der Folienaktuator als dielektrischer Aktuator eine ähnliche Stauchung von beispielsweise 72,2 µm erhalten, die wegen des Druckabfalls zum Ende des Spalts hin jedoch kleiner wird. Im Auslass ist der Druck wesentlicher geringer und entsprechend auch die Dickenänderung der Folie kleiner. Berücksichtigt man bei einem aktiven PU-Folienstapelaktuator mit einer vorgegebenen Dicke von etwa 200 µm und einem uniaxialen Kompressionsmodul beziehungsweise E-Modul von Y₀ = 1,9 MPa sowie eine dielektrische Konstante von ε_R = 8, so ergibt sich bei einer angelegten Elektrodenspannung von U = 600 bis 800 V eine Dickenänderung von Δd = 3,5 bis 4,5 µm. Diese Stauchung liegt somit nur bei etwa 2 % der Gesamtdicke der Folie. Diese beiden Auslenkungsarten, Prozessdruck auf der einen Seite und Stellkraft des Aktuators auf der anderen Seite, liegen bei diesem Beispiel weit auseinander, so dass der elektrische Stellweg des Aktuators gegen die elastische Deformation der Folie unter Prozessdruck nicht ausreichend ist.
Um die Nettoauslegung des aktiven Folienaktuators voll nutzen zu können, sollte die Folie deshalb dem Prozessdruck von 7 bar im Ventilkanal nicht ausgesetzt sein. Vorzugsweise ist deshalb die Anordnung des Aktuators außerhalb des Kanals vorgesehen, wie es beispielsweise anhand der 6 und 7 erläutert ist.
Ein Folienstapelaktuator, wie zuvor beschrieben, kann dazu verwendet werden ein Ventilsitz zu öffnen oder zu schliessen. Da der Bewegungshub Δz eines Folienstabelaktors gezielt von der Anzahl der aufzulaminierenden Folien oder von der Anzahl der der Rakelschritten abhängt, ist der Stellweg in gewissen Grenzen, nicht nur durch die angelegte Hochspannung, variabel einstellbar. Vorteilig ist, dass der Bewegungshub des Polymeraktuators im allgemeinen um einige Größenordnungen größer (Δz = 20–50 µm) ist als bei einem piezoelektrischen Aktuator. 6 gibt ein Beispiel, wie mit Hilfe eines Polymeraktuators als dielektrischem Aktuator ein Ventil realisiert werden kann.
Der Gaskanal ist in diesem Ausführungsbeispiel in einem unteren Bereich untergebracht und durch einen Deckel abgeschlossen. Eine dünne Folie 46 zwischen dem unteren Bereich und dem Deckel dichtet den Kanal 42 leckdicht ab. Einlass- und Auslassöffnungen können sowohl im Deckel als auch im unteren Bereich angebracht sein. Eine kleine Unterbrechung des Gaskanals kann im einfachsten Fall als Ventilsitz 26 dienen. Direkt darüber ist eine kleine Bohrung 48 im Deckel angebracht, die eine präzise Stempelführung garantiert. Der Stempel 50 selbst ist mit einer wesentlich größeren Stempelplatte 52 starr verbunden. Zwischen der Stempelplatte 52 und einer oberen Druckplatte 56 wird der Folienstapelaktor 54 fixiert, wobei die Druckplatte 56 vorzugsweise ihrerseits mit der unteren Deckel/Bereichs-Einheit verbunden ist, um einen variabel einstellbaren Druck über die Stempelführung auf den Ventilsitz 26 ausüben zu können. Hieraus ergibt sich ein „normally closed“ Ventil.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Bodenteil mit dem Kanal 42 und dem Ventilsitz 26 gleich. Der Kanal wird durch eine noch näher zu spezifizierende Dichtungsfolie und den darüber gelegten starren Deckel verschlossen. Im Deckel befinden sich Öffnungen für einen Ventilstempel 50 über dem Ventilsitz 26 sowie die für Einlass und Auslass benötigten Öffnungen. Letztere können auch anders, zum Beispiel zur Rückseite hin, angelegt sein.
Genau über dem Ventilsitz 26 in der Deckelplatte ist eine kleine Bohrung 48 von d = 1,2 mm angebracht. In diese Bohrung 48 ist ein Stempelzylinder 50 von d = 1 mm im Durchmesser eingeführt, der starr mit einer größeren Stempelplatte 52 verbunden ist. Der Folienaktuator 54 ist nun zwischen der Stempelplatte 52 und einer Druckplatte 56 so fixiert, dass die Anordnung von Stempelzylinder 50 und Dichtungsfolie 46 auf den Ventilsitz 26 gedrückt wird und diesen verschließt. Die obere Druckplatte 56 und das Bodenteil sind hier starr über Klemmen oder Verschraubungen so miteinander verbunden, dass der Ventilsitz 26 gerade geschlossen ist.
Wird nun eine Spannung von 600 bis 1000 Volt an den Folienaktuator 54 gelegt, so wird die Foliendicke um einen vorgegebenen Wert Δz reduziert. Dadurch öffnet sich das Ventil 44 am Ventilsitz 26 über die gekoppelte kleine Verschiebung des Stempelzylinders 50 nach oben und lässt Stickstoff in den Auslasskanal 42 strömen.
Durch die Konstruktion kann ein Einlassdruck von zum Beispiel 7 bar im Kanal 42 hier nur auf Bohrung 48 in der Deckelplatte beziehungsweise den Stempelzylinder 50 mit der Grundfläche von A1 = п·r2 = 0,79 mm2 wirken. Diese Kraft wird über die viel größere Stempelplatte 52 mit der Fläche A2 = 20mm·18mm = 360 mm2 auf die gleich große Aktuatorfläche verteilt. Damit wird die Kraft um den Faktor A1/A2 herabgesetzt und die Dickenänderung des Aktuators insgesamt auf weniger als 0,2 µm reduziert.
Dabei ist zu beachten, dass die Aktuatorfläche und damit seine Kapazität sowie die bewegte Masse des Ventils 44 deutlich vergrößert werden, wodurch unter Umständen der Energieverbrauch und die Schaltzeit noch einmal deutlich ansteigen werden. Die genannten Abmessungen sind lediglich Beispiele und werden an die geplanten Anweisungen angepasst.
Diese Aufbauweise garantiert, dass der Prozessdruck im Kanal 42 den relativ weichen Folienstapelaktuator 54 nicht nennenswert beeinflussen kann. Je höher der Prozessdruck im Kanal 42, desto größer muss das Verhältnis von Aktuatorfläche/Stempeldurchmesser sein, um den lokalen Druck in der Stempelführung flächenmäßig kompensieren zu können.
Ein ähnlicher Ventilaufbau wie in 6, ist in 7 zu dargestellt, nur ist hier durch eine geänderte Stempelführung ein „normally open“ Ventil dargestellt.
Der Aufbau 7 unterscheidet sich von dem gemäß 6 dadurch, dass die vormalige obere Druckplatte 56 hier die Stempelplatte 52 mit Stempel 50 ist, die durch den Folienstapelaktuator 54 durchgeführt wird. Die Stempelplatte 52 ist bei dieser Ausführung vorzugsweise ihrerseits durch eine zusätzliche obere Druckplatte (hier nicht gezeigt) an die untere Deckel/Kanalplatte-Einheit variabel fixiert. Staucht sich der Aktuator 54 beim Anlegen einer Hochspannung zusammen, so bewegt sich der Stempel 50 in der Stempelführung nach unten und schließt das Ventil 44. Dies setzt voraus, das die Druckplatte 56 so eingestellt ist, dass der von oben kommende Druck den Prozessdruck im Kanal 42 überwinden kann.
Das „normally closed“ Ventil ist in 8 noch einmal als Expolsionszeichnung mit den dazugehörigen Befestigungslöchern dargestellt. Wenn die obere Druckplatte 56 mit dem darunter befindlichen Deckel fixiert ist, kann sich beim Anlegen einer Hochspannung an den Folienstapelaktuator 54 nur noch der Aktuator 54 und die Stempelplatte 52 mit dem Stempel 50 in vertikaler Richtung bewegen. Da eine laterale Bewegung des Folienaktuators 54 durch die obere Druckplatte 56 unterbunden wird, muss die Druckplatte 56 auf ihrer Unterseite eine kompensatorische Rillenstruktur aufweisen, um das gestauchte Volumenmaterial des Aktuators 54 aufnehmen zu können.
Die Erfindung erlaubt es, dielektrische Aktuatoren zu schaffen, die sich für sehr schnelle Schaltgeschwindigkeiten eignen und zudem gut miniaturisierbar sind. Dabei erweist es sich insbesondere als vorteilhaft, wenn die Elektrodenschichten Bereiche hoher Leitfähigkeit und Bereiche niedriger Leitfähigkeit, insbesondere isolierende Bereiche, aufweisen. Eine derartige Elektrodenschicht lässt sich beispielsweise durch Polymerschichten wie zum Beispiel Clevios^TM-Schichten bereitstellen. Darüber hinaus erlaubt diese Ausgestaltung auch eine Reduktion von Kosten.
Die vorangehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung lediglich erläutern und diese nicht beschränken. Selbstverständlich wird der Fachmann bei Bedarf entsprechende Variationen vorsehen, ohne den Kerngedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können einzelne Merkmale und/oder Ausführungsbeispiele bedarfsgerecht in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006017034 A1 [0004]

Claims

Dielektrischer Aktuator (10, 20) mit wenigstens zwei Elektrodenschichten (14), zwischen denen eine elektrisch isolierende und zugleich elastische Folienschicht (12) angeordnet ist, wobei die Schichten so angeordnet sind, dass benachbarte Schichten (12, 14) aneinander anliegen und die beiden Elektrodenschichten (14) mit unterschiedlichem elektrischen Potential (u) beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektrodenschichten (14) einen Bereich mit geringer und einen Bereich mit hoher elektrischer Leitfähigkeit aufweist.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit hoher elektrischer Leitfähigkeit durch eine elektrisch leitfähige Struktur in der Elektrodenschicht (14) ausgebildet ist.
Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur dadurch ausgebildet, dass der Bereich hoher elektrischer Leitfähigkeit von elektrisch isolierenden Abschnitten derart durchzogen beziehungsweise unterbrochen ist, dass der verbleibende elektrisch leitfähige Teil elektrisch leitend verbunden ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschicht (14) durch eine zumindest bereichsweise elektrisch leitfähige Folie, insbesondere ein Polymer, gebildet ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienschicht (12) die Elektrodenschicht (14) überragt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Schichten (12, 14) miteinander verbunden sind.
Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Aktuators, insbesondere eines Aktuators (10, 20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Stapelaufbau durch folgende Schritte gebildet wird: – (1) Ausbilden einer ersten Elektrodenschicht (14), wobei in der Elektrodenschicht (14) ein Bereich mit geringer und ein Bereich mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ausgebildet wird, – (2) Aufbringen einer elektrisch isolierenden und zugleich elastischen Folienschicht (12) auf die erste Elektrodenschicht (14) und – (3) Aufbringen einer zweiten Elektrodenschicht (14) auf die Folienschicht (12), wobei die zweite Elektrodenschicht (14) Bereiche hoher und geringer elektrischer Leitfähigkeit entsprechend der ersten Elektrodenschicht (14) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen ergänzender Schichten (12, 14) die Schritte (2) und (3) bedarfsgerecht wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden beziehungsweise Aufbringen der Schichten (12, 14) zumindest teilweise durch Auflaminieren von Einzelfolien und/oder Aufrakeln von polymerisierenden Stoffen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrodenschicht (14) eine elektrisch leitfähige Polymerschicht verwendet wird, deren elektrische Leitfähigkeit zur Ausbildung des Bereichs geringer elektrischer Leitfähigkeit reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich hoher elektrischer Leitfähigkeit als elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich geringer elektrischer Leitfähigkeit der Polymerschicht und/oder die Struktur des Bereichs hoher elektrischer Leitfähigkeit mittels Lithographie und/oder chemischer Behandlung ausgebildet wird.