DE102015201316A1

DE102015201316A1 - Multi-layer actuator and method for manufacturing a multilayer actuator

Info

Publication number: DE102015201316A1
Application number: DE102015201316.2A
Authority: DE
Inventors: Istvan Denes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vielschichtaktor (10), mit mehreren Elektrodenschichten (17), zwischen denen jeweils eine aus einem elektrisch nichtleitendem Material bestehende Dielektrikumschicht (18) angeordnet ist, wobei die Elektrodenschichten (17) und mit den Dielektrikumschichten (18) verbunden sind, und mit einer Einrichtung (25) zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten (17), wobei die Dielektrikumschichten (18) dazu ausgebildet sind, in Wirkverbindung mit einem Druckmittel (1) zu stehen, um dieses beim Anlegen einer Spannung aus einem Arbeitsraum (13) zu verdrängen. Erfindungsgemäß0 ist es vorgesehen, dass die Elektrodenschichten (17) als starre Elektrodenschichten (17) ausgebildet sind, derart, dass sich deren Dicke in Bezug zu einer senkrecht zur Ebene der Elektrodenschichten (17) verlaufenden Richtung beim Anlegen einer Spannung zumindest im Wesentlichen nicht ändert.The invention relates to a multilayer actuator (10), with a plurality of electrode layers (17), between each of which a dielectric layer (18) made of an electrically nonconducting material is arranged, wherein the electrode layers (17) and with the dielectric layers (18) are connected, and with a device (25) for electrically contacting the electrode layers (17), wherein the dielectric layers (18) are designed to be in operative connection with a pressure medium (1) in order to displace this from a working space (13) when a voltage is applied , According to the invention, it is provided that the electrode layers (17) are designed as rigid electrode layers (17) such that their thickness does not change at least essentially when a voltage is applied with respect to a direction perpendicular to the plane of the electrode layers (17).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen Vielschichtaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Vielschichtaktors. The invention relates to a multilayer actuator according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing a multilayer actuator.

Ein Vielschichtaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2012 216 564 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Vielschichtaktor dient insbesondere als Bestandteil eines Aggregats zur Verstellung einer Hubstange oder ähnlichem. Hierbei wird mittels des Vielschichtaktors bei einer Betätigung des Vielschichtaktors Druckmittel aus einem Arbeitsraum verdrängt, wobei das mit dem Vielschichtaktor verbundene Element bzw. die Hubstange bewegt wird. Der bekannte Vielschichtaktor besteht aus einer Vielzahl von übereinander in Richtung einer Längsachse des Vielschichtaktors angeordneten Elektrodenschichten, zwischen denen jeweils eine aus einem elektrisch nichtleitenden Material bestehende Dielektrikumschicht angeordnet ist. Die Elektrodenschichten sind mit den Dielektrikumschichten verbunden und untereinander elektrisch kontaktiert, derart, dass sich der Abstand zwischen den Elektrodenschichten beim Anlegen einer Spannung verringert. Dadurch wird die zwischen den Elektrodenschichten angeordnete Dielektrikumschicht in ihrer Höhe zusammengedrückt, wobei sie sich gleichzeitig in einer quer zur Längsrichtung des Vielschichtaktors verlaufenden Richtung ausdehnt. Da die Elektrodenschichten beispielsweise mittels Bondanschlüssen o.ä. elektrisch kontaktiert sind und beim Anlegen einer Spannung ebenfalls an der Verformung in Querrichtung teilnehmen, kommt es zu einer Relativbewegung zwischen den Anschlussstellen an den Elektrodenschichten in einer senkrecht zur Längsrichtung des Vielschichtaktors verlaufenden Richtung. Dies wird besonders deutlich bei einer elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten, die jeweils einen die Elektrodenschicht umgebenden, äußeren Ring aufweist, der als starrer Ring ausgebildet ist und dadurch nicht an der Verformung teilnimmt, wobei zwischen dem äußeren Ring und der Elektrodenschicht die angesprochene Verbindung ausgebildet ist. A multilayer actuator according to the preamble of claim 1 is known from DE 10 2012 216 564 A1 the applicant known. The known multilayer actuator is used in particular as part of an aggregate for adjusting a lifting rod or the like. In this case, pressure medium is displaced from a working space by means of the multilayer actuator upon actuation of the multilayer actuator, wherein the element connected to the multilayer actuator or the lifting rod is moved. The known multilayer actuator consists of a plurality of electrode layers arranged one above the other in the direction of a longitudinal axis of the multilayer actuator, between each of which a dielectric layer consisting of an electrically non-conductive material is arranged. The electrode layers are connected to the dielectric layers and electrically contacted with each other, such that the distance between the electrode layers decreases when a voltage is applied. As a result, the dielectric layer arranged between the electrode layers is compressed in its height, wherein it simultaneously expands in a direction transverse to the longitudinal direction of the multilayer actuator. Since the electrode layers, for example by means of bonding connections o.ä. are electrically contacted and also participate in the formation of a voltage in the transverse direction, there is a relative movement between the connection points on the electrode layers in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the multilayer actuator direction. This is particularly evident in an electrical contacting of the electrode layers, each having an outer ring surrounding the electrode layer, which is formed as a rigid ring and thereby does not participate in the deformation, wherein between the outer ring and the electrode layer, the mentioned compound is formed.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Vielschichtaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass die elektrische Kontaktierung der Elektrodenschichten verbessert wird. Insbesondere soll dadurch eine geringere Relativbewegung zwischen den Elektrodenschichten und elektrischen Anschlusselementen bei einer Betätigung des Vielschichtaktors erzielt werden.Based on the illustrated prior art, the invention has the object, a multilayer actuator according to the preamble of claim 1 such that the electrical contacting of the electrode layers is improved. In particular, this is intended to achieve a lower relative movement between the electrode layers and electrical connection elements when the multilayer actuator is actuated.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Vielschichtaktor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Querdehnung der Elektrodenschichten beim Anlegen einer Spannung geringer ist als die Querdehnung der Dielektrikumschichten. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Elektrodenschichten diese bei einer Bestromung bzw. beim Anlegen einer Spannung eine geringere Querdehnung aufweisen als die Dielektrikumschichten und somit der Anschlussbereich, der der Kontaktierung der Elektrodenschichten mit einer Spannungsquelle dient, in Bezug auf diese Richtung ebenfalls in einem geringeren Maße verformt wird bzw. an einer entsprechenden Bewegung teilnimmt. Die geringere Querdehnung der Elektrodenschichten kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass die Elektrodenschichten als starre Elektrodenschichten ausgebildet sind, derart, dass sich deren Dicke in Bezug zu einer senkrecht zur Ebene der Elektrodenschichten verlaufenden Richtung beim Anlegen einer Spannung zumindest im Wesentlichen nicht ändert. This object is achieved in a multilayer actuator with the characterizing features of claim 1, characterized in that the transverse strain of the electrode layers when applying a voltage is less than the transverse strain of the dielectric layers. In other words, this means that the electrode layers according to the invention, when energized or when applying a voltage, have a lower transverse strain than the dielectric layers and thus the connection region, which serves to contact the electrode layers with a voltage source, with respect to these Direction is also deformed to a lesser extent or participates in a corresponding movement. The lower transverse expansion of the electrode layers can be ensured, for example, by forming the electrode layers as rigid electrode layers such that their thickness does not change substantially when a voltage is applied relative to a direction perpendicular to the plane of the electrode layers.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Vielschichtaktors sind in den Unteransprüchen angeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.Advantageous developments of the multilayer actuator according to the invention are given in the dependent claims. All combinations of at least two of the features disclosed in the claims, the description and / or the figures fall within the scope of the invention.

Um die erfindungsgemäße geringe Querdehnung bzw. Starrheit der Elektrodenschichten zu gewährleisten, ist es insbesondere vorgesehen, dass die Elektrodenschichten eine Dicke zwischen 0,5µm und 3µm, vorzugsweise zwischen 1µm und 3µm aufweisen. Dies grenzt die Elektrodenschichten, die ansonsten aus denselben Materialien bestehen wie die Elektrodenschichten üblicher Piezoaktoren, von der üblicherweise vorgesehenen Dicke von maximal etwa 0,3µm derartiger Elektrodenschichten ab. In order to ensure the low transverse strain or rigidity of the electrode layers according to the invention, provision is made in particular for the electrode layers to have a thickness of between 0.5 μm and 3 μm, preferably between 1 μm and 3 μm. This delimits the electrode layers, which otherwise consist of the same materials as the electrode layers of conventional piezoactuators, from the thickness of a maximum of approximately 0.3 μm of such electrode layers, which is usually provided.

In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten ist es vorgesehen, dass zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten eine starre metallische Schicht aufweist, die in der Ebene der jeweiligen Elektrodenschicht mit seitlichem Abstand zur Elektrodenschicht angeordnet und mit dieser mittels eines Anschlusselements (insbesondere in Form einer Bondverbindung o.ä.) verbunden ist. In a preferred structural embodiment of the electrical contacting of the electrode layers, it is provided that for the electrical contacting of the electrode layers has a rigid metallic layer which is arranged in the plane of the respective electrode layer with a lateral distance to the electrode layer and with this by means of a connection element (in particular in the form of a Bond connection or similar) is connected.

In Weiterbildung der starren Schicht ist diese in Form eines die Elektrodenschicht mit Abstand umgebenden Anschlussrings ausgebildet, wobei die Elektrodenschicht zumindest im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist. In a further development of the rigid layer, this is formed in the form of a terminal ring surrounding the electrode layer at a distance, wherein the electrode layer is at least substantially circular.

Um den Vielschichtaktor in einem Aggregat einsetzen zu können, bei der der Vielschichtaktor zur Verdrängung von Druckmittel aus einem Arbeitsraum dient, ist es vorgesehen, dass in Längsrichtung des Vielschichtaktors zumindest über eine Teillänge wenigstens ein Längskanal ausgebildet ist, der einen Teil des Arbeitsraums für das Druckmittel bildet. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es bei einer Bestromung des Vielschichtaktors, dass die Dielektrikumschichten in Folge ihrer Verformung den Querschnitt des Längskanals verringern und dabei das in dem Längskanal vorhandene Druckmittel verdrängen, wobei gleichzeitig ein mit dem Vielschichtaktor verbundenes Element (beispielsweise eine Kolben- bzw. Hubstange) bewegt wird. To use the multilayer actuator in an aggregate, in which the multilayer actuator for Displacement of pressure medium from a working space, it is provided that at least over a partial length at least one longitudinal channel is formed in the longitudinal direction of the multilayer actuator, which forms a part of the working space for the pressure medium. Such an embodiment makes it possible, when the multilayer actuator is energized, that the dielectric layers reduce the cross section of the longitudinal channel as a result of their deformation and thereby displace the pressure medium present in the longitudinal channel, at the same time an element connected to the multilayer actuator (for example a piston or lifting rod). is moved.

Eine Beeinflussung des Hubs sowie eine homogene Spannungsverteilung in den Dielektrikumschichten lässt sich dadurch erzielen, dass eine Vielzahl von Längskanälen vorgesehen ist, die parallel zueinander, vorzugsweise auf Teilkreisdurchmessern um die Längsachse des Vielschichtaktors angeordnet sind. An influencing of the stroke and a homogeneous stress distribution in the dielectric layers can be achieved by providing a plurality of longitudinal channels which are arranged parallel to one another, preferably on pitch circle diameters about the longitudinal axis of the multilayer actuator.

Um einen elektrischen Kurzschluss zwischen gegenüberliegenden Elektrodenschichten, insbesondere bei Verwendung eines elektrisch leitenden Druckmittels zu vermeiden, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn die Dielektrikumschicht in radialer Richtung an ihrem Außenumfang und ggf. im Bereich wenigstens eines Längskanals von dem Dielektrikum dichtend umschlossen ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht insbesondere auch den Einsatz von elektrisch leitenden Druckmitteln, so dass sich die Einsatzbereiche eines mit einem erfindungsgemäßen Vielschichtaktors versehenen Aggregats erweitern. In order to avoid an electrical short circuit between opposing electrode layers, in particular when using an electrically conductive pressure medium, it is furthermore advantageous if the dielectric layer is sealed by the dielectric in the radial direction on its outer circumference and optionally in the region of at least one longitudinal channel. Such a configuration also makes it possible, in particular, to use electrically conductive pressure means, so that the application areas of an aggregate provided with a multilayer actuator according to the invention expand.

Zur Ausbildung der Elektrodenschichten sind verschiedene Möglichkeiten denkbar bzw. vorgesehen. In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung ist die Elektrodenschicht als eine durch einen Abscheideprozess ausgebildete Elektrodenschicht ausgebildet. Eine derartige Ausbildung der Elektrodenschicht hat insbesondere den Vorteil, dass beispielsweise die Dicke der Elektrodenschicht sowie die Anordnung der Bereiche, in denen anschließend die Längskanäle ausgebildet werden, relativ einfach gesteuert bzw. angepasst werden kann. To form the electrode layers, various possibilities are conceivable or provided. In a first structural embodiment, the electrode layer is formed as an electrode layer formed by a deposition process. Such a configuration of the electrode layer has the particular advantage that, for example, the thickness of the electrode layer and the arrangement of the areas in which subsequently the longitudinal channels are formed, can be relatively easily controlled or adjusted.

In einer alternativen Ausgestaltung der Elektrodenschicht ist diese in Form einer metallischen Folie ausgebildet. Eine derartige Ausbildung hat insbesondere den Vorteil, dass auf entsprechende Anlagen zum Abscheiden von Elektrodenschichten verzichtet werden kann bzw. die Elektrodenschichten in einem separaten Herstellvorgang, örtlich getrennt von den Dielektrikumschichten, hergestellt werden können.In an alternative embodiment of the electrode layer, this is formed in the form of a metallic foil. Such a design has the particular advantage that it is possible to dispense with corresponding systems for depositing electrode layers, or that the electrode layers can be produced in a separate manufacturing process, locally separate from the dielectric layers.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen eines Vielschichtaktors, der vorzugsweise entsprechend den obigen Erläuterungen ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die Schritte des Aufbringens einer Dielektrikumschicht auf einem Trägerelement, eine Vernetzung, insbesondere eine Teilvernetzung der Dielektrikumschicht mittels Wärme oder UV-Strahlung sowie das Aufbringen einer Elektrodenschicht auf die zumindest teilvernetzte Dielektrikumschicht. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass in dem Vielschichtaktor wenigstens ein Längskanal ausgebildet wird, der mittels einer Laserstrahleinrichtung oder einer auf Ultraschallbasis arbeitenden Schneideinrichtung erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass die einen relativ geringen Querschnitt aufweisenden Längskanäle, die zudem hinsichtlich ihrer Positionierung zu den Elektrodenschichten sehr genau angeordnet werden müssen, mit hoher Genauigkeit gefertigt werden können. The invention also includes a method for producing a multilayer actuator, which is preferably designed according to the above explanations. The inventive method comprises at least the steps of applying a dielectric layer on a carrier element, a crosslinking, in particular a partial crosslinking of the dielectric layer by means of heat or UV radiation and the application of an electrode layer on the at least partially crosslinked dielectric layer. According to the invention, the method is characterized in that in the multilayer actuator at least one longitudinal channel is formed, which is produced by means of a laser beam device or a cutting device operating on ultrasonic basis. The method according to the invention has the particular advantage that the longitudinal channels having a relatively small cross-section, which moreover must be arranged very precisely with regard to their positioning relative to the electrode layers, can be manufactured with high accuracy.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens ist es vorgesehen, dass das Aufbringen der Elektrodenschicht durch einen Abscheideprozess im Maskierverfahren erfolgt, bei dem im Bereich des wenigstens einen Längskanals keine Abscheidung erfolgt, wobei der Bereich, in dem keine Abscheidung erfolgt, größer ist als der Bereich des Längskanals, und wobei der Längskanal mit randseitigem Abstand innerhalb des Bereichs ausgebildet wird, in dem keine Abscheidung erfolgt. Dadurch wird insbesondere ein Zutritt von Druckmittel zu den Elektrodenschichten verhindert, welches bei Verwendung eines elektrisch leitfähigen Druckmittels sonst zu elektrischen Kurzschlüssen führen könnte.In a further development of the production method according to the invention, it is provided that the electrode layer is applied by a deposition process in the masking process, in which no deposition takes place in the region of the at least one longitudinal channel, wherein the region in which no deposition takes place is greater than the region of the longitudinal channel , and wherein the longitudinal channel is formed with edge-side spacing within the area in which no deposition takes place. This prevents in particular access of pressure medium to the electrode layers, which could otherwise lead to electrical short circuits when using an electrically conductive pressure medium.

In alternativer Ausgestaltung des Verfahrens kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass das Aufbringen der Elektrodenschicht durch Auflegen einer wenigstens eine Öffnung für den Längskanal aufweisenden Folie erfolgt. In an alternative embodiment of the method, however, it may also be provided that the application of the electrode layer takes place by placing a foil having at least one opening for the longitudinal channel.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawing.

Diese zeigt in:This shows in:

1 einen Längsschnitt durch ein Aggregat unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Vielschichtaktors im nichtbestromten Zustand, 1 a longitudinal section through an aggregate using a multilayer actuator according to the invention in the de-energized state,

2 ein Detail der 1 in vergrößerter Darstellung, 2 a detail of 1 in an enlarged view,

3 das Aggregat gemäß 1 im bestromten Zustand des Vielschichtaktors, 3 the aggregate according to 1 in the energized state of the multilayer actuator,

4 ein Detail der 3 in vergrößerter Darstellung, 4 a detail of 3 in an enlarged view,

5 der Bereich einer Dielektrikumschicht zwischen zwei Elektrodenschichten im Bereich eines Längskanals bei einer Bestromung der Elektrodenschichten in gegenüber der 4 nochmals vergrößerter Darstellung, 5 the region of a dielectric layer between two electrode layers in the region of a longitudinal channel when the electrode layers are energized in relation to FIG 4 again enlarged representation,

6 eine Draufsicht auf eine Elektrodenschicht und deren elektrische Kontaktierung, 6 a plan view of an electrode layer and its electrical contact,

7 ein Detail der 6 im Bereich eines Längskanals, 7 a detail of 6 in the region of a longitudinal channel,

8 die elektrische Kontaktierung der in der 6 dargestellten Elektrodenschicht in vergrößerter Darstellung und 8th the electrical contact in the 6 shown electrode layer in an enlarged view and

9 bis 13 eine Darstellung zur Verdeutlichung der verschiedenen Herstellschritte eines erfindungsgemäßen Vielschichtaktors, bei dem die Elektrodenschichten im Abscheideverfahren auf jeweils einer Dielektrikumschicht erzeugt werden. 9 to 13 a representation to illustrate the different manufacturing steps of a multilayer actuator according to the invention, in which the electrode layers are produced in the deposition process on each of a dielectric layer.

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.The same elements or elements with the same function are provided in the figures with the same reference numerals.

In der 1 ist ein Aggregat 100 dargestellt, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Vielschichtaktors 10 der Verstellung einer Kolbenstange 101 dient. Das Aggregat 100 umfasst beispielhaft ein äußeres Schutzgehäuse 102, in dem ein Vorratstank 103 zur Aufnahme eines Druckmittels 1 integriert ausgebildet ist. Selbstverständlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, den Vorratstank 103 in einer örtlich von dem Schutzgehäuse 102 ausgebildeten Einheit bzw. als separaten Tank auszubilden. In the 1 is an aggregate 100 represented, using a multilayer actuator according to the invention 10 the adjustment of a piston rod 101 serves. The aggregate 100 includes an example outer protective housing 102 in which a storage tank 103 for receiving a pressure medium 1 is integrated. Of course, it is also within the scope of the invention, the storage tank 103 in a location of the protective housing 102 formed unit or as a separate tank.

Das Schutzgehäuse 102 bildet einen Innenraum 104 aus, in dem der Vielschichtaktor 10 angeordnet ist. Die Kolbenstange 101 ist mittels einer in einer Durchgangsöffnung des Schutzgehäuses 102 angeordneten Lagereinrichtung 105 geführt und innerhalb des Schutzgehäuses 102 beispielhaft mit einer Trägerplatte 11 des Vielschichtaktors 10 fest verbunden. Die Trägerplatte 11 ist Bestandteil eines mediendicht ausgebildeten Gehäuses 12 des Vielschichtaktors 10, wobei die der Kolbenstange 101 abgewandte Unterseite des Gehäuses 12 fest mit dem Boden 106 des Schutzgehäuses 102 verbunden ist. Der Innenraum des Gehäuses 12 bildet einen Arbeitsraum 13 für das Druckmittel 1 aus. Der Arbeitsraum 13 ist über eine mit einem Sperrventil 14 ausgestattete Verbindung 15 hydraulisch mit dem Vorratstank 103 verbunden, derart, dass das Druckmittel 1 zwischen dem Arbeitsraum 13 und dem Vorratstank 103 oder umgekehrt strömen kann.The protective housing 102 forms an interior 104 in which the multilayer actuator 10 is arranged. The piston rod 101 is by means of a in a through hole of the protective housing 102 arranged storage facility 105 guided and inside the protective housing 102 by way of example with a carrier plate 11 of the multilayer actuator 10 firmly connected. The carrier plate 11 is part of a media-tight trained housing 12 of the multilayer actuator 10 , where the piston rod 101 opposite bottom of the housing 12 stuck to the ground 106 of the protective housing 102 connected is. The interior of the housing 12 forms a working space 13 for the pressure medium 1 out. The workroom 13 is about one with a check valve 14 equipped connection 15 hydraulically with the storage tank 103 connected, such that the pressure medium 1 between the workspace 13 and the storage tank 103 or can flow in reverse.

Wie insbesondere anhand einer Zusammenschau der 1 und 2 erkennbar ist, weist der Vielschichtaktor 10 eine Vielzahl von in Bezug auf eine Längsachse 16 des Vielschichtaktors 10 senkrecht angeordnete und parallel übereinander ausgerichtete Elektrodenschichten 17 auf. As in particular by means of a synopsis of 1 and 2 can be seen, the multilayer actuator 10 a variety of with respect to a longitudinal axis 16 of the multilayer actuator 10 vertically arranged and parallel aligned electrode layers 17 on.

Die Elektrodenschichten 17 weisen eine Dicke zwischen 0,5µm und 3µm, vorzugsweise zwischen 1µm und 3µm, auf. Sie sind bestehen insbesondere in Form einer Beschichtung ausgebildet und bestehen beispielhaft, und nicht einschränkend, aus Silber, Kupfer oder Aluminium. Auch können nichtmetallische Beschichtungen, zum Beispiel kohlenstoffbasiert oder aus leitendem Kunststoff zur Ausbildung der Elektrodenschichten 17 vorgesehen sein.The electrode layers 17 have a thickness between 0.5 .mu.m and 3 .mu.m, preferably between 1 .mu.m and 3 .mu.m. They are made in particular in the form of a coating and consist by way of example, and not limitation, of silver, copper or aluminum. Non-metallic coatings, for example carbon-based or of conductive plastic, can also be used to form the electrode layers 17 be provided.

Weiterhin befinden sich zwischen den Elektrodenschichten 17 aus einem elektrisch nichtleitenden Material bestehende Dielektrikumschichten 18. Insbesondere anhand der 6 ist erkennbar, dass die Elektrodenschichten 17 und die Dielektrikumschichten 18 im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind. Weiterhin ist erkennbar, dass eine Elektrodenschicht 17 an ihrem Außenumfang unter Ausbildung eines Radialspaltes 19 von einem der elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschicht 17 dienenden, aus starrem Material bzw. Metall bestehenden Anschlussring 20 umgeben ist. Die den einzelnen Elektrodenschichten 17 zugeordneten Anschlussringe 20 sind darüber hinaus auf nicht gezeigte Art und Weise mit einer gemeinsamen Spannungsquelle verbunden. Die Anschlussringe 20 sind Bestandteil einer Einrichtung 25 zur elektrischen Kontaktierung der Elektrodenschichten 17, wobei die Einrichtung 25 zusätzlich für jede Elektrodenschicht 17 entsprechend der 8 beispielhaft einen Bonddraht bzw. eine Bondverbindung 26 aufweist, die den jeweiligen Anschlussring 20 mit der dem Anschlussring 20 zugeordneten Elektrodenschicht 17 elektrisch leitend verbindet. Furthermore, there are between the electrode layers 17 Dielectric layers made of an electrically non-conductive material 18 , In particular, based on the 6 it can be seen that the electrode layers 17 and the dielectric layers 18 are formed substantially circular. Furthermore, it can be seen that an electrode layer 17 on its outer periphery to form a radial gap 19 from one of the electrical contacting of the electrode layer 17 serving, made of rigid material or metal connecting ring 20 is surrounded. The individual electrode layers 17 associated connection rings 20 are also connected in a manner not shown with a common voltage source. The connection rings 20 are part of a facility 25 for electrical contacting of the electrode layers 17 , where the device 25 additionally for each electrode layer 17 according to the 8th by way of example a bonding wire or a bonding connection 26 having the respective connection ring 20 with the connecting ring 20 associated electrode layer 17 electrically conductive connects.

Erfindungswesentlich ist, dass die Elektrodenschicht 17, die beispielsweise eine Dicke 0,1µm und 3µm aufweist sowie beispielhaft und nicht einschränkend aus einer metallischen Beschichtung aus Silber, Kupfer oder Aluminium besteht, durch die Dimensionierung des Anschlussrings 20 starre Eigenschaften aufweist bzw. nicht an einer Verformung teilnimmt. Das bedeutet, dass die Elektrodenschichten 17 derart ausgebildet sind, dass sich deren Dicke in Bezug zu einer senkrecht zur Ebene der Elektrodenschichten 17 verlaufenden Richtung beim Anlegen einer Spannung zumindest im Wesentlichen nicht ändert. Zumindest ist jedoch sichergestellt, dass die Elektrodenschichten 17 beim Anlegen einer Spannung eine geringere Querdehnung aufweisen als die Dielektrikumschichten 18.It is essential to the invention that the electrode layer 17 , which for example has a thickness of 0.1 .mu.m and 3 .mu.m, as well as by way of example and not limitation of a metallic coating of silver, copper or aluminum, by the dimensioning of the connection ring 20 has rigid properties or does not participate in a deformation. This means that the electrode layers 17 are formed such that their thickness with respect to a perpendicular to the plane of the electrode layers 17 extending direction when applying a voltage at least substantially does not change. At least, however, it is ensured that the electrode layers 17 when applying a voltage lower transverse strain than the dielectric layers 18 ,

Wie insbesondere anhand der Darstellung der 2, 6 und 7 erkennbar ist, weist der Vielschichtaktor 10 darüber hinaus mehrere, parallel zur Längsachse 16 verlaufende Längskanäle 27 auf, die jeweils einen runden Querschnitt aufweisen und in der Art von Sacklochbohrungen zumindest über eine Teillänge des Vielschichtaktors 10, ausgehend von der der Trägerplatte 11 abgewandten Stirnseite der Elektrodenschichten 17 bzw. Dielektrikumschichten 18, ausgehen. Anhand der 6 ist der Fall dargestellt, bei dem ein in der Längsachse 16 angeordneter Längskanal 27 von insgesamt sechs Längskanälen 27 umgeben ist, die beispielhaft auf einem Teilkreisdurchmesser um die Längsachse 16, vorzugsweise in zumindest in etwa gleichgroßen Winkelabständen zueinander angeordnet sind. Wie darüber hinaus anhand der 2 und 7 erkennbar ist, reicht die jeweilige Elektrodenschicht 17 nicht bis zu dem jeweiligen Längskanal 27 heran, sondern endet in einem Abstand a von dem jeweiligen Längskanal 27. Der radiale Zwischenraum zwischen der Elektrodenschicht 17 und dem Längskanal 27 ist von dem Material der Dielektrikumschichten 18 ausgefüllt, derart, dass kein elektrisch leitender Kontakt zwischen der Elektrodenschicht 17 und der das Druckmittel 1 führenden Längskanäle 27 vorhanden ist. Darüber hinaus ist das Material der Elektrodenschicht 17 in seiner Ober- bzw. Unterseite jeweils mit dem Material der Dielektrikumschicht 18 verbunden. As in particular by the representation of the 2 . 6 and 7 can be seen, the multilayer actuator 10 moreover, several, parallel to the longitudinal axis 16 running longitudinal channels 27 on, each having a round cross section and in the manner of blind holes at least over a partial length of the multilayer actuator 10 , starting from the carrier plate 11 opposite end face of the electrode layers 17 or dielectric layers 18 , go out. Based on 6 the case is shown in which one in the longitudinal axis 16 arranged longitudinal channel 27 from a total of six longitudinal channels 27 surrounded, for example, on a pitch circle diameter about the longitudinal axis 16 , are preferably arranged in at least approximately equal angular intervals to each other. As well as using the 2 and 7 can be seen, the respective electrode layer is sufficient 17 not up to the respective longitudinal channel 27 approach, but ends at a distance a from the respective longitudinal channel 27 , The radial gap between the electrode layer 17 and the longitudinal channel 27 is of the material of the dielectric layers 18 filled so that no electrically conductive contact between the electrode layer 17 and the pressure medium 1 leading longitudinal channels 27 is available. In addition, the material is the electrode layer 17 in its top or bottom respectively with the material of the dielectric layer 18 connected.

In den 1 und 2 ist der Zustand dargestellt, bei dem an die Elektrodenschichten 17 keine Spannung angelegt ist. Dies hat zur Folge, dass entsprechend der Darstellung der 2 die einzelnen Längskanäle 27 zumindest weitgehend zylindrisch (mit rundem Querschnitt) ausgebildet sind. Demgegenüber ist in den 3 bis 5 der Zustand des Vielschichtaktors 10 dargestellt, bei dem an die Elektrodenschichten 17 über die Anschlussringe 20 eine Spannung angelegt ist. Dabei ziehen sich die Elektrodenschichten 17 gegenseitig an, derart, dass sich deren gegenseitiger Abstand gegenüber einem ursprünglichen Abstand verringert. Da die Anschlussringe 20 und die Elektrodenschichten 17 aus einem starren Material bestehen, verformen sich diese beim Anlegen der Spannung nicht. Demgegenüber wird das zwischen den Elektrodenschichten 17 angeordnete, elastische Material der Dielektrikumschichten 18 unter Beibehaltung ihres Volumens derart verformt, dass dessen Dicke abnimmt und gleichzeitig das aufgrund der verringerten Dicke verdrängte Material in einer senkrecht zur Längsachse 16 angeordneten Richtung verdrängt wird, insbesondere in den Bereich der Längskanäle 27. Dadurch wird der Querschnitt bzw. Durchmesser der Längskanäle 27 gegenüber dem Zustand, bei dem an den Elektrodenschichten 17 keine Spannung anliegt, verringert. Insbesondere ist anhand der 5 erkennbar, dass aufgrund der sich nicht verformenden Elektrodenschichten 17 das zwischen zwei Elektrodenschichten 17 angeordnete Material einer Dielektrikumschicht 18 in den Bereich des Längskanals 27 unter Ausbildung einer konvex ausgebildeten Ausbeulung 28 verdrängt wird. Dabei nimmt insgesamt gesehen das Volumen des Längskanals 27 und somit auch das Volumen des in den Längskanälen 27 gespeicherten Druckmittels 1 ab. Das Druckmittel 1 wird dadurch bei geöffnetem Sperrventil 14 aus dem Arbeitsraum 13 in den Bereich des Vorratstanks 103 verdrängt. Gleichzeitig nimmt insgesamt gesehen die Höhe des Vielschichtaktors 10 ab, wodurch die Kolbenstange 101 in Richtung des Pfeils 107 bewegt wird. In the 1 and 2 the state is shown in which the electrode layers 17 no voltage is applied. This has the consequence that according to the representation of 2 the individual longitudinal channels 27 at least substantially cylindrical (with a round cross-section) are formed. In contrast, in the 3 to 5 the state of the multilayer actuator 10 shown in which the electrode layers 17 over the connection rings 20 a voltage is applied. The electrode layers are pulled 17 each other, such that their mutual distance is reduced from an original distance. Because the connecting rings 20 and the electrode layers 17 made of a rigid material, they do not deform when applying the voltage. On the other hand, this becomes between the electrode layers 17 arranged, elastic material of the dielectric layers 18 while maintaining its volume deformed such that its thickness decreases and at the same time displaced due to the reduced thickness material in a direction perpendicular to the longitudinal axis 16 arranged direction is displaced, in particular in the region of the longitudinal channels 27 , As a result, the cross section or diameter of the longitudinal channels 27 opposite to the state where at the electrode layers 17 no voltage applied, reduced. In particular, is based on the 5 recognizable that due to the non-deforming electrode layers 17 that between two electrode layers 17 arranged material of a dielectric layer 18 in the area of the longitudinal channel 27 forming a convex bulge 28 is displaced. Overall, this takes the volume of the longitudinal channel 27 and thus also the volume of the in the longitudinal channels 27 stored pressure medium 1 from. The pressure medium 1 becomes characterized by open check valve 14 from the workroom 13 in the area of the storage tank 103 repressed. At the same time, the overall height of the multilayer actuator is increasing 10 off, causing the piston rod 101 in the direction of the arrow 107 is moved.

Ergänzend wird erwähnt, dass der in der 1 dargestellte Vielschichtaktor 10 lediglich eine Möglichkeit einer konkreten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Vielschichtaktors 10 darstellt. Andere Ausführungsformen, insbesondere ohne die Verwendung von Längskanälen 27 oder unter Verwendung zweier Vielschichtaktoren 10 sind in der DE 10 2012 216 564 A1 der Anmelderin offenbart, die insofern Bestandteil dieser Anmeldung sein soll.In addition it is mentioned that in the 1 shown multilayer actuator 10 only one possibility of a specific embodiment of a multilayer actuator according to the invention 10 represents. Other embodiments, in particular without the use of longitudinal channels 27 or using two multilayer actuators 10 are in the DE 10 2012 216 564 A1 the applicant discloses that should be part of this application.

In den 9 bis 13 ist ein mögliches Verfahren zur Herstellung der übereinander angeordneten Elektrodenschichten 17 und Dielektrikumschichten 18 des Vielschichtaktors 10 beispielhaft dargestellt. Das Verfahren sieht gemäß 9 das Aufbringen des Materials der Dielektrikumschicht 18 auf ein Substrat 110 in einem ersten Fertigungsschritt vor. Danach wird das Material der Dielektrikumschicht 18 beispielhaft mittels eines Rakels 111 auf die dafür vorgesehene Schichtdicke, beispielhaft auf eine Schichtdicke zwischen 20µm und 50µm gebracht, wobei die Schichtdicke möglichst gleichmäßig sein soll. Anschließend erfolgt entsprechend der 10 eine Teilvernetzung des Materials der Dielektrikumschicht 18 mittels einer Wärmequelle 112 (die alternativ auch als UV-Strahlungsquelle ausgebildet sein kann). Entsprechend der Darstellung der 11 erfolgt anschließend bei einer ersten denkbaren Variante der Herstellung der Elektrodenschicht 17 ein Abscheiden des Materials der Elektrodenschicht 17 auf die Dielektrikumschicht 18 mittels eines sogenannten PVD-Prozesses unter Verwendung einer Maske 113. Die Maske 113 verhindert, dass Material der Elektrodenschicht 17 in den Bereich der Dielektrikumschicht 18 abgeschieden wird, in dem später die Längskanäle 27 ausgebildet werden sollen. In the 9 to 13 is a possible method for producing the superimposed electrode layers 17 and dielectric layers 18 of the multilayer actuator 10 exemplified. The procedure looks like 9 the application of the material of the dielectric layer 18 on a substrate 110 in a first production step. Thereafter, the material of the dielectric layer 18 for example by means of a squeegee 111 on the designated layer thickness, for example, brought to a layer thickness between 20 .mu.m and 50 .mu.m, wherein the layer thickness should be as uniform as possible. Subsequently, according to the 10 a partial crosslinking of the material of the dielectric layer 18 by means of a heat source 112 (which may alternatively be designed as a UV radiation source). According to the presentation of the 11 then takes place in a first conceivable variant of the production of the electrode layer 17 depositing the material of the electrode layer 17 on the dielectric layer 18 by means of a so-called PVD process using a mask 113 , The mask 113 prevents material from the electrode layer 17 in the region of the dielectric layer 18 is deposited, in which later the longitudinal channels 27 to be trained.

Die soweit beschriebene Ausbildung einer Dielektrikumschicht 18 und einer Elektrodenschicht 17 wird anschließend mehrfach wiederholt, bis der Vielschichtaktor 10 die benötigte Anzahl von Elektrodenschichten 17 und Dielektrikumschichten 18 aufweist. Dabei gelangt jeweils beim Aufbringen der nächsten Dielektrikumschicht 18 auf die Elektrodenschicht 17 Material der Dielektrikumschicht 18 in den von der Maske 113 abgedeckten Bereichen. Somit sind entsprechend der Darstellung der 12 die Elektrodenschichten 17 vollständig von dem Material der Dielektrikumschichten 18 umgeben. The so far described formation of a dielectric layer 18 and an electrode layer 17 is then repeated several times until the multilayer actuator 10 the required number of electrode layers 17 and dielectric layers 18 having. In each case, during the application of the next dielectric layer 18 on the electrode layer 17 Material of the dielectric layer 18 in the mask 113 covered areas. Thus, according to the representation of 12 the electrode layers 17 completely of the material of the dielectric layers 18 surround.

Ergänzend wird erwähnt, dass gleichzeitig mit der Herstellung der Elektrodenschichten 17 auch die Anschlussringe 20 hergestellt bzw. auf die jeweilige Dielektrikumschicht 18 angeordnet werden (nicht dargestellt). In addition, it is mentioned that simultaneously with the production of the electrode layers 17 also the connection rings 20 manufactured or on the respective dielectric layer 18 be arranged (not shown).

In alternativer Ausgestaltung der Ausbildung der Elektrodenschichten 17 kann es vorgesehen sein, dass die Elektrodenschichten 17 jeweils aus einer dünnen ausgestanzten Folie bestehen, die jeweils auf die Oberseite der Dielektrikumschicht 18 aufgelegt mit dieser verbunden wird. Dabei sind die Bereiche, in denen die Längskanäle 27 ausgebildet werden, bereits mit den entsprechenden Ausstanzungen bzw. Ausnehmungen versehen. In an alternative embodiment of the formation of the electrode layers 17 it can be provided that the electrode layers 17 each consist of a thin stamped foil, each on top of the dielectric layer 18 is connected with this. Here are the areas where the longitudinal channels 27 be formed, already provided with the corresponding punched or recesses.

Zuletzt ist es entsprechend der Darstellung der 13 vorgesehen, dass zur Ausbildung der Längskanäle 27 beispielhaft eine Laserstrahlquelle 115 verwendet wird, welche als Ultrakurzzeitlaser im Pikosekundenbereich ausgebildet ist. Alternativ kann anstelle der Laserstrahlquelle 115 auch ein mechanisch wirkendes Schneidwerkzeug verwendet werden, welches vorzugsweise auf Ultraschallbasis die entsprechenden Ausnehmungen bzw. Längskanäle 27 ausbildet. In einem nicht dargestellten, sich an der Ausbildung der Längskanäle 27 anschließenden Fertigungsschritt werden darüber hinaus die einzelnen Elektrodenschichten 17 elektrisch miteinander verbunden bzw. kontaktiert. Last it is according to the representation of the 13 provided that to form the longitudinal channels 27 by way of example a laser beam source 115 is used, which is designed as ultra short-time laser in the picosecond range. Alternatively, instead of the laser beam source 115 Also, a mechanically acting cutting tool can be used, which preferably on ultrasound basis, the corresponding recesses or longitudinal channels 27 formed. In a not shown, the training of the longitudinal channels 27 subsequent manufacturing step beyond the individual electrode layers 17 electrically connected or contacted.

Der soweit beschriebene Vielschichtaktor 10 bzw. dessen Herstellverfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in der Verwendung von geringe Querdehnungen aufweisenden bzw. starren Elektrodenschichten 17, die sich beim Anlegen einer Spannung zumindest im Wesentlichen nicht verformen bzw. an keiner oder nur einer geringen Verformung teilnehmen, die in jedem Fall geringer ist als die entsprechende Verformung bzw. Querdehnung der Dielektrikumschichten 18. The multilayer actuator described so far 10 or its manufacturing method can be modified or modified in many ways, without departing from the spirit of the invention. This consists in the use of low transverse strains or rigid electrode layers 17 which at least substantially do not deform when a voltage is applied or participate in no or only a slight deformation, which in any case is less than the corresponding deformation or transverse expansion of the dielectric layers 18 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012216564 A1 [0002, 0037]

Claims

Multilayer actuator ( 10 ), with several electrode layers ( 17 ), between each of which a dielectric layer consisting of an electrically non-conductive material ( 18 ), wherein the electrode layers ( 17 ) and with the dielectric layers ( 18 ) and a facility ( 25 ) for the electrical contacting of the electrode layers ( 17 ), wherein the dielectric layers ( 18 ) are designed to be in operative connection with a pressure medium ( 1 ) to this when applying a voltage from a working space ( 13 ), characterized in that the transverse strain of the electrode layers ( 17 ) when applying a voltage is less than the transverse strain of the dielectric layers ( 18 ).

Multilayer actuator according to claim 1, characterized in that the electrode layers ( 17 ) have a thickness of between 0.5 μm and 3 μm, preferably between 1 μm and 3 μm.

Multilayer actuator according to claim 1 or 2, characterized in that the device ( 25 ) for the electrical contacting of the electrode layers ( 17 ) a rigid metallic layer ( 20 ), which in the plane of the respective electrode layer ( 17 ) forming a gap ( 19 ) Distance to the electrode layer ( 17 ) and with this by means of a connecting element ( 26 ) connected is.

Multilayer actuator according to claim 3, characterized in that the rigid metallic layer ( 20 ) in the form of an electrode layer ( 17 ) is formed at a distance surrounding the surrounding terminal ring, and that the electrode layer ( 17 ) is formed at least substantially circular.

Multilayer actuator according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the longitudinal direction of the multilayer actuator ( 10 ) at least over a partial length at least one longitudinal channel ( 27 ), which forms part of the working space ( 13 ) for the pressure medium ( 1 ).

Multilayer actuator according to claim 5, characterized in that a multiplicity of longitudinal channels ( 27 ) is provided, which are parallel to each other, preferably on pitch circle diameters about the longitudinal axis ( 16 ) of the multilayer actuator ( 10 ) are arranged.

Multilayer actuator according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the electrode layer ( 17 ) in the radial direction on its outer circumference and optionally in the region of at least one longitudinal channel ( 27 ) of the material of the dielectric layers ( 18 ) is sealed.

Multilayer actuator according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrode layer ( 17 ) as an electrode layer formed by a deposition process ( 17 ) is trained.

Multilayer actuator according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrode layer ( 17 ) is formed in the form of a metallic foil.

Method for producing a multilayer actuator ( 10 ), preferably a multilayer actuator ( 10 ) according to one of claims 1 to 9, comprising at least the following steps: - applying a dielectric layer ( 18 ) on a support element ( 110 ) in a first step - crosslinking of the dielectric layer ( 18 ), in particular partial crosslinking of the dielectric layer ( 18 ) by means of heat or UV radiation, in a second step - application of an electrode layer ( 16 ) on the partially crosslinked dielectric layer ( 18 ) in a third step - reapplying a dielectric layer ( 18 ) on the electrode layer ( 16 ) in a fourth step - repeating the second to fourth steps until the desired number of electrode layers ( 17 ) and dielectric layers ( 18 ) is characterized in that in the multilayer actuator ( 10 ) at least one longitudinal channel ( 27 ) is formed, which by means of a laser beam device ( 115 ) or an ultrasonic cutting device is produced.

A method according to claim 10, characterized in that the application of the electrode layer ( 17 ) is carried out by a deposition process in the masking process, in which in the region of the at least one longitudinal channel ( 27 ), the region in which no deposition takes place is greater than the region of the longitudinal channel (FIG. 27 ), and wherein the longitudinal channel ( 27 ) is formed with edge-side spacing within the area in which no deposition takes place.

A method according to claim 10, characterized in that the application of the electrode layer ( 17 ) by placing at least one opening for the longitudinal channel ( 27 ) having film.