DE102016200148A1 - Electromechanical transducer and method of making an electromechanical transducer - Google Patents

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Abstract

Elektromechanischer Wandler (1) bestehend aus einem Schichtsystem mit einer Schichtfolge von wenigstens vier aufeinander folgenden, planen Schichten (3, 4, 5, 6), wobei die erste (3) und dritte (4) Schicht ein erstes elastisches Material und die zweite (5) und vierte (6) Schicht ein zweites elastisches Material aufweisen, wobei das erste elastische Material elektrisch leitfähig ist und das zweite elastische Material ein Dielektrikum aufweist, und wobei ein drittes Material in Form von Streifen (8) auf eine äußere Schicht der Schichtfolge und/oder in wenigstens eine der Schichten (3, 4, 5, 6) der Schichtfolge derart aufgebracht bzw. eingebracht ist, dass eine Steifigkeit des Schichtsystems in Richtung der Streifen (8) erhöht ist.Electromechanical transducer (1) comprising a layer system with a layer sequence of at least four successive planar layers (3, 4, 5, 6), wherein the first (3) and third (4) layers comprise a first elastic material and the second 5) and fourth (6) layer comprise a second elastic material, wherein the first elastic material is electrically conductive and the second elastic material comprises a dielectric, and wherein a third material in the form of strips (8) on an outer layer of the layer sequence and / or in at least one of the layers (3, 4, 5, 6) of the layer sequence is applied or introduced such that a rigidity of the layer system in the direction of the strips (8) is increased.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler und ein Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers.The invention relates to an electromechanical converter and to a method for producing an electromechanical converter.

Aus der WO 2013/120494 A1 ist ein kapazitiver, elektromechanischer Wandler bekannt, der eine dünne Polymerschicht aufweist, die zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten eingebettet ist, wobei alle Schichten in einer Richtung parallel zu den Schichten wellenförmig ausgeführt sind. Dadurch wird erreicht, dass dieses Schichtsystem senkrecht zur Richtung der wellenförmigen Ausprägung eine größere Steifigkeit besitzt, insbesondere wenn die elektrisch leitfähigen Schichten aus einem nicht-elastischen Material, wie einem Metall, sind.From the WO 2013/120494 A1 For example, a capacitive electromechanical transducer is known which has a thin polymer layer embedded between two electrically conductive layers, all layers being wavy in a direction parallel to the layers. It is thereby achieved that this layer system has a greater rigidity perpendicular to the direction of the undulating shape, in particular if the electrically conductive layers are made of a non-elastic material, such as a metal.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der erfindungsgemäße elektromechanischer Wandler bestehend aus einem Schichtsystem mit einer Schichtfolge von wenigstens vier aufeinanderfolgenden, planen Schichten mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Steifigkeit des Schichtsystems in zwei zueinander orthogonalen Richtungen, welche beide parallel zu einer Ebene des Schichtsystems sind, im wesentlichen unabhängig voneinander einstellbar ist. Es kann beispielsweise erreicht werden, dass das Schichtsystem in einer Richtung flexibel und elastisch ist, und in einer dazu orthogonalen Richtung unflexibel ist bzw. eine hohe Steifigkeit besitzt. Dies ist insbesondere bei der Handhabung während des Herstellungsprozesses des Schichtsystems und bei der späteren Verwendung bzw. Weiterverwendung des Schichtsystems von Vorteil.The electromechanical transducer according to the invention consisting of a layer system with a layer sequence of at least four successive planar layers having the features of the independent claim has the advantage that the stiffness of the layer system in two mutually orthogonal directions, which are both parallel to a plane of the layer system, is essentially independently adjustable. It can be achieved, for example, that the layer system is flexible and elastic in one direction, and is inflexible or has high rigidity in a direction orthogonal thereto. This is advantageous in particular during handling during the production process of the layer system and during later use or reuse of the layer system.

Die Flexibilität in einer Richtung bzw. die hohe Steifigkeit in der dazu orthogonalen Richtung wird erreicht durch einen erfindungsgemäßen elektrischen Wandler bestehend aus einem Schichtsystem mit einer Schichtfolge von wenigstens vier aufeinanderfolgenden, planen Schichten, wobei die erste und dritte Schicht ein erstes elastisches Material und die zweite und vierte Schicht ein zweites elastisches Material aufweisen, wobei das erste elastische Material elektrisch leitfähig ist und das zweite elektrische Material ein Dielektrikum aufweist und wobei ein drittes Material in Form von Streifen auf eine äußere Schicht der Schichtfolge und/oder in wenigstens eine der Schichten der Schichtfolge derart aufgebracht bzw. eingebracht ist, dass eine Steifigkeit des Schichtsystems in Richtung der Streifen erhöht ist.The flexibility in one direction or the high rigidity in the orthogonal direction is achieved by an electrical transducer according to the invention consisting of a layer system with a layer sequence of at least four successive, planar layers, wherein the first and third layer, a first elastic material and the second and fourth layer comprising a second elastic material, wherein the first elastic material is electrically conductive and the second electrical material comprises a dielectric and wherein a third material in the form of strips on an outer layer of the layer sequence and / or in at least one of the layers of the layer sequence is applied or introduced such that a rigidity of the layer system is increased in the direction of the strip.

Unter einem elektromechanischen Wandler kann eine Vorrichtung bestehend aus einer dielektrischen, elastischen Schicht mit je einer auf beiden Seiten der dielektrischen Schicht aufgebrachten, elektrisch leitfähigen Schicht verstanden werden, wobei durch Anlegen einer Spannung zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Schichten eine elektrostatische Kraft zwischen den beiden leitfähigen Schichten derart wirkt, das die dazwischenliegende elastische, dielektrische Schicht zusammengepresst wird und dabei gedehnt wird. Es ist dabei von Vorteil, wenn das elastische, dielektrische Material einen kleinen Elastizitätsmodul, eine hohe Dielektrizitätskonstante sowie eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist. Typischerweise kann bei einer Feldstärke von ca. 30 V/µm eine Dehnung der elastischen, dielektrischen Schicht von ca. 20 % bis 30 % erreicht werden. Die Schichtdicke der elastischen, dielektrischen Schicht liegen üblicherweise bei ca. 20 µm. Es ist denkbar, dass der Schichtdickenbereich zwischen 5 µm und 100 µm liegt.An electromechanical converter can be understood to mean a device consisting of a dielectric, elastic layer, each having an electrically conductive layer applied to both sides of the dielectric layer, wherein an electrostatic force is applied between the two conductive layers by applying a voltage between the two electrically conductive layers acts so that the intermediate elastic, dielectric layer is compressed and thereby stretched. It is advantageous if the elastic, dielectric material has a small modulus of elasticity, a high dielectric constant and a high dielectric strength. Typically, at a field strength of about 30 V / μm, an elongation of the elastic, dielectric layer of about 20% to 30% can be achieved. The layer thickness of the elastic, dielectric layer is usually about 20 μm. It is conceivable that the layer thickness range is between 5 μm and 100 μm.

Ferner können elektromechanische Wandler auch verwendet werden, um eine auf ihn ausgewirkte Kraft zu sensieren. Dabei kann bei Anliegen einer Spannung an den beiden elektrisch leitfähigen Schichten eine Spannungsänderung erfasst werden, wenn sich durch Einwirkung einer zu messenden Kraft auf den elektromechanischen Wandler die Dicke der elastischen, dielektrischen Schicht ändert. Furthermore, electromechanical transducers can also be used to sense a force applied to it. In this case, when a voltage is applied to the two electrically conductive layers, a voltage change can be detected if the thickness of the elastic, dielectric layer changes as a result of the action of a force to be measured on the electromechanical converter.

Elektromechanische Wandler können beispielsweise in Stellantrieben als Linearaktor zur Verschiebung eines anzutreibenden Stellglieds um einen vordefinierten Weg, als peristaltische Pumpe in der Medizintechnik oder Mikrosystemtechnik oder in taktilen Displays zur Erzeugung eines alternativen und/oder zusätzlichen Informationskanals durch eine veränderbare Oberflächenbeschaffenheit verwendet werden. Taktile Displays können insbesondere als veränderliches Display zur Anzeige von Blindenschrift eingesetzt werden. Elektromechanische Wandler können ferner als Kraftmesssensoren eingesetzt werden.Electromechanical transducers can be used for example in actuators as a linear actuator for shifting an actuator to be driven by a predefined path, as a peristaltic pump in medical technology or microsystems technology or in tactile displays for generating an alternative and / or additional information channel by a variable surface finish. Tactile displays can be used in particular as a variable display for displaying braille. Electromechanical transducers can also be used as force measuring sensors.

Unter einer Schicht kann ein flächiges Objekt verstanden werden, welches in einer Ebene ausgedehnt ist, die von zwei zueinander orthogonalen Richtungen aufgespannt wird, und welches in der dritten, zu den beiden anderen Richtungen orthogonalen Richtungen eine deutlich geringere Ausdehnung besitzt. Unter einem elastischen Material kann im allgemeinen ein Material mit geringer Steifigkeit verstanden werden. Generell hängt die Steifigkeit eines Materials von den elastischen Eigenschaften des Materials und von der geometrischen Form des Materials ab. Insbesondere die Biegesteifigkeit, die im folgenden einfach Steifigkeit benannt wird, ist das Produkt aus dem Elastizitätsmodul des Materials und dem Flächenträgheitsmoment des Querschnitts des Materials, wobei das Flächenträgheitsmoment von der Form des Querschnitts des Materials abhängt. Es ist daher möglich, eine Schicht bzw. ein Schichtsystem in ihren bzw. seinen mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Steifigkeit, zu verändern, in dem beispielsweise auf eine der beiden Seiten der Schicht bzw. des Schichtsystems ein weiteres Material in Form von parallelen Streifen aufgebracht wird. Es kann sich hierbei beispielsweise um das gleiche Material der Schicht bzw. um eines der Materialien des Schichtsystems handeln. Es ist jedoch auch denkbar, dass es sich um ein anderes Material handelt. Die Steifigkeit der Schicht bzw. des Schichtsystems senkrecht zur Richtung der parallelen Streifen wird durch diese parallelen Streifen im Wesentlichen nicht verändert. Hingegen ändert bzw. erhöht sich die Steifigkeit der Schicht bzw. des Schichtsystems in der Richtung parallel zu den parallelen Streifen abhängig von der Querschnittsfläche der einzelnen Streifen sowie ihrem Abstand zueinander. Insbesondere ist die Steifigkeit der Schicht bzw. des Schichtsystems von dem Verhältnis zwischen der Höhe und der Breite der Streifen bei einer rechteckigen Querschnittsfläche der Streifen abhängig.A layer may be understood to mean a planar object which is expanded in a plane which is spanned by two mutually orthogonal directions and which has a significantly smaller extent in the third direction orthogonal to the other two directions. An elastic material can generally be understood to mean a material with low rigidity. In general, the stiffness of a material depends on the elastic properties of the material and on the geometric shape of the material. In particular, the bending stiffness, which is simply called rigidity in the following, is the product of the modulus of elasticity of the material and the area moment of inertia of the cross section of the material Material, wherein the area moment of inertia depends on the shape of the cross section of the material. It is therefore possible to change a layer or a layer system in its or their mechanical properties, in particular the rigidity, in which, for example, another material in the form of parallel strips is applied to one of the two sides of the layer or of the layer system , This may be, for example, the same material of the layer or one of the materials of the layer system. However, it is also conceivable that it is a different material. The stiffness of the layer or of the layer system perpendicular to the direction of the parallel strips is essentially not changed by these parallel strips. On the other hand, the rigidity of the layer or of the layer system changes or increases in the direction parallel to the parallel strips depending on the cross-sectional area of the individual strips and their distance from each other. In particular, the stiffness of the layer or of the layer system depends on the ratio between the height and the width of the strips in the case of a rectangular cross-sectional area of the strips.

Es ist denkbar, dass die parallelen Streifen eines dritten Materials auf beiden Seiten der Schicht bzw. des Schichtsystems aufgebracht sind. Dadurch lässt sich die Steifigkeit der Schicht bzw. des Schichtsystems vorteilhafterweise in einer Richtung parallel zu den Streifen weiter erhöhen. Zweckmäßigerweise können die parallelen Streifen, die auf der einen Seite der Schicht bzw. des Schichtsystems aufgebracht sind, einen lateralen Versatz zu den parallelen Streifen aufweisen, die auf der anderen Seite der Schicht bzw. des Schichtsystems aufgebracht sind. Ferner ist es denkbar, dass die Streifen, die auf der einen Seite der Schicht bzw. des Schichtsystems aufgebracht sind, einen Richtungsversatz zu den Streifen aufweisen, die auf der anderen Seite der Schicht bzw. des Schichtsystems aufgebracht sind. Weiterhin ist es denkbar, dass sich die Querschnitte der Streifen längs der Streifen verändern. Ferner kann sich der Abstand benachbarter Streifen längs der Streifen verändern. Durch die zuvor aufgezählten Variationen lässt sich die Steifigkeit der Schicht bzw. des Schichtsystems in einer Richtung parallel zu den Streifen bzw. in einem Richtungsbereich, der im wesentlichen parallel zu den Streifen ist, variabel einstellen.It is conceivable that the parallel strips of a third material are applied on both sides of the layer or of the layer system. As a result, the rigidity of the layer or of the layer system can advantageously be further increased in a direction parallel to the strips. The parallel strips, which are applied on one side of the layer or of the layer system, can expediently have a lateral offset to the parallel strips which are applied to the other side of the layer or of the layer system. It is also conceivable that the strips, which are applied on one side of the layer or of the layer system, have a directional offset to the strips which are applied on the other side of the layer or of the layer system. Furthermore, it is conceivable that the cross sections of the strips change along the strips. Furthermore, the spacing of adjacent strips may vary along the strips. By the previously enumerated variations, the stiffness of the layer or of the layer system can be adjusted variably in a direction parallel to the strips or in a directional area which is substantially parallel to the strips.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn die parallelen Streifen eines weiteren Materials in eine Schicht innerhalb des Schichtsystems integriert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, in dem sich die Materialien innerhalb einer Schicht des Schichtsystems streifenweise abwechseln. Das bedeutet, dass in den Zwischenräumen der Streifen eines Materials sich die Streifen des anderen Materials befinden. Sofern sich die elastischen Eigenschaften der beiden Materialien hinreichend unterscheiden, bzw. die Unterschiede der Elastizitätsmoduln des einen und des anderen Materials hinreichend groß sind, kann dadurch eine erhöhte Steifigkeit der Schicht bzw. des gesamten Schichtsystems in Richtung der Streifen erreicht werden.It is also expedient if the parallel strips of a further material are integrated into a layer within the layer system. This can be achieved, for example, by alternately alternating the materials within a layer of the layer system. This means that the stripes of the other material are in the interstices of the stripes of one material. If the elastic properties of the two materials differ sufficiently, or if the differences between the moduli of elasticity of the one and the other material are sufficiently great, an increased rigidity of the layer or of the entire layer system in the direction of the strips can be achieved.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch 1 angegebenen elektromechanischen Wandlers möglich. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim 1 electromechanical transducer are possible.

Zweckmäßigerweise ist das Schichtsystem um eine Achse senkrecht zu den Streifen zu einem Rollaktor aufrollbar. Das bedeutet, dass das planare Schichtsystem durch das Aufrollen um die zu den Streifen senkrechte Achse beliebig oft übereinander gelegt werden kann. Dadurch lässt sich in vorteilhafterweise die Stauchung in der Richtung senkrecht zu einer Ebene parallel zu den Schichten entsprechend der Anzahl an übereinanderliegenden Schichtsystemen bzw. Schichtfolgen bzw. die Ausdehnung eines derart hergestellten Aktors vergrößern. Ferner entsteht durch das Aufrollen des Schichtsystems aufgrund der parallelen Streifen ein zylinderförmiges Objekt, das in Richtung der Streifen bzw. senkrecht zu der Aufrollachse eine hohe Steifigkeit besitzt. Durch die Vervielfachung des Schichtsystems durch das Aufrollen wird vorteilhafterweise auch eine Vervielfachung der auf den Rollaktor wirkenden bzw. ausgehenden Kräfte erreicht. Dies lässt sich vorteilhafterweise dazu nutzen, den Anwendungsbereich des elektromechanischen Wandlers zu vergrößern, unabhängig davon, ob der elektromechanische Wandler als Aktor oder als Generator oder Sensor eingesetzt wird.Conveniently, the layer system can be rolled up about an axis perpendicular to the strip to a roll actuator. This means that the planar layer system can be superimposed as often as desired by being rolled up around the axis perpendicular to the strips. As a result, the compression in the direction perpendicular to a plane parallel to the layers can advantageously be increased in accordance with the number of superimposed layer systems or layer sequences or the extent of an actuator produced in this way. Furthermore, due to the rolling up of the layer system, a cylindrical object, which has a high rigidity in the direction of the strips or perpendicular to the roll-up axis due to the parallel strips, is produced. Due to the multiplication of the layer system by the rolling up a multiplication of the forces acting on the rolling actuator or outgoing forces is advantageously achieved. This can be advantageously used to increase the scope of the electromechanical transducer, regardless of whether the electromechanical transducer is used as an actuator or as a generator or sensor.

Ferner ist es von Vorteil, wenn das erste elastische Material als Elektrode ausgestaltet ist. Dadurch lassen sich in einfacher Weise die elektrisch leitfähigen Schichten kontaktieren. Es ist ferner zweckmäßig, wenn das Dielektrikum als Elastomer ausgestaltet ist. Denn Elastomere sind im Vergleich zu anderen dielektrischen Materialien sehr leicht und sie weisen eine hohe elastische Energiedichte auf. Dadurch lassen sich in vorteilhafterweise große und zugleich leichte elektromechanische Wandler herstellen, die eine hohe Effizienz aufweisen. Furthermore, it is advantageous if the first elastic material is designed as an electrode. This makes it easy to contact the electrically conductive layers. It is also expedient if the dielectric is designed as an elastomer. Because elastomers are very light compared to other dielectric materials and they have a high elastic energy density. As a result, it is advantageously possible to produce large and at the same time lightweight electromechanical converters which have a high efficiency.

Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das dritte Material mindestens einen um den Faktor 2 höheren Elastizitätsmodul, bevorzugt um den Faktor 10 höheren Elastizitätsmodul, besonders bevorzugt einen um den Faktor 100 höheren Elastizitätsmodul und ganz besonders bevorzugt einen um den Faktor 1000 höheren Elastizitätsmodul als das erste und/oder das zweite Material aufweist. Furthermore, it is advantageous if the third material has at least a modulus of elasticity which is higher by a factor of 2, preferably a modulus of elasticity which is 10 times higher, particularly preferably a modulus of elasticity which is higher by a factor of 100, and very particularly preferably a modulus of elasticity which is higher than the factor of 1000 first and / or the second material.

Denn neben dem Flächenträgheitsmoment des Querschnitts eines Materials ist das Elastizitätsmodul des Materials ausschlaggebend für die Steifigkeit des Materials. Hierdurch wird die Steifigkeit des gesamten Schichtsystems in Richtung der parallelen Streifen, welche aus dem dritten Material bestehen, vergrößert. Because in addition to the area moment of inertia of the cross section of a material that is Modulus of elasticity of the material determines the stiffness of the material. As a result, the rigidity of the entire layer system is increased in the direction of the parallel strips, which consist of the third material.

Zweckmäßigerweise ist das erste elastische, elektrisch leitfähige Material als ein Verbundmaterial ausgestaltet, welches ein die mechansichen Eigenschaften bestimmendes elastisches Trägermaterial und die elektrische Leitfähigkeit bestimmende leitfähige Komponenten aufweist, insbesondere Metallpartikel und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen. Durch das Einbringen von die elektrische Leitfähigkeit bestimmenden leitfähigen Komponenten lässt sich in vorteilhafterweise die Leitfähigkeit des Materials in einem gewissen Bereich anpassen, ohne dass sich die mechanischen Eigenschaften des Materials wesentlich ändern. Es lässt sich dadurch ein weiterer Freiheitsgrad in der Herstellung von elektromechanischen Wandlern gewinnen. Expediently, the first elastic, electrically conductive material is configured as a composite material which has an elastic carrier material which determines the mechanical properties and conductive components which determine the electrical conductivity, in particular metal particles and / or carbon nanotubes. By introducing conductive components which determine the electrical conductivity, it is advantageously possible to adapt the conductivity of the material within a certain range without the material's mechanical properties substantially changing. It can thereby gain another degree of freedom in the production of electromechanical transducers.

Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das zweite elastische Material ein Silikon und/oder ein Acryl aufweist. Denn Silikone oder Acryle weisen einen besonders kleinen Elastizitätsmodul auf, was ihre große Dehnfähigkeit bedingt. Des Weiteren weisen sie eine hohe Dielektrizitätskonstante und eine hohe Durchschlagsfestigkeit auf, die für eine Verwendung in einem elektromechanischen Wandler hilfreich sind. Furthermore, it is advantageous if the second elastic material comprises a silicone and / or an acrylic. Because silicones or acrylics have a particularly small modulus of elasticity, which causes their high elasticity. Furthermore, they have a high dielectric constant and a high dielectric strength, which are helpful for use in an electromechanical transducer.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn das erste Material, das zweite Material und/oder das dritte Material nasschemisch verarbeitbar und/oder applizierbar sind. Nasschemische Verarbeitungs- bzw. Herstellungsschritte sind in der Regel nicht sehr energieaufwändig, da sie bei Raumtemperatur ausführbar sind und keinen Unterdruck benötigen. Des Weiteren lassen sich bei etablierten Verfahrensschritten die Ergebnisse sehr gut reproduzieren. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise geringe Herstellungskosten realisieren. It is furthermore advantageous if the first material, the second material and / or the third material can be wet-chemically processed and / or applied. Wet-chemical processing or production steps are generally not very energy-consuming, since they are executable at room temperature and do not require negative pressure. Furthermore, the results can be reproduced very well in established process steps. As a result, advantageously low production costs can be realized.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers bestehend aus einem Schichtsystem mit einer Schichtfolge von wenigstens vier aufeinanderfolgenden, planen Schichten mit den Schritten Aufbringen einer ersten Schicht eines ersten elastischen Materials auf eine Trägerschicht bzw. Trägerfolie, Aufbringen einer zweiten Schicht eines zweiten elastischen Materials auf die erste Schicht, Aufbringen einer dritten Schicht des ersten elastischen Materials auf die zweite Schicht, Aufbringen einer vierten Schicht des zweiten elastischen Materials auf die dritte Schicht, wobei das erste elastische Material elektrisch leitfähig ist und das zweite elastische Material ein Dielektrikum aufweist, ist vorgesehen, dass vor dem Aufbringen der ersten Schicht auf das Trägermaterial, nach dem Aufbringen der letzten Schicht und/oder während des Aufbringens einer der Schichten ein drittes Material in Form von Streifen auf eine äußere Schicht der Schichtfolge aufgebracht und/oder in eine der Schichten der Schichtfolge eingebracht wird, derart, dass eine Steifigkeit des Schichtsystems in Richtung der Streifen erhöht ist. Die Vorteile dieses Verfahrens sind analog zu obigen Ausführungen unter anderem darin zu sehen, dass die Steifigkeit des Schichtsystems in Richtung der Streifen variabel ausgestaltet sein kann. Durch die Erhöhung der Steifigkeit des Schichtsystems in Richtung der Streifen lässt sich beispielsweise das Schichtsystem leichter von der Trägerfolie lösen. Auch eine eventuelle nachfolgende Weiterbearbeitung des Schichtsystems wird durch die Steifigkeit in einer Richtung des Schichtsystems vereinfach bzw. die nachfolgende Handhabung des Schichtsystems wird vereinfacht. In a method of manufacturing an electromechanical transducer comprising a layer system having a layer sequence of at least four successive planar layers comprising the steps of applying a first layer of a first elastic material to a carrier film, applying a second layer of a second elastic material to the layer First layer, applying a third layer of the first elastic material to the second layer, applying a fourth layer of the second elastic material to the third layer, wherein the first elastic material is electrically conductive and the second elastic material comprises a dielectric, is provided before the application of the first layer to the substrate, after the application of the last layer and / or during the application of one of the layers, a third material in the form of strips applied to an outer layer of the layer sequence and / or in egg ne of the layers of the layer sequence is introduced, such that a rigidity of the layer system is increased in the direction of the strips. The advantages of this method are analogous to the above statements, inter alia, that the rigidity of the layer system in the direction of the strip can be designed variable. By increasing the rigidity of the layer system in the direction of the strips, for example, the layer system can be more easily detached from the carrier film. A possible subsequent processing of the layer system is simplified by the rigidity in one direction of the layer system or the subsequent handling of the layer system is simplified.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn wenigstens einer der Verfahrensschritte nasschemische Verfahrensschritte aufweist, insbesondere Druckprozesse wie Tiefdruckverfahren, Walzendruckverfahren und/oder Inkjetdruckverfahren. Diese etablierten Druckverfahren ermöglichen eine kostengünstige, schnelle und präzise Herstellung des Schichtsystems und bieten insbesondere die Möglichkeit, die herzustellenden Schichten zweidimensional zu strukturieren, wie beispielsweise durch Einbringen einer Streifenstruktur. Furthermore, it is advantageous if at least one of the method steps has wet-chemical method steps, in particular printing processes such as gravure printing method, roller printing method and / or inkjet printing method. These established printing methods enable cost-effective, rapid and precise production of the layer system and in particular offer the possibility of structuring the layers to be produced two-dimensionally, for example by introducing a strip structure.

Ferner ist es von Vorteil, wenn nach wenigstens einem der Verfahrensschritte ein Trocknungsschritt bzw. ein Aushärtungsschritt erfolgt. Dies gewährleistet, dass die einzelnen Schichten in ihrer geometrischen Form stabilisiert werden, und dass mehrere übereinander gebrachte Schichten aufeinander bzw. aneinander haften bleiben. Es ist beispielsweise denkbar, dass der Trocknungsschritt bzw. der Aushärtungsschritt durch Aufheizen des Schichtsystems bzw. einzelner Schichten des Schichtsystems in einem Ofen erfolgt, nachdem diese aufgebracht worden sind. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können mehrere Schichten nach ihrer Auftragung beispielsweise durch UV-Licht ausgehärtet werden. Dies setzt voraus, dass die einzelne Schicht bzw. die Schichten eine Komponente enthalten, die durch Bestrahlung von UV-Licht ihre chemischen Eigenschaften ändert und dadurch aushärtet. Furthermore, it is advantageous if, after at least one of the method steps, a drying step or a curing step takes place. This ensures that the individual layers are stabilized in their geometric shape, and that several layers superimposed on each other adhere to each other. It is conceivable, for example, for the drying step or the curing step to take place by heating the layer system or individual layers of the layer system in an oven after they have been applied. In a further embodiment of the invention, several layers can be cured after their application, for example by UV light. This presupposes that the individual layer or layers contain a component which changes its chemical properties by irradiation of UV light and thereby hardens.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Schichtsystem um eine Achse parallel zu den Streifen aufgerollt wird. Es ist denkbar, dass das Schichtsystem nach jedem Aufbringen einer Schicht bzw. einer weiteren Schicht und einem eventuell nachfolgenden Trocknungsvorgang zur Weiterbearbeitung auf eine Rolle aufgerollt wird. Im nachfolgenden Schritt, bei welchem die nächste Schicht aufgebracht wird, kann das Schichtsystem dann wieder von der zuvor aufgerollten Rolle abgerollt werden, die zu applizierende Schicht kann aufgebracht werden, ein eventuell nachfolgender Trocknungsvorgang kann stattfinden und das Schichtsystem kann wiederum zu einer Rolle aufgerollt werden. Es ist daher denkbar, dass beispielsweise nach jedem Aufbringungsschritt einer Schicht das Schichtsystem zu einer Rolle auf- und vor einem weiteren Aufbringungsschritt der nächsten Schicht des Schichtsystems von der Rolle wieder abgerollt wird. Es ist beispielsweise auch denkbar, dass nach Beendigung des Herstellungsprozesses des Schichtsystems das Schichtsystem von der Trägerfolie delaminiert wird, indem das Schichtsystem auf eine Rolle aufgerollt wird und die Trägerfolie auf eine separate Rolle aufgerollt wird. Es ist dabei zu beachten, dass die Achse, um die das Schichtsystem aufgerollt wird, parallel zu den im Herstellungsverfahren aufgebrachten Streifen ist. Furthermore, it is advantageous if the layer system is rolled up around an axis parallel to the strips. It is conceivable that the layer system is rolled up onto a roll after each application of a layer or a further layer and a possibly subsequent drying process for further processing. In the subsequent step, in which the next layer is applied, the layer system can then be unrolled again from the previously rolled up roll, which applying layer can be applied, any subsequent drying process can take place and the layer system can in turn be rolled up into a roll. It is therefore conceivable that, for example, after each application step of a layer, the layer system is rolled up into a roll and unrolled from the roll again before a further application step of the next layer of the layer system. It is also conceivable, for example, that after completion of the production process of the layer system, the layer system is delaminated from the carrier film by the layer system being rolled up onto a roll and the carrier film being rolled up onto a separate roll. It should be noted that the axis about which the layer system is rolled up is parallel to the strips applied in the manufacturing process.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug zu den Figuren und aus den abhängigen Ansprüchen. Further advantages will become apparent from the following description of embodiments with reference to the figures and from the dependent claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen: Show it:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers, 1 a schematic representation of an inventive electromechanical transducer,

2 eine Draufsicht einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers, 2 a top view of another embodiment of the inventive electromechanical transducer,

3 eine Draufsicht einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers, 3 a top view of another embodiment of the inventive electromechanical transducer,

4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers in aufgerollter Form, sowie 4 a schematic representation of the electromechanical transducer according to the invention in a rolled-up form, as well as

5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers. 5 a schematic representation of the inventive method for producing an electromechanical transducer.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

In 1 ist ein elektromechanischer Wandler 1 bestehend aus verschiedenen Schichten auf einer Trägerfolie 2 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Weiterhin ist ein Koordinatensystem 100 mit drei zueinander orthogonalen Achsen 101, 102 und 103 dargestellt. Die Trägerfolie 2 und die Schichten des elektromechanischen Wandlers 1 sind parallel zu einer Ebene, die von den Achsen 101 und 102 aufgespannt wird. Die Ausdehnungen der Schichten in dieser Ebene können mehrere Millimeter, bevorzugt mehrere Zentimeter und besonders bevorzugt mehrere Dezimeter betragen. Die Trägerfolie 2 ist im Wesentlichen glatt, flexibel, sowie mechanisch und thermisch stabil und dient hierbei vornehmlich als Substrat für die nachfolgend aufgebrachten Schichten des elektromechanischen Wandlers 1.In 1 is an electromechanical transducer 1 consisting of different layers on a carrier foil 2 shown in a perspective view. Furthermore, a coordinate system 100 with three mutually orthogonal axes 101 . 102 and 103 shown. The carrier foil 2 and the layers of the electromechanical transducer 1 are parallel to a plane that is from the axes 101 and 102 is spanned. The dimensions of the layers in this plane can be several millimeters, preferably several centimeters and particularly preferably several decimeters. The carrier foil 2 is substantially smooth, flexible, as well as mechanically and thermally stable and serves primarily as a substrate for the subsequently applied layers of the electromechanical transducer 1 ,

Der elektromechanische Wandler 1 weist in Richtung der Achse 103 drei unterschiedliche Schichtarten mit drei unterschiedlichen Materialen auf. Eine erste Schicht 3 ist direkt auf der Trägerfolie 2 aufgebracht. Die erste Schicht 3 und eine dritte Schicht 4 bestehen aus einem elastischen, dielektrischen Material, das eine Dicke von ca. 15 µm bis 50 µm aufweisen kann. Es kann sich hierbei um ein Elastomer handeln, welches eine große Dehnfähigkeit, eine hohe Permittivität sowie eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist. Es kann sich insbesondere um ein Silikon handeln. The electromechanical converter 1 points in the direction of the axis 103 three different types of layers with three different materials. A first shift 3 is directly on the carrier foil 2 applied. The first shift 3 and a third layer 4 consist of an elastic, dielectric material, which may have a thickness of about 15 microns to 50 microns. It may be an elastomer, which has a high elasticity, a high permittivity and a high dielectric strength. It may in particular be a silicone.

Hier verwendete Silikone können ein Elastizitätsmodul von kleiner 1 N/mm2, eine Permittivität von größer 2,8 und eine Durchschlagsfestigkeit von größer 20kV/mm aufweisen.Silicones used herein may have a Young's modulus of less than 1 N / mm 2 , a permittivity of greater than 2.8, and a dielectric strength greater than 20 kV / mm.

Eine zweite Schicht 5 ist direkt auf der ersten Schicht 3 aufgebracht. Die zweite Schicht 5 und eine vierte Schicht 6 bestehen aus einem elastischen, elektrisch leitfähigen Material, das eine Dicke von ca. 5 µm bis 30 µm aufweisen kann. Es kann sich hierbei wieder um ein Silikon handeln, das eine Beimischung von elektrisch leitfähigen Materialien aufweist. Bei den elektrisch leitfähigen Materialien kann es sich hierbei beispielsweise um Partikel aus Silber, Graphit, Ruß und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen handeln. Der Anteil der leitfähigen Materialien am Volumen der Schicht kann dabei derart gewählt werden, dass sich eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den einzelnen Partikeln der leitfähigen Materialien ausbildet. Die dritte Schicht 4 ist auf der zweiten Schicht 5 aufgebracht und die vierte Schicht 6 ist auf der dritten Schicht 4 aufgebracht.A second layer 5 is right on the first layer 3 applied. The second layer 5 and a fourth layer 6 consist of an elastic, electrically conductive material, which may have a thickness of about 5 microns to 30 microns. This may again be a silicone having an admixture of electrically conductive materials. The electrically conductive materials may be, for example, particles of silver, graphite, carbon black and / or carbon nanotubes. The proportion of the conductive materials in the volume of the layer can be chosen such that forms an electrically conductive connection between the individual particles of the conductive materials. The third layer 4 is on the second layer 5 applied and the fourth layer 6 is on the third layer 4 applied.

Die zweite Schicht 5 und die vierte Schicht 6 können als Elektroden ausgestaltet sein, an die über eine externe Spannungsversorgung 7 eine Spannung angelegt werden kann. Dadurch bildet sich zwischen der zweiten Schicht 5 und der vierten Schicht 6 analog zu einem Kondensator in Richtung der Achse 103 eine elektrostatische Kraft aus, die die dritte Schicht 4 zusammendrückt. Das elektrische Feld kann hierbei ca. 90 V/µm betragen. Da die dritte Schicht 4 aus einem nahezu inkompressiblen Material wie beispielsweise Silikon besteht, dehnt sich die dritte Schicht 4 in der Schichtebene parallel zu den Achsen 101 und 102 aus. Dieser Dehnungseffekt in Richtung der Achsen 101 und 102 und/oder der Stauchungseffekt in Richtung der Achse 103 kann sowohl zum Ausüben als auch zum sensieren einer mechanischen Kraft genutzt werden.The second layer 5 and the fourth layer 6 can be configured as electrodes to which an external power supply 7 a voltage can be applied. This forms between the second layer 5 and the fourth layer 6 analogous to a capacitor in the direction of the axis 103 an electrostatic force, which is the third layer 4 compresses. The electric field can be approx. 90 V / μm. Because the third layer 4 made of a nearly incompressible material such as silicone, the third layer expands 4 in the layer plane parallel to the axes 101 and 102 out. This stretching effect in the direction of the axes 101 and 102 and / or the compression effect in the direction of the axis 103 can be used both to exercise and to sense a mechanical force.

Auf der vierten Schicht 6 sind parallel zur Achse 102 parallele Streifen 8 aufgebracht. Die parallelen Streifen 8 können beispielsweise aus einem Lack gefertigt sein, welcher ein im Vergleich zu den Materialien in den Schichten 3, 4, 5, 6 relativ hohen Elastizitätsmodul von beispielsweise größer 2000 N/mm2 aufweist. Die parallelen Streifen 8 weisen eine Querschnittsfläche 9 auf, die neben dem Elastizitätsmodul des verwendeten Materials die Steifigkeit der parallelen Streifen 8 in Richtung der Achse 102 bestimmt. Die Querschnittsfläche 9 kann beispielsweise quadratisch oder rechteckig sein. Bei einer rechteckigen Querschnittsfläche 9 kann die Länge der parallelen Streifen 8 in Richtung der Achse 103 vorteilhafterweise größer sein, als die Länge der parallelen Steifen 8 in Richtung der Achse 101, um eine möglichst hohe Steifigkeit der parallelen Streifen 8 und damit des gesamten elektromechanischen Wandlers 1 in Richtung der Achse 102 zu erreichen. On the fourth layer 6 are parallel to the axis 102 parallel stripes 8th applied. The parallel stripes 8th For example, they may be made from a varnish which is one compared to the materials in the layers 3 . 4 . 5 . 6 relatively high elastic modulus, for example greater than 2000 N / mm 2 . The parallel stripes 8th have a cross-sectional area 9 on, in addition to the modulus of elasticity of the material used, the rigidity of the parallel strips 8th in the direction of the axis 102 certainly. The cross-sectional area 9 may be square or rectangular, for example. For a rectangular cross-sectional area 9 can be the length of the parallel stripes 8th in the direction of the axis 103 advantageously be greater than the length of the parallel stiffeners 8th in the direction of the axis 101 To ensure the highest possible rigidity of the parallel strips 8th and thus the entire electromechanical transducer 1 in the direction of the axis 102 to reach.

Es ist ferner denkbar, dass die Querschnittsfläche 9 der parallelen Streifen 8 in Richtung der Achse 101 variabel ausgestaltet sind und/oder sich auch in Richtung der Achse 102 ändern können.It is also conceivable that the cross-sectional area 9 the parallel strip 8th in the direction of the axis 101 are designed variable and / or also in the direction of the axis 102 can change.

Die Abstände der parallelen Streifen 8 in Richtung der Achse 101 können gleichmäßig ausgestaltet sein. Es ist denkbar, dass beispielsweise ein Abstand zweier benachbarter paralleler Streifen 8 gleich einer Länge eines parallelen Streifens 8 in Richtung der Achse 101 ist. Es ist ferner denkbar, dass die Abstände zwischen den parallelen Streifen 8 in Richtung der Achse 101 variabel ausgestaltet sind und/oder sich auch in Richtung der Achse 102 ändern können.The distances of the parallel stripes 8th in the direction of the axis 101 can be uniform. It is conceivable that, for example, a distance between two adjacent parallel strips 8th equal to a length of a parallel strip 8th in the direction of the axis 101 is. It is also conceivable that the distances between the parallel strips 8th in the direction of the axis 101 are designed variable and / or also in the direction of the axis 102 can change.

Des Weiteren ist es in einer alternativen Ausgestaltungsform der Erfindung denkbar, dass die erste Schicht 3 und die dritte Schicht 4 aus dem elastischen, elektrisch leitfähigen Material besteht und die zweite Schicht 5 und die vierte Schicht 6 das elastische, dielektrische Material aufweist.Furthermore, in an alternative embodiment of the invention, it is conceivable that the first layer 3 and the third layer 4 consists of the elastic, electrically conductive material and the second layer 5 and the fourth layer 6 comprising the elastic, dielectric material.

In 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1 in einer Seitenansicht gezeigt. Es ist ein Querschnitt durch den elektromechanischen Wandler 1 parallel zu den Achsen 101 und 103 dargestellt. Das Schichtsystem des elektromechanischen Wandlers 1 ist wieder auf der Trägerfolie 2 aufgebracht. Der Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus 1 besteht darin, dass die parallelen Streifen 8 nicht auf der vierten Schicht 6 aufgebracht sind, sondern sich unterhalb bzw. innerhalb der ersten Schicht 3 befinden. Es ist möglich, dass die parallelen Streifen 8 direkt auf die Trägerfolie 9 aufgebracht werden und in einem nachfolgenden Prozessschritt die erste Schicht 3 auf die parallelen Streifen 8 appliziert werden. Es ist möglich, dass hierbei das Material der ersten Schicht 3 auch in Zwischenräume 10 der parallelen Streifen 8 eindringt und diese Zwischenräume teilweise oder ganz ausfüllt. In einer alternativen Ausgestaltungsform kann eine zusätzliche Lage paralleler Streifen 8 in der gleichen Ausrichtung wie die parallelen Streifen 8 auf der Trägerfolie 2 fakultativ auf die vierte Schicht 6 aufgebracht sein, um die Steifigkeit des elektromechanischen Wandlers 1 weiter zu erhöhen.In 2 is another embodiment of the electromechanical transducer according to the invention 1 shown in a side view. It is a cross section through the electromechanical transducer 1 parallel to the axes 101 and 103 shown. The layer system of the electromechanical transducer 1 is back on the carrier foil 2 applied. The difference from the embodiment 1 is that the parallel stripes 8th not on the fourth layer 6 are applied, but below or within the first layer 3 are located. It is possible that the parallel stripes 8th directly on the carrier foil 9 be applied and in a subsequent process step, the first layer 3 on the parallel strips 8th be applied. It is possible that in this case the material of the first layer 3 also in intermediate spaces 10 the parallel strip 8th penetrates and partially or completely fills these spaces. In an alternative embodiment, an additional layer of parallel stripes 8th in the same orientation as the parallel stripes 8th on the carrier foil 2 optional on the fourth shift 6 be applied to the rigidity of the electromechanical transducer 1 continue to increase.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass die erste Schicht 3 durch die parallelen Streifen 8 ersetzt wird, wobei sich die Abfolge der nachfolgenden zweiten Schicht 5, der dritten Schicht 4 und der vierten Schicht 6 nicht ändert. Hierdurch ist gewährleistet, dass die als Elektroden fungierende zweite Schicht 5 und vierte Schicht 6 bei Aufrollen des elektromechanischen Wandlers 8 zu einem Rollaktor galvanisch getrennt bleiben. In an alternative embodiment of the invention, it is possible that the first layer 3 through the parallel stripes 8th is replaced, wherein the sequence of the subsequent second layer 5 , the third layer 4 and the fourth layer 6 does not change. This ensures that the second layer acting as the electrode 5 and fourth layer 6 when rolling up the electromechanical transducer 8th remain galvanically isolated to a roll actuator.

In 3 ist eine weitere, alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers 1 in einer Seitenansicht gezeigt. Es ist ein Querschnitt durch den elektromechanischen Wandler 1 parallel zu den Achsen 101 und 103 dargestellt. Das Schichtsystem des elektromechanischen Wandlers 1 ist auf der Trägerfolie 2 aufgebracht. Der Unterschied zu den Ausführungsbeispielen aus 1 bzw. 2 besteht darin, dass die parallelen Streifen 8 sich innerhalb der zweiten Schicht 5 befinden. Die zweite Schicht 5 weist somit eine streifenförmige Verbundschicht aus, die aus den parallelen Streifen 8 des dritten Materials und weiteren, die Zwischenräume der parallelen Streifen 8 ausfüllende parallele Streifen des zweiten Materials besteht, welches elastisch und elektrisch leitfähig ist. Vorteilhafterweise sind die parallelen Streifen des elektrisch leitfähigen Materials in Richtung der Achse 101 beispielsweise durch in 3 nicht gezeigte Querstege miteinander verbunden, um die elektrische Leitfähigkeit auch in Richtung der Achse 101 zu gewährleisten. Bei Anlegen einer Spannung an die zweite Schicht 5 und die vierte Schicht 6 bildet sich zwischen beiden Schichten eine elektrostatische Kraft aus, die die dritte Schicht 4 zusammenpresst. Da die unter Elektrode, die hierbei durch das streifenförmige, elektrisch leitfähige Material in der zweiten Schicht 5 gebildet wird, nicht homogen und flächig ist, wird die Dehnung des elastischen Dielektrikums in der dritten Schicht 4 in Richtung der Achse 101 von der Dehnung in Richtung der Achse 102 verscheiden sein. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass die parallelen Streifen 8 zusätzlich und/oder alternativ in der vierten Schicht 6 integriert ist, um die Steifigkeit des elektromechanischen Wandlers 1 in Richtung der Achse 102 weiter zu erhöhen. In 3 is another alternative embodiment of the electromechanical transducer according to the invention 1 shown in a side view. It is a cross section through the electromechanical transducer 1 parallel to the axes 101 and 103 shown. The layer system of the electromechanical transducer 1 is on the carrier foil 2 applied. The difference from the examples 1 respectively. 2 is that the parallel stripes 8th within the second layer 5 are located. The second layer 5 thus has a strip-shaped composite layer consisting of the parallel strips 8th of the third material and others, the spaces between the parallel stripes 8th filling parallel strips of the second material, which is elastic and electrically conductive. Advantageously, the parallel strips of the electrically conductive material are in the direction of the axis 101 for example, by in 3 not shown transverse webs connected to each other, the electrical conductivity in the direction of the axis 101 to ensure. When applying a voltage to the second layer 5 and the fourth layer 6 An electrostatic force forms between the two layers, forming the third layer 4 compresses. As the lower electrode, in this case by the strip-shaped, electrically conductive material in the second layer 5 is formed, is not homogeneous and planar, the elongation of the elastic dielectric in the third layer 4 in the direction of the axis 101 from stretching in the direction of the axis 102 to be different. In an alternative embodiment of the invention, it is possible that the parallel strips 8th additionally and / or alternatively in the fourth layer 6 is integrated to the rigidity of the electromechanical transducer 1 in the direction of the axis 102 continue to increase.

In 4 ist ein zu einem Rollaktor 20 aufgerollter elektromechanischer Wandler 1 dargestellt. Weiterhin ist das Koordinatensystem 100 mit den drei zueinander orthogonalen Achsen 101, 102 und 103 dargestellt.In 4 is one to a rolling actuator 20 rolled up electromechanical transducer 1 shown. Furthermore, the coordinate system 100 with the three mutually orthogonal axes 101 . 102 and 103 shown.

Der Rollaktor 20 weist die zuvor beschriebenen Schichten 3, 4, 5, 6 auf, die zur funktionsgemäßen Verwendung als elektromechanischer Wandler 1 hilfreich sind. Ferner sind die erfindungsgemäßen parallelen Streifen 8 vereinfacht als weitere Schicht dargestellt. Durch das vielfache Aufrollen der Schichten zu dem Rollaktor 20 vervielfacht sich der Stauchungseffekt, bei welchem die dritte Schicht 4 des elektromechanischen Wandlers zusammengedrückt wird. Ferner wird auch die erste Schicht 3 zusammengedrückt, da durch das Aufrollen nicht nur die dritte Schicht 4 sondern auch die erste Schicht 3 von den als Elektroden fungierenden zweiten Schicht 5 und vierten Schicht 6 umschlossen wird. Bei Anlegen einer Spannung an die zweite Schicht 5 und die vierte Schicht 6 werden somit die erste Schicht 3 und die dritte Schicht 4 zusammengedrückt und der Rollaktor 20 wird in der Ebene, die von den Achsen 101 und 102 aufgespannt wird, in radialer Richtung komprimiert. Die parallelen Streifen 8, die parallelzur Achse 102 ausgerichtet sind, verleihen dem Rollaktor 20 eine in dieser Richtung erhöhte Steifigkeit, was sowohl den Aufrollprozess des elektromechanischen Wandlers 1 zu dem Rollaktor 20 als auch die Handhabung des Rollaktors 20 erleichtert.The roll actuator 20 has the layers described above 3 . 4 . 5 . 6 on, for proper use as an electromechanical transducer 1 are helpful. Furthermore, the parallel strips according to the invention are 8th simplified as another layer shown. By the multiple rolling up of the layers to the roll actuator 20 multiplies the compression effect, in which the third layer 4 of the electromechanical transducer is compressed. Furthermore, also the first layer 3 compressed, because by rolling not only the third layer 4 but also the first layer 3 of the second layer functioning as electrodes 5 and fourth layer 6 is enclosed. When applying a voltage to the second layer 5 and the fourth layer 6 become the first layer 3 and the third layer 4 squeezed and the roll actuator 20 is in the plane, that of the axes 101 and 102 is clamped, compressed in the radial direction. The parallel stripes 8th parallel to the axis 102 aligned, lend to the rolling actuator 20 an increased rigidity in this direction, which both the reeling process of the electromechanical transducer 1 to the roll actuator 20 as well as the handling of the roll actuator 20 facilitated.

Der Effekt der Stauchung des Rollaktors 20 in radialer Richtung bzw. der Dehnung des Rollaktors 20 in axialer Richtung kann sowohl zum Ausüben als auch zum sensieren einer mechanischen Kraft genutzt werden.The effect of compression of the roll actuator 20 in the radial direction or the elongation of the roll actuator 20 in the axial direction can be used both for exercising and for sensing a mechanical force.

In 5 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines elektromechanischen Wandlers 1 dargestellt. Optionale Verfahrensschritte sind durch gestrichelte Boxen bzw. Pfeile gekennzeichnet. In einem optionalen Applikationsschritt 80 wird auf die flexible, mechanisch und thermisch stabile Trägerfolie 2 eine Schicht aus parallelen Streifen 8 eines Lacks mit einem hohen Elastizitätsmodul aufgebracht. Die Trägerfolie 2 wird dabei von einer Rolle abgewickelt, die parallelen Streifen 8 werden beispielsweise über ein Inkjet-Verfahren in Laufrichtung der Trägerfolie 2 bzw. senkrecht zu der Achse, um die die Trägerfolie abgewickelt wird, auf die Trägerfolie 2 gedruckt. In einem optionalen Trocknungsschritt 90 werden die parallelen Streifen 8 bzw. der Lack getrocknet, indem die Trägerfolie 2 beispielsweise durch einen Ofen geführt wird, welcher auf eine vom verwendeten Material abgängige, bestimmte Temperatur aufgeheizt ist. Es folgt der erste Applikationsschritt 30, bei welchem auf die Trägerfolie 2 bzw. auf die parallelen Streifen 8 die erste Schicht 3 aus Silikon über eine Walzenbeschichtung aufgebracht wird. In einem nachfolgenden optionalen Trocknungsschritt 91 wird die erste Schicht 3 analog zu dem zuvor beschriebenen Vorgang getrocknet. Optional kann nun ein zusätzlicher und/oder alternativer Applikationsschritt 81 erfolgen, bei welchem auf die erste Schicht 3 eine Schicht aus parallelen Streifen 8 des Lacks über das Inkjet-Verfahren in Laufrichtung der Trägerfolie 2 aufgebracht wird. Optional erfolgt ein zusätzlicher und/oder alternativer Trocknungsschritt 92, bei welchem die parallelen Streifen 8 analog zu dem zuvor beschriebenen Vorgang getrocknet werden.In 5 is an embodiment of an inventive method for producing an electromechanical transducer 1 shown. Optional process steps are indicated by dashed boxes or arrows. In an optional application step 80 is based on the flexible, mechanically and thermally stable carrier foil 2 a layer of parallel stripes 8th a varnish with a high modulus of elasticity applied. The carrier foil 2 is unwound from a roll, the parallel strips 8th For example, via an inkjet process in the direction of the carrier film 2 or perpendicular to the axis about which the carrier foil is unwound, onto the carrier foil 2 printed. In an optional drying step 90 become the parallel stripes 8th or the paint dried by the carrier film 2 for example, is guided by an oven, which is heated to a temperature offgoing from the material used, certain temperature. This is followed by the first application step 30 in which on the carrier film 2 or on the parallel stripes 8th the first layer 3 made of silicone over a roll coating is applied. In a subsequent optional drying step 91 becomes the first layer 3 dried analogously to the process described above. Optionally, now an additional and / or alternative application step 81 take place, in which on the first layer 3 a layer of parallel stripes 8th of the paint via the inkjet process in the direction of the carrier film 2 is applied. Optionally, an additional and / or alternative drying step takes place 92 in which the parallel stripes 8th be dried analogously to the process described above.

Es folgt der zweite Applikationsschritt 40, bei welchem auf die parallelen Streifen 8 bzw. die erste Schicht 3 aus Silikon die zweite Schicht 5 aus einem Verbundmaterial aus Silikon und leitfähigen Silberpartikeln über eine Walzenbeschichtung aufgebracht wird. In einem nachfolgenden optionalen Trocknungsschritt 93 wird die zweite Schicht 5 analog zu dem zuvor beschriebenen Vorgang getrocknet. Optional kann nun ein zusätzlicher und/oder alternativer Applikationsschritt 82 erfolgen, bei welchem auf die zweite Schicht 5 eine Schicht aus parallelen Streifen 8 des Lacks über das Inkjet-Verfahren in Laufrichtung der Trägerfolie 2 aufgebracht wird. Optional erfolgt ein zusätzlicher und/oder alternativer Trocknungsschritt 94, bei welchem die parallelen Streifen 8 analog zu dem zuvor beschriebenen Vorgang getrocknet werden.This is followed by the second application step 40 in which on the parallel stripes 8th or the first layer 3 made of silicone the second layer 5 is applied from a composite material of silicone and conductive silver particles via a roll coating. In a subsequent optional drying step 93 becomes the second layer 5 dried analogously to the process described above. Optionally, now an additional and / or alternative application step 82 take place, wherein on the second layer 5 a layer of parallel stripes 8th of the paint via the inkjet process in the direction of the carrier film 2 is applied. Optionally, an additional and / or alternative drying step takes place 94 in which the parallel stripes 8th be dried analogously to the process described above.

Es folgt der dritte Applikationsschritt 50, bei welchem auf die parallelen Streifen 8 bzw. die zweite Schicht 5 aus dem Verbundmaterial aus Silikon und leitfähigen Silberpartikeln die dritte Schicht 4 aus Silikon über eine Walzenbeschichtung aufgebracht wird. In einem nachfolgenden optionalen Trocknungsschritt 95 wird die dritte Schicht 5 analog zu dem zuvor beschriebenen Vorgang getrocknet. Optional kann nun ein zusätzlicher und/oder alternativer Applikationsschritt 83 erfolgen, bei welchem auf die dritte Schicht 4 eine Schicht aus parallelen Streifen 8 des Lacks über das Inkjet-Verfahren in Laufrichtung der Trägerfolie 2 aufgebracht wird. Optional erfolgt ein zusätzlicher und/oder alternativer Trocknungsschritt 96, bei welchem die parallelen Streifen 8 analog zu dem zuvor beschriebenen Vorgang getrocknet werden.This is followed by the third application step 50 in which on the parallel stripes 8th or the second layer 5 from the composite material of silicone and conductive silver particles, the third layer 4 made of silicone over a roll coating is applied. In a subsequent optional drying step 95 becomes the third layer 5 dried analogously to the process described above. Optionally, now an additional and / or alternative application step 83 take place, in which on the third layer 4 a layer of parallel stripes 8th of the paint via the inkjet process in the direction of the carrier film 2 is applied. Optionally, an additional and / or alternative drying step takes place 96 in which the parallel stripes 8th be dried analogously to the process described above.

Es folgt der vierte Applikationsschritt 60, bei welchem auf die parallelen Streifen 8 bzw. die dritte Schicht 4 aus Silikon die vierte Schicht 6 aus dem Verbundmaterial aus Silikon und leitfähigen Silberpartikeln über eine Walzenbeschichtung aufgebracht wird. In einem nachfolgenden optionalen Trocknungsschritt 97 wird die vierte Schicht 6 analog zu dem zuvor beschriebenen Vorgang getrocknet. Optional kann nun ein zusätzlicher und/oder alternativer Applikationsschritt 84 erfolgen, bei welchem auf die vierte Schicht 6 eine Schicht aus parallelen Streifen 8 des Lacks über das Inkjet-Verfahren in Laufrichtung der Trägerfolie 2 aufgebracht wird. Optional erfolgt ein zusätzlicher und/oder alternativer Trocknungsschritt 98, bei welchem die parallelen Streifen 8 analog zu dem zuvor beschriebenen Vorgang getrocknet werden.This is followed by the fourth application step 60 in which on the parallel stripes 8th or the third layer 4 made of silicone the fourth layer 6 is applied from the composite material of silicone and conductive silver particles via a roll coating. In a subsequent optional drying step 97 becomes the fourth layer 6 dried analogously to the process described above. Optionally, now an additional and / or alternative application step 84 take place, in which the fourth layer 6 a layer of parallel stripes 8th of the paint via the inkjet process in the direction of the carrier film 2 is applied. Optionally, an additional and / or alternative drying step 98 in which the parallel stripes 8th be dried analogously to the process described above.

Es ist denkbar, dass in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung die Trocknungsschritte 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 durch einen einzigen, abschließenden Trocknungsschritt ersetzt werden. Weiterhin ist es möglich, dass alternativ oder zusätzlich zu den Trocknungsschritten 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 bei Einsatz von lichtsensitiven Materialien wenigstens ein Aushärtungsschritt erfolgt, vorzugsweise durch Bestrahlung des Materials bzw. der applizierten Schicht mit ultraviolettem Licht.It is conceivable that in an alternative embodiment of the invention, the drying steps 90 . 91 . 92 . 93 . 94 . 95 . 96 . 97 . 98 be replaced by a single, final drying step. Furthermore, it is possible that as an alternative or in addition to the drying steps 90 . 91 . 92 . 93 . 94 . 95 . 96 . 97 . 98 when using light-sensitive materials at least one curing step, preferably by irradiation of the material or the applied layer with ultraviolet light.

In einem nachfolgenden Delaminationsschritt 85 wird der elektromechanische Wandler 1 von der Trägerfolie 2 abgelöst. Dieser Schritt wird vorteilhafterweise dadurch vereinfacht, dass unter, auf und/oder in wenigstens einer Schicht des elektromechanischen Wandlers 1 parallele Streifen 8 des Lacks mit einem hohen Elastizitätsmodul auf- bzw. eingebracht sind, die die Steifigkeit des elektromechanischen Wandlers 1 in Richtung der parallelen Streifen 8 erhöhen. Der von der Trägerfolie 2 delaminierte elektromechanische Wandler 1 wird in einem nachfolgenden Aufrollschritt 200 zu dem Rollaktor 20 aufgerollt.In a subsequent delamination step 85 becomes the electromechanical converter 1 from the carrier film 2 replaced. This step is advantageously facilitated by the fact that below, on and / or in at least one layer of the electromechanical transducer 1 parallel stripes 8th of the lacquer with a high modulus of elasticity are introduced, which is the rigidity of the electromechanical transducer 1 in the direction of the parallel stripes 8th increase. The of the carrier film 2 Delaminated electromechanical transducers 1 is in a subsequent roll-up step 200 to the roll actuator 20 rolled up.

Die zuvor erwähnten Applikationsschritte 30, 40, 50, 60 können über verschiedene, etablierte Druckverfahren ausgeführt werden, bei denen die verwendeten Materialien in beispielsweise einem Lösemittel gelösten, flüssigen Zustand vorliegen. Dazu zählen neben dem Inkjet-Verfahren auch Rolle-zu-Rolle-Verfahren, wie beispielsweise Tiefdruck-, Hochdruck-, Durchdruck- oder Flachdruckverfahren.The aforementioned application steps 30 . 40 . 50 . 60 can be carried out by various, established printing processes in which the materials used are present in, for example, a solvent dissolved, liquid state. These include not only the inkjet process but also roll-to-roll processes, such as gravure printing, high-pressure printing, through-printing or planographic printing processes.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass die einzelnen Schichten 3, 4, 5, 6 durch Koextrusion der einzelnen Materialien zeitgleich auf die Trägerfolie 2 aufgebracht werden und die Applikation der parallelen Streifen 8 in einem nachfolgenden Schritt stattfindet.In an alternative embodiment of the invention, it is possible that the individual layers 3 . 4 . 5 . 6 by coextrusion of the individual materials at the same time on the carrier film 2 be applied and the application of the parallel strips 8th takes place in a subsequent step.

Weiterhin ist es möglich, dass die einzelnen Schichten 3, 4, 5, 6 in einem separaten Herstellungsverfahren hergestellt und einzeln oder zusammen auf die Trägerfolie 2 laminiert werden. Die Applikation der parallelen Streifen 8 kann hierbei in einem nachfolgenden Schritt erfolgen.Furthermore, it is possible that the individual layers 3 . 4 . 5 . 6 produced in a separate manufacturing process and individually or together on the carrier film 2 be laminated. The application of parallel stripes 8th This can be done in a subsequent step.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2013/120494 A1 [0002] WO 2013/120494 A1 [0002]

Claims (12)

Elektromechanischer Wandler (1) bestehend aus einem Schichtsystem mit einer Schichtfolge von wenigstens vier aufeinander folgenden, planen Schichten (3, 4, 5, 6) wobei die erste (3) und dritte (4) Schicht ein erstes elastisches Material und die zweite (5) und vierte (6) Schicht ein zweites elastisches Material aufweisen, wobei das erste elastische Material elektrisch leitfähig ist und das zweite elastische Material ein Dielektrikum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Material in Form von Streifen (8) auf eine äußere Schicht der Schichtfolge und/oder in wenigstens eine der Schichten (3, 4, 5, 6) der Schichtfolge derart aufgebracht bzw. eingebracht ist, dass eine Steifigkeit des Schichtsystems in Richtung der Streifen (8) erhöht ist.Electromechanical transducer ( 1 ) consisting of a layer system with a layer sequence of at least four successive, planar layers ( 3 . 4 . 5 . 6 ) where the first ( 3 ) and third ( 4 ) Layer a first elastic material and the second ( 5 ) and fourth ( 6 ) Layer comprise a second elastic material, wherein the first elastic material is electrically conductive and the second elastic material comprises a dielectric, characterized in that a third material in the form of strips ( 8th ) on an outer layer of the layer sequence and / or in at least one of the layers ( 3 . 4 . 5 . 6 ) of the layer sequence is applied or incorporated such that a rigidity of the layer system in the direction of the strips ( 8th ) is increased. Elektromechanischer Wandler (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem um eine Achse senkrecht zu den Streifen (8) aufrollbar ist.Electromechanical transducer ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the layer system about an axis perpendicular to the strips ( 8th ) can be rolled up. Elektromechanischer Wandler (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das erste elastische Material als Elektrode ausgestaltet ist.Electromechanical transducer ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the first elastic material is designed as an electrode. Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum ein Elastomer ist. Electromechanical transducer ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the dielectric is an elastomer. Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Material mindestens einen um den Faktor 2 höheren Elastizitätsmodul, bevorzugt einen um den Faktor 10 höheren Elastizitätsmodul, besonders bevorzugt einen um den Faktor 100 höheren Elastizitätsmodul und ganz besonders bevorzugt einen um den Faktor 1000 höheren Elastizitätsmodul als das erste und/oder das zweite Material aufweist. Electromechanical transducer ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the third material at least a higher by a factor of 2 modulus, preferably a higher modulus by 10 factor, more preferably a higher by a factor of 100 modulus and very particularly preferably by a factor of 1000 higher Elastic modulus as the first and / or the second material. Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste elastische Material als ein Verbundmaterial ausgestaltet ist, welches ein die mechanischen Eigenschaften bestimmendes elastisches Trägermaterial und die elektrische Leitfähigkeit bestimmende leitfähige Komponenten aufweist, insbesondere Metallpartikel und/oder Kohlenstoffnanoröhrchen.Electromechanical transducer ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first elastic material is designed as a composite material, which has a mechanical properties determining the elastic carrier material and the electrical conductivity-determining conductive components, in particular metal particles and / or carbon nanotubes. Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elastische Material ein Silikon und/oder ein Acryl aufweist.Electromechanical transducer ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second elastic material comprises a silicone and / or an acrylic. Elektromechanischer Wandler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material, das zweite Material und/oder das dritte Material nasschemisch verarbeitbar und/oder applizierbar sind.Electromechanical transducer ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first material, the second material and / or the third material can be wet-chemically processed and / or applied. Verfahren zum Herstellen eines elektromechanischen Wandlers (1) bestehend aus einem Schichtsystem mit einer Schichtfolge von wenigstens vier aufeinander folgenden, planen Schichten (3, 4, 5, 6) mit den Schritten – Aufbringen einer ersten Schicht (3) eines ersten elastischen Materials auf eine Trägerfolie (2), – Aufbringen einer zweiten Schicht (5) eines zweiten elastischen Materials auf die erste Schicht (3), – Aufbringen einer dritten Schicht (4) des ersten elastischen Materials auf die zweite Schicht (5), – Aufbringen einer vierten Schicht (6) des zweiten elastischen Materials auf die dritte Schicht (4), wobei das erste elastische Material elektrisch leitfähig ist und das zweite elastische Material ein Dielektrikum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der ersten Schicht (3) auf die Trägerfolie (2), nach dem Aufbringen der letzten Schicht (6) und/oder während dem Aufbringen einer der Schichten (3, 4, 5, 6) ein drittes Material in Form von Streifen (8) auf eine äußere Schicht der Schichtfolge aufgebracht und/oder in einer der Schichten (3, 4, 5, 6) der Schichtfolge eingebracht wird, derart, dass eine Steifigkeit des Schichtsystems in Richtung der Streifen (8) erhöht ist.Method for producing an electromechanical converter ( 1 ) consisting of a layer system with a layer sequence of at least four successive, planar layers ( 3 . 4 . 5 . 6 ) with the steps - applying a first layer ( 3 ) of a first elastic material on a carrier film ( 2 ), - applying a second layer ( 5 ) of a second elastic material on the first layer ( 3 ), - applying a third layer ( 4 ) of the first elastic material on the second layer ( 5 ), - applying a fourth layer ( 6 ) of the second elastic material on the third layer ( 4 ), wherein the first elastic material is electrically conductive and the second elastic material comprises a dielectric, characterized in that before the application of the first layer ( 3 ) on the carrier film ( 2 ), after application of the last layer ( 6 ) and / or during the application of one of the layers ( 3 . 4 . 5 . 6 ) a third material in the form of strips ( 8th ) is applied to an outer layer of the layer sequence and / or in one of the layers ( 3 . 4 . 5 . 6 ) of the layer sequence is introduced, such that a rigidity of the layer system in the direction of the strips ( 8th ) is increased. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Verfahrensschritte (30, 40, 50, 60, 80, 81, 82, 83, 84) nasschemische Verfahrensschritte aufweist, insbesondere Druckprozesse wie Tiefdruckverfahren, Walzendruckverfahren und/oder Inkjet-Druckverfahren.Method according to claim 9, characterized in that at least one of the method steps ( 30 . 40 . 50 . 60 . 80 . 81 . 82 . 83 . 84 ) comprises wet-chemical process steps, in particular printing processes such as gravure printing process, roller printing process and / or inkjet printing process. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach wenigstens einem der Verfahrensschritte (30, 40, 50, 60, 80, 81, 82, 83, 84) ein Trocknungsschritt (90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98) bzw. ein Aushärtungsschritt erfolgt.Method according to claim 9 or 10, characterized in that after at least one of the method steps ( 30 . 40 . 50 . 60 . 80 . 81 . 82 . 83 . 84 ) a drying step ( 90 . 91 . 92 . 93 . 94 . 95 . 96 . 97 . 98 ) or a curing step takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass nach wenigstens einem der Verfahrensschritte (30, 40, 50, 60, 80, 81, 82, 83, 84) ein Aufrollschritt (200) erfolgt, bei welchem das Schichtsystem um eine Achse senkrecht zu den Streifen (8) aufgerollt wird.Method according to one of claims 9-11, characterized in that after at least one of the method steps ( 30 . 40 . 50 . 60 . 80 . 81 . 82 . 83 . 84 ) a roll-up step ( 200 ), in which the layer system about an axis perpendicular to the strips ( 8th ) is rolled up.
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