DE102019123909B4 - Kompensieren einer Abweichung von einer Kennliniencharakteristik einer dielektrischen Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine dielektrische Vorrichtung (100), welche ein dielektrischer Elastomer Aktor und/oder ein dielektrischer Elastomer Sensor ist, welche aufweist:eine Mehrzahl von Elektroden (110, 120, 121), welche jeweils haben:einen funktionellen Bereich (112), welcher entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine erste Ebene aufspannt, wobei die dielektrische Vorrichtung (100) eingerichtet ist, dass in einem Betriebsmodus eine Spannung an den funktionellen Bereich (112) angelegt wird; undeine Mehrzahl von elastischen Dielektrika (130, 131), wobei jedes Dielektrikum (130, 131) entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine zweite Ebene aufspannt;wobei die Elektroden (110, 120, 121) und die elastischen Dielektrika (130, 131) alternierend als Stapelsystem angeordnet sind;wobei die dielektrische Vorrichtung (100) eingerichtet ist, dass in dem Betriebsmodus eine Bewegung des Stapelsystems in einer Höhenrichtung (z), welche senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen (x, y) orientiert ist, stattfindet; undwobei die dielektrische Vorrichtung (100) eine Kompensationsmaßnahme aufweist, um in dem Betriebsmodus eine Abweichung von einer Kennliniencharakteristik bezüglich der Bewegung des Stapelsystems in der Höhenrichtung (z) und der angelegten Spannung zumindest teilweise zu kompensieren, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist:zumindest ein elastisches Dielektrikum (130) weist auf:eine erste Elastizitätseigenschaft; undeine zweite Elastizitätseigenschaft; wobei die erste Elastizitätseigenschaft von der zweiten Elastizitätseigenschaft verschieden ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine dielektrische Vorrichtung (insbesondere einen dielektrischen Aktor und/oder einen dielektrischen Sensor). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Aktors und/oder eines dielektrischen Sensors.
• Die Erfindung kann sich somit auf das technische Gebiet von dielektrischen Vorrichtungen beziehen. Insbesondere kann sich die Erfindung auf das technische Gebiet der dielektrischen (Elastomer) Aktoren und/oder dielektrischen (Elastomer) Sensoren beziehen. Ferner kann sich die Erfindung auf das Kompensieren von Abweichungen von Kennlinien (-charakteristiken) bezüglich Dehnung (in Höhenrichtung) und elektrischer Spannung in einer dielektrischen Vorrichtung beziehen.
• Eine dielektrische Vorrichtung wie z.B. ein dielektrischer (Elastomer) Aktor (DEA), ein dielektrischer (Elastomer) Sensor (DES) oder eine Mischform (DEAS) ist im Prinzip wie ein nachgiebiger elektrostatischer Kondensator aufgebaut. Eine passive Elastomerschicht (bzw. eine Polymerschicht) wird zwischen zwei Elektrodenplatten eingeklemmt. Wenn eine elektrische Spannung U angelegt wird (also im Betriebsmodus), ziehen sich die gegenüberliegenden Elektrodenplatten aufgrund des elektrostatischen Druckes (p_el) an. Die inkompressible Elastomerschicht wird dann in Höhenrichtung zusammengedrückt und dehnt sich in seitlicher Richtung aus (Flächendehnung). Der elektrostatische Druck, welcher die Deformation verursacht, wird von der Dielektrizitätskonstanten, der Dielektrizitätszahl, und der Dicke des Materials sowie der angelegten Spannung bestimmt.
• Der im Betriebsmodus auftretende äquivalente elektromechanische Druck p_eq ist doppelt so groß wie der elektrostatische Druck p_el und lässt sich berechnen als: p_eq = ε_o*ε_r*(U²/z²), wobei ε₀ die Permittivität des Vakuums, ε_r die Dielektrizitätskonstante, und z die Schichtdicke der Elastomerschicht ist.
• Die Bewegung wird also durch die elektrostatischen Kräfte, welche auf die Elastomerschicht zwischen zwei Elektrodenplatten wirken, erzeugt. In einem Beispiel erreicht ein dielektrischer Aktor bei einer Feldstärke von 30 V/µm eine Dehnung von bis zu 20 %. Übliche unidirektionale Dehnungen von dielektrischen Aktoren liegen z.B. in dem Bereich 10 bis 35 %, Maximalwerte bei bis zu 300 %.
• Da die Elastomerschicht nahezu inkompressibel ist, bleibt das Volumen während der Deformation im Prinzip konstant. Beim Reduzieren der Spannung fließen die überschüssigen Ladungen über die Spannungsquelle ab, so dass die Elastomerschicht in die ursprüngliche Form zurückkehrt und aufgrund der gespeicherten elastischen Energie Kräfte ausüben kann.
• Dieses Prinzip kann sowohl als Aktor als auch als Sensor genutzt werden und bietet eine Mehrzahl von vielversprechenden technischen Anwendungsmöglichkeiten. Besondere Vorteile dieser dielektrischen Vorrichtungen können sein, dass diese leicht, flexibel und geräuschlos sein können und zudem niedrige Materialkosten verursachen. Allerdings stehen diesen vorteilhaften Anwendungsmöglichkeiten derzeit noch ungelöste fertigungs- und zuverlässigkeitsrelevante Fragestellungen entgegen.
• Bei dem Aufbau einer dielektrischen Vorrichtung als Stapelsystem können viele Einflussfaktoren bestehen, welche zu einer Abweichung von einer Kennlinie (Kennliniencharakteristik) bzw. zu einer Kennlinienverzerrung führen. Diese Störfaktoren können bereits in der Produktion der Elastomere (z.B. durch Verunreinigungen) entstehen, aber auch zu einem späteren Zeitpunkt durch den mechanischen Aufbau des (Stapel-) Systems gegeben sein oder sich durch störende Zusammenhänge des elektrischen Feldsystems ergeben. Diese Kennlinienverzerrungen können zu einem Zusatzaufwand bei der Ansteuerung führen (wenn diese kompensiert werden müssen) oder können eine meist unerwünschte Abweichung bezüglich des Zusammenhangs zwischen elektrischer Spannung und der Bewegung des Stapelsystems in Höhenrichtung (Auslenkung) darstellen.
• Wie oben bereits beschrieben gilt der Zusammenhang p_eq = ε₀*ε_r*(U²/z²), welcher bezüglich der Dehnung S_z und dem Elastizitätsmodul Y (des Elastomers des Dielektrikums) formuliert werden kann als S_z = Δz/z₀ = p_eq/Y = ((ε₀*ε_r)/Y) * (U²/z²). Bei einem realen Aufbau eines Stapelsystems können diese Zusammenhänge von elektrischer Spannung und Auslenkung in Höhenrichtung z durch diverse Kennlinienverzerrungen gestört werden. So können z.B. die beteiligten Elastomere eine reale Abweichung der theoretisch idealen Hookeschen Federkonstante eines Elastomers in z-Richtung aufweisen. Gemessene Ergebnisse der Elastomer Kennlinie (bezüglich mechanischer Spannung und Dehnung) ergeben, dass während ein uniaxialer Zug noch weitgehend den theoretisch zu erwartenden Werten entspricht, sich bereits bei den grundlegenden Materialtests zeigt, dass entsprechende Abweichungen beim dreidimensionalen Aufbau eines Stapelsystems entstehen. Dazu kommen noch zusätzliche Störfaktoren wie die Aufbaugeometrie und die Art der Befestigung. Ferner zeigt auch der Unterschied zwischen reibungsfreier Einspannung und fester Einspannung eines entsprechenden Elastomers-Probekörpers teilweise massive Abweichungen gegenüber der theoretischen Kennlinie (zwischen mechanischer Spannung und Stauchung).
• In 4 ist ein Beispiel einer Kennlinie einer dielektrischen Vorrichtung aus dem Stand der Technik gezeigt, in welcher die Auslenkung in Höhenrichtung z (in µm) gegen die elektrische Spannung U (in V) aufgetragen ist. Die theoretische Kennlinie ist als durchgehende Kurve eingezeichnet, während die experimentellen Messwerte als Messpunkte dargestellt sind. Es lässt sich eindeutig erkennen, dass die experimentellen Messwerte von der Kennliniencharakteristik abweichen (bzw. deutlich darunter liegen). Dieser Umstand kann als Abweichung von einer (idealen bzw. theoretischen) Kennliniencharakteristik bezeichnet werden. In dem gezeigten Beispiel ist die Abweichung von der theoretischen Kennlinie deutlich höher als 20%. Insbesondere kann es hierbei als wünschenswert angesehen werden, den Einfluss der störenden Einflussfaktoren auf eine (ideale) Kennliniencharakteristik zu reduzieren.
• US 2005 / 0 253 482 A1 beschreibt ein Sensor Feedback System für einen auf elektroaktivem Polymer (EAP) basierenden Transducer. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das System ein Nutzerinterface auf, welches von einem Steuersystem angesteuert wird. Das Steuersystem ist mit einem Verstärker und Sensor Tone Generator gekoppelt, welcher wiederum mit dem Transducer gekoppelt ist. Der Transducer nimmt Störungen aus der Umgebung auf und reagiert entsprechend. Eine Ausgabe das Transducers wird einem Sensor Rückkoppelschaltkreis bereitgestellt, welcher entweder Daten direkt an das Steuersystem schickt oder über eine Rückkoppel-Schleife zurück an Einheit und Transducer.
• DE 10 2009 030 693 A1 beschreibt einen elektroaktiven Elastomeraktor mit einer bandförmig ausgebildeten Elastomerschicht. Diese wird als Doppelfolie bereitgestellt, welche aufweist: eine Flächenelektrode, eine Elastomerschicht, eine weitere Flächenelektrode und eine weitere Elastomerschicht. Dieser Schichtverbund kann um einen plattenförmigen Wickelkern gewickelt werden.
• EP 2 775 483 A1 beschreibt ein elektrisch leitendes Material und dessen Verwendung als Elektrode in einem dielektrischen Elastomerkomposit (welcher als DEAS verstanden werden kann). Bei dem elektrisch leitfähigen Material handelt es sich um eine Mischung aus leitfähigen Partikeln (welche aus Metall bestehen), nichtmetallischen leitfähigen Partikeln (z.B. Kohlenstoff-Materialien) und einem Bindemittel. Das Material wird als Beschichtung (bzw. Elektrodenschicht) auf einer dehnbaren nichtleitenden Elastomerfolie eingesetzt.
• DE 10 2014 201 689 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Silikonmehrschichtverbunden. Aufgabe von ist es, kontinuierlich sehr dünne und gleichmäßige Silikonmehrschichtverbunde herzustellen, welche eine Dicke zwischen 0,1 und 200 µm aufweist und eine Genauigkeit von +/- 5% hat.
• US 2005 / 0 200 238 A1 beschreibt einen dielektrischen Polymeraktuator und einen Roboter, der diesen verwendet. Es soll ein dielektrischer Polymeraktor ohne Vorspannung bereitgestellt werden. Das Polymer hat eine Scheibenform, auf welcher zwei Elektroden angebracht sind.
• DE 10 2012 016 378 A1 beschreibt einen dielektrischen Elastomeraktor und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Der DEAS weist eine dielektrische Polymerschicht auf, in welche Vertiefungen eingebracht sind, z.B. mittels eines Laserstrahls. Elektroden werden derart aufgebracht, dass sie mit der dielektrischen Schicht stoffschlüssig verbunden sind, und daher auch die Vertiefungen abformen. Die Elektroden sind elastisch verformbar, denn sie bestehen aus einem Polymer, in welchem leitfähige Partikel (z.B. Kohlenstoffnanoröhren) eingebettet sind.
• WO 2009 / 132 653 A1 beschreibt ein Kompositmaterial mit als Muster angeordneten Fasern zum Bereitstellen von anisotropen Eigenschaften. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Elastomer (z.B. 10-200 µm dicker Silikonfilm) bereitgestellt, welcher zwischen zwei Faserkörpern angeordnet ist. Die Faserkörper können ein Elastomer (z.B. ebenfalls Silikon) aufweisen, in welchem Fasern (bevorzugt PTFE (Teflon)) gewebt oder nicht-gewebt eingebettet sind. Der Faserkörper kann zudem elektrisch leitfähige Teile aufweisen.
• WO 2013 / 142 552 A1 beschreibt einen Prozess zum Herstellen einer elektroaktiven Polymervorrichtung mittels eines Rolle-zu-Rolle Verfahrens. Man sieht einen dielektrischen Elastomerfilm vor, welcher auf einen Träger laminiert ist, und streckt (elastische Deformation) den dielektrischen Elastomerfilm in einer Richtung senkrecht zu der Transportrichtung und wendet dann ein elektrisch leitfähiges Material auf den Elastomerfilm an. Durch das Zusammenziehen (Relaxation) des Elastomerfilms nach dem Strecken bildet sich die Elektrodenschicht in einer gerippten („corrugated electrode“) Weise.
• WO 2014 / 131 895 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren eines mehrschichtigen dielektrischen Polyurethanfilmsystems.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine dielektrische Vorrichtung (insbesondere ausgestaltet als Stapelsystem) bereitzustellen, in welcher eine Abweichung von einer Kennliniencharakteristik (insbesondere bezüglich Auslenkung und elektrischer Spannung) im Betriebsmodus effizient und zuverlässig (zumindest teilweise) kompensiert ist.
• Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine dielektrische Vorrichtung beschrieben, welche ein dielektrischer Elastomer Aktor und/oder ein dielektrischer Elastomer Sensor ist, welche aufweist:
1. i) eine Mehrzahl von Elektroden, welche jeweils haben:
   • einen funktionellen Bereich, welcher entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine erste Ebene aufspannt,
   • wobei die dielektrische Vorrichtung eingerichtet ist, dass in einem Betriebsmodus eine Spannung an den funktionellen Bereich angelegt wird; und
2. ii) eine Mehrzahl von elastischen Dielektrika, wobei jedes Dielektrikum entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine zweite Ebene aufspannt; wobei die Elektroden und die elastischen Dielektrika alternierend als Stapelsystem angeordnet sind; wobei die dielektrische Vorrichtung eingerichtet ist, dass in dem Betriebsmodus eine Bewegung des Stapelsystems in einer Höhenrichtung (z), welche senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen (x, y) orientiert ist, stattfindet; und wobei die dielektrische Vorrichtung eine Kompensationsmaßnahme aufweist, um in dem Betriebsmodus eine Abweichung von einer Kennliniencharakteristik bezüglich der Bewegung des Stapelsystems in der Höhenrichtung (z) und der angelegten Spannung (insbesondere dem Quadrat der angelegten Spannung, also bei einem logarithmischen Verlauf der Kennlinie) (zumindest teilweise) zu kompensieren, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist: zumindest ein elastisches Dielektrikum weist auf:
   • eine erste Elastizitätseigenschaft; und
   • eine zweite Elastizitätseigenschaft;
   • wobei die erste Elastizitätseigenschaft von der zweiten Elastizitätseigenschaft verschieden ist.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen der oben ausgeführten Vorrichtung beschrieben. Das Verfahren weist auf: i) alternierendes Bereitstellen der Mehrzahl von Elektroden und der Mehrzahl von elastischen Dielektrika, um die oben beschriebene dielektrische Vorrichtung zu erhalten, und ii) (zumindest teilweises) Kompensieren einer Abweichung von einer Kennliniencharakteristik (in dem Betriebsmodus der dielektrischen Vorrichtung) bezüglich der Bewegung des Stapelsystems in der Höhenrichtung (z) und der angelegten Spannung (insbesondere dem Quadrat der angelegten Spannung).
• Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Aktor (DEA)“ insbesondere ein Aktor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die aktorische Wirkung wird durch das Wechselspiel der Federkräfte zwischen den Elektroden(platten) einerseits und der Coulombschen Anziehung zwischen den Elektroden andererseits verstanden.
• Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer (Elastomer) Sensor (DES)“ insbesondere ein Sensor verstanden werden, welcher aus zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden feder- oder elastizitätsbasierenden dielektrischen Distanzhaltung, insbesondere aus Elastomermaterial, besteht. Die sensorische Messgrösse wird aus der durch den Elektrodenabstand bestimmten Kapazität, bzw. durch die bei Distanzänderungen des Elektrodenabstandes entstehende Kapazitätsveränderung gewonnen.
• Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „dielektrischer Aktor und Sensor (DEAS)“ insbesondere eine Kombination der Prinzipien von DEA und DES in einem System verstanden werden. Merkmale, welche für einen DEA gelten, können auch für einen DES gelten und umgekehrt.
• Im Rahmen dieses Dokuments kann das beschriebene Koordinatensystem so verstanden werden, dass die Richtungen x und y (als Haupterstreckungsrichtungen) die Fläche einer Elektrode aufspannen und die Höhenrichtung z hierzu entlang der Distanzrichtung von zwei einander gegenüberliegenden (parallel ausgerichteten) Elektroden ausgerichtet ist. In einem Ausführungsbeispiel hinsichtlich eines Herstellungsprozesses kann x der Breite (cross-direction (CD) bei einer reel-to-reel Produktion) und y der Verarbeitungsrichtung (machine direction (MD) bei einer reel-to-reel Produktion) entsprechen.
• Im Rahmen dieses Dokuments kann unter dem Begriff „Elektrode“ insbesondere ein Elektronenleiter verstanden werden, der mit einer Gegenelektrode (dann als Anode und Kathode bezeichnet, bzw. als ein Pluspol und ein Minuspol) via einem zwischen den beiden Elektroden befindlichen (dielektrischen) Medium in Wechselwirkung steht. Auf diese Weise kann ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt werden. Eine Elektrode kann hierbei einen „funktionellen (aktiven) Bereich“ aufweisen oder auch vollständig aus dem funktionellen Bereich bestehen. Der funktionelle Bereich ist elektrisch leitfähig (insbesondere ein Metall aufweisend) und kann damit den aktiven Teil der Elektrode bilden, welcher elektrisch mit der Gegenelektrode in Wechselwirkung tritt. Ferner kann eine Elektrode einen elektrisch nicht leitfähigen Bereich, z.B. ein Trägermaterial, aufweisen, auf welchen der funktionelle Bereich (z.B. als Metallfolie) aufgebracht ist. Weiterhin kann eine Elektrode einen (elektrisch leitfähigen) Kontaktbereich aufweisen, an welchem die Elektrode kontaktiert werden kann, bzw. an welchem eine Spannung angelegt werden kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Metall der Elektrode (bzw. des funktionellen Bereiches) zumindest eines aus der Gruppe, welche besteht aus: Ag, Al, Au, Be, Cr, Cu, Fe, In, Mg, Mo, Ni, Pb, Pd, Pt, Rh, Sb, Sn, Ti, Zn, sowie Legierungen daraus. Legierungsbestandteile unter 2% Gewichtsanteil können auch aus weiteren Metallen bestehen (z.B. Si, As, etc.). Legierungen können zum Beispiel umfassen: Eisenlegierung, Messing, Bronze, Edelstahl, Aluminium, etc. Um z.B. Unverträglichkeiten zu vermeiden, können auch Metall-Mehrschichtaufbauten möglich sein, beispielsweise Kupfer auf Polymer.
• Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Dielektrikum“ insbesondere jedes Material (bzw. Substanz) bezeichnen, in welchem Ladungsträger im Wesentlichen nicht frei beweglich sind. Dadurch ergibt sich eine elektrisch schwach leitende bis nicht leitende Eigenschaft. Ein Dielektrikum kann z.B. ein (elastisches) Polymer, insbesondere ein Elastomer, sein. Ein Dielektrikum kann kein Metall sein. Bezüglich einer dielektrischen Vorrichtung kann das Dielektrikum ein elastisches Dielektrikum, z.B. ein dielektrisches Polymer (DE) sein. Dielektrische Polymere werden zusammen mit piezoelektrischen Polymeren und elektrostriktiven Polymeren auch als elektroaktive Polymere (EAP) bezeichnet.
• In einem Ausführungsbeispiel wird zum Herstellen eines Dielektrikums Material eines elastischen Polymers (insbesondere Elastomermaterial) in nicht ausgehärteter Form (insbesondere auf eine Elektrode) aufgetragen und dann ausgehärtet. In diesem Dokument können unter dem Begriff „Aushärten“ insbesondere eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen einer Materialverfestigung bzw. einer Erhöhung der Materialviskosität verstanden werden. Bei einem Aushärteprozess kann ein Material von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergehen, wobei das Material in dem zweiten Zustand fester ist als in dem ersten Zustand. Weiterhin kann die Viskosität des ersten Zustandes deutlich geringer sein als die Viskosität des zweiten Zustandes. Ein Aushärten kann z.B. zumindest einen der folgenden Prozesse umfassen: Vernetzungen, thermische Erstarrungsprozesse, Trocknungsreaktionen, Gelierungsprozesse. In einem Beispiel wird ein nicht-ausgehärtetes, zumindest teilweise flüssiges Elastomermaterial (z.B. in einem Lösungsmittel oder einem Suspensionsmedium) auf eine Elektrode aufgetragen. Bei einem Aushärten (z.B. durch Trocknung des Lösungsmittels/Suspensionsmediums und/oder einem Vernetzen des Elastomermaterials, insbesondere einem gezielt gesteuerten Vernetzen z.B. mittels UV-Bestrahlung) kann das Elastomermaterial eine im Wesentlichen festere Form aufweisen und/oder eine höhere Viskosität aufweisen als das nicht-ausgehärtete Elastomermaterial. Insbesondere kann das ausgehärtete Elastomermaterial als Dielektrikum eingesetzt werden.
• Das Aushärten kann z.B. mittels einer Vernetzungsreaktion und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus Lösung und/oder einer Filmbildung durch Abtrocknung aus einer Dispersion durchgeführt werden. Bezüglich der Vernetzung kann diese mit zumindest einem der folgenden Prozesse durchgeführt werden: i) Strahlungsvernetzung (bevorzugt durch UV-Strahlung), ii) Elektronenvernetzung (z.B. durch eine Elektronenstrahlenquelle), iii) thermisch initiierte Radikalvernetzung, iv) thermische Schwefelvernetzung, v) Peroxid-initiierte Radikalvernetzung.
• Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Elastizität“ insbesondere die Eigenschaft eines Materials bezeichnen, unter Krafteinwirkung (z.B. Druck) seine Form zu verändern (Deformation) und bei Wegfall der einwirkenden Kraft in die Ursprungsform zurückzukehren. Lineare Deformationen können über das Hookesche Gesetz beschrieben werden (linear elastisches Verhalten, z.B. Sprungfeder). Nicht-lineare, elastische Deformation treten hingegen z.B. bei Gummi auf. Die Elastizität kann beispielsweise über den Elastizitätsmodul beschrieben werden. Dies ist ein Materialkennwert, der bei linear-elastischem Verhalten den proportionalen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung (-sweg) bei der Verformung eines festen Körpers beschreibt. Der Elastizitätsmodul kann als Proportionalitätskonstante im Hookeschen Gesetz angesehen werden. Entsprechend kann z.B. der Elastizitätsmodul eine Elastizitätseigenschaft sein. Bei anisotropen Materialien kann der Elastizitätsmodul richtungsabhängig sein, so dass solche Materialien zwei voneinander verschiedene Elastizitätseigenschaften aufweisen können.
• Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Kennlinie“ insbesondere eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen zwei physikalischen Größen bezeichnen, welche für ein Bauteil, eine Baugruppe, oder ein Gerät kennzeichnend ist. Der Zusammenhang kann als (Kenn-) Linie in einem Koordinatensystem angegeben werden. Der Begriff „Kennliniencharakteristik“ kann in diesem Zusammenhang den (auch abschnittsweisen) Verlauf einer idealen bzw. theoretischen Kennlinie bezeichnen, welcher für eine Vorrichtung, wie z.B. eine oben beschriebene dielektrische Vorrichtung, zu erwarten (bzw. wünschenswert) ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschreibt die Kennliniencharakteristik den Zusammenhang zwischen der Bewegung (Auslenkung) in Höhenrichtung z (Länge, z.B. in Mikrometern) im Betriebsmodus der dielektrischen Vorrichtung und der angelegten elektrischen Spannung (z.B. in Volt). Insbesondere kann hierbei auch das Quadrat der Spannung betrachtet werden. Bezüglich der Kennlinie wäre diese dann (mittels U²) dadurch gekennzeichnet, dass ein logarithmischer Verlauf vorliegt, in anderen Worten eine logarithmische Kennliniencharakteristik. Wenn nun die Bewegung innerhalb der Betriebsbedingungen in Höhenrichtung von der Kennliniencharakteristik bezüglich dem Quadrat der Spannung abweicht, so wird eine Abweichung von dem theoretisch zu erwartenden logarithmischen Verlauf auftreten.
• Der Begriff „Abweichung von der Kennliniencharakteristik“ kann hierbei den Umstand bezeichnen, dass der Zusammenhang zwischen dem Höhenunterschied und der angelegten Spannung nicht der theoretischen (bzw. erwünschten) typischen Kennliniencharakteristik entspricht. Dies kann durch eine Vielzahl von Störfaktoren bewirkt werden. In einem Beispiel kann die reale Abweichung der Auslenkung in Höhenrichtung gegenüber dem (quadratischen) Verlauf der anliegenden Spannung reduziert sein. Die Abweichung kann auch als Kennlinienverzerrung bezeichnet werden. Es kann sowohl die Abweichung einzelner Messpunkte von korrespondierenden Punkten der theoretischen Kennlinie betrachtet werden als auch die Abweichung einer Kurve durch die Messpunkte von der theoretischen Kennlinie. In einem bevorzugten Beispiel der vorliegenden Erfindung werden diese Störfaktoren/Kennlinienverzerrungen derart durch eine oder mehr Kompensationsmaßnahmen kompensiert, dass innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereiches die Auslenkung in Höhenrichtung weniger als 20% (insbesondere weniger als 5%) vom (quadratischen) Verlauf der Spannung abweicht.
• In einem spezifischen Ausführungsbeispiel geht es nicht darum, dass die Bewegung (Auslenkung) in Höhenrichtung der theoretisch berechneten entspricht (also im Normalfall kleiner ist), sondern darum, dass die Bewegung innerhalb der Betriebsbedingungen in Höhenrichtung von der quadratischen Spannung abweicht und dadurch nicht mehr dem theoretisch zu erwartenden logarithmischen Verlauf (Kennliniencharakteristik) folgt.
• Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „Kompensationsmaßnahme“ insbesondere jegliche Maßnahme bezeichnen, welche ergriffen wird/wurde, um die oben beschriebene Abweichung von der Kennliniencharakteristik (zumindest teilweise) zu kompensieren. Eine Kompensationsmaßnahme kann das Vorsehen eines Kompensationsmittels bezeichnen. Weiterhin kann eine Kompensationsmaßnahme das Vorsehen eines bestimmten Materials und/oder einer bestimmten Struktur sein. Ferner kann eine Kompensationsmaßnahme ein bestimmter Verfahrensschritt (bzw. eine bestimmte Abfolge von Verfahrensschritten) sein, welcher ein Kompensieren bewirkt. In einem Beispiel kann die dielektrische Vorrichtung konfiguriert sein, um die oben beschriebene Abweichung von der Kennliniencharakteristik (zumindest teilweise) zu kompensieren. Ein Kompensationsmittel kann z.B. mechanischer und/oder elektrischer Art sein. Beispielsweise kann ein mechanisches Kompensationsmittel eine mechanische Begrenzungsstruktur sein oder ein elektrisches Ansteuermittel. Eine Kompensationsmaßnahme kann auch das Vorsehen bestimmter Strukturen wie Gasblasen oder faserverstärkter Materialien umfassen. Ferner kann eine Kompensationsmaßnahme auch das Vorsehen eines bestimmten Polymermaterials (oder einer Polymermischung) umfassen, welche gezielt der Kennlinienverzerrung entgegenwirkt. Auch kann eine Kompensationsmaßnahme einen Prozessschritt wie Schneiden von Randbereichen oder Einführen einer Alterungseigenschaft umfassen.
• Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann die Erfindung auf der Idee basieren, dass eine dielektrische Vorrichtung (insbesondere welche als Stapelsystem ausgebildet ist), in welcher eine Abweichung von der Kennliniencharakteristik effizient und zuverlässig kompensiert ist (z.B. 20% oder weniger Abweichung), bereitgestellt werden kann, wenn der Abweichung durch den Einsatz zumindest einer gezielten Kompensationsmaßnahme entgegengesteuert wird. Das gezielte Vorsehen der Kompensationsmaßnahme kann sowohl mechanisch, elektrisch oder chemisch erfolgen (bevorzugt in einer Kombination dieser Ansätze). Dies insbesondere auch durch eine Mischform, z.B. durch das gezielte Vorsehen mikroskaliner Gasblasen. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die bekannte Problematik der Kennlinienverzerrung in dielektrischen Vorrichtungen durch den Einsatz definierbarer Maßnahmen (bzw. deren Kombination) kompensierbar sein kann, so dass eine besonders effiziente und zuverlässige dielektrische Vorrichtung bereitgestellt werden kann.
• Es wurde gefunden, dass in einem Ausführungsbeispiel durch die vielfältigen Einflussfaktoren, welche die Kennlinie verzerren, eine Vielzahl von entsprechenden Gegenmassnahmen zielführend ist. Auch haben die Gegenmassnahmen weitere (wünschenswerte) Auswirkungen, welche die Funktionalität, Alterungsbeständigkeit, Betriebsparameter usw. beeinflussen. In einem Ausführungsbeispiel besteht die Reduktion der Kennlinienverzerrung auch aus der Kombination von mehreren Massnahmen.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die dielektrische Vorrichtung eine Kompensationsmaßnahme (z.B. mechanisch, elektrisch oder chemisch) auf, um in dem Betriebsmodus eine Abweichung (insbesondere 20% oder weniger) von einer Kennliniencharakteristik bezüglich der Bewegung des Stapelsystems in der Höhenrichtung (z) und dem Quadrat der angelegten Spannung (zumindest teilweise) zu kompensieren. Insbesondere weist die dielektrische Vorrichtung in einem Betriebsmodus eine Auslenkung in Höhenrichtung (z) von beispielsweise 1 bis 20 µm (oder 1 bis 20% in Bezug auf die Höhe der dielektrischen Vorrichtung) auf. Im Gegensatz hierzu werden gewöhnlich Auslenkungen im Bereich 100 µm bis 200 µm (oder 100 bis 200%) verwendet. Wird dieser bewusst gering gehaltenen Auslenkung Rechnung getragen, indem das Quadrat der Spannung (bezüglich der Kennliniencharakteristik) betrachtet wird, so lässt sich an dem logarithmischen Verlauf der Kennlinie besonders anschaulich die erfindungsgemäße Kompensation der Abweichungen feststellen.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Abweichung (von der idealen bzw. theoretischen Kennlinie, Kennliniencharakteristik) 20% oder weniger, insbesondere 10% oder weniger, weiter insbesondere 5% oder weniger, weiter insbesondere 1% oder weniger. Dies zeigt, dass der Abweichung mit der bzw. den beschriebenen Kompensationsmaßnahme(n) effizient entgegengesteuert ist.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme zumindest eine aus der Gruppe auf, welche besteht aus: einer mechanischen Kompensationsmaßnahme, einer elektrischen Kompensationsmaßnahme, einer chemischen Kompensationsmaßnahme. Dies hat den Vorteil, dass die gezielte Kompensationsmaßnahme bzw. die gezielten Kompensationsmaßnahmen flexibel angewendet und kombiniert werden können.
• In einem Ausführungsbeispiel wird eine Kombination von zumindest zwei dieser Kompensationsmassnahmen durchgeführt, z.B. mechanisch und elektrisch, mechanisch/chemisch oder elektrisch/chemisch. In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden alle drei Kompensationsmassnahmen miteinander kombiniert. Die Kombination von zwei oder mehr der Kompensationsmassnahmen kann dem Abweichen von der Kennliniencharakteristik besonders effizient entgegensteuern.
• Als mechanische Kompensationsmaßnahme können Mechanismen bezeichnet werden, welche eine mechanische Vor- oder Dauerbeanspruchung des Elastomers beinhalten. Eine einfache Variante dieser Kompensation kann in dem Erzeugen einer Vorspannung über die gesamte dielektrische Vorrichtung bestehen, welche keine vollständige Relaxation in den unbelasteten Zustand mehr zulässt. In einer komplexeren Variante können nur Teile der dielektrischen Vorrichtung unter einer Vorspannung gehalten werden.
• Als elektrische Kompensationsmaßnahme können z.B. bestimmte Arten der Ansteuerung über eine elektrische Größe (Spannung, Strom) verstanden werden. Bezüglich des Bereichs der elektrischen/steuerungs-basierten Kompensation, kann dieser sowohl gesteuert als auch geregelt werden.
• In einem Ausführungsbeispiel wird eine Kombination von elektrischer Kompensation der Kennlinie (der dielektrischen Vorrichtung) mit mechanischen Begrenzungsmitteln zur Hubbegrenzung bereitgestellt, so dass keine zu grossen Kräfte auf die dielektrische Vorrichtung wirken (welche wiederum eine Kennlinienverzerrung bewirken würden).
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: ein mechanisches Begrenzungsmittel (z.B. ein Höhenanschlag und/oder ein Tiefenanschlag) zum Begrenzen einer Bewegung der dielektrischen Vorrichtung in Höhenrichtung (z). Insbesondere wobei die Bewegung in Höhenrichtung 20% (insbesondere 12%, 10%, 8%, 5%) oder weniger beträgt von der Höhe der dielektrischen Vorrichtung. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache und doch effiziente Weise die Abweichung mechanisch (zumindest teilweise) kompensiert werden kann. Bildlich gesprochen kann der mechanische Hub einer dielektrischen Vorrichtung (insbesondere eines Stapelsystems) begrenzt werden. In einem Beispiel wird durch eine mechanische Hubbegrenzung (z.B. Tiefenanschlag und/oder Vorkomprimierung) die dielektrische Vorrichtung vor grosser Bewegungsamplitude geschützt.
• In einem Beispiel entsteht durch Limitierung des Hubes für den Betriebsbereich ein Ausschnitt aus der besagten Kennlinie. Dadurch wird der Einfluss von Störfaktoren geringer, was wiederum die Abweichung von der theoretischen Kennlinie reduziert. Für besonders kleinen Hub konnte so aufgrund des kurzen Ausschnittes aus einer logarithmischen Kurve eine lineare Approximation gefunden werden. Dies wird einerseits durch eine Vorspannung im dielektrischen System erreicht und andererseits durch einen (Tiefen-) Anschlag. Gerade durch den (Tiefen-) Anschlag (also der mechanischen Limitierung der maximalen Kompression) wird auch ein verbessertes Alterungsverhalten erreicht, denn dadurch wird die maximale Kompression des Elastomers begrenzt, was wiederum plastische Verformungen reduziert und die Rückstellfähigkeit verbessert.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: eine Ansteuereinheit, welche eingerichtet ist eine elektrische Größe (insbesondere die Ansteuerspannung) zu modifizieren (insbesondere wenn die Vorrichtung als Aktor betrieben wird), und/oder eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist ein Sensorsignal zu modifizieren (insbesondere wenn die Vorrichtung als Sensor betrieben wird). Dies hat den Vorteil, dass durch eine elektrische Ansteuerung die Abweichung effizient (zumindest teilweise) kompensiert werden kann.
• In einer weiteren Ausführungsvariante wird die dielektrische Vorrichtung mechanisch und/oder durch Anlegen einer Spannung über eine längere Zeit komprimiert. Durch diese Komprimierung kann eine entsprechende Konditionierung des elastischen Dielektrikums erreicht werden. Dies dahingehend, dass sich bereits Molekülketten derart umorganisiert haben, dass sie nach dieser Behandlung nicht mehr in den Ursprungszustand zurückkehren, wodurch das Nachkriechen reduziert wird. Als optionale Ergänzung zu diesem Mechanismus wurden gute Ergebnisse erreicht, wenn diese Konditionierung unter erhöhter Temperatur gemacht wird.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die dielektrische Vorrichtung initial übersteuert (gezieltes Überschwingen der Ansteuerung), d.h. es wird eine grössere Auslenkungsamplitude angesteuert als dies eigentlich nötig wäre.
• In einem Beispiel kann einerseits die Ansteuerung oder die sensorische Auswertung der dielektrischen Vorrichtung um die Abweichungen korrigiert werden (mittels eines Modells des Elastomerverhaltens bei steuernder oder mittels eines Feedbacksignals bei regelnder Ansteuerung). Andererseits kann auch die ansteuernde Elektronik mittels einer (z.B. Mikrocomputer-basierten) Ansteuerung ein Einlernen der entsprechenden dielektrischen Vorrichtung vornehmen, oder bei besonders präzisen Anforderungen an die Kennliniencharakteristik, dies auch mehrfach oder regelmässig machen und so bei Bedarf auch das Alterungsverhalten berücksichtigen oder vorwegnehmen und vorausschauend korrigieren.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer dielektrischen Vorrichtung wird mittels der Ansteuersoftware ein Modell der Kennlinienverzerrung nachgebildet. Basierend auf diesem Modell wird dann eine entsprechende Anpassung der Ansteuerspannung gemacht. In einer Variante werden für diese Model zusätzliche Parameter wie Kraft, Position, Temperatur, usw. in ihrem zeitlichen Verhalten berücksichtigt. Es wird somit eine Historie gebildet, welche es erlaubt, die Vergangenheit (Belastungshistorie) des Elastomers zu berücksichtigen.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: i) eine Sensoreinheit, welche eingerichtet ist zum Aufnehmen von zumindest einem sensorischen Messwert (insbesondere einem aus der Gruppe, welche besteht aus: Kapazität, Auslenkung, Resonanzfrequenz, Temperatur, Feuchtigkeit), und ii) ein Reguliereinheit, welche eingerichtet ist zum Regulieren der Betriebsparameter der Vorrichtung basierend auf dem zumindest einen sensorischen Messwert. Dies hat den Vorteil, dass die Abweichung auf dynamische Weise mittels eines Regulierens (zumindest teilweise) kompensiert werden kann.
• Zur Regelung einer Kompensation (z.B. wird zumindest ein oder mehr sensorische Werte erfasst, welche eine geregelte Feedbackschleife ermöglichen) können unterschiedliche sensorische Werte herangezogen werden: i) Messung der Kapazität in Bezug zur Ansteuerspannung bei einem Aktor, ii) Messung der Auslenkung (oder weiterer Parameter wie Resonanzfrequenz, Kapazität, Temperatur, Feuchtigkeit, usw.) durch mindestens einen separaten Sensor, iii) Verwenden unterschiedlicher Härten des Elastomers oder unterschiedlicher Elastomere und dadurch Ermöglichen einer Differenzbildung (Sensor und Aktor). Auch wenn für diese Variante eine elektrische Auswertung erfolgt, beinhaltet sie auch mechanische Faktoren.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: das elastische Polymer des zumindest einen elastischen Dielektrikums weist zumindest eines aus der Gruppe auf, welche besteht aus: i) einem Kautschukelastomer (z.B. Naturkautschuk, Nitril-Butadien-Rubber (NBR) Kautschuk), insbesondere einem Kautschukelastomer mit Steifsegmenten, weiter insbesondere einem aus der Gruppe, welche besteht aus Styrol, Acrylnitril, Cyclo-Olefin, ii) einem Acrylelastomer und/oder einem Vinylelastomer, iii) einem thermoplastischen Elastomer, iv) einem Elastomer, welches über eine Radikalreaktion vernetzbar ist, insbesondere eine UV-initiierte Radikalvernetzung, v) einem Elastomer mit einem differenzierten Schichtaufbau, vi) einem faserverstärkten Elastomer, vii) einem Elastomer, welcher ein Fluorpolymer (insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE)) und Nitrilkautschuk (insbesondere Nitril-Butadien Rubber (NBR)) aufweist, wobei das Fluorpolymer an den Nitrilkautschuk gebunden ist, viii) einer Mischung von zumindest zwei der genannten Elastomere.
• Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemässe Kompensieren von Störfaktoren und die damit verbundene Kennlinienverzerrung-Bereinigung vor allem mit Materialien der folgenden Stoffgruppen besonders gut funktionieren kann:
1. 1) Kautschukelastomere (z.B. Naturkautschuk, Nitril-Butadien-Rubber (NBR) Kautschuk): insbesondere die Varianten mit ausgesprochenen Steifsegmenten wie Styrol, Acrylnitril, Cyclo-Olefin, etc. Durch Variation des Prozentgehaltes dieser Segmente innerhalb einer Polymersequenz kann in erheblichem Masse eine Elastizitätsmodul Varianz kreiert werden. Zusätzlich lässt sich das Elastizitätsmodul durch die Stärke der Vernetzung (Vernetzungsgrad) sowie durch den Einsatz von Weichmachern situativ einstellen.
2. 2) Acryl- und/oder Vinylelastomere: insbesondere Ester oder Ether mit unterschiedlicher Molekularlänge der Ester- und/oder Ether-Seitengruppen erzeugen wiederum eine besonders starke Variabilitätsmöglichkeit im orts- oder richtungsabhängigen Elastizitätsmodul.
3. 3) Thermoplastische Elastomere: insbesondere TPE's deren Funktion auf einer Wechselwirkung von Weich- und Hartsegmenten beruht erlauben in dieser Stoffgruppe eine Elastizitätsmodul Varianz, welche insbesondere noch zusätzlich verstärkt werden kann für diejenigen TPE's, welche sich für eine nachträgliche Vernetzung eignen.
4. 4) Elastomere mit UV-induzierten Radikalvernetzungsmöglichkeiten: hier lässt sich insbesondere durch gezielte Belichtung (in Bezug auf die zeitliche Exposition, die Expositionsfrequenz und/oder die verwendeten Initiatoren) ein spezielles Steifigkeitsmuster realisieren.
5. 5) Elastomere mit differenziertem Schichtaufbau: insbesondere lassen sich derart mehrschichtige Aufbauten von Elastomeren realisieren, wobei einzelne Schichten unterschiedliche Elastizitätsmodule aufweisen.
6. 6) Elastomere, welche aus Blends hergestellt wurden und somit nicht eine einzige homogene Elastomerbasis beinhalten.
• Die Massnahmen 1) bis 6) können im Sinne der Elastizitätssteuerung auch dahingehend verwendet werden, dass damit sowohl ortsabhängig, als auch kontinuierlich, gezielte Steuerungen und Variationen der Elastizität erzielt werden können, welche einer zu erwartenden Kennlinienverzerrung aufgrund des mechanischen Aufbaus entgegenwirken.
• Des Weiteren wurden gute Ergebnisse erzielt, wenn zur Erreichung unterschiedlicher Elastizitäten auch Materialien dieser Stoffgruppen miteinander kombiniert wurden (im Sinne eines heterogenen Dielektrikums).
• Für den Fachmann sind Prozesse bekannt, wie Fluorpolymer wie PTFE an Nitrilkautschuk wie NBR gebunden werden kann. Dies verändert dadurch die inneren tribologischen Eigenschaften derart, dass die Kennlinie homogenisiert wird. Dies deshalb, weil dadurch eine freiere Bewegung der Molekülgruppen möglich wird und so die Rückstellhysterese reduziert wird.
• In einem Ausführungsbeispiel kann das Elastomermaterial zumindest eines aus der Gruppe aufweisen, welche besteht aus: i) einem Dien Polymer (insbesondere zumindest einem von Butadien, Isopren, Dimethylbutadien, Halogenbutadien, Cyclopentadien, Cyclooctadien); ii) einem Elastomer mit einer 1,2 und/oder 1,4 Verknüpfung in cis- und/oder trans-Form; iii) einem Copolymer (z.B. der oben genannten Diene) mit einfach ungesättigten Monomeren (insbesondere einem von Stryol, Ethen, Propen, Buten, Acrylnitril, Acrylsäure, Acrylsäureester, Vinylether, Vinylester, Vinylhalogenid); iv) einem unvernetzten Elastomer oder einem vernetzten Elastomer; v) einem Polyadditionselastomer, insbesondere Polyurethan; vi) einem Silikonelastomer, insbesondere einem Polysiloxan; vii) einem Polymergemisch aus zumindest zwei der oben genannten Elastomere. In einem Beispiel weist das Elastomer Naturkautschuk (NR) oder ein Derivat davon auf. In einem weiteren Beispiel weist das Elastomer Nitril-Butadien Rubber (NBR) Kautschuk oder ein Derivat davon auf.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: das elastische Polymer des zumindest einen elastischen Dielektrikums weist eine Mehrzahl von Poren (insbesondere Fluid-gefüllte, weiter insbesondere Gas (Luft)-gefüllte, Poren) auf. Insbesondere weisen die Poren einen mittleren Durchmesser von 20 µm oder weniger (insbesondere 10 µm oder weniger, weiter insbesondere 1 µm oder weniger) auf. Dies hat den besonders überraschenden Vorteil, dass durch das Vorsehen dieser Mikro/Nano-(Gas-)Blasen die Kennlinienverzerrung effizient (zumindest teilweise) kompensiert werden kann.
• Es wurde erstaunlicherweise gefunden, dass durch die Inkorporation von mikroskalinen (unter 20 Mikrometer Durchmesser) und/oder nanoskalinen (unter 1 Mikrometer Durchmesser) Gasblasen eine Reduktion der Abweichung erreicht werden kann. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein wird derzeit vermutet, dass durch das Vorhandensein eines gleichmässig verteilten Kompensationsvolumens für das unter Druck verdrängte Elastomermaterial mit einer Linearisierung des Hookeschen Federverhaltens einhergeht. Besonders gute Ergebnisse wurden zudem erreicht, wenn 60 % oder weniger (insbesondere 40 % oder weniger, weiter insbesondere 25% (oder 12% oder 8%) oder weniger des Dielektrikum-Volumens aus den genannten Poren (bzw. dem Porengesamtvolumen) besteht.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: zumindest ein elastisches Dielektrikum weist in einem Randbereich ein weiteres Material (insbesondere ein Polymer) auf. Insbesondere unterscheidet sich eine Elastizitätseigenschaft des weiteren Materials von einer Elastizitätseigenschaft des elastischen Dielektrikums.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: Entfernen zumindest eines Randbereiches von zumindest einem Dielektrikum. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner auf: Bereitstellen eines weiteren Materials (insbesondere einem Polymer) in dem Randbereich. Insbesondere unterscheidet sich eine Elastizitätseigenschaft des weiteren Materials von einer Elastizitätseigenschaft des elastischen Dielektrikums.
• Wie in den 3a bis 3c (siehe unten) gezeigt, kann ein elastisches Dielektrikum einen aktiven Zentralbereich und zwei einander gegenüberliegende passive Randbereiche aufweisen. Der passive Bereich kann hierbei eine zusätzliche Störung der Kennliniencharakteristik verursachen. Durch Reduzieren des seitlichen Randbereichs (Überstandes) kann der störende Einfluss dieser Zone reduziert werden. Dies kann zum Beispiel durch Schneiden eines Stapelsystems auf den nicht zu kontaktierenden Seiten durchgeführt werden, wobei die Schnittfläche nachfolgend mit einem weicheren Elastomer elektrisch isoliert wird. In anderen Worten wird das Dielektrikum seitlich zumindest teilweise mit einem weiteren Material bedeckt, welches sich von dem Material, aus welchem das Dielektrikum besteht, (insbesondere bezüglich Elastizität) unterscheidet.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: das elastische Polymer des zumindest einen elastischen Dielektrikums weist auf: eine erste Elastizitätseigenschaft, und
  eine zweite Elastizitätseigenschaft, wobei die erste Elastizitätseigenschaft von der zweiten Elastizitätseigenschaft verschieden ist. Dies hat den überraschenden Vorteil, dass durch gezieltes Vorsehen von Bereichen/Richtungen verschiedener Elastizität eine Kompensation der Abweichung von der Kennliniencharakteristik erreicht werden kann.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist i) das elastische Dielektrikum einen ersten Bereich auf, welcher die erste Elastizitätseigenschaft aufweist, ii) das elastische Dielektrikum einen zweiten Bereich auf, welcher die zweite Elastizitätseigenschaft aufweist, wobei der erste Bereich von dem zweiten Bereich verschieden ist. Alternativ oder ergänzend weist das elastische Dielektrikum eine erste Raumrichtung auf, welche der ersten Elastizitätseigenschaft zugeordnet ist, das elastische Dielektrikum weist eine zweite Raumrichtung auf, welche der zweiten Elastizitätseigenschaft zugeordnet ist, wobei die erste Raumrichtung von der zweiten Raumrichtung verschieden ist.
• Dies hat den Vorteil, dass die voneinander verschiedenen Elastizitätseigenschaften auf verschiedene Weisen (oder in Kombination) flexibel bereitgestellt werden können. Die verschiedenen Bereiche können z.B. durch heterogene Materialien, unterschiedliche Schichten, oder verschiedene Dicken realisiert werden. Ferner können verschiedene Raumrichtungen (Anisotropie) der Elastizitätseigenschaften z.B. durch einen aktiven (gezielten) Streckungsprozess erreicht werden. Weiterhin können auch beide Möglichkeiten kombiniert werden. In einem Ausführungsbeispiel kann ein erstes Material eine Vorzugsrichtung aufweisen (z.B. eine Glasfaser) während ein zweites Material keine Vorzugsrichtung aufweist (z.B. eine Elastomermasse). Ist das erste Material in dem zweiten Material eingebettet, so ergeben sich sowohl zwei Bereiche (bzw. Materialien) mit verschiedenen Elastizitätseigenschaften als auch zwei Raumrichtungen (bzw. Vorzugsrichtung und nicht-Vorzugsrichtung) mit verschiedenen Elastizitätseigenschaften.
• In einem Ausführungsbeispiel ist die Elastizitätseigenschaft der Elastizitätsmodul. In einem weiteren Beispiel ist der Elastizitätsmodul abhängig von einem Messpunkt innerhalb der Dielektrikum Ebene, kann also variieren. Insbesondere kann die Variation > 1% sein, weiter insbesondere > 10%.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kompensationsmaßnahme auf: zumindest ein elastisches Dielektrikum weist ein erstes Material und ein zweites Material auf, wobei das erste Material von dem zweiten Material verschieden ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das zumindest eine elastische Dielektrikum eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf, wobei die erste Schicht von der zweiten Schicht verschieden ist. Dies hat den überraschenden Vorteil, dass durch gezieltes Vorsehen von verschiedenen Materialien/Schichten verschiedener Zusammensetzung bzw. verschiedener Eigenschaften eine Abweichung Kompensation erreicht werden kann.
• In einem Beispiel können zwei heterogene Materialien jeweils einen unterschiedlichen Kriechmodul aufweisen. In einem Beispiel kann ein Material ein Elastomer sein während ein weiteres Material eine Faser (z.B. Glasfaser) ist, welche in dem Elastomer eingebettet ist.
• Das Vorsehen von verschiedenen Schichten mit unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften/Kriechmodulen kann ein flexibles und effizientes Mittel sein, um verschiedene erwünschte Eigenschaften in dem Dielektrikum bereitzustellen. So kann beispielsweise die zur Verstärkung von Kunststofflaminaten verwendete Technik bezüglich einer kreuzweisen Zusammenführung von Kunststoffbahnen (insbesondere mit unterschiedlichen Eigenschaften in MD und CD Richtung) implementiert werden.
• In einem Ausführungsbeispiel werden Elastomere (für Dielektrika) derart produziert, dass sie in mehrlagigem Schichtenaufbau zuerst extrudiert und danach flach gewalzt (kalandriert) werden. Dadurch kann eine stabile (innige) Verbindung der Schichten entstehen und sehr dünne Mehrschichtelastomere können so hergestellt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können unterschiedliche Elastizitätseigenschaften während einem nachträglichen Aushärten, insbesondere Vernetzen (z.B. nach dem Schichtaufbau), lagenweise ausgeprägt werden.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die dielektrische Vorrichtung in einem neuwertigen Zustand (im Wesentlichen direkt nach der Herstellung) (bereits deutlich erkennbare bzw. messbare) Alterungseigenschaften auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: (selektives) Implementieren von zumindest einer Alterungseigenschaft. Dies insbesondere mittels Einsatz von (hohem) Druck und/oder (hoher) Temperatur. Weiter insbesondere durch zumindest eine Maßnahme von mechanisch, chemisch, thermisch.
• Insbesondere altersbedingte Veränderungen der Elastomere führen ebenfalls zu Kennlinienverzerrungen. Diese können dahingehend reduziert werden, dass das Elastomer bereits bei der Herstellung vorgealtert wird. So kann z.B. unter Druck und optionalem Einsatz von erhöhter Temperatur erreicht werden, dass sich die Molekülketten des Elastomers „setzen“ und im Sinne einer Konditionierung das sich sonst über die Alterung einstellende Setzen und Verändern der Elastizität vorwegnimmt. Aus chemischer Sicht kann dieses „Setzen“ das Finden und permanente Einnehmen einer optimalen Position in Bezug auf die jeweiligen Nachbarmoleküle sein. Die geeigneten Positionen für solche Moleküle können sowohl ein Nebeneinander sein, als auch ein Verknäulen oder ein Verketten.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die dielektrische Vorrichtung auf: i)einen ersten Zwischenstapel, welcher hat: eine erste Mehrzahl von den alternierend angeordneten Elektroden und elastischen Dielektrika, wobei die Kontaktierungsbereiche der Elektroden zu einem ersten Hauptkontaktierungsbereich verbunden sind, und ii) einen zweiten Zwischenstapel, welcher hat: eine zweite Mehrzahl von den alternierend angeordneten Elektroden und elastischen Dielektrika. Hierbei sind die Kontaktierungsbereiche der Elektroden zu einem zweiten Hauptkontaktierungsbereich verbunden. Durch diese Herstellung von Zwischenstapeln kann vorteilhafterweise eine zusätzliche Linearisierung der Kennlinie erreicht werden.
• In einem Ausführungsbeispiel werden zuerst mehrere alternierende Dielektrika und Elektroden zu einem Zwischenstapel zusammengefasst und mit einer Kontaktierungsmethode verbunden. Daraufhin werden mehrere dieser Zwischenstapel zu einem ganzen (DEAS) Stapelsystem zusammengefügt und wiederum kontaktiert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Kontaktieren der Zwischenstapel anders gelöst als die Kontaktierung innerhalb des Zwischenstapels, um dadurch eine verbesserte Spannungs- und/oder Stromstosstoleranz zu erreichen.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die dielektrische Vorrichtung ferner auf: eine Abstandhalterstruktur, welche zwischen dem ersten Hauptkontaktierungsbereich und dem zweiten Hauptkontaktierungsbereich angeordnet ist.
• Die Abstandhalterstrukturen können in Bezug auf eine optimale Verdrängung des Dielektrikums platziert werden. Dies erlaubt zum Beispiel, dass mehr Dielektrikum-Masse auf den Seiten ohne Kontaktierung herausgedrückt wird, so dass in der Kontaktierungszone mehr Verfahrensweg in z-Richtung vorhanden wird, ohne dass dieser durch verdrängtes Dielektrikum gefüllt wird.
• Die Abstandhalterstruktur kann jegliche Struktur sein, welche es ermöglicht, einen direkten mechanischen Kontakt zwischen zwei Elektroden (bzw. deren (Haupt-) Kontaktbereichen) zu verhindern, bzw. die beiden Elektroden (bzw. deren Kontaktbereiche) innerhalb einer vorbestimmten Distanz voneinander beabstandet zu halten. In einem Beispiel ist die Abstandhalterstruktur rigide und robust ausgestaltet (z.B. feste Metallverbindung). In einem anderen Beispiel kann die Abstandhalterstruktur teilweise flexibel (elastisch) sein (z.B. eine Sprungfeder). In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Abstandhalterstruktur elektrisch leitfähig sein, so dass zwei Elektroden nicht nur (definiert) voneinander beabstandet werden, sondern auch elektrisch miteinander kontaktiert werden. Die Abstandhalterstruktur kann innerhalb einer Kontaktierungszone angeordnet sein. Auch kann der Beginn der Kontaktierungszone (Kontakt-Übergangskante) mittels der Abstandhalterstruktur definiert werden.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der dielektrischen Vorrichtung weist zumindest eine Abstandhalterstruktur zumindest eines aus der Gruppe auf, welche besteht aus: einem elektrisch leitfähigen Fügemittel, insbesondere einem Leitlack, einem Lot, einer elektrisch leitfähigen Folie, einem gefalteten Kontaktierungsbereich einer Elektrode. Dies hat den Verteil, dass auf einfache und effiziente Weise eine Struktur bereitgestellt wird, welche sowohl elektrisch leitfähig ist als auch als robuster Abstandhalter fungiert.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Abstandhalterstruktur zur Kontaktierung von zwei Elektroden (bzw. Hauptkontaktierungsbereichen) mittels eines Lots realisiert. Durch entsprechende Haltemechanismen kann während der Herstellung die Distanz der Elektroden voneinander sichergestellt werden. Das eingebrachte Lot zerfliesst und bildet durch die kapillaren Kräfte im flüssigen Zustand entsprechende Verrundungen, welche verhindern, dass auf Kontaktierungsseite spitze Materialteile hervorstehen, was einerseits bei einem Spannungsstoss die Aussendung von EMV reduziert (da keine antennenartig hervorstehenden Merkmale vorhanden sind) andererseits kann es auch von Vorteil sein, dass die Abwesenheit von spitzen Materialstellen die Neigung von Elmsfeuern oder Lichtbögen bei hohen Spannungen reduziert.
• In einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein aushärtendes, leitfähiges, flüssiges Fügemittel (z.B. Leitlack) verwendet. Durch geeignete Auswahl der Parameter für Adhäsion, Kohäsion, und Viskosität kann die Verrundung der so resultierenden Abstandhalterstruktur gesteuert werden.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Abstandhalterstruktur durch Falten der herausstehenden Kontaktbereiche (Elektrodenanschlüsse) innerhalb der Kontaktierungszone hergestellt. Die dadurch erreichte Überhöhung kompensiert die Dicke der im Stapelsystem dazwischenliegenden elastischen Dielektrikum-Schichten.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Abstandhalterstruktur durch einen zusätzlich eingelegten, elektrisch leitenden Folienstreifen erreicht, der wiederum pro Lage die Dicke des entsprechenden elastischen Dielektrikums (insbesondere zwei Dielektrikum-Dicken und eine Gegenelektroden-Dicke) kompensiert.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: zumindest teilweises Durchführen des (Herstellungs-) Verfahrens in einem Reinraum. Insbesondere einem Reinraum, in welchem 100.000 Fremdpartikel oder weniger pro m³ (Umgebungsluft) vorhanden sind. Durch die derart erhaltene besondere Reinheit kann einer Kennlinienverzerrung effizient entgegengewirkt werden.
• Kennlinienverzerrungen können hervorgerufen werden durch Verschmutzungen, welche im Rahmen des Prozessierens des verwendeten Materials (insbesondere des elastischen Polymers) eingebracht werden oder bereits in den Rohstoffen enthalten sind. Eine geeignete Massnahme zur Kompensation dieser Nebeneffekte kann daher die Produktion in Reinräumen oder Räumen erhöhter Reinheit darstellen. Dabei hat sich gezeigt, dass bereits Räume mit weniger als 100.000 Fremdpartikeln pro m³ Luft zu guten Ergebnissen führen können.
• Der Begriff „Rein(st)raum“ kann eine Produktionsumgebung bezeichnen, in welcher die Konzentration der (luftgetragenen) Teilchen sehr gering gehalten wird. Parameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck werden hierbei meist konstant gehalten, um jederzeit vergleichbare Bedingungen zu schaffen. Um die gewünschten Bedingungen herzustellen kommen oftmals zum Einsatz: Vakuumpumpen, angepasste Arbeitskleidung, spezielle Arbeitsmittel und Werkzeuge. Für Reinräume, insbesondere Reinsträume, kann es mehrere hierarchische Bereiche mit entsprechender Reinraumklasse geben (z.B. ISO Klassen).
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: Aufnehmen von zumindest einem sensorischen Messwert (insbesondere einem aus der Gruppe, welche besteht aus: Kapazität, Auslenkung, Resonanzfrequenz, Temperatur, Feuchtigkeit), und Regulieren der Betriebsparameter der Vorrichtung basierend auf dem sensorischen Messwert. Dies hat den Vorteil, dass die Kennlinienverzerrung auf dynamische Weise mittels eines Regulierens kompensiert werden kann.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: Anpassen der Betriebsparameter der Vorrichtung basierend auf vorbekannten Messwerten. Dies hat den Vorteil, dass die Kompensation der Abweichung auf effiziente Weise zuverlässig gesteuert kompensiert werden kann. In einem Beispiel werden für dieses Modell zusätzliche Parameter wie Kraft, Position, Temperatur, usw. in ihrem zeitlichen Verhalten berücksichtig. Das heisst es wird eine Historie gebildet, welche es erlaubt, die Vergangenheit (Belastungshistorie) des Elastomers zu berücksichtigen bzw. für die Kompensation können aufgezeichnete Daten aus der Vergangenheit berücksichtigt werden.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird das Bereitstellen zumindest teilweise mittels einer reel-to-reel Maschine durchgeführt. Insbesondere weist das Kompensieren auf: Deformieren, insbesondere Strecken, des Dielektrikums in einer Fertigungsrichtung der Maschine (MD), insbesondere welche parallel zu der zweiten Haupterstreckungsrichtung (y) ist, und/oder in einer Breitenrichtung der Maschine (CD), insbesondere welche parallel zu der ersten Haupterstreckungsrichtung (x) ist, derart, dass zumindest zwei voneinander verschiedene Elastizitätseigenschaften, insbesondere bezogen auf die beiden Haupterstreckungsrichtungen (x, y), in dem Dielektrikum erhalten werden.
• Im Rahmen dieses Dokuments kann der Begriff „reel-to-reel Maschine“ insbesondere eine Vorrichtung bezeichnen, welche konfiguriert ist einen reel-to-reel Prozess durchzuführen. In einer einfachsten Ausführungsform weist eine reel-to-reel Maschine zwei Rollen auf. Ein Folien-ähnliches Material kann hierbei auf der ersten Rolle aufgewickelt sein und über einen Transportweg mit der zweiten Rolle verbunden sein. Im Betriebszustand können beide Rollen rotieren, vorzugsweise in dieselbe Richtung. Hierbei kann das Folien-ähnliche Material von der ersten Rolle abgewickelt werden, über den Transportweg transportiert werden, und dann auf der zweiten Rolle aufgewickelt werden. Der Transportweg kann hierbei die Möglichkeit bieten, das Folien-ähnliche Material zu bearbeiten und/oder weiteres Material aufzutragen. Beispielsweise kann das Folien-ähnliche Material ein Leiterplattenmaterial sein, welches auf dem Transportweg bestückt wird. In einem anderen Beispiel kann das Folien-ähnliche Material eine Trägerfolie sein, auf welche Elastomermaterial aufgetragen werden kann (z.B. zum Bilden eines elastischen Dielektrikums). In einem weiteren Beispiel kann das Folien-ähnliche Material eine Elastomerfolie sein, aus welcher ein elastisches Dielektrikum hergestellt wird. Ferner kann eine reel-to-reel Maschine so eingerichtet sein, dass über ein Einstellen von Prozessparametern der Herstellungsprozess gezielt beeinflusst werden kann. Beispielsweise derart, dass eine gezielte Streckung und damit eine Vorzugsrichtung in einem Dielektrikum bereitgestellt wird. Die Richtung des Transportweges kann als Maschinenfertigungsrichtung (machine direction, MD) bezeichnet werden. Weiterhin kann die senkrecht hierzu orientierte Breite des Transportweges (bzw. Breite des Folien-ähnlichen Materials) als Maschinenbreitenrichtung (cross-direction, CD) bezeichnet werden.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Kompensieren auf: Walzen von zumindest zwei Elastomerschichten (insbesondere zwei unterschiedliche Elastomerschichten) des elastischen Polymers (Elastomer) des Dielektrikums zu einem Multischicht-Elastomer. In einem Beispiel werden Elastomere derart produziert, dass sie in mehrlagigem Schichtenaufbau zuerst extrudiert und danach flachgewalzt (kalandriert) werden. Dadurch kann eine innige Verbindung der Schichten entstehen und es wird möglich sehr dünne Mehrschichtelastomere herzustellen. Die nachträgliche Vernetzung kann dann lagenweise unterschiedliche Elastizitätsmodule ausbilden, welche eine Kennlinien-Abweichung (zumindest teilweise) kompensieren können.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens weist das Bereitstellen ferner auf: i) Bilden eines ersten Zwischenstapels, welcher hat: eine erste Mehrzahl von den Elektroden und elastischen Dielektrika, welche alternierend angeordnet sind, ii) Bilden eines zweiten Zwischenstapels, welcher hat: eine zweite Mehrzahl von den Elektroden und elastischen Dielektrika, welche alternierend angeordnet sind, und danach iii) Zusammenfügen des ersten Zwischenstapels und des zweiten Zwischenstapels. Hierdurch kann die dielektrische (Stapel) Vorrichtung besonders effizient und stabil aufgebaut werden, wobei zudem einer Kennlinienverzerrung entgegengewirkt werden kann.
• In dieser Ausführungsvariante werden zuerst mehrere Elektroden/Dielektrika zu einem Zwischenstapel zusammengefasst und mit einer Kontaktierungsmethode verbunden. Daraufhin werden mehrere dieser Zwischenstapel zu einem Stapelsystem zusammengefügt und wiederum miteinander kontaktiert. In einem Beispiel wird das Kontaktieren der Zwischenstapel anders realisiert als die Kontaktierung innerhalb des Zwischenstapels. Somit kann eine verbesserte Spannungs- und/oder Stromstosstoleranz erreicht werden. Dieser Aufbau kann sehr flexibel an bestimmte Anwendungen angepasst werden.
• Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben.
• 1a, 1b, und 1c zeigen jeweils eine dielektrische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 1d zeigt eine dielektrische Vorrichtung als Stapelaktor/sensor (Stapelsystem) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 2 zeigt eine dielektrische Vorrichtung als Stapelaktor/sensor mit einem Aufbau aus Zwischenstapeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 3a, 3b, und 3c zeigen ein Verfahren zum Herstellen einer dielektrischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 4 zeigt ein Beispiel einer unerwünschten Kennlinienverzerrung aus dem Stand der Technik.
• Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
• 1a zeigt eine dielektrische Vorrichtung 100, welche als ein dielektrischer Elastomer Aktor (DEA), ein dielektrischer Elastomer Sensor (DES) oder eine Mischform (DEAS) verwendet werden kann. Die Vorrichtung 100 weist eine erste Elektrode 110 und eine zweite Elektrode 120 auf, wobei die zweite Elektrode 120 gegenüber der ersten Elektrode 110 angeordnet ist. Weiterhin weist die Vorrichtung 100 ein elastisches Dielektrikum 130 auf, welches zwischen der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet ist. Die Elektroden 110, 120 weisen jeweils einen Kontaktbereich 114 auf, welcher aus elektrisch leitfähigem Material besteht und über welchen die Elektroden 110, 120 kontaktiert werden können, bzw. über welchen eine Spannung U angelegt werden kann. Die zweite Elektrode 120 stellt hierbei die Gegenelektrode zur ersten Elektrode 110 dar. Jede der beiden Elektroden 110, 120 wird separat elektrisch kontaktiert, so dass ein elektrisches Feld mittels der Elektroden 110, 120 erzeugt werden kann. In dem gezeigten Beispiel ist keine Spannung angelegt (0 Volt), so dass sich die dielektrische Vorrichtung 100 nicht in einem Betriebsmodus befindet.
• Jede der beiden Elektroden 110, 120 weist einen funktionellen Bereich 112 auf, welcher ein elektrisch leitfähiges Metall aufweist. Der funktionelle Bereich 112 ist Platten-förmig ausgebildet und erstreckt sich somit entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen x, y, wobei der funktionelle Bereich 112 eine Bereichsebene E aufspannt. In dem gezeigten Beispiel macht der funktionelle Bereich 112 die ganze Elektrodenplatte 110 aus. In anderen Ausführungsbeispielen weist die Elektrode 110 ein (isolierendes) Trägermaterial auf, auf welchem dann der funktionelle Bereich 112 angeordnet ist (z.B. aufgedampft).
• 1b zeigt die dielektrische Vorrichtung 100 gemäß 1a, wobei die Elektroden 110, 120 elektrisch an den jeweiligen Kontaktbereichen 114 kontaktiert wurden. In dem gezeigten Beispiel ist eine Spannung von 1 kV an den Elektroden 110, 120 angelegt, so dass sich die dielektrische Vorrichtung 100 in einem Betriebsmodus befindet. Die erste Elektrode 110 bildet nun einen Pluspol und die zweite Elektrode 120 (Gegenelektrode) bildet den Minuspol. Diese elektrische Kontaktierung führt dazu, dass sich die positiv geladene erste Elektrode 110 und die negativ geladene zweite Elektrode 120 gegenseitig anziehen und sich räumlich aufeinander zubewegen. Wenn das Dielektrikum 130, welches zwischen erster Elektrode 110 und zweiter Elektrode 120 angeordnet ist, als ein elastisches Dielektrikum (z.B. als Elastomer) ausgebildet ist, so wird es aufgrund seiner Inkompressibilität zu den Seiten der dielektrischen Vorrichtung 100 teilweise herausgepresst.
• 1c zeigt das prinzipielle Funktionsprinzip der dielektrische Vorrichtung 100 (wie schon für die 1a und 1b oben beschrieben) als dielektrischer Aktor oder Sensor. Wird eine Spannung U an die Elektroden 110, 120 angelegt, so bewegen sich die Elektrodenplatten aufeinander zu. Dies erzeugt wiederum einen Druck P auf das Dielektrikum 130, welches zwischen den Elektroden 110, 120 angeordnet ist. Wenn das Dielektrikum 130 als Elastomer ausgebildet ist, so ist es im Wesentlichen inkompressibel und wird durch den Druck von oben (z+) und von unten (z-) zu einer Flächenausdehnung gezwungen. Die Flächenausdehnung (siehe die nach außen weisenden Bewegungspfeile) findet entlang der beiden Haupterstreckungsrichtungen x, y der Elektroden 110, 120 statt.
• 1d zeigt eine Mehrzahl von dielektrischen Vorrichtungen 100 gemäß den 1a bis 1c, welche in Form eines Stapelaktors (oder Stapelsensors) bzw. Stapelsystems angeordnet sind. Hierbei werden die einzelnen dielektrischen Vorrichtungen 100 in Höhenrichtung (z) übereinander zu einer dielektrischen Vorrichtung 100 aus multiplen Einheiten gestapelt. Unter der ersten Elektrode 110 und der zweiten Elektrode 120 (zwischen welchen das erste Dielektrikum 130 angeordnet ist) ist nun eine dritte Elektrode 121 angeordnet, welche der zweiten Elektrode 120 gegenüberliegend angeordnet ist. Entsprechend ist ein zweites elastisches Dielektrikum 131 zwischen der dritten Elektrode 121 und der zweiten Elektrode 120 angeordnet. Diese Anordnung lässt sich weiter fortsetzen mittels einer vierten Elektrode und einem dritten Dielektrikum etc. Die erste Elektrode 110 und die dritte Elektrode 121 sind an ihren Kontaktbereichen 114 (z.B. über einen Bonddraht) elektrisch leitfähig verbunden. Die zweite Elektrode 120 (und dann die vierte Elektrode etc.) stellen in diesem Fall die Gegenelektroden 160 dar, wobei wiederum die Gegenelektroden 160 untereinander mittels Bonddrähten 118 an ihren Kontaktbereichen 114 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. In weiteren Ausführungsformen können auch mehrere solcher Stapel nebeneinander angeordnet und gemeinsam genutzt werden.
• 2 zeigt eine dielektrische Vorrichtung 200, welche aus einer Mehrzahl von Zwischenstapeln 210, 211, 212 aufgebaut ist. Ein erster Zwischenstapel 210 hat hierbei: eine erste Mehrzahl von alternierend angeordneten ersten Elektroden 110, 120, 121 und ersten elastischen Dielektrika 130, 131.
• Kontaktierungsbereiche 214a-c der Elektroden 110, 120, 121, welche jeweils mit dem funktionellen (elektrisch-leitfähigen) Bereich 112 der Elektroden 110, 120, 121 gekoppelt sind, sind zu einem ersten Hauptkontaktierungsbereich 215a verbunden. Ein zweiter Zwischenstapel 211 hat eine zweite Mehrzahl von alternierend angeordneten zweiten Elektroden und zweiten elastischen Dielektrika, wobei die Kontaktierungsbereiche 214d-f der Elektroden zu einem zweiten Hauptkontaktierungsbereich 215b verbunden sind. Dieser Aufbau lässt sich auch auf den dritten Zwischenstapel 212 anwenden. Zwischen dem ersten Hauptkontaktierungsbereich 215a und dem zweiten Hauptkontaktierungsbereich 215b ist eine Abstandhalterstruktur 145 angeordnet. Zwischen weiteren Hauptkontaktierungsbereichen sind entsprechend weitere Abstandhalter 146, 147, 148 angeordnet. Die Abstandhalter 145-148 befinden sich hierbei in einer Kontaktzone 150, in welcher die Elektroden 110, 120, 121 elektrisch leitfähig miteinander verbunden werden. Die Abstandhalterstrukturen 145-148 sind daher aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Leitlack, gebildet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat eine der Abstandhalterstrukturen 145-148 dieselbe Höhe wie die entsprechenden Zwischenstapel, so dass die Zwischenstapel 210, 211, 212 zu einem besonders homogenen und stabilen Stapel 200 verbunden werden können. Ferner sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Kontaktierungsdistanzen 205 zwischen den funktionellen Bereichen 112 der Elektroden 110, 120, 121 und der Kontaktzone 150 im Wesentlichen gleich lang. Nicht eingezeichnet sind Gegenelektroden 160, welche jeweils zwischen der Mehrzahl von Elektroden 110, 120, 121 angeordnet sind und zu der Gegenseite auf dieselbe Weise über Hauptkontaktierungsbereiche miteinander verbunden sind wie die Elektroden (nicht gezeigt). Die Gegenelektroden 160 können in einem Beispiel jeweils in einem Dielektrikum 130, 131 eingebettet sein.
• Die 3a bis 3c zeigen Verfahrensschritte, welche während eines Verfahrens zum Herstellen einer dielektrischen Vorrichtung 100 durchgeführt werden können, um einer Kennlinienverzerrung entgegenzuwirken.
• 3a: Eine dielektrische Vorrichtung 100 ist als Stapelsystem von alternierenden Elektroden und Dielektrika ausgestaltet. Der zentrale Bereich 380 ist elektrisch aktiv, wobei die Elektroden elektrisch kontaktierbar sind. Der passive Randbereich 390 ist im Wesentlichen nicht elektrisch kontaktierbar und wirkt als Isolation, z.B. um Luftdurchschläge an den Seiten zu verhindern. Allerdings hat sich gezeigt, dass dieser passive Randbereich 390, welcher dasselbe elastische Polymer 391 aufweist wie die Mehrzahl von Dielektrika, zu unerwünschter Kennlinienverzerrung führen kann.
• 3b: Der passive Randbereich 390 bzw. das Material 391 wird in diesem Schritt durch Schneiden an den Seiten des Zentralbereichs 380 entfernt.
• 3c: Die nun frei liegenden Seitenbereiche werden mit einem weiteren Material 392 bedeckt, so dass ein weiterer passiver Randbereich durch Isolation und seitliche Begrenzung vorliegt (dielektrische Vorrichtung 300). Das weitere Material 392 ist ebenfalls ein elastisches Polymer, allerdings ein anderes Polymer als das elastische Polymer des Materials der Mehrzahl von Dielektrika. Hierbei unterscheidet sich der Elastizitätsmodul von dem weiteren Material von dem Elastizitätsmodul des Materials der Dielektrika. Insbesondere ist das weitere Material 392 deutlich weicher als das Dielektrika-Material, wodurch einer Abweichung von der Kennliniencharakteristik effizient entgegengewirkt werden kann.
• Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
• Bezugszeichenliste

100, 200

Dielektrische Vorrichtung

110

Erste Elektrode

112

Funktioneller Bereich

114, 214

Kontaktbereich

120

Zweite Elektrode

121

Dritte Elektrode

130

Erstes Dielektrikum

131

Zweites Dielektrikum

145-148

Abstandhalterstrukturen

150

Kontaktzone

160

Gegenelektrode

205

Kontaktierungsdistanz

210

Erster Zwischenstapel

211, 212

Zweiter, dritter Zwischenstapel

214a-c

Erster Kontaktierungsbereich

214d-f

Zweiter Kontaktierungsbereich

215a

Erster Hauptkontaktierungsbereich

215b

Zweiter Hauptkontaktierungsbereich

300

Dielektrische Vorrichtung mit weiterem Material

380

Aktiver Zentralbereich

390

Passiver Randbereich

391

Randbereich Material

392

Weiteres Material

E

Bereichsebene

P

Druck

U

Spannung

X, Y

Haupterstreckungsrichtungen

Z

Höhenrichtung

Claims (25)

1. Eine dielektrische Vorrichtung (100), welche ein dielektrischer Elastomer Aktor und/oder ein dielektrischer Elastomer Sensor ist, welche aufweist: eine Mehrzahl von Elektroden (110, 120, 121), welche jeweils haben: einen funktionellen Bereich (112), welcher entlang zweier Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine erste Ebene aufspannt, wobei die dielektrische Vorrichtung (100) eingerichtet ist, dass in einem Betriebsmodus eine Spannung an den funktionellen Bereich (112) angelegt wird; und eine Mehrzahl von elastischen Dielektrika (130, 131), wobei jedes Dielektrikum (130, 131) entlang der zwei Haupterstreckungsrichtungen (x, y) ausgebildet ist und eine zweite Ebene aufspannt; wobei die Elektroden (110, 120, 121) und die elastischen Dielektrika (130, 131) alternierend als Stapelsystem angeordnet sind; wobei die dielektrische Vorrichtung (100) eingerichtet ist, dass in dem Betriebsmodus eine Bewegung des Stapelsystems in einer Höhenrichtung (z), welche senkrecht zu den Haupterstreckungsrichtungen (x, y) orientiert ist, stattfindet; und wobei die dielektrische Vorrichtung (100) eine Kompensationsmaßnahme aufweist, um in dem Betriebsmodus eine Abweichung von einer Kennliniencharakteristik bezüglich der Bewegung des Stapelsystems in der Höhenrichtung (z) und der angelegten Spannung zumindest teilweise zu kompensieren, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist: zumindest ein elastisches Dielektrikum (130) weist auf: eine erste Elastizitätseigenschaft; und eine zweite Elastizitätseigenschaft; wobei die erste Elastizitätseigenschaft von der zweiten Elastizitätseigenschaft verschieden ist.
2. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Abweichung 20% oder weniger, insbesondere 10% oder weniger, weiter insbesondere 5% oder weniger, weiter insbesondere 1% oder weniger, ist.
3. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Kompensationsmaßnahme zumindest zwei aus der Gruppe aufweist, welche besteht aus: einer mechanischen Kompensationsmaßnahme, einer elektrischen Kompensationsmaßnahme, einer chemischen Kompensationsmaßnahme.
4. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist: ein mechanisches Begrenzungsmittel, insbesondere ein Höhenanschlag und/oder ein Tiefenanschlag, zum Begrenzen einer Bewegung der dielektrischen Vorrichtung (100) in Höhenrichtung (z), insbesondere wobei die Bewegung in Höhenrichtung 20% oder weniger, insbesondere 12% oder weniger, weiter insbesondere 8% oder weniger, beträgt von der Höhe der dielektrischen Vorrichtung (100).
5. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist: eine Ansteuereinheit, welche eingerichtet ist eine Ansteuerspannung zu modifizieren, insbesondere wenn die Vorrichtung (100) als Aktor betrieben wird; und/oder eine Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist ein Sensorsignal zu modifizieren, insbesondere wenn die Vorrichtung (100) als Sensor betrieben wird.
6. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist: eine Sensoreinheit, welche eingerichtet ist zum Aufnehmen von zumindest einem sensorischen Messwert, insbesondere einem aus der Gruppe, welche besteht aus: Kapazität, Auslenkung, Resonanzfrequenz, Temperatur, Feuchtigkeit; und eine Reguliereinheit, welche eingerichtet ist zum Regulieren der Betriebsparameter der Vorrichtung (100) basierend auf dem zumindest einen sensorischen Messwert.
7. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist: zumindest ein elastisches Dielektrikum (130) weist zumindest eines aus der Gruppe auf, welche besteht aus: einem Kautschukelastomer, insbesondere einem Kautschukelastomer mit Steifsegmenten, weiter insbesondere einem aus der Gruppe, welche besteht aus Styrol, Acrylnitril, Cyclo-Olefin; einem Acrylelastomer und/oder einem Vinylelastomer; einem thermoplastischen Elastomer; einem Elastomer, welches über eine Radikalreaktion vernetzbar ist, insbesondere eine UV-initiierte Radikalvernetzung; einem Elastomer mit einem differenzierten Schichtaufbau; einem faser-verstärkten Elastomer; einem Elastomer, welcher ein Fluorpolymer, insbesondere Polytetrafluorethylen, PTFE, und Nitrilkautschuk, insbesondere Nitril-Butadien Rubber, NBR, aufweist, wobei das Fluorpolymer an Nitrilkautschuk gebunden ist; einer Mischung von zumindest zwei der genannten Elastomere.
8. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist: zumindest ein elastisches Dielektrikum (130) weist eine Mehrzahl von Poren, insbesondere Fluid-gefüllte Poren, auf, insbesondere wobei die Poren einen mittleren Durchmesser von 20 µm oder weniger, insbesondere 5 µm oder weniger, weiter insbesondere 1 µm oder weniger, aufweisen, und/oder wobei die Poren 40 Volumenprozent oder weniger des Dielektrikums (130) ausmachen.
9. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist: zumindest ein elastisches Dielektrikum (130) weist in einem Randbereich (391) ein weiteres Material (392), insbesondere ein Polymer, auf, wobei sich eine Elastizitätseigenschaft des weiteren Materials (392) von einer Elastizitätseigenschaft des elastischen Dielektrikums (130) unterscheidet.
10. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) einen ersten Bereich aufweist, welcher die erste Elastizitätseigenschaft aufweist, wobei das elastische Dielektrikum (130) einen zweiten Bereich aufweist, welcher die zweite Elastizitätseigenschaft aufweist, wobei der erste Bereich von dem zweiten Bereich verschieden ist.
11. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dielektrikum (130) eine erste Raumrichtung aufweist, welche der ersten Elastizitätseigenschaft zugeordnet ist, wobei das elastische Dielektrikum (130) eine zweite Raumrichtung aufweist, welche der zweiten Elastizitätseigenschaft zugeordnet ist, wobei die erste Raumrichtung von der zweiten Raumrichtung verschieden ist, insbesondere wobei die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung senkrecht zueinander orientiert sind.
12. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationsmaßnahme aufweist: zumindest ein elastisches Dielektrikum (130) weist ein erstes Material und ein zweites Material auf, wobei das erste Material von dem zweiten Material verschieden ist, insbesondere bezüglich einer Elastizitätseigenschaft; und/oder zumindest ein elastisches Dielektrikum (130) weist eine erste Schicht und eine zweite Schicht auf, wobei die erste Schicht von der zweiten Schicht verschieden ist, insbesondere bezüglich einer Elastizitätseigenschaft.
13. Die dielektrische Vorrichtung (100) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Vorrichtung (100) in einem neuwertigen Zustand, im Wesentlichen direkt nach der Herstellung, Alterungseigenschaften aufweist.
14. Die dielektrische Vorrichtung (200) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend: einen ersten Zwischenstapel (210), welcher hat: eine erste Mehrzahl von den alternierend angeordneten Elektroden (110, 120, 121) und elastischen Dielektrika (130, 131), wobei die Kontaktierungsbereiche (214a-c) der Elektroden (110, 120, 121) zu einem ersten Hauptkontaktierungsbereich (215a) verbunden sind; einen zweiten Zwischenstapel (211), welcher hat: eine zweite Mehrzahl von den alternierend angeordneten Elektroden (110, 120, 121) und elastischen Dielektrika (130, 131), wobei die Kontaktierungsbereiche (214d-f) der Elektroden (110, 120, 121) zu einem zweiten Hauptkontaktierungsbereich (215b) verbunden sind.
15. Die dielektrische Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 14, ferner aufweisend: eine Abstandhalterstruktur (145), welche zwischen dem ersten Hauptkontaktierungsbereich (215a) und dem zweiten Hauptkontaktierungsbereich (215b) angeordnet ist.
16. Ein Verfahren zum Herstellen einer dielektrischen Vorrichtung (100, 200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 15, das Verfahren aufweisend: alternierendes Bereitstellen der Mehrzahl von Elektroden (110, 120, 121) und der Mehrzahl von elastischen Dielektrika (130, 131), um die dielektrische Vorrichtung (100, 200) gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 15 zu erhalten; und zumindest teilweises Kompensieren einer Abweichung von einer Kennliniencharakteristik, in dem Betriebsmodus der dielektrischen Vorrichtung (100, 200), bezüglich der Bewegung des Stapelsystems in der Höhenrichtung (z) und der angelegten elektrischen Spannung.
17. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Kompensieren aufweist: Implementieren von zumindest einer Alterungseigenschaft, insbesondere mittels Druck und/oder Temperatur.
18. Das Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei das Kompensieren aufweist: zumindest teilweises Durchführen des Verfahrens in einem Reinraum, insbesondere einem Reinraum, in welchem 100.000 Fremdpartikel oder weniger pro m³ vorhanden sind.
19. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Kompensieren aufweist: Aufnehmen von zumindest einem sensorischen Messwert, insbesondere einem aus der Gruppe, welche besteht aus: Kapazität, Auslenkung, Resonanzfrequenz, Temperatur, Feuchtigkeit; und Regulieren der Betriebsparameter der Vorrichtung (100) basierend auf dem sensorischen Messwert.
20. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Kompensieren aufweist: Anpassen der Betriebsparameter der Vorrichtung (100) basierend auf vorbekannten Messwerten.
21. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 16 bis 20, wobei das Bereitstellen zumindest teilweise mittels einer reel-to-reel Maschine durchgeführt wird, insbesondere wobei das Kompensieren aufweist: Deformieren, insbesondere Strecken, zumindest eines Dielektrikums (130) in einer Fertigungsrichtung der Maschine, insbesondere welche parallel zu der zweiten Haupterstreckungsrichtung (y) ist, und/oder in einer Breitenrichtung der Maschine, insbesondere welche parallel zu der ersten Haupterstreckungsrichtung (x) ist, derart, dass zumindest zwei voneinander verschiedene Elastizitätseigenschaften, insbesondere bezogen auf die beiden Haupterstreckungsrichtungen (x, y), in dem Dielektrikum (130) erhalten werden.
22. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 16 bis 21, wobei das Kompensieren aufweist: Entfernen zumindest eines Randbereiches (391) von zumindest einem Dielektrikum (130).
23. Das Verfahren gemäß Anspruch 22, ferner aufweisend: Bereitstellen eines weiteren Materials (392), insbesondere einem Polymer, in dem Randbereich (391), wobei sich eine Elastizitätseigenschaft des weiteren Materials (392) von einer Elastizitätseigenschaft des elastischen Dielektrikums (130) unterscheidet.
24. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 16 bis 23, wobei das Kompensieren aufweist: Walzen von zumindest zwei Elastomerschichten des Dielektrikums (130) zu einem Multischicht-Elastomer.
25. Das Verfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 16 bis 24, wobei das Bereitstellen ferner aufweist: Bilden eines ersten Zwischenstapels (210), welcher hat: eine erste Mehrzahl von den Elektroden (110, 120, 121) und elastischen Dielektrika (130, 131), welche alternierend angeordnet sind; Bilden eines zweiten Zwischenstapels (211), welcher hat: eine zweite Mehrzahl von den Elektroden (110, 120, 121) und elastischen Dielektrika (130, 131), welche alternierend angeordnet sind; und danach Zusammenfügen des ersten Zwischenstapels (210) und des zweiten Zwischenstapels (211).

Images