DE102022131394A1

DE102022131394A1 - Actuator device

Info

Publication number: DE102022131394A1
Application number: DE102022131394.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Gebhardt; Andre Püschel
Original assignee: Pi Ceram GmbH; PI Ceramic GmbH Keramische Technologien und Bauelemente
Current assignee: Pi Ceram GmbH; PI Ceramic GmbH Keramische Technologien und Bauelemente
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2024-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung (1), umfassend Aktuatoren (2), eine Trägerplatte (3), eine Deckplatte (4) und Leiterbahnen (5) zur elektrischen Kontaktierung der Aktuatoren, wobei zumindest ein Teil der Aktuatoren entlang einer ersten und einer zweiten Dimension eines m × n-dimensionalen Arrays (6) elektrisch voneinander isoliert zwischen der Trägerplatte und der Deckplatte angeordnet sind , und insgesamt m + n Leiterbahnen so auf der Träger- und der Deckplatte angeordnet sind, dass m an der Trägerplatte gelegene Leiterbahnen jeweils die im Array angeordneten Aktuatoren entlang der ersten Dimension des Arrays, und n an der Deckplatte gelegene Leiterbahnen jeweils die im Array angeordneten Aktuatoren entlang der zweiten Dimension des Arrays elektrisch miteinander verbinden.The invention relates to an actuator device (1) comprising actuators (2), a carrier plate (3), a cover plate (4) and conductor tracks (5) for electrically contacting the actuators, wherein at least some of the actuators are arranged along a first and a second dimension of an m × n-dimensional array (6) between the carrier plate and the cover plate, electrically insulated from one another, and a total of m + n conductor tracks are arranged on the carrier plate and the cover plate such that m conductor tracks located on the carrier plate each electrically connect the actuators arranged in the array along the first dimension of the array, and n conductor tracks located on the cover plate each electrically connect the actuators arranged in the array along the second dimension of the array.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 1.The invention relates to an actuator device according to claim 1.

Die Druckschrift US 7 091 650 B2 beschreibt eine Aktuatorvorrichtung in Form eines piezoelektrischen Dickschichtelement-Arrays, umfassend mindestens eine piezoelektrische Elementstruktur mit einer Dicke zwischen 10µm und 100µm, die durch einen Abscheidungsprozess gebildet wird.The publication US 7 091 650 B2 describes an actuator device in the form of a piezoelectric thick-film element array, comprising at least one piezoelectric element structure with a thickness between 10 µm and 100 µm, which is formed by a deposition process.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine skalierbare Aktuatorvorrichtung mit geringer Bauhöhe zur hochpräzisen Durchführung und Detektion lokal variierender Positionsänderungen bzw. Hubbewegungen in mindestens einer Raumdimension bereitzustellen.It is the object of the present invention to provide a scalable actuator device with a low overall height for the highly precise implementation and detection of locally varying position changes or lifting movements in at least one spatial dimension.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Aktuatorvorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch, die Aktuatorvorrichtung umfassend Aktuatoren, eine Trägerplatte, eine Deckplatte und Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung der Aktuatoren, wobei zumindest ein Teil der Aktuatoren entlang einer ersten und einer zweiten Dimension eines m x n-dimensionalen Arrays elektrisch voneinander isoliert zwischen der Trägerplatte und der Deckplatte angeordnet sind, und insgesamt m + n Leiterbahnen so auf der Träger- und der Deckplatte angeordnet sind, dass m an der Trägerplatte gelegene Leiterbahnen jeweils die im Array angeordneten Aktuatoren entlang der ersten Dimension des Arrays, und n an der Deckplatte gelegene Leiterbahnen jeweils die im Array angeordneten Aktuatoren entlang der zweiten Dimension des Arrays elektrisch miteinander verbinden.This object is achieved by an actuator device according to the independent claim, the actuator device comprising actuators, a carrier plate, a cover plate and conductor tracks for electrically contacting the actuators, wherein at least some of the actuators are arranged along a first and a second dimension of an m x n-dimensional array electrically insulated from one another between the carrier plate and the cover plate, and a total of m + n conductor tracks are arranged on the carrier and cover plates such that m conductor tracks located on the carrier plate each electrically connect the actuators arranged in the array along the first dimension of the array, and n conductor tracks located on the cover plate each electrically connect the actuators arranged in the array along the second dimension of the array.

Unter dem Begriff ,Aktuatoren' ist hierin zu verstehen, dass es sich dabei um Elemente handelt, die entweder durch Energieeinsatz eine Änderung ihrer äußeren Abmessungen oder Form vollziehen, oder um Elemente, die umgekehrt bei äußerer Krafteinwirkung auf ihre Form ein messbares, elektrisches Signal erzeugen. Elemente, die beide der vorgenannten Eigenschaften in sich vereinen, sind in diesem Sinne ebenso als Aktuatoren zu verstehen.The term "actuators" is to be understood here as referring to elements that either change their external dimensions or shape by using energy, or elements that, conversely, generate a measurable electrical signal when an external force is applied to their shape. Elements that combine both of the aforementioned properties are also to be understood as actuators in this sense.

Durch den schichtförmigen Aufbau der Aktuatorvorrichtung mit direkt auf der Träger- und Deckplatte angeordneten Leiterbahnen zur Kontaktierung der dazwischen angeordneten Aktuatoren des Arrays wird einerseits der technische Vorteil der Reduzierung bzw. Minimierung der Bauhöhe erreicht, während gleichzeitig die matrixförmige Anordnung und Ansteuerung über den Arrayzeilen und -spalten zugeordnete Leiterbahnen die gezielte Ansteuerung einzelner Aktuatoren des Arrays und damit die Durchführung lokal eng begrenzter Positionsänderungen ermöglicht.The layered structure of the actuator device with conductor tracks arranged directly on the carrier and cover plate for contacting the actuators of the array arranged in between achieves the technical advantage of reducing or minimizing the overall height, while at the same time the matrix-like arrangement and control via conductor tracks assigned to the array rows and columns enables the targeted control of individual actuators of the array and thus the implementation of locally narrowly limited position changes.

Darüber hinaus ist durch die Arrayanordnung der Aktuatoren der technische Vorteil einer einfachen Skalierbarkeit der Aktuatorvorrichtung gegeben. So besteht zum einen Flexibilität gegenüber den Abmessungen der Aktuatoren im Array, deren Art, Form und Dimensionen passend zu den Anforderungen der jeweiligen Anwendung (z.B. hinsichtlich benötigtem Hub, Präzision, benötigter Kraft oder räumlicher Auflösung der Auslenkungen) gewählt werden können. Gleichzeitig lässt sich die laterale Ausdehnung der Aktuatorvorrichtung durch Hinzufügen weiterer Aktuatoren und Leiterbahnen entlang einer oder beider Arraydimensionen flexibel erweitern und damit die Größe der aktuierten Fläche den Erfordernissen der Anwendung anpassen.In addition, the array arrangement of the actuators provides the technical advantage of easy scalability of the actuator device. On the one hand, there is flexibility with regard to the dimensions of the actuators in the array, whose type, shape and dimensions can be selected to suit the requirements of the respective application (e.g. with regard to the required stroke, precision, required force or spatial resolution of the deflections). At the same time, the lateral extension of the actuator device can be flexibly expanded by adding further actuators and conductor tracks along one or both array dimensions, thus adapting the size of the actuated area to the requirements of the application.

Ebenso kann durch eine Erhöhung der Aktuatordichte innerhalb des Arrays, d.h. der Anzahl der Zeilen und Spalten entlang einer oder beider Arraydimensionen bei gleichbleibenden Gesamtabmessungen der Aktuatorvorrichtung, der technische Vorteil einer hohen lateralen räumlichen Auflösung der durchführbaren oder detektierbaren Positionsänderungen erreicht werden. Gleichzeitig bietet die bedarfsgerechte Skalierbarkeit der Aktuatordichte innerhalb des Arrays den Vorteil der Reduktion des Materialeinsatzes und Energieverbrauchs der Aktuatorvorrichtung auf das jeweils benötigte Minimum.Likewise, by increasing the actuator density within the array, i.e. the number of rows and columns along one or both array dimensions while keeping the overall dimensions of the actuator device the same, the technical advantage of a high lateral spatial resolution of the position changes that can be carried out or detected can be achieved. At the same time, the demand-based scalability of the actuator density within the array offers the advantage of reducing the material use and energy consumption of the actuator device to the minimum required in each case.

Analog zur Aktuatordichte bietet der flexibel wählbare Abstand zwischen den Aktuatoren im Array einen weiteren Freiheitsgrad, um die laterale räumliche Auflösung, d.h. den Wirkungsbereich lokal durchgeführter oder detektierter Positionsänderungen, entsprechend den Anforderungen zu beeinflussen und dadurch die benötigte Präzision zu erreichen.Analogous to the actuator density, the flexibly selectable distance between the actuators in the array offers an additional degree of freedom to influence the lateral spatial resolution, i.e. the effective range of locally performed or detected position changes, according to the requirements and thus achieve the required precision.

Die Präzision der vertikal durchführbaren oder detektierbaren Positionsänderungen wird darüber hinaus durch die technischen Vorteile der Deckplatte erhöht: diese erhöht die Stabilität der gesamten Aktuatorvorrichtung gegenüber Verformungen und bildet einen durchgehenden Abschluss der Aktuatorvorrichtung, dessen etwaige, beispielsweise durch Fertigungstoleranzen der im Array angeordneten Aktuatoren bedingte, Oberflächenunebenheiten sich durch passende Oberflächenbearbeitung auf ein Minimum reduzieren lassen. Damit ergibt sich unabhängig von der Aktuatordichte, der Beschaffenheit und der Anordnung der Aktuatoren innerhalb des Arrays eine besonders plane Auflagefläche der Aktuatorvorrichtung, welche die hochpräzise Durchführung oder Detektion lokal variierender Positionsänderungen an ihrer Oberfläche ermöglicht. Darüber hinaus bildet die Deckplatte einen Schutz der darunterliegenden Aktuatoranordnung und der zur Kontaktierung benötigten, darunterliegenden Leiterbahnen.The precision of the vertically executable or detectable position changes is also increased by the technical advantages of the cover plate: this increases the stability of the entire actuator device against deformations and forms a continuous closure of the actuator device, the surface unevenness of which, for example caused by manufacturing tolerances of the actuators arranged in the array, can be reduced to a minimum by suitable surface processing. This results in a particularly flat support surface for the actuator device, regardless of the actuator density, the nature and the arrangement of the actuators within the array, which enables the highly precise execution or detection of locally varying position changes on its surface. In addition, the cover plate protects the actuator arrangement underneath and the underlying conductor tracks required for contact.

Technisch vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.Technically advantageous embodiments are the subject of the dependent claims, the description and the drawings.

In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung weist die Deckplatte oder die Trägerplatte eine regelmäßige Oberflächenstrukturierung auf. Diese Oberflächenstrukturierung kann mehrere technische Vorteile erfüllen: Sie kann zur Separierung einer auf Deck- und/oder Trägerplatte angebrachten Metallisierung zur Herausbildung der Leiterbahnen dienen, sie kann Strukturen zur Aufnahme und/oder Halterung der Aktuatoren aufweisen und sie kann der Verringerung der Steifigkeit der Deck- oder Trägerplatte gegenüber orthogonalen Auslenkungen durch die Aktuatoren dienen. Insbesondere letzter Punkt kann sich als besonders vorteilhaft erweisen, um Auslenkungen der Aktuatoren im Array möglichst unmittelbar, d.h. mit möglichst geringem Kraft- respektive Energieaufwand auf die Deckplatte zu übertragen bzw. umgekehrt bereits kleinste Auslenkungen an der Deckplatte sehr präzise mittels der Aktuatoren zu detektieren. Ebenso lässt sich durch die Oberflächenstrukturierung die Stärke der lateralen Kopplung benachbarter Aktuatoren im Array durch die sie verbindende Deck- bzw. Trägerplatte entsprechend beeinflussen.In a technically advantageous embodiment of the actuator device, the cover plate or the carrier plate has a regular surface structure. This surface structure can have several technical advantages: It can be used to separate a metallization applied to the cover and/or carrier plate to form the conductor tracks, it can have structures for receiving and/or holding the actuators, and it can be used to reduce the rigidity of the cover or carrier plate with respect to orthogonal deflections by the actuators. The last point in particular can prove to be particularly advantageous in order to transfer deflections of the actuators in the array to the cover plate as directly as possible, i.e. with the least possible expenditure of force or energy, or conversely to detect even the smallest deflections on the cover plate very precisely using the actuators. The surface structure can also influence the strength of the lateral coupling of neighboring actuators in the array through the cover or carrier plate connecting them.

So kann sich beispielsweise eine tiefgehende Oberflächenstrukturierung der Deckplatte aufgrund der dadurch stark reduzierten lateralen Kopplung der Aktuatoren bei gleichzeitig erhöhter Flexibilität gegenüber vertikaler Auslenkungen als vorteilhaft erweisen, um mittels der Aktuatoren lateral sehr lokale, d.h. stark räumlich begrenzte, aber vertikal signifikante Hubbewegungen der Deckplatte zu realisieren. In diesem Fall trägt die Oberflächenstrukturierung der Deckplatte zu einer erhöhten lateralen Auflösung der möglichen Hubbewegungen durch die Aktuatoren bei.For example, a deep surface structuring of the cover plate can prove to be advantageous due to the greatly reduced lateral coupling of the actuators and at the same time increased flexibility with regard to vertical deflections in order to realize laterally very local, i.e. very spatially limited, but vertically significant lifting movements of the cover plate using the actuators. In this case, the surface structuring of the cover plate contributes to an increased lateral resolution of the possible lifting movements by the actuators.

Insbesondere erscheint eine Oberflächenstrukturierung der Deckplatte dann sinnvoll, wenn zum Zwecke der hochpräzisen Positionierung oder Detektion mittels der Aktuatorvorrichtung im Sub-Millimeterbereich besonders kleine Strukturgrößen der Aktuatoren in Verbindung mit einer hohen Aktuatordichte zum Einsatz kommen, da in diesem Falle die Oberflächenstrukturierung durch die damit einhergehende Flexibilität der Deckplatte die hohe laterale Auflösung erst in besonderem Maße nutzbar macht.In particular, a surface structuring of the cover plate appears to be useful when particularly small structure sizes of the actuators in conjunction with a high actuator density are used for the purpose of high-precision positioning or detection by means of the actuator device in the sub-millimeter range, since in this case the surface structuring makes the high lateral resolution particularly usable due to the associated flexibility of the cover plate.

Die Vorteilhaftigkeit der Regelmäßigkeit der Oberflächenstrukturierung liegt in der Regelmäßigkeit und Vorhersagbarkeit des Auslenk- bzw. Detektionsverhaltens der Aktuatorvorrichtung begründet: Um beispielsweise hochpräzise und vorhersagbare Positionsänderungen durchführen zu können, ist ein definiertes Auslenkverhalten der Aktuatorvorrichtung erforderlich, welches sich bei vorliegender Regelmäßigkeit deutlich einfacher vorab, auch im Hinblick auf die zu erwartenden, mechanischen Belastungen auf die einzelnen Komponenten der Aktuatorvorrichtung, berechnen und bewerten lässt. Ferner erlaubt die Regelmäßigkeit eine einfachere, schnellere und kostengünstigere Fertigung der Aktuatorvorrichtung im Vergleich zu unregelmäßigen, nur mit hohem Arbeitsaufwand realisierbaren Strukturen.The advantage of the regularity of the surface structuring lies in the regularity and predictability of the deflection or detection behavior of the actuator device: For example, in order to be able to carry out highly precise and predictable position changes, a defined deflection behavior of the actuator device is required, which can be calculated and evaluated much more easily in advance if the regularity is present, also with regard to the expected mechanical loads on the individual components of the actuator device. Furthermore, the regularity allows for simpler, faster and more cost-effective production of the actuator device compared to irregular structures that can only be realized with a high amount of work.

Es kann von Vorteil sein, wenn die regelmäßige Oberflächenstrukturierung eine zur Symmetrie des Arrays ähnliche, gitterförmige Struktur aufweist. Dadurch spiegelt sich die Symmetrie des Arrays in der Oberflächenstrukturierung wider und ermöglicht damit die Realisierung eines entlang der Dimensionen des Aktuatorarrays homogenen Auslenk- bzw. Detektionsverhaltens der Aktuatorvorrichtung.It can be advantageous if the regular surface structuring has a grid-like structure similar to the symmetry of the array. This means that the symmetry of the array is reflected in the surface structuring and thus enables the realization of a homogeneous deflection or detection behavior of the actuator device along the dimensions of the actuator array.

Eine weitere, technisch vorteilhafte Ausführungsform beinhaltet mindestens einen an der Trägerplatte angeordneten, weiteren Aktuator, wodurch der gesamte Aufbau aus Trägerplatte, Array mit Aktuatoren und Deckplatte als Einheit entlang mindestens einer Raumrichtung im Raum positioniert werden kann. So kann es sich dabei beispielweise um einen Aktuator handeln, der eine Positionierung der vorgenannten Einheit senkrecht zur Arrayebene ermöglicht, aber auch um zwei Aktuatoren, die die vorgenannte Einheit jeweils entlang einer der beiden Arraydimensionen verschieben können. Auch sind Kombinationen der beiden vorgenannten Beispiele denkbar oder weitere Anordnungen und Wirkungsrichtungen an der Trägerplatte angeordneter Aktuatoren. Eine vorteilhafte Anwendung dieser Aktuatoren könnte beispielweise darin bestehen, eine Grob- bzw. Vorpositionierung der vorgenannten Einheit in allen drei Raumrichtungen zu realisieren oder aber umgekehrt eine solche Verschiebung der Einheit zu detektieren.A further, technically advantageous embodiment includes at least one additional actuator arranged on the carrier plate, whereby the entire structure of carrier plate, array with actuators and cover plate can be positioned as a unit along at least one spatial direction in space. For example, this can be an actuator that enables positioning of the aforementioned unit perpendicular to the array plane, but also two actuators that can each move the aforementioned unit along one of the two array dimensions. Combinations of the two aforementioned examples are also conceivable, or other arrangements and directions of action of actuators arranged on the carrier plate. An advantageous application of these actuators could be, for example, to realize a rough or pre-positioning of the aforementioned unit in all three spatial directions or, conversely, to detect such a displacement of the unit.

Ferner kann es von Vorteil sein, wenn der zumindest eine weitere, an der Trägerplatte angeordnete Aktuator flächenförmig ausgebildet ist. Dadurch lässt sich eine besonders geringe Bauhöhe der Aktuatorvorrichtung im Sinne der Aufgabe realisieren und gleichzeitig mit den vorgenannten Vorteilen eines mindestens einen weiteren Aktuators kombinieren. Auch besteht durch die flächenförmige Gestalt die Möglichkeit, die vorhergehend beschriebenen, vorteilhaften Wirkungen der weiteren Aktuatoren jeweils pro Raumrichtung mittels eines einzigen, beispielsweise in seinen Abmessungen bündig mit der Trägerplatte abschließenden Aktuators flächig an der Trägerplatte anzubringen, so dass eine sehr kompakte Bauweise erzielt werden kann.It can also be advantageous if the at least one further actuator arranged on the carrier plate is designed to be flat. This makes it possible to achieve a particularly low overall height of the actuator device in accordance with the task and at the same time combine it with the aforementioned advantages of at least one further actuator. The flat shape also makes it possible to attach the previously described advantageous effects of the further actuators in each spatial direction to the carrier plate using a single actuator, for example one whose dimensions are flush with the carrier plate, so that a very compact design can be achieved.

Weiter kann es von Vorteil sein, wenn der zumindest eine weitere, flächenförmige Aktuator durch einen Scheraktuator gebildet ist. Dieser eignet sich in besonderer Weise für die Erfüllung der Aufgabe, da er eine laterale Verschiebung des an der Trägerplatte angeordneten Arrays aus Aktuatoren in einer weiteren Raumdimension bei möglichst kompakter Bauhöhe ermöglicht.It can also be advantageous if the at least one further, planar actuator is formed by a shear actuator. This is particularly suitable for fulfilling the requirements because it enables a lateral displacement of the array of actuators arranged on the carrier plate in an additional spatial dimension with the most compact possible height.

Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn zwei flächige Scheraktuatoren in gestapelter Weise an der Trägerplatte angeordnet sind, wobei die Scheraktuatoren derart ausgebildet oder angeordnet sind, dass bei Ansteuerung die Scherung in unterschiedliche Raumrichtungen erfolgt. Dadurch lässt sich beispielsweise in sehr kompakter Form die gleichzeitige Durchführung oder Detektion von Positionsänderungen in drei Raumrichtungen bei minimaler Bauhöhe und minimalen Gesamtabmessungen realisieren.In particular, it can be advantageous if two flat shear actuators are arranged in a stacked manner on the carrier plate, wherein the shear actuators are designed or arranged in such a way that when activated, the shearing takes place in different spatial directions. This makes it possible, for example, to implement the simultaneous implementation or detection of position changes in three spatial directions in a very compact form with minimal installation height and minimal overall dimensions.

In einer weiteren, technisch vorteilhaften Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung ist zumindest einer der Aktuatoren durch einen Piezoaktuator gebildet. Piezoaktuatoren bieten den Vorteil der einfachen Skalierbarkeit bei gleichzeitig großem Gestaltungsspielraum hinsichtlich ihrer Formgebung. Gleichzeitig ermöglichen sie die Durchführung und Detektion von Längenänderungen bis in den Pikometerbereich. Dadurch eignen sich Piezoaktuatoren in besonderer Weise für die Realisierung einer hochpräzisen, bauhöhenminimierten Aktuatorvorrichtung gemäß der Aufgabe der Erfindung. Beispielweise lassen sich damit Aktuatorgrößen von 1x1x1 mm oder kleiner bei möglichen Auslenkungen von bis zu 500nm realisieren, in diesem Falle resultierend in einer Gesamtbauhöhe der Aktuatorvorrichtung von lediglich 4-6mm.In a further, technically advantageous embodiment of the actuator device, at least one of the actuators is formed by a piezo actuator. Piezo actuators offer the advantage of easy scalability and at the same time great design freedom with regard to their shape. At the same time, they enable the implementation and detection of length changes down to the picometer range. This makes piezo actuators particularly suitable for the realization of a high-precision, height-minimized actuator device in accordance with the object of the invention. For example, actuator sizes of 1x1x1 mm or smaller with possible deflections of up to 500nm can be realized, in this case resulting in a total height of the actuator device of just 4-6mm.

Weiter kann es von Vorteil sein, wenn die Trägerplatte oder die Deckplatte aus dem gleichen Material wie die Aktuatoren gebildet sind. Dadurch können Verformungen, Spannungen und Brüche in der Aktuatorvorrichtung aufgrund abweichender thermischer Ausdehnungskoeffizienten vermieden werden. Ebenso kann sich die Herstellung aus dem gleichen Material wie die Aktuatoren aufgrund der dadurch identischen Materialeigenschaften prozesstechnisch bei der Herstellung als vorteilhaft erweisen.It can also be advantageous if the carrier plate or the cover plate are made of the same material as the actuators. This can prevent deformations, stresses and fractures in the actuator device due to different thermal expansion coefficients. Likewise, manufacturing from the same material as the actuators can prove to be advantageous in terms of process technology during production due to the resulting identical material properties.

Insbesondere kann es von Vorteil sein, wenn die Aktuatoren und die Trägerplatte oder die Deckplatte aus piezokeramischem Material gebildet sind, wodurch sich die beiden vorgenannten Vorteile der Piezoaktuatoren und der identischen Materialeigenschaften gegenseitig ergänzen zu einer temperatur- und formstabilen, einfach zu prozessierenden Aktuatorvorrichtung mit geringer Bauhöhe und der Möglichkeit der Durchführung oder Detektion hochpräziser Positionsänderungen in mindestens einer, bei Kombination mit den beiden vorgenannten piezoelektrischen Scheraktuatoren sogar in drei Raumrichtungen.In particular, it can be advantageous if the actuators and the carrier plate or the cover plate are made of piezoceramic material, whereby the two aforementioned advantages of the piezo actuators and the identical material properties complement each other to form a temperature- and dimensionally stable, easy-to-process actuator device with a low overall height and the possibility of carrying out or detecting highly precise position changes in at least one, and when combined with the two aforementioned piezoelectric shear actuators even in three spatial directions.

In einer weiteren, technisch vorteilhaften Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung ist zumindest ein Teil der Leiterbahnen durch ein Aufdampf-, Beschichtungs-, Druck- oder Implantationsverfahren hergestellt. Dadurch lässt sich die Bauhöhe der zur Kontaktierung benötigten Leiterbahnen auf ein Minimum reduzieren und damit eine Minimierung der Gesamtbauhöhe der Aktuatorvorrichtung gemäß der Aufgabe der Erfindung erreichen.In a further, technically advantageous embodiment of the actuator device, at least some of the conductor tracks are produced by a vapor deposition, coating, printing or implantation process. This allows the height of the conductor tracks required for contacting to be reduced to a minimum and thus a minimization of the overall height of the actuator device in accordance with the object of the invention.

Ebenso kann es von Vorteil sein, wenn zumindest ein Teil der Leiterbahnen durch Metallisierung und anschließende Strukturierung hergestellt ist. In diesem Fall werden die bautechnischen Vorteile der geringen Bauhöhe der durch Metallisierung gebildeten Leiterbahnen mit prozesstechnischen Vorteilen vereint: So kann beispielweise die Herausbildung der Leiterbahnen auf der Träger- oder Deckplatte mit dem Schritt zur Oberflächenstrukturierung der Träger- oder Deckplatte kombiniert werden. Ebenso entfallen durch die Metallisierung sensible Prozessschritte zum Aufkleben und/oder Anlöten elektrischer Kontaktierungen und die Gefahr etwaiger späterer Kontaktablösungen z.B. durch unterschiedliche thermische Ausdehnung, wird reduziert.It can also be advantageous if at least some of the conductor tracks are produced by metallization and subsequent structuring. In this case, the structural advantages of the low height of the conductor tracks formed by metallization are combined with process-related advantages: For example, the formation of the conductor tracks on the carrier or cover plate can be combined with the step of surface structuring of the carrier or cover plate. Metallization also eliminates sensitive process steps for gluing and/or soldering electrical contacts and reduces the risk of any subsequent contact detachment, e.g. due to different thermal expansion.

In einer weiteren, technisch vorteilhaften Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung weist die Trägerplatte einen ersten, relativ zur Deckplatte überstehenden Abschnitt auf, auf den die an der Trägerplatte angeordneten Leiterbahnen herausgeführt sind, und einen zweiten, relativ zur Deckplatte überstehenden Abschnitt, auf den die an der Deckplatte angeordneten Leiterbahnen herausgeführt sind. Durch die Herausführung der Leiterbahnen der Deck- und Trägerplatte auf die beiden überstehenden Abschnitte der Trägerplatte werden die Leiterbahnen zur Ansteuerung der Aktuatoren des Arrays einfacher von außen zugänglich und kontaktierbar gemacht, um sie dann beispielsweise gesammelt bzw. gebündelt mittels eines Kabels, Flexprints oder einer anderen Leiterform elektrisch zu kontaktieren. Umgekehrt ist auch das Herausführen der Leiterbahnen der Deck- und Trägerplatte auf zwei überstehende Abschnitte der Deckplatte anstatt der Trägerplatte denkbar und würde einen äquivalenten Vorteil realisieren.In a further, technically advantageous embodiment of the actuator device, the carrier plate has a first section that protrudes relative to the cover plate and onto which the conductor tracks arranged on the carrier plate are led out, and a second section that protrudes relative to the cover plate and onto which the conductor tracks arranged on the cover plate are led out. By leading the conductor tracks of the cover and carrier plate out onto the two protruding sections of the carrier plate, the conductor tracks for controlling the actuators of the array are made easier to access and contact from the outside, so that they can then be electrically contacted, for example in a collected or bundled manner, using a cable, flexprint or another conductor form. Conversely, leading the conductor tracks of the cover and carrier plate out onto two protruding sections of the cover plate instead of the carrier plate is also conceivable and would realize an equivalent advantage.

Weiter kann es insbesondere von Vorteil sein, wenn die an der Deckplatte angeordneten Leiterbahnen über wenigstens eine Adaptervorrichtung auf den zweiten überstehenden Abschnitt der Trägerplatte herausgeführt sind, wobei die Adaptervorrichtung mindestens einen Plateauabschnitt umfasst, welcher in seiner Höhe im Wesentlichen dem Abstand zwischen Trägerplatte und Deckplatte entspricht, und welcher zumindest teilweise in Überdeckung mit der Deckplatte steht. Dadurch kann eine möglichst kompakte und effiziente Art der Herausführung der Leiterbahnen unter der Deckplatte erreicht werden, welche gleichzeitig prozesstechnische Vorteile eröffnet: So können die betreffenden Flächen der Adaptervorrichtung - beispielweise im Zuge einer Metallisierung oder eines Aufdampfverfahrens und der anschließenden Strukturierung - ebenfalls so mit Leiterbahnen versehen werden, dass durch die überlappende Einbringung der Adaptervorrichtung zwischen Träger- und Deckplatte automatisch eine elektrische Kontaktierung und Herausführung der Leiterbahnen der Deckplatte auf die Adaptervorrichtung erfolgt, von wo aus diese dann von extern kontaktiert werden können zur Ansteuerung der Aktuatoren des Arrays. Darüber hinaus bietet sich mittels der Adaptervorrichtung die Möglichkeit, das Niveau der herausgeführten Leiterbahnen durch geeignete Wahl der Plateauabschnitte vorteilhaft an die technischen und baulichen Anforderungen anzupassen, um dadurch eine einfache und störungsfreie bzw. strukturierte Kontaktierung zu ermöglichen.Furthermore, it can be particularly advantageous if the conductor tracks arranged on the cover plate are led out to the second protruding section of the carrier plate via at least one adapter device, wherein the adapter device comprises at least one plateau section, the height of which essentially corresponds to the distance between the carrier plate and the cover plate, and which is at least partially overlapped with the cover plate. This makes it possible to achieve the most compact and efficient way of leading the conductor tracks out from under the cover plate. which at the same time offers process-related advantages: The relevant surfaces of the adapter device - for example during metallization or a vapor deposition process and subsequent structuring - can also be provided with conductor tracks in such a way that the overlapping insertion of the adapter device between the carrier and cover plate automatically creates electrical contact and leads the conductor tracks of the cover plate to the adapter device, from where they can then be contacted externally to control the actuators of the array. In addition, the adapter device offers the possibility of advantageously adapting the level of the conductor tracks led out to the technical and structural requirements by selecting the appropriate plateau sections, in order to enable simple and trouble-free or structured contact.

In einer weiteren, technisch vorteilhaften Ausführungsform sind die Zwischenräume zwischen im Array angeordneten Aktuatoren durch ein nichtleitendes Material ausgefüllt. Dadurch wird ein Schutz gegenüber Umwelteinflüssen erreicht, die Aktuatoren weiter elektrisch voneinander isoliert, das Array stabilisiert und das Eindringen von Fremdkörpern oder Flüssigkeiten in die Zwischenräume der Aktuatoren verhindert. Insbesondere bei geringen Aktuatordichten oder bei Aktuatoren mit kleiner Grundfläche im Vergleich zur Aktuatorhöhe kann die zusätzliche Stabilisierung durch ein nichtleitendes Material in den Zwischenräumen sinnvoll sein. Ebenso ist beispielweise die Verwendung eines wärmeableitenden Materials denkbar, um die Erwärmung der Aktuatoren im Array während des Betriebs gering zu halten und damit thermische Einflüsse auf die Positionier- und/oder Detektiergenauigkeit zu vermeiden.In a further, technically advantageous embodiment, the gaps between actuators arranged in the array are filled with a non-conductive material. This provides protection against environmental influences, further electrically isolates the actuators from one another, stabilizes the array and prevents foreign bodies or liquids from penetrating the gaps between the actuators. Additional stabilization using a non-conductive material in the gaps can be useful, particularly in the case of low actuator densities or actuators with a small footprint compared to the actuator height. It is also conceivable, for example, to use a heat-dissipating material to keep the heating of the actuators in the array to a minimum during operation and thus avoid thermal influences on the positioning and/or detection accuracy.

In einer weiteren, technisch vorteilhaften Ausführungsform ist das Array durch elektrisch nichtleitendes Material luftdicht versiegelt. Dadurch wird es vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt. Diese Versiegelung kann im Gegensatz zum vorgenannten, vollständigen Ausfüllen der Zwischenräume zwischen im Array angeordneten Aktuatoren beispielsweise auch nur eine umlaufende Versiegelung sein, die den Schichtaufbau aus Trägerplatte, Array und Deckplatte umfasst, wobei die nichtleitenden Eigenschaften dafür sorgen, dass dabei keine ungewollte Kontaktierung zwischen Deck- und Trägerplatte zustande kommt. Gleichermaßen sind auch innenliegende Versiegelungen denkbar, die beispielsweise nur die Zwischenräume zwischen den äußersten Aktuatoren des Arrays verschließen, um eine luftdichte Versiegelung des Arrays zu erreichen.In a further, technically advantageous embodiment, the array is hermetically sealed using electrically non-conductive material. This protects it from external environmental influences. In contrast to the aforementioned complete filling of the gaps between actuators arranged in the array, this seal can also be, for example, just a circumferential seal that covers the layer structure of carrier plate, array and cover plate, whereby the non-conductive properties ensure that no unwanted contact is made between the cover and carrier plate. Internal seals are also conceivable, which, for example, only close the gaps between the outermost actuators of the array in order to achieve an airtight seal of the array.

Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn die Aktuatorvorrichtung einen Durchbruch oder eine Ausnehmung im Bereich eines Zwischenraums zwischen im Array angeordneten Aktuatoren aufweist. Durch einen oder mehrere Durchbrüche in der Aktuatorvorrichtung ist in Kombination mit den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen die Möglichkeit gegeben, bei ansonsten luftdichter Verfüllung oder Versiegelung des Arrays bzw. der Zwischenräume zwischen den Aktuatoren des Arrays, durch die Erzeugung eines Unterdrucks an der Trägerplatte ein auf der Deckplatte befindliches, zu positionierendes Objekt anzusaugen und zu fixieren. Insbesondere kann durch eine flächige Ansaugung durch mehrere, über die Zwischenräume zwischen den Aktuatoren verteilte Durchbrüche je nach Beschaffenheit des Objekts darüber hinaus eine synchrone Verformung des Objekts bei Verformung der Deckplatte durch Aktuierung der Aktuatoren des Arrays bewirkt werden. Damit kann die Aktuatorvorrichtung als Vorrichtung zum hochpräzisen Ausgleich von Oberflächenunebenheiten eines auf der Deckplatte befindlichen Objekts selbst eingesetzt werden. Alternativ lässt sich der Vorteil der möglichen Ansaugung und Verformung eines Objekts an der Deckplatte bei nicht oder nur teilweise luftdichter Verfüllung oder Versiegelung des Arrays bzw. der Zwischenräume zwischen den Aktuatoren des Arrays auch durch anstelle der Durchbrüche in der Deckplatte angeordnete Ausnehmungen erzielen, indem die Luft nicht durch die Trägerplatte, sondern seitlich über die Berandungen der Aktuatorvorrichtung durch die Zwischenräume zwischen den Aktuatoren abgesaugt wird.In addition, it can be advantageous if the actuator device has an opening or a recess in the area of a gap between actuators arranged in the array. One or more openings in the actuator device, in combination with the previously described embodiments, make it possible to suck in and fix an object to be positioned on the cover plate by generating a negative pressure on the carrier plate, if the array or the gaps between the actuators of the array are otherwise filled or sealed airtight. In particular, by means of surface suction through several openings distributed over the gaps between the actuators, depending on the nature of the object, a synchronous deformation of the object can also be brought about when the cover plate is deformed by actuating the actuators of the array. The actuator device can therefore be used as a device for the high-precision compensation of surface irregularities of an object located on the cover plate. Alternatively, the advantage of the possible suction and deformation of an object on the cover plate when the array or the gaps between the actuators of the array are not or only partially airtight filled or sealed can also be achieved by recesses arranged in the cover plate instead of the openings, in that the air is not sucked through the carrier plate, but laterally over the edges of the actuator device through the gaps between the actuators.

Ein weiterer Vorteil von insbesondere mehreren Durchbrüchen oder Ausnehmungen liegt auch in der Möglichkeit zur aktiven Kühlung der Aktuatorvorrichtung, indem mittels der Durchbrüche bzw. Ausnehmungen ein kühlendes Medium, insbesondere eine nichtleitende Flüssigkeit oder ein nichtleitendes Gas, kontinuierlich in die Zwischenräume der Aktuatoren des Arrays eingebracht oder durch diese entfernt wird, so dass ein kontinuierlicher Fluss des Mediums und damit Wärmetransport in den Zwischenräumen der Aktuatoren des Arrays entsteht. Durch eine solche Kühlung können die thermischen Einflüsse auf die Aktuatorvorrichtung verringert und damit die Positionier- oder Detektiergenauigkeit konstant gehalten werden. Ferner kann eine solche Kühlung auch dazu dienen, ein auf der Deckplatte befindliches, zu bewegendes bzw. verformendes Objekt gleichermaßen mitzukühlen und dadurch bei temperaturkritischen Anwendungen für Temperaturstabilität an dem Objekt zu sorgen, um parasitäre thermische Effekte zu minimieren.A further advantage of having a number of openings or recesses in particular is the possibility of actively cooling the actuator device by using the openings or recesses to continuously introduce a cooling medium, in particular a non-conductive liquid or a non-conductive gas, into the spaces between the actuators of the array or to remove it through them, so that a continuous flow of the medium and thus heat transport occurs in the spaces between the actuators of the array. Such cooling can reduce the thermal influences on the actuator device and thus keep the positioning or detection accuracy constant. Furthermore, such cooling can also be used to cool an object to be moved or deformed that is located on the cover plate at the same time and thus ensure temperature stability on the object in temperature-critical applications in order to minimize parasitic thermal effects.

Ebenso kann durch gezieltes Anbringen von mehreren Durchbrüchen oder Ausnehmungen die Flexibilität der Deckplatte beeinflusst werden.The flexibility of the cover plate can also be influenced by deliberately creating several openings or recesses.

Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren, auch wenn diese zu unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben sind.All features explained in connection with individual embodiments of the invention can be provided in different combinations in the subject matter according to the invention in order to simultaneously realize their advantageous effects, even if they are described for different embodiments.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1: Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung mit abgehobener Deckplatte
2: Innenansicht der Deck- und Trägerplatte inklusive Adaptervorrichtungen der aufgeklappten Aktuatorvorrichtung nach 1
3: Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung mit Durchbrüchen

Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are described in more detail below. They show:

1 : Detail of an actuator device according to the invention with the cover plate lifted off
2 : Inside view of the cover and carrier plate including adapter devices of the unfolded actuator device after 1
3 : Detail of an actuator device according to the invention with openings

1 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung 1 mit abgehobener Deckplatte 4. Die Aktuatorvorrichtung 1 besteht aus zwei piezoelektrischen Scheraktuatoren 8.1, einer Trägerplatte 3 mit darauf angeordneten Leiterbahnen 5, Adaptervorrichtungen 11 und m x n in einem m × n-dimensionalen Array 6 angeordneten piezoelektrischen Aktuatoren 2, sowie einer abschließenden, hier zur Veranschaulichung abgehobenen Deckplatte 4 mit ebenfalls daran angeordneten Leiterbahnen 5. 1 shows a section of an actuator device 1 according to the invention with a raised cover plate 4. The actuator device 1 consists of two piezoelectric shear actuators 8.1, a carrier plate 3 with conductor tracks 5 arranged thereon, adapter devices 11 and mxn piezoelectric actuators 2 arranged in an m × n-dimensional array 6, as well as a final cover plate 4, lifted here for illustration purposes, with conductor tracks 5 also arranged thereon.

Die beiden piezoelektrischen Scheraktuatoren 8.1 sind so ausgerichtet, dass bei Ansteuerung des ersten Scheraktuators eine Scherung in x- und bei Ansteuerung des zweiten Scheraktuators eine Scherung in y-Richtung erfolgt, sodass durch diese in Summe eine Positionierung der darüberliegenden Struktur in der x-y-Ebene vorgenommen werden kann.The two piezoelectric shear actuators 8.1 are aligned in such a way that when the first shear actuator is activated, shearing occurs in the x-direction and when the second shear actuator is activated, shearing occurs in the y-direction, so that in total they can be used to position the structure above in the x-y plane.

Die beiden flächenförmigen Scheraktuatoren 8.1 sind zum Zwecke der Ansteuerung jeweils auf ihrer Ober- und Unterseite mit hier nicht erkennbaren, flächigen Elektroden versehen, deren Kontaktierung und Ansteuerung über die drei nach außen geführten Leiterbahnen 5 erfolgt. Dabei bildet die zwischen den beiden Scheraktuatoren herausgeführte Leiterbahn gleichzeitig die Kontaktierung der unteren Elektrode des oberen Scheraktuators sowie der oberen Elektrode des unteren Scheraktuators, sodass sich diese gemeinsam jeweils auf demselben elektrischen Potenzial befinden.For the purpose of control, the two planar shear actuators 8.1 are each provided with planar electrodes on their top and bottom sides (not visible here), the contacting and control of which takes place via the three conductor tracks 5 leading outwards. The conductor track leading out between the two shear actuators simultaneously forms the contact of the lower electrode of the upper shear actuator and the upper electrode of the lower shear actuator, so that they are both at the same electrical potential.

Die beiden flächenförmigen Scheraktuatoren 8.1 sind flächig passgenau übereinander angeordnet. Darüber ist die ebenso passgenaue Trägerplatte 3 angeordnet.The two planar shear actuators 8.1 are arranged one above the other in a precisely fitting manner. The carrier plate 3, which also fits precisely, is arranged above this.

Die Oberfläche der Trägerplatte 3 ist metallisiert und bis auf den überstehenden Abschnitt 10 der Trägerplatte mit einer Oberflächenstrukturierung 7 in Form von in Matrixdimension n weisenden, die Metallisierung der Trägerplatte unterbrechenden, Längsrillen versehen, wobei die Breite der Längsrillen dem Abstand zwischen den im Array angeordneten Aktuatoren 2 entspricht und die Längsrillen sich entlang der Dimension n des Arrays über die gesamten Trägerplatte so erstrecken, dass sie jeweils zwischen den im Array angeordneten Aktuatoren 2 zu liegen kommen und dadurch die zur Kontaktierung der Aktuatoren vonseiten der Trägerplatte erforderlichen Leiterbahnen 5 formen.The surface of the carrier plate 3 is metallized and, except for the protruding section 10 of the carrier plate, is provided with a surface structuring 7 in the form of longitudinal grooves pointing in matrix dimension n and interrupting the metallization of the carrier plate, wherein the width of the longitudinal grooves corresponds to the distance between the actuators 2 arranged in the array and the longitudinal grooves extend along the dimension n of the array over the entire carrier plate in such a way that they each come to lie between the actuators 2 arranged in the array and thereby form the conductor tracks 5 required for contacting the actuators from the carrier plate side.

Auf der Trägerplatte 3 sind die m x n Piezoaktuatoren arrayförmig entlang beider Arraydimensionen m und n gleichmäßig beabstandet unterhalb der Deckplatte 4 angeordnet und formen zusammen das m x n-dimensionale Array 6 aus Piezoaktuatoren, welche jeweils auf den zuvor beschriebenen m Leiterbahnen 5 der Trägerplatte 3 mittels leitfähigem Kleber angeordnet sind und dadurch jeweils zeilenweise entlang der Arraydimension n über eine jeweils an ihrer Unterseite befindliche Elektrode gemeinsam kontaktiert werden.On the carrier plate 3, the m x n piezo actuators are arranged in an array along both array dimensions m and n, evenly spaced below the cover plate 4, and together form the m x n-dimensional array 6 of piezo actuators, which are each arranged on the previously described m conductor tracks 5 of the carrier plate 3 by means of conductive adhesive and are thus contacted together row by row along the array dimension n via an electrode located on their underside.

Des Weiteren weist die Trägerplatte 3 zwei relativ zur Deckplatte 4 überstehende Abschnitte 9 und 10 auf. Auf den überstehenden Abschnitt 9 sind die zuvor beschriebenen, die im Array angeordneten Aktuatoren entlang Matrixdimension n verbindenden Leiterbahnen in ihrer Verlängerung unter der Deckplatte herausgeführt, indem die Metallisierung und Strukturierung der Trägerplatte auch auf diesem überstehenden Abschnitt 9 fortgesetzt ist. Auf dem überstehenden Abschnitt 10 sind n Adaptervorrichtungen 11 mit jeweils zwei Plateauabschnitten 12 so entlang der Arraydimension m ausgerichtet und in Arraydimension n nebeneinander angeordnet, dass sie jeweils auf einer Linie mit den entlang Arraydimension m weisenden Zeilen der im Array angeordneten Aktuatoren zu liegen kommen. In ihrer Breite entsprechen die Adaptervorrichtungen der Breite der Aktuatoren im Array, in ihrer Länge sind sie derart ausgestaltet, dass ein oberer Plateauabschnitt 12 längenmäßig genau dem Abstand zwischen dem in Verlängerung der Aktuatorvorrichtung nächstliegenden Aktuator und der Abschlusskante der Deckplatte entspricht, d.h. komplett von der Deckplatte überdeckt wird, und ein unterer Plateauabschnitt 12 die restliche Breite des überstehenden Abschnitts 10 überdeckt. Zwischen den beiden Plateauabschnitten befindet sich eine senkrechte Stufe, die in ihrer Höhe nicht ganz der Aktuatorhöhe der im Array angeordneten Aktuatoren entspricht. Die beiden Plateauabschnitte sowie die Stufe sind metallisiert, sodass der obere Plateauabschnitt bei aufgesetzter Deckplatte die auf der Unterseite der Deckplatte angeordnete, jeweils zugehörige Leiterbahn kontaktiert und der untere Plateauabschnitt dank seiner Metallisierung als Kontaktfläche zur externen Kontaktierung der Arrayzeilen entlang Arraydimension m verwendet werden kann.Furthermore, the carrier plate 3 has two sections 9 and 10 that protrude relative to the cover plate 4. On the protruding section 9, the previously described conductor tracks connecting the actuators arranged in the array along matrix dimension n are led out in their extension under the cover plate, in that the metallization and structuring of the carrier plate is also continued on this protruding section 9. On the protruding section 10, n adapter devices 11, each with two plateau sections 12, are aligned along the array dimension m and arranged next to one another in array dimension n such that they each lie on a line with the rows of the actuators arranged in the array pointing along array dimension m. The width of the adapter devices corresponds to the width of the actuators in the array, and their length is designed in such a way that an upper plateau section 12 corresponds in length exactly to the distance between the actuator closest to the actuator device in the extension and the end edge of the cover plate, i.e. is completely covered by the cover plate, and a lower plateau section 12 covers the remaining width of the protruding section 10. Between the two plateau sections there is a vertical step, the height of which does not quite correspond to the actuator height of the actuators arranged in the array. The two plateau sections and the step are metallized, so that when the cover plate is in place, the upper plateau section contacts the associated conductor track arranged on the underside of the cover plate and the lower plateau section, thanks to its metallization, can be used as a contact surface for external contacting of the array rows along array dimension m.

Die Aktuatoren 2 des Arrays 6 werden von oben durch die Deckplatte 4 gehaltert, welche auf ihrer Unterseite, d.h. der den Aktuatoren zugewandten Seite, eine Oberflächenstrukturierung 7 sowie n entlang der Arraydimension m verlaufende Leiterbahnen 5 aufweist. Die detaillierte Oberflächenstruktur sowie der Verlauf der Leiterbahnen der Deckplatte wird in 2 noch besser ersichtlich. Analog zur Trägerplatte ist die den Aktuatoren zugewandte Seite der Deckplatte ebenfalls metallisiert, wobei diese Metallisierung durch n in ihrer Breite zu denen der Trägerplatte äquivalente, allerdings gegenüber diesen um 90° gedrehte, d.h. entlang der Arraydimension m weisende, Längsrillen unterbrochen ist und dadurch die an der Deckplatte angeordneten Leiterbahnen formt. Diese sind analog zu denen der Trägerplatte wiederum so positioniert, dass sie beim Aufbringen der Deckplatte mittels leitfähigen Klebers jeweils alle Aktuatoren entlang der Arraydimension m zeilenweise über eine jeweils an ihrer Oberseite befindliche Elektrode gemeinsam kontaktiert.The actuators 2 of the array 6 are held from above by the cover plate 4, which has a surface structure 7 on its underside, ie the side facing the actuators, as well as n conductor tracks 5 running along the array dimension m. The detailed surface structure and the course of the conductor tracks of the cover plate are shown in 2 even more clearly visible. Analogous to the carrier plate, the side of the cover plate facing the actuators is also metallized, whereby this metallization is interrupted by n longitudinal grooves that are equivalent in width to those of the carrier plate, but rotated by 90° relative to them, i.e. pointing along the array dimension m, and thus form the conductor tracks arranged on the cover plate. These are again positioned analogously to those of the carrier plate in such a way that when the cover plate is applied using conductive adhesive, they contact all actuators along the array dimension m in rows via an electrode located on their upper side.

Die Träger- und Deckplatte sowie die Adaptervorrichtungen sind in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel alle aus demselben, piezoelektrischen Material wie die Aktuatoren gebildet, es sind prinzipiell aber auch andere und ggf. auch unterschiedliche Materialien für diese Komponenten denkbar. So erscheint beispielsweise für die Träger- und Deckplatte vor allem vor dem Hintergrund der gewünschten Bauhöhenminimierung der Aktuatorvorrichtung durch unmittelbar an der Träger- und Deckplatte angeordnete Leiterbahnen die Verwendung elektrisch nichtleitender Materialien wie z.B. Glas, Keramiken, Kunststoffe oder Silikone sinnvoll, um bereits dadurch eine hinreichende elektrische Isolierung zu gewährleisten und auf zusätzliche Isolationsschichten bzw. -maßnahmen zugunsten der geringeren Bauhöhe weitestgehend verzichten zu können.The carrier and cover plate as well as the adapter devices are in the 1 In the embodiment shown, all of the components are made of the same piezoelectric material as the actuators, but in principle other and possibly different materials are also conceivable for these components. For example, for the carrier and cover plate, especially against the background of the desired minimization of the height of the actuator device by means of conductor tracks arranged directly on the carrier and cover plate, the use of electrically non-conductive materials such as glass, ceramics, plastics or silicones seems sensible in order to ensure sufficient electrical insulation and to be able to largely dispense with additional insulation layers or measures in favor of the lower height.

Die in 1 gezeigte Aktuatorvorrichtung 1 weist eine Gesamtbauhöhe von lediglich 3mm auf, gebildet aus der Trägerplatte 3 mit 0,5mm Bauhöhe, den beiden flächenförmigen Scheraktuatoren 8.1 mit jeweils 0,5mm Bauhöhe, den im Array angeordneten Aktuatoren 2 mit Abmessungen von 1x1x1 mm, in ihrer Höhe äquivalent zu den Adaptervorrichtungen 11 mit ebenfalls 1 mm Bauhöhe, und der Deckplatte 4 mit 0,5mm Bauhöhe. Die Gesamtabmessungen der gezeigten Aktuatorvorrichtung betragen 50x50x3mm. Durch den beschriebenen Aufbau sind hochpräzise Positionsänderungen im Nanometerbereich möglich, in z-Richtung von bis zu 500nm und in x- und y-Richtung von jeweils bis zu 5µm. Ebenso ist eine Kaskadierung von bis zu vier Exemplaren der gezeigten Aktuatorvorrichtung nebeneinander möglich, um damit eine gesamtaktuierbare Fläche von 100x100mm zu erhalten. Aufgrund der einfachen Skalierbarkeit der Aktuatorvorrichtung sind ebenso viele weitere Realisierungen mit auch deutlich von den hier genannten Abmessungen abweichenden Maßen der Einzelkomponenten denkbar. Insbesondere sind beispielweise auch Aktuatorhöhen der im Array angeordneten Aktuatoren realisierbar, die dem 20-fachen derer Grundkantenlänge entsprechen, um dadurch z.B. eine signifikante Erhöhung des vertikalen Hubs bei gleichbleibend hoher, lateraler räumlicher Auflösung der Aktuatorvorrichtung zu realisieren. Ebenso kann beispielweise auch die Grundfläche der im Array angeordneten Aktuatoren weiter reduziert werden, um die Aktuatordichte im Array und damit die laterale räumliche Auflösung weiter zu erhöhen.In the 1 The actuator device 1 shown has a total height of just 3mm, formed from the carrier plate 3 with a height of 0.5mm, the two planar shear actuators 8.1 each with a height of 0.5mm, the actuators 2 arranged in the array with dimensions of 1x1x1mm, equivalent in height to the adapter devices 11 which also have a height of 1mm, and the cover plate 4 with a height of 0.5mm. The total dimensions of the actuator device shown are 50x50x3mm. The structure described enables highly precise position changes in the nanometer range, in the z direction of up to 500nm and in the x and y directions of up to 5µm each. It is also possible to cascade up to four examples of the actuator device shown next to each other in order to obtain a total actuatable area of 100x100mm. Due to the simple scalability of the actuator device, many other implementations are also conceivable with dimensions of the individual components that differ significantly from the dimensions mentioned here. In particular, actuator heights of the actuators arranged in the array can be realized that correspond to 20 times their base edge length, in order to achieve a significant increase in the vertical stroke while maintaining a consistently high lateral spatial resolution of the actuator device. Likewise, the base area of the actuators arranged in the array can also be further reduced in order to further increase the actuator density in the array and thus the lateral spatial resolution.

2 zeigt eine Innenansicht der Deckplatte 4 und der Trägerplatte 3 inklusive Adaptervorrichtungen 11 der aufgeklappten Aktuatorvorrichtung nach 1. Die in 1 gezeigten Aktuatoren 2 wurden hier ausgeblendet, um u.a. die Oberflächenstrukturierungen 7 besser sichtbar zu machen. 2 shows an interior view of the cover plate 4 and the carrier plate 3 including adapter devices 11 of the unfolded actuator device according to 1 . In the 1 The actuators 2 shown have been hidden here in order to make the surface structures 7 more visible.

Die Oberflächenstrukturierung der Trägerplatte ist wie zu 1 bereits beschrieben ausgeführt: Es handelt sich dabei um äquidistante Längsrillen, welche sich entlang ihrer Ausdehnungsrichtung über die gesamte, der Deckplatte zugewandten Seite der Trägerplatte erstrecken und dadurch die Metallisierung der Trägerplatte in m einzelne Leiterbahnen 5 unterteilen, so dass diese in ihrer Breite der Breite der in 1 gezeigten Aktuatoren 2 des m × n dimensionalen Arrays 6 entsprechen, während die Breite der Längsrillen im Wesentlichen dem Abstand zwischen den im Array angeordneten Aktuatoren entspricht. Die Oberflächenstrukturierung ist derart auf der Trägerplatte angeordnet, dass im zusammengebauten Zustand der Aktuatorvorrichtung jeweils immer alle n Aktuatoren entlang der Dimension n des m × n dimensionalen Arrays durch eine Leiterbahn der Trägerplatte gemeinsam elektrisch kontaktiert sind.The surface structuring of the carrier plate is as 1 already described: These are equidistant longitudinal grooves which extend along their direction of extension over the entire side of the carrier plate facing the cover plate and thereby divide the metallization of the carrier plate into m individual conductor tracks 5, so that their width corresponds to the width of the 1 shown actuators 2 of the m × n dimensional array 6, while the width of the longitudinal grooves essentially corresponds to the distance between the actuators arranged in the array. The surface structuring is arranged on the carrier plate in such a way that in the assembled state of the actuator device, all n actuators along the dimension n of the m × n dimensional array are always electrically contacted together by a conductor track of the carrier plate.

Die Oberflächenstrukturierung 7 der Deckplatte 4 weist ebenfalls m, im zugeklappten Zustand mit der Trägerplatte 3 deckungsgleiche und sich entlang ihrer Ausdehnungsrichtung über die gesamte Deckplatte erstreckende Längsrillen auf, welche durch n - 1 in ihrer Breite und Beabstandung zu den Längsrillen identische Querrillen orthogonal geschnitten werden, welche sich ebenso über die gesamte Innenseite der Deckplatte erstrecken. Im Gegensatz zur Trägerplatte wird die Deckplatte erst nach der Strukturierung mittels der Längsrillen metallisiert, so dass im Falle der Deckplatte die Leiterbahnen 5 erst nachgelagert durch die Einbringung der Querrillen gebildet werden, um im zusammengebauten Zustand der Adaptervorrichtung dann jeweils immer alle m Aktuatoren entlang der Dimension m des m × n dimensionalen Arrays gemeinsam elektrisch zu kontaktieren. Die Tiefe der Längsrillen ist in dem gezeigten Beispiel fertigungsbedingt geringer als die der nachgelagert eingebrachten Querrillen der Deckplatte, um eine ausreichende elektrische Trennung benachbarter Leiterbahnen zu gewährleisten.The surface structuring 7 of the cover plate 4 also has m longitudinal grooves which, when closed, are congruent with the carrier plate 3 and extend along its direction of extension over the entire cover plate, which are orthogonally cut by n - 1 transverse grooves which are identical in width and spacing to the longitudinal grooves and which also extend over the entire inside of the cover plate. In contrast to the carrier plate, the cover plate is only metallized after structuring by means of the longitudinal grooves, so that in the case of the cover plate, the conductor tracks 5 are only metallized later by introducing the transverse grooves are formed in order to electrically contact all m actuators along the dimension m of the m × n dimensional array when the adapter device is assembled. In the example shown, the depth of the longitudinal grooves is, for manufacturing reasons, smaller than that of the downstream transverse grooves of the cover plate in order to ensure sufficient electrical separation of adjacent conductor tracks.

Die auf dem überstehenden Abschnitt 10 der Trägerplatte 3 angeordneten Adaptervorrichtungen 11 sind auf ihrer Oberfläche metallisiert und so geformt und angeordnet, dass ihr jeweils höherer der beiden Plateauabschnitte 12 im zusammengebauten Zustand der Adaptervorrichtung genau an den Leiterbahnen der Deckplatte zu liegen kommt und damit bei angebrachter Deckplatte eine externe Kontaktierung der Leiterbahnen der Deckplatte über die jeweils tieferen Plateauabschnitte 12 ermöglichen.The adapter devices 11 arranged on the protruding section 10 of the carrier plate 3 are metallized on their surface and shaped and arranged in such a way that the higher of the two plateau sections 12 in the assembled state of the adapter device lies exactly on the conductor tracks of the cover plate and thus enable external contacting of the conductor tracks of the cover plate via the lower plateau sections 12 when the cover plate is attached.

Gleichermaßen ermöglichen die auf den ersten überstehenden Abschnitt 9 der Trägerplatte 3 unter der Deckplatte 4 herausgeführten Leiterbahnen 5 eine externe elektrische Kontaktierung derselben zur zeilenweisen externen Ansteuerung der an ihnen angeordneten Aktuatoren des m × n-dimensionalen Arrays.Likewise, the conductor tracks 5 leading out onto the first projecting section 9 of the carrier plate 3 beneath the cover plate 4 enable external electrical contacting of the same for row-by-row external control of the actuators of the m × n-dimensional array arranged on them.

Durch die zur Symmetrie des Arrays 6 ähnliche gitterförmige Oberflächenstrukturierung 7 der Deckplatte 4 wird eine erhöhte Flexibilität der Deckplatte gegenüber einer Verformung der daran angeordneten Aktuatoren 2 (hier nicht gezeigt) erreicht und zwar so, dass die Verformungen der Aktuatoren z.B. durch Druck oder Anlegen einer elektrischen Spannung möglichst voneinander entkoppelt sind, was die noch genauere Bewirkung bzw. Detektion sehr lokal begrenzter Deformationen der Deckplatte über die Auslenkung einzelner Aktuatoren des Arrays ermöglicht.The grid-shaped surface structuring 7 of the cover plate 4, which is similar to the symmetry of the array 6, results in increased flexibility of the cover plate with respect to deformation of the actuators 2 arranged thereon (not shown here), in such a way that the deformations of the actuators, e.g. by pressure or application of an electrical voltage, are decoupled from one another as far as possible, which enables even more precise effecting or detection of very locally limited deformations of the cover plate via the deflection of individual actuators of the array.

3 zeigt einen rechteckigen Zeichnungsausschnitt einer erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung 1 analog zu 1, welche zusätzlich kreisförmige Durchbrüche 14 im Bereich der Zwischenräume 13 zwischen im m × n dimensionalen Array 6 angeordneten Aktuatoren 2 aufweist. Die kreisförmigen Durchbrüche sind gitterförmig entlang der Arraydimensionen m und n so äquidistant im Abstand der Aktuatoren angeordnet, dass sie entlang der Arraydimension n in den leiterbahnfreien Zwischenräumen der Trägerplatte 3 zwischen den Aktuatoren des Arrays, und entlang der Arraydimension m jeweils zentriert zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenflächen der im Array angeordneten Aktuatoren zu liegen kommen. In ihrem Durchmesser entsprechen die kreisförmigen Durchbrüche dem Abstand der im Array angeordneten Aktuatoren, so dass die Durchbrüche diese Aktuatoren in ihrer Form nicht beeinträchtigen. 3 shows a rectangular drawing section of an actuator device 1 according to the invention analogous to 1 , which additionally has circular openings 14 in the area of the gaps 13 between actuators 2 arranged in the m × n dimensional array 6. The circular openings are arranged in a grid-like manner along the array dimensions m and n so equidistantly in the distance of the actuators that they come to lie along the array dimension n in the conductor-free gaps of the carrier plate 3 between the actuators of the array, and along the array dimension m in each case centered between two opposite side surfaces of the actuators arranged in the array. In their diameter, the circular openings correspond to the distance between the actuators arranged in the array, so that the openings do not affect the shape of these actuators.

Die offenbarte Erfindung beschreibt Möglichkeiten zur Realisierung einer Aktuatorvorrichtung zur hochpräzisen Durchführung oder Detektion lokal variierender Positionsänderungen, welche im Gegensatz zum Stand der Technik mehrere technische Vorteile in sich vereint: Sie ist äußerst flexibel skalierbar, sowohl was ihre laterale Ausdehnung als auch die Präzision und die Größenordnung der mit ihr durchführbaren bzw. detektierbaren lokalen Positionsänderungen betrifft, sie weist durch ihren Aufbau eine bauhöhenreduzierte Bauform auf, die Einbettung der Aktuatoren zwischen Träger- und Deckplatte verleiht der Aktuatorvorrichtung Stabilität bei gleichzeitiger Erhöhung der Präzision durch geeignete Oberflächenbearbeitung und damit Planarität der Deckplatte und gleichzeitigem Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen. Dabei erfüllt die Deckplatte mit ihrer speziellen Struktur und Form gleichzeitig mehrere Funktionen: Sie kontaktiert die Aktuatoren des Arrays über die an ihr angeordneten Leiterbahnen und deckt die Aktuatorvorrichtung ab, beeinträchtigt aber gleichzeitig die Bewegungsfreiheit der Aktuatoren des Arrays nicht signifikant.The disclosed invention describes possibilities for realizing an actuator device for the highly precise implementation or detection of locally varying position changes, which, in contrast to the prior art, combines several technical advantages: It is extremely flexibly scalable, both in terms of its lateral extent and the precision and magnitude of the local position changes that can be implemented or detected with it; its structure has a reduced height design; the embedding of the actuators between the carrier and cover plate gives the actuator device stability while simultaneously increasing precision through suitable surface processing and thus planarity of the cover plate and at the same time protecting it from external environmental influences. The cover plate with its special structure and shape fulfills several functions at the same time: It contacts the actuators of the array via the conductor tracks arranged on it and covers the actuator device, but at the same time does not significantly impair the freedom of movement of the actuators of the array.

Ferner kann mittels Durchbrüchen in der Aktuatorvorrichtung für eine Kühlung der Vorrichtung während des Betriebs gesorgt werden oder bei luftdichter Versiegelung der Zwischenräume zwischen im Array angeordneter Aktuatoren oder des Arrays als Ganzem mittels der Durchbrüche eine Ansaugung bzw. Halterung und damit hochpräzise Verformung eines darauf befindlichen Gegenstandes bewirkt werden.Furthermore, openings in the actuator device can be used to ensure cooling of the device during operation or, if the gaps between actuators arranged in the array or the array as a whole are hermetically sealed, the openings can be used to suction or hold an object located thereon and thus to deform it with high precision.

Darüber hinaus können durch einen Aufbau der Deckplatte, Trägerplatte und der Aktuatoren aus demselben Material thermische Verformungen der Aktuatorvorrichtung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten minimiert und dadurch die Präzision die Aktuatorvorrichtung weiter gesteigert werden.In addition, by constructing the cover plate, carrier plate and actuators from the same material, thermal deformation of the actuator device due to different thermal expansion coefficients can be minimized and the precision of the actuator device can thus be further increased.

Über die zuvor genannten, vorteilhaften Ausführungsformen hinaus sind noch weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung denkbar. Einige davon werden im Folgenden beispielhaft beschrieben, es sind jedoch auch weitere, vorteilhafte Merkmalskombinationen, Ausbildungen und Weiterentwicklungen der Erfindung vorstellbar.In addition to the advantageous embodiments mentioned above, further advantageous developments of the invention are conceivable. Some of these are described below as examples, but other advantageous combinations of features, designs and further developments of the invention are also conceivable.

In einer vorteilhaften Weiterbildung könnten zumindest einige der Aktuatoren der Aktuatorvorrichtung durch Mehrschicht-Piezoaktuatoren gebildet sein, um eine Vergrößerung des maximalen Hubs zu erreichen.In an advantageous further development, at least some of the actuators of the actuator device could be formed by multilayer piezo actuators in order to achieve an increase in the maximum stroke.

Ebenso ist es denkbar, den Aufbau aus Trägerplatte, Aktuatoren, Deckplatte und dazwischenliegenden Leiterbahnen in z-Richtung, d.h. in Stapelrichtung, mindestens einmal zu wiederholen, um eine Vergrößerung des Gesamthubs der Aktuatorvorrichtung zu erreichen.It is also conceivable to repeat the structure of the carrier plate, actuators, cover plate and intermediate conductor tracks in the z-direction, ie in the stacking direction, at least once in order to achieve an increase in the total stroke of the actuator device.

Zum Zwecke der Nachhaltigkeit können die Aktuatoren der Aktuatorvorrichtung auch aus bleifreier Piezokeramik gebildet sein. Dadurch lässt sich die Präzision von Piezoaktuatoren mit der besseren Umweltverträglichkeit bleifreier Materialien kombinieren und sich die Aktuatorvorrichtung besonders nachhaltig realisieren.For the purpose of sustainability, the actuators of the actuator device can also be made of lead-free piezoceramic. This allows the precision of piezo actuators to be combined with the better environmental compatibility of lead-free materials and makes the actuator device particularly sustainable.

Ebenso kann es im Falle von Aktuatoren aus polykristallinem, ferroelektrischpiezoelektrischem Material vorteilhaft sein, diese mittels eines Verfahrens wie in Druckschrift EP 3 365 926 B1 beschrieben anzusteuern. Durch dieses Verfahren, bei welchem durch kurze Spannungspulse jeweils nur ein kleiner Teil der Domänen polarisiert wird, können äußerst geringe und dabei präzise Längenänderungen der Aktuatoren herbeigeführt werden, die auch bei Wegnahme der elektrischen Spannung (d.h. energielos) dauerhaft bestehen bleiben. Dadurch wird der Energieeinsatz zum Betreiben der Aktuatorvorrichtung drastisch reduziert. Ein möglicher Anwendungsfall hierfür wäre der Einsatz der Aktuatorvorrichtung zum dauerhaften Ausgleich lokal variierender Unebenheiten oder für die dauerhafte Verformung eines auf der Deckplatte angeordneten Elements wie z.B. eines Wafers.Likewise, in the case of actuators made of polycrystalline, ferroelectric-piezoelectric material, it may be advantageous to manufacture them using a method as described in the publication EP 3 365 926 B1 described. This method, in which only a small part of the domains is polarized by short voltage pulses, can bring about extremely small and precise changes in the length of the actuators, which remain permanent even when the electrical voltage is removed (ie without energy). This drastically reduces the energy required to operate the actuator device. One possible application for this would be the use of the actuator device to permanently compensate for locally varying unevenness or for the permanent deformation of an element arranged on the cover plate, such as a wafer.

Darüber hinaus ist es auch denkbar, das Array aus Aktuatoren der Aktuatorvorrichtung aus verschieden gearteten Aktuatoren aufzubauen, beispielsweise einen Teil aus form- bzw. längenändernden, d.h. aktuierenden Aktuatoren und den anderen Teil aus sensitiven, d.h. messenden, Aktuatoren. Diese beiden Arten von Aktuatoren könnten beispielsweise gleichmäßig verteilt innerhalb des Arrays angeordnet werden, so dass bei Auflegen oder Anbringung eines Elements auf der Deckplatte die sensitiven Aktuatoren Druckunterschiede aufgrund einer unebenen Auflage, d.h. Oberfläche, des Elements detektieren und anhand dieser Information entweder die aktuierenden Aktuatoren so ausgelenkt werden, dass sich die Deckplatte an die Unebenheit des Elements anpasst - d.h. die detektierten Druckunterschiede durch die Unebenheit des aufliegenden Elements ausgeglichen werden - oder dass daraus abgeleitet Korrekturauslenkungen der aktuierenden Aktuatoren initiiert werden, um die detektierten Unebenheiten des aufliegenden Elements selbst auszugleichen. Natürlich können für das hier skizzierte Beispiel auch anstelle der zwei Aktuatortypen, d.h. aktuierend und messend, auch Aktuatoren verwendet werden, die beide Eigenschaften gleichzeitig in sich vereinen und damit auch unter die hier verwendete Definition des Begriffs Aktuator fallen.In addition, it is also conceivable to build the array of actuators of the actuator device from different types of actuators, for example one part from shape or length changing, i.e. actuating, actuators and the other part from sensitive, i.e. measuring, actuators. These two types of actuators could, for example, be evenly distributed within the array so that when an element is placed or attached to the cover plate, the sensitive actuators detect pressure differences due to an uneven support, i.e. surface, of the element and based on this information either the actuating actuators are deflected so that the cover plate adapts to the unevenness of the element - i.e. the detected pressure differences are compensated by the unevenness of the resting element - or that corrective deflections of the actuating actuators are initiated based on this in order to compensate for the detected unevenness of the resting element itself. Of course, for the example outlined here, instead of the two actuator types, i.e. actuating and measuring, actuators can also be used that combine both properties at the same time and thus also fall under the definition of the term actuator used here.

Neben den zuvor beschriebenen, möglichen Anwendungen der Aktuatorvorrichtung als Mittel zur Positionierung, dem Ausgleich von lokalen Unebenheiten, der lokalen Verformung eines auf der Deckplatte befindlichen Elements oder als hochauflösender Drucksensor sind auch noch weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar: So kann die Aktuatorvorrichtung beispielweise auch zur Generierung eines präzisen, sehr lokalen haptischen Feedbacks verwendet werden. Wird auf die Deckplatte beispielweise ein berührungsempfindliches Display angebracht, so könnte die Aktuatorvorrichtung dazu verwendet werden, dem Berührenden passend zum Inhalt des Displays und dem Ort der Berührung ein haptisches Feedback zu vermitteln. Dieses könnte beispielweise durch Ausbildung der Aktuatoren der Aktuatorvorrichtung als Piezoaktuatoren geschehen, welche durch geeignete Ansteuerung in Schwingung versetzt werden und damit dem Anwender ein räumlich klar begrenztes und spürbares Vibrationsfeedback geben. Ebenso könnten auch auf dem Display abgebildete, möglicherweise sogar dreidimensional veranschaulichte Inhalte wie z.B. Topografien, Strukturen oder visuelle Bedienelemente durch eine hochauflösende Aktuatorvorrichtung, d.h. durch eine Aktuatorvorrichtung mit hinreichend großer Aktuatordichte im Array und hinreichend kleiner Baugröße der verwendeten Aktuatoren, beim Darüberstreichen bzw. Berühren auch sehr präzise haptisch fühlbar gemacht werden. Dies könnte beispielsweise auch zur Erleichterung der Bedienung von Geräten für sehbehinderte Menschen eingesetzt werden.In addition to the previously described possible applications of the actuator device as a means of positioning, compensating for local unevenness, locally deforming an element on the cover plate or as a high-resolution pressure sensor, other possible applications are also conceivable: For example, the actuator device can also be used to generate precise, very local haptic feedback. If, for example, a touch-sensitive display is attached to the cover plate, the actuator device could be used to provide the person touching it with haptic feedback that matches the content of the display and the location of the touch. This could be done, for example, by designing the actuators of the actuator device as piezo actuators, which are set into vibration by suitable control and thus give the user spatially clearly defined and noticeable vibration feedback. Likewise, content shown on the display, possibly even illustrated in three dimensions, such as topographies, structures or visual control elements, could also be made very precisely haptic when swiping or touching using a high-resolution actuator device, i.e. an actuator device with a sufficiently high actuator density in the array and a sufficiently small size of the actuators used. This could also be used, for example, to make it easier for visually impaired people to operate devices.

Ein weiterer, denkbarer Anwendungsbereich ist die Möglichkeit zur Positionierung bzw. Translation von Objekten auf der Deckplatte der Aktuatorvorrichtung mittels akustischen Oberflächenwellen. So können durch passende Ansteuerung der im Array angeordneten Aktuatoren gerichtete, über die Deckplatte laufende Oberflächenwellen erzeugt werden, die bei ausreichender Frequenz eine gleichgerichtete Translation des auf der Deckplatte befindlichen Objekts bewirken. Insbesondere wäre beispielweise vorstellbar, eine Aktuatorvorrichtung zur gezielten Reinigung, d.h. der Entfernung von Verunreinigungen, auf sensiblen Oberflächen wie z.B. optischen Elementen, Sensoren, Spiegeln oder Wafern einzusetzen, indem das zu reinigende Objekt an der Deckplatte angebracht wird.Another conceivable area of application is the possibility of positioning or translating objects on the cover plate of the actuator device using acoustic surface waves. By appropriately controlling the actuators arranged in the array, directed surface waves can be generated that run across the cover plate and, if the frequency is sufficient, cause the object on the cover plate to be translated in the same direction. In particular, it would be conceivable, for example, to use an actuator device for targeted cleaning, i.e. the removal of contaminants, on sensitive surfaces such as optical elements, sensors, mirrors or wafers by attaching the object to be cleaned to the cover plate.

Es kann ferner vorteilhaft sein, wenn die Trägerplatte und die Deckplatte aus elektrisch nichtleitendem Material gebildet sind, um eine ausreichende Isolation der Leiterbahnen der Aktuatorvorrichtung gegeneinander zu gewährleisten. Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn zwischen der Trägerplatte und etwaigen weiteren, an der Trägerplatte angeordneten Aktuatoren eine oder mehrere Isolationsschichten bzw. -platten eingefügt werden, um ggf. eine bessere elektrische Isolation dieser Bauteile untereinander zu erreichen.It can also be advantageous if the carrier plate and the cover plate are made of electrically non-conductive material in order to ensure sufficient insulation of the conductor tracks of the actuator device from one another. It can also be advantageous if a conductor track is provided between the carrier plate and any other conductor tracks arranged on the carrier plate. One or more insulation layers or plates can be inserted into the actuators in order to achieve better electrical insulation between these components.

Ferner sei explizit darauf hingewiesen, dass in der erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung nicht alle Plätze des m × n dimensionalen Arrays mit Aktuatoren besetzt sein müssen, sondern auch gezielt Plätze unbesetzt bleiben können. So kann es beispielweise in bestimmten Fällen vorteilhaft sein, wenn die im Array angeordneten Aktuatoren der Aktuatorvorrichtung das Array nicht vollständig auffüllen um eine Rechteckform zu bilden, sondern im Wesentlichen eine Kreisform bilden, d.h. gezielt Arrayplätze unbesetzt bleiben, oder aber beispielweise gezielt und gleichmäßig verteilt Plätze unbesetzt bleiben, um an diesen Stellen beispielweise weitere oder größere Durchbrüche oder Ausnehmungen zu ermöglichen oder dort andere Komponenten wie Sensoren, Stützelemente o.ä. zu positionieren.Furthermore, it should be explicitly pointed out that in the actuator device according to the invention, not all places in the m × n dimensional array have to be occupied by actuators, but rather places can also be left unoccupied in a targeted manner. For example, in certain cases it can be advantageous if the actuators of the actuator device arranged in the array do not completely fill the array to form a rectangular shape, but essentially form a circular shape, i.e. specific array places remain unoccupied, or for example specific and evenly distributed places remain unoccupied in order to enable further or larger openings or recesses at these points, for example, or to position other components such as sensors, support elements or the like there.

Ebenso müssen auch etwaige Durchbrüche oder Ausnehmungen nicht über die gesamte Aktuatorvorrichtung gleichmäßig oder regelmäßig verteilt sein bzw. sich über die gesamte Deckplatte erstrecken, sondern können sich auch nur in einem bestimmten Bereich der Aktuatorvorrichtung befinden. Dies kann beispielweise dann von Vorteil sein, wenn mittels in der Aktuatorvorrichtung angeordneter Durchbrüche oder Ausnehmungen ein kreisförmiges Objekt wie beispielsweise ein Wafer mithilfe von Unterdruck gehaltert und durch die Aktuatoren verformt oder ausgerichtet werden soll. In diesem Fall ist es sinnvoll, wenn sich die Durchbrüche oder Ausnehmungen auf der Deckplatte nur über den von dem zu halternden bzw. auszurichtenden Element überdeckten Bereich erstrecken, um eine korrekte Halterung durch Unterdruck zu gewährleisten.Likewise, any openings or recesses do not have to be evenly or regularly distributed over the entire actuator device or extend over the entire cover plate, but can also be located in just a specific area of the actuator device. This can be advantageous, for example, if a circular object such as a wafer is to be held using negative pressure by means of openings or recesses arranged in the actuator device and deformed or aligned by the actuators. In this case, it is useful if the openings or recesses on the cover plate only extend over the area covered by the element to be held or aligned in order to ensure correct holding by negative pressure.

Weiterhin sei erwähnt, dass die in der Erfindung als Platten bezeichnete Träger- und Deckplatte nicht zwangsläufig eben sein müssen. So sind beispielsweise auch gewölbte Formen oder weitere Oberflächentopografien denkbar, z.B. um die Aktuatorvorrichtung an ein zu verformendes Objekt anzupassen bzw. unmittelbar daran anzuordnen, solange dies nicht zu einer Berührung bzw. ungewollten Kontaktierung zwischen Aktuatoren oder Leiterbahnen führt.It should also be mentioned that the carrier and cover plates referred to as plates in the invention do not necessarily have to be flat. For example, curved shapes or other surface topographies are also conceivable, e.g. in order to adapt the actuator device to an object to be deformed or to arrange it directly on it, as long as this does not lead to contact or unwanted contact between actuators or conductor tracks.

Ebenso ist es denkbar, dass die im Array angeordneten Aktuatoren entlang einer oder beider Arraydimensionen m und n variierende Grundmaße und/oder variierende Beabstandungen bzw. Zwischenräume aufweisen.It is also conceivable that the actuators arranged in the array have varying basic dimensions and/or varying spacings or gaps along one or both array dimensions m and n.

Ferner können die im Array angeordneten Aktuatoren durch 3D-DruckVerfahren hergestellt sein oder unmittelbar auf die Träger- bzw. Deckplatte gedruckt sein, was beispielsweise eine sehr spezifische Anpassung der Aktuatorgeometrien und -formen an die Erfordernisse der jeweiligen Anwendung ermöglicht.Furthermore, the actuators arranged in the array can be manufactured using 3D printing processes or printed directly onto the carrier or cover plate, which enables, for example, a very specific adaptation of the actuator geometries and shapes to the requirements of the respective application.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: AktuatorvorrichtungActuator device
22: AktuatorActuator
33: TrägerplatteCarrier plate
44: DeckplatteCover plate
55: LeiterbahnConductor track
66: m × n-dimensionales Arraym × n-dimensional array
77: OberflächenstrukturierungSurface structuring
88th: AktuatorActuator
8.18.1: ScheraktuatorShear actuator
99: erster überstehender Abschnitt (der Trägerplatte 3)first protruding section (of the carrier plate 3)
1010: zweiter überstehender Abschnitt (der Trägerplatte 3)second protruding section (of the carrier plate 3)
1111: AdaptervorrichtungAdapter device
1212: Plateauabschnitt der AdaptervorrichtungPlateau section of the adapter device
1313: Zwischenräume zwischen im Array angeordneten AktuatorenSpaces between actuators arranged in the array
1414: Durchbruchbreakthrough

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA accepts no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7091650 B2 [0002]
EP 3365926 B1 [0059]

Claims

Actuator device (1), comprising actuators (2), a carrier plate (3), a cover plate (4), and conductor tracks (5) for electrically contacting the actuators, wherein at least some of the actuators are arranged along a first and a second dimension of an m × n-dimensional array (6) between the carrier plate and the cover plate, electrically insulated from one another, and a total of m + n conductor tracks are arranged on the carrier plate and the cover plate such that m conductor tracks located on the carrier plate each electrically connect the actuators arranged in the array along the first dimension of the array, and n conductor tracks located on the cover plate each electrically connect the actuators arranged in the array along the second dimension of the array.

Actuator device (1) according to Claim 1 , characterized in that the cover plate (4) or the carrier plate (3) has a regular surface structuring (7).

Actuator device (1) according to Claim 2 , characterized in that the surface structuring (7) has a grid-shaped structure similar to the symmetry of the array (6).

Actuator device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one further actuator (8) is arranged on the carrier plate (3).

Actuator device (1) according to Claim 4 , characterized in that the at least one further actuator (8) is designed in a planar manner.

Actuator device (1) according to Claim 5 , characterized in that the at least one further planar actuator is formed by a shear actuator (8.1).

Actuator device (1) according to Claim 6 , characterized in that two shear actuators (8.1) are arranged in a stacked manner on the carrier plate (3), wherein the shear actuators are designed or arranged such that when activated the shearing takes place in different spatial directions.

Actuator device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the actuators (2) is formed by a piezo actuator.

Actuator device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier plate (3) or the cover plate (4) are made of the same material as the actuators (2).

Actuator device (1) according to Claim 9 , characterized in that the actuators (2) and the carrier plate (3) or the cover plate (4) are made of piezoceramic material.

Actuator device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least a part of the conductor tracks (5) is produced by a vapor deposition process or coating process or printing process or implantation process.

Actuator device (1) according to one of the preceding Claims 1 until 10 , characterized in that at least part of the conductor tracks (5) is produced by metallization and subsequent structuring.

Actuator device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier plate (3) has a first section (9) which projects relative to the cover plate (4) and onto which the conductor tracks (5) arranged on the carrier plate (3) are led out, and a second section (10) which projects relative to the cover plate (4) and onto which the conductor tracks (5) arranged on the cover plate (4) are led out.

Actuator device (1) according to Claim 13 , characterized in that the conductor tracks (5) arranged on the cover plate (4) are led out to the second projecting section (10) of the carrier plate (3) via at least one adapter device (11), wherein the adapter device comprises at least one plateau section (12) which in its height essentially corresponds to the distance between the carrier plate (3) and the cover plate (4) and which is at least partially overlapped with the cover plate (4).

Actuator device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that gaps (13) between actuators (2) arranged in the array (6) are filled with a non-conductive material.

Actuator device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the array (2) is hermetically sealed by non-conductive material.

Actuator device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator device (1) has an opening (14) or a recess in the region a gap (13) between actuators (2) arranged in the array (6).