EP4639122A1 - Elektromechanisches wandlerelement - Google Patents

Elektromechanisches wandlerelement

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Publication number
EP4639122A1
EP4639122A1 EP24703769.0A EP24703769A EP4639122A1 EP 4639122 A1 EP4639122 A1 EP 4639122A1 EP 24703769 A EP24703769 A EP 24703769A EP 4639122 A1 EP4639122 A1 EP 4639122A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode layer
conductor layer
transducer element
electromechanical transducer
electret structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24703769.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Omar Ben Dali
Romol Chadda
Mario Kupnik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Darmstadt
Original Assignee
Technische Universitaet Darmstadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Darmstadt filed Critical Technische Universitaet Darmstadt
Publication of EP4639122A1 publication Critical patent/EP4639122A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material

Definitions

  • the invention relates to an electromechanical transducer element with a first electrode layer made of an electrically conductive material, with a second electrode layer made of an electrically conductive material arranged at a distance therefrom, wherein the first and second electrode layers each have an electrically conductive electrode layer contact which can be connected to one another via a first measuring device.
  • Electromechanical transducers can be used advantageously in many different areas of application. Electromechanical transducers can be used as force or displacement sensors and can record measured values with varying degrees of sensitivity depending on the materials used and the structural design. On the other hand, electromechanical transducers can also be used as actuators and, depending on the design, can generate forces or movements with high dynamics.
  • Electromechanical converter elements can be adapted to the respective application in terms of many properties depending on the respective requirements and are accordingly used in numerous different application areas.
  • Strain gauges that are suitably applied to a deforming body can be used to record forces or pressures acting on the deforming body. Strain gauges are therefore suitable for recording static pressures.
  • a capacitive sensor can be used to easily record a displacement or deformation of two electrodes arranged at a distance from one another relative to one another. Capacitive sensors are therefore also suitable for recording dynamic pressure changes.
  • Various electromechanical transducer elements are also known from practice with which both static pressure and dynamic pressure changes can be recorded.
  • a suitable composite material which contains a sufficient number of electrical particles embedded in a polymer material and has been made electrically conductive can be contacted at two areas arranged at a distance from one another.
  • the application of force changes the structure of the composite material, causing a change in the conductivity of the composite material, which brings about a change in the electrical resistance.
  • the deformation of the piezoelectric particles within the composite material simultaneously causes a change in voltage.
  • piezoresistive layer In other electromechanical transducer elements, different layers of a piezoresistive material and a piezoelectric material are arranged between electrode layers. If the piezoresistive layer is deformed or displaced relative to the associated electrode layers, the electrical resistance of the piezoresistive layer changes, which can be used to detect a static pressure that causes this deformation or relative displacement. With the help of the piezoelectric layer, on the other hand, pressure changes can be detected.
  • an amount of charge predetermined by the electret structure is arranged between the first and second electrode layers and, due to the properties of the electret structure, a quasi-permanent electric field is generated in its surroundings. Any deformation of the electret structure leads to a change in the electric field acting on the first and second electrode layers, as a result of which the amounts of charge held or accumulating on the first electrode layer and on the second electrode layer change.
  • This change in the amounts of charge or a change in the ratio of the amounts of charge in the first and second electrode layers to one another can be recorded using a suitable measuring device in such a way that, based on the recorded change in the amounts of charge or the ratio of the charge quantities on the first and second electrode layers, conclusions can be drawn about the deformation of the electret structure which caused the detected change.
  • a displacement of the electret structure relative to at least one electrode layer also leads to a change in the amount of charge held or accumulating on the relevant electrode layer, which can be detected with the measuring device and also enables conclusions to be drawn about the relative displacement of the at least one electrode layer to one another.
  • an electrical capacitance of the electromechanical transducer element or between two components of the electromechanical transducer element is detected. and can be used, for example, to determine a deformation that changes the electrical capacitance and a force that causes this deformation.
  • an electrical potential difference between two components, such as between the first and the second electrode layer can also be detected and used to determine a deformation or a state of the electromechanical transducer element.
  • the electret structure is made from an electret material, which is an electrically insulating material that contains quasi-permanently stored electrical charges or quasi-permanently aligned electrical dipoles and thus generates a quasi-permanent electrical field in its surroundings or in its interior.
  • the use of the electret structure generates the electrical field required to detect dynamic pressure changes, which is responsible for the change in the amount of charge when the electret structure and the two electrode layers are deformed or displaced relative to one another.
  • An external energy supply or the external generation of an electrical potential difference or an electrical field is not necessary, so the electromechanical transducer element can be used very energy-efficiently to detect dynamic pressure changes.
  • the change in the charge quantities on the first or second electrode layer caused by a deformation or a displacement of the electret structure can be detected, for example, with a suitable charge amplifier and converted into a processable and evaluable voltage signal.
  • the measuring device can also be designed as a voltage measuring device and contacted in a suitable manner with the first electrode layer and the second electrode layer.
  • the electret structure and/or at least one electrode layer are connected and mounted to a housing or to a frame of the electromechanical transducer element via a suitably designed spring device.
  • the electret structure or an electrode layer are considered rigid if, when a force is applied to the electret structure or the electrode layer as intended, no deformation of the electret structure or an electrode layer is caused which affects the measured values recorded by the measuring device.
  • the first conductor layer By arranging the electret structure between the first and second electrode layers, dynamic changes in a force acting on the electromechanical transducer element can be detected.
  • the first conductor layer the deformation of which causes a change in the electrical conductivity of this first conductor layer, which can be detected via the contact between the first and second conductor layers arranged relative to one another, on the other hand enables the detection of a static force acting on the first conductor layer and thus on the electromechanical transducer element in a particularly advantageous manner.
  • the electromechanical transducer element according to the invention it is possible with the electromechanical transducer element according to the invention to precisely detect both static and highly dynamic force effects, or pressures and pressure changes, and to supply them with a suitable evaluation.
  • suitable materials and manufacturing processes are known for the conductor layer, which enable cost-effective production of an electromechanical transducer element according to the invention in large quantities.
  • the electret structure can be a layer made of such a suitable electret material.
  • the individual layers of the electromechanical transducer element can then be arranged one above the other and, if appropriate, formed in surface contact with one another with adjacent layers of the electromechanical transducer element.
  • Such an electromechanical transducer element can, for example, be printed with the aid of suitable printing devices onto a surface of a component or a product in which static and dynamic forces acting on the component or product are to be recorded.
  • the electrically conductive electrode layer contacts and conductor layer contacts can also be printed on.
  • Each electrode layer or conductor layer can be designed as a flat layered structure and completely fill or cover an area within a peripheral edge delimiting the flat layered structure.
  • Each electrode layer or conductor layer can also have a two-dimensional or three-dimensional structure, wherein the three-dimensional structure is either only designed on one side and opposite a flat outer side, or is designed on both sides.
  • the three-dimensional structuring can be produced by a partially changing thickness of the electrode layer or the conductor layer, or with a constant thickness by a curvature of the electrode layer or conductor layer extending parallel to the electret structure.
  • the first electrode layer is designed as a first conductor layer.
  • a corresponding variant of the electromechanical transducer element has a first electrode layer designed as a conductor layer and a second electrode layer arranged at a distance therefrom, between which the electret structure is arranged, which is also designed as a further layer made of an electret material. If the first electrode layer designed as a conductor layer is deformed, this changes the electrical conductivity of this first conductor layer, which can be detected, for example, via a change in a voltage drop between the first conductor layer contact and the second conductor layer contact.
  • the electromechanical transducer element may have a second conductor layer made of an electrically conductive material with a first electrically conductive conductor layer contact and with a second electrically conductive conductor layer contact, the second conductor layer being designed such that deformation of the second conductor layer causes a change in the electrical conductivity between the first electrical conductor layer contact and the second electrical conductor layer contact of the second conductor layer.
  • the second conductor layer can either be an additional, separately manufactured second conductor layer arranged in addition to the second electrode layer, or it can be a corresponding design of the second electrode layer.
  • the second conductor layer can be used to detect a force acting on the second conductor layer independently of the first conductor layer, and in particular to advantageously measure a static force acting on the second conductor layer using an associated measuring device.
  • the electromechanical transducer element it can be provided that an external force is applied to the first conductor layer and the second conductor layer in a substantially identical manner. In this case, the changes in the electrical conductivity of the conductor layer and the second conductor layer detected should be recorded. Conductor layer match, so that based on the two measured values, a particularly precise evaluation of the force acting on the electromechanical transducer element is possible.
  • the first conductor layer and the second conductor layer either have a different deformability or are mounted differently relative to the electret structure and/or the other conductor layer in order to advantageously influence the accuracy and, if necessary, a measuring range of the electromechanical transducer element.
  • the first conductor layer and the second conductor layer can also be made of different materials.
  • electromechanical transducer element it can also be provided by a different structural design of the electromechanical transducer element that an external force should have a different effect on the first conductor layer and on the second conductor layer and that this different effect on the first conductor layer and on the second conductor layer can be detected separately.
  • the first electrode layer is arranged on a first surface of the electret structure, and that when a predetermined force is applied, a deformation of the electret structure with the first electrode layer arranged on the first surface is brought about.
  • the second electrode layer is arranged on a second surface of the electret structure opposite the first surface of the electret structure, and that when a predetermined force is applied, a deformation of the electret structure with the second electrode layer arranged on the second surface is caused.
  • the respective deformability of the electret structure and of a first and/or second electrode layer arranged directly on a surface of the electret structure can be influenced and predetermined by a suitable choice of material and appropriate dimensioning, for example of the layer thickness of the individual layers.
  • a suitable choice of material and appropriate dimensioning for example of the layer thickness of the individual layers.
  • the first electrode layer and/or the second electrode layer is arranged at a distance from the electret structure, so that when a force is applied as intended, a displacement of the first and/or second electrode layer arranged at a distance from the electret structure is caused relative to the electret structure.
  • Such an embodiment makes it possible to design the electret structure and/or one or both electrode layers as rigid layers or rigid structures. Such a structural design can be advantageous in various areas of application.
  • the first and/or second electrode layer arranged at a distance from the electret structure is arranged against a Spring force is mounted so as to be displaceable relative to the electret structure.
  • the first and/or second electrode layer arranged at a distance from the electret structure is operatively connected to the electret structure via a spring device.
  • the measuring range and the sensitivity of the electromechanical transducer element are less dependent on the material and the dimensions of the electret structure and the individual electrode layer or conductor layers, but can be specified over a wide range by means of a suitable design of the spring device and the spring forces or restoring forces generated thereby.
  • the spring device can be designed to be manually or automatically adjustable so that the restoring forces generated by the spring device can change and the electromechanical transducer element can be adapted to different areas of application or to different measuring ranges and sensitivities.
  • the first and/or second electrode layer arranged at a distance from the electret structure and/or the electret structure is connected to a support structure of the electromechanical transducer element via a spring device.
  • the support structure can be, for example, a housing or a frame.
  • a support structure makes it possible to equip the electromechanical transducer element with a spring device without the spring device having to be supported on an external component or on an external object, which usually has to be done separately or during assembly of the electromechanical transducer element at the intended location.
  • the support structure allows the spring device to be arranged and set up during manufacture of the electromechanical transducer element independently of the subsequent use of the electromechanical transducer element.
  • the first conductor layer and/or optionally the second conductor layer consists of a piezoresistive material.
  • piezoresistive materials which are often manufactured as semiconductor materials, a deformation usually leads to a much greater change in resistance than in the case of metals, which is why a high sensitivity and an advantageously high signal-to-noise ratio can be achieved with piezoresistive materials.
  • the electromechanical transducer element has a first electret structure and a second electret structure arranged at a distance therefrom, both of which are arranged between the first electrode layer and the second electrode layer.
  • Air or another electrically conductive or non-conductive spacer structure can be arranged.
  • the spacer structure can be deformable or compressible, so that the distance between the two electret structures is changed by the application of pressure.
  • a conductor layer with a first electrical conductor layer contact and with a second conductor layer contact is arranged between the two electret structures.
  • two conductor layers are arranged between the first electret structure and the second electret structure, electrically insulated from one another.
  • the two conductor layers are expediently arranged electrically insulated relative to one another.
  • air or another electrically non-conductive spacer structure can be arranged between the two conductor layers.
  • the two conductor layers can also be arranged on mutually facing outer sides of the two electret structures in such a way that the two conductor layers run laterally next to one another when the two electret structures come into contact and no electrically conductive connection can arise between the two conductor layers when the electromechanical transducer element is used as intended.
  • the two electret structures are expediently made of a deformable electret material, so that when a force is applied to the electromechanical transducer element as intended, at least one electret structure and, as a result, the conductor layer arranged on the relevant electret structure is deformed, so that this deformation is transmitted via the caused change in resistance in the conductor layer can be detected.
  • the electromechanical transducer element can also be used as an actuator or for generating heat, for example by applying a variable electrical voltage between the two electrode layers or by generating a current flow through at least one conductor layer, which causes the conductor layer to heat up depending on the respective electrical resistance of the conductor layer.
  • the invention therefore also relates to an actuator or a sensor, each of which has an electromechanical transducer element with the features or combinations of features described above.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an electromechanical transducer element with an electret structure, with a first electrode layer and with a second electrode layer which is designed and contacted as a conductor layer,
  • FIG. 2 shows a different design of the electromechanical transducer element, in which both Electrode layers are each designed as a conductor layer and contacted,
  • Figure 3 shows a modified embodiment of the electromechanical transducer element, wherein the electrode layer designed as a conductor layer is arranged at a distance from the electret structure via a spring device,
  • Figure 4 shows a modified embodiment of the electromechanical transducer element, wherein in addition to the first electrode layer and a conductor layer, which are arranged on opposite outer sides of the electret structure, a second electrode layer is mounted at a distance therefrom via a spring device,
  • Figure 5 shows a modified embodiment of the electromechanical transducer element, wherein, in contrast to the variant shown in Figure 4, it is not the second electrode layer but the electret structure with the first electrode layer and the conductor layer arranged thereon that is arranged to be displaceable relative to the second electrode layer via a spring device,
  • Figure 6 shows a modified embodiment of the electromechanical transducer element, wherein two electret structures are arranged at a distance from one another and an electrode layer and a conductor layer are arranged on each electret structure, and wherein one electret structure can be displaced relative to the other electret structure via a spring device
  • Figure 7 shows a modified embodiment of the electromechanical transducer element similar to the variant shown in Figure 6, wherein both electret structures are each mounted so as to be displaceable relative to one another via a spring device
  • Figure 8 shows a modified embodiment of the electromechanical converter element similar to the variant shown in Figure 1, wherein a voltage measuring device is used instead of a charge measuring device,
  • Figure 9 shows a modified embodiment of the electromechanical converter element similar to the variant shown in Figure 5, wherein a voltage measuring device is used instead of a charge measuring device, and
  • Figure 10 shows a modified embodiment of the electromechanical transducer element similar to the variant shown in Figure 7, wherein a voltage measuring device is used instead of a charge measuring device.
  • FIG. 1 a first embodiment of an electromechanical transducer element 1 designed according to the invention is shown schematically.
  • the electromechanical transducer element 1 has a layered electret structure 2 made of an electrically insulating electret material, which contains quasi-permanent electrical charges and thereby generates a quasi-permanent electrical field in the vicinity of the electret structure 2.
  • the electret structure 2 is, when the electromechanical transducer element 1 is used as intended, Transducer element 1 is deformable and can be both curved and compressed.
  • a first electrode layer 4 is arranged in direct contact on a first surface 3 of the electret structure 2, which covers the electret structure 2 over its entire surface but does not completely overlap at the sides.
  • the first electrode layer 4 can be essentially flat or can have a two-dimensional or three-dimensional structure.
  • a second electrode layer 6 is arranged in direct contact on an opposite second surface 5 of the electret structure 2, which also covers the electret structure 2 over its entire surface but does not completely overlap at the sides.
  • the first electrode layer 4 and the second electrode layer 6 are each made from an electrically conductive material, the electret structure 2 forming electrical insulation between the two electrode layers 4, 6 and preventing direct electrically conductive contact between the two electrode layers 4, 6.
  • the first electrode layer 4 has a first electrically conductive electrode layer contact 7
  • the second electrode layer 6 has a second electrically conductive electrode layer contact 8
  • the first and the second electrically conductive electrode layer contacts 7 , 8 are connected to one another via a first measuring device 9 .
  • the first measuring device 9 has, for example, a suitable charge amplifier with which any change in the charges on the first electrode layer 4 and the second Electrode layer 6 can be detected and converted into an evaluable voltage signal.
  • a change in the charges can be caused by a deformation of the electret structure 2 or at least one of the two electrode layers 4, 6 or by a relative displacement of the electret structure 2 and at least one of the two electrode layers 4, 6, so that the electromechanical transducer element 1 can be used to detect forces that act on the electromechanical transducer element 1 and cause the relevant deformations or displacements.
  • the first measuring device 9 can be used particularly advantageously to detect dynamic forces or pressure changes that act on the electromechanical transducer element 1.
  • the first electrode layer 4 is designed as a first conductor layer 10 made of an electrically conductive material and has a first electrically conductive conductor layer contact 11 and a second electrically conductive conductor layer contact 12, which contact the first conductor layer 10 at a distance from one another.
  • the first conductor layer 10 is designed such that a deformation of the first conductor layer 10 causes a change in the electrical conductivity between the first electrical conductor layer contact 11 and the second electrical conductor layer contact 12 of the first conductor layer 10.
  • the first electrical conductor layer contact 11 and the second electrical conductor layer contact 12 are connected to a second measuring device 13, with which, for example, an electrical resistance between the first and second electrical conductor layer contacts 11, 12 is recorded and converted into an electrical measuring signal. In this way, the second measuring device 13 can be used particularly advantageously to detect a deformation of the first conductor layer 10 and thus static force or pressure effects on the electromechanical transducer element 1.
  • first electrode layer 4 as the first conductor layer 10 enables a particularly simple, space-saving and cost-effective construction of the electromechanical transducer element 1.
  • first electrode layer 4, the electret structure 2 and the second electrode layer 6 can be applied as a layer sequence to a surface of an object in which forces or pressures are to be recorded that act on the object and on the electromechanical transducer element 1 arranged on the surface of the object.
  • the individual layers can be printed on inexpensively with a suitable choice of material, so that an economically viable use of the electromechanical transducer element 1 according to the invention in large quantities and numerous areas of application is possible.
  • FIG. 2 shows an example of another variant of the electromechanical transducer element 1.
  • the second electrode layer 6 is designed as a second conductor layer 14 and has a first electrical conductor layer contact 15 and, spaced therefrom, a second electrical conductor layer contact 16.
  • the first and second electrical conductor layer contacts 15, 16 are also connected to one another via a third measuring device 17, with which an electrical resistance between the first and second electrical conductor layer contacts 15, 16 of the second conductor layer 14 can be detected.
  • the first conductor layer 10 and the second conductor layer 14 or the second and third measuring devices 13, 17 can be evaluated in such a way that either both measuring devices 13, 17 should generate a matching measurement signal and the precision of the measurement can be improved by simultaneously recording the deformation of the first and second conductor layers 10, 14, which is assumed to be similar, or different deformations of the first and second conductor layers 10, 14 are expected and a difference in the measurement signals of the second and third measuring devices 13, 17 can be recorded and evaluated, whereby the sensitivity of the electromechanical transducer element 1 can be increased.
  • the first electrode layer 4 is arranged at a distance from the electret structure 2 and is displaceable via a spring device 18 on a not shown Support device 19.
  • the first electrode layer 4 is simultaneously designed as a first conductor layer 10 and is electrically contacted or connected to a first measuring device 9 and to a second measuring device 13.
  • the mechanical properties of the electromechanical transducer element 1 are essentially predetermined by the mechanical properties of the electret structure 2 and the first and second electrode layers 4, 6 or of an object on which the electromechanical transducer element 1 is arranged during its use.
  • a displacement of the first electrode layer 4 relative to the electret structure 2 in the embodiment shown in Figure 3 can be influenced or predetermined via the spring properties of the spring device 18 and via the support device 19.
  • both a sensitivity and a measuring range of the electromechanical transducer element 1 can be influenced and specified via the spring device 18 and the support device 19 in addition to the respective choice of material and structural design of the electret structure 2 and the two electrode layers 4, 6.
  • Figure 5 shows a modified variant of the electromechanical transducer element 1, which is designed similarly to the variant shown in Figure 4.
  • the electret structure 2 with the first conductor layer 10 and the second electrode layer 6 arranged thereon is not fixed in place to an object or to the support device 19, but is mounted via the spring device 18 and the support device 19 so as to be displaceable relative to the first electrode layer 4 fixed in place to an object or to the support device 19.
  • the two embodiments shown in Figure 6 and Figure 7 each show the electromechanical transducer element 1 with two electret structures 2 arranged at a distance from one another.
  • the first electrode layer 4 is arranged on the first surface 3, which simultaneously serves as the first conductor layer 10 and has electrically conductive conductor layer contacts 11, 12 arranged at a distance from one another.
  • the second electrode layer 6 is arranged on the opposite second surface 5.
  • the two electret structures 2 are arranged relative to one another in such a way that arranged and aligned such that the two conductor layers 10 face each other and are arranged at a distance from each other.
  • one of the two electret structures 2 is fixed in place on an object or on a support device 19 (not shown in detail), while the other electret structure 2 is mounted so that it can be displaced relative to the first-mentioned electret structure 2 via the spring device 18 and the support device 19.
  • both electret structures 2 are mounted so that they can be displaced relative to one another via a spring device 18 and the support device 19.
  • Figures 8 and 10 each show variants that differ from the embodiments in Figures 1 and 7.
  • the variants shown in Figures 8 and 10 differ essentially in a different design of the first measuring device 9, which does not have a charge amplifier, but rather has a voltage measuring device with which a change in the electrical potential difference can be detected that is caused by a deformation or displacement of the electromechanical converter element 1.
  • the embodiment of the electromechanical transducer element 1 shown in Figure 9 is similar to the embodiment shown in Figure 5. However, an additional electret structure 2 is fixed to the first electrode layer 4, which is at a distance from the second electret structure 2 and the conductor layer 10 arranged thereon. is arranged.
  • the first measuring device 9 does not have a charge amplifier, but rather a voltage measuring device. If, instead of the first measuring device 9, a voltage source is connected to the first and second electrically conductive electrode layer contacts 7, 8, the electromechanical converter element 1 can be operated as an actuator and a displacement or deformation of the two electrode layers 4, 6 relative to one another can be forced. If, instead of the second or third measuring device 13, 17, a current source is used and is connected to the first and second electrically conductive conductor layer contacts 11, 12, the conductor layers 10 connected in this way to a current source can be used to generate heat.

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Abstract

Ein elektromechanisches Wandlerelement (1) weist eine erste Elektrodenschicht (4) und eine in einem Abstand dazu angeordnete zweite Elektrodenschicht (6) aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. Die erste und zweite Elektrodenschicht (4, 6) weisen jeweils eine elektrisch leitfähige Elektrodenschichtkontaktierung (7, 8) aufweisen, die über eine erste Messeinrichtung (9) miteinander verbindbar sind. Zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht (4, 6) ist ein Elektretgebilde (2) aus einem elektrisch isolierenden Elektretmaterial angeordnet, sodass sich bei einer Verformung des Elektretgebildes (2) und/oder der ersten Elektrodenschicht (4) oder bei einer Verlagerung des Elektretgebildes (2) und mindestens einer Elektrodenschicht (4, 6) relativ zueinander das Verhältnis der jeweils in der ersten und zweiten Elektrodenschicht (4, 6) befindlichen Ladungsmengen zueinander verändert. Das elektromechanische Wandlerelement (1) weist mindestens eine Leiterschicht (10) aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer ersten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung (11) und mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung (12) auf, wobei eine Verformung der ersten Leiterschicht (10) eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen der ersten elektrischen Leiterschichtkontaktierung (11) und der zweiten elektrischen Leiterschichtkontaktierung (12) der ersten Leiterschicht (10) bewirkt.

Description

Elektromechanisches Wandlerelement
Die Erfindung betri f ft ein elektromechanisches Wandlerelement mit einer ersten Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material , mit einer in einem Abstand dazu angeordneten zweiten Elektrodenschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material , wobei die erste und zweite Elektrodenschicht j eweils eine elektrisch leitfähige Elektrodenschichtkontaktierung aufweisen, die über eine erste Messeinrichtung miteinander verbindbar sind .
Elektromechanische Wandler können in vielen unterschiedlichen Anwendungsbereichen vorteilhaft eingesetzt werden . Dabei können elektromechanische Wandler einerseits als Kraft- oder als Wegsensor eingesetzt werden und in Abhängigkeit von den j eweils verwendeten Materialien und konstruktiven Ausgestaltungen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit Messwerte erfassen . Andererseits können elektromechanische Wandler auch als Aktoren eingesetzt werden und j e nach Ausgestaltung Kräfte oder Bewegungen mit hoher Dynamik generieren .
Aus der Praxis sind zahlreiche unterschiedliche Wandlerprinzipien bekannt . Elektromechanische Wandlerelemente können in Abhängigkeit von den j eweiligen Anforderungen hinsichtlich vieler Eigenschaften an den j eweiligen Verwendungs zweck angepasst werden, und werden dementsprechend in zahlreichen unterschiedlichen Anwendungsbereichen eingesetzt .
Ein Anwendungsbeispiel für elektromechanische Wandlerelemente sind beispielsweise Drucksensoren . Drucksensoren mit einer hohen Empfindlichkeit sowie einem hohen Messbereich können beispielsweise vorteilhaft für die Zustandsüberwachung im Prozess- und Anlagenbau eingesetzt werden . Tragbare und flexible Drucksensoren können zur Überwachung menschlicher Aktivitäten und der Gesundheit verwendet werden . Aus der Praxis sind zahlreiche verschiedene Drucksensoren bekannt , die sich hinsichtlich des j eweiligen Aufbaus , aber auch durch die Empfindlichkeit und den Messbereich des j eweiligen Drucksensors unterscheiden und dabei eine sehr große Anwendungsviel falt abdecken .
Herkömmliche Drucksensoren beruhen üblicherweise auf einem einzigen Wandlerprinzip, was bei einer gleichzeitigen Erfassung von statischen Drücken und dynamischen Druckänderungen mit erheblichen konstruktiven und messtechnischen Heraus forderungen verbunden ist und oftmals große Einschränkungen mit sich bringt . Mit Dehnungsmessstrei fen, die in geeigneter Weise auf einen Verformungskörper aufgebracht sind, können Kräfte , bzw . Drücke erfasst werden, die auf den Verformungskörper einwirken . Dehnungsmessstrei fen eignen sich deshalb für die Erfassung von statischen Drücken . Mit einem kapazitiven Sensor kann in einfacher Weise eine Verlagerung oder eine Verformung von zwei beabstandet zueinander angeordneten Elektroden relativ zueinander erfasst werden . Kapazitive Sensoren eignen sich dem zufolge auch für die Erfassung von dynamischen Druckänderungen . Aus der Praxis sind auch verschiedene elektromechanische Wandlerelemente bekannt , mit denen sowohl ein statischer Druck als auch eine dynamische Druckänderung erfasst werden können . Beispielsweise kann ein geeignetes Kompositmaterial , welches eine ausreichende Anzahl elektrischer Partikel eingebettet in einem Polymermaterial enthält und elektrisch leitfähig gemacht wurde , an zwei beanstandet zueinander angeordneten Bereichen kontaktiert werden . Durch eine Krafteinwirkung ändert sich die Struktur des Kompositmaterials , wodurch eine Leitfähigkeitsänderung des Kompositmaterials verursacht wird, was eine Änderung des elektrischen Widerstands bewirkt . Durch die Verformung der piezoelektrischen Partikel innerhalb des Kompositmaterials wird gleichzeitig eine Spannungsänderung bewirkt . Allerdings ist das gleichzeitige Messen dieser beiden Größen nicht ohne weiteres möglich .
Bei anderen elektromechanischen Wandlerelementen werden verschiedene Schichten aus einem piezoresistiven Material und aus einem piezoelektrischen Material j eweils zwischen Elektrodenschichten angeordnet . Bei einer Verformung oder bei einer Verlagerung der piezoresistiven Schicht relativ zu den zugeordneten Elektrodenschichten ändert sich der elektrische Widerstand der piezoresistiven Schicht , was zur Erfassung eines statischen Drucks verwendet werden kann, der diese Verformung oder relative Verlagerung bewirkt . Mit Hil fe der piezoelektrischen Schicht können dagegen Druckänderungen erfasst werden .
Allerdings ist die Herstellung von piezoresistiven oder piezoelektrischen Materialien und insbesondere die Herstellung von geeigneten Kompositmaterialien für Drucksensoren mit einem erheblichen Aufwand verbunden und kostenintensiv . Aufgrund der Eigenschaften der piezoresistiven bzw . piezoelektrischen Materialien sind wirtschaftlich sinnvolle Anwendungsmöglichkeiten für Drucksensoren, welche diese Materialien beinhalten, vergleichsweise beschränkt .
Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein elektromechanisches Wandlerelement so aus zugestalten, dass das elektromechanische Wandlerelement in einfacher Weise und kostengünstig hergestellt und verwendet werden kann und eine gleichzeitige Erfassung von statischen Drücken und dynamischen Druckänderungen ermöglicht .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst , dass zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht ein Elektretgebilde aus einem elektrisch isolierenden Elektretmaterial angeordnet ist , sodass sich bei einer Verformung des Elektretgebildes und/oder der ersten Elektrodenschicht oder bei einer Verlagerung des Elektretgebildes und mindestens einer Elektrodenschicht relativ zueinander das Verhältnis der j eweils in der ersten und zweiten Elektrodenschicht befindlichen Ladungsmengen zueinander verändert , und wobei das elektromechanische Wandlerelement eine erste Leiterschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer ersten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung und mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung aufweist , wobei die erste Leiterschicht so ausgebildet ist , dass eine Verformung der ersten Leiterschicht eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen der ersten elektrischen Leiterschichtkontaktierung und der zweiten elektrischen Leiterschichtkontaktierung der ersten Leiterschicht bewirkt . Durch die Anordnung eines Elektretgebildes zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht wird eine durch das Elektretgebilde vorgegebene Ladungsmenge zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnet und aufgrund der Eigenschaften des Elektretgebildes ein quasi-permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung erzeugt . Jede Verformung des Elektretgebildes führt zu einer Veränderung des elektrischen Feldes , welches auf die erste und zweite Elektrodenschicht wirkt , wodurch sich die j eweils auf der ersten Elektrodenschicht und auf der zweiten Elektrodenschicht gehaltenen, bzw . ansammelnden Ladungsmengen verändern diese Veränderung der Ladungsmengen bzw . eine Veränderung des Verhältnisses der j eweils in der ersten und zweiten Elektrodenschicht befindlichen Ladungsmengen zueinander kann mit einer geeigneten Messeinrichtung so erfasst werden, dass ausgehend von der erfassten Veränderung der Ladungsmengen, bzw . des Verhältnisses der Ladungsmengen auf der ersten und zweiten Elektrodenschicht Rückschlüsse auf die Verformung des Elektretgebildes gezogen werden können, welche die erfasste Veränderung verursacht hat . In gleicher Weise führt eine Verlagerung des Elektretgebildes relativ zu mindestens einer Elektrodenschicht ebenfalls zu einer Veränderung der auf der betref fenden Elektrodenschicht gehaltenen, bzw . sich ansammelnden Ladungsmenge , was mit der Messeinrichtung erfasst werden kann und ebenfalls Rückschlüsse auf die relative Verlagerung der mindestens ein Elektrodenschicht zueinander ermöglicht . Es ist ebenfalls denkbar, dass eine elektrische Kapazität des elektromechanischen Wandlerelements oder zwischen zwei Komponenten des elektromechanischen Wandlerelements erfasst und beispielsweise für die Ermittlung einer die elektrische Kapazität verändernden Verformung und eine diese Verformung verursachende Krafteinwirkung verwendet werden kann . Weiterhin kann auch eine elektrische Potentialdi f f erenz zwischen zwei Komponenten wie beispielsweise zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht erfasst und für die Ermittlung einer Verformung oder eines Zustands des elektromechanischen Wandlerelements verwendet werden .
Das Elektretgebilde ist aus einem Elektretmaterial hergestellt , welches ein elektrisch isolierendes Material ist , das quasi-permanent gespeicherte elektrische Ladungen oder quasi-permanent ausgerichtete elektrische Dipole enthält und somit ein quasi-permanentes elektrisches Feld in seiner Umgebung oder in seinem Inneren erzeugt . Durch die Verwendung des Elektretgebildes wird das für die Erfassung der dynamischen Druckänderungen erforderliche elektrische Feld erzeugt , welches für die Veränderung der Ladungsmengen bei einer Verformung oder Verlagerung des Elektretgebildes und der beiden Elektrodenschichten relativ zueinander verantwortlich ist . Eine externe Energiezufuhr oder eine die externe Erzeugung einer elektrischen Potentialdi f f erenz oder eines elektrischen Feldes ist nicht notwendig, sodass das elektromechanische Wandlerelement sehr energieef fi zient zur Erfassung von dynamischen Druckänderungen verwendet werden kann .
Es hat sich gezeigt , dass mit dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlerelement sich dynamisch verändernde Kräfte mit deutlich geringeren Reaktions zeiten und damit mit Abstand schneller erfasst werden können als mit herkömmlichen bereits bekannten resistiven Sensoren . Ein Beispiel hierfür ist die Erkennung einer Bewegungsintention mit einem Elektretgebilde , die mit den resistiven Sensoren aufgrund der üblicherweise langsameren Reaktions zeit nicht messbar ist . Weiterhin sind die herkömmlichen resistiven Sensoren für eine dynamische Veränderung der Kräfte mit einer Frequenz über 100 Hz kaum oder nicht geeignet .
Die durch eine Verformung, bzw . eine Verlagerung des Elektretgebildes bewirkte Veränderung der Ladungsmengen auf der ersten oder zweiten Elektrodenschicht kann beispielsweise mit einem geeigneten Ladungsverstärker erfasst und in ein verarbeitbares und auswertbares Spannungssignal umgewandelt werden . In Abhängigkeit von der erwarteten Dynamik der Verformung oder Verlagerung des Elektretgebildes sowie unter Berücksichtigung der konstruktiven Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelement kann die Messeinrichtung auch als Spannungsmessgerät ausgestaltet und in geeigneter Weise mit der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht kontaktiert werden .
Das elektromechanische Wandlerelement kann wahlweise so ausgestaltet sein, dass entweder das Elektretgebilde und/oder mindestens eine Elektrodenschicht durch eine darauf einwirkende Kraft verformt werden kann und diese Verformung mit der Messeinrichtung erfasst werden kann . Es ist ebenfalls denkbar, dass das Elektretgebilde und/oder mindestens eine Elektrodenschicht starr ausgebildet sind und durch die Einwirkung einer Kraft relativ zueinander verlagert werden können . In diesem Fall können beispielsweise das Elektretgebilde und mindestens eine Elektrodenschicht über eine geeignete Federeinrichtung miteinander verbunden sein, wobei die Federeinrichtung bei einer relativen Auslenkung des Elektretgebildes mit der zugeordneten Elektrodenschicht eine Rückstellkraft erzeugt , welche das Elektretgebilde und die Elektrodenschicht in eine Ausgangsposition zurück verlagern will . Es ist ebenfalls denkbar, dass das Elektretgebilde und/oder mindestens eine Elektrodenschicht über eine geeignet ausgestaltete Federeinrichtung mit einem Gehäuse oder mit einem Rahmen des elektromechanischen Wandlerelements verbunden und gelagert sind . Das Elektretgebilde oder eine Elektrodenschicht werden als starr angesehen, wenn bei einer bestimmungsgemäßen Krafteinwirkung auf das Elektretgebilde oder auf die Elektrodenschicht keine Verformung des Elektretgebildes oder einer Elektrodenschicht bewirkt wird, die sich auf die mit der Messeinrichtung erfassten Messwerte auswirkt .
Durch die Anordnung des Elektretgebildes zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht können insbesondere dynamische Veränderungen einer auf das elektromechanische Wandlerelement einwirkenden Kraft erfasst werden . Die erste Leiterschicht , deren Verformung eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit dieser ersten Leiterschicht bewirkt , die über die beanstandete zueinander angeordnete erste und zweite Leiterschicht Kontaktierung erfasst werden kann, ermöglicht dagegen in besonders vorteilhafter Weise die Erfassung einer statischen Krafteinwirkung auf die erste Leiterschicht und damit auf das elektromechanische Wandlerelement . Durch die Kombination der beiden Wirk- und Messprinzipien ist es mit dem erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlerelement möglich, sowohl statische als auch hochdynamische Krafteinwirkungen, bzw . Drücke und Druckänderungen präzise zu erfassen und einer geeigneten Auswertung zuzuführen . Für die Herstellung einer Elektrodenschicht oder einer ersten Leiterschicht sind zahlreiche geeignete Materialien und Herstellungsverfahren bekannt , die eine kostengünstige Herstellung eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlerelements in großen Stückzahlen ermöglichen .
Aus der Praxis sind zahlreiche Elektretmaterialien bekannt , mit denen in einfacher Weise und kostengünstig ein geeignetes Elektretgebilde hergestellt werden kann . Es ist grundsätzlich möglich, dass das Elektretgebilde eine Schicht aus einem solchen geeigneten Elektretmaterial ist . Die einzelnen Schichten des elektromechanischen Wandlerelement können dann übereinander angeordnet und gegebenenfalls in einem flächigen Kontakt miteinander mit j eweils angrenzenden Schichten des elektromechanischen Wandlerelements ausgebildet sein . Ein derartiges elektromechanisches Wandlerelement kann beispielsweise mit Hil fe von geeigneten Druckeinrichtungen auf eine Oberfläche eines Bauteils oder eines Erzeugnisses aufgedruckt werden, bei welchem auf das Bauteil oder auf das Erzeugnis einwirkende statische und dynamische Kräfte erfasst werden sollen . Auch die elektrisch leitfähigen Elekt rodenschicht kontaktierungen und Leiterschichtkontaktierungen können j eweils auf gedruckt werden . Mit geeigneten Druckeinrichtungen können auf diese Weise erfindungsgemäße elektromechanische Wandlerelemente besonders kostengünstig auf nahezu j ede Oberfläche eines Bauteils oder eines Erzeugnisses aufgedruckt werden . Das zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnete Elektretgebilde bildet dabei eine elektrisch isolierende Schicht , die benötigt wird, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den beiden Elektrodenschichten zu vermeiden . Dabei können die Elektrodenschichten und/oder die erste Leiterschicht j eweils voll flächig ausgebildet sein und das Elektretgebilde j eweils teilweise oder vollständig bedecken . Insbesondere die erste Leiterschicht kann j edoch auch als ein ebenflächiges schicht förmiges Leitergebilde ausgebildet sein . Das schicht förmige Leitergebilde kann beispielsweise einen linienförmigen Verlauf in einer gegebenenfalls dreidimensional gekrümmten Schichtebene aufweisen . Das schicht förmige Leitergebilde kann auch einen gekrümmten oder mäanderf örmigen Verlauf in einer ebenflächigen oder dreidimensional gekrümmten Schichtebene aufweisen . Jede Elektrodenschicht oder Leiterschicht kann als ebenflächiges Schichtgebilde ausgebildet sein und eine Fläche innerhalb eines das ebenflächige Schichtgebilde begrenzenden Umfangsrands vollständig aus füllen bzw . bedecken . Jede Elektrodenschicht oder Leiterschicht kann auch eine zweidimensionale oder dreidimensionale Strukturierung aufweisen, wobei die dreidimensionale Strukturierung entweder nur einseitig und einer ebenflächigen Außenseite gegenüberliegend ausgebildet ist , oder aber beidseitig ausgebildet ist . Die dreidimensionale Strukturierung kann durch eine bereichsweise sich verändernde Dicke der Elektrodenschicht oder der Leiterschicht erzeugt werden, oder aber bei einer gleichbleibenden Dicke durch eine Krümmung der sich parallel zu dem Elektretgebilde erstreckenden Elektrodenschicht oder Leiterschicht .
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die erste Elektrodenschicht als erste Leiterschicht ausgebildet ist . Auf diese Weise lässt sich eine besonders einfache und kompakte Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements erreichen . Eine entsprechende Variante des elektromechanischen Wandlerelements weist eine erste , als Leiterschicht ausgebildete Elektrodenschicht und eine beanstandet dazu angeordnete zweite Elektrodenschicht auf , zwischen denen das Elektretgebilde angeordnet ist , welches ebenfalls als eine weitere Schicht aus einem Elektretmaterial ausgebildet ist . Bei einer Verformung der ersten, als Leiterschicht ausgebildeten Elektrodenschicht wird eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit dieser ersten Leiterschicht bewirkt , die beispielsweise über eine Veränderung eines Spannungsabfalls zwischen der ersten Leiterschichtkontaktierung und der zweiten Leiterschichtkontaktierung erfasst werden kann . Gleichzeitig bewirkt eine Verformung der ersten, als Leiterschicht ausgebildeten Elektrodenschicht eine Veränderung des von dem Elektretmaterial erzeugten elektrischen Feldes auf die erste Elektrodenschicht , was mit Hil fe der ersten Messeinrichtung erfasst werden kann, die über die Elektrodenschicht Kontaktierung mit der ersten und zweiten Elektrodenschicht verbunden ist . Wenn sowohl die erste und zweite Elektrodenschicht als auch das Elektretgebilde als übereinander angeordnete und gegebenenfalls übereinander aufgedruckte Schichten ausgebildet sind, wird durch eine äußere Krafteinwirkung regelmäßig nicht nur die erste Elektrodenschicht verformt , sondern es werden alle Schichten verformt . Bei einem auf die elektromechanische Wandlerelement einwirkenden Druck kann beispielsweise das Elektretgebilde verformt und zusammengedrückt werden, wodurch auch der Abstand der beidseitig das Elektretgebilde umgebenden Elektrodenschichten und damit die auf den beiden Elektrodenschichten gehaltene oder sich ansammelnde Ladungsmenge verändert wird . In vielen Fällen kann dadurch auch eine erhöhte Empfindlichkeit des elektromechanischen Wandlerelements bewirkt werden .
Es kann zweckmäßig sein und ist optional vorgesehen, dass das elektromechanische Wandlerelement eine zweite Leiterschicht aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer ersten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung und mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung aufweist , wobei die zweite Leiterschicht so ausgebildet ist , dass eine Verformung der zweiten Leiterschicht eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen der ersten elektrischen Leiterschichtkontaktierung und der zweiten elektrischen Leiterschichtkontaktierung der zweiten Leiterschicht bewirkt . Die zweite Leiterschicht kann entweder eine zusätzliche , gesondert hergestellte und zusätzlich zu der zweiten Elektrodenschicht angeordnete zweite Leiterschicht sein, oder aber eine entsprechende Ausgestaltung der zweiten Elektrodenschicht sein . Mit der zweiten Leiterschicht kann unabhängig von der ersten Leiterschicht eine auf die zweite Leiterschicht einwirkende Kraft erfasst und insbesondere eine statische Krafteinwirkung auf die zweite Leiterschicht vorteilhaft mit einer zugeordneten Messeinrichtung gemessen werden .
In Abhängigkeit von einer konstruktiven Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelement kann vorgesehen sein, dass bei einer äußeren Krafteinwirkung eine im wesentlichen identische Krafteinwirkung auf die erste Leiterschicht und auf die zweite Leiterschicht erfolgt . In diesem Fall sollten die j eweils erfassten Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit der erfassten Leiterschicht und der zweiten Leiterschicht übereinstimmen, sodass ausgehend von den beiden Messwerten eine besonders präzise Auswertung der auf das elektromechanische Wandlerelement einwirkenden Kraft ermöglicht wird . Optional kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die erste Leiterschicht und die zweite Leiterschicht entweder eine unterschiedliche Verformbarkeit aufweisen oder unterschiedlich relativ zu dem Elektretgebilde und/oder der j eweils anderen Leiterschicht gelagert sind, um dadurch die Genauigkeit und gegebenenfalls einen Messbereich des elektromechanischen Wandlerelement vorteilhaft zu beeinflussen . Die erste Leiterschicht und die zweite Leiterschicht können auch aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein .
Es kann stattdessen auch durch eine abweichende konstruktive Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements vorgesehen sein, dass sich eine äußere Krafteinwirkung unterschiedlich auf die erste Leiterschicht und auf die zweite Leiterschicht auswirken soll und diese unterschiedliche Auswirkung auf die erste Leiterschicht und auf die zweite Leiterschicht getrennt erfasst werden kann .
Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, dass die erste Elektrodenschicht auf einer ersten Oberfläche des Elektretgebildes angeordnet ist , und dass bei einer bestimmungsgemäß vorgegebenen Krafteinwirkung eine Verformung des Elektretgebildes mit der auf der ersten Oberfläche angeordneten ersten Elektrodenschicht bewirkt wird . Es ist ebenfalls denkbar, dass stattdessen oder zusätzlich dazu die zweite Elektrodenschicht auf einer der ersten Oberfläche des Elektretgebildes gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Elektretgebildes angeordnet ist , und dass bei einer bestimmungsgemäß vorgegebenen Krafteinwirkung eine Verformung des Elektretgebildes mit der auf der zweiten Oberfläche angeordneten zweiten Elektrodenschicht bewirkt wird . Die j eweilige Verformbarkeit des Elektretgebildes und einer unmittelbar auf einer Oberfläche des Elektretgebildes angeordneten ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht kann durch eine geeignete Materialwahl sowie eine entsprechende Dimensionierung beispielsweise der Schichtdicke der einzelnen Schichten beeinflusst und vorgegeben werden . Eine derartige Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements ermöglicht es in besonders vorteilhafter Weise , dass ein derartiges elektromechanisches Wandlerelement kostengünstig auf eine Oberfläche eines Bauteils oder eines Erzeugnisses aufgebracht oder unmittelbar auf gedruckt werden kann .
Einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist optional vorgesehen, dass die erste Elektrodenschicht und/oder die zweite Elektrodenschicht in einem Abstand zu dem Elektretgebilde angeordnet ist bei einer bestimmungsgemäßen Krafteinwirkung eine Verlagerung der in einem Abstand zu dem Elektretgebilde angeordneten ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht relativ zu dem Elektretgebilde bewirkt wird . Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es , das Elektretgebilde und/oder eine oder beide Elektrodenschichten als starre Schichten oder starre Gebilde aus zugestalten . Eine derartige konstruktive Ausgestaltung kann in verschiedenen Anwendungsbereichen vorteilhaft sein .
In vorteilhafter Weise ist insbesondere bei einer derartigen Ausgestaltung der einzelnen Schichten optional vorgesehen, dass die in einem Abstand zu dem Elektretgebilde angeordnete erste und/oder zweite Elektrodenschicht entgegen einer Federkraft relativ zu dem Elektretgebilde verlagerbar gelagert ist . Zu diesem Zweck kann weiterhin optional vorgesehen sein, dass die in einem Abstand zu dem Elektretgebilde angeordnete erste und/oder zweite Elektrodenschicht über eine Federeinrichtung mit dem Elektretgebilde in Wirkverbindung steht . Durch eine geeignete Ausgestaltung der Federeinrichtung und eine dadurch bewirkte Vorgabe der Federkraft kann in einfacher Weise ein Messbereich für das elektromechanische Wandlerelement vorgegeben werden, innerhalb dessen das elektromechanische Wandlerelement die auf das elektromechanische Wandlerelement einwirkenden Kräfte mit einer für die betref fende Anwendung ausreichenden Empfindlichkeit erfassen kann . Dadurch sind der Messbereich und die Empfindlichkeit des elektromechanischen Wandlerelement weniger von dem Material und der Dimensionierung des Elektretgebildes und der einzelnen Elektrodenschicht in, bzw . Leiterschichten abhängig, sondern können über eine geeignete Ausgestaltung der Federeinrichtung und der dadurch erzeugten Federkräfte , bzw . Rückstellkräfte in weiten Bereichen vorgegeben werden . Gegebenenfalls kann die Federeinrichtung manuell oder automatisiert verstellbar ausgestaltet sein, sodass sich die von der Federeinrichtung erzeugten Rückstellkräfte verändern und das elektromechanische Wandlerelement an unterschiedliche Anwendungsbereiche oder aber an unterschiedliche Messbereiche und Empfindlichkeiten angepasst werden kann .
Dabei kann optional vorgesehen sein, dass die in einem Abstand zu dem Elektretgebilde angeordnete erste und/oder zweite Elektrodenschicht und/oder das Elektretgebilde über eine Federeinrichtung mit einer Stützkonstruktion des elektromechanischen Wandlerelements verbunden ist . Die Stützkonstruktion kann beispielsweise ein Gehäuse oder ein Rahmen sein . Eine Stützkonstruktion ermöglicht es , das elektromechanische Wandlerelement mit einer Federeinrichtung aus zustatten, ohne dass die Federeinrichtung an einem externen Bauelement oder an einem externen Obj ekt abgestützt werden muss , was üblicherweise gesondert oder während der Montage des elektromechanischen Wandlerelements an dem vorgesehenen Einsatzort erfolgen muss . Die Stützkonstruktion erlaubt dagegen eine Anordnung und Einrichtung der Federeinrichtung während der Herstellung des elektromechanischen Wandlerelements unabhängig von der späteren Verwendung des elektromechanischen Wandlerelements .
In Abhängigkeit von der bestimmungsgemäßen Verwendung des elektromechanischen Wandlerelements kann vorgesehen sein, dass die erste Leiterschicht und/oder gegebenenfalls die zweite Leiterschicht aus einem piezoresistiven Material besteht . Bei piezoresistiven Materialien, die oftmals als Halbleitermaterialien hergestellt werden, führt eine Verformung üblicherweise zu einer wesentlich größeren Widerstandsänderung als bei Metallen, weshalb mit piezoresistiven Materialien eine große Empfindlichkeit und ein vorteilhaft hohes Signal-Rausch-Verhältnis realisiert werden kann .
Einer für verschiedene Anwendungsbereiche vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge kann vorgesehen sein, dass das elektromechanische Wandlerelement ein erstes Elektretgebilde und ein in einem Abstand dazu angeordnetes zweites Elektretgebilde aufweist , die beide zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet sind . Zwischen den beiden Elektretgebilden kann Luft oder ein anderes elektrisch leitendes oder nichtleitendes Abstandsgebilde angeordnet sein . Das Abstandsgebilde kann verformbar oder kompressibel sein, sodass durch eine Druckeinwirkung der Abstand zwischen den beiden Elektretgebilden verändert wird .
Es kann j edoch auch vorgesehen sein, dass zwischen den beiden Elektretgebilden eine Leiterschicht mit einer ersten elektrischen Leiterschichtkontaktierung und mit einer zweiten Leiterschichtkontaktierung angeordnet ist . Vorzugsweise kann j edoch auch vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Elektretgebilde und dem zweiten Elektretgebilde elektrisch isoliert voneinander zwei Leiterschichten angeordnet sind . Die beiden Leiterschichten sind zweckmäßigerweise elektrisch isoliert relativ zueinander angeordnet . Zu diesem Zweck kann zwischen den beiden Leiterschichten Luft oder ein anderes elektrisch nichtleitendes Abstandsgebilde angeordnet sein . Die beiden Leiterschichten können auch auf einander zugewandten Außenseiten der beiden Elektretgebilde so angeordnet sein, dass die beiden Leiterschichten bei einem Kontakt der beiden Elektretgebilde seitlich nebeneinander angeordnet verlaufen und bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des elektromechanischen Wandlerelements keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Leiterschichten entstehen kann . Die beiden Elektretgebilde sind dabei zweckmäßigerweise aus einem verformbaren Elektretmaterial hergestellt , sodass bei einer bestimmungsgemäß erfolgenden Krafteinwirkung auf das elektromechanische Wandlerelement mindestens ein Elektretgebilde und damit einhergehend auch die auf dem betref fenden Elektretgebilde angeordnete Leiterschicht verformt wird, sodass diese Verformung über die dadurch bewirkte Widerstandsänderung in der Leiterschicht erfasst werden kann .
Die verschiedenen Möglichkeiten und Aspekte des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlerelements wurden überwiegend anhand einer bestimmungsgemäßen Verwendung als Kraft- oder Drucksensor beschrieben . Das elektromechanische Wandlerelement kann j edoch auch als Aktor oder zur Wärmeerzeugung verwendet werden, indem beispielsweise zwischen den beiden Elektrodenschichten eine veränderbare elektrische Spannung angelegt wird oder durch mindestens eine Leiterschicht ein Stromfluss erzeugt wird, der in Abhängigkeit von dem j eweilige elektrischen Widerstand der Leiterschicht eine Erwärmung der Leiterschicht bewirkt .
Die Erfindung betri f ft deshalb auch einen Aktor oder einen Sensor, der j eweils ein elektromechanisches Wandlerelement mit den voranstehend beschriebenen Merkmalen beziehungsweise Merkmalskombinationen aufweist .
Nachfolgend werden verschiedene Aus führungsbeispiele erläutert , die in den Zeichnungen exemplarisch und schematisch dargestellt sind . Es zeigt :
Figur 1 eine erste Ausgestaltung eines elektromechanischen Wandlerelements mit einem Elektretgebilde , mit einer ersten Elektrodenschicht und mit einer zweiten Elektrodenschicht , die als Leiterschicht ausgebildet und kontaktiert ist ,
Figur 2 eine abweichende Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements , bei welchem beide Elektrodenschichten j eweils als Leiterschicht ausgebildet und kontaktiert sind,
Figur 3 eine abgewandelte Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements , wobei die als Leiterschicht ausgebildete Elektrodenschicht über eine Federeinrichtung beabstandet zu dem Elektretgebilde angeordnet ist ,
Figur 4 eine wiederum abgewandelte Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements , wobei zusätzlich zu der ersten Elektrodenschicht und einer Leiterschicht , die auf einander gegenüberliegenden Außenseiten des Elektretgebildes angeordnet sind, eine zweite Elektrodenschicht beabstandet dazu über eine Federeinrichtung gelagert ist ,
Figur 5 eine wiederum abgewandelte Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements , wobei abweichend zu der in Figur 4 dargestellten Variante nicht die zweite Elektrodenschicht , sondern das Elektretgebilde mit der daran angeordneten ersten Elektrodenschicht und der Leiterschicht über eine Federeinrichtung relativ zu der zweiten Elektrodenschicht verlagerbar angeordnet ist ,
Figur 6 eine wiederum abgewandelte Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements , wobei zwei Elektretgebilde beabstandet zueinander angeordnet sind und an j edem Elektretgebilde j eweils eine Elektrodenschicht und eine Leiterschicht angeordnet sind, und wobei ein Elektretgebilde relativ zu dem anderen Elektretgebilde über eine Federeinrichtung verlagerbar ist , Figur 7 eine wiederum abgewandelte Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements ähnlich zu der in Figur 6 dargestellten Variante , wobei beide Elektretgebilde j eweils über eine Federeinrichtung relativ zueinander verlagerbar gelagert sind,
Figur 8 eine wiederum abgewandelte Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements ähnlich zu der in Figur 1 dargestellten Variante , wobei anstelle eines Ladungsmessgeräts ein Spannungsmessgerät verwendet wird,
Figur 9 eine wiederum abgewandelte Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements ähnlich zu der in Figur 5 dargestellten Variante , wobei anstelle eines Ladungsmessgeräts ein Spannungsmessgerät verwendet wird, und
Figur 10 eine wiederum abgewandelte Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements ähnlich zu der in Figur 7 dargestellten Variante , wobei anstelle eines Ladungsmessgeräts ein Spannungsmessgerät verwendet wird .
In Figur 1 ist ein erstes Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten elektromechanischen Wandlerelements 1 schematisch dargestellt . Das elektromechanische Wandlerelement 1 weist ein schichtenförmiges Elektretgebilde 2 aus einem elektrisch isolierenden Elektretmaterial auf , welches quasi-permanente elektrische Ladungen enthält und dadurch in der Umgebung des Elektretgebildes 2 ein quasi-permanentes elektrisches Feld erzeugt . Das Elektretgebilde 2 ist bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des elektromechanischen Wandlerelements 1 verformbar und kann sowohl gekrümmt als auch zusammengedrückt werden .
Auf einer ersten Oberfläche 3 des Elektretgebildes 2 ist mit unmittelbarem Kontakt eine erste Elektrodenschicht 4 angeordnet , welche das Elektretgebilde 2 flächig bedeckt , j edoch seitlich nicht vollständig überlappt . Die erste Elektrodenschicht 4 kann dabei im Wesentlichen ebenflächig ausgebildet sein oder aber eine zweidimensionale oder dreidimensionale Strukturierung aufweisen . Auf einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 5 des Elektretgebildes 2 ist ebenfalls mit unmittelbarem Kontakt eine zweite Elektrodenschicht 6 angeordnet , welche das Elektretgebilde 2 ebenfalls flächig bedeckt , j edoch seitlich nicht vollständig überlappt . Die erste Elektrodenschicht 4 und die zweite Elektrodenschicht 6 sind j eweils aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt , wobei das Elektretgebilde 2 eine elektrische I solierung zwischen den beiden Elektrodenschichten 4 , 6 bildet und eine direkte elektrisch leitfähige Kontaktierung der beiden Elektrodenschichten 4 , 6 miteinander verhindert .
Die erste Elektrodenschicht 4 weist eine erste elektrisch leitfähige Elektrodenschichtkontaktierung 7 auf , und die zweite Elektrodenschicht 6 weist eine zweite elektrisch leitfähige Elektrodenschichtkontaktierung 8 auf . Die erste und die zweite elektrisch leitfähige Elektrodenschichtkontaktierung 7 , 8 sind über eine erste Messeinrichtung 9 miteinander verbunden . Die erste Messeinrichtung 9 weist beispielsweise einen geeigneten Ladungsverstärker auf , mit welchem j ede Veränderung der Ladungen auf der ersten Elektrodenschicht 4 und der zweiten Elektrodenschicht 6 erfasst und in ein auswertbares Spannungssignal umgewandelt werden kann . Eine Veränderung der Ladungen kann durch eine Verformung des Elektretgebildes 2 oder mindestens einer der beiden Elektrodenschichten 4 , 6 oder aber durch eine relative Verlagerung des Elektretgebildes 2 und mindestens einer der beiden Elektrodenschichten 4 , 6 verursacht werden, sodass mit dem elektromechanischen Wandlerelement 1 Kräfte erfasst werden können, die auf das elektromechanische Wandlerelement 1 einwirken und die betref fenden Verformungen oder Verlagerungen bewirken . Mit der ersten Messeinrichtung 9 können auf diese Weise besonders vorteilhaft dynamische Kräfte bzw . Druckänderungen erfasst werden, die auf das elektromechanische Wandlerelement 1 einwirken .
Die erste Elektrodenschicht 4 ist als eine erste Leiterschicht 10 aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet und weist eine erste elektrisch leitfähige Leiterschichtkontaktierung 11 und eine zweite elektrisch leitfähige Leiterschichtkontaktierung 12 auf , die beabstandet zueinander die erste Leiterschicht 10 kontaktieren . Die erste Leiterschicht 10 ist so ausgebildet , dass eine Verformung der ersten Leiterschicht 10 eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen der ersten elektrischen Leiterschichtkontaktierung 11 und der zweiten elektrischen Leiterschichtkontaktierung 12 der ersten Leiterschicht 10 bewirkt . Die erste elektrische Leiterschichtkontaktierung 11 und die zweite elektrische Leiterschichtkontaktierung 12 sind mit einer zweiten Messeinrichtung 13 verbunden, mit welcher beispielsweise ein elektrischer Widerstand zwischen der ersten und zweiten elektrischen Leiterschichtkontaktierung 11 , 12 erfasst und in ein elektrisches Messsignal umgewandelt werden kann . Auf diese Weise kann mit der zweiten Messeinrichtung 13 besonders vorteilhaft eine Verformung der ersten Leiterschicht 10 und damit statische Kraft- oder Druckeinwirkungen auf das elektromechanische Wandlerelement 1 erfasst werden .
Durch die gleichzeitige Verwendung der ersten Elektrodenschicht 4 als erste Leiterschicht 10 ist ein besonders einfacher, raumsparender und kostengünstiger Aufbau des elektromechanischen Wandlerelements 1 möglich . Zudem können die erste Elektrodenschicht 4 , das Elektretgebilde 2 und die zweite Elektrodenschicht 6 als Schichtenabfolge auf eine Oberfläche eines Obj ekts aufgebracht werden, bei welchem Kräfte oder Drücke erfasst werden sollen, die auf das Obj ekt und auf das auf der Oberfläche des Obj ekts angeordnete elektromechanische Wandlerelement 1 einwirken . Die einzelnen Schichten können dabei bei einer geeigneten Materialwahl kostengünstig aufgedruckt werden, sodass ein wirtschaftlich sinnvoller Einsatz des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlerelements 1 in großen Stückzahlen und zahlreichen Anwendungsbereichen ermöglicht wird .
In den weiteren Figuren sind verschiedene Varianten des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlerelements 1 exemplarisch und schematisch dargestellt . In den nachfolgenden Erläuterungen der einzelnen Figuren sind insbesondere die unterschiedlichen Aspekte und Merkmale beschrieben, während gleichbleibende Aspekte und Merkmale nicht für j ede Variante gesondert erwähnt sind .
In Figur 2 ist beispielhaft eine andere Variante des elektromechanischen Wandlerelements 1 dargestellt . Auch die zweite Elektrodenschicht 6 ist als zweite Leiterschicht 14 ausgebildet und weist eine erste elektrische Leiterschichtkontaktierung 15 und beabstandet dazu eine zweite elektrische Leiterschichtkontaktierung 16 auf . Die erste und zweite elektrische Leiterschichtkontaktierung 15 , 16 sind ebenfalls über eine dritte Messeinrichtung 17 miteinander verbunden, mit welcher ein elektrischer Widerstand zwischen der ersten und zweiten elektrischen Leiterschichtkontaktierung 15 , 16 der zweiten Leiterschicht 14 erfasst werden kann .
In Abhängigkeit von der konstruktiven Ausgestaltung des elektromechanischen Wandlerelements 1 können die erste Leiterschicht 10 und die zweite Leiterschicht 14 bzw . die zweite und die dritte Messeinrichtung 13 , 17 so ausgewertet werden, dass entweder beide Messeinrichtungen 13 , 17 ein übereinstimmendes Messsignal erzeugen sollten und durch die gleichzeitige Erfassung der als gleichartig angenommenen Verformung der ersten und zweiten Leiterschicht 10 , 14 die Präzision der Messung verbessert werden kann, oder aber unterschiedliche Verformungen der ersten und zweiten Leiterschicht 10 , 14 erwartet werden und eine Di f ferenz der Messsignale der zweiten und dritten Messeinrichtung 13 , 17 erfasst und ausgewertet werden kann, wodurch die Empfindlichkeit des elektromechanischen Wandlerelements 1 gesteigert werden kann .
Bei der in Figur 3 beispielhaft dargestellten Aus führungsvariante des elektromechanischen Wandlerelements 1 ist die erste Elektrodenschicht 4 beabstandet von dem Elektretgebilde 2 angeordnet und über eine Federeinrichtung 18 verlagerbar an einer nicht näher dargestellten Stützeinrichtung 19 gelagert . Die erste Elektrodenschicht 4 ist gleichzeitig als erste Leiterschicht 10 ausgebildet und elektrisch entsprechend kontaktiert bzw . mit einer ersten Messeinrichtung 9 und mit einer zweiten Messeinrichtung 13 verbunden . Bei den beiden Aus führungsvarianten gemäß den Figuren 1 und 2 werden die mechanischen Eigenschaften des elektromechanischen Wandlerelements 1 im Wesentlichen durch die mechanischen Eigenschaften des Elektretgebildes 2 und der ersten und zweiten Elektrodenschichten 4 , 6 bzw . eines Obj ekts vorgegeben, auf welchem das elektromechanische Wandlerelement 1 während dessen Verwendung angeordnet ist . Dagegen kann eine Verlagerung der ersten Elektrodenschicht 4 relativ zu dem Elektretgebilde 2 bei der in Figur 3 dargestellten Aus führungsvariante über die Federeigenschaften der Federeinrichtung 18 und über die Stützeinrichtung 19 beeinflusst beziehungsweise vorgegeben werden . Auf diese Weise können sowohl eine Empfindlichkeit als auch ein Messbereich des elektromechanischen Wandlerelements 1 zusätzlich zu der j eweiligen Materialwahl und konstruktiven Ausgestaltung des Elektretgebildes 2 und der beiden Elektrodenschichten 4 , 6 über die Federeinrichtung 18 und die Stützeinrichtung 19 beeinflusst und vorgegeben werden .
Bei der in Figur 4 exemplarisch und schematisch dargestellten Aus führungsvariante des elektromechanischen Wandlerelements 1 ist erste Leiterschicht 10 als eine zusätzliche Schicht zusätzlich zu der ersten Elektrodenschicht 4 und der zweiten Elektrodenschicht 6 ausgestaltet . Die erste Leiterschicht 10 ist auf der ersten Oberfläche 3 des Elektretgebildes 2 angeordnet . Die zweite Elektrodenschicht 6 ist auf der zweiten Oberfläche 5 des Elektretgebildes 2 angeordnet . In einem Abstand zu der ersten Leiterschicht 10 ist die Elektrodenschicht 4 über die Federeinrichtung 18 und über die nicht näher dargestellte Stützeinrichtung 19 verlagerbar relativ zu der ersten Leiterschicht 10 und dem Elektretgebilde 2 gelagert . Die erste Messeinrichtung 9 ist mit der ersten Elektrodenschicht 4 und mit der zweiten Elektrodenschicht 6 verbunden . Die zweite Messeinrichtung 13 ist mit den beiden elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierungen 11 , 12 verbunden .
In Figur 5 ist eine wiederum abgewandelte Variante des elektromechanischen Wandlerelements 1 dargestellt , die ähnlich zu der in Figur 4 gezeigten Variante ausgestaltet ist . Im Unterschied zu der in Figur 4 gezeigten Variante ist das Elektretgebilde 2 mit der daran angeordneten ersten Leiterschicht 10 und der zweiten Elektrodenschicht 6 nicht orts fest an einem Obj ekt oder an der Stützeinrichtung 19 festgelegt , sondern über die Federeinrichtung 18 und die Stützeinrichtung 19 verlagerbar relativ zu der orts fest an einem Obj ekt oder an der Stützeinrichtung 19 festgelegten ersten Elektrodenschicht 4 gelagert .
Die beiden in Figur 6 und in Figur 7 dargestellten Aus führungsvarianten zeigen j eweils das elektromechanische Wandlerelement 1 mit zwei beabstandet zueinander angeordneten Elektretgebilden 2 auf . Bei j edem Elektretgebilde 2 ist auf der ersten Oberfläche 3 die erste Elektrodenschicht 4 angeordnet , die gleichzeitig als erste Leiterschicht 10 dient und beabstandet zueinander angeordnete elektrisch leitfähige Leiterschichtkontaktierungen 11 , 12 aufweist . Bei j edem Elektretgebilde 2 ist auf der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 5 die zweite Elektrodenschicht 6 angeordnet . Die beiden Elektretgebilde 2 sind relativ zueinander so angeordnet und ausgerichtet , dass die beiden Leiterschichten 10 einander zugewandt und in einem Abstand zueinander angeordnet sind .
Bei der in Figur 6 gezeigten Aus führungsvariante ist eines der beiden Elektretgebilde 2 orts fest auf einem Obj ekt oder an einer nicht näher dargestellten Stützeinrichtung 19 festgelegt , während das andere Elektretgebilde 2 über die Federeinrichtung 18 und über die Stützeinrichtung 19 verlagerbar relativ zu dem zuerst genannten Elektretgebilde 2 gelagert ist . Dagegen sind bei der in Figur 7 gezeigten Aus führungsvariante beide Elektretgebilde 2 j eweils über eine Federeinrichtung 18 und über die Stützeinrichtung 19 verlagerbar zueinander gelagert .
In den Figuren 8 und 10 sind j eweils abweichende Varianten zu den Aus führungsvarianten der Figuren 1 und 7 dargestellt . Die in den Figuren 8 und 10 gezeigten Varianten unterscheiden sich im Wesentlichen durch eine abweichende Ausgestaltung der ersten Messeinrichtung 9 , die keinen Ladungsverstärker aufweist , sondern ein Spannungsmessgerät aufweist , mit welchem eine Veränderung der elektrischen Potentialdi f f erenz erfasst werden kann, die durch eine Verformung oder Verlagerung des elektromechanischen Wandlerelements 1 verursacht wird .
Das in Figur 9 gezeigte Aus führungsbeispiel des elektromechanischen Wandlerelements 1 ähnelt dem in Figur 5 gezeigten Aus führungsbeispiel . Allerdings ist an der ersten Elektrodenschicht 4 ein zusätzliches Elektretgebilde 2 festgelegt , welches in einem Abstand zu dem zweiten Elektretgebilde 2 und der daran angeordneten Leiterschicht 10 angeordnet ist . Wie bei den in den Figuren 8 und 10 gezeigten Aus führungsvarianten weist die erste Messeinrichtung 9 keinen Ladungsverstärker, sondern ein Spannungsmessgerät auf . Wenn anstelle der ersten Messeinrichtung 9 eine Spannungsquelle mit der ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Elektrodenschichtkontaktierung 7 , 8 verbunden wird, kann das elektromechanische Wandlerelement 1 als Aktor betrieben werden und eine Verlagerung oder Verformung der beiden Elektrodenschichten 4 , 6 relativ zueinander erzwungen werden . Wenn anstelle der zweiten oder dritten Messeinrichtung 13 , 17 eine Stromquelle verwendet und j eweils mit der ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung 11 , 12 verbunden wird, können die so mit einer Stromquelle verbundenen Leiterschichten 10 zur Wärmeerzeugung verwendet werden .

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Elektromechanisches Wandlerelement (1) mit einer ersten Elektrodenschicht (4) aus einem elektrisch leitfähigen Material, mit einer in einem Abstand dazu angeordneten zweiten Elektrodenschicht (6) aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei die erste und zweite Elektrodenschicht (4, 6) jeweils eine elektrisch leitfähige Elektrodenschichtkontaktierung (7, 8) aufweisen, die über eine erste Messeinrichtung (9) miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht (4, 6) ein Elektretgebilde (2) aus einem elektrisch isolierenden Elektretmaterial angeordnet ist, sodass sich bei einer Verformung des Elektretgebildes (2) und/oder der ersten Elektrodenschicht (4) oder bei einer Verlagerung des Elektretgebildes (2) und mindestens einer Elektrodenschicht (4, 6) relativ zueinander das Verhältnis der jeweils in der ersten und zweiten Elektrodenschicht (4, 6) befindlichen Ladungsmengen zueinander verändert, und wobei das elektromechanische Wandlerelement (1) eine erste Leiterschicht (10) aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer ersten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung (11) und mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung (12) aufweist, wobei die erste Leiterschicht (10) so ausgebildet ist, dass eine Verformung der ersten Leiterschicht (10) eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen der ersten elektrischen Leiterschichtkontaktierung (11) und der zweiten elektrischen Leiterschichtkontaktierung (12) der ersten Leiterschicht (10) bewirkt.
2. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht (4) als erste Leiterschicht (10) ausgebildet ist.
3. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandlerelement (1) eine zweite Leiterschicht (14) aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer ersten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung (15) und mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Leiterschichtkontaktierung (16) aufweist, wobei die zweite Leiterschicht (14) so ausgebildet ist, dass eine Verformung der zweiten Leiterschicht (14) eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen der ersten elektrischen Leiterschichtkontaktierung (15) und der zweiten elektrischen Leiterschichtkontaktierung (16) der zweiten Leiterschicht (14) bewirkt.
4. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht (4) auf einer ersten Oberfläche (3) des Elektretgebildes (2) angeordnet ist, und dass bei einer bestimmungsgemäß vorgegebenen Krafteinwirkung eine Verformung des Elektretgebildes (2) mit der auf der ersten Oberfläche
(3) angeordneten ersten Elektrodenschicht (4) bewirkt wird.
5. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenschicht (6) auf einer der ersten Oberfläche (3) des Elektretgebildes (2) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (5) des Elektretgebildes (2) angeordnet ist, und dass bei einer bestimmungsgemäß vorgegebenen Krafteinwirkung eine Verformung des Elektretgebildes (2) mit der auf der zweiten Oberfläche (5) angeordneten zweiten Elektrodenschicht (6) bewirkt wird.
6. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht (4) und/oder die zweite Elektrodenschicht (6) in einem Abstand zu dem Elektretgebilde (2) angeordnet ist bei einer bestimmungsgemäßen Krafteinwirkung eine Verlagerung der in einem Abstand zu dem Elektretgebilde (2) angeordneten ersten und/oder zweiten Elektrodenschicht (4, 6) relativ zu dem Elektretgebilde (2) bewirkt wird.
7. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Abstand zu dem Elektretgebilde (2) angeordnete erste und/oder zweite Elektrodenschicht (4, 6) entgegen einer Federkraft relativ zu dem Elektretgebilde (2) verlagerbar gelagert ist.
8. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Abstand zu dem Elektretgebilde (2) angeordnete erste und/oder zweite Elektrodenschicht (4, 6) über eine Federeinrichtung (18) mit dem Elektretgebilde (2) in Wirkverbindung steht.
9. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Abstand zu dem Elektretgebilde (2) angeordnete erste und/oder zweite Elektrodenschicht (4, 6) und/oder das Elektretgebilde (2) über eine Federeinrichtung (18) mit einer Stützkonstruktion (19) des elektromechanischen Wandlerelements (1) verbunden ist .
10. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterschicht (10) und/oder gegebenenfalls die zweite Leiterschicht (14) aus einem piezoresistiven Material besteht .
11. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Wandlerelement (1) ein erstes Elektretgebilde (2) und ein in einem Abstand dazu angeordnetes zweites Elektretgebilde (2) aufweist, die beide zwischen der ersten Elektrodenschicht (4) und der zweiten Elektrodenschicht (6) angeordnet sind.
12. Elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Elektretgebilde (2) und dem zweiten Elektretgebilde (2) elektrisch isoliert voneinander zwei Leiterschichten (10) angeordnet sind.
13. Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein elektromechanische Wandlerelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
14. Aktor, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein elektromechanisches Wandlerelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
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