TW201503437A

TW201503437A - 多層機電轉換器之生產的製程

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Publication number: TW201503437A
Application number: TW103101357A
Authority: TW
Inventors: Joachim Wagner; Jens Krause; Christian Graf; Dennis Cording; Juergen Maas; Dominik Tepel; Thorben Hoffstadt
Original assignee: Bayer Materialscience Ag
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-01-16
Also published as: US20160027995A1; KR20150107815A; CN105229809A; WO2014111327A1; JP2016509826A; EP2946415A1

Abstract

本發明關於至少一多層機電轉換器(44)之生產的製程，包含提供至少一介電彈性體箔(10、16、22、30、46)；於應用步驟中將至少一電極層(12、18、20、24、26、28、42)應用至該彈性體箔(10、16、22、30、46)之至少一第一部分(16.1、16.4、22.1)；將該彈性體箔(10、16、22、30、46)配置於折疊設備(2)之受體區(4)上，其中該折疊設備(2)具有第一板(2.1)及第二板(2.2)；將該彈性體箔(10、16、22、30、46)固定於該受體區(4)上；以及於折疊步驟中，以該電極層(12、18、20、24、26、28、42)配置於該彈性體箔(10、16、22、30、46)之該第一部分(16.1、16.4、22.1)及該彈性體箔(10、16、22、30、46)之該第二部分(16.2、16.3、22.3)間之方式，經由相對於該第二板(2.2)折疊該第一板(2.1)，而將該彈性體箔(10、16、22、30、46)之該第一部分(16.1、16.4、22.1)折疊至該彈性體箔(10、16、22、30、46)之另一部分(16.2、16.3、22.3)之上。

Description

多層機電轉換器之生產的製程

本發明關於多層機電轉換器之生產的製程，關於機電轉換器，關於包含機電轉換器之組件，關於機電轉換器之使用，及關於生產機電轉換器之設備。

機電轉換器將電能轉換為機械能，且反之亦然。其可用作感應器、致動器及/或發電機之組分。

此類轉換器之基本結構包含電活性聚合物(EAP)。建構原理及動作模式與電容器類似。二導電板之間設有電介質，即電極，予以施加電壓。然而，EAP包括可延伸電介質，其經歷依賴電場之形變。準確地說，材料為介電彈性體，主要為箔形(DEAP；介電電活性聚合物)，具有高電阻且雙側塗層高導電性之可延伸電極(電極)，如WO 01/006575 A中所說明之範例。此基本結構可廣泛用於感應器、致動器或發電機之生產的組態。亦存在已知多層機電轉換器，並排單層結構。

用作此類型轉換器系統中彈性電介質之電活性聚合物的電及機械屬性不同，取決於用於例如致動器、感應器及/或發電機。

總是存在之電屬性為電介質之高內部電阻、高介電強度、電極之高導電性及應用之頻率範圍中的高介電常數。該些屬性允許大量電能長期儲存於電活性聚合物所佔據之體積中。

總是存在之機械屬性為充分高斷裂延伸、低殘餘延伸值及充分高壓縮/拉伸強度值。該些屬性確保彈性變形性充分高，並避免對於能量轉換器之機械損害。

在機電轉換器「緊張」操作的狀況下，即其於作業期間暴露於拉伸應力，特別重要的是該些彈性體展現無殘留延伸。尤其，不應發生流動或「蠕變」，因為在涉及延伸之若干週期之後，存在機械恢復力及因此之電活性效應的總損失。因此，彈性體應展現暴露於機械負載之無應力鬆弛。

用於拉伸模式之機電轉換器要求彈性體具高度可逆可擴展性，及具高斷裂延伸及低彈性拉伸模量。文獻透露對此類型機電轉換器而言，可擴展性與介電常數及所施加之電壓成正比，並與模量成反比；下列方程式提供相對介電常數ε _r、絕對介電常數ε ₀、硬度Y、膜厚度d及電壓U，延伸為s _z。

最大可能電壓又取決於擊穿場強度。若此處擊穿場強度低，則僅可施加低電壓。因為電壓值之平方用於方程式來計算經由電極之靜電引力所帶來之延伸，擊穿場強度較佳地相應高。

習知技藝已知之有關方程式係由Federico Carpi在書中發現，「Elsevier」p.314方程式30.1，介電彈性體作為機電轉換器，類似地亦見於R.Pelrine「Science 287,5454,2000」p.837方程式2。先前段落中方程式清楚地透露對於介電彈性體致動器之作業極重要之性質：厚度d愈小，對相同電場強度而言，致動器之可能操作電壓愈小。然而，隨著厚度減少，沿厚度方向之可能絕對形變幅度亦同時減少。

此問題之解決方案已於1997年早些時候發佈中由PELRINE等透露：類似於壓電堆疊致動器，可能在彼此的頂部堆疊個別層[R.E.PELRINE、R.KORNBLUH、J.P.JOSEPH及S.CHIBA之「微致動器之聚合物膜的電致伸縮」：微機電系統1997(MEMS’97)，第十屆年度國際研討會(1997)IEEE會議記錄pp.238-243]。以電學而言，該些層是平行的，即儘管低操作電壓U，在每一層上存在相對高場強度E。相反地，以機械而言，致動器層為串聯，且個別形變為加成。PELRINE等展示之堆疊具有四層電介質及電極，並由手工生產。較佳的是電極層具有特定結構，其可經由噴霧遮罩、噴墨印刷及/或網版印刷中之絲網達成。

若以電極層塗層之彈性體箔捲起，則可達成類似效應。若不再利用施加電場方向之形變力，則是利用與其成直角之力。二已知方法此處均可：Danfoss Polypower使用波紋EAP材料建構無芯熱軋致動器[Tryson,M.、Kiil,H.-E.、Benslimane,M.：強大管狀無芯介電電激活聚合物(DEAP)『PUSH』致動器；電活性聚合物致動器及裝置(EAPAD)，SPIE草案，卷7287，2009]；在EMPA[Zhang,R.、 Lochmatter,P.、Kunz,A.、Kovacs,G.：用於可攜式力反饋手套之彈簧捲介電彈性體致動器；聰明結構及材料，SPIE草案，卷6168，2006]；EAP材料係以整合線圈彈簧之助而預應力。後者方法之缺點為對於EAP材料中之機械缺陷的高感受性。無芯致動器中之致動器效應僅可歸因於沿周圍方向展現硬度之電極。

生產堆疊致動器或多層機電轉換器之所有製程中的主要挑戰為避免當複數介電層及電極層相互重疊之缺陷及污染。CARPI等將管的切割開口識別為此問題之解決方案。電介質採用矽氧烷管的形式。該管螺旋地切割開口，切割區域接著以導電材料覆蓋，並接著作為電極[F.CARPI、A.MIGLIORE、G.SERRA及D.DE ROSSI。「螺旋介電彈性體致動器」：聰明材料及結構14.6(2005)，1210-1216頁]。

CHUC等呈現自動化製程，原理上係依據CARPI之折疊製程[N.H.CHUC、J.K.PARK、D.V.THUY、H.S.KIM、J.C.KOO等「基於合成彈性體之多堆疊人造肌肉致動器」：2007年10月29日至11月2日，美國加州聖地牙哥2007 IEEE/RSJ智能機器人及系統國際會議會議記錄，771頁]。然而，此處電介質膜僅分別折疊一次。CARPI等及CHUC等之堆疊致動器並非設計用於接收拉伸力。由於靜電力之動作程度僅從外側至鄰近電極外側，因電極內無力量作用，存在堆疊致動器脫層之風險。KOVACS及DÜRING已發展極薄炭黑層之生產技術。以此方法生產之電極係希望僅包含一主要粒子層。此類型單層針對二鄰近電極產生靜電力，因此亦可接受拉伸力[G.KOVACS及L.DÜRING。「基於軟電介質EAP之收縮張力堆疊致動器」：Eds.Y.BAR-COHEN及T.WALLMERSPERGER，電活性聚合物致動器及裝置(EAPAD)2009，卷7287.1，美國加州聖地牙哥：SPIE，2009，72870A-15]。

CARPI等、CHUC等、及KOVACS及DÜRING迄今所呈現之堆疊致動器設計的共同特點為其已被設計為以大偏移值驅動並用於產生大力量之致動器。當然基於3D多層結構之二基本組態堆疊致動器允許電輸入能量最大效率轉換為機械功，因為電場及延伸方向間之此設計達成了並行。同樣地，DE 10 2008 002 495提供折疊製程之說明。此處缺點為電極層形成了從開始至末端的持續區域，因此必須具有極高導電性。各層之相互疊加必須非常精確，這在具相對大層數之此類型折疊製程中愈發困難。於多層轉換器之折疊邊緣產生的擴大邊緣區構成困難的原因之一。

多層致動器或多層轉換器之作業可包括張力、延伸及彎曲。亦已知的是致動器可額外裝配復歸彈簧。

然而，依據習知技藝之轉換器具有三實質缺點，可歸因於彈性體之適用性不足、不充分工業之製造技術、及長期穩定性不足。所提及所有製程之缺點為層(電極層及彈性體層)相互黏附弱，且當製程嘗試以精確定位不留任何間隙地相互結合結構化電極段時，係以極緩慢因此非生產性方式進行，或造成作用區的嚴重位移。由於高偏移值需要大層數，製程必須能夠幾乎無缺陷堆疊。

習知技藝之另一缺點為所說明之結構化電極必須應用於堆疊層間之附加步驟中，或必須直接應用於大區域。在第一種狀況，其無法以精確定位堆疊，必須額外製程步驟。在後者狀況，電極區很大，需要極高導電性。儘管此在技術上可能，在負載暴露於張力、延伸或彎曲若干週期後，此類型電極便極快速損失其導電性。所提及之製程的另一缺點為非聚氨酯基溶液形成極弱、非黏附層合體。該些層不具有單片結構。因此通常可能在少於負載之100週期後發生層彼此分離，即脫層，或接著形成介面避免任何靜電引力產生。目前尚不知聚氨酯之此類型製程。尤其，需要開發一種快速工業堆疊製程，以避免脫層及層分離，且開發確保高長期穩定性之小型結構化電極區。

以上所提及之習知方法均不適於無脫層及無缺陷堆疊，因為不存在也不可能有強力黏附或實際單片層結構。此處所包括之系統未以持續或重複製程生產。

未公開專利申請案EP 12174858.6說明一種方法，其中剛生產之聚氨酯箔直接依序與電極層反應，進而重複直接與聚氨酯層反應，以生產堆疊致動器。

習知技藝之缺點為實質上較便宜及更快速之卷對卷生產製程不適用於未公開專利申請案EP 12173770.4中所說明之聚氨酯箔類型。另一缺點為包括化學製程，其中個別層之反應未持續達100%轉換。黏附是經由層之不完全反應達成，且在所有步驟中因此亦須使用抽取以移除揮發性、有毒的異氰酸酯。因此，一個目標是開發與電介質之生產的化學製程，若有需要，與電極層之生產的化學製程及機械堆疊步驟之間分離的製程。

習知技藝中所說明之所有製程的缺點為不可能生產基於彈性體之多層機電轉換器，因為儘管藉由卷對卷製程中之範例分別生產的彈性體膜當於卷對卷製程中倒回而彼此快速組合，及/或可經由自動堆疊而組合，各層間之隨後黏附未充分強且脫層。

例如用於矽氧烷膜之另一可能性，將為各層彼此黏附。然而，此處缺點為黏附步驟係額外製程步驟，其後主要為乾燥。此處另一缺點為具不同屬性之附加介面係形成於層間。組合各層中精確的問題仍未解決。

在習知技藝中，彈性體層之預拉伸導致致動器效應(即延伸)的顯著增加，迄今已完全藉由IPN技術達成。缺點為此又涉及應避免之耗時技術製程的類型。本發明希望確保箔之預拉伸可行。

目前可用的製程主要特定設計用於個別轉換器之製造，諸如堆疊致動器，因此需要相當多的製造時間。因此，存在並行製程之需求，其允許同時建構大量轉換器。

若電極塗層之彈性體箔的生產製程脫離機電轉換器的生產，極軟箔之堆疊中不可避免的公差導致電擊穿(縮短跟踪距離)的可能性、疊加在實際所需之致動器效應上負效應的彎曲力矩、以及缺少個別致動器箔間之接觸。

盡可能引入剛性結構(參見多級彩色印刷製程)之適當的註冊商標基於確保彈性體箔之精確定位和堆疊的意圖而用於化學及機械製造間之介面。若在機械堆疊製程前未發生電極之應用，則有必要應用光學配準標記或將「單一裝備」法用於電塗層及堆疊之製程步驟。

因此，本發明之目標為提供機電轉換器之生產的製程，其至少若干程度減輕以上所提及之缺點，且特別允許具低製造時間及低缺陷率之改進的生產。

依據本發明之一第一方面，依據申請專利範圍第1項之製程達成以上所導出及指出的目標。至少一多層機電轉換器之生產的製程包含：-提供至少一介電彈性體箔；-於應用步驟中將至少一電極層應用至彈性體箔之至少一第一部分；-將彈性體箔配置於折疊設備之受體區上，其中折疊設備具有第一板及至少一第二板；-將彈性體箔固定於受體區上；-於折疊步驟中，以電極層配置於彈性體箔之第一部分及彈性體箔之第二部分間之方式，經由相對於第二板折疊第一板，而將彈性體箔之第一部分折疊至彈性體箔之另一部分之上；以及-堆疊複數折疊之彈性體箔以增加機電轉換器之整體高度。

依據本發明之理論，提供超越習知技藝之改進製程用於具低製造時間之多層機電轉換器的生產。經由以精確定位相互疊加複數介電層及電極層，特別以固定彈性體箔及折疊彈性體箔之簡單方法使用特定折疊設備，而可以(幾乎)無缺陷及無污染的方式生產多層機電轉換器。尤其，可達成多層機電轉換器之工業製造。

首先分別提供至少一介電彈性體箔或彈性體層。介電彈性體層較佳地具有相對高介電常數。而且介電彈性體層較佳地具有高機械剛度。尤其，介電彈性體層可用於致動器應用。然而，介電彈性體層同樣適用於感應器應用或發電機應用。

而且介電彈性體箔可較佳地包含藉由範例選自下列合成彈性體群組的材料，包含聚氨酯彈性體、矽氧烷彈性體、丙烯酸彈性體(例如乙烯-乙酸乙烯酯)、氟橡膠、其他橡膠、聚氨酯、聚丁二烯、NBR(丁腈橡膠)或異戊二烯及/或聚偏氟乙烯。較佳地使用聚氨酯彈性體。

所提供的彈性體箔具有至少一第一部分及一進一步或第二部分。藉由範例，彈性體箔可分為在本質上相同大小的兩部分。在應用步驟中，至少一電極層至少施加到第一部分，特別是在第一部分的至少上側。應用亦可於兩側展開。

電極層，即導電層，可較佳地由選自下列群組之材料組成，包含金屬、金屬合金、導電性低聚醣或聚合物、導電性氧化物、導電填料及/或以導電填料填充之聚合物。特別合適的材料是碳基材料或基於金屬之材料，諸如銀、銅、鋁、金、鎳、鋅或其他導電金屬及材料。金屬可較佳地以鹽、溶液、分散體、乳劑或前體的形式應用。黏附可以各層持續相互黏附的方式調整。

在電極層應用之後，或甚至在電極層應用之前，彈性體箔可配置於折疊設備之受體區上。折疊設備包含板，尤其折疊設備具有至少二板。

依據一較佳實施例，第一板及第二板間存在可動連接。尤其，可藉由第一板及第二板間之鉸鏈裝置連接。

較佳的是存在藉由二板間之至少一鉸鏈裝置的連接。尤其，二板間之連接可為二板形成平面之最初位置及第一板置於第二板上(或反之亦然)的最後位置。第一板具有第一部分受體區及第二板具有第二部分受體區。若僅呈現二板，第一部分受體區及第二部分受體區形成折疊裝置之受體區。

折疊設備當然可具有二板以上，其中存在例如藉由進一步板及至少一其他板間之鉸鏈裝置的連接，且進一步板可具有部分受體區。另一方面，或除了鉸鏈裝置以外，亦可能例如使用帶連接。

受體區已適當組織尤其是可逆的用於介電彈性體箔之固定。尤其，例如多孔塑料(例如基於聚四氟乙烯)之受體區可適當組織用於產生真空之低於大氣壓的壓力，以便將配置於受體區上之彈性體箔固定在折疊設備上。例如在受體區中可提供凹部，其中可產生低於大氣壓的壓力。該些凹部可以分段形式配置，以允許精確的固定。如此固定可使彈性體箔的第一部分固定在第一部分受體區上，及彈性體箔的至少一進一步部分固定在第二受體區上。在某種程度上箔之固定較佳地經由低於大氣壓的壓力達成，它於彈性體箔固定及接著折疊時(幾乎)可避免任何摺痕。該折疊裝置的一個特定特徵是即使當層厚度為低時，彈性體箔可以牢固地固定並(幾乎)沒有任何摺痕。彈性體箔或彈性體膜的層厚度可以是從0.1微米至1000微米，較佳地從1微米至500微米，特佳地從5微米至200微米，及極佳地從10微米到100微米。彈性體箔可以採取單層的形式。彈性體箔可較佳地具有一層以上。尤其，彈性體箔可具有二層。一層以上的存在有時可以彌補實體缺陷。

一旦彈性體箔已被固定在至少二板之受體區上，藉由第一板之折疊或鉸接，彈性體箔相對於第二板折疊。層可以精確定位組合。若呈現鉸鏈裝置，可特別憑藉至少一鉸鏈裝置而達成180° 旋轉運動。例如，第一板可鉸接到第二板或第二板可以鉸接到第一板。板間之連接此處並非必要。在此處的特定方法中，電極層本質上配置於彈性體箔之第一部分及彈性體箔之第二部分之間。換言之，彈性體層覆蓋至少一電極層的兩側。

尤其，依據ASTM D149-97a，以上所說明之製程可生產具>40V/μm擊穿場強度的機電轉換器，特佳地>60V/μm、極佳地>80V/μm；依據ASTM D257，具>1.5E10 ohms m的電阻，較佳地>1E11 ohms m、特佳地>5E12 ohms m、極佳地>1E13 ohms m；依據ASTM D150-98，於0.01至1Hz具>5的介電常數；具<100微米之介電箔的層厚度(計算為單層)；以及具較佳地>2及<100 000層。

具電極層之彈性體箔之至少第一部分的被覆可發生於整個區域。依據本發明之製程的一第一實施例，至少一電極層可為結構化電極層或分段電極層。換言之，一種可能性是只在彈性體箔之第一部分之表面的若干區域中施加(特定)可預定幾何結構。電極層例如可包含用於產生電場之電極；及用於特定電位之施加或特定電位之分接的連接凸出部。憑藉電極層之橫截面的合適尺寸，該層之幾何結構可用作保險絲元件，其中在電閃絡的情況下，電流接著流動昇華電極，因而電停用該缺陷致動器箔。

電極層可較佳地經由噴塗、燒鑄、刮塗、鋪展、印刷、金屬化、濺射及/或電漿化學氣相沉積(CVD)而施加於彈性體層之第一部分。尤其，可配置合適應用裝置，例如噴霧裝置、印刷裝置、輥裝置等。此處印刷製程之範例為噴墨印刷、膠版印刷及網版印刷。特別結構化電極層可以簡單的方式至少於第一折疊步驟之前施加至彈性體箔。

在另一實施例中，黏合劑可與電極層摻合。此提高了多層機電轉換器之層的機械一致性。在另一較佳可能性中，電極層係於折疊步驟之前乾燥。

為分別獲得具較大可擴展性及具較大致動器效應之機電轉換器，可依據本發明之製程的一特佳實施例，於施加電極層之前預拉伸彈性體箔。另一方面或此外，可於施加電極層之後預拉伸彈性體箔。可配置非彈性材料至預拉伸之彈性體箔以固定預拉伸。例如，以適當材料製成之框架可施加於彈性體箔。尤其，可使用硬聚合物材料。例如，藉由以硬聚合物材料印刷可固定預拉伸。而且所施加之聚合物材料框架可較佳地具有套準標記。此具有後續堆疊製程中彈性體箔之間可不發生位移之優點。

依據本發明之製程的另一實施例，而且在將彈性體箔固定在折疊設備之前或之後，切口可能至少若干程度於折疊邊緣進入彈性體箔。經由切割(例如超音波切割)、沖壓或例如熱-線切割或雷射切割之其他分離製程，可達成切口。在某種程度上切口至少若干程度產生於折疊邊緣，可促進折疊，並可進一步減少邊緣區域之不欲之擴大區的發生。而且彈性體箔可易於折疊一次以上。例如，一旦彈性體箔固定，其亦可在至少一折疊邊緣完全分割以得到二子箔。邊緣區域之不欲之擴大區仍可進一步減少。

尤其，至少折疊步驟重複至少二次，較佳地至少五次，特佳地十次，及極佳地二十次。若在第一應用步驟中，電極層(僅)配置至彈性體箔之第一部分，則應用步驟可較佳地重複至少五次、較佳地十次、及極佳地二十次。尤其，應用步驟可依循每一折疊步驟。

折疊步驟亦可能重複最多1 000 000次，較佳地最多100 000次，特佳地最多10 000次，極佳地最多5000次，及尤其特佳地最多1000次。

應用步驟亦可能重複最多1 000 000次，較佳地最多100 000次，特佳地最多10 000次，極佳地最多5000，及尤其特佳地最多1000次。

依據另一實施例，複數個別電極層可於應用步驟中至少施加於彈性體層之第一部分。例如，可施加至少二、較佳地至少四、特佳地至少八及極佳地至少十六電極層。在某種程度上，複數電極層係同時施加，可進一步減少製造時間。複數機電轉換器之並行生產成為可能。

如先前所說明，複數機電轉換器可較佳地依據以上所說明之製程而同時生產。在進一步製程步驟中，在(最後)折疊步驟後特別可能從其餘彈性體箔分離至少一多層機電轉換器。例如，可藉由沖壓及/或藉由切割分離機電轉換器。複數同時生產之機電轉換器可易於相互分離，並轉換為所欲形狀，例如具特定尺寸。

依據另一實施例，特別經由複數折疊步驟生產之至少二機電轉換器可堆疊在彼此的頂部。當然亦可能是二個以上多層機電轉換器堆疊在彼此的頂部。因為機電轉換器具有已經由折疊生產之多層結構，其易於處理並經歷另一堆疊製程。具大層數之機電轉換器可以簡單方式生產。

如已說明，機電轉換器具有至少二相互疊加電極層，且介電彈性體層配置於其間。電壓之應用，即不同電位施加於二相對電極層可實現其間彈性體箔之延伸。在感應器應用或發電機應用之狀況下，彈性體箔之延伸當然可實現在電極層之特定電壓，且此可於電極分接。

在多層機電轉換器的情況下，需求為可供應層狀電極交替電位。較佳地可能是第一接觸電極層連接至適當組織用於施加第一電位至第一電極層之機電轉換器的第一電極層。第二接觸電極層可連接至至少一第二電極層，較佳地連接至機電轉換器之複數第二電極層，用於施加第二電位至第二電極層。此配置可具有於機電轉換器中交替之第一電極層及第二電極層。在感應器應用或發電機應用之情況下，類似考量可應用於電壓分接。尤其，第一電極層及第二電極層可為本質上相同。例如，其可包含平面電極區及連接凸出部，用於將電極區連接至接觸電極層。在機電轉換器中之所有第一電極層的連接凸出部可較佳地朝向轉換器之相同第一外側。而且在機電轉換器中之所有第二電極層的連接凸出部可朝向轉換器之相同第二外側，其中第一外側與第二外側不同。較佳的是二外側為相對外側。

尤其，電極層應用至依據本製程生產之機電轉換器中之彈性體箔的方式為其可從兩側接觸且不凸出超出電介質膜邊緣。這樣做的原因在於否則可發生閃絡。電極及電介質之間較佳地可存在允許的安全邊際，以這樣的方式使電極區小於電介質區。電極的結構可以是由此實施用於電接觸之導體跡線。電極層之接觸易於達成。

依據本發明之製程的另一較佳實施例，可封裝機電轉換器。尤其，藉由可逆、可延伸保護層可保護機電轉換器免於外部環境影響。例如，藉由將機電轉換器燒鑄進入聚氨酯被覆及/或矽氧烷被覆可達成封裝。可將機電轉換器燒鑄進入基於合成彈性體之彈性體材料，例如聚氨酯彈性體、矽氧烷彈性體、丙烯酸彈性體，諸如EVA、氟橡膠、其他橡膠、聚氨酯、聚丁二烯、NBR或異戊二烯及/或聚偏氟乙烯。較佳地使用矽氧烷彈性體。單一或二或多層方法可用於封裝。封裝可部分或完全硬化。較佳的是純熱固化、並排UV固化法、非誘導化學固化法及IR固化法。而且原則上可以任何所欲方式施加封裝。在較佳可能性中，使用燒鑄製程，特別是真空-燒鑄製程或離心製程。

在較佳可能性中，二彈性體膜於進一步使用之前相互層壓。而且依據另一實施例，彈性體箔之表面可以改進黏附之方式處理。在較佳可能性中，在電極層應用之前，彈性體箔經電暈處理及/或電漿處理。另一方面或此外，彈性體箔可於電極層應用之後，經電暈處理及/或電漿處理。另一方面或此外，可使用可延伸膠黏劑。尤其，可顯著改進多層機電轉換器之層相互之持久黏附。

本發明之進一步方面為依據以上所說明之製程生產的機電轉換器。

本發明之仍進一步方面為包含以上所說明之機電轉換器的組件。組件可為電子及/或電氣設備，特別是包含機電轉換器之單元、機器、或儀器或組件。

本發明之另一方面是使用以上所說明之機電轉換器作為致動器、感應器及/或發電機。依據本發明之機電轉換器可有利地用於機電和電聲界大量非常不同的應用，特別是在從機械震盪擷取能量(能量採集)、升學、超音波、醫療診斷、聲學顯微鏡、機械感應器技術之領域，特別是機器人及/或通訊技術之壓力、力、及/或延伸感應器。此處典型範例為壓力感應器、電聲轉換器、麥克風、揚聲器、振動轉換器、光偏轉器、薄膜、玻璃光纖之調制器、熱電探測器、電容、控制系統及「智能」地板，以及機械能轉換系統，尤其是從旋轉或擺動運動轉換成電能。

本發明之又另一方面為依據申請專利範圍第15項之設備，用於機電轉換器之生產。設備特別適當組織用於以上所說明之製程的實施。設備包含第一板及至少一第二板，尤其是折疊設備。第一板可相對於第二板折疊。第一板及第二板具有受體區以接收介電彈性體箔。受體區已適當組織用於將彈性體箔固定在設備上。

設備尤其是以上所說明之折疊設備。彈性體箔可配置於折疊設備之受體區。折疊設備特別包含板。尤其，折疊設備具有至少二板。其間可存在可動連接。

依據一較佳實施例，第一板及第二板間存在特別藉由至少一鉸鏈裝置之可動連接。尤其，二板間之連接可為二板形成平面之最初位置及第一板置於第二板上(或反之亦然)之最後位置。存在諸如馬達、致動器、控制裝置之合適裝置，配置用於至少二板之移動。

折疊設備當然可具有二板以上，其中進一步板及至少一其他板間存在例如藉由鉸鏈裝置之連接，且進一步板可具有部分受體區。另一方面，除了鉸鏈裝置以外，亦可能例如使用帶連接。受體區適當組織用於將彈性體箔固定，較佳地可逆地固定在折疊設備上。依據一實施例，受體區可適當組織用於產生例如真空之低於大氣壓的壓力，以便將彈性體箔固定在折疊設備上。可存在為此用途配置之排氣的適當裝置。在某種程度上，較佳地藉由低於大氣壓的壓力、固定及後續折疊而達成固定，且可(幾乎)無任何摺痕而達成彈性體箔之精確定位。折疊設備之特定特徵為能夠可靠地且尤其(幾乎)無任何摺痕而固定彈性體箔，甚至當層厚度低時。彈性體箔或彈性體膜之層厚度可從0.1微米至1000微米，較佳地從1微米至500微米，特佳地從5微米至200微米及極佳地從10微米至100微米。

一旦彈性體箔固定，尤其是在至少二板之受體區上，藉由相對於第二板折疊第一板而折疊彈性體箔。尤其，憑藉至少一鉸鏈裝置，例如藉由使用以上所說明之裝置而可達成180°旋轉運動。例如，第一板可鉸接至第二板，或第二板可鉸接至第一板。在此處之特定方法中，電極層本質上係配置於彈性體箔之第一部分及彈性體箔之第二部分之間。板中之低於大氣壓的壓力此處可停止。藉由於該板中施加超大氣壓力，亦可增加施加壓力之程度/彈性體箔之二部分之層壓效應程度。經由分段導入超大氣壓力，例如經由受體區中之分段凹部，可達成層壓製程之精確實施。

製程及設備之特徵為彼此可自由組合。尤其，說明及/或從屬申請項之特徵可獨立地為發明個體或相互自由組合，且此亦適用於獨立申請項之特徵的完整或部分省略的情形。

接著有依據本發明之製程、依據本發明之機電轉換器、依據本發明之組件、依據本發明之使用及依據本發明之設備的大量可能實施例。在此連接中，首先參照依賴獨立專利申請項之專利申請項，其次參照結合圖式之實施例的說明。

2‧‧‧設備

2.1‧‧‧第一板

2.2‧‧‧第二板

2.3‧‧‧第三板

4‧‧‧受體區

4.1‧‧‧第一受體區

4.2‧‧‧第二受體區

4.3‧‧‧第三受體區

6‧‧‧凹部

8‧‧‧鉸鏈裝置

10‧‧‧彈性體箔

12‧‧‧電極層

16‧‧‧彈性體箔

16*‧‧‧鉸接之彈性體箔

16.1‧‧‧第一部分

16.1*‧‧‧進一步第一部分

16.2‧‧‧第二部分

16.2*‧‧‧進一步第二部分

18‧‧‧電極層

18’‧‧‧連接凸出部

20‧‧‧進一步電極層

20’‧‧‧連接凸出部

22‧‧‧彈性體箔

22.1、22.2、22.3、22.4‧‧‧部分

24、26‧‧‧電極層

28‧‧‧分段電極層

28.1‧‧‧連接凸出部

28.2‧‧‧矩形電極

30‧‧‧塗層彈性體箔

32‧‧‧框架

34‧‧‧輪廓

36‧‧‧可燒鑄材料

40.1‧‧‧共用接觸電極

40.2‧‧‧共用接觸電極

42.1‧‧‧第一電極層

42.2‧‧‧第二電極層

44‧‧‧機電轉換器

46‧‧‧彈性體箔層

50‧‧‧彈性體箔

52‧‧‧折疊邊緣

圖1為生產多層機電轉換器之設備的實施例圖；圖2a為依據圖1處於第一操作位置之設備的範例圖；圖2b為依據圖1處於第二操作位置之設備的範例圖；圖2c為依據圖1處於第三操作位置之設備的範例圖；圖2d為依據圖1處於第四操作位置之設備的範例圖；圖3a為第一製程步驟後之彈性體箔的實施例圖；圖3b為進一步製程步驟後之彈性體箔的實施例圖；圖3c為進一步製程步驟後之彈性體箔的實施例圖；圖3d為進一步製程步驟後之彈性體箔的實施例圖；圖3e為進一步製程步驟後之彈性體箔的實施例圖；圖4a1為依據圖3e沿剖面線IV-IV之機電轉換器的實施例側視圖；圖4b為依據圖4a之複數相互疊加機電轉換器的側視圖；圖5a為第一製程步驟後之彈性體箔的進一步實施例圖；圖5b為進一步製程步驟後之彈性體箔的進一步實施例圖；圖5c為進一步製程步驟後之彈性體箔的進一步實施例圖；圖6a為塗層彈性體箔的實施例俯視圖；圖6b為依據圖6a的實施例側視圖；圖6c為具複數分段及個別電極區之彈性體箔的實施例圖；圖7為依據本發明之機電轉換器的實施例圖；以及圖8為具其內已實施若干程度切口之折疊邊緣之彈性體箔的實施例圖。

文中相同代號用於相同元件。

圖1為用於生產多層或機電轉換器之設備2的實施例圖。設備2之範例特別為折疊設備2。折疊設備2包含第一板2.1、第二板2.2及第三板2.3。第二板2.2及第三板2.3之間存在藉由鉸鏈裝置8之連接。而且第二板2.2及第一板2.1之間存在藉由進一步鉸鏈裝置8之連接。

如從圖1所見，設備2具有受體區4。受體區4已適當組織用於接收將處理之彈性體箔。尤其，受體區4係藉由設備2中之凹部形成，特別是在三板2.1、2.2、2.3中。受體區具有矩形。依據本發明之其他變化，形狀當然可如所欲。

第一板2.1具有第一受體區4.1，第二板2.2具有第二受體區4.2及第三板2.3具有第三受體區4.3。三受體區4.1、4.2、4.3形成整個連貫受體區4。

受體區中配置凹部6以便將彈性體箔固定在折疊設備2上。尤其，配置複數凹槽6。真空產生之裝置(未顯示)可用以產生低於大氣壓的壓力，尤其是真空，以此方式允許固定配置於受體區4上之彈性體箔。尤其，因而可以簡單方式將彈性體箔固定在折疊設備2上，而無摺痕、屈曲等。

圖2a至2d顯示各式操作位置之設備2，且以下用以描繪例如折疊設備2之功能的模式。

圖2a顯示第一操作位置或開始位置或最初位置之設備2。在此操作位置，板2.1、2.2、2.3形成水平面。尤其，彈性體箔10可配置於受體區4上。一旦配置，可於受體區4之凹部6中產生低於大氣壓的壓力，以便固定箔10。複數電極層12已施加於彈性體箔10上，但為提昇明晰，此處僅以代號12表示。以下提供詳細說明。亦可見到彈性體箔10之形狀本質上相應於受體區4之形狀。

圖2b顯示第二操作位置之設備2。在此操作位置，(180°)旋轉運動已用以折疊或鉸接第一板2.1至第二及第三板2.2、2.3。在此操作位置，於第一部分受體區4.1中產生之真空停止。亦可較佳地產生超大氣壓力。彈性體箔10之第一部分折疊或鉸接以便精準定位至彈性體箔之第二及第三部分。在另一操作位置，第一板2.1旋轉/鉸接回至最初位置(未顯示)。配置接著使鉸接之彈性體箔10仍僅固定於部分受體區4.2及部分受體區4.3上。此提供二層配置。

在圖2c中所示之第三操作位置，(180°)旋轉運動已用以折疊/鉸接第三板2.3至第二板2.2。在此操作位置，於部分受體區4.3中產生之真空停止。此處仍可較佳地產生超大氣壓力。彈性體箔10之第三部分鉸接或折疊以便精準定位至彈性體箔之第二部分。

在第四操作位置(圖2d)或設備2之最後位置，第三板2.3已旋轉/鉸接回至最初位置。配置使鉸接之彈性體箔10僅在第二部分受體區4.2上。此提供四層配置或四層機電轉換器。使用折疊設備2可以簡單方式生產多層機電轉換器。如將說明者，當然接著亦可實施進一步步驟。

圖3a至3e藉由採用彈性體箔16而顯示用於生產依據本發明之機電轉換器之製程之一實施例的各式製程步驟。

圖3a顯示具第一部分16.1及第二部分16.2之彈性體箔16。在先前應用步驟(未顯示)中，四個別電極層18已施加於彈性體箔之第一部分16.1。尤其，已施加四結構化電極18。結構化電極18可例如藉由噴敷施加。

在折疊步驟，尤其旋轉運動係用以藉由以上所說明之設備2將第一部分16.1置於第二部分16.2上。在圖3b中，可見到在折疊步驟之後，具連接凸出部18’之電極層18的位置在內部(由虛線表示)，即彈性體箔16之二部分16.1、16.2之間。

鉸接之彈性體箔16*接著分為進一步第一部分16.1*及進一步第二部分16.2*。二進一步電極層20此處施加至進一步第一部分16.1*。憑藉朝向彈性體箔另一外側之連接凸出部20’的配置，電極層20與電極層18不同。尤其，電極層20本質上施加於電極層 18以上。此處僅連接凸出部18’、20’未高於彼此。

在進一步折疊步驟中，尤其是旋轉運動用以將進一步第二部分16.2*置於進一步第一部分16.1*上。在圖3d中，可見到電極層18、20之位置在內部。

二進一步電極層20接著施加於部分16.1*之上部區域。二進一步電極層可以相應方式附著至下側。尤其，此製程用以生產二個四層機電轉換器。

圖4a顯示通過依據圖3e之二個四層機電轉換器沿剖面線IV-IV的橫截面圖。可以見到第一電極層18之連接凸出部18’朝向與進一步電極層20之連接凸出部20’不同側。個別機電轉換器例如可藉由沖壓於進一步步驟中分離。

圖4b顯示依據圖4a之機電轉換器的實施例，其中三配置16相互重疊。尤其，憑藉相較於個別層增加之層厚度及伴隨增加之穩定度，藉由以上所說明之製程生產的多層轉換器可更容易堆疊。

圖5a至5c顯示用於生產依據本發明之機電轉換器之製程之進一步實施例的各式製程步驟。以下說明本質上僅包含與依據圖3a至3e之實施例的差異，其他方面可參考以上說明。

與以上實施例的根本差異為所有電極層24、26已於單一應用步驟中配置於整個彈性體箔22。電極層24、26係以所有折疊步驟後至少四電極層24、26之位置本質上分別在彼此之上的方式施加。

在第一折疊步驟中，部分22.1、22.2折疊/置於部分22.3、22.4上(圖5b)，且在進一步折疊步驟中，部分22.2係置於部分22.1上。複數多層機電轉換器係並行生產。

圖6a顯示包含分段電極層28之塗層彈性體箔30之平面圖的進一步實施例。此處電極層28包含矩形電極28.2及朝向外側之連接凸出部28.1。

在本實施例中，彈性體箔30已連同(可擴展)電極層28預拉伸。預拉伸已藉由施加以例如聚合物材料之剛性材料製成之框架32而予固定。而且框架具有分離輪廓34，尤其是沖壓輪廓34，以便於後續作業中沿輪廓34分離機電轉換器而未損壞預拉伸。

圖6b顯示以上所說明之實施例的側視圖。可見到電極層28及塑料框架32已施加於特別預拉伸之彈性體箔30上。

如從圖6c中可見，彈性體箔可具有複數以上所說明之結構。憑藉並行製程，允許顯著減少製造時間。

圖7為依據本發明之一較佳實施例的機電轉換器44。所描繪之機電轉換器44具有交替之彈性體箔層46及電極層42.1、42.2。此處配置具有交替之適當組織用於施加第一電位之第一電極層42.1及適當組織用於施加第二電位之第二電極層42.2。第一電極層42.1之所有連接凸出部已朝向第一外側，反之，第二電極層42.2之所有連接凸出部已朝向相對之另一外側。

因而可使用共用接觸電極40.1以連接第一電極層42.1，使得相同電位可施加於所有第一電極層42.1，及使用共用接觸電極40.2以接觸第二電極層42.2，使得進一步相同電位可施加於所有第二電極層42.2。而且機電轉換器44已嵌入可燒鑄材料36，提供保護免於外部影響。尤其，轉換器已燒鑄於聚氨酯被覆36及/或矽氧烷被覆36中。

最後，圖8顯示例如具若干程度已製造切口之折疊邊緣52的彈性體箔50。此允許以簡單方式重複折疊彈性體箔52。適於所描繪範例之折疊設備可包含相互可動配置之八板。