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WO2002037892A2 - Betätigungselement - Google Patents

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WO2002037892A2
WO2002037892A2 PCT/DK2001/000718 DK0100718W WO0237892A2 WO 2002037892 A2 WO2002037892 A2 WO 2002037892A2 DK 0100718 W DK0100718 W DK 0100718W WO 0237892 A2 WO0237892 A2 WO 0237892A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrodes
actuating element
electrode
longitudinal direction
adjacent
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.)
Ceased
Application number
PCT/DK2001/000718
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English (en)
French (fr)
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WO2002037892A3 (de
Inventor
Peter Gravesen
Mohamed Yahia Benslimane
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.)
Danfoss AS
Original Assignee
Danfoss AS
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 Danfoss AS filed Critical Danfoss AS
Priority to AU2002212104A priority Critical patent/AU2002212104A1/en
Publication of WO2002037892A2 publication Critical patent/WO2002037892A2/de
Publication of WO2002037892A3 publication Critical patent/WO2002037892A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/038—Microengines and actuators not provided for in B81B2201/031 - B81B2201/037
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/051—Translation according to an axis parallel to the substrate

Definitions

  • the invention relates to an actuating element with a body made of an elastomer material, which is provided on two mutually opposite boundary surfaces, each with an electrode arrangement, at least one of which has a plurality of first electrodes passing through in the transverse direction of its boundary surface.
  • Such actuators are also called “artificial muscles” because their behavior corresponds to that of human muscles under certain conditions.
  • the change in thickness is completely converted into a change in length in the other direction.
  • the direction in which the length change is to take place is referred to as the "longitudinal direction”.
  • the direction in which a change in length should not take place is referred to as the "transverse direction”.
  • the electrode arrangement has a conductive layer with a relatively low conductivity, to which strips made of a non-compliant material are applied in the transverse direction, the strips being spaced apart from one another in the longitudinal direction.
  • the conductive layer is intended to ensure that the electrical field is distributed as uniformly as possible, while the strips, preferably made of a metal, are intended to prevent the body from spreading in the transverse direction.
  • due to the poor conductivity of the electrically conductive layer there is a certain limitation in the dynamics.
  • the invention has for its object to improve the mechanical extensibility of an actuating element.
  • the electrode arrangement has second electrodes, of which each because several are arranged in gaps between adjacent first electrodes and connect these, the second electrodes being arranged offset in relation to one another in adjacent gaps.
  • the first electrodes which pass in the transverse direction limit the elasticity of the body in this transverse direction or even exclude it. "Passing through” is intended to express that the first electrodes have a shape that can no longer be stretched, for example a straight line. So you ensure that a compression of the body can be converted almost completely into a change in length. In practice, of course, there will also be minor changes in the transverse direction. However, compared to the changes in the longitudinal direction, these are negligible.
  • the second electrodes now ensure that a relatively high electrical conductivity is obtained over the entire surface of the boundary surface. This improves the mechanical extensibility of the actuating element, and the actuating element can be operated at high frequencies.
  • the second electrodes do not significantly increase the rigidity in the longitudinal direction. Rather, the first and the second electrodes form meshes between them, which can pull apart in a diamond shape when the length changes. An additional effect is even achieved: the
  • the second electrodes of every nth gap lie on a line in the longitudinal direction. This simplifies the design of the electrode arrangement. At the same time, the electrical field distribution can be better controlled.
  • the second electrodes of each second gap lie in a line in the longitudinal direction.
  • a structure of the electrode arrangement in the manner of a grid or network with nodes arranged offset from one another is thus achieved.
  • Such a grid can be in
  • the second electrodes of a gap are preferably arranged in the middle of a distance between two adjacent electrodes of an adjacent gap. This results in a high symmetry when the second electrodes are loaded and a very uniform structure of the electric field.
  • the electrode arrangement is preferably connected directly to the body. This configuration has several advantages. On the one hand, the production of such an actuating element is simplified because there is no need to apply an intermediate layer between the electrode arrangement and the body. On the other hand, it is also possible to connect the electrode arrangement to the body more firmly, ie more permanently and more reliably. The attachment can only be matched to the material pairing between the electrode arrangement and the body.
  • the distance between two first electrodes is preferably not greater than the thickness of the body between the boundary surfaces.
  • the extension of a first electrode in the longitudinal direction preferably corresponds to the distance between two first electrodes.
  • the length of the second electrodes in the longitudinal direction is exactly the same as the length of the first electrodes in the longitudinal direction. This further contributes to an equalization of the electrical field. Since a relatively large area is available for conducting electrical current, the response time of such an actuating element is only slightly impaired in comparison to a full-area electrode.
  • a lateral offset between two adjacent second electrodes is preferably greater than the distance between two first electrodes. In this way, a particularly good stretchable mesh or grid is achieved.
  • the electrode arrangement is preferably composed of a multiplicity of congruent unit cells. These unit cells all have the same shape. However, they can be built up mirror-inverted to each other.
  • the body is usually formed by a relatively thin film. This film ensures that the distance between the opposing electrode arrangements is not too great and that an electric field building up between the electrode arrangements can exert sufficient force to compress the body. The thinner the body, the finer the structure of the electrode arrangements.
  • a preferred manufacturing process for the electrode arrangements is photolithography. In photolithography, production becomes easier if you can repeat a basic pattern, in this case the unit cell, many times.
  • Adjacent unit cells are preferably mirrored to one another.
  • the network or lattice-like structure described above is thereby achieved in a simple manner.
  • Each unit cell preferably has a strip which runs in the transverse direction and which is located on both ends. each has a projection which is directed in the longitudinal direction, the two projections being directed in opposite directions. Depending on the point of view, the unit cell has the shape of an elongated S or Z. If several such unit cells are assembled in the transverse direction, the strips form the first electrode.
  • the unit cell preferably has a width / height ratio which is greater than or equal to 3%.
  • the unit cell has a sufficient transverse extent to allow the desired change in length when it is assembled with other unit cells to form the electrode arrangement.
  • Fig. 3 shows a unit cell.
  • the actuating element 1 shows an actuating element 1 in two states, namely in FIG. 1 a in the idle state and in FIG. 1 b in the actuated state.
  • the actuating element 1 has a body 2 made of an elastomer film, for example a silicone elastomer. Such a film usually also has dielectric properties. Above all, the body 2 has the property that its volume remains constant when it is compressed. Accordingly, the reduction in the thickness d of the body 2 causes an expansion perpendicular to the printing direction, as can be seen from a comparison between FIGS. 1a and 1b.
  • the body 2 has an electrode arrangement 3 on its upper side and a further electrode arrangement 4 on its underside.
  • the two electrode arrangements 3, 4 have the same or at least a similar design. If a voltage difference is applied to the two electrode arrangements 3, 4, an electrical field is created which penetrates the body 2. This electric field generates forces which cause the two electrode arrangements 3, 4 to be attracted. The attractive forces of the two electrode arrangements 3, 4 press the body 2 together.
  • the body 2 has a constant volume, ie a reduction in the thickness d (from FIG. 1 a to FIG. 1 b) results in a corresponding expansion in width and length. If you now prevent the expansion in width, the reduction in thickness only affects an increase in length.
  • the longitudinal direction which is represented by an arrow 5 in FIGS. 1 and 2
  • the transverse direction which is represented by an arrow 6, runs from left to right in FIG.
  • the actuating element 1 is therefore anisotropic. Changes in the longitudinal direction 5 are possible, while changes in the transverse direction 6 are practically prevented.
  • the electrode arrangements 3, 4 have a specific design, which is explained below in connection with FIGS. 2 and 3.
  • the electrode arrangement 3 is shown in plan view in FIG. 2.
  • the electrode arrangement 4 looks exactly the same.
  • the electrode arrangement 3 has first electrodes 7 which extend in the transverse direction 6 in the form of a line over the entire width of the body 2.
  • the first electrodes 7 are arranged with gaps 8, 8a, 8b to one another.
  • second electrodes 9 are arranged in such a way that an electrode 9 'of a gap 8a is arranged in the middle between two second electrodes 9 of the adjacent gap 8b.
  • the second electrodes 9 'of every second gap 8 lie here on a straight line in the longitudinal direction 5.
  • the first and second electrodes are perpendicular to the direction of expansion. device attached to the actuator.
  • the electrode arrangement 3 thus forms a network or grid with meshes 10, each of which is bounded by two first electrodes 7 and two second electrodes 9, these meshes 10 being contracted in a diamond shape when the body 2 expands in the longitudinal direction 5.
  • the electrode arrangements 3, 4 are applied directly to the body 2, i.e. without an electrically poorly conductive intermediate layer. They can thus be connected relatively firmly to the body 2, so that the movement of the body 2, i.e. A change in the extension in the longitudinal direction 5 or transverse direction 6 is only permissible as far as the electrode arrangements 3, 4 allow.
  • the first electrodes 7 Basically, these are not stretchable, so that the body 2 must not expand in the transverse direction 6. It looks different in the longitudinal direction 5.
  • the meshes 10 which are slit-shaped in the rest state, are deformed like a diamond. This creates an additional pull in the transverse direction 6, which counteracts an expansion of the body 2 in the transverse direction 6.
  • the distance a between two first electrodes is not greater than the thickness d of the body 2 between the boundary surfaces, ie between the electrode arrangements 3, 4. It can also be seen from FIG. 2 that the first electrodes 7 have a longitudinal extension b which corresponds to the distance a, ie the longitudinal extension of the gaps 8.
  • the electrode arrangement 3 consists of a regular pattern of so-called unit cells 11, one of which is shown enlarged in FIG. 3.
  • unit cells 11 are drawn in with dashed lines, whereby it can be seen that adjacent unit cells 11 are each mirrored to one another, i.e. they are either mirrored on a line 12 which runs parallel to the longitudinal direction 5, or on a line 13 which runs parallel to the transverse direction 6.
  • Each unit cell 11 has a strip 14 which has the above-mentioned width b and a length L and later forms the first electrodes 7, and two projections 15, 16, so that the unit cell 11 has an extension H overall. While the strip 14 is directed in the transverse direction 6, the projections 15, 16 are directed in the longitudinal direction 5, but are opposed to one another.
  • the ratio L / H is at least 3 1/2 • It may also be even larger, for example 10.
  • the extension H twice the length b of the first electrode, so that during assembly of the respective unit cells 11 shown in Fig. 2 illustrated patterns of electrical the arrangement wins, in which the gaps 8 between the first electrodes 7 are as large as the longitudinal extent b of the first electrodes 7.
  • the second electrode 9 ' is offset from an adjacent electrode 9 by a distance L extending in the transverse direction. This offset should be greater than the distance a between two first electrodes 7, i.e. L> a.
  • the distance a between the first electrodes 7 is equal to or less than the thickness d of the body 2. If one works with thin films with a thickness in the micrometer range, photolithography techniques are well suited to design the electrode arrangements 3, 4. For example, a thin layer of gold can be applied to the body 2, for example by vapor deposition. A thin, for example 1 ⁇ m thick, positive photoresist layer is then applied to the gold-coated body 2. The photoresist is exposed to UN radiation, if necessary after curing, through a mask which is designed in such a way that it has exactly the desired profile pattern for the electrode arrangement 3, 4. The photoresist is then developed and the exposed parts are removed.
  • the body is then placed in a (KI + I 2 ) mixture that etches out unwanted gold surfaces, namely the meshes 10 or slots that are to be formed in the gold coating.
  • the pattern shown in FIG. 2 is thus achieved.
  • KI is iodine potassium and I 2 is iodine.
  • the electrostatic field is distributed uniformly over the body 2, as a result of which an optimal degree of efficiency is achieved.
  • the second electrodes 9 act as bridges between the first electrodes 7.
  • the meshes 10, however, do not conduct.
  • the electrode arrangement 3, 4 has an increased resistance compared to a continuous gold coating of the same thickness. You can roughly estimate this increased resistance with a resistance increase factor K R
  • a similar force factor K can be calculated from the same values using the following formula:
  • K F ⁇ 3 (H 2 / ((L- ⁇ H) L))
  • the table below shows typical values for electrode layers and elastomers as well as typical values for the activation voltage of an actuator.

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Abstract

Es wird ein Betätigungselement angegeben mit einem Körper aus einem Elastomermaterial, der auf zwei einander gegenüberliegenden Begrenzungsflächen mit jeweils einer Elektrodenanordnung (3) versehen ist, von denen mindestens eine mehrere in Querrichtung (6) ihrer Begrenzungsfläche durchgehende erste Elektroden (7) aufweist. Man möchte die Dynamik eines derartigen Betätigungselements verbessern können. Hierzu weist die Elektrodenanordnung (3) zweite Elektroden (9) auf, von denen jeweils mehrere in Lücken (8, 8a, 8b) zwischen benachbarten ersten Elektroden (7) angeordnet sind und diese verbinden, wobei die zweiten Elektroden (9, 9') in benachbarten Lücken (8a, 8b) versetzt zueinander angeordnet sind.

Description

Betätigungselement
Die Erfindung betrifft ein Betätigungselement mit einem Körper aus einem Elastomermaterial, der auf zwei einander gegenüberliegenden Begrenzungsflächen mit jeweils einer Elektrodenanordnung versehen ist, von denen mindestens eine mehrere in Querrichtung ihrer Begrenzungs- fläche durchgehende erste Elektroden aufweist .
Ein derartiges Betätigungselement ist aus US 5 977 685 bekannt .
Derartige Betätigungselemente werden auch kurz als "künstliche Muskeln" bezeichnet, weil ihr Verhalten unter gewissen Bedingungen dem von menschlichen Muskeln entspricht .
Die Funktionsweise ist relativ einfach. Wenn eine Spannungsdifferenz an die beiden Elektrodenanordnungen angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld durch den Körper hindurch, wobei das elektrische Feld mechanische Anziehungskräfte zwischen den Elektrodenanordnungen erzeugt . Dies führt zu einer Annäherung der beiden Elektrodenanordnungen und damit verbunden zu einer Kompression des Körpers. Die Annäherung kann noch unterstützt werden, wenn das Material des Körpers dielektrische Ei- genschaften hat. Da das Material aber ein im wesentlichen konstantes Volumen hat, führt das Zusammendrücken, also das Vermindern der Dicke, zu einer Vergrößerung der Abmessungen des Körpers in den anderen beiden Richtungen, d.h. parallel zu den Elektrodenanordnungen.
Wenn man nun die Dehnbarkeit des Körpers auf eine Rich- tung beschränkt, dann wird die Dickenänderung vollständig in eine Längenänderung in die andere Richtung umgesetzt. Für die nachfolgende Erläuterung wird die Richtung, in der die Längenveränderung erfolgen soll, als "Längsrichtung" bezeichnet. Die Richtung, in der eine Längenänderung nicht erfolgen soll, wird als "Querrichtung" bezeichnet. Im bekannten Fall weist die Elektrodenanordnung eine leitende Schicht mit einer relativ niedrigen Leitfähigkeit auf, auf die in Querrichtung verlaufende Streifen aus einem nicht nachgiebigen Mate- rial aufgetragen sind, wobei die Streifen in Längsrichtung einen Abstand zueinander aufweisen. Die leitfähige Schicht soll für eine möglichst gleichförmige Verteilung des elektrischen Feldes sorgen, während die Streifen, vorzugsweise aus einem Metall, die Ausbreitung des Körpers in Querrichtung verhindern sollen. Allerdings ergibt sich hierbei aufgrund der schlechten Leitfähigkeit der elektrisch leitenden Schicht eine gewisse Begrenzung bei der Dynamik.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanische Dehnbarkeit eines Betätigungselements zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einem Betätigungselement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Elektrodenanordnung zweite Elektroden aufweist, von denen je- weils mehrere in Lücken zwischen benachbarten ersten Elektroden angeordnet sind und diese verbinden, wobei die zweiten Elektroden in benachbarten Lücken versetzt zueinander angeordnet sind.
Mit dieser Ausgestaltung werden zwei Vorteile miteinander kombiniert. Die ersten Elektroden, die in Querrichtung durchgehen, begrenzen die Dehnbarkeit des Körpers in dieser Querrichtung oder schließen sie sogar aus. "Durchgehen" soll hierbei zum Ausdruck bringen, daß die ersten Elektroden eine Form haben, die nicht mehr gestreckt werden kann, beispielsweise eine gerade Linie. Sie sorgen also dafür, daß eine Kompression des Körpers nahezu vollständig in eine Längenänderung umgesetzt werden kann. Natürlich werden sich in der Praxis auch kleinere Änderungen in Querrichtung ergeben. Diese sind aber, verglichen mit den Änderungen in Längsrichtung, vernachlässigbar. Die zweiten Elektroden sorgen nun dafür, daß man eine relativ hohe elektrische Leitfähig- keit über die gesamte Oberfläche der Begrenzungsfläche erhält. Dies verbessert die mechanische Dehnbarkeit des Betätigungselements, und man kann das Betätigungselement mit hohen Frequenzen betreiben. Aufgrund der besonderen Anordnung der zweiten Elektroden zwischen den ersten Elektroden bewirken die zweiten Elektroden keine nennenswerte Vergrößerung der Steifigkeit in Längsrichtung. Die ersten und die zweiten Elektroden bilden vielmehr Maschen zwischen sich aus, die sich bei einer Längenänderung rautenförmig auseinanderziehen können. Dabei wird sogar ein zusätzlicher Effekt erzielt: die
Änderung der Länge führt zu einer zusätzlichen Spannung in Querrichtung, die einer Ausdehnung des Körpers in Querrichtung entgegenwirkt, da die wirksame Länge der ersten Elektroden in Querrichtung vermindert wird. Man erhält also eine wesentlich verbesserte Umsetzung der Annäherungsbewegung der Elektroden in eine Längenänderung. Dabei wird die mechanische Dehnbarkeit verbessert, ohne daß die Dynamik des Betätigungselements nennenswert beeinträchtigt wird.
Vorzugsweise liegen die zweiten Elektroden jeder n-ten Lücke auf einer Linie in Längsrichtung. Dies erleichtert die Gestaltung der Elektrodenanordnung. Gleichzeitig läßt sich die elektrische Feldverteilung besser steuern.
Vorzugsweise liegen die zweiten Elektroden jeder zweiten Lücke in Längsrichtung auf eine Linie. Man erzielt damit einen Aufbau der Elektrodenanordnung nach Art eines Gitters oder Netzes mit zueinander versetzt ange- ordneten Knoten. Ein derartiges Gitter läßt sich in
Längsrichtung relativ leicht auseinanderziehen, während es in Querrichtung relativ starr ausgebildet ist.
Bevorzugterweise sind die zweiten Elektroden einer Lü- cke in der Mitte eines Abstandes zwischen zwei benachbarten Elektroden einer benachbarten Lücke angeordnet . Dies ergibt eine hohe Symmetrie bei der Belastung der jeweils zweiten Elektroden und einen sehr gleichförmigen Aufbau des elektrischen Feldes. Bevorzugterweise ist die Elektrodenanordnung unmittelbar mit dem Körper verbunden. Diese Ausgestaltung hat mehrere Vorteile. Zum einen wird die Herstellung eines derartigen Betätigungselements vereinfacht, weil man keine Zwischenschicht zwischen der Elektrodenanordnung und dem Körper aufbringen muß. Zum anderen ist es auch möglich, die Elektrodenanordnung fester, d.h. dauerhafter und- belastbarer, mit dem Körper zu verbinden. Man kann die Befestigung ausschließlich auf die Material- paarung zwischen Elektrodenanordnung und Körper abstimmen.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen zwei ersten Elektroden nicht größer als die Dicke des Körpers zwi- sehen den Begrenzungsflächen. Bei dieser Ausgestaltung erzeugt man ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektrodenanordnungen, das so gleichförmig ist, daß eine gleichförmige Kompression des Körpers erreicht werden kann.
Bevorzugterweise entspricht die Erstreckung einer ersten Elektrode in Längsrichtung dem Abstand zwischen zwei ersten Elektroden. Mit anderen Worten ist die Länge der zweiten Elektroden in Längsrichtung genau so groß wie die Länge der ersten Elektroden in Längsrichtung. Dies trägt weiterhin zu einer Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes bei . Da eine relativ große Fläche zur Leitung von elektrischem Strom zur Verfügung steht, wird die Antwortzeit eines derartigen Betäti- gungselements im Vergleich zu einer vollflächigen Elektrode nur geringfügig beeinträchtigt. Vorzugsweise ist ein seitlicher Versatz zwischen zwei benachbarten zweiten Elektroden größer als der Abstand zwischen zwei ersten Elektroden. Damit erreicht man ein besonders gut dehnbares Netz oder Gitter.
Bevorzugterweise ist die Elektrodenanordnung aus einer Vielzahl von kongruenten Einheitszellen zusammengesetzt. Diese Einheitszellen haben alle die gleiche Form. Sie können allerdings spiegelverkehrt zueinander aufgebaut sein. Der Körper wird normalerweise durch einen relativ dünnen Film gebildet. Dieser Film gewährleistet, daß der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Elektrodenanordnungen nicht- zu groß ist und daß sich zwischen den Elektrodenanordnungen aufbauende elektrische Feld genügend Kraft aufbringen kann, um den Körper zusammenzudrücken. Je dünner der Körper ist, desto feiner muß die Struktur der Elektrodenanordnungen ausgebildet sein. Ein bevorzugtes Herstellungs- verfahren für die Elektrodenanordnungen ist die Fotolithografie. Bei der Fotolithografie wird die Herstellung einfacher, wenn man ein Grundmuster, im vorliegenden Fall die Einheitszelle, vielfach wiederholen kann.
Vorzugsweise sind benachbarte Einheitszellen gespiegelt zueinander ausgebildet . Dadurch erreicht man den oben beschriebenen netz oder gitterartigen Aufbau auf einfache Weise.
Vorzugsweise weist jede Einheitszelle einen Streifen auf, der in Querrichtung verläuft und der an beiden En- den jeweils einen Vorsprung aufweist, der in Längsrichtung gerichtet ist, wobei die beiden Vorsprünge entgegengesetzt gerichtet sind. Je nach Betrachtungsweise hat die Einheitszelle die Form eines langgestreckten S oder Z. Wenn mehrere derartige Einheitszellen in Querrichtung zusammengesetzt werden, bilden die Streifen die erste Elektrode .
Bevorzugterweise weist die Einheitszelle ein Breiten/ Höhenverhältnis auf, das größer oder gleich 3% ist. Bei dieser Ausgestaltung hat die Einheitszelle eine ausreichende Quererstreckung, um dann, wenn sie mit anderen Einheitszellen zu der Elektrodenanordnung zusammengesetzt ist, die gewünschte Längenänderung zuzulas- sen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 ein Betätigungselement in schematischer Seitenansicht in zwei Zuständen,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf das Betäti- gungselement und
Fig. 3 eine Einheitszelle.
Fig. 1 zeigt ein Betätigungselement 1 in zwei Zustän- den, nämlich in Fig. la im Ruhezustand und in Fig. lb in betätigtem Zustand. Das Betätigungselement 1 weist einen Körper 2 aus einem Elastomerfilm auf, beispielsweise einem Silikonelastomer. Üblicherweise hat ein derartiger Film auch dielektrische Eigenschaften. Vor allem aber hat der Körper 2 die Eigenschaft, daß sein Volumen konstant bleibt, wenn er zusammengedrückt wird. Dementsprechend bewirkt die Verringerung der Dicke d des Körpers 2 eine Ausdehnung senkrecht zu der Druckrichtung, wie dies aus einem Vergleich zwischen den Fig. la und lb zu erkennen ist.
Der Körper 2 weist an seiner Oberseite eine Elektrodenanordnung 3 und an seiner Unterseite eine weitere Elektrodenanordnung 4 auf . Die beiden Elektrodenanordnungen 3, 4 sind gleich oder zumindest ähnlich ausge- bildet. Wenn man eine Spannungsdifferenz an die beiden Elektrodenanordnungen 3, 4 anlegt, entsteht ein elektrisches Feld, das den Körper 2 durchsetzt. Dieses elektrische Feld erzeugt Kräfte, die eine Anziehung der beiden Elektrodenanordnungen 3, 4 bewirken. Die Anzie- hungskrafte der beiden Elektrodenanordnungen 3, 4 drücken den Körper 2 zusammen.
Wie oben erwähnt, hat der Körper 2 ein konstantes Volumen, d.h. einer Verminderung der Dicke d (von Fig. 1 a nach Fig. lb) hat eine entsprechende Ausdehnung in der Breite und in der Länge zur Folge . Wenn man nun die Ausdehnung in der Breite unterbindet, dann wirkt sich die Dickenverminderung ausschließlich in einer Vergrößerung der Länge aus . Für die Zwecke der nachfolgenden Erläuterung wird angenommen, daß die Längsrichtung, die in den Fig. 1 und 2 durch einen Pfeil 5 dargestellt ist, in Fig. 1 von links nach rechts und in Fig. 2 von unten nach oben verläuft, während die Querrichtung, die durch einen Pfeil 6 dargestellt ist, in Fig. 2 von links nach rechts verläuft . Das Betätigungselement 1 ist also anisotrop aufgebaut. Änderungen in Längsrichtung 5 sind möglich, während Änderungen in Querrichtung 6 praktisch verhindert werden.
Um diese Anisotropie konstruktiv zu bewirken, weisen die Elektrodenanordnungen 3, 4 eine bestimmte Gestaltung auf, die nachfolgend im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 erläutert wird.
In Fig. 2 ist die Elektrodenanordnung 3 in Draufsicht dargestellt . Die Elektrodenanordnung 4 sieht genauso aus .
Die Elektrodenanordnung 3 weist erste Elektroden 7 auf, die sich in Querrichtung 6 linienfδrmig über die gesamte Breite des Körpers 2 erstrecken. Die ersten Elektroden 7 sind hierbei mit Lücken 8, 8a, 8b zueinander an- geordnet. In diesen Lücken 8 sind zweite Elektroden 9 angeordnet und zwar so, daß eine Elektrode 9' einer Lücke 8a in der Mitte zwischen zwei zweiten Elektroden 9 der benachbarten Lücke 8b angeordnet ist. Die zweiten Elektroden 9' jeder zweiten Lücke 8 liegen hierbei auf einer Geraden in Längsrichtung 5. Die ersten und zweiten Elektroden sind rechtwinklig zur Ausdehnungsrich- tung des Betätigungselements angebracht. Die Elektrodenanordnung 3 bildet also ein Netz oder Gitter mit Maschen 10, die jeweils von zwei ersten Elektroden 7 und zwei zweiten Elektroden 9 umgrenzt sind, wobei diese Maschen 10 dann, wenn sich der Körper 2 in Längsrichtung 5 ausdehnt, rautenförmig zusammengezogen werden.
Die Elektrodenanordnungen 3, 4 sind unmittelbar auf den Körper 2 aufgebracht, d.h. ohne eine elektrisch schlechter leitende Zwischenschicht. Sie können damit relativ fest mit dem Körper 2 verbunden werden, so daß die Bewegung des Körpers 2, d.h. einer Änderung der Ausdehnung in Längsrichtung 5 oder Querrichtung 6 nur so weit zulässig ist, wie dies die Elektrodenanordnun- gen 3, 4 zulassen.
Dementsprechend wird eine Änderung der Ausdehnung des Körpers 2 in Querrichtung 6 durch die ersten Elektroden 7 verhindert . Diese sind im Grunde genommen nicht dehn- bar, so daß eine Ausdehnung des Körpers 2 in Querrichtung 6 unterbleiben muß. Anders sieht es in Längsrichtung 5 aus. Wenn sich der Körper 2 in Längsrichtung 5 ausdehnt, dann werden die im Ruhezustand schlitzförmig ausgebildeten Maschen 10 rautenartig verformt. Hier- durch entsteht ein zusätzlicher Zug in Querrichtung 6, der einer Ausdehnung des Körpers 2 in Querrichtung 6 entgegenwirkt .
Um eine gleichmäßige Ausbildung des elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektrodenanordnungen 3, 4 sicherzustellen, ist vorgesehen, daß der Abstand a zwischen zwei ersten Elektroden nicht größer als die Dicke d des Körpers 2 zwischen den Begrenzungsflächen, d.h. zwischen den Elektrodenanordnungen 3, 4 ist. Ferner ist aus Fig. 2 zu erkennen, daß die ersten Elektroden 7 ei- ne Längserstreckung b aufweisen, die dem Abstand a, d.h. der Längserstreckung der Lücken 8 entspricht.
Die Elektrodenanordnung 3 besteht aus einem regelmäßigen Muster von sogenannten Einheitszellen 11, von denen eine vergrößert in Fig. 3 dargestellt ist. In Fig. 2 sind vier derartige Einheitszellen 11 gestrichelt eingezeichnet, wobei zu erkennen ist, daß jeweils benachbarte Einheitszellen 11 gespiegelt zueinander ausgebildet sind, d.h. sie sind entweder an einer Linie 12 ge- spiegelt, die parallel zur Längsrichtung 5 verläuft, oder an eine Linie 13, die parallel zur Querrichtung 6 verläuft .
Jede Einheitszelle 11 weist einen Streifen 14 auf, der die oben genannte Breite b und eine Länge L aufweist und später die ersten Elektroden 7 bildet, sowie zwei Vorsprünge 15, 16, so daß die Einheitszelle 11 insgesamt eine Erstreckung H aufweist . Während der Streifen 14 in Querrichtung 6 gerichtet ist, sind die Vorsprünge 15, 16 in Längsrichtung 5 gerichtet, aber aneinander entgegengesetzt. Das Verhältnis L/H beträgt mindestens 31/2 • Es kann aber auch noch größer sein, beispielsweise 10. Üblicherweise beträgt die Erstreckung H das doppelte der Längserstreckung b der ersten Elektroden, so daß man beim Zusammensetzen der entsprechenden Einheitszellen 11 das in Fig. 2 dargestellte Muster der Elektro- denanordnung gewinnt, bei dem die Lücken 8 zwischen den ersten Elektroden 7 genauso groß sind wie die Längserstreckung b der ersten Elektroden 7.
Die zweite Elektrode 9 ' ist gegenüber einer benachbarten Elektrode 9 um einen sich in Querrichtung erstreckenden Abstand L versetzt. Dieser Versatz sollte größer als der Abstand a zwischen zwei ersten Elektroden 7 sein, d.h. L > a.
Wie oben erwähnt, ist es von Vorteil, wenn die Entfernung a zwischen den ersten Elektroden 7 gleich groß oder kleiner als die Dicke d des Körpers 2 ist. Wenn man mit dünnen Filmen mit einer Dicke im Mikrometerbe- reich arbeitet, sind Fotolithografietechniken gut geeignet, um die Elektrodenanordnungen 3 , 4 zu gestalten. Beispielsweise kann man eine dünne Goldschicht auf den Körper 2 aufbringen, beispielsweise aufdampfen. Danach wird eine dünne, beispielsweise 1 μm dicke positive Fo- toresistschicht auf den goldbeschichteten Körper 2 aufgetragen. Der Fotoresist wird, gegebenenfalls nach einer Aushärtung, einer UN-Bestrahlung ausgesetzt durch eine Maske, die so gestaltet ist, daß sie genau das gewünschte Profilmuster für die Elektrodenanordnung 3, 4 aufweist. Der Fotoresist wird dann entwickelt und die belichteten Teile werden herausgelöst. Danach wird der Körper in eine (KI+I2) Mischung gegeben, die unerwünschte Goldflächen herausätzt, nämlich die Maschen 10 oder Schlitze, die in der GoldbeSchichtung ausgebildet werden sollen. Damit erzielt man das in Fig. 2 dargestellte Muster. (KI ist Jodkalium und I2 ist Jod.) Aufgrund der speziellen Form der Elektrodenanordnungen 3, 4 wird das elektrostatische Feld gleichförmig über den Körper 2 verteilt, wodurch ein optimaler Wirkungs- grad erreicht wird. Hierbei wirken die zweiten Elektroden 9 als Brücken zwischen den ersten Elektroden 7. Die Maschen 10 leiten hingegen nicht. Aus diesem Grund hat die Elektrodenanordnung 3, 4 verglichen mit einer durchgehenden Goldbeschichtung der gleichen Dicke einen erhöhten Widerstand. Man kann diesen erhöhten Widerstand grob abschätzen mit einem Widerstandszunahmefaktor KR
KR = (L/H)2(l/α + H/L) ,
wobei die Dimensionen H und L aus Fig. 3 hervorgehen und = b/H ist (Füllfaktor) .
Ein ähnlicher Kraftfaktor K kann aus den gleichen Wer- ten nach folgender Formel berechnet werden:
KF = α3 (H2/ ( (L-αH) L) )
Ein Vergleich der beiden Faktoren KR und KF läßt den Schluß zu, daß es möglich ist, ein Betätigungselement mit verminderter Kraft (vergrößerte Dehnbarkeit) auszubilden ohne den elektrischen Widerstand zu vergrößern.
Theoretisch kann man davon ausgehen, daß, wenn L/H = 10 ist und die Dicke d des Körpers um einen Faktor 100 vergrößert wird, das Nettoergebnis ein unveränderter elektrischer Widerstand und eine um den Faktor 100 verminderter Kraft oder eine um den Faktor 100 vergrößerte Dehnbarkeit ist .
Dies ist jedoch nur für einen freihängenden Körper 2 gültig. Wenn der Körper mit einem Substrat verbunden ist, ist die Nettoreduktion viel kleiner, falls die charakteristischen Abmessungen der Schlitze oder Maschen 10 größer sind als die Dicke d der Schicht, an der die Elektrodenanordnung befestigt ist. Mit anderen Worten, wenn man mit dünnen Schichten im Bereich von 1 bis 2 μm arbeitet, benötigt man eine Submikro-Photo- lithografie, um die Maschen 10 freizulegen. Kostengünstigere Prozesse, wie Maskierungs- oder Drucktechniken, begrenzen die minimale Maschenbreite in Längsrichtung auf 20 bis 50 μm und somit die minimale Elastomerdicke auf 50 bis 100 μm.
Die untenstehende Tabelle zeigt typische Werte für Elektrodenschichten und Elastomere sowie typische Werte der AktivierungsSpannung eines Betätigungselements.
Figure imgf000016_0001
Im folgenden betrachten wir einen 20 μm dicken Silikon- Elastomerfilm mit einem Elastizitätsmodul von 0,7 MPa und einer Dielektrizitäts-Konstante von 3. Die Elektro- den sind aus Gold und haben eine Dicke von 0,05 μm sowie einen Elastizitätsmodul von 80000 MPa. Die Kapazität eines solchen Betätigungselements beträgt 0,1 nF/cm2 , und die Sprungantwort liegt in der Größen- Ordnung von Mikrosekunden für das nichtbelastete Betätigungselement. Wenn man einen Dehnbarkeitsfaktor der Elektrode von 4000 annimmt, sind 1000 V nötig, um eine Verlängerung in der Größenordnung von 10% zu erzeugen, wogegen eine Verlängerung von weniger als 0,05 % im Falle einer undehbaren Elektrode erzeugt wird, d.h. einer Elektrode mit einem Dehnbarkeitsfaktor von 1. Mit anderen Worten macht es die Erfindung möglich, die Aktivierungsspannung zu senken.

Claims

Patentansprüche
1. Betätigungselement mit einem Körper aus einem Elastomermaterial, der auf einander gegenüberliegenden Begrenzungsflächen mit jeweils einer Elektrodenanordnung versehen ist, von denen mindestens eine mehrere in Querrichtung ihrer Begrenzungsfläche durchgehende erste Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (3, 4) zweite Elektroden (9, 9') aufweist, von denen jeweils mehrere in Lücken (8, 8a, 8b) zwischen benachbarten ersten Elektroden (7) angeordnet sind und diese verbinden, wobei die zweiten Elektroden (9, 9') in benachbarten Lücken (8a, 8b) versetzt zueinander angeordnet sind.
2. Betätigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektroden (9, 9') jeder n-ten Lücken (8, 8a, 8b) auf einer Linie in Längsrichtung (5) liegen.
3. Betätigungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektroden (9, 9') jeder zweiten Lücke (8a, 8b) in Längsrichtung (5) auf einer Linie liegen.
4. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektro- den (9, 9') einer Lücke (8a) in der Mitte eines Ab- standes zwischen zwei benachbarten zweiten Elektro- den (9) einer benachbarten Lücke (8b) angeordnet sind.
5. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (3, 4) unmittelbar mit dem Körper (2) verbunden ist.
6. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen zwei ersten Elektroden (7) nicht größer als die Dicke (d) des Körpers (2) zwischen den Begrenzungsflächen ist .
7. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung (b) einer ersten Elektrode (7) in Längsrichtung dem Abstand (a) zwischen zwei ersten Elektroden (7) entspricht .
8. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß ein seitlicher Versatz zwischen zwei benachbarten zweiten Elektroden größer ist als der Abstand zwischen zwei ersten Elektroden.
9. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (3, 4) aus einer Vielzahl von kongruenten Ein- heitszellen (11) zusammengesetzt ist.
10. Betätigungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Einheitszellen (11) gespiegelt zueinander ausgebildet sind.
11. Betätigungselement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einheitszelle (11) einen Streifen (14) aufweist, der in Querrichtung (6) verläuft und der an beiden Enden jeweils einen Vorsprung (15, 16) aufweist, der in Längsrichtung (5) gerichtet ist, wobei die beiden Vorsprünge (15, 16) entgegengesetzt gerichtet sind.
12. Betätigungselement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitszelle ein Breiten-/Höhenverhältnis (L/H) aufweist, das größer oder gleich 31/-. ist.
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