用于生产多层机电换能器的方法【专利说明】用于生产多层机电换能器的方法[0001]本发明涉及一种用于生产多层机电换能器的方法，一种机电换能器，一种包括所述机电换能器的部件，一种所述机电换能器的用途以及一种用于生产该机电换能器的设备。[0002]机电换能器将电能转换成机械能且反之亦然。它们可以被用作传感器、致动器和/或发生器组成部分。[0003]这样的换能器的基本构造由电活性聚合物（ΕΑΡ)组成。构造原理和作用方式类似于电容器的构造原理和作用方式。电介质存在于施加有电压的两个导电板（换言之，电极）之间。然而，ΕΑΡ是一种可扩展的电介质，其根据电场变形。更具体地，它们是电介质弹性体，该电介质弹性体通常是箱形式的（DEAP:电介质电活性聚合物），其具有高电阻率且在两侧上涂敷有可扩展的高电导率电极（电极），例如，如在W001/006575中所描述的。此基本构造可以被用在用于生产传感器、致动器或发生器的多种不同配置中。除了单层构造，多层机电换能器也是已知的。[0004]根据应用（诸如，致动器、传感器和/或发生器），作为这样的换能器系统中的弹性电介质的电活性聚合物具有不同的电学性能和机械性能。[0005]它们共有的电学性能是电介质的内部电阻高、电介质强度高、电极的电导率高和在应用的频率范围内介电常数高。这些性能允许大量电能在填充有电活性聚合物的体积中的长期存储。[0006]共有的机械性能是足够高的断裂伸长率、低永久伸长率以及足够高的压缩/拉伸强度。在不对能量换能器造成机械损害的情况下，这些性能确保足够高的弹性变形性。[0007]对于在"张力"下操作（即，在操作期间经受张力应力）的机电换能器，特别重要的是，这些弹性体不具有任何永久伸长率。尤其，不应出现流动或"蠕变"，因为否则在一定数目的伸长周期之后，不再存在任何机械回复力，且因此不再存在任何电活性效果。因此，在机械负荷下，弹性体不应显示任何应力松弛。[0008]用于张力模式中的机电换能器，需要具有高可逆可扩展性、具有高断裂伸长率和低弹性拉伸模量的弹性体。对于这样的机电换能器，从文献中已知的是，可扩展性与介电常数以及所施加的电压成正比，并且与模量成反比，根据等式用相对介电常数绝对介电常数％、硬度Υ、和箱厚度d及电压U显示伸长率sz:[0010]最大可能电压进而取决于击穿强度。在此，若击穿强度低，则仅可以施加低电压。因为电压值的平方被输入该等式用于计算由电极的静电吸引所引起的扩展，击穿强度优选地相应高。[0011]为此，可以在FedericoCarpi的书中DielectricElastomersasElectromechanicalTransducers，Elsevier，第314页，等式30.1和同样地亦在R.Pelrine，Science287,5454,2000,第837页，等式2中找到现有技术已知的等式。来自以上段落的等式阐明用于电介质弹性体致动器的操作的一个非常重要的性能：在相同电场强度的前提下，层厚度d越低，致动器的操作电压越小。然而，同时，厚度方向上可能的绝对变形幅度也随着层厚度下降。[0012]在1997年的早期出版物中PELRINE等人已经示出了解决此问题的一种方法类似于压电堆叠致动器，各个层可以被堆叠成一个在另一个之上[R.E.PELRINE，R.K0RNBLUH，J.P.JOSEPH和S.CHIBA."Electrostrictionofpolymerfilmsformicroactuators'，，在:MicroElectroMechanicalSystems,1997中。MEMS,97,Proceedings,IEEE.,TenthAnnualInternationalWorkshopon(1997),第238-243页.]。在电气方面，这些层并联电连接，意味着尽管操作电压U低，但在每个层上存在相对高的场强度E。在机械方面，与之相比，致动器层串联连接；各个变形累积。由PELRINE等人展示的堆叠具有四层电介质和电极且该堆叠是手动生产的。电极层优选地具有一种特定结构，该特定结构是通过喷涂罩板、喷墨印刷和/或在丝网印刷的情况下的丝网实现的。[0013]如果涂敷有电极层的弹性体箱被卷起，可以实现类似的效果。在此情况下，在施加的电场的方向上不再使用变形力，而是与施加的电场的方向成直角。其两个原理是已知的：[0014]DanfossPolypower公司使用波纹ΕΑΡ材料构造无芯辑式致动器[Tryson,Μ.,Kill,Η.-Ε.,Benslimane,Μ.:Powerfultubularcorefreedielectricelectroactivatepolymer(DEAP)'PUSH'actuator;ElectroactivePolymerActuatorsandDevices(EAPAD)，Proc.ofSPIEV01.7287,2009·];在EMPA[Zhang，R.，Lochmatter，P.，Kunz,A.,Kovacs,G.:SpringRollDielectricElastomerActuatorsforaPortableForceFeedbackGlove;SmartStructuresandMaterials，Proc.ofSPIEVol.6168,2006·]在集成螺旋形弹簧的帮助下给ΕΑΡ材料预加应力。在最后原理情况下的一个缺点是对ΕΑΡ材料中的机械缺陷的高易感性。在无芯致动器的情况下致动器效果仅仅可归因于在圆周方向上硬性的电极。[0015]在所有方法的情况下生产堆叠致动器或多层机电换能器中的巨大挑战是，多个电介质层和电极层的完美且无污染的堆叠。CARPI等人认定一个管的切开作为此问题的解决方案。电介质是硅树脂管的形式。以螺旋方式切开此管，然后用导电材料覆盖切割面，且然后这些切割面充当电极[F.CARPI,A.MIGLI0RE，G.SERRA和D.DEROSSI."Helicaldielectricelastomeractuators'，，在：SmartMaterialsandStructures14.6(2005),第1210-1216页中]。[0016]CHUC等人提出了一种自动化方法，所述方法在原则上基于根据CARPI的折叠[Ν·H.CHUC，J.K.PARK,D.V.THUY，H.S.KIM,J.C.K00等"Multi-stackedartificialmuscleactuatorbasedonsyntheticelastomer'，·在：Proceedingsofthe2007IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystemsSanDiego,CA,USA,Oct29-Nov2,2007(2007)，第771页中]。然而电介质箱在此每个均仅被折叠一次。CARPI等人的堆叠致动器和CHUC等人的堆叠致动器未被设计成吸收拉伸力。因为静电力仅从外侧到达相邻电极的外侧，所以存在堆叠致动器脱层的风险，因为没有力存在于所述电极内。K0VACS和DtJRING开发了一种用于生产极其薄的炭黑层的技术。从而生产的电极应仅由一层主要颗粒构成。这样的单层针对两个相邻电极产生静电力，且因此还能够吸收拉伸力[G.KOVACS和L.DtTRlNG]"ContractivetensionforcestackactuatorbasedonsoftdielectricEAP〃·在：ElectroactivePolymerActuatorsandDevices(EAPAD)2009中.由Y.BAR-COHEN和T.WALLMERSPERGER出版·vol.7287.1.SanDiego,CA，USA:SPIE，2009,72870A-15.]〇[0017]CARPI等人、CHUC等人以及K0VACS和DtlRING迄今为止提出的堆叠致动器概念的一个共同特征是，它们被设计为具有大偏移量且用于生成高的力的致动设备。在这两个基本配置中，基于3D多层结构的堆叠致动器允许电气输入能量最有效率地转换成机械功，这是因为由此构造结构实现的电场和扩展方向之间的平行。同样可以在DE102008002495中找到对折叠过程的描述。存在的一个缺点是，电极层从开始到结束是平坦的，且因此必须具有非常高的电导率。各层也必须精确地放置成一个在另一个之上，在层数较高的情况下，在此类型的折叠过程中，将各层精确地放置成一个在另一个之上变得越来越困难。在多层换能器的折叠边缘处出现的卷边形式的边缘区域是造成困难的原因之一。[0018]可以在扩展、张力和挠曲下操作多层致动器或多层换能器。还已知的是致动器可以附加地配备有一个回复弹簧。[0019]然而，根据现有技术的换能器具有三个主要缺点，其可归因于不够适合的弹性体、不充分的工业制造技术和不充分的的长期稳定性。提及的所有方法的缺点是，所述层（电极层和弹性体层）仅弱地粘附至彼此且在该过程中结构化的电极段的连续的、精确配合地接合或可能是仅非常慢且因此是非生产性的，或导致作用表面的严重移位。因为高偏移量需要高数目的层，该过程必须能够将它们几乎完美地堆叠成一个在另一个之上。[0020]现有技术的另一个缺点是，在所描述的情况下，在一个附加步骤中不得不将结构化的电极施加在堆叠的层之间，或直接施加到当前第1页1 2 3 4 5